Optické metody

Optické metody jdou dnes velice využívané v analýzách kvantitativních i kvalitativních.

Základní pojmy:

• Světlo – forma energie, je tvořená elektromagnetickým vlněním. Toto vlnění je někdy označované pojmem foton. Foton nemá žádnou klidovou hmotnost, šíří s rychlostí světla a jeho energie je dána vlnovou délkou.
• Vlnová délka – základní veličina určující foton. Energie fotonu je nepřímo úměrná vlnové délce světla. Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je energie fotonu. Energie fotonu je dána vztahem E = hc/λ.
  h = planckova konstanta, c = rychlost světla, λ = vlnová délka
• Druhy elektromagnetického záření - Známe několik druhů elektromagnetického záření, lišících se energií, čili vlnovou délkou, vznikem a schopností interagovat s látkou.
• Spektrum – světlo je složená z mnoha vlnových délek, pokud jsou vlnové délky kompletní (např. od rozpáleného tělesa – halogenové žárovky) pak se jedná o spojité spektrum. Pokud je zdrojem světla výbojka, je spektrum tvořeno pouze některými vlnovými délkami, jedná se o emisní čárové spektrum (MH výbojky, sodíková výbojka, barevné LED diody, katodové trubice) Pokud spojité světlo prochází ionizovaným plynem, některé vlnové délky jsou pak pohlceny. Ve spojitém spektru pak chybí některé vlnové délky. Toto nazýváme absorpční spektrum.
• Monochromatické záření – světlo o jedné vlnové délce. Zdrojem může být LED dioda, sodíková výbojka (zde převládá záření o vlnové délce 589,3nm) nebo i jiný zdroj, ale jeho světlo musí být rozloženo na mřížce a pomocí štěrbiny je vybrána pouze úzká část spektra.
• Polarizované světlo – světlo tvořené zářením s rovnoběžně orientovanými elektrickými vlnami. K polarizaci dochází při odrazu na nekovových předmětech. K polarizaci světla se využívá Nicolův hranol což je dvojitý hranol z kalcitu, nebo dnes stále více používané polarizační filtry.
• VIS – viditelné světlo. Elektromagnetické záření o vlnových délkách 380-760 nm. Receptory v oku jsou citlivé právě na tuto část spektra.
• Blízká UV oblast - Oblast UV světla vlnových délek 400-200 nm. Při kratší vlnové délce již UV záření neprochází vzduchem.
• Blízká IR oblast - Oblast vlnových délek 760-5000nm.
• Měření intenzity světla je dnes zajišťováno několika možnými metodami. Nejvyužívanější metodou je fotodioda. Jedná se polovodičový prvek, na němž vzniká napětí v závislosti na intenzitě dopadajícího světla.
  Další metoda, využívaná v náročnějších přístrojích, je emisní fotonka. Jedná se o trubici (vakuová nebo plněná plynem) na jejíchž stěnách je kovový materiál emitující elektony v závislosti na intenzitě dopadajícího světla. Měřená veličina je proud. Fotonky jsou vysoce stabilní měřící prvek, využívaný v náročnějších přístrojích.
  Nejcitlivější metodou je fotonásobič, využívaný především při velmi málo intenzivním světle. Fotonásobič vyžaduje stabilizované vysoké napětí, a tak není vhodný do běžných fotometrů.

Optické metody

Optické metody jsou analytické metody, které využívají interakce optického záření s hmotou. Světlo jako záření tvoří několik možnýc interakcí, které bývají závislé na fyzikálně chemických vlastnostech látek.

Světlo – optické záření

Světlo je jednou z forem elektromagnetického záření. Rozlišujeme několik typů elektromagnetického záření, lišících se vznikem, energií a schopností interagovat s látkou. Jednotlivé typy elektromagnetického záření  se liší především energií, která je dána vlnovou délkou. Částice tvořená elektromagnetickou vlnou se nazývá foton.
Světlo, které vnímáme zrakem, je elektromagnetické záření o vlnové délce od 380-780nm. Optické záření je takové záření, které má podobné optické vlastnosti jako světlo. Jedná se o viditelné světlo, UV záření a IR záření. Čím blíže je jejich vlnová délka viditelnému světlu, tím podobnější vlastnosti se světlem mají.
Vlnová délka (λ -lambda) – základní veličina určující elektromagnetické záření. Energie záření je nepřímo úměrná vlnové délce světla. Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je energie fotonu. Energie fotonu je dána vztahem:

E = hc/λ

•    h = planckova konstanta
•    c = rychlost světla
•    λ = vlnová délka

Spektrum

Světlo je složené z mnoha vlnových délek. Pokud jsou vlnové délky kompletní (např. od rozpáleného tělesa – halogenové žárovky), pak se jedná o spojité spektrum. Pokud je zdrojem světla výbojka, je spektrum tvořeno pouze některými vlnovými délkami, jedná se o čárové emisní spektrum (HID výbojky, sodíková výbojka, barevné LED diody, katodové trubice, kovové výbojky). Pokud spojité světlo prochází ionizovaným plynem, některé vlnové délky chybí a jedná se o čárové absorpční spektrum.

Typy interakcí a jejich využití v analytické chemii

Metody bez měření intenzity světla

• refraktometrie
• polarimetrie

Lom světla

Při kontaktu světla s hmotou může dojít k několika typům interakce. Ve vakuu se světlo šíří rychlostí c = 299 792 458 m.s-1. Ve vzduchu, vodě, ve skle a jiných čirých materiálech dochází ke zpomalení paprsku. Na rozhranní fází dochází ke světelnému lomu . Pokud světlo vstupuje do opticky hustšího prostředí, (např. vzduch/kapalina), láme se směrem ke kolmici. Poměr změny rychlosti světelného paprsku se rovná indexu lomu světla , čili poměru sinů úhlů dopadajícího a vystupujícího paprsku. Na měření lomu světla je založená metoda refraktometrie .

Polarizace světla

Světlo je tvořeno vlněním. Některé povrchy odrážejí pouze vlny, které jsou shodně natočené. Takto odražené světlo, které má všechny vlny shodně natočené, se nazývá polarizované světlo. Průchodem skrz prostředí s opticky aktivními látkami dochází k otáčení polarizovaného světla. Tento jev využívá metoda polarimetrie .

Metody s měřením intenzity světla

• absorpční
• emisní
• zákalové
• fluorescentní

Absorpce světla

Při průchodu látkou dochází k pohlcení části světelného spektra. Oblast světla, která je pohlcována látkou závisí na konkrétní látce. Jelikož intenzita absorpce závisí na koncentraci této látky, využívá se tohoto jevu v analytických několika metodách, především pro měření koncentrací. Obecně se tyto metody nazývají fotometrické. Mezi tyto metody patří spektrofotometrie, kolorimetrie, UV spektroskopie, IR spektroskopie.
Schopnost pohlcovat část spektra mají i prvky, jsou-li v excitovaném stavu, např. v plameni. Toho je využito v metodě atomová absorpční spektroskopie.

Emise světla

Světelnou emisi je možné vyvolat u prvků, které dostanou významné množství energie, např. v plameni nebo elektrickém výboji. Jelikož každý prvek má své vlastní emisní spektrum, lze tento jev využívat k chemické analýze. Metoda se nazývá atomová emisní spektroskopie.

Fluorescence

Je mnoho látek, které po ozáření UV světlem, světlem, či rentgenovým zářením vydávají sekundární záření, nazývané fluorescentní. Tato vlatnost se nazývá fluorescence. Měření intenzity tohoto druhu záření bývá využíváno ve fluorimetrii a spektrofluorimetrii. Záření vzniká přechodem elektronu z vyšších energetických stavů do nižších. Doba zpoždění mezi osvitem a sekundárním zářením je u fluorescence velmi krátká, obvykle několik nanosekund.
Fosforescence  je jev podobný fluorescenci, s tím rozdílem, že doba sekundárního záření bývá a několik minut. Záření opět vzniká přechodem elektronu z vyšších energetických stavů do nižších.

Rozptyl světla

Pokud částice hmoty dosáhnou určité velikosti, přibližně 10^-9m a více, začne se světlo na jejich povrchu rozptylovat. Rozptyl světla pak vnímáme jako zákal, mlhu nebo dým. Při průchodu světla zakaleným roztokem, aerosolem nebo prachem dochází k rozptylování paprsků a k úbytku světla, které takovým prostředím prošlo. Lze zjišťovat intenzita světla rozptýleného do stran - nefelometrie, nebo k jakému úbytku světla dojde při průchodu zakaleným vzorkem - turbidimetrie. Obě metody jsou určeny k měření koncentrací koloidních roztoků, nefelometricky se zjišťuje i prašnost ve vzduchu.