UV-látható és NIR spektrofotometria

A mérés célja:

A spektrofotometriai mérések széles körben elterjedt érintésmentes vizsgálati módszerek a legkülönfélébb kvalitatív illetve kvantitatív célokra mind a laboratóriumi mind az ipari területeken fizikai tulajdonságok (vastagság, törésmutató, szemcseméret, …) illetve analitikai információk (koncentráció, összetétel) megállapítására. A különböző spektrofotométerek igen eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek nemcsak a működési hullámhossztartomány (látható, UV, IR, …) vagy a detektált sugárzás típusa (emittált, transzmittált vagy reflektált), hanem a mérések minősége (fotometriai pontosság, hullámhossz pontosság, reprodukálhatóság, dinamika, …), az elviselt mérési körülmények (labor, ipari: tág hőmérséklettűrés, nedvességtűrés, robbanásbiztosság) és az áruk alapján. Ezért nagyon fontos a kívánt alkalmazás és a választott készülék egymáshoz illesztése.

A hallgatói mérés természetesen csak a spektroszkópia egy kis szeletének (optikai tartomány) kis szeletébe enged bepillantást. A hallgatók az UV, látható, NIR (közeli infravörös) tartományban működő két utas, rácsos monokromátorral rendelkező, számítógéppel vezérelt spektrofotométerrel ismerkednek meg a készülékek néhány jellemző tulajdonságának meghatározásán és konkrét alkalmazásán keresztül. E rácsos spektrofotométer nagy pontosságú, de lassú, laboratóriumi körülmények között végrehajtható méréseket tesznek lehetővé.

Szerkesztés alatt!

Elméleti összefoglaló

A spektroszkópia fogalma

A spektroszkópia tudománya valamely közeg atomjai, molekulái vagy egyéb kémiai elemei által abszorbeált, szórt (reflektált) vagy emittált elektromágneses sugárzás hullámhossz függvényében történő mérésével és vizsgálatával foglalkozik. Mivel az abszorpció vagy az emisszió a kölcsönható kémiai részecske energiaállapotában bekövetkező változással van összefüggésben és minden egyes anyagnak karakterisztikus energiaállapotai vannak, a kölcsönható anyagot azonosítani lehet. Mint később kiderül kvantitatív információk szerzésére is van lehetőség.

Az elektromágneses hullám

Az anyag és a fény kölcsönhatása az elektromágneses sugárzás teljes tartományát átfogja a kozmikus sugárzás 10^-9 nm-es hullámaitól a rádióhullámok 1000 km-es hullámáig. Az optikai hullámhossz tartomány határai ~ 10 és 10⁵ nm. A sugárzások a hullámhosszon kívül az anyagban előidézett kémiai és fizikai változásokban különböznek.

1. ábra

UV-látható tartomány

A látható és UV tartományban a gerjesztő foton energiája a külső elektronok kötési energiájának megváltoztatására fordítódik. Ebben a tartományban a spektrofotometriát legfőképpen laboratóriumi vizsgálatokra használják. Érintésmentességének köszönhetően kedvelt kémiai analitikai (minőségi és mennyiségi) vizsgálatokra, reakciók nyomon követésére (keveredés, egyensúly, fotometriai titrálás, …). Megfelelő előkészítéssel fémes, nemfémes és szerves vegyületek egyaránt vizsgálhatóak segítségével. Az optikai alkalmazások terén elsősorban vékonyréteg vizsgálatokra, ellenőrzésre használják.

NIR tartomány jellegzetességei

A közeli infravörös spektroszkópiával a legtöbb szerves és néhány szervetlen molekula vizsgálható. Ezen molekulák infravörös tartománybeli alaprezgései a NIR tartományban kisebb intenzitású és kiszélesedett felhangokat és kombinációs sávokat eredményeznek, melyek egymással gyakran átlapolódnak. Az átlapolódás következtében a hagyományos értelemben vett, Lambert-Beer törvényen alapuló kalibráció általában nem lehetséges, ennél bonyolultabb matematikai módszerekre, a többváltozós lineáris regresszió módszerére van szükség. Erre születtek az un. kemometriai szoftverek. Egy-egy jó kalibrációs modell elkészítéséhez 100-1000 nagyságrendű mintára van szükség. Az ipari alkalmazásra fejlesztett készülékek a kemometriai szoftverekkel kiegészítve az utóbbi 25-30 évben rohamosan növekvő népszerűséget vívtak ki maguknak a legkülönbözőbb kvalitatív illetve kvantitatív analitikai információt kívánó alkalmazási területeken az egyszerű nyersanyagtól a komplex termékek vizsgálatáig, így például az élelmiszer-, a textil-, a kozmetikai, a gyógyszer , a vegy- és a műanyagiparban.

