Absorbance - Absorbance

Absorbance je definována jako „logaritmus poměru dopadajícího a vysílaného sálavého výkonu skrz vzorek (kromě vlivů na stěny buněk)“. Alternativně může být u vzorků, které rozptylují světlo, absorbance definována jako „negativní logaritmus jedné minusové absorbance, měřeno na rovnoměrném vzorku“. Termín se používá v mnoha technických oblastech ke kvantifikaci výsledků experimentálního měření. Přestože tento termín má svůj původ v kvantifikaci absorpce světla, je často zapleten s kvantifikací světla, které se „ztrácí“ do systému detektoru jinými mechanismy. Tato použití termínu mají obvykle společné to, že odkazují na logaritmus poměru množství světla dopadajícího na vzorek nebo materiál k tomu, co je detekováno poté, co světlo interagovalo se vzorkem.

Pojem absorpce označuje fyzikální proces absorbování světla, zatímco absorbance ne vždy měří pouze absorpci: může měřit útlum (vysílaného sálavého výkonu), způsobený absorpcí, ale také odrazem, rozptylem a dalšími fyzikálními procesy.

Historie a použití pojmu absorbance

Bouguer-Lambertův zákon

Kořeny pojmu absorbance jsou v Bouguerově zákoně (Bouguer-Lambertův zákon). Jak světlo prochází médiem, bude stmívat, protože je „vyhasnuto“. Bouguer uznal, že toto vyhynutí (nyní často nazývané útlum) nebylo lineární se vzdáleností uraženou médiem, ale souvisí s tím, co nyní označujeme jako exponenciální funkce. Pokud je intenzita světla na začátku cesty a je intenzitou světla detekovaného po ujetí vzdálenosti , je přenesená frakce dána vztahem:, kde se nazývá konstanta útlumu (termín používaný v různých oblastech kde je signál přenášen prostřednictvím média) nebo koeficientem. Množství přeneseného světla klesá exponenciálně se vzdáleností. Vezmeme-li (přirozený logaritmus) Napierian ve výše uvedené rovnici, dostaneme: . Pro rozptylujících prostředích, konstantní je často rozdělena na dvě části, , rozdělení na koeficientu rozptylu, a absorpční koeficient, získání: . ${\ displaystyle I_ {0}}$ ${\ displaystyle I_ {s}}$ ${\ displaystyle d}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle T = {\ frac {I_ {s}} {I_ {0}}} = exp (-\ mu d)}$ ${\ Displaystyle \ mu}$ ${\ displaystyle -ln (T) = ln {\ frac {I_ {0}} {I_ {s}}} = \ mu d}$ ${\ Displaystyle \ mu = \ mu _ {s}+\ mu _ {a}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {s}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {a}}$ ${\ displaystyle -ln (T) = ln {\ frac {I_ {0}} {I_ {s}}} = (\ mu _ {s}+\ mu _ {a}) d}$

Pokud je velikost detektoru velmi malá ve srovnání se vzdáleností, kterou světlo urazí, žádné světlo rozptýlené částicí, ať už dopředu nebo dozadu, na detektor nezasáhne. V takovém případě graf jako funkce vlnové délky poskytne superpozici účinků absorpce a rozptylu. Protože je absorpční část výraznější a má tendenci jezdit na pozadí rozptylové části, často se používá k identifikaci a kvantifikaci absorbujících druhů. V důsledku toho je toto často označováno jako absorpční spektroskopie a vynesená veličina se nazývá „absorbance“, symbolizovaná jako . Některé disciplíny podle konvence používají spíše dekadickou absorbanci než napieriánskou absorbanci, což má za následek: (s dolním indexem 10 obvykle není zobrazen). ${\ displaystyle -ln (T)}$ ${\ displaystyle \ mathrm {A}}$ ${\ Displaystyle \ mathrm {A} _ {10} = \ mu _ {10} d}$

Pivní zákon s nerozptýlenými vzorky

V homogenním médiu, jako je řešení, nedochází k rozptylu. V tomto případě, který rozsáhle zkoumal August Beer, má koncentrace absorbujících druhů stejnou lineární odezvu jako délka dráhy. Příspěvky jednotlivých absorbujících druhů jsou navíc aditivní. To je velmi příznivá situace a díky tomu je absorbance jako absorpční metrika mnohem výhodnější než absorpční frakce (absorbance). To je případ, pro který byl poprvé použit termín „absorbance“.

