SPEKTROSKOPIA

Dział nauki zajmujący się oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z materią we wszystkich jej makro- i mikroskopowych formach. Oddziaływanie to charakteryzuje się tym, że energia jest pochłaniana (absorbowana) lub wysyłana (emitowana) przez materię w skończonych porcjach – kwantach energii.

Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać jako:

1. Falę elektromagnetyczną – jest to rozchodzące się w przestrzeni i w czasie spójne drganie pól elektrycznego i magnetycznego,

   - zakres długości fali obejmujący promieniowanie elektromagnetyczne jest bardzo szeroki : 10^-14 m do 10⁶m.

2. Strumień fotonów; fotony są pozbawione masy spoczynkowej, ale niosą z sobą ściśle określoną energię, którą wyraża zależność Plancka:

E-energia promieniowania, h-stała Plancka (6,626*10^-34 J*s), c- prędkość rozchodzenia się światła w próżnia (stała=3,00 *10¹⁰cm/s), λ- długość fali, V-częstość, czyli liczba cykli na jednostkę czasu (Hz), - 1/λ,; liczba falowa,

>> Zależność ta łączy falową i korpuskularną naturę promieniowania elektromagnetycznego poprzez określenie cechy korpuskularnej, którą jest energia fotonu, za pomocą cechy falowej, którą jest częstość , liczba falowa, i długość fali.

>> Zgodnie z równaniem Plancka dany atom absorbuje lub emituje promieniowanie tylko ściśle określonymi porcjami hv.

PODZIAŁ SPEKTROSKOPII

1. Ze względu na układ materialny:

   1. Spektroskopia jądrową – przedmiotem badań są poziomy energetyczne i właściwości jąder atomowych,

   2. Spektroskopię atomową – badania dotyczą poziomów energetycznych atomów,

   3. Spektroskopię molekularną (cząsteczkową) – badane są poziomy energetyczne i struktura cząsteczek oraz oddziaływania międzycząsteczkowe,

   4. Spektroskopię kryształów – przedmiotem badań jest struktura energetyczna kryształów oraz czynniki określające i wpływające na tę strukturę,

2. Forma wymiany energii między promieniowaniem a materią:

   1. Spektroskopia absorpcyjna – następuje zwiększenie energii układu w wyniku pochłaniania promieniowania,

   2. Spektroskopię emisyjną - następuje zmniejszenie energii układu na skutek wydzielania promieniowania,

   3. Spektroskopię Ramana (rozproszenia) – cechą charakterystyczną jest zmiana częstości promieniowania rozproszonego w stosunku do częstości promieniowania padającego,

3. Zakres promieniowania elektromagnetycznego:

   1. Spektroskopia gamma,

   2. Spektroskopia rentgenowska,

   3. Spektroskopia optyczna :

      • W próżniowym i bliskim nadfiolecie,

      • W zakresie widzialnym,

      • W bliskiej, właściwej i dalekiej podczerwieni,

   4. Radiospektroskopię w zakresie:

      • Mikrofalowym,

      • Krótkofalowym,

      • Długofalowym,

4. Sprężyste i niesprężyste oddziaływanie promieniowania z badaną materią:

   1. Sprężyste – w czasie oddziaływań wzajemnych nie zachodzą zmiany energii promieniowania, a jedynie zmiany jego kierunku. Do metod opartych na sprężystych oddziaływaniach promieniowania z materią należą:

      • Refraktometria,

      • Mikroskopia optyczna,

      • Interferometria,

      • Nefelometria,

      • Turbidymetria,

      • Polarymetria,

   2. Niesprężyste – zachodzi wymiana energii między promieniowaniem i próbką zgodnie z regułami kwantooptycznymi.

SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA

Zajmuje się oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z cząsteczkami.

W cząstce wieloatomowej można wyróżnić:

1. Energię translacji, będącą wynikiem swobodnego ruchu cząsteczki w przestrzeni,

2. Energię rotacji, związaną z obrotem cząsteczki wokół osi przechodzącej przez jej środek masy,

3. Energię oscylacji, związaną z drganiami atomów wokół położenia równowagi, analogicznie do oscylacji sprężyście połączonych kulek,

4. Energię elektronową, obejmującą energię kinetyczną elektronów w cząsteczce i energię potencjalną związaną z przyciąganiem elektronów przez jądro i odpychaniem przez sąsiednie elektrony,

>> tylko energia translacji zmienia się w sposób ciągły i nie podlega ograniczeniom kwantowym,

W wyniku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez cząsteczki następuje wzbudzenie odpowiednich poziomów energii, a zjawisko obserwujemy w postaci widma absorpcyjnego. I tak:

1. Pod wpływem promieniowania z zakresu mikrofal i dalekiej podczerwieni następuje wzbudzenie rotacyjnych poziomów energii; efektem jest widmo rotacyjne. Czyste widma rotacyjne są przedmiotem badań spektroskopii mikrofalowej.

