Spektroanalitikai módszerek
Spektroanalitikai módszerek Bevezetés Az anyag és EM sugárzás kölcsönhatását a spektroszkópiai (spektrokémiai, spektrometriai, stb.) módszerek vizsgálják. H Hagyományosan á a spektroszkópia k kó i az anyag (minta) ( i ) által ál l elnyelt l l vagy kibocsátott sugárzással foglalkozik, de ma ide szokás sorolni az olyan vizsgáló módszereket is, amelyek elektromos vagy mágneses térrel manipulált részecskékkel foglalkoznak (pl. tömegspektroszkópia, MS). Leegyszerűsítve, a spektroszkópiai módszerek mindig spektrum-ot rögzítenek, ami alatt olyan grafikont értünk, amely az EM sugárzás intenzitását á á vagy a részcskék é é számát á á mutatja az energia függvényében. A spektrumokban a csúcsok intenzitása a koncentrációval, azok pozíciója pedig az anyagi minőséggel függ össze. A spektroanalitikai módszerek a legérzékenyebb és legszelektívebb analitikai módszerek közé tartoznak, ezért igen széles körben alkalmazottak.
1
Spektroanalitikai módszerek Bevezetés Az EM sugárzás fizikai jelenségekben egyfelől a mechanikai hullámokra jellemző tulajdonságokat mutat (visszaverődés, törés, interferencia, szóródás, stb.) ezért a hullámokra jellemző mennyiségekkel szokás jellemezni (pl. hullámhossz, frekvencia, sebesség, amplitúdó). Fő különbség azonban a mechanikai hullámokkal szemben, hogy az EM sugárzás nem igényel közeget a terjedéshez.
Spektroanalitikai módszerek Bevezetés Az EM sugárzás frekvenciáját a forrás határozza meg, és az állandó marad, függetlenül a közegtől, amelyen a sugárzás keresztül halad. A hullám terjedési sebessége ezzel szemben a közeg anyagi minőségétől és a hullámhossztól függ. Miként a hullámtanban általában, így itt is érvényes, hogy v= ν·λ (ahol v a terjedési sebesség). Vákuumban és levegőben v nagyon közeli érték c-hez („fénysebesség”).
A hullámszám (k,
ν) a cm-ben megadott hullámhossz reciproka.
2
Spektroanalitikai módszerek Bevezetés Másrészről az EM sugárzás olyan jellemzőket is mutat, ami alapján részecskékből (kvantumok, fotonok) állónak kell feltételeznünk. Ez szükséges pl. az abszorpciós és emissziós folyamatok értelmezéséhez. Ezeknél a folyamatoknál az EM sugárzást diszkrét energia adagokat tartalmazóként kell kezelni.
E = h⋅ν =
h⋅v λ
ahol h a Planck állandó (6,63·10-34 J·s) A sugárzási teljesítmény vagy intenzitás (P vagy I) a sugárzásnak wattban kifejezett energiája, ami eléri egy detektor adott felületét egységnyi idő alatt. Az intenzitás közvetlenül arányos a másodpercenként kisugárzott fotonok számával.
Spektroanalitikai módszerek Bevezetés A spektrokémiai módszerek csoportosítása többféle módon szokásos: pl. a vizsgált specieszek jellege (pl. atomvagy molekulaspektroszkópia), a sugárzási folyamatok jellege (pl. abszorpció, emissziós, stb.), vagy a sugárzás energiája szerint.
3
Spektroanalitikai módszerek Bevezetés A „hagyományos” (nem MS) spektroszkópiai módszerek során a mintát valamilyen energiaközlési forma (hő, elektromos, fény, ü kö é k vagy kémiai ütközések ké i i reakció) k ió) révén é é stimuláljuk. i lálj k Az A energiaközlés i kö lé előtt a minta alkotói (atomok, molekulák, stb.) jellemzően a legalacsonyabb energiájú állapotban (alapállapot) találhatók, az energiaközlés hatására pedig gerjesztés következik be. A spektroszkópiai módszerek által szolgáltatott információ általában a következő mérési módok egyike révén keletkezik: • • • • •
emisszió (a gerjesztés megszűnte után kibocsátott sugárzás) abszorpció (a gerjesztéshez szükséges energia) fotolumineszcencia (az EM gerjesztés hatására kibocsátott sugárzás) szórás (a gerjesztő sugárzás vagy részecskék szóródnak) tömeg (a gerjesztéssel előállított fragmensek „szétválogatása”)
Spektroanalitikai módszerek Emissziós spektroszkópia – a koncepció Emissziós spektroszkópiában a mérendő mintaalkotót gy kémiai energia g közlésével g gerjesztjük. j j A elektromos,, termikus vagy gerjesztett állapot megszűnésekor keletkező emissziós spektrumot rögzítjük.
