UV-látható és NIR spektrofotometria

Átírás

1 UV-látató és NIR spektrofotometria Jeszenszky Éva, Ujelyi Ferenc 1. Mérés célja A spektrofotometriai mérések széles körben elterjedt érintésmentes vizsgálati módszerek a legkülönfélébb kvalitatív illetve kvantitatív célokra mind a laboratóriumi mind az ipari területeken fizikai tulajdonságok (vastagság, törésmutató, szemcseméret, ) illetve analitikai információk (koncentráció, összetétel) megállapítására. A különböző spektrofotométerek igen eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek nemcsak a működési ullámossztartomány (látató, UV, IR, ) vagy a detektált sugárzás típusa (emittált, transzmittált vagy reflektált), anem a mérések minősége (fotometriai pontosság, ullámossz pontosság, reprodukálatóság, dinamika, ), az elviselt mérési körülmények (labor, ipari: tág őmérséklettűrés, nedvességtűrés, robbanásbiztosság) és az áruk alapján. Ezért nagyon fontos a kívánt alkalmazás és a választott készülék egymásoz illesztése. A allgatói mérés természetesen csak a spektroszkópia egy kis szeletének (optikai tartomány) kis szeletébe enged bepillantást. A allgatók az UV, látató, NIR (köze li infravörös) tartományban működő két utas, rácsos monokromátorral rendelkező, számítógéppel vezérelt spektrofotométerrel ismerkednek meg a készülékek néány jellemző tulajdonságának megatározásán és konkrét alkalmazásán keresztül. E rácsos spektrofotométer nagy pontosságú, de lassú, laboratóriumi körülmények között végreajtató méréseket tesznek leetővé.. Spektroszkópia fogalma A spektroszkópia tudománya valamely közeg atomjai, molekulái vagy egyéb kémiai elemei által abszorbeált, szórt (reflektált) vagy emittált elektromágneses sugárzás ullámossz függvényében történő mérésével és vizsgálatával foglalkozik. Mivel az abszorpció vagy az emisszió a kölcsönató kémiai részecske energiaállapotában bekövetkező változással van összefüggésben és minden egyes anyagnak karakterisztikus energiaállapotai vannak, a kölcsönató anyagot azonosítani leet. Mint később kiderül kvantitatív információk szerzésére is van leetőség. 3. Az elektromágneses spektrum Az anyag és a fény kölcsönatása az elektromágneses sugárzás teljes tartományát átfogja a kozmikus sugárzás 10-9 nm-es ullámaitól a rádióullámok 1000 km-es ullámáig. Az optikai ullámossz tartomány atárai ~ 10 és 10 5 nm. A sugárzások a ullámosszon kívül az anyagban előidézett kémiai és fizikai változásokban különböznek. sugárzás forrása atommag belső elektronéjak elektronjai atomok, molekulák ionizációja külső elektronéjak elektronjai molekula rezgések, forgások elektron spin rezonancia (ESR) mag spin rezonancia (NMR) elektromágneses spektrumtartomány gamma sugárzás röntgen sugárzás lágy röntgen sugárzás UV látató közeli infra infra távoli infra mikro ullám rádió ullám 1 A 10 A 100 A 00 nm 400 nm 800 nm.5 µ m 5 µ m 0.04 cm 5 cm 1

2 3.1 UV-látató tartomány A látató és UV tartományban a gerjesztő foton energiája a külső elektronok kötési energiájának megváltoztatására fordítódik. Ebben a tartományban a spektrofotometriát legfőképpen laboratóriumi vizsgálatokra asználják. Érintésmentességének köszönetően kedvelt kémiai analitikai (minőségi és mennyiségi) vizsgálatokra, reakciók nyomon követésére (keveredés, egyensúly, fotometriai titrálás, ). Megfelelő előkészítéssel fémes, nemfémes és szerves vegyületek egyaránt vizsgálatóak segítségével. Az optikai alkalmazások terén elsősorban vékonyréteg vizsgálatokra, ellenőrzésre asználják. 