UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Analitikai információ az UV/Vis tartományban A fényelnyelés oldatokban az UV/Vis tartományban főként a molkulapályák közötti, illetve fémionok d-d pályái közötti vegyérték elektronátmenetektől l k á k ől származik á ik az abszorpció. b ió Mivel egy molekula elektronjai közül igen sok található közel azonos energiaállapotban egy oldatban, ezért itt az UV/Vis abszorpciós spektrum széles sávokként jelenik meg (50-200 nm szélesség).
A hasznos hullámhossz tartomány praktikus okokból a kb. 190 nm és 800 nm közötti tartományra korlátozódik (küvetták, oldószerek, stb.)
1
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szerves molekulák elnyelése Szerves molekulák esetében az UV/Vis abszorpció főként a n Æ π* és π Æ π* átmenetektől származik. Más átmenetek (pl. σ Æ σ* és n Æ σ*) általában nem gerjesztődnek a 190-800 nm tartományban, ezért aztán egyszeres C-C kötések vagy izolált kettős kötések tipikusan nem jelennek meg az UV/Vis abszorpciós spektrumban.
Ezen átmenetek hullámhossza túl alacsonya ahhoz, hogy láthassuk őket az UV/Vis spektrumokban
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szerves molekulák elnyelése A kromofór a molekulának azon része, amely az UV/Vis fényelnyelés többségéért felelős. Szerves molekuláknál ezek főként konjugált kettős kö é k hármas kötések, há kö é k és kötések é heteroatomos h kö é k (az kötések ( utóbbi óbbi a nemkötő elektronok miatt).
2
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szerves molekulák elnyelése Érdemes ugyanakkor megjegyezni, hogy az elnyelési sávok pozíciója mintáról-mintára a spektrumban kismértékű variációt mutat a szerkezet k külö b é i illetve különbségei, ill az oldószer ldó esetleg l eltérő l é ő jellege j ll miatt. i Az oldószer hatást az okozza, hogy az elnyelő komponens molekulájának akár az alap-, akár a gerjesztett állapotában felléphet az oldószerrel kölcsönhatás (vörös és kék eltolódás, eltolódás 10 10-20 20 nm). nm) Másrészről, pl. egy poláris oldószer egy poláris oldott anyaggal jobban kölcsönhat, ami a finom spektrumcsúcsokat elkeni a spektrumban. (lásd: a fenol példája a jobb oldalon).
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szervetlen specieszek elnyelése
Az átmeneti fémionok és komplexeik oldata általában színes, mivel elnyelik a fényt a Vis tartományban. Az abszorpció oka az elektron gerjesztés a betöltetlen és betöltött d-d pályák között (ritkaföldfém ionoknál 4f-5f 4f 5f átmenet). átmenet) Az energiakülönbség (elnyelési hullámhossz) az oxidációs állapottól és a koordinatíve kötött ligandumtól függ.
3
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások Kvantitatív alkalmazások a Lambert-Beer törvényt alkalmazzák a koncentráció meghatározására. g Az ε ismeretében c közvetlenül számítható, de gyakoribb a kalibráció alkalmazása. Az érzékenység fokozható a szokásosnál (1 cm) hosszabb küvetták használatával. Direkt meghatározás lehetséges, ha a mérendő intenzíven elnyel az UV/Vis tartományban (pl. KMnO4).
komponens
Gyakoribb y a kémiai konverzióval történő meghatározás, g , amikor a mérendő komponenst jól abszorbeálóvá alakítjuk egy kvantitatív kémiai reakcióval. Ez történhet kromofor hozzákapcsolásával vagy oxidációval/redukcióval. A lehetőségek köré igen széles, mivel ez a módszer nem csak szerves molekulákon, de szervetlen vegyületeken, ionokon is alkalmazható. Fontos előny, hogy a kémiai reakcióval fokozható a szelektivitás.
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások mérendő
reagens
színtelen
sárga
mérendő
reagens
színtelen
színtelen
jodátionok meghatározása vöröses lila vöröses-lila
bíbor
fémionok konverziója: 2
2
reagens: dietil-ditiokarbamát
reagens: difenil-ditiokarbamát
4
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások
Zöld szín, abszorpció 630 nm-en o-toluidin
5
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások Oldatban a kvalitatív alkalmazások köre korlátozott, mivel az elnyelési sávok szélesek, és pozíciójuk változékony (befolyásolja pl. asszociáció, pH, H oldószer, ldó stb.). b ) A minőségi i ő é i analízis lí i ezért é ál láb általában ké i i kémiai mintaelőkészítéssel (konverzió) végezhető el.
Benzol abszorpciós spektruma különböző közegekben
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások – izobesztikus pont Sok molekula esetében a protonált és nem protonált forma fényelnyelése erősen különböző. A pH függvényében felvett spektrumok k k fix fi (metszés)pontját ( é ) já nevezzük ük izobesztikus i b ik pontnak. k Ha H ebből egyet találunk, az bizonyítja, hogy a vegyületnek csak két speciesze található az oldatban. Ez a célszerű hullámhossza a kvantitatív méréseknek is… fenol vörös
izobesztikus pont
benzo-azo-difenilamin
6
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások – egyensúlyi állandó mérése Ha szelektív spektrofotometriás mérés útján mérni tudjuk egy egyensúlyi folyamatban szereplő PX és X komponenseket, P + X ↔ PX
K=
[PX] [P][X]
akkor K értékét meghatározhatjuk a Scatchard módszerrel spektrofotometriásan. Ehhez egy oldatsorozathoz, ahol [P]= P0 konstans, X növekvő mennnyiségeit adjuk. Mivel [P]= P0 - [PX], így [PX] = K ⋅ (P0 − [PX]) [X]
vagyis [PX]/[X] ábrázolásával [PX] függvényében egy egyenest kapunk, amelynek meredeksége éppen K.
UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások – spektrofotometriás titrálás UV/Vis (vagy akár bármilyen más spektrometriai eljárás) használható titrálások végpontjelzésére is, ha a reakció kromofort fogyaszt vagy termel. Példaképpen említhetők sav/bázis titrálások indikátor jelenlétében, vagy a komplexometriás titrálások. Ezzel szemben csapadékos titrálások általában nem jól követhetők spektrofotometriás módon…
Bi3+/Cu2+ ionok elegyének meghatározása spektrofotometriás titrálással 745 nm-en Cu-EDTA intenzíven elnyel, de a szabad EDTA vagy Bi-EDTA nem
7
IR abszorpciós molekula spektroszkópia
IR abszorpciós molekula spektroszkópia Vibrációs és rotációs átmenetek Az IR (és részben MW) tartományba eső EM sugárzás nem hordoz elegendő energiát ahhoz, hogy az elektronokat gerjessze egy molekulában, á ehelyett a forgási á é rezgési és é energiaállapotok á között történő átmeneteket indukálja („rugómodell”). A formaldehid vibrációs állapotai:
Tehát pl. 1251 cm-1 hullámszámú IR sugárzás a formaldehid molekula asszimmetrikus hajlító rezgését gerjeszti, annak amplitúdóját növeli. A MW sugárzás a molekula forgási sebességét növeli, stb.
8
IR abszorpciós molekula spektroszkópia Normálrezgések Általában egy nemlineáris n atomos molekulában 3n-6 vibrációs állapot és 3 rotációs állapot lehetséges (formaldehidnél: 3×4-6=6). Egy lineáris molekula 3n-5 vibrációs és 2 rotációs állapottal rendelkezik. Ezeket a rezgésállapotokat normálrezgéseknek nevezzük. A normálrezgéseket két fő csoportba soroljuk: a vegyértékrezgések a molekula egyes kötései mentén való (annak megnyúlásával-összehúzódásával járó) rezgéseket jelentik, míg a deformációs rezgések a molekula kötésszögeinek megváltozását okozzák.
IR abszorpciós molekula spektroszkópia Karakterisztikus sávok Mivel nincs két teljesen egyforma molekula (a kapcsolódó atomok tömege és kötéserőssége változó), ezért hullámhossza/~száma az abszorbeált sugárzásnak jellemző a molekulára nézve, vagyis abból kvalitatív információ nyerhető. Mivel azonban a szerves molekulák elég hasonlóak egymáshoz, ezért a legjellegzetesebb abszorpció olyan molekula részletektől származik, amelyekben többes kötések, heteroatomok fordulnak elő. Ezeket karakterisztikus sávoknak vagy csoportfrekvenciáknak nevezzük.
9
IR abszorpciós molekula spektroszkópia Karakterisztikus sávok
IR abszorpciós molekula spektroszkópia Összefüggések Az infravörös színképben csak azok a sávok fognak megjelenni, amely energiához tartozó intramolekuláris mozgásállapot-változás a molekula dipólusmomentumát megváltoztatja (IR kiválasztási szabály). Az elektronikus és vibrációs, rotációs átmenetek egymással összefüggnek; a magasabb energiájú, elektron átmenettel járó folyamat magával hozza a többi állapot megváltozását is. Az IR abszorpciós spektrumban általában viszonylag széles sávokat találunk (az UV sávoknál keskenyebbek), mivel a rotációs és vibrációs energiaállapotok igen közel esnek egymáshoz. Könnyen lehetséges közöttük energiaátvitel pl. ütközési folyamatok révén. A spektrumot befolyásolja a hőmérséklet és az oldószer is.
10
IR abszorpciós molekula spektroszkópia A mintaelőkészítés Az IR spektroszkópia nagy körültekintést igénylő művelete ű a mintaelőkészítés. A gondot az jelenti, hogy az IR tartományban az UV/Vis tartományban szokásos üveg, műanyag, kvarc küvetták itt nem megfelelőek mert saját IR megfelelőek, abszorpciójuk is jelentős. Hasonlóan problémás az oldatkészítés is, hiszen az oldószereknek maguknak is van elnyelése (lásd táblázat a jobb oldalon).
IR abszorpciós molekula spektroszkópia A mintaelőkészítés A küvetták ezért általában összetett szerkezetek, amelyek ablakai szervetlen sókból (pl. NaCl, LiF, KBr) készülnek. Feltöltésük oldatmintával egy fecskendővel történik (lásd jobb oldali ábrát). A sóablakokat a nedvességtől (víztől) óvni kell. A kiszárított szilárd mintákat porított állapotban alkalmas sóval (pl. KBr) vagy kötő-anyaggal (pl. Nujol paraffinolaj) szuszpenzióvá keverjük, majd a mérőcellát megtöltjük vele, esetleg tablettát készítünk belőle.
11
IR abszorpciós molekula spektroszkópia Alkalmazások
Az IR spektroszkópia fő alkalmazási területe a kvalitatív analízis lí i (f k ió csoportok, (funkciós t k heteroatomok, h t t k stb. tb jelenlétének j l lété k kimutatása, szerkezet-valószínűsítés, stb.). Kvantitatív analízis is lehetséges, de ezt nehezíti a mérőcellák degradálódása, a mérési körülmények rossz reprodukálhatósága (a mérőcella effektív vastagsága sokszor csak 1-2 mm, a mintaelőkészítés egyedi, stb.) A kvantitatív analízis a nehézségek ellenére ígéretes ugyanakkor, mivel a legtöbb vegyületnek van viszonylag keskeny elnyelési sávja az IR tartományban. A kvantitatív meghatározás ritka, inkább szenzorokban valósul meg.
Raman (molekula) spektroszkópia
12
Raman (molekula) spektroszkópia A jelenség A Raman egy szórási jelenség (a felfedezőjéről elnevezve), amelynek jjellegzetessége, g g hogy gy a molekulára bocsátott EM sugárzás g a nemcsak elasztikusan, vagyis változatlan hullámszámmal szóródik (Rayleigh szórás) a molekulán, hanem inelasztikusan is. Sőt, nem csak a gerjesztő sugárzásnál kisebb hullámszámokon (Stokes vonalak), hanem annál nagyobb hullámszámokon is (Anti-Stokes vonalak) detektálhatunk szórt sugárzást, igaz az utóbbi esetben a vonalak gyengébbek. Az energiakülönbség rezgési energiaszinteknek felel meg.
Raman (molekula) spektroszkópia Kapcsolat az IR spektroszkópiával
A Raman spektroszkópia kiválasztási szabálya az, hogy a molekula polarizálhatóságának kell változnia a rezgési állapotváltozás során; csak ebben az esetben ad az adott rezgési átmenet csúcsot a Raman spektrumban. Homonukleáris diatomos molekulák pl. nem IR aktívak, de Raman aktívak. Egy gyakorlati megfigyelés szerint, ha szimmetria centrum van a molekula szerkezetében, akkor ahol az egyik spektrum intenzív, ott a másik gyenge. gyenge Ez azt jelenti, jelenti hogy az IR és a Raman spektroszkópia jól kiegészíti egymást és pl. szimmetria centrumok kimutatására együttesen nagyon alkalmasak.
13
Raman intenzitás
IR transzmisszió
Raman (molekula) spektroszkópia Kapcsolat az IR spektroszkópiával
2,5-diklór-acetofenon IR és Raman spektruma (megj.: egy Raman spektrum vízszintes tengelyén a vonalak gerjesztő sugárzáshoz képest mért relatív hullámszáma van mindig feltüntetve; „Raman shift”)
Raman (molekula) spektroszkópia Gyakorlati szempontok
A Raman spektroszkópia nagy előnye, hogy nem szükséges speciális küvettában tartani a mintát és hogy a gerjesztő sugárzás hullámhossza megválasztható (csak a shift számít). A Raman spektrumok intenzitása nagymértékben függ a gerjesztő sugárzás intenzitásától, ezért ma csak fókuszált lézerfényt használnak gerjesztésre. Optimálisan a lézerfény hullámhosszát úgy állítják be, hogy az egy elnyelési maximum közelébe essen (Vis vagy IR gerjesztés) és hogy a minta fluoreszcenciája minimális legyen (hátté j l!) (háttérjel!). Gázok, oldatok és szilárd minták egyaránt mérhetők, azonban a minta lokális felmelegedését el kell kerülni (pl. a minta forgatásával vagy az oldatok keringető pumpálásával). Oldatok esetében mM koncentrációk is jól mérhetők.
14
Lumineszcencia spektroszkópia
Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópia A jelenség
Fotolumineszcencia alatt azt a jelenséget értjük, amikor egy anyag y g UV vagy gy Vis sugárzás g hatására gerjesztődik g j (elektrongerjesztés), majd az elnyelt energiát fény formájában, az elnyelttel azonos vagy nagyobb hullámhosszúságon sugározza ki. A fotolumineszcencia molekulák, atomok és ionok esetében is megfigyelhető, de itt csak molekulák lumineszcenciájával foglalkozunk. Leggyakrabban az elektron a gerjesztést követően ns-µs időn belül relaxál, az emisszió megszűnik. Ezt a fajta fotolumineszcenciát fl fluoreszcenciának iá k nevezzük. ük Amennyiben A ib az emisszió i ió nem szűnik ű ik meg azonnal a megvilágítás beszüntetésével, hanem az µs-tól mintegy 100 másodpercig terjedő ideig, csökkenő intenzitással folytatódik, akkor foszforeszcenciával van dolgunk. A kémiai analízis gyakorlatában leginkább a fluoreszcenciának jut szerep.
15
Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópia Az emittált intenzitás
Kvantum hasznosítási tényezőnek nevezzük az emittált és az abszorbeált fotonok számának hányadosát. y Mivel a fluoreszcencia emisszió hatékonyságához az kell, hogy más energiatárolási módokra minél kisebb hányada tevődjön át az abszorpció útján felvett energiának, ezért érthető, hogy általában azok a molekulák mutatnak intenzív fluoreszcenciát, amelyek aromás jellegűek vagy többszörösen konjugált kettős kötést tartalmaznak, továbbá merev, sík szerkezetűek (pl. naftalin, antracén, fenantrén). M Megmutatható, t th tó hogy h a fluoreszcenciás fl iá sugárzás á á intenzitása i t itá arányos á a gerjesztő sugárzás intenzitásával. Közelebbről:
Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópia Az önabszorpció
A koncentrációtól való lineáris függés csak híg oldatokban, oldatokban közelítőleg a 10-4-10-8 mol/dm3 tartományban teljesül; ezt jelentősen meghaladó koncentrációk esetén a kalibrációs görbe visszahajlását tapasztaljuk, aminek sok esetben az önabszorpció az oka (a fluoreszkáló komponens p sok esetben képes a maga által kibocsátott fényt elnyelni; ez a rezonancia fluoreszcencia). A fluoreszcencia intenzitását gyakran befolyásolja az oldat pHja és az oldószer anyagi minősége is.
16
Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópia Összefüggés az abszorpciós spektrummal
Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópia A műszer felépítése és alkalmazása
Luminescence at many wavelengths
A fluoreszcencia spektroszkópia a gyakorlatban igen szelektív és érzékeny módszer, ami a gerjesztő fény nagy intenzitásának és a kettős monokromátornak köszönhető. Széles körben alkalmazzák kvantitatív analitika célra (pl. gyógyszerek, növényvédőszerek, klinikai minták, élelmiszerkomponensek, stb. elemzése).
17
Tömegspektroszkópia
Tömegspektroszkópia A koncepció
A tömegspektroszkópia az atomok,, molekulák és molekula fragmensek tömegét vizsgáló (meghatározó) módszer, amelynek lényege, hogy a vizsgálandó molekulákat ionizálják, majd azokat m/z viszonyszámuk alapján egy tömeganalizátor li át szétválogatja. ét ál tj A keletkező tömegspektrumban a fragmensek tömege alapján a molekula szerkezete, minősége meghatározható.
18
Tömegspektroszkópia Elektron gerjesztéses és kémiai ionizáció (EI és CI) Az ionizáció történhet felgyorsított elektronokkal való ütközés révén (EI), vagy reaktív ionokkal (pl. metánból előállított CH5+) való ütközés révén (CI). (CI) A két módszer közül az EI általában összetettebb spektrumot eredményez. A CI tömegspektrumban legtöbbször megtalálható az MH+ ion (a legnagyobb tömegű ion, ami az azonosítást segíti), míg az EI spektrumban nem, mivel fragmentálódik.
Tömegspektroszkópia Electrospray mintabevitel és ionizáció
Nagy molekulák esetén bevált mintabeviteli és lágy ionizációs eljárás az electrospray. Ez a folyadék mintát apró cseppekre szakítja nagyfeszültség segítségével. A tömegspektrum egyszerű felépítésű lesz, mivel csak protonált formák keletkeznek.
19
Tömegspektroszkópia A spektrumok kiértékelése A tömegspektrumok értelmezése nem egyszerű. A kiértékelés é é é egyik nehézségét é é é a többféle é módon ó megvalósuló ó ó fragmentáció okozza, ami miatt minden molekulának többféle „lány” ionja keletkezik. Minél összetettebb az eredeti molekula, annál többféle fragmens keletkezik. A másik nehézséget az izotópok okozzák. Minden molekulaionfragmens az alkotó elemeknek a természetes gyakoriságnak megfelelő többféle izotópjából épül fel. Ez többszörösére növeli az ionok számát a spektrumban hiszen az izotópok összes kombinációja előfordul majd spektrumban, benne. A csúcsok intenzitása arányos lesz az izotópgyakorisággal és persze az eredeti minta („anya”) molekula koncentrációjával. Az elmondottak miatt a tömegspektroszkópiát összetett minták elemzésére a módszer nem használatos, inkább tiszta (elválasztástechnikai módszerrel előzetesen megtisztított) komponensek azonosítására alkalmazzák.
20