4
Spektroanalitikai módszerek Emissziós spektroszkópia – a mérési séma
Spektroanalitikai módszerek Abszorpciós spektroszkópia – a koncepció
Abszorpciós spektroszkópiában a mérendő mintaalkotót egy külső forrásból származó EM sugárzással gerjesztjük. gerjesztjük A gerjesztés során a sugárforrás saját spektrumában gyengülni fognak azon frekvenciájú (hullámhosszúságú) komponensek, amelyeket a mérendő mintaalkotó elnyelt a gerjesztés során; ez adja az abszorpciós spektrumot.
5
Spektroanalitikai módszerek Abszorpciós spektroszkópia – a mérési séma
Spektroanalitikai módszerek Fotolumineszcencia spektroszkópia – a koncepció
Fotolumineszcencia spektroszkópiában a mérendő mintaalkotót sugárzás kibocsátására késztetjük külső forrásból származó EM sugárzással való gerjesztés révén. A rögzített spektrum a gerjesztő sugárzás frekvenciájától (hullámhosszától) függő emissziós spektrum. Két fontos alcsoport a fluoreszcencia és foszforencia spektroszkópia (különbség a gerjesztett állapot élettartamában van).
6
Spektroanalitikai módszerek Fotolumineszcencia spektroszkópia – a mérési séma
Spektroanalitikai módszerek Tömegspektroszkópia – a koncepció
Tömegspektroszkópiában ö egspe os óp á a a mintaalkotókat fragmentáljuk és ionizáljuk kémiai, termikus vagy elektromos energia segítségével, majd a keletkező ionokat elektromos vagy mágneses erőtérben való eltérítéssel szétválogatjuk (és megszámoljuk) az m/z viszonyszámuk alapján. Példaként a jobboldalon a levegő tipikus tömegspektruma látható.
N2+
N+ O+
O2+ H2O+
Ar+ CO2+
7
Spektroanalitikai módszerek Tömegspektroszkópia – a mérés sémája
A spektroanalitikai műszerek felépítése
8
Spektroanalitikai módszerek Optikai (IR/Vis/UV) spektroszkópia - anyagok A mintatartóknak, ablakoknak, lencséknek, hullámhossz szelektív elemeknek olyanoknak y kell lennük,, amelyek y a vizsgált g tartományban y átengedik az EM sugárzást.
Spektroanalitikai módszerek Optikai (IR/Vis/UV) spektroszkópia - mintatartók
küvetták
9
Spektroanalitikai módszerek Optikai (IR/Vis/UV) spektroszkópia - sugárforrások A legtöbb spektroszkópiai mérési mód sugárforrást igényel, amelynek stabilnak és a kibocsátott sugárzásnak intenzívnek kell lennie. Hullámhossz jellemzők szempontjából a sugárforrás lehet „folytonos” vagy „vonalas”. Egy másik osztályozási szempont az időbeli viselkedés: eszerint vannak folyamatos és impulzus üzemű sugárforrások.
continuum spectrum
line spectrum
Spektroanalitikai módszerek Folytonos spektrumot kibocsátó UV/Vis sugárforrások
Az UV tartományban tipikusan hidrogén vagy deutérium lámpákat alkalmazunk (bal oldal), míg a Vis tartományban volfrám lámpákat (jobb oldal). A wolfrám lámpák szokványos izzólámpák. A D2 vagy H2 lámpák tölté töltése a kisnyomású ki á ú hidrogéngáz, hid é á amit elektromos energiával gerjesztenek. A gerjesztett molekula disszociál két H atomra és egy változó energiájú UV fotonra.