2. Wzbudzenie oscylacyjnych poziomów energii następuje pod pływem promieniowania IR; efektem jest widmo oscylacyjne. Widmo oscylacyjne (a właściwie oscylacyjno-rotacyjne) jest przedmiotem badań spektrofotometrii w podczerwieni i spektroskopii Ramana.

3. Wzbudzenie elektronów jest wywołane promieniowaniem elektromagnetycznym z zakresu UV-Vis, a także bliskiej poczerwieni. Efektem jest elektronowe widmo absorpcyjne, które jest przedmiotem badań spektroskopii UV-Vis.

SPEKTROFOTOMETRIA UV-Vis

Spektrofotometria z zakresie nadfioletu (UV) i promieniowania widzialnego ( Vis) - przedmiotem badań są widma elektronowe.

Rodzaje przejść elektronowych:

1. W związkach organicznych:

Absorpcja promieniowania w zakresie UV-Vis jest związana z przejściami elektronów walencyjnych (elektronów δ i π) oraz elektronów wolnych par elektronowych (elektrony n).

Kolejność poziomów energetycznych poszczególnych orbitali i możliwość przejść elektronowych (s.67):

1. W kompleksach metali d-elektronowych:

• Widma elektronowe kompleksów metali przejściowych mogą być wynikiem przejść elektronowych, w których uczestniczą elektrony d.

• Widma te rozciągają się od obszaru bliskiego nadfioletu poprzez obszar widzialny, aż do bliskiej podczerwieni.

• Naturę tych przejść elektronowych, warunkujących m.in. różnorodność barw jonów kompleksowych metali przejściowych, tłumaczy teoria pola ligandów.

• Dla typowych ligandów charakterystyczny jest tzw. Szereg spektrochemiczny. Dla danego kationu wartość ∆ (różnicy energii między rozszczepionymi poziomami) wzrasta w następującym szeregu:

1. < Br- < SCN- < F- < OH- < CH₃COO- < C₂O₄^2- < H₂O < C₂H₅N < NH₃ < etylenodiamina < o-fenanitrolina < CN-

I PRAWO ABSORCJI (prawo Lamberta)

Absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący.

Absorbancja – zdolność pochłaniania promieniowania;

k- współczynnik absorpcji, b-grubość ośrodka, a =0,4343k, Io – natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek absorbujący, I – natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący.

Transmitancja (przepuszczalność) T;

A zatem :

II PRAWO ABSORPCJI ( prawo Lamberta – Beera)

Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej b.

III PRAWO ABSORPCJI (prawo addytywności absorpcji)

Absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absrobacnji poszczególnych składników:

A= A1 + A2 + …… + An,

gdzie A1, A2… są to absorbancje poszczególnych składników.

W równaniu : A = acb , wielkość a jest właściwym współczynnikiem absrobcji, gdy stężenie wyrażamy w kg/dm³ lub g/cm³, natomiast gry wyrażamy w mol/dm³, równanie to przybiera postać A=εcb, gdzie ε jest to molowy współczynnik absrobcji, a jego wymiar podawany jest dwojako : dm³/mol*cm lub jednostkach SI m²/mol.

Wartość absorbancji A i wartość molowego współczynnika absorpcji ε zależy od długości fali λ promieniowania padającego. Wykres zależności A lub ε od długości fali określa się mianem krzywej absorpcji lub elektronowym widmem absrobpcyjnym.

OGRANICZENIA W STOSOWANIU PRAWA LAMBERTA-BEERA

1. Prawa adsorpcji są spełnione dla roztworów rozcieńczonych ( c<10^-2mol/dm³) – w roztworach takich molowy współczynnik absorbancji ε nie zależy od współczynnika załamania światła.

2. Przejście wzbudzonej cząsteczko do stanu podstawowego jest możliwie także poprzez emisję kwantu. Jeżeli część kwantów fluorescencji dotrze do detektora, to zmierzona transmisja będzie podwyższona, czyli zmieszona absorbancja będzie niższa od rzeczywistej.

3. Czynniki chemiczne powodujące odchylenia od prostoliniowego przebiegu absorbancji są związane z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w analizowanym roztworze.

   Zmianie pH roztworu, a także zmianie stężenia roztworu mogą towarzyszyć : dysocjacja, asocjacja, polimeryzacja, solwatacja, a także różne reakcje kompleksowania. Takim reakcjom towarzyszą zmiany właściwości optycznych analizowanych roztworów.

4. Czynniki aparaturowe powodujące odchylenia od prostoliniowości są związane z :

   • Brakiem monochromatycznośći,

   • Występowaniem promieniowania rozproszonego,

APARATURA

Podstawowymi częściami składowymi spektrofotometrów UV-Vis są:

1. Źródło promieniowania

   Musi pokryć cały zakres UV-Vis, tzn zakres od 180-800 nm. Stosowane są:

1. Lampy deuterowe- 180-300 nm

2. Lampy wolframowo-halogenowe - powyżej 380 nm

3. Wysokociśnieniowe lampy ksenonowe – cały zakres UV-Vis

1. Układ optyczny (monochromator)

   Monochromator ma za zadanie wybrać, z emitowanego przez źródło promieniowania ciągłego, wąskie pasmo o żądanej długości fali i przepuścić je przez komórkę z badaną substancją.

