Φασµατοφωτοµετρία είναι η τεχνική στην οποία χρησιµοποιείται φως για τη µέτρηση

Transcript

1 Φασµατοφωτοµετρία είναι η τεχνική στην οποία χρησιµοποιείται φως για τη µέτρηση της συγκέντρωσης χηµικών ουσιών. Η διαδικασία που βασίζεται στην απορρόφηση ορατής ακτινοβολίας ονοµάζεται χρωµατοµετρία. Η εργασία µε τις περισσότερες ετεροαναφορές µεταξύ 1945 και 1999 στο περιοδικό Analytical Chemistry είναι η χρωµατοµετρική µέθοδος µε την οποία οι βιοχηµικοί µετρούν τα σάκχαρα. 4 ªÂÙ ÙËÓ Ó Î Ï Ë ÙË «ÙÚ apple» ÙÔ fi ÔÓÙÔ ÛÙËÓ ÓÙ ÚÎÙÈÎ, ÙÔ 1985, Ë ËÌÈÎfi ÙË ÙÌfiÛÊ ÈÚ Susan Solomon ËÁ ıëîâ ÙË appleúòùë ÂÈ ÈÎ Û Â È ÛÌ ÓË ÂÎÛÙÚ Ù ÁÈ ÙËÓ appleú ÁÌ ÙÔappleÔ ËÛË ËÌÈÎÒÓ ÌÂ- ÙÚ ÛÂˆÓ ÛÙËÓ ÙÌfiÛÊ ÈÚ ÙË ÓÙ ÚÎÙÈÎ ÙÔ 1986, ÚËÛÈÌÔappleÔÈÒÓÙ Ìapple ÏfiÓÈ Î È Âapple ÁÂÈ Ê ÛÌ ÙÔÛÎÔapple. appleôûùôï Ó Î Ï Â fiùè Ë Ì ˆÛË ÙÔ fi ÔÓÙÔ ÂÌÊ ÓÈ fiù Ó ÛÙÔ applefiïô ÌÂÙ ÙËÓ Ó ÙÔÏ ÙÔ ËÏ Ô Î È fiùè ÔÈ Û ÁÎÂÓÙÚÒÛÂÈ ÙÔ ËÌÈÎ ÂÓÂÚÁÔ ÏˆÚ Ô ÛÙË ÛÙÚ - ÙfiÛÊ ÈÚ Ù Ó 100 ÊÔÚ ÌÂÁ Ï ÙÂÚË applefi Ù Ó appleô   appleúô ÏÂÊı applefi ËÌÈÎ ÌÂÏ Ù ÚÈ Ê ÛË. ÔÌ ÙË Solomon Ó ÁÓÒÚÈÛ ÙÔ ÏÒÚÈÔ ˆ ÙÔÓ Î ÚÈÔ ÂÓÔ ÔappleÔÈËÙÈÎfi apple Ú ÁÔÓÙ ÙË Ì ˆÛË ÙÔ fi Ô- ÓÙÔ Î È Ù appleôïèî ÛÙÚ ÙÔÛÊ ÈÚÈÎ Ó ÊË ˆ ÙÈ Î Ù Ï ÙÈÎ ÂappleÈÊ ÓÂÈ fiappleô appleâïâ ıâúòóâù È ÌÂÁ ÏË appleôûfiùëù ÏˆÚ Ô. C 2 2 ÃÚfiÓÔ 18-1 Ιδιότητες του φωτός Η περιγραφή του φωτός µπορεί να γίνει εύκολα, χρησιµοποιώντας τόσο τη σωµατιδιακή όσο και την κυµατική θεωρία. Τα κύµατα φωτός αποτελούνται από παλλόµενα ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία, κάθετα µεταξύ τους. Στην Εικόνα 18-1 παρουσιάζεται ένα επίπεδα πολωµένο κύµα. Στην εικόνα αυτή, το ηλεκτρικό πεδίο βρίσκεται στο επίπεδο xy και το µαγνητικό πεδίο βρίσκεται στο επίπεδο xz. Μήκος κύµατος,, είναι η απόσταση των µεγίστων µεταξύ δύο συνεχόµενων κυµάτων. Συχνότητα,, είναι ο αριθµός των ταλαντώσεων που ολοκληρώνει το κύµα ανά δευτερόλεπτο. Οι µονάδες συχνότητας είναι s 1. Μία ταλάντωση ανά δευτερόλεπτο ονοµάζεται επίσης hertz (Hz). Η συχνότητα των 10 6 s 1 είναι λοιπόν 10 6 Hz, ή 1 megahertz (MHz). Η σχέση συχνότητας και µήκους κύµατος έχει ως εξής ŸÁÎÔ % µï appleô ÌÂ Ó apple Ú ÂÈÁÌ ÁÈ ÙÔ ÙÈ ÌappleÔÚÂ Ó Î ÓÂÈ Ë Ê ÛÌ ÙÔʈÙÔÌÂÙÚ. Ù Ù ÓË Â ÓÔ Ó ÙË Û ÓÂ Ì ÙÚËÛË ÙÔ 2 Î È ÙÔ C 2 ÛÙÔÓ ÂÚ ÁˆÁfi ÁÈÔ ÙfiÌÔ. Ô 2 ÓÈ Ó ÂÙ È applefi ÙËÓ appleôúúfiêëûë appleâúèò Ô ÛÙ 147 nm. Ô C 2 ÓÈ Ó ÂÙ È applefi ÙËÓ appleôúúfiêëûë appleâú ıúô ÛÙ 2, cm 1. [P. B. Arnoudse, H. L. Pardue, J. D. Bourland, R. Miller, & L. A. Geddes, Breath-by-Breath Determination of 2 and C 2 Based on Nondispersive Absorption Measurements, Anal. Chem. 1992, 64, 200.] Εικόνα 18-1 apple appleâ appleôïˆì ÓË ËÏÂÎÙÚÔÌ ÁÓËÙÈÎ ÎÙÈÓÔ ÔÏ Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ, appleô È ÂÙ È Î Ù Ì ÎÔ ÙÔ ÍÔÓ x. Ô ËÏÂÎÙÚÈÎfi appleâ Ô ÙÔ appleôïˆì ÓÔ ÊˆÙfi appleâúèôú ÂÙ È ÛÂ Ó Âapple appleâ Ô. Ó ıˆ, ÙÔ ÌË appleôïˆì ÓÔ Êˆ ÂÈ ËÏÂÎÙÚÈÎ appleâ Û fiï Ù Âapple appleâ. Σχέση µεταξύ συχνότητας και µήκους κύµατος: 434 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 18 Βασικές αρχές φασµατοφωτοµετρίας (18-1) όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός ( 2, m/s στο κενό). Σε άλλο µέσο, η ταχύτητα του φωτός είναι c/n, όπου n είναι ο δείκτης διάθλασης του µέσου αυτού. Για ορατά µήκη κύµατος, n 7 1 για τις περισσότερες ουσίες, άρα το ορατό φως ταξιδεύει µε µικρότερη ταχύτητα σε αυτές απ ό,τι στο κενό. Όταν το φως κινείται διαµέσου ουσιών µε διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, η συχνότητα παραµένει ίδια, αλλά το µήκος κύµατος αλλάζει. Όσον αφορά την ενέργεια, είναι πιο εύκολο να προσεγγίσουµε το φως ως ένα σύνολο σωµατιδίων, που ονοµάζονται φωτόνια. Κάθε φωτόνιο µεταφέρει ενέργεια, Ε, η οποία δίνεται από τη σχέση Σχέση µεταξύ ενέργειας και συχνότητας: c E h (18-2) όπου h είναι η σταθερά του Planck ( 6, J s). Η εξίσωση 18-2 δηλώνει ότι η ενέργεια είναι ανάλογη της συχνότητας. Από τις δύο εξισώσεις 18-1 και 18-2, προκύπτει E hc (18-3) hc όπου το ( 1/ ) ονοµάζεται κυµαταριθµός. Η ενέργεια είναι αντιστρόφως ανάλογη του µήκους κύµατος και ευθέως ανάλογη του κυµαταριθµού. Το κόκκινο φως, το οποίο έχει µεγαλύτερο µήκος κύµατος από το µπλε φως, περιέχει λιγότερη ενέργεια από το µπλε φως. Η πιο συνηθισµένη µονάδα του κυµαταριθµού είναι τα cm 1, που επίσης διαβάζεται «κυµαταριθµός». z y ÏÂÎÙÚÈÎfi appleâ Ô λ ª ÁÓËÙÈÎfi appleâ Ô x

2 Ó ÚÁÂÈ (kj/mol) 1, ,12 0,0012 È Ûapple ÛË ÂÛÌÔ Î È ÈÔÓÙÈÛÌfi ÏÂÎÙÚÔÓÈ Î È ÁÂÚÛË e fióëûë ÂÚÈÛÙÚÔÊ ÓfiÙËÙ (Hz) Ú Ùfi ÎÙ Ó γ ÎÙ Ó à ÀappleÂÚÈÒ Â Àapple Ú ıúô ªÈÎÚÔÎ Ì Ù ƒ ÈÔ- Î Ì Ù ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (m) Ú Ùfi Ê ÛÌ πò  ªappleÏÂ Ú ÛÈÓÔ ÙÚÈÓÔ ÔÚÙÔÎ Ï fiîîèóô ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (nm) Εικόνα 18-2 Ô ËÏÂÎÙÚÔÌ ÁÓËÙÈÎfi Ê ÛÌ. Ó Ê ÚÂÙ È ÌÈ ÓÙÈappleÚÔÛˆapple ÙÈÎ ÌÔÚÈ Î È ÈÎ Û appleô Ï Ì ÓÂÈ ÒÚ fiù Ó appleôúúôê Ù È Êˆ ÛÙË Û ÁÎÂÎÚÈÌ ÓË appleâúèô. Ô ÔÚ Ùfi Ê ÛÌ Î Ï appleùâè Ù Ì ÎË Î Ì ÙÔ applefi 380 ˆ 780 nm (1 nm = 1 9 m). Οι περιοχές του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος φαίνονται στην Εικόνα Τα ονόµατα έχουν ιστορική σηµασία, ενώ δεν υπάρχουν απότοµες αλλαγές στα χαρακτηριστικά από τη µια περιοχή στην άλλη, για παράδειγµα µεταξύ του ορατού και του υπερύθρου. Το ορατό φως το τµήµα της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας που βλέπουµε αντιπροσωπεύει µικρό µόνο µέρος του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος Απορρόφηση του φωτός Όταν ένα µόριο απορροφά ένα φωτόνιο, η ενέργεια του µορίου αυτού αυξάνεται και το µόριο προωθείται σε µια διεγερµένη κατάσταση (Εικόνα 18-3). Εάν ένα µόριο εκπέµπει ένα φωτόνιο, η ενέργεια του µορίου µειώνεται. Η χαµηλότερη ενεργειακή κατάσταση του µορίου ονοµάζεται θεµελιώδης ή βασική κατάσταση. Η Εικόνα 18-2 δείχνει ότι η απορρόφηση της ακτινοβολίας µικροκυµάτων διεγείρει την περιστροφή των µορίων. Η απορρόφηση υπέρυθρης ακτινοβολίας διεγείρει τις δονήσεις. Η ορατή και η υπεριώδης ακτινοβολία ωθούν τα ηλεκτρόνια σε τροχιακά υψηλότερης ενέργειας. Η απορρόφηση ακτίνων Χ και ακτινοβολίας υπεριώδους, που έχουν µικρό µήκος κύµατος, διασπούν τους χηµικούς δεσµούς και ιοντίζουν τα µόρια. Οι ακτινογραφίες µε ακτίνες X προκαλούν ζηµιές στο ανθρώπινο σώµα, συνεπώς η έκθεσή µας σε αυτές πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή. Ó ÚÁÂÈ appleôúúfiêëûë ÎappleÔÌapple ÈÂÁÂÚÌ Ó Π٠ÛÙ ÛÂÈ ÂÌÂÏÈÒ Ë Î Ù ÛÙ ÛË Εικόνα 18-3 appleôúúfiêëûë ÙÔ ÊˆÙfi Í ÓÂÈ ÙËÓ ÂÓ ÚÁÂÈ ÙÔ ÌÔÚ Ô. ÂÎappleÔÌapple ÙÔ ÊˆÙfi ÌÂÈÒÓÂÈ ÙËÓ ÂÓ ÚÁÂÈ ÙÔ. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ Ενέργειες φωτονίων Κατά πόσα kj ανά mol αυξάνεται η ενέργεια του 2 όταν αυτό απορροφά υπεριώδη ακτινοβολία µε µήκος κύµατος 147 nm; Κατά πόσο αυξάνεται η ενέργεια του C 2 όταν αυτό απορροφά υπέρυθρη ακτινοβολία µε κυµαταριθµό ίσο µε 2300 cm 1 ; 18-2 Απορρόφηση του φωτός 435

3 Λύση Για την υπεριώδη ακτινοβολία, η αύξηση της ενέργειας είναι c E h h (2, m/s) (6, J s) c (147 nm)(10 9 m/nm) d 1, J/ÌfiÚÈÔ (1, J/ÌfiÚÈÔ)(6, ÌfiÚÈ /mol) 814 kj/mol Αυτή η ενέργεια αρκεί για να σπάσει ο δεσµός. Για το C 2, η αύξηση της ενέργειας είναι c E h h hc (6, J s)(2, m/s)(2300 cm 1 )(100 cm/m) 4, J/ÌfiÚÈÔ 28 kj/mol aı ÌËı Ù fiùè 1 b Η απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας αυξάνει το πλάτος της δόνησης των δεσµών του C 2. ŒÓÙ ÛË ÎÙÈÓÔ ÔÏ Â Ó È Ë ÂÓ ÚÁÂÈ Ó ÌÔÓ ÚfiÓÔ Î È ÌÔÓ ÂappleÈÊ Ó ÙË ÎÙ Ó ÊˆÙfi (watt Ó ÙÂÙÚ ÁˆÓÈÎfi Ì ÙÚÔ, W/m 2 ). È fiúôè ÓÙ ÛË Î È ÈÛ ÎÙÈÓÔ ÔÏ ÚËÛÈÌÔappleÔÈÔ ÓÙ È ˆ Ù ÙfiÛËÌÔÈ. Ô ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÈÎfi ʈ appleôùâïâ Ù È applefi «Ó ÚÒÌ» ( Ó Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ ). ŸÛÔ Î Ï ÙÂÚÔ Â Ó È Ô ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ, ÙfiÛÔ ÛÙÂÓfiÙÂÚÔ Â Ó È ÙÔ Â ÚÔ ÙˆÓ ÌËÎÒÓ Î Ì ÙÔ ÙË ÂÍÂÚ fiìâóë ÎÙ Ó. Όταν το φως απορροφάται από το δείγµα, η ισχύς της ακτινοβολίας της δέσµης του φωτός µειώνεται. Η ένταση (ισχύς) της ακτινοβολίας, P, είναι η ενέργεια ανά δευτερόλεπτο ανά µονάδα επιφανείας της δέσµης του φωτός. Ένα στοιχειώδες φασµατοφωτοµετρικό πείραµα φαίνεται στην Εικόνα Το φως περνά µέσω ενός µονοχρωµάτορα (ένα πρίσµα, ένα φράγµα ή και ένα φίλτρο) για να επιλεγεί ένα µήκος κύµατος (Έγχρωµη Εικόνα 13). Το φως ενός µήκους κύµατος λέγεται ότι είναι µονοχρωµατικό. Το µονοχρωµατικό φως, µε ισχύ ακτινοβολίας P 0, διαπερνά δείγµα πάχους b. Η ισχύς της δέσµης ακτινοβολίας που εξέρχεται από την άλλη πλευρά του δείγµατος είναι P. Μέρος του φωτός µπορεί να έχει απορροφηθεί από το δείγµα, εποµένως P P 0. Ως διαπερατότητα, Τ, ορίζεται το κλάσµα του φωτός που διαπερνά το δείγµα. ιαπερατότητα: T P (18-4) P 0 Για τον λόγο αυτό, το T έχει εύρος από 0 ώς 1. Η επί τοις εκατό διαπερατότητα είναι απλώς 100T και έχει εύρος από 0 µέχρι 100%. H απορρόφηση ορίζεται ως ÛË ÌÂÙ Í È appleâú ÙfiÙËÙ Î È appleôúúfiêëûë : P/P 0 % T A , , Απορρόφηση: A log a P 0 (18-5) P b log T Όταν δεν απορροφάται καθόλου φως, P P 0 και A 0. Εάν το 90% του φωτός απορροφάται, το 10% διαπερνά το δείγµα και P P 0 /10. Αυτός ο λόγος δίνει A 1. Εάν µόνο το 1% του φωτός διαπερνά το δείγµα, A 2. Η απορρόφηση (στην οπτική) ονο- µάζεται µερικές φορές και οπτική πυκνότητα. Η απορρόφηση είναι πολύ σηµαντική διότι είναι ευθέως ανάλογη µε τη συγκέντρωση, c, της ουσίας που απορροφά το φως στο δείγµα (Έγχρωµη Εικόνα 14). Nόµος του Beer: A bc (18-6) Ô Ï ÛÈÔ 18-1 ÂÍËÁ ÁÈ Ù Ë appleôúúfiêëûë, Î È fi È Ë È appleâú ÙfiÙËÙ, Â Ó È Â ı ˆ Ó ÏÔÁË ÙË Û ÁÎ ÓÙÚˆÛË. Εικόνα 18-4 ËÌ ÙÈÎfi È ÁÚ ÌÌ Ê ÛÌ ÙÔʈÙÔÌÂÙÚÈÎÔ appleâèú Ì ÙÔ ÌÔÓ ÛÌË. P 0 : ÈÛ ÎÙÈÓÔ ÔÏ appleô appleúôûapple appleùâè ÛÙÔ Â ÁÌ Ø P: ÈÛ ÎÙÈÓÔ ÔÏ appleô ÂÍ Ú ÂÙ È applefi ÙÔ Â ÁÌ Ø b: Ì ÎÔ ÙË ÔappleÙÈÎ È ÚÔÌ Ì Ûˆ ÙÔ Â ÁÌ ÙÔ (apple Ô Â ÁÌ ÙÔ ). Η εξίσωση 18-6, που είναι και η καρδιά της φασµατοφωτοµετρίας όπως αυτή εφαρ- µόζεται στην αναλυτική χηµεία, ονοµάζεται νόµος των Beer-Lambert, 6 ή απλούστερα νόµος του Beer. Η απορρόφηση δεν έχει µονάδες (είναι αδιάστατη), ορισµένοι όµως γράφουν «µονάδες απορρόφησης» µετά την τιµή της απορρόφησης. Η συγκέντρωση ενός δείγµατος, c, δίνεται συνήθως σε µονάδες mol/l (M). Η οπτική διαδρο- µή, b, δίνεται συνήθως σε εκατοστόµετρα. H ποσότητα ονοµάζεται γραµµοµοριακή απορροφητικότητα (ή συντελεστής απόσβεσης, σε παλαιότερη βιβλιογραφία) και έχει ËÁ ʈÙfi appleèïôá Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ (ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ ) P 0  ÁÌ b P ÓÈ Ó ٠ʈÙfi 436 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 18 Βασικές αρχές φασµατοφωτοµετρίας

4 µονάδες M 1 cm 1, ώστε το πολλαπλάσιο bc να γίνει αδιάστατο. Η γραµµοµοριακή απορροφητικότητα είναι το χαρακτηριστικό της ουσίας που δηλώνει πόσο φως απορροφάται σε συγκεκριµένο µήκος κύµατος. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ Απορρόφηση, διαπερατότητα και ο νόµος του Beer Να βρεθεί η απορρόφηση και η διαπερατότητα ενός διαλύµατος 0,00240 M µιας ουσίας µε γραµµοµοριακή απορροφητικότητα 313 M 1 cm 1 σε κυψελίδα οπτικής διαδροµής 2,00 cm. Λύση Η εξίσωση 18-6 δίνει την απορρόφηση. A bc (313 M 1 cm 1 )(2,00 cm)(0,00240 M) 1,50 Η διαπερατότητα βρίσκεται από την Εξίσωση 18-5, αν υψώσουµε το 10 σε δύναµη ίση µε την έκφραση στις δύο πλευρές της εξίσωσης: log T A T 10 log T 10 A 10 1,50 0,0316 Μόλις το 3,16% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας εξέρχεται από αυτό το διάλυµα. Ó x = y, 10 x = 10 y. Η εξίσωση 18-6 θα µπορούσε να έχει γραφεί A bc επειδή το A και το εξαρτώνται από το µήκος κύµατος του φωτός. Η ποσότητα είναι απλώς ένας συντελεστής αναλογίας µεταξύ της απορρόφησης και του γινοµένου bc. Όσο µεγαλύτερη η γραµµοµοριακή απορροφητικότητα τόσο µεγαλύτερη είναι η απορρόφηση. Ένα φάσµα απορρόφησης είναι ένα γράφηµα που δείχνει πώς το A (ή το ) µεταβάλλεται µε το µήκος κύµατος. Η Επίδειξη 18-1 δείχνει τη σηµασία ενός φάσµατος απορρόφησης. Πλαίσιο 18-1 Γιατί υπάρχει λογαριθµική σχέση µεταξύ διαπερατότητας και συγκέντρωσης; 5 Ο νόµος του Beer, Εξίσωση 18-6, δηλώνει ότι η απορρόφηση είναι ευθέως ανάλογη της συγκέντρωσης των ουσιών που απορροφούν. Το κλάσµα του φωτός που περνά µέσω του δείγµατος (η διαπερατότητα) σχετίζεται λογαριθµικά, και όχι γραµµικά, µε τη συγκέντρωση του δείγµατος. Γιατί συµβαίνει αυτό; Ας υποθέσουµε ότι φως ισχύος P διαπερνά ένα απείρως λεπτό στρώµα διαλύµατος, µε πάχος dx. Ένα µοντέλο της διαδικασίας απορρόφησης προτείνει ότι µέσα σε αυτό το πολύ λεπτό στρώµα δείγµατος η µείωση της ισχύος (dp) πρέπει να είναι ανάλογη µε την ισχύ που προσπίπτει (P), µε τη συγκέντρωση των ουσιών που απορροφούν (c) και µε το πάχος του δείγµατος (dx): dp Pc dx (A) όπου είναι µια σταθερά αναλογίας και το αρνητικό πρόσηµο δείχνει ότι η P µειώνεται όσο το x αυξάνεται. Ο λόγος για τον οποίο λέµε ότι η µείωση της ισχύος είναι ανάλογη της ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας µπορεί να γίνει κατανοητός µε ένα αριθµητικό παράδειγµα. Αν 1 από τα 1000 προσπίπτοντα φωτόνια απορροφάται από το λεπτό πάχος του δείγµατος, θα περιµέναµε ότι τα 2 από τις 2000 που προσπίπτουν θα απορροφηθούν. Η µείωση των φωτονίων (δηλαδή της ισχύος) είναι ανάλογη της προσπίπτουσας ροής φωτονίων (ισχύος). Η Εξίσωση A µπορεί να αναδιαταχθεί και να ολοκληρωθεί, οπότε προκύπτει για την P η ακόλουθη έκφραση: Τα όρια της ολοκλήρωσης είναι P P 0 για x 0 και P P για x b. ln P ( ln P 0 ) cb 1 ln a P 0 P b cb Η µετατροπή του ln σε log, µέσω της σχέσης ln z (ln 10) (log z), δίνει την τελική µορφή του νόµου του Beer: log a P 0 P b a b cb 1 A cb ln Απορρόφηση Ù ıâúfi Η λογαριθµική σχέση του P 0 /P µε τη συγκέντρωση προκύπτει καθώς, για κάθε απειροστό τµήµα του ολικού όγκου, η µείωση της ισχύος είναι ανάλογη µε την προσπίπτουσα ισχύ σε αυτή την περιοχή. Καθώς το φως διαπερνά το δείγµα, η µείωση της ισχύος σε κάθε επόµενο επίπεδο µειώνεται, αφού το µέγεθος της προσπίπτουσας ισχύος που φθάνει σε κάθε επίπεδο µειώνεται. Η γραµµοµοριακή απορροφητικότητα κυµαίνεται από 0 (όταν η πιθανότητα απορρόφησης φωτονίου είναι 0) σε περίπου 10 5 M 1 cm 1 (όταν η πιθανότητα απορρόφησης φωτονίου πλησιάζει τη µονάδα). b dp P c dx 1 P dp P P c b dx 0 0 ÈÛÂÚ fiìâóô ʈ P P dp È Ï Ì appleô appleôúúôê ÍÂÚ fiìâóô ʈ x = 0 dx x = b 18-2 Απορρόφηση του φωτός 437

5 Επίδειξη 18-1 Φάσµατα απορρόφησης Το φάσµα του ορατού φωτός µπορεί να προβληθεί σε µια οθόνη µέσα σε σκοτεινό δωµάτιο µε τον ακόλουθο τρόπο: 7 Τοποθετήστε ένα πολυµερικό φράγµα περίθλασης* σε ένα πλαίσιο χαρτονιού που έχει µια τετράγωνη τρύπα αρκετά µεγάλη για να καλύψει τον φακό του προβολέα διαφανειών. Κολλήστε µε ταινία το χαρτόνι στον φακό του προβολέα διαφανειών, ώστε να βλέπει προς την οθόνη. Τοποθετήστε ένα αδιαφανές χαρτόνι µε δύο σχισµές 1 3 cm στην επιφάνεια εργασίας του προβολέα. Όταν ανάψει η λάµπα, το λευκό είδωλο κάθε σχισµής προβάλλεται στο κέντρο της οθόνης. Ένα ορατό φάσµα εµφανίζεται σε κάθε πλευρά των δύο ειδώλων. Τοποθετώντας ένα ποτήρι ζέσεως που περιέχει έγχρωµο διάλυµα πάνω στη µία από *Edmund Scientific Co., catalog no. NT ºÚ ÁÌ appleâú ıï ÛË appleô Î Ï appleùâè ÙÔÓ Ê Îfi ª ÛÎ appleô Î Ï appleùâè ÙËÓ ÂappleÈÊ ÓÂÈ ÂÚÁ Û ÈÓ º Îfi ( ) ( ) 10 cm 10 cm τις δύο σχισµές, φαίνεται το χρώµα του στην οθόνη, στη θέση όπου υπήρχε το λευκό είδωλο. Η ένταση του φάσµατος δίπλα από το έγχρωµο είδωλο µειώνεται στα µήκη κύµατος στα οποία απορροφά η έγχρωµη ουσία. Η Έγχρωµη Εικόνα 15α δείχνει το φάσµα του λευκού φωτός και τα φάσµατα τριών διαφορετικών έγχρωµων διαλυµάτων. Βλέπετε ότι το διχρωµικό κάλιο, το οποίο φαίνεται πορτοκαλί ή κίτρινο, απορροφά τα µπλε µήκη κύµατος. Το µπλε της βρωµοφαινόλης απορροφά το πορτοκαλί και φαίνεται µπλε. Η φαινολοφθαλεΐνη απορροφά στο κέντρο του ορατού φάσµατος. Για λόγους σύγκρισης, τα φάσµατα αυτών των τριών διαλυµάτων που καταγράφηκαν µε φασµατοφωτόµετρο φαίνονται στην Έγχρωµη Εικόνα 15β. Αυτή η διάταξη µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παρουσίαση του φθορισµού και των ιδιοτήτων των χρωµάτων. 7 à ÚÙfiÓÈ ÛÛÂÚ Âapple appleâ ÊÚ ÁÌ ÙÔ ÈÛÌ (Á) 1 cm à ÚÙfiÓÈ 3 cm 3 cm ( ) ÚÔ ÔÏ È Ê ÓÂÈÒÓ. ( ) ºÚ ÁÌ appleâú ıï ÛË ÙÔappleÔıÂÙËÌ ÓÔ ÛÙÔ ÚÙfiÓÈ. (Á) ª ÛÎ ÁÈ ÙËÓ ÂappleÈÊ ÓÂÈ ÂÚÁ Û. Ô ÚÒÌ ÂÓfi È Ï Ì ÙÔ Â Ó È ÙÔ Û ÌappleÏËÚˆÌ ÙÈÎfi ÙÔ ÚÒÌ ÙÔ ÙÔ ÊˆÙfi ÙÔ ÔappleÔ Ô appleôúúôê. Ô ÚÒÌ appleô apple Ú ÙËÚÔ Ì ÂÍ ÚÙ Ù È fi È ÌfiÓÔ applefi ÙÔ Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ ÙÔ ÊˆÙfi, ÏÏ Î È applefi ÙËÓ ÓÙ Û ÙÔ. Το τµήµα του µορίου που ευθύνεται για την απορρόφηση του φωτός ονοµάζεται χρωµοφόρο. Κάθε ουσία η οποία απορρoφά ορατό φως φαίνεται έγχρωµη όταν τη διαπερνά, ή όταν ανακλάται από αυτήν, λευκό φως. (Το λευκό φως περιέχει όλα τα χρώµατα του ορατού φάσµατος.) Οι ουσίες απορροφούν συγκεκριµένα µήκη κύµατος του λευκού φωτός και τα µάτια µας ανιχνεύουν τα µήκη κύµατος που δεν έχουν απορροφηθεί. Ο Πίνακας 18-1 παρουσιάζει έναν οδηγό χρωµάτων. Το παρατηρούµενο χρώµα ονοµάζεται συµπληρωµατικό του απορροφώµενου χρώµατος. Για παράδειγµα, το µπλε της βρωµοφαινόλης έχει µέγιστη απορρόφηση στα 591 nm και το χρώµα του είναι µπλε. Όταν ο νόµος του Beer παύει να ισχύει Ο νόµος του Beer δηλώνει ότι η απορρόφηση είναι ανάλογη προς τη συγκέντρωση της ουσίας που απορροφά. Ισχύει για µονοχρωµατικό φώς 8 και ισχύει πολύ καλά σε αραιά διαλύµατα ( 0,01 M) των περισσότερων ουσιών. Σε πυκνά διαλύµατα, τα µόρια της διαλυµένης ουσίας αλληλεπιδρούν µεταξύ τους διότι βρίσκονται πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Όταν τα µόρια βρίσκονται σε πολύ µι- Πίνακας 18-1 Χρώµατα ορατού φωτός Μήκος κύµατος του µεγίστου Χρώµα Χρώµα απορρόφησης (nm) που απορροφάται που παρατηρείται Ιώδες Πράσινο-κίτρινο Ιώδες-µπλε Κίτρινο Μπλε Πορτοκαλί Μπλε-πράσινο Κόκκινο Πράσινο Μοβ Κίτρινο-πράσινο Ιώδες Κίτρινο Ιώδες-µπλε Πορτοκαλί Μπλε Κόκκινο Μπλε-πράσινο Κόκκινο Πράσινο 438 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 18 Βασικές αρχές φασµατοφωτοµετρίας

6 κρή απόσταση, οι ιδιότητές τους (όπως και η γραµµοµοριακή απορροφητικότητα) µεταβάλλονται ελαφρά. Σε πολύ µεγάλες συγκεντρώσεις, η ουσία ταυτίζεται µε τον διαλύτη. Οι ιδιότητες ενός µορίου δεν είναι ακριβώς ίδιες σε όλους τους διαλύτες. Ουσίες που δεν απορροφούν σε ένα διάλυµα µπορεί να αλληλεπιδράσουν µε ουσίες που απορροφούν και να µεταβάλουν την απορροφητικότητά τους. Εάν το µόριο που απορροφά συµµετέχει σε µια ισορροπία η οποία εξαρτάται από τη συγκέντρωση, η απορροφητικότητα αλλάζει µε τη συγκέντρωση. Π.χ. σε ένα πυκνό διάλυµα, κάποιο ασθενές οξύ, HA, µπορεί να βρίσκεται σε µεγάλο ποσοστό στη µοριακή του µορφή. Καθώς το διάλυµα αραιώνει, η διάσταση αυξάνεται. Αν η απορροφητικότητα του A δεν είναι ίδια µε εκείνη του HA, το διάλυµα θα φαίνεται ότι δεν ακολουθεί τον νόµο του Beer Μετρώντας την απορρόφηση Οι ελάχιστες απαιτήσεις ενός φασµατοφωτοµέτρου (της συσκευής που χρησιµοποιείται για τη µέτρηση του φωτός) παρουσιάστηκαν στην Εικόνα Φως από µια πηγή συνεχούς ακτινοβολίας διέρχεται από έναν µονοχρωµάτορα, ο οποίος επιλέγει ένα µικρό εύρος µηκών κύµατος από την προσπίπτουσα ακντινοβολία. Αυτό το «µονοχρωµατικό» φως περνά από δείγµα πάχους b και η ισχύς της ακτινοβολίας του εξερχόµενου φωτός µετριέται. Για τη φασµατοσκοπία ορατού και υπεριώδους, ένα υγρό δείγµα τοποθετείται συνήθως σε ένα δοχείο που το ονοµάζουµε κυψελίδα, το οποίο έχει επίπεδες επιφάνειες από χαλαζία ( 2 ) (Εικόνα 18-5). Το απλό γυαλί είναι κατάλληλο για φασµατοφωτοµετρία ορατού, αλλά όχι για υπεριώδους, δεδοµένου ότι απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία. Οι συνηθισµένες κυψελίδες έχουν πάχος 1,000 cm και πωλούνται σε ζεύγη, ένα για το δείγµα και ένα για το λευκό (αναφορά). Για µετρήσεις υπερύθρου, οι κυψελίδες κατασκευάζονται συνήθως από NaCl ή KBr. Για µετρήσεις από 400 έως 50 cm 1 (περιοχή άπω υπερύθρου), χρησιµοποιείται πολυαιθυλένιο, που είναι διαπερατό στην περιοχή αυτή. Τα στερεά δείγµατα συνήθως κονιορτοποιούνται σε λεπτόκοκκη σκόνη, η οποία µπορεί κατόπιν να προστεθεί σε ορυκτέλαιο (έναν πυκνό υδρογονάνθρακα που ονοµάζεται και Nujol), και δίνει ένα αιώρηµα, την πάστα, η οποία συµπιέζεται µεταξύ δύο πλακών KBr. Το φάσµα του αναλύτη επικαλύπτεται σε ορισµένες περιοχές στις οποίες το ορυκτέλαιο απορροφά την υπέρυθρη ακτινοβολία. Εναλλακτικά, µείγµα του στερεού δείγµατος 1% κατά βάρος σε KBr µπορεί να κονιορτοποιηθεί σε λεπτόκοκκη σκόνη και να συµπιεστεί σε ηµιδιαφανή δίσκο υπό πίεση 60 MPa (600 bar). Τα στερεά και οι σκόνες µπορούν επίσης να αναλυθούν µε διάχυτη ανάκλαση, κατά την οποία µετριέται η ανακλώµενη ακτινοβολία υπερύθρου αντί για την ακτινοβολία που διέρχεται από το δείγµα. Τα µήκη κύµατος που απορροφώνται από το δείγµα δεν ανακλώνται τόσο καλά όσο εκείνα που δεν απορροφώνται. Αυτή η τεχνική είναι κατάλληλη µόνο για την ανάλυση της επιφάνειας του δείγµατος. Η Εικόνα 18-4 περιγράφει ένα όργανο το οποίο έχει µόνο µία δέσµη φωτός (µονής δέσµης). Η ισχύς της προσπίπτουσας ακτινοβολίας,, δεν µετριέται άµεσα. P 0 ÓfiÌÔ ÙÔ Beer ÈÛ ÂÈ ÁÈ ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÈÎ ÎÙÈÓÔ ÔÏ appleô È appleâúó Ó Ú Èfi È Ï Ì ÛÙÔ ÔappleÔ Ô Ë Ô Û appleô appleôúúôê ÂÓ Û ÌÌÂÙ ÂÈ Û Πappleôè ÈÛÔÚÚÔapple appleô ÂÍ ÚÙ Ù È applefi ÙË Û ÁÎ ÓÙÚˆÛË. ÙÒÙ Ù fiúè ÂÓ ÚÁÂÈ appleôîôapple ÁÈ Ù apple Ú ı Ú appleâú ıúô : Ê ÚÈ (Al 2 3 ) 1500 cm 1 NaCl 650 cm 1 KBr 350 cm 1 AgCl 350 cm 1 CsBr 250 cm 1 CsI 200 cm 1 Ó ıˆ apple Ô 1 cm ÏÈÓ ÚÈÎ ªÈÎÚÔÎ ÂÏ Â Εικόνα 18-5 ÂÏ Â ÁÈ Ê ÛÌ ÙÔÛÎÔapple ÔÚ ÙÔ Î È appleâúèò Ô. È Î ÂÏ Â ÚÔ ÂappleÈÙÚ appleô Ó ÙË Û Ó ÚÔ ÙÔ È Ï Ì ÙÔ Ì Û ÛÙËÓ Î ÂÏ.  ÌÈ ıâúìèî Î ÂÏ, È Ï Ì applefi Ó ıâúìôûù ÙÔ ÌÂÓÔ Û ÛÙËÌ Ú ÂÈ Ì Ûˆ ÙˆÓ ÙÔÈ ˆÌ ÙˆÓ ÙË Î ÂÏ ÁÈ Ó ÙË È ÙËÚ ÛÙËÓ ÂappleÈı ÌËÙ ıâúìôîú Û. [ ÁÂÓÈÎ apple Ú ÒÚËÛË applefi A. H. Thomas Co., Philadelphia, PA.] Ô 5 mm Ô 1 mm Ô 20 mm ƒô ÂÚÌÈÎ 18-3 Μετρώντας την απορρόφηση 439

7 E 3 appleô È ÁÂÚÛË E 2 ÕÓÙÏËÛË Ú ÛË Ï È ÂÚ ÓÙÈÛÙÚÔÊ appleïëı ÛÌÔ n 2 > n 1 E 1 ( E 0 appleô È ÁÂÚÛË ª ÛÔ hν ( ) ÙÔappleÙÚÔ 0% T Ó ÚÁÂÈ ÙÔappleÙÚÔ 1% T Εικόνα 20-4 ( ) ÓÂÚÁÂÈ Îfi È ÁÚ ÌÌ appleô apple ÚÔ ÛÈ ÂÈ ÙËÓ Ú ÏÂÈÙÔ ÚÁ ÂÓfi Ï È ÂÚ. ( ) µ ÛÈÎ Ì ÚË ÂÓfi Ï È ÂÚ. ÓÙÈÛÙÚÔÊ appleïëı ÛÌÔ ËÌÈÔ ÚÁÂ Ù È ÛÙÔ ÏÈÎfi. ÂÓ ÚÁÂÈ È ÁÂÚÛË ÌappleÔÚÂ Ó appleúô ÏıÂÈ applefi ÈÛ ÚÔ Ï ÌappleÙ Ú ËÏÂÎÙÚÈÎ ÂÎÎ ÓˆÛË. άτοµα του ηλίου στο επίπεδο Ε 3, στην Εικόνα Το διεγερµένο ήλιο µεταφέρει την ενέργεια µέσω κρούσεων µε ένα άτοµο νέου, διεγείρoντας το νέο στο επίπεδο Ε 2. Η µεγάλη συγκέντρωση του ηλίου και η ισχυρή ηλεκτρική διέγερση δηµιουργούν την αντιστροφή πληθυσµού στα άτοµα του νέου. Σε µια δίοδο λέιζερ η αντιστροφή του πληθυσµού των φορέων φορτίου σε έναν ηµιαγωγό επιτυγχάνεται µε την εφαρµογή ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου µέσω της επαφής pn στο αρσενικούχο γάλλιο. 6 Οι περισσότερες δίοδοι λέιζερ λειτουργούν στο ερυθρό ή στο εγγύς υπέρυθρο µήκος κύµατος ( nm) Μονοχρωµάτορες Ένας µονοχρωµάτορας διαχωρίζει το φως στα επιµέρους µήκη κύµατος και επιλέγει ένα µικρό εύρος µηκών κύµατος τα οποία αφήνει να περάσουν προς το δείγµα ή τον ανιχνευτή. Ο µονοχρωµάτορας στην Εικόνα 20-2 αποτελείται από τις σχισµές εισόδου και εξόδου, κάτοπτρα και ένα φράγµα περίθλασης για τη σκέδαση του φωτός. Σε παλαιότερα όργανα χρησιµοποιούνταν πρίσµατα αντί για φράγµατα περίθλασης. ºÚ ÁÌ : ÔappleÙÈÎfi ÂÍ ÚÙËÌ ÌÂ Ú Á Û ÌÈÎÚ applefiûù ÛË ÌÂÙ Í ÙÔ ÂÚ ıï ÛË: ÂÎÙÚÔapple ÙÔ ÊˆÙfi applefi Ó ÊÚ ÁÌ È ıï ÛË: ÂÎÙÚÔapple ÙÔ ÊˆÙfi applefi Ê Îfi appleú ÛÌ. ÔÏ ÚˆÌ ÙÈÎfi: appleôïï Ì ÎË Î Ì ÙÔ ªÔÓÔ ÚˆÌ ÙÈÎfi: Ó Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ Φράγµατα περίθλασης 7 Φράγµα περίθλασης είναι ένα οπτικό εξάρτηµα ανάκλασης ή διαπερατότητας µε µια σειρά από παράλληλες χαραγές (σχισµές) πολύ κοντά η µια στην άλλη. Όταν το φως ανακλάται από την επιφάνειά του, ή διέρχεται µέσω αυτού, κάθε χαραγή δρα ως χωριστή πηγή ακτινοβολίας. ιαφορετικά µήκη κύµατος φωτός ανακλώνται ή διαπερνούν το φράγµα υπό διαφορετικές γωνίες (Έγχρωµη Εικόνα 13). Η εκτροπή των ακτίνων του φωτός από το φράγµα ονοµάζεται περίθλαση. (Η εκτροπή των οπτικών ακτίνων από ένα πρίσµα ή έναν φακό ονοµάζεται διάθλαση και παρουσιάζεται στην Ενότητα 20-4.) Στον µονοχρωµάτορα φράγµατος της Εικόνας 20-5, πολυχρωµατική ακτινοβολία από τη σχισµή εισόδου ευθυγραµµίζεται (γίνεται δέσµη µε παράλληλες ακτίνες) από ένα κοίλο κάτοπτρο. Οι ακτίνες αυτές προσπίπτουν στο φράγµα ανάκλασης, όπου τα διαφορετικά µήκη κύµατος αναλύονται υπό διαφορετικές γωνίες. Το φως προσπίπτει σε ένα δεύτερο κοίλο κάτοπτρο το οποίο εστιάζει κάθε µήκος κύµατος σε διαφορετικό σηµείο του εστιακού επιπέδου. Ο προσανατολισµός του φράγµατος ανάκλασης οδηγεί µόνο ένα µικρό εύρος µηκών κύµατος στη σχισµή εξόδου του µονοχρωµάτορα. Η περιστροφή του φράγµατος επιτρέπει σε διαφορετικά µήκη κύµατος να διέρχοναι από τη σχισµή εξόδου κάθε φορά. Το φράγµα περίθλασης στην Εικόνα 20-6 έχει πολύ κοντινές παράλληλες χαραγές µε σταθερή απόσταση µεταξύ τους, d. Το φράγµα επικαλύπτεται µε αργίλιο (αλουµίνιο), που του προσδίδει ανακλαστική ικανότητα. Ένα λεπτό υµένιο διοξειδίου του πυριτίου ( 2 ) πάνω από το αλουµίνιο προστατεύει τη µεταλλική επιφά- 488 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20 Φασµατοφωτόµετρα

8 Ô Ï Î ÙÔappleÙÚ λ 2 λ 1 ÈÛÌ ÂÈÛfi Ô ºÚ ÁÌ Ó ÎÏ ÛË ÈÛÌ ÂÍfi Ô apple appleâ Ô ÂÛÙ ÛË Εικόνα 20-5 ªÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ ÊÚ ÁÌ ÙÔ Czerny-Turner. νεια από την οξείδωση, η οποία θα µείωνε την ικανότητα ανάκλασης. Όταν το φως ανακλάται από το φράγµα, κάθε χαραγή συµπεριφέρεται ως πηγή ακτινοβολίας. Όταν κοντινές ακτίνες είναι σε φάση, ενισχύονται. Όταν είναι εκτός φάσης, τότε εξουδετερώνονται µερικώς ή ολικώς (Εικόνα 20-7). ÚÔÛapple appleùôó ʈ ÍÂÚ fiìâóô ʈ ıâùô ÛÙËÓ Ú d α β θ b θ φ a φ ˆÓ Ú ÍË ºÚ ÁÌ Εικόνα 20-6 Ú ÏÂÈÙÔ ÚÁ ÊÚ ÁÌ ÙÔ Ó ÎÏ ÛË. Ας δούµε τις εισερχόµενες και εξερχόµενες ακτίνες φωτός που παρουσιάζονται στην Εικόνα Ολική ενισχυτική συµβολή συµβαίνει όταν η διαφορά µήκους των δύο διαδροµών είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µήκους κύµατος του φωτός. Η διαφορά στο µήκος της διαδροµής είναι η απόσταση a b στην Εικόνα Ενισχυτική συµβολή συµβαίνει όταν Ì Ù ÛÂ Ê ÛË ÓÈÛ ÙÈÎ Û Ì ÔÏ Ì Ù ÂÓ Ì ÚÂÈ ÂÎÙfi Ê ÛË Ì Ù ÂÓÙÂÏÒ ÂÎÙfi Ê ÛË Ù ÛÙÚÔÊÈÎ Û Ì ÔÏ ( ) appleôù ÏÂÛÌ ( ) appleôù ÏÂÛÌ (Á) appleôù ÏÂÛÌ Εικόνα 20-7 Ì ÔÏ ÁÂÈÙÔÓÈÎÒÓ Î Ì ÙˆÓ Ù ÔappleÔ Â Ó È ÂÎÙfi Ê ÛË Î Ù ( ) 0, ( ) 90 Î È (Á) Μονοχρωµάτορες 489

