спектрофотометр для чего используется
Спектрофотометр
Электронный прибор, с помощью которого определяется состав веществ и их соединений в эмульсиях, взвесях и растворах называется медицинским спектрофотометром. Устройство имеет два наиболее известных названия: фотоэлектрический фотометр и фотоэлектроколориметр. Спектрофотометры используются в различных сферах, но больше всего они нашли свое применение в медицине и фармацевтике. Приборы отличаются высокой точностью и позволяют сэкономить реактивы и время на проведения исследования.
Особенности спектрофотометров
Самые первые фотометры нуждались в участии медицинского работника для проведения исследования. Специалист должен был сравнивать и фиксировать полученные с устройства показатели. Данные сопоставлялись с общепринятыми нормативами. На смену таким приборам пришли автоматизированные фотоэлектроколориметры.
Спектрофотометры – это современное медицинское оборудование, которое предназначается для изучения и анализа свойств предметов либо веществ с помощью электромагнитного излучения. Световые лучи проходят сквозь пробу или отражаются от нее. Прибор сравнивает поток света, который первоначально направляется на биоматериал с излучением, проходящим сквозь образец либо отражающим от его поверхности.
Для проведения анализа сканируется широченный диапазон волн: начиная от 160 нм (ультрафиолет), заканчивая 3300 нм (инфракрасные лучи), с помощью чего получается максимально точная информация о веществе.
Спектрофотометрическая методика основана на том, что каждый предмет обладает особенными спектральными характеристиками. Именно поэтому во время проведения анализа не играет роли температурный режим и агрегатное состояние образца. Особенностью спектрофотометра является возможность проведения качественных и количественных исследований.
Главным плюсом фотоэлектрического фотометра есть вывод полученной информации на дисплей (лаборант может увидеть состав пробы, наличие и численность примесей). С помощью специальных световых фильтров устройство определяет в образце не менее 3-5 составляющих компонентов.
Сферы применения
Спектрофотометры используются для исследований в биохимии (анализируются липиды, электролиты, субстраты, ферменты), иммунохимии (проводится анализ ламбда, ферритин, миоглобин, микроальбумин, гаптоглобин), бактериологии. Для анализа качества еды и воды (сточной, природной и питьевой) применяется фотоэлектроколориметр. При определении качественных характеристик воды определяется мутность и цвет жидкости, наличие тяжелых металлов и поверхностно-активных компонентов, содержание нитритов, фосфатов, фенолов и сульфатов.
Спектрофотометр пригодится для проведения научных, гормональных, экологических и специальных исследований. В отделениях санитарно-эпидемиологического надзора обязательным является наличие данного прибора. Кроме медицины оборудование используется в сельском хозяйстве и промышленной отрасли.
Фотоэлектрический фотометр нужен для:
Фотоэлектроколориметр – это устройство, которое применяется для проведения различных исследований: медицинских; биологических; фармацевтических; химических. Благодаря точным результатам, которые появляются на экране оборудования, доктор может узнать характеристику реагентов и назначить пациенту эффективное лечение.
Как устроен прибор?
Абсолютно все автоматизированные фотоэлектроколориметры состоят из: источника света (вольфрамовой, дейтериевой или галогено-дейтериевой лампы); усилителя сигналов; фотоприемника; монохроматора; оптических составляющих (световодов, зеркала, призмы и стекла); отсека для реагента.
Монохроматор содержит дифракционную решетку либо призму, которые выделяют излучение определенной длины волны. В различных моделях есть от одного до четырех отсеков для проб. С помощью фотоприемников спектрофотометр фиксирует уровень светового излучения, который проходит сквозь биологический материал.
Наиболее современные приборы укомплектованы фотодиодной матрицей, в состав которой входит встроенный датчик. Чип преобразует световой сигнал в электрический, это фиксируется микроконтроллером и высвечивается на мониторе оборудования. Не достаточно мощные приборы обрабатывают волны с различной длиной постепенно, и только потом выводят результаты на дисплей. От количества фотодиодных датчиков зависит производительность и информативность спектрофотометра.
С помощью приборов с фотодиодной матрицей можно проводить оперативные исследования не отходя от производства либо во время возникновения химической реакции. Это позволяет детально проанализировать состояние реакционных веществ.
Особенности работы устройства
Спектрофотометрическая методика основана на измерении степени отражения или поглощения монохроматических световых лучей. Во время исследования посторонние факторы не могут влиять на результативность анализа. Все приборы работают на двух разновидностях схем. В первом случае на пробу попадает монохроматический световой луч с определенной длиной волны, который после прохождения через образец направляется на фотоприемник, измеряющий разницу между потоками.
Суть второй схемы заключается в том, что на реагент попадает световой поток прямо от лампы, затем монохроматор выделяет небольшой пучок и направляет его к фотоприемнику.
Спектрофотометры бывают однолучевыми и двухлучевыми. В приборах с одним лучом для измерения применяются коэффициенты коррекции. В случае двухлучевой диагностики один луч попадает на пробу, а второй – на эталонное значение. Оборудование с двумя лучами более точное, информативное и менее чувствительное к окружающим факторам.
Правила выбора спектрофотометра
При подборе устройства необходимо учитывать сферу его применения и выполняемые задачи. Фотоэлектрические фотометры бывают переносными и стационарными. Портативные аппараты имеют небольшой вес, компактные и легкие в использовании. Стационарные приборы устанавливаются в медицинских учреждениях и диагностических центрах. С помощью этих устройств проводятся более сложные измерения. Такие спектрофотометры могут подключаться к персональному компьютеру с помощью кабеля, а полученные данные подлежат архивированию, обработке и распечатке на принтере.
При выборе медицинского аппарата нужно учитывать: спектр действия (диапазон); длину волны; многофункциональность устройства; габариты; цену; вероятность проведения определенных исследований; количество секций для реагентов; способ получения результатов. Также необходимо обратить внимание на штатную комплектацию модели спектрометра, потому как практически все современные приборы продаются с кюветом и чашкой Петри.
Спектрофотометр. Виды и работа. Применение и особенности
Спектрофотометр – это электронный оптический прибор для измерения цвета твердых поверхностей и жидких веществ путем их спектрального анализа. Устройство является более точным и универсальным в применении чем колориметр, поскольку не просто сравнивает цвета для определения их схожести, а дает конкретные параметры спектра, то есть полное название. При подборе цветов оперировать такими данными гораздо удобней, чем просто сравнивая эталон и образец, постоянно корректируя оттенок последнего под необходимые параметры.
Как работает спектрофотометр
Прибор направляет на измеряемый предмет или вещество пучок света, который отражается с поверхности либо пропускается сквозь нее (у жидкостей и пленок).
Принцип его работы позволяет проводить анализ различных поверхностей и веществ:
Спектрофотометр оснащается встроенной лампой освещения, которая излучает свет с установленными параметрами яркости и температуры. Свет отражается от анализируемой поверхности и попадает на фоточувствительный элемент. Тот воспринимает длину отраженных лучей. Матрица прибора проводит анализ исходных данных, в результате которого электронная часть выдает информацию о характеристиках отраженных и поглощенных лучей. В результате эти данные переводятся в коэффициент отражения либо пропускания. Коэффициент у каждого цвета уникален, поэтому зная его можно точно определить оттенок.
Виды спектрофотометров по источнику света и площади измерения
Разные спектрофотометры работают от разных источниках света. Определить какой именно установлен на том или ином устройстве можно по буквенной маркировке:
Кроме источника света при анализе спектра цвета предмета или вещества важна и его площадь измерения. Этот показатель отвечает за величину области, которая поддается сканированию. Чем она больше, тем точнее результат, поскольку берутся данные с большего количества точек, и выводится средний показатель. Устройства с малой площадью измерения являются тоже точными, но только при анализе ровных однородных по цвету поверхностей. Если же нужно определить цвет порошка, гранул, природного камня и прочих сложных поверхностей, то нужна большая площадь измерения.
