1. Průchod optického záření absorbujícím prostředím

Transkript

1 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 1 TECHNIKA ABSORPČNÍ SEKTROSKOPIE 1. Průhod optikého zářní absorbujíím prostřdím Budm přdpokládat, ž absorbujíí prostřdí tvoří jdn druh molkul, u ktrýh můž optiké zářní vyvolat přhod z stavu 1 do stavu s vyšší nrgií. Jho pravděpodobnost za jdnotku času j dp1 = B1( ν ) w. dt 1 V případě dipólově povolného přhodu j Einstinův koiint absorp pro danou molkulu dán vztahm B 1( ν ) = onst( d1 ) ( osα ) G1( ν ), kd d 1 j vlikost dipólového momntu přhodu, α úhl mzi směrm dipólového momntu přhodu směrm kmitů lktriké intnzity optikého zářní a G 1 j unk určujíí spktrální tvar absorpční čáry přhodu 1. Uvažujm úbytk počtu otonů v důsldku absorp v tnké vrstvě daného prostřdí o ploš S a tloušť Δx postavné kolmo k směru šířní zářní. Jstliž j tloušťka vrstvy tak malá, ž můžm hustotu otonů v vrstvě považovat za konstantní, pak úbytk ΔN z lkového počtu N otonů v vrstvě za dobu Δt bud ΔN dp = dt 1 dp N1Δt + dt 1 N Δt = onst ( d ) ( osα ) ( N N ) G ( ν ) wδt = N hν Δxn = onst ( d1 ) ( osα ) CNA AΔx Χ1( T ) G1( ν ) = b( ν ) N Δx AΔx kd C j molární konntra, N A Avogadrova konstanta, N1 a N počt molkul v vrstvě v stavh 1 a, a X 1 rozdíl pravděpodobností obsazní stavů 1 a. Vličina b(ν) s obvykl nazývá absorpční koiint. Přhodm od dirní k drivai a násldném řšní dirniální rovni dostanm vztah pro xponniální snižování počtu otonů při průhodu absorbujíí prostřdím N = N xp( b( ν ) x ), ktrý s častěji píš pro intnzitu I = I xp( b ( ν ) x). Vztah xponniální závislosti útlumu optikého zářní na dráz v absorbujíím prostřdím s nazývá Lambrtův zákon. Pro absorpční koiint dostávám b( ν ) ( d1 ) ( osα ) C Χ1( T ) G1( ν )ν. K jdnotlivým člnům: Pro nahodil orintované molkuly j ( os α ) = 1 3 bz ohldu na směr polariza zářní. V případě trmodynamiké rovnováhy závisí rozdíl X 1 jn na rozložní staionárníh stavů molkuly a na tplotě. Za běžnýh podmínk lz přdpokládat 1% obsazní základního stavu, tdy X 1 = 1.,

2 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / Běžně tdy platí, ž absorpční koiint j úměrný konntrai absorbujííh molkul, tdy b ν = CΕ ν. Tato závislost s nazývá Brův zákon. Pro směs nintragujííh molkul lz Brův ( ) ( ) zákon zobnit na b( ) = ( ν ) ν Εν. n C n n Vztah absorpčního koiintu a komplxního indxu lomu. Výpočt útlumu intnzity podl indxu lomu: n~ = n iκ E = E 1 I = S = ( ωt k x) i ε E μ = E i ωt ω κ x ω ( n iκ ) = I x = E ω κ x ω κ x ω i ωt n x 4πν =. Z porovnání s Lambrtovým zákonm dostávám b( ν ) κ( ν ). Absorban, měřní propustnosti Z praktikýh důvodů s Lambrt-Brův zákon ( ) A CΕ( ν )l I = I přpisuj do podoby CΕ l I = I 1 ν 1 = I1, kd molkulární paramtr Ε1(ν) s nazývá (dkadiký) molární xtinkční koiint. Pro A s užívá názv absorban, někdy též optiká hustota. Jjí určování j hlavní náplní absorpční spktroskopi. Jako njpřiroznější s zdá urční z propustnosti T vrstvy: T = I / I A= logt. V skutčnosti však nní možné vličiny I a I přímo určit, nboť při vstupu a výstupu z vzorku s snižuj intnzita zářní odrazm (viz obr.) Při zandbání násobnýh odrazů (a možnýh intrrní na vrstvě při malýh tloušťkáh) můžm psát I = I 1 R 1. vstupni ( ) A Při určování absorban mám dvě možnosti: 1. Určit (nbo odhadnout) odrazivost R a provést korki. Měřní rlativní propustnosti vhodné zjména pro roztoky. Pak mám pro rni (rozpouštědlo) I I ( 1 R ) = 1 vstupni A pro vzork v rozpouštědl I I ( 1 R ) = 1 vstupni A