9 n a b (20-1) όπου η τάξη περίθλασης είναι n 1, 2, 3, 4,... Η µέγιστη συµβολή για την οποία n 1 ονοµάζεται περίθλαση πρώτης τάξης. Όταν n 2, έχουµε περίθλαση δεύτερης τάξης κ.ο.κ. Στην Εικόνα 20-6, η γωνία πρόσπτωσης ορίζεται να είναι θετική. Η γωνία περίθλασης είναι αντίθετης φοράς από τη και έτσι η είναι εξ ορισµού αρνητική. Υπάρχει πιθανότητα η να βρίσκεται στην ίδια πλευρά µε την προσπίπτουσα γωνία, οπότε η θα είναι θετική. Στην Εικόνα 20-6, a d sin και b d sin (δεδοµένου ότι η είναι αρνητική και το sin είναι αρνητικό). Αντικαθιστώντας στην Εξίσωση 20-1, λαµβάνουµε την εξίσωση για την ενισχυτική συµβολή: Εξίσωση φράγµατος: n d(sin sin ) (20-2) όπου d είναι η απόσταση µεταξύ γειτονικών χαραγών. Για κάθε προσπίπτουσα γωνία, υπάρχει µια σειρά από γωνίες ανάκλασης, στις οποίες δεδοµένο µήκος κύµατος θα παραγάγει µέγιστη ενισχυτική συµβολή (Έγχρωµη Εικόνα 19). ιακριτική ικανότητα, διασπορά και απόδοση φράγµατος περίθλασης Η διακριτική ικανότητα µετρά την ικανότητα διαχωρισµού δύο γειτονικών κορυφών. Όσο µεγαλύτερη η διακριτική ικανότητα τόσο µικρότερη είναι η διαφορά ( ) µεταξύ των δύο µήκων κύµατος που µπορούν να διαχωριστούν µεταξύ τους. Ο ακριβής ορισµός (ο οποίος είναι πέραν των στόχων αυτής της ανάλυσης) δηλώνει ότι η κοιλάδα µεταξύ των δύο κορυφών πρέπει να είναι περίπου τα τρία τέταρτα του ύψους των κορυφών, για να θεωρείται ότι οι κορυφές διαχωρίζονται. Η διακριτική ικανότητα ενός φράγµατος περίθλασης δίνεται από τη σχέση È ÎÚÈÙÈÎ ÈÎ ÓfiÙËÙ : Ë ÈÎ ÓfiÙËÙ È ˆÚÈÛÌÔ Ô ÁÂÈÙÔÓÈÎÒÓ ÎÔÚ ÊÒÓ È ÛappleÔÚ : ÈÎ ÓfiÙËÙ apple Ú ÁˆÁ ÁˆÓÈ ÎÔ È ˆÚÈÛÌÔ Û ÁÂÈÙÔÓÈÎ Ì ÎË Î Ì ÙÔ Ó ÂÛË È ÎÚÈÙÈÎ ÈÎ ÓfiÙËÙ Î È Û Ì ÙÔ : ŸÛÔ ÛÙÂÓfiÙÂÚË Ë Û ÈÛÌ ÂÍfi Ô ÙfiÛÔ ÌÂÁ Ï ÙÂÚË Ë È ÎÚÈÙÈÎ ÈÎ ÓfiÙËÙ, ÏÏ Î È appleâúèûûfiùâúô Ô ıfiú Ô. È ÌÈ Âapple appleâ Ë Ó ÎÏ ÛÙÈÎ ÂappleÈÊ ÓÂÈ, Ë ÁˆÓ appleúfiûappleùˆûë ( ÛÙËÓ ÈÎfiÓ 20-6) Â Ó È ÛË Ì ÙËÓ ÁˆÓ Ó ÎÏ ÛË ( ). ιακριτική ικανότητα φράγµατος: (20-3) nn όπου είναι το µήκος κύµατος, n είναι η τάξη στην Εξίσωση 20-2 και N είναι ο αριθ- µός χαραγών του φράγµατος που ακτινοβολούνται. Όσο περισσότερες χαραγές υπάρχουν στο φράγµα τόσο καλύτερος είναι ο διαχωρισµός µεταξύ γειτονικών µηκών κύ- µατος. Η Εξίσωση 20-3 µας λέει ότι εάν επιθυµούµε διακριτική ικανότητα πρώτης τάξης κοντά στο 10 4, τότε πρέπει να υπάρχουν 10 4 χαραγές στο φράγµα. Εάν το φράγ- µα έχει χαραγές σε µήκος 10 cm, θα χρειαστούν 10 3 Ú Á /cm. Η διασπορά µετρά την ικανότητα διαχωρισµού µηκών κύµατος που διαφέρουν κατά µέσω της διαφοράς ως προς τη γωνία, ( ÎÙ ÓÈ ). Για το φράγµα περίθλασης στην Εικόνα 20-6, η διασπορά είναι ιασπορά φράγµατος: (20-4) n d cos όπου n είναι η τάξη περίθλασης. Τόσο η διασπορά όσο και η διακριτική ικανότητα αυξάνονται µε τη µείωση της απόστασης µεταξύ των χαραγών. Η εξίσωση 20-4 µας λέει ότι ένα φράγµα µε 10 3 Ú Á /cm έχει διακριτική ικανότητα 0,102 ακτίνια (5,8 ) ανά µικρόµετρο µήκους κύµατος, εάν n 1 και 10. Μήκη κύµατος που διαφέρουν κατά 1 m θα διαχωριστούν από γωνία 5,8. Μειώνοντας το πλάτος της σχισµής εξόδου του µονοχρωµάτορα µειώνεται το εύρος µηκών κύµατος της ακτινοβολίας, καθώς και η ενέργεια που φθάνει στον ανιχνευτή. ηλαδή, ο διαχωρισµός γειτονικών κορυφών απορρόφησης επιτυγχάνεται σε βάρος του λόγου σήµα-προς-θόρυβο. Για ποσοτική ανάλυση, ένας µονοχρωµάτορας είναι ικανοποιητικός εάν το φασµατικό εύρος είναι 1/5 του πλάτους της κορυφής απορρόφησης (µετρούµενο στο ήµισυ του ύψους της κορυφής). Η σχετική απόδοση ενός φράγµατος περίθλασης (η οποία κυµαίνεται µεταξύ 45% και 80%) ορίζεται ως ÂÙÈÎ applefi ÔÛË E n (ÊÚ ÁÌ ÙÔ ) (20-5) E (Î ÙfiappleÙÚÔ ) όπου E n (φράγµατος) είναι η ένταση σε συγκεκριµένο µήκος κύµατος, που περιθλάται σε συγκεκριµένη τάξη n, και E (κατόπτρου) είναι η ένταση στο ίδιο µήκος κύ- µατος που θα ανακλάτο από ένα κάτοπτρο µε επικάλυψη ίδια µε εκείνη του φράγµατος. Η απόδοση καθορίζεται, εν µέρει, από τη γωνία χάραξης της Εικόνας 20-6, δηλαδή τη γωνία στην οποία γίνονται οι χαραγές. Για να κατευθυνθεί ένα συγκεκριµέ- 490 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20 Φασµατοφωτόµετρα

10 ÚÔ Ê ÛÌ ÙÈÎ ÒÓË ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ λ max (Î Ï ÂappleÈÏÔÁ Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ ) λ λ max (Î Î ÂappleÈÏÔÁ Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ ) 2,0 nm 5 1,0 nm 4 appleôúúfiêëûë 0,5 nm 0,3 nm 3 2 0,1 nm ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (nm) Εικόνα 20-8 Í ÓÔÓÙ ÙÔ Â ÚÔ ÒÓË ÙÔ ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ Í ÓÂÙ È ÙÔ appleï ÙÔ ÙˆÓ ÎÔÚ ÊÒÓ Î È ÌÂÈÒÓÂÙ È Ë ÌÂÙÚÔ ÌÂÓË appleôúúfiêëûë ÙÔ Pr 3 ÛÙÔÓ ÎÚ ÛÙ ÏÔ ÁÚ Ó ÙË ÙÙÚ Ô - ÚÁÈÏ Ô ( ÏÈÎfi Î Ù ÛΠÁÈ Ï È ÂÚ). [ ÁÂÓÈÎ apple Ú ÒÚËÛË applefi M. D. Seltzer, Michelson Laboratory, China Lake, CA.] νο µήκος κύµατος στην τάξη περίθλασης που µας ενδιαφέρει, η γωνία χάραξης επιλέγεται έτσι ώστε στην Εικόνα 20-6, δεδοµένου ότι αυτή η συνθήκη συνεπάγεται µέγιστη ανάκλαση. Κάθε φράγµα βελτιστοποιείται για µικρό εύρος συχνοτήτων και γι αυτό ένα φασµατοφωτόµετρο µπορεί να χρειάζεται πολλά διαφορετικά φράγµατα για να είναι σε θέση να σαρώσει όλο το εύρος του φάσµατος. Επιλέγοντας το φασµατικό εύρος του µονοχρωµάτορα Όσο πλατύτερη η σχισµή εξόδου στην Εικόνα 20-5 τόσο µεγαλύτερο είναι το εύρος συχνοτήτων που επιλέγονται από τον µονοχρωµάτορα. Συνήθως µετράµε το πλάτος της σχισµής σε σχέση µε το εύρος φασµατικής ζώνης της ακτινοβολίας που επιλέγεται από τη σχισµή. Αντί να λέµε ότι η σχισµή έχει πλάτος 0,3 mm, µπορούµε να πούµε ότι το εύρος ζώνης που διέρχεται µέσω της σχισµής είναι 1,0 nm. Μια πλατιά σχισµή αυξάνει την ενέργεια που φθάνει στον ανιχνευτή, δίνει µεγάλο λόγο σήµα-προς-θόρυβο και προσφέρει καλή ακρίβεια κατά τη µέτρηση της απορρόφησης. Ωστόσο, η Εικόνα 20-8 δείχνει ότι εάν το εύρος ζώνης είναι µεγάλο σε σχέση µε το πλάτος της µετρούµενης κορυφής, τότε το σχήµα της κορυφής παραµορφώνεται. Επιλέγουµε το µεγαλύτερο εύρος ζώνης που επιτρέπει το φάσµα, ώστε να φθάνει όσο το δυνατόν περισσότερο φως στον ανιχνευτή. Ένα εύρος ζώνης µονοχρωµάτορα µε πλάτος ίσο µε το 1/5 του πλάτους της κορυφής επιφέρει συνήθως µικρή παραµόρφωση στο σχήµα της κορυφής. 8 Παράσιτη ακτινοβολία Σε κάθε όργανο, κάποια παράσιτη ακτινοβολία (µήκη κύµατος εκτός του εύρους ζώνης του µονοχρωµάτορα) καταφέρνει να φθάσει στον ανιχνευτή. Η παράσιτη ακτινοβολία από την πηγή φωτός που διέρχεται από τον µονοχρωµάτορα προέρχεται από την περίθλαση σε µη επιθυµητές τάξεις και γωνίες, και από τη σκέδαση από τα οπτικά µέρη και τα τοιχώµατα. Παράσιτη ακτινοβολία µπορεί επίσης να προέλθει από εξωτερικές πηγές, εάν ο χώρος του δείγµατος δεν είναι απόλυτα κλειστός. Οι οπές για την είσοδο σωληνώσεων και καλωδίων που χρειάζονται σε ορισµένα πείραµατα πρέπει να καλύπτονται προσεκτικά για τη µείωση της παράσιτης ακτινοβολίας. Τα σφάλµατα από την παράσιτη ακτινοβολία είναι σηµαντικότερα όταν η απορρόφηση του δείγµατος είναι µεγάλη (Εικόνα 20-9), επειδή τότε η παράσιτη ακτινοβολία συνεισφέρει σηµαντικό ποσοστό της ακτινοβολίας που φθάνει στον ανιχνευτή. Ô Â ÚÔ Ê ÛÌ ÙÈÎ ÒÓË ÙÔ ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ appleú appleâè Ó Â Ó È fiûô ÙÔ Ó ÙfiÓ ÌÂÁ Ï ÙÂÚÔ, ÏÏ ÌÈÎÚfi ÛÂ Û ÛË Ì ÙÔ appleï ÙÔ ÙË ÌÂÙÚÔ ÌÂÓË ÎÔÚ Ê. Ê ÛÌ ÙfiÌÂÙÚ ËÏ appleôèfiùëù ÌappleÔÚÂ Ó Ô Ó Ô ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ Û ÛÂÈÚ (ÔÓÔÌ ÔÓÙ È ÈappleÏfi ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ ), ÁÈ ÙË Ì ˆÛË ÙË apple Ú ÛÈÙË ÎÙÈÓÔ ÔÏ. ÌË ÂappleÈı ÌËÙ ÎÙÈÓÔ ÔÏ appleô È Ú ÂÙ È applefi ÙÔÓ appleúòùô ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ, «Îfi ÂÙ È» applefi ÙÔÓ Â ÙÂÚÔ Μονοχρωµάτορες 491

11 È appleâú ÙfiÙËÙ (%) ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (µm) 3,0 4,0 5,0 6,0 È appleâú ÙfiÙËÙ (%) ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (µm) ,0 5, ( ) Ì Ù ÚÈıÌfi (cm 1 ) ( ) Ì Ù ÚÈıÌfi (cm 1 ) Εικόνα º ÛÌ È appleâú ÙfiÙËÙ Ê ÏÙÚˆÓ Û Ì ÔÏ. ( ) Ô Ê ÏÙÚÔ Â Ú ٠ÈÓ ÂÈ ~ 90% È appleâú ÙfiÙËÙ ÛÙÔ Ê ÛÌ ÙÈÎfi  ÚÔ 3 Ò 5 m ÏÏ ÌfiÏÈ <0,01% È appleâú ÙfiÙË٠͈ applefi Ùfi ÙÔ Â ÚÔ. ( ) Ô Ê ÏÙÚÔ ÛÙÂÓ Ù ÈÓ ÂÈ appleï ÙÔ È appleâú ÙfiÙËÙ 0,1 m ÛÙ 4 m. [ ÁÂÓÈÎ apple Ú ÒÚËÛË applefi Barr Associates, Westford, MA.] υπόλοιπη (Εικόνα 20-10). Η ιδιότητα αυτών των συσκευών οφείλεται στην ενισχυτική ή καταστροφική συµβολή των κυµάτων της ακτινοβολίας µέσα στο φίλτρο Ανιχνευτές Ένας ανιχνευτής παράγει ηλεκτρικό σήµα όταν εισέρχονται σε αυτόν φωτόνια. Για παράδειγµα, µια φωτολυχνία εκπέµπει ηλεκτρόνια από τη φωτοευαίθητη, αρνητικά φορτισµένη επιφάνεια (την κάθοδο), όταν προσπίπτει σε αυτήν ορατή ή υπεριώδης ακτινοβολία. Τα ηλεκτρόνια ρέουν µέσω κενού στον θετικά φορτισµένο συλλέκτη, του οποίου το ρεύµα είναι ανάλογο προς την ένταση της ακτινοβολίας. Η Εικόνα δείχνει ότι η απόκριση του ανιχνευτή εξαρτάται από το µήκος κύµατος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Λόγου χάρη, για δεδοµένη ισχύ ακτινοβολίας (W/m 2 ) φωτός 420 nm, ο φωτοπολλαπλασιαστής S-20 παράγει ρεύµα περίπου τέσσερεις φορές µεγαλύτερο από εκείνο που παράγεται όταν προσπίπτει σε αυτόν φως 300 nm της ίδιας ισχύος. Η απόκριση κάτω από τα 280 nm και πάνω από τα 800 nm είναι ουσιαστικά 0. Σε ένα φασµατοφωτόµετρο µονής δέσµης, η ρύθµιση διαπερατότητας στο 100% πρέπει να επαναλαµβάνεται κάθε φορά που το µήκος κύ- µατος αλλάζει. Αυτή η βαθµονόµηση ρυθµίζει το φασµατοφωτόµετρο στη µέγιστη δυνατή απόκριση του ανιχνευτή, σε κάθε µήκος κύµατος. Όλες οι υπόλοιπες µετρήσεις λαµβάνονται σε σχέση µε την κλίµακα του 100%. applefiîúèûë ÂÓfi ÓÈ Ó ٠appleôùâïâ Û Ó ÚÙËÛË ÙÔ Ì ÎÔ Î Ì ÙÔ ÙË ÂÈÛÂÚ fiìâóë ÎÙÈÓÔ ÔÏ. 1 ÂÙÈÎ Â ÈÛıËÛ 0,75 0,50 0,25 GaN ºˆÙÔappleÔÏÏ appleï ÛÈ ÛÙ S-1 ºˆÙÔ Ô Ô apple ÚÈÙ Ô Ì  ÈÛıËÛ ÛÙÔ ÌappleÏ ºˆÙÔappleÔÏÏ appleï ÛÈ ÛÙ S-20 ºˆÙÔ Ô Ô apple ÚÈÙ Ô ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (nm) Εικόνα applefiîúèûë ÓÈ Ó Ù. ŸÛÔ ÌÂÁ Ï ÙÂÚË Ë Â ÈÛıËÛ ÙfiÛÔ ÌÂÁ Ï ÙÂÚË Ë ÓÙ ÛË ÙÔ ÚÂ Ì ÙÔ ÙÔ Ó ÌÈÎfi appleô apple Ú ÁÂÙ È applefi ÙÔÓ ÓÈ Ó ٠ÁÈ Â ÔÌ ÓË appleúôûapple appleùô Û ÓÙ ÛË (W/m 2 ) ʈÙÔÓ ˆÓ. ıâ Î Ìapple ÏË Î ÓÔÓÈÎÔappleÔÈÂ Ù È ÛÙË Ì ÁÈÛÙË ÙÈÌ 1. [ ÁÂÓÈÎ apple Ú ÒÚËÛË applefi Barr Associates, Westford, MA. GaN data from APA ptics, Blaine, MN.] Φωτοπολλαπλασιαστής Η λυχνία φωτοπολλαπλασιαστή (ή απλώς φωτοπολλαπλασιαστής) (Εικόνα 20-12) είναι µια πολύ ευαίσθητη συσκευή στην οποία τα ηλεκτρόνια που εκπέµπονται από τη φωτοευαίσθητη επιφάνεια συναντούν µια δεύτερη επιφάνεια, που ονοµάζεται δύνο Ανιχνευτές 493

12 Εικόνα È ÁÚ ÌÌ ÊˆÙÔappleÔÏÏ appleï ÛÈ ÛÙ Ì ÂÓÓ Ófi Ô. Ó Û ÛË ÙÔ Û Ì ÙÔ Ï Ì ÓÂÈ ÒÚ Û Πıâ ÓÔ Ô, Ë ÔappleÔ Â Ó È appleâú appleô 90 V appleèô ıâùèî applefi ÙËÓ appleúôëáô ÌÂÓË. ÔÏÏ ËÏÂÎÙÚfiÓÈ ÂÎapple ÌappleÔÓÙ È applefi ÙË ÓÔ Ô 1 ÁÈ Î ıâ ËÏÂÎÙÚfiÓÈÔ appleô appleúôûapple appleùâè ÛÙË ÓÔ Ô 1 3 ºˆÙÔËÏÂÎÙÚfiÓÈ appleô ÂÎapple ÌappleÔÓÙ È applefi ÙËÓ Î ıô Ô ÓÔ Ô È Ê Ó apple Ú ı ÚÔ ÚÔÛapple appleùô Û ÎÙÈÓÔ ÔÏ (hν) 7 Ï ÁÌ 9 ıô Ô ÂÎappleÔÌapple ʈÙÔÓ ˆÓ ÕÓÔ Ô, > 10 6 ËÏÂÎÙÚfiÓÈ ÁÈ Î ıâ ʈÙfiÓÈÔ δος, η οποία είναι θετικά φορτισµένη σε σχέση µε τη φωτοευαίσθητη επιφάνεια. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται και πλήττουν τη δύνοδο µε µεγαλύτερη κινητική ενέργεια από εκείνη που είχαν αρχικά. Κάθε ηλεκτρόνιο υψηλότερης ενέργειας µπορεί να εξαγάγει πάνω από ένα ηλεκτρόνιο από τη δύνοδο. Τα νέα ηλεκτρόνια επιταχύνονται προς µια δεύτερη δύνοδο, η οποία είναι περισσότερο θετική από την πρώτη. Κατά τη σύγκρουση των ηλεκτρονίων στη δεύτερη δύνοδο, ακόµα περισσότερα ηλεκτρόνια εξέρχονται και επιταχύνονται προς την τρίτη δύνοδο. Η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται πολλές φορές, έτσι ώστε τουλάχιστον 10 6 ηλεκτρόνια να συλλέγονται τελικά για κάθε φωτόνιο που προσπίπτει στην αρχική επιφάνεια-κάθοδο. Με τον τρόπο αυτό, ένα πολύ ασθενές φως µπορεί να µετατραπεί σε µετρούµενο ηλεκτρικό σήµα. Παρ όλη την ευαισθησία του φωτοπολλαπλασιαστή, το ανθρώπινο µάτι είναι ακόµα πιο ευαίσθητο όργανο (Πλαίσιο 20-2). È ÌÈ Âapple Ó ÏË Ë ÛÙ Û ÂÙÈÎ Ì ÙÔ ËÌÈ ÁˆÁÔ, Ï. ÓfiÙËÙ Συστοιχία φωτοδιόδων Τα συµβατικά φασµατοφωτόµετρα σαρώνουν στο φάσµα ένα µήκος κύµατος κάθε φορά. Τα σύγχρονα όργανα µπορούν να καταγράψουν ολόκληρο το φάσµα σε κλάσµατα του δευτερολέπτου. Μια εφαρµογή γρήγορης σάρωσης έχουµε στη χρωµατογραφία, στην οποία ολόκληρο το φάσµα µιας ουσίας καταγράφεται σε δευτερόλεπτα, καθώς αυτή εξέρχεται από τη χρωµατογραφική στήλη. Στην καρδιά της γρήγορης φασµατοσκοπίας βρίσκεται η συστοιχία φωτοδιόδων που φαίνεται στην Εικόνα (ή η συσκευή σύζευξης φορτίου στην οποία θα αναφερθούµε αργότερα). Σειρές από πυρίτιο τύπου p πάνω σε υπόστρωµα (το υποκείµενο υλικό) πυριτίου τύπου n δηµιουργούν µια σειρά από διόδους επαφής pn. Σε κάθε δίοδο εφαρµόζεται ανάστροφη πόλωση, οπότε τα ηλεκτρόνια και οι οπές έλκονται µακριά από την επαφή. ηµιουργείται έτσι µια περιοχή απογύµνωσης σε κάθε επαφή, όπου υπάρχουν πολύ λίγα ηλεκτρόνια και οπές. Η επαφή λειτουργεί ως πυκνω- ÚÔÛÙ Ù ÙÈÎfi ÛÙÚÒÌ applefi 2 ºˆ Ú ÙÈÔ Ù appleô p ÂÚÈÔ appleôá ÌÓˆÛË 25 µm Ú ÙÈÔ Ù appleô n ( ) ( ) Εικόνα ( ) ËÌ ÙÈÎ ÂÁÎ ÚÛÈ appleô Ë Û ÛÙÔÈ ÊˆÙÔ Èfi ˆÓ. ( ) ºˆÙÔÁÚ Ê Û ÛÙÔÈ appleô appleâúè ÂÈ 1024 ÛÙÔÈ Â Ø Î ıâ Ó ÂÈ appleï ÙÔ 25 µm Î È Ô 2,5 mm. Ô ÎÂÓÙÚÈÎfi Ì ÚÔ apple Ú ÏÏËÏfiÁÚ ÌÌÔ Â Ó È Ë ÊˆÙÔ ÛıËÙË ÂappleÈÊ ÓÂÈ. ŸÏÔ ÙÔ appleï Î ÈÔ («ÙÛÈapple») ÂÈ Ì ÎÔ 5 cm. [ ÁÂÓÈÎ apple Ú ÒÚËÛË applefi riel Corporation, Stratford, CT.] 494 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20 Φασµατοφωτόµετρα

13 Πλαίσιο 20-2 Ο σηµαντικότερος φωτοαποδέκτης Ο αµφιβληστροειδής χιτώνας στο πίσω µέρος του µατιού περιέχει φωτοευαίσθητα κύτταρα, τα αποκαλούµενα ραβδία και κωνία, τα οποία είναι ευαίσθητα σε επίπεδα φωτός µε πολύ µεγάλο εύρος έντασης. Το φως που προσπίπτει στα κύτταρα αυτά µετατρέπεται σε νευρικούς παλµούς οι οποίοι µεταφέρονται µέσω του οπτικού νεύρου στον εγκέφαλο. Τα ραβδία µπορούν να ανιχνεύσουν πολύ λίγο φως, αλλά δεν µπορούν να ξεχωρίσουν τα χρώµατα. Τα κωνία λειτουργούν σε έντονο φως και δίνουν τη δυνατότητα της έγχρωµης όρασης. Μια στοιβάδα από περίπου 1000 δίσκους σε κάθε ραβδίο περιέχει τη φωτοευαίσθητη πρωτεΐνη ροδοψίνη 10, στην οποία το χρωµοφόρο 11-cis-ρετινάλη (από τη βιταµίνη A) είναι προσδεδεµένο στην πρωτεΐνη οψίνη. Όταν απορροφάται φως από τη ροδοψίνη, µια σειρά από ταχύτατες µετατροπές απελευθερώνουν ολο-trans-ρετινάλη. Στο σηµείο αυτό, η χρωστική χάνει το χρώµα της (αποχρωµατίζεται) και δεν µπορεί πλέον να αποκρίνεται στο φως, έως ότου η ρετινάλη ισοµερίζεται, επιστρέφει στη µορφή 11-cis και επανασυνδέεται µε την πρωτεΐνη. Στο σκοτάδι υπάρχει συνεχής ροή 10 9 ιόντων Νa ανά δευτερόλεπο, από το εσωτερικό των ραβδίων προς το εξωτερικό µέρος τους. Μια διαδικασία που εξαρτάται από την ενέργεια και χρησιµοποιεί ATP και οξυγόνο αντλεί Na εκτός κυττάρου. Μια άλλη διαδικασία, στην οποία συµµετέχει η κυκλική GMP, διατηρεί ανοικτές τις πύλες του εξωτερικού µέρους για να επανέλθουν τα ιόντα στο κύτταρο. Όταν απορροφάται φως και η ροδοψίνη αποχρωµατίζεται, µια σειρά από αντιδράσεις καταστρέφουν την κυκλική GMP και κλείνουν τα κανάλια µέσω των οποίων το Na ρέει προς το κύτταρο. Ένα µόνο φωτόνιο αρκεί για τη µείωση της ροής των ιόντων κατά 3%, που αντιστοιχεί σε µείωση ιόντων ανά δευτερόλεπτο. Η ενίσχυση αυτή είναι µεγαλύτερη από εκείνη του φωτοπολλαπλασιαστή, του πλέον ευαίσθητου φωτοανιχνευτή. Η ροή των ιόντων επιστρέφει στην τιµή που έχει στο σκοτάδι, καθώς επανασυνδέονται η πρωτεΐνη µε τη ρετινάλη και η κυκλική GMP επανέρχεται στην αρχική της συγκέντρωση. Na + ÈappleÏfi ÂÛÌfi cis ÛÎÔÈ ªÂÌ Ú ÓË appleï ÛÌ ÙÔ ÍˆÙÂÚÈÎfi ÙÌ Ì ÃÚˆÌÔÊfiÚÔ ƒô Ô ÓË NH ÚˆÙ ÓË + ÙÙ ÚfiappleÏ ÛÌ ºˆ Na + Ú Ó ÛˆÙÂÚÈÎfi ÙÌ Ì ÓË + Ó Ë ÏÔ-trans-ÚÂÙÈÓ ÏË ƒ Ô appleô ÚˆÌ ÙÈÛÌ Ó appleúô fióù τής, ο οποίος φέρει φορτίο και στις δύο πλευρές της περιοχής απογύµνωσης. Στην αρχή του κύκλου µέτρησης, κάθε δίοδος είναι πλήρως φορτισµένη. Όταν στην επιφάνεια του ηµιαγωγού προσπίπτει ακτινοβολία, παράγονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές, που µεταναστεύουν σε περιοχές αντίθετου φορτίου, αποφορτίζοντας εν µέρει τον πυκνωτή. Όσο περισσότερη ακτινοβολία προσπίπτει σε κάθε δίοδο τόσο λιγότερο φορτίο παραµένει στο τέλος της µέτρησης. Για όσο µεγαλύτερο διάστηµα ακτινοβολείται η συστοιχία πριν από κάθε µέτρηση τόσο περισσότερο αποφορτίζεται κάθε πυκνωτής. Η κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο πυκνωτής ελέγχεται στο τέλος του κύκλου, αν µετρήσουµε το ρεύµα που απαιτείται για την πλήρη επαναφόρτισή του. Σε ένα φασµατόµετρο διασποράς (Εικόνα 20-1), µόνο µια στενή δέσµη µηκών κύ- µατος φθάνει στον ανιχνευτή. Σε ένα φασµατοφωτόµετρο συστοιχίας φωτοδιόδων (Εικόνα 20-14) µετριούνται όλα τα µήκη κύµατος ταυτοχρόνως, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα γρήγορης συλλογής του φάσµατος ή µεγαλύτερου λόγου σήµα-προς-θόρυβο, ή κάποιου ενδιάµεσου συνδυασµού των δύο. Στο φασµατοφωτόµετρο συστοιχίας φωτοδιόδων της Εικόνας 20-14, διαπερνά το δείγµα λευκό φως (µε όλα τα µήκη κύµατος). Στη συνέχεια, το φως εισέρχεται σε έναν πολυχρωµάτορα, ο οποίος αναλύει το φως στα επιµέρους µήκη κύµατος και το κατευθύνει στη συστοιχία φωτοδιόδων. Κάθε δίοδος λαµβάνει διαφορετικό µήκος κύµατος, και έτσι όλα τα µήκη κύµατος µετριούνται ταυτόχρονα. Η διακριτική ικανότητα εξαρτάται από την απόσταση µεταξύ των φωτοδίοδων και από τη διασπορά που προκαλεί ο πολυχρωµάτορας. Το φάσµα στην ŒÓ Ê ÛÌ ÙÔʈÙfiÌÂÙÚÔ ÌÂ Û ÛÙÔÈ ÊˆÙÔ Èfi ˆÓ apple Ú ÎÔÏÔ ıâ fiï Ù Ì ÎË Î Ì ÙÔ Ù ÙÔ ÚfiÓˆ, ÂappleÈÙÚ appleôóù ÙÛÈ ÁÚ ÁÔÚË Û ÏÏÔÁ  ÔÌ ÓˆÓ Î È Î Ï ÙÂÚÔ ÏfiÁÔ Û Ì -appleúô -ıfiú Ô Ανιχνευτές 495

14 ÓÈ ÓÂ Ù Û ÛÙÔÈ ÊˆÙÔ Èfi ˆÓ ÏÏÂÈappleÙÈÎfi Î ÙÔappleÙÚÔ Â ÁÌ ÙÔappleÙÚÔ Εικόνα ËÌ ÙÈÎ apple ÚÔ Û ÛË Ê ÛÌ ÙÔʈÙÔÌ ÙÚÔ Û ÛÙÔÈ ÊˆÙÔ Èfi ˆÓ. ËÁ ʈÙfi ÔÏ ÚˆÌ ÙÔÚ ÊÚ ÁÌ ÙÔ appleâú ıï ÛË Εικόνα (στο επόµενο κεφάλαιο) έχει ληφθεί µε ανιχνευτή συστοιχίας φωτοδιόδων. Οι συστοιχίες φωτοδιόδων επιτρέπουν ταχύτερη συλλογή του φάσµατος ( 1 s) απ ό,τι ένα όργανο διασποράς, το οποίο απαιτεί αρκετά λεπτά. Τα όργανα συστοιχίας φωτοδιόδων δεν έχουν κινούµενα µέρη, έτσι είναι πιο σταθερά από τα όργανα διασποράς, τα οποία έχουν ένα περιστρεφόµενο φράγµα και αλλάζουν φίλτρα για τη σάρωση του φάσµατος. Η διακριτική ικανότητα των 0,1 nm και η ακρίβεια µέτρησης του µήκους κύµατος που επιτυγχάνονται µε τα όργανα διασποράς είναι καλύτερη από εκείνες που επιτυγχάνονται µε τα όργανα συστοιχίας φωτοδιόδων (διακριτική ικανότητα 0,5 1,5 nm). Η παράσιτη ακτινοβολία είναι χαµηλότερη στα όργανα διασποράς απ ό,τι στη συστοιχία φωτοδιόδων, επιτρέποντας στα όργανα διασποράς να έχουν µεγαλύτερο δυναµικό εύρος και να µετρούν µεγαλύτερες απορροφήσεις. Η παράσιτη ακτινοβολία σε ένα όργανο συστοιχίας φωτοδιόδων δεν αυξάνεται σηµαντικά αν ο χώρος δείγµατος είναι ανοιχτός. Στα όργανα διασποράς, αυτός ο χώρος πρέπει να είναι ερµητικά κλειστός κατά τη µέτρηση. È ËÊÈ Î Î ÌÂÚ ÚËÛÈÌÔappleÔÈÔ Ó Û ÛÎÂ Û Â ÍË ÊÔÚÙ Ô ÁÈ ÙËÓ Î Ù ÁÚ Ê ÙË ÂÈÎfiÓ. Συσκευή σύζευξης φορτίου 11 Μια συσκευή σύζευξης φορτίου (charge coupled device, CCD) είναι ένας πολύ ευαίσθητος ανιχνευτής, ο οποίος αποθηκεύει το φορτίο που παράγεται από την ακτινοβολία σε µια διδιάστατη συστοιχία. Η συσκευή στην Εικόνα 20-15α κατασκευάζεται από µια δίοδο p-ντοπαρισµένου πυριτίου σε n-ντοπαρισµένο υπόστρωµα. Η δοµή καλύπτεται µε µονωτικό υµένιο από 2, πάνω στο οποίο τοποθετείται µια σειρά από αγώγιµα ηλεκτρόδια. Όταν απορροφάται φως από την p-ντοπαρισµένη περιοχή, στη ζώνη αγωγιµότητας εισάγεται ένα ηλεκτρόνιο και στη ζώνη σθένους µένει µια οπή. Το ηλεκτρόνιο έλκεται στην περιοχή κάτω από το θετικά φορτισµένο ηλεκτρόδιο, όπου και αποθηκεύεται. Η οπή µεταναστεύει στο n-ντοπαρισµένο υπό- ªÔÓˆÙ V ÏÂÎÙÚfi ÈÔ ºˆ Ù ı ÓÛË ÛÂÈÚÈ Î ÌÂÙ Î ÓËÛË ÂÈÚÈ Îfi Î Ù ˆÚËÙ ÓÈÛ Ù ÏÂÎÙÚfiÓÈ appleô appleôıëîâ ÔÓÙ È Î Ùˆ applefi ÙÔ ıâùèîfi ËÏÂÎÙÚfi ÈÔ p-óùôapple ÚÈÛÌ ÓÔ + ÏÂÎÙÚfiÓÈÔ Î È Ôapple appleô ËÌÈÔ Ú- ÁÔ ÓÙ È applefi ÙÔ ÊˆÙfiÓÈÔ 576 ÛÂÈÚ Ù ı ÓÛË ÌÂÙ ÊÔÚ ÂÈÎfiÓ ÀapplefiÛÙÚˆÌ applefi n-óùôapple ÚÈÛÌ ÓÔ ( ) 384 ÛÙ Ï Εικόνα ËÌ ÙÈÎ Ó apple Ú ÛÙ ÛË ÌÈ Û ÛÎÂ Û Â ÍË ÊÔÚÙ Ô. ( ) ÁÎ ÚÛÈ appleô Ë, appleô  ÓÂÈ ÙËÓ apple Ú ÁˆÁ ÙÔ ÊÔÚÙ Ô Î È ÙËÓ appleôı ÎÂ Û ÙÔ Û Πıâ ÂÈÎÔÓÔÛÙÔÈ Â Ô. ( ) ÕappleÔ Ë applefi apple Óˆ, appleô  ÓÂÈ ÙË È È ÛÙ ÙË Ê ÛË ÙË Û ÛÙÔÈ. appleú ÁÌ ÙÈÎ Û ÛÙÔÈ ÂÈ Ì ÁÂıÔ appleâú appleô fiûô Ó ÁÚ ÌÌ ÙfiÛËÌÔ. ( ) 496 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20 Φασµατοφωτόµετρα

15 21 Ατοµική φασµατοσκοπία ΕΝΑΣ ΓΡΙΦΟΣ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑΣ I Á ÚÔÓÔ fióùè applefi ÙËÓ Ú ÎÔ, ÔÏˆÓ Pb Ì Ê ÛÌ ÙÔÌ ÙÚÔ Ì Ag Ag In 115 Sb Sb Sn I127 fióùè applefi ÙË appleèùû ÚÁË ÙË ÔÚ ËÁ, appleâú Dy Ho 165 Er Tm 169 Yb Lu 175 Hf 178 Ta W Au 197 Hg Hg Pb Bi 209 Th 232 U ÙÔÌÈÎ Ì Στην ατοµική φασµατοσκοπία, µια ουσία αποσυντίθεται σε άτοµα όταν βρεθεί σε φλόγα, φούρνο ή πλάσµα. (Το πλάσµα είναι ένα αέριο αρκετά θερµό ώστε να περιέχει ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια.) Η µέτρηση του κάθε στοιχείου βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτοµα στην αέρια φάση απορροφούν ή εκπέµπουν υπεριώδη ή ορατή ακτινοβολία. Για τη µέτρηση των ιχνοστοιχείων σε ένα δόντι, µικρές ποσότητες του δοντιού εξαχνώνονται (µέσω θερµικής αποσύνθεσης) από έναν παλµό λέιζερ 1 και παρασύρονται µέσα στο πλάσµα. Το πλάσµα ιοντίζει ορισµένα από τα άτοµα, τα οποία εισέρχονται στο φασµατόµετρο µάζας που διαχωρίζει τα ιόντα βάσει των µαζών τους και µετρά την ποσότητά τους. Στα δόντια υπάρχουν διάφορα στοιχεία λόγω της διατροφής ή της εισπνοής. Η παραπάνω εικόνα δείχνει το προφίλ των ιχνοστοιχείων που µετρήθηκαν µε φασµατοµετρία µάζας ύστερα από θερµική αποσύνθεση και ιοντισµό πλάσµατος της οδοντίνης των δοντιών ενός σύγχρονου ανθρώπου και κάποιου που έζησε στη Σκανδιναβία γύρω στο Οι διαφορές είναι εντυπωσιακές. Το παλιό δόντι περιέχει σηµαντικές ποσότητες κασσιτέρου και βισµουθίου, στοιχεία που απουσιάζουν σχεδόν από το δόντι του σύγχρονου ατόµου. Το παλιό δόντι περιέχει επίσης περισσότερο µόλυβδο και αντιµόνιο από το σύγχρονο δόντι. Ο κασσίτερος και ο µόλυβδος είναι στοιχεία του κράµατος που χρησιµοποιούσαν τότε για την κατασκευή δοχείων και εργαλείων µαγειρικής. Το βισµούθιο και το αντιµόνιο µπορεί επίσης να προέρχονται από το κράµα αυτό. Ακόµα εντυπωσιακότερη είναι η πληθώρα µετάλλων σπάνιων γαιών (δυσπρόσιο, χόλµιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο και λουτέκιο), αλλά και τα στοιχεία ταντάλιο, βολφράµιο, χρυσός, θόριο και ουράνιο, που υπάρχουν στο παλιό δόντι. Ορυκτά σπάνιων γαιών απαντούν στη Σκανδιναβία (στην πραγµατικότητα πολλές σπάνιες γαίες ανακαλύφθηκαν εκεί), αλλά γιατί να τα χρησιµοποιούσαν; Προετοίµαζαν οι άνθρωποι φαγητό µε αυτά; Εισέρχονταν µε κάποιο τρόπο στην τροφική αλυσίδα; ÚÔÊ Ï Ì ÙÈ È ÓÔappleÔÛfiÙËÙ ÛÙÔÈ Â ˆÓ applefi fióùè Û Á ÚÔÓÔ ÓıÚÒappleÔ Î È applefi ÓıÚˆappleÔ appleô ËÛ ÛÙË Î Ó ÈÓ appleúèó applefi 200 ÚfiÓÈ. [ applefi A. Cox, F. Keenan, M. Cooke, & J. Appleton, Trace Element Profiling of Dental Tissues Using Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, Fresenius J. Anal. Chem. 1996, 354, 254.] Στην ατοµική φασµατοσκοπία, τα δείγµατα εξαχνώνονται στους K και αποσυντίθενται σε άτοµα. Οι συγκεντρώσεις των ατόµων στην αέρια φάση µετριούνται µέσω της απορρόφησης ή της εκποµπής ακτινοβολίας χαρακτηριστικού µήκους κύ- apple ÁˆÁÈÎ Û Â ÁÌ ÓÔ appleï ÛÌ ÚÁÔ ÙÔÌÔappleÔÈÂ Ô Û Â ÛÙÔ 6000 K. 515

16 ÚÔÛ ÁÎ ÓÙÚˆÛË: È ÈÎ Û Û ÁÎ ÓÙÚˆÛË È ÓÔappleÔÛÔÙ ÙˆÓ Ó Ï ÙË Û ÌÂÁ Ï ÙÂÚÂ Û ÁÎÂÓÙÚÒÛÂÈ, ÈÎ Ó Ó Ó Ï ıô Ó µατος. Λόγω της µεγάλης ευαισθησίας, της ικανότητας να διαχωρίζει ένα στοιχείο από κάποιο άλλο σε σύνθετα δείγµατα, της ικανότητας να εκτελεί ταυτοχρόνως πολυστοιχειακές αναλύσεις και της ευκολίας αυτόµατης ανάλυσης πολλών δειγµάτων, η ατοµική φασµατοσκοπία αποτελεί κύριο εργαλείο της αναλυτικής χηµείας. 2 Ο αναλύτης µπορεί να µετρηθεί σε επίπεδα από µέρη ανά εκατοµµύριο ( g/g) ώς µέρη ανά τρισεκατοµµύριο (pg/g). Για την ανάλυση των κύριων συστατικών, το δείγ- µα πρέπει να αραιώνεται ώστε να µειωθεί η συγκέντρωση σε επίπεδα ppm. Όπως και στην ανάλυση των δοντιών, ιχνοποσότητες στοιχείων µπορούν να µετρηθούν άµεσα, χωρίς να πραγµατοποιηθεί προσυγκέντρωση. Η ακρίβεια της ατοµικής φασµατοσκοπίας, συνήθως 1 2%, δεν είναι τόσο υψηλή όσο εκείνη ορισµένων υγρών χηµικών µεθόδων. Η οργανολογία της είναι ακριβή, αλλά και ευρέως διαδεδοµένη. Τα άγνωστα, τα πρότυπα και τα λευκά φορτώνονται σε έναν αυτόµατο δειγµατολήπτη, δίσκο που περιστρέφεται αυτόµατα, µεταφέροντας τα δείγµατα στο σηµείο ανάλυσης ένα προς ένα. Το όργανο µπορεί να λειτουργεί επί πολλές ώρες χωρίς την ανάγκη ανθρώπινης παρέµβασης Επισκόπηση Ας δούµε το πείραµα ατοµικής απορρόφησης στο µέσο της Εικόνας Στην Εικόνα 21-2, ένα υγρό δείγµα αναρροφάται σε φλόγα που η θερµοκρασία της είναι K. Το υγρό εξατµίζεται και το στερεό υπόλειµµα ατοµοποιείται (διασπάται σε άτοµα) στη φλόγα, η οποία παίζει τον ρόλο της κυψελίδας ενός κανονικού φασµατοφωτοµέτρου. Το µήκος διαδροµής της φλόγας είναι περίπου 10 cm. Η λυχνία κοίλης καθόδου στα αριστερά της Εικόνας 21-2 έχει µια κάθοδο από σίδηρο. Όταν η κάθοδος βοµβαρδίζεται µε ιόντα Ne ή Ar υψηλής ενέργειας, τα διεγερµένα άτοµα Fe εξαχνώνονται και εκπέµπουν φως µε την ίδια συχνότητα µε την οποία απορροφά ο Fe του αναλύτη στη φλόγα. Στη δεξιά πλευρά της Εικόνας 21-2, ένας ανιχνευτής µετρά την ένταση του φωτός που διέρχεται από τη φλόγα. Μια σηµαντική διαφορά µεταξύ ατοµικής και µοριακής φασµατοσκοπίας είναι το πλάτος των κορυφών απορρόφησης ή εκποµπής. Τα φάσµατα των υγρών και των στερεών έχουν πλάτος ταινίας 100 nm, όπως φαίνεται στις Εικόνες 18-7 και Αντιθέτως, τα φάσµατα των ατόµων στην αέρια φάση αποτελούνται από οξείες κο- appleôè ÙÔÌÈÎ Ê ÛÌ ÙÔÛÎÔapple : 1. appleôúúfiêëûë: ÔÍ  ÁÚ ÌÌ appleôúúôêòóù È applefi Ï Ó ÎÔ ÏË Î ıfi Ô 2. ÊıÔÚÈÛÌfi : appleúô Ú ÂÙ È applefi appleôúúfiêëûë ÎÙÈÓÔ ÔÏ Ï È ÂÚ 3. ÂÎappleÔÌapple : appleúô Ú ÂÙ È applefi ıâúìèî ÈÂÁÂÚÌ Ó Π٠ÛÙ ÛÂÈ ÕÙÔÌÔ ÛÙË ÊÏfiÁ Ì ÙÔÌÈÎ ÂÎappleÔÌapple ªÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ ÓÈ ÓÂ Ù Ó ÎÔ ÏË Î ıfi Ô ªÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ Ì ÙÔÌÈÎ appleôúúfiêëûë ÓÈ ÓÂ Ù È ÂÚ Ì ÙÔÌÈÎÔ ÊıÔÚÈÛÌÔ ªÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ ÓÈ Ó ٠Εικόνα 21-1 appleôúúfiêëûë, ÂÎappleÔÌapple Î È ÊıÔÚÈÛÌfi ÙfiÌˆÓ Û ÊÏfiÁ. ÙËÓ ÙÔÌÈÎ appleôúúfiêëûë, ÙÔÌ appleôúúôêô Ó Ì ÚÔ ÙÔ ÊˆÙfi applefi ÙËÓ appleëá, ÂÓÒ ÙÔ applefiïôèappleô ʈ Êı ÓÂÈ ÛÙÔÓ ÓÈ Ó Ù. ÙÔÌÈÎ ÂÎappleÔÌapple appleúô Ú ÂÙ È applefi ÙÔÌ appleô Ú ÛÎÔÓÙ È Û ÈÂÁÂÚÌ ÓË Î Ù ÛÙ ÛË ÏfiÁˆ ÙË ÌÂÁ ÏË ıâúìèî ÂÓ ÚÁÂÈ ÙË ÊÏfiÁ. È Ó apple Ú ÙËÚËı ÙÔÌÈÎfi ÊıÔÚÈÛÌfi, ÈÂÁ ÚÔÓÙ È ÙÔÌ applefi Â͈ÙÂÚÈÎ Ï Ó Ï È ÂÚ. ŒÓ ÈÂÁÂÚÌ ÓÔ ÙÔÌÔ ÌappleÔÚÂ Ó ÌÂÙ ÎÈÓËı Û ÌËÏfiÙÂÚË ÂÓÂÚÁÂÈ Î Î Ù ÛÙ ÛË Î È Ó ÂÎapple Ì ÂÈ ÎÙÈÓÔ ÔÏ. ÈÂÁÂÚÌ Ó Π٠ÛÙ ÛÂÈ ÂÌÂÏÈÒ Ë Î Ù ÛÙ ÛË ªÂÙ appleùòûâè ÙÔÌÈÎ ÂÎappleÔÌapple ºÏfiÁ ªÂÙ appleùòûâè ÙÔÌÈÎ appleôúúfiêëûë ªÂÙ appleùˆûë ˆÚ ÂÎappleÔÌapple ÎÙÈÓÔ ÔÏ appleôúúfiêëûë ªÂÙ appleùòûâè ÙÔÌÈÎÔ ÊıÔÚÈÛÌÔ 516 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 21 Ατοµική φασµατοσκοπία

17 ºÏfiÁ Ó ÎÔ ÏË Î ıfi Ô P 0 P ªÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ ÓÈ Ó ٠ÓÈÛ Ù ÛÈÌÔ ÛÎÂ Ó ÁÓˆÛË Û Ì ÙÔ Ú Â ÁÌ Ì ÙÔÓ Ó Ï ÙË Û appleôù ÚÈ Ûˆ Εικόνα 21-2 Â Ú Ì ÙÔÌÈÎ appleôúúfiêëûë. Ÿappleˆ ÛÙËÓ ÈÎfiÓ 18-4, È appleâú ÙfiÙËÙ T P/P 0 Î È appleôúúfiêëûë log T. ÙËÓ appleú ÍË, ÙÔ P 0 Â Ó È Ë ÓÙ ÛË ÙË ÎÙÈÓÔ ÔÏ appleô Êı ÓÂÈ ÛÙÔÓ ÓÈ Ó ٠fiù Ó ÂÓ appleëá ÓÂÈ Â ÁÌ ÛÙË ÊÏfiÁ Î È P Â Ó È Ë ÌÂÙÚÔ ÌÂÓË ÓÙ ÛË ÎÙÈÓÔ ÔÏ fiù Ó apple Ú ÂÈ Â ÁÌ. ρυφές µε πλάτος 0,001 nm (Εικόνα 21-3). Οι γραµµές είναι τόσο οξείες, ώστε συνήθως υπάρχει ελάχιστη αλληλεπικάλυψη µεταξύ των φασµάτων των διαφορετικών στοιχείων στο ίδιο δείγµα. Έτσι, ορισµένα όργανα είναι σε θέση να µετρούν ταυτοχρόνως περισσότερα από 70 στοιχεία. Όπως θα δούµε παρακάτω, οι οξείες κορυφές απορρόφησης του αναλύτη απαιτούν να έχει και η πηγή οξείες κορυφές. Η Εικόνα 21-1 δείχνει επίσης ένα πείραµα ατοµικού φθορισµού. Τα άτοµα στη φλόγα ακτινοβολούνται από ένα λέιζερ για να διεγερθούν σε υψηλότερες ηλεκτρονιακές καταστάσεις, απ όπου µπορούν να επανέλθουν στη θεµελιώδη κατάσταση µέσω φθορισµού. Η Εικόνα 21-4 δείχνει τον ατοµικό φθορισµό από 2 ppb µολύβδου σε νερό της βρύσης. Ο ατοµικός φθορισµός µπορεί να είναι χίλιες φορές πιο ευαίσθητος από την ατοµική απορρόφηση, αλλά η οργανολογία ατοµικού φθορισµού δεν είναι ευρέως διαδεδοµένη. Μια σηµαντική εφαρµογή του ατοµικού φθορισµού είναι η ανάλυση του υδραργύρου (Πλαίσιο 21-1). ÊıÔÚÈÛÌfi Â Ó È appleèô  ÛıËÙÔ applefi ÙËÓ appleôúúfiêëûë, ÈfiÙÈ ÌappleÔÚÔ ÌÂ Ó apple Ú ÎÔÏÔ ıô ÌÂ Ó ÛıÂÓ Û Ì ÊıÔÚÈÛÌÔ apple Ûˆ applefi Ì ÚÔ applefi ıúô. ÙËÓ appleôúúfiêëûë, appleúôûapple ıô ÌÂ Ó ÂÓÙÔapple ÛÔ Ì ÌÈÎÚ È ÊÔÚ Û ÌÂÁ Ï appleôûfiùëùâ ʈÙfi appleô Êı ÓÔ Ó ÛÙÔÓ ÓÈ Ó Ù. Ni Fe Cr Ì ( ÈÏÈ Â ÌÔÓ Â ) Û ÛÎÂ Û Â ÍË ÊÔÚÙ Ô ÚÈ ÔÂÈ ÛˆÏ Ó È ÂÚ 193 nm ÁÈ ÙË È ÁÂÚÛË ÙÔÌÈÎfi ÊıÔÚÈÛÌfi ÛÙ 406 nm ÓÈ ÓÂ Ù È ÂÚ 1064 nm ÁÈ ÙËÓ ÂÍ ÙÌÈÛË Ù ÁfiÓ ÁÚÔ ÚfiÙ apple 1 nm Ì applefi ÙÔ ÓÂÚfi ÙË Ú ÛË, appleô appleâúè ÂÈ 2 ppb Pb Fe Fe + Cr + Fe ppb ,4 300,3 300,2 300,1 ª ÎÔ Î Ì ÙÔ (nm) Εικόνα 21-3 ª ÚÔ ÙÔ Ê ÛÌ ÙÔ ÂÎappleÔÌapple ÌÈ Ï Ó ÎÔ ÏË Î ıfi Ô applefi Ï, appleô  ÓÂÈ ÙÈ ÁÚ ÌÌ applefi Ù ÙÔÌ Fe, Ni Î È Cr, Î È ÙÈ ÛıÂÓ ÁÚ ÌÌ applefi Ù ÈfiÓÙ Cr + Î È Fe +. È ÎÚÈÙÈÎ ÈÎ ÓfiÙËÙ ÙÔ ÌÔÓÔ ÚˆÌ ÙÔÚ Â Ó È 0,001 nm, Ë ÔappleÔ Â Ó È Û ÁÎÚ ÛÈÌË Ì ٠appleú ÁÌ ÙÈÎ appleï ÙË ÙˆÓ ÁÚ ÌÌÒÓ. [ applefi A. P. Thorne, Fourier Transform Spectrometry in the Ultraviolet, Anal. Chem. 1991, 63, 57A.] [Pb] (ppb) Εικόνα 21-4 ÙÔÌÈÎfi ÊıÔÚÈÛÌfi applefi Pb ÛÙ 405,8 nm. ÂÚfi appleô appleâúè ÂÈ Ì ÚË ÛÙÔ ÈÛÂÎ ÙÔÌÌ ÚÈÔ (ppb) ÎÔÏÏÔÂÈ Ô PbC 3 ÂÍ Ú ÂÙ È applefi ÙÚÈ ÔÂÈ ÛÙ ÏË Î È ÂÎÙ ıâù È Û apple ÏÌfi Ï È ÂÚ 6 ns, Ì ÎÙ Ó ÛÙ 1064 nm ÂÛÙÈ ÛÌ ÓË ÛÙË ÛÙ ÁfiÓ. Ùfi Ô apple ÏÌfi ËÌÈÔ ÚÁÂ Ó Ó ÊÔ ÙÌÔ appleô ÎÈÓÂ Ù È appleúô ÙÔ Ï È ÂÚ. ªÂÙ applefi 2,5 s, ÙÔ Ó ÊÔ ÂÎÙ ıâù È Û apple ÏÌfi Ï È ÂÚ ÛÙ 193 nm, apple Ú ÁÔÓÙ ÈÂÁÂÚÌ Ó ÙÔÌ Pb appleô Ô ÊıÔÚÈÛÌfi ÙÔ ÌÂÙÚÈ Ù È Âapple 0,1 s Ì ÔappleÙÈÎfi Û ÛÙËÌ appleô ÂÈ È ÎÚÈÙÈÎ ÈÎ ÓfiÙËÙ 0,2 nm. ÂÈÎfiÓ Â ÓÂÈ ÌÈ Î Ìapple ÏË ıìôófiìëûë Î Ù ÛΠÛÌ ÓË Ì appleúfiù apple ÎÔÏÏÔÂÈ Ô PbC 3 Î È ÙÔ Û Ì applefi ÓÂÚfi Ú ÛË appleô appleâúè ÂÈ 2 ppb Pb. [ applefi S. K. Ho & N. H. Cheung, Sub-Part-per-Billion Analysis of Aqueous Lead Colloids by ArF Laser Induced Atomic Fluorescence, Anal. Chem. 2005, 77, 193.] Επισκόπηση 517

18 Πλαίσιο 21-1 Ανάλυση υδραργύρου µε ατοµικό φθορισµό ψυχρού ατµού Ο υδράργυρος είναι ένας πτητικός τοξικός ρυπαντής. Ο χάρτης δείχνει συγκεντρώσεις Hg(0) στον αέρα κοντά στην επιφάνεια της Γης. Ο υδράργυρος απαντά επίσης ως Hg(II)(aq) στα σύννεφα και σε σωµατίδια της ατµόσφαιρας. Περίπου τα 1,1 1,4 1,5 1,6 1,7 1,9 2,1 ng Hg(0)/m 3 ÁÎfiÛÌÈ ÂÙ ÛÈ Ì ÛË ÂappleÈÊ ÓÂÈ Î Û ÁÎ ÓÙÚˆÛË Hg(0). [ applefi C. Seigneur, K. Vijayaraghavan, P. Karamchandani, & C. Scott, Global Source Attribution of Mercury Deposition in the United States, Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 555.] 2/3 του ατµοσφαιρικού υδραργύρου προέρχονται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, όπως είναι η καύση του λιθάνθρακα, η αποτέφρωση απορριµµάτων και η παραγωγή Cl 2 µέσω της χλωροαλκαλικής µεθόδου (Πρόβληµα 17-7). Μια ευαίσθητη µέθοδος για τη µέτρηση του υδραργύρου σε µήτρες όπως το νερό, το χώµα και τα ψάρια παράγει Hg(g), ο οποίος µετριέται µε ατοµική απορρόφηση ή φθορισµό. Για τα περισσότερα περιβαλλοντικά δείγµατα, υπάρχουν όργανα που εκτελούν αυτόµατα τη χώνευση και την ανάλυση. 4 Για την ανάλυση νερού µε µια πρότυπη µέθοδο, αρχικά όλος ο υδράργυρος οξειδώνεται σε Hg(II) µε BrCl, όπως στη φιάλη εκδίωξης στο σχήµα. Τα αλογόνα ανάγονται από υδροξυλαµίνη (NH 2 H) και ο Hg(II) ανάγεται σε Hg(0) µε SnCl 2. Ο Hg(0) εκδιώκεται από το διάλυµα µε καθαρό Ar ή N 2. Ο Hg(0) συλλέγεται σε θερµοκρασία δωµατίου στην παγίδα του δείγµατος, η οποία περιέχει άµµο διοξειδίου του πυριτίου καλυµµένη µε χρυσό. Ο Hg δεσµεύεται από τον Au, ενώ τα υπόλοιπα αέρια περνούν από το σύστηµα. Στη συνέχεια, η παγίδα του δείγµατος θερµαίνεται στους 450 C για να αποδεσµεύσει τον Hg(g), ο οποίος παγιδεύεται στην αναλυτική παγίδα σε θερµοκρασία δωµατίου. Χρησιµοποιούνται δύο παγίδες, ώστε να αποµακρύνονται όλες οι αέριες ακαθαρσίες πριν την ανάλυση. Κατόπιν ο Hg(g) αποδεσµεύεται από την αναλυτική παγίδα µε θέρµανση και ρέει στην κυψελίδα φθορισµού. Η ένταση του φθορισµού εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τις αέριες ακαθαρσίες που αποσβένουν την εκποµπή του Hg. Το κατώτερο όριο ποσοτικοποίησης είναι 0,5 ng/l (µέρη ανά τρισεκατοµµύριο). Για τη µέτρηση τόσο µικρών ποσοτήτων απαιτείται µεγάλη προσοχή σε κάθε βήµα της ανάλυσης, για την αποφυγή επιµολύνσεων. Ο υδράργυρος από το αµάλγαµα στα σφραγίσµατα δοντιών των αναλυτών µπορεί να επιµολύνει τα δείγµατα µέσω της αναπνοής. ÛÔ Ô Ar ºÈ ÏË ÂÎ ˆÍË Í ÂÚÈÛÌfi Á appleôì - ÎÚ ÓÛË 2 Á appleôì ÎÚ ÓÛË Hg (Au) Á NaH/Ca ÁÈ ÙÔ ÙÌÔ ÔÍ ˆÓ ÂÏ Á ÊıÔÚÈÛÌÔ appleôì ÎÚ ÓÛË Hg (Au) ªÂÙÚËÙ ÚÔ Á  ÁÌ ÙÔ 450ÆC Ó Ï ÙÈÎ apple Á 450ÆC Ó Hg º ÏÙÚÔ Û Ì ÔÏ Ó Ï ÛË Ú ÚÁ ÚÔ ÛÈÛÌ ÓË ÛÙË ª ıô Ô 1631 ÙË ÀappleËÚÂÛ ÂÚÈ ÏÏÔÓÙÈÎ ÚÔÛÙ Û ÙˆÓ. Hg Hg hv Hg ºıÔÚÈÛÌfi ˆÏ Ó ÊˆÙÔappleÔÏ- Ï appleï ÛÈ ÛÙ Αντιθέτως, η ατοµική εκποµπή (Εικόνα 21-1) χρησιµοποιείται ευρέως. 5 Οι συγκρούσεις στο πολύ θερµό πλάσµα διεγείρουν τα άτοµα σε υψηλότερες ηλεκτρονιακές καταστάσεις, από τις οποίες αυτά µπορούν να εκπέµψουν φωτόνια και να επιστρέψουν σε χαµηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. εν απαιτείται λυχνία. Η ένταση της εκποµπής είναι ανάλογη µε τη συγκέντρωση του στοιχείου στο δείγµα. Η εκποµπή από άτοµα στο πλάσµα είναι πλέον η κύρια µορφή ατοµικής φασµατοσκοπίας Ατοµοποίηση: Φλόγες, φούρνοι και πλάσµατα Στην ατοµική φασµατοσκοπία, ο αναλύτης ατοµοποιείται στη φλόγα, σε ηλεκτρικά θερµαινόµενο φούρνο ή σε πλάσµα. Οι φλόγες χρησιµοποιούνταν επί δεκαετίες, αλλά έχουν πλέον αντικατασταθεί από το επαγωγικά συζευγµένο πλάσµα και τον φούρνο γραφίτη. Η παρουσίαση αρχίζει µε τις φλόγες, διότι υπάρχουν ακόµη στα εκπαιδευτικά εργαστήρια. Φλόγες Τα περισσότερα φασµατόµετρα φλόγας χρησιµοποιούν έναν καυστήρα προανάµειξης, όπως αυτόν της Εικόνας 21-5, στον οποίο το καύσιµο, το οξειδωτικό και το δείγµα ανα- µειγνύονται πριν την εισαγωγή τους στη φλόγα. Το διάλυµα του δείγµατος εισέρχεται στον πνευµατικό εκνεφωτή µέσω της γρήγορης ροής οξειδωτικού (συνήθως αέρα) από το άκρο του τριχοειδούς του δείγµατος. Το υγρό διασπάται σε πολύ λεπτά σταγονίδια καθώς 518 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 21 Ατοµική φασµατοσκοπία

