BIOSPEKTROSKOPIA

Spektroskopia

• Dział nauki zajmujący się badaniem

struktury

energetycznej

(budowy

i

właściwości) substancji.

• Odbywa się to poprzez obserwację i analizę

rozkładu energii czyli widm promieniowania

emitowanego,

pochłanianego

lub

odbitego

przez dany obiekt fizyczny.

Promieniowanie
padające

Transmisj
a

Absorpcja

Odbici
e

Spektroskopia absorpcyjna - bada widma powstające po przejściu
promieniowania przez warstwę badanej substancji.

Spektroskopia emisyjna - bada widma, które emituje badana substancja po
zadziałaniu określonego czynnika fizycznego.

Spektroskopia odbiciowa - bada widma, które powstały w wyniku odbicia się
promieniowania od powierzchni badanej próbki.

Długość fali λ

Odległość mierzona między dwoma sąsiednimi

punktami będącymi w tej samej fazie.

Długość
fali

c

n

l =

Najczęściej stosowanymi jednostkami

określającymi długość fali są:

9

6

10

1

10

1

10

1

10

nm

m

m

m

A

m

m

-

-

-

=

=

=

&

Wielkości

charakteryzujące falę

elektromagnetyczną

• Częstość

drgań

ν

.

Jednostką

częstości jest Herz [1/s], natomiast
określa ona ilość drgań na jednostkę
czasu.

• Liczba falowa k

, która określa liczbę

długości fal w jednostce długości.
Jednostką jest Kejzer.

1

k

l

=

1

1K

cm

=

Zakres

promieniowania

UV

VIS

IR

Długość fali [nm]

100-380

380-

780

780-

100000

http://fizyka.maszyna.pl/wstep_widmo.htm

h
v

E

m

E

n

hv

E

m

E

n

m

n

E

E

hv

-

=

hv

E

m

E

n

Absorpcja

Emisja spontaniczna

Emisja wymuszona

Monochromatory:
Pryzmat
Odbiciowy (siatki dyfrakcyjne)
Laser

Rodzaj

promieniowani

a

Źródło światła

Kuweta

Detektor

VIS

Żarówka,

lampa

wolframowa

Szklana,

plastikowa

(przeźroczyst

a)

Fotodioda,

fotopowielacz

fotokomórka

UV

Lampa UV

Kwarcowa

Fotodioda,

fotopowielacz

fotokomórka

IR

Włókno

Nernsta, pręt

silitowy

Globar

Płytki solne

Termoogniwa,

bolomatry

Struktura energetyczna

cząsteczek

Rodzaje energii

cząsteczek

• Translacji
• Rotacji
• Oscylacji
• Elektronó

w

Energia translacji

• Energia ruchu postępowego, energia

kinetyczna cząsteczek. IR

• Jest wprost proporcjonalna do

temperatury.

2

2

kin

mV

E =

Energia rotacji

• Związana jest z ruchem obrotowym

cząsteczek. IR

(

)

2

2

1

8

rot

h

E

J J

I

p

=

+

Energia oscylacji

• Wynika z drgań atomów. IR

0

1

2

osc

E

v

hv

�

�

= +

�

�

�

�

• liniowo symetryczne v

1

,

• deformacyjne poprzeczne
v

2

• podłużne symetryczne v

3

.

Energia elektronowa

• Energia dostarczona do elektronów.

UV, VIS

Stan
podstawowy,
elektronowy

Stany
oscylacyjne

Stany
rotacyjne

v=3

v=2

v=1

v=0

J=

4
3
2
1
0

Struktura energetyczna substancji

Absorpcjometria

Absorpcja

promieniowania

• Pochłanianie

promieniowania

elektromagnetycznego przez materię.

• Każda z substancji pochłania

charakterystyczne

dla siebie

długości fali

.

• To jaka długość fali będzie pochłaniana zależy

od

rodzaju substancji

z jaką mamy do

czynienia.

Absorpcjometria dotyczy

badania i pomiaru absorpcji

promieniowania w zakresie od

ultrafioletu do podczerwieni.

Absorbancja

Wielkość fizyczna służąca do

określenia ilości zaabsorbowanego

promieniowania.

0

log

I

A

I

=

I

0

- natężenie światła padającego.

I - natężenie światła po przejściu przez
roztwór.
A - absorbancja.

Transmitancja

Jest to wielkość, określająca ilość

promieniowania przepuszczonego.

Określona jest za pomocą wyrażenia:

0

I

T

I

=

0

100%

I

T

I

= �

Związek pomiędzy

abrsorbancją a

transmitancją

1

log

A

T

=

2 log

A

T

= -

Widmo absorpcji

Określa zależność pomiędzy ilością

promieniowania absorbowanego a

długością fali.

W obszarze widzialnym może mieć

postać ciemnych prążków lub pasm na

tle ciągłego widma emisyjnego i jest

charakterystyczne dla każdej

substancji.

Prawo Lamberta - Beera

I

0

- natężenie promieniowania padającego.

I - natężenie promieniowania po przejściu przez warstwę o

grubości x.

α - współczynnik absorpcji charakterystyczny dla każdej

substancji.

X - grubość warstwy absorbenta.
c - stężenie roztworu.

I

0

I

x

0

cx

I I e

a

-

=

α

c

A

c

Zależność absorpcji i współczynnika absorpcji od
stężenia

Prawo addytywności

absorpcji

Wartość absorpcji kilku składników

równa się sumie wartości absorpcji

poszczególnych składników.

