Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Спектр спектроскопического анализа
Range of spectroscopic analysis
Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия или ультрафиолетово-видимая (УФ-VIS) спектрофотометрия – это метод абсорбционной или рефлекционной спектроскопии, использующий ультрафиолетовую и прилегающую видимую области электромагнитного спектра. УФ-VIS спектрофотометры работают, пропуская луч света через образец и измеряя количество света, поглощенного на каждой длине волны. Количество поглощенного света пропорционально концентрации поглощающего вещества в образце.
Ultraviolet (UV) spectroscopy or ultraviolet–visible (UV–VIS) spectrophotometry refers to absorption spectroscopy or reflectance spectroscopy in part of the ultraviolet and the full, adjacent visible regions of the electromagnetic spectrum. UV vis spectrophotometers work by passing a beam of light through the sample and measuring the amount of light that is absorbed at each wavelength. The amount of light absorbed is proportional to the concentration of the absorbing compound in the sample
Оптические переходы
Большинство молекул и ионов поглощают энергию в ультрафиолетовом или видимом диапазоне, то есть они являются хромофорами. Поглощенный фотон возбуждает электрон в хромофоре на более высокие по энергии молекулярные орбитали, приводя к образованию возбужденного состояния. Для органических хромофоров предполагается четыре возможных типа переходов: π–π*, n–π*, σ–σ* и n–σ*. Комплексы переходных металлов часто имеют цвет (то есть поглощают видимый свет) благодаря наличию множества электронных состояний, связанных с незаполненными d-орбиталями.
Most molecules and ions absorb energy in the ultraviolet or visible range, i. e., they are chromophores. The absorbed photon excites an electron in the chromophore to higher energy molecular orbitals, giving rise to an excited state. For organic chromophores, four possible types of transitions are assumed: π–π*, n–π*, σ–σ*, and n–σ*. Transition metal complexes are often colored (i. e., absorb visible light) owing to the presence of multiple electronic states associated with incompletely filled d orbitals.
Практические соображения
Закон Бера-Ламберта основан на неявных предположениях, которые необходимо экспериментально соблюдать для его применимости; в противном случае возможны отклонения от закона. Например, химический состав и физические условия образца могут изменять его молярный коэффициент поглощения. Следовательно, химические и физические характеристики исследуемого образца должны соответствовать условиям, при которых были получены эталонные измерения, чтобы выводы были достоверными. Во всем мире фармакопеи, такие как Американская (USP) и Европейская (Ph. Eur.), требуют, чтобы спектрофотометры соответствовали строгим нормативным требованиям, охватывающим такие параметры, как паразитное излучение и точность длины волны.
The Beer–Lambert law has implicit assumptions that must be met experimentally for it to apply; otherwise there is a possibility of deviations from the law. For instance, the chemical makeup and physical environment of the sample can alter its extinction coefficient. The chemical and physical conditions of a test sample therefore must match reference measurements for conclusions to be valid. Worldwide, pharmacopoeias such as the American (USP) and European (Ph. Eur.) pharmacopeias demand that spectrophotometers perform according to strict regulatory requirements encompassing factors such as stray light and wavelength accuracy.
Спектровая полоса
Спектральная полоса спектрофотометра – это диапазон длин волн, которые прибор пропускает через образец в данный момент времени. Она определяется источником света, монохроматором, его физической шириной щели, оптической дисперсией и детектором спектрофотометра. Спектральная полоса влияет на разрешение и точность измерения. Более узкая спектральная полоса обеспечивает более высокое разрешение и точность, но также требует больше времени и энергии для сканирования всего спектра. Более широкая спектральная полоса позволяет проводить более быстрое и простое сканирование, но может привести к снижению разрешения и точности, особенно для образцов с перекрывающимися пиками поглощения. Поэтому выбор подходящей спектральной полосы важен для получения достоверных и точных результатов. Для повышения линейности отклика важно использовать монохромный источник излучения для света, падающего на кювету с образцом. Побочный свет в УФ-спектрофотометре – это любой свет, достигающий детектора, длина волны которого отличается от выбранной монохроматором. Это может быть вызвано, например, рассеянием света внутри прибора или отражением от оптических поверхностей. Побочный свет может приводить к значительным ошибкам при измерениях поглощения, особенно при высоких значениях поглощения, поскольку он добавляется к сигналу, зарегистрированному детектором, даже если он не соответствует выбранной длине волны. В результате измеренное и сообщенное значение поглощения будет ниже фактического поглощения образца. Побочный свет является важным фактором, поскольку он определяет чистоту света, используемого для анализа. Наиболее важным фактором, влияющим на него, является уровень побочного света монохроматора. Отклонения будут наиболее заметны в условиях низкой концентрации и высокого поглощения. Последняя ссылка описывает способ коррекции этих отклонений. Некоторые растворы, такие как хлорид меди(II) в воде, визуально изменяются при определенной концентрации из-за изменения условий вокруг окрашенного иона (двухвалентного иона меди). Для хлорида меди(II) это означает сдвиг от синего к зеленому цвету, что приведет к отклонению монохромных измерений от закона Бира-Ламберта.
