Спектрофотометр ДУ - DU spectrophotometer

Спектрофотометр DU, Национальные технические лаборатории, 1947 г.

В Спектрофотометр ДУ или же Бекман Д.Ю., представленный в 1941 году, был первым коммерчески жизнеспособным научный инструмент для измерения количества ультрафиолетовый свет поглощается веществом. Эта модель спектрофотометр позволили ученым легко исследовать и идентифицировать данное вещество на основе его спектр поглощения, картина поглощения света на разных длинах волн. Арнольд О. Бекман с Национальные технические лаборатории (позже Beckman Instruments) разработали три собственных прототипных модели (A, B, C) и одну модель ограниченного распространения (D), прежде чем перейти к полному коммерческому производству с DU. В период с 1941 по 1976 год было произведено и продано около 30 000 спектрофотометров с DU.

Иногда его называют спектрофотометром UV – Vis, потому что он измеряет как ультрафиолетовый (УФ) и видимый spectra, спектрофотометр DU считается поистине революционной технологией. Он дал более точные результаты, чем предыдущие методы определения химический состав сложного вещества и существенно сократило время, необходимое для точного анализа, с недель или часов до минут. Beckman DU был важен для нескольких важных секретных исследовательских проектов во время Вторая Мировая Война, включая разработку пенициллин и синтетическая резина.

Фон

До разработки спектрофотометра DU анализ тестового образца для определения его компонентов был долгим, дорогостоящим и часто неточным процессом. Классический мокрая лаборатория содержал большое количество разнообразных сложных аппаратов.[1] Тестовые образцы проходили через серию неудобных и трудоемких качественные процессы чтобы выделить и идентифицировать их компоненты. Определение количественный концентрации этих компонентов в образце требовали дальнейших шагов. Процессы могут включать методы для химические реакции, осадки, фильтрации и растворения.[2]:150[3] Определение концентраций известных примесей в известном неорганическом веществе, таком как расплав утюг можно сделать менее чем за тридцать минут.[2]:26 Определение сложных органических структур, таких как хлорофилл использование влажных и сухих методов может занять десятилетия.[4] :59–60

Спектроскопические методы наблюдения поглощение из электромагнитное излучение в видимый спектр были известны еще в 1860-х гг.[4]:65[5]:5Ученые заметили, что свет проходит через средний будет поглощаться на разных длинах волн, в зависимости от вещественного состава среды. Источник белого света будет излучать свет с множеством длин волн в диапазоне частот. Призма может использоваться для разделения источника света на определенные длины волн. Пропускание света через образец материала приведет к поглощению света некоторых длин волн, в то время как другие не будут затронуты и продолжат передачу. Длины волн в результирующем спектр поглощения будет отличаться в зависимости от атомный и молекулярный состав, если задействован материал.[6][7][8]

Спектроскопические методы преимущественно использовались физики и астрофизики. Спектроскопические методы редко преподавались на уроках химии и были незнакомы большинству практикующих химиков. Примерно с 1904 года Фрэнк Твайман из лондонской приборостроительной фирмы Adam Hilger, Ltd. пытался разработать спектроскопические инструменты для химиков, но его клиентская база постоянно состояла из физиков, а не химиков.[9]:113–118 К 1930-м годам он разработал нишевый рынок в металлургия, где его инструменты были хорошо адаптированы к задачам, которые решали химики.[9]:124

К 1940-м годам как академические, так и промышленные химики все больше интересовались проблемами, связанными с составом и обнаружением биологические молекулы. Биологические молекулы, в том числе белки и нуклеиновые кислоты, поглощают световую энергию как в ультрафиолетовый и видимый классифицировать.[10] Спектр видимого света был недостаточно широк, чтобы позволить ученым исследовать такие вещества, как витамин А.[11] Точная характеристика сложных образцов, особенно биологических материалов, потребует точного считывания частот поглощения в ультрафиолете и инфракрасный (ИК) участки спектра в дополнение к видимому свету. Существующие инструменты, такие как Ченко «Спектрофотелометр» и спектрофотометр Coleman Model DM не могли быть эффективно использованы для исследования длин волн в ультрафиолетовом диапазоне.[11][12]

Набор оборудования, необходимого для измерения световой энергии, выходящей за пределы видимого спектра в сторону ультрафиолета, мог обойтись лаборатории в 3000 долларов, что в 1940 году было огромной суммой.[2]:149 Были сняты повторные считывания образца для получения фотопластинки демонстрирующий спектр поглощения материала на разных длинах волн. Опытный человек может сравнить их с известными изображениями, чтобы определить соответствие. Затем информацию с пластин нужно было объединить, чтобы построить график, показывающий спектр в целом. В конечном итоге точность таких подходов зависела от точного, последовательного проявления фотопластинок и от человеческого фактора. Острота зрения и потренируйтесь в считывании длин волн.[2]:150–151

Разработка

DU был разработан в Национальных технических лабораториях (позже Инструменты Beckman ) под руководством Арнольд Орвилл Бекман, американский химик и изобретатель.[13][14] Начиная с 1940 года, Национальные технические лаборатории разработали три собственных прототипа модели (A, B, C) и одну модель ограниченного распространения (D), прежде чем перейти к полному коммерческому производству с DU в 1941 году.[5]:6 Исследовательскую группу Бекмана возглавлял Говард Кэри, который впоследствии стал соучредителем Applied Physics Corporation (позже Кэри Инструменты ), который стал одним из сильнейших конкурентов Beckman Instruments.[15] Среди других ученых были Роланд Хоуз и Кеньон Джордж.[16]

Coleman Instruments недавно подключила pH метр с оптическим фототрубка прибор для исследования визуального спектра (модель Коулмана DM).[10] Бекман уже разработал успешный pH-метр для измерения кислотности растворов, революционный продукт его компании. Увидев потенциал для развития своего существующего опыта, Бекман поставил перед собой цель создать простой в использовании интегрированный прибор, который мог бы регистрировать и регистрировать определенные длины волн в ультрафиолетовом диапазоне. Вместо того, чтобы зависеть от развития фотографических пластинок или визуальной способности человека-наблюдателя обнаруживать длины волн в спектре поглощения, будут использоваться фототрубки для регистрации и сообщения определенных длин волн, которые были обнаружены. Это могло повысить точность и надежность прибора, а также его скорость и простоту использования.[2]:149–151

