Angenommen, Du hast eine unbekannte, flüssige Probe und Du möchtest herausfinden, woraus sie besteht. Vielleicht weißt Du sogar, wie Deine Probe zusammengesetzt ist und Du würdest gerne ihre Konzentration bestimmen. Beides lässt sich mit einer photometrischen Messung herausfinden.
Für diese Messung benötigst Du einen Photometer.
Licht als elektromagnetische Strahlung
Um die Funktionsweise eines Photometers nachvollziehen zu können, ist es wichtig zu wissen, wie Strahlung mit Materie wechselwirken kann. Du kannst Dir Licht als ein Strahlenbündel vorstellen und dadurch Phänomene wie Brechung oder Reflexion erklären. Allerdings ist dies eine starke Vereinfachung, denn tatsächlich besteht Licht aus elektromagnetischen Wellen. Bei diesen handelt es sich um eine Überlagerung aus einem magnetischen und einem elektrischen Feld, die senkrecht zueinander schwingen:
Abb. 1 - Elektromagnetische Welle
Elektromagnetische Strahlung transportiert Energie. Diese Energie ist abhängig von der Frequenz bzw. Wellenlänge des Lichts.
Der Zusammenhang zwischen der Energie E und der Frequenz ν einer Strahlung ist gegeben durch
\(E = h\cdot \nu\)
wobei die Proportionalitätskonstante das Plancksche Wirkungsquantum ist und den Wert \(h=6{,}626\cdot 10^{-34} J\cdot s\) hat.
Frequenz ν und Wellenlänge λ (in \(nm\)) lassen sich über die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c=2{,}9979 \cdot 10^8 \frac{m}{s}\) ineinander umrechnen:
\[\nu=\frac{c}{\lambda}\]
Wenn Du diese Gleichung in die Gleichung für Energie einsetzt, erhältst Du den Zusammenhang zwischen der Energie und Wellenlänge von Strahlung:
\[E=\frac{h\cdot c}{\lambda}\]
Durch ihren Aufbau können Atome oder Moleküle auf unterschiedliche Weise mit Strahlung wechselwirken. Moleküle können etwa durch Absorption von Strahlung bestimmter Energie zum Schwingen gebracht werden.
Wie ein Atom aufgebaut ist, erfährst Du im Artikel zum Atomaufbau.
Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Absorption und Extinktion
Trifft Strahlung auf Materie, dann wird ein Teil davon reflektiert und der andere Teil dringt in die Materie ein. In der Materie wird die Strahlung dann einerseits durch Streuung und andererseits durch Absorption abgeschwächt.
Strahlung kann durch Wechselwirkung mit Materie ihre Richtung ändern. Dies wird als Streuung bezeichnet.
Wird Strahlung vom Atom oder Molekül aufgenommen, dann heißt diese Wechselwirkung Absorption. Absorption findet beispielsweise statt, wenn Moleküle durch Strahlungsaufnahme angeregt werden.
Streuung und Absorption sorgen dafür, dass Strahlung im Medium abgeschwächt wird und das Medium mit geringerer Intensität wieder verlässt. Deswegen werden beide Prozesse als Extinktion, also Auslöschung, zusammengefasst.
Moleküle können Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen aufnehmen. Da Moleküle, genauso wie auch Atome, diskrete Energiezustände aufweisen, muss die Wellenlänge, und damit die Energie der Strahlung, einen bestimmten Wert annehmen. Welche Wellenlängen absorbiert werden, hängt dabei von der chemischen Struktur der Moleküle ab.
Beispielsweise erscheinen Objekte farbig, weil ihre Moleküle bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren und den Rest des Spektrums reflektieren. Ein Blatt Papier sieht dabei weiß aus, weil es alle Wellenlängen reflektiert, während schwarze Kohle alle Wellenlängen absorbiert.