Spectral bandwidth of a spectrophotometer is the range of wavelengths that the instrument transmits through a sample at a given time. It is determined by the light source, the monochromator, its physical slit width and optical dispersion and the detector of the spectrophotometer. The spectral bandwidth affects the resolution and accuracy of the measurement. A narrower spectral bandwidth provides higher resolution and accuracy, but also requires more time and energy to scan the entire spectrum. A wider spectral bandwidth allows for faster and easier scanning, but may result in lower resolution and accuracy, especially for samples with overlapping absorption peaks. Therefore, choosing an appropriate spectral bandwidth is important for obtaining reliable and precise results. It is important to have a monochromatic source of radiation for the light incident on the sample cell to enhance the linearity of the response. in a UV spectrophotometer is any light that reaches its detector that is not of the wavelength selected by the monochromator. This can be caused, for instance, by scattering of light within the instrument, or by reflections from optical surfaces. Stray light can cause significant errors in absorbance measurements, especially at high absorbances, because the stray light will be added to the signal detected by the detector, even though it is not part of the actually selected wavelength. The result is that the measured and reported absorbance will be lower than the actual absorbance of the sample. The stray light is an important factor, as it determines the purity of the light used for the analysis. The most important factor affecting it is the stray light level of the monochromator. The deviations will be most noticeable under conditions of low concentration and high absorbance. The last reference describes a way to correct for this deviation. Some solutions, like copper(II) chloride in water, change visually at a certain concentration because of changed conditions around the coloured ion (the divalent copper ion). For copper(II) chloride it means a shift from blue to green, which would mean that monochromatic measurements would deviate from the Beer–Lambert law.
Источники неопределенности измерений
Вышеуказанные факторы вносят вклад в погрешность измерений результатов, полученных с помощью УФ/Вид-спектрофотометрии. Если УФ/Вид-спектрофотометрия используется в количественном химическом анализе, то на результаты дополнительно влияют источники неопределенности, связанные с природой измеряемых соединений и/или растворов. К ним относятся спектральные интерференции, вызванные перекрытием полос поглощения, выцветание цвета поглощающего вещества (вследствие разложения или реакции), а также возможное несоответствие состава образца и состава калибровочного раствора.
The above factors contribute to the measurement uncertainty of the results obtained with UV/Vis spectrophotometry. If UV/Vis spectrophotometry is used in quantitative chemical analysis then the results are additionally affected by uncertainty sources arising from the nature of the compounds and/or solutions that are measured. These include spectral interferences caused by absorption band overlap, fading of the color of the absorbing species (caused by decomposition or reaction) and possible composition mismatch between the sample and the calibration solution.
Ультрафиолетовый видимый спектрофотометр
Прибор, используемый в ультрафиолетовой–видимой спектроскопии, называется УФ/ВИС-спектрофотометром. Он измеряет интенсивность света после прохождения через образец и сравнивает её с интенсивностью света до прохождения через образец. Это соотношение называется пропусканием и обычно выражается в процентах (%T). Поглощение, А, основано на пропускании:
The instrument used in ultraviolet–visible spectroscopy is called a UV/Vis spectrophotometer. It measures the intensity of light after passing through a sample , and compares it to the intensity of light before it passes through the sample The ratio is called the transmittance, and is usually expressed as a percentage (%T). The absorbance, , is based on the transmittance:
УФ-видимый спектрофотометр также может быть настроен для измерения отражения. В этом случае спектрофотометр измеряет интенсивность света, отраженного от образца, и сравнивает её с интенсивностью света, отраженного от эталонного материала (например, белой плитки). Это соотношение называется отражательной способностью и обычно выражается в процентах (%R). Основными частями спектрофотометра являются источник света, держатель для образца, дифракционная решетка или призма в качестве монохроматора для разделения различных длин волн света и детектор. Источником излучения часто служит вольфрамовая нить (300–2500 нм), дуговая лампа из дейтерия, обеспечивающая непрерывное излучение в ультрафиолетовой области (190–400 нм), дуговая лампа из ксенона, обеспечивающая непрерывное излучение от 160 до 2000 нм, или, в последнее время, светодиоды (LED).
