Absorbancja - Absorbance

Absorbancja jest zdefiniowana jako „logarytm stosunku padającego do transmitowanego promieniowania przez próbkę (z wyłączeniem wpływu na ściany komórkowe)”. Alternatywnie, dla próbek, które rozpraszają światło, absorbancję można zdefiniować jako „ujemny logarytm o jeden minus absorbancję, mierzony na jednolitej próbce”. Termin ten jest używany w wielu dziedzinach technicznych do ilościowego określenia wyników pomiaru eksperymentalnego. Chociaż termin ten ma swoje źródło w kwantyfikacji absorpcji światła, często jest uwikłany w kwantyfikację światła, które jest „tracone” w systemie detektorów przez inne mechanizmy. To, co te zastosowania tego terminu mają wspólne, to to, że odnoszą się do logarytmu stosunku ilości światła padającego na próbkę lub materiał do tego, które jest wykrywane po interakcji światła z próbką.  

Termin absorpcja odnosi się do fizycznego procesu pochłaniania światła, podczas gdy absorbancja nie zawsze mierzy tylko absorpcję: może mierzyć tłumienie (przepuszczanej mocy promieniowania), spowodowane absorpcją, ale także odbicie, rozpraszanie i inne procesy fizyczne.

Historia i zastosowania terminu absorbancja

Prawo Bouguera-Lamberta

Korzenie terminu absorbancja znajdują się w prawie Bouguera (prawo Bouguera-Lamberta). Gdy światło przemieszcza się przez nośnik, staje się ciemniejsze, ponieważ jest „wygaszone”. Bouguer zauważył, że to wymieranie (obecnie często nazywane tłumieniem) nie było liniowe z odległością przebytą przez medium, ale było powiązane z tym, co teraz nazywamy funkcją wykładniczą. Jeśli jest natężeniem światła na początku podróży i jest natężeniem światła wykrytego po przebyciu odległości , ułamek przepuszczany , , dana jest wzorem:  , gdzie nazywa się stałą tłumienia (termin używany w różnych dziedzinach gdzie sygnał jest przesyłany przez medium) lub współczynnik. Ilość przepuszczanego światła spada wykładniczo wraz z odległością. Biorąc logarytm Napieriana (naturalny) w powyższym równaniu, otrzymujemy:   . Dla mediów rozpraszających często dzieli się stałą na dwie części, dzieląc ją na współczynnik rozpraszania , oraz współczynnik absorpcji, , uzyskując: . ${\displaystyle I_{0}}$${\ Displaystyle I_ {s}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle T}$${\ Displaystyle T = {\ Frac {I_ {s}} {I_ {0}}} = exp (- \ mu d)}$${\ Displaystyle \ mu}$${\ Displaystyle -ln (T) = ln {\ Frac {I_{0}} {I_ {s}}} = \ mu d}$${\ Displaystyle \ mu = \ mu _ {s} + \ mu _ {a}}$${\ Displaystyle \ mu _ {s}}$${\ Displaystyle \ mu _ {a}}$${\ Displaystyle -ln (T) = ln {\ Frac {I_ {0}} {I_ {s}}} = (\ mu _ {s} + \ mu _ {a}) d}$

Jeśli rozmiar detektora jest bardzo mały w porównaniu z odległością przebytą przez światło, jakiekolwiek światło, które jest rozpraszane przez cząstkę w kierunku do przodu lub do tyłu, nie uderzy w detektor. W takim przypadku wykres w funkcji długości fali da superpozycję efektów absorpcji i rozproszenia. Ponieważ część pochłaniająca jest bardziej wyraźna i ma tendencję do poruszania się na tle części rozproszonej, jest często wykorzystywana do identyfikacji i ilościowego określenia cząstek pochłaniających. W konsekwencji jest to często określane jako spektroskopia absorpcyjna , a wykreślona wielkość jest nazywana „absorbancją”, symbolizowana jako . Niektóre dyscypliny zgodnie z konwencją używają absorbancji dziesięcioletniej zamiast absorbancji Napierowskiej, co skutkuje: (z indeksem dolnym 10 zwykle nie pokazanym). ${\displaystyle -ln(T)}$${\ Displaystyle \ operatorname {A}}$${\ Displaystyle \ operatorname {A} _ {10} = \ mu _ {10} d}$

Prawo piwa z próbkami nierozpraszającymi się

W jednorodnym ośrodku, takim jak roztwór, nie ma rozpraszania. W tym przypadku, szeroko badanym przez Augusta Beera, koncentracja gatunków absorbujących podlega tej samej liniowej odpowiedzi, co długość drogi. Dodatkowo wkłady poszczególnych gatunków absorbujących są addytywne. Jest to bardzo korzystna sytuacja i sprawia, że ​​absorbancja jako miara absorpcji jest o wiele bardziej korzystna niż frakcja absorpcji (absorpcja). Jest to przypadek, w którym po raz pierwszy użyto terminu „absorbancja”.

Powszechnym wyrazem prawa piwa jest tłumienie światła w materiale jako: , gdzie jest absorbancja; jest molowym współczynnikiem tłumienia lub chłonności gatunku tłumiącego; to długość drogi optycznej; i jest koncentracją gatunków atenuujących. ${\ Displaystyle \ operatorname {A} = \ varepsilon \ ell c}$${\ Displaystyle \ operatorname {A}}$ ${\displaystyle \varepsilon}$${\displaystyle \ell}$${\displaystyle c}$

Absorbancja dla próbek rozpraszających

W przypadku próbek, które rozpraszają światło, absorbancję definiuje się jako „ujemny logarytm jednego minus absorbancja (frakcja absorpcji: ) mierzona na jednolitej próbce”. W przypadku absorbancji dziesięcioletniej może to być symbolizowane jako: . Jeżeli próbka zarówno przepuszcza, jak i przepuszcza światło i nie jest luminescencyjna, ułamek światła pochłoniętego ( ), odpuszczonego ( ) i przepuszczonego ( ) dodaje się do 1 lub: . Zauważ, że , a formuła może być zapisana jako: . Dla próbki, która nie rozprasza się, , i , dając wzór na absorbancję materiału omówionego poniżej. ${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle \ operatorname {A} _ {10} =-log_ {10} (1-\ alfa)}$${\ Displaystyle \ alfa}$${\ Displaystyle R}$${\displaystyle T}$${\ Displaystyle \ alfa + R + T = 1}$${\ Displaystyle 1-\ alfa = R + T}$${\ Displaystyle \ operatorname {A} _ {10} =-log_ {10} (R + T)}$${\ Displaystyle R = 0}$${\ Displaystyle 1-\ alfa = T}$

Mimo że ta funkcja absorbancji jest bardzo przydatna w przypadku próbek rozpraszających, funkcja ta nie ma takich samych pożądanych właściwości, jak w przypadku próbek nierozproszonych. Istnieje jednak właściwość zwana mocą pochłaniania, którą można oszacować dla tych próbek. Moc pochłaniania pojedynczej jednostkowej grubości materiału tworzącego się próbki rozpraszania jest taka sama jak absorbancja samej grubości sprzętu przy braku rozproszonych.

Optyka

W optyce , absorpcji lub dekadowe absorbancja jest logarytm współczynnika incydentu do przesyłanych mocy promieniowania przez materiał i spektralne absorbancji lub widmową dekadowe absorbancja jest logarytm współczynnika incydentu do przesyłanych mocy widmowej promieniowania przez materiał. Absorbancja jest bezwymiarowa , aw szczególności nie jest długością, chociaż jest monotonicznie rosnącą funkcją długości drogi i zbliża się do zera, gdy długość drogi zbliża się do zera. Odradza się stosowanie terminu „gęstość optyczna” dla absorbancji.

