WYKA
AD 12
METODY BADAWCZE
SPEKTROMETRIA MAS
Spektroskopia mas
ZwiÄ…zek chemiczny zostaje zjonizowany
Powstałe jony rozdzielone w zależności od stosunku ich masy do ładunku
Liczba jonów odpowiadająca każdej jednostce masa/ładunek jest rejestrowany
jako widmo
Schemat blokowy typowego spektrometru mas
komputer
wprowadzenie
metoda
metoda
próbki
jonizacji
rozdziału jonów detektor
Minimalne wymagania: możliwość rejestrowania masy cząsteczkowej związku z dokładnością do
liczby całkowitej
Spektroskopia mas
Metody jonizacji
Jonizacja w fazie gazowej
Jonizacja połączona z desorpcją
Jonizacja przez odparowanie
Jonizacja w fazie gazowej
jonizacja elektronami
Najczęściej stosowana metoda generowania jonów
Cząsteczki próbki w fazie gazowej bombarduje się elektronami o energii 70 eV, które wybierają
jeden elektron z czÄ…steczki tworzÄ…c kationorodnik zw. jonem molekularnym.
Energia jonizacji typowej cząsteczki organicznej jest mniejsza niż 15 eV
Bombardujące elektrony przekazują utworzonemu jonowi molekularnemu nadmiar energii, który
częściowo zostaje zużyty na zrywanie wiązań kowalencyjnych
Jonizacja w fazie gazowej
jonizacja chemiczna
Jonizacja elektronami często prowadzi do tak daleko idącej fragmentacji, że nie obserwuje się
jonu molekularnego
Techniki Å‚agodnej jonizacji (np. CI  jonizacja chemiczna)
Do z
ródła jonów wprowadza się gaz reagujący (metan, izobutan amoniak) i poddaje go
jonizacji elektronami
Cząsteczki próbki zderzają się z jonami gazu reagującego i ulegają wtórnej jonizacji tworząc
jon [M+1]+
[M+18]+ z amoniakiem
[M+29]+ z izobutanem
[M+18]+ z metanem
Desorpcyjne metody jonizacji
Desorpcja polem (FD  Field Desorption)
Bombardowanie szybkimi elektronami (FAB Fast Atom Bombardment)
Desorpcyjne metody jonizacji
bombardowanie szybkimi elektronami
Wykorzystuje się wysokoenergetyczne atomy ksenonu lub argonu (do bombardowania próbki
rozpuszczonej w matrycy, która jest ciecz o niskiej prężności par (np. glicerol).
Matryca ochrania próbkę przed znaczną destrukcją
PowstajÄ… jony dodatnie
[M+H]+
[M+Na]+
Lub
PowstajÄ… jony ujemne
[M-H]-
Thermospray
Próbkę w roztworze wprowadza się do spektrometru mas poprzez podgrzana kapilarę. Na
końcu kapilary roztwór ulega rozpyleniu i częściowo odparowuje rozpuszczalnik tworząc
strumień drobnych kropelek wprowadzanych do z
ródła jonów. Gdy rozpuszczalnik odparuje
całkowicie jony wprowadza się do analizatora i określa ich masę (m/z)
Electrospray
y
ródło jonów działa pod wpływem ciśnienia atmosferycznego (atmospheric pressure ionization API)
Próbkę w roztworze (polarnym, lotnym rozpuszczalniku) wprowadza się do z
ródła jonów poprzez stalowa kapilarę
płytki naładowane
krople z nadmiarem Å‚adunku
na powierzchni
gaz rozpylajÄ…cy
+
+
+ SPEKTROMETR
+
igła
rozpuszczalnik/próbka +
MAS
+
gaz rozpylajÄ…cy
+
+
+
+
+
+
+
wlot kapilary
zasilacz
2-5kV
Do kapilary jest przyłożony wysoki potencjał w stosunku do przeciwnej elektrody, co powoduje powstanie
gradientu pola. Roztwór opuszczając kapilarę tworzy aerozol naładowanych kropelek. Krople aerozolu
zmniejszają swoją objętość w trakcie odparowywania rozpuszczalnika koncentrując na swojej powierzchni
naładowane jony
Electrospray
płytki naładowane
krople z nadmiarem Å‚adunku
na powierzchni
gaz rozpylajÄ…cy
+
+
+ SPEKTROMETR
+
igła
rozpuszczalnik/próbka +
MAS
+
gaz rozpylajÄ…cy
+
+
+
+
+
+
+
wlot kapilary
zasilacz
2-5kV
Gdy odpychanie elektrostatyczne jonów osiągnie punkt krytyczny, krople ulegają tzw.  eksplozji kulombowskiej ,