Běžný výraz Beerova zákona uvádí útlum světla v materiálu jako: kde je absorbance; je molární koeficient útlumu nebo absorpční schopnost oslabujících druhů; je délka optické dráhy; a je to koncentrace oslabujících druhů. ${\ Displaystyle \ mathrm {A} = \ varepsilon \ ell c}$ ${\ displaystyle \ mathrm {A}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon}$ ${\ displaystyle \ ell}$ ${\ displaystyle c}$

Absorbance pro rozptyl vzorků

U vzorků, které rozptylují světlo, je absorbance definována jako „negativní logaritmus jedné minusové absorbance (absorpční frakce:) , měřeno na rovnoměrném vzorku“. Pro dekadický absorbance, může být symbolizován jako: . Je-li vzorek oba vysílá a vymizí po světlo , a není luminiscenční, podíl absorbovaného světla ( ), úlevy ( ), a přenáší ( ) se přidá k 1, nebo: . Všimněte si, že , a vzorec může být zapsán jako: . Pro vzorek, který se nerozptýlí, a , přičemž se získá vzorec absorbance materiálu popsaný níže. ${\ Displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle \ mathrm {A} _ {10} =-log_ {10} (1- \ alpha)}$ ${\ Displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ Displaystyle \ alpha +R +T = 1}$ ${\ Displaystyle 1- \ alpha = R+T}$ ${\ displaystyle \ mathrm {A} _ {10} =-log_ {10} (R+T)}$ ${\ displaystyle R = 0}$ ${\ Displaystyle 1- \ alpha = T}$

I když je tato funkce absorbance velmi užitečná u rozptylových vzorků, funkce nemá stejné žádoucí vlastnosti jako pro nerozptylové vzorky. Existuje však vlastnost zvaná absorpční síla, kterou lze u těchto vzorků odhadnout. Pohlcování energie z jednoho jednotku tloušťky materiálu, které tvoří vzorek rozptylu je stejný jako absorbance stejné tloušťky materiálu v nepřítomnosti rozptylu.

Optika

V optice , absorbance nebo dekadický absorbance je logaritmus poměru incidentu přenášeného zářivý tok skrz materiál, a spektrální absorbance nebo spektrální dekadický absorbance je logaritmus poměru incidentu přenášeného spektrální zářivý tok skrz materiál. Absorbance je bezrozměrná a zejména není délkou, i když je to monotónně rostoucí funkce délky dráhy a blíží se nule, když se délka dráhy blíží nule. Použití termínu "optická hustota" pro absorbance se nedoporučuje.

Matematické definice

Absorpce materiálu

Absorbance materiálu, označený , je dána vztahem

{\ Displaystyle A = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {i}}} {\ Phi _ {\ text {e}}^{\ text { t}}}} =-\ log _ {10} T,}

kde

{\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {t}}}

je sálavý tok přenášený tímto materiálem,

{\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {i}}}

je sálavý tok přijímaný tímto materiálem,

{\ Displaystyle T = \ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {t}}/\ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {i}}}

je propustnost tohoto materiálu.

Absorbance je bezrozměrná veličina. Nicméně, absorbance jednotka nebo AU se běžně používá v ultrafialové-viditelné spektroskopie a její HPLC aplikace, často v odvozených jednotkách, jako jsou mili-absorbance jednotky (MAU) nebo Milli-absorbance jednotka minut (mAU x min) , jednotka absorbance integrovaná v průběhu času.

Absorbance souvisí s optickou hloubkou o

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

kde τ je optická hloubka.

