Фотоколориметр и спектрофотометр: чем отличаются и как расшифровать КФК

Фотоколориметр — это прибор для измерения оптической плотности окрашенных растворов, в котором нужный участок спектра выделяют светофильтром. Спектрофотометр выделяет узкий интервал длин волн монохроматором: на нём можно установить любую длину волны в рабочем диапазоне и снять спектр поглощения.

Ниже — определения по ГОСТ и фармакопее, что следует из способа выделения длины волны, расшифровка «КФК» и названия приборов серии в Госреестре, а также когда фотоколориметра достаточно и что смотреть при выборе прибора.

Что такое фотоколориметр, фотометр и спектрофотометр

В Государственной фармакопее РФ XIV издания есть отдельная статья — ОФС.1.2.1.1.0012.18 «Фотоколориметрия». Фотоколориметрия определена в ней как метод, основанный на измерении поглощения немонохроматического света с помощью фотоэлектроколориметров (ФЭК); метод применим к окрашенным прозрачным растворам. Там же сказано, что, в отличие от спектрофотометра, фотоколориметр работает в полихроматическом узкоспектральном свете, который формируют светофильтры.

Спектрофотометр по ГОСТ 27176-86 — оптический спектрометр для измерения фотометрических характеристик веществ, сред и тел через отношение двух потоков излучения. Спектрометр, по тому же стандарту, измеряет со спектральным сканированием, то есть последовательно меняет длину волны настройки. Это обеспечивает монохроматор — прибор или узел, который разделяет поток излучения по длинам волн и выделяет из него спектральные интервалы.

Фотометр — название более широкое: по нему нельзя понять, как прибор выделяет длину волны, и «фотометрами» в Госреестре записаны в том числе приборы с монохроматором.

Главное различие: светофильтр или монохроматор

Схема у обоих приборов одна: источник света, узел выделения длины волны, кювета, фотоприёмник. Прибор сравнивает поток, прошедший через раствор сравнения, с потоком, прошедшим через пробу, и по их отношению считает пропускание и оптическую плотность. Разница — в том, чем выделяют длину волны.

Светофильтр пропускает свет в ограниченном интервале длин волн и поглощает остальной. У абсорбционных светофильтров — цветных стёкол или красителя в желатине — полоса пропускания обычно 30 нм и более, у лучших узкополосных стёкол 20–30 нм; у интерференционных фильтров характеристики значительно лучше. Светофильтры маркируют по длине волны максимального пропускания, и прибор работает только на тех длинах волн, для которых в наборе есть фильтр.

Монохроматор с дифракционной решёткой или призмой разворачивает излучение в спектр, а щель выделяет из него узкий участок. Его ширину характеризует выделяемый спектральный интервал — по ГОСТ 27176-86 ширина распределения монохроматизированного потока на уровне половины максимума. Эту величину приводят в документации на прибор: в описании типа КФК-3КМ, например, 2,0–4,0 нм в зависимости от модификации.

Что даёт узкая полоса: точность, спектр и закон Бера

Закон светопоглощения выведен для монохроматического света, а реальный прибор пропускает полосу. Немонохроматичность — самая частая приборная причина кажущихся отклонений от закона Бугера — Ламберта — Бера: чем шире полоса, тем ниже измеренная оптическая плотность в максимуме. Для широких полос поглощения это почти незаметно, для узких — существенно, поэтому спектральная ширина щели должна быть значительно меньше полуширины полосы поглощения. Подробнее — в статье о законе Бугера — Ламберта — Бера.

Для фотоколориметра отсюда три следствия.

• Градуировка — только своя. В расчёт входит средний молярный коэффициент поглощения, зависящий от светофильтра, поэтому справочное ε, найденное в монохроматическом свете, не подходит, а график с одного прибора не переносят на другой.
• Рабочий диапазон подтверждают стандартами. Искажения тем сильнее, чем уже и несимметричнее полоса поглощения и чем короче длина волны. Линейность проверяют на своём приборе — например, в калькуляторе градуировочного графика.
• Спектра нет. Фотоколориметр даёт по точке на светофильтр, поэтому при разработке методики вместо снятия спектра подбирают светофильтр — по окраске раствора и по оптическим плотностям с разными фильтрами. Как выбрать фильтр и аналитическую длину волны — в статье о спектре поглощения и длине волны.