która powoduje podział na mniejsze krople
Ten wielokrotnie powtarzany proces powoduje uwalnianie jonów do fazy gazowej, gdzie zostają one zogniskowane i
wprowadzone do analizatora mas
Widmo ESI MS
Laktoza
intensywność
względna
[M+Na]+
m.cz=342
365
[M+H]+
343
200 300
100 400
m/z
Widmo ESI MS
O O
O O
H2N NH2 +
HN NH
OMe OMe
[128]
[74] [170]
intensywność
względna
129
171
100 200
m/z
PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE  rozchodzÄ…ce siÄ™ w
przestrzeni zaburzenia pola elektromagnetycznego
PASMO DA
UGOŚĆ FALI (m)
Fale radiowe >10-4
mikrofale 3·10-1 - 3·10-3
podczerwieÅ„ 10-3 - 7,8·10-7
Pasmo widzialne 7,8·10-7 - 4·10-7
ultrafiolet 4·10-7 - 10-8
Promieniowanie 10-8 - 10-11
rentgenowskie
Promieniowanie gamma <10-11
NMR
NMR
NMR - nuclear magnetic resonance
Przykład spektroskopii absorpcyjnej
W odpowiednich warunkach próbka umieszczona w polu magnetycznym może
absorbować fale elektromagnetyczne o częstości radiowej (RF) w
charakterystycznym dla danej próbki częstotliwości
Absorpcja jest zależna od właściwości jąder atomowych w cząsteczce
Widmo NMR  wykres przedstawiający intensywność sygnałów jako funkcję częstości
promieniowania absorbowanego
NMR
NMR - nuclear magnetic resonance - Spektroskopia Magnetycznego
Rezonansu JÄ…drowego
Wirujący wokół osi jadra atomowego generuje dwubiegunowe pole magnetyczne
(dipol magnetyczny) zorientowane wzdłuż osi
Moment pędu wirującego ładunku (spin) może być zdefiniowany za pomocą
kwantowej liczby spinowej I (0, ½, 1. 3/2 itd.)
Podstawowym parametrem definiującym dipol magnetyczny powstały w wyniku istnienia
spinu (wirowania) jÄ…dra atomowego jest moment magnetyczny µ
Widma jÄ…der atomowych o spinie ½ Å‚atwo rejestrwane (sferyczny rozkÅ‚ad Å‚adunku)
1
H 13C
NMR
NMR - nuclear magnetic resonance - Spektroskopia Magnetycznego
Rezonansu JÄ…drowego
I Masa atomowa Liczba Przykłady
atomowa jÄ…der
Liczba nieparzysta nieparzysta
1 13
H (1/2) C (1/2)
połówkowa
1
6
Liczba nieparzysta parzysta
15
N (1/2)
połówkowa
7
14
Liczba parzysta nieparzysta
N (1)
całkowita
7
Wirujący wokół osi
jadra atomowego
34
zero parzysta parzysta
S(0)
generuje
16
dwubiegunowe pole
magnetyczne (dipol
magnetyczny)
zorientowane wzdłuż
osi
NMR
W przypadku jader o spinie ½ umieszczonych w zewnÄ™trznym
polu magnetycznym  dwa poziomy energetyczne
spin=-1/2 ²
E
E
Gdy w polu magnetycznym zdefiniowanym natężeniem
Bo pojawi się zróżnicowanie poziomów w wyniku
naświetlania próbki promieniowaniem odpowiedniej
czÄ™stoÅ›ci radiowej ½1 możliwe jest wprowadzenie do
spin=1/2 ²
układu energii i wywołanie przejścia między
poziomami energetycznymi
natężenie pola (B0)
Precesja Larmora
Równanie łączące zastosowane pole o częstości radiowej v1 z natężeniem pola magnetycznego B0
ruch precesyjny ORBITALNEGO MOMENTU P
DU i
zwiÄ…zanego z nim momentu magnetycznego
elektronu wokół kierunku zewnętrznego pola
magnetycznego o indukcji B, zachodzÄ…cy z
prędkością kątową
v1=(Å‚ )'/B0
Å‚/2 
Å‚ 
Å‚ 
Przy zachowaniu warunku zawartego w równaniu jest zachowany warunek rezonansu: energia jest
absorbowana przez proton, który osiąga stan o wyższej energii i widmo może być zarejestrowane
Precesja Larmora
Energia o częstości radiowej może być dostarczona do badanego układu metodą fali ciągłej, stopniową
zmianą zakresu częstości lub metodą impulsową poprzez wzbudzanie wszystkich częstości w wyniku
naświetlania jednym impulsem.
