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Photometrie

von altgriechisch: φωσ - Licht
Synonym: Fotometrie

1 Definition

Als Photometrie bezeichnet man Messverfahren im Wellenlängenbereich des ultravioletten und sichtbaren Lichts.

2 Hintergrund

Fällt ein Lichtstrahl durch eine Lösung, Suspension oder Emulsion, gibt es drei Möglichkeiten der Lichtschwächung:

2.1 Reflexion

Die Reflexion an Grenzflächen ist von der Lösung unabhängig.

2.2 Streuung

Eine Streuung wird nur dann beobachtet, wenn die gelösten oder suspendierten Teilchen so groß sind, dass die Lichtwellen nicht mehr um die Teilchen herum schwingen können, das Licht wird dann in alle Richtungen abgelenkt. Streuung beobachtet man z.B. im Blut aufgrund der großen Erythrozyten.

2.3 Absorption

Absorption wird durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Wellen mit der Elektronenhülle der gelösten Moleküle hervorgerufen, wobei die Energieform Licht meist in die Energieform Wärme umgewandelt wird.

Das Lambertsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Konzentration eines absorbierenden Inhaltstoffs und der Absorption von monochromatischem Licht in Flüssigkeiten. Monochromatisches Licht ist Licht einer bestimmten Wellenlänge.

Ein monochromatisches Strahlenbündel durchdringt eine Lösung der Dicke d eines absorbierenden Stoffes in einem Lösungsmittel gemäß folgender Formel:

  • E = ε x c x d

mit:

  • E: Extinktion
  • ε: molarer Extinktionskoeffizient (Materialkonstante); definiert als die Extinktion einer 1 molaren Lösung bei einer bestimmten Wellenlänge (l * mol-1 * cm-1)
  • c: Konzentration der Lösung (mol * l-1)
  • d: Schichtdicke (cm)

Die Lichtintensität nimmt exponentiell mit steigender Konzentration des gelösten Stoffes oder bei konstanter Konzentration mit zunehmender Schichtdicke ab.

Das Lambertsche Gesetz gilt nur für

  • monochromatische Strahlung, d.h. die Strahlung, die zur Messung der Lichtabsorption verwendet wird, darf nur eine Wellenlänge haben.
  • verdünnte Lösungen. Bei höheren Stoffkonzentrationen treten bei allen Stoffen Abweichungen vom linearen Zusammenhang zwischen E und c auf. Diese Kurven sind gekrümmt. Ursache sind Wechselwirkungen zwischen den Teilchen.

3 Messprinzip

In Photometern wird die Transmission von monochromatischem Licht gemessen. Die Transmission ist in der Physik eine Größe für die Durchlässigkeit eines Mediums für Wellen wie zum Beispiel Schallwellen oder elektromagnetische Wellen (Licht usw.). Damit ist sie ein Maß für die Abschwächung (Schwärzung) einer Strahlung (zum Beispiel Licht) in einem Medium.

Bei einer photometrischen Messung finden folgende Vorgänge statt:

  • Von einer Lichtquelle werden, nachdem ein dünner Strahl durch eine Optik mit einer Spaltblende ausgesondert wurde, bestimmte Wellenlängen durch den Filter oder durch Prismen selektiert.
  • Der Lichtstrahl gelangt zur Küvette und wird von dort zum Strahlungsempfänger (Photozelle) geleitet, der an eine Intensitätsanzeige angeschlossen ist.

4 Gerätetypen

Man unterscheidet bei Photometern

  • Einstrahlgeräte und
  • Zweistrahlgeräte

Bei den Einstrahlphotometern müssen die Leerküvette und die Meßküvette nacheinander für den Leerabgleich in den Strahlengang gebracht werden. Bei den zweistrahlphotometern wird der Lichtstrahl geteilt. Leerküvette und Messküvette werden gleichzeitig durchstrahlt und die Leerwertabsorption automatisch kompensiert. Dadurch entfällt bei der Aufnahme von Spektren die manuelle Abgleichung des Leerwertes bei jeder neu eingestellten Wellenlänge.

5 Anwendungsbereiche

  • Bestimmung der Absorption von Strahlung durch eine Probe in Abhängigkeit von der Wellenlänge zur qualitativen Identifizierung der Probe.
  • Bestimmung der Konzentration einer absorbierenden Probe mittels Kalibrierungskurve oder bekanntem Extinktionskoeffizient (Die Extinktion E ist der Konzentration des Stoffes direkt proportional).
  • Kinetische Messung durch Bestimmung der zeitlichen Änderung der Konzentration einer absorbierenden Probe. Wenn während der enzymatischen Reaktion der Absorptionsänderung eines Reaktionsteilnehmers erfolgt, kann die Reaktionsgeschwindigkeit durch Verfolgung der zeitlichen Änderung der Absorption bestimmt werden.

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