2. Pomieszczenie na komórkę pomiarową

   Absorpcję gazów cieczy bada się w kuwetach. Kuwety pomiarowe powinny :

• Zapewnić dokładnie znaną grubość warstwy absorbującej cieczy lub gazu,

• Wykazywać odporność na działanie analizowanych substancji chemicznych,

• Zapewnić w maksymalnym stopniu transmisję promieniowania,

Kuwety powinny być wykonane z właściwych materiałów optycznych:

• Do badań w nadfiolecie przy dł. Poniżej 380 nm stosuje się kuwety wykonane z kwarcu lub ze stopionej krzemionki,

• W zakresie widzialnym stosowane są kuwety z kwarcu, ze szkła optycznego, a szczególnych przypadkach z tworzyw sztucznych,

• Grubość kuwet wynosi zwykle 10mm,

1. Detektor mierzący natężenie promieniowania

   Detektory fotoelektryczne przetwarzają energię promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną. Powinny charakteryzować się:

• Dużą czułością oraz niskim poziomem szumów własnych,

• Szerokim zakresem liniowości wskazań, czyli proporcjonalnością przetwarzania sygnałów optycznych na elektryczne,

  Najczęściej stosowane są : fotokomórki, fotopowielacze i fotodiody.

1. Wskaźnik, rejestrator, komputer.

ANALIZA ILOŚCIOWA

Analiza ilościowa oparta jest na pomiarze absorbancji badanego roztworu przy określonej długości fali i wykorzystaniu zależności Lamberta-Beera, zgodnie z którą: A=εcb.

Metodą spektrofotometrii UV-Vis można oznaczać substancje absorbujące promieniowanie w tym zakresie widma, a są to:

1. Bezbarwne substancje organiczne i nieorganiczne wykazujące absorpcję w UV. Są to węglowodory aromatyczne, aldehydy, ketony, kwasy i aminy.

2. Barwne związki organiczne (barwniki) i barwne soli metali, które absorbują promieniowanie w zakresie widzialnym.

3. Substancje, których formy absorbujące promieniowanie uzyskuje się na drodze przemian chemicznych. Dominujące znaczenie mają reakcje kompleksowania.

Dobór optymalnych warunków oznaczania:

Analityczna długość fali – długość fali, przy której mierzy się absorbancję używaną następnie w oznaczeniach ilościowych danego składnika. Najczęściej do oznaczeń ilościowych wybiera się długość fali odpowiadającą najbardziej intensywnemu pasmu absorpcji, czyli λ_max.

W przypadku gdy rozpuszczalnik wykazuje znaczną absorpcję własną, korzystniejsze jest wybranie niższego pasma absorpcji substancji badanej, ale położonego w zakresie małej absorpcji rozpuszczalnika.

OZNACZANIE POJEDYNCZEGO SKŁADNIKA

1. Metodą porównywania z pojedynczym wzorcem.

   Mierzymy absorbancję A_x roztworu badanego c_x absorbancję A_s roztworu wzorcowego o znanym stężeniu c_s przy tej samej długości fali i w kuwetach tej samej grubości b. Absorbancję można wyrazić wzorami:

   

   a stąd:

   Metodą porównywania z kilkoma wzorcami, czyli metodą krzywej wzorcowej.

   Metodą dodatku wzorca.

   Pomiar absrobancji A₀ próbki badanej o stężeniu c_x i absrobancji A_i próbki badanej o stężeniu c_x z dodatkiem wzorca o stężeniu c_s.

   Metoda ta może być stosowana tylko w przypadku, gdy w badanym zakresie występuje prostoliniowa zależność A od c. Wyróżniamy:

1. Metodę jednokrotnego dodatku wzorca, w której stężenie analizowanej próbki obliczamy ze wzoru:

1. Metodę wielokrotnego dodawania wzorca, w której stężenie analizowanej próbki odczytujemy z krzywej wzorcowej.

MIARECZKOWANIE SPEKTROFOTOMETRYCZNE

Pomiar polega na mierzeniu absorbancji analizowanej próbki po dodaniu kolejnych porcji odczynnika miareczkującego,

Proces miareczkowania jest przedstawiony graficznie – wykres sporządza się w układzie A=f(V), gdzie V jest objętością roztworu miareczkującego,

Miareczkowanie przeprowadzanie się przy określonej długości fali w specjalnie do tego celu przystosowanych komórkach pomiarowych,

Jest prostą i szybką metodą analizy roztworów rozcieńczonych ( c<10^-5 mol/dm³)

Można je stosować w przypadkach, gdy wizualnie trudno jest rozróżnić zmianę barwy,

Przykłady:

ZASTOSOWANIE SPEKTROFOTOMETRII UV-Vis :

*W analizie jakościowej; do charakterystyki widm wykorzystujemy λ_max i ε_max.

*W analizie ilościowej kationów metali ,

*W analizie ilościowej anionów nieorganicznych,

*W analizie ilościowej związków organicznych,

*Do badania równowag chemicznych,

*Wyznaczania stałych dysocjacji kwasów i zasad,

*Ustalania składu i stałych trwałości związków kompleksowych,

ZALETY METODY:

*Duża czułość .

Miarą czułości metod spektrofotometrycznych jest molowy współczynnik absorpcji ε, odpowiadający λ_max badanego roztworu. Wartości ε dla czułych metod wynoszą powyżej 10 000 dm³/mol*cm.

Granicę oznaczalności w metodach spektrofotometrycznych określa się za pomocą współczynnika Wk, który wyraża wartość stężenia analizowanej substancji w μg/cm³, gdy grubość warstwy absorbującej b wynosi 1 cm.

*Duża precyzja oznaczeń.

*Selektywność oznaczeń.

SPEKTROFLUORYMETRIA

Luminescencja w ujęciu ogólnym to emisja światła przez ciała zimne w przeciwieństwie do żarzenia, które jest emisją światła przez ciała gorące. W ujęciu molekularnym można powiedzieć, że cząsteczki w stanie wzbudzonym mogą emitować promieniowanie, przechodząc do stanu podstawowego, a zjawisko to nazywamy luminescencją.

Rodzaje luminescencji (zależne od nazwy odczynników, które je wywołują):

1. Fotoluminescencja – substancja jest wzbudzona promieniowaniem elektromagnetycznym,

2. Chemiluminescencja – wzbudzenie cząsteczki jest wynikiem reakcji chemicznych,

3. Bioluminescencja – wzbudzenie cząsteczki jest wynikiem procesów biochemicznych,

4. Elektroluminescencja – wzbudzenie cząsteczki następuje w polu elektrycznym,

W analizie chemicznej jest wykorzystywane głównie zjawisko fotoluminescencji. W zależności od mechanizmów przejść elektronowych w zjawisku tym wyróżniamy fluorescencję i fosforescencję.

Fluorescencja – przejście ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego,

Fosforescencja – przejście promieniste T₁→S₀ ( ze stanu trypletowego do stanu podstawowego). Widmo fosforescencji jest przesunięte w kierunku fali dłuższych, zarówno w stosunku do widma absorpcji, jak i do widma fluorescencji.

DIAGRAM JABŁOŃSKIEGO

Diagram Jabłońskiego stanowi schematyczne przedstawienie energii stanów elektronowych cząsteczki oraz poziomów oscylacyjnych w każdym z tych stanów. Poziomy oscylacyjne danego stanu elektronowego przedstawione są w postaci „drabinki”, leżą jeden nad drugim.

Atomy i cząsteczki, a zwłaszcza cząsteczki wieloatomowe, po zaabsorbowaniu kwantu promieniowania i przejściu w stan wzbudzony, nie trwają w nim zbyt długo, a nadmiar uzyskanej energii emitują w postaci kwantów światła lub przekazują do otoczenia w sposób bez promienisty. Przechodzą przez poszczególne stadia i powracają do stanu wyjściowego, czyli podstawowego.

Pokazuje on rozmaite przejścia pomiędzy stanami energetycznymi cząsteczki z podstawowego stanu singletowego S₀. Strzałki proste reprezentują elektronowe przejścia promieniste, poziomymi strzałkami falowanymi przedstawione są przejście bez promieniste, natomiast pionowymi procesy relaksacji oscylacyjnej, czyli utraty nadmiaru energii oscylacyjnej w danym stanie elektronowym.

Charakterystyczną cechą diagramu Jabłońskiego jest obecność metastabilnego poziomu tripletowego T₁, który zostaje obsadzony w cząsteczce przez bezpromieniste przejścia elektronów z poziomu S₁. Promieniste przejścia elektronowe z poziomu T₁ do S₁ powodowane są emisją promieniowania fosforescencyjnego, o większej długości fali niż promieniowanie fluorescencyjne emitowane przy przejściu z poziomu S₁do S₀ .

Zjawisko fluorescencji można scharakteryzować za pomocą kilku podstawowych cech, takich jak:

*Widmo absorpcji,

*Widmo fluorescencji,

*Bezwzględna wydajność kwantowa fluorescencji – stosunek liczby kwantów promieniowania wyemitowanego przez roztwór do liczby zaabsorbowanych kwantów promieniowania wzbudzającego, kosztem których powstaje emisja.

*Czas trwania emisji

Czas życia fluorescencji – jest to czas potrzebny do zaniku intensywności fluorescencji I do wartości (1/e)I_o.

Wygaszanie luminescencji – wszelkie procesy, które prowadzą do zmniejszenia wydajności kwantowej luminescencji; m.in. wygaszanie stężeniowe – w rozcieńczonych roztworach intensywność fluorescencji jest proporcjonalne do stężenia luminoforu. Gdy stężenie substancji fluoryzującej przekroczy pewną granicę, fluorescencja zaczyna maleć.