19 ( ) ÛÈÌÔ ºÏfiÁ ÂÊ Ï Î ÛÙ Ú Ï ÌÔ ÂÎÓ ÊˆÛË ( ) ÙÚÒÌ ÌÂÙ Í ÙˆÓ ÎÒÓˆÓ Ï ÌÔ appleúôı ÚÌ ÓÛË ÂÊ Ï Î ÛÙ Ú ÍˆÙÂÚÈÎfi ÎÒÓÔ ªappleÏ ÎÒÓÔ Εικόνα 21-5 ( ) ÛÙ Ú appleúô Ó ÌÂÈÍË. ( ) ÕappleÔ Ë ÙÔ ÎÚÔ ÙË ÊÏfiÁ. Û ÈÛÌ ÙÔ Î ÛÙ Ú ÂÈ appleï ÙÔ appleâú appleô 0,5 mm. (Á) Ù ÓÔÌ ÙÔ ÌÂÁ ıô ÙˆÓ ÛÙ ÁÔÓÈ ˆÓ appleô apple Ú ÁÔÓÙ È applefi Û ÁÎÂÎÚÈÌ ÓÔ ÂÎÓÂʈÙ. [ applefi R. H. Clifford, I. Ishii, A. Montaser, & G. A. Meyer, Droplet-ze and Velocity Distributions of Aerosols from Commonly Used Nebulizers, Anal. Chem. 1990, 62, 390.] ÍÂÈ ˆÙÈÎfi (Á) 10,8 È ÊÚ ÁÌ Ù Â ÁÌ ÎÓÂʈ٠ÏÈÓÔ ÛÊ ÈÚ ÈÔ ÎÙfi ÔÚÁ ÓÔ ŸÁÎÔ % 5,4 0 0, È ÌÂÙÚÔ (µm) εξέρχεται από τον τριχοειδή. Τα σταγονίδια κατευθύνονται σε ένα γυάλινο σφαιρίδιο, πάνω στο οποίο διασπώνται σε ακόµη µικρότερα σωµατίδια. Ο σχηµατισµός µικρών σταγόνων ονοµάζεται εκνέφωση. Το λεπτόκοκκο αιώρηµα υγρού (ή στερεού) σε ένα αέριο ονοµάζεται αερόλυµα. Ο εκνεφωτής δηµιουργεί ένα αερόλυµα από το υγρό δείγµα. Οι σταγόνες, το οξειδωτικό και το καύσιµο ρέουν µέσω διαφραγµάτων που επιταχύνουν τη µείξη και εµποδίζουν τις µεγάλες σταγόνες υγρού. Η περίσσεια του υγρού συλλέγεται στο κάτω µέρος του θαλάµου εκνέφωσης και ρέει εκτός του οργάνου. Το αερόλυµα που φθάνει στη φλόγα περιέχει µόνο το 5% περίπου του αρχικού δείγµατος. Συνηθέστερος συνδυασµός καυσίµου-οξειδωτικού είναι το ακετυλένιο µε αέρα, συνδυασµός που παράγει φλόγα µε θερµοκρασία K (Πίνακας 21-1). Εάν απαιτείται πιο θερµή φλόγα για την ατοµοποίηση στοιχείων µε µεγάλο σηµείο ζέσεως (ονοµάζονται και πυρίµαχα στοιχεία), τότε χρησιµοποιείται ο συνδυασµός ακετυλένιο-υποξείδιο του αζώτου. Στο προφίλ της φλόγας στην Εικόνα 21-5β, το αέριο που εισέρχεται στον θάλαµο προθέρµανσης θερµαίνεται επαγωγικά και µε ακτινοβολία από την κύρια ζώνη αντίδρασης (τον µπλε κώνο στη φλόγα). Η καύση ολοκληρώνεται στον εξωτερικό κώνο, όπου ο περιβάλλων αέρας αναρροφάται µέσα στη φλόγα. Οι φλόγες εκπέµπουν φως το οποίο πρέπει να αφαιρείται από το σήµα, ώστε να υπολογιστεί η απόκριση από τον αναλύτη. È ÔÚÁ ÓÈÎÔ È Ï Ù Ì ÂappleÈÊ ÓÂÈ Î Ù ÛË ÌÈÎÚfiÙÂÚË applefi ÂΠÓË ÙÔ ÓÂÚÔ Â Ó È È ÂÒ ÂÈ ÛÙËÓ ÙÔÌÈÎ Ê ÛÌ ÙÔÛÎÔapple, ÈfiÙÈ Û ËÌ Ù Ô Ó ÌÈÎÚfiÙÂÚ ÛÙ ÁfiÓÂ, Ú ÂappleÈÙ Á ÓÂÙ È Î Ï ÙÂÚË ÙÔÌÔappleÔ ËÛË. Πίνακας 21-1 Μέγιστες θερµοκρασίες φλόγας Καύσιµο Οξειδωτικό Θερµοκρασία (K) Ακετυλένιο, HC CH Αέρας Ακετυλένιο Υποξείδιο του αζώτου, N Ακετυλένιο Οξυγόνο Υδρογόνο Αέρας Υδρογόνο Οξυγόνο ικυάνιο, N C C N Οξυγόνο 4800 ºÔ ÚÓÔ ÁÚ Ê ÙË Τα σταγονίδια εξατµίζονται καθώς εισέρχονται στη φλόγα στη συνέχεια εξατµίζεται και το στερεό υπόλειµµα, και διασπάται σε άτοµα. Πολλά στοιχεία σχηµατίζουν οξείδια και υδροξείδια στον εξωτερικό κώνο. Τα µόρια δεν έχουν το ίδιο φάσµα µε τα άτοµα, εποµένως το σήµα από τα άτοµα ελαττώνεται. Τα µόρια έχουν επίσης πλατιές ζώνες εκποµπής, οι οποίες πρέπει να αφαιρεθούν από τις οξείες κορυφές εκποµπής των ατόµων. Εάν η φλόγα είναι πλούσια σε καύσιµο («πλούσια» φλόγα), η περίσσεια άνθρακα τείνει να αναγάγει τα µεταλλικά οξείδια και υδροξείδια, και έτσι αυξάνει την ευαισθησία. Μια «φτωχή» φλόγα, µε περίσσεια οξειδωτικού, φθάνει σε υψηλότερη θερµοκρασία. Τα διάφορα στοιχεία απαιτούν διαφορετική φλόγα, «πλούσια» ή «φτωχή», για να επιτευχθεί η βέλτιστη ανάλυσή τους. Το ύψος στη φλόγα στο οποίο παρατηρείται η µέγιστη ατοµική εκποµπή ή απορρόφηση εξαρτάται από το στοιχείο και από τις ταχύτητες ροής του δείγµατος, του καυσίµου και του οξειδωτικού. 6 Φούρνοι 7 Ένας ηλεκτρικά θερµαινόµενος φούρνος γραφίτη είναι πιο ευαίσθητος από τη φλόγα και απαιτεί µικρότερη ποσότητα δείγµατος. Στον φούρνο εισάγονται, µέσω της οπής που φαίνεται στο κέντρο της Εικόνας 21-6, από 1 ώς 100 L δείγµατος. Το φως από τη Εικόνα 21-6 ŒÓ ËÏÂÎÙÚÈÎ ıâúì ÈÓfiÌÂÓÔ ÊÔ ÚÓÔ ÁÚ Ê ÙË ÁÈ Ê ÛÌ ÙÔÛÎÔapple ÙÔÌÈÎ appleôúúfiêëûë (Ì ÎÔ ~38 mm, Û ٠ÙËÓ appleâú appleùˆûë). [ ÁÂÓÈÎ apple Ú ÒÚËÛË applefi Instrumentation Laboratory, Wilmington, MA.] È ÊÔ ÚÓÔÈ appleúôûê ÚÔ Ó ÍËÌ ÓË Â ÈÛıËÛ Î È apple ÈÙÔ Ó ÏÈÁfiÙÂÚÔ Â ÁÌ apple fi,ùè ÔÈ ÊÏfiÁ Ατοµοποίηση: Φλόγες, φούρνοι και πλάσµατα 519

20 ÚÒÙ appleú appleâè Ó ÂappleÈÏÂÁÔ Ó ÔÈ ÛˆÛÙÔ ÚfiÓÔÈ Î È ıâúìôîú Û Â ÁÈ Î ıâ ÛÙ ÈÔ Ó Ï ÛË. ŸÙ Ó ÔÏÔÎÏËÚˆı ÙÔ appleúfiáú ÌÌ, ÌappleÔÚÂ Ó ÂÊ ÚÌfi ÂÙ È Û appleôïï apple ÚfiÌÔÈ Â ÁÌ Ù. ( ) ( ) Ù ÁfiÓ Ù ÁfiÓ Èapple Ù Εικόνα 21-7 ( ) ÛˆÛÙfi ÙÚfiappleÔ ÂÈÛ ÁˆÁ  ÁÌ ÙÔ Û ÊÔ ÚÓÔ ÁÚ Ê ÙË Â Ó È Ë ÙÔappleÔı ÙËÛË ÛÙ ÁfiÓ ÌÈÎÚÔ fiáîô ÛÙÔÓ apple ıì Ó ÙÔ ÊÔ ÚÓÔ. ( ) Ó ÙÔ Â ÁÌ apple ÛÂÈ applefi ËÏ, ÙÈÓ ÂÙ È ÛÙ ÙÔÈ ÒÌ Ù, Ì appleôù ÏÂÛÌ ÌÂÈˆÌ ÓË appleèûùfiùëù. [ applefi P. K. Booth, Improvements in Method Development for Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry, Am. Lab. February 1995, p. 48X.] λυχνία κοίλης καθόδου διαπερνά τα παράθυρα στα άκρα του σωλήνα γραφίτη. Για να αποφευχθεί η οξείδωση του γραφίτη, αέριο Ar διέρχεται συνεχώς πάνω από τον φούρνο, ενώ η µέγιστη θερµοκρασία δεν πρέπει να ξεπερνά τους 2550 C, και αυτή για όχι πάνω από 7 s. Στη φασµατοσκοπία φλόγας, ο χρόνος παραµονής του αναλύτη στο οπτικό παράθυρο είναι 61 s, µια και αυτός διαφεύγει µέσω της φλόγας. Ένας φούρνος γραφίτη περιορίζει το ατοµοποιηµένο δείγµα στο οπτικό παράθυρο για αρκετά δευτερόλεπτα, µε αποτέλεσµα να αυξάνεται αναλόγως και η ευαισθησία. Ενώ για την ανάλυση σε φλόγα απαιτούνται τουλάχιστον 1 2 ml δείγµατος, για τον φούρνο χρειάζεται µόλις 1 L. Η πιστότητα δεν µπορεί να είναι καλύτερη από 5 10% όταν γίνεται εισαγωγή του δείγµατος µε το χέρι, όµως η αυτόµατη εισαγωγή τη µειώνει στο 1%. Όταν εισάγεται το δείγµα, η σταγόνα πρέπει να έρχεται σε επαφή µε τον πυθµένα του φούρνου και να µένει σε όσο το δυνατόν µικρότερη επιφάνεια (Εικόνα 21-7α). Εάν το δείγµα εισαχθεί πολύ ψηλά (Εικόνα 21-7β), τινάζεται και διασκορπίζεται, κάτι που οδηγεί σε κακή αναπαραγωγιµότητα. Στη χειρότερη περίπτωση, η σταγόνα παραµένει στο άκρο της πιπέτας και τελικά επικάθεται γύρω από την οπή του εισαγωγέα, όταν η πιπέτα βγει έξω. Συγκριτικά µε τις φλόγες, στους φούρνους χρειάζεται περισσότερη εµπειρία για να βρεθούν οι κατάληλες συνθήκες ανάλυσης για κάθε τύπο δείγµατος. Ο φούρνος θερ- µαίνεται σε τρία ή και περισσότερα στάδια, για τη σωστή ατοµοποίηση του δείγµατος. Για τη µέτρηση του Fe στην πρωτεΐνη φερριτίνη, 10 L δείγµατος που περιέχουν 0,1 ppm Fe εισάγονται στον φούρνο στους 90 C. Ο φούρνος είναι προγραµµατισµένος να ξηραίνει το δείγµα στους 125 C επί 20 s, αφαιρώντας τον διαλύτη. Η ξήρανση ακολουθείται από απανθράκωση επί 60 s στους 1400 C, για να καταστραφεί η οργανική ύλη. Η απανθράκωση ονοµάζεται και πυρόλυση, που σηµαίνει διάσπαση µε θέρ- µανση. Η απανθράκωση παράγει καπνό ο οποίος µπορεί να παρεµποδίζει τη µέτρηση του Fe. Μετά την απανθράκωση, το δείγµα ατοµοποιείται στους 2100 C επί 10 s. Η απορρόφηση φθάνει σε µια µέγιστη τιµή και κατόπιν µειώνεται, καθώς ο Fe εξατµίζεται από τον φούρνο. Το αναλυτικό σήµα είναι η ολοκλήρωση της απορρόφησης ως προς τον χρόνο, κατά τη διάρκεια της ατοµοποίησης. Μετά την ατοµοποίηση, ο φούρνος θερµαίνεται στους 2500 C επί 3 s, για καθαρισµό από τυχόν υπολείµµατα. Ο φούρνος ξεπλένεται µε Ar ή N 2 κατά τη διάρκεια όλων των βηµάτων, πέραν εκείνου της ατοµοποίησης, για την αποµάκρυνση των πτητικών ουσιών. Η ροή του αερίου σταµατά κατά τη διάρκεια της ατοµοποίησης, ώστε να µην παρασυρθεί το δείγµα εκτός φούρνου. Κατά την ανάπτυξη µιας µεθόδου για ένα νέο είδος δείγµατος, είναι σηµαντικό να καταγράφεται το σήµα σε σχέση µε τον χρόνο, διότι ση- µαντικό σήµα µπορεί να παρατηρείται από τον καπνό κατά τη διάρκεια της απανθράκωσης και από την ακτινοβολία του πολύ θερµού φούρνου στο τέλος της ατοµοποίησης. Ένας καλός αναλυτής µπορεί να ξεχωρίζει ποιο σήµα προέρχεται από το δείγµα, ώστε να ολοκληρώνεται η σωστή κορυφή. Ο φούρνος στην Εικόνα 21-8α είναι καλύτερος από έναν απλό φούρνο γραφίτη. Το δείγµα εισάγεται σε πλακίδιο που θερµαίνεται µέσω ακτινοβολίας από τα τοιχώ- µατα του φούρνου, και έτσι η θερµοκρασία του ακολουθεί εκείνη των τοιχωµάτων. Ο αναλύτης δεν εξατµίζεται µέχρι να σταθεροποιηθεί η θερµοκρασία των τοιχωµάτων (Εικόνα 21-8β). Σε σταθερή θερµοκρασία φούρνου, το εµβαδόν κάτω από την κορυφή απορρόφησης στην Εικόνα 21-8β αποτελεί µέτρο της συγκέντρωσης του αναλύτη. Μια ταχύτητα θέρµανσης 2000 K/s προκαλεί γρήγορη διάσπαση των µορίων και αυξάνει τη συγκέντρωση των ελεύθερων ατόµων στον φούρνο. Ο φούρνος στην Εικόνα 21-8α θερµαίνεται εγκάρσια (από πλευρά σε πλευρά), ώστε να επιτευχθεί σχεδόν οµοιόµορφη θερµοκρασία σε όλο τον φούρνο. Οι φούρνοι µε διαµήκη θέρµανση (από τη µια άκρη στην άλλη), έχουν µεγαλύτερη θερµοκρασία στο κέντρο απ ό,τι στα άκρα. Άτοµα από το κεντρικό τµήµα συγκεντρώνονται στα άκρα, όπου µπορούν να εξαερωθούν κατά την ανάλυση του επόµενου δείγµατος. Η παρε- µπόδιση από προηγούµενα δείγµατα ονοµάζεται φαινόµενο µνήµης και είναι µειωµένη σε έναν φούρνο εγκάρσιας θέρµανσης. Για περαιτέρω µείωση του φαινοµένου, ο συνήθης γραφίτης καλύπτεται από πυκνό στρώµα πυρολυτικού γραφίτη, ο οποίος σχηµατίζεται από τη θερµική αποσύνθεση οργανικών ατµών. Το στρώµα καλύπτει τον σχετικά πορώδη γραφίτη, εµποδίζοντας την προσρόφηση ξένων ατόµων. Το δείγµα µπορεί να προσυγκεντρώνεται µε την εισαγωγή και εξάτµιση πολλών µικρών τµηµάτων δείγµατος στον φούρνο γραφίτη πριν την ανάλυση. 8 Για τη µέτρηση ιχνοποσοτήτων As σε πόσιµο νερό, 30 µl δείγµατος νερού µαζί µε τον τροποποιητή µήτρας εισάγονται και εξατµίζονται στον φούρνο. Η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται πέντε φορές, ώστε ο τελικός όγκος του δείγµατος που προστίθεται να είναι 520 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 21 Ατοµική φασµατοσκοπία