analityka światło i met opt 2012 2013

Wykłady z Biofizyki dla studentów kierunku

analityka medyczna

Wykorzystanie fal świetlnych w

metodach pomiarowych

Hanna Trębacz

Katedra i Zakład Biofizyki

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

2012/2013

Załamanie światła

woda

szkło

Całkowite wewnętrzne odbicie

Światło padające na granicę od
strony ośrodka o wyższym
współczynniku załamania pod kątem
większym niż kąt graniczny ulega
całkowitemu wewnętrznemu
odbiciu.



Granica między polem jasnym i ciemnym odpowiada kątowi
granicznemu



Mierząc kąt graniczny można znaleźć współczynnik
załamania



Współczynnik załamania zależy od stężenia cieczy

Wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego
odbicia do pomiaru współczynnika załamania światła

Refraktometr Abbego - przyrząd do pomiaru

stężenia substancji

Główną częścią refraktometru są
połączone zawiasowo dwa pryzmaty
–pomiędzy które wprowadza się
kroplę badanej cieczy.

Pomiary refraktometryczne stosuje się głównie w
przemyśle spożywczym

Całkowite wewnętrzne odbicie –
wykorzystanie w światłowodach



Światłowód – przezroczyste włókno, w którym
odbywa się przesyłanie światła.



Odpowiedni dobór współczynnika załamania
światła poszczególnych warstw światłowodu
eliminuje wypromieniowanie światła przez
boczne powierzchnie światłowodu.



Ściana najprostszego światłowodu składa się z
trzech warstw, z których środkowa ma wyższy
współczynnik załamania, niż zewnętrzne.



Światło jest uwięzione w tej warstwie wskutek
całkowitego wewnętrznego odbicia promieni.

Rozszczepienie światła w pryzmacie



Jeżeli w jednym z ośrodków
prędkość rozchodzenia się fali
(v

) zależy od częstotliwości,

to fale o różnej częstotliwości
załamują się pod różnymi
kątami.



W efekcie droga, po której
porusza się fala, zależy od jej
częstotliwości, czyli zachodzi
rozszczepienie.

Spektroskop



Spektroskop

– przyrząd służący do przeprowadzania analizy

widmowej.



Spektroskop optyczny

jest to przyrząd służący do

otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego
(od podczerwieni do ultrafioletu).

Absorpcja światła

proces pochłaniania energii fal elektromagnetycznej

przez substancję

•Prawo Lamberta-Beera:
stopień tłumienia światła w
warstwie absorbującej jest
proporcjonalny do grubości
warstwy (l) i jej własności
optycznych

)

w przypadku

roztworów należy uwzględnić
stężenie molowe (c) czynnika
powodującego pochłanianie.

Współczynnik zależny od długości fali

Spektrofotometr



Spektrofotometr -

aparat umożliwiający pomiar

przepuszczalności lub absorpcji promieniowania

w funkcji długości fali.



Pozwala uzyskać widmo absorpcji albo widmo

przepuszczalności światła dla różnych substancji.



Zasadnicze elementy spektrofotometru:



źródło promieniowania – np. lampy: wodorowa lub deuterowa
dla zakresu UV, wolframowa lub halogenowa dla zakresu VIS;



monochromator ( kolimatory i pryzmat lub siatka
dyfrakcyjna

zastosowanych do rozszczepienia światła.



szczelinę wyodrębniającą pożądany zakres promieniowania;



kuweta pomiarowa

–szklana (zakres fal o długości 340–900

nm), kwarcowa (fale 190

–1100 nm) lub z tworzyw sztucznych

(zakres VIS).



detektor

– przetwarza energię promieniowania

elektromagnetycznego na energię elektryczną



układ pomiarowy (rejestrator)

Spektrofotometr

Widmo absorpcji chlorofilu

Polaryzacja światła (fali e-m)



Polaryzacja

– sprowadzenie drgań wektora

elektrycznego do wybranego kierunku w płaszczyźnie
prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali.



W naturze większość źródeł światła wytwarza
fale niespolaryzowane.

Sposoby polaryzacji światła



Odbicie od ośrodka przezroczystego,



gdy światło pada na granicę ośrodków przeźroczystych pod

takim kątem (kąt Brewstera), że promień odbity tworzy z

promieniem załamanym kąt 90°, to światło odbite jest

całkowicie spolaryzowane liniowo.

Sposoby polaryzacji światła



Dwójłomność (podwójne załamanie) -



Zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania

światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Dwójłomność

wykazuje wiele substancji krystalicznych (np. kalcyt), a także

wszystkie ciekłe kryształy.



Oba promienie są spolaryzowane liniowo w płaszczyznach

prostopadłych do siebie.

Sposoby polaryzacji światła



Przepuszczanie przez ośrodki selektywnie
przepuszczające wektor świetlny (wektor natężenia
pola elektrycznego)



Polaryzacja fali elektromagnetycznej przy przejściu
przez drabinkę z drutów

Polaryzatory



Polaryzator światła wykorzystujący zjawisko polaryzacji przy odbiciu
od ośrodka przezroczystego.



Pryzmat Nicola -

polaryzator wykorzystujący dwójłomność.

Substancje optycznie czynne



Aktywność optyczna – zdolność substancji do zmiany kierunku
polaryzacji światła przechodzącego przez jej roztwór.



Aktywność optyczną wykazują te związki organiczne których
cząsteczki zawierają asymetryczny atom węgla.



Mogą występować w dwóch formach (enancjomerach), będących
swymi odbiciami lustrzanymi. Enancjomery skręcają płaszczyznę
polaryzacji przechodzącego światła w przeciwnych kierunkach.



Mieszanina racemiczna zawierająca równe ilości obydwu
enancjomerów nie skręca płaszczyzny polaryzacji.