W spektrometrach CW (fali ciągłej) próbka jest umieszczona w polu magnetycznym i naświetlana
przy powolnej zmianie częstości w danym zakresie.
Otrzymane widmo odzwierciedla zaabsorbowaną energię jako funkcję częstości
W spektrometrach impulsowych próbka jest umieszczana w polu magnetycznym i naświetlana
impulsem wysokiej mocy obejmującym szeroki zakres częstości
Taki impuls wzbudza w tym samym czasie wszystkie protony danej próbki. Natychmiast po impulsie
jadra atomowe zaczynają powracać do stanu podstawowego i emitują zaabsorbowana energię
Sygnał FID
FID (swobodny zanik indukcji)
Transformacja Fouriera
FID (swobodny zanik
indukcji) zapisywany w
domenie czasu, następnie
konwertowany (przez
transformacje Fouriera)
w widmo w domenie
częstości
TRANSFORMACJA
FOURIERA
Widmo NMR
Widmo węglowe NMR
CH3CH2OH
160 60
180 100 80 0
140 120 40
200 20
IR
PASMO DA
UGOŚĆ FALI (m)
Fale radiowe >10-4
mikrofale 3·10-1 - 3·10-3
podczerwieÅ„ 10-3 - 7,8·10-7
Pasmo widzialne 7,8·10-7 - 4·10-7
ultrafiolet 4·10-7 - 10-8
Promieniowanie 10-8 - 10-11
rentgenowskie
Promieniowanie gamma <10-11
IR
Promieniowanie podczerwone o częstości mniejszej niż 100-1 cm ulega absorpcji i
przekształceniu przez cząsteczki organiczne w energię rotacyjną. Absorpcja ta jest
kwantowana, dlatego widmo rotacyjne cząsteczki składa się z oddzielnych
(dyskretnych) linii
Promieniowanie podczerwone w zakresie 10000 do 100-1 cm jest absorbowane i
przekształcane przez cząsteczkę organiczną w energię oscylacyjną. Ta absorpcja
jest skwantowana, ale widma oscylacyjne mają wygląd pasm a nie linii ponieważ
każdej zmianie energii oscylacyjnej towarzyszy kilka zmian energii rotacyjnej.