Стационарные и мобильные приборы
Спектрофотометры отличаются между собой по габаритам, точности и удобству использования. Они бывают:
Стационарный спектрофотометр является на порядок точнее. Он используется для лабораторного анализа спектра, также применяется на производствах. Такие устройства имеют крупную измерительную головку, но для них характерны большие габариты, поэтому их сложно транспортировать. Их питание осуществляется от электрической сети, поэтому такие спектрометры не могут использоваться как аппараты для полевых исследований. Данные устройства подразумевают необходимость использования для анализа малого образца. Они совершенно не подходят, к примеру, для определения цвета краски на детали кузова автомобиля, так как ее просто не получится приложить к устройству.
Мобильные или портативные приборы отличаются малым весом. Они питаются от аккумулятора или батареек. Благодаря этому их можно использовать в любом месте, вне зависимости от наличия там электросети. Результаты измерения устройства выводятся сразу в реальном времени на его ЖК-дисплей. Кроме этого данные приборы обладают собственной внутренней памятью, поэтому результаты замеров не нужно отдельно выписывать сразу же после исследования. Портативные устройства просто прикладываются сканирующей головкой к поверхности, цвет которой нужно определить. Это позволяет их применять для анализа крупных объектов.
Перед использованием прибора любого типа для достижения максимальной точности необходимо провести очистку сканируемой поверхности. Наличие пыли или грязных разводов существенно снизит точность конечного результата. Также нужно отметить, что поскольку мобильное устройство часто применяется на улице, то следует учитывать, что точность измерения во многом зависит от окружающей температуры. Если она больше +30°С, то измерения нужно отложить, пока поверхность образца не остынет.
Геометрия измерения спектрофотометром
Очень важным параметром прибора, влияющим на его точность, является геометрия измерения. Она состоит из двух значений. Первое указывает на то как осуществляется освещение образца, а второй как тот наблюдается.
Спектрофотометр может работать по следующим геометриям измерений:
Точность измерения напрямую зависит от применяемой геометрии освещения. В связи с этим в современных спектрофотометрах используются только схемы 45/0 и D/0. Геометрия 45/0 наиболее бюджетная в производстве приборов и позволяет добиться быстрого анализа результатов. Поэтому ее применяют в портативных устройствах.
Однако приборы с геометрией 45/0 дают погрешность. Дело в том, что цвет образца воспринимается по-разному, в зависимости от того с какой стороны его анализировать. Особенно это характерно для красок с мелкими частицами, типа металлик. Это заметно даже визуально невооруженным глазом. В связи с этим для более точных измерений применяется спектрофотометр работающий по схеме D/0. Он направляет много пучков света, создавая на поверхности образца световое кольцо. Благодаря этому осуществляется множественный анализ.
Существует модификация приборов с интегрирующей сферой, работающей от светодиодного источника света. Она обозначается как D/0:с. Это очень точные устройства, но не применимые для исследования цвета на глянцевых и металлизированных поверхностях.
Обычные приборы D/0 исключают зеркальную составляющую, поскольку они имеют ловушку блеска. Она позволяет компенсировать блики и получить нормальный обзор поверхности для определения ее фактического цвета.
Когда какой прибор использовать
В зависимости от того какую геометрию измерения имеет спектрофотометр, зависит его фактическая себестоимость производства. Самыми дорогими являются устройства, работающие по схеме D/0. Однако их высокая точность не всегда нужна, поэтому существует масса задач, которые можно успешно решать аппаратами других типов. При этом получаемая в результате погрешность во многих ситуациях не является критичной.
Так если нужно проанализировать цвет образца с флуоресцентными свойствами или если он имеет эффект отбеливания, то оптимально применять спектрофотометр работающий по схеме D/0. Этот же прибор будет самым эффективным и для измерения светопропускной способности жидкости или тонкой пленки. Устройства этого типа способны рассчитать рецепт цвета, чтобы потом точно его воссоздать.
