Podział metod spektroskopowych:
-spektroskopia absorbcyjna(zwiekszenie energii ukladu w wyniku pochlaniania promieniowania)
-spektroskopia emisyjna(zmniejszenie energii ukladu na skutek wydzielenia promieniowania)
-spektroskopia Ramana(zmiana czestosci promieniowania rozproszonego, w stosunku do czestosci promieniowania padajacego)
Czynniki wpływajace na odchylenia prawa Lamberta Beera:
-czynniki chemiczne(stezenie r-u, reakcje chem.,solfatacja,promieniowanie,pH)
-czynniki aparaturowe(monochromatycznosc,promieniowanie rozproszone)
Odchylenia od prawa absorbcji:
-zmiany wlasciowosci optycznych analizowanych r-ow
-zmiana pH r-u
-zmiana widma absorpcji w zakresie widzialnym r-u
SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA
SPEKTROSKOPIA UV-Vis
Budowa spektrofotometru UV-Vis:
-zrodlo promieniowania
-monochromator
-kuweta pomiarowa
-detektor
-wskaznik,rejestrator,komputer
ŹRODŁO PROMIENIOWANIA-musi pokryc caly zakres Uv-Visczyli zakres od180-800nm.
Stosowane sa:
-lampy deuterowe
-lampy wolframowo-halogenowe
-lampy wysokocisnieniowe lukowe ksenonowe
MONOCHROMATOR-wybiera z emitowanego przez zrodlo promieniowania ciaglego, waskie pasmo o zadanej dl fali i przepuszcza je przez komorke z badana substancja.Monochromator sklada się ze szczeliny wejsciowej, kolimatora, elementu rozszczepiajacego promieniowanie i szczeliwy wyjsciowej.
KUWETY-sluza do pomiaru absorpcji gazow i cieczy.Powinny zapewnic dokladnie znana grubosc warstwy absorbujacej cieczy lub gazu,wykazywac odpornosc na dzialanie substancji chemicznych oraz zapewnic max transmisje promieniowania.wykonane sa z kwarcu lub krzemionki (380nm)z kwarcu, szkla optycznego, z tworzyw sztucznych(zakres widzialny widma).Grubosc zazwycazj wynoai 10mm
DETEKTORY przetwarzaja promieniowanie elektromagnetyczne na en elektryczna. Powinny charakteryzowac się duza czuloscia oraz niskim poziomem szumow wlasnych oraz szerokim zakresem liniowosci wskazan.
Rodzaje detektorow:
-fotokomorki (oparte na zjawisku fotoelekt.zew.,czulosc zalezy od materialu fotokatody, w spekt.UV-Vis znajduja się dwie fotokomorki wymienne czerwona na zakres pow 650 nm oraz niebieska na zakres do 650nm)
-fotopowielacze(wykorzystuja zjawisko wtornej emisji elektronow, skladaja się z fotokatody, ukladu powielajacego,anody)
-fotodiody(wykorzystuja zjawisko fotoelekryczne wew., stosuje się w nich materialy polprzewodnikowe w których nastepuje wzbudzenie ladunku,charakteryzuja się duza szybkoscia odpowiedzi, stabilnoscia wskazan i niskim poziomem szumow,duza czuloscia)
REJESTRATOR-sygnal z detektora jest przetwarzany w sygnal cyfrowy który jest wyswietlany na odpowiednim wyswietlaczu
Cechy charakterystyczne spektrofotometrów UV-Vis:
-zakres spektralny przyradu
-spektralna zdolnosc rozdzielcza
-szerokosc spektralna wiazki
-dokladnosc skali absorbancji
-procentowa zawartosc swiatla rozproszonego
Podzial spektroskopow UV-Vis:
-punktowe(absorbancje mierzy się metoda wychyleniowa lub kompensacyjna)
-samorejestrujace(wspolczesne przyrzady awieraja komputer)
-jednowiazkowe(roztwor przechodzi najpierw przez r-r odniesienia a pozniej przez probke badana)
-dwuwiazkowe(wiazka promieniowania ze zrodla jest podzielona na dwie jednakowe wiazki przechodzace przez r-r odniesienia a druga przez r-r badany)
-klasyczne
-z detekcja rownolegla(zastosowanie matryc diodowych)
Dobor optymalnych warunkow oznaczania:
-dobor odpowiedniego przyrzadu, kontrola jego sprawnosci i kalibracja zgodnie z instrukcja obslugi
-przygotowanie probek do pomiaru:
R-r musi być jednorodny, substancje koloidalne trzeba rozpuscic albo usunac z analizowanej probki.Nastepnie dobrac odpowiedni rozpuszczalnik, który nie absorbuje promieniowania w badanym zakresie widma.Pozniej ustalamy optymalne ph analizowanego r-u.Po czym dobieramy odczynnik kompleksujacy.
Oznaczanie pojedynczego skladnika przeprowadza się:
-metoda porownywania z pojedynczym wzorcem
-metoda porownywania z kilkoma wzorcami(metoda krzywej wzorcowej)
-metoda dodatku wzorca
-metoda wielokrotnego dodawania wzorca
Zalety spektroskopii UV-Vis:
-duza czulosc(miara jest molowy wspolczynnik absorbancji odpowiadajacy dlugosci fali badanego r-u)
-duza precyzja oznaczen(zalezy od zakresu oznaczanych stezen i od klasy stosowanych aparatow)
-selektywnosc oznaczen(uwarunkowana selektywnoscia absorpcji i selektywnoscia odczynnikow)
Zastosowania spektroskopii UV-Vis:
-w analizie ilosciowej kationow metali
-w analizie ilosciowej anionow nieorganicznych
-w analizie ilosciowej zwiazkow organicznych
-do badania rownowag reakcji chemicznych
-wyznaczania stalych dysocjacji kwasow i zasad
-ustalania skladu i stalych trwalosci zwiazkow kompleksowych
SPEKTROSKOPIA FOTOAKUSTYCZNA
Budowa spektroskopu fotoakustycznego:
-zrodlo swiatla(wysokocisnieniowa lampa ksenonowa)
-monochromator
-komora fotoakustyczna z mikrofonem
wzmacniacz sygnalu
-komputer
Roznica w budowie spektroskopu UV-Vis i fotoakustycznego polega na tym ze detektor s.fotoakustycznego mierzy efekty cieplne towarzyszace absorpcji promieniowania a nie oslabienie promieniowania jak to było w s.UV-Vis.
Zaleta PAS jest mozliwosc otrzymywania widm fotoakustycznych, podobnych do widm absorbcyjnych, bez względu na stan skupienia probki. Można badac ciala stale krystaliczne,amorficzne,proszki,smary,zele i r-y.Można badac powierzchnie metali, polprzewodnikow, izolatorow, iklady biologiczne,ma także zastosowanie w kryminalistyce.
SPEKTROFLUORYMETRIA
Budowa spektrofluorymetrow:
-zrodlo promieniowania wzbudzajacego
-monochromatory
-probka
-detektory
-rejestratory i komputery
ZRODLO PROMIENIOWANIA WZBUDZAJACEGO
Stosowane sa:
-lukowe lampy ksenonowe(sa najbardziej rozpowszechnionym zrodlem promieniowania wzbudzajacego)
-lasery(stosowane sa zarówno atomowe i jonowe)
MONOCHROMATORY-sluza do wybory wiazki swiatla o danej dlugosci fali z widma niemonochromatycznego
Stosowane sa:
-m.do wybrania okreslonej dl fali swiatla padajacego na probke
-m.monochromatyzujace swiatlo emitowane przez probke
PROBKA-najczesciej badane sa r-y, badane w kuwetach kwarcowych
DETEKTORY-stosowane sa fotopowielacze oraz tzw.d.wielokanalowe, w badaniach kinetycznych
REJESTRATORY-sluza do rejestracji danych i sterowania procesem pomiarowym
Zastosowanie spektrofluorymetrii:
-analiza zw.biologicznie czynnych(witamin,hormonow,aminokwasow,alkaloidow,bialek)
-analiza sr.farmaceutycznychtj antybiotyki
-analiza srodkow spozywczych(weglowodanow,cukrow prostych,tluszczow)
-analiza substancji toksycznych
SPEKTROFLUORYMETRIA IR:
Można je podzielic na:
-klasyczne
-z transformacja fourierowska
Budowa spektrofotomeru IR:
-zrodlo promieniowania
-przerywacz wiazki
-pomieszczenie na probke badana i probke odniesienia
-monochromator
-detektor
-rejestrator
ZRODLO PROMIENIOWANIA-zrodlem promieniowania sa zarzace się ciala stale tj wlokno Nernsta i globar, emituja one promieniowanie podczerwone
POMIESZCZENIE NA PROBKE BADANA I PROBKE ODNIESIENIA-można w nich badac gazy, ciecze, ciala stale
MONOCHROMATORY-promieniowanie ulega rozszczepieniu, wspolczesne spektrofotomery wyposarzane sa w monochromatory siatkowe
DETEKTORY-zamieniane promieniowanie jest na sygnal elektryczny, wykorzystywane sa fotodetektory i detektory termiczne, powinny charakteryzowac się duza czuloscia i powinny mieć liniowa charakterystyke w szerokim zakresie czestosci.
Rodzaje detektorow:
-termoelektyczne(polegaja na wytworzeniu w obwodzie elekt. sily elektromot. Na skutek umieszczenia dwu zlacz obwodu w roznych temp.)
-termooporowe(padajace promieniowanie podczerwone zmienia temp elementu aktywnego powoduja zmiane jego oporu, a tym samym napiecia)
-pneumatyczne(promieniowanie IR padajace na element aktywnyogrzewa gaz w zamknietej przestrzeni)
REJESTRATORY-widmo IR jest rejestrowane na papierze przez rejestrator bądź wpisane do pamieci komputera z ktorej może być odtwarzane w roznej postaci.Wspolczesne s.sa sprzezone z komputerami które m.in. sluza do analizy tla,rozdzielaja nakladajace się pasma i okreslaja ich parametry, analizuja ksztalt pasm.
Techniki pomiarowe w spektrofotometrii IR:
Metoda transmisyjna(umozliwia badanie gazow, cieczy, cial stalych.wszystkie czesci optyczne musza być przezroczyste dla promieniowania IR.materialami do wyrobu pryzmatow sa krysztaly jonowe.cechy negatywne to wrazliwosc na wigoc i porysowanie.wiekszosc z nich matowieje i jest dobrze rozp.w wodzi.GAZY można badac w kuwetach gazowych szklanych i metalowych, takie kuwety pozwalaja na wielkrotne odbicie wiazki promieniowania i w ten sposób wiazka wielokrotnie przechodzi przez probke.CIECZE kuwety skladaja się z dwoch okienek przezroczystych w zakresie podczerwieni, rozdzielone wkladkami.wazna sprawa jest dobor rozpuszczalnika, który powinien dobrze rozpuszczac badana probke i wykazywac mala absorpcje w zakresie absorbcji probki.PROBKI STALE można badac w postaci roztworow zawiesin oleinowych i pastylek
Metody odbiciowe:która dzieli się na metode oslabionego calkowitego odbicia i metode wielkorotnego wewnetrznego odbicia.w metodzie pierwszej badana substancja przylega do tzw krysztalu o duzej gestosci optycznej.na powierzchnie graniczna kieruje się promieniowanie podczerwone, podczas odbicia fala elektromag.wnika w osrodek o nizszej gestosci optycznej.podstawowym elementem ukladu sluzacego do otrzymywania widm jest pryznam którym graniczy badana probka.natomiast druga metoda umozliwia otrzymywanie widm o wiekszej intensywnosci.badana probka jest umieszczona po dwoch stronach krysztalu.
Warunki oznaczania(analiza ilościowa w podczerwieni):
1.dokonac wyboru pasma analitycznego, które powinno być intensywne i nie mogace nakladac się na pasma innych skladnikow proboki
2.wybrac odpowiedni rozpuszczalnik, który dobrze rozpuszcza probke i nie absorbuje w zakresie pasma analitycznego
3.dobrac odpowiednie stezenie probowki i grubosc warstwy absorbcyjnej
4.dokonac eliminacji absorbcji tzw.tla, tzn absorbcji apowodowanej obecnoscia oznaczonych skladnikow w probce.
Zastosowanie sprktrofotometrii IR:
-identyfikacja zwiazkow organicznych
-badania biochemiczne(bialka,kwasy nukleinowe,cukry,blony biologiczne)
-w chemii zwiazkow nieorganicznych(oznaczanie sladowych ilosci wody w ukladach, grup OH,badanie kompleksow kationow metali z ligandami organicznymi)
SPEKTROMETRIA RAMANOWSKA(LASEROWA)
Bada widma oscylacyjno-rotacyjne czasteczek, promieniowanie ramanowskie musi być promieniowaniem monochromatycznym z obszaru widzialnego lub nadfioletowego
Budowa spektrometru ramanowskiego:
-zrodlo promieniowania wzbudajacego
-wstepny uklad optyczny
-probka badana
-monochromator
-detektor
-wzmacniacz, rejestrator, komputer
ZRODLO PROMIENIOWANIA-charakteryzuja się duzym natezeniem promieniowania. Stosuje sie:
-niebieska lub zielona linioe lampy rteciowej przy bardzo dlugim czasie naswietlania
-lasery(gazowe,argonowe,kryptonowe)
WSTEPNY UKLAD OPTYCZNY-zadaniem tego ukladu jest zapewnienie optymalnych warunkow oswietlenia probki oraz skierowanie wiazki promieniowania na szczeline wejsciowa monochromatora
PADANA PROBKA-ciecze i probki bada się w kapilarach szklanych, można tez stosowac fiolki lub naczynia prostopadloscienne.gazy i pary umieszcza się w kuwetach a ze względu na male stezenia probek gazowych wskazane jest stosowanie wielkokrotnego przewodzenia wiazki wzbudzajacej przez naczynie
MONOCHROMATOR-uzywane sa monochromatory wykorzystujace siatki dyfrakcyjne
DETEKTOR-detektorami stosowanymi sa fotopowielacze
Zastosowanie spektrofotometrii ramanowskiej:
Zasadniczym warunkiem uzyskania widma jest usuniecie z probki zanieczyszczen wykazujacych fluorescencje
-badanie poliweglowodorow
-poliestrow
-poliamidow
-polichloroweglowodorow
SPEKTROSKOPIA MAGNETYCZNEGO REZONANSU JĄDROWEGO(NMR)
Jedna z metod czasteczkowej spektroskopii absorbcyjnej.jadra atomowe niektórych izotopow umieszczone w jednorodnym polu magnetycznym mogą absorbowac promieniowanie elektromagnetyczne o czestosci radiowej.
Budowa NMR:
-magnes
-sonda z probka
-generator o czestosci radiowej
-detektor
-urzadzenie do zmiany natezenia pola magnetycznego
-rejestrator, komputer
MAGNES-wytwarza jednorodne pole magnetyczne, często stosowane sa w tym celu solenoidy nadprzewodzace, zapewniajace wysoka jednorodnosc pola i jego stabilnosc w czasie
PROBKA-probke u mieszcza się w sondzie znajdzujacej się w szczelinie magnesu
GENERATOR CZESCI RADIOWEJ-promieniowanie uzyskuje się z krystalicznego oscylatora o duzej stabilnosci, zakres czestosci radiowych nadajnika zalezy od wartosci natezenia pola magnetycznego
DETEKTOR I KOMPUTER-detektor dostarcza sygnal rezonansowy do ukladu komputera, komputer ma mozliwosc optymalizacji widmai i przedstawienia go w postaci cyfrowej oraz widma.
Metodyka pomiarow NMR:
Wstepna czynnoscia jest rozpuszczenie substancji badanej, aby uniknac wplywu oddzialywan miedzyczasteczkowych. Rozpusczalnik nie powinien wykazywac wlasnej absorbcji rezonansowej w badanym zakresie. Sygnal absorpcyjny probki mierzy się najczesciej względem sygnalu rezonansowego wybranego wzorca
Zastosowanie NMR:
-ustalanie liczby atomow wodoru w roznych grupach
-okreslenie sposobu rozmieszczenia atomow przez badanie struktury subtelnej
-okreslenie budowe nieznanej substancji przez porownanie jej widma z widmem w atlasach widm NMR.
-interpretacja zawartosci analizowanej substanci w probce.
SPEKTROMETRIA ATOMOWA
SPEKTROMETRIA ATOMOWA ABSORBCYJNA (AAS)
Jest metoda analityczna oparta na zjawisku absorbcji promieniowania elektromagnetycznego przez swododne atomy
Budowa AAS:
-zrodlo promieniowania liniowego
-atomizer
-monochromator
-detektor
-wzmacniacz
-wskaznik, rejestrator, komputer
ZRODLO PROMIENIOWANIA-powinny emitowac linie rezonansowe oznaczanego pierwiastka charakteryzujace się stabilnoscia, mala szerokoscia polowkowa linii i duzym natezeniem
Stosuje się:
-lampy z katoda wnekowa(szklana rurka z okienkiem kwarcowycm wypelniona gazem szlachetnym pod cisnieniem)
-lampy z wyladowaniem bezelektrodowym(rura kwarcowa zawierajaca gaz szlachetny pod zmniejszonym cisnieniem i niewielka ilosc danego pierwiastka.wzbudzenie nastepuje przez dzialanie pola elektormagnetycznego duzej czestosci.
ATOMIZERY-wytwarzaja z probki analitycznej swobodnych atomow oznaczanego pierw i to z duza wydajnoscia. Atomizer spelniac musi wymagania:zapewnic dobra wydajnosc swobodnych atomow z analizowanej probki i zapewnic wystepowanie prostej proporcjonalnosci miedzy stezeniem oznaczanego pier w probce.
Rozrozniamy kilka typow atomizerow:
-plomieniowe
-elektrotermiczne
-wodorkowe
-wykorzystujace zimne opary rteci
-dla subst stalych z atomizacja w plazmie laserowej
A.plomieniowe(analizowana subst jest r-r, przejscie od r-u do gazu atomowego sklada się z dwoch etapow:nebulizacji i atomizacji)
A.elektrotermiczne(rurki o dl20-50mm i srednicy wew 4-6mm.w gornej czesci rurki jest otwor wprowadzenia probki, stosuje się rozne techniki ogrzewania, w tym programowane ogrzewanie oporowe i wyroznia się 3 fazy ogrzewania)
A.wodorkowa(polega na wytworzeniu lotnych wodorkow i przeprowadzeniu ich do kuwety absorbcyjnej, gdzie w podwyzszonej temp nastepuje termiczny rozklad wodorkow i powstaja swobodne atomy, zaleta tej techniki jest to ze można oddzielic pierwiastek analizowany od matrycy i wprowadzic go w postaci czystej do kuwety)
A.zimnych par(stosowane sa kuwety przeplywowe, rury kwarcowe lub szklane z okienkami kwarcowymi.
MONOCHROMATORY-rozszczepiaja promieniowanie elektromagnetyczne, przez które przeszlo przez atomizer.musi on przepuscic przez szczeline wyjsciowa do detektora tylko linie rezonansowa, ktora jest absorbowana przez atomy w atomizerze.
DETEKTORY-do pomiaru natezenia sluza fotopowielacze, sygnal jest wzmacniany i przekazywany do miernika.
REJESTRATOR-maja wbudowany minikomputer, które pelnia funkcje tj.:steruja poamiarem,obliczaja i rejestruja pomiary,dokonuja analizy statystycznej wynikow, magazynuja dane.
