1Spectroscopia de absorb?ie molecular?

Exista trei procese de baz? prin care o molecul? absoarbe energie

- prin rota?ie - molecula se rote?te dup? axe variate , energia de rota?ie fiind lanivele energetice bine definite. Atunci cnd molecula absoarbe energie ea poatetrece la nivele energetice de rota?ie mai ridicate printr-o tranzi?ie rota?ional? .- prin vibra?ie - atomii sau grupele de atomi din interiorul unei moleculevibreaz? relativ unii fa?? de ceilal?i . Energia acestor vibra?ii se g?se?te ?i ea penivele energetice precise, cuantificate. Prin absorb?ia unei cantit??i discrete deenergie, molecula se poate ridica la un nivel vibra?ional mai ridicat printr-otranzi?ie vibra?ional?.- pe cale electronic? Electronii unei molecule pot s? ajung? la niveleenergetice mai nalte ca urmare a unei tranzi?ii electronice de pe un nivelenergetic inferior pe un nivel energetic superior ( vezi ?i capitolul 3.1.2.3.)

Toate cele trei modalit??i de absorb?ie a energiei snt cuantificate, elepresupunnd absorb?ii de cuante de energie (h?) ?i cre?terea corespunz?toare anivelului energetic al moleculei. Aceste tranzi?ii snt ilustrate n figura xxx pe bazamodelului nivelurilor energetice. Energiile relative ale celor trei procese de tranzi?ientr-o molecul? snt n ordine descresc?toare, electronic vibra?ional -rota?ional,astfel :

-tranzi?iile rota?ionale au loc la nivele energetice foarte sc?zute (lungimi deund? mari, specifice microundelor sau infraro?u indep?rtat lungimi de und? cesnt cuprinse intre 100 ?m ?i 10 cm).

-tranzi?iile vibra?ionale necesit? energii mai mari ?i se plaseaz? n domeniulinfraro?u apropiat.

-tranzi?iile electronice necesit? energii mult mai mari ceea ce le plaseaz? ndomeniul vizibil ?i ultraviolet.

La temperatura obi?nuit? a mediului se consider? c? molecula este n stareaenergetic? cea mai sc?zut? (E0) denumit? stare fundamental?. Tranzi?ia purrota?ional? va avea loc numai din aceast? stare fundamental?, figura 1. (A) Atuncicnd au loc tranzi?ii pur rota?ionale, n spectru vor ap?rea linii drepte discrete deabsorb?ie, lungimea de und? a fiec?rei linii corespunznd unei tranzi?ii particulare.Din punct de vedere analitic tranzi?iile rota?ionale pure nu prezint? o importan?? attde mare. Dac? energia absorbit? cre?te (lungimea de und? descre?te) pe lng?tranzi?iile rota?ionale apar ?i tranzi?ii vibra?ionale rezultnd diferite combina?ii aleregimului ro?ational vibra?ional cu foarte multe valori. Fiecare nivel de rota?ie alcelui mai sc?zut nivel vibra?ional poate fi excitat la diferite nivele rota?ionale alenivelului vibra?ional excitat, figura 1.(B), n plus ar putea exista cteva nivelevibra?ionale fiecare cu un anumit num?r de nivele rota?ionale. Aceasta conduce lanumeroase tranzi?ii discrete, rezultatul fiind un spectru cu o densitate extrem demare de linii astfel nct acestea nu se pot distinge ?i percepe clar. Din cauzasuprapunerii tranzi?iilor rota?ionale peste cele vibra?ionale, cu toate c? tranzi?iilevibra?ionale snt tot discrete, spectrul de vibra?ie apare ca o structur? de peak-uricontinue n care nu se pot diferen?ia liniile discrete. Lungimile de und? la care se

2formeaz? aceste peak uri pot fi puse n coresponden?? cu modurile de vibra?ie ninteriorul moleculei. Acestea au loc in infraro?u mijlociu ?i ndep?rtat

Fig. 2. Spectru n infraro?u al uleiului de motor 10W40

La energii mult mai nalte (lungimi de und? n vizibil ?i ultraviolet) au loctranzi?ii de electroni la diferite nivele. Peste acestea se suprapun tranzi?iilerota?ionale ?i vibra?ionale, figura 1(C), De?i toate tranzi?iile au loc in pa?i cuantifica?i,corespunz?tor unor lungimi de und? discrete ?i aici num?rul de linii este extrem demare pentru a da un spectru de linii clar. Ca atare ?i n cazul tranzi?iilor electroniceapare un spectru de benzi largi ale lungimilor de und? absorbite. n figura 2 este

reprezentat informativ un spectru n infraro?uiar n figura 3 este reprezentat un spectru deabsorb?ie n domeniul ultraviolet vizibil.Discu?iile la acest capitol au fost limitate lamolecule deoarece majoritatea spectrelor deabsorb?ie din solu?ii snt moleculare. In cazulatomilor singulari, ce apar n flac??? sau narc electric, au loc numai tranzi?ii electronice(ace?tia nu se rotesc ?i nu vibreaz?). Liniilecorespunz?toare apar ca linii nguste clare.Aspectele legate de tranzi?iile pur electronices-au discutat la capitolul xxx

Via?a st?rilor excitate ale moleculeloreste destul de scurt? ceea ce face camoleculele s? revin? la starea fundamental?stabil? din punct de vedere energetic. Demulte ori revenirea pe starea fundamental?se face pe aceea?i lungime de und? pe care

s-a produs emisia ceea ce duce la procese de coliziune al c?ror rezultat esteemisia de c?ldur?. Aceasta caldur? este ns? greu m?surabil? din cauza nivelului eisc?zut. In schimb n domeniul vizibil ea este sesizat? sub forma culorii substan?eisau a corpului respectiv.

Fig 3 Spectru n vizibil a unei solu?ii depermanganat de potasiu de concentra?iecunoscut?

3Spectrometria de absorb?ie molecular? are aplica?ii att n analiza calitativ? ct?i n cea cantitativ?. Se iradiaz? proba de analizat cu radia?ii de lungimi de und?diferite ( de exemplu n domeniul UV-VIS) ?i se nregistreaz? spectrul de absorb?ie (intensitatea radia?iei n func?ie de lungimea de und? , (n infraro?u n func?ie denum?rul de und? sau frecven?? ) . Cu spectrul nregistrat ?i cu ajutorul unor atlasespectrale se identific? speciile moleculare care se reg?sesc n dreptul unei anumitelungimi de und? specifice. La aparatele moderne echipate cu tehnic? de calcul ?isoft specific identificarea se face automat . Spectrometria n infraro?u folose?te laora actual? pe larg identificarea automat? a speciilor chimice. La analiza cantitativ?se determin? concentra?ia unei anumite specii chimice pe baza coresponden?eiacesteia cu intensitatea radia?iei absorbite din radia?ia incident? cu lungimea deund? specific? acelei specii moleculare.

Spectrometria molecular? se poate aplica speciilor chimice n stare deagregare lichid? gazoas? sau solid?. La analiza n stare lichid? pe fotodetectorcade o cantitate de radia?ie monocromatice specific? ce reprezint? diferen?a dintrecantitatea ini?ial? a radia?ie ?i cantitatea radia?iei absorbite de prob?, cea din urm?fiind propor?ional? cu concentra?ia. Analiza gazelor presupune nchidere unui volumconstant de gaz ntr-o celul? special? ?i fotometrarea acesteia. Spre deosebire delichide concentra?ia stabilit? la analiza cantitativ? a gazelor este puternicdependent? de presiune ?i de temperatur? , de asemenea dat? fiind distan?a mareintre molecule pentru ca metoda s? prezinte sensibilitate suficient de bun? cuveleau lungimi mari care pot ajunge la valori de ordinul zecilor de centimetrii. Dinmotivele enumerate mai sus analiza spectrofotometric? a gazelor se efectueaz? deregul? numai sub forma analizei calitative. Atunci cnd ?i analiza cantitativ? estetotu?i strict necesara se poate alege solu?ia barbot?rii gazelor printr-un mediu chimiclichid a c?rui compozi?ie este astfel stabilit? nct speciile sale chimice s? deareac?ii de culoare cu gazele barbotate. La spectrofotometrarea solidelor esteanalizat? cantitatea de radia?ie reflectat? de proba solid? supus? analizei. Dincantitatea radia?iei policromatice incidente va lipsi o cantitatea propor?ional? cuconcentra?iile speciilor chimice prezente n materiallu solid , iar n cazul iradieriiacestuia cu radia?ie monocromatic? va lipsi din cantitatea ini?ial? a radia?iei ocantitate proportional? cu concentra?ia speciei chimice c?reia i este specific?radia?ia. La spectrometria de absorb?ie molecular? a corpurilor solide trebuie avutn vedere c? dat? fiind abaterea macro ?i microgeometric? a suprafe?ei examinatede la o suprafa?a perfect plan? reflexia se realizeaz???i pe alte direc?ii dect direc?iaradia?iei incidente ca urmare cantitatea de radia?ie ce cade pe detector nu reflect?numai radia?ia absorbit? de prob? ci ?i cantitatea reflectat? pe alte direc?ii afectndsensibilitatea ?i precizia determin?rii. n principiu, reflexia poate fi total? , par?ial?sau inexistent?. Un corp care reflect? total lumina alb? apare opac ?i de culoarealb?, dac? un corp

Tab.1. Domeniul spectral UV-VIS, culoarea solu?iei de analizat n domeniul VIS ?i culorile complementare

Domeniul spectral ?iculoarea vizibil?

Lumina absorbit?(culoarea complementar?)

4(transmis?) asolu?iei de analizat

Culoarea absorbit?(invizibil?)

lungime deund? [nm]

invizibil Vacuum- ultraviolet

5asemenea analizei fotometrice i snt specifice precizii, reproductibilit??i ?isensibilit??i ridicate. Limita de detec?ie este ?i ea deosebit de bun? situndu-senormal n limite cuprinse ntre 10-4 M ?i 10-5 M, iar prin m?suri specifice ea poatefi cobort? pn? la nivelul de 10-6 M ?i 10-7 M. n cazul n care substan?a de analizatprezint? absorb?ie de radia?ie luminoas? n domeniul vizibil sau ultravioletfotometria poate fi folosit? direct f??? transformare de substan?? ( ex.permanganatde potasiu, sulfat de cupru, clorur? de Nichel s.a) Pentru a putea folosi fotometria ?ila substan?e ce nu prezint? o absorb?ie clar? de radia?ie luminoas? pe o anumit?lungime de und? (ex. glucoz?, urin?, albumin?, creatinin?, aminoacizi), se poateproduce o transformare chimic? sau enzimatic? a substan?ei. n cel din urm? caz fiesubstan?a de analizat este transformat? cu substan?e chimice sau cu enzime ntr-unprodus colorat, fie substan?a de analizat ns??i provoac? reac?ii de culoarespecific?. Urm?toarele exemple snt reprezentative n acest sens:

Ex. 1. La reac?ia biuretului, n mediu puternic alcalin, ioni de cupru sedepun la leg?turile peptidice ale proteinelor rezultnd un complex colorat violet.Intensitatea de colorare a complexului poate fi m?surat? la lungimea de und? de546 nm absorb?ia radia?iei fiind propor?ional? cu concentra?ia proteinelor

Ex.2. La reac?ia xantoproteic? - tratarea unei proteine ce con?in aminocizicu nucleu aromatic cu acid azotic concentrat la cald duce la nitroderiva?i colora?i ngalben nchis. Intensitatea colora?ieie ( absorb?ia radia?ieie m?surat? fotometric)este proportional? cu concentra?ia proteinelor.

Ex.3 La reac?ia de identificare a albuminei prin ad?ugare de bromcrezolamestecului de substan?e se formeaz? un complex verde ntre albumin???i verdede bromcrezol iar absorb?ia acestui complex, m?surat? fotometric, estepropor?ional? cu concentra?ia albuminei.

Ex.4 La reac?ia sulfurii de plumb - aplicabil? proteinelor cu tioaminoacizi(metionin?, cistein?) solu?iile de proteine nc?lzite la fierbere, n prezen?a acetatuluibazic de plumb, duc la degajare de hidrogen sulfurat care la rndul lui d? unprecip?itat de sulfur? de plumb ce se poate detrermina turbidimetric saunefelometric (metode fotometrice , vezi cap)

Ex 5. acidul uric reduce fosfatul acid de wolfram la un colorant albastru .Absorb?ia acestui colorant, m?surat? fotometric, este propr?ional? cu cuconcentra?ia de acid uric.

Dac? o cuv? paralelepipedic? transparent? este umplut? cu o solu?ie ?iiradiat? cu lumin? atunci o parte din lumin? este absorbit? de particulele din solu?ie (absorb?ie), o parte este l?sat? s? treac? (transmisie) ?i o mic? parte estempr?stiat?, figura

Fig.4. Absorb?ia , transmisia ?i mpr?stierea luminii de c?tre o solu?ie

6Plecnd de la faptul c? lumina mpr??tiat? reprezint? o parte mic???i constant? dinlumina incident? , absorb?ia respectiv transmisia devin func?ii ale num?rului departicule existente n solu?ie deci func?ii ale concentra?iei acestor particule. Rezult??? prin m?surarea cantit??ii de lumin? transmis? prin prob? se poate determina,prin sc?derea ei din radia?ia incident?, concentra?ia particulelor care absorb lumin?.n cazul unei substan?elor lichide, perfect transparente, ce absoarbe radia?ieelectromagnetic? n domeniul vizibil sau ultraviolet, procedeul de detrminare aconcentra?iei pe baza m?sur?rii absorb?iei se face la lungimi de und? bine definitedin spectrul de radia?ie , iar procedeul de m?surare se nume?te fotometrie. n cazulprocedeul de determinare a concentra?iei suspensiilor de particule solide n mediilichide , pe baza m?sur?rii absorb?iei luminii, procedeul de m?surare poart?denumirea de turbidimetrie sau dup? caz nefelometrie .

Spectrul de absorb?ie al solu?iilor colorate. Absorb?ia radia?iiilorelectromagnetice de c?tre solu?ii depinde de lungimea de und?, fiecare speciechimic? avnd un spectru propriu de absorb?ie care este o reprezentare grafic? aabsorb?iei (A) n func?ie de lungimea de und? (?). Datorit? faptului c? domeniulcoeficientului de absorb?ie (?) poate varia n limitele a cinci ordine de m?rime sefolose?te adesea reprezentarea (log A) sau (log ?) n func?ie de (?). Culoarea

Fig.5. Punctele caracteristice unui spectru de absorb?ie

solu?iei este determinat? de valoarea (?max) c?reia i corespunde un coeficient deabsorb?ie molar (?max). Substan?e diferite au culori diferite caracterizate prin valoridiferite (?max) ?i (?max). Intensitatea colora?iei este dat? de (?max) ,iar puritatea culoriiprin l??imea benzii de absorb?ie definit? prin ?1/2 max ?1/2 max , figura 5. Din punct devedere analitic este de dorit ca l??imea benzii de absorb?ie s? fie ct mai ngust???i??max) ct mai mare.

Alegerea lungimii de und?.

7n func?ie de structura molecular? o substan?? absoarbe mai mult? sau mai pu?in?lumin? a unei anumite lungimi de und?. Valoarea lungimii de und? la care se fac??sur?torile fotometrice se alege din spectrul de absorb?ie al respectivei substan?enct s? fie satisf?cut? condi?ia unei absorb?ii ct mai ridicate (sensibilitate maxim?).Atunci cnd o substan?? prezint? mai multe maxime de absorb?ie , figura 6, pe lng?criteriul

Fig.6. Spectrogram? de absorb?ie cu dou? maxime de absorb?ie

alegerii lungimii de und? corespunz?toare absorb?iei maxime n decizia alegeriilungimii de und? intr???i alte criterii, astfel :

- l??imea benzii de absorb?ie are un rol n precizia determin?rii. De exemplu ncazul spectrului substan?ei din fig cu dou? maxime de absorb?ie este preferat?pentru fotometrare lungimea de und? corespunz?toare maximului deabsorb?ie de valoare mai mic? (B) fa?? de cel cu absorb?ie de valoare maimare (A) , motivul este acela c? n cazul benzii de absor?ie (A) l??imea benziieste foarte mic? , o mic? imperfec?iune de aparat sau de fixare a lungimii deund? poate duce la erori de m?surare mari. Un exemplu edificator n acest

8Fig.7. influen?a l??imii mici de band? asupra coeficientului molar de extin?ie

sens este redat n figura7. O substan?? cu band? de absorb?ie n maxim? ngust?,n domeniul ultraviolet , la lungimea de und? de 340 nm, are valoarea coeficientuluimolar de absorban?? de 6187 mol-1 cm-1 pe cnd fixarea eronat? la o lungime deund? de 365 nm duce la un coeficient molar de absorban?? de 3427 mol-1 cm-1,ceea ce duce la o eroare mare dac? calculul concentra?iei se face prin metodafolosirii coeficientului molar de absorban?? . De asemenea mai trebuie avute nvedere urm?toarele:La substan?e a c?ror spectru prezint? mai multe maxime de absorb?ie pe lng?criteriul absorb?iei maxime ?i a unei l??imi de band? rezonabil? trebuie avute nvedere pentru fotometrare maximele de absorb?ie la lungimi mai mari de und?deoarece lungimile de und? mici, n domeniul ultraviolet, foarte bogate n energie,pot duce la distrugeri ale integrit??ii moleculelor prin reac?ii fotochimice..Atunc cnd nu se cunoa?te lungimea de und? la care absorb?ia este maxim? nvederea alegerii lungimii de und? optim? de lucru se folosesc spectrofotometrenregistratoare care scaneaz?? ?i nregistreaz? spectrul substan?ei de analizat(distribu?ia intensit??ii de absorb?ie fotometric? n func?ie de lungimea de und?) dindomeniul ultrviolet pn? n domeniul infraro?u, se identific? pe spectru speciachimic? de interes ?i se extrapoleaz? pe abscis? valoarea maxim? a peak-ului.

Alegerea grosimii de strat. Pentru a realiza o grosime de strat constant? sntfolosite cuve paralelepipedice din sticl? optic? special? n care se introducesubstan?a de analizat. Cu ct este mai lung drumul parcurs de lumin? prin cuv? cuatt mai multe entit??i atomice sau moleculare ale speciilor vor fi atinse de acesta ?icu att mai mare este cantitatea de lumin? absorbit?. Absorb?ia cre?te exponen?ialcu drumul parcurs de lumin?. Grosimea stratului este dat? de dimensiuneainterioar? a cuvei.

Analiza spectrofotometric? calitativ???i cantitativ?

9 Spectrometria de absorb?ie molecular? are aplica?ii att n analiza cantitativ? ct ?in cea calitativ?. Spectrometria de absorb?ie molecular? efectuate n cele treidomenii spectrale UV-VIS-IR nu d? acelea?i rezultate n ce prive?te analizacalitativ???i cantitativ?. Astfel datorit? unor maxime de absor?ie limitate n domeniulUV-VIS acest domeniu este folosit preponderent n analiza cantitativ?. Datorit? domeniul IR este folosit preponderent n domeniul analizei calitative.

Tab.2. Lungimi de und???i pozi?ii ale benzii de absorb?ie specifice maximelor de absorb?ie pentruleg?turi cromofore ?i grup?ri func?ionale n domeniul spectral ultraviolet ?i infraro?u

Domeniul ultraviolet Domeniul Infraro?uGruparecromofor?

Lungimede und? (?max) [nm]

Gruparefunc?ional?

Pozi?ia benzii deabsorb?ie [cm-1]

C=C 175 C-H 2850-2960175 =C-H 3020-3100195 C=C 1650-1670??C223 ?C-H 3300160 ??C 2100-2260185 C-Cl 600-800C=O280 C-Br 500-600200 C-I 500R-NO2 274 O-H 3400-3640

??N 165 C-OH 1050-1150

C=C-C=C 217 3030

220 1600,1500C=C-C=O 315 N-H 3310-3500220 C-N 1030,1230C=C-C?C 230 C=O 1670-1780184 COOH 2500-3100204 ??N 2210-2260255 NO2 1540

In tabelul 2 snt date lungimi de und? specifice pentru maxime de absorb?ie a unorgrup?ri cromofore ?i grup?ri func?ionale pentru domeniul ultraviolet ?i infraro?u.Prezen?a unor absorb?ii la aceste lungimi de und? reprezint? indiciul prezen?eirespectivelor grup?ri n substan?a de analizat

Analiza spectrofotometric? cantitativ? . Intensitatea unui fascicul de radia?iiluminoase ce cade de o substan?? lichid? gazoas? sau solid? sufer? absorb?ii,reflec?ii, refrac?ii sau provoac? fluorescen?? figura 7. n fotometria molecular?cantitativ? se determin? cantitatea de radia?ie :

10

- absorbit? de prob? la traversarea acesteiea de o radia?ie electromagnetic? ,

fig. 7a, (fotometrie la substan?e lichide transparente),

- absorbit? de prob? la reflexia radia?iei de pe prob?, fig. 7b, ( fotometrie lacorpuri solide netransparente)

- emis? de prob? pe o lungime de und? superioar? lungimii de und? a radia?ieiincidente , fig. 7c, (fotometrie de fluorescen????i fosforescen??)

- cantitatea de radia?ie absorbit? de prob? dintr-o emisie pe aceea?i lungime deund? ca cea specific? specieiei chimice analizate , fig. 7d, (spectrofotometriede absorb?ie atomic? )

In cazul fotometriei de absorb?ie diminuarea intensit??ii radia?iei depinde degrosimea stratului pe care l traverseaz? aceasta, de natura substan?ei sausubstan?elor care compun stratul ?i de concentra?ia substan?elor din strat. Acestedependen?e snt valabile pentru orice lungime de und?, ?i pentru orice mediuomogen, n care sc?derea intensit??ii radia?iei se datore?te numai absorb?iei,indiferent dac? mediul absorbant este gaz, lichid, solid sau solu?ie.

III a0 ?? (3.57)

Din punct de vedere matematic aceste dependen?e snt descrise de legea Lambert -Beer:

cbaIIlog 0 ??? (3.58)

Fig. 7. Fenomene optice ce au loc la trecerea unui fascicul de radia?ie printr-un mediu transparent lichidI0 intensitatea radia?iei incidente , Ia intensitatea radia?iei absorbite ,

I intensitatea radia?iei transmise

11

unde: a - coeficient de absorb?ie (absorban??) sau coeficient de extinc?ie cereprezint? o m?rime specific? substan?ei

b - grosimea stratului str???tut de radia?ie c - concentra?ia substan?ei

Aceast? lege st? la baza analizei cantitative colorimetrice ?i fotometrice. Trebuiespecificat c? se face abstrac?ie de celelalte fenomene fizice precum difuziune,refrac?ie,polarizare , fenomene despre care s-a vorbit mai sus. n aceast? analiz? semai definesc urm?toarele m?rimi :- Transmitan?a (T) :

0IIT ?

()

- Indicele de transmitan?? - tramsmitan?a unui strat cu grosimea de 1 cm.- Opacitatea ( inversul transmitan?ei )

II

T1 0?

()

sau sub form? procentual? :

100II%T0

??

()

- Absorban?a (A) logaritmul cu semn schimbat ( cologaritmul ) al transmisiei (transmitan?ei) :

A = - logT()

cbaIIlog

T1logA 0 ?????

()

12

Avnd n vedere expresia procentual? a transmitan?ei (T) ( ecua?ia) se poate scriepentru absorban?a (A) urm?toarea rela?ie :

log%Tlog100%T100logA ???

( )sau :

log%T2A ??()?i :

A)(200antilog%T ??( )

Rela?iile de mai sus reprezint? de fapt expresia matematic? a legii Lambert Beer.Absorban?a este aditiv?, motiv pentru care mai multe straturi din aceea?i substan??,cu aceea?i concentra?ie, suprapuse dau o absorb?ie total? egal? cu sumaabsorban?elor par?iale. O aplica?ie important? a legii Lambert- Beer o constituie determinarea concentra?ieianumitor specii chimice dintr-un amestec lichid solid sau gazos de substan?e.Pentru a putea individualiza aceast? determinare este nevoie de separareainformativ? a acelei specii chimice din amestec prin considerarea numai a valoriiabsorban?ei specifice corespunz?toare lungimii de und? la care acea specie areabsorb?ie maxim?. In acest scop este necesar ca radia?ia incident? folosit? pentruiradiere (I) s? fie monocromatic? cu lungimea de und? corespunz?toareabsorban?ei maxime a acelei specii chimice iar legea Lambert - Beer are expresia:

bc?Amolmol

???In figura 7 este reprezentat? expresia grafic? a tipuri de dependen?e ntreTransmitan?a (T) , Absorban?a (A) , Intensitatea radia?iei (I) ?i grosimea stratuluide solu?ie (b)

Absorban?a (A) = Extinc?ie (E) = Densitatea optic? (D)

13

- coeficientul molar de absorb?ie (?) reprezint? raportul dintre absorban?a (A) ?iprodusul dintre concentra?ia molar? (cmol), ( moli/l) a solu?iei ?i grosimea (b) astratului de solu?ie str???tut de radia?ie :

bcA

?mol

mol ??

()

Coeficientul molar de absorb?ie (?) reprezint? o constant? a substan?eiabsorbante, el caracterizeaz? sensibilitatea unei reac?ii de culoare ?i limitele deconcentra?ii ntre care este posibil? dozarea substan?ei prin fotometrie. M?rimeaacestui coeficient variaz? n limite largi. Legea Lambert - Beer este valabil? latoate tipurile de spectroscopie de absorb?ie atomic?? ?i molecular?. Pentru o??murire mai bun? a aspectelot legate de legea Lambert- Beer n figura 8 estereprezentat dependen?a dintre a)- transmisia ?i concentra?ia solu?iei, b)-dintre absorban?? ?i concentra?ia solu?iei, c) - dispunerea gradatiilor detransmisie ?i de absorban?? pe scara gradat? a?a cum apare ea la unspectrofotometru analog, d) - prezentarea sugestiv? a influen?ei transmisiei ?iabsorban?ei de catre grosimea de strat respectiv de c?tre concentra?ie. Dincompararea pozi?iei (1) cu pozi?ia (3) ?i pozi?ia (4) din figura 8-d se observ? c?efectul cresterii concentra?iei de trei ori asupra transmisiei (T) , respectivasupra absorban?ei (A) este acela?i ca ?i cre?terea grosimii (b) a stratuluisolu?iei de trei ori , aceste constata?ri sunt n concordan????i cu expresiile graficedin Fig.8-a, b, respectiv figura 7-a, b.

Fig.8. Expresia grafic? a tipuri de dependen?e ntre Transmitan?a (T) , Absorban?a (A) , Intensitatea radia?iei(I) ?i grosimea stratului de solu?ie (b)

14

Fig.9. Expresia grafic? a dependentei dintre: a)- transmisia ?i concentra?ia solu?iei, b)- dintreabsorban?? ?i concentra?ia solu?iei, c) - dispunerea gradatiilor de transmisie ?i de absorban??pe scara gradat? a unui spectrofotometru analog, d) - prezentarea sugestiv? a influen?ei transmisiei ?i absorban?ei de catre grosimea de strat respectiv de c?tre concentra?ie

In ambele cazuri ar?tate mai sus pentru determinarea concentra?iei pe calefotometric? pentru a avea determinare matematic? trebuie s? existe doar dou?variabile n expresia Legii Lambert- Beer: una dependent? ( concentra?ia -c) ?i unaindependent? ( absorban?a - A n primul caz) sau grosimea de strat - b n cel de-aldoilea caz) ceilal?i parametrii din rela?ie trebuind s? fie constan?i. Pentru rezolu?ie ?isensibilitate ridicat? se folose?te o radia?ie luminoas? cu o band? spectral? ingust?a c?rei lungime de und? trebuie se plaseaz? n zona maximului de absorb?ie aspeciei de analizat. n cazul n care maximul de absorb?ie spectral? nu estecunoscut el se derermin? din reprezentarea grafic? a a bsorb?iei la diferite lungimide und?.

Abateri ale legii Lambert- Beer . ??a cum rezult? din legea Lambert Beer,pentru o anumit? substan?? dat?? ?i o grosime de strat precis?, dependen?a ntreabsorb?ia (A) ?i concentra?ie este linear?, figura 9. Aceast? dependen?? estevalabil? ns? numai n domeniul concentra?iilor mici de pn? la 10-2 mol/l. Inasemenea solu?ii diluate fiecare molecul? a substan?ei de analizat absoarbe lumin?monocromatic? independent de moleculele vecine. La concentra?ii mai mari seajunge la erori importante de m?surare. Solu?ia determin?rii concentra?ie pe calefotometric???i la solu?ii concentrate const? n diluare controlat? a acestora sau dac?nu este posibil folosirea unor cuve de grosime mai mic?. Dimpotriv? dac?concentra?iile snt foarte mici , sub limita de detec?ie , se folosesc cuve cu grosimeastratului de solu?ie mare (pn? la 100 mm la lichide si sute de mm la gaze)

Dac? substan?a analizat? ?i modific? propriet??ile fizico-chimice n func?ie deconcentra?ie apar abateri de la liniaritate, (figura 9) Aceste abateri pot avea dou?cauze: chimice ?i fizice. Cauzele chimice snt generate de modificarea coeficientului

15

molar de extinc?ie (de absorb?ie) ca urmare a apari?iei unor reac?ii chimice la diferiteconcentra?ii. Asemenea reac?ii deplaseaz? echilibrul chimic, pot ap?rea complec?i,se modific? indicele de refrac?ie. Cauzele fizice snt generate de:

- reflexie ?i absorb?ie de pe pere?ii cuvelor. De regul?, la celule de grosimenormal?, abaterea de la liniaritate datorat? reflexiei este mic???i se poate neglija. Lacelule de grosime mic? a solu?iei aceast? abatere nu mai poate fi neglijat???i estenecesar? practicarea unor factori de corec?ie .

Fig.9. Dependen?a absorb?iei de concentra?ia molar?

- imposibilitatea asigur?rii unei radia?ii incidente monocromatice . n situa?ia uneiradia?ii cu mai multe lungimi de und? n compunere , ?1 , ?2 ,.?n , legeaLambert - Beer este valabil? separat pentru fiecare lungime de und? n parte .Acest lucru duce ns? la un coeficient mediu de extinc?ie molar? (?) diferit decoeficientul corespunz?tor unei anumite lungimi de und? .

- varia?ii de temperatur? . La determin?ri de mare precizie se lucreaz? n condi?iitermostatate deoarece se face sim?it? influen?a modific?rilor de temperatur?asupra indicelui de reflexie , absorb?ie ?i refrac?ie .

- Turbiditate riducat? a probei. La probe tulburi se ajunge la impr?stieri importanteale radia?iei incidente care snt percetute de sensorul fotoelectric dreptconcentra?ii ceea ce duce la erori importante de m?surare

- Domeniul de valabilitate a legii Lambert-Beer se determin? experimental pentrufiecare caz n parte prin construirea graficului absorb?iei (A) sau a transmisiei (T)n func?ie de concentra?ia (c).

Determinarea concentra?iei unei substan?e din dependen?a dintreabsorban?? ?i concentra?ie

16

n acest caz este necesar ca Absorban?a (A) s? depind? numai de concentra?ia(c) a speciei de analizat, respectiv :

- grosimea stratului solu?iei de analizat- lungimea de und? a radia?iei- natura solventuluinatura substan?ei de analizat- temperatura solu?iei de analizat- pH-ul solu?iei de analizat

trebuiesc cunoscute ?i men?inute constant pe toat? perioada m?sur?rii . M?sura ncare se reu???te acest lucru nfluen?eaz? n mare parte performan?a n fotometriacantitativ?. Avnd n vedere legea Lambert- Beer determinarea concentra?ieisubstan?ei de analizat din valoarea m?surat? a absorbantei (A) , (extinc?iei - E) , ncondi?iile grosimii constante a solu?iei ?i a ce?lorlal?i parametrii enumera?i mai sus ,se poate face n dou? moduri:

- cu ajutorul unui etalon de concentra?ie cunoscut?- cu ajutotrul unui factor constant ( coeficient molar de extinc?ie)

Determinarea concentra?ie prin compara?ie cu un etalon deconcentra?ie cunoscut?. Cea mai simpl? metod? de determinare a concentra?iei pecale fotometric? este aceea de a compara absorban?a (A) a unei solu?ie deconcentra?ie cunoscut? a substan?ei de analizat cu absorban?a (Ax) a unei solu?iide concentra?ie necunoscut? a aceleia?i substan?e. Este evident c? fiind vorba deaceea?i substan?? absorban?ele molare snt identice iar substan?a analizat?trebuie s? aib? aceea?i grosime, ceea ce presupune folosirea de cuve identice.Expresia celor dou? extinc?ii este:

cb?A mol ???( )

cb?A xmolx ???( )

unde : mol? - coeficientul de extinc?ie molar? pentru solu?ia de concentra?iecunoscut?, respectiv de concentra?ie necunoscut?

b - grosimea probei din cuv? c- concentra?ia cunoscut? a probei de referin?? cx - concentra?ia necunoscuta a probei analizat?

Prin mp???irea celor dou? ecua?ii se ob?ine:

cb?cb?

AA

xmol

mol

x ?????

( )

17

iar dup? simplificarea coeficientului molar ?i a grosimii stratului de electrolit care sntacelea?i pentru ambele probe , ecua?ia de mai sus devine:

cc

AA

xx?

( )Ecua?ie din care se poate calcula concentra?ia necunoscut? (cx) prin rela?ia:

cA

Ac xx ??( )

folosirea calculului concentra?ie prin compara?ie este folosit? totdeauna atunci cnduna din componentele sistemului sufer? varia?ii n timp. De asemenea ea estevalabil? numai atunci cnd dependen?a ntre absorban????i concentra?ie este liniar?.In cazul n care aceast? dependen?? este neliniar? apar erori de determinare caresnt cu att mai mari cu ct abaterea de la liniaritate este mai mare. Pentru siguran?adetermin?rii concentra?iei n zona liniar? , mai ales dac? este vorba de concentra?iimai mari, se recomandat? realizarea unui grafic de etalonare cu

Fig.10. Curb? de etalonare cu eviden?ierea limitei superioare de liniaritate

concentra?ii cunoscute. n domeniul concentra?iilor mici se ob?ine o dependen??liniar? ntre absorban????i concentra?ie iar la concentra?ii mari dependen?? neliniar?.Determinarea concentra?iei necunoscute a probei analizate cu ajutorul curbei deetalonare se face prin extrapolarea absorban?ei m?surate pentru acea prob? pe axaabcisei unde se cite?te concentra?ia ei. Pentru determin?ri de precizie se recomand?numai lucrul n zona liniar? a curbei de etalonare. La fotometre moderne prev?zutecu microprocesor perechile de valori absorb?ie concentra?ie cu care se realizeaz?curba de etalonare snt memorate, extrapolarea efectundu-se automat , aparatulafi?nd direct numeric valoarea concentra?iei.

Erori posibile la determinarea absorban?ei solu?iilor. Absorban?a final???surat? (A??surat) n cadrul unei determin?ri pentru o solu?ie este o absorban??cumulativ???i se compune din:

- Absorban?a probei de analizat sau a produsului de reac?ie (Aprob?)

18

- Absorban?a datorat? culorii proprii a probei (Aculoare proprie) ( este vorba de alt?culoare dect culoarea absorbit? pentru care se determin? dependen?a dintreconcentra?ie ?i extinc?ie)

- Absorban?a datorat? reactivilor (Areactiv) ( n cazul n care substan?a de analizatnu prezint? absorb?ie specific? se poate provoac? o transformare chimic? sauenzimatic? a substan?ei de analizat ntr-un produs colorat a c?rui intensitate deabsorb?ie fotometric? este propor?ional? cu concentra?ia).

Absorban?a datorat? culorii proprii a probei ?i absorban?a datorat? reactivilordenatureaz? valoarea real? a absorban?ei speciilor chimice de analizat sau aprodusului de reac?ie ca atare la m?sur?ri de mare acurate?e aceste absorban?e sescad din valoarea absorban?ei globale m?surate, motiv pentru care poart?? ?idenumirea de absorban?a de compensare, se poate scrie:

A??surat = Aprob? + Aculoare proprie + Areactiv

sau exprimnd grafic se ob?in dependen?ele din figura :

Fig.11. Componentele absorban?ei m?surate ?i succesiunea determin?rii n timp a celortrei componente

A fotometrul este reglat la zero, B- se fotometreaz? reactivii f??? reactivul de baz? , C- se introduceproba ce prezint? o culoare individual? ?i se fotometreaz?, D- se adaug? reactivul de baz? , are locreac?ia de culoare dup? care se fotometeeaz? din nou.

Absorban?a final? va cuprinde absorban?a probei m?surate dar ?i cele dou?absorban?e nedorite de compensare. n figura este dat? o exemplificare grafic? ncare se compar? absorb?iile finale m?surate pentru dou? substan?e identice cuconcentra?ie identic? (absorb?ia final? m?surat? ar trebui s? fie aceea?i pentruambele probe) , probe ob?inute n condi?ii diferite ceea ce duce la valori diferitepentru absorb?ia final? datorat? valorilor diferite pentru absorb?iile de compensare .

19

Fig.12. Absorb?ia final? pentru dou? probe identice, de concentra?ii identice, ob?inute n condi?iidiferite.

Cu toate c? proba (A) ?i proba (B) au exact aceea?i concentra?ie a substan?ei deanalizat la proba (B) valorea final? a absorb?iei m?surate prezint? o valoare maimare dect la proba (A). Aceste diferen?e rezult? ns? numai din cauza absorb?iilorde compensare. Dac? se scade suma valorilor celor dou? absorb?ii de compensaredin valoarea absorb?iei finale m?surate, r?mne numai absorb?ia caractetristic?subsatn?ei analizate care are aceea?i valoare pentru ambele situa?ii. La m?sur?ricinetice de obicei nu este nevoie de compensarea absorb?iei deoarece la acestprocedeu se m?soar? modific?rile absorb?iei pe unitate de timp, figura

Fig.13. M?surarea absorb?iei n condi?ii cinetice pentru acelea?i probe ca n figura ( figura de maisus)

La m?sur?ri cinetice modificarea absorb?iei se raporteaz? la unitatea de timp ?i sedetermin? n timpul desf??ur?rii reac?iei. Avnd n vedere c? proba (A) ?i proba (B) nexemplul nostru prezint? aceea?i concentra?ie a substan?ei de analizat, cele dou?reac?ii se desf??oar? cu aceea?i vitez?, motiv pentru care valoarea final? aabsorb?iei nu este influen?at? de c?tre absorb?iile de compensare. Din motive detimp de multe ori se procedeaz? la m?surarea absorb?iei reactivilor ?i ulterior dup?reac?ie a absorb?iei finale sc?zind prima valoare din ultima. Acest mod de lucrueste unul practic ns? pierde din vedere faptul c? absorb?ia reactivilor se poate

20

modifica. Din acest motiv este mai recomandat? etalonarea fotometrul la zero cuap? distilat? sau cu aer ?i nregistrarea separat?, n func?ie de valoarea zero, aabsorb?ia de compensare ?i a absorb?iei finale, din diferen?a ultimelor dou?detrminndu-se absorb?ia real? a substan?ei analizate.

Determinarea concentra?ie cu ajutotrul unui factor constant ( coeficientmolar de absorban?? ). La majoritatea determin?rilor fotometrice de absorb?ieexist? n domeniul de m?surare o dependen?? liniar? ntre concentra?ia substan?eide analizat ?i absorb?ia de lumin?, astfel nct s? se poat? aplica legea Lambert -Beer . n aceast? situa?ie dac? coeficientul molar de extinc?ie este cunoscut sepoate determina concentra?ia substan?ei de analizat f??? curb? de etalonarefolosind legea Lambert Beer (rela?ia ) :

b?Ac

molmol ??

()

Determinarea concentra?iei necunoscute a substan?ei din dependen?a dintregrosimea de strat ?i concentra?ii cunoscute ale substan?ei .La acest procedeu se egalizeaz? absorb?ia solu?iei de concentra?ie cunoscut? cuabsorb?ia solu?iei de concentra?ie necunoscut? prin modificarea grosimii stratului desolu?ie . La egalizarea intensit??ilor luminoase transmise prin cele dou? solu?ii,absorb?iile :

111 cb?A ???()

xxx cb?A ???()

vor fi egale ntre ele : xx11x1 cbcbAA ?????()

de unde: 1x

1x cb

bc ??

()

21

Din rela?ia de mai sus rezult???i principiul determin?rii concentra?iei (cx) ?i anumedeterminarea se rezum? la m?surarea grosimii straturilor (b1) ?i (bx), efectuarearaportului ntre ele ?i nmul?irea raportului cu valoarea concentra?iei cunoscute (c1).Aparatul cu care se fac aceste determin?ri este colorimetrul Dubosque, figura 3.50.Dou? fascicule de lumin? identice ca intensitate trec prin stratul de grosime (l1) asolu?iei cunoscute de concentra?ie (c1) ?i prin stratul de grosime (lx) a solu?ieinecunoscute (cx).

Fig.14 Schema de principiu a colorimetrului Dubosque1- cuv? cu solu?ie de concentra?ie cunoscut?, 2- cuv? cu solu?ie de concentra?ie necunoscut?, 3,4- vergele de

sticl?, 5- sistem optic de vizualizare

Dup? traversarea a dou? vergele de sticl? transparente (3) (4) ajung prin sistemuloptic (5 ) ntr-un ocular sub forma a dou? cmpuri luminoase cu intensit??i diferite .Prin doi tamburi etalona?i n mm se pot deplasa cele dou? vergele pn? cnd nocular cele dou? cmpuri au aceea?i intensitate. Valorile citite pentru (b1) ?i (bx) depe cei doi tamburi se nlocuiesc n rela?ia 3.71. cu care se calculeaz? concentra?ianecunoscut? (cx). n cazul fotocolorimetriei, cele dou? fascicule cad pe dou?fotocelule identice. Diferen?a celor doi fotocuren?i este folosit? dup? amplificare ntr-obucl? de reglare care realizeaz? deplasarea automat? a celor dou? vergele pn? laegalitatea fotocuren?ilor. Valorile de deplasare ale vergelelor snt citite de senzori dedeplasare ?i transmise automat sistemului de procesare a datelor. Din cauzaconstruc?iei mai complicate cu dou? canale optice sistemul determin?riiconcentra?iei pe baza dependen?ei ntre concentra?ie ?i grosimea de strat nu s-aimpus la scar? larg? n practic? mult mai extins fiind sistemul determin?rii

22

concentra?iei pe baza dependen?ei ntre concentra?ie ?i absorb?ie cu p?strareaconstant? a grosimii de strat .

Determinarea pe cale fotometric? a concentra?iilor amestecurilor desubstan?e. Legea Lambert - Beer se poate aplica ?i la solu?ii ce con?in mai mul?icomponen?i cu condi?ia ca ntre ace?tia s? nu exist? interac?iuni. Pentruexprimarea extinc?iei (E) o solu?ie ce con?ine mai mult de o specie se poate folosiurm?toarea expresie :

nn2211n2 cb?......cb?cb?A.......AAA 1total ??????????????(1)

unde : ?1, ?2, ?n - Coeficien?ii de absorban?? molari ai substan?elor 1,2, .,n dinsolu?ie c1, c2, cn - concentra?iile molare a substan?elor 1,2, ,n n solu?ie

b - grosimea stratului de solu?ie

Rela?ia de mai sus este de fapt expresia matematic? a aditivit??ii absorban?ei uneisolu?ii la o lungime de und? dat? n func?ie de absorban?ele substan?elor ce compunsolu?ia. Pentru dou? specii absorbante (x) ?i (y) absorban?a amestecului, este dat?de rela?ia :

(2)yyxx cb?cb? ??????A

unde : ?x, ?y - Coeficien?ii de absorban?? molari ai substan?elor (x) ?i (y) b - grosimea stratului absorbant cx,cy - concentra?iile celor dou? substan?e din amestec.

Dac? se determin? absorban?a celor dou? substan?e ?i absorban?a amestecului lorse ob?in spectrele din figura 15, n care cu linie continu? snt reprezentate spectrelede absorb?ie ale celor dou? substan?e pure n solu?ie, iar cu linie punctat? spectrulde absorb?ie al amestecului celor dou? substan?e.

23

Fig. 15. Spectrele de absorb?ie ale substan?elor pure (x) ?i (y) ?i spectrul de absorb?ie a amestecului(x) ?i (y) , la acelea?i concentra?ii .

Deoarece snt dou? substan?e a c?ror concentra?ie trebuie determinat? vor trebuiefectuate dou? m?sur?tori. Practic, se aleg dou? lungimi de und? pentru m?surare,una la care are loc maximul absorb?iei pentru substan?a (x) ( ?1) ?i cealalt? la careare loc maximul de absorb?ie pentru substan?a y ( ?2). Se poate scrie atunci:

y1yx1x1y1x1cb?cb?AAA ????????

(3)y2yx2x2y2x2

cb?cb?AAA ????????(4)

unde: A1 ?i A2 - Absorban?ele amestecului la lungimile de und? ( ?1) ?i ( ?2) Ax1 ?i Ay1 - Absorban?ele substan?elor (x) ?i (y) la lungimea de und? ( ?1) Ax2??i Ay2 - Absorban?ele substan?elor (x) ?i (y) la lungimea de und? ( ?2) ?x1? ?i ?y1 - Coeficien?ii de absorban?? molari ale substan?elor (x) ?i (y) la

lungimea de und? (?1) ?x2??i ?y2 - Coeficien?ii de absorban?? molari ale substan?elor (x) ?i (y) la

lungimea de und? (?2)

Cunoscndu-se concentra?iile molare ale celor dou? solu?ii pure prin citireaabsorb?iilor celor dou? solu?ii la lungimile de und? (?1) ?i (?2) se determin? extinc?iilelor molare. Din sistemul de dou? ecua?ii de mai sus singurele necunoscute r?mn(cx) ?i (cy) care se pot calcula prin g?sirea solu?iei sistemului. Dac? spectrulsubstan?ei (x) nu se suprapune peste cel al substan?ei (y) la lungimea de und? (?2),concentra?ia substan?ei (y) poate fi determinat? dintr-o singur? citire a absorb?ieiacesteia la lungimea de und? (?2). Concentra?ia substan?ei (x) poate fi apoi calculat?din absorb?ia amestecului la lungimea de und? (?1) din care se scade absorb?ia

24

substan?ei (y) la aceea?i lungime de und?, a?a cum rezult? din ecua?iile sistemului.Atunci cnd concentra?ia unei substan?e din amestec este mult mai mare dect aceleilalte absorb?ia sa va fi mult mai mare la ambele lungimi de und?, astfel nctdeterminarea concentra?iei celei de a doua substan?e se va face cu erori. Aparatelemoderne digitale au ncorporate programe de calcul ce permit determinareasimultan? a concentra?iei substan?elor din amestec.

SpectrofotometreUn spectrofotometru este format principial dintr-o surs? de lumin? (1), un

sistem optic pentru producerea luminii monocromatice, compus din lentile (2), unsistem de fante (3), un sistem

Fig.16. Schema de principiu a unui fotometru. 1- surs? de lumin?, 2- lentile colimatoare, 3-sistem de fante, 4- sistem monocromator cu prism? 5-spa?iu pentru cuvele cusolu?ie de analizat 6- detector de radia?ie luminoas?, 7- amplificator 8- sistem de afi?are

monocromator (4) cu re?ea de difrac?ie sau cu prism?, spa?iu pentru cuve cu solu?iede referin????i cuve pentru solu?ie de analizat (5) , un detector de radia?ie luminoas?(6), un amplificator (7) ?i un sistem de afi?are (8).

25

Surse de lumin?. La fotometre se folosesc fie surse de radia?ie cu spectrularg ( metale nro?ite) fie surse de radia?ie cu band? spectral? ngust?. Surselede radia?ie cu spectru larg emit n mod continuu lumin? ntr-un domeniu ntins delungimi de und?, astfel: - Lampa cu filament de Wolfram ( engl. Tungsten) emite lumin? n domeniul

lungimilor de und? cuprinse ntre 300 - 1000 nm. Lampa radiaz? cuintensitate crescnd? ncepnd cu 300 nm. Intensitatea de radia?ie cre?teprogresiv, figura . Randamentul acestei l?mpi este slab n domeniul ultraviolet.La l?mpile obi?nuite de wolfram la temperaturile filamentului de cca 3000 Kse evapor? atomi de wolfram ?i se condenseaz? pe sticla l?mpii. Acesteprecipitate nu duc numai la modificarea intensit??ii luminoase ci ?i lamodificarea spectrului. Din acest motiv aceste l?mpi se

schimb? la intervale de timp bine determinate f??? a se a?tepta arderea filamentului.La l?mpile mai moderne cu filament de wolfram ?i mediu gazos halogen , celdin urm? absoarbe n prima faz? ace?ti atomi , la r?cirea l?mpii atomii secondenseaz? din nou pe filament n felul acesta ese evitat? formarea unuidepozit metalic pe partea interioar? a sticlei l?mpii.

- Lampa cu halogen ( lampa din sticl? de cuar?? ?i vapori de iod) emite ndomeniul 300 - 1000 nm. Aceast? lamp? prezint? o intensitate de radia?iemai mare dect lampa cu filament de wolfram.

- Lampa cu deuteriu emite n ulrtraviolet n domeniul lungimilor de und? 180 - 360nm - Lampa cu xenon emite fulgere de lumin? de mare intensitate n domeniullungimilor de und? 200 - 1000 nm

26

Surse de radia?ie cu band? spectral? ngust?. ??mpile din aceast?categorie emit lumin? pe un domeniu ngust de lungimi de und? , Dac? senc?lze?te mercur sau cadmiu p??? la evaporare ele emit un spectru de linii pelungimi de und? bine definite. Lampa cu vapori de mercur emite pe lungimile deund? : 254, 265, 280, 302, 313, 334, 365, 405, 436, 492, 546, 578, 623, 691, figura.Sursele de radia?ie cu band? spectral? ngust? prezint?, fa?? de sursele cuband? larg?, avantajul unei inintensit??i mai ridicate precum ?i avantajul unuidomeniu spectral ngust din care se poate izola f?tr? eforturi mari un domeniuspectral ?i mkai ngust. Dezavantajul principal este acela c? domeniul spectralngust emis de aceste surse nu se suprapune totdeauna cu absorb?ia optim? asubstan?ei analizate

a) b)

c)

Fig. Distribu?ia spectral? a unei l?mpi cu incadescen?? (a) a unei l?mpi de fluorescen?? (b) ?i distribu?ia grafic? a spectrului pentru cele dou? l?mpi (c)

Ob?inerea radia?iei monocromatice. Pentru asigurarea lungimilor de und?specifice absorb?iei maxime ( absorb?ia optim?) este necesar? separarea ei dinspectrul larg al aluminii vizibile . Aceast? separare se poate face cu filtre deabsorb?ie, filtre de interferen?? prisme sau re?ele de difrac?ie, vezi ?i cap. Deoarecela ora actual? snt construite aproape n exclusivitate spectrofotometre ?i maipu?in fotometre filtrele snt tot mai pu?in folosite, locul lor fiind luate demonocromatoare. Date fiind posibilit??ile tehnice a ob?inerii unor re?ele de difrac?ieperformante la pre?uri mici acestea iau ncet locul prismelor n monocromatoare. n

27

figura este prezentat? schema de principiu a ob?inerii luminii monocromatice pentruun spectrofotometru cu monocromator cu re?ea de difrac?ie

Fig. Schema de principiu a monocromatorului cu re?ea de difrac?ie folosit n fotometrie

???imea benzii spectrale. Segmentul de spectru ( puritatea spectral?) careeste trimis? prin cuv? cu substan?a de analizat depinde n parte de gradul dedispersie al luminii (calitatea monocromatorului) ?i n parte de dechiderea fanteidin obturatorul de lumin?, figura

Fig. influen?a mic?or?rii fantei (A,B) ?i a rezolu?iei re?elei de difrac?ie (B;C)asupra purit??ii spectrale a luminii ce trece prin proba de analizat.

28

Varianta (B) aduce o mbun????ire a variantei (A) prin reducerea l??imii fantei, iarvarianta (D) aduce o mbun????ire a a variantei (C) printr-o rezolu?ie (desfacereavansat? a lungimilor de und?) mai bun?. Rezult? c? puritatea spectral? este cuatt mai nalt? cu ct dispersia luminii este mai bun???i cu ct mai ngust? este fantade trecere a luminii. Reducerea dimensiunii fantei de trecere are ca urmare ?ireducerea intensit??ii luminoase , ca atare fanta nu se poate mic?ora orict de multn caz contrar fiind afectat? sensibilitatea ?i limita de detec?ie a aparatului. Tot nacest sens trebuie avut n vedere c? re?elele de difrac?ie cu zeci de mii de linii pemm (rezolu?ie foarte bun?) pot acoperi tot domeniul UV-VIS-NIR, totodat? ns?rezolu?ia mai bun? ( dispersie mare) reduce intensitatea radia?iei ce cade pedetector ?i corespunz?tor scade sensibilitatea ?i limita de detec?ie. L??imea deband? la prisme ?i re?ele de difrac?ie este situat? n jurul valorii de 5nm, la filtre deinterfveren?? n jurul valorii de 10-20 nm pecnd filtrele de absorb?ie prezint? l??imi deband? mai mari de 30 nm.

Spa?iul pentru prob?. Cuva cu solu?ie de analizat, sau cu solu?ie dereferin??, se introduce ntr-un spa?iu special unde cuva este fixat? pe un suportastfel nct ea s? fie corect (perpendicular) pozi?ionat? fa?? de fasciculul luminos.Exist? suporturi individuale ?i multiple ac?ionate manual sau mecanic. De regul?cuva se aduce n dreptul traseului luminos printr-o mi?care de transla?ie. La intrareafascicului luminos n spa?iul pentru cuv? exist? o fant? care las? s? treac? numailungimea de und? ( banda spectral? ngust?) selectat? pentru dererminareafotometric?. La determin?ri cinetice temperatura probei joac? un rol esen?ial. Dinacest motiv se procedeaz? la termostatarea spa?iului pentru cuv? sau a suportuluipentru cuv?. Pentru o reglare precis? a temperaturii , senzorul din circuitul dereglare a temperaturii trevuie s? fie n schimb obligatoriu situat n solu?ia din cuv?.Trebuie spus c? varia?ia de temperatur? poate influen?a ?i extinc?ia deorececoeficientul molar de extinc?ie poate fi este dependent de temperatur?. Pentru areduce influen?a luminii de mpr?stiere pere?ii spa?iului pentru cuv? snt vopsi?i nculori mate sau n culoare neagr?.Cuve pentru solu?ie . Exist? urm?toarele tipuri de cuve pentru solu?ia de analizat:- Cuv? normal?- Cuv? cu absorb?ie umplere ca la cuva normal?, golire prin absorb?ie cu o

pomp???i o capilar?- Cuv? cu circularea n flux continuu a solu?iei de analizat

Prin diverse norme s-a ajuns la cuvele uzuale de form? paralelepipedic? cugrosimea stratului analizat de 1 cm, dar snt folosite ?i cuve cu grosimea stratuluide 0,5 ?i 0,6 cm ( pentru determinarea solu?iilor de concentra?ii mari) precum ?i cuvecu grosimi ale stratului de 2 cm ( pentru determinarea solu?iilor de concentra?ii mici).Volumul de umplere pentru cuve normale este situa? n urm?toarele limite:

? cuve macro : > 1000 ml? cuve mili : > 500 ml? cuve micro : 50 -200 ml

Materiale uzuale pentru cuv? pot fi sticl? de cuar? natural, sticl? optic? normal? ,polimetracrilat de metil , polistiren. La lungimi de und? mai mici de 310 nm sefolosec n exclusivitate cuve de cuar?. O aten?ie deosebit? trebuie acordat? cuvelorsintetice. Materialele acestora fiind foarte bune izolatoare termice, prenc?lzirea

29

trebuie realizat? la un timp cel pu?in dublu fa?? de cuvele din sticl?. Pere?ii cuvei desolu?ie produc o mpr??tiere total? de cca 4% din radia?ia luminoas? incident?.Extinc?ia unei cuve goale are o valoare a extinc?iei de cca. 0,080, dac? cuva esteumplut? cu ap? distilat? pierderile prin reflec?ie se reduc la extinc?ii situate n jurulvalorii de 0,040.

Detectoare de radia?ie luminoas?. Detectoarele folosite la fotometrie sntsenori optoelectronici ce transform? semnalul optic ntr-un semnal electricpropor?ional. Cele mai uzuale detectoare snt fotocelula ?i fotomultiplicatorul.Fotodioda , figura , este cel mai simplu ?i mai iefin fotodetector. Fotocelulele au labaz? principiul fotoelectric respectiv propor?ionalitatea dintre radia?ia luminoas? cecade pe prob? ?i curentul electric generat .

Fig. Principiul m?sur?rii intensit??ii luminoase cu o fotocelul?Elementul constructiv de baz? al unei fotodiode este catodul fotosensibil acoperit cuun strat sub?ire de material semiconductor a?a cum este cesiu sau stibiu, sulfur? deargint sau altele, figura Fotonii lovesc catodul fotosensibil provocnd emisiaelectronilor din catod care snt atra?i de anod. Fotocurentul fiind de valoare mic?este necesar? o amplificare electronic? naintea indic?rii acestuia ca m?sur? aconcentra?iei. Senzorii de radia?ie au o serie de caracteristici precum sensibilitate,dependen?a sensibilit??ii de lungimea de und???i de timp, linearitatea r?spunsului. nfigura 3.58. este reprezentat? sensibilitatea ctorva fotoelemente de radia?ie ncompara?ie cu cea a ochiului omenesc.

Un fotoreceptor mult mai performant dect fotodioda este fotomultiplicatorul,figura care ntre anod ?i catod mai are o serie de electrozi intermediari (dinode) cese g?sesc la tensiuni progresiv cresc?toare. Fiecare electron lovind o dinod?provoac? n avalan?? emisia unui num?r m?rit de lectroni, astfel nct absorb?iaunui singur foton din radia?ia analizat? poate provoca absorb?ia la anod a unuinum?r de peste un bilion de electroni, ceea ce nseamn? o amplificareextraordinar?. Materialul fotocatodului este de obicei pe baz? de elemente alcaline.Fotomultiplicatoarele au un timp de r?spuns extrem de mic ?i trebuiesc protejate delumina exterioar? altfel se ard. Prin efect termic, chiar n lipsa total? a radia?ieiluminoase se emite continuu un num?r mic de electroni care duc la formarea unuicurent electric rezidual.

In figura este redat r?sunsul spectral, sub form? de randament, al ctorva materialeutilizate n construc?ia fotocatozilor. Configurarea unui spectrofotometru este foarteimportant? pentru stabilirea preciziei, rezolu?iei ?i reproductilit??ii determin?rilorexperimentale.

30

Fig.3.57. Fotodiod? utilizat? n spectroscopie1.- Catod fotosensibil, 2- anod , 3- flux de electroni, 4 tub sticl?

Fig.3.58. Sensibilitatea spectral? a unor senzori fotoreceptorin compara?ie cu cea a ochiului omenesca-ochiul omenesc , b-fotoelement de seleniu ,c- fotoelement cu sulfur? de argint

Fig. 3.59.Tub fotomultiplicator utilizat laspectrofotometre1.- geam, 2.-catod semitransparent, 3-electrodfocalizare, 4.-dinode, 5- electrozi secundari,5-anod

Fig.3.60. R?sunsul spectral al ctorva materiale defotocatod1. bialcalin (Sb-K-Ca), 2-trialcalin ( Na-K-Sb-Ca), 3 Bialcalin de nalt? temperatur? ( Na-K-Sb)

31

Tipuri de fotometre.Dup? dotare , performan?e ?i pre? construc?ia fotometrelor este foarte variat?, astfelexist?:

Fotometre cu un singur fascicul . Aceste fotometre au un singur fasciculluminos care trece pe rnd prin cuva cu solu?ia de referin???i prin cuva cu solu?ia deanalizat, figura . Din punct de vedere constructiv aceste fotometre pot avea unuldou? sau mai multe loca?e pentru prob?. La aparatele cu un singur loca? dup?fotometrarea solu?iei de rerferin?? se scoate cuva din loca???i se introduce cuva cusolu?ia de analizat n locul ei. La aparatele cu mai multe loca?e primul loca? esteocupat de cuva cu solu?ia de rerferin?? iar urm?toarele loca?uri cu cuvele solu?iilorde analizat. Aducerea probelor pe rnd n dreptul fascicului luminos se relizeaz? cuajutorul unui ghidaj paralel pe care este prins sistemul de sprijin al cuvelor n felulacesta cre?te productivitatea la determinare. Avantajul acestui tip de fotometruconst? n simpliatatea constructiv?, pre?ul de cost sc?zut ?i fiabilitatea ridicat?. Avndn vedere c? m?surarea se realizeaz? decalat n timp se reclam? o mare stabilitate asursei de lumin?. De asemenea modul de lucru cu mai multe loca?e presupune cuvecu propriet??i optice asolut identice pentru pere?ii transparen?i prin care treceradia?ia.

Fig.Schema de principiu a unui Fotometru cu un singur fascicul

Fotometrul cu dou? fascicule. La acest tip de aparate cuva cu solu?ia de referin???i cuva cu solu?ia de analizat snt iradiate paralel.n acest scop fasciculul ini?ial delumin? este divizat de un sistem de oglinzi n dou? fascicule paralele care iradiaz? nacela?i timp sau alternativ la intervale de timpi foarte mici cuva cu solu?ia dereferin??? ?i cuva cu solu?ia de analizat. Solu?ia aceasta este evident mai scump?dect cea folosit? la fotometrele cu unsingur fascicul uminos prezint? n schimbavatajul c? fluctua?ii ale sursei de lumin? pot fi compensate ?i eliminate u?or. Dinpunct de vedere constructiv exist? fotometre cu dou? fascicule decalate spa?ial,figura ?i fotometre cu dou? fascicule decalate n timp, figura .La fotometrul cu dou?fascicule decalate spa?ial lumina provenit? de la surs? este este divizat? de ooglind? semitransparent? n dou? fascicule identice ce traverseaz? cuva cu solu?iade referin??? ?i cuva cu solu?ia etalon n acela?i timp. Intensitatea luminoas?absorbit? este m?surat? de dou? detectoare identice separate ntre ele

32

Fig, Schema de principiu a fotometrului cu dou? fascicule decalate spa?ialLa fotometrul cu dou? fascicule decalate n timp lumina provenit? de la surs? este

este divizat? de o oglind? semitransparent? n dou? fascicule identice cetraverseaz? cuva cu solu?ia de referin????i cuva cu solu?ia etalon n acela?i timp nschimb ajung cu ajutorul unei oglinzi rotitoare la intervale mici de timp unul fa??decel?lalt pe aceea?i fotocelul? .

Fig, Schema de principiu a fotometrului cu dou? fascicule decalate n timp

Avantajul fotometrelor cu dou? fascicule este mai ales atunci cnd se nregistreaz?spectre fiind posibuil? corec?ia continu? a m?sur?torii prin intermediul solu?iei dereferin??

Spectrofotometrul cu ?ir de fotodiode. Una din realiz?rile cele maiimportant? n domeniul spectrofotometriei o reprezint? folosirea detectoarelor ?irde fotodiode n locul detectoarelor clasice . Acest tip de detector permite preluareaspectrului UV-VIS-NIR n acela?i timp nefiind necesar? scanarea secven?ial? ntimp a tuturor lungimilor de und?. Avantajele snt legate de citirea ?i transmiterean timp real a datelor la sisteme de urm?rire ?i reglare automat? a concentra?iilor ?iparametrilor cu aplica?ii deosebit? n procese alimentare. Cea mai important?aplica?ie n chimia analitic? alimentar? o reprezint? folosirea spectroscopului UV-VIS-NIR cu detector ?ir de fotodiode ca analizor n cromatografia HPLC. Laconcentra?ii mici din domeniul urmelor, adesea componenta urm?rit? iese dincoloana capilar? ntr-un interval de timp n care scanarea ciclic? a spectrului ncazul spectroscoapelor clasice se g?se?te ntr-un domeniu de lungimi de und? ncare specia respectiv? nu prezint? absorb?ie. n aceast? situa?ie, analizorulspectroscopic nu sesizeaz? prezen?a speciei respective n amestec. De asemenea,exist???i probabilitatea ca specia respectiv? s? fie surprins? la nceputul sau lasfr?itul ie?irii din coloana cromatografic? de c?tre lungimile de und? unde speciaprezint? absorb?ie maxim?. n acest caz indica?ia concentra?iei este mai mic? dect

33

cea real?. Trebuie ar?tat c? una din aplica?iile de baz? pentru acest tip de analizorspectrofotometric l reprezint? analiza micotoxinelor din materii prime ?i produsealimentare. In figura este prezentat? schema optic? a unui spectrofotometru UV-VIS cu ?ir de fotodiode. Se remarc? n principal faptul c? acest spectroscop nu arenici un element mecanic sau electromecanic n mi?care a?a cum auspectroscoapele clasice cu scanare . La acest tip de fotometru lumina se despartemn lungimile de und? individuale abia dup? ce trece prin cuv? . Pentru fiecarelungime de und? individual? dorit? exist? ca detector al intensit??ii luminoaseabsorbite o fotodiod? individual?. A doua constatare este faptul c? intregul spectrudat de re?eua de difrac?ie (5) cade n acela?i timp pe detectorul ?ir de fotodiode(6). Num?rul de fotodiode/detector este la ora actual? de 512, 1024, 2048 dup?tipul constructiv al acestuia, cu rezolu?ii ale lungimii de und? mult sub unnanometru. Asemenea rezolu?ii snt practic de neatins cu monocromatoare descanare n timp. Detectorul ?ir de fotodiode a deschis calea ?i spre sondele

Fig. Schema optic? a unui spectrofotometru UV-VIS cu detector ?ir de fotodiode. a)- schema optic? 1- surs? de radia?ie policromatic?, 2,4,-

grupuri de lentile, 3- cuv? cu solu?ie de analizat, 5 - re?ea de difrac?ie, 6- detector ?ir de fotodiode. b)-detector Diode Array

- spectrofotometrice, dar mai nainte de toate, acest detector este un cip dedimensiuni mici cu o fereastr? de cuar? cu lungimea de 25 mm ?i tinde deja sprepre?ul unui cip electronic obi?nuit sco?nd din competi?ie solu?iile spectroscopiceclasice cu monocromatoare de scanare mobile lente ?i scumpe, ( vezi si cap.

34

Fig. Modul optoelectronic comercial modular compact destinat construc?iei spectroscoapelor ndomeniul spectral UV-VIS-NIR cu detector ?ir de fotodiode1,2- oglinzi plane, 3- re?ea de difrac?ie, 4-detector ?ir de fotodiode, [ cu aprobarea Ocean Optics SUA]

detectoare cuantice). Mai mult pe lng? integrarea ?irului de fotodiode s-a trecut ?i laintegrarea p???ii optice, figura la ora actual? g?sindu-se pe pia?? module compacte,ce con?in att partea optic? ct ?i cip-ul cu ?irul de fotodiode. Aceste module sntcomplet etan?e, perfect acordate optic ?i snt folosite pentru construc?iaspectroscopia n domeniul UV-VIS-NIR. La folosirea de asemenea modul o??suratoare spectrometric? devine foarte simpl? , ea este format practic numai dinmodule: - sursa de radia?ie policromatic? (5) - cuva cu solu?ia de analizat ( sau mediul lichid analizat - n cazul sondelor) (5)

fibre optice de leg?tur? (3)- modulul spectrometric (1,2)- unitate de achizi?ie ?i prelucrare date (7)

35

Fig. Aranjament de m?surare a absorban?ei moleculare cu ajutorul unui spectrometru miniaturalinterconectat cu sursa de radia?ie ?i cu proba de analizat prin fibr? optic?. 1,2- modulul spectrometric, 3- fibre optice , 5-cuv? cu solu?ie , 6-atenuator optic, 7- unitate de achizi?ie ?i prelucrare date

In figura este prezentat un aranjament de m?surare a absorban?ei moleculare cuajutorul unui spectrometru miniatural interconectat cu sursa de radia?ie ?i cu probade analizat prin fibr? optic?