Spektrální absorbance

Spektrální absorbance ve frekvenci a spektrální absorbance ve vlnové délce materiálu, označená A _ν a A _λ , jsou dána vztahem

{\ Displaystyle A _ {\ nu} = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {{\ \ text {e}}, \ nu}^{\ text {i}}} {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ nu}^{\ text {t}}}} =-\ log _ {10} T _ {\ nu},}

{\ Displaystyle A _ {\ lambda} = \ log _ {10} {\ frac {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ lambda}^{\ text {i}}} {\ Phi _ {{\ text {e}}, \ lambda}^{\ text {t}}}} =-\ log _ {10} T _ {\ lambda},}

kde

Φ _{e, ν}^t je spektrální zářivý tok ve frekvenci přenášené tímto materiálem,

Φ _{e, ν}ⁱ je spektrální zářivý tok ve frekvenci přijímané tímto materiálem,

T _ν je spektrální propustnost ve frekvenci tohoto materiálu,

Φ _{e, λ}^t je spektrální zářivý tok ve vlnové délce přenášený tímto materiálem,

Φ _{e, λ}ⁱ je spektrální zářivý tok ve vlnové délce přijímaný tímto materiálem,

T _λ je spektrální propustnost tohoto materiálu ve vlnových délkách .

Spektrální absorbance souvisí se spektrální optickou hloubkou o

{\ 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 \ ,,}

kde

τ _ν je spektrální optická hloubka frekvence,

τ _λ je spektrální optická hloubka ve vlnové délce.

Ačkoli je absorbance správně bez jednotky, někdy je uváděna v „jednotkách absorbance“ nebo AU. Mnoho lidí, včetně vědeckých výzkumníků, nesprávně uvádí výsledky experimentů měření absorbance ve smyslu těchto sestavených jednotek.

Vztah s útlumem

Útlum

Absorbance je číslo, které měří útlum přenášeného sálavého výkonu v materiálu. Útlum může být způsoben fyzickým procesem „absorpce“, ale také odrazem, rozptylem a dalšími fyzikálními procesy. Absorbance materiálu je přibližně stejná jako jeho útlum, když je absorbance mnohem menší než 1 a emise tohoto materiálu (nezaměňovat se sálavým výstupem nebo emisivitou ) je mnohem menší než absorbance. Vskutku,

{\ displaystyle \ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {t}}+\ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {att}} = \ Phi _ {\ text {e} }^{\ text {i}}+\ Phi _ {\ text {e}}^{\ text {e}},}

kde

Φ _e^t je zářivý výkon přenášený tímto materiálem,

Att _e^att je zářivá síla zeslabená tímto materiálem,

Φ _eⁱ je zářivá síla přijímaná tímto materiálem,

Φ _e^e je zářivý výkon vyzařovaný tímto materiálem,

což je ekvivalentní

{\ displaystyle T+{\ text {ATT}} = 1+E,}

kde

T = Φ _e^t /Φ _eⁱ je propustnost tohoto materiálu,

ATT = Φ _e^att /Φ _eⁱ je útlum tohoto materiálu,

E = Φ _e^e /Φ _eⁱ je emise tohoto materiálu,

a podle zákona Beer – Lambert , T = 10 ^−A , tak

{\ displaystyle {\ text {ATT}} = 1-10^{-A}+E \ cca A \ ln 10+E, \ quad {\ text {if}} \ A \ ll 1,}

a nakonec

{\ displaystyle {\ text {ATT}} \ cca A \ ln 10, \ quad {\ text {if}} \ E \ ll A.}

Součinitel útlumu

Absorbance materiálu také souvisí s jeho koeficientem dekadického útlumu o

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

kde

l je tloušťka materiálu, kterým světlo prochází,

a ( z ) je dekadický koeficient útlumu tohoto materiálu při z .

Je -li a ( z ) na dráze rovnoměrné, pak se říká, že útlum je lineární útlum a vztah se stává

{\ displaystyle A = al.}

Někdy je vztah dán pomocí molárního součinitele útlumu materiálu, tj. Jeho součinitele útlumu děleného jeho molární koncentrací :

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

kde

ε je molární koeficient útlumu tohoto materiálu,

c ( z ) je molární koncentrace tohoto materiálu při z .

Pokud je c ( z ) rovnoměrné podél cesty, vztah se stane

{\ Displaystyle A = \ varepsilon tř.}

Použití výrazu "molární absorpce" pro molární koeficient útlumu se nedoporučuje.