10
Spektroanalitikai módszerek Folytonos spektrumot kibocsátó IR sugárforrások
A folytonos IR sugárforrások általában inert szilárd anyagok, anyagok amelyeket erősen hevítünk. Ilyen anyag a „globar” lámpában található SiC rúd, vagy a 85% ZrO2–ot és 15% YO2–ot tartalmazó hengeres „Nernst sugárzó . sugárzó”
Spektroanalitikai módszerek Vonalas spektrumot kibocsátó UV/Vis sugárforrások Az egyik legfontosabb ilyen sugárforrás az üregkatód lámpa. Ennek üreges g katódja j a kérdésés fémből vagy gy annak vegyületéből gy készül. Többszáz voltos feszültséget kapcsolva a katód és anód közé, azok között elektronok kezdenek áramlani, ami a kisnyomású nemesgáz töltet atomjait ionizálják, amelyek kationjai aztán a katód (-) anyagát bombázzák. A leporlasztott atomok ütközési gerjesztéséből származik az emittált vonalas spektrum.
11
Spektroanalitikai módszerek Vonalas spektrumot kibocsátó UV/Vis/IR sugárforrások A lézerek működése stimulált emisszión alapul, amelyet egy alkalmas anyagban megfelelő pumpálással létrehozott populáció inverzió tesz l h ő é lehetővé.
A lézerfény jellemzői: • kollimáltság • igen nagy intenzitás • nagyfokú monokromatikusság • impulzus vagy folyamatos üzem • koherens
Spektroanalitikai módszerek Monokromátorok Czerny-Turner
Bunsen
12
Spektroanalitikai módszerek Foton detektorok az UV/Vis tartományban – a PMT Fotocső
Fotoelektron-sokszorozó (PMT)
Alkálifém vagy fémoxid (Cs-Sb) fotokatód
90 V vagy több
Minden dinóda kb. 100 V-tal pozitívabb potenciálon Dinódák szekunder elektronokat produkálnak
A fotoelektron-sokszorozók igen érzékeny és gyors detektorok széles dinamikus tartománnyal (pl. 109 erősítés, dinamikus tartomány 9-10 nagyságrend, stb.)
Spektroanalitikai módszerek Foton detektorok – a félvezető fotodióda Adlékolt Si félvezető
fotodióda
Zárófeszültség (reverse bias) mellett fény nélkül a vezetési áram igen csekély (nA-µA). Megfelelően energikus fotonok beérkezése esetén azonban a lyuk/elektron párok keletkeznek, amelyek töltséhordozókat (áramot) produkálnak, ami arányos lesz a fotonok számával.
IR tartományban InGaAs félvezető szükséges
13
Spektroanalitikai módszerek Többcsatornás félvezető foton detektorok
Fotodióda sor (PDA)
Lináris PDA vagy CCD
Töltéscsatolt eszköz (CCD)
Spektroanalitikai módszerek Foton detektorok az IR tartományban Az IR tartományban a fotonok melegítő szükséges. A detektorok négy fő csoportja:
hatásának
érzékelése
A bolométerek igen vékony fekete fémesen vezető rétegek (pl. Pt „korom”, Sb, stb.), amelyek elhanyagolható reflektivitással rendelkeznek. A melegedés megváltoztatja a fémes vezető ellenállását. A termoelem két, különböző anyagi minőségű fémszálból összeforrasztott elem, ami feszültségjelet szolgáltat a hőmérséklet emelkedés hatására Félvezető detektorok, mint pl. InGaAs. A Golay cella egy pneumatikus cella, amiben Xe gáz tágul/húzódik össze az IR sugárzás hatására és ez egy vékony tükör deformációja miatt egy belső fénynyalábot eltérít eredeti irányából.