Sonde pentru m?surari spectrofotometrice

Dezvoltarea fibrelor optice a dus la schimb?ri importatnte ?i n tehnicile chimico-analitice. Una din aplica?iile care beneficiaz? din plin de realiz?rile n acestdomeniu este spectrofotometria. Folosirea fibrelor optice face posibil?transferarea procesului de m?surare direct la proces prin folosirea unor sondede m?surare speciale de la care informa?ia spectral? este transmis? prin fibr? optic?la sistemul de analiz?. In afar? de spectrofotometrie aplicatii specifice ale fibreloroptice n analitica chimic? snt spectromicroscopia concomitent?, turbidimetria,determinarea culorii, studii de cinetic? etc. Avantajele folosirii sondelor opticecuplate cu fibre optice constau n :

- efectuarea de m?sur?tori direct in proces la presiuni ?i temperaturi ridicate- eliminarea complet? a extragerii manuale ?i a preg?tirii probelor n vederea

fotometr?rii- achizi?ia datelor privind evolu?ia compozi?iei ?i concentra?iei componentelor

procesului n mod continu???i n timp real permi?nd folosirea acestora nregim online n modelul matematic de conducere a procesului n condi?iioptime

36

- posibilitatea achizitiei cu viteza extrem de mare a spectrelor complete- (pn? la un spectru complet /0,1 ms) n cadrul proceselor chimice cu vitez?

de reac?ie mare- pre? de cost sc?zut raportat la cheltuielile clasice ?i la avantajele lucrului cu

sonde

Indiferent de solu?ia constructiv? folosit? o sond? de m?surare fotometric?corespunde principial unei cuve de m?surare clasic? a?a cum este ea cunoscut?din activitatea de laborator. Problema care trebuie rezolvat? este aceea de atransmite printr-o fibr? optic? radia?ia luminoas? policromatic? ( n cadrul??sur?torilor spectrofotometrice calitative) sau radia?ia monocromatic? (n cadrul??sur?torilor fotometrice cantitative) de a o face s? traverseze o grosime de solu?iede analizat bine stabilit???i s? se ntoarc? printr-o alt? fibr? optic? n spectroscopunde se realizeaz? descompunerea spectral? a informa?iei optice pe o re?ea dedifrac?ie, preluarea spectrelor complete cu detectoare Diode-Array urmat? de oanaliz? spectral? prin soft specific. Solu?ia cea mai avantajoas? o reprezint?folosirea unor spectroscoape miniaturale, compacte, etanse , cu conectori specialipentru fibre optice, cu retea de difrac?ie fix? care pot fi plasate destul de aproape deproces ?i nu necesit? ntre?inere, leg?tura cu sistemul de procesare automat? adatelor ?i conducerea procesului fiind f?cut? f??? fir prin RFID. Trebuie specificat nacest sens c???i fibra optic? poate atinge lungimi apreciabile, lungimi de pin? la 50m snt lungimi uzuale. In figura 1 este prezentat? schema de principiu a uneiasemenea mod de m?surare. Folosirea sondelor spectrofotometrice este posibil??i n combina?ii cu spectroscoape clasice in acest caz trebuie folosit un dispozitivoptic de transferarea radia?iei de la sursa de lumin? a spectroscopului n fibraoptic? de iradiere a solu?iei analizate ?i de transferare a radia?iei reflectate, carecontine informa?ia spectral? despre solu?ia analizat?, c?tre reteaua de difrac?ie aspectroscopului. Pentru a nu produce nici o modificare unui spectroscop clasicacest dispozitiv optic trebuie s? aibe exact dimensiunea unei cuvespectrofotometrice clasice cu sec?iunea 10x10 mm pentru a putea fi a?ezat inloca?ul cuvelor formnd de fapt o cuv? echivalent? . In figura xx este prezentataschema de principiu privind transformarea unui spectroscop clasic cu m?surareaabsorban?ei solu?iei de analizat in situ ?i online .

37

Fig. 1. schema de principiu a unei m?sur?ri spectro fotometrice efectuate cu sond? de??surare conetat? prin fibr? optic? la un spectroscop clasic folosind o celul? echivalent?. 1,2-prisme din sticl? optic?, 3,4 - oglinzi cu reflexie total?, 7,8- fibre optice, 9- sond? de imersie, 10 oglind? cu reflexie total?, 11- solu?ie de analizat, 12- surs? de radia?ie, 13-grup de lentilecolimatoare, 14-diafragm?, 15-loca?ul spectrometrului pentru fixarea cuvei clasice, 16- re?ea dedifrac?ie fix?, 17-detector Diode- Array, 18-amplificator electronic , 19- sistem de achizi?ie ?iprelucrare date

Modul de lucru este urmatorul : se fixeaza celula spectrofotometricaechivalenta in loca?ul paralelepipedic (15) destinat in mod obi?nuit cuvei clasicedin sticl? ce con?ine solu?ia de analizat. Radia?ia luminoas? emis? de sursa (12) estereflectat? de oginda (3) a celulei echivalente , trece prin prisma (1), fibra optica (7)spre sond? speciala (9), traverseaz? fereastra (f) inundat? cu solu?ia de analizat sereflect? pe oginda (10) traverseaz? din nou fereastra (f ) ?i ajunge prin fibra optic?(8) prisma (2) pe oginda (4) de unde este reflectat? pe re?eaua de difrac?ie (16)care o descompune dispersiv dup? lungimea de unda ?i o reflect? n continuarespre detectorul CCD (17) semalele electrice al acestuia fiind amplificate namplificatorul (18) ?i preluate de sistemul de achizi?ie prelucrare ?i afi?are adatelor (19). La determin?ri cantitative de concentra?ie trebuie avut n vedere faptul?? n sonda special? (9) radia?ia luminoas? trece de dou? ori prin fereastra (f) cusolu?ie de analizat ca atare valoarea grosimii (b) (egala cu deschiderea ferestrei (f) a stratului) din legea Lambert - Beer este dubl?.

Pentru a corespunde criteriului de liniaritate a legii Lambert - Beer carelimiteaz? utilizarea masur?torile fotometrice la concentar?ii relativ mici situate lamax 0,05M ?i pentru a putea fotometra cu erori mici si solu?ii mai concentratesondele fotometrice de de m?surare se execut? de regul? din dou? p???i primaparte contine fibra optic? cu sistemul de prindere prin filet ?i partea a doua con?inecapul de lucru deta?abil cu o fereastra de o anumit? dimensiune prin care intr?solu?ia de analizat, fiecare cap de lucru reprezint? echivalentul unei cuve clasicedin cuar? de o anumut? grosime, figura xx

38

Fig. . Sonda de m?surare spectrofotometric? cu diferite capete de lucru [cu aprobarea Ocean Optics SUA]

In func?ie de aplicatiile concrete , de complexitatea ?i specificitatea solu?iilor tehnicede m?surare dar ?i in func?ie de precizia de m?surare corelat? cu pre?ul de costpot fi utilizate diferite solu?ii constructive de m?surare nglobate n capul de lucru.Aceste solu?ii snt prezentate ?i descrise sintetic n tabelul 1

39

Tab.1 Solu?ii constructive pentru capul de m?surare [Helma, technische Informationen]Nr. Schema de m?surare Principiul de m?surare

1

??surarea absorban?ei solu?iei de analizat priniradiere ei ntr-o singur? trecere printr-o fereastr?orizontal?? ?i realizarea ntoarcerii cu o prism? cureflec?ie total?. Radia?ia policromatic? paralel? trece osingur? dat? prin solu?ia de analizat care se gaseste infereastra orizontal? din capul de lucru. Folosirea camijloc de ntoarcere a fasciculului optic a unei prisme cureflexie total? duce la valori mici ale pierderilor prinmpr??tiere. s- solu?ie de analizat b - grosime de strat, ffascicul luminos, 1- prism? cu reflexie total?, 2 - fereastr?,3- prism? de transmisie

2

??surarea absorban?ei solu?iei de analizat priniradiere ei prin dou? treceri printr-o fereastr?vertical???i realizarea ntoarcerii cu dou? prisme dereflec?ie total?. Radia?ia policromatic? paralel? trece osingur? dat? prin solu?ia de analizat care se gaseste infereastra vertcical? din capul de lucru. Folosirea camijloc de ntoarcere a fasciculului optic a dou? prismeduce la valori mici ale pierderilor prin mpr??tiere. ssolu?ie de analizat 2b - grosime de strat, f- fasciculluminos, 1, 2 - prisme de ntorcere

3

??surarea absorba??ei solu?iei de analizat priniradiere ei prin dou? treceri prin dou? ferestreorizontale izolate optic ntre ele ?i realizareantoarcerii cu o prism? de reflec?ie total?. Radia?iapolicromatic? paralel? trece de dou? ori prin solu?ia deanalizat care se gaseste n dou? fereastre orizontale dincapul de lucru care nu comunic? ntre ele. Folosirea camijloc de ntoarcere a fasciculului optic a unei prismecu reflexie total? duce la valori mici ale pierderilor prinmpr??tiere. s- solu?ie de analizat 2b - grosime de strat,f- fascicul luminos, 1- prism? cu reflexie total?, 2- peretedesp???itor netransparent

4

??surarea absorban?ei solu?iei de analizat priniradiere ei prin dou? treceri printr-o fereastr? ?irealizarea ntoarcerii cu o cu oglind? cu reflex?ietotal?. Radia?ia policromatic? paralel? trece de dou? oriprin solu?ia de analizat care se g?se?te ntr-o fereastr?deschis?. Ca mijloc de ntoarcere a fasciculului opticeste folosit? o oglind? plan? cu reflexie total?. s- solu?iede analizat 2b - grosime de strat, f- fascicul luminos, 1oglind? cu reflexie total?, 2- fereastr?

40

5

??surarea absorban?ei filmului analizat prin iradieren IR ?i determinarea reflexiei totale atenuate (ATR)ca o m?sur? a compozi?iei ?i concentra?iei . Radia?ia ndomeniul spectral infraro?u trece printr-o prism? de safircu trei suprafe?e de reflexie . Intensitatea fasciculului dentoarcere este diminuat? propor?ional cu concentra?ia?i grosimea filmului substan?ei de analizat de pesuprafa?a prismei . s- filmul solu?iei de analizat, f - fasciculluminos, b - grosime de film, 1- oglind? cu reflexie total?,2- fereastr?

6

??surarea concentra?iei solu?iei de analizat priniradiere ei cu un fascicul cu dou? treceri printr-ofereastr?? ?i masurarea absorban?ei de fluorescen??.Radia?ia policromatic? paralel? trece de dou? oriorizontal prin solu?ia de analizat provocnd fluorescen?ape direc?ia perpendicular? pe direc?ia radia?iei incidente.Folosirea unei oglinzi concave ?i a unei oglinzi plane ducla un efect de amplificare cu mpr?stiere mic?. s- solu?iede analizat b - grosime de strat, f- fascicul luminosincident , fl+ fascicul luminos fluorescent, 1- oglind?cav?, 2- oglind? plan?, 3-prism?, 4-fereastr?,

n func?ie de tipul constructiv al capului de lucru la m?sur?tori fotometrice cantitativetrebuie avut n vedere c? valoarea drumului optic parcurs, care intervine in expresialegii Lambert - Beer , poate fi dublul valorii deschiderii ferestrei de m?surare dup?cum m?surarea absorban?ei solu?iei de analizat s-a efectuat ntr-o singur? trecereprin fereastra de lucru sau prin dou? treceri.

