UV-/Vis-Spektroskopie
(Hinderer, 2020, Handwerker 2013)
Die UV/Vis-Spektroskopie ist eine analytische Methode, bei der die Absorption von Licht durch organische oder anorganische Verbindungen (Chromophore) gemessen wird. Die verwendeten Geräte zur Messung der Absorption werden dabei häufig als Photometer bezeichnet.
Zur Wiederholung: Die in Chromophoren enthaltenen delokalisierten Elektronen können durch Wechselwirkungen mit Strahlung im sichtbaren und unsichtbaren Bereich von einem HOMO in ein LUMO angehoben werden. Je weiter ausgedehnt das delokalisierte $\pi$-Elektronensystem, desto mehr verschiebt sich das Absorptionsmaximum in den längerwelligen Bereich. Ebenso haben (anti-)auxochrome Gruppen einen Einfluss auf die Farbigkeit eines Stoffes.
Bei der UV/Vis-Spektroskopie wird monochromatisches Licht mit der Intensität $I_0$ auf eine Küvette mit Durchmesser $d$ gestrahlt, in der sich die Probelösung befindet. Ein Detektor dahinter fängt das abgeschwächte Licht mit der Intensität $I$ auf. Wie stark die Intensität des Lichts nach Passieren durch die Probelösung abnimmt, lässt sich mithilfe des Lambert-Beer’schen Gesetzes beschreiben:
Die Extinktion $E_\lambda$ für Licht der Wellenlänge $\lambda$ ist definiert als $E_\lambda = \log_{10} \frac{I_0}{I}$. Es wird also das Verhältnis der Ausgangsintensität zur Restintensität betrachtet. Zusätzlich wird davon der Logarithmus (zur Basis $10$) genommen, da (menschliche) Wahrnehmung Veränderungen in Sinneseindrücken oft nur logarithmisch wahrnimmt (Weber-Fechner-Gesetz) (Handwerker, 2013). Das Lambert-Beer’sche Gesetz besagt nun, dass die Extinktion $E_\lambda$ proportional zur durchdrungenen Dicke $d$ und der Konzentration der Flüssigkeit $c$ ist. Es gilt also
\[E_\lambda = \varepsilon_\lambda \cdot c \cdot d\]
für einen Proportionalitätsfaktor $\varepsilon_\lambda$, welcher vom Stoff selbst und auch der Wellenlänge abhängt. Dieser Vorfaktor wird dekadischer Extinktionskoeffizient genannt.
Folgende Visualisierung veranschaulicht diesen Zusammenhang: Je mehr absorbierende Teilchen in der Flüssigkeit sind – also je höher die Konzentration – und je dicker das zu durchdringende Material, desto niedriger die relative Intensität des austretenden Lichtstrahles. Weiterhin ist zu sehen, dass unterschiedliche Stoffe die verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark absorbieren, was durch die spezifischen Extinktionskoeffizienten $\varepsilon_\lambda$ modelliert ist. Zu beachten ist dabei, dass hier $\frac{I}{I_0}$ gemessen wird. Diese Größe beschreibt, welcher Anteil des Lichts es durch das Medium schafft und ist somit komplementär zur Extinktion an sich.
Anleitung: Mit dem Schieberegler links die Wellenlänge des einfallenden Lichts wählen. Mit dem “Dicke”-Schieberegler die Breite der Küvette verändern. Mit dem “Konzentration”-Schieberegler die Konzentration der ausgewählten Flüssigkeit in der Küvette verändern. Mit den Knöpfen rechts unten unterschiedliche Lösungen/Suspensionen/Emulsionen auswählen. Mit dem Schieberegler an der Oberseite zwischen zwei Modi wechseln. Im “Berechnet”-Modus wird die relative Restintensität $\frac{I}{I_0}$ des Lichtstrahls über das Lambert-Beer’sche Gesetz berechnet. Im “Simuliert”-Modus wird sie aufgrund einer einfachen Teilchensimulation angenähert.
Stoffe, die z. B. orange sind, wie $\beta$-Carotin, absorbieren insbesondere nicht nur blaues Licht, sondern tatsächlich breite Wellenlängenbereiche, aber in unterschiedlichem Ausmaß. Diese Visualisierung ist somit eine technisch spezifischere Variante des Versuchs, welcher schon in Szene 2: Einstieg zu Farbigkeit und Licht zu sehen war.
Die Visualisierung kann also genutzt werden, noch genauer darauf einzugehen, welche Stoffe welche Wellenlängen absorbieren.
Weiterhin stellt das Lambert-Beer’sche Gesetz eine Möglichkeit dar, in mathematischen oder naturwissenschaftlichen Fächern über exponentiellen Zerfall zu sprechen.