Το φασματοφωτόμετρο (αγγλ. spectrophotometer) είναι όργανο το οποίο μετρά την ένταση μιας επιλεγμένης συχνότητας ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται κυρίως στην αναλυτική χημεία, αλλά και σε άλλες θετικές επιστήμες (αστρονομία, φυσική κλπ)

Αρχή λειτουργίας φασματοφωτομέτρου χημικού εργαστηρίου

Σχηματική απεικόνιση φασματοφωτομέτρου ορατού και υπεριώδους (UV-VIS) (*)

Σε ότι αφορά την αναλυτική χημεία το φασματοφωτόμετρο είναι εξέλιξη του χρωματοφωτομέτρου. Το πρώτο τμήμα του φασματοφωτομέτρου, αποτελείται από την πηγή παραγωγής ακτινοβολίας. Το δεύτερο τμήμα είναι αυτό που διαχωρίζει το επιθυμητό μήκος κύματος (συχνότητα) από τα υπόλοιπα που παράγει η πηγή, παρέχοντας έτσι στο τρίτο μέρος "μονοχρωματική" ακτινοβολία. Το τρίτο είναι αυτό που τοποθετείται το προς μέτρηση δείγμα και το τελευταίο είναι ο μετρητής της ακτινοβολίας που τελικά "περνά" (δεν απορροφάται) από το δείγμα.
Σχηματική απεικόνιση φασματοφωτομέτρου ορατού και υπεριώδους (UV-VIS)

Φασματοφωτόμετρο ορατού

Η πιο απλή μορφή φασματοφωτόμετρου είναι το φασματοφωτόμετρο ορατού φάσματος (VIS από το Visible). Σε αυτό η πηγή είναι μια κοινή λάμπα πυράκτωσης. Το σύστημα διαχωρισμού είναι ένα κοινό πρίσμα ή συνηθέστερα ένα παραθλαστικό φράγμα το οποίο απομονώνει την επιθυμητή μονοχρωματική ακτινοβολία (μια συχνότητα ορατή σαν κόκκινο, πράσινο, κίτρινο κλπ φως). Η ακτινοβολία αυτή περνάει μέσα από μια κυψελίδα δηλ. διαφανές άχρωμο δοχείο που περιέχει το προς εξέταση δείγμα και όσο φως δεν απορροφά το διάλυμα μετρείται από ένα κοινό φωτόμετρο που βρίσκεται από την απέναντι πλευρά της κυψελίδας.

Φασματοφωτόμετρο υπεριώδους (UV)

Η οργανολογία του είναι παρόμοια με αυτήν του ορατού. Οι διαφορές είναι δύο: Η πηγή είναι λυχνία Δευτερίου ή Ξένου (για να παράγει υπεριώδη ακτινοβολία) και όλα τα εξαρτήματα (πρίσμα, κυψελίδα κλπ) δεν είναι από γυαλί (το οποίο απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία) αλλά από χαλαζία. Σαν όργανο συνήθως εμπεριέχει και λυχνία πυράκτωσης ώστε να μπορεί να γίνουν μετρήσεις και στο ορατό φάσμα. Τότε αναφέρεται σαν UV-VIS.

Φασματοφωτόμετρο υπερύθρου (IR)

Η οργανολογία του είναι παρόμοια με του ορατού. Οι διαφορές είναι στην κυψελίδα (επειδή δεν πρέπει να απορροφά υπέρυθρη ακτινοβολία) είναι συνήθως από ανόργανα άλατα αλκαλίων και στον τρόπο μέτρησης, συνήθως λαμβάνεται φάσμα απορρόφησης και όχι απορρόφηση σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Χρησιμοποιείται πολύ στον προσδιορισμό της δομής των χημικών ενώσεων.