14
A spektroanalitikai módszerek alapvető törvényszerűségei
Spektroanalitikai módszerek A Lambert-Beer törvény Ha egy monokromatikus EM sugárzás párhuzamos nyalábja esik egy elnyelőképes mintára, akkor a sugárzás intenzitása az áthaladáskor gyengül. A transzmittancia (T) és abszorbancia (A) definíciója:
T=
I I0
A = lg
I0 = − lg T I
A Lambert-Beer törvény azt mondja ki, hogy A egyenesen arányos a minta rétegvastagságával és az elnyelő komponens koncentrációjával:
A = ε ⋅c ⋅l A képletben ε a moláris abszorpciós tényező, c a moláris koncentráció és l a rétegvastagság cm-ben. Jegyezzük meg, hogy mind A, mind ε a hullámhossz függvénye.
15
Spektroanalitikai módszerek Az abszorpciós spektrum Az abszorpciós spekrum az abszorbanciát mutatja a hullámhossz (hullámszám vagy frekvencia) függvényében. Ha minden más rögzített, akkor ez gyakorlatilag
ε(λ) -ot mutatja.
A KMnO4 Vis tartományú abszorpciós spektruma különböző koncentrációk esetén
Spektroanalitikai módszerek Abszorpció többkomponensű mintában Az abszorpció additív sajátság. Eszerint:
A total = ΣAi = Σ(εi ⋅ ci ⋅ l) = l ⋅ Σ(εi ⋅ ci )
abszorbancia
A folytonos színes görbék a komponensek saját elnyelési spektrumai. A szaggatott vonal az elegy spektruma.
nm
16
Spektroanalitikai módszerek Derivatív spektroszkópia Más analitikai módszerekhez hasonlóan spektroszkópiában is alkalmazható a görbe (spektrum) deriváljának számítása, ami finom részleteket, apró változásokat is jól észlelhetőve tesz.
Spektroanalitikai módszerek Eltérések a Lambert-Beer törvénytől, és azok okai 1. Koncentráció korlát Érvényesség korlátozott a koncentráció tekintetében; csak kb. 0.01 M alatti koncentrációknál lehet a komponensek közötti kölcsönhatást elhanyagolni. 2. Kémiai eltérések. Ha az elnyelő komponens asszociációt, disszociációt szenved, vagy reakcióba lép az oldószerrel, akkor a keletkező termék már másképpen fog abszorbeálni. A jobboldali példában HA nem pufferolt oldatának esete látható. Nagyobb koncentrációk esetén a disszociáció visszaszorul…
A-
HA
17
Spektroanalitikai módszerek Eltérések a Lambert-Beer törvénytől, és azok okai 3. Műszerrel kapcsolatos eltérések. A törvény csak monokromatikus sugárzásra és szórt fény kizárása esetén érvényes. A valóságban a spektrométerek mindig „tökéletlenek”, hiszen valamekkora sávszélességgel és szórt fénnyel rendelkeznek.
Polikromatikus sugárzás hatása
Szórt fény hatása
Spektroanalitikai módszerek Eltérések a Lambert-Beer törvénytől, és azok okai Nem specifikus sugárzási veszteségek (pl. szórás, visszaverődés) és a küvetták közötti különbségek g szintén okozhatnak eltéréseket. Pl. a küvetta falának reflexiós vesztesége 8-10%, amit híg oldatoknál korrekcióba kell venni…
18
Spektroanalitikai módszerek Eltérések a Lambert-Beer törvénytől, és azok okai … ezt a korrekciót vakoldattal való korrekciónak hívják. Ennek alapja, hogy először ugyanabban (vagy egy hasonló) küvettában vakoldatot mérnek meg (ami csak az oldószert tartalmazza), és így korrekcióba tudják venni az oldószer saját elnyelését és a küvetta veszteségeit.
A = lg
I0 Itrue
Iblank = I0 − Ilosses Isample = Itrue − Ilosses Ilosses = I0 − Iblank Isample = Itrue − I0 + Iblank Itrue = Isample + I0 − Iblank
Spektroanalitikai módszerek Egysugaras/kétsugaras spektrométerek
A vakkorrekció egysugaras spektrométerben azt igényli, hogy a vakoldatot és a mintaoldatot egymás után, után ismételten mérjük. mérjük Kétsugaras spektrométereknél ez a mérés párhuzamosan történik.
Egysugaras spektrométer
Kétsugaras spektrométer
19
