Interna Skripta - Instrumentalne Metode

8/10/2019 Interna Skripta - Instrumentalne Metode

1/116

INSTRUMENFARMACEUTSKO ZDRA

ALNE METODESVENI FAKULTET TRAVNIK

prof. dr. Sejit Bobar


2/116

Interna skripta - INSTRUMENTALNE METODE dr. Sejit Bobar

2

UVOD U SPEKTROSKOPSKE ANALITIKE METODE

Izraz spektroskopija s povijesnog se gledita odnosio na granu znanosti koja se bavilasvjetlou (tj. vidljivim zraenjem) rastavljene u komponente, odreene valne duljine, kojeine spektar.Spektar je, dakako, imao najvaniju ulogu u razvoju savremene atomske teorije.

Nadalje, spektroskopija se pokazala snanim sredstvom kako u kvalitativnoj, tako i ukvantitativnoj analitikoj hemiji.

Tokom vremena znaenje spektroskopije se proirilo, uz prouavanje svjetlosti ukljuujui idruge vrste elektromagnetskog zraenja kao to su X-zrake, zatim ultraljubiasto,infracrveno, mikrovalno i radiofrekvencijsko zraenje. Dananja primjena pojmaspektroskopskih metoda proirena je i na tehnike koje ne ukljuuju elektromagnetskozraenje, primjerice akustika, masena i elektronska spektroskopija.

1. SVOJSTVA ELEKTROMAGNETSKOG ZRAENJA

Elektromagnetsko zraenje je vrsta energije koja ogromnom brzinom prolazi prostorom.Uobiajeno je mnoga svojstva elektromagnetskog zraenja opisivati pomou klasinogavalnog modela, osnovni parametri elektromagnetskog zraenja su valna duljina, frekvencija,brzina i amplituda. Nasuprot nekim drugim valnim pojavama, kao to je primjerice zvuk,prijenosu zraenja nije potrebno sredstvo za irenje, to znai da se ono prenosi i vakuumom.

Valni model ne moe objasniti pojave povezane s apsorpcijom i emisijom energije zraenja.Prikladno objanjenje tih pojava moe se pronai u promatranj elektromagnetskog zraenja

kao struje pojedinanih (diskretnih) estica energije nazvanih fotonima. Energija fotona jepritom razmjerna frekvenciji zraenja. Takvo se dvojno objanjavanje zraenja meusobnone iskljuuje. Naprotiv, ono je komplementarno. Dvojnost je primjenljiva na ponaanje snopa(struje) elektrona i drugih elementarnih estica, a valna mehanika ju je uinila razumljivom.

1.1. Valna svojstva

esto je prikladno elektromagnetsko zraenje prikazati elektrinim poljem koje sinusoidnooscilira u prostoru. Slika1. dvodimenzionalan je prikaz snopa monohromatinog zraenja(zraenje jedne valne duljine) polariziranoga u ravnini. Izraz polariziran u ravninioznauje

pojave elektrinih oscilacija u jednoj jedinoj ravnini. Elektrino je polje prikazano vektorom,duljina kojega je razmjerna jakosti elektrinog polja. Ta promjena jakosti elektrinog poljaslina je vremenskoj promjeni elektrinog polja koja nastaje pri sinusoidnom izmjeninomnaponu spojenome izmeu dviju elektroda u vakuumu. Apscisa se na tom crteu moeprikazati ili vremenom potrebnim da zraenje proe vrstom takom u prostoru iliudaljenou. Pritom je smjer osciliranja (titranja) polja okomit na smjer gibanja zraenja.


3/116


3

Valni parametri

Amplituda (A) sinusoidnog vala (Sl.1) definira se kao duljina elektrinog vektora u

maksimumu vala.Vrijeme potrebno za prolaz uzastopnih maksimuma ili minimuma vrstomtakom u prostoru naziva se periodom (p) zraenja. Frekvencija (v) je broj titraja polja usekundi i jednaka je 1/p.

Frekvencija zraenja odreena je izvorom i ostaje nepromijenjena bez obzira na sredstvokojime zraenje prolazi. Nasuprot tome, brzina vh kojom fronta vala prolazi sredstvom,ovisnaje kako o sredstvu tako i o frekvenciji; indeks ioznauje tu ovisnost o frekvenciji.

Drugi vaan parametar je valna duljina i, definirana kao linearna udaljenost izmeu dvauzastopna valna maksimuma. Umnoak frekvencije (v-valovi u sekundi) i valne duljine (cm)

jednak je brzini gibanja vala (cm/s):

vi= vi ( 1)

Slika 1. Prikaz snopa monohromatinog zraenja valne duljine i amplitude A. Strijeliceprikazuju elektrini vektor zraenja.

U vakuumu brzina irenja zraenja postaje neovisna o valnoj duljini i dostie svojmaksimum. Odreeno je da ta brzina, iji je simbol c, iznosi 2,99792 x 1010 cm/s. Brzinazraenja u zraku neznatno je manja od c (ona je za priblino 0,03% manja). Dakle, uzevi uobzir tri znaajne znamenke, jednadba 2. jednako je primjenljiva kako za zrak tako i zavakuum:

c = v=3,00 x 1010cm/s (2)

(ova jednaina je do tri znaajne znamenke jednako primjenljiva u zraku i u vakumu)


4/116


5/116


!

E = = hcv (4)

Dakle, valni broj je, ba kao i frekvencija, razmjeran energiji.

1B. ELEKTROMAGNETSKI SPEKTAR

Elektromagnetski spektar obuhvaa veliko podruje valnih duljina i energija. Primjerice,foton X-zraka (= 10-10m) ima priblino 10 000 puta veu energiju od fotona koji emitirauarena volframova ica (=10-6 m), a 1011 puta veu energiju od fotona izradiofrekvencijskog podruja.

Fotonje estica elektromagnetskog zraenja mase nula i energije hv.

Podruje zraenja koje opaa ljudsko oko, dakle vidljivi dio spektra, tek je vrlo mali diocijelog spektra. Vidljivo podruje spektra protee se od priblino 380 do 780 nm. Razliitazraenja, kao gama zraenje ili radiovalovi, razlikuju se od vidljive svjetlosti samofrekvencijom, te time i energijom.

Slikom 3. prikazana su podruja elektromagnetskog spektra primjenljiva u analitikojspektroskopiji, te molekulski ili atomski prijelazi koji su uzrok apsorpcije ili emisije zraenjau pojedinom podruju.

1C. APSORPCIJA ZRAENJA

U spektroskopskom nazivu apsorpcija je proces u kojemu neka hemijska vrsta prisutna upropusnoj (prozirnoj, transparentnoj) sredini selektivno priguuje, dakle smanjuje intenzitetneke frekvencije elektromagnetskog zraenja. Prema kvantnoj teoriji svaka elementarnaestica (atom, ion, molekula) ima jedinstven skup i raspored energijskih stanja, pri emu jenajnie meu njima osnovno stanje. Apsorpcija fotona moe nastati samo ako je energijafotona jednaka energijskoj razlici izmeu osnovnog i nekoga od viih energijskih stanjaestice. Pritom energija fotona prelazi u atom, ion ili molekulu dovodei je u vie energijsko,

pobueno (ekscitirano) stanje.Pobuivanje vrste M u ekscitiranu vrstu M* moe se opisatijednadbom.

M + hv--> M*

Pobuivanje je proces u kojemu hemijska vrsta apsorbira toplinsku, elektrinu ili energijuzraenja, pri emu prelazi u vie energijsko stanje.

Nakon vrlo kratkoga vremenskog razdoblja (10-6 1-9 s) pobuena se vrsta relaksira do

svoