Kolorimetrie & Detektoren

1. Kolorimetrie&Detektoren Friederike von Rath und Sabrina Laun

2. Inhaltsübersicht • Elektromagnetisches Spektrum • Kolorimetrie - Definition - Geschichte der Kolorimetrie • Lambert-Beersches Gesetz • Versuch 7 • Photometer • Andere Detektoren

3. Die Wahrnehmung von Licht λ • λ beschreibt die Wellenlänge • Wellenlänge ist variierbar

4. Elektromagnetisches Spektrum

5. Kolorimetrie Auch genannt: Absorptionsphotometrie Spektrophotometrie Definition: Konzentrationsbestimmung einer Licht - absorbierenden Substanz durch eine Vergleichsmessung mit einer Probe bekannter Kon- zentration.

6. Messprinzip der Kolorimetrie • Lichtstrahl mit bestimmter Wellenlänge und einer bestimmter Intensität wird durch Küvette bestimmter Dicke und bestimmten Materials geleitet. • Je nach Stoff wird eine bestimmte Wellenlänge absorbiert (der gelöste Stoff hat die Komplementärfarbe des absorbierten Lichtes) • Stärke der Absorption hängt von der Konzentration ab • Für Kolorimetrie werden Wellenlängen von UV- bis IR- Strahlung verwendet • Kolorimetrie gilt für Gase und Flüssigkeiten, (auch für Feststoffe)

7. Absorptionsspektrum • Farbige Lösungen absorbieren Licht mit der Wellenlängen ihrer Komplementärfarbe

8. Geschichte der Kolorimetrie Im antiken Griechenland: Urinuntersuchung durch Geruch, Geschmack und Farbvergleich  Kolorimetrie gehört zu den ältesten „labormedizinischen“ Methoden 1873/1878: erste brauchbare Methoden zur Quantifizierung des Blutes

9. Kolorimeter 1873/1878 PK: Probenküvette GK: gefärbter Glaskeil

10. Kolorimeter 1873/1878 NSK: numerische Skala

11. 1904: Bestimmung von Creatinin mittels Duboscq-Kolorimeter • Beginn der „wissenschaftlichen“ Kolorimetriemessungen • Problem: zu geringe Spezifität • Vorteil gegenüber Gravimetrie: schneller und einfacher

12. Duboscq-Kolorimeter

13. 1923: Pulfrich-Photometer Verwendung von monochroma- tischem Licht

14. 1941: Entwicklung von Spektralphoto- metern • 1980: Durchbruch mit Hitachi Spektralphotometer

15. Transmission und Extinktion

16. dI = - m × × Û = - m × dI I ds ds I I = - × durch Integratio n : ln μ s I 0 - m × - × Þ = × = × s k s I I e I 10 0 0 Lambert-Beersches Gesetz: • Lambertsches Gesetz: Zeigt die Abhängigkeit von Schichtdicke und transmittiertem Licht. • Beersches Gesetz: Zeigt die Abhängigkeit des transmittierten Lichtes von Konzentration des Absorbanten.

17. Lambert-Beersches Gesetz: Beschreibt den Zusammenhang zwischen der Konzentration eines gelöste Stoffes und dessen Absorption von monochromatischem Licht.

18. Versuch • Absorbtionsspektren von 440nm bis 600nm:

19. Beim Absorbtionsmaximum der wässrigen Lösung wird die Extinktion für unterschiedlich konzentrierte Lösungen und unterschiedliche Schichtdicken gemessen: • Lambertsches Gesetz: Extinktion gegen Schichtdicke bei konstanter Konzentration aufragen. (Steigung der Geraden = k)

20. Beersches Gesetz: k-Werte aus den Diagrammen des Lambertschen Gesetzes gegen die Konzentration auftragen. (Steigung der Geraden = )

21. Lambert-Beersches Gesetz: Extinktion gegen Konzentration*Schichtdicke auftragen (Steigung der Geraden = )

22. Photometer

23. Detektor und Verstärker: (Photomultiplier) • Verstärker von schwachen Lichtsignalen

24. Funktionsweise des Photomultipliers • Photonen treffen auf Photokathode und schießen Elektronen aus der Oberfläche (Photoeffekt)  Photoeffekt: Austrittsarbeit < Energie des Photons, d.h. Elektron wird herausgelöst • Photoelektronen werden im elektrischen Feld beschleunigt • Treffen auf weitere Elektroden (Dynoden), die Sekundär Elektronen heraus schlagen, es kommt zur Vervielfachung • Zum Ende, treffen alle auf eine Anode  Spannungsabfall

25. Weitere Detektoren Fotozelle • evakuiertes Glasgefäß mit Anode und Kathode(besteht aus Metall, mit sehr wenig Austrittsarbeit z.B. Caesium) • Spannung zw. + und -  vom Licht freigesetzte Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt • Fotostrom ist proportional zur Spannung • Zum einfachen Nachweis von Licht • Proportionalitätsfaktor abhängig vom Licht

26. Halbleiterdetektor • Ionisierende Ladung erzeugt freie Ladungsträger durch Fotoeffekt  schnelle Auswertung möglich bestehen meist aus Si oder Ge • Ionisierende Teilchen dringen in Ladungsfreie Zone ein, bilden Paare von Elektronen und Löchern • Paare rekombinieren, e- in n-Leiter, Löcher in p-Leiter •  Signal proportional zu freigewordener Energie in LZ Geeignet von IR bis zur Gammastrahlung

27. Geiger-Müller-Röhre • für ionisierende Strahlung z.B. Alpha,Beta,Gamma,Röntgen

28. Micro-channel-plate (MCP) • Flächenhafter SEV • Rauscharme Verstärkung geringer Ströme freier Elektronen oder ionisierender Partikel • Treffen mit Energie auf Platte • Durchlaufen Röhren und werden vervielfacht Keil-Streifen Anode MCP

29. IR-Detektor (Quecksilber-Cadmium- Tellurid-Detektor) • Kurz: MCT (M  Mercury) • Thermoelektrisch gekühlter Detektor (Peltierkühlung) • Extrem lichtempfindlicher Detektor, für schwach absorbierende Stoffe • Bandlücke ist variierbar, je kleiner die Bandlücke, desto weiter verschiebt sich die Empfindlichkeitsgrenze zu tieferen Wellenzahlen • Kühlung unbedingt notwendig • Signal-Rausch-Verhalten gibt Empfindlichkeit an