PASSAU. Bau und Programmierung eines Spektralphotometers. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht.

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

2 1. Inhaltsverzeichnis Seite 1 1. Inhaltsverzeichnis 2. Kurzfassung 2 3. Einleitung 3 4. Grundlagen Optik Licht Optisches Gitter Absorption Anorganische Stoffe Organische Stoffe Extinktion 7 5. Versuchsaufbau Aufbau Optik Farbtrennung Elektronik Platinen Programme Computer Mikrocontroller Ergebnisse Diskussion Literaturverzeichnis 14 1

3 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 Spannungs Wandler 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. 2

4 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. 3

5 4. Grundlagen 4.1 Optik Aus dem Bereich der Optik sind die Grundlagen über Licht und optische Gitter für das Verständnis der Arbeit notwendig 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. Elektrische Wellen Röntgenstrahlung Sichtbares UV Licht Strahlen IR 10 3 Wellenlänge in m Das Elektromagnetische Spektrum Wenn man den sichtbaren Bereich weiter zerlegt, erhält man die Spektralfarben violett ( nm), blau ( nm), grün ( nm), gelb ( nm), orange ( nm), rot ( nm). Es gibt für alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums passende Nachweis geräte. In dieser Arbeit wird ein Spektralphotometer für sichtbares Licht gebaut. 4

6 4.1.2 Optisches Gitter Licht wird aufgrund seiner Wellennatur an einem Spalt, dessen Breite kleiner ist als die Wellenlänge, gebeugt. Beugung von Wellen am Spalt Ein optisches Gitter besteht aus vielen solcher Spalten, das gebeugte Licht interferiert und erzeugt für jede Wellenlänge eigene Minima und Maxima. B d α Δs Beugung am optischen Gitter Maxima erhält man, wenn sich die Wellen nicht gegenseitig auslöschen, sondern sich gegenseitig verstärken. Das ist gegeben wenn die Formel Δ s=n λ 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. 5

7 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 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 (4f Orbitale) und den Actinoiden (5f Orbitale). 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 Organische Stoffe Damit organische Stoffe im sichtbaren ( nm) oder UV ( nm) 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. 6

8 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 Lambert Beer'schen Gesetz errechnet werden. Eλ =log( I0 )=ελ c d I1 I1 I0 I21 d d I1 Skizze E Extinktion (nach DIN: spektrales dekadisches Absorptionsmaß) I1 Intensität des nicht absorbierten Lichtes I0 Intensität des eingestrahlten Lichtes c Konzentration der absorbierenden Substanz in der Flüssigkeit (in mol dm-3 oder mol l 1 dekadischer Extinktionskoeffizient bei der Wellenlänge. Er ist eine für die absorbierenden Substanz spezifische Größe d Schichtdicke der Probe Mit dieser Formel kann man, wenn alle sonstigen Größen bekannt sind, die Konzentration errechnen, z. B. die Konzentration von Kupferionen in Wasser. 7

9 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 Licht Spannungs Wandler auf. Über ein Programm am PC kann mithilfe eines Mikrocontrollers der gewünschte Spektralbereich angesteuert werden und die am Licht Spannungs Wandler ankommende Lichtmenge gemessen werden. Schematischer Aufbau des Spektralphotometers Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind eine Verpolungschutzplatine für die Spannungsversorgung, eine Platine mit Status LEDs und einige Kabel nicht eingezeichnet. 8

10 Verpolungschutz Licht Spannungs Blenden Schneckenrad Wandler LED Platine Schrittmotor DVD Küvette Linse Verteiler Relaisplatine Lampe Schrittmotor Platine 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. 9

11 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 Licht Spannungs Wandler 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 Spannungs Wandler die Lichtintensität in allen Bereichen des sichtbaren Lichtes messen. 10

12 5.4 Elektronik Zur Steuerung verwende ich den Mikrocontroller ATMEGA 32 der Firma ATMEL der über einen USB Seriell Wandler der Firma FTDI mit dem Computer verbunden ist. Zur Messung verwende ich einen Licht Spannungs Wandler, dessen Ausgangsspannung direkt proportional zur Lichtintensität ist. Der Licht Spannungs Wandler ist direkt mit dem AD Wandler 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 AD Wandler 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 Seriell Wandler, 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 Licht Spannungs Wandler. 11

13 5.6 Programme Die Programme zur Steuerung für den Computer und den Mikrocontroller habe ich in der Programmiersprache C geschrieben Computer Für mein in C geschriebenes Programm auf dem OS Ubuntu Linux 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 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 Spannungs Wandler mehrfach, bildet daraus den Mittelwert und schickt diesen an den Computer. Dies wiederholt er, bis das Spektrum vollständig gemessen ist. 12

14 6. Ergebnisse Extinktion von Kupfersulfat 3 2,5 0,015 mol/l 0,031 mol/l 0,062 mol/l 0,125 mol/l 0,25 mol/l 0,5 mol/l Extinktion 2 1,5 1 0, ,5 Wellenlänge [ nm ] Hier sieht man die Ergebnisse von Messungen mit Kupfersulfatlösungen mit verschiedenen Konzentrationen. Extinktion bei 650nm 4 3,5 Exrinktion 3 2,5 Messwerte 2 1,5 1 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. 13

15 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 uni bochum.de/prak ncdf05/utrm/versuche/dokumente/ 7_Photometrie.pdf: 21 Jan 2011, Photometrie Phy sik Biologie/AGs/ChemLab/Mat_Lab/ProtMeth/Einfuehrung_Fotometer.pdf: 21 Jan 2011, Einführung in die Fotometrie 14