SPEKTROSKOPSKE METODE Spektroskopija koristi apsorpciju, emisiju, ili rasipanje elektromagnetskog zračenja od strane tvari u svrhu kvalitativnih i kvantitativnih ispitivanja materije ili studija fizikalnih procesa. Kao tvari mogu biti atomi, molekule, ioni atoma ili molekula ili čvrste tvari. Interakcija zračenja s tvari može izazvati prijelaze između energijskih stanja atoma ili molekula rezultirajući s tri glavna procesa: apsorpcijom, emisijom, fluorescencijom.
1. Apsorpcija:Proces u kojem se energija svjetlosti (fotona) prenosi na atom ili molekulu prevodeći ga iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje. 2. Emisija:Kad se tvar (atom ili molekula) zagrijavaju na visoku temperaturu (putem plamena ili električnog pražnjenja) elektroni se pobuđuju na viši energetski nivo. Kasnije, njihov povratak u osnovno stanje praćen je emisijom zračenja (uglavnom toplinskog zračenja). 3. Fluorescencija:Ponekad je povratak atoma ili molekule iz pobuđenog stanja (izazvanog procesom apsorpcije) u osnovno stanje praćen emisijom zračenja iz vidljivog dijela spektra (pobuđivanje se uglavnom izvodi UV zračenjem). Zašto je crvena otopina, crvena? Crvena otopina apsorbira zelenu komponentu ukupnog bijelog zracenja, a propusta crvenu komponentu( komplementarne boje)
SVJETLOST –OSNOVNE VELIČINE -
osnovne veličine su val i čestica Svjetlost je elektromagnetsko zračenje s valno-čestičnim obilježjem, odnosno svjetlost je po naravi dvojaka.
-
Tijekom putovanja od izvora do tijela pokazuje valna svojstva, ponaša se kao val. Valna svojstva o kojim smo govorili su odbijanje, lom, interferencija, ogib i polarizacija.
-
U međudjelovanju s tijelima svjetlost pokazuje materijalnu narav, djeluje kao da se sastoji od sitnih čestica koje su nazvane fotoni. To je uočeno kod fotoelektričnog efekta, odnosno pojave izbijanja elektrona iz metala pomoću svjetlosti.
-
VALNA SVOJSTVA SVJETLOSTI
-
Ogib ili difrakcija svjetlosti
-
Ogib je svojstvo vala da skreću iza prepreke, odnosno javljaju se i iza prepreke ili obilaze prepreku.
-
Isto svojstvo pokazuje i svjetlost. Ogib svjetlosti možemo uočiti kada pustimo svjetlost na prepreku male debljine i promatramo njenu sjenu na zastoru koji nije suviše blizu prepreke. Debljina prepreke ne smij biti puno veća od valne duljine svjetlost. Vidimo da sjena nije oštrih rubova već se sjena sastoji od svijetlih i tamnih pruga. Svijetle pruge ukazuju da je svjetlost obišla prepreku. Tamne pruge ukazuju na slijedeće svojstvo-interferenciju.
-
Interferencija svjetlosti
-
Interferencijom valova nazivamo međudjelovanje valova. Kad se sretnu dva vala oni međusobnim djelovanjem jedan na drugog stvaraju novi val tako je amplituda novog vala zbroj amplituda pojedinih valova. Isto svojstvo pokazuju i zrake svjetlosti. Dakle zrake svjetlosti međusobno djeluju ili interferiraju. Dakle ponašaju se kao valovi. No da bi do djelovanje uočili mora doći do međudjelovanja potpuno istih zraka. Potpuno iste zrake su samo zrake iz jednog izvora. Dvije zrake iz dva različita izvora nisu iste te stoga kod njih ne opažamo interferenciju. Isti izvori se stručno zovu koherentni izvor. Interferencijom dviju svjetlosnih zraka može dakle nastati pojačana svjetlost ili oslabljena pa čak i tama. Na primjer dvije iste zrake svjetlosti susreću se na zastoru iza male prepreke ili uskog otvora uslijed ogiba. Zato sjena sitnog predmeta nije oštra već je to niz svijetlih i tamnih pruga. Da li će se dvije zrake pojačati ili poništiti ovisi o razlici puta što ga moraju prijeći od ruba prepreke do zastora. Ako izvor iz kojeg dolaze zrake nije jednobojan (monokromatski) već je to izvor bijele svjetlosti dolazi do interferencije pojedinih boja pa na zastoru vidimo samo pojedine boje. Polarizacija svjetlosti
-
Polarizirani valovi su valovi kod kojih se titranje odvija u jednoj ravnini. Takav je na primjer val na elastičnoj vrpci. Nepolariziranim valovima nazivamo transverzalne valove kod kojih se titranje odvija u svim ravninama. Elektromagnetski valovi, dakle i svjetlost pokazuju svojstvo nepolariziranog transverzalnog vala. Kada se od nepolariziranog vala načini polarizirani val kažemo da je došlo do polarizacije vala. Tako se i svjetlost prolaskom kroz neke materijale polarizira. Time takove tvari, koje zovemo polarizatori (polaroidi) propuštaju samo dio titranja, odnosno svjetlosti. Propuštamo li svjetlost kroz dva polaroida svjetlost će proći samo ako su oni u određenom položaju. Prirodni polaroidi su kristali kao kvarc i turmalin, a postoje i sintetički polaroidi. Do polarizacije svjetlosti dolazi i kod refleksije pri određenom kutu upadanja.
-
ČESTIČNA SVOJSTVA SVJETLOSTI Fotoelektrični efekt ili fotoelektrični učinak
-
To je svojstvo elektromagnetskog zračenja da iz metala izbija elektrone. Da li će do tog učinka doći ili ne, ne ovisi o tome koja je jačina ili količina tog zračenja. Svjetlost iz željeza na primjer neće nikada izbaciti niti jedan elektron bez obzira koliko je jak izvor i koliko dugo traje osvjetljavanje, odnosno koliko dugo svjetlost djeluje na željezo. Ovo je suprotno valnom svojstvu. Kada bi svjetlost djelovala na tijelo kao val tada bi do izbijanja elektrona nakon nekog vremena moralo doći. Da li će do fotoelektričnog učinka doći ili ne to ovisi o frekvenciji zračenja koje dolazi na neko tijelo. Nadalje je u pokusima primijećeno da brzina izbačenih elektrona također ovisi samo o frekvenciji zračenja, a ne o njegovoj jačini. Što je veća frekvencija zračenja to je i veća brzina izbačenih elektrona. Iz ovoga se može zaključiti da svjetlost u međudjelovanju s tijelima djeluje kao da je nešto materijalno, kao da u tijela udara pa ako je udarac dovoljno jak dolazi do izbijanja, a ako nije izbijanja nema. Ovo svojstvo zračenja objasnio je 1905. godine mladi fizičar Albert Einstein (Ajnštajn) tako što je tu primijenio Planckovu ideju o zračenju crnog tijela. Elektromagnetsko je zračenje prema Einsteinu roj čestica, koje su kasnije nazvane fotoni. To nije materijalna čestica već se tu pod česticom podrazumijeva određena količina energije ili kvant energije. Što je veća frekvencija zračenja to je i veća energija fotona. E = hf. h je Planckova konstanta i iznosi h=6,626 x10-34 Js Svaki metal ima svoj izlazni rad. To je ona količina energije koju mora primiti elektron tog metala da bi napustio metal. Dakle iz nekog metala može izbijati elektrone samo ono zračenje čiji fotoni imaju energiju veću od energije izlaznog rada za taj metal.
-
Izlazni rad se izražava u jedinici eV elektronvolt. 1eV=1,6x10-19 J.
-
Na primjer energija fotona zelene svjetlosti je:
-
E=6,626x10-34 Js x 5,45x1014 Hz =3,61x10-19 J = 3,61x10-19 /1,6x10-19 =2,256 eV To je dovoljna energija za izbijanje elektrona iz cezija jer je njegov izlazni rad 1,94 eV ali ne i za izbijanje iz željeza kojemu je izlazni rad 4,63 eV.
1. VALNA SVOJSTVA
Valni parametri: A - amplituda sinusoidnog vala - duljina električnog vektora do maksimumu vala p – period zračenja - vrijeme potrebno za prolaz uzastopnih maksimuma ili minimuma ν – frekvencija - broj titraja polja u sekundi 1/p - određena je izvorom i ostaje nepromijenjena bez obzira na sredstvo kojim zračenje prolazi νi – brzina kojom fronta vala prolazi sredstvom - ovisna o sredstvu i o frekvenciji (indeks i označava ovisnost o frekvenciji) λi – valna duljina - linearna udaljenost između dva uzastopna valna maksimuma (ili minimuma) ̅– valni broj - recipročna vrijednost valne duljine izražene u centimetrima (1/ λ)
Primjer: promjena valne duljine prolaskom svjetlosti iz zraka u staklo
2. ČESTIČNA SVOJSTVA Elektromagnetsko zračenje sastoji se fotona, čija je masa nula. Energija fotona ovisi o frekvenciji zračenja:
Elektromagnetsko zračenje Elektromagnetsko zračenje sastoji se od diskretnih paketa energije koji se zovu fotoni. Foton se sastoji od dvije komponente: a) oscilirajućeg električnog polja E i oscilirajućeg magnetskog pola M b) smjera širenja vala
-
Oba polja su međusobno okomita, i okomita su na smjer širenja vala
Elektromagnetski spektar -
Fotoni se, u odnosu na energiju koju posjeduju, klasificiraju u različita spektralna područja.
-
U svim tim područjima fotoni imaju istu elektromagnetsku prirodu, ali zbog svoje različite energije, i njihova interakcija s tvarima je vrlo različita.
-
Npr. ljudsko oko može jedino detektirati zračenje koje se nalazi u vidljivom dijelu spektra (otuda i naziv) 380-780nm
-
Ljubičasta:400 -420 nm Indigo:420 -440 nm Plava:440 -490 nm Zelena:490 -570 nm Žuta:570 -585 nm Narančasta:585 -620 nm Crvena:620 -780 nm
-
Elektromagnetsko zračenje karakterizirano je valnom duljinom i frekvencijom:
Spektar elektromagnetnog zračenja se dijeli na više dijelova. Podjela zavisi i od nauke koja koristi spektar. Općenita podjela je na: gama zračenje, rendgensko zračenje, ultraljubičasto zračenje, vidljivu svjetlost, infracrveno zračenje, mikrovalno zračenje i radiovalove -široko polje valnih duljina i energija: ( vrste kvantnih promjena i spektroskopije)
Beer-Lambert-ov zakon Opći oblik Beer-Lambert-ovog zakona:
A = apsorbancija aλ= apsorptivnost b = duljina puta zračenja kroz uzorak u cm c = analitička koncentracija Napomena:Beer-Lambert-ov zakon vrijedi samo za zračenje određene valne duljine (monokromatsko zračenje) Ako se koncentracija izražava kao molaritet, tada je Beer-Lambert-ov zakon:
ελ= molarna apsorptivnost (M-1cm-1) Ako je više specija (1, 2, … n) koje apsorbiraju svjetlo (zračenje) na određenoj valnoj duljini prisutno u uzorku, tada je ukupna apsorbancija
Eksperimentalna ispitivanja izvode se mjerenjem transmitancije T: -
Transmitancija je mjera količine neapsorbiranog zračenja
PI = intenzitet propuštenog zračenja kroz uzorak, P0 = intenzitet ulaznog (početnog) zračenja Odnos između A i T je:
Gubici zbog refleksije i raspršenja jer je neizbježno međudjelovanje zračenja i stjenki posudice. Takvi gubici mogu biti veliki. Može se primjerice pokazati da se refleksijom gubi otprilike 8,5% snopa žute svijetlosti pri vertikalnom prolazu zračenja kroz staklenu čašu napunjenu vodom. Nadalje uz refleksijske gubitke, raspršenjem na velikim molekulama ili nehomogenostima u otapalu može se smanjiti snaga snopa pri prolazu kroz otopinu. Za kopenzaciju tih učinaka najčešće se uspoređuje snaga zračenja snopa propuštenog kroz mjerenu posudicu punjenu otopinom koja apsorbira, sa snagom snopa koji prolazi identičnom posudicom punjenu samo otapalom.
Slika nam prikazuje snop paralelnog zračenja prije i nakon prolaza kroz sloj otopine debljine b (cm) i koncentracije c vrste koja apsorbira. Posljedica međudjelovanja fotona i čestica koje apsorbiraju jest smanjenje snage snopa P0 na P. Transmitacije T otopine definira se kao udio zračenja koji je prošao kroz otopinu: T=P/P0
Analitička primjena (kvantitativna analiza): mjerenje koncentracije analita neovisno o refleksiji, apsorpciji otapala ili drugim smetnjama, -Ps= energija izvora zračenja, -izmjerena transmitancija T odnosi se samo na uzorak, -ovisno o tipu instrumenta, referentno mjerenje (otapalo, gornja slika) može se mjeriti istovremeno sa mjerenjem uzorka (donja slika), -nepoznata koncentracija analita izračunava se iz Beer-Lambert-ovog zakona koristeći baždarnu krivulju
Baždarna krivulja -
pripremi se serija otopina određivanog sastojka poznatih koncentracija c1, c2, … cn(otopine standarda),
-
izmjere se njihove pripadajuće apsorbancije A1, A2, …An u odnosu na slijepu probu (blank), konstruira se krivulja A = f (c),
-
koncentracija nepoznatog uzorka očitava se iz krivulje
UV/VIS spektroskopija
Jednosnopni (single beam) UV-VIS spektrofotometar -
tekući uzorci se stavljaju u kivete (posude staklenih stijenki), čija širina, tj. udaljenost njihovih paralelnih stijenki, određuje duljinu puta svjetlosti kroz uzorak. Potrebno je izmjeriti snagu
ulazne zrake svjetlosti, prije i nakon prolaska kroz uzorak. U slučaju otopina, to se izvodi na način da se kao referentni uzorak koristi kiveta s čistim otapalom. Otapalo se mora nalaziti u kiveti od istog materijala i jednake debljine kao i uzorak. Tako su konstruirani
tzv.
jednosnopni spektrofotometri (single beam), a složeniji i pogodniji su dvosnopni uređaji (double beam). Zraka monokromatske svjetlosti se razdvoji na dva snopa pomoću zrcala (H), od kojih jedan prolazi kroz uzorak (J), a drugi kroz referentni uzorak (I). Snage oba snopa mjere se istodobno i uspoređuju.
JEDNOSNOPNI
SPEKTROFOTOMETAR:
:
DVOSNOPNI SPEKTROFOTOMETAR:
PRINCIP RADA:
Uređaji rade tako da volframova žarulja zrači stalnim intenzitetom (što se postiže
stabiliziranim napajanjem električne energije) te propušta bijelu svjetlost koja se na jednostavnoj reflekcijskoj rešetci difrakcijom razlaže na valne duljine boja. To zračenje dolazi do kivete sa uzorkom (ili referentrom otopinom) i pada na fotocijev koja detektira valne duljine uzorka. Zatvarač na uređaju služi da automatski spriječi zračenje detektora kada između nema kivete sa uzorkom. Uređaj za nadzor svjetlost regulira intenzitet snopa koji pada na fotocijev. FLUORESCENCIJA Kod apsorpcijske spektroskopije ekscitirani elektroni molekula vraćaju se u osnovno stanje otpuštanjem energije uglavnom u obliku topline. Pojedini spojevi aromatskog i heterocikličnog tipa
(većinom konjugirani sustavi) imaju sposobnost da pri ovom procesu emitiraju svjetlost i to obično veće valne dužine od apsorbirane. Ovaj proces se naziva fluorescencija. Fluoroscentna mjerenja su vrlo selektivna jer će emitirati svjetlost samo određene valne dužine ovisno o molekuli u otapalu. Drugim riječima, spoj koji fluorescira ima karakterističan apsorpcijski i fluorescentni spektar. Intenzitet fluorescencije ovisi o vrsti molekule, koncentraciji i o intenzitetu apsorbirane svjetlosti - što je potrebno znati prilikom eksperimentalnog rada. Osjetljivost fluorescentnih metoda je 200-300 puta veća od apsorpcijskih, što ih čini vrlo korisnim u radu sa spojevima koji fluoresciraju ili se kemijskim ili enzimatskim putem mogu prevesti u takve spojeve. FLUOROMETAR: Dijelovi su isti kao i za spektroskopiju UV/Vis-a . Fluorimetar kao i fotometar primjenjuje filter za valne duljine. Radi na principu da snop za uzorak najprije prolazi kroz primarni filtar ili monokromator, pri čemu se propušta zračenje koje uzrokuje fluorescenciju, a ograničava zračenje zračenje flourescencijskih valnih duljina. Najpogodnije je promatrati pod pravim kutom u odnosu na pobudni snop. Emitirano zračenje nakon prolaska kroz sekundarni filtar ili monokromator, kojima se mjerenje izolira fluorescencijski maksimum, dolazi do fotoelektričnog detektora. Pa referentni snop prolazi prigušivačem kojim se postiže smanjenje snage na vrijednost fluorescencijskogzračenja. Signali detektora se procesiraju s diferencijalnim pojačalom čiji se izlazni signal očituje na mjernoj ljestvici ili pisaču. Spektroskopija infracrvenog zračenja (IR spektroskopija) koristi infracrveno zračenje kao medij proučavanja.
Infracrveno zračenje emitiraju molekule zahvaljujući svojim vibracijama. Apsorbiranjem infracrvenog zračenja molekulske vibracije se pobuđuju, pa molekule počinju jače vibrirati. Zbog toga se infracrvena spektroskopija, zajedno s ramanovom spektroskopijom zove vibracijska spektroskopija. Slobodni atomi ne emitiraju infracrveno zračenje. Svaka molekula ima karakteristične vibracije, koje ovise o čvrstoćama veza i masama dijelova molekula koje vibriraju. Ta činjenica daje infracrvenoj spektroskopiji velike analitičke mogućnosti jer je moguće odrediti od kojih se funkcionalnih skupina molekula sastoji. Kako svaka molekula ima različiti infracrveni spektar, infracrvena spektroskopija se koristi pri identifikaciji tvari. Kako je toplinska energija molekula veća od energije vibracija, infracrveno zračenje emitiraju objekti zahvaljujći svojoj toplinskoj energiji. Valna duljina emitiranog zračenja ovisi o temperaturi prema zakonu crnog tijela. IR SPEKTROFOTMETAR - Kao izvor zračenja koriste se Nernstov ili Globarov štapić. to su komadi keramike koji se zagrijavaju na određenu temperaturu - Optički elementi se obično rade od kristala natrijevog klorida, kalijevog klorida i sličnih soli, a najčešće kalijevog bromida. litijev fluorid je proziran u najvećem dijelu spektra. Ovi materijali lako
reagiraju s vlagom iz zraka, pa brzo postaju zamućeni, pa ih je potrebno polirati prije upotrebe. Tekući uzorci se koriste između dviju pločica kalijevog bromida ili neke druge soli, u obliku tankog filma. Kruti uzorci se samelju u prah i pomiješaju s prahom kalijevog bromida. Dobivena smjesa se spreša u pastilu, koja se stavlja u spektrofotometar. Prah krutih uzoraka se može pomiješati i s organskom tekućinom i koristiti kao i tekući uzorak, ali tada se, prilikom analize spektara, treba paziti na dijelove spektra koje je uzrokovala organska tekućina. Vodene otopine se nikad ne koriste jer voda apsorbira infracrveno zračenje, a materijali od kojih su napravljeni optički elementi su jako topljivi u vodi. - Monokromator je najčešće optička rešetka, kao i kod spektroskopije vidljivog zračenja. Prizme se rijetko koriste jer moraju biti napravljene od kristala neke soli. - Detektor je termoosjetljivi otpornik, termistor. U specijalnim slučajevima se koristi bolometar: metalni balon ispunjen plinom. Promjena temperature, uzrokovana infracrvenim zračenjem se detektira promjenom volumena plina u balonu.
IZVORI ZRAČENJA -
dva tipa
-toplinsko zračenje:
OPTIČKE ĆELIJE (KIVETE) -
propusna područja materijala za izradu optičkih dijelova materijala:
-
Kvarcne, staklene, protocne, polistirenkse kivete za spektrofotometar. Mikro i makro kivete
-
-
-
SEKTORI VALNIH DULJINA FILTRI I MONOKROMATORI
EŠELENTNA REŠETKA -
difrakcijska rešetka
-
APSORPCIJA ELEKTROMAGNETSOG ZRAČENJA - ATOMSKA - MOLEKULSKA
Molekulska apsorpcijska spektroskopija •Temelji se na apsorpciji ultraljubičastog, vidljivog i infracrvenog zračenjaod strane ispitivanih specija. •Široko se primjenjuje za identifikaciju i određivanje brojnih anorganskih i organskih vrsta. •Primjenjuje se ponajprije za kvantitativnu analizu
•To je vjerojatno češće primjenjivana metoda u kemijskim i kliničkim laboratorijima svijeta od bilo kojeg drugog pojedinačnog postupka
Ultraljubičasta i vidljiva apsorpcijska spektroskopija Područje mjerenja:190 –900 nm Princip:UV i vidljivo zračenje energetski je dovoljno da vanjske elektrone podigne na viši energijski nivo. Primjena:kvantitativna analiza molekula ili anorganskih kompleksa u otopinama
Tipični spektar vidljivog zračenja: -
za otopinu tvari (1)
-
slijepu probu (2)
Energetski dijagram prikazuje promjene vezane uz elektromagnetsku apsorpciju zračenja
daleko IC (A)
blisko IC (B) UV VIS(C)
- Što je manja razlika u energiji između osnovnog i pobuđenog stanja, do apsorpcije dolazi pri većim valnim dužinama. - Najlakše se pobuđuju n-elektroni sa heteroatoma i π-elektroni višestrukih veza. - Za pobuđivanje σ-elektrona potrebna je velika energija.
- Zato se za mnoge spojeve elektronski prijelazi događaju u dalekom UV području koji uobičajni instrumenti ne mogu mjeriti. - U bližem UV i VIS području apsobriraju grupe i konjugiranji sustavi
APSORPCIJA ORGANSKIH VRSTA -odgovorne dvije vrste elektrona: -
zajednički(podijeljenji) koji izravno sudjeluju u stvaranju veze
-
nepodijeljeni vanjski elektroni koji su uglavnom smješteni oko atoma
- Valne duljine pri kojima organska molekula apsorbira ovise o jakosti kojom su njezini elektroni vezani - podijeljeni elektroni u jednostrukim vezama C-C ili C-H tako su čvrsto vezani da za njihovo pobuđivanje treba puno energije (ispod 180 nm) - spojevi sa dvostrukim ili trostrukim vezama općenito imaju upotrebljive apsorpcijske maksimume u lako dostupnom UV području jer su elektroni u nezasićenim vezama relativno slabo vezani, te se lako pobuđuju. - Nezasićene organske funkcionalne skupine koje apsorbiraju u UV VIS području nazivaju se kromoforima. Aromatski prstenovi dobro apsorbiraju UV zračanje
-U organskim molekulama koje sadrže samo jednu dvostruku vezu, kao što su alkini apsorpcije uzrokovane π –π* prijelazom nalaze se u dalekom UV području –oko 180 nm -konugacija dvostrukih veza smanjuje potrebnu energiju prijelaza i apsorbancija se pomiće prema većim valnim duljinama (karakteristika i za karbonilne spojeve) prijelaz n–π* i π –π*
APSORPCIJA ANORGANSKIH VRSTA apsorpcijski spektri nalik su onima organskih spojeva, sa širokim apsorpcijskim maksimumom imalo fine Strukture -prve dvije skupine prijelaznih metala -obojeni barem u jednom ako ne u svim oksidacijskim stanjima -razlog su prijelazi elektrona između popunjenih i ne popunjenih d-orbitala PRIMJERI: Cu2+, Cr2O72- ,Co2+, Ni2+
APSORPCIJA PRIJENOSA NABOJA -
važna za kvantitativne svrhe zbog neobično visokih vrijednosti molarnih apsorptivnosti (>10 000), što dovodi do velike osjetljivosti određivanja
-
mnogi organski i anorganski kompleksni spojevi podliježu takvoj vrsti apsorpcije –kompleksi s prijenosom naboja
-
kompleksi s prijenosom naboja sadrže skupinu donora elektrona vezanu za akceptor elektrona –tokom apsorpcije, elektron se iz donorske skupine premješta na akceptorsku
-
pobuđeno stanje je rezultat neke vrsta unutarnjeg oksidacijsko redukcijskog procesa
-
to je razlika između njih i ponašanja organskih kromofora u kojima se pobuđeni elektroni nalaze u molekulskoj orbitali podjeljenoj između dva ili više atoma
-
ponekad kompleks može disocirati i pritom nastaju fotokemijski oksidacijsko redukcijski produkti Primjeri: -fenolni kompleks željeza (III), -kompleks željeza (II) sa 1,10 fenantrolinom, -kompleks molekulskog joda sa jodidnim ionom (škrobom), -fero-fericijanidni kompleks Otapala za UV VIS mjerenja -Organske tvari koje se određuju UV VIS-om obično se otapaju u polarnim otapalima -Otapalo može utjecati na spektar –interakcije otapalo-otopljena tvar -Polarna otapala mogu izazvati gubitak fine strukture
Infracrvena apsorpcijska spektroskopija područje i podjela
U svakom IR spektru razlikuju se dva područja: •Područje skupnih frekvencija u kojem su frekvencije apsorpcijske vrste funkcionalnih skupina neovisne o okolini •Područje otiska prsta u kojem apsorpcijske vrste ovise o okolini. Zbog apsorpcije u području otiska prstiju ne postoje dvije molekule s istim IR spektrom, odnosno optičkim izomerom.
Molekulska fluorescencijska spektroskopija •Fluorescencijaje analitički važan emisijski proces u kojem se atomi ili molekule pobuđuju apsorpcijom snopa elektromagnetskog zračenja. •Pobuđene se vrste tad relaksiraju u osnovno stanje otpuštanjem suviška svoje energije u obliku fotona. Fluorescencijske su metode 10–1000 puta osjetljivije od apsorpcijskih metoda
Atomska spektroskopija temeljena na UV-VIS zračenju •Atomska spektroskopija temelji se na pojavama apsorpcije, fluorescencije i emisije, a za molekulsku spektroskopiju općenito su primjenjive samo apsorpcija i fluorescencija. •Apsorpcija i fluorescencija su uobičajene kako u atomskoj tako i u molekulskoj spektroskopiji. •Emisija je ograničena samo na atomske metode.
Postojeće tehnike: –Atomska apsorpcijska spektroskopija temeljena na plamenoj atomizaciji (flame atomization) –Atomske apsorpcijska spektroskopija temeljena na elektrotermalnoj atomizaciji (electrothermal atomization) –Atomska emisijska spektroskopija temeljena na atomizaciji u plazmi: »Atomizacija u induktivno spregnutoj plazmi »Atomizacija u plazmi istosmjerne struje
Usporedba atomskih i molekulskih spektroskopskih metoda •Atomska spektroskopija –Temelji se na pojavama apsorpcije, fluorescencije i emisije –Bavi se identitetom i koncentracijom atoma u uzorku, bez obzira na njihove povezanosti –Ograničena je na frekvecije UV, VIS i X-zračenja •Molekulska spektroskopija –Temelji se na pojavama apsorpcije i fluorescencije –Upućuje na kvalitativne i kvantitativne podatke o molekulama u uzorku –Osim elektronskih razina, molekule imaju i vibracijska i rotacijska energijska stanja. Kao posljedica toga ona se temelji na zračenju UV, VIS, IR, mikrovalnog i radiofrekvencijskog područja.
Atomska apsorpcijska spektroskopija temeljena na plamenoj atomizaciji
-
PLAMEN:
-
u plamenoj atomizaciji vodena otopina uzorka raspršuje, nebulizira u obliku fine vodene prašinee i miješa s plinovitim gorivom i oksidansima koji ga unose u plamen.
-
otapalo ispari u osnovnom području plamena, odmah iznad plamenika. Fino raspodjeljene čvrste čestice koje tim postupkom nastaju, prenose se u unutrašnji srenji dio plamena, koji je najtopliji dio plamena u kojemu iz čvrstih čestica nastaju plinoviti atomi i elementarni ioni. U tom se područuju pobuđuju atomski i molekulski spektri
-
dolaskom u vanjski dio plamena dolazi do oksidacije prije raspršivanja atomizacijskih produkata u atmosferu.
-
samo dio podliježe tim procesima pa plamen nije djelotvoran atomizator
Plameni atomizatori mogu biti: plamenik turbulentnog protoka plamenik laminarnog protoka
PLAMENIK LAMINARNOG PROTOKA -
uzorak se raspršuje protokom oksidansa pokraj kapilarnog vrška. Aerosol koji time nastaje miješa se gorivom i protječe pokraj niza zapreka koje uklanjaju sve osim najfinijih kapljica. Rezultat toga je velika količina uzorka koji se skuplja na dnu komore za miješanje odakle se cijevima dovodi u spremnik otpada. Plamenici laminarnih protoka proizvode relativno tih plamen, monogo veće duljine što pridonosi povećanju osjetljivosti i reproducibilnosti. PLAMENIK TURBULENTNOG PROTOKA: Raspršivač i plamenik su ugrađeni u jednu cjelinu. Uzorak se uvlači kapilarom i raspršuje Venturijevim djelovanjem, uzorak kojega je protok plinova oko kapilarnog vrška.
U plamenoj emisijskoj spektroskopiji pobuđeni ioni uzorka služe kao izvori zračenja. To znači za razliku od svih drugih do sada opisanih tipova spektroskopije, te se ne primjenjuje nikakav vanjski izvor. Apektri se snimaju smještajem unutrašnjeg stošca plamena ispres ulazne pukotine monokromatora. Izlazni signal pukotine promatra se kao spektar, koji se snima rotiranjem rešetke ili prizme. Atomska apsorpcijska spektroskopija : zračenje je posebne vrste vanjskog izvora koji se propušta kroz unutrašnji stožac plamena, pa kroz monokromatotor, te do površine detektora zračenja. AAS ne primjenjuju kontinuirani izvor zračenja nego izvore koji emitiraju linije zračenja istih valnih duljina kao što su one apsorpcijskog maksimuma uzorka.
Modulacija prema definiciji je promjena nekog svojstva signala kao što je frekvencija, amplituda ili valna duljina. U AAS se frekvencija izvora modulira od kontinuuirane (istosmjerne) u isprekidanu (izmjeničnu). Sjeckala snopa se stavljaju između izvora i plamena, te zračenje polovicu vremena propušta kroz sredstvo, a drugu polovicu reflektira.
Žarulja sa šupljom katodom -Sastoji se od volframove anode i cilindrične katode, zataljenih u staklenoj cijevi punoj argona pod tlakom -Katoda je napravljena od metala koji se analizira, ili služi kao podloga -učinile su AAS široko primjenjivom metodom AA metode s elektroplinskim atomizatorima Dva su razloga zbog kojih atomizacija u plamenu nije osobito učinkovita: - veliki dio uzorka odlazi u plamen ili nije potpuno atomiziran - vrijeme prebivanja pojedinačnih atoma u optičkom putu plamena vrlo je kratko - EA osiguravaju povećanu osjetljivost tako da je čitav uzorak atomiziran u vrlo kratkom vremenu, a prosječno vrijeme prebivanja atoma u optičkom putu je 1 s i više - EA proizvodi kratkotrajna apsorpcijske maksimume
Uzorak se suši na nižoj temperaturi i vaporizira pri visokim temperaturama. Atomizacija ima veću učinkovitost i nižu granicu detekcije.
SPEKTRALNE ZNAČAJKE EMISIJE U PLAMENU
Elementi 1. i 2. skupine elemenata se kvantitativno određuju mjerenjem emisije karakterističnih valnih duljina analita iz plamena •Otopina uzorka usiše se u plamen koji ispari otapalo, atomizira uzorak i pobuđuje valentne elektrone u atomu koji prelaze u višu energijsku razinu. •Elektromagnetsko zračenje valne duljine koja je karakteristična za ispitivani metal emitira se pri povratku elektrona u osnovno stanje. Niska temperatura plamena ograničava primjenu metode na metale s niskim pragom pobude.
•Plamena fotometrija je jednostavna, relativno jeftina i brza metoda, rabi se u kliničkim i biološkim ispitivanjima, u analizi rudača i silikatnih materijala te u analizi okoliša za analizu tla i sedimanata, prirodnih i otpadnih voda.
AES – ATOMSKA EMISIJSKA SPEKTROSKOPIJA Atomic Emission Spectroscopy • atomizacija u plazmi primjenjena je za toplinsku emisijsku i za fluorescencijsku sepktroskopiju • nema tako široku primjenu kao atomizator u atomskim apsorpcijskim metodama • Plazma je vodljiva plinska smjesa koja sadrži znatnu količinu kationa i elektrona • U argonskoj plazmi za emisijske analize, ioni argona i elektroni su osnovne vodljive vrste, iako vodljivosti pridonose i kationi uzorka • ioni argona, sposobni su za apsorpciju dovoljno snage iz vanjskog izvora, koja održava temperaturu na stupnju prikladnome za daljnju ionizaciju i beskonačno održavanje plazme (T oko 10 000K)
-Uzorak se unosi u vruću plazmu na vrhu cijevi pomoću protoka argona -Uzorak može biti aerosol, toplinski generirana para ili fini prašak ICP-AES tehnikom mogu se odrediti gotovo svi elementi u periodnom sustavu. •Uzorci se unose u plamenu baklju gdje se otapalo isparava, dolazi do pobude elektrona pri povratku u osnovno stanje, do emisije karakterističnih valnih duljina za pojedini element •Intenzitet emitiranog zračenja mjera je koncentracije analita u plazmi
RAMANOVA SPEKTROSKOPIJA
Ramanova spektrometrija osniva se na neelastičnom srazu fotona iz lasera s molekulama te daje spektre koji su komplementarni IR spektrima
NUKLEARNA MAGNETSKA REZONANCA
-
Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) je spektroskopska metoda koja se temelji na interakciji magnetskog momenta jezgre s primijenjenim magnetskim poljem uz pobudu jezgri s radiovalnim zračenjem. - Obzirom na okolinu u kojoj se nalazi nuklearni magnetić (vanjsko polje se superponira na unutarnje polje okoline magnetića) i veliku preciznost metode istovrsne jezgre imat će različiti odaziv na pobudu tj. moći ćemo opažati tzv. kemijski pomak kao karakteristični potpis okoline u kojoj se jezgra nalazi. •Pored statičkih informacija o uzorku moguće je dobiti i vremenske, tj. dinamičke informacije ukoliko proces trasiramo pogodnim izotopima. Na primjer informacije o metaboličkom dinamizmu. -
Magnetske rezonancije su spektroskopske metode koje se temelje na apsorpciji i emisiji elektromagnetskih valova pod utjecajem magnetskog polja.
•Magnetske rezonancije dijele se na dva osnovna tipa rezonancija koja su vezana uz apsorpciju elektromagnetskih valova od strane atomskih jezgri ili elektrona.
-
Zbog nedestruktivnosti i mogućnosti detekcije više od stotinu različitih jezgri, NMR se, u šest desetljeća otkako je otkriven proširio iz fizike u kemiju,biokemiju,medicinu i biologiju.
-
NMR danas ima veliku važnost za kemiju (organsku, anorgansku, analitičku, fizikalnu, farmaceutsku, znanost o materijalima, petrokemiju, itd.) kao nezaobilazna metoda za identifikaciju i određivanje strukture, molekula, no dalje je interesantan i za fiziku zbog mogućnosti izučavanja dinamike i svojstava molekula u tekućem i čvrstom stanju
-
Pored navedenog, NMR ima i važno mjesto u medicini kao MRI (MagneticResonanceImaging) za dijagnostiku te kao MRS (Magnetic Resonance Spectroscopy)za kliničke pretrage i praćenje metaboličkih procesa.
-
Nuklearna magnetska rezonancija je spektroskopska metoda kod koje se najčešće apsorbiraju elektromagnetski valovi radiovalnih dužina u atomskom jezgrama uzorka koji se pritom nalazi u magnetskom polju magnetske indukcije od nekoliko T (Tesla).
-
S druge strane Elektronska spinska rezonancija, ESR, je spektroskopska metoda u kojoj elektroni apsorbiraju elektromagnetske valove valnih dužina u području od ~1 cm u polju magnetske indukcije od ~0.4 T.
MASENA SPEKTROSKOPIJA Masena spektrometrija je tehnika kojom se analiziraju molekule na temelju njihove mase (i naboja). Prvi korak pri analizi molekula je ionizacija molekula u ionizatoru. Nastali ioni se provode kroz analizator, koji razdvaja ione u prostoru i/ili vremenu. Iz analizatora, ioni idu na detektor gdje proizvode električni signal koji se može registrirati na oscilposkopu, pisaču, računalu ili na nekom drugom uređaju. Masena spektrometrija se koristi za: -
određivanje sastava nepoznatog uzorka (kvalitativna analiza)
-
određivanje izotopskog sastava uzorka
-
određivanje strukture molekula promatrajući fragmentaciju molekula
-
određivanje molarne mase molekule
-
određivanje količine određene tvari u uzorku (kvantitativna analiza)
-
određivanje fiizikalnih i kemijskih svojstava tvari
-
proučavanje ponašanja iona u vakuumu PRIMJENA SPEKTROSKOPIJE MASA:
PRINCIP RADA MS-A:
