Molekula-spektroszkópiai módszerek Bánhidi Olivér Miskolci Egyetem Analitikai Kémia Tanszék A molekulaspektroszkiai módszerek sajátosságai Az emissziós spektrometriai módszerekhez hasonlóan a molekula-spektroszkópiai módszerek is az atomi részecskék állapotváltozásain alapulnak. A hulladékok vizsgálata szempontjából fontos módszerekben a molekulák elektronjai játszanak fontos szerepet. Az atomokkal összehasonlítva, a molekuláris elektron állapotát sokkal több tényez befolyásolja. A (gázállapotú) atomokban és ionokban az elektronok csak „haladó” mozgást végeznek, (csak az. Un. Potenciális energia állapotfüggvénye szolgáltat diszkrét sajátenergiaérték sorozatot), a molekulákban ezenkívül rezg és forgó mozgásra is van lehet ségük (melyek kvantáltnak tekinthet k). Ezért az energiaállapotukat ez utóbbi két mozgással kapcsolatos energiaváltozások is meghatározzák. Ezek azonban jelent sen kisebbek. A többféle változás összeadódik, - egymásra szuperponálódik. Ennek eredményeként az állapotváltozásokat tükröz molekulaszínképek nem vonalas, hanem sávos szerkezet ek. Az analitikai alkalmazást illet en els sorban az abszorpciós és a fluoreszcens módszerek terjedtek el. Tárgyalásunkat a továbbiakban csak az abszorpciós módszerekre korlátozzuk. A színképtartományt illet en megkülönböztetjük az ultraibolya és látható (UV-VIS) abszorpciós spektrometriát (illetve spektrofotometriát), valamint az infravörös (IR) spektrofotometriát. Az el bbinél a fényelnyelés alapja az elektronátmenetekkel, valamint az ezekre szuperponált rezgési, forgási energia-átmenetekkel kapcsolatos energiaváltozás, az utóbbinál pedig csak a rezgési és forgási energia-átmeneteken alapulnak a színképek. Bonyolult összetétel szerves molekulák esetében ezeket a módszereket szerkezet-felderítésre, szerkezet-azonosításra is alkalmazzák. Az UV-VIS színképek keletkezésének alapjai Szervetlen vegyületek esetében a leggyakrabban a központi atomot/ion és ligandumok közötti koordinatív kötések elektronpárjaihoz kapcsolódik a fényelnyelés. Már sok egyszer szervetlen ion (Cu2+, Co2+, Fe3+, Cr3+, Ni2+, CrO42-, MnO4-, stb.) színes, -azaz van fényelnyelése a látható színképtartományban. Els sorban a lezáratlan alhéjakkal rendelkez átmeneti fém-, és ritkaföldfém-ionok vizes oldatai színesek, és ugyancsak ezek hajlamosak koordinatív kötés vegyületek képzésére. A szerves vegyületeknél sok olyan, - a molekulán belüli, - atomcsoport van mely jellemz elnyelési sávval rendelkezik (esetleg többel is) a látható, illetve az ultraibolya színképtartományban.. Ezeket kromofór csoportoknak nevezzük. A leggyakoribb kromofór csoportok C-O, C-N, C-S, S-S, C-Cl, C-Br, C-J kötések, n → σ* átmenetek
(nincs π kötés, de van un. nem-köt elektronpárja a kötésben résztvev egyik atomnak) C=C, C=O, C=N, N=N, N=O, C=S, C≡C, C≡N kötések, n → π*, illetve π → π* átmenetek (a kötésben résztvev atomok kett s, - 1 σ és 1 π, - illetve hármas, - 1 σ és 2 π), - kötéssel kapcsolódnak. Az UV/VIS spektrofotometriás módszerek a folyékony halmazállapotú mintákat (folyadékokat, oldatokat) vizsgálnak. A vizsgálandó komponensek klf. Kölcsönhatásba léphetnek az oldószerrel is (pld. víz esetén hidrogénhíd-kötés alakulhat ki), ami az elnyelési sávok (kismérték ) eltolódásához vezethet. A mennyiségi meghatározás alapja az AAS-nál megismert Lambert – Beer törvény. Az atomabszorpciónál ismertetekkel analóg módon a fényelnyelés (abszorbció), - ami itt is az intenzitáscsökkenés logaritmusa – lg(I0/I), - és az elnyelést okozó komponens (molekula vagy ion) oldatbeli koncentrációja között lineáris kapcsolat van. A törvény alakja:
A = lg(I0/I) = ε • c • l
A : abszorpció (fényelnyelés) ε : (moláris) abszorpciós koefficiens c : a meghatározandó komponens koncentrációja l : az optikai úthossz
Elvileg, - az abszorpciós koefficiens ismeretében, - a mért fényelnyelésb l a koncentráció kiszámítható. A gyakorlatban azonban, - részben a koefficiens pontos értékének hiánya, részben pedig a törvény korlátozott érvényessége miatt, - az AAS-hez hasonlóan kalibrációs görbét kell felvenni a minták mérése el tt. Mivel folyadékfázisban a molekulák sokkal gyakrabban ütköznek, illetve találkoznak mint gázfázisban, ezért sok intermolekuláris kölcsönhatással, illetve különféle asszociációs, disszociációs egyensúlyok kialakulásával kell számolni. Ezek hatással lehetnek a vizsgálandó komponensre is, csökkentve annak érvényességi határait. A kémiai hatások okozta eltéréseken kívül, fizikai zavaró hatások is felléphetnek. Ilyen például az oldatban lév (esetlegesen kolloid mérettartományba es ) részecskék által okozott fényszóródás. Az összefüggés alakjából következik hogy sem nagyon kis-, sem nagyon nagy abszorbanciánál rossz a mérés jel/zaj viszonya. Legjobb a mérés precizitása a 0,1 – 0,8 A abszorbanciatartományban. Az UV-VIS készülékek felépítése Az AAS készülékekhez hasonlóan az UV-VIS spektrofotométerek is tartalmaznak fényforrást, mintabeviteli egységet, a fény felbontására szolgáló optikai egységet, detektort, jel-, és adatfeldolgozó elektronikát, számítógépet. A molekulaszínképek sávos jellege miatt, az alkalmazott spektrum-tartományban folytonosan sugárzó fényforrásokat, - a látható színképtartományban megfelel en kialakított W-szálas izzót, UV-ben pedig D2-lámpát (ami tulajdonképpen egy kisülési cs nek tekinthet ), alkalmaznak.
Mivel a Lambert – Beer törvény monokromatikus fény esetén érvényes csak, ezért a fényforrás fényét még a mintán történ áthaladás el tt fel kell bontani. A fényfelbontást általában rácsos egységekkel végzik. Az optikai rendszerek az AAS-hez hasonlóan lehetnek egysugaras és kétsugaras elrendezés ek. Mivel a minták vizsgálata folyadék állapotban történik, a mintabevitel egyszer en megoldható. Az un. statikus mintabevitelnél a mintát a fényútba helyezett küvettákba tesszük. Speciálisan kialakított küvettákkal megoldható az un. áramlásos mintabevitel is, mellyel klf. Kémiai reakciók, folyamatok követhet k. Detektorként fotoelektron-sokszorozót és szilárdtest-alapú un. dióda-soros detektort alkalmaznak. A színképek sávos jellege miatt a felbontással, valamint az érzékenységgel kapcsolatban kevésbé szigorúak a követelmények, és ezeknek a dióda-soros detektorok már jól kielégítik, így érthet rohamos elterjedésük.
Egyszer felépítés diódasoros spektrofotométer vázlata
Kétsugaras készülék optikai elrendezésének vázlata
USB 4000 Plug & Play spektrofotométer
Az USB 4000 mini-spektrofotométer bels felépítése
Alkalmazás A spektrofotometria analitikai alkalmazása már több mint 6 évtizedes múltra tekint vissza. A szerves vegyületek vizsgálata mellett még ma is általános használatuk sok átmeneti fémion, illetve szervetlen anion meghatározása során is. Mivel a színképz , illetve a színhordozó vegyület képz désének el feltétele hogy a vizsgálandó komponens meghatározott kémiai formában legyen, ezért több esetben lehet vé teszik az el zetes elválasztás nélküli speciációs elemzést. A spektrofotometriás berendezések ma már a viszonylag olcsó kategóriába tartoznak, ami szintén el ny. Hátrányuk hogy gyakran bonyolult, id igényes kémiai el készítést igényelnek, viszonylag sok zavaró hatással kell számolni. Alkalmazási példák Nitrit ionok spektrofotometriás meghatározása: A nitrit ionok ecetsavas, savanyú közegben szulfanilsavval és α-naftilaminnal (Gries – Ilosvay reagens) ibolyásvörös szín vegyületet hoznak létre. Az ecetsav által szabaddá tett salétromossav (HNO2) a szulfanilsavat diazotálja és a keletkez diazóniumsó a jelenlév αnaftilaminnal piros azofestékké kapcsolódik. A reakció rendkívül érzékeny, és szelektív.
HSO3-C6H4-NH2 + HNO2 + CH3COOH = = HSO3-C6H4-N2-OOCCH3 + 2 H2O
HSO3-C6H4-N2-OOCCH3 + C10H7-NH2 = HSO3-C6H4-N=N-C10H7-NH2 + CH3COOH A gyakorlatban úgy járunk el hogy a vizsgálandó minta megfelel térfogatú részéhez el ször szulfanilsavat, majd kb. 2 perc múlva α-naftilamint, majd újabb 2 perc múlva Na-acetátot adunk, és kb. 20 perc várakozás után, - de max. 1 órán belül 530 nm-en mérjük a fényelnyelést. Nitrát ionok spektrofotometriás meghatározása A nitrát ionok szalicilsavval (HO-C6H4-COOH) lúgos közegben sárga szín vegyületet, nitro-szalicilsavat képeznek. A meghatározás során a mintához el ször Na-szalicilátot adunk, majd szárazra pároljuk. A száraz maradékot kevés tömény kénsavban oldjuk, majd átlúgosítjuk. A kifejl d szín okozta fényelnyelést min. 20 perc múlva, de max. 1 órán belül 410 nm-en mérjük. Ortofoszfát (PO43- ionok spektrofotmetriás meghatározása Az ortofoszfát ionok ammónium molibdenáttal - (NH4)2MoO4 - salétromsavas közegben sárga, lúgos közegben, illetve szerves oldószerekben oldódó csapadékot adnak. Er sen savanyú közegben a szabaddá váló molibdénsav izopolisavvá polimerizálódik:
3 (NH4)2MoO4 + 6 HNO3 = H2[Mo3O10] + 6 NH4NO3 + 2 H2O H3PO4 + 4 H2[Mo3O10] + 3 NH4NO3 = (NH4)3[P(Mo3O10)4 + 3 HNO3 + 4 H2O A reakciót többek között az AsO43-, és az SiO32- ionok is adják, de a körülmények (kémhatás, reakció-id ) megfelel megválasztásával szelektívvé tehet . A foszfor-polimolibdénsav könnyen szerves oldószerekbe (izobutil-acetát, izoamilalkohol) extrahálható, ahol nagyon jó kimutatási képességgel mérhet . A +6 oxidációszámú króm (CrVI) spektrofotometriás meghatározása A hatérték króm savanyú közegben difenilkarbaziddal intenzív ibolya szín vegyületet hoz létre. A reakció során a difenilkarbazid a krómot +2 oxidációs állapotúvá redukálja, és a keletkez oxidált forma, - a difenilkarbazon, - a Cr2+ ionnal színes bels komplex vegyületet ad.
Ez jellemz és érzékeny reakció. Hg2+ és MoO42- ionok a reakciót zavarják. Az el bbi hatása fölös HCl-el, az utóbbié pedig tömény oxálsavval küszöbölhet ki. Mivel a Cr3+ ionok ezt a reakciót nem adják, így ez alkalmas a +6-os oxidációs állapotban lév króm meghatározására, el zetes elválasztás nélkül. Ammónium-ionok spektrofotometriás meghatározása
A meghatározás alapja hogy ammóniumsók oldatában az un. Nessler reagens, - káliumhigany(II)jodid lúgos oldata, - sárgásbarna csapadékot, kevés ammónia esetében sárgás-barna színez dést okoz. A lúgos reagens az ammóniumsók oldatából ammóniát tesz szabaddá, mely a kálium-higany(II)jodiddal bázisos higany(II)amidojodid keletkezése közben reagál, azaz
NH4Cl + 2 K2HgJ4 + 4 KOH = HgO • Hg(NH2)J + KCl + 7 KJ + 3 H2O A reakció alkalmas kismennyiség ammónia felszíni vizekben, illetve desztillált vizes kivonatokban történ meghatározására. Infravörös spektroszkópia Alapját a molekulák kötéseinek rezgési átmenetei képezik
A különböz szerves funkciós csoportok (=C=O, -CHO, -NH2, -OH, -COOH, -N=C=, -N=N-, R1-C-O-C-R2, R1-CO-O-R2) jellegzetes elnyelési sávokkal rendelkeznek az infravörös színképtartományban. Oldatok esetében azonban az oldószer sajátságai által meghatározott intermolekuláris kölcsönhatások miatt az infravörös elnyelési sávok is kisebb, nagyobb eltolódásokat szenvedhetnek el. A mennyiségi meghatározás ennél a módszernél is a Lambert – Beer törvényen alapszik. A vizsgálandó minta lehet folyadék, vagy oldat, - megfelel min ség küvettában, - illetve szilárd halmazállapotú, - ekkor KBr-al elkeverik és tablettát préselnek a keverékb l. A készülékek felépítése hasonló a látható és ultraibolya színképtartományban használatos készülékekhez.
Egyéb molekulaspektroszkópiai módszerek
Raman spektroszkópia – a molekulák forgási átmenetein alapul. Elektron-spin rezonancia (ESR) spektroszkópia – az elektronok spin átmeneteihez kapcsolódó energiák mérésén alapul. Magmágneses rezonancia spektroszkópia (NMR) – az atommagok spin átmenetein alapul. Optikai rotációs diszperzió az optikai forgatóképesség hullámhosszfüggésén alapszik.