Sonde fotometrice autonome

O sond? spectrofotometric? sau fotometric? autonom? reprezint? o entitateoptoelectronic? cu ajutorul c?rora se pot efectua m?sur?tori de compozi?ie sau deconcentra?ie la fa?a locului, f??? a se extrage probe de solu?ie, sonda fiindscufundat? n mediul de analizat pe care plute?te liber . Sondele realizeaz?teletransmiterea datelor prin radio (Sistem RFID activ) la sute de metrii distan??.Recep?ia ?i prelucrarea datelor se face centralizat prin periferice speciale ?i printr-un computer cu soft specializat. Trebuie specificat c? sondele pot fi folosite att nregim fotometric ct ?i n regim turbidimetric ultima aplica?ie fiind pentru determinareaconcentra?iilor solu?iilor tulburi (ap?, bere, spirtoase, vin sucuri). La promovarea ?irealizarea sondelor au contribuit hot?rtor urm?torii factori:- cerere din partea industriei , cu prec?dere a celei alimentare- folosirea fibrele optice ca element optoconductor- apari?ia detectorului spectrofotometric ?ir de fotodiode- realizarea cipurilor performante si tot mai ieftine pentru teletransmiterea la

distan?? a datelor

41

Colectivul de cercetare Analiz? Instrumental? de la Facultatea de InginerieAlimentar? Suceava se ocup? de mai mul?i ani de problematici din cadrulspectrofotometriei, inclusiv de realizarea unei sonde spectrofotometrice autonomeplutitoare cu destina?ie pentru determin?ri calitative ?i cantitative n domeniulUV-VIS-NIR []. Sonda realizat? de colectivul nostru este o sond? cuteletransmiterea datelor prin radio prev?zut? cu detector ?ir de fotodiode. Ea poatefi folosit? pentru determin?ri de compozi?ie ?i concentra?ie la produse alimentarelimpezi ( alcool, bere, vin, sucuri) n domeniul spectral UV-VIS-NIR precum ?i aconcentra?iei suspensiilor n solu?ii ( ap? potabil?, bere, tulburel, sucuri cu pulpeetc). Schema de principiu al sondei este redat? n figura 3

Fig. Schema de principiu a sondei spectrofotometrice autonome cu teletransmiterea datelordezvoltat? la Universitatea Suceava 1 surs? de radia?ie , 2-fibr? optic? pentru fasciculul incident ,3-oglind? plan? pentru reflec?ia radia?iei, 4- tij? cu ?urub micrometric pentru reglarea grosimii destrat, 5- fibr? optic? pentru fasciculul reflectat, 6- grup de lentile condensatoare, 7- re?ea de difrac?ie,8- detector cu ?ir de fotodiode , 9- electronic? de amplificare ?i digitalizare, 10- electronic? deradioemisie, 11- anten? de emisie, 12- acumulator electric, 13-flotor, 14-solu?ia de analizat

Sonda este destinat? controlului n recipiente alimentare mari deschise sau inchise( f??? suprapresiune) ?i este prev?zur? cu un plutitor din tabl? de otel inoxidabil .Forma plutitorului, materialul lui precum ?i centrul de greutate al sondei situat sublinia de plutire fac ca sonda s? revin? la forma vertical? ini?ial? chiar dac? dintr-unmotiv oarecare a fost r?sturnat?. Modul de func?ionare este urmatorul : radia?ialuminoas? transmis? de sursa (1) prin fibra optic? (2) traverseaz? solu?ia deanalizat pe distan?a (d) ?i este reflectat? de oglinda plan? (3) prin fibra optic? (5),spre grupul de lentile condensatoare (6) care o trimite sub form? de radia?ie

42

paralel? pe re?eaua de difrac?ie (7) unde este descompus? spectral ?i ajunge pedetectorul ?ir de fotodiode (9) sub forma spectrului UV-VIS-NIR distribuit dup?lungimea de und? . Dup? amplificare ?i digitalizarea semnalelor n electronica (10),acestea snt modulate n frecven????i transmise prin electronica de radioemisie (11)la electronica radioreceptoare ce se g?se?te lng? unitatea central? de procesare adatelor. Aceast? electronic? poate prelua concomitent ?i pocesa n timp real datelede la zeci de sonde de tipul celor descrise. La baza analizei calitative st? spectrulde benzi dat de sirul de fotodiode cu o rezolu?ie de 1 nm. La baza analizeicantitative st? legea Lambert - Beer.Avnd n vedere c? la m?sur?torile efectuate cu sonda spectrofotometric? grosimeastratului lichid analizat este str???tut odat? de fascicului incident ?i odat? defasciculul reflectat valoarea grosimea stratului (b) este dat? de dublul distan?ei (d)ntre fibrele optice (2),(5) ?i oglinda (3):

b = 2d (2)

iar legea Lambert - Beer cap??? expresia :

cd?2A ???? (3)

Din expresia legii Lambert - Ber rezult? posibilitatea determin?rii concentra?iei (c) nfunc?ie de absorban?a (A) cu condi?ia ca ceilal?i doi termeni s? fie constan?i. n ceprive?te determinarea concentra?iei se apeleaz? la metoda etalonului deconcentra?ie prin compararea absorb?iei (extinc?iei) unei solu?ie de concentra?iecunoscut? a substan?ei de analizat cu absorb?ia solu?iei de concentra?ienecunoscut? a substan?ei. Este evident c? fiind vorba de aceea?i substan??coeficien?ii de absorb?ie molar? snt identici, iar grosimea stratului solu?iei deconcentra?ie necunocut? trebuie s? aib? aceea?i grosime ca solu?ia de concentra?iecunoscut?, ceea ce presupune scufundarea sondei n solu?ia de concentra?iecunoscut? urmat? de memorarea electronic? a valorii absorb?iei. Orice valoareulterioar? a absorb?iei m?surat? de sond? n mediul lichid urm?rit estetransformat? prin regula de trei simple n valoari de concentra?ie avnd n vederelegea Lambert - Beer. Acest mod de calcul este posibil numai n domeniulvalabilit??ii legii Lambert-Beer, adic? n domeniul liniar de dependen?? ntreabsorb?ie ?i concentra?ie. Este cunoscut c? domeniul liniar este specific numaiconcentra?iilor mici situate n zona 0,01-0,02 mol/l. In cazul n care aceast?dependen?? este neliniar? apar erori de determinare care snt cu att mai mari cu ctabaterea de la liniaritate este mai mare. n acest caz este recomandat? realizareaunui grafic de etalonare cu concentra?ii cunoscute. La fotometrele clasice graficul deetalonare are dou? func?ii : pe de-o parte indic? limita aplicabilit??ii legii Lambert-Beer (zona din care ncepe neliniaritatea) pe de alt? parte prin extrapolareatransmisiei m?surate permite determinarea concentra?iei necunoscute. Lafotometrele moderne prev?zute cu microprocesor, perechile de valori absorb?ie concentra?ie cu care se realizeaz? curba de etalonare snt memorate, extrapolareaefectundu-se automat , aparatul afi?nd numeric valoarea concentra?iei. n cadrul

43

sistemului de m?surare cu sonde determinarea concentra?iei prin extrapolare pegraficul de etalonare este greoaie, acesta fiind folosit numai pentru determinareanceputului de neliniaritate. n cazul n care concentra?ia solu?iei dep????te zonaliniar? la fotometrele clasice se procedeaz? la diluare cunoscut? pn? cnd se intr?n domeniul dependen?ei liniare. La m?surarea cu sonde se determin? concentra?iireale care nu pot fi diluate. Ca atare trebuie ac?ionat asupra altui parametru dinlegea Lambert Beer care poate fi variat, acest parametru este grosimea de strat(d) a solu?iei de analizat (coeficientul molar de absorb?ie (? )este o constant?specific? specie i moleculare analizate). Distan?a (d) ntre fibrele optice (2),(6) ?ioglinda (3) este totodat? egal?? ?i cu grosimea stratului lichid analizat ?i poatefivariat prin deplasarea cu un surub micrometric a tijei (5) de fixare a olinzii (3) pn?cnd se micoreaz? stratul corespunz?tor unei concentra?ii din domeniul liniar.Aplica?iiale sondelor fotometrice cu teletransmiterea datelor snt ?i n turbidemetrie, astfel cucteva sonde distribuite n rezervoare de alimentare cu ap? potabil? a ora?elor sepoate supraveghea continuu turbiditatea apei. Aplica?ii turbidimetrice snt ?i pentruindustria b?uturilor ( bere, vin , sucuri, ap? mineral?). Avnd n vedere c? n sistemde teletransmitere a datelor nu este posibil? introducerea alternativ? a sondei nsolvent ?i solu?ie de analizat precum ?i realizarea unei curbe de etalonare n cazulacesta se folose?te un sistem diferen?ial de m?surare a extinc?iei ( vezi ?i cap) undenu este nevoie de curb? de etalonare.

Spectrofotometrie derivativ?

La spectrofotometria derivativ? spectrele snt reprezent?ri grafice ale derivatei a 1-a , a 2-a sau superioare a absorb?iei sau transmisiei n func?ie de lungimea deund?. Aceste reprezent?ri permit ob?inerea unor detalii spectrale imposibil deobservat la reprezentarea clasic? a spectrului. De asemenea la analiza diferen?ial?nu este nevoie de curb? de etalonare iar concentra?ia se poate determina maiexact n prezen?a unor factori perturbatori. Avantajul interpret?rii cu derivata 1-a ,derivata a 2-a sau derivate superioare iese n eviden?? n mod deosebit la moleculede dimensiuni mari care provoac? o mpr??tiere avansat? a radia?iei cee ce areca efect spectrograme cu peak-uri distribuite pe un cmp larg care acoper? spectreindividuale de leg?turi f?cnd imposibil? identificarea calitativ? precis? acomponentelor substan?ei de analizat. In figura este reprezentat principiulspectrofotometriei derivative [SW05] . se pleac? de la curbele din segmentul (1) algraficului descrise de legaea Lambert- Beer :

cb?A ???

prin prima derivare se ob?ine spectrul din segmentul (2) al graficului

d???bc

d?dA ??

44

iar prin derivata a 2-a respectiv a 3-a se ob?in segmentele (3) respectiv (4)

2

2

2

2

d??dbc

d?Ad ??

33

3

d???bc

d?Ad ??

In figura este dat un exemplu concret n care snt reprezentate spectrele deabsorb?ie: normal (a), cu derivata 1-a (b) ?i cu derivata a 2-a (c) pentru o albumin?bovin? [SK96] .

1) cb?A ??? 2)????bc

??dA ??

3) 22

2

2

d??dbc

d?Ad ?? 4) 33

3

d???bc

d?Ad ??

Fig Principiul spectroscopiei derivative aplicat? Fig. Spectre de absorb?ie pentru albumin? la dou? entit??i moleculare cu spectre suprapuse bovin? [SK96] , a- spectru normal, b-[SW05]

spectrul derivatei a 1-a, c- spectrul derivatei a 2-a [Instrumentelle Analytik. [Optical spectroscopy, ]

Structura aromatic? fin? nu se poate identifica n spectrul normal, ea devinevizibil? abia n spectrul derivatei a 1-a. Dezavantajul spectrelor diferen?iale lreprezint? faptul c? raportul semnal/zgomot este mai mic dect la spectreleclasice. La majoritatea determin?rilor din domeniul ultraviolet ?i vizibil raportulsemnal/zgomot nu este este ns? un factor determinant.