Виды спектрометров и их отличия

Термин «спектрометр» объединяет приборы, предназначенные для принципиально разных аналитических задач. Одни измеряют поглощение или флуоресценцию, другие определяют элементный состав, исследуют молекулярную структуру либо регистрируют массовые спектры. Поэтому сравнивать спектрометры только по чувствительности, диапазону измерений или цене некорректно: сначала необходимо выбрать подходящий аналитический метод.

В статье рассмотрим основные классы спектрометров, представленные в лабораторной практике, сравним их возможности и ограничения и разберём, какой прибор подходит для элементного анализа, идентификации веществ, определения концентрации и исследования свойств материалов.

В широком смысле спектрометр — прибор, который разделяет регистрируемый сигнал по определённому параметру и измеряет его интенсивность. Таким параметром может быть длина волны излучения, энергия фотонов либо отношение массы иона к заряду. Полученный спектр содержит информацию о составе, концентрации, структуре или оптических свойствах вещества.

Рассматриваемые методы можно условно разделить на два направления:

• молекулярная спектроскопия — UV-Vis, FTIR и флуоресцентная спектроскопия дают информацию о молекулах, функциональных группах и оптических свойствах;
• элементный анализ — ААС, ICP-OES, ICP-MS и XRF определяют, какие химические элементы присутствуют в образце и в каком количестве.

Это не полная классификация спектрометрии. Существуют также рамановские, ЯМР-, ЭПР-, гамма- и другие спектрометры. Здесь рассматриваются основные методы, представленные в каталоге ТК «Элемент» и востребованные для лабораторного контроля и исследований.

УФ-спектрофотометр, УФ-видимый спектрофотометр и UV-Vis спектрофотометр — названия приборов, измеряющих поглощение или пропускание излучения в ультрафиолетовой и видимой областях. В расширенных системах диапазон может включать ближнюю инфракрасную область, а измерения — отражение и другие оптические характеристики.

UV-Vis часто применяют для количественного анализа: если определяемое вещество или продукт реакции поглощает свет на выбранной длине волны, концентрацию устанавливают по градуировочной зависимости. С соответствующими приставками можно исследовать не только растворы, но и плёнки, стекло, покрытия и порошки.

Ограничение: полоса поглощения не всегда позволяет однозначно идентифицировать компонент сложной смеси. Селективность зависит от аналита, матрицы и методики.

ИК-спектрометр, ИК-Фурье спектрометр и FTIR регистрируют инфракрасный спектр образца. Молекулы поглощают ИК-излучение на частотах, соответствующих их колебательным переходам, поэтому положение и форма полос зависят от химических связей и структуры вещества.

FTIR применяют для идентификации веществ сравнением с библиотечными спектрами, подтверждения подлинности сырья, определения функциональных групп и сравнения материалов. Метод востребован при исследовании полимеров, покрытий, фармацевтических субстанций и других органических, а также ряда неорганических материалов. Для рутинных задач можно рассмотреть компактный IRSpirit-X, а для исследовательских измерений — IRTracer-100.

Приставка НПВО/ATR позволяет измерять многие твёрдые и жидкие образцы с минимальной подготовкой. Для других задач используют пропускание, диффузное или зеркальное отражение и газовые кюветы.

Ограничение: отдельные характерные полосы сами по себе не обеспечивают окончательную идентификацию. Необходимо оценивать спектр целиком, способ измерения, матрицу и качество библиотеки.

Спектрофлуориметр измеряет излучение, которое образец испускает после возбуждения светом определённой длины волны. Обычно регистрируют спектры возбуждения и эмиссии; в зависимости от конфигурации возможны измерения квантового выхода, кинетики и трёхмерных спектров.

Метод отличается высокой чувствительностью и применяется для флуоресцирующих соединений, биологических объектов, красителей и люминесцентных материалов. Пример прибора этого класса — RF-6000 Shimadzu. На результат влияют тушение флуоресценции, концентрация, температура, pH, растворитель, фон матрицы и фотохимические изменения. Если аналит не флуоресцирует, может потребоваться получение флуоресцирующего производного, предусмотренное методикой.

Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) предназначена для количественного определения элементов, прежде всего металлов, обычно в жидких пробах. Свободные атомы поглощают излучение на характерных для определяемого элемента длинах волн.

Пламенная атомизация подходит для рутинного анализа и сравнительно более высоких концентраций. Графитовая печь позволяет работать с малыми объёмами и достигать более низких пределов обнаружения, но анализ занимает больше времени и сильнее зависит от матрицы и температурной программы.

ААС рациональна, когда лаборатория определяет ограниченный перечень элементов. Пример системы с пламенной и электротермической атомизацией — AA-7800 Shimadzu. При большом числе элементов и высокой загрузке обычно рассматривают ICP-OES или ICP-MS.

ИСП-АЭС, ИСП-ОЭС, ICP-AES и ICP-OES — обозначения атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. В плазме компоненты пробы атомизируются и возбуждаются, после чего регистрируется излучение на характерных для элементов длинах волн.

Основное преимущество ICP-OES — производительный многоэлементный анализ в широком диапазоне концентраций. Метод применяют для вод, пищевой продукции, почв и сырья после разложения, химических материалов и металлов.

В стандартной схеме проба поступает в плазму как аэрозоль раствора. Поэтому твёрдые и биологические материалы обычно требуют растворения или кислотного разложения. Загрязнения, потери аналитов и неполное разложение непосредственно влияют на результат.

ICP-MS, или ИСП-МС, сочетает ионизацию вещества в плазме с масс-спектрометрическим разделением ионов по отношению массы к заряду. Метод используют для многоэлементного определения следовых и ультраследовых концентраций, а также для отдельных задач изотопного анализа.

Высокая чувствительность предъявляет строгие требования ко всей аналитической цепочке. Загрязнение реактивов, посуды или лабораторной среды может быть сопоставимо с содержанием аналита. Сложные матрицы вызывают спектральные и неспектральные интерференции, поэтому важны система ввода, режимы столкновений или реакций и внутренние стандарты.

ICP-MS не является автоматической заменой ICP-OES. При сравнительно высоких концентрациях и большой матричной нагрузке ICP-OES может оказаться практичнее. ICP-MS выбирают, когда необходимы более низкие пределы определения или изотопная информация. Актуальные системы представлены в разделе элементного анализа, в том числе QioMS Hansel.

Рентгенофлуоресцентный спектрометр, XRF-анализатор или РФА-анализатор определяет элементы по характеристическому рентгеновскому излучению образца. Энергия линий указывает, какие элементы присутствуют, а интенсивность используется для количественной оценки.

Сильная сторона XRF — анализ твёрдых образцов, порошков и, в подходящей конфигурации, жидкостей с минимальной пробоподготовкой. Исследование часто является неразрушающим.

На количественный результат влияют неоднородность, размер частиц, поверхность, геометрия и матричные эффекты. Поэтому порошки могут измельчать и прессовать в таблетки либо переводить в плавленые стёкла. XRF удобен для быстрого скрининга и контроля состава материалов; для ультраследовых концентраций после полного разложения чаще рассматривают ICP-MS.

• UV-Vis: количественный анализ по поглощению и оптические свойства.
• FTIR: идентификация вещества и функциональные группы.
• Спектрофлуориметрия: флуоресцентные соединения и материалы.
• ААС: ограниченный перечень элементов.
• ICP-OES: производительный многоэлементный анализ.
• ICP-MS: следовые и ультраследовые концентрации, отдельные изотопные задачи.
• XRF: быстрый элементный анализ материалов, часто без разрушения.