Цифровой спектрофотометр — это прибор, при помощи которого можно изучить особенности поглощения света веществом, спектры поглощения различных сред, определить химический состав и концентрацию веществ за счет непосредственного участия в данном процессе современной компьютерной техники.
Спектрофотометры — это наиболее современные приборы, применяемые в методах абсорбционной спектроскопии, именно так называется раздел оптики, который изучает взаимодействие света с веществом.
Также спектрофотометры проводят анализ как окрашенных, так и бесцветных соединений по избирательному поглощению монохроматического света в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.
Именно за счет данного качества абсорбционная спектроскопия нашла широкое применение в биомедицинских исследованиях и лабораторной диагностике.
Помимо уже названных характеристик, спектрофотометрический метод анализа отличается от других большей точностью (погрешность составляет 1 %), что особенно необходимо при различных медицинских диагностических исследованиях.
По своей конструкции цифровой спектрофотометр состоит из рабочей части и регистрирующего устройства, которое представляет собой ЭВМ со специальной программой для регистрации фотоэлектрических сигналов.
Свет от своего источника, как правило, это лампы накаливания, проходит через один из шести светофильтров (в современных спектрофотометрах может применяться разное количество светофильтров в зависимости от цели исследования), систему линз (конденсор), кювету с раствором исследуемого вещества, фотометрический клин, после чего фокусируется линзой на фотоприемник, в основном это полупроводниковый фотодиод.
Еще одна необходимая составляющая — цифровой индикатор, который служит для регистрации фотоэлектрического сигнала. Выбор светофильтра, а как следствие, длины волны видимого оптического излучения, осуществляется посредством вращения диска, в который вмонтированы светофильтры. Данный процесс в цифровом спектрофотометре полностью автоматизирован.
Фотометрический клин представляет собой две светопоглощающие линзы, при взаимном перемещении которых изменяется оптическая длина пути светового потока и, следовательно, оптическая плотность клина. Другими словами, за счет оптического клина происходит процесс изменения интенсивности светового потока.
В основе работы цифрового спектрофотометра лежит процесс сравнения различных уровней фотоэлектрических сигналов, которые возникают при пропускании света поочередно через стандартную кювету с раствором исследуемого вещества, а затем — через аналогичную кювету с определенным растворителем.
Данный прибор непосредственно измеряет коэффициент пропускания исследуемого раствора.
Конструктивно цифровой спектрофотометр выполнен следующим образом. Отдельно от основного корпуса располагается цифровой индикатор, который показывает значения пропускания исследуемой жидкости.
Стандартные стеклянные кюветы помещаются в специальный держатель, который находится внутри оптического блока прибора, он закрывается автоматической металлической шторкой.
На передней панели находятся несколько кнопок управления (в зависимости от модели цифрового спектрофотометра количество кнопок управления может быть от двух до четырех), но в любом случае присутствует кнопка переключения светофильтров и перемещения держателя кювет. Все остальные действия можно производить с помощью специальной ЭВМ.
В основе принципа работы цифрового спектрофотометра лежит взаимодействие света с веществом.
Данный процесс описывается квантовым образом, поэтому, в отличие от некоторых других лабораторных работ оптического практикума, здесь световое излучение в основном рассматривается как поток фотонов с определенной энергией кванта.
При распространении света в веществе могут возникать различные оптические явления, наиболее важными из которых являются: поглощение, рассеяние света, люминесценция вещества. Поглощение фотонов света, как правило, сопровождается переходом поглощающих свет атомов или молекул в возбужденное состояние. А сам процесс поглощения может произойти только в том случае, если энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий между квантами, энергетическими состояниями.
Избыточная энергия атомов или молекул может расходоваться в одних случаях на повышение их поступательной, вращательной или колебательной энергии, в других случаях — выделяться в виде вторичного излучения или расходоваться на различные фотохимические реакции.
В том случае, если осуществляется переизлучение света молекулами возбужденного вещества, происходит явление, получившее название фотолюминесценции.
Рассеяние света — это отклонение светового излучения от прямолинейного распространения на неоднородностях вещества. Под неоднородностями можно понимать такие вещества, как инородные частицы в газе или жидкости, биологические клетки в жидкости, флуктуации плотности вещества, флуктуации концентрации данного вещества в том или ином растворе и т. д.
Процесс рассеяния света также может сопровождаться частичным поглощением определенного количества световых квантов. Так как все три явления (поглощение, рассеяние света и фотолюминесценция) зависят от свойств вещества, а именно молекул, характеристик светового потока, концентрации вещества в растворе, а также от характера растворителя, их анализ дает информацию об исследуемом веществе и его свойствах.
Вот почему эти три явления играют огромную роль в диагностической медицине. Именно по показателям крови можно узнать ту или иную степень заболевания и вообще определить, присутствует данное заболевание или нет. Кровь имеет свои определенные показатели поглощения и рассеяния света в состоянии нормальной физиологической деятельности. В том случае, если у больного обнаруживаются какие-либо отклонения от данной физиологической нормы, можно судить о разного рода нарушениях в организме.
Промышленность выпускает несколько типов цифровых спектрофотометров. Существенного различия в них нет.