Definicje matematyczne

Absorpcja materiału

Absorbancji materiału oznaczoną , podaje

${\ Displaystyle A = \ log _ {10} {\ Frac {\ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {i}}} {\ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst { t}}}}=-\log _{10}T,}$

gdzie

${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {t}}}$to strumień promieniowania przekazywany przez ten materiał,

${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {i}}}$jest strumień promieniowania otrzymywany przez ten materiał,

${\ Displaystyle T = \ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {t}} / \ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {i}}}$jest przepuszczalność tego materiału.

Absorbancja jest wielkością bezwymiarową. Niemniej jednak jednostka absorbancji lub AU jest powszechnie stosowana w spektroskopii w zakresie światła ultrafioletowego i jej zastosowaniach wysokosprawnej chromatografii cieczowej , często w jednostkach pochodnych, takich jak jednostka mili-absorbancji (mAU) lub jednostka-minuta mili-absorbancji (mAU×min) , jednostka absorbancji zintegrowana w czasie.

Absorbancja jest związana z głębokością optyczną przez

${\ Displaystyle A = {\ Frac {\ tau} {\ ln 10}} = \ tau \ log _ {10} e \ ,,}$

gdzie τ jest głębokością optyczną.

Absorbancja widmowa

Absorbancja widmowa częstotliwości i absorbancja widmowa długości fali materiału, oznaczone odpowiednio A _ν i A _λ , dane są wzorem

${\ Displaystyle A_ {\ nu } = \ log _ {10} {\ Frac {\ Phi _ {{\ tekst {e}}, \ nu } ^ {\ tekst {i}}} {\ Phi _ {{\ tekst{e}},\nu }^{\text{t}}}}=-\log _{10}T_{\nu },}$

${\ Displaystyle A_ {\ lambda } = \ log _ {10} {\ Frac {\ Phi _ {{\ tekst {e}} \ lambda} ^ {\ tekst {i}}} {\ Phi _ {{\ tekst{e}},\lambda }^{\text{t}}}}=-\log _{10}T_{\lambda },}$

gdzie

Φ _e,ν ^t to widmowy strumień promieniowania o częstotliwości przenoszony przez ten materiał,

Φ _e,ν ⁱ to widmowy strumień promieniowania o częstotliwości odbierany przez ten materiał,

T _ν jest transmitancją widmową w częstotliwości tego materiału,

Φ _e,λ ^t to widmowy strumień promieniowania o długości fali transmitowany przez ten materiał,

Φ _e,λ ⁱ jest widmowym strumieniem promieniowania na długości fali odbieranym przez ten materiał,

T _λ to transmitancja widmowa w długości fali tego materiału.

Absorbancja spektralna jest związana z spektralną głębią optyczną przez

${\ Displaystyle A_ {\ nu } = {\ Frac {\ tau _ {\ nu}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ nu} \ log _ {10} e \ ,,}$

${\ Displaystyle A_ {\ lambda} = {\ Frac {\ tau _ {\ lambda}} {\ ln 10}} = \ tau _ {\ lambda} \ log _ {10} e \ ,,}$

gdzie

τ _ν to widmowa głębokość optyczna w częstotliwości,

τ _λ to spektralna głębokość optyczna w długości fali.

Chociaż absorbancja jest właściwie bezjednostkowa, czasami podaje się ją w „jednostkach absorbancji” lub AU. Wiele osób, w tym badacze naukowi, błędnie podaje wyniki eksperymentów pomiaru absorbancji w odniesieniu do tych wymyślonych jednostek.

