Optikai mérések műszeres analitikusok számára Fotometria, spektrofotometria a szóbeli vizsga 6. tételéhez http://tp1957.atw.hu/ma_o_3.ppt

A tétel tartalma Kulcsszavak, fogalmak – A spektrum fogalma, az UV, VIS, IR tartományok határai – A transzmittancia és abszor-bancia meghatározása és kapcsolata – Lambert−Beer-törvény mate-matikai megfogalmazása – A fotométerek felépítése, fontosabb részei, az ezekkel szemben támasztott követel-mények: fényforrások, küvet-ták, monokromátorok, rések, lencsék, tükrök, detektor, kijelzők, működtető szoftverek – Jellemző kiértékelési módszerek: kalibrációs diagram felvétele, kétoldatos módszer A fény kölcsönhatása anyagi rendszerekkel. A fotometria, spektrofotometria elvi alapjai, analitikai alkalmazása – Az elektromágneses spektrum fogalma, felosztása UV, VIS, IR tartományokra – A fotometria alapfogalmai: transzmittancia és abszorbancia – A fényelnyelés alaptörvénye a Lambert−Beer-törvény – Eltérések a Lambert−Beer-törvénytől – Az abszorpciós spektrum – A fotométerek felépítése, fontosabb részei – A fotometriás mérések kiértékelése

Emlékeztető – a fény elektromágneses sugárzás Minőségi jellemzők: frekvencia (f, Hz), terjedési sebesség (c, m/s), hullámhossz (, m). Összefüggésük: c = f *  A fény helye az elektromágneses sugárzások népes családjában: IR VIS UV rádióhullámok mikrohullám fény röntgen-sugárzás -sugárzás További jellemzők: lehet polarizált (síkban vagy cirkulárisan) vagy polarizálatlan (kitüntetett irány nélküli). Az elektromágneses sugárzások kettős természete: hullám és részecske. f (), E 

A spektroszkópia területei

A gerjesztés lehetőségei LUMO = lowest unoccupied molecular orbital legkisebb ener-giájú betöltetlen pálya HOMO = highest occupied molecular orbital legnagyobb energiájú betöltött pálya elektronátmenet (UV – VIS) rezgés, forgás (IR) Ábra: http://slideplayer.hu/slide/2180050/8/images/58/Elektron%C3%A1tmenetek+t%C3%ADpusai+a+lok%C3%A1lszimmetria+szerint.jpg

A fényelnyelés a látható fényben Az 1870-es években fedezték fel, hogy a legtöbb színes szerves vegyület bizonyos hasonló atomcsoportokat tartal- maz, ezeket kromofor (színhordó) csoportoknak nevezik. Ilyen színhordó csoportok pl.: =C=O (keto), -N=O (nitrozo), -N=N- (azo). Ezek az atomcsoportok önmagukban sokszor nem a látható tartományban, hanem az UV-ban nyelnek el Vannak olyan csoportok, amelyek a kromofor közelében a fényabszorpciót a nagyobb hullámhossz felé eltolják, ezek az auxokrom (színnövelő, pl. –OH) csoportok. A kromofor csoportokban mindig megtalálhatók a lazábban kötött pi-elektronok, többnyire konjugált kötésben (hosszabb láncszakaszon minden második kötés kettős).

Az elektromágneses spektrum fogalma, felosztása A spektrum egy diagram, amin ábrázoljuk a kibocsátott, az áteresztett, elnyelt, visszavert vagy szórt fény intenzitását, illetve mértékét a hullámhossz, frekvencia vagy hullámszám függvényében. A felosztás ultraibolya (UV) látható (VIS) infravörös (IR) 10..400 nm, 400..800nm >800 nm. 200 400 600 800 1000 E  200 400 600 800 1000 A  molekula-spektrum atomspektrum

A fotometria alapfogalmai A fény megoszlása: I0 = IR + IA + IT I0 = az anyagra bocsátott fény intenzitása, IR = a visszavert fény intenzitása, IA = az elnyelt fény intenzitása (nem mérhető), IT = az áteresztett fény intenzitása; a továbbiakban I. Transzmittancia (T) – az áteresztés mértéke: 0 ≤ T < 1, illetve 0 ≤ T% < 100 Az abszorbancia (A) – az elnyelés mértékét jelző mennyiség.

Az abszorpciós spektrum Az abszorpciós spektrumban az abszorbanciát ábrázoljuk a hullámhossz, a frekvencia vagy a hullámszám függvé-nyében: Minőségi jellemző az elnyelési maximumok („csúcsok”) és minimumok („völgyek”) hullámhossza. Mennyiségi jellemző: az elnyelési maximumok és minimu-mok abszorbanciája. abszorbancia hullámhossz

A Lambert – Beer törvény és korlátai A fényelnyelés alaptörvénye (a fotometria alapegyenlete): A = ε·c·ℓ ,ahol ε a fajlagos abszorbancia, c a koncentráció (többféle), ℓ a fény úthossza az anyagban. A törvény csak híg oldatokban érvényes, ha nincs asszociáció, disszociáció, reakció az oldószerrel és a fény monokromatikus (egyszínű). Széleskörűen használják koncentráció mérésére látható tartományban = színes anyagok, illetve = reagensekkel színessé alakított anyagok esetében, valamint IR és UV tartományban színtelen anyagokhoz is.

Fotométer/spektrofotométer felépítése [fényforrás, a rajzokon ], mintatartó, [fényfelbontó: mono- vagy poli- kromátor, esetleg helyettük színszűrők], detektor, jelfeldolgozó, kijelző, [regisztráló, adattároló, adatfeldolgozó egység]. Az optikai részben ezeket rések, tükrök, esetleg a fényt fókuszáló lencsék, tükrök egészítik ki. Több minta vagy folyamatos mérés esetén mintaváltó, pumpa és más dolgok is szükségesek lehetnek. a szögletes zárójelben lévő részek nem minden készülékben vannak

Fényforrás (lámpa Követelmények: – állandó fényerősség (stabilizált tápegység), – a kívánt tartományban viszonylag egyenletesen; – hosszú élettartam. Látható tartományban halogén wolfrám-izzó, UV-tartományban deutérium lámpa (D2 gázzal töltött kisülési cső) LED (fénykibocsátó dióda): hordozható fotométerekben. Xenon lámpa (UV+VIS): fluoriméterben Különleges lámpák: AAS és IR mérésekhez. (ott lesz róluk szó)

Fényfelbontók: szűrők, monokromátorok Fotométer: szűrő. Spektrofotométer: prizma vagy rács A jó felbontású prizma több problémát is hordoz: drága, nagy és nehéz, így a mai fotométerekben szó szerint nincs helye. A korszerű spektrofotométerekben optikai rács van. http://cms.sulinet.hu/get/d/929d67fc-dcdc-4ecd-b8e3-647e63f40e8b/1/6/b/Normal/optika83.jpg

Monokromátor – optikai rács Czerny-Turner monokromátor Homorú rácsos monokromátor (nem kell tükör) Ábra: http://tamop412a.ttk.pte.hu/files/kemia7/www/ch04.html

Mintatartó, küvetta Követelmény: kémiailag ellenálló (sav, lúg, oldószer) az alkalmazott tartományban átlátszó legyen. Látható (VIS): üveg, műanyag (olcsó, nem törékeny, de karcosodik, szennyeződik). kvarcüveg (a legjobb, de drága és törékeny), Ultraibolya (UV): kvarcüveg. Alak: hasáb (plánparalell lemezek). hengeres Méret: tized mm-től dm nagyságrendig (gázok – több m, 100 m, km?).

Küvetták 1. kvarcküvetta pár fedővel 2. 3. 2. műanyag (polisztirol) küvetta 3. hengeres üveg küvetta (csavaros tetejű)

Detektorok Detektor: a fényt elektromos jellé alakítja. fotocella, fotodióda, fotoelektron-sokszorozó Diódasor detektor (512..4096 db fotodióda)

Jelfeldolgozó, kijelző, stb. Jelfeldolgozó: a kapott elektromos jelet a zavartól megtisztítja (leválasztás), erősíti, formálja. Kijelző: a jelfeldolgozóról jövő jelet kijelzi, leolvashatóvá teszi. Lehet Analóg – pl. mutató egy skála előtt Digitális – számkijelzésű. Melyik a jobb? Miért? Regisztráló: a kapott jeleket lassan mozgó papíron (analóg módon) rögzíti. Régen igen elterjedt volt, különösen sorozat, illetve folyamatos mérések esetén. Adattároló: a korszerű megoldás a regisztráló kiváltására. Az adatok tárolása digitálisan történik valamilyen háttér-tárolón (pl. HDD). Adatfeldolgozó: szoftver, amivel a kapott adatokat feldolgozzák (különbség, összeg, kalibráció, spektrum alapján azonosítás, stb.).

Működtető szoftverek Szoftver: program, ami az adott eszközön annak operációs rendszerén fut. Lecserélhető (elvileg) frissebb változatra. Kezelheti – az eszköz részeinek mozgását, – gyűjtheti a mért adatokat, – feldolgozhatja azokat: = spektrum alapján azonosítás = különbség, = összeg képzése, = kalibráció készítése, = mennyiségi kiértékelés az analitikai mérőgörbe alapján, stb. Rendszerint egyszerű, felhasználóbarát menüjük van vagy súgót tartalmaznak minden funkcióhoz.

A spektrofotométerek optikai felépítése 1. Az általánosan ismert (abszorpciós) spektrofotométer: Alkalmas turbidimetriás (zavaros anyagok) mérésre is. A fényfelbontó és a minta sorrendje lehet fordított is: Diódasor detektor esetén a sorrend csak az utóbbi lehet és a 3. rés „hiányzik”: Más felépítések a diasor végén (nem tananyag) IT fény-felbontó minta referencia detektor jelfeldolgozókijelző I0 IT minta referencia fény-felbontó detektor jelfeldolgozókijelző I0 IT minta referencia fény-felbontó diódasor detektor jelfeldolgozókijelző I0

A két fényutas UV/VIS spektrofotométer Ábra: https://media.giphy.com/media/7DWHASPMPtoQ0/source.gif

A fotometriás mérések kiértékelése 1. Alap: Lambert – Beer törvény (A = ·B·ℓ) Ismert fajlagos/moláris abszorbancia esetén közvetlenül számolhatunk a Lambert – Beer törvénnyel. Pl. a permanganát ionra = 525 nm hullámhosszon kb.  = 0,0456/(mg/dm3·cm) 1 cm-es küvettában mért A = 0,123 abszorbanciájú oldatnak mennyi a permanganát tömegkoncentrációja mg/dm3-ben? A = ·B·ℓ képletbe behelyettesítve: = 2,70 mg/dm3  

Az abszorpciós fotometriás mérések kiértékelése 2. Egypontos = két oldatos módszer Egy ismert koncentrációjú oldatot mérünk nullázás után, az ismeretlen(eke)t ehhez hasonlítjuk. Valójában két pontunk van: a másik a vakpróba A = 0 értékkel. A Lambert – Beer törvény alapján: Pl. B = 2,5 mg/dm3-es oldat A = 0,114 abszorbanciájú. Hány mg/dm3-es oldatnak A = 0,123 az abszorbanciája? = 2,70 mg/dm3    

Az abszorpciós fotometriás mérések kiértékelése 3. Többpontos kalibráció = oldatsorozatos módszer ismert összetételű oldatok, egyenes illesztése. A(minta) = 0,400 1. leolvasás grafikusan: 0,17 2. számolás az egyenletből: 0,4=2,2352x+0,0295 0,166

Az abszorpciós fotometriás mérések kiértékelése 4. Standard addíció Ha a mintában lévő idegen anyagok nagy mennyiségűek, zavarnak, akkor alkalmazzuk. A vizsgálandó mintából azonos mennyiséget mérünk egyforma lombikokba, hozzáteszünk a mérendő anyag ismert összetételű oldatából növekvő térfogato- kat, pl. 0, 1, 2, 3, 4 cm3; jelre töltjük, mérjük. Az adatokhoz egyenest illesztünk. Leolvasás: az x (+c) tengely metszéspontja. A valóság: y = a*x + b y = 0 x = b/a jel x +1 +2 +3 +4 +c

A spektrofotométerek optikai felépítése 2. A nefelometriás (szórt fényt mérő) spektrofotométer: Hasonló a fluoreszcens spektrofotométer elrendezése is: I0 fény-felbontó minta referencia ID detektor jelfeldolgozókijelző I0 fény-felbontó minta referencia fény-felbontó IF detektor jelfeldolgozókijelző

A spektrofotométerek optikai felépítése 3. A reflektometriás (visszavert fényt mérő) spektrofotométer (elvi felépítés): A minta saját felszínének visszaverését mérjük (nem küvettán keresztül). Az emissziós fotométerek esetében a fényforrás „hiányzik”, a sorrend kötött, a fényfelbontó gyakran színszűrő: minta referencia fény-felbontó I0 IR detektor jelfeldolgozókijelző IE minta referencia fény-felbontó detektor jelfeldolgozókijelző I0 = 0 I0