4.2 Absorption - DGZfP

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
PASSAU
Bau und Programmierung
eines Spektralphotometers
Stephan Nüßlein
Schule:
Tassilo Gymnasium
Simbach
Jugend forscht 2012

1. Inhaltsverzeichnis
1. Inhaltsverzeichnis
2. Kurzfassung
3. Einleitung
4. Grundlagen
4.1 Optik
4.1.1 Licht
4.1.2 Optisches Gitter
4.2 Absorption
4.2.1 Anorganische Stoffe
4.2.2 Organische Stoffe
4.3 Extinktion
5. Versuchsaufbau
5.1 Aufbau
5.2 Optik
5.3 Farbtrennung
5.4 Elektronik
5.5 Platinen
5.6 Programme
6. Ergebnisse
7. Diskussion
5.6.1 Computer
8. Literaturverzeichnis
5.6.2 Mikrocontroller
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2. Kurzfassung
Die Photometrie ist ein Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse von
Stoffen in Lösungen. Sie beruht darauf, dass Licht beim Durchgang durch eine
Substanz teilweise absorbiert wird. Photometer messen, wie viel Licht beim
Durchgang durch eine Probe absorbiert wird.
Bei den meisten Photometern kann man beim verwendeten Licht nur zwischen
wenigen Farben auswählen (z.B. rot, grün, blau). Diese Methode hat den Nachteil,
dass man kein Absorptionsspektrum aufnehmen kann. Spektralphotometer, mit
denen man alle Farben des Spektrums einzeln messen kann, haben größere
Einsatzmöglichkeiten. Sie sind aber sehr teuer, weil sie kompliziert aufgebaut sind.
Deshalb entschied sich Stephan Nüßlein, selbst ein günstiges Spektralphotometer zu
bauen. Um dies zu erreichen, schickt er das von einer Linse gebündelte Licht einer
Lampe durch eine Küvette, die die Probe enthält. Es wird ein Stück DVD als optisches
Gitter verwendet, um das hindurchdringende Licht in die verschiedenen Farben
aufzuspalten. Die DVD ist so montiert, dass sie über einen Schrittmotor gedreht
werden kann, wodurch immer ein anderer Teil des Spektrums an einem Licht­
Spannungs­Wandler ankommt. Die Steuerung übernimmt ein in C programmierter
Mikrocontroller, der mit einem eigenem Computerprogramm über die serielle
Schnittstelle kommuniziert. Dies hat den Vorteil, dass man die großen Datenmengen,
die bei den Messungen entstehen, sofort weiterverarbeiten kann.
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3. Einleitung
Viele chemische Analysen, z.B. der Nachweis von Kupfer, sind einfach und schnell mit
Hilfe eines Photometers möglich. Bei den meisten Photometern wird einfarbiges Licht
zur Messung verwendet, wobei man meistens nur zwischen mehreren verschiedenen
Farben (z. B. rot, grün, blau) wählen kann. Dies verringert die Anwendungsmöglich­
keiten, weil man keine Absorptionsspektren von Stoffen aufnehmen kann.
Photometer, mit denen man alle Farben des Spektrums einzeln messen kann, haben
größere Einsatzmöglichkeiten. Diese helfen u.a. bei der Identifizierung und der
Aufklärung von Strukturen chemischer Stoffe. Sie sind aber sehr aufwändig gebaut
und deshalb sehr teuer. Das vorliegende Gerät ist im Vergleich dazu sehr einfach
aufgebaut.
Um das Gerät möglichst effizient einzusetzen, verwende ich einen Mikrocontroller in
Kombination mit einem PC. Dadurch kann ich fast alle Vorgänge in dem Photometer
automatisch durchführen. Zusätzlich kann man mit einem Computer die großen
Datenmengen, die bei Analysen entstehen, einfach verarbeiten.
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4. Grundlagen
4.1 Optik
Aus dem Bereich der Optik sind die Grundlagen über Licht und optische Gitter für das
Verständnis der Arbeit notwendig.
4.1.1 Licht
Licht sind elektromagnetische Wellen. Die verschiedenen Farben entstehen durch die
unterschiedlichen Wellenlängen. Aus dem Spektrum der elektromagnetischen Wellen
können Menschen nur einen kleinen Bereich zwischen ca. 400 und 800 nm
Wellenlänge sehen. Daneben gibt es noch die � ­Strahlen, Röntgenstrahlen,
ultraviolettes Licht (UV), infrarotes Licht (IR) und elektrische Wellen.
�
­Strahlen
10 ­12
Röntgenstrahlung
Sichtbares
UV
Licht
IR
10 ­9
Das Elektromagnetische Spektrum
Wenn man den sichtbaren Bereich weiter zerlegt, erhält man die Spektralfarben
violett (380­435 nm), blau (435­490 nm), grün (490­560 nm), gelb (560­595 nm),
orange (595­650 nm), rot (650­750 nm).
10 ­6 10 ­3
Es gibt für alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums passende Nachweis­
geräte. In dieser Arbeit wird ein Spektralphotometer für sichtbares Licht gebaut.
4
Elektrische Wellen
Wellenlänge � in m

4.1.2 Optisches Gitter
Licht wird aufgrund seiner Wellennatur an einem Spalt, dessen Breite kleiner ist als die
Wellenlänge, gebeugt.
Ein optisches Gitter besteht aus vielen solcher Spalten, das gebeugte Licht interferiert
und erzeugt für jede Wellenlänge eigene Minima und Maxima.
Maxima erhält man, wenn sich die Wellen nicht gegenseitig auslöschen, sondern sich
gegenseitig verstärken. Das ist gegeben wenn die Formel
erfüllt ist. Dabei ist λ die Wellenlänge des Lichts, n die Beugungsordnung und
Δ s der Gangunterschied der Wellen. Die Beugungsordnung kann jede beliebige
natürliche Zahl sein. Jedoch nimmt die Intensität des Spektrums mit steigender
Beugungsordnung ab. Das Spektrum wird auch durch die Spaltbreite B und den
Spaltabstand d beeinflusst.
Beugung von Wellen am Spalt
�
d B
Beugung am optischen Gitter
α
Δ s=n∗λ
5
Δ s

4.2 Absorption
Absorption ist die Abschwächung einer Wellenstrahlung beim Durchdringen von
Materie. Die Energie der absorbierten Strahlung wird dabei in eine andere Form, z.B.
in Wärme, umgewandelt. Die Absorption in einem bestimmten Lösungsmittel ist
spezifisch für eine bestimmte Substanz in einer bestimmten Konzentration.
4.2.1 Anorganische Stoffe
Viele anorganische Stoffe absorbieren sichtbares Licht sehr schwach oder nicht. Nur
farbige Metallsalze sind direkt nachweisbar. Ein Beispiel dafür sind Kupfersalze. Man
kann allgemein sagen, dass Metallsalze farbig sind, deren Metallionen unausgefüllte
innere Elektronenschalen haben. Man findet solche bei den Übergangselementen (d­
Orbitale), bei den Lanthanoiden (4f­Orbitale) und den Actinoiden (5f­Orbitale). Die
Lichtabsorption führt dazu, dass ein Elektron von einem energetisch niedrigeren in ein
unbesetztes höheres Niveau innerhalb des Orbitales gehoben wird. Die Übergänge
werden auch vom Lösungsmittel beeinflusst.
4.2.2 Organische Stoffe
Damit organische Stoffe im sichtbaren (400­800nm) oder UV (200­400nm)­Bereich
des Lichtes absorbieren, müssen sie Strukturelemente mit delokalisierbaren
Elektronen enthalten (wie z.B. Chromophore oder Auxochrome). Je geringer die
Delokalisationsenergie ist, umso weiter verschiebt sich das Absorptionsmaximum in
den langwelligeren Bereich.
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4.3 Extinktion
Die Extinktion ist ein (von der Wellenlänge abhängiges) Maß für die Absorption von
Licht beim Durchgang durch eine absorbierende Substanz. Die Extinktion kann mit
dem Lambert­Beer'schen Gesetz errechnet werden.
E �
I 1
I 0
Extinktion (nach DIN: spektrales dekadisches Absorptionsmaß)
Intensität des nicht absorbierten Lichtes
Intensität des eingestrahlten Lichtes
c Konzentration der absorbierenden Substanz in der Flüssigkeit (in mol dm -3
� �
oder mol l ­1
Skizze
dekadischer Extinktionskoeffizient bei der Wellenlänge �
. Er ist eine für die
absorbierenden Substanz spezifische Größe
d Schichtdicke der Probe
Eλ =log( I 0
)=ελ∗c∗d I 1
I 0
I 21
Mit dieser Formel kann man, wenn alle sonstigen Größen bekannt sind, die
Konzentration errechnen, z. B. die Konzentration von Kupferionen in Wasser.
d
7
d
I 1
I 1

