Fotometrie und Polarimetrie
Werbung
Theoretische Grundlagen – Physikalisches Praktikum Versuch 12: Fotometrie und Polarimetrie Licht als elektromagnetische Welle • sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Welle • andere elektromagnetische Wellen sind Röntgenstrahlen, γ-Strahlen, ultraviolettes Licht, infrarotes Licht, Radiowellen • sichtbares Licht breitet sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit c = 3 · 108 m/s aus • Ausbreitungsgeschwindigkeit c, Wellenlänge λ und Frequenz f stehen in folgendem Zusammenhang c = λ·f • Spektralbereich von sichtbarem Licht: etwa 400 nm (violettes Licht) bis 750 nm (rotes Licht) nach kürzeren Wellenlängen schließt sich ultraviolettes Licht an nach höheren Wellenlängen folgt infrarotes Licht Aufbau eines Fotometers • Gerät zur Analyse von Proben, die die Intensität von Licht schwächen λ Lichtquelle Monochromator Küvette mit Probe • Photozelle Monochromator: zerlegt Licht in einzelne spektrale Anteile und lässt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge λ (monochromatisches Licht) hindurch Als Monochromatoren werden Prismen, Beugungsgitter oder Interferenzfilter verwendet Maße für die Schwächung von Licht • die Intensität von Licht kann bei Durchtritt durch eine Küvette durch Absorption, Streuung und Reflexion geschwächt werden • das Lösungsmittel (meist Wasser) I0 beeinflusst die Intensität des I0 einfallenden Lichtes I0 nicht • Fotozelle der gelöste Stoff hingegen kann die Lichtintensität schwächen (meist durch Absorption), d. h. I ≤ I0 • nur Lösungsmittel I0 es existieren zwei wichtige Maße für I die Schwächung des Lichtes: Transmission T; Extinktion E Fotozelle Lösung • Transmission T ( auch Durchlässigkeit genannt) T= • I 100% I0 Extinktion E I0 E = lg • I der Zusammenhang zwischen Transmission und Extinktion bzw. die möglichen Werte dieser Größen werden in der folgenden Tabelle dargestellt I T E I0 100% 0 I0 10% 1 I0 1% 2 1 10 1 100 0 0% ∞ Lambert-Beer’sche Gesetz • für verdünnte Lösungen gilt die Proportionalität zwischen Extinktion und Konzentration der absorbierenden Substanz in Lösung E = ελ c d d - Länge des optischen Weges in der Küvette, Schichtdicke der Küvette c - Konzentration des gelösten Stoffes in mol/l (1 mol/l = 1 M) oder g/cm3 ελ - Extinktionskoeffizient; der Index λ drückt aus, dass diese Größe von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängt ελ wird in der Einheit M-1 cm-1 oder cm2/g angegeben, je nachdem welche Einheit für die Konzentration gewählt wurde Konzentrationsbestimmung • mit dem Lambert-Beer’schen Gesetz kann die unbekannte Konzentration einer Lösung bestimmt werden; dafür gibt es zwei Möglichkeiten • mit Hilfe einer Eichkurve (bei unbekanntem ελ) Ausgleichsrechnung zur Ermittlung des Extinkti- Extinktion 1.6 1.2 onskoeffizienten ελ. Die Extinktion wurde in Abhängigkeit von der Konzentration gemessen. Die erhaltenen Meßpunkte streuen ganz offensichtlich um die Gerade E = a + bc, die über eine Ausgleichsrechnung (lineare Regression) gefunden wurde. Deren Steigung b entspricht dem Produkt Eu 0.8 0.4 0 cu 0 0.2 0.4 0.6 Konzentration 0.8 von ελ und d. • direkt über das Lambert-Beer’sche Gesetz bei bekanntem ελ • in biochemischen und medizinischen Laboratorien werden sehr häufig fotometrische Konzentrationsbestimmungen von Metaboliten durchgeführt Spektrale Analysen • Absorptionsspektrum: Abhängigkeit der Extinktion einer Lösung von der Wellenlänge des Lichtes; E = f(λ) • mit einem Fotometer kann man ein Spektrum jedoch nur punktweise und damit sehr zeitaufwendig aufnehmen; für diesen Zweck sind sogenannte Spektralfotometer, bei denen der Wellenlängenvorschub automatisch realisiert wird, wesentlich besser geeignet Polarisiertes Licht • z Licht ist eine elektromagnetische Welle, die normales Licht sich im Raum ausbreitet (hier in x-Richtung) und als Schwingungen (senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) eines elektrischen y Vektors E und eines magnetischen Vektors H dargestellt werden kann (in der Abbildung x Elektrischer Vektor E nimmt viele Schwingungsrichtungen ein z ist nur der elektrische Vektor gezeichnet); Polarisiertes Licht elektrischer und magnetischer Vektor stehen stets senkrecht zueinander • Licht ist polarisiert, wenn E und H nur eine y Schwingungsrichtung aufweisen • x nur eine bevorzugte