Związek z tłumieniem

Tłumienie

Absorbancja to liczba mierząca tłumienie transmitowanej mocy promieniowania w materiale. Tłumienie może być spowodowane fizycznym procesem „absorpcji”, ale także odbiciem, rozpraszaniem i innymi procesami fizycznymi. Absorbancja materiału jest w przybliżeniu równa jego tłumieniu, gdy zarówno absorbancja jest znacznie mniejsza niż 1, jak i emitancja tego materiału (nie mylić z ekspansją promieniowania lub emisyjnością ) jest znacznie mniejsza niż absorbancja. W rzeczy samej,

${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {t}} + \ Phi _ {\ tekst {e}} ^ {\ tekst {att}} = \ Phi _ {\ tekst {e} }^{\text{i}}+\Phi _{\text{e}}^{\text{e}},}$

gdzie

Φ _e ^t jest mocą promieniowania przenoszoną przez ten materiał,

Φ _e ^att jest mocą promieniowania tłumioną przez ten materiał,

Φ _e ⁱ jest mocą promieniowania otrzymaną przez ten materiał,

Φ _e ^e to moc promieniowania emitowana przez ten materiał,

to jest równoważne

${\ Displaystyle T + {\ tekst {ATT}} = 1 + E,}$

gdzie

T = Φ _e ^t /Φ _e ⁱ jest przepuszczalnością tego materiału,

ATT = Φ _e ^att /Φ _e ⁱ jest tłumieniem tego materiału,

E = Φ _e ^e /Φ _e ⁱ jest emitancją tego materiału,

i zgodnie z prawem Beera-Lamberta , T = 10 ^−A , więc

${\ Displaystyle {\ tekst {ATT}} = 1-10 ^ {-A} + E \ około A \ ln 10 + E \ quad {\ tekst {jeśli}} \ A \ ll 1,}$

i w końcu

${\ Displaystyle {\ tekst {ATT}} \ około A \ ln 10, \ quad {\ tekst {jeśli}} \ E \ ll A.}$

Współczynnik tłumienia

Absorbancja materiału jest również związana z jego dziesięcioletnim współczynnikiem tłumienia o

${\ Displaystyle A = \ int _ {0} ^ {l} a (z) \ \ operatorname {d} z}$

gdzie

l jest grubością materiału, przez który przechodzi światło,

a ( z ) jest dziesięcioletnim współczynnikiem tłumienia tego materiału przy z .

Jeśli a ( z ) jest jednorodne na ścieżce, mówi się, że tłumienie jest tłumieniem liniowym , a relacja staje się

${\displaystyle A=al.}$

Czasami zależność podaje się za pomocą współczynnika tłumienia molowego materiału, czyli jego współczynnika tłumienia podzielonego przez jego stężenie molowe :

${\ Displaystyle A = \ int _ {0} ^ {l} \ varepsilon c (z) \ \ operatorname {d} z}$

gdzie

ε jest molowym współczynnikiem tłumienia tego materiału,

c ( z ) to stężenie molowe tego materiału wz .

Jeśli c ( z ) jest jednorodne na ścieżce, relacja staje się

${\ Displaystyle A = \ varepsilon cl.}$

Odradza się stosowanie terminu „chłonność molowa” dla molowego współczynnika tłumienia.

Pomiary

Pomiary logarytmiczne a wprost proporcjonalne

Ilość światła przepuszczanego przez materiał zmniejsza się wykładniczo, gdy przechodzi przez materiał, zgodnie z prawem Beera-Lamberta (A=(ε)(l)). Ponieważ absorbancja próbki jest mierzona jako logarytm, jest ona wprost proporcjonalna do grubości próbki i stężenia materiału absorbującego w próbce. Niektóre inne miary związane z absorpcją, takie jak przepuszczalność, są mierzone jako prosty współczynnik, więc zmieniają się wykładniczo wraz z grubością i koncentracją materiału.

