műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

27
Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre Spektrofotometria, UV – VIS tartomány http://tp1957.atw.hu/ma_42.ppt

Upload: obedience-dunn

Post on 01-Jan-2016

66 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre. http:// tp1957.atw.hu /ma_42.ppt. Spektrofotometria, UV – VIS tartomány. A fény – anyag kölcsönhatások 1. Alapvetően két nagy területről kell beszélnünk: 1.a fény az anyagon kívülről érkezik valamilyen fényforrásból; - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Spektrofotometria,

UV – VIS tartomány

http://tp1957.atw.hu/ma_42.ppt

Page 2: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

A fény – anyag kölcsönhatások 1.

Alapvetően két nagy területről kell beszélnünk:1. a fény az anyagon kívülről érkezik valamilyen fényforrásból; 2. a fény az anyagi közegben keletkezik: emissziós jelenségek.

Nézzük az 1. esetet! A fényintenzitás (I0)) másik homogén közeg határához érve két részre oszlik:

felszín

behatol az anyagba

visszaverődik a felszínről (IR)egyik része

másik része

1. közeg

2. közeg

Page 3: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

A fény – anyag kölcsönhatások 2.A közegbe bejutó fényintenzitás is két részre oszlik:

– egy része átjut az anyagon (IT),

– másik része elnyelődik a közegben (IA).

I0 = IR + IA + IT

Az elnyelődő fény energiája valamilyen formában rövidebb – hosszabb ideig megmarad az anyagban; gerjesztheti azt, vagy hővé alakulva melegítheti.

Vannak anyagok, amelyek zavarosak, szórják a fényt (ID).

A fotometria különböző ágaiban mérhetjük az előbbiekben leírt bármely folyamat során az anyagból kijövő fényt. Amennyiben külső fényforrást is alkalmazunk, két fényintenzitást kell mérni: az anyagra bocsátott (I0) és az anyagot elhagyó (I) fényintenzitást.

Page 4: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

FotometriaTöbbféleképpen csoportosíthatjuk a fotometriás

módszereket:I. Az alkalmazott fény szerint: diszperzív (felbontott) és

nem diszperzív („fehér”).II. A tartomány szerint: infravörös (IR), látható (VIS) és

ultraibolya (UV)III. A vizsgált közeg szerint: atom- és molekula-

spektroszkópia.IV. Az alkalmazott technika szerint mérhetjük:1. a kibocsátott fényt;2. az áteresztett fényt:

a) abszorpciós módszerek,b) turbidimetria (zavaros anyagok);

3. a visszavert fényt: reflektometria (egyes mérőbőröndök)4. a szórt fényt: nefelometria (zavaros anyagok).

Page 5: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Fényfelbontás

Hány színe van a szivárványnak?Miért kék az ég?Miért a piros a tilos?Miért sárga a ködlámpa?

vörösnarancssárgazöldkékibolya

Page 6: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Kiegészítő színek, színkeverés

RGB CMYK

Page 7: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

A fotométer 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 molekula-abszorpciós (és a turbidimetriás) mérés elrendezése:

Az ábrán I0 az anyagra bocsátott, I az áteresztett (transzmittált) fény.

a szögletes zárójelben lévő részek nem minden készülékben vannak

fény-felbontó

minta detektorjelfeldolgozó

kijelző

I0 I

Page 8: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Az abszorpciós fotométer részei 1.

Fényforrás (lámpa) – állandó fényerőssége legyenLátható tartományban halogén wolfrám-izzót,UV-tartományban deutérium lámpát (D2 gázzal töltött kisülési cső) vagy higanygőzlámpát használnak.

Egyes egyszerű hordozható fotométerek, amelyek csak bizonyos hullámhosszakon mérnek, fénykibo- csátó diódákat (LED) tartalmaznak.

Fényfelbontó – színszűrők vagy monokromátorokMa a sokoldalúan használható monokromátorokat használják, amik a fehér fényt felbontják összetevőikre (szivárvány). Ezek lehetnek prizmás és rácsos monokromátorok. A korszerű készülékekben rácsos monokromátor van.

Page 9: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Az abszorpciós fotométer részei 3.Mintatartó: anyagának kémiailag ellenállónak és az alkalmazott tartományban (IR vagy VIS vagy UV) átlátszónak kell lennie.Látható (VIS):

kvarcüveg (a legjobb, de drága és törékeny),üveg,műanyag (olcsó, nem törékeny, de karcosodik, szennyeződik).

Ultraibolya (UV): kvarcüveg.Általában hasáb alakú, a hasáb falai pontosan párhuzamo-sak (plánparalell lemezek).lehet hengeres is (pontos elhelyezés, miért?)Méret: tized mm-től dm nagyságrendig (gázok – több m, 100 m, km?).

Page 10: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Az abszorpciós fotométer részei 3.Mintatartók1. kvarcküvetta pár fedővel

2.

3.

2. műanyag (polisztirol) küvetta3. hengeres üveg küvetta

Page 11: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Az abszorpciós fotométer részei 4.

Detektor: a fényt elektromos jellé alakítja.

Fotocella

Fotodióda

Fotoelektron-sokszorozó (rajz, működés)

Diódasor detektor (fotodiódákból állítanak egy sor a felbontott fény útjába, mindegyik más hullámhosszúságú fényt mér) leggyakrabban 512..4096 db diódát tartalmaz. (Sok ez? Milyen eszközben van még több fényérzékelő egység? Nagyságrendileg hány db?)

Page 12: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Fotometriás detektorok

a) Fotocella b) fotoelektron-sokszorozó

Page 13: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Az abszorpciós fotométer részei 5.

Jelfeldolgozó: a kapott elektromos jelet a zavartól megtisztítja (leválasztás), erősíti, formálja.

Kijelző: a jelfeldolgozóról jövő jelet kijelzi, leolvashatóvá teszi. LehetAnalóg – pl. mutató egy skála előttDigitális – 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.).

Page 14: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

A mérések mennyiségi és minőségi értékeléseMennyiségi – fényelnyelés (mértéke: A)

Fényáteresztés = Transzmittancia (T, T%)

Fényelnyelés mértéke = Abszorbancia (A)

Minőségi – spektrum (elnyelési = abszorpciós maximumok).

0I

IT T

I

I%T 100100

0

%TTI

IA

100lg

1lglg 0

Page 15: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

A Lambert – Beer törvényEz az abszorpciós fotometria alapegyenlete:A = ε·c·ℓ ,ahol ε a fajlagos abszorbancia,

c a koncentráció,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.

Page 16: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Zavaró hatások kiküszöbölése

Visszaverődések, oldószer elnyeléseAz oldószerrel töltött küvettára kapott jelet tekintjük 100 %-os áteresztésnek (T = 1), A = 0-nak (beállítás, nullázás).

Külső fényA megvilágító fényt megszaggatják, a külső fény folya-

matos, a kettő elektronikusan szétválasztható (váltó- és egyenfeszültség).

A lámpa fényerejének változása, ingadozásaKétfényutas fotométer alkalmazása (ld. ábrák).

A küvetták különbözősége (kétfényutas fotométer)Alapvonal felvétele (a fotométer megméri a különbséget,

ezután a mérést azzal helyesbíti).

Page 17: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Egy- és kétfényutas fotométer

Egyfényutas fotométer

Kétfényutas fotométer

M Dkijelző, adat-feldolgozó

M Dkijelző, adat-feldolgozó

mérő fényút

referencia fényút

Page 18: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Spektrofotométerek - Shimadzu UV-mini

Page 19: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Spektrofotométerek - Unicam Helios alfa

Page 20: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Spektrofotométerek - Unicam Helios gamma

Page 21: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 1.Ha két anyag spektruma kellőképpen különbözik egymás mellett mérhetők. A legegyszerűbb eset, ha az egyik anyag elnyelési maximumán a másiknak nincs elnyelése és viszont.

Ebben az esetben egymás mérését nem zavarják, az egyik hullámhosszon való mérésből az egyik, a másik hullám-hosszon való mérésből a másik anyag koncentrációja meghatározható, hiszen az egyik hullámhosszon (1) csak az egyik anyag határozza meg az abszorbanciát, a másik hullámhosszon (2) a másik anyag:

A1 = ε1 * c1 * ℓ

A2 = ε2 * c2 * ℓ

Page 22: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 1.

hullámhossz, nm

A

1

2

A11

A22

Am1

Am2

Page 23: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 2.Ha két anyag spektrumában nem ilyen nagy a különbség, nehezebb a helyzet. Ha a két anyagnak a másik elnyelési maximumán van valamilyen mértékű elnyelése, azt figyelembe kell venni.

Ez két ismeretlenes egyenlettel lehetséges.

Felvesszük a két anyagból készült kalibráló oldat* spektrumát.

Az 1. anyag elnyelési maximuma 1 hullámhosszon A11.

A 2. anyag elnyelési maximuma 2 hullámhosszon A22.

Leolvassuk az 1. anyag abszorbanciáját a 2. anyag el-nyelési maximumán (2), ez A12. és a 2. anyag abszor-banciáját az 1. anyag elnyelési maximumán (1), ez A21.

Az ismeretlen elnyelését a két elnyelési maximum hullámhosszán (1 2) mérjük: Am1 és Am2.

Page 24: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 2.

hullámhossz, nm

A1

2

A11

A22

Am1

Am2

A12

A21

Page 25: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 2.A számításhoz használható összefüggés

Am1 = V1 · A11/10 + V2 · A21/10

ahol V1 az 1. törzsoldatból kapott térfogat cm3-ben,

Am2 = V1 · A12/10 + V2 · A22/10

V2 a 2. törzsoldatból kapott térfogat cm3-ben.

*A képlet arra az esetre jó, ha a kalibráló oldatok 10 cm3 munkaoldat hígításával készültek.

Számítsuk ki V1 és V2 értékét a következő adatokból!

A11 = 0,823 A21 = 0,042 Am1 = 0,3544

A12 = 0,325 A22 = 0,087 Am2 = 0,1822

V1 = V2 =

Page 26: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Indikátorok - izobesztikus pont

A metilvörös indikátor spektruma (piros vonallal a savas közegű, sárgával a lúgos, a többi szín az átmeneti tartomány)

Page 27: Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre

Egy- és kétfényutas fotométer

1 2 3 4 5 6 7 8

A B