Schwingungsrichtung von E normales Licht ist nicht polarisiert; hier schwingen beide Vektoren in beliebiger Weise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts Erzeugung und Analyse von polarisiertem Licht • manche Kristalle lassen nur Licht einer bestimmten Schwingungsebene passieren; meist werden sogenannte Polarisationsfilter (Folien oder dünne Platten aus solchen Kristallen) verwendet • Polarisator: Polarisationsfilter zur Bildschirm Erzeugung von polarisiertem Licht • Analysator: Polarisationsfilter zur Analysator Polarisator Analyse von polarisiertem Licht; • bei gleicher Anordnung der Durchlass- Lichtquelle richtungen von Polarisator und Analysator kann das polarisierte Licht den Analysator ungehindert passieren; bei gekreuzter Anordnung wird das Lichts vollständig ausgelöscht Auslöschung Aufbau eines Polarimeters • Gerät zur Konzentrationsbestimmung optisch aktiver Substanzen über die Drehung der Schwingungsebene von polarisiertem Licht • Wichtige Bauelemente: Lichtquelle, Polarisator, Küvette mit der Untersuchungslösung, Analysator (drehbar), Laurentplatte, Skala zum Ablesen des Drehwinkels Beobachtungsfeld mit Laurentplatte Lichtquelle Küvette Analysator mit Probe Polarisator • die Laurentplatte ist ein spezielles Bauteil des im Praktikum verwendeten Polarimeters; damit kann sehr genau der jeweilige Drehwinkel abgelesen werden; innerhalb eines sehr kleinen Winkelintervalls wechselt abrupt das Erscheinungsbild des dreigeteilten Beobachtungsfeldes (von einem hellen Mittelstreifen und dunklen Randzonen zu einem dunklen Mittelstreifen und hellen Randzonen); das dazwischen liegende, gleich hell erscheinende Beobachtungsfeld entspricht der gewünschten Einstellung zum Ablesen des Drehwinkels Drehung der Schwingungsebene von polarisiertem Licht • bestimmte Substanzen (optisch aktive Stoffe) drehen die Schwingungsebene des elektrischen Vektors von polarisiertem Licht • der Drehwinkel α ergibt sich zu α = αspez l c mit αspez l spezifisches Drehvermögen Länge der Küvette mit der optisch aktiven Substanz (im Praktikum werden Küvetten der Länge l = 9,504 cm verwendet) c Konzentration der optisch aktiven Substanz der Drehwinkel α wird in Grad (º) angegeben; je nach Art der Angabe der Konzentration ergibt sich als Einheit für αspez [αspez ] = º cm2 g-1 (bei [c] = g/cm3) oder [αspez ] = º M-1 cm-1 (bei [c] = M; 1 M = 1 mol/l) • Konzentrationsbestimmungen von optisch aktiven Substanzen können über eine Eichkurve oder obige Gleichung bei bekanntem αspez durchgeführt werden Optische Aktivität • das Vermögen eines Stoffes die Schwingungsebene von polarisiertem Licht zu drehen • optisch aktive Substanzen enthalten ein oder mehrere asymmetrische Kohlenstoffatome • ein Kohlenstoffatom ist asymmetrisch wenn daran vier unterschiedliche Reste gebunden sind Beispiel: Alanin (Beispiele: alle Aminosäuren außer Glycin, diverse Zuckermoleküle, Weinsäure) • aufgrund der tetraederförmigen Anordnung des H COOH COOH C C CH3 NH2 NH2 CH H 3 sp3-hybridisiertem Kohlenstoffs (Einfachbindung) resultieren zwei stereoisomere Strukturen; diese Form der Isomerie heißt Stereoisomerie, Spiegelbildisomerie oder optische Isomerie • eine stereoisomere Form dreht die Schwingungsebene des polarisierten Lichts nach rechts (positive Drehwinkel), die andere Form ist linksdrehend (negative Drehwinkel) • ein racemisches Gemisch enthält beide Stereoisomere eines Stoffes in gleicher Konzentration; ein solches Gemisch beeinflusst nicht die Schwingungsebene des polarisierten Lichts • Zuckermoleküle (Glucose, Fruktose u.a.) besitzen ebenfalls ein ausgeprägtes Drehvermögen; beispielsweise werden gelegentlich im klinischen Labor GlucoseKonzentrationen im Harn mit einem Polarimeter bestimmt; daher auch der Name Saccharimeter Nützliche Kenntnisse bzw. Hinweise: • Grundlegende Kenntnisse zur Ausgleichsrechnung (lineare Regression) • Licht als elektromagnetische Welle; Spektrum und Spektralbereiche elektromagnetischer Wellen • Herstellung von Lösungen mit definierten Konzentrationen (wie stark muss eine Lösung der Konzentration x verdünnt werden, um eine Lösung der Konzentration y zu erhalten?) • Ablesen von Messwerten mit Hilfe einer Nonius-Skala • Kenntnis und Anwendung von Vorsätzen von Maßeinheiten • Rechnen mit Zehnerpotenzen (Potenzgesetze!) • Rechnen mit Logarithmen