3 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 3 Potom vzork R R, A = A + A A = log I / I. ( ) 3. Absorpční spktromtr Jdnoduhý jdnokanálový absorpční spktromtr pro ruční měřní (kolorimtr) Starší konstruk dvoukanálového absorpčního spktromtru

4 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 4 Modrní dvoukanálový absorpční spktromtr Fourirovský absorpční spktromtr

5 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 5 4. Thnika měřní propustnosti J třba volit vhodnou propustnost vzorku Volba vhodné absorpční kyvty tloušťka Standardní kompaktní kyvta, tloušťka od 1 mm do 5 mm Skládaí kyvty, různé konstruk, tloušťky od 5 mm do,5 mm Volba vhodné absorpční kyvty - matriál

6 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 6 Obtíž při určování absorban z propustnosti: Vzork rozptylujíí zářní = např. nhomognní vzorky, suspnz, mulz Vzork s příliš malou propustností = např. pvné vzorky (krystaly), vyso konntrované roztoky Vzork s příliš vlkou propustností = vlmi zřděné vzorky, slabě absorbujíí vzorky Řšní ad a) Intgrační (Ulbrihtova) koul Lz použít v UV-VIS (pokrytí MgO) a NIR (pokrytí sírou) Pokud nlz použít, můž pomoi umístění vzorku těsně k dtktoru 5. Rlxní mtody V případh, kdy nlz měřní propustnosti vůb použít, lz získat údaj o absorbani z měřní jinýh haraktristik. Njčastější jsou měřní lx (odrazivosti). Tři typy lxníh měřní: a) Kolmá zradlová lx b) Zslabný úplný odraz (ATR) ) Diuzní odrazivost Kolmá zradlová lx J vhodná pro optiky dokonalé povrhy (krystaly). Umožňuj určit indx absorp pomoí Kramrs-Kronigovýh rlaí n n~ vz n nvz + iκ Il = RIdop, R = rr *, r = = n + n~ n + n iκ iϕ Změřím R, potřbujm určit r = R. Spktrální průběh áz lxního koiintu lz získat ν lnr z Kramrs-Kronigova vztahu ( ) ( ν ') ϕ ν = π dν ' π. ν ' ν vz vz Zslabný úplný odraz (ATR = attnuatd total ltion) J vhodný pro vzorky, ktré mohou přilnout k povrhu (kapaliny, gly, jmné prášky). V měřné spktrální oblasti musí být zahovaná podmínka úplného odrazu obtížně splnitlné v UV-VIS, proto používané hlavně v IR.

7 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 7 Zslabní signálu j úměrné imaginární slož dynamiké prmitivity. Pro absorbujíí látku v nabsorbujíím nosiči j tdy zslabní úměrné indxu absorp. Diuzní odrazivost Vhodné pro diuzně odrážjíí vzorky (prášky). Měří s pomoí intgrační koul nbo přibližně dtkí části diuzně odražného zářní. Diuzní odrazivost souvisí s absorpčním koiintm pomoí Kublkovy-Munkovy unk 1 R D b =, kd bs j koiint rozptylu. Pro absorbujíí látku v nabsorbujíím nosiči j K.-M. RD bs úměrná koiintu absorp. 6. Slabě absorbujíí vzorky Rlativní změna proházjíího nbo odražného zářní vyvolané absorpí j vlmi slabá. Potom j vhodnější vyházt z nrgi zářní zahyného v vzorku. Při vlmi A ΔI I I ΔI slabé absorpi platí: I = I 1 = = 1 1 +,33A+... A. I I I Tři mtody měřní podl typu přměny absorbované nrgi: 1) Luminisn Měřní xitačního spktra ) Zvýšní tlaku Přímý otoakustiký jv 3) Zvýšní tploty Npřímý otoakustiký jv 7. Fotoakustiké mtody

8 Mtody optiké spktroskopi v bioyzi Thnika absorpční spktroskopi / 8 Přímá otoakustiká mtoda Měří s amplituda tlakovýh vln indukovanýhpřrušovaným optikým zářním. Citlivost úměrná intnzitě dopadajíího zářní. Při užití lasrovýh zdrojů zářní lz měřit absorpční koiinty až 1-6 m-1. Npřímá otoakustiká mtoda Měří s amplituda změn tploty na povrhu vzorku pomoí tlakovýh změn kontaktního plynu. Změny tploty s šíří diuzně; při šířní priodikýh změn tploty s amplituda ΔT tlumí s ζ koiintm bt =, kd ζ j tplná vodivost, ρ hustota, C π ρχ měrná tplná kapaita a rkvn přrušování zářní. Npřímá otoakustiká mtoda j použitlná v dvou mzníh případh: Pro A vlmi malé pak Δ T A Pro A vlmi malé pak Δ T 1/ A.