The UV–visible spectrophotometer can also be configured to measure reflectance. In this case, the spectrophotometer measures the intensity of light reflected from a sample , and compares it to the intensity of light reflected from a reference material (such as a white tile). The ratio is called the reflectance, and is usually expressed as a percentage (%R). The basic parts of a spectrophotometer are a light source, a holder for the sample, a diffraction grating or a prism as a monochromator to separate the different wavelengths of light, and a detector. The radiation source is often a tungsten filament (300–2500 nm), a deuterium arc lamp, which is continuous over the ultraviolet region (190–400 nm), a xenon arc lamp, which is continuous from 160 to 2,000 nm; or more recently, light emitting diodes (LED)
Образцы для УФ/ВИС-спектрофотометрии чаще всего представляют собой жидкости, хотя можно измерять поглощение газов и даже твердых веществ. Образцы обычно помещают в прозрачную ячейку, известную как кювета. Кюветы обычно имеют прямоугольную форму, чаще всего с внутренней шириной 1 см. (Эта ширина становится длиной пути, l, в законе Бера–Ламберта.) В некоторых приборах в качестве кювет можно использовать пробирки. Тип используемого контейнера для образца должен обеспечивать прохождение излучения в интересующей спектральной области. Наиболее широко применяемые кюветы изготавливаются из высококачественного кварцевого стекла или расплавленного кварца, поскольку они прозрачны в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях. Стеклянные и пластиковые кюветы также распространены, однако стекло и большинство пластмасс поглощают ультрафиолетовое излучение, что ограничивает их применение видимым длинам волн. Они используются для анализа микроскопических сколов краски и цвета фрагментов стекла, а также в материаловедении и биологических исследованиях, и для определения энергетического содержания угля и нефтематеринских пород путем измерения отражательной способности витринита. Микроспектрофотометры используются в полупроводниковой и микрооптической промышленности для контроля толщины тонких пленок после их нанесения. В полупроводниковой промышленности они применяются, поскольку критические размеры схем микроскопические. Типичное тестирование полупроводниковой пластины включает получение спектров из множества точек на пластине с рисунком или без него. Толщину нанесенных пленок можно рассчитать на основе интерференционной картины спектра. Кроме того, ультрафиолетовая–видимая спектрофотометрия может использоваться для определения толщины, а также показателя преломления и коэффициента поглощения тонких пленок.
Samples for UV/Vis spectrophotometry are most often liquids, although the absorbance of gases and even of solids can also be measured. Samples are typically placed in a transparent cell, known as a cuvette. Cuvettes are typically rectangular in shape, commonly with an internal width of 1 cm. (This width becomes the path length, , in the Beer–Lambert law.) Test tubes can also be used as cuvettes in some instruments. The type of sample container used must allow radiation to pass over the spectral region of interest. The most widely applicable cuvettes are made of high quality fused silica or quartz glass because these are transparent throughout the UV, visible and near infrared regions. Glass and plastic cuvettes are also common, although glass and most plastics absorb in the UV, which limits their usefulness to visible wavelengths. microscopic paint chips and the color of glass fragments. They are also used in materials science and biological research and for determining the energy content of coal and petroleum source rock by measuring the vitrinite reflectance. Microspectrophotometers are used in the semiconductor and micro optics industries for monitoring the thickness of thin films after they have been deposited. In the semiconductor industry, they are used because the critical dimensions of circuitry is microscopic. A typical test of a semiconductor wafer would entail the acquisition of spectra from many points on a patterned or unpatterned wafer. The thickness of the deposited films may be calculated from the interference pattern of the spectra. In addition, ultraviolet–visible spectrophotometry can be used to determine the thickness, along with the refractive index and extinction coefficient of thin films.
Дополнительные заявки
УФ/Вид может быть использован для характеристики скорости химической реакции. Наглядным примером служит превращение желто-оранжевых и синих изомеров дитизоната ртути. Этот метод анализа основан на том, что оптическая плотность линейно пропорциональна концентрации. Аналогичный подход позволяет определять равновесие между хромофорами. По спектру сгорающих газов можно определить химический состав топлива, температуру газов и соотношение воздух/топливо.
UV/Vis can be applied to characterize the rate of a chemical reaction. Illustrative is the conversion of the yellow orange and blue isomers of mercury dithizonate. This method of analysis relies on the fact that concentration is linearly proportional to concentration. In the same approach allows determination of equilibria between chromophores. From the spectrum of burning gases, it is possible to determine a chemical composition of a fuel, temperature of gases, and air fuel ratio.