Модель А (прототип)

Первый прототип спектрофотометра Бекмана, Модель А, был создан в Лаборатории национальных технологий в 1940 году. вольфрам источник света со стеклом Призма Фери как монохроматор.[17]:16[18] Вольфрам использовался для лампа накаливания нитей, потому что он был прочным, выдерживал тепло и излучал устойчивый свет.[19] Типы источников света различались диапазоном длин волн света, который они излучали. Вольфрамовые лампы были полезны в диапазоне видимого света, но давали плохое покрытие в ультрафиолетовом диапазоне. Однако у них было то преимущество, что они были легко доступны, поскольку использовались в качестве автомобилей. фары.[17]:17 Внешний усилитель от pH-метра Beckman и вакуумная труба фотоэлементы использовались для обнаружения длин волн.[17]:16

Модель B (прототип)

Кристаллы кварца оптического качества

Быстро стало понятно, что стакан дисперсионная призма не подходил для использования в ультрафиолетовом спектре.[2]:153[17]:16 Стекло поглощало электромагнитное излучение ниже 400 миллимикроны вместо того, чтобы рассеивать его.[20] В модели B a кварц призма была заменена на более раннее стекло.[2]:153[17]:16

Для регулировки монохроматора использовался механизм касательной штанги. Механизм был очень чувствительным и требовал квалифицированного оператора.[17]:16 Было изготовлено всего два прототипа Model B. Один был продан: в феврале 1941 г. Калифорнийский университет Химический факультет в Лос-Анджелес.[2]:153

Прототип модели B следует отличать от более поздней модели спектрофотометра, которая также упоминалась как модель «B». Серийная модель «B» была представлена ​​в 1949 году как менее дорогая и простая в использовании альтернатива Beckman DU.[21] Он использовал стеклянную призму Фери в качестве хромататора и работал в более узком диапазоне, примерно от 320 до 950 миллимикрон и от 5 до 20. Å.[22]:183–184[23][24][25]

Модель C (прототип)

Затем были построены три прибора модели C, улучшающие разрешение прибора по длине волны. Отсек вращающейся ячейки модели B был заменен линейной камерой для образцов. Механизм касательной планки был заменен на механизм привода спирали,[17]:16 которым можно было бы более точно управлять для сброса кварцевой призмы и выбора желаемой длины волны.[10] С помощью этого нового механизма результаты можно было бы получить более легко и надежно, без необходимости использования высококвалифицированного оператора. Это стало образцом для всех более поздних инструментов Beckman с кварцевой призмой.[17]:16 Хотя было построено только три прототипа Model B, все были проданы, один в Калтех а два других - компаниям пищевой промышленности.[2]:153

Модель D (ограниченное производство)

Кварцевый фотоэлектрический спектрофотометр, Cary & Beckman, 1941 г.[26]:687

Все прототипы моделей A, B и C подключили внешний pH-метр Beckman к оптическому компоненту для получения показаний. При разработке модели D Бекман взял усилитель с прямой связью схема от pH-метра и объединила оптические и электронные компоненты в одном корпусе, что сделало его более экономичным.[10]

Переход от прототипа к производству Model D был сопряжен с трудностями. Бекман изначально подходил Бауш и Ломб о изготовлении кварцевых призм для спектрофотометра. Когда они отказались от этой возможности, Национальные технические лаборатории разработали свою собственную оптическую систему, включающую как механизм управления, так и кварцевую призму. Было трудно получить крупный кварц высокого оптического качества, пригодный для создания призм. Он прибыл из Бразилии и был востребован в военное время. радиогенераторы. Бекману пришлось получить список приоритетов военного времени для спектрофотометра, чтобы получить доступ к подходящим запасам кварца.[17]:17

Бекман ранее пытался найти источник надежных водородные лампы, стремясь к лучшей чувствительности к длинам волн в ультрафиолетовом диапазоне, чем это было возможно с вольфрамом. Как было описано в июле 1941 г., в спектрофотометре Бекмана можно было использовать «водородную газоразрядную трубку с горячим катодом» или вольфрамовый источник света.[26]:684–685 Однако Бекмана по-прежнему не устраивали доступные водородные лампы. Национальные технические лаборатории разработали собственную водородную лампу, анод заключен в тонкое окно из дутого стекла.[17]:17 К декабрю 1941 года собственная разработка была использована при производстве модели D.[2]:154–155

Конструкция прибора также требовала более чувствительной фототрубки, чем коммерчески доступная в то время. Бекман смог получить небольшие партии экспериментальных фотоэлементов из RCA для первых инструментов Model D.[17]:17

Спектрофотометр модели D, использующий экспериментальную фототрубку RCA, был показан на Массачусетский технологический институт Летняя конференция по спектроскопии в июле 1941 года. Доклад, представленный Кэри и Бекманом, был опубликован в Журнал Оптического общества Америки. В нем Кэри и Бекман сравнили дизайн модифицированного самоколлимационный кварцевая призма Фери, зеркально-коллимированный кварц Призма Литтроу, и различные решетки.[26]:683 Призма Литтроу представляла собой полупризму с зеркальным покрытием.[18][27]:31–34 Использование вольфрамового источника света с кварц Сообщалось, что призма Литтроу как монохроматор минимизирует рассеяние света внутри прибора.[26]:686

Модель D была первой моделью, запущенной в настоящее производство. Небольшое количество инструментов Model D было продано, начиная с июля 1941 года, до того, как DU вытеснил ее.[2]:153–155[17]:17–18

Модель DU

Отсек абсорбционной ячейки и фотоэлемента в разобранном виде, Кэри и Бекман, 1941 г.[26]:687

Когда RCA не смогла удовлетворить потребность Бекмана в экспериментальных фотолабораториях, Национальным техническим лабораториям снова пришлось самостоятельно разрабатывать собственные компоненты.[17]:18 Они разработали пару фототрубок, чувствительных к красной и синей областям спектра, способных усиливать полученные сигналы.[28]:230 С включением чувствительных к ультрафиолетовому излучению фототрубок Beckman модель D стала спектрофотометром Model DU UV-Vis.[17]:18 Его обозначение как спектрофотометр «UV – Vis» указывает на его способность измерять свет как в видимом, так и в ультрафиолетовом спектрах.[29]