Если нужно просто проконтролировать цвет, чтобы убедиться что он соответствует эталону, то достаточно использования прибора работающего с геометрией 45/0. Это, как правило, портативные устройства, которые предусматривают возможность подключения к компьютеру. На последний устанавливается одно из многих доступных программных обеспечений. ПО используя данные от спектрофотометра сравнивает их с базой цветов. Это позволяет проверить идентичность цветов, или даже узнать точное название цвета, в том числе маркировку и бренд краски, которая полностью ему соответствует.
Где применяются спектрофотометры
Это сугубо профессиональный и достаточно дорогостоящий прибор, применение которого для любительских задач совершенно нерентабельно. Его используют на производствах для контроля сырья, чтобы готовая продукция разных партий полностью соответствовала друг другу. Именно благодаря использованию спектрофотометров колоранты, краски, мебель и многие другие товары всегда имеют одинаковый заявленный цвет, даже если относятся к партиям продукции произведенной в разные годы.
Портативный спектрофотометр в основном предназначен для контроля попадания в цвет при выполнении реставрационных работ. Если нужно сделать частичную перекраску поверхности, с целью экономии краски, то используя прибор можно узнать какой тон использовать, чтобы избежать видимого перехода между подкрасами и старым покрытием.
Это особенно актуально при покраске поврежденных деталей кузова автомобилей. Специально для этой задачи под многие спектрофотометры разработано программное обеспечение с каталогом красок разных производителей. Благодаря этому проведя сканирование очищенной поверхности кузова автомобиля со старой краской, можно ввести данные спектра в поиск программы. В результате она выдаст список красок с указанием названия бренда и тона, которые дадут такой же цвет. При этом они будут упорядочены по порядку попадания в цвет. Сначала указываются краски полностью соответствующие по тону, потом с погрешностью 1%, 1, 5% и т.д.
Спектрофотометры, их устройство
Спектрофотометры — современное оборудование, предназначенное для изучения 
свойств веществ или предметов посредством анализа спектра оптического диапазона электромагнитного излучения, прошедшего через образец или отраженного от него. Проще говоря, спектрофотометры сравнивают поток света, изначально направленный на изучаемый образец, с потоком света, прошедшим через образец или отразившимся от него. Для исследований сканируют максимально широкий диапазон длин волн — от 160 нм (область ультрафиолета) до 3300 нм (инфракрасная область), что позволяет получить максимум информации о веществе.
Методы спектрофотометрии основаны на том, что своими, характерными только для него, спектральными свойствами, обладает каждое вещество. При этом не имеют значения агрегатное состояние, температура, взаимодействие образца с другими веществами, например, в смеси или химическом соединении. С помощью спектрофотометров возможны качественные и количественные исследования.
Спектрофотометры сложнее и дороже обычных фотоколориметров, но зато они точнее и позволяют решать более сложные задачи. Большим преимуществом спектрофотометров является возможность делать вывод о составе вещества, наличии и количестве примесей, в то время как фотоколориметры работают только с уже известными растворами. Например, подделку красного вина с помощью фуксина определить фотоколориметром невозможно, так как цвет раствора фуксиновых солей идентичен цвету натурального вина. А вот спектрофотометр легко выявит и идентифицирует нетипичный спектр посторонней примеси.
Устройство спектрофотометра
Спектрофотометры всех видов состоят из следующих основных компонентов:
— источник света;
— монохроматор;
— оптические элементы, направляющие световой поток: стекла, призмы, зеркала, световоды и пр.;
— отделение для изучаемого вещества, твердого или жидкого;
— фотоприемник;
— усилитель сигналов.
В качестве источника света применяются обычные вольфрамовые лампы, работающие в видимом и инфракрасном спектре, дейтериевые лампы для УФ-диапазона, комбинированные галогено-дейтериевые лампы с диапазоном от ультрафиолетового до инфракрасного.