5. Versuchsaufbau
5.1 Aufbau
Das Licht einer Halogenlampe wird von einer Sammellinse gebündelt und durch eine
Küvette mit der Probe und zwei Blenden geschickt. Danach wird es bei der Reflexion
an einer drehbar gelagerten DVD in die verschiedenen Farben aufgeteilt. Durch die
Drehung trifft immer ein bestimmter Teil des Spektrums auf einen Licht­Spannungs­
Wandler auf. Über ein Programm am PC kann mithilfe eines Mikrocontrollers der
gewünschte Spektralbereich angesteuert werden und die am Licht­Spannungs­
Wandler ankommende Lichtmenge gemessen werden.
Schematischer Aufbau des Spektralphotometers
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind eine Verpolungschutzplatine für die
Spannungsversorgung, eine Platine mit Status­LEDs und einige Kabel nicht
eingezeichnet.
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Verpolungschutz
Licht­Spannungs­
Schneckenrad Wandler Blenden
LED­Platine
Bild des Photometers von innen
Auf dem Bild sieht man wie das Photometer von innen und ohne Zwischendecken
oder Abschirmungen aussieht. Außerdem habe ich die Hauptplatine entfernt, die
sonst auf einer Zwischendecke über der Lampe steht. Die breiten Kabel, die aus dem
Bild hinausgehen, sind die mehradrigen Kabel von der Hauptplatine zu den anderen
Teilen des Gerätes.
Schrittmotor
DVD Küvette
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Verteiler
Linse Relaisplatine Lampe
Schrittmotor­
Platine

5.2 Optik
Als Lichtquelle wird eine Halogenlampe verwendet, weil sie im Gegensatz zu LEDs
und Leuchtstoffröhren ein durchgehendes Spektrum hat. Das Licht wird von einer
Sammellinse gebündelt. Die Linse wird benötigt, um eine größere Lichtstärke zu
erreichen. Eine stärkere Lampe hätte den Nachteil, dass sie das Gerät unnötig
erwärmen würde, wodurch sich die Widerstände der Drähte und das Verhalten des
Sensors verändern würden. Danach geht das Licht durch die Küvette, die aufgrund der
Krümmung das Licht zusätzlich weiter fokussiert. Außerdem läuft der Lichtstrahl durch
zwei Blenden. Diese bewirken nicht nur, dass man ein eng fokussiertes Lichtbündel
hat, sondern filtern auch das Streulicht, das sonst die Messung verfälschen würde.
Diese Effekte benötigt man, um ein scharfes und kontrastreiches Spektrum zu
erhalten.
5.3 Farbtrennung
Um die Farben zu trennen, verwende ich ein Stück einer DVD als Reflexionsgitter.
Dieses ist auf einem drehbaren Schneckenrad montiert. Das Licht wird von dem
Reflexionsgitter aufgespalten. Der Licht­Spannungs­Wandler als Lichtempfänger ist
fest montiert. Mit einem Schrittmotor kann man über die Rotation des Schneckenrades
die DVD schwenken. Dabei wird das Spektrum „bewegt“ und man kann mit dem Licht­
Spannungs­Wandler die Lichtintensität in allen Bereichen des sichtbaren Lichtes
messen.
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5.4 Elektronik
Zur Steuerung verwende ich den Mikrocontroller ATMEGA 32 der Firma ATMEL der
über einen USB­Seriell­Wandler der Firma FTDI mit dem Computer verbunden ist. Zur
Messung verwende ich einen Licht­Spannungs­Wandler, dessen Ausgangsspannung
direkt proportional zur Lichtintensität ist. Der Licht­Spannungs­Wandler ist direkt mit
dem AD­Wandler des Mikrocontrollers verbunden. Da die Empfindlichkeit des Sensors
stark von der Wellenlänge abhängt, schwankt die Ausgangsspannung selbst ohne
Absorption sehr stark. Deswegen hatte ich Probleme in allen Bereichen des
Spektrums eine hohe Genauigkeit zu erreichen, was ich aber durch eine Schaltung
lösen konnte, die die Referenzspannung (die Spannung, bei der der AD­Wandler den
maximalen Wert misst) softwaregesteuert verändert. Das Gerät versorge ich über zwei
Labornetzgeräte mit Strom, da ein Netzgerät die notwendige Leistung für die Lampe
gerade noch erreicht und der Schrittmotor auch viel Strom verbraucht.
5.5 Platinen
Die Hauptplatine ist eine Experimentierplatine der Firma Olimex mit einem USB­
Seriell­Wandler, die mit einem ATMEGA 32 bestückt ist. Auf die Platine habe ich einige
Stecker und kleinere Schaltungen gelötet.
Die Schrittmotorplatine ist eine selbst entwickelte, geätzte und gelötete Platine mit
dem Schrittmotorcontroller L297 und dem Lastcontroller L298, mit der ich den
Schrittmotor mit dem ATMEGA 32 steuern kann.
Die Relaisplatine ist eine einfache selbst gelötete Platine mit zwei Relais, die ich zum
Ein­ und Ausschalten der Lampe verwende.
Der Verteiler ist ein Adapter zwischen dem mehradrigen Kabel von der Hauptplatine
zu den einadrigen Kabeln zu anderen Teilen im Gerät, wie z.B. zum Licht­Spannungs­
Wandler.
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5.6 Programme
Die Programme zur Steuerung für den Computer und den Mikrocontroller habe ich in
der Programmiersprache C geschrieben.
5.6.1 Computer
Für mein in C geschriebenes Programm auf dem OS Ubuntu­Linux verwende ich für
die grafische Oberfläche den Gimp Toolkit(GTK+). Die serielle Schnittstelle lässt sich
unter Linux wie ein ganz normale Datei verwenden. Das Programm sendet dem
Mikrocontroller über die serielle Schnittstelle den Befehl zu messen und es empfängt
und verarbeitet die ankommenden Werte. Jetzt zeige ich die Messwerte nicht direkt in
meinem Programm an, sondern habe das Programm Gnuplot so eingestellt, dass es
die Werte als Graph anzeigt.
Screenshot meines Programms
5.6.2 Mikrocontroller
Der Mikrocontroller ist das Verbindungsstück zwischen dem PC und den übrigen
Bauteilen des Photometers. Er wird benötigt für die Weitergabe von Befehlen und
Messwerten. Ich verwende den Mikrocontroller Atmega 32 der Firma Atmel. Sobald
der Mikrocontroller den Befehl zu messen empfängt, bewegt er die DVD über den
Schrittmotor in die richtige Position, misst die Ausgangsspannung des Licht­
Spannungs­Wandler mehrfach, bildet daraus den Mittelwert und schickt diesen an den
Computer. Dies wiederholt er, bis das Spektrum vollständig gemessen ist.
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6. Ergebnisse
Extinktion
Hier sieht man die Ergebnisse von Messungen mit Kupfersulfatlösungen mit
verschiedenen Konzentrationen.
Exrinktion
2,5
1,5
1
0,5
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-0,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
3
2
Extinktion von Kupfersulfat
Wellenlänge [ nm ]
Extinktion bei 650nm
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Konzentration [mol/l]
In diesem Diagramm ist die Extinktion bei 650nm gegen die Konzentration
aufgetragen. Mann kann erkennen, dass das Photometer bis zu einer Extinktion von
ca. 2 linear misst. Nach Angaben in der Literatur sollte man ab Werten von ungefähr 2
keine Messungen mehr durchführen, da sie zu ungenau werden.
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0,015 mol/l
0,031 mol/l
0,062 mol/l
0,125 mol/l
0,25 mol/l
0,5 mol/l
Messwerte