Спектрофотометр эти искажения уменьшает, но не исключает: они есть и у тщательно выверенного прибора.

Как расшифровывается КФК и как называются приборы серии

КФК — колориметр фотоэлектрический концентрационный. Под типом «Колориметры фотоэлектрические концентрационные» в Госреестр средств измерений внесены КФК-2 (рег. № 2578-92) и КФК-2МП (рег. № 9301-83) Загорского оптико-механического завода (ЗОМЗ); более ранняя запись КФК-2, № 2578-81, — «Колориметры фотоэлектрические». Эти приборы выделяют участки спектра сменными светофильтрами, то есть это фотоколориметры в строгом смысле.

У следующих моделей буквы остались, а названия типов поменялись. КФК-3 (рег. № 11598-02) и нынешний КФК-3-«ЗОМЗ» (рег. № 32672-06, модификации КФК-3-01, -02, -03) записаны как «Фотометры фотоэлектрические». Но в КФК-3-«ЗОМЗ», по описанию типа, стоит монохроматор на дифракционной решётке, то есть по способу выделения длины волны это спектрофотометр. Сам ЗОМЗ держит «Фотометр фотоэлектрический КФК-3-01» в разделе сайта «Спектрофотометры (фотоколориметры)» и называет такие приборы универсальными спектрофотометрами.

КФК-3КМ выпускает ООО «ЮНИКО-СИС» (Санкт-Петербург), и в Госреестре он записан как «Спектрофотометры» (рег. № 31884-06 и новая запись № 98406-26). О работе на нём — в статье о спектрофотометре КФК-3КМ.

Когда достаточно фотоколориметра, а когда нужен спектрофотометр

Фотоколориметра достаточно, когда методика написана под светофильтр, раствор окрашен и прозрачен, полоса поглощения широкая, а концентрацию находят по градуировочному графику, построенному на этом же приборе.

Спектрофотометр нужен, если:

• методика задаёт длину волны в нанометрах, а не номер или цвет светофильтра;
• нужно снять спектр: найти максимум полосы, сравнить спектр пробы со спектром стандарта, точно выбрать длину волны, где меньше мешает реагент;
• полоса поглощения узкая или лежит в коротковолновой области;
• вещество определяют по собственному поглощению в ультрафиолете: фотоколориметрия, по фармакопее, предназначена для окрашенных растворов. Для УФ важен и источник света: по описанию типа КФК-3КМ модификации с галогенной лампой работают от 315 нм, и только КФК-3КМ УФ с дополнительной дейтериевой лампой — от 190 нм. Что ещё меняется в УФ-области — в обзорной статье о спектрофотометрии.

Что проверить в описании типа при выборе прибора

Название прибора мало что говорит — смотрят описание типа во ФГИС «Аршин» и руководство по эксплуатации.

1. Способ выделения длины волны: светофильтры или монохроматор с дифракционной решёткой.
2. Выделяемый спектральный интервал. У КФК-3КМ — 4,0 нм в модификации 1205 и 2,0 нм в модификациях В и УФ, у КФК-3-01 производитель указывает 5–7 нм.
3. Спектральный диапазон измерений, а не показаний. У КФК-3-«ЗОМЗ» диапазон показаний 315–1000 нм, а в метрологических характеристиках — диапазон измерений 330–780 нм. За его пределами прибор покажет число, но погрешность там не нормирована.
4. Погрешность установки длины волны: у КФК-3КМ ±2,0 нм для модификации 1205 и ±1,0 нм для В и УФ, у КФК-3-«ЗОМЗ» ±3,0 нм.
5. Оптическая схема — однолучевая или двухлучевая; разницу мы разбирали в статье об однолучевом и двухлучевом спектрофотометре.

Если выбираете прибор под конкретные методики, воспользуйтесь подбором спектрофотометра под задачи лаборатории.

Типичные ошибки

• Судить об устройстве по буквам КФК. Под ними выпускались и колориметры со светофильтрами, и приборы с монохроматором.
• Переносить градуировку при смене прибора. После перехода с фотоколориметра на спектрофотометр или просто на другой экземпляр график строят заново.
• Ставить длину волны «по номеру фильтра» и считать по старому графику. Маркировка светофильтра — длина волны его максимального пропускания, а работает он всей полосой, поэтому на спектрофотометре оптическая плотность обычно получается другой.