Absorbancja

Absorbancja (inaczej pochłanianie światła) to jedno z podstawowych pojęć stosowanych w spektroskopii, które odgrywa kluczową rolę w badaniu interakcji światła z materią. Jest to wielkość opisująca, w jakim stopniu dany materiał pochłania promieniowanie elektromagnetyczne, głównie w zakresie światła widzialnego, ultrafioletu (UV) lub podczerwieni (IR). Pojęcie to jest fundamentalne dla analizy chemicznej, fizycznej oraz biologicznej, zwłaszcza w technikach spektroskopowych, takich jak spektrofotometria.

Czym jest absorbancja?

Absorbancję definiuje się wzorem:

A=log⁡(I₀/I)

gdzie:

• A - absorbancja,
• I₀ - intensywność światła padającego na próbkę,
• I - intensywność światła przechodzącego przez próbkę.

Zgodnie z tym równaniem, absorbancja wzrasta, gdy ilość światła przechodzącego przez próbkę maleje, co oznacza, że więcej światła zostaje pochłonięte przez próbkę.

Zależność absorbancji od koncentracji - Prawo Lamberta-Beera

Jednym z najważniejszych praw opisujących absorbancję jest prawo Lamberta-Beera, które łączy absorbancję z właściwościami optycznymi substancji oraz jej stężeniem w roztworze. Prawo to można zapisać w następującej postaci:

A=ε⋅c⋅l

gdzie:

• A - absorbancja,
• ε - molowy współczynnik absorpcji (charakterystyczny dla danej substancji i długości fali światła),
• c - stężenie substancji w roztworze (mol/L),
• l - długość drogi optycznej, którą światło przebywa przez próbkę (cm).

Prawo Lamberta-Beera stanowi podstawę dla wielu technik spektroskopowych i analitycznych, gdyż umożliwia wyznaczanie stężenia substancji na podstawie zmierzonej absorbancji. Działa jednak najlepiej dla roztworów o małym i średnim stężeniu oraz przy niskich absorbancjach - dla wyższych wartości absorbancji mogą występować odchylenia od liniowości wynikające z różnych czynników (np. oddziaływania cząsteczek w roztworze).

Zastosowania absorbancji

Absorbancja znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki, w tym w chemii, biologii, medycynie i inżynierii materiałowej. Techniki spektroskopowe bazujące na pomiarze absorbancji są powszechnie stosowane do badania składu chemicznego, monitorowania reakcji chemicznych, a także określania właściwości fizykochemicznych substancji.

1. Spektrofotometria UV-Vis

Jednym z głównych zastosowań absorbancji jest spektrofotometria w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego (UV-Vis), która pozwala na badanie związków chemicznych absorbujących światło w tych zakresach. Spektrofotometria UV-Vis jest powszechnie stosowana do:

• oznaczania stężenia substancji chemicznych w roztworach, np. białek, kwasów nukleinowych, barwników;
• analizowania kinetyki reakcji chemicznych, gdzie zmiany absorbancji w czasie pozwalają śledzić przebieg reakcji;
• identyfikacji związków chemicznych, na podstawie charakterystycznych pasm absorpcyjnych.

2. Badania biologiczne i medyczne

W biologii i medycynie techniki spektroskopowe oparte na absorbancji są wykorzystywane do analizy białek, DNA oraz innych biomolekuł. Na przykład, absorbancja światła o długości fali 260 nm jest stosowana do pomiaru stężenia kwasów nukleinowych, takich jak DNA i RNA. Podobnie, przy długości fali 280 nm mierzy się stężenie białek, gdyż wiele aminokwasów, takich jak tyrozyna czy tryptofan, pochłania światło w tym zakresie.

3. Analiza środowiskowa

Spektrofotometria znajduje również zastosowanie w analizie środowiskowej, na przykład przy oznaczaniu zanieczyszczeń w wodzie czy powietrzu. Dzięki pomiarom absorbancji można wykrywać i oznaczać stężenia związków chemicznych obecnych w śladowych ilościach.

4. Przemysł farmaceutyczny

W przemyśle farmaceutycznym absorbancja jest wykorzystywana do analizy substancji czynnych w lekach oraz monitorowania czystości produktów farmaceutycznych. Spektrofotometria UV-Vis pomaga w kontrolowaniu jakości leków, a także w określaniu ich stężeń w różnych etapach produkcji.

Czynniki wpływające na absorbancję

Absorbancja zależy od wielu czynników, które należy brać pod uwagę podczas pomiarów, aby wyniki były wiarygodne:

1. Stężenie substancji - jak wspomniano, zgodnie z prawem Lamberta-Beera, absorbancja jest proporcjonalna do stężenia substancji w roztworze.
2. Długość drogi optycznej - im dłuższa jest droga światła przez próbkę, tym większa absorbancja. Dlatego w praktyce stosuje się kuwety o standardowej grubości, zazwyczaj 1 cm.
3. Długość fali światła - współczynnik absorpcji substancji zależy od długości fali promieniowania. Substancje absorbują światło o specyficznych długościach fal, co pozwala na identyfikację związków chemicznych.
4. Czystość próbki - zanieczyszczenia w próbce mogą prowadzić do błędnych wyników pomiarów, ponieważ mogą absorbować światło na różnych długościach fal.
5. Temperatura i pH - wpływ na absorbancję mogą mieć również zmiany warunków fizycznych, takich jak temperatura i pH, które mogą wpływać na strukturę cząsteczek i ich zdolność do pochłaniania światła.

Absorbancja a transmisja

Absorbancja jest ściśle związana z transmisją (przepuszczalnością) światła. Transmisja (T) to stosunek intensywności światła przechodzącego przez próbkę (I) do intensywności światła padającego (I₀), wyrażona w procentach:

T=I/I₀⋅100%

Zależność między absorbancją a transmisją można opisać wzorem:

A=−log⁡(T/100)

Ze wzoru wynika, że wartość transmisji wynosząca 100% oznacza, że próbka nie pochłania światła, podczas gdy transmisja bliska 0% oznacza, że próbka pochłania całość padającego światła. Pomiary absorbancji i transmisji są wzajemnie powiązane i pozwalają na kompleksową analizę właściwości optycznych materiałów.

Absorbancja to podstawowy parametr w spektroskopii, który opisuje zdolność materiału do pochłaniania światła. Jej wartość jest kluczowa w wielu dziedzinach nauki i techniki, zwłaszcza w analizie chemicznej, badaniach biologicznych oraz kontroli jakości. Prawo Lamberta-Beera, które łączy absorbancję z koncentracją substancji, stanowi fundament dla technik spektrofotometrycznych, pozwalając na szybkie i precyzyjne oznaczanie stężeń różnych związków chemicznych. Dzięki pomiarom absorbancji możliwe jest badanie reakcji chemicznych, identyfikacja substancji oraz monitorowanie procesów biologicznych, co czyni ją nieodzownym narzędziem w nowoczesnej nauce i przemyśle.