Absorbancja: −log 10 (Φ e t / e i )	transmitancja: Φ e t /Φ e i
0	1
0,1	0,79
0,25	0,56
0,5	0,32
0,75	0,18
0,9	0,13
1	0,1
2	0,01
3	0,001

Zakres pomiarowy przyrządu

Każdy prawdziwy przyrząd pomiarowy ma ograniczony zakres, w którym może dokładnie zmierzyć absorbancję. Przyrząd musi być skalibrowany i sprawdzony względem znanych standardów, jeśli można ufać odczytom. Wiele instrumentów stanie się nieliniowa (nie będzie przestrzegać prawa Beera-Lamberta), zaczynając od około 2 AU (~1% transmisji). Trudno jest również dokładnie zmierzyć bardzo małe wartości absorbancji (poniżej ^10-4 ) za pomocą dostępnych w handlu przyrządów do analizy chemicznej. W takich przypadkach można zastosować techniki absorpcji oparte na laserze , ponieważ wykazały one granice wykrywalności, które przewyższają o wiele rzędów te uzyskane za pomocą konwencjonalnych instrumentów nielaserowych (wykazano wykrycie aż do 5 × 10 ^{− 13} ). Teoretyczną najlepszą dokładność dla większości dostępnych na rynku instrumentów nielaserowych osiąga się w zakresie około 1 AU. Długość drogi lub stężenie należy wtedy, jeśli to możliwe, dostosować, aby uzyskać odczyty w pobliżu tego zakresu.

Metoda pomiaru

Zazwyczaj absorbancję rozpuszczonej substancji mierzy się za pomocą spektroskopii absorpcyjnej . Obejmuje to przepuszczanie światła przez roztwór i rejestrowanie ilości światła i długości fal przesłanych do detektora. Korzystając z tych informacji, można określić długości fal, które zostały pochłonięte. Po pierwsze, pomiary na ślepej próbie są wykonywane przy użyciu samego rozpuszczalnika w celach referencyjnych. Dzieje się tak, aby znana była absorbancja rozpuszczalnika, a następnie każda zmiana absorbancji podczas pomiaru całego roztworu jest dokonywana tylko przez substancję rozpuszczoną będącą przedmiotem zainteresowania. Następnie wykonuje się pomiary roztworu. Przesyłany widmowy strumień promieniowania, który przechodzi przez próbkę roztworu, jest mierzony i porównywany z padającym widmowym strumieniem promieniowania. Jak stwierdzono powyżej, absorbancja widmowa przy danej długości fali wynosi

${\ Displaystyle A_ {\ lambda} = \ log _ {10} \! \ lewo ({\ Frac {\ Phi _ {\ operatorka {e}, \ lambda} ^ {\ operatorka {i}}}} {\ fi _ {\mathrm {e} ,\lambda }^{\mathrm {t} }}}\prawda)\!.}$

Widmo absorbancji wykreślono na wykresie absorbancji w funkcji długości fali.

UV-Vis spektrofotometr zrobi to wszystko automatycznie. Aby korzystać z tego urządzenia, roztwory umieszcza się w małej kuwecie i wkłada do uchwytu. Maszyna jest sterowana za pomocą komputera i po „wygaszeniu” automatycznie wyświetla absorbancję w funkcji długości fali. Uzyskanie widma absorbancji roztworu jest przydatne do określenia stężenia tego roztworu przy użyciu prawa Beera–Lamberta i jest stosowane w HPLC .

Numer odcienia

Niektóre filtry, w szczególności szkło spawalnicze , są oceniane za pomocą numeru zaciemnienia (SN), który jest 7/3 razy większy niż absorbancja plus jeden:

${\ Displaystyle {\ tekst {SN}} = {\ Frac {7} {3}} A + 1,}$

lub

${\ Displaystyle {\ tekst {SN}} = {\ Frac {7} {3}} (- \ log _ {10} T) + 1.}$

Na przykład, jeśli filtr ma 0,1% transmitancji (0,001 transmitancji, co oznacza 3 jednostki absorbancji), jego liczba odcieni będzie wynosić 8.

Zobacz też

• Absorpcja
• Przestrajalna spektroskopia absorpcyjna lasera diodowego (TDLAS)
• Densytometria
• Filtr o neutralnej gęstości
• Matematyczne opisy nieprzezroczystości

Bibliografia