В монохроматоре используют призмы или дифракционные решетки, выделяющие излучение определенной длины волны, обычно с точностью ±10 нм (прецизионные лабораторные приборы позволяют производить анализ с точностью ±2 нм).
Отделение для изучаемого вещества может быть приспособлено как для одного образца, так и для нескольких, а также для оперативного проточного анализа.
Фотоприемники фиксируют уровень светового потока, прошедшего через исследуемый образец. Результаты могут отображаться в разных видах, в зависимости от назначения прибора и от выбора вида исследования. Как правило, спектрофотометры оснащаются несколькими типами фотоприемников для того, чтобы фиксировать излучение в различных областях спектра. Например, сурьмяно-цезиевый способен фиксировать излучение с длиной волны от 186 до 700 нм, а полупроводниковый на основе PbS — от 700 до 1800 нм.
Самые современные спектрофотометры оснащаются фотодиодной матрицей 
с встроенными датчиками для каждого диапазона длин волн. Все датчики преобразуют световые сигналы в электрические одновременно, позволяя специализированным микроконтроллерам практически мгновенно выводить результаты анализов на дисплей. (Обычные спектрофотометры обрабатывают сигналы для волн разной длины последовательно.) От того, сколькими фотодиодными датчиками оснащен прибор, зависит его разрешающая способность. Спектрофотометры с фотодиодной матрицей позволяют проводить оперативные анализы прямо на производстве и в момент химической реакции, анализируя состояние реакционных продуктов.
В следующей статье мы расскажем о принципе работы спектрофотометров, местах их применения и особенностях подбора подходящего оборудования для лаборатории.
Цвет является ощущением, что возникает в человеческом мозге из-за цветового стимула (лучистая энергия, которая проникает в человеческий орган зрения). Но бывают ситуации, когда цвет необходимо измерить.
Электронный оптический аппарат, которым измеряют цвет называется спектрофотометр. С его помощью измеряют величину излучения в нужной области видимого спектра.Данный прибор более точен по сравнению с колориметром. Образец для измерения может иметь вид жидкости, твердого тела, пасты, гранул, пленки либо порошка.
Он пропускает либо отражает падающий на него свет от источника освещения.
Измерение спектрофотометром происходит следующим образом: встроенная лампа (источник освещения) излучает измерительный свет, он отражается от образца, призмы (либо дифракционные решетки) разделяют его на части, каждая часть имеет свою полосу пропускания (обычно это 10 нанометров). Свет от каждой из этих частей попадает на фоточувствительный элемент. Матрица этих элементов выдаст все данные об энергетическом распределении по отраженному, поглощенному либо пропущенному образцом излучаемому спектру. Как итог получается коэффициент отражения либо пропускания, он выражается в процентах.
Характеристики спектрофотометров
Спектрофотометры обладают целым набором технических параметров, которые влияют на выбор модели прибора. Даже конструкцию спектрофотометра определяет область его применения.
Выбирая спектрофотометр, нужно узнать, какой источник излучения указан в документации.
Данный параметр обозначается заглавной буквой латинского алфавита:
Диаметр площади для измерения цвета также имеет большое значение. Если предстоит проводить измерение цвета гранул, порошка, искусственных камней либо поверхностей с неоднородным окрашиванием, то нужен прибор с большой апертурой, чтобы была хорошая сходимость итогов измерения. Однако иногда возникает необходимость и в небольшом диаметре площади для измерения цвета.
Важными параметрами спектрофотометра являются повторяемость и воспроизводимость итогов измерения.
Приборы спектрофотометры подразделяются на несколько категорий:
Таблица. Операции и средства поверки спектрофотометров инфракрасных согласно ГОСТ 8.657-2009.
Измерение спектрофотометром
При выборе спектрофотометра, помимо других технических параметров, необходимо обратить внимание и на геометрию измерения (первое значение – это освещение образца, второе значение – отраженный световой поток). Геометрия измерения определяет, как образец освещен и как наблюдается. Существует несколько геометрий освещения, чтобы измерять спектр отраженного сигнала, которые установлены на заседании комиссии по вопросам освещения, членами которой являются специалистами из разных стран.
