Всё, что нужно знать про кюветы для фотометров и спектрофотометров

Правильный выбор кюветы играет ключевую роль в точности анализа, поскольку она влияет на прохождение света и стабильность результатов измерений. В этой статье мы рассмотрим основные свойства кювет для фотометрического оборудования.

Тип спектрофотометра и форма кювет

Какие спектрофотометры стоят у вас в лаборатории? Если у вас стоит приборы иностранных производителей, то к ним подходят только кюветы с шириной 12,5 мм (типа СФ). Если у вас спектрофотометр отечественного производства, то у него может быть ячейка, рассчитанная на формат КФК — с шириной кюветы 24 мм или сменные кюветодержатели под оба формата: как 24, так и 12,5 мм. А может быть и так, что у вас прибор с цилиндрическими кюветами и тогда у вас вообще нет выбора.

Что такое СФ и КФК?

Это аббревиатуры приборов, которые достались нам от производства аналитического оборудования СССР. КФК расшифровывается как концентрационный фотоэлектрический колориметр, СФ просто как спектрофотометр. В КФК использовались кюветы шириной 24 мм, в СФ шириной 12,5 мм (это общепринятый мировой стандарт для кювет). Сейчас подавляющее число спектрофотометров относятся к типу СФ. В России и странах СНГ по-прежнему могут производить спектрофотометры с кюветодержателями для кювет 24 мм или со сменными кюветодержателями.

Существует несколько типов кювет, различающихся по форме:

Прямоугольные кюветы — наиболее распространённый вариант, который используется в большинстве фотометров и спектрофотометров. Выпускаются с разной длиной оптического пути, обычно от 1 до 100 мм. Ширина кюветы зависит от типа прибора. Кюветой по умолчанию считается кювета шириной 12,5 мм и длиной оптического пути 10 мм.
Цилиндрические кюветы, они же виалы — используются реже, под них нужны особые кюветодержатели. Они могут быть полезны в специфичных случаях, когда важно минимизировать объём образца или когда у вас методики заточены под конкретный спектрофотометр. Их диаметр обычно 10, 13, 16 или 30 мм.
Микрокюветы — кюветы сложной формы, предназначенные для небольших объёмов пробы, начиная от десятков микролитров. Особенно востребованы в биохимии и медицине. Обычно шириной 12,5 мм.
Специальные кюветы — особенные кюветы для особенных приложений. Это могут быть, к примеру, проточные кюветы, кюветы со специфической внутренней формой, кюветы из нестандартных материалов, тандемные кюветы. Могут быть какой угодно ширины.

Материал кювет

Самый важный параметр кюветы. Почему? Потому что основное требование к кюветам — прозрачность в области спектра, в которой ведётся измерение оптической плотности образца, а различные материалы имеют разный диапазон прозрачности.

Кварцевое стекло. Наиболее дорогой и универсальный тип многоразовых кювет. Кюветы из кварца прозрачны в самом широком диапазоне. В зависимости от типа кварца различают инфракрасный (IR- или КИ/КУВИ-) и ультрафиолетовый (UV-/КУ-1- и ES-) типы кювет. Могут помечаться значком Q (quartz) или «К». Все типы кварцевого стекла прозрачны в области видимого диапазона, то есть УФ-кварц формально УФ-ВИД-кварц, но это не пишут.

Кварцевое стекло прозрачно в диапазоне примерно 190...2 500 нм, а ИК-кварцевое в диапазоне 220...3 500 нм.

Это единственный вид материала кювет, на который есть стандарт (ГОСТ 20903-75). По этому ГОСТу кюветы производятся из стекла марки КУ-1 (кварц, прозрачный в УФ-области), так что он применим не ко всем кюветам. Но в нём также указаны допустимые погрешности геометрии кювет, так что если на ваших кюветах будет маркировка типа К5.02, то знайте, что производитель кювет молодец и работает по ГОСТу.

Оптическое (боросиликатное) стекло. Самый распространённый материал для многоразовых кювет. Прозрачно в видимой области спектра (около 350–2500 нм). Может маркироваться буквой G (glass). У нас его обычно изготавливают из оптического стекла марки К-8. Это стекло устойчиво к воздействию большинства растворителей, легко моется, позволяет создавать кюветы самого разного размеры и формы.

Пластик. Самые экономичные и поэтому часто одноразовые кюветы делают из полистирола (ПС, PS) или полиметилакрилата (оргстекло, PMMA). У них самый узкий оптический диапазон: 380...780 нм. Они неустойчивы ко многим неорганическим веществам, поэтому их обычно применяют в биологических и медицинских исследованиях.

Прочие материалы. На самом деле материалов для кювет ещё много, но они используются в других оптических диапазонах. Например, в области длин волн короче 190-200 нм кварц непрозрачен. В качестве материала в этой области используют флуорит (CaF₂).

Кроме того, в этой области непрозрачным становится также воздух. Поэтому для измерений при длине волны меньше 200 нм используют вакуумные приборы или на всём пути излучения воздух вытесняют азотом, который не имеет характеристических полос поглощения в данной области.

Помимо флуорита упомянем ещё каменную соль (NaCl) — из неё делают кюветы для исследований при длине волны 6-15 мкм. Такое стекло используют во FTIR-спектроскопии (Фурье-ИК-спектроскопии).