7. Diskussion
Bisher kann das Programm die Werte nur als Zahlen in eine Datei schreiben und am
Terminal ausgeben. Für Diagramme muss man noch andere Programme wie
Tabellenkalkulationssysteme verwenden. Später kann ich vielleicht ein Programm
schreiben, welches das Absorptionsspektrum direkt als Graphik anzeigt. Man könnte
auch noch einige Auswertungsfunktionen schreiben.
Außerdem könnte man eine Durchlaufküvette für die Chromatographie bauen und ein
dazugehöriges Programm schreiben.
8. Literaturverzeichnis:
Fleischmann, Rudolf: Einführung in die Physik, Weinheim 1980
Lehrstuhl für Allgemeine Chemie und Biochemie der technischen Universität
München: Diapositive zur Vorlesung Experimentalchemie II organische Chemie und
Einführung in die Biochemie, Freising 1987
Dr. Katja Bammel, Carsten Heinisch, Dr. Gunnar Rados: GEO Themenlexikon
Naturwissenschaften und Technik , Mannheim 2007
Werner, Kreische: Physik eine Einführungsvorlesung, Erlangen 1980
http://www.ruhr­uni­bochum.de/prak­ncdf05/UTRM/Versuche/Dokumente/
7_Photometrie.pdf: 21 Jan 2011, Photometrie
http://download.bildung.hessen.de/lakk/afl/beruf/berufsfeldforen/BF_07_Chemie__Phy
sik__Biologie/AGs/ChemLab/Mat_Lab/ProtMeth/Einfuehrung_Fotometer.pdf:
21 Jan 2011, Einführung in die Fotometrie
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