Spektrofotometria, dział fotometrii.
Krzywa zależności współczynnika ekstynkcji molarnej od długości fali charakteryzuje substancje, a wielkość absorpcji dla danej długości fali – jej stężenie. Przyrządami stosowanymi w s. są tzw. spektrofotometry, składające się ze źródła promieniowania, układu pochłaniającego (badanego i porównawczego), → monochromatora, detektorów promieniowania i urządzenia elektrycznego wzmacniającego i rejestrującego (lub pozwalające na in. formę odczytania wskazań detektora promieniowania).
Spektrofotometr
1. W analizie absorpcyjnej spektralnej aparat do pomiaru przepuszczalności lub wartości absorpcji promieniowania przy określonej dł. Fali.
Ze względu na zakres pomiaru rozróżnia się:
a) Spektrofotometry na nadfiolet (za pomocą których po zmianie źródła promieniowania można prowadzić pomiary w świetle widzialnym). Układ optyczny wykonany jest z kwarcu.
Zamiast pryzmatu bywa stosowana siatka dyfrakcyjna.
b) Spektrofotometry na światło widzialne zbudowane są wg ideowego schematu odpowiadającego s. na nadfiolet. Układ optyczny wykonany jest ze szkła.
c) Spektrofotometry na podczerwień budowane są jako tzw. jednowiązkowe wg schematu ogólnego podobnego do opisanego powyżej, albo jak tzw. dwuwiązkowe, eliminując od razu z krzywej absorpcji absorpcję odnośnika oraz składników powietrza, przez które przebiega wiązka promieniowania. Zależne od badanego zakresu podczerwieni pryzmat wykonywany jest z monokryształu NaCl, KCl, KBr, LiJ i in. różnica prądów termopar rejestrowana jest automatycznie w sposób ciągły w postaci krzywej absorpcji.
SPEKTROFOTOMETRIA UV – Vis
Spektrofotometria w zakresie nadfioletu (ang. ultra-violet – UV) i promieniowania widzialnego (ang. visible – Vis), czyli spektrofotometria UV – Vis jest jedną z najstarszych metod instrumentalnych w analizie chemicznej. Przedmiotem badań są widma elektronowe. Prawdopodobieństwo przejść elektronowych między poszczególnymi stanami energetycznymi cząsteczki określają tzw. reguły wyboru.
Miarą intensywności pasma absorpcji jest wartość molowego współczynnika absorpcji ε
Rodzaje przejść elektronowych
a) w związkach organicznych
b) w kompleksach metali d-elektronowych
I Prawo absorpcji (prawo Lamberta)
Jeśli na dany roztwór pada światło monochromatyczne, to natężenie światła przechodzącego przez ten roztwór jest wprost proporcjonalne do natężenia światła padającego na ten roztwór (przechodzące wprost proporcjonalne do padającego)
Ik = T * Io
w którym:
Io oznacza natężenie światła padającego na roztwór,
Ik – natężenie światła przechodzącego przez roztwór,
T- przepuszczalność- transmisja.
II prawo absorpcji (prawo Lamberta)
Natężenie światła padającego na dany roztwór jest wprost proporcjonalne do grubości warstwy roztworu.
Log Io : Ik = A -dł. : Ik = k * dł.
I- grubość warstwy roztworu,
k- współczynnik proporcjonalności,
A- absorbancja- ekstynkcja
III Prawo absorpcji (prawo Lamberta- Beera)
Prawo to dotyczy absorpcji promieniowania przez roztwór
A = log Io : Ik = E * c * l
A- absorbancja(absorcja),
Io- natężenie światła padającego na roztwór,
Ik- natężenie światła przechodzącego przez roztwór,
ε- molowy współczynnik absorpcji(absorbancji),
c- stężenie substancji(mol/dm3),
l- droga jaką pokonuje światło w ciele.
Prawa te pozwalają oznaczyć ilościowo związki barwne lub te, które można przeprowadzić w związki barwne o stałym zabarwieniu, warunkiem jest aby między absorpcją a stężeniem zależność była liniowa.
Prawo to można sformułować w sposób następujący: Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorpcja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalny do stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej b.
Czynniki wpływające na uchylenia praw Lamberta- Beera:
a) chemiczne:
-Stężenie roztworu
-Reakcje chemiczne, które mogą przebiegać w roztworze
-Reakcje dysocjacji(wyniki zawyżone)
-Reakcje asocjacji(wyniki zaniżone)
-Reakcje solwatacji
-pH (do oznaczeń UV-Vis roztwory muszą być klarowne)
b) aparaturowe:
-Monochromatyczność
-Wartość tego związku(istnieje optymalna długość fali, przy której wartość absorbancji jest maksymalna)
-Promieniowanie rozproszone
W zależności od sposobu pomiaru prądu fotokomórki rozróżnia się
a) Spektrofotometry z ręcznym nastawianiem dł. fali promieniowania (przez odpowiednie ustawienie pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej) i każdorazowym kompensacyjnym pomiarem prądu fotokomórki za pomocą potencjometru wyskalowanego wyskalowanego w jednostkach przepuszczalności lub wartości absorpcji.
b) Spektrofotometry z automatyczną rejestracji krzywej absorpcji.
Spektrofotometry UV – Vis to przyrządy do badania absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie nadfioletu i części widzialnej widma.
Podstawowymi częściami składowymi spektrofotometrów UV – Vis są:
a) źródło promieniowania,
b) monochromator,
c) kuweta pomiarowa,
d) detektor mierzący natężenie promieniowania,
e) wskaźnik, rejestrator, komputer,
Ogólny schemat spektrofotometrów UV – Vis pokazano na rys. 4.
a) Źródło promieniowania
Źródło musi pokryć cały zakres UV – Vis, tzw. zakres od 180 do 800 nm.
Stosowane są:
1. Lampy Uv-Vis
2. Lampy wolframowo-halogenowe
3. Wysokociśnieniowe łukowe lampy ksenonowe.
b) Monochromatory
a) filtry
b) siatki dyfrakcyjne
c) monochromatory siatkowe.
Monochromator ma za zadanie wybrać, z emitowanego przez źródło ciągłego promieniowania, wąskie pasmo o żądanej długości fali i przepuścić je przez komórkę z badaną substancją.
Konkretną długość fali światła monochromatycznego ustalimy na podstawie określonego widma absorpcyjnego
c) Kuweta pomiarowa
Absorpcję gazów i cieczy bada się w kuwetach.
Kuwety- są wykonane ze szkła jeśli pomiar wykonywany jest poniżej 380nm, te z tworzywa sztucznego nie nadają się do oznaczania związków organicznych.
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.
d) Detektory
Stosowane w spektrofotometrach UV – Vis detektory fotoelektryczne przetwarzają energię promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną.
Detektory powinny charakteryzować się:
• dobrą czułością, czyli niskim poziomem szumów własnych,
• szerokim zakresem liniowości wskazań, czyli proporcjonalnością przetwarzania sygnałów optycznych na elektryczne.
Detektory najczęściej stosowane w spektrofotometrach UV- Vis:
1) fotokomórki,
2) fotopowielacze,
3) fotodiody.
1)Fotokomórki składają się z:
-Warstwy dobrze przewodzącego metalu (Ag)
-Warstwa półprzewodząca (stop)
-Warstwa absorpcyjna (Cez)
W spektrofotometrach UV –Vis są zamontowane dwie wymienne fotokomórki:
• „niebieska” na zakres UV do 650 nm, z fotokatodą antymonowo cezową, w składzie
Ag – stop Cs/Sb – Cs.
• „czerwona” na zakres powyżej 650 nm, z fotokatodą zbudowaną z trzech warstw:
Ag – stop Cs/CsO – Cs.
2)Fotopowielacze- są układami, w których wykorzystuje się zjawisko wtórnej emisji elektronów, składają się z:
-Fotokatody
-Układ szeregu dynod (elektrod)
-Anody
Działanie: wybite elektrony z fotokatody kierowane są na dynody, tam każdy elektron wybija nowy elektron z tych elektrod, w rezultacie otrzymujemy wzmocnienie prądu.
3)Fotodiody- w nich wykorzystuje się wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne, zbudowane z: półprzewodnika (krzemu).
Działanie: promieniowanie padając na półprzewodniki powoduje wybijanie elektronów z warstwy wewnętrznej elektronów walencyjnych; wybite elektrony przechodzą do pasma przewodnictwa i natężenie prądu( promieniowania elektrycznego) jest wprost proporcjonalne do natężenia wytworzonego w obwodzie z fotodiodami.
Spektrofotometry UV –Vis można podzielić na:
a) spektrofotometry punktowe, w których absorbancję mierzy się metodą wychyleniową lub kompensacyjną;
b) spektrofotometry samorejestrujące – rejestrują widma absorpcji w układzie
%T = f(λ) lub ε = f(λ), A = f(λ). Współczesne przyrządy tego typu zawierają układ komputerowy.
c) spektrofotometry jednowiązkowe, w których jedna wiązka przechodzi najpierw przez roztwór odniesienia, a następnie, po zamianie kuwet, przez próbkę badaną.
d) spektrofotometry dwuwiązkowe, w których wiązka promieniowania ze źródła jest dzielona przez odpowiedni układ na dwie równocenne wiązki pochodzące równolegle – jedna przez roztwór, a druga przez roztwór badany. Detektor wskazuje różnice absorbancji.
e) spektrofotometry klasyczne- monochromator znajduje się przed próbką i przez próbkę przepuszcza się kolejne wiązki światła monochromatycznego, które sukcesywnie dochodzą do detektora.
f) spektrofotometry z detekcją równoległą za pomocą matryc diodowych- przez próbkę przepuszcza się promieniowanie polichromatyczne, a rozszczepienie wiązki promieniowania następuje po przejściu przez próbkę. Z kolei całe widmo pada równocześnie na matrycę fotodiodową i następuje równoległa detekcja.
Metody spektrofotometryczne są metodami porównawczymi
A wzorca : A próby = Cm wzorca : Cm próby.
Cm próby = A próby * Cm wzorca : A wzorca
Każdy pomiar musi być poprzedzony wykonaniem szeregu związków wzorcowych o rosnącym stężeniu a następnie wyznaczeniem krzywej wzorcowej mierzącej absorbancję.
Metody spektrofotometrii absorpcyjnej są stosowane do oznaczania ilościowego substancji, które pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne od 180nm do 780nm!!!!
Funkcje układów komputerowych w spektrofotometrach:
-przetwarzanie sygnału analogowego w cyfrowy
-diagnostyka przyrządu
-korekta parametrów pomiarowych
-obliczenie i wyświetlenie wyników pomiaru
-optymalizacja wyświetlanych widm
-obróbka statystyczna wyników pomiaru z danymi przechowywanymi w pamięci
-magazynowanie danych w pamięci komputera
Charakterystyczne cechy spektrofotometrów UV –Vis pozwalają na ocenę klasy przyrządu i jego wartości użytkowej. Przy ocenie takiej brane są pod uwagę różne parametry, a istotne znaczenie mają:
1) zakres spektralny przyrządu
Spektrofotometry budowane są na nadfiolet (UV) i zakres widzialny (Vis), przy czym niektóre przyrządy obejmuje także bliską podczerwień (NIR). Typowy zakres pomiarowy obejmuje przedział widma od 180 nm do 800 nm. Są jednak przyrządy o zakresie pomiarowym od 185 nm do 3000 nm oraz przyrządy o rozszerzonym krótkofalowym zakresie pomiarowym rozpoczynającym się od 165 nm.
2) Spektralna zdolność rozdzielcza (rozdzielczość)
Za miarę rozdzielczość spektralnej przyjmuje się najmniejszą możliwą do uzyskania
w danym przyrządzie szerokość spektralną wiązki przy danej długości fali.
Dla przyrządów różnej klasy wielkość ta jest zawarta w granicach od 1 nm do0,1 nm,
a wartością najczęściej spotykaną jest ≈ 0,1 nm.
3) Szerokość spektralna wiązki
Szerokość spektralna wiązki w spektrofotometrach UV – Vis jest różna, w przyrządach wysokiej klasy może mieć wartość 0,05 nm, a w przyrządach niższej klasy może wynosić 2 nm, 5 nm, a nawet 10 nm.
4) Dokładność skali absorpcji
Wielkość ta ma istotne znaczenie dla ilościowej oceny wyników i ma wpływ na dokładność i precyzję oznaczeń. Różne przyrządy pozwalają na odczyt absorpcji z różną dokładnością od ± 0,5 do 0,0008.
5) Procentowa zawartość światła rozproszonego
Światło rozproszone ma wpływ na odchylenia od praw absorpcji i w sposób istotny wpływa na zakres prostoliniowości wskazań przyrządu. Wielkość ta dla przyrządów niższej klasy może mieć wartość nawet 1%, a dla przyrządów wysokiej klasy ilość światła rozproszonego jest mniejsza od 0,00012%. Duża różnorodność spektrofotometrów UV – Vis znajdujących się w handlu pozwala wybrać przyrząd odpowiadający parametrami potrzebom danego laboratorium. Należy jednak pamiętać, że przyrządy te w zależności od klasy różnią się w sposób zasadniczy ceną.
Zastosowanie spektrofotometrów UV –Vis
Spektrofotometria UV – Vis należy do najczęściej wykorzystywanych metod instrumentalnych w analizie ilościowej.
Główne zalety spektrofotometrii UV- Vis, to:
a) Dobra czułość
Obiektywnym liczbowym wykładnikiem czułości metod spektrofotometrycznych jest molowy współczynnik absorpcji ε, odpowiadający λmax badanego roztworu.
Wartości ε dla metod czułych wynoszą powyżej 10 000 dm3 ∙ mol -1 ∙ cm -1,
a współczynnik ε o wartościach poniżej 1000 dm3 ∙ mol -1 ∙ cm -1 odpowiada metodom mało czułym. Granicę oznaczalności w metodach spektrofotometrycznych określa się za pomocą współczynnika Wk, który wyraża wartość stężenia analizowanej substancji w μg ∙ cm -3, gdy grubość warstwy absorbującej b wynosi 1 cm.
b) Dobra precyzja oznaczeń
Precyzja oznaczeń zależy od zakresu oznaczonych stężeń i od klasy stosowanych
aparatów. W metodach spektrofotometrycznych można uzyskać wyniki, których błąd nie przekracza ± 0,2%.
c) Selektywność oznaczeń
Jest uwarunkowana selektywnością absorpcji z jednej strony i selektywnością odczynników wywołujących barwna reakcją z substancją oznaczoną z drugiej strony.
Te dwa czynniki pozwalają na osiągnięcie dobrej selektywności w szczególności w oznaczeniach kationów metali.
Przykłady zastosowań spektrofotometrii UV- Vis:
1) W analizie ilościowej kationów metali
2) W analizie ilościowej anionów nieorganicznych
3) W analizie ilościowej związków organicznych
4) Do badań równowag reakcji chemicznych
Spektrofotometrię UV –Vis wykorzystuje się w szczególności do:
a) wyznaczania stałych dysocjacji kwasów i zasad,
b) ustalania składu i stałych trwałości związków kompleksowych.
SPEKTROFOTOMETRIA W PODCZERWIENI (IR)
-bliska podczerwień (NIR) 500-2000nm
-podstawowa podczerwień (MIR) 2500- 25000nm
-daleka podczerwień (FIR) 25000- 500000nm
Promieniowanie absorbowane przez cząsteczki w tych długościach fali powoduje nie tylko wzbudzenie elektronów walencyjnych ale wywołuje drgania cząsteczek. Drgania te odbywać się mogą w ruchu periodycznym(drgania oscylacyjne) w tym czasie atomy oddalają się od siebie lub przybliżają na zasadzie sprężyn. Drgania atomów mają charakter skwantowany.
Rodzaje drgań cząsteczkowych:
1) walencyjne- związane z ruchem atomu, powodują rozciąganie lub skracanie wiązań :
-symetryczne
-anty symetryczne
2) deformacyjne- dotyczą zmiany kątów pomiędzy wiązaniami:
-zginające
-wahadłowe- ruch atomów nad płaszczyzną
-skręcające- atomy poruszają się poza płaszczyzną, jeden w przód, drugi w tył.
3) szkieletowe- drgania pierścienia aromatycznego jako całości. Poszczególne grupy funkcyjne charakteryzują się absorpcją promieniowania o konkretnej długości fali. Każda z grup funkcyjnych i każdy związek posiadają swoje charakterystyczne widmo absorpcyjne. Na podstawie widmo można określić obecność grup funkcyjnych w nieznanym związku. Etyn, OH, CH2=CH2, NH2, C=C, NO2, CH3-CH3, gr. karbonylowa ma charakterystyczne pasmo w swoim widmie absorpcyjnym.
Spektrofotometria podczerwieni pozwala nam zidentyfikować nieznane związki które mogą pojawić się w próbie!!
Zastosowanie spektrofotometrii IR:
1) identyfikacja związków organicznych
2) badanie białek, aminokwasów, polipeptydów, cukrów, kwasów nukleinowych, błon biologicznych
3) w chemii związków nieorganicznych.
Elementy budowy spektrofotometrów IR:
1) źródło promieniowania
2) układ zwierciadeł kierujących promieniowanie na próby
3) kuwety
4) monochromatory
5) detektory
6) rejestratory
1) źródło promieniowania:
-rozżarzone ciała stałe:
- włókno Nernsta- pręt ceramiczny wykonany z mieszaniny tlenków ceru, cyrkonu, toru, lub itru.
-Glober- pręt sitowy zbudowany z węglika krzemu podgrzany do 1500 stopni C emituje promieniowanie czerwone.
2) czoper- układ zwierciadeł kierujący wiązkę, raz na próbę, raz na próbę odniesienia
3) kuwety- zaopatrzone w okienka zbudowane z kryształków jonowych NaCl, KBr, CsBr, CsI.
Grubość warstwy absorpcyjnej waha się od 0,01 do 2mm, roztwory przygotowywane są w 4 chlorku węgla lub disiarczku węgla. Do roztworów wodnych stosuje się kuwety o okienkach z roztworu fluorku baru, germanu, krzemu, AgCl. Próbki mogą być stosowane w formie roztworu lub zawiesin olejowych, bądź też w formie pastylek.
4) monochromatory- urządzenia pozwalające dobrać odpowiednią długość fali stosowną do siatki dyfrakcyjne jak w spektrofotometrach UV- Vis.
5) detektory:
-Fotodetektory (bardzo drogie)
-Detektory termiczne:
*termoelektryczne(przetwarzają en. elektromagnetyczną na elektryczną)- wzbudzenie prądu elektrycznego poprzez różnicę temperatury dwóch czynników w obwodzie prądu elektrycznego,
*termo oporowe- promieniowanie IR powoduje zmiany oporności elementów aktywnych i zmiany napięcia elektrycznego, często nazywane bulometrami ,
*pneumatyczne- promieniowanie IR padając na element aktywny powoduje ogrzewanie gazu w przestrzeni zamkniętej, wzrost ciśnienia gazu zostaje zamieniany na sygnał elektryczny.
Funkcje rejestratorów komputerowych:
1) numeryczna analiza fal
2) rozdział nakładających się fal
3) analiza kształtu pasm
Warunki oznaczania ilościowego metodą spektrofotometryczną w podczerwieni:
-wybór pasma analitycznego
-wybór odpowiedniego rozpuszczalnika
-dobranie odpowiedniego stężenia próbki
-okmie
ATOMOWA SPEKTROMETRIA ABSORPCYJNA(AAS)
-wykorzystuje się zjawisko absorpcji promieniowania przez atomy pierwiastka przeprowadzonego w stan gazowy. Zakres długości fali jaką pierwiastek jest w stanie zaabsorbować = długości fali jaką może emitować.(
Zastrzeżenia:
-stan pierwiastka w fazie atomowej i gazowej
-pierwiastek pochłania taką długość fali, którą sam potrafi wydzielić
Źródła promieniowania:
a)lampy z katodą wnękową (HCL)
b)lampy z wył. bez elektronowym (LDL)
a) rurka szklana z okienkiem kwarcowym wypełniona gazem szlachetnym(Neon lub Argon), gazy te są pod ciśnieniem 2- 8 hPa. W rurce są elektrody: anoda- wolframowa i katoda- z metalu, który emituje promieniowanie charakterystyczne dla oznaczanego pierwiastka. Promieniowanie to posiada charakterystyczne linie rezonansowe, czyli inaczej mówiąc katoda to najczęściej pierwiastek , który oznaczany jest w próbie. Dodatnio naładowane jony gazu szlachetnego wybijają z niej atomy metalu(z katody), wybite atomy emitują promieniowanie i ulegają wzbudzeniu. W rezultacie otrzymujemy widmo promieniowania z tej elektrody.
b) rury kwarcowe zawierające gaz szlachetny (Neon lub Argon), ciśnienie: 2-8 hPa, a także pierwiastek emitujący promieniowanie, który emituje promieniowanie w wyniku działania pola elektromagnetycznego o odpowiedniej częstotliwości od 10 do 100 MHz.
Zastosowanie lamp:
-do oznaczania bardzo wielu pierwiastków
-nie można stosować do oznaczania: arsenu, antymonu, selenu, telluru.
Lampy wielo pierwiastkowe :
*zawierają kilka katod, katoda- mieszanina pierwiastkow:
-Ca, Mg, Al.
-Fe, Cu, Mn.
-Cu, Zn, Db –Sn.
-Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Ni.
Atomizery:
* urządzenia, które wytwarzają atomy pierwiastków z oznaczanych substancji.
Cechy:
-Powinny zapewniać dobrą wydajność w otrzymywaniu wolnych atomów
-Zależność między stężeniem w próbce danego pierwiastka a stężeniem atomów tego pierwiastka musi być wprost proporcjonalna.
Typy atomizerów:
a)płomieniowe (F- AAS)
b)elektrotermiczne (ET- AAS)
c)wodorkowe
d)wykorzystujące zimne pary rtęci
e)wykorzystujące atomizację w plazmie laserowej.
a) atomizery płomieniowe
Etapy otrzymywania wolnych atomów w atomizerach płomieniowych:
-nebulizacja- rozproszenie analizowanego roztworu w mgłę i wprowadzenie go do palnika.
-atomizacja- zachodzi w płomieniu palnika, do którego wprowadza się gaz palny i roztwór analizowanej substancji. Gazem utleniającym może być powietrze, tlen lub tlenek azotu N2O, gazem- acetylen, gaz świetlny lub propan- butan.
Reakcje zachodzące po wprowadzeniu roztworu do palnika:
-odparowanie rozpuszczalnika: Me + A- (mgła) => MeA (ciało stałe)
-stopienie i przeprowadzenie w gaz soli: MeA => MeA (ciecz) => MeA (para)
-reakcja rozpadu termicznego i redukcji: MeA (para) => Me (gaz) => A (gaz)
-reakcja jonizacji: Me ó ...
monc1a