Dla wszystkich cząsteczek organicznych wykazujących fotoluminescencję występują prawidłowości:

*Pasmo fluorescencji i jego maksimum są przesunięte w stronę długofalową względem pasma absorpcji.

*Pasma absorpcji i fluorescencji częściowo nakładają się.

*Występuje proporcjonalność między natężeniem fluorescencji a natężeniem światła wzbudzającego.

APARATURA

Przyrządy stosowane w pomiarach noszą nazwę fluory metrów i spektrofluorymetrów. Poszczególne części to:

*Źródło promieniowania wzbudzającego. Stosowane są:

-Łukowe lampy ksenonowe,

-Lasery, zarówno atomowe, jak i jonowe,

*Monochromatory:Służą do wyboru wiązki światła o danej długości fali z widma niemonochromatycznego.

*Próbka

Najczęściej są to roztwory, badane w kuwetach kwarcowych.

*Detektory-Powszechnie stosowane są fotopowielacze.

*Rejestratory i komputery.

ANALITYCZNE ZASTOSOWANIE SPEKTROFLUORYMETRII:

*Fluorescencyjna analiza ilościowa nazywana jest fluorymetrią. Intensywność fluorescencji I_F jest wprost proporcjonalna do:

-Natężenia promieniowana wzbudzającego I₀,

-Absorbancji,

-Wydajności kwantowej fluorescencji,

Intensywność fluorescencji wzrasta wraz z natężeniem promieniowania wzbudzającego I₀.

*W analizie związków organicznych:

-Charakteryzuje się niższą dolną granicą wykrywalności niż spektrofotometria absorpcyjna,

-Jest bardziej selektywna, gdyż tylko określona grupa związków wykazuje fluorescencję,

* w analizie związków biologicznie czynnych,

*środków farmaceutycznych,

*substancji toksycznych w środowisku,

*W analizie związków nieorganicznych:

-Większość kationów nieorganicznych: glin, beryl, gal, magnez, wapń, stront, bar, selen, german, uran, cyrkon – wszystkie te pierwiastki tworzą z odpowiednimi ligandami organicznymi kompleksy chylatowe, wykazujące specyficzną fluorescencję.

SPEKTROFOTOMETRIA W PODCZERWIENI (IR)

Jest to metoda wykorzystująca absorpcję promieniowania podczerwonego przez oscylujące cząsteczki. Promieniowanie podczerwone możemy podzielić na trzy zakresy:

Długość fali λ [nm]	Liczba falowa [1/cm]	Nazwa
0,8 -2,5	12 500 – 4 000	bliska podczerwień (NIR)
2,5-25	4 000 – 400	podstawowa podczerwień (MIR)
25-500 a nawet 1000	400-20	daleka podczerwień (FIR)

Promieniowanie elektromagnetyczne absorbowane przez cząsteczki powoduje wzbudzenie elektronów i wywołuje zmiany energii oscylacyjnej i rotacyjnej cząsteczki. Oscylacja jest ruchem periodycznym, w czasie którego atomy na przemian oddalają się i przybliżają się do siebie.

RODZAJE DRGAŃ CZĄSTECZKOWYCH

*Drgania rozciągające lub walencyjne – związane są z ruchem atomów powodującym rozciąganie i skracanie długości wiązania chemicznego. Mogą być symetryczne i niesymetryczne.

*Drgania deformacyjne – mogą mieć charakter:

-Drgań zginających – jest to ruch atomów w płaszczyźnie, podczas którego kąt między wiązanami ulega zmianie (mogą mięć charakter drgań nożycowych lub kołyszących),

-Drgań wahadłowych – jest to ruch atomów w zgodnej fazie poza płaszczyznę,

-Drgań skręcających – atomy poruszają się poza płaszczyznę, jeden do przodu, a drugi do tyłu,

*Drgania szkieletowe – są to np. drgania pierścienia jako całości.

APARATURA

Spektrofotometry IR można podzielić na : klasyczne spektrofotometry IR i spektrofotometry IR z transformacją fourierowską.

Klasyczny spektrofotometr IR:

*Źródło promieniowania.

Źródłem promieniowania podczerwonego są żarzące się ciała stałe, takie jak włókno Nernsta i globar- obydwa podgrzane do temp. 1000 ^oC emitują promieniowanie podczerwone.

W miarę wzrostu długości fali energia emitowana przez te źródła maleje i ubytek ten musi być w czasie pomiaru kompensowany. Osiąga się to za pomocą tzw. Programowanych szczelin, które otwierają się w sposób ciągły, przepuszczając więcej energii, gdy długość fali wzrasta.

*Przerywacz wiązki.

*Pomieszczenie na próbkę badaną i próbkę odniesienia.

Możemy badać gazy, ciecze, ciała stałe.

*Monochromator.