Материал	Оптический диапазон, мм	Коэффициент пропускания (Т), %	Частота использования	Описание
ИК-кварцевое стекло	220...3500 нм	88 % при 2 730 нм	Многоразовые	УФ-ВИД-ИК-диапазон
Кварцевое стекло	190...2500 нм	83 % при 220 нм	Многоразовые	УФ-ВИД диапазон
Оптическое стекло	340...2500 нм	82 % при 350 нм	Многоразовые	Видимый диапазон
Пластик (ПС или ПММА)	380...780 нм	80 % при 400 нм	Одноразовые	Видимый диапазон

Длина оптического пути

Что такой оптический путь? Это расстояние, которое луч света прибора проходит в образце, то есть путь от внутренней до внутренней стенки кюветы. Почему так много вариантов? Потому что длина оптического пути подбирается исходя из методики и насыщенности окраски образца. Чем насыщеннее окрашен образец, тем короче оптический путь кюветы, а если раствор слабо окрашен, то длину кюветы можно увеличить.

Обычно производители предлагают ассортимент кювет с длиной оптического пути от 1 до 100 мм. Наиболее популярны кюветы длиной 10 мм, но в целом у всех вариантов есть своё применение. Существуют кюветы с длиной пути менее 1 мм, но это уже узкоспециализированные вещи, например, для спектрометрических детекторов для ВЭЖХ.

Допустимое отклонение длины оптического пути кварцевой или стеклянной кюветы составляет ± 0,5 %, то есть для кюветы с толщиной слоя 10 мм допустимое отклонение не более ± 0,05 мм. Для полимерных кювет погрешность будет больше, поэтому их не рекомендуют использовать при сверхточных измерениях.

Для проверки чистоты оптических кювет и любых значительных различий в их толщине или параллельности делают так: кювету заполняют водой и измеряют её наблюдаемую оптическую плотность по сравнению с воздухом при длине волны 240 нм для кварцевых кювет и 650 нм для стеклянных кювет, а затем поворачивают кювету в держателе на 180° и снова измеряют наблюдаемую оптическую плотность при той же длине волны. Значения не должны расходиться.

Если используется кювета сравнения (то есть кювета с растворителем, но без исследуемого вещества), то нужно сравнить ещё и их геометрию, чтобы максимально убрать ошибку, вносимую разницей кювет.

Объём пробы

Зная длину оптического пути и стандартную ширину кювет, можно заранее знать, какой объём проб вам будет нужен.

Длина оптического пути, мм	Внешние размеры кюветы типа СФ	Объём пробы в кювете СФ, мл	Внешние размеры кюветы типа КФК	Объём пробы в кювете КФК, мл
1	3,5×12,5×45	0,35	3,5×24×45	0,75
2	4,5×12,5×45	0,7	4,5×24×45	1,5
5	7,5×12,5×45	1,75	7,5×24×45	3,8
10	12,5×12,5×45	3,5	12×24×45	7,5
20	22,5×12,5×45	7	22,5×24×45	15,0
30	32,5×12,5×45	10,5	32,5×24×45	22,6
40	42,5×12,5×45	14	42,5×24×45	30,1
50	52,5×12,5×45	17,5	52,5×24×45	37,6
100	102,5×12,5×45	35	102,5×24×45	75,3

Если внимательно посмотреть на нашу таблицу, то можно увидеть, что объём какой-то странный. Это потому что кюветы не надо наполнять больше, чем на 4/5 (80 %) от объёма. Если для СФ-кюветы с длиной оптического пути 10 мм номинальный объём будет 4,375 мл, то реальный объём пробы должен быть 3,5 мл и не больше, иначе что-нибудь где-нибудь да прольётся.

Микрообъёмы пробы

Но что делать, если даже 0,5 мл пробы — это уже очень большой объём, а анализ провести нужно? Тогда нужно достать инструкцию к вашему спектрофотометру (или линейку, если прибор отечественный, потому что наши производители обычно этот параметр не указывают) и посмотреть, какая в нём высота луча (z height), то есть расстояние от низа кюветного отделения до середины щели монохроматора. Обычно щель монохроматора шириной 5 мм. У разных приборов она разная, но в целом находится в диапазоне от 8 до 20 мм. На всякий случай — не надо её путать со спектральной шириной щели, это совсем другой параметр.

Минимальный объём пробы — это высота луча + 3-4 мм. К примеру, мы используем спектрофотометр Shimadzu, и высота луча равна 15 мм. Минимальная высота образца должна быть 19 мм, то есть если мы используем стандартную 10-миллиметровую кювету формата СФ, объём образца равен: 10 × (12,5-2×1,25) × (19-1,25) = 1,8 мл. 1,25 мм — это толщина стенок и дна кюветы, их можно вычесть из общей ширины и высоты.

А если даже таких объёмов нет? То тогда придётся покупать специализированные микрокюветы для микрообъёмов. Они тоже бывают разные — некоторые просто с сильно утолщённым дном, некоторые со сложной геометрией стенок (и со сложностями в позиционировании кюветы, потому что ширина образца получается маленькая) и, наконец, для самых сложных образцов микрокюветы с окошками, в которых объём пробы может составлять сотни или десятки микролитров.

Выводы

Правильный выбор кюветы позволяет повысить точность и воспроизводимость результатов измерений на фотометрах и спектрофотометрах. Важно учитывать не только тип и размер кюветы, но и материал, из которого она изготовлена, чтобы обеспечить соответствие условиям конкретного эксперимента. Очень многое зависит от природы пробы и от её объёмов.

Плюсы разнообразия: на рынке огромное количество кювет, под любой возможный эксперимент и стандарт.

Минусы разнообразия: не всегда понятно, что с этим разнообразием делать.

Выход из положения: прочитать статью и обратиться к нам. Наши менеджеры помогут, подскажут и направят. Обращайтесь: