Colorimetrie, wat is dat?

Fotospectrometrische analysemethoden berusten allemaal op de interactie van een stof met elektromagnetische straling. Colorimetrie (ofwel UV/VIS spectrometrie) is een spectrometrische methode die gebruik maakt van de absorptie van elektromagnetische straling in het zichtbare gebied. Met een colorimeter meet je de hoeveelheid licht die door een gekleurde oplossing wordt geabsorbeerd. De hoeveelheid licht die door een oplossing wordt geabsorbeerd of doorgelaten is een maat voor de concentratie van die oplossing.

Toepassingen

Colorimetrie is een simpele methode om in fabrieken het productieproces te controleren. Bijvoorbeeld in een frisdrank fabriek.
Bijvoorbeeld een door jodium, blauw-gekleurde zetmeeloplossing. Als daar geel licht doorheen gaat, wordt bijna alles geabsorbeerd, waardoor de lichtmeter bijna geen doorgelaten licht meet. Nadat de zetmeeloplossing is afgebroken en de vloeistof in de cuvet helder is geworden, wordt het meeste licht doorgelaten en meet de lichtmeter veel licht.

Theoretische achtergrond van colorimetrie

Het zichtbare licht neem maar een kleine plaats in, in het totaal van het elektromagnetisch spectrum. Toch speelt het licht een belangrijke rol bij de waarnemingen en in analytische meettechnieken.

Een oplossing krijgt een kleur na selectieve absorptie van zekere golflengten uit het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. De golflengten die niet geabsorbeerd zijn, worden doorgelaten en vormen de kleur die we waarnemen. De kleur die geabsorbeerd wordt, is de complementaire kleur. Dit wil zeggen dat de complementaire kleur van de oplossing, de kleur is die het meest uit het witte licht is geabsorbeerd.

Theorie over colorimetrie

Colorimetrie is een spectrometrische methode die gebruik maakt van de absorptie van elektromagnetische straling in het zichtbare gebied. Deze vorm van spectrometrie sluit het meest aan bij onze ervaringswereld, doordat de zon hier als stralingsbron kan optreden en het oog als detector. Als bijvoorbeeld zonlicht valt door een oplossing van een stof die straling absorbeert met een golflengte van ca. 5E-7 m (=groen licht), dan detecteert ons oog dit ontbreken van groen (een ‘groen-deficiëntie') in het doorgelaten licht.

Door de hersenen wordt dit vervolgens vertaald in een boodschap die luidt: de oplossing is rood (of roodachtig). Het oog is echter geen erg nauwkeurige detector. Dus wanneer we wat meer willen weten over de absorptie-eigenschappen van de ‘rode' stof in de oplossing, moeten we een spectrum maken.
De golflengtes waarbij is gemeten, lopen in dit spectrum door tot in het ultraviolette gebied (l < E-7 m). In dit verband spreekt men meestal van een UV/VIS-spectrum (ultraviolet/visual). Bij absorptie van straling in het zichtbare gebied en in het nabije ultraviolet. gaan elektronen naar een hoger energieniveau. Stoffen waarbij absorptie van straling binnen een golflengtegebied in het zichtbare gebied optreedt, noemen wij gekleurd. Maar als we op een KMnO4-oplossing geen ‘gewoon' wit licht laten vallen, maar groen licht, dan wordt onze waarneming heel anders. Het groene licht wordt geabsorbeerd door het permanganaat, zodat geen straling ons oog nog kan bereiken: we zien een zwarte oplossing (aangenomen dat we ons in een ruimte bevinden, waarin alleen groen licht aanwezig is). Nu zal een zeer verdunde oplossing niet alle groene straling absorberen: er treedt slechts gedeeltelijke uitdoving van het groene licht op. Deze uitdoving wordt uiteraard sterker, naarmate de concentratie van het permanganaat toeneemt: de uitdoving is evenredig met de concentratie van de opgeloste stof. Dit geeft ons een mogelijkheid om de concentratie van deze stof te bepalen. Colorimetrie is dus een spectrometrische methode die geschikt is voor het uitvoeren van kwantitatieve bepalingen.

Werking van een colorimeter

De colorimeter is ontworpen voor het bepalen van concentraties van oplossingen, door het analyseren van de kleurintensiteit van oplossingen. Monochromatisch licht van een LED valt door een cuvet die de oplossing bevat. Het licht wordt gedeeltelijk geabsorbeerd en een fotodiode neemt de lichtintensiteit op. De uitgangspanning van de colorimeter is evenredig met de lichtintensiteit op de fotodiode. De colorimeter bevat een LED voor rood (635 nm), voor groen (565 nm) en voor blauw (470 nm) licht.

Stralingsbron

De meest gebruikte stralingsbron voor zichtbaar gebied is de wolfraam gloeilamp die een continu spectrum geeft tussen 320 nm en 2500 nm. Voor het UV-gebied zijn de waterstoflamp en de xenonlamp meest gebruikt.

Monochromator

De monochromator splitst invallend polychromatisch licht (van een lamp) in bundels van monochromatisch licht (= licht van één golflengte). In eenvoudige toestellen (fotometers) wordt een filter als monochromator gebruikt. Men onderscheidt absorptie- en interferentiefilters. Nadeel van filters is dat men er een hele reeks van nodig heeft om het spectrum te dekken. Spectrofotometers hebben een prisma of rooster als monochromator. Door lichtbreking in het prisma wordt polychromatisch licht gesplitst in zijn afzonderlijke componenten en krijgen we monochromatisch licht.

Cuvetten

Voor het UV-gebied gebruikt men kwartscuvetten, terwijl voor het zichtbaar gebied, glascuvetten of zelfs uit-plexiglas-vervaardigde cuvetten volstaan. Een vereiste is dat de cuvetten een constante lichtweg moeten bezitten.

Stralingsdetector

De detectoren zetten de stralingsenergie om in een meetbare stroom. Deze stroom wordt door een galvanometer gemeten. Het licht dat invalt op de fotodiode is gelijk aan het uittredende licht van de monochromator, vermindert met het lichtverlies onderweg door absorptie, reflectie enzovoorts. Dit verlies wordt veroorzaakt door een oplossing, die in de lichtweg werd geplaatst door middel van een cuvette.

Meestal moet men zelf nog de schaal ijken door gebruik te maken van een blanco-oplossing. De blanco-oplossing bevat elke stof, behalve de stof waarvan men de absorptie wil meten. De ijking verloopt als volgt: Men sluit het toestel en laat geen licht invallen op de fotodiode. Men plaatst de blanco-oplossing in het toestel en stelt hem vervolgens in 100% transmissie, ofwel A= 0. Plaatst men dan de oplossing in het toestel, dan is de uitwijking enkel te wijten aan de geïnteresseerde stof die in een welbepaalde concentratie aanwezig is.