Pflanzen sind für ihr Überleben auf Chlorophyll angewiesen. Dieser grüne Farbstoff absorbiert Licht im blau-violetten Spektralbereich und reflektiert alle übrigen Wellenlängen. Da wir immer die Komplementärfarbe der absorbierten Wellenlängen sehen, nehmen wir Gras, Baumblätter und andere grüne Pflanzen grün wahr. Wie absorbierte Wellenlängen und die entsprechenden Komplementärfarben zusammenhängen, kannst Du in der folgenden Tabelle nachschauen:
Abb. 2 - Absorbiertes Licht und beobachtete Komplementärfarbe
Mehr zu diesem Thema kannst Du Dir im Artikel zu Farben und Farbmischung durchlesen.
Moleküle absorbieren aber nicht nur Strahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich. Vielmehr können sie Strahlung aller Wellenlängen absorbieren, sofern die absorbierte Strahlung die richtige Energiemenge transportiert. Diese Energie muss dabei dem energetischen Unterschied von Energiezuständen im Molekül entsprechen. Je nachdem, wie weit die Zustände auseinander liegen, werden dabei kürzere oder längere Wellenlängen absorbiert.
Wassermoleküle können durch Strahlung im Mikrowellenbereich (30 cm–1 mm) zur Rotation angeregt werden. Jede Speise besteht zu einem bestimmten Anteil aus Wasser, es sei denn, sie ist wirklich trocken. Wenn Du also Dein Essen in der Mikrowelle "erwärmst", drehen sich die im Essen enthaltenen Wassermoleküle. Dadurch wird ihre kinetische Energie erhöht, was wiederum zum Temperaturanstieg des Wassers führt.
Jedes Molekül hat aufgrund seiner Struktur ein charakteristisches Absorptionsverhalten. Dies wird beispielsweise in der analytischen Chemie dazu ausgenutzt, um die Zusammensetzung von unbekannten Proben zu bestimmen. Dazu werden geeignete Messgeräte wie der Photometer verwendet.
Photometer – Aufbau und Funktionsweise
Moleküle können Strahlung absorbieren, wobei die Energie der absorbierten Strahlung vom Molekülaufbau abhängt. Wenn Du also ein Molekül mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlst und die Intensität der austretenden Strahlung misst, dann kannst Du aus den absorbierten Wellenlängen auf die Verbindung schließen.
Mit einem Photometer kannst Du die Extinktion einer unbekannten, flüssigen Probe messen und daraus ihre Bestandteile identifizieren. Außerdem ist es so auch möglich, die Konzentration einer bekannten Probe zu ermitteln.
Ist die Verbindung bekannt, dann kannst Du mit einer photometrischen Messung zum Beispiel die Konzentration der Lösung bestimmen. Je höher die Konzentration ist, desto mehr Teilchen befinden sich in der Lösung und es wird mehr Strahlung absorbiert.
Photometer – Aufbau
Ein Photometer besteht aus eine Lichtquelle, einem Monochromator, einer Blende und einem Detektor. Die flüssige Probe wird in einer Glasküvette in die entsprechende Halterung zwischen Blende und Detektor eingeführt:
Abb. 3 - Schematischer Aufbau vom Photometer
Lichtquellen
Als Lichtquellen können einerseits sogenannte Kontinuumstrahler verwendet werden, die Licht kontinuierlich in einem bestimmten Spektralbereich ausstrahlen. Dazu zählen beispielsweise Halogenlampen oder Xenonlampen. Alternativ werden auch Linienstrahler eingesetzt. Hierbei wird Cadmium oder Quecksilber verdampft, wobei Licht einzelner Wellenlängen abgestrahlt wird.
Monochromator und Blende
Der Monochromator dient dazu, Licht unterschiedlicher Wellenlängen in seine Bestandteile zu zerlegen. Dazu werden entweder Gitter, an denen Licht durch Beugung oder Reflexion aufgespalten wird, oder auch Prismen eingesetzt, wo das Licht durch Dispersion in seine Spektralfarben zerlegt wird.
Mehr zur Brechung an Prismen kannst Du im entsprechenden Artikel nachlesen.
Die Blende wird hinter den Monochromator gesetzt und dient dazu, eine bestimmte Wellenlänge herauszufiltern.