1

2

...

c

n

A

A A

A

= + + +

Odstępstwa od praw

absorpcji

Odstępstwa od praw absorpcji możemy

podzielić na spowodowane:

• Warunkami pomiarowymi

(niemonochromatyczność wiązki,

różna czułość detektorów).

• Niespełnieniem praw absorpcji (np.

wzrost stężenia roztworu może

powodować powstawanie cząsteczek

spolimeryzowanych bądź

zasocjoanych).

Zastosowanie

Badania jakościowe i ilościowe!!!

Spekol

1

2

3

5

4

1

0

nm

0%

100%

1. Włącznik otwierający szczelinę przez

które wychodzi promieniowanie

2. Pokrętło służące do ustawiania

żądanej długości fali

3. Pokrętło ustawiające wskazówkę

miernika w pozycji 0% T

4. Pokrętło ustawiające wskazówkę

miernika w pozycji 100%T

5. Miejsce na kuwety z cieczą

porównawczą i badaną

Widma

A

λ

λ

1

λ

2

A

λ

λ

1

λ

2

λ

3

Witamina C, różne

stężenia

Oksyhemoglobina

Spektroskopia emisyjna

Widmo emisyjne

Widmo wybranego typu promieniowania

wysyłanego przez dany obiekt.

Absorpcja
promieniowania

Stan wzbudzony

Emisja promieniowania

Widmo emisji

h
v

E

m

E

n

hv

E

m

E

n

m

n

E

E

hv

-

=

Zastosowanie

Badania jakościowe i ilościowe!!!

Widmo światła białego

Widmo wodoru

http://www.coolscan.pl/artykuly.htm http://library.thinkquest.org/28383/nowe_teksty/html/2_13.html

Widma sodu

Żółta linia sodu

Brak żółtej linii sodu

Widmo emisyjne

Widmo
absorpcyjne

Widmo helu

http://library.thinkquest.org/28383/nowe_teksty/html/2_13.html

Widmo azotu

Widmo
żelaza

http://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_astronomiczna

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/zabawki/files/articles/cd/cd.html

A

λ[nm
]

A

λ[nm
]

PDD

Spektroskopia

odbiciowa

• Spektroskopia odbiciowa - światło

nie przechodzi przez próbkę ale
odbija się od jej powierzchni.

• Kąt odbicia zależy od struktury

chemicznej próbki i długości
padającego światła.

• Pozwala to ustalić skład chemiczny

samej powierzchni próbki.

• Część kwantów promieniowania,

oddziałuje z cząsteczkami próbki.

• Powoduje to zmianę energii oscylacji

cząsteczek materiału.

• Oznacza to zamianę energii

padających kwantów.

• Do wzbudzania stosuje się bardzo

silne źródła promieniowania – lasery
o działaniu ciągłym.

• Badanie w zakresie UV, VIS, IR .

Zastosowanie

Badania jakościowe i ilościowe!!!

Widmo odbiciowe

http://www.tribologia.org/ptt/kaj/kaj35.htm

Badanie włosów

Badania włosów:
• Ocena

obecności

substancji

chemicznych

(rodamina B)

• Badania dyfuzji związków (polietylenoimina) 
• Badanie dyfuzji substancji redukujących (kwas

tioglikolowy, L-cysteina)

Badanie składu i właściwości
kosmetyków

Badania cery (kolor, ukrwienie, natłuszczenie)

Zadania

• Podaj wzór opisujący absorbancję.

Opisz użyte symbole.

• Podaj wzór opisujący zależność

między absorbancją i transmitancją.

• Od czego zależy spadek natężenia

wiązki przechodzącej przez roztwór?

• Narysuj wykres zależności A=f(c) i

znajdź stężenie substancji X.

Zadania

Stężenie c

[%]

Absorbancja

A

10

22

20

40

30

61

40

79

X

50

Dwukrotnie badano widmo absorpcji tej

samej substancji.

•

Pierwszy pomiar: Grubość kuwety –
2 mm, Stężenie substancji – 4 %,
Absorpcja – 8

•

Drugi pomiar: Stężenie substancji –
4 %, Absorpcja – 16. 

Podaj grubość kuwety jakiej użyto do

drugiego pomiaru.

Zadania

• Podaj długość fali światła białego.
• Podaj

zakres

promieniowania

widzialnego.

• Światło jest falą czy strumieniem

cząstek?

• Przedstaw na wykresie zależność

(kształt) transmisji od stężenia.

Zadania

• Na podstawie danych i widma

absorpcji określ która z substancji
zawarta jest w badanej próbce.

Rodzaj

substancji

Długość fali

maksimum

absorpcji

A

117nm

B

200nm

C

215nm

D

649nm

E

355nm

F

377nm

G

640nm

A

λ

λ

1

λ

2

λ

3

λ

1

215nm

λ

2

649nm

λ3

377nm

Zbadano widmo absorpcji substancji X dla

dwóch stężeń.

Doświadczenie przeprowadzono w tych

samych warunkach. Stężenie nr 1 wynosi
3,5%. Podaj stężenie nr 2.

Zadania

A

λ

9

7

2

1

Piśmiennictwo

• Chemia fizyczna – Sobczyk
• Biospektroskopia – Kęcki
• Biospektorskopia – Twardowski
• Instrumentalne metody analityczne – Szyszko
• http://fizyka.ckumm.edu.pl/fizykaatomu/fizykaatomu.

htm

• http://fizar.pu.kielce.pl/student/gawor/glowna.html
• http://library.thinkquest.org/28383/nowe_teksty/html/
• Janusz Lipiec, Zakład Fizyki Akademii Rolniczej

ćwiczenie 46

• http://www.chemmix.artnet.pl/index.php?s1=01
• Wikipedia