Zalety AAS:
-bardzo niska czujnosc
-niska granica wykrywalnosci
-doskonala selektywnosc
-odtwarzalnosc oznaczen, która zalezy m.in. od wstepnej obrobki chemicznej probki, stabilnosci techniki pomiarowej a przede wszystkim odtwarzalnosci wytwarzania plazmy.
Zaklocenia w AAS dzieli się na dwie grupy:
Interferencje spektralne(nakladanie się linii analitycznej oznaczanego pierw,absorbcje promieniowania przez czasteczki znajdujace się w plazmie,emisje promieniowania przez czasteczki i rodniki obecne w plazmie, fluorezcencje atomowa, rozprowszenie promieniowania przez ciekle i stale czastki znajdujace się w plazmie)Eliminuje się te zaklocenia korygowaniem tla czyli zastosowaniem promieniowania ciaglego lampy deuterowej i wykorzystuje się efekt Zeemana.
Interferencje niespektralne(wywolane sa przez substancje towarzyszace pierw.oznaczanemu w analizowanej probce, czyli prz matryce.wplyw matrycy na podstawowe procesy zachodzace w atomizerach:parowanie,dysocjacja,wzbudzanie i jonizacja atomow,atomizacja).
Zastosowanie AAS:
-oznaczanie pierwaiastkow metalicznych
-oznaczenie pojedynczych pierwiastkow
-oznaczanie sladowych domieszkow
-oznaczanie r-ow
-oznaczenia w laboratoriach metalurgicznych, rolniczych, medycznych, biologicznych, geologicznych,ochrony srodowiska
SPEKTROMETRIA ATOMOWA
Fotometria plomieniowa to metoda w ktorej pierwiastki sa wzbudzane w plomieniu palnika, stosowana w analizie pierwiastkow o niskich potencjalach wzbudzenia, ma zatem ograniczony zakres zastosowan i wykorzystuje się ja glownie do analizy litowcow i berylowcow. Stosuje się ja do oznaczen ilosciowych, oznaczenia wykorzystuje się najczesciej metoda krzywej wzorcowej lub metoda dodawania wzorca.
SPEKTROGRAFIA
Metoda spektralnej analizy emisyjnej, widmo substancji wzbudzonej przechodzi przez uklad optyczny spektrografu i jest rejestrowane na kliszy fotograficznej, otrzymuje się widmo w postaci zaczernionych linii, których polozenie pozwala zidentyfikowac subs jakosciowo, a zaczernienie pozwala okreslic ilosciowa ocene pierwiastka.
Budowa spektrografu:
-zrodlo wzbudzenia
-spektrograf
ZRODLO WZBUDZENIA-
Stosuje się:
-luki pradu stalego
-luki pradu zmiennego
-iskry elektryczne
przy tym wymagane jest stosowanie elektrod, w których wyroznia się:elektrody z badanego materialu i elektrody pomocnicze.
SPEKTROGRAF-zasadnicznymi elementami ukladu optycznego sa: szczelina, kolimator, uklady rozszczeriajacy, szoczewki i plyta fotograficzna. Uklad rozszczepiajacy decydujacy o jakosci przyrzadu.
Detektorem jest plyta fotograficznaczyli plyta szklana pokryta emulsja fotograficzna, pod wplywem swiatla zachodzi reakcja fotochemiczna,w wyniku ktorej w miejscu naswietlonym, po obrobce fotograficznej wydziela się srebro.
Analiza jakosciowa:
Opiera się na wykrywaniuobecnosci pierwiastkow na podstawie dlugosci fali linii emitowanych przez badana probke.linie analityczne oznaczanych pierwiastkow powinny znajdowac się w zakresie widma o dl fali od 200-1000nm.w zakresie tym można znalezc linie spektralne wszystkich pierw met oraz wielu niemetali i fluorowcow.
Analiza ilosciowa:
Wykorzystujemy zaleznosc miedzy stezeniem pierwiastka w zrodle wzbudzenia a natezeniem emitowanego promieniowania.mazna zatem metoda krzywej wzorcowej lub metoda wzorca wewnetrznego oznaczyc stezenie analizowanego pierwiastka, jest skomplikowana i obarczona dosc duzym bledem.