műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre
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 PresentationTRANSCRIPT
Műszeres analitika vegyipari és környezetvédelmi területre
Spektrofotometria,
UV – VIS tartomány
http://tp1957.atw.hu/ma_42.ppt
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
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.
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).
Fényfelbontás
Hány színe van a szivárványnak?Miért kék az ég?Miért a piros a tilos?Miért sárga a ködlámpa?
vörösnarancssárgazöldkékibolya
Kiegészítő színek, színkeverés
RGB CMYK
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
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.
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?).
Az abszorpciós fotométer részei 3.Mintatartók1. kvarcküvetta pár fedővel
2.
3.
2. műanyag (polisztirol) küvetta3. hengeres üveg küvetta
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?)
Fotometriás detektorok
a) Fotocella b) fotoelektron-sokszorozó
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.).
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
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.
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).
Egy- és kétfényutas fotométer
Egyfényutas fotométer
Kétfényutas fotométer
M Dkijelző, adat-feldolgozó
M Dkijelző, adat-feldolgozó
mérő fényút
referencia fényút
Spektrofotométerek - Shimadzu UV-mini
Spektrofotométerek - Unicam Helios alfa
Spektrofotométerek - Unicam Helios gamma
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
Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 1.
hullámhossz, nm
A
1
2
A11
A22
Am1
Am2
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.
Kétkomponensű anyag mérése fotometriásan 2.
hullámhossz, nm
A1
2
A11
A22
Am1
Am2
A12
A21
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 =
Indikátorok - izobesztikus pont
A metilvörös indikátor spektruma (piros vonallal a savas közegű, sárgával a lúgos, a többi szín az átmeneti tartomány)
Egy- és kétfényutas fotométer
1 2 3 4 5 6 7 8
A B