Φασματοφωτόμετρο ατομικής απορρόφησης (ΑΑS)

Σε αυτό η μονοχρωματική ακτινοβολία παράγεται από ειδικές λυχνίες για κάθε μετρούμενο μέταλλο (είναι εξειδικευμένη αναλυτική τεχνική για προσδιορισμό μετάλλων).Μέσα σε αυτές τις λυχνίες δημιουργείται ατμός του μετάλλου ο οποίος φωτοβολεί συγκεκριμένη συχνότητα. Το δείγμα αεριοποιείται με κάποιο τρόπο (είτε σε φούρνο γραφίτη,είτε με ψεκασμό σε φλόγα) και οι ατμοί του δείγματος μπαίνουν στην πορεία του παραγόμενου από την λυχνία μονοχρωματικού φωτός.Από εκεί απορροφούν μια ποσότητα φωτός ανάλογη της περιεκτικότητας του δείγματος προς το εξεταζόμενο μέταλλο, η οποία μετράται από τον μετρητή - φωτόμετρο.

Αρχή λειτουργίας φασματοφωτομετρίας ορατού-υπεριώδους (UV-VIS)

Κάποια μόρια όταν ακτινοβοληθούν, απορροφούν μέρος της ακτινοβολίας (στο εξής φως, αν και δεν είναι πάντα έτσι)και μάλιστα κάποια συγκεκριμένα μήκη κύματος (π.χ. η ροδαμίνη απορροφά γύρω στα 350nm με μέγιστο τα 363nm). Όσο περισσότερα μόρια υπάρχουν στην δέσμη του φωτός, τόσο περισσότερο φως απορροφάται. Άρα μετρώντας την διαφορά της ποσότητας του φωτός, με και χωρίς τα προς μέτρηση μόρια μπορούμε να εκτιμήσουμε την ποσότητα τους. Αυτό είναι που κάνουμε χωρίς όργανο (στην ουσία αντί για φασματοφωτόμετρο χρησιμοποιούμε τα μάτια μας) παρατηρώντας πόσο σκούρο είναι ένα διάλυμα χρωστικής. Σκούρο διάλυμα = πυκνό, ανοικτόχρωμο = αραιό. Χρησιμοποιώντας μια σειρά πρότυπα διαλύματα π.χ. 1, 3, 5, 10 ppm μπορούμε να συγκρίνουμε ένα άγνωστο διάλυμα και να πούμε ότι αυτό είναι μεταξύ 3 και 5 ppm εφόσον η χρωματική του ένταση είναι μεταξύ του 2ου και 3ου προτύπου. Δεν μπορούμε όμως να πούμε ότι είναι 3,2 ή 4,0 ή 4,5 ppm γιατί απλά δεν μπορούμε να το εκτιμήσουμε. Αυτό γίνεται με το φασματοφωτόμετρο, το οποίο για κάθε πρότυπο δίνει σαν αποτέλεσμα έναν αριθμό (το ποσοστό του φωτός που πέρασε (διαπερατότητα % (Τ% από το transmission) ή το λογάριθμο της ποσότητας του φωτός που απορροφήθηκε (ABS από το absorbance))οπότε με απλούς μαθηματικούς υπολογισμούς μπορεί να εξαχθεί ακριβές αποτέλεσμα. Π.χ. έστω ότι τα πρότυπα διαλύματα παρουσίασαν απορροφήσεις 1ppm=0,08 3ppm=0,24 5ppm=0,40 10ppm=0,80 και του δείγματος=0,30. Τότε η περιεκτικότητα του δείγματος είναι 3,75ppm. Οι μετρήσεις γίνονται στό μήκος κύματος που παρουσιάζει την μέγιστη απορρόφηση η εξεταζόμενη ουσία, ώστε να περιοριστούν οι επιδράσεις από άλλες ουσίες που υπάρχουν στο ίδιο διάλυμα (και απορροφούν σε άλλα μήκη κύματος). Η φασματοφωτομετρία χρησιμοποιείται ευρέως και για ουσίες που απορροφούν στο υπεριώδες (π.χ. σορβικό οξύ), αλλά και για ουσίες που δεν έχουν χρωμοφόρες ομάδες στο μόριο τους (αόρατες), αλλά γίνονται ορατές μετά από σχετικές αντιδράσεις (π.χ. η προλίνη σχηματίζει πορτοκαλέρυθρο σύμπλοκο με την νινυδρίνη και έτσι μπορεί να μετρηθεί φασματοφωτομετρικά).