DU был первым коммерчески жизнеспособным научным прибором для измерения количества ультрафиолетового света, поглощаемого веществом.[2]:148 [5]:10 Как и в случае с pH-метром, Бекман заменил комплекс сложного оборудования одним простым в использовании прибором. Один из первых полностью интегрированных инструментов[17]:11 или же "черные ящики "используется в современных химических лабораториях,[30] в 1941 году он был продан за 723 доллара.[12]

Обычно предполагается, что «DU» в названии было комбинацией «D» для модели D, на которой она была основана, и «U» для ультрафиолетового спектра. Однако было высказано предположение, что "DU" может также ссылаться на братство Бекмана в Университете Иллинойса, Дельта Ипсилон, членов которой называли "DU" s.[31]

Публикация в научной литературе сравнивала оптическое качество DU с оптическим качеством. Спектрофотометр Cary 14, еще один ведущий спектрофотометр того времени в УФ-видимой области.[32]

Дизайн

Спектрофотометр модели DU - покомпонентное изображение, руководство Beckman, 1954 г.


С 1941 по 1976 год, когда он был снят с производства, спектрофотометр Model DU был построен по сути той же конструкции.[12] Это был однолучевой инструмент.[16]:11[33]Спектрофотометры DU использовали кварцевую призму для разделения света от лампы на его спектр поглощения и фототрубку для электрического измерения световой энергии по всему спектру. Это позволило пользователю построить спектр поглощения света веществом, чтобы получить стандартизованную характеристику «отпечатка пальца» соединения.[2]:151 [34][35] Все современные спектрофотометры UV – Vis построены на тех же основных принципах, что и спектрофотометр DU.[29]


Схема оптической системы Model DU, руководство Beckman, 1954 г.

«Свет от вольфрамовой лампы фокусируется конденсирующим зеркалом и направляется пучком на входное зеркало с диагональной щелью. Входное зеркало отклоняет свет через входную щель и попадает в монохроматор на коллимирующее зеркало. Свет, падающий на коллимирующее зеркало, оказываются параллельными и отражаются от кварцевой призмы, где она претерпевает преломление. Задняя поверхность призмы алюминирована, так что свет, преломленный на первой поверхности, отражается обратно через призму, претерпевая дальнейшее преломление при выходе из призмы. Желаемая длина волны свет выбирается вращением селектора длины волны, который регулирует положение призмы. Спектр направляется обратно на коллимирующее зеркало, которое центрирует выбранную длину волны на выходной щели и образце. Свет, проходящий через образец, попадает на фототрубку, вызывая усиление тока. . Текущее усиление усиливается и регистрируется нулевым измерителем ». Модель DU Optical System[36]:3

Хотя источником света по умолчанию для инструмента был вольфрам, водород или ртутная лампа может быть заменен в зависимости от оптимального диапазона измерения, для которого должен использоваться прибор.[36] :3 Вольфрамовая лампа подходила для пропускания длин волн от 320 до 1000 миллимикрон; водородная лампа от 220 до 320 миллимикрон и ртутная лампа для проверки калибровки спектрофотометра.[36]:6


Минимальная ширина спектральной полосы, Кэри и Бекман, 1941 г.

Как было объявлено в выпуске новостей Американского химического общества за 1941 год, в спектрофотометре Бекмана использовался автоколлимация призма из кристалла кварца для монохроматора, способная покрывать диапазон от ультрафиолетового (200 миллимикрон) до инфракрасного (2000 миллимикрон), с номинальной шириной полосы 2 миллимикрона или меньше для большей части своего спектрального диапазона. Щелевой механизм можно было плавно регулировать от 0,01 до 2,0 мм, и утверждалось, что он имеет менее 1/10% рассеянного света в большей части спектрального диапазона. Он имел легко читаемую шкалу длин волн, одновременно отображающую информацию о% пропускании и плотности.[37]

Держатель образцов вмещал до 4 ячеек.[36]:3[37] Клетки могут быть перемещены на световой путь с помощью внешнего управления, что позволяет пользователю снимать несколько показаний, не открывая отсек для кювет.[36]:3 Как описано в руководстве к DU, измерения оптической плотности образца проводились по сравнению с пустой, или же стандарт, «раствор, идентичный по составу образцу, за исключением того, что измеряемый поглощающий материал отсутствует».[36]:24 Эталон может быть ячейкой, заполненной растворитель Такие как дистиллированная вода[36]:24 или приготовленный растворитель известной концентрации.[27]:30–31 На каждой длине волны проводят два измерения: с образцом и эталоном в световом пучке. Это обеспечивает соотношение, коэффициент пропускания, чтобы получить. Для количественных измерений коэффициент пропускания конвертируется в поглощение который пропорционален концентрации растворенного вещества согласно Закон пива. Это дает возможность количественного определения количества вещества в растворе.[38]

Пользователь также мог переключаться между фотопробирками, не снимая держатель образца. В рекламе 1941 года указано, что были доступны три типа фотолабор с максимальной чувствительностью к красному, синему и ультрафиолетовому свету.[37]

Спектрофотометр DU 1954 года отличается тем, что заявляет полезность от 200 до 1000 миллимикрон,[36]:2 и не упоминает ультрафиолетовый фотоэлемент.[36]:3 Селектор длины волны, однако, все еще находился в диапазоне от 200 до 2000 миллимикрон.[36]:4 и был доступен «набор ультрафиолетовых аксессуаров».[36]:25 Этот отход от использования DU для инфракрасных измерений понятен, поскольку к 1954 году Beckman Instruments продавала отдельный инфракрасный спектрофотометр. Бекман разработал инфракрасный спектрофотометр IR-1 во время Второй мировой войны и преобразовал его в IR-4 между 1953 и 1956 годами.[2]:165[39]:6–7

Использовать

Спектрофотометр Beckman DU в использовании

Спектрофотометр Beckman был первым простым в использовании прибором, содержащим как оптические, так и электронные компоненты, необходимые для спектрофотометрия ультрафиолетового поглощения в пределах одного корпуса.[2]:153 Пользователь мог вставить лоток для кювет со стандартом и кюветами для образцов, набрать желаемую длину волны света, подтвердить, что прибор был правильно настроен, измерив стандарт, а затем измерить степень поглощения образца, считывая частоту с простого метр.[40] Можно было снять серию показаний на разных длинах волн, не нарушая образец.[41] Метод ручного сканирования спектрофотометра DU был чрезвычайно быстрым, сокращая время анализа с недель или часов до минут.[39]:6[42][43]