Promieniowanie po przejściu przez próbkę musi ulec rozszczepieniu. Współczesne spektrofotometry wyposażone są prawie wyłącznie w monochromatory siatkowe, w tym najczęściej monochromator Czernego-Turnera.

*Detektor.

Detektory zamieniają promieniowanie IR na sygnał elektryczny. Powinny charakteryzować się dużą czułością i mieć liniową charakterystykę w szerokim zakresie częstości. W spektrofotometrach IR wykorzystuje się dwa typy detektorów : fotodetektory i detektory termiczne.

*Rejestrator i komputer.

Spektrofotometry IR z transformacją Fouriera.

Zbudowane są analogicznie do spektrofotometrów klasycznych, przy czym zamiast monochromatora zawierają interferometr. Najczęściej jest to interferometr Michelsona.

Promieniowanie ze źródła Z przechodzi przez próbkę S i przez zwierciadło M jest kierowane do interferometru Michelsona. Zasadniczymi elementami tego układu są: rozdzielacz wiązki B, zwierciadło stałe M_st, zwierciadło ruchome Mr z systemem napędowym P.

Interferogram – zapis promieniowania przy ciągłym przesuwaniu się zwierciadła Mr od pozycji -∆x_max do +∆x_max.

Zalety tej metody w porównaniu z klasyczną spektrofotometrią IR to:

-Lepsza zdolność rozdzielcza,

-Większa czułość, co stwarza możliwość pomiarów bardzo słabych sygnałów,

-Krótszy czas potrzebny co uzyskania widma wysokiej klasy,

-Większe możliwości przy pomiarach w szerokim zakresie widmowym,

TECHNIKI POMIAROWE W SPEKTROFOTOMETRII IR

W zależności od stanu skupienia substancji badanej są stosowane różne techniki przygotowania próbki. Pomiary można prowadzić dwiema metodami : transmisyjną i odbiciową (refleksyjną).

Metoda transmisyjna

*Umożliwia badanie gazów, cieczy i ciał stałych,

*Wszystkie części optyczne i kuwety pomiarowe muszą być przezroczyste dla promieniowania IR,

*Najczęściej używanymi materiałami do wyrobu pryzmatów i okienek w kuwetach są kryształy jonowe, takie jak NaCl. Ujemne cechy tych materiałów to wrażliwość na wilgoć i porysowanie. Większość z nich jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i łatwo matowieje.

Gazy:

Można badać w kuwetach gazowych : szklanych lub metalowych.

Ciecze:

Badane są w specjalnych kuwetach, które składają się z dwóch okienek przezroczystych w zakresie podczerwieni, rozdzielonych wkładkami o odpowiedniej grubości,

Zarówno próbki ciekłe jak i ciała stałe badane są w postaci roztworów,

Ważną sprawą jest wybór odpowiedniego rozpuszczalnika, który powinien dobrze rozpuszczać badaną próbkę i wykazywać mała absorpcję w zakresie absorpcji próbki,

*Często stosowanymi rozpuszczalnikami są : tetra chlorek węgla i di siarczek węgla.

*Współczesne dwuwiązkowe spektrofotometry IR umożliwiają zarejestrowanie widma próbki w stosunku do odnośnika, którym jest rozpuszczalnik.

Próbki stałe:

*Można badać w postaci roztworów, zawiesin olejowych a także pastylek,

*W przypadku zawiesin olejowych badaną substancję uciera się w moździerzu agatowym i dodaję się kroplę oleju parafinowego. Całość miesza się w celu uzyskania równomiernej zawiesiny substancji w oleju. Zawiesinę nanosi się a okienku kryształu jonowego w postaci cienkiej warstwy i sporządza widmo.

Metody odbiciowe

*Metoda osłabionego całkowitego odbicia (ATR);

*Metoda wielokrotnego wewnętrznego odbicia (MIR),

ZASTOSOWANIE SPEKTROFOTOMETRII W PODCZERWIENI:

-Identyfikacja związków organicznych.

-Zebrany dotychczas bogaty materiał doświadczalny pozwala na przypisanie poszczególnym grupom funkcyjnym ściśle określonych obszarów, w których występują charakterystyczne dla nich pasma absorpcyjne.

Przy interpretacji widm należy znać warunki, w jakich zostały one wykonane.

-Analiza ilościowa-Korzystamy z zależności, że absrobancja jest proporcjonalna do stężenia badanej próbki.

--Oznaczanie śladowych ilości wody w różnych układach, a także grup –OH obecnych na powierzchni sorbentów i katalizatorów.

-Zastosowanie w biologii – bardzo wygodna technika w badaniach:

Białek, polipeptydów i aminokwasów,

Kwasów nukleinowych,

Cukrów,

Błon biologicznych i ich składników,

PRZYKŁADOWE WIDMO IR

SPEKTROSKOPIA MAGNETYCZNEGO REZONANSU JĄDROWEGO

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowe3go (NMR) jest jedną z metod cząsteczkowej spektroskopii absorpcyjnej.
Jądra atomowe niektórych izotopów umieszczone w jednorodnym polu magnetycznym mogą absorbować promieniowanie elektromagnetyczne o częstości radiowej .

