Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse

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1 Einleitung Polycyclische Aromaten treten als Begleiter des bei der Verbrennung entstehenden Rußes, z. B. beim Betrieb von Dieselfahrzeugen, auf. Da Substanzen aus dieser Stoffklasse stark cancerogen wirken, hat ihre Bestimmung erhebliche Bedeutung im Umweltschutz erlangt. Polycyclische Aromaten zeigen starke Absorptionsbanden im ultravioletten Spektralbereich (s. Photometrie). Daher wurden schon früh UV-Spektrometer zur quantitativen Bestimmung von Polyaromaten verwendet. Da sich die UV-Spektren dieser Substanzen beträchtlich überlappen, gelingt ihre photometrische Bestimmung mit dem Ansatz der simultanen Mehrkomponentenanalyse. Wegen der teilweise erheblichen Cancerogenität polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe und der benötigten Ausstattung mit UV-Spektrometern wird im Rahmen des Praktikums auf diese Bestimmung verzichtet. Kenntnisse des zugrunde liegenden Verfahrens, der simultanen Mehrkomponentenanalyse, soll aber mit unbedenklichen Substanzen im sichtbaren Spektralbereich erworben werden. Dazu wird eine Zweikomponentenanalyse mit Lebensmittelfarbstoffen durchgeführt. Als Beispiel werden in dieser Beschreibung die Farbstoffe Tartrazin und range II verwendet. Na + - S N N H - Na + N N S N N S Na Na + Tatrazin range II

2 Mehrkomponenten-Analyse: Die Additivität von Extinktionen ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Stoffe in einer Probenlösung, auch wenn deren Spektren sich bei den Messwellenlängen überschneiden. Zur Trennung der jedem Stoff zugehörigen Extinktionsanteile am Gesamtsignal benötigt man einen rechnerischen Ansatz, in dem entsprechend dem LAMBERT-BEER'schen Gesetz die unterschiedlichen Konzentrationen und Molarextinktionen der zu bestimmenden Komponenten berücksichtigt sind. Lösung bei den Wellenlängen λ u und λ v gemessen. Einzeln in getrennten Lösungen enthalten, liefern z.b. zwei Stoffe die Spektren bzw.. Sind beide Stoffe in einer Lösung gleichzeitig enthalten, so misst man das additive Spektrum +. Um die Konzenration beider Stoffe zu ermitteln, werden die Extinktionen der Die von Stoff gelieferten Extinktionsanteile bei beiden Wellenlängen sind bestimmt durch ε, c, d., ε u v Die entsprechenden Größen für die Extinktionsanteile von Stoff sind ε, ε, c, d. u v

3 3 Das LAMBERT-BEER'sche Gesetz gilt bei jeder Wellenlänge: Bei λ u : Aλ = A + A u u. u v v. v Bei λ v : Aλ = A + A Damit ist Aλ = ε c d c d u + ε u u und Aλ = ε c d + ε c d v v v. Da alle ε-werte Stoffkonstanten sind, kann man ε u und ε v aus dem Spektrum einer Lösung des reinen Stoffes von bekannter Konzentration ermitteln. Das gleiche gilt entsprechend für die Molarextinktionen ε u und ε v des Stoffes. Da die Schichtdicke d der Küvette bekannt ist, enthalten die Gleichungen als Unbekannte nur noch die Messgrößen Aλ und A u λ sowie die zu bestimmenden Konzentrationen c und c v. Enthält eine Lösung n verschiedene Stoffe mit Spektren, die sich teilweise überschneiden, so sind zur Berechnung der Konzentrationen n Ansätze des LAMBERT-BEER'schen Gesetzes erforderlich, was zu einem System von n Gleichungen mit maximal n Unbekannten führt. Die Messwellenlängen müssen dabei nicht mit den Absorptionsmaxima übereinstimmen; man optimiert vielmehr unter den Gesichtspunkten einer möglichst geringen gegenseitigen Überlappung der Spektren und einer hohen analytischen Messgenauigkeit. Bei sich überschneidenden Spektren von Komponenten und Messung an Wellenlängen, werden die Konzentrationen der beiden Komponenten nach den beiden folgenden Gleichungen ermittelt (für Schichtdicke d= cm). c Aε = ε ε Aε ε ε c Aε = ε ε Aε ε ε. Indize Stoff bzw. Stoff. Indize Wellenlänge bzw Wellenlänge Beispiel: ε = ε von Stoff bei Wellenlänge

4 4 Praktikumsaufgabe Es soll der Gehalt einer Probenlösung an Farbstoff und Farbstoff photometrisch bestimmt werden. Als Praktikumsgerät dient ein Spectrophotometer Modell Nanocolor UV/VIS der Firma Macherey-Nagel. Alle Funktionen für die Messungen lassen sich über den Touchscreen einstellen. Wegen der kleinen Abbildung wird die Auswertung nicht über den Touchscreen durchgeführt, sondern eine entsprechende Software verwendet. Die Funktion der Software wird von den Versuchsleitern erklärt.

5 5 Arbeitsanleitung Geräteliste: Photometer Nanocolor UV/VIS Schnappdeckelgläser Küvetten, d= cm Eppendorfpipetten Eichlösungen: Stammlösung von Farbstoff in Wasser (c = mg L - ) Stammlösung von Farbstoff in Wasser (c = mg L - ) Tridestilliertes Wasser Arbeitsvorschrift:. Vergleichsküvette mit Lösungsmittel (Wasser) füllen.. Küvette nach Pipettierplan mit den Farbstoffen füllen. 3. Ausfüllen des Formulars für den Wellenlängenscan für den Farbstoff. (Angaben werden von den Versuchsleitern mitgeteilt) Wellenlängenbereich: min. 300 nm, max. 800 nm 3. Den Anweisungen auf den Computerbildschirm folgen 3. Mit dem Koordinatencursor die Wellenlänge beim Maximum des Scans ermitteln. Den Wert notieren. 3.3 Scan speichern. 3.4 Scan nach Excel exportieren. 4. Punkt 3 für Farbstoff wiederholen. 5. Addition beider Scans durchführen. Speichern und nach Excel exportieren. 6. Die Extinktionen der Reinfarbstoffe und Probenlösungen bei den ermittelten Messwellenlängen bestimmen.

6 6 Auswertung (Beispiel: Tatrazin range II) Für die Bestimmung der Konzentration c und c beider Substanzen ist folgendes Gleichungssystem zu lösen: A A = ε = ε c c d + ε d + ε c c d d Die Indices werden zugeordnet: Substanz Tatrazin Substanz range II Wellenlänge 47 nm Wellenlänge 485 nm. Die Molarextinktionen ε, ε, ε, ε werden aus den Extinktionen der zwei Eichlösungen berechnet: MG Tartrazin 535,37 g mol - MG rangeii 350,33 g mol -. E x t i n k t i o n, 0,8 0,6 0,4 0, range II Tatrazin nm Reinspektren von Tatrazin (,7647 mg/l) und range II (,7647 mg/l), Schichtdicke = cm

7 7 Simultananalyse - Beispiel Stammlösungen Tatrazin mg/l 80 range II mg/l 80 Kalibrierung mit Reinkomponenten Tatrazin µl 400 Tatrazin mg/l range II µl range II mg/l A (Tatrazin, 47) A (Tatrazin, 485) A (range II, 47) A (range II, 485) 9, ,48 0,455 0,098 0,58 0,585 e L/mg cm 0,050 0,00 0,07 0,056 Analysenmischungen Tatrazin µl range II µl c (Tatrazin, ber.) mg/l c (range II, ber.) mg/l A (47) A (485) c (Tatrazin, gem.) mg/l c (range II, gem.) mg/l Simultananalyse - Eigene Messungen: Messdaten und Rechenergebnisse in zugehörige Zellen eintragen! Stammlösungen Tatrazin mg/l range II mg/l Kalibrierung mit Reinkomponenten Tatrazin µl 400 Tatrazin mg/l range II µl range II mg/l A (Tatrazin, 47) A (Tatrazin, 485) A (range II, 47) A (range II, 485), Analysenmischungen Tatrazin µl range II µl c (Tatrazin, ber.) mg/l c (range II, ber.) mg/l A (47) e L/mg cm A (485) c (Tatrazin, gem.) mg/l c (range II, gem.) mg/l ,7059 4,7059 0,400 0,370 5,456 5, ,359 7,0588 0,300 0,450,3336 6, ,0588,359 0,430 0,50 7,6059,

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