Měření

Logaritmická vs. přímo úměrná měření

Množství světla procházejícího materiálem se exponenciálně snižuje , když cestuje materiálem, podle Beer -Lambertova zákona (A = (ε) (l)). Protože je absorbance vzorku měřena jako logaritmus, je přímo úměrná tloušťce vzorku a koncentraci absorpčního materiálu ve vzorku. Některá další opatření související s absorpcí, jako je propustnost, se měří jako jednoduchý poměr, takže se exponenciálně mění s tloušťkou a koncentrací materiálu.

Absorbance: −log ₁₀ (Φ _e^t /Φ _eⁱ )	Propustnost: Φ _e^t /Φ _eⁱ
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

Rozsah měření přístroje

Jakýkoli skutečný měřicí přístroj má omezený rozsah, ve kterém může přesně měřit absorbance. Má -li být údajům důvěryhodný, musí být přístroj kalibrován a zkontrolován podle známých standardů. Mnoho nástrojů se stane nelineárními (nedodržují zákon Beer-Lambert) počínaje přibližně 2 AU (přenos ~ 1%). Je také obtížné přesně měřit velmi malé hodnoty absorbance (pod 10 - ⁴ ) pomocí komerčně dostupných nástrojů pro chemickou analýzu. V takových případech, laser na bázi absorpce techniky mohou být použity, protože bylo prokázáno, detekční limity, které nahrazují předpisy získat běžnými nástroji non-laser na bázi mnoha řádů (detekce byla prokázána celou cestu na 5 x 10 ^{- 13} ). Teoreticky nejlepší přesnosti pro většinu komerčně dostupných nástrojů, které nejsou založeny na laseru, je dosahováno v rozsahu blízko 1 AU. Délka dráhy nebo koncentrace by pak měla být, pokud je to možné, upravena tak, aby bylo dosaženo hodnot blízkých tomuto rozmezí.

Metoda měření

Obvykle se absorbance rozpuštěné látky měří pomocí absorpční spektroskopie . To zahrnuje zazáření světla roztokem a zaznamenání, kolik světla a jaké vlnové délky byly přeneseny na detektor. Pomocí těchto informací lze určit absorbované vlnové délky. Nejprve se provedou měření na "slepém vzorku" za použití pouze rozpouštědla pro referenční účely. To proto, aby byla známa absorbance rozpouštědla, a pak jakákoli změna absorbance při měření celého roztoku je provedena pouze sledovanou solutou. Poté se provedou měření roztoku. Vysílaný spektrální zářivý tok, který projde vzorkem roztoku, se měří a porovnává s dopadajícím spektrálním zářivým tokem. Jak je uvedeno výše, spektrální absorbance při dané vlnové délce je

{\ Displaystyle A _ {\ lambda} = \ log _ {10} \! \ left ({\ frac {\ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda}^{\ mathrm {i}}} {\ Phi _ {\ mathrm {e}, \ lambda}^{\ mathrm {t}}}} \ right) \ !.}

Spektrum absorbance je vyneseno do grafu absorbance vs. vlnová délka.

UV-Vis spektrofotometr bude dělat to všechno automaticky. Pro použití tohoto stroje jsou roztoky umístěny do malé kyvety a vloženy do držáku. Stroj je řízen počítačem a jakmile je "slepý", automaticky zobrazí absorbanci vynesenou proti vlnové délce. Získání spektra absorbance roztoku je užitečné pro stanovení koncentrace tohoto roztoku pomocí Beer -Lambertova zákona a používá se v HPLC .

Číslo odstínu

Některé filtry, zejména svařovací sklo, jsou hodnoceny číslem odstínu (SN), což je 7/3násobek absorbance plus jedna:

{\ displaystyle {\ text {SN}} = {\ frac {7} {3}} A+1,}

nebo

{\ displaystyle {\ text {SN}} = {\ frac {7} {3}} (-\ log _ {10} T) +1.}

Pokud má například filtr propustnost 0,1% (0,001 propustnost, což jsou 3 jednotky absorbance), jeho číslo odstínu by bylo 8.

Languages

In other projects