8. Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse

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1 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse 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 den Farbstoffen Tartrazin und range II durchgeführt. Na + - S N N H - Na + N N S N N S Na Na + Tatrazin range II

2 90 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse 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. A + u v Abb.: 3 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 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse 9 Das LAMBERT-BEER'sche Gesetz gilt bei jeder Wellenlänge: Bei λ u : Aλ = A + A u u. u Bei λ v : Aλ A A v + v. v Damit ist Aλ = ε c d u ε u + u c d 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 9 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse Praktikumsaufgabe Es soll der Gehalt einer Probenlösung an Tatrazin und range II photometrisch bestimmt werden. Als Praktikumsgerät dient ein Spectrophotometer Modell Genesis 0 der Firma Spectronic Unicam ABS % T 6 7 UTILITY 8 PRINT Abb.: 4 Messgerät

5 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse 93 Anzeige 0-Zeichen, zweizeilige LCD-Anzeige SoftKey 3 SoftKey 4 Bildlauftaste Werden verwendet, um Menüs durchzusuchen und numerische Werte einzugeben 5 Wellenlängeneinstellung Damit wird die Wellenlängeneinstellung erhöht oder erniedrigt 6 0 Abs/% T Stellt das Gerät automatisch auf Null-Absorption (bzw. % T) ein. 7 A/T/C Schaltet zwischen Absorption-, %Transmissionsund Konzentrationsmodus hin und her. 8 Sonderfunktionen 9 Drucken Die zur Durchführung der Praktikumsaufgabe benötigten Schalter sind durch Unterstreichen gekennzeichnet. Die Einstellung erfolgt wie nachfolgend beschrieben:. Einschalten des Gerätes und dann 30 Min warten. Durch Betätigung der Taste 7 auf %T einstellen. 3. Mit der Taste 5 die Wellenlänge einstellen.

6 94 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse Arbeitsanleitung Geräteliste: Eichlösungen: Photometer Messkolben Küvetten, d= cm Eppendorfpipetten Stammlösung von Tatrazin in Wasser Stammlösung von range II in Wasser Arbeitsvorschrift:. Vergleichsküvette mit Lösungsmittel (Wasser) füllen.. Probenküvette mit Tatrazin-Eichlösung füllen. 3. Einstellen der Messparameter; Extinktionsmessungen 3. Einstellen der Messwellenlänge 47 nm 3. Vergleichsküvette in den Strahlengang schieben. 3.3 Nullabgleich durchführen. 3.4 Probenküvette in den Strahlengang schieben. 3.5 Extinktion messen. 3.6 Extinktion bei der Messwellenlänge (485 nm, siehe beigefügte Spektren) bestimmen. Dazu die Arbeitsschritte 3. bis 3.5 wiederholen. 4. Probenküvette mit range II-Eichlösung füllen. 5. Extinktionen bei beiden Messwellenlängen bestimmen. 6. Probenküvette mit der Analysenlösung füllen. 7. Extinktionen bei beiden Messwellenlängen bestimmen.

7 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse 95 Auswertung 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 -. Extinktion 0,4 0,3 Tartrazin range II 0, 0, nm Reinspektren von Tatrazin (6,5 mg/l) und range II (4,4 mg/l), Schichtdicke = cm

8 96 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse Simultananalyse - Beispiel: Stammlösungen Tatrazin mg/l range II mg/l Kalibrierung mit Reinkomponenten Tatrazin µl 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 9,48 0,455 0,098 0,58 0,585 e L/mg cm 0,048 0,00 0,07 0,06 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 ,7059 4,7059 0, 0,370 5,456 5,0599 Simultananalyse - Eigene Messungen: Messdaten und Rechenergebnisse in zugehörige Zellen eintragen! Stammlösungen Tatrazin mg/l range II mg/l Kalibrierung mit Reinkomponenten Tatrazin µl Tatrazin mg/l,7647 range II µl range II mg/l A (Tatrazin, 47) A (Tatrazin, 485) A (range II, 47) A (range II, 485) e L/mg cm 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 00 00,359 7,0588 0, 0,450,3336 6, ,0588,359 0,430 0,50 7,6059,3458 3

9 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse 97 Vorbereitung der Messküvetten Tatrazin µl range II µl Wasser µl Leerprobe 0 0-0µl Kalibrierung T 0-0µl Kalibriering 0-0µl Probe µl Probe - 0µl Probe 3-0µl

10 98 Simultane UV/VIS-Zweikomponentenanalyse