Есть несколько измерительных геометрий:
Сейчас применяют модели спектрофотометров, имеющие измерительную геометрию, обозначаемую 45/0 и D/0.
Приборы, чья измерительная геометрия обозначена 45/0, являются дешевыми и портативными. Их применяют, контролируя цвет и измеряя шкалу теста (создание ICC профилей). Сначала они обладали одним световым источником, а потом появились спектрофотометры с симметричными световыми источниками (их два).
Специалисты заметили, что в цветах образцов, освещаемых с различных сторон, есть весьма заметные отличия.
Чтобы эти различия усреднить, начали применять спектрофотометры со световыми источниками в виде колец (геометрия измерения 45/0:c). Однако их нельзя использовать для металлизированных и глянцевых образцов (свет отражается зеркально, измерения обладают большой погрешностью).
Приборы, чья геометрия измерения D/0, лишены таких ограничений, а образец имеет диффузное освещение. В них зеркальную составляющую исключают, размещая приемник света под углом, равным 8 градусам, к нормали, и размещая ловушку блеска (она включает либо выключает зеркальный компонент) напротив.
Когда свет не падает на образцовую поверхность под углом 8 градусов из-за ловушки блеска, то он не отразится зеркально, а будет лишь диффузный свет отраженного потока. Получается измерительная геометрия, которую принято обозначать D/8. Зеркальную ловушку в закрытом виде (включение зеркального компонента) обозначают как D/8:i. Зеркальную ловушку в открытом виде (исключение зеркального компонента) обозначают как D/8:e.
Существуют предметы, окрашенные в особые цвета (вкрапления из металла либо жемчужные пигменты), чтобы они выделялись на общем фоне похожих предметов. И дать визуальную оценку таким предмета при помощи спектрофотометров с угловой либо со сферической геометрией становится затруднительно. Поэтому используют приборы с многоугловой геометрией (объект подсвечивается под углом 45 градусов, а измерение выполняется под незеркальным углом 15 градусов, 25 градусов, 45 градусов, 75 градусов и 110 градусов).
Работа спектрофотометра
Спектрофотометры различают по точности измерения и по техническим возможностям. Типы спектрофотометров определяются задачами цветового управления. К примеру, когда нужно измерить образцы с флуоресцентными колорантами либо с оптическим отбеливателем, тогда нужно применить прибор, геометрия измерения которого сферическая, источник освещения импульсный и есть устройство калибровки ультрафиолетовой составляющей в спектре излучения спектрофотометра.
Чтобы измерять образцы на пропускание (жидкость либо пленочка), нужно применять прибор, геометрия измерения которого сферическая и есть возможность измерять пропускание света (общее либо направленное).
Когда спектрофотометр нужен только для контролирования цвета (не нужен расчет рецепта цветов), то возможно применять прибор с угловой геометрией (45/0 либо 0/45). Но, когда важно контролировать цвет и рассчитывать цветовой рецепт, то обязательно нужен прибор, геометрия цвета которого сферическая (D/8).
Специалисты маркетинга применяют спектрофотометры, чтобы оценивать качество цвета товара и упаковки, а также для описания в количественном эквиваленте впечатлений людей, которые появляются благодаря органам зрения. Спектрофотометры используют, чтобы измерять численные различия в цвете эталона и образца товара, и чтобы создавать рецепты красок.
Используют спектрофотометры при изготовлении пищевых продуктов, чтобы определять цвет готового изделия, которую будут употреблять в пищу.
Данные приборы необходимы и на предприятиях, выпускающих пластмассы, ткани, лакокрасочные материалы, косметическую продукцию.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что: спектрофотометры могут различаться конфигурацией и измерительной геометрией. От области применения зависит выбор типа прибора.
материалы по теме
Фотоинициаторы
Большинство химических элементов, которые используются в различных видах промышленности, обладают особой способностью, при помощи которой происходит поглощение и последующее преобразование света.