Podstawy teoretyczne spektroskopii NMR

*Magnetyczne właściwości jąder:

-Każde jądro atomowe jest obdarzone ładunkiem dodatnim. Jądro wiruje wokół osi, a zatem wytwarza pole magnetyczne i ma swój moment pędu, zwany spinowym momentem pędu lub spinem jądrowym.

-Każde jądro, które ma spin jądrowy, ma także moment magnetyczny, a obie wielkości są do siebie proporcjonalne,

*Magnetyczny rezonans jądrowy:

Warunek rezonansu magnetycznego:

v-częstość promieniowania radiowego, γ – współczynnik giomagnetyczny, Ho – natężenie pola

Z warunku rezonansu wynika, że eksperyment można prowadzić w dwojaki sposób:

1. Przy ustalonej częstości radiowej v₀ można zmieniać natężenie pola magnetycznego tak długo, aż wystąpi rezonans;

2. Przy stałym natężeniu pola H₀ można zmieniać częstość promieniowania radiowego v aż do wystąpienia rezonansu,

Przesunięcie chemiczne - wynika z przesłaniania (jądro absorbuje promieniowanie magnetyczne o wyższych częstotliwościach, przesunięcie w prawo na widmie) lub odsłaniania (absorpcja promieniowania o niższych częstościach, przesunięcie w lewo) jądra przez gęstość elektronową.

Sprzężenie spinowo-spinowe –oddziaływanie momentów magnetycznych jąder pomiędzy sobą. Konsekwencją tego oddziaływania jest pojawienie się w widmie NMR, zamiast jednego sygnału pochodzącego od danego jądra, tzw. multipletu, czyli kilku sygnałów, których odległość od siebie zależy od wielkości stałej sprzężenia spinowo-spinowego.

APARATURA

Zasadniczymi elementami składowymi spektrometru NMR są:

1. Magnes.

   Zadaniem magnesu jest wytwarzanie jednorodnego pola magnetycznego. Do tego celu stosowane są:

• Magnesy stałe,

• Elektromagnesy z rdzeniem żelaznym,

• Solenoidy nadprzewodzące,

1. Sonda z próbką.

   Próbkę umieszcza się w sondzie znajdującej się w szczelinie magnesu.

2. Generator częstości radiowej.

   Promieniowanie o częstości radiowej uzyskuje się z krystalicznego oscylatora o dużej stabilności. Zakres częstości radiowych nadajnika zależy od wartości natężenia pola magnetycznego. Im większe jest natężenie pola magnetycznego, tym większa czułość spektrofotometrów NMR i tym lepsza zdolność rozdzielcza.

3. Detektor.

4. Urządzenie do zmiany natężenia pola magnetycznego.

5. Rejestrator, komputer.

Zastosowanie – Za pomocą spektroskopii NMR można, np.:

• Ustalić, w ilu różnych grupach w cząsteczce znajdują się atomy wodoru i jaka jest liczba atomów każdej grupie,

• Określić sposób rozmieszczenia atomów przez badanie struktury subtelnej wynikającej ze sprzężenia spinowo-spinowego,

• Określić budowę nieznanej substancji przez porównanie jej widma z widmem w atlasach widm NMR,

• Interpretować ilościowo zawartość analizowanej substancji w próbce.

Przykładowe widmo NMR (1H)

SPEKTROMETRIA ATOMOWA

Metoda analityczna oparta na interpretacji widm atomowych i wykorzystująca ilościowe zależności między przejściami elektronowymi. W wyniku oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego ze swobodnymi atomami otrzymuje się, zarówno w przypadku absorpcji, jak i w przypadku emisji, głównie widma liniowe.

Absorbancja promieniowania elektromagnetycznego przez atom powoduje przejście elektronu walencyjnego z poziomu podstawowego na poziom wzbudzony, a emisja promieniowania związana jest z przejściem elektronu z poziomu wzbudzonego na poziom podstawowy.

ABSORPCYJNA SPEKTROMETRIA ATOMOWA (AAS)

Metoda analityczna oparta na zjawisku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez swobodne atomy.

Podstawę metody stanowią ustalenia Kirchhoffa i Bunsena:

1. Źródłem linii absorpcyjnych w widmie są swobodne atomy, a nie ich związki.

2. Swobodne atomu mogą absorbować promieniowanie o długości fali, które mogą emitować.

3. Otrzymane widmo absorpcyjne jest charakterystyczne dla danego rodzaju atomów.

W metodzie AAS badamy absorpcję promieniowania przez swobodne atomy. Stosujemy tzw. Plazmę niskotemperaturową (1000-4000K), w której większość substancji ulega dysocjacji i w wyniku powstają swobodne atomy.

