The Basics of UV-Vis-NIR Spectrophotometry

Význam tématu

UV-Vis-NIR spektrofotometrie je klíčovou technikou pro analýzu materiálů, biomolekul i pokročilých vrstevnatých systémů. Umožňuje sledovat elektronické přechody v UV-Vis oblasti (190–900 nm) a vibrační/akomodační jevy v NIR oblasti (750–3300 nm). Díky měření transmisních, reflexních i difúzních vlastností nachází uplatnění v průmyslové kontrole kvality, vývoji optických povlaků, solárních článků, katalýze i ve výzkumu biomolekul.

Cíle a přehled studie / článku

Primárním cílem textu bylo představit základní principy UV-Vis-NIR spektrofotometrie a moderní konstrukci přístrojů, popsat měřicí módy, doplňky a optimální volbu parametrů pro různé vzorky. Text rovněž ilustruje praktické aplikace v materiálové charakterizaci, fotovoltaice, nanomateriálech, pokročilých polovodičích, katalýze, kolorimetrických měřeních a analýze biomolekul.

Použitá metodika a instrumentace

– Světelné zdroje: deuterová lampa (185–400 nm), wolfram-halogenová lampa (350–3300 nm), xenonový zábleskový zdroj a rtuťová lampa pro kalibraci v UV-Vis.
– Monochromátory: jednonásobné a vysoce přesné dvojnásobné s holografickými gratinami, s možností striperu a filtrace řádů.
– Detektory: fotonásobiče (200–900 nm), křemíkové diody, InGaAs, PbS a dvoupásmové Si/InGaAs moduly s termoelektrickým chlazením.
– Optické konfigurace: jednosměrný i dvousměrný (dvouzářičový) systém, s reálným korekčním kanálem a automatickým potlačením šumu (RBA).
– Příslušenství: cuvety (10 mm, mikro i prodloužené), integrované sféry pro difúzní měření (DRA, Praying Mantis), speculární reflexní moduly (SRA, VW), univerzální měřicí příslušenství UMA, polarizátory/depolarizátory, variabilní úhel dopadu a vláknové sondy pro měření mimo komoru.

Hlavní výsledky a diskuse

– Principy interakce záření: Beer–Lambertův zákon (A = ϵbc) platí v lineárním rozsahu bez výrazného parazitního světla.
– Stray light a lineární rozsah: testy na KCl, NaI, NaNO₂, chlorofór a přídavné filtry kvantifikují podíl parazitního světla (% SRE) a doporučují použití RBA above 4 Abs.
– Optimalizace šířky štěrbiny (SBW): volba SBW 0.02–1.8 nm v závislosti na rozlišení a poměru signál/šum; sběr alespoň 10 datových bodů na ½ šířky pásma.
– Vzorkové módy: transmisní, difúzní i speculární reflexe, přímá i rozptýlená transmisní měření;
– Příklady aplikací: útlum na ochranných brýlích, mapování povlaků fotovoltaiky, charakterizace nanokrystalů, stanovení teploty tání DNA/proteinů, sledování katalytických fází při zvýšené teplotě.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a neinvazivní analýza chemického složení a optických vlastností.
• Quantitativní stanovení koncentrace v roztocích i pevných vzorcích.
• Monitorování procesů ve výzkumu i průmyslové výrobě (QA/QC) v reálném čase.
• Široké spektrum aplikací: optické povlaky, solární články, nanomateriály, katalýza, kolorimetrie, biomolekulární analýzy.

Budoucí trendy a možnosti využití

– Integrace modulárních vláknových sond pro on-line a in situ měření v náročných podmínkách (teplota, tlak, nebezpečné látky).
– Pokročilé multiúhlové metody (MPS) a prostorové mapování povrchů s automatickým sběrem vzorků.
– Kombinace UV-Vis-NIR spektroskopie s umělou inteligencí pro predikční modelování materiálových vlastností.
– Další vývoj aktivních a pasivních polarimetrových příslušenství pro studium anizotropních a fotonických struktur.

Závěr

Moderní UV-Vis-NIR spektrofotometry nabízejí modulární design se všestrannými zdroji a detektory, přesnou optikou a bohatou sadou příslušenství. To umožňuje vysoce přesnou a reprodukovatelnou analýzu širokého spektra vzorků. Metoda zůstává základem mnoha aplikací od materiálového výzkumu po biochemii a průmyslovou kontrolu kvality.

Reference

1. Agilent Technologies. Applications of UV-Vis-NIR, Optical Characterization of Materials Using Spectroscopy, Application Compendium, 2023. 5994-5621EN.
2. Li R, Kodaira T, Kawanami H. In situ formic acid dehydrogenation observation using a UV-Vis-diffuse-reflectance spectroscopy system. Chem Commun. 2022;58:11079–11082.
3. Brydegaard M, Jansson S, Schulz M, Runemark A. Can the narrow red bands of dragonflies be used to perceive wing interference patterns? Ecol Evol. 2018;8(11):5369–5384.