Optické metody
Rozdělení optických metod • Nespektrální metody (refraktometrie, polarimetrie,..) - dochází při průchodu záření vzorkem pouze ke změnám jeho určitých vlastností - rychlost, rovina polarizace apod. • Spektrální metody – založeny na výměně energie mezi látkou a elektromagnetickým zářením, závislost intenzity absorbovaného či emitovaného záření na vlnové délce, vznik spektra
Vlastnosti elektromagnetického záření • Duální charakter – některé vlastnosti jako vlnění, některé jako proud částic (tok fotonů) • Popisující veličiny – rychlost c vlnová délka λ frekvence ν energie fotonu ε
Vznik spektra • Absorpční spektrum - částice látky absorbuje foton a přejde přitom do vyššího energetického stavu (návrat do energeticky nižšího stavu se nesleduje) • Emisní spektrum – dodáním energie (kinetické, tepelné) jsou částice látky převedeny do vyššího energetického stavu. Při zpětném přechodu se energie vyzáří ve formě fotonu
Absorpce • při absorpci záření nastává interakce elektrické složky světla s elektrickým polem molekuly • elektrony se pohybují v orbitalech, jejichž energie jsou kvantovány • podmínkou absorpce světelného záření je existence dalších energetických kvantových stavů molekuly - excitované stavy • absorbuje-li molekula světelné záření, zaujmou elektrony vyšší energetické hladiny a dostanou se do excitovaného stavu
Emise • při emisi dochází nejprve k excitaci atomů nebo molekul na vyšší energetickou hladinu • poté se molekuly nebo atomy vrací do základního stavu a přitom dochází k emisi záření (železo, hliník) • luminiscence s krátkým dosvitem - označována jako fluorescence ( 10-5 s) • luminiscence s dlouhým dosvitem - fosforescence ( 10-4 s)
Spektra • Atomová spektra – jsou čárová (b), atomy určitého prvku mohou absorbovat nebo emitovat jen fotony určitých vlnových délek, λ je charakteristická pro daný prvek, prvky jsou přítomny ve formě atomů • Molekulová spektra – jsou pásová (c), molekuly sloučenin mají velký počet možných energetických přechodů. Energie jednotlivých přechodů si jsou navzájem blízké a nelze je rozlišit.
Absorpční spektrometrie (spektrofotometrie) • množství absorbovaného záření závisí na celkovém počtu absorbujících částic, které interagují se svazkem paprsků, a tedy také na tloušťce absorbujícího prostředí, kterým záření prochází
Pro tloušťku absorbující vrstvy platí • - transmitance Ф0 – vstupující záření Ф - vystupující záření b - tloušťka absorpčního prostředí c – koncentrace absorbujících částic Zákon Lambert-Beerův
Platnost předešlého vztahu: • dopadající záření musí být monochromatické • absorbující částice se vzájemně neovlivňují • dopadající svazek - rovnoběžné paprsky, kolmé k povrchu absorbujícího prostředí • všechny paprsky procházejí ve vzorku stejnou dráhu • absorbující prostředí je homogenní a nerozptyluje záření • tok záření není tak vysoký, aby způsobil saturační efekt
Složení optických spektrofotometrů: - zdroje (výbojka, žárovka, lampa) - pomocná optika (soustava čoček, clon, zrcadel, odrazných hranolů apod.) - základní optika (rozkladné hranoly, ohybové mřížky, zeslabovací zařízení, filtry, polarizační zařízení, kyvety atd.) - detektory záření (oko, fotografická citlivá vrstva, fotonky, násobiče, fotoelektrické články) Materiál optiky musí být v měřených oblastech vlnových délek dostatečně propustný.
Uspořádání spektrofotometru
Zdroj záření • Wolframová žárovka - 350 až 3000 nm, citlivá na změny napětí, proto napětí musí být dobře stabilizováno. • Halogenová žárovka - wolframová žárovka s obsahem malého množství jodu v křemenné baňce, 2x delší životnost než wolframová žárovka, spektrum je rozprostřeno až do UV oblasti, použití v mnoha spektrofotometrech. • Deuteriová výbojka - ideálním zdrojem pro UV oblast záření, 160 až 375 nm.
Detektor - fotonka • skleněná banička se dvěma elektrodami • opatřená okénkem propustným pro dané záření • citlivou vrstvu fotokatody tvoří alkalický kov (Cs ve směsi s jiným kovem) • na složení fotokatody závisí spektrální citlivost fotonky • předností fotonky je vysoká stabilita, okamžitý signál, přesná linearita mezi dopadajícím tokem a proudem
Použití spektrofotometrie • viditelná oblast - stanovení kovů, kationtů či aniontů v roztoku, které jsou alespoň slabě zbarvené • výhoda přístrojů - nízká cena, snadná mobilita zařízení pro různé provozní aplikace, možnost automatizace měření • možnost měření oxidačních stavů iontů • pro stanovení organických látek se využívá absorpce v ultrafialové, viditelné i infračervené oblasti