Он был точен как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазонах.[29] Работая как в ультрафиолетовой, так и в видимой областях спектра, модель DU выдавала точные спектры поглощения, которые можно было относительно легко получить и точно воспроизвести.[41] В Национальное бюро стандартов провели тесты, чтобы подтвердить, что результаты DU были точными и повторяемыми, и рекомендовали его использование.[2]:156

К другим преимуществам относятся высокое разрешение и минимизация паразитного света в ультрафиолетовой области.[12] Несмотря на то, что это было недешево, его начальная цена 723 доллара.[12] сделал его доступным для средней лаборатории.[44]:501 Для сравнения, в 1943 году спектрофотометр GE Hardy стоил 6400 долларов.[39]:6 Практичный и надежный, DU быстро стал стандартом для лабораторного оборудования.[35]:141

Влияние

Плакат времен Второй мировой войны побуждал исследователей «дать этой работе все, что у вас есть»

Ему приписывают «прорыв в оптической спектроскопии»,[5]:10 Beckman DU был определен как «незаменимый инструмент для химии»[2]:207 и " Модель T лабораторных приборов ».[12] В период с 1941 по 1976 год было произведено и продано около 30 000 спектрофотометров с DU.[5]:11[45]

DU позволил исследователям упростить анализ веществ, быстро проведя измерения на более чем одной длине волны, чтобы получить спектр поглощения, описывающий все вещество. Например, стандартный метод анализа витамин А содержание жир печени акулы Перед внедрением спектрофотометра с DU крысам давали масло в течение 21 дня, затем отрезали крысам хвосты и исследовали их костную структуру. Благодаря ультрафиолетовой технологии DU содержание витамина А в масле печени акулы можно определить за считанные минуты.[39]:6

Исследовательский институт Скриппса и Массачусетский технологический институт приписывают DU повышение точности и скорости химического анализа. Массачусетский технологический институт заявляет: «Это устройство навсегда упростило и оптимизировало химический анализ, позволяя исследователям выполнять количественное измерение вещества с точностью 99,9% в течение нескольких минут, в отличие от недель, которые раньше требовались для получения результатов с точностью только 25%».[42][43]

Химик-органик и философ науки Теодор Л. Браун заявляет, что он «произвел революцию в измерении световых сигналов от образцов».[46]:2 Нобелевский лауреат Брюс Меррифилд цитируется как называющий спектрофотометр DU "вероятно самым важным инструментом, когда-либо разработанным для продвижения бионаука."[12] Историк науки Питер Дж. Т. Моррис определяет появление DU и других научных инструментов в 1940-х годах как начало Кунианская революция.[4] :80

Для компании Beckman DU был одним из трех основополагающих изобретений: pH метр, спектрофотометр DU и потенциометр вертолетной площадки - которые создали компанию на надежной финансовой основе и позволили ей расширяться.[47]

Витамины

Разработка спектрофотометра имела прямое отношение ко Второй мировой войне и военным усилиям Америки. Роль витаминов для здоровья вызывала серьезную озабоченность, как хотели установить ученые. Витамин А -богатая пища для сохранения здоровья солдат. Предыдущие методы оценки уровня витамина А включали кормление крыс пищей в течение нескольких недель, а затем выполнение биопсии для оценки уровней потребляемого витамина А. Напротив, исследование образца пищи с помощью спектрофотометра DU дало лучшие результаты за считанные минуты.[48] Спектрофотометр DU можно использовать для изучения как витамина А, так и его предшественника. каротиноиды,[49] и быстро стал предпочтительным методом спектрофотометрического анализа.[11][50][51]

Пенициллин

Спектрофотометр DU также был важным инструментом для ученых, изучающих и производящих новое чудо-лекарство. пенициллин.[10]Разработка пенициллина была секретной национальной миссией, в которой участвовали 17 фармацевтических компаний, с целью обеспечить пенициллином все вооруженные силы США, участвовавшие во Второй мировой войне.[52]:312[53] Было известно, что пенициллин более эффективен, чем сульфамидные препараты,[52]:312 и что его использование уменьшило смертность, тяжесть длительной травмы раны и сроки выздоровления.[2]:158 Однако его структура не была изучена, процедуры выделения, использованные для создания чистых культур, были примитивными, а производство с использованием известных методов поверхностного культивирования было медленным.[52]:312

В Северная региональная научно-исследовательская лаборатория в Пеория, Иллинойс, исследователи собрали и исследовали более 2000 образцов формы (а также другие микроорганизмы ).[54] В состав обширной исследовательской группы входили Роберт Когхилл, Норман Хитли, Эндрю Мойер, Мэри Хант,[55][56][57] Фрэнк Х. Стодола и Моррис Э. Фридкин. Фридкин вспоминает, что ранняя модель спектрофотометра Beckman DU использовалась исследователями пенициллина в Пеории.[52]:316 Лаборатории Пеории удалось изолировать и коммерчески производить превосходные штаммы плесени, которые были в 200 раз более эффективны, чем оригинальные формы, открытые Александр Флеминг.[55] К концу войны американские фармацевтические компании производили 650 миллиардов единиц пенициллина каждый месяц.[55] Большая часть работы, проделанной в этой области во время Второй мировой войны, держалась в секрете до окончания войны.[2]:158[53]

Углеводороды

Спектрофотометр DU также использовался для критического анализа углеводороды. Ряд углеводородов представлял интерес для военных действий. Толуол, углеводород в сырая нефть, использовался в производстве TNT для военного использования.[2]:158–159[17]:19 Бензол и бутадиены были использованы в производстве синтетическая резина.[58] Резина, используемая в шинах для джипов, самолетов и танков, была в критическом дефиците, потому что Соединенные Штаты были отрезаны от иностранных поставок натурального каучука.[2]:158–159 В Управление резины резерва организовал исследователей в университетах и ​​в промышленности для тайной работы над проблемой.[59] Спрос на синтетический каучук побудил Beckman Instruments развивать инфракрасные спектрофотометры. Инфракрасные спектрофотометры лучше подходят для анализа C, чем спектрофотометры UV – Vis.4 углеводороды, особенно для применения в нефтепереработке и производстве бензина.[2]:159[4]:17

