Цвет в нашей повседневной жизни присутствует буквально повсюду. А знаете ли вы, что цвет можно не только увидеть, но ещё и измерить? Делается это с помощью спектрофотометра – важного инструмента, который преимущественно используется биологами и технологами при анализе химических и биологических образцов. В этой статье будут рассмотрены некоторые основы спектрофотометрии и их применение на практике измерений.
Свет и цвет
Можно сказать, что цвета самого по себе не существует, так как он зависит от света. То есть, на самом деле цветов мы не видим, а то, что воспринимается нами как цвет – это ни что иное, как эффект света, попадающего на объект. Когда на объект направлен белый свет, он может отражаться, поглощаться или передаваться. Например, стекло передает большую часть света, который соприкасается с ним, поэтому оно кажется нам бесцветным. Снег, наоборот, отражает весь поступающий свет и поэтому кажется белым, а чёрная тряпка, в свою очередь, поглощает свет, поэтому кажется чёрной. Красная часть бумаги отражает красный свет лучше, чем другие цвета и т д.. Большинство объектов кажутся цветными, потому что их химическая структура поглощает определенные длины волн света и отражает другие.
При обсуждении света мы обычно имеем в виду белый свет. Тонкая линия света называется лучом, который состоит из множества лучей света. Когда белый свет проходит через призму (треугольный прозрачный объект), то цвета, составляющие белый свет, рассеиваются на семь полос цвета. Именно эти полосы цвета называются спектром. Семь цветов составляют белый свет: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. В любом спектре полосы цвета всегда упорядочены слева направо.
Предположим, что мы светим пучком белого света на веществе, поглощающем голубой свет. Поскольку синий компонент белого света поглощается этим веществом, то свет, который передается, в основном, желтый, достигает наших глаз, и мы «видим» вещество окрашенным в жёлтый цвет. На цветовых вариациях, которые формируются при изменениях концентрации какого-либо компонента цвета, построен колориметрический анализ.
Что такое колориметрия?
Колориметрия – это просто измерение цвета или, другими словами, определение концентрации вещества путем измерения относительного поглощения света относительно известной концентрации вещества. В визуальной колориметрии естественный или искусственный белый свет обычно используется в качестве источника света, и анализ обычно производится с помощью простого инструмента, называемого колориметром или компаратором цвета.
Колориметрический анализ основан на утверждении о том, что многие вещества реагируют друг с другом и образуют цвет, который может указывать на концентрацию измеряемого вещества. Когда вещество подвергается воздействию света с интенсивностью света (I₀), часть излучения поглощается молекулами вещества и формируется излучение интенсивности (I). Эта разница в интенсивности используется для колориметрического определения.
Количество поглощенного излучения определяется Законом Бера-Ламберта: A = Ɛ · l · C, где А – это поглощение, Ɛ – молярный коэффициент экстинкции [L/(моль · см)], l – длина пути (см), C – концентрация (моль/л).
Фотометр VS спектрофотометр
Фотометр
Фотометр изолирует конкретную длину волны света с помощью фильтров. Колориметр использует фильтры пограничных полос или некоторую подобную систему для разделения света на цветовые компоненты, а затем подгоняет значения цвета, исходя из того, что увидит человеческий глаз. Это идеально подходит для соответствия «визуальным» возможностям человека, однако ничего не говорит о невидимых для человеческого глаза данных – например, об эмиссионных всплесках в узких точках спектра. Такие спектральные данные требует «вмешательства» спектрофотометра.
Спектрофотометр
Спектрофотометр отличается от фотометров тем, что он позволяет производить измерения в спектре всех длин волн видимого света, а не только работать с заранее заданными длинами волн. Эти приборы функционируют, изолируя свет на определенных длинах волн от белого света. Спектрофотометр разрывает свет до спектра, используя так называемую цветную решетку. Затем массив датчиков считывает каждую составляющую спектра. Это очень эффективно, если вы анализируете спектральные излучения лампочки, звезды или какого-либо другого источника света. Не случайно спектрофотометры широко используются в научно-исследовательской деятельности.
Разновидности оптических конфигураций спектрофотометра
Фотометр с одиночным лучом
В обычном однолучевом спектрофотометре измерения в «эталоне» и измеряемом образце происходят последовательно с интервалом в несколько секунд для измерения одной длины волны и занимают до нескольких минут в процессе полного измерения спектра. Недостатком такой конфигурации прибора может стать существенная погрешность измерений.
Двухлучевой спектрофотометр
Двойной (или двухлучевой) спектрофотометр был разработан для компенсации вышеупомянутой погрешности. В данной конфигурации источник света излучает один световой пучок, который затем расщепляется светоизлучателем, формируя два луча равной энергии и с равным оптическим путем. Один пучок проходит через «эталон», в то время как другой луч проходит через измеряемый образец.
Между тем, у двойных фотометров также присутствуют недостатки. Например, по сравнению с однолучевыми конструкциями двухлучевые приборы содержат больше оптических компонентов, что снижает пропускную способность и чувствительность этих измерителей. Для повышения чувствительности может потребоваться более длительное время измерения. Кроме того, более сложная механическая конструкция двухлучевого спектрофотометра может привести к снижению надёжности прибора.
Фотометр «сплит»
Этот спектрофотометр напоминает двухлучевой спектрофотометр, однако здесь используется расщепитель луча, чтобы посылать свет одновременно на два отдельно стоящих, но идентичных детектора. Эта конфигурация с расщепленным пучком позволяет одновременно измерять «эталон» и образец для измерений. Спектрофотометр «сплит» механически проще, чем двухлучевой инструмент, и предполагает меньшее количество оптических элементов, а значит, наибольшую надёжность.
Наиболее распространённые сферы использования спектрофотометров
Сегодняшние спектрофотометры рассчитаны на долгий срок службы и могут стабильно работать в любых условиях, что обеспечивает гибкость их использования. И хотя сферы применения фотометров практически неограничены, наибольшее распространение они получили в анализе качества воды, определении качества вина и алкогольной продукции, выявлении свойств сельскохозяйственных удобрений. Повторимся, это – лишь некоторые из многих возможных применений спектрофотометра.
По материалам статьи Тиффани Фредетт. Тиффани – выпускница Университета Род-Айленда, обладательница учёной степени в области биологии и сохранения дикой природы. Обладая большим опытом экологических и медицинских исследований, она использует свои технические знания в создании контента для компании Hanna Instruments.
