019 schematischer aufbau photometer
Mit Hilfe von UV/VIS-Photometern lassen sich relativ einfach und schnell quantitative Elementanalysen durchführen, indem man sich das Prinzip der Lichtabschwächung zunutze macht: Dabei wird eine Lösung bestrahlt und indirekt über die Abschwächung des Lichts auf die Konzentration geschlossen.

 

Alle Substanzen absorbieren elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Ausmaß. Auch für das Auge farblose Stoffe absorbieren im ultravioletten (700nm) Bereich. Mit Hilfe eines Photometers lässt sich der Anteil der von einer Stoffprobe absorbierten Strahlung messen. Dafür ist das Maß der Extinktion und Transmission definiert:

Extinktions- bzw. Transmissionsformel

Extinktionsformel

Der Anteil der durchgelassenen Strahlung wird als Transmissionsgrad bezeichnet. Die Extinktion ist der negative dekadische Logarithmus des Transmissionsgrades und wird auch "Optische Dichte" oder "Absorbanz" genannt. Sie ist das Maß der Abschwächung des Lichtes innerhalb eines Mediums. Anhand der Extinktion lassen sich Rückschlüsse auf die Konzentration und die Reinheit von Stoffen und Lösungen ziehen.
Die Transmission misst also die Lichtdurchlässigkeit und bildet sich aus dem Quotienten der Wellenintensität nach (I) und vor dem Durchgang des Hindernisses (I0). Er nimmt Werte zwischen Null und Eins an.
Die Lichtquelle kann Wellenlängen von 190 bis 1100nm aussenden. Eine Deuteriumlampe sendet den für Menschen nicht sichtbaren Spektralbereich von 190 bis 340nm aus (UV). Eine Halogenlampe strahlt den Bereich von 340 bis 1100nm aus (VIS). Der Monochromator, auchoptisches Gitter oder Beugungsgitter genannt, ist in der Lage, Wellenlängen spektral zu isolieren. Es kann also die gewünschte Wellenlänge eingestellt werden. Die Proben befinden sich in Küvetten, welche zwei planparallele Lichtdurchlassflächen von definiertem Abstand besitzen (Schichtdicke). Der Durchmesser beträgt in der Regel 1cm (optische Weglänge). Es gibt aber auch Küvetten mit einem geeichten Durchmesser von 2cm und 5cm.

Der am Ende „übrig gebliebene“, durch die Photozelle gesendete und elektrisch verstärkte Spektralbereich wird graphisch aufgetragen und liefert eine für den gemessenen Stoff typische Absorptionskurve. Die Anzeige gibt die Konzentration in mg/g Boden aus. Die Verstärkung geschieht durch einen Photomultiplier. Dabei handelt es sich um eine Elektronenröhre, die schwache Lichtsignale verstärkt. In den Vakuumphotozellen werden über 10 bis 14 Dynoden Elektronen kaskadenförmig verstärkt, die durch die Photonen wegen des Photoeffektes aus der Photokathode entfernt werden. Die Photonen treffen zunächst auf eine Konversionsdynode und lösen dort Elektronen heraus. Sie werden in einem elektrisch angelegten Feld beschleunigt und lösen beim Auftreffen auf die nächste Oberfläche weitere Elektronen heraus. Dieser Verstärkungseffekt wächst exponentiell mit der Anzahl der Dynoden. Bei einem Photometer mit standardmäßig 10 Dynoden würde dies einem Verstärkungsfaktor von 510 bedeuten.

Die Extinktion einer gelösten Substanz hängt bei einer bestimmten Wellenlänge λ von ihrer Konzentration c und der Schichtdicke d der Küvette ab. Somit gilt Eλ ~ c · d. Aus dieser Proportionalität lässt sich durch Hinzufügen des Extinktionskoeffizienten ε eine Gleichung machen, besser bekannt als das „Lambert-Beersche-Gesetz“.

Die Lambert-Beersche Formel

Die Lambert-Beersche Formel

Der Extinktionskoeffizient ist für eine bestimmte Substanz bei einer bestimmten Wellenlänge charakteristisch und ist zum einen von der Temperatur und vom pH-Wert abhängig, zum anderen aber auch vom Lösungsmittel, welches Wechselwirkungen mit den absorbierenden Molekülen eingehen kann. Die Konzentration c hat die Einheit mol/m3 oder mol/l.

Mit dem UV/VIS-Photometer können unter anderem Phosphat-, Nitrat- oder z.B. in wässrigen Lösungen auch Ammoniumkonzentrationen gemessen werden.

Um keine verfälschten Ergebnisse zu erhalten, ist ein besonderer Umgang mit den Küvetten erforderlich. Die Sichtflächen dürfen weder angefasst noch mit Lösungsmitteln verunreinigt werden. Vor dem Befüllen sollten sie auf Sauberkeit hin überprüft werden. Die Füllhöhe sollte drei Viertel nicht übersteigen.

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