Probe
Im Probenraum hinter der Blende wird die Probe in einer Küvette fixiert. Dabei muss darauf geachtet werden, dass sich die Küvette im Strahlengang befindet. Als Küvetten werden in der Regel Glas- oder Plastikküvetten mit quadratischer Grundfläche eingesetzt.
Detektor
Der Detektor misst die aus der Küvette austretende Strahlung und wandelt das optische Signal in elektrischen Strom um. Dieser Strom ist proportional zur Intensität des detektierten Lichts, sodass sich aus der gemessenen Stromstärke auf die durchgelassene Intensität schließen lässt.
Photometer – Funktionsweise
Im Photometer wird eine Probe mit Licht bestrahlt und je nach Zusammensetzung werden unterschiedliche Wellenlängen absorbiert. Damit Du die absorbierten Wellenlängen auch erkennen kannst, wird das weiße Licht mit dem Monochromator aufgespalten. Der Monochromator kann während der Messung so orientiert werden, dass immer eine andere Wellenlänge auf die Probe trifft.
Die Probe wird dann mit Strahlung bestimmter Intensität bestrahlt. Diese Strahlung kann allerdings nicht nur von der Probe, sondern auch vom Küvettenmaterial und vom Lösungsmittel absorbiert werden. Um anschließend nur die Absorption der Probe zu erhalten, musst Du daher zunächst einen Nullabgleich machen.
Beim Nullabgleich misst Du die Absorption der Küvette und, wenn Du ein Lösungsmittel verwendest, auch die Absorption vom Lösungsmittel. Wichtig ist dabei, dass dieselbe Küvette für den Nullabgleich und die eigentliche Messung verwendet wird, da jede Küvette eine andere Absorption aufweist. Die dabei gemessenen Absorptionswerte musst Du anschließend von den eigentlichen Messwerten abziehen, um die Absorption der Probe zu erhalten.
Der Detektor misst die aus der Probe austretende Strahlungsintensität. Bei unbekannten Proben nimmst Du zu jeder Wellenlänge einen Messwert auf. Wenn Du die Konzentration der Probe ermitteln willst, misst Du die Strahlungsintensität bei einer bestimmten Wellenlänge.
Aus den gemessenen Intensitäten kann dann, wenn der Wert der Anfangsintensität bekannt ist, die Extinktion berechnet werden. Mit der Ausgangsintensität \(I_0\) und der gemessenen Strahlungsintensität I ergibt sich die Extinktion E nach dem Zusammenhang
\[E=\log\left(\frac{I_0}{I}\right)\]
Trägst Du die Extinktion in Abhängigkeit von der entsprechenden Wellenlänge auf, dann erhältst Du ein Absorptionsspektrum. Hieraus lässt sich die Verbindung identifizieren und der Extinktionskoeffizient ermitteln.
Photometrie – Auswertung & Bestimmung vom Extinktionskoeffizient
Wie ein Absorptionsspektrum aussieht, kannst Du in der folgenden Abbildung sehen:
Abb. 4 - Absorptionsspektrum von Chlorophyll
Die Lage der Absorptionsmaxima ist immer charakteristisch für das entsprechende Molekül, denn bei dieser Wellenlänge wird das meiste Licht absorbiert. Wenn Du ein Spektrum von einer unbekannten Probe aufnimmst, kannst Du deshalb aus den entsprechenden Wellenlängen der Maxima auf die gesuchte Verbindung schließen. Dazu kannst Du Dein Spektrum beispielsweise mit Spektren von bekannten Verbindungen vergleichen oder die Lage der Maxima in Tabellenwerken nachschlagen.
Chlorophyll a weist bei etwa \(\lambda_{a1}=430\, nm\) (violettes Licht) und \(\lambda_{a2}=662\, nm\) (rotes Licht) ein Absorptionsmaximum auf. Die Absorptionsmaxima von Chlorophyll b liegen bei etwa \(\lambda_{b1}=453\, nm\) (blaues Licht) und \(\lambda_{b2}=642\, nm\) (rotes Licht). Diese Werte stimmen ungefähr mit dem gemessenen Spektrum aus Abbildung 4 überein. Daraus kannst Du schließen, dass es sich bei der gemessenen Probe um Chlorophyll a und Chlorophyll b handeln muss.
Bestimmung vom Extinktionskoeffizient
Die Extinktion hängt sowohl von Art der Moleküle ab, als auch davon, wie viele Moleküle in der Probe vorhanden sind oder wie weit die Strahlung durch die Probe wandert. Dieser Zusammenhang wird durch das Lambert-Beersche Gesetz zusammengefasst.
Nach dem Lambert-Beerschen Gesetz hängt die Extinktion E mit der Probenkonzentration c und der durchstrahlten Küvettendicke d folgendermaßen zusammen:
\[E=\epsilon \cdot c\cdot d\]
Wie viel Strahlung die Probe bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert, wird dabei durch den Extinktionskoeffizienten ε angegeben. Dieser kann durch Umstellen der Gleichung berechnet werden:
\[\epsilon=\frac{E}{c\cdot d}\]
Der Extinktionskoeffizient ist unter anderem wellenlängenabhängig, da die Probe bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich viel Strahlung absorbiert. Ist die Konzentration und die Küvettendicke bekannt, kannst Du den Extinktionskoeffizienten mit der Extinktion bei einer bestimmten Wellenlänge berechnen.
Aufgabe 1
Du nimmst ein Absorptionsspektrum von einer Probe mit der Konzentration \(c=0{,}1\frac{mmol}{l}\) auf. Die Küvette hat eine Breite von \(d= 1\, cm\). Bei einer bestimmten Wellenlänge hat die Probe eine Extinktion von \(E_\lambda=0{,}65\). Wie groß ist der Extinktionskoeffizient \(\epsilon_\lambda\) bei dieser Wellenlänge?
Hinweis: Der genaue Wert der Wellenlänge ist egal.
Lösung
Um den Extinktionskoeffizienten zu berechnen, setzt Du die gegebenen Werte in
\[\epsilon_\lambda=\frac{E_\lambda}{d\cdot d}\]
ein:
\[\epsilon_\lambda=\frac{0{,}65}{0{,}1\frac{mmol}{l}\cdot 1\, cm}\]
Nun werden die Einheiten zusammengefasst und das Ergebnis berechnet:
\[\epsilon_\lambda=6{,}5\frac{1}{mmol\cdot cm}\]
Damit ist der Extinktionskoeffizient \(\epsilon_\lambda=6{,}5\frac{1}{mmol\cdot cm}\).
Die Photometrie lässt sich aber nicht nur auf die Bestimmung unbekannter Verbindungen anwenden. Du kannst sie auch dazu nutzen, um die Konzentration einer bekannten Probe zu ermitteln.
Konzentrationsbestimmung
Um die Konzentration zu ermitteln, musst Du die Extinktion bei einer festen Wellenlänge messen. Am besten nimmst Du dazu die Wellenlänge, bei der das meiste absorbiert wird. Damit erhältst Du die Konzentration aus dem Lambert-Beerschen Gesetz.
Aufgabe 2
Du misst bei \(\lambda = 280\, nm\) eine Extinktion von \(E_{280} =1{,}5\). Dabei hast Du eine Küvette mit einer Breite von \(d=1\, cm\) verwendet. Der entsprechende Extinktionskoeffizient ist bekannt und beträgt \(\epsilon = 30 \frac{1}{mol\cdot cm}\). Bestimme die Konzentration Deiner Probe.
Lösung
Zunächst musst Du das Lambert-Beersche Gesetz nach der Konzentration umstellen:\begin{align} E_\lambda&=\epsilon \cdot c\cdot d\quad |:(\epsilon_\lambda\cdot d)\\c&=\frac{E_\lambda}{\epsilon_\lambda \cdot d}\end{align}
Anschließend setzt Du die gemessenen Werte in diese Formel ein:
\begin{align}c&= \frac{1{,}5}{30\frac{l}{mol\cdot cm}\cdot 1\, cm}\\&=\frac{1{,}5}{30}\frac{mol}{l}\\&=0{,}05\frac{mol}{l}\end{align}
Die Konzentration Deiner Probe beträgt also \(0{,}05\frac{mol}{l}\).