IR
Częstość lub długość fali promieniowania absorbowanego zależy od
względnych mas atomów, stałych siłowych i względnego układu
przestrzennego
Położenie pasm w widmie w podczerwieni jest określane liczbami falowymi,
których jednostką jest odwrotność centymetra
Intensywność pasm może być wyrażona jako Transmitancja (T) lub
Absorbancja (A)
1
Prawo Lamberta Beera
(
)
log
A=
T
µlc
µ
µ
µ
A=
S - silne
µ molowy współczynnik absorpcji (charakterystyczny
M - średnie
dla danej substancji)
W - słabe
IR
Drgania czÄ…steczkowe
rozciÄ…gajÄ…ce zginajÄ…ce
Drgania czÄ…steczki
H2O
nożycowe
asymetryczne rozciÄ…gajÄ…ce
symetryczne rozciÄ…gajÄ…ce
(Ãs OH)
Ã
Ã
Ã
(vas OH)
(vs OH)
1596cm-1
3756cm-1
3652cm-1
Drgania czÄ…steczki
CO2
-
+
-
(1)
(3) nożycowe (zginające)
symetryczne rozciÄ…gajÄ…ce (2) asymetryczne rozciÄ…gajÄ…ce
(Ãs CO2)
Ã
(vs CO2) (vas CO2) Ã
Ã
665 cm-1
1340 cm-1 2350 cm-1 z
(4) nożycowe (zginające)
(Ãs CO2)
Ã
Ã
Ã
665 cm-1
Drgania czÄ…steczki
CH2
asymetryczne rozciągające zginające w płaszczyz
nie
symetryczne rozciÄ…gajÄ…ce
(vas CH2)
(vs CH2) lub nożycowe (Ãs CH2)
Ã
Ã
Ã
2926 cm-1
2853 cm-1 1465 cm-1
+
+ +
+
-
-
zginające w płaszczyz
nie
zginające poza płaszczyznę
zginające poza płaszczyznę
lub wahadÅ‚owe (Ás CH2)
Á
Á
Á
lub skrÄ™cajÄ…ce (Äs CH2)
Ä
Ä
Ä
lub wachlarzowe (És CH2)
É
É
É
720 cm-1
1350-1150 cm-1
1350-1150 cm-1
Prawo Hook a
Wyznaczanie częstości drgań
1
f
V=
2  (MxMy)(Mx + My)
c


Analiza widm IR
Każda grupa funkcyjna w związkach organicznych ma określony
zakres absorpcji IR
Częstotliwość grupowa  częstotliwość przy której grupa funkcyjna
absorbuje promieniowanie IR
Drganie charakterystyczne  drganie w  częstotliwości grupowej
Analiza widm IR
Widmo musi mieć odpowiednia rozdzielczość i intensywność
Widmo powinno być otrzymane ze związku o odpowiedniej czystości
Spektrofotometr powinien być skalibrowany tak, aby pasma
występowały przy właściwych częstościach lub długościach fali;
kalibrowanie można wykonać posługując się odpowiednimi
wzorcami
CH2Cl2
UV-Vis
PASMO DA
UGOŚĆ FALI (m)
Fale radiowe >10-4
mikrofale 3·10-1 - 3·10-3
podczerwieÅ„ 10-3 - 7,8·10-7
Pasmo widzialne 7,8·10-7 - 4·10-7
ultrafiolet 4·10-7 - 10-8
Promieniowanie 10-8 - 10-11
rentgenowskie
Promieniowanie gamma <10-11
www.cem.msu.edu
Fiolet: 400-420 nm.
Indygo: 420 440 nm.
Niebieski: 440-490 nm.
Zielony: 490-570 nm.
Żółty 570-585 nm.
Pomarańczowy 585-620 nm.
Czerwony 620-780 nm.
O
H
N
indygo
N
H
O
Naturalne barwniki organiczne. Silnie
sprzężone Ą elektrony
²-karoten
²
²
²
Spektroskopia UV-Vis jest używana rutynowo do oznaczania roztworów
kationów metali przejściowych i  wysoko sprzężonych związków
organicznych
Roztwory soli metali przejściowych mogą być zabarwione, ponieważ
elektrony z orbitalu d mogą być wzbudzone z jednego stanu elektronowego na
drugi
chromofory - wiązania lub grupy sprawiające, że związek jest
barwny (posiada pasmo absorpcji w UV-Vis)
C=C, C=O, C=N, N=N
auksochromy - grupy, które same nie wywołują barwy, ale
zwiększają intensywność pasma absorpcji
NR2, -NHR, -NH2, -OH, -OCH3, -OCOCH3, -NHCOCH3, -Br, -Cl.
Nasycone zwiÄ…zki organiczne nie absorbujÄ… w zakresie
widzialnym i bliskim nadfiolecie
CH4
propan
butan pentan
etan
metan
heksan heptan oktan
nonan dekan
Prawo Lamberta Beera
µlc
µ
µ
µ
A=
Widmo UV-Vis
H. Tsubomura, K. Kimura, K. Kaya,
J. Tanaka, S. Nagakura
Bulletin of the Chemical Society of
Japan, 37 (3), 417-423, (1964)
Widmo UV-Vis
www.cem.msu.edu
Widmo UV-Vis
www.cem.msu.edu