Ферментные анализы и исследования ДНК

Герти Кори и ее муж Карл Фердинанд Кори выиграл Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1947 году в знак признания их работы над ферменты. Они сделали несколько открытий, важных для понимания углеводный обмен, включая изоляцию и открытие Эфир Кори, глюкозо-1-фосфат, и понимание Цикл Кори. Они определили, что фермент фосфорилаза катализирует образование глюкозо-1-фосфата, который является начальной и конечной стадиями превращения гликоген в глюкоза и глюкоза в крови к гликогену. Герти Кори была первой, кто показал, что дефект фермента может быть причиной генетического заболевания человека.[60] Спектрофотометр Beckman DU использовался в лаборатории Кори для расчета концентраций ферментов, включая фосфорилазу.[61]

Другой исследователь, который провел шесть месяцев в 1947 году в лаборатории Кори, «самом ярком месте в биохимии» того времени, был Артур Корнберг.[62] Корнберг был уже знаком со спектрофотометром DU, который он использовал в Северо-Очоа лаборатория в Нью-Йоркский университет. «Новый и дефицитный» Beckman DU, одолженный Очоа Американское философское общество, высоко ценился и постоянно использовался. Корнберг использовал его для очищения аконитаза, фермент в цикл лимонной кислоты.[62][63]

«Фермент можно было проанализировать за несколько минут, связав его с изоцитратдегидрогеназой и измерив образующийся NADH с помощью спектрофотометра Beckman DU, инструмента, который изменил биохимию».[63]:113

Корнберг и Бернард Л. Хорекер использовали спектрофотометр Beckman DU для измерения уровня ферментов. НАДН и НАДФН. Они определили их коэффициенты экстинкции, заложив основу для количественных измерений в реакциях с участием нуклеотиды. Эта работа стала одной из самых цитируемых статей по биохимии.[63]:115 Корнберг продолжил изучение нуклеотидов в синтезе ДНК, выделив первый фермент полимеризации ДНК (ДНК-полимераза I ) в 1956 г. и получив Нобелевская премия по физиологии и медицине с Северо Очоа в 1959 году.[64]

Основания ДНК поглощали ультрафиолетовый свет около 260 нм.[10] Вдохновленный работой Освальд Эйвери[65] на ДНК, Эрвин Чаргафф использовал спектрофотометр DU в 1940-х годах для измерения относительных концентраций оснований в ДНК.[66]:260, 290–302 На основе этого исследования он сформулировал Правила Чаргаффа.[67] В первом полном количественном анализе ДНК он сообщил о почти равном соответствии пар оснований в ДНК с количеством гуанин единиц, равных количеству цитозин единиц, а количество аденин единиц, равных количеству тимин единицы. Он также продемонстрировал, что относительные количества гуанина, цитозина, аденина и тимина варьируются между видами. В 1952 году Чаргафф встретил Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон, обсуждая с ними свои выводы. Уотсон и Крик опирались на его идеи при определении структуры ДНК.[67]

Биотехнологии

Ультрафиолетовая спектроскопия широко применяется в молекулярная биология, особенно изучение фотосинтез.[68] Он был использован для изучения широкого спектра цветковых растений и папоротников.[69] исследователями кафедр биологии, физиологии растений и сельскохозяйственных наук, а также молекулярной генетики.[70]

Новая технология, особенно полезная для обнаружения сопряженных двойных связей, позволила исследователям, таким как Ральф Холман и Джордж О. Берр изучать пищевые жиры, работа, которая имела большое значение для питания человека.[71] Спектрофотометр DU также использовался при исследовании стероиды[72][73] исследователями, такими как Алехандро Заффарони,[74] кто помог разработать противозачаточная таблетка, то никотиновый пластырь, и кортикостероиды.[75]

Более поздние модели

Ультрафиолетовый спектрофотометр Beckman Model DK1

Команда Beckman в конечном итоге разработала дополнительные модели, а также ряд аксессуаров или приспособлений, которые можно было использовать для модификации DU для различных типов работ. Одним из первых аксессуаров была насадка для пламени с более мощным фотоумножителем, позволяющая пользователю исследовать пламя, например калий, натрий и цезий (1947).[16]:11[28]:230

В 1950-х годах компания Beckman Instruments разработала DR и DK, оба из которых были двухлучевыми ультрафиолетовыми спектрофотометрами. ДК был назван в честь Уилбур И. Кэй, который разработал его, модифицировав DU, чтобы расширить его диапазон до ближнего инфракрасного диапазона.[16] Первоначальную работу он проделал в Теннесси. Eastman Kodak, а позже был нанят Beckman Instruments.[76] DK представили функцию автоматической записи. DK-1 использовал нелинейную прокрутку, а DK-2 использовал линейную прокрутку для автоматической записи спектров.[76]:21

В DR встроен «робот-оператор», который сбрасывает ручки на DU для выполнения последовательности измерений на разных длинах волн, точно так же, как человек-оператор генерирует результаты для полного спектра. Он использовал линейный челнок с четырьмя позициями и надстройку для изменения ручек. У него был самописец с движущимся графиком для отображения результатов с красными, зелеными и черными точками.[16] Цена записывающих спектрофотометров была существенно выше, чем не записывающих машин.[72]

DK был в десять раз быстрее DR, но не так точен.[16] В нем использовался фотоумножитель, который внес источник ошибки.[76]:21 Скорость DK сделала его предпочтительнее DR.[16] В конце концов Кай разработал DKU, сочетающий инфракрасные и ультрафиолетовые функции в одном приборе, но он был дороже, чем другие модели.[76]

Последний спектрофотометр ДУ был выпущен 6 июля 1976 г.[77] К 1980-м годам компьютеры стали включать в научные инструменты, такие как спектрофотометр Spectronic 2000 UV-Vis компании Bausch & Lomb, для улучшения сбора данных и обеспечения управления приборами.[29] Сейчас, как правило, используются специализированные спектрофотометры, предназначенные для конкретных задач, а не обычные «универсальные машины», такие как DU.[5]:1[78]

