Beer-Lambert-Rechner für Mehrkomponentensysteme

Berechne Konzentrationen aus Absorbanzmessungen nach dem Beer-Lambert-Gesetz – vom klassischen Einzelabsorber (1 Komponente) bis zu mehreren gleichzeitig anwesenden, spektral überlappenden Absorbern (per Matrixinversion, kleinste Quadrate), inklusive Bestimmtheitsmaß R² und Konditionszahl als Warnindikator für schlecht unterscheidbare Spektren.

Messdaten eingeben

Miss nach Möglichkeit an mehr Wellenlängen als du Komponenten hast (überbestimmtes System) – das macht die Lösung robuster gegen Messrauschen und liefert ein aussagekräftiges R².

1 = klassisches Beer-Lambert-Gesetz (auch über mehrere Wellenlängen zur Mittelung möglich). Ab 2 Komponenten wird das Gleichungssystem per Matrixinversion gelöst.
cm
Wellenlänge (nm) ε1 (L·mol⁻¹·cm⁻¹) ε2 (L·mol⁻¹·cm⁻¹) A gemessen

Erklärung: Beer-Lambert-Gesetz für Gemische

Was ist die Mehrkomponentenanalyse?

Das einfache Beer-Lambert-Gesetz A = ε·c·l setzt voraus, dass nur ein einziger Absorber in der Lösung vorhanden ist. Enthält eine Probe mehrere Stoffe, deren Absorptionsspektren sich überlappen, reicht eine einzelne Absorbanzmessung nicht mehr aus, um die Konzentrationen zu trennen.

Da sich die Beiträge aller Komponenten bei jeder Wellenlänge einfach addieren (Absorbanzen sind additiv), lässt sich das Problem als lineares Gleichungssystem schreiben und per Matrixinversion (bzw. Kleinste-Quadrate-Anpassung bei mehr Messpunkten als Unbekannten) nach den einzelnen Konzentrationen auflösen.

Beer-Lambert-Gesetz für Gemische

A(λᵢ) = l · Σⱼ εⱼ(λᵢ) · cⱼ

Die Größen im Überblick

Molarer Extinktionskoeffizient (ε)

Stoffspezifische Konstante, die angibt, wie stark eine Komponente bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Muss für jede Komponente bei jeder verwendeten Wellenlänge bekannt sein (z.B. aus einer Kalibriermessung mit den Reinstoffen).

Konditionszahl

Ein Maß dafür, wie gut sich die Komponenten anhand ihrer Spektren bei den gewählten Wellenlängen unterscheiden lassen. Eine hohe Konditionszahl bedeutet, dass sich die Spektren stark ähneln – kleine Messfehler werden dann stark verstärkt und die berechneten Konzentrationen können stark verfälscht sein. Abhilfe: andere, stärker unterscheidende Wellenlängen wählen.

Rechenbeispiel

Eine Lösung enthält Dichromat (Cr₂O₇²⁻) und Permanganat (MnO₄⁻) gleichzeitig. Bei 440 nm gilt ε(Cr₂O₇²⁻)=95, ε(MnO₄⁻)=2350 L·mol⁻¹·cm⁻¹, bei 545 nm ε(Cr₂O₇²⁻)=370, ε(MnO₄⁻)=2260 L·mol⁻¹·cm⁻¹. Gemessen wird A(440 nm)=0,1013 und A(545 nm)=0,1531 bei l=1 cm.

Gegeben

2×2-Gleichungssystem aus den beiden Absorbanz-Gleichungen bei 440 nm und 545 nm

Lösung

Matrixinversion liefert c(Cr₂O₇²⁻) = 2,0·10⁻⁴ mol/L und c(MnO₄⁻) = 3,5·10⁻⁵ mol/L.

Tipps und häufige Fehler

Der häufigste Fehler ist die Wahl von Wellenlängen, bei denen sich die Spektren der Komponenten zu ähnlich sind (hohe Konditionszahl) – dann reagiert die Lösung extrem empfindlich auf kleinste Messfehler. Ein zweiter häufiger Fehler: ε-Werte aus unterschiedlichen Quellen/Lösemitteln zu mischen, obwohl ε lösemittel- und ggf. pH-abhängig sein kann.

So gehst du am besten vor

Wähle Wellenlängen an den Absorptionsmaxima der einzelnen Komponenten (dort ist der Unterschied zwischen den Spektren meist am größten), miss wenn möglich an mehr Wellenlängen als du Komponenten hast, und prüfe nach der Rechnung sowohl R² als auch die Konditionszahl, bevor du das Ergebnis verwendest.

Wo wird Mehrkomponenten-UV-Vis-Analyse eingesetzt?
  • Gleichzeitige Bestimmung mehrerer Farbstoffe, Metallkomplexe oder Wirkstoffe in Mischungen ohne vorherige Trennung
  • Klinische Chemie: simultane Bestimmung von Hämoglobin-Derivaten (Oxy-, Desoxy-, Met-Hämoglobin) im Blut
  • Umweltanalytik: Quantifizierung mehrerer Schadstoffe mit überlappenden UV-Spektren in Wasserproben

Häufig gestellte Fragen zur Mehrkomponentenanalyse

Weil bei mehreren überlappenden Absorbern eine einzelne Absorbanzmessung nicht mehr eindeutig einer Konzentration zugeordnet werden kann – der Messwert enthält die Beiträge aller Komponenten gleichzeitig. Erst mehrere Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen liefern genug Information, um die Beiträge rechnerisch zu trennen.

Sie zeigt an, dass die Spektren der Komponenten bei den gewählten Wellenlängen zu ähnlich sind, um sie sauber zu trennen. Mathematisch bedeutet das: kleine Fehler in den gemessenen Absorbanzen führen zu großen Fehlern in den berechneten Konzentrationen. Praktisch hilft es, Wellenlängen zu wählen, an denen sich die Spektren möglichst stark unterscheiden.

Eine negative Konzentration ist physikalisch unmöglich und ein klares Warnsignal – meist deutet das auf Messfehler, eine zu hohe Konditionszahl oder falsche ε-Werte hin. Miss ggf. bei anderen Wellenlängen nach oder überprüfe deine Kalibrierdaten.

Mindestens so viele wie Komponenten vorhanden sind (sonst ist das System unterbestimmt und gar nicht lösbar). In der Praxis empfiehlt es sich, deutlich mehr zu messen, um Messrauschen durch die Kleinste-Quadrate-Anpassung auszumitteln und über R² eine Qualitätskontrolle der Anpassung zu haben.

Ja – wähle einfach 1 bei der Komponentenzahl. Das ist dann exakt das klassische Beer-Lambert-Gesetz A = ε·c·l, wahlweise auch über mehrere Wellenlängen gemittelt (per Kleinste-Quadrate-Anpassung), falls du mehrfach gemessen hast.