Spectrofotometers bestaan sinds de uitvinding in 1940 als laboratoriuminstrumenten voor de analyse van monsters, meestal vloeistoffen. Later zijn spectrofotometers ook beschikbaar gekomen als sensoren die op locatie toepasbaar zijn, onder meer in de riolering en in ander stedelijk water. Deze pagina heeft vooral betrekking op dit type sensor.

Waarom uv/vis?

Toepassing van uv/vis-sensoren is vooral interessant als u behoefte hebt aan hoogfrequente waterkwaliteitsmetingen met weinig tot geen vertraging in de metingen. Bijvoorbeeld bij realtimecontrol (RTC) van gemalen en/of andere voorzieningen op basis van de actuele waterkwaliteit. Op de pagina Sturen op waterkwaliteit met uv/vis-sensor vindt u een praktijkvoorbeeld.

Meetprincipe

Een uv/vis-spectrofotometer gebruikt het principe dat chemische verbindingen (moleculen) licht kunnen absorberen, waardoor het molecuul in een aangeslagen toestand overgaat. Elektronen komen hierbij in een hoger energieniveau. Specifieke chemische verbindingen absorberen licht met een specifieke golflengte. Door licht door een oplossing te sturen en te meten bij welke golflengtes hoeveel licht wordt geabsorbeerd, zijn de aanwezige stoffen en de concentratie ervan te bepalen.

Een maat hiervoor is de absorbantie (Engels: absorbance), ook wel extinctie genoemd:

A = log₁₀ (I₀/I)

waarbij:

A is de absorbantie bij een bepaalde golflengte van het licht (dimensieloos)
I₀ = de sterkte van het invallende licht
I = de doorgelaten lichtsterkte

Deze absorbantie is logaritmisch. Bij een reductie van 90% van de oorspronkelijke lichtsterkte is de absorbantie 1 en bij 99% is deze 2.

Volgens de wet van Lambert-Beer is deze absorbantie van de lichtsterkte recht evenredig met de concentratie van de absorberende chemische verbinding in de oplossing:

A = εcL

waarbij:

ε = de stofafhankelijke extinctiecoëfficiënt (M^-1cm^-1)
c = de concentratie (M ofwel mol/L)
L = de lengte van het pad dat het licht door de oplossing moet afleggen (Engels: optical path length) (cm)

De wet van Lambert-Beer houdt in dat bij een lineaire toename van de concentratie of de lengte de lichtsterkte door absorptie exponentieel afneemt.

Opbouw van een uv/vis-sensor

Figuur A Schematische weergave uv/vis-sensor (Bron: Schilperoort, 2011)

Als lichtbron bevat een uv/vis-sensor (zie figuur A) een lamp die licht uitzendt met golflengtes in het zichtbare (golflengte 400 tot 700 nm) en ultraviolette spectrum (golflengte < 400 nm), bijvoorbeeld een xenonlamp (golflengtes tussen 160 en 2.000 nm). Het licht wordt opgebroken in licht van verschillende specifieke golflengtes tussen (ongeveer) 200 nm en 700 tot 900 nm. Dit kan op twee manieren:

Met een monochromator: een prisma dat de lichtstraal opbreekt, in combinatie met een nauwe lichtdoorlatende spleet die alle golflengtes behalve de gewenste golflengte wegfiltert. Het licht dat dan door de vloeistof wordt gestuurd, heeft een specifieke ingestelde golflengte (is monochromatisch). Het instrument voert achtereenvolgens metingen uit met licht van verschillende golflengtes in het spectrum.
Met een PDA-detector (photo diode array). Het licht dat door de vloeistof wordt gestuurd, is wit licht met een breed spectrum aan golflengtes. Na transmissie wordt de lichtstraal opgebroken. Licht van verschillende golflengtes komt op een reeks lichtgevoelige diodes terecht, die allemaal tegelijk het doorgelaten licht meten, elke diode voor een klein golflengte-interval, bijvoorbeeld een resolutie van 2 tot 3 nm. Een spectrummeting met PDA-detector werkt sneller dan met een monochromator.

De lichtstraal gaat door de vloeistof naar de detector. Omdat lineaire toename van zowel de concentratie als van de optical path length de lichtsterkte exponentieel doet afnemen, wordt de optical path length afgesteld op de verwachte concentraties. Bij hoge concentraties hoort een kleine optical path length en bij lage concentraties een grotere optical path length, bijvoorbeeld 35 mm voor drinkwater, 5 mm voor oppervlaktewater en 1 mm voor afvalwater. Deze path lengths (en daarmee ook de gemeten absorbantie in een bepaalde vloeistof) verschillen per meetinstrument. Een uv/vis-sensor ontworpen voor gebruik in drinkwater is daardoor niet zomaar toepasbaar in afvalwater.

