Войти
УФ / видимый спектрофотометр Beckman DU640 Ультрафиолетовая – видимая спектроскопия или УФ-видимая спектрофотометрия (УФ-видимая или УФ / видимая ) относится к абсорбционной спектроскопии или спектроскопии отражения в части ультрафиолетовый и полный, соседний видимый спектральные области. Это означает, что он использует свет в видимом и соседнем диапазонах. Поглощение или отражение в видимом диапазоне напрямую влияет на воспринимаемый цвет используемых химических веществ. В этой области электромагнитного спектра, атомы и молекулы претерпевают электронные переходы. Абсорбционная спектроскопия дополняет флуоресцентную спектроскопию, поскольку флуоресценция имеет дело с переходами из возбужденного состояния в основное состояние, в то время как поглощение измеряет переходы из основного состояния в возбужденное.
Молекулы, содержащие связывающие и несвязывающие электроны (n-электроны), могут поглощать энергию в форме ультрафиолетового или видимого света. чтобы возбудить эти электроны на более высокие антисвязывающие молекулярные орбитали. Чем легче возбуждать электроны (т.е. чем меньше энергетический зазор между HOMO и LUMO ), тем большую длину волны света он может поглотить. Существует четыре возможных типа переходов (π – π *, n – π *, σ – σ * и n – σ *), и их можно упорядочить следующим образом: σ – σ *>n – σ *>π– π *>n – π *.
Пример считывания УФ / видимой области УФ / видимая спектроскопия обычно используется в аналитической химии для количественное определение различных аналитов, таких как ионы переходных металлов, высоко конъюгированные органические соединения и биологические макромолекулы. Спектроскопический анализ обычно проводится в растворах, но также могут быть изучены твердые вещества и газы.
Закон Бера – Ламберта гласит: t что поглощение раствора прямо пропорционально концентрации поглощающих веществ в растворе и длине пути. Таким образом, для фиксированной длины пути УФ / видимая спектроскопия может использоваться для определения концентрации поглотителя в растворе. Необходимо знать, насколько быстро изменяется поглощение при концентрации. Это может быть взято из справочных материалов (таблицы молярных коэффициентов экстинкции ) или, более точно, определено по калибровочной кривой.
. Спектрофотометр УФ / видимой области может использоваться в качестве детектора для ВЭЖХ. Присутствие аналита дает ответ, который, как предполагается, пропорционален концентрации. Для получения точных результатов реакцию прибора на неизвестный аналит следует сравнивать с ответом на стандарт; это очень похоже на использование калибровочных кривых. Отклик (например, высота пика) для конкретной концентрации известен как коэффициент отклика.
Длины волн пиков поглощения могут быть коррелированы с типами связей в данной молекуле и важны для определения функциональных групп внутри молекула. Например, правила Вудворда – Физера представляют собой набор эмпирических наблюдений, используемых для прогнозирования λ max, длины волны наиболее интенсивного поглощения УФ / видимого света для сопряженных органических соединений, таких как диены и кетоны. Однако сам по себе спектр не является специфическим тестом для какого-либо конкретного образца. Природа растворителя, pH раствора, температура, высокие концентрации электролита и присутствие мешающих веществ могут влиять на спектр поглощения. Экспериментальные вариации, такие как ширина щели (эффективная полоса пропускания) спектрофотометра, также изменят спектр. Чтобы применить УФ / видимую спектроскопию к анализу, эти переменные должны контролироваться или учитываться, чтобы идентифицировать присутствующие вещества.
Метод чаще всего используется в количественном отношении для определения концентраций поглощающих веществ в растворе., используя закон Бера – Ламберта :
,где A - измеренное поглощение (в единицах поглощения (AU)), 
Поглощение и экстинкция ε иногда определяется в терминах натурального логарифма вместо десятичного логарифма.
Закон Бера – Ламберта полезен для характеристики многих соединений, но не является универсальным соотношением для концентрации и поглощения всех веществ. Полиномиальное соотношение 2-го порядка между абсорбцией и концентрацией иногда встречается для очень больших сложных молекул, таких как органические красители (например, ксиленоловый оранжевый или нейтральный красный )..
УФ-видимая спектроскопия также используется в полупроводниковой промышленности для измерения толщины и оптических свойств тонких пленок на пластине. УФ-видимые спектрометры используются для измерения коэффициента отражения света и могут быть проанализированы с помощью дисперсионных уравнений Форухи – Блумера для определения показателя преломления (n) и коэффициента экстинкции (k) данной пленки. во всем измеренном спектральном диапазоне.