In der Praxis wird die Konzentrationsbestimmung auch oft mit der Identifikation der Probe kombiniert. Dabei wird zuerst ein Absorptionsspektrum aufgenommen und daraus die Verbindung identifiziert. Anschließend wird die Extinktion bei der Wellenlänge gemessen, wo am meisten absorbiert wird. Daraus wird dann die Konzentration der Probe ermittelt.
Anwendung vom Photometer: Wasseranalyse & Messung im Labor
Der Photometer findet vielseitige Einsatzmöglichkeiten und wird unter anderem auch bei der Qualitätskontrolle von Wasser verwendet. Diese ist in Deutschland gesetzlich vorgeschrieben und wird als Wasseranalyse bezeichnet.
Bei der Wasseranalyse wird eine Wasserprobe auf unterschiedliche Parameter wie pH-Wert, Wasserhärte oder gelöste Ionen untersucht. Die photometrische Messung dient dabei dazu, die Konzentration der Bestandteile zu ermitteln. Dazu werden der Probe, je nachdem worauf getestet werden soll, unterschiedliche Reagenzien zugesetzt.
Sobald das entsprechende Ion dann mit dem Reagenz reagiert hat, ändert sich die Farbe der Lösung. Dies ist deshalb wichtig, weil die einzelnen Ionen bei der photometrischen Messung keine Strahlung absorbieren würden. Sie müssen zunächst also "sichtbar" gemacht werden.
Zur Analyse von Sulfat wird beispielsweise Bariumchlorid-Lösung hinzugesetzt, was zu einer Trübung führt. Danach kann die Extinktion der Lösung bei einer festen Wellenlänge gemessen und daraus die Konzentration von Sulfat bestimmt werden.
Der Photometer wird nicht nur im Chemie-Labor, sondern auch in der Biologie oder Medizin eingesetzt. Dabei können nicht nur feste Werte wie die Konzentration einer Probe, sondern auch Konzentrationsänderungen oder Enzymaktivitäten bestimmt werden.
Photometer - Das Wichtigste
- Der Photometer wird zur photometrischen Bestimmung von Konzentrationen oder zur Identifikation einer unbekannten Probe eingesetzt.
- Der Photometer besteht im Allgemeinen aus einer Lichtquelle, einem Monochromator, einer Blende und einem Detektor. Dabei wird die Probe zwischen der Blende und dem Detektor eingesetzt.
- Jedes Molekül absorbiert je nach Zusammensetzung unterschiedliche Energie, die er in Form von Strahlung aufnehmen kann. Der Zusammenhang zwischen Energie und Wellenlänge der Strahlung ist gegeben durch\[E=\frac{h\cdot c}{\lambda}\]
- Werden Moleküle mit Licht bestrahlt, dann kann die Strahlung gestreut oder absorbiert werden. Bei der Absorption nimmt das Molekül Energie in Form von Strahlung auf. Streuung und Absorption werden gemeinsam als Extinktion bezeichnet.
- Im Photometer wird eine Probe mit monochromatischem Licht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt und die entsprechende Extinktion gemessen.
- Wenn Du die gemessenen Extinktionen in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufträgst, erhältst Du ein Absorptionsspektrum. Anhand der Lage der Extinktionsmaxima kannst Du damit eine unbekannte Verbindung identifizieren.
- Die Extinktion E ist abhängig von der Konzentration der Probe c, der Küvettendicke d und dem wellenlängenabhängigen Extinktionskoeffizienten ε. Dieser Zusammenhang wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben:\[E = \epsilon \cdot c\cdot d\]
- Wenn Du das Lambert-Beersche Gesetz geeignet umstellst, kannst Du den Extinktionskoeffizienten oder die Konzentration berechnen, sofern die anderen Werte bekannt sind.
- Photometer werden beispielsweise bei der Wasseranalyse zur Bestimmung der Wasserzusammensetzung verwendet.
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