De lichtgevoelige diodes die de detector vormen van een spectrofotometer of uv/vis-sensor, zetten de straling die op de detector valt om in een elektrische stroom. Naast de lichtbundel die door de vloeistof wordt gestuurd, is er in de meeste uv/vis-sensoren ook een tweede lichtbundel die niet door de vloeistof gaat en die als referentie wordt gebruikt. Het verschil in de straling van de twee lichtbundels op de detector is toe te schrijven aan de absorptie in de vloeistof. Door de tweede lichtbundel is het mogelijk om rekening te houden met schommelingen in de lichtsterkte door veroudering van de lichtbron of schommelingen in de stroomvoorziening. In laboratorimopstellingen worden ook spectrofotometers met een enkele straal gebruikt, het instrument vergelijkt dan de straling op de detector voor en na het plaatsen van het testmonster.

Absorbantiespectrum van rioolwater

Figuur B Kenmerkend absorbantiespectrum van rioolwater, gemeten met een optical path length van 2 mm (Bron: Schilperoort, 2011 1)

In figuur B ziet u een kenmerkend absorbantiespectrum van rioolwater, gemeten met een optical path length van 2 mm. Golflengtes van 200-250 nm hangen samen met de aanwezigheid van nitriet en nitraat, golflengtes van 250-380 nm met de aanwezigheid van organische bestanddelen als CZV en golflengtes van 380 tot 750 nm (zichtbaar licht) met de aanwezigheid van zwevende stoffen (Engels: suspended solids). De absorbantie in deze grafiek is gedeeld door de optical path length (en daarmee instrumentonafhankelijk).

Kalibratie: absorbantie 'vertalen' naar stofconcentraties

Het meten van stofconcentraties met een spectrofotometer is een indirecte meetmethode. De relatie tussen concentraties en het absorbantiespectrum is afhankelijk van het meetinstrument en de samenstelling van het water. Om de absorbantie te 'vertalen' naar concentratiemetingen van specifieke stoffen, ondergaat elk meetinstrument een 'globale kalibratie' met een kalibratievloeistof met een samenstelling die kenmerkend is voor de toepassing. Het instrument kan daarmee op basis van het absorbantiespectrum concentraties berekenen van bijvoorbeeld:

biologisch en chemisch zuurstofverbruik;
zwevende stof;
nitriet en nitraat;
ozon;
chlorofyl;
koolstofverbindingen.

In plaats van de stofconcentraties kunt u ook het absorbantiespectrum uitlezen (zie figuur B).

De absorbantie van specifieke stoffen kan veranderen door bijvoorbeeld een veranderende zuurgraad (pH-shift) of door verbindingen met andere stoffen. Voer daarom ook minimaal één lokale kalibratie uit, bij voorkeur vaker.

Praktische aandachtspunten

Een uv/vis-sensor plaatst u direct in het (afval)water. Om te voorkomen dat de nauwe opening van het optical path vervuild raakt, blaast het instrument automatisch luchtbelletjes door de opening die aangekoekte vervuiling op de optische lenzen meenemen. Toch zijn uv/vis-sensoren gevoelig voor vervuiling, vooral bij gebruik in ruw afvalwater. Om te voorkomen dat vervuiling een groot deel van de metingen verstoort, moet u het instrument aanvullend op de automatische reiniging regelmatig (wekelijks of dagelijks) schoonmaken.
Het is belangrijk om een geschikte locatie voor de sensor te vinden. Uv/vis-sensoren zijn behoorlijk groot (tot meer dan een halve meter lang). Verder moet u ze voor de reiniging eenvoudig kunnen verwijderen en weer terugplaatsen. Dit maakt gewone inspectieputten minder geschikt. U kunt bijvoorbeeld overwegen om het te bemeten water via een bypass naar een geschikte meetlocatie te brengen.
Uv/vis-sensoren zijn relatief duur in aanschaf, duurder dan bijvoorbeeld een geleidbaarheidssensor.
Door de gevoeligheid voor vervuiling (zie het eerste punt hierboven) en voor veranderingen in de samenstelling van het te bemeten water (bijvoorbeeld de pH) moet u de meetresultaten valideren. Zet u de uv/vis-sensor in om de waterkwaliteit te meten als sturingsvariabele voor RTC? Dan moet het RTC-ontwerp ook voorzien in automatische validatie en een terugvaloptie in de sturing voor het geval de meting niet betrouwbaar is.

¹ R.P.S. Schilperoort, 2011. Monitoring as a tool for the assessment of wastewater quality dynamics. Proefschrift aan de TU Delft.

Spectrofotometer (uv/vis-sensor)