Закон Бера – Ламберта содержит неявные предположения, которые должны быть выполнены экспериментально, чтобы его можно было применить; в противном случае возможны отклонения от закона. Например, химический состав и физическая среда образца могут изменить его коэффициент экстинкции. Поэтому химические и физические условия испытуемого образца должны соответствовать эталонным измерениям, чтобы выводы были достоверными. Во всем мире фармакопеи, такие как Американская (USP) и Европейская (Ph. Eur.) Фармакопеи, требуют, чтобы спектрофотометры работали в соответствии со строгими нормативными требованиями, включая такие факторы, как рассеянный свет и точность длины волны.
Важно иметь источник монохроматического излучения для света, падающего на ячейку с образцом. Монохроматичность измеряется как ширина «треугольника», образованного всплеском интенсивности, равная половине максимальной интенсивности. Данный спектрометр имеет спектральную полосу пропускания, которая характеризует, насколько монохроматическим падающий свет. Если эта ширина полосы сравнима (или больше) с шириной линии поглощения, то измеренный коэффициент экстинкции будет ошибочным. При эталонных измерениях ширина полосы частот прибора (ширина полосы падающего света) остается ниже ширины спектральных линий. Когда исследуемый материал измеряется, ширина полосы падающего света также должна быть достаточно узкой. Уменьшение спектральной полосы пропускания уменьшает энергию, передаваемую на детектор, и, следовательно, потребует более длительного времени измерения для достижения того же отношения сигнал / шум.
В жидкостях коэффициент экстинкции обычно медленно изменяется с длиной волны. Пик кривой поглощения (длина волны, при которой поглощение достигает максимума) - это место, где скорость изменения поглощения с длиной волны наименьшая. Измерения обычно производятся на пике, чтобы минимизировать ошибки, вызванные ошибками в длине волны в приборе, то есть ошибками из-за того, что коэффициент ослабления отличается от предполагаемого.
Еще одним важным фактором является чистота используемого света. Наиболее важным фактором, влияющим на это, является уровень рассеянного света монохроматора..
Используемый детектор является широкополосным; он реагирует на весь свет, который его достигает. Если значительное количество света, прошедшего через образец, содержит длины волн, которые имеют гораздо более низкие коэффициенты экстинкции, чем номинальный, прибор сообщит о неверно низком поглощении. Любой прибор достигнет точки, когда увеличение концентрации образца не приведет к увеличению зарегистрированного поглощения, потому что детектор просто реагирует на рассеянный свет. На практике концентрацию образца или длину оптического пути необходимо отрегулировать так, чтобы неизвестная оптическая плотность находилась в пределах диапазона, допустимого для прибора. Иногда эмпирическая калибровочная функция разрабатывается с использованием известных концентраций образца, чтобы позволить измерения в той области, где прибор становится нелинейным.
В качестве приблизительного примера можно сказать, что прибор с одним монохроматором обычно имеет уровень паразитного света, соответствующий примерно 3 единицам поглощения (AU), что делает измерения выше примерно 2 AU проблематичными. Более сложный прибор с двойным монохроматором будет иметь уровень паразитного света, соответствующий примерно 6 а.е., что, следовательно, позволит измерять гораздо более широкий диапазон поглощения.
При достаточно высоких концентрациях полосы поглощения насыщаются и демонстрируют выравнивание поглощения. Пик поглощения кажется сглаженным, потому что почти 100% света уже поглощается. Концентрация, при которой это происходит, зависит от конкретного измеряемого соединения. Один из тестов, который можно использовать для проверки этого эффекта, - это изменение длины пути измерения. В законе Бера-Ламберта изменение концентрации и длины пути имеет эквивалентный эффект - разбавление раствора в 10 раз дает тот же эффект, что и сокращение длины пути в 10 раз. Если доступны ячейки с разной длиной пути, тестирование если это соотношение верно, это один из способов судить, происходит ли выравнивание поглощения.
Неоднородные растворы могут отличаться от закона Бера – Ламберта из-за явления сглаживания поглощения. Это может произойти, например, когда поглощающее вещество находится внутри взвешенных частиц. Отклонения будут наиболее заметны в условиях низкой концентрации и высокого поглощения. В последней ссылке описан способ исправления этого отклонения.
Некоторые растворы, такие как хлорид меди (II) в воде, визуально изменяются при определенной концентрации из-за изменения условий вокруг окрашенного иона (иона двухвалентной меди). Для хлорида меди (II) это означает сдвиг от синего к зеленому, что будет означать, что монохроматические измерения будут отклоняться от закона Бера-Ламберта.
