Φασματοσκόπιο απορρόφησης

Το φως αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα που όταν αλληλεπιδρούν με την ύλη απορροφούνται σκεδάζονται, ανακλώνται ή διαδίδονται μέσα σε αυτή. Μελετώντας την αλληλεπίδραση του φωτός, με την ύλη, μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες σχετικά με τη δομή της ύλης και γενικότερα την ποιότητα και την ποσότητα της. Για την ακριβέστερη ανάλυση της ύλης αναπτύχθηκαν κατάλληλα οπτικά συστήματα, οι φασματογράφοι (ή φασματοσκόπια απορρόφησης), που μπορούν να κάνουν αυτόματα, γρήγορα και αξιόπιστα ανάλυση του φάσματος του φωτός αφού αλληλεπιδράσει με την ύλη. Μετρώντας την απορρόφηση μιας δέσμης φωτός συγκεκριμένου μήκους κύματος από ένα δείγμα και κατασκευάζοντας την καμπύλη απορρόφησης-συγκέντρωσης, μπορούμε να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα για το είδος, τη δομή και τη συγκέντρωση μιας ουσίας που περιέχεται στο δείγμα.

Βασικά μέρη

Οι φασματογράφοι αποτελούνται γενικά από μια φωτεινή πηγή (συνήθως κάποιο είδος λαμπτήρα πυρακτώσεως), διάφορα κάτοπτρα που κατευθύνουν την δέσμη, ένα μονοχρωμάτορα με τον οποίο επιλέγουμε το μήκος κύματος που θέλουμε, μια κυψελίδα με το δείγμα και έναν ανιχνευτή.

ΟΡΓΑΝΑ ΤΗΣ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑΣ ΦΑΣΜΑΤΟΓΡΑΦΟΙ Οι φασματογράφοι απορρόφησης χωρίζονται σε φασματογράφους μονής δέσμης και διπλής δέσμης. Η διαφορά τους είναι ότι οι διπλής δέσμης χωρίζουν την ακτινοβολία της πηγής σε δυο δέσμες. Η μια από αυτές περνάει μέσα από το προς μέτρηση δείγμα και η άλλη από ένα πρότυπο δείγμα (ή μηδενικό δείγμα). Ένας μηχανισμός στέλνει εναλλάξ τις δυο δέσμες στο πρίσμα και αυτό στον ανιχνευτή. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να μετρήσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια την συγκέντρωση επεκτείνοντας την περιοχή μέτρησης της πυκνότητας και σε μη γραμμικές περιοχές της απορρόφησης και να παρακάμψουμε τα σφάλματα λόγω ηλεκτρονικού θορύβου και ελαττώματος κατασκευής. Η μέτρηση γίνεται αφαιρώντας τις δυο μετρήσεις που δίνει ο ανιχνευτής ψηφιακά ή αναλογικά, φιλτράροντας την DC τάση και μετρώντας το πλάτος της εναλλασσόμενης τάσης που παίρνουμε.

Τρόπος λειτουργίας

Για την απορρόφηση της μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε ομογενή μέσο υπάρχουν δυο νόμοι, ο νόμος του Lambert, που δίνει την τελική ένταση του φωτός αφού περάσει από το δείγμα (συναρτήσει του πάχους του δείγματος), και ο νόμος του Beer, που δίνει την ένταση συναρτήσει της συγκέντρωσης του διαλύματος. Για να υπολογίσουμε την απορρόφηση ακτινοβολίας από τα διαλύματα χρησιμοποιούμε ένα συνδυασμό των δύο νόμων που ονομάζεται νόμος Lampert-Beer:

(προς συμπλήρωση)

όπου

• I : η ένταση του φωτός στο μέσο ή μετά το μέσο
• I0: η ένταση του φωτός πριν το μέσο
• ε: ο συντελεστής απόσβεσης έγχρωμου συστατικού διαλύματος (εξαρτάται από το μήκος κύματος προσπίπτουσας ακτινοβολίας)
• c: η συγκέντρωση της ουσίας
• l: το μήκος που διανύει το φως στο διάλυμα.

Βάση αυτού ορίζουμε την διαπερατότητα και την απορρόφηση, που αποτελεί την βάση της ποσοτικής ανάλυσης.

Η γραφική παράσταση απορρόφησης-συγκέντρωσης είναι κανονικά γραμμική για τα περισσότερα διαλύματα εάν έχει γίνει σωστά ο διαχωρισμός των ουσιών και οι κορυφές του φάσματος απέχουν μεταξύ τους αρκετά ώστε να είναι διακριτές. Οι μη γραμμικές περιοχές της καμπύλης οφείλονται κυρίως στα κατασκευαστικά στοιχεία της συσκευής, γι' αυτό χρησιμοποιούνται πρότυπα διαλύματα, όπως του χλωριούχου κοβαλτίου και άλλων ,για την βαθμονόμηση της συσκευής. Η % παράσιτη ακτινοβολία S υπολογίζεται πειραματικά μέσω της εξίσωσης:

(προς συμπλήρωση)

όπου

• Α : η πειραματική τιμή της απορρόφησης για την μεγαλύτερη μετρούμενη συγκέντρωση και
• Α0: η τιμή της απορρόφησης αν προεκτείνουμε την υποθετική ευθεία που πρέπει να έχει η απορρόφηση για την συγκέντρωση.

Επίσης μπορούμε να υπολογίσουμε το φωτομετρικό σφάλμα Ε:

(προς συμπλήρωση)

Έλεγχος απόδοσης - Calibration

Οι έλεγχοι που κάνουμε γενικά στα φωτοφασματοφωτόμετρα είναι η ποσοτική ανάλυση, φωτομετρική επαναληψιμότητα και φωτομετρική ακρίβεια.

Στην ποσοτική ανάλυση χρησιμοποιούνται πρότυπα διαλύματα γνωστής συγκέντρωσης και καμπύλης απορρόφησης-φάσματος. Εντοπίζουμε μέσω της συσκευής την κορυφή με την μεγαλύτερη απορρόφηση και προσδιορίζουμε το μήκος κύματος και την απορρόφηση. Αν η καμπύλη δεν είναι ευθεία χρησιμοποιούνται διαλύματα με μικρότερη συγκέντρωση. Τέλος ελέγχουμε την συγκέντρωση ενός άγνωστου διαλύματος.

Για τον έλεγχο της φωτομετρικής επαναληψιμότητας χρησιμοποιούνται γυάλινα ή μεταλλικά φίλτρα με μη εντοπισμένη απορρόφηση, γίνονται αρκετές διαδοχικές μετρήσεις και υπολογίζεται η σταθερά απόκλισης s:

(προς συμπλήρωση)

όπου

• s2: η διασπορά των πειραματικών τιμών
• Ν: το πλήθος των πειραματικών τιμών
• Τ: οι πειραματικές τιμές της διαπερατότητας, η μέση τιμή των πειραματικών τιμών της διαπερατότητας

Η φωτομετρική ακρίβεια μετριέται όπως η φωτομετρική επαναληψιμότητα. Γίνονται δέκα μετρήσεις διαδοχικά, με πρότυπα δείγματα που έχουν βαθμονομηθεί σε πρότυπα εργαστήρια, και υπολογίζεται η ακρίβεια ως η διαφορά ανάμεσα στην μέση τιμή των μετρήσεων και της πραγματική τιμής της διαπερατότητας που δίνει το πρότυπο εργαστήριο.