3. NIR tartomány jellegzetességei A közeli infravörös spektroszkópiával a legtöbb szerves és néány szervetlen molekula vizsgálató. Ezen molekulák infravörös tartománybeli alaprezgései a NIR tartományban kisebb intenzitású és kiszélesedett felangokat és kombinációs sávokat eredményeznek, melyek egymással gyakran átlapolódnak. Az átlapolódás következtében a agyományos értelemben vett, Lambert-Beer törvényen alapuló kalibráció általában nem leetséges, ennél bonyolultabb matematikai módszerekre, a többváltozós lineáris regresszió módszerére van szükség. Erre születtek az un. kemometriai szoftverek. Egy-egy jó kalibrációs modell elkészítéséez nagyságrendű mintára van szükség. Az ipari alkalmazásra fejlesztett készülékek a kemometriai szoftverekkel kiegészítve az utóbbi 5-30 évben roamosan növekvő népszerűséget vívtak ki maguknak a legkülönbözőbb kvalitatív illetve kvantitatív analitikai információt kívánó alkalmazási területeken az egyszerű nyersanyagtól a komplex termékek vizsgálatáig, így például az élelmiszer-, a textil-, a kozmetikai, a gyógyszer-, a vegy- és a műanyagiparban. 4. Spektrofotométerek felépítése Egy spektroszkóp alapvető optikai fő egységei: a fényforrás(ok), a spektrális bontóelem(ek)-et magába foglaló monokromátor(ok), az érzékelő(k) és maga a minta. A berendezés része még valamilyen megjelenítő/rögzítőegység: lapíró, vagy korszerűbb esetben számítógép. A allgatói mérésben asznált spektrofotométer Perkin-Elmer Lambda 35 típusú. A készülék monokromátora egy konkáv olografikus rácsot asznál (1053 vonalpár/mm). Félvezető fotodióda a detektor. Két fényforrást alkalmaz a készülék egy Deutérium lámpát (<36nm) és egy wolfram izzót (>36nm). 4.1 Monokromátor felépítése A spektrométerek azon elemei, aol az összetett fényt spektrális komponenseire bontjuk. A spektrális bontóelemen kívül (szűrő, prizma, rács) bemeneti rést, kimeneti rést és leképező optikát tartalmaz. Működésének lényege, ogy a bemeneti rés feér fénnyel kivilágított képét oly módon képezi a kimeneti résre, ogy azon keresztül már csak olyan komponensek jutnak át, melyek ullámossza egy keskeny, monokromatikusnak tekintető tartományba esnek. Az alábbi ábra egy tipikus (Eber t-féle) monokromátor elrendezést mutat.

3 belépő rés kollimátor kilépő rés rács fókusztávolság 4. Diffrakciós rács Az optikai diffrakciós rács nem más, mint N darab egyforma szélességű rés közvetlen egymás mellett, d távolságban melyek vagy átvezetik (transzmissziós rács) vagy re flektálják (reflexiós rács) a beeső sugárzást. A rács felületére érkező fény ullámfrontja diffraktálódik, és különböző irányokban szórtan folytatja útját. Egy adott irányba adott beesési szög mellett bizonyos ullámosszakra konstruktív interferencia lép fel. A rács forgatásával az erősítés feltétele más-más ullámosszakra teljesül. rácsnormális beesõ fény diffraktált fény rácsállandó d α r α i B D π δ = d ( AB BC) πd = ( sin α sin α ) = m, i r ( sin α sin α ) i r = πm aol d rácsállandó, i beesési szög, d konstruktív interferencia irányába diffraktált sugár szöge, m diffrakciós rendszám. A C Az elajlási rendek átfedéséből adódó átlapolódások zavaró atását sáváteresztő- illetve élszűrőkkel kerületjük el. Rácsos monokromátor sávszélességét a rácsbarázda sűrűsége, az optikai rendszer fókusztávolsága és a be- illetve kilépő rés szélessége atározza meg. A zajnak (nemkívánt sugárzás) két forrása van: szellemek és szórt fény. A szellemek forrása a barázdák elelyezkedésében lévő periodikus ibák, a szóródásé pedig a nemperiodikus pozícióibák és a felületek nem tökéletes síksága. 4.3 Kétutas spektrofotométerek Kétutas készülékben a monokromatikus ullám két részre van osztva, általában egyenlő teljesítménnyel. Az egyik nyaláb a mintán alad keresztül, a másik pedig üresen vagy a referencia oldaton. E módszerrel az időbeli instabilitások (például a lámpáé) kiküszöbölődnek. A spektrumfelvétel előtt, a két ágat össze kell kalibrálni (például egy szürke ék segítségével) úgy, ogy a minta né lkül a transzmisszió 100 % legyen. 3

4 5. Spektrofotométer jellemzői P-E Lambda 35 ullámossztartomány nm lépésköz nm felbontás nm transzmisszió/reflexió pontosság ± 0.05 T% ullámossz /-szám pontosság ± 0.3 nm transzmisszió/reflexió reprodukálatóság ± 0.1 T% ullámossz /-szám reprodukálatóság ± 0.1 nm körülmények C Felbontás: az a ullámossz /-szám távolság, amelyen belül két szomszédos abszorpciós csúcs felbontató, megkülönböztetető (ullámosszfüggő). Dinamika: abszorbancia skálán a minimális és maximális érték különbsége (ullámossz és anyagfüggő). 6. Analitikai mérések alapja: a Lambert-Beer törvény Ha monokromatikus nyaláb vastagságú elnyelő rétegbe atol a beérkező P 0 sugárzási teljesítménynek egy része elnyelődik (a fotonok ütköznek a közeg molekuláival és gerjesztik azt), illetve szóródik, és a teljesítmény fokozatosan lecsökken. Igen vékony, d vastagságú rétegen bekövetkező teljesítménycsökkenésre: - dp = k' ( )Pd, aol k ( ) arányossági tényező A vastagságú anyagon átaladott fény P teljesítményét a változók szétválasztásával, majd integrálással kapjuk meg. P ln P ln P0 = ln = k' P0 Lambert törvény Amennyiben az egyes összetevők koncentrációjától való függést is figyelembe vesszük, és tízes alapú logaritmusra térünk át: P lg = ( α1c1 + αc +...) Lambert-Beer törvény P0 Amennyiben a fényszóródásból adódó vesztesség elanyagolató 1,, együttatókat az összetevők abszorpciós koefficienseinek ívjuk. P Az abszorbancia definíció szerint A = lg = lg T, aol T a transzmittancia. P0 A Lambert-Beer törvény teszi leetővé a mennyiségi analitikai vizsgálatok elvégzését. 4

5 7. Mérésben asznált spektrofotométer asználati utasítása 7.1 Bekapcsolás Korszerűsített, kétsugaras, automatikus kalibrációs, számítógépről vezérelető spektrofotométer. A kényelmes kezeletőséget és a mérések utólagos kiértékelését a ozzákapcsolt számítógépen Windows alatt futó UVwinlab nevű program biztosítja Kezelőszervek a készüléken 1. Hálózati kapcsoló (I/O) a bekapcsolás után automatikus ullámossz kalibráció történik (kb 3 perc).. Küvettatér: küvetták, mérendő anyagok beelyezése, kivétele UVwinlab program ismertetése Autozero: E gombot megnyomva tudjuk elvégezni a két fényutas kalibrálást a beállított mérési módszernek (metod) megfelelő ullámossz tartományban. Ha az UV tartományban is akarunk mérni, akkor a deutérium lámpát is be kell kapcsolni (metod) és melegíteni. Start: A mérési módszernek megfelelő tartományon elvégzi a mérést a készülék. Spektrum lista mentés: a felvett spektrumokat a készülék egyedi formátumban menti, de leetőség van a mérési eredmények lista szerű elmentésére is a SAVE AS parancs indítása után ASCII formátum kiválasztásával. 8. Mérési feladatok UV-látató spektrofotométer Kalibrálás (a készülék bemelegítéséről már előre gondoskodott a mérésvezető) - Válassza a SCANVIS mérési módszert a METHOD ablakban. - Győződjön meg róla, ogy nincs semmi minta a küvettatérben! - Klikkeljen a PC-n az AUTOZERO gombra. - A kalibrálás végén az aktuális transzmisszió és ullámossz érték megjelenik az alsó kék státusz sorban. - Helyezzük be a mintát a küvettatérbe! - A mérés a START gomb megnyomásával indul! - A mérés elindulása utána képernyőn megjelenő koordinátarendszerben követetjük nyomon a spektrumfelvétel alakulását. 5

6 8. Felbontás és dinamika mérése 8..1 Elmélet A monokromátorok egy-egy beállított ullámosszon egy viszonylag keskeny (de nem végtelen keskeny) fénysávot enged tovább, illetve monokromátortól függően kisebb-nagyobb mértékben más, távolabb eső ullámosszakat is. Ez azt jelenti, ogy egy elméletileg egyetlen vonalat tartalmazó spektrumot mérve nem vonalat, anem valamilyen véges Δ félértékszélességű spektrumot kapunk, melyet a rendszertecnikában a készülék impulzus-válaszfüggvényének, vagy súlyfüggvényének ívnak (a spektroszkópiában: vonalalak-függvény). Tetszőleges elméleti spektrum (bemeneti jel) esetén a mért spektrum (kimeneti jel) a súlyfüggvény és a bemeneti függvény konvolúciójaként áll elő. Ennek következtében egyrészt a mérés végeredményeként az elméleti abszorpciós csúcsok ellaposodnak, kiszélesednek, az egymásoz közeli abszorpciós csúcsok kevésbé élesen különböztetetőek meg, vagyis romlik a felbontás. Másrészt a mért adatok dinamikája véges lesz, iszen nem tudunk tetszőlegesen kicsiny transzmissziós értéket mérni amiatt, ogy az adott ullámosszoz tartozó elméletileg nulla transzmisszió mellett a közeli ullámosszakoz tartozó nem nulla transzmissziót is ozzámérjük. A készülék felbontását -val definiáljuk, ami az adott ullámosszon ( ) megkülönböztetető d legközelebbi spektrális információ (d ) (pl k ét csúcs). A d értéke közelítető az impulzus válaszfüggvény félértékszélességével. A készülék impulzus válaszfüggvényének félértékszélessége megatározató egy ismert spektrumú minta mérésével. Amennyiben mind a készülék válaszfüggvényét (félértékszélessége: Δ k ), mind a minta, ami legtöbbször egy interferencia-szűrő áteresztését (félértékszélessége: Δ sz, maximumelye: max ) Gauss-görbével közelítjük a szűrőn mért spektrum szintén Gauss-görbe lesz, amelynek a félértékszélessége m = sz + k képlettel számítató. Ha az interferencia-szűrő áteresztésének félértékszélessége ismert, az interferencia-szűrő max áteresztési maximumáoz tartozó ullámosszoz, max -oz tartozó felbontást becsülni tudjuk k számításával a mérés alapján. Egyszerű geometriai optikai megfontolásokkal azt kapjuk, ogy a készülék válaszfüggvényének félértékszélessége ( k ) a résszélességgel arányos. Az elérető legnagyobb felbontást a rács véges mérete által okozott diffrakció korlátozza, így tetszőlegesen kicsiny vonalszórást nem tudunk elérni a résszélesség csökkentésével. A monokromátor által létreozott diffrakciós képből a réssel kiszűrt próbanyaláb az összes spektrális komponenst tartalmazza különböző arányokban, ami korlátozza az egy spektrális komponens mérésekor elérető legkisebb és legnagyobb jelszint arányát, amit dinamikának (OD) neveznek. Továbbá az optikai elemek alakibái miatt szintén fellép bizonyos mértékű szóródás, ami tovább csökkenti a dinamikát. A véges dinamika eredményeképpen a Lambert-Beer törvény által megatározott összefüggés kis transzmisszió esetén nem lesz lineáris, anem a szórt fény által korlátozott dinamikáoz tartozó abszorbancia értékez telítődik. 6

7 A max A min -lg(t) dinamika (OD) c Adott anyag különböző koncentrációk mellett felvett spektrumaiban az abszorpciós csúcsnál mérető abszorbancia értékeket a koncentráció függvényében ábrázolva a dinamika megatározató optikai denzitás (OD=-lg(Tmin)) egységekben. Ez az érték ullámosszfüggő. 8.. Mérési feladat A felbontás megatározása a mérésvezető által adott interferencia-szűrőn történik 4 különböző résbeállítás (0,5, 1,, 4) mellett. Minden egyes résez külön kell kalibrálni a készüléket. Mérje meg az interferencia-szűrő spektrumát max ± 10 nm tartományban 0.1 nm lépésközzel! Határozza meg az egyes résszélesség értékek mellett a készülék vonalszórását és felbontását, valamint a szűrő félérték szélességét (azt felasználv a, ogy az egyes beállított résszélességek aránya adott)! A dinamika megatározása a Nd:YAG kristály 6 különböző vastagságánál felvett abszorpciós spektrum csúcsain kerül megatározásra. Mérje meg a kristály transzmissziós spektrumát nm-es résszélesség mellett a nm tartományban 1 nm lépésközzel! Válasszon ki 5 eltérő abszorbanciával rendelkező elnyelési csúcsot! Hozzon létre eltérő vastagságokat a fényútba egymás utáni beelyezett növekvő darabszámú azonos méretű kristályok segítségével és mindegyikről darabszám esetén vegyen fel spektrumot. A választott csúcsoknál ábrázolja az abszorbancia vastagságfüggését és atározza meg a dinamikát! A reflexió miatt bekövetkezett alapvonal eltolódást kompenzálja! 8.3 Vékonyréteg vizsgálat az UV-látató spektrofotométeren Elmélet A transzmisszió és reflexió számolt, illetve spektroszkópon mért értékeinek összeasonlításával a rácsos UV-látató spektrométer jó leetőséget ad a különböző rétegszerkezetek vizsgálatára. Az elméleti értékek számolására a történelem folyamán többféle módszert találtak ki. Ezek közül a legelterjedtebb az ún. mátrixos-leírás módszere, melyet sugárátvezetéssel a Maxwell-egyenletekből és a ozzájuk tartozó atárfeltételekből származtatatunk. Megvizsgálatjuk például, ogy a tervezett antireflexiós réteg a gyártás után az elvártnak megfelelően sikerült-e. Mivel a labormérés keretei nem engedik meg a réteg megtervezésének elkészíttetésének ellenőrzésének elvégzését egy már elkészült, enyén abszorbeáló, vékony (melynek transzmissziós sp ektrumán interferencia-mintázat figyelető meg) réteget vizsgálnak a allgatók. A felvett transzmissziós spektrum alapján a réteg törésmutatója, extinkciója, és vastagsága kerül megatározásra. Az extinkció a mintán átaladó fény gyengülését adja meg, tartalmazza az elnyelést és a rugalmas és rugalmatlan szórásokat. Ha a szórás kicsi, akkor az extinkció közelítően megegyezik az abszorpcióval. 7

8 Tekintsünk egy n valós törésmutatójú végtelen vastag, elnyelés nélküli ordozón egy vastagságú, enyén abszorbeáló n+iκ (κ<<n) törésmutatójú réteget! ( 1 R) n 1 A tiszta ordozó transzmissziója: T =, aol R = 1 R n 1 a reflexió. Az összefüggés alapján, a + transzmissziót mérve a ordozó törésmutatója számolató. A teljes (ordozó + réteg) transzmisszióját az alábbi képlet adja meg és az ábrán látató módon néz ki: transzmisszió (%) ullámossz (nm) Tipikus transzmissziós spektrum Ax T =, B Cx cos aol: ( ϕ) + Dx 4π κ x e 4π = n 16n n = az extinkció a rétegen, ϕ a fázistolás a rétegen, 3 A =, B ( n + 1) ( n + n ) 3 C = ( n 1)( n n ), D = ( n 1) ( n n ) törésmutatófüggő változók. =, A rétegszerkezeten való átaladáskor ullámossztól függően változó fázistolás jön létre, ami transzmissziós spektrumban minimumokat és maximumokat oz létre attól függően, ogy konstruktív vagy destruktív interferencia tapasztalató az adott ullámosszon a réteg felületéről és a réteg-ordozó atáron reflektálódó nyalábok között. Az interferencia-mintázat maximumaira és minimumaira egy-egy burkoló görbe illesztető, ezek a T M maximum és T m minimum görbék: Ax Ax =, T m =. B Cx + Dx B + Cx + Dx A burkoló görbék reciprokait egymásból kivonva csak a törésmutatótól (az abszorpciótól független) egyenletet kapunk, így belőle a réteg törésmutatója a ullámossz függvényében megatározató: 1 1 C = n = N + N n, Tm A + Tm n 1 aol: N = n + egy fizikai tartalom nélküli változó. Tm Ha már n()-t ismerjük x (extinkció), illetve a törésmutató komplex része (κ) többféle módon számolató. A burkoló-görbék egyenletei például x-től négyzetesen függenek és így x-re megoldatók (a T M -ből számolt érték pontosabb): A maximumokból számolva: x 3 4 EM EM ( n 1) ( n n ) 8n n =, aol: E 3 M = + ( n 1 ( n 1) ( n n ) )( n n ) a minimumokból számolva: 8

9 x 3 4 Em Em ( n 1) ( n n ) 8n n =, aol: E 3 m = ( n 1 ( n 1) ( n n ) )( n n ), m E M és E m fizika tartalom nélküli változók. A törésmutató és extinkció számolásáoz egy ullámossznál T M és T m adott ullámosszoz tartozó értékeinek ismeretére van szükségünk. A labormérésen csak a minimum- illetve maximumelyeken vett törésmutatót és extinkciót kell kiszámolni oly módon, ogy a minimumelyen vett T M -értéket a két szomszédos maximumérték közötti lineáris interpolációval leet megatározni, és fordítva. A rétegvastagság megatározása a szélsőértékek elyéből leetséges. 4π 4π A transzmisszió maximumra: n = π + πm, illetve minimumra: n = πm (1) 1 Például két szomszédos maximum vagy minimum elyéből =. () ( 1n n1) Az így számolt vastagságérték elég érzékeny a törésmutató megatározás ibájára és így nem túl pontos. A pontosság növelető, a következő iteráció elvégzésével: több szomszédos csúcsra kiszámoljuk a vastagságértéket ()-vel, majd átlagoljuk ezeket, a kapott vastagságértéket asználva, az egyes szélsőértékekre a rendeket számoljuk (1) -ből és kerekítjük egész számra, a kerekített rendeket asználva újból vastagságot számolunk (1)-ből. A vastagságot egyszerű grafikus úton is megatározatjuk, mivel a l l n szélsőelyekre: n = m1 +, l = 0,1,,... = m1 egy egyenes egyenlete. Így, a l/-t ábrázoljuk n/ függvényében az egyenes meredeksége. Megjegyzés: a spektrométer véges spektrális vonalszórása ezt a mérést is jelentősen befolyásolatja, mégpedig a spektrumban megfigyelető interferencia-mintázat összenyomásáoz vezetet, ezért szükséges leet a spektrumok dekonvoluciója a résszélességnek megfelelően. Mérési feladat Mérje meg a kapott ordozó illetve a teljes rendszer (ordoz ó+réteg) transzmissziós spektrumát a nm tartományban a nm-es résszélesség mellett 1 nm lépésközzel! A tiszta ordozó transzmissziós spektruma alapján számolja ki annak törésmutatóját a ullámossz függvényében! Adja meg a rétegezett minta transzmissziós spektrumának maximum- és minimumelyeit, majd atározza meg az összes szélsőértékez tartozó T M és T m értékeket! Határozza meg ezekben a pontokban a réteg komplex törésmutatóját (n+i κ )! Határozza meg a vastagságot valamelyik (iterációs ill. grafikus) módszerrel! 9