Вышеуказанные факторы влияют на неопределенность измерения результатов, полученных с помощью спектрофотометрии в УФ / видимом диапазоне. Если УФ / видимая спектрофотометрия используется в количественном химическом анализе, то на результаты дополнительно влияют источники неопределенности, возникающие из-за природы измеряемых соединений и / или растворов. К ним относятся спектральные помехи, вызванные перекрытием полос поглощения, выцветанием цвета поглощающих частиц (вызванным разложением или реакцией) и возможным несоответствием состава между образцом и калибровочным раствором.
Прибор , используемый в ультрафиолетовой и видимой спектроскопии, называется спектрофотометром UV / Vis . Он измеряет интенсивность света после прохождения через образец (
Спектрофотометр УФ – видимого диапазонов также можно настроить для измерения коэффициента отражения. В этом случае спектрофотометр измеряет интенсивность света, отраженного от образца (
Основными частями спектрофотометра являются источник света, держатель для образца, дифракционная решетка в монохроматоре или призма для разделения разных длин волн света и детектора. Источником излучения часто является вольфрамовая нить накала (300–2500 нм), дейтериевая дуговая лампа, непрерывная в ультрафиолетовой области (190–400 нм), ксенон. дуговая лампа, непрерывная от 160 до 2000 нм; или в последнее время светоизлучающие диоды (LED) для видимых длин волн. Детектор обычно представляет собой фотоэлектронный умножитель , фотодиод, матрицу фотодиодов или устройство с зарядовой связью (CCD). Детекторы с одним фотодиодом и фотоэлектронные умножители используются со сканирующими монохроматорами, которые фильтруют свет так, что только свет одной длины волны достигает детектора за один раз. Сканирующий монохроматор перемещает дифракционную решетку для "сквозного" перехода на каждую длину волны, так что ее интенсивность может быть измерена как функция длины волны. Фиксированные монохроматоры используются с ПЗС-матрицами и матрицами фотодиодов. Поскольку оба этих устройства состоят из множества детекторов, сгруппированных в одно- или двухмерные массивы, они могут собирать свет с разной длиной волны на разных пикселях или группах пикселей одновременно.
Упрощенная схема двухлучевого УФ – видимого спектрофотометра Спектрофотометр может быть однолучевым или двухлучевым. В однолучевом приборе (таком как Spectronic 20 ) весь свет проходит через ячейку для образца.
В двухлучевом приборе свет разделяется на два луча, прежде чем достигнет образца. Один луч используется как эталонный; другой луч проходит через образец. За эталонную интенсивность луча принимается 100% пропускание (или 0 абсорбция), а отображаемое измерение представляет собой отношение двух интенсивностей луча. Некоторые двухлучевые приборы имеют два детектора (фотодиоды), и образец и эталонный луч измеряются одновременно. В других приборах два луча проходят через прерыватель луча , который блокирует один луч за раз. Детектор попеременно измеряет образец пучка и опорный пучок синхронно с прерывателем. В цикле измельчения также может быть один или несколько темных интервалов. В этом случае измеренные интенсивности луча могут быть скорректированы путем вычитания интенсивности, измеренной в темном интервале, прежде чем будет принято соотношение.
В однолучевом приборе сначала необходимо измерить кювету, содержащую только растворитель. Компания Mettler Toledo разработала однолучевой спектрофотометр, который позволяет проводить быстрые и точные измерения в УФ / видимом диапазоне. Источник света состоит из ксеноновой лампы-вспышки для ультрафиолетового (УФ), а также для видимого (VIS) и ближнего инфракрасного диапазона длин волн, охватывающего спектральный диапазон от 190 до 1100 нм. Вспышки лампы фокусируются на стекловолокне, которое направляет луч света на кювету, содержащую раствор образца. Луч проходит через образец, и его компоненты поглощают волны определенной длины. Оставшийся свет собирается после кюветы с помощью стекловолокна и подается в спектрограф. Спектрограф состоит из дифракционной решетки, которая разделяет свет на разные длины волн, и ПЗС-датчика для записи данных соответственно. Таким образом, весь спектр измеряется одновременно, что обеспечивает быструю регистрацию.
Образцы для спектрофотометрии в УФ / видимом диапазоне чаще всего представляют собой жидкости, хотя также можно измерить поглощение газов и даже твердых веществ. Образцы обычно помещаются в прозрачную ячейку , известную как кювета. Кюветы обычно имеют прямоугольную форму, обычно с внутренней шириной 1 см. (Эта ширина становится длиной пути, 
Также были изготовлены специальные инструменты. К ним относятся прикрепление спектрофотометров к телескопам для измерения спектров астрономических объектов. Микроспектрофотометры УФ – видимого диапазона состоят из микроскопа УФ – видимого света , интегрированного со спектрофотометром УФ – видимого диапазона.
Полный спектр поглощения на всех интересующих длинах волн часто может быть получен непосредственно с помощью более сложного спектрофотометра. В более простых приборах поглощение определяется по длине волны за раз, а затем оператором составляется спектр. Удалив зависимость от концентрации, можно определить коэффициент экстинкции (ε) как функцию длины волны.
УФ – видимая спектроскопия микроскопических образцов выполняется путем интеграции оптического микроскопа с оптикой УФ – видимого диапазона, источниками белого света, монохроматором и чувствительным детектором например, устройство с зарядовой связью (CCD) или фотоумножитель трубка (PMT). Поскольку доступен только один оптический путь, это однолучевые приборы. Современные приборы способны измерять УФ-видимые спектры как по отражательной способности, так и по пропусканию в областях отбора проб микронного масштаба. Преимущества использования таких инструментов заключаются в том, что они могут измерять микроскопические образцы, но также могут измерять спектры более крупных образцов с высоким пространственным разрешением. Таким образом, они используются в судебно-медицинской лаборатории для анализа красителей и пигментов в отдельных текстильных волокнах, микроскопических осколков краски и цвета осколков стекла. Они также используются в материаловедении и биологических исследованиях, а также для определения содержания энергии в угле и нефтематеринских породах путем измерения отражательной способности витринита. Микроспектрофотометры используются в полупроводниковой и микрооптической промышленности для контроля толщины тонких пленок после их нанесения. В полупроводниковой промышленности они используются, потому что критические размеры схемы микроскопические. Типичное испытание полупроводниковой пластины включает в себя получение спектров из многих точек на пластине с рисунком или без него. Толщина осажденных пленок может быть вычислена по интерференционной картине спектров. Кроме того, спектрофотометрия в ультрафиолетовом и видимом диапазонах может использоваться для определения толщины, а также показателя преломления и коэффициента экстинкции тонких пленок, как описано в Показатель преломления и коэффициент экстинкции тонкопленочных материалов. Затем можно создать карту толщины пленки по всей пластине и использовать ее для контроля качества.
УФ / видимый свет можно применять для определения кинетики или константы скорости химическая реакция. Реакция, протекающая в растворе, должна приводить к изменению цвета или яркости от реагентов к продуктам, чтобы использовать УФ / видимый свет для этого применения. Например, молекула дитизоната ртути имеет желто-оранжевый цвет в разбавленном растворе (1 * 10 ^ -5 M) и становится синим при воздействии определенных длин волн видимого света (и УФ) через конформационное изменение, но эта реакция обратимо обратно в желтое «основное состояние».
Используя оптические волокна в качестве передающего элемента спектра горючих газов, можно определить химический состав топлива, температуру газов и соотношение воздух-топливо.
Константу скорости конкретной реакции можно определить путем измерения спектра поглощения УФ / видимой области через определенные интервалы времени. Снова используя дитизонат ртути в качестве примера, можно направить свет на образец, чтобы раствор стал синим, а затем запускать УФ / видимый тест каждые 10 секунд (переменная), чтобы увидеть, как уровни поглощенной и отраженной длин волн меняются с течением времени в соответствии с раствор снова становится желтым из возбужденного синего энергетического состояния. По этим измерениям можно рассчитать концентрацию двух видов. Реакция дитизоната ртути от одной конформации к другой является реакцией первого порядка и будет иметь интегральный закон скорости первого порядка: ln [A] (время t) = - kt + ln [A] (начальное). Следовательно, построение графика натурального логарифма (ln) концентрации [A] в зависимости от времени приведет к графику линии с наклоном -k или отрицательной константой скорости. Различные порядки скорости имеют разные интегрированные законы скорости в зависимости от механизма реакции.
Константу равновесия также можно рассчитать с помощью УФ / видимой спектроскопии. После определения оптимальных длин волн для всех частиц, участвующих в равновесии, реакцию можно запустить до равновесия, и концентрацию компонентов определить с помощью спектроскопии на различных известных длинах волн. Константу равновесия можно рассчитать как K (экв) = [Продукты] / [Реагенты].