• Badane atomy wprowadza się do środowiska absorbującego w postaci roztworu,

• Swobodne atomu otrzymuje się z roztworów przez doprowadzenie energii,

• Liczba swobodnych atomów w plazmie jest proporcjonalna do stężenia c roztworu badanego, czyli : N=rc,

• Linie atomowe, zarówno emisyjne, jak i absorpcyjne, mają kształt krzywych Gaussa, a charakteryzuje je intensywność i szerokość w połowie wysokości,

APARATURA

Spektrofotometr absorpcji atomowej składa się z następujących elementów:

1. Źródła promieniowania liniowego.

   Stosowane w AAS źródła promieniowania winny emitować linie rezonansowe oznaczanego pierwiastka charakteryzujące się: stabilnością, małą szerokością połówkową linii i dużym natężeniem. Używane są:

1. Lampy z katodą wnękową (HCL),

2. Lampy z wyładowaniem bezelektrodowym (EDL),

1. Atomizera.

   Zadaniem atomizerów jest wytworzenie z próbki analitycznej swobodnych atomów oznaczanego pierwiastka i to z dużą wydajnością.

2. Monochromatora.

   Zadaniem monochromatora jest rozszczepienie promieniowania elektromagnetycznego, które przeszło przez atomizer. Monochromator musi przepuścić przez szczelinę wyjściową do detektora tylko linię rezonansową, która jest absorbowana przez atomy w atomizerze.

3. Detektora.

   Do pomiaru natężenia promieniowania w AAS służą fotopowielacze.

4. Wzmacniacza.

5. Wskaźnika (rejestrator, komputer).

Analiza ilościowa metodą AAS:

Podstawą ilościowych oznaczeń metodą AAS jest fakt, że absorpcja promieniowania zależy od liczby swobodnych atomów w środowisku absorbującym, która z kolei zależy od całkowitego stężenia analizowanego pierwiastka w próbce.

W analizie ilościowej wykorzystuje się równanie przedstawiające prostoliniową zależność absorbancji A od stężenia c analizowanego pierwiastka w próbce:

A= (ε_max) rcb

Metodyka AAS jest oparta na trzech znanych sposobach postępowania:

1. Metodzie krzywej wzorcowej,

2. Metodzie dodatku wzorca,

3. Metodzie wzorca wewnętrznego,

Zalety metody AAS:

• Bardzo duża czułość,

• Niska granica wykrywalności,

• Doskonała selektywność,

• Odtwarzalność oznaczeń, określana także jako precyzja oznaczeń, której miarą jest odchyelnei standardowe; jest ona dla różnych technik różna,

ANALITYCZNE ZASTOSOWANIA AAS:

1. Oznaczanie pierwiastków metalicznych,

2. Oznaczanie składników śladowych,

EMISYJNA SPEKTROMETRIA ATOMOWA (AES)

Metoda oparta na interpretacji widm emisyjnych wysyłanych przez wzbudzone atomy. Można wyróżnić trzy działy AES:

1. Fotometria płomieniowa (F-AES)

2. Spektrografia klasyczna

3. Plazmowa emisyjna spektrometria atomowa

FOTOMETRIA PŁOMIENIOWA

• Płomieniowa emisyjna spektrometria atomowa jest metodą, w której pierwiastki są wzbudzone w płomieniu palnika.

• Stosowana w analizie pierwiastków o niskich potencjałach wzbudzenia od 1,4 do 3 eV.

• Wykorzystuje się je głównie do analizy litowców i berylowców.

• Stosuję się do oznaczeń ilościowych; oznaczenia wykorzystuje się najczęściej metodą krzywej wzorcowej lub metodą dodawania wzorca.

• Fotometria płomieniowa przy wzbudzeniu w palniku acetylen-powietrze znalazła głównie zastosowanie do oznaczeń sodu, potasu i wapnia w rolnictwie, geologii i przemyśle ceramicznym.

• Przy zastosowaniu jako źródła wzbudzenia płomienia tlenowo-wodorowego można metodą spektrofotometrii płomieniowej oznaczać większą liczbę pierwiastków.

APARATURA

1. Palnik.

2. Monochromator.

3. Detektor.

4. Wzmacniacz.

5. Miernik, komputer.

SPEKTROGRAFIA

Klasyczna metoda spektralnej analizy emisyjnej. W metodzie tej widmo substancji wzbudzonej przechodzi przez układ optyczny spektrografu i jest rejestrowane na kliszy fotograficznej. Na płycie otrzymuje się widmo w postaci zaczernionych linii, których położenie pozwala zidentyfikować substancję jakościowo, a zaczernienie umożliwia ilościową ocenę oznaczanego pierwiastka w próbce.

PLAZMOWA EMISYJNA SPEKTROMETRIA ATOMOWA

Należy wyróżnić trzy techniki wzbudzenia plazmowego:

1. Metoda indukcyjnie sprzężona z plazmą (ICP),

2. Metoda z plazmą indukowaną mikrofalami (MIP),

3. Metoda z plazmą prądu stałego (DCP),