Рекомендации

  1. ^ Дульски, Томас Р. (1996). "Мокрая лаборатория". Пособие по химическому анализу металлов (Online-Ausg. Ed.). Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM. С. 11–14. ISBN  978-0-8031-2066-2. Получено 30 августа 2016.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v Текрей, Арнольд; Майерс-младший, Минор (2000). Арнольд О. Бекман: ​​сто лет мастерства. Филадельфия, Пенсильвания: Фонд химического наследия. ISBN  978-0-941901-23-9.
  3. ^ Браун, Роберт Дентон (2016). "Химический анализ". Британская энциклопедия. Получено 30 августа 2016.
  4. ^ а б c d Моррис, Питер Дж. Т .; Трэвис, Энтони С. (2002). «Роль физических приборов в структурной органической химии в ХХ веке». В Моррисе, Питер Дж. Т. (ред.). От классической химии к современной: инструментальная революция. Кембридж: Королевское химическое общество. С. 57–84. ISBN  978-0-85404-479-5.
  5. ^ а б c d е ж Шмидт, Вернер (2005). «Введение в оптическую спектроскопию» (PDF). Оптическая спектроскопия в химии и науках о жизни. Вайнхайм: Wiley-VCH. С. 1–11. ISBN  978-3-527-29911-9. Получено 14 марта 2016.
  6. ^ «Эксперимент 10» (PDF). Физико-астрономический факультет ММГУ. Получено 9 сентября 2016.
  7. ^ Харрис, Дэниел С .; Бертолуччи, Майкл Д. (1989). Симметрия и спектроскопия: введение в колебательную и электронную спектроскопию (Перепечатка ред.). Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN  978-0-486-66144-5.
  8. ^ Холлас, Дж. Майкл (2004). Современная спектроскопия. Чичестер: Дж. Вили. ISBN  978-0-470-84416-8.
  9. ^ а б Бигг, Шарлотта (2002). «Адам Хильгер, ООО и развитие спектрохимического анализа». В Моррисе, Питер Дж. Т. (ред.). От классической химии к современной: инструментальная революция. Кембридж: Королевское химическое общество. С. 111–128. ISBN  978-0-85404-479-5.
  10. ^ а б c d е ж Смутцер, Грегори (15 октября 2001 г.). «Спектрофотометры: увлекательная история». Ученый. Получено 6 марта 2014. Спектрофотометр DU широко использовался в массовом производстве пенициллина.
  11. ^ а б c Розенфельд, Луи (1997). «Витамин - витамин. Первые годы открытий». Клиническая химия. 43 (4): 680–685. Дои:10.1093 / Clinchem / 43.4.680. PMID  9105273. Архивировано из оригинал 4 июня 2016 г.. Получено 17 марта 2016. DU удовлетворил потребность и имел немедленный успех. Она оставалась непревзойденной в своей области 35 лет.
  12. ^ а б c d е ж грамм Симони, Роберт Д.; Хилл, Роберт Л .; Воан, Марта; Табор, Герберт (5 декабря 2003 г.). «Классический прибор: спектрофотометр Beckman DU и его изобретатель, Арнольд О. Бекман» (PDF). Журнал биологической химии. 278 (e1): 79. Получено 15 декабря 2015.
  13. ^ Gallwas, Jerry (2004). "People: Arnold Orville Beckman (1900–2004)". Analytical Chemistry. 76 (15): 264 A–265 A. Дои:10.1021/ac041608j.
  14. ^ Jaehnig, Kenton G. Finding Aid to the Beckman historical collection, 1911–2011 (bulk 1934–2004). Science History Institute. Получено 6 февраля 2018. Links on landing page go to full documents.
  15. ^ Martelle, Scott (April 2, 2000). "During a Remarkable Century of Research, Innovation and Creative Tinkering, Visionary Arnold Beckman Seldom Found a Problem He Couldn't Solve. Until Now". LA Times. п. 4. Получено 20 августа 2016.
  16. ^ а б c d е ж грамм Brock, David C.; Gallwas, Gerald E. (19 February 2002). Robert J. Manning, Transcript of an Interview Conducted by David C. Brock and Gerald E. Gallwas in Fullerton, California on 19 February 2002 (PDF). Philadelphia, PA: Chemical Heritage Foundation.
  17. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п Belser, Karl Arnold. "Arnold Orville Beckman" (PDF). Karl Belser. Получено 10 марта 2016.
  18. ^ а б Stewart, James E. (1996). Optical principles and technology for engineers. Нью-Йорк: М. Деккер. п. 202. ISBN  978-0-8247-9705-8. Получено 9 сентября 2016.
  19. ^ Hunter, Richard S.; Harold, Richard W. (1987). The measurement of appearance (2-е изд.). Нью-Йорк: Вили. pp. 246–248. ISBN  978-0-471-83006-1.
  20. ^ Bisen, Prakash S.; Sharma, Anjana (2013). Introduction to instrumentation in life sciences. Boca Raton, FL: CRC Press. п. 124. ISBN  978-1-4665-1240-5. Получено 8 сентября 2016.
  21. ^ "TheSpectrophotometers That Would Not Die" (PDF). Caltech. Получено 1 сентября 2016.
  22. ^ Glover, J. (1956). "Colorimetric, Absportimetric and Fluorimetric Methods". In Paech, K.; Tracey, M. V. (eds.). Modern Methods of Plant Analysis/Moderne Methoden der Pflanzenanalyse. Berlin: Springer-Verlag. pp. 149–245. ISBN  9783642805301. Получено 30 августа 2016.
  23. ^ Phillips, John P. (1964). Spectra-Structure Correlation. New York & London: Academic Press. п. 6. ISBN  9781483263557. Получено 1 сентября 2016.
  24. ^ "Arthur H. Thomas Company". Analytical Chemistry. 21 (2): 20A. February 1949. Дои:10.1021/ac60026a720.
  25. ^ "Beckman Instruments". Analytical Chemistry. 22 (12): 9A. December 1950. Дои:10.1021/ac60048a708.
  26. ^ а б c d е Cary, H. H.; Beckman, Arnold O. (1941). "A Quartz Photoelectric Spectrophotometer". Журнал Оптического общества Америки. 31 (11): 682–689. Дои:10.1364/JOSA.31.000682.
  27. ^ а б Robinson, James W. (1996). Atomic spectroscopy (2-е изд.). New York: Dekker. pp. 30–33. ISBN  978-0-8247-9742-3. Получено 9 сентября 2016.
  28. ^ а б Gardiner, Kenneth (1956). "Flame photometry". In Berl, Walter G. (ed.). Physical Methods in Chemical Analysis (3-е изд.). Нью-Йорк: Academic Press. pp. 219–290. ISBN  978-1-4832-5563-7. Получено 17 марта 2016.
  29. ^ а б c d Buie, John (July 13, 2011). "Evolution of UV–Vis Spectrophotometers" (PDF). Руководитель лаборатории. С. 24–25.
  30. ^ "Visible Proofs: Forensic Views of the Body". Национальные институты здоровья. Получено 14 марта 2016.
  31. ^ "Beckman Model DU Quartz Spectrophotometer". Illinois Simulator Laboratory. Получено 29 августа 2016.
  32. ^ Brode, Wallace R.; Gould, John H.; Whitney, James E.; Wyman, George M. (October 1953). "A Comparative Survey of Spectrophotometers in the 210–760 mμ Region". Журнал Оптического общества Америки. 43 (10): 862–865. Bibcode:1953JOSA...43..862B. Дои:10.1364/JOSA.43.000862.
  33. ^ Dulski, Thomas R. (1999). Trace elemental analysis of metals : methods and techniques. New York: Marcel Dekker. п. 195. ISBN  978-0-8247-1985-2. Получено 31 августа 2016.
  34. ^ Jarnutowski, R.; Ferraro, J. R.; Lankin, D. C. (1992). "Fifty years of commercial instrumentation in absorption spectroscopy, part II. Landmark instruments in UV/vis". Spectroscopy. 7: 22–24, 26.
  35. ^ а б Zweig, Gunter (1976). Analytical Methods for Pesticides, Plant Growth Regulators, and Food Additives: Principles, Methods, and General Applications. Нью-Йорк: Academic Press. pp. 141–143. ISBN  978-0-12-784301-8. Получено 9 сентября 2016.
  36. ^ а б c d е ж грамм час я j k Beckman Instruments Instruction Manual : The Beckman Model DU Spectrophotometer and Accessories. Fullerton, CA: Beckman Instruments, Inc. 1954.
  37. ^ а б c "Announcing an Important New Beckman Development THE BECKMAN Spectrophotometer". News Edition of the American Chemical Society. American Chemical Society. September 25, 1941. p. NA.
  38. ^ Drees, Julia C.; Wu, Alan H. B. (2013). "Chapter 5: Analytic techniques" (PDF). In Bishop, Michael L.; Fody, Edward P.; Schoeff, Larry E. (eds.). Clinical chemistry : principles, techniques, and correlations. Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. pp. 131–134. ISBN  978-1-4511-1869-8. Получено 10 September 2016.
  39. ^ а б c d Pillsbury, Dale (November 2011). "Too Bad Indy – You Were Born Too Early (Or Perhaps Arnold Beckman was Born Too Late)" (PDF). The Alembic. 38 (3): 6. Получено 29 августа 2016. conventional analysis for vitamin A content required analyzing the bone structure of the tails of rats fed oil for 21 days, while the Beckman DU with its UV capability was able to give a much more precise measurement of vitamin A content in just a few minutes.
  40. ^ Harrison, George R.; Lord, Richard C.; Loofbourow, John R. (1948). Practical spectroscopy. New York: Prentice-Hall. pp. 400–402. Получено 9 сентября 2016.
  41. ^ а б "Beckman DU Spectrophotometer". National Museum of American History. Получено 6 марта 2014.
  42. ^ а б "In Memoriam: Arnold O. Beckman (1900–2004)". News and Views. The Scripps Research Institute. 4 (18). May 24, 2004. Получено 10 марта 2016. The spectrophotometer improved biological assays from a process that took weeks and achieved 25 percent accuracy to one that took minutes and achieved 99.9 percent precision.
  43. ^ а б "Arnold O. Beckman". Массачусетский Институт Технологий. Получено 6 марта 2014. This device forever simplified and streamlined chemical analysis, by allowing researchers to perform a 99.9% accurate quantitative measurement of a substance within minutes, as opposed to the weeks required previously for results of only 25% accuracy.
  44. ^ Royer, G. L.; Lawrence, H. C.; Kodama, S. P.; Warren, C. W. (April 1955). "Manual and Continuous Recording Attachments for Beckman Model DU Spectrophotometer". Analytical Chemistry. 27 (4): 501–506. Дои:10.1021/ac60100a005.
  45. ^ Browne, Malcolm W. (November 10, 1987). "After Decades, Inventor's Work Is Still Felt in the Laboratory". The New York Times. Получено 9 марта 2016.
  46. ^ Brown, Theodore L. (2009). Bridging divides : the origins of the Beckman Institute at Illinois. Urbana: University of Illinois. ISBN  978-0-252-03484-8.
  47. ^ "Our History". Beckman Coulter. Получено 6 сентября 2016.[постоянная мертвая ссылка ]
  48. ^ Mark, Andrew (September 21, 2007). "Leading the way in chemical instrumentation". Laboratory News. Архивировано из оригинал on 6 March 2014. Получено 6 марта 2014.
  49. ^ Avampato, J.E.; Eaton, H.D. (August 1953). "Comparison of Methods for the Estimation of Vitamin A in Calf Plasma". Журнал молочной науки. 36 (8): 783–793. Дои:10.3168/jds.S0022-0302(53)91563-X. Получено 10 September 2016.
  50. ^ Sebrell, W. H.; Harris, Robert S. (1954). The Vitamins: Chemistry, Physiology, Pathology. Нью-Йорк: Academic Press. п. 89. ISBN  9781483222028. Получено 14 марта 2016. ... nowadays the preference is generally for the much easier and more precise measurement by a spectrophotometer, e.g. of the Beckman DU type ...
  51. ^ Cartwright, Anthony C. (June 28, 2015). The British Pharmacopoeia, 1864 to 2014: Medicines, International Standards and the State. Farnham, Surrey & Burlington, Vermont: Ashgate Publishing, Ltd. ISBN  978-1-4724-2032-9. Получено 17 марта 2016. In 1941, they started selling the Beckman DU spectrophotometer which was a workhorse in countless laboratories for decades.
  52. ^ а б c d Friedkin, Morris E. (1995). "Growing up in the golden era of intermediary metabolism". Protein Science. 4 (2): 311–325. Дои:10.1002/pro.5560040218. ЧВК  2143065. PMID  7757020. The research was part of a national mission: to make penicillin available to all of our forces and by secrecy to prevent its use by Germany and Japan. Within a year, 17 drug companies were working on penicillin.
  53. ^ а б Sneader, Walter (2005). Drug Discovery: A History. Chichester: John Wiley. п. 294. ISBN  978-0-470-35929-7. The drug exceeded all expectations, but the public were not told since penicillin was classified as a US military secret.
  54. ^ Klaus, Abby. "Penicillin: "The Miracle Drug"" (PDF). Illinois Government. Архивировано из оригинал (PDF) on 26 March 2016. Получено 14 марта 2016.
  55. ^ а б c Markel, Howard (2013-09-27). "The Real Story Behind Penicillin". September 27, 2013. PBS Newshour. Получено 6 марта 2014.
  56. ^ Kelly, Norman V. (April 20, 2013). "We called her 'Moldy Mary'". Peoria Historian. Получено 14 марта 2016.
  57. ^ "Our View: Penicillin: Another bit of area history deserving notice". Journal Star. October 7, 2010. Получено 14 марта 2016.
  58. ^ Henglein, F. A.; Lang, R.F. (1968). Chemical technology (1st English ed.). Oxford: Pergamon Press. ISBN  978-0-08-011848-2. Получено 15 марта 2016.
  59. ^ "Beckman Infrared Spectrometer". Chemical Heritage Foundation. Архивировано из оригинал 4 февраля 2015 г.. Получено 24 июн 2013.
  60. ^ Smeltzer, Ronald K. (2013). Extraordinary Women in Science & Medicine: Four Centuries of Achievement. The Grolier Club.
  61. ^ Cori, Carl F.; Illingworth, Barbara (July 15, 1957). "The prosthetic group of phosphorylase". Труды Национальной академии наук. 43 (7): 547–552. Bibcode:1957PNAS...43..547C. Дои:10.1073/pnas.43.7.547. ЧВК  528497. PMID  16590054.
  62. ^ а б Kornberg, Arthur (January 5, 2001). "Remembering Our Teachers". Журнал биологической химии. 276 (1): 3–11. PMID  11134064. Получено 17 марта 2016.
  63. ^ а б c Exton, John H. (2013). "Arthur Kornberg". Crucible of science : the story of the Cori Laboratory. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. pp. 112–122. ISBN  978-0-19-986107-1.
  64. ^ Kresge, Nicole; Simoni, Robert D.; Hill, Robert L. (2005). "Arthur Kornberg's Discovery of DNA Polymerase I". J. Biol. Chem. 280 (46). Получено 15 марта 2016.
  65. ^ Avery, Oswald T.; MacLeod, Colin M.; McCarty, Maclyn (February 1, 1944). "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types – Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III". Journal of Experimental Medicine. 79 (2): 137–158. Дои:10.1084/jem.79.2.137. ЧВК  2135445. PMID  19871359.
  66. ^ Hunter, Graeme K. (2000). Vital forces the discovery of the molecular basis of life. San Diego: Academic Press. ISBN  978-0-12-361810-8. Получено 17 марта 2016.
  67. ^ а б Board on Physics and Astronomy, Division on Engineering and Physical Sciences (2006). Instrumentation for a better tomorrow : proceedings of a symposium in honor of Arnold Beckman. Washington, D.C.: National Academies Press. п. 14. ISBN  978-0-309-10116-5.
  68. ^ Sandage, Alan (2004). Centennial history of the Carnegie Institution of Washington. 4. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 127. ISBN  978-0-521-83078-2.
  69. ^ Ludlow, C. Joseph; Wolf, Frederick T. (April 1975). "Photosynthesis and Respiration Rates of Ferns". American Fern Journal. 65 (2): 43. Дои:10.2307/1546309. JSTOR  1546309.
  70. ^ Sarkar, Sahotra (2001). The philosophy and history of molecular biology : new perspectives. Dordrecht: Kluwer Academic. п. 54. ISBN  978-1-4020-0249-6. Получено 17 марта 2016.
  71. ^ Holman, Ralph T. (1997). "ω3 and ω6 Essential Fatty Acid Status in Human Health and Disease". In Yehuda, Shlomo; Mostofsky, David I. (eds.). Handbook of essential fatty acid biology biochemistry, physiology, and behavioral neurobiology. Totowa, N.J.: Humana Press. pp. 139–182. ISBN  978-1-4757-2582-7. Получено 17 марта 2016.
  72. ^ а б Morris, Peter J. T.; Travis, Anthony S. (2003). "Role of physical instrumentation in structural organic chemistry". In Krige, John; Pestre, Dominique (eds.). Science in the twentieth century. Лондон: Рутледж. п. 725. ISBN  978-1-134-40686-9. Получено 14 марта 2016.
  73. ^ Weisbart, Melvin (1973). Isolation and purification of hormones. New York: MSS Information Corp. p. 47. ISBN  978-0-8422-7107-3. Получено 17 марта 2016.
  74. ^ Kornberg, Arthur (2002). The golden helix : inside biotech ventures. Sausalito, Calif.: University Science Books. п. 62. ISBN  978-1-891389-19-1. Получено 17 марта 2016.
  75. ^ Pollack, Andrew (March 6, 2014). "Alejandro Zaffaroni, Entrepreneur on Biotech Frontier, Dies at 91". The New York Times. Получено 17 марта 2016.
  76. ^ а б c d Thackray, Arnold; Gallwas, Gerald E. (27 February 2002). Wilbur I. Kaye, Transcript of an Interview Conducted by Arnold Thackray and Gerald E. Gallwas at La Jolla, California on 11 and 27 February 2002 (PDF). Philadelphia, PA: Chemical Heritage Foundation.
  77. ^ Beckman, A. O.; Gallaway, W. S.; Kaye, W.; Ulrich, W. F. (March 1977). "History of spectrophotometry at Beckman Instruments, Inc". Analytical Chemistry. 49 (3): 280A–300A. Дои:10.1021/ac50011a001.
  78. ^ Beck, Shane (February 2, 1998). "Across the Spectrum: Instrumentation for UV/Vis Spectrophotometry". The Scientist. Получено 9 сентября 2016.

внешняя ссылка