Spektrofotométerek felépítése

Egy spektroszkóp alapvető optikai fő egységei: a fényforrás(ok), a spektrális bontóelem(ek)-et magába foglaló monokromátor(ok), az érzékelő(k) és maga a minta. A berendezés része még valamilyen megjelenítő/rögzítőegység: lapíró, vagy korszerűbb esetben számítógép. A hallgatói mérésben használt spektrofotométer Perkin-Elmer Lambda 35 típusú. A készülék monokromátora egy konkáv holografikus rácsot használ (1053 vonalpár/mm). Félvezető fotodióda a detektor. Két fényforrást alkalmaz a készülék egy Deutérium lámpát (<326nm) és egy wolfram izzót (>326nm).

Monokromátor felépítése

A spektrométerek azon elemei, ahol az összetett fényt spektrális komponenseire bontjuk. A spektrális bontóelemen kívül (szűrő, prizma, rács) bemeneti rést, kimeneti rést és leképező optikát tartalmaz. Működésének lényege, hogy a bemeneti rés ’fehér’ fénnyel kivilágított képét oly módon képezi a kimeneti résre, hogy azon keresztül már csak olyan komponensek jutnak át, melyek hullámhossza egy keskeny, monokromatikusnak tekinthető tartományba esnek. Az alábbi ábra egy tipikus (Ebert-féle) monokromátor elrendezést mutat.

2. ábra

Diffrakciós rács

Az optikai diffrakciós rács nem más, mint N darab egyforma szélességű rés közvetlen egymás mellett, d távolságban melyek vagy átvezetik (transzmissziós rács) vagy reflektálják (reflexiós rács) a beeső sugárzást. A rács felületére érkező fény hullámfrontja diffraktálódik, és különböző irányokban szórtan folytatja útját. Egy adott irányba adott beesési szög mellett bizonyos hullámhosszakra konstruktív interferencia lép fel. A rács forgatásával az erősítés feltétele más-más hullámhosszakra teljesül.

3. ábra

$\[\delta {{=}} \frac{2\pi }{\lambda }\left (AB - BC\right ) {{=}}\frac{2\pi d\left ( sin\alpha_i – sin\alpha_r\right )}{\lambda} {{=}} 2\pi m\]$

$\[d\left (sin\alpha_i - \alpha_r\right ) {{=}} m\alpha\]$

Az elhajlási rendek átfedéséből adódó átlapolódások zavaró hatását sáváteresztő- illetve élszűrőkkel kerülhetjük el. Rácsos monokromátor sávszélességét a rácsbarázda sűrűsége, az optikai rendszer fókusztávolsága és a be- illetve kilépő rés szélessége határozza meg. A zajnak (nemkívánt sugárzás) két forrása van: szellemek és szórt fény. A szellemek forrása a barázdák elhelyezkedésében lévő periodikus hibák, a szóródásé pedig a nemperiodikus pozícióhibák és a felületek nem tökéletes síksága.

Kétutas spektrofotométerek

Kétutas készülékben a monokromatikus hullám két részre van osztva, általában egyenlő teljesítménnyel. Az egyik nyaláb a mintán halad keresztül, a másik pedig üresen vagy a referencia oldaton. E módszerrel az időbeli instabilitások (például a lámpáé) kiküszöbölődnek. A spektrumfelvétel előtt, a két ágat össze kell kalibrálni (például egy szürke ék segítségével) úgy, hogy a minta nélkül a transzmisszió 100 % legyen.

Spektrofotométer jellemzői

\begin{tabular}{|l|l|} \hline 1 & P-E Lambda 35\\ \hline \end{tabular}

\begin{tabular}{|r|l|} \hline 7C0 & hexadecimális \\ 3700 & oktális \\ 11111000000 & bináris \\ \hline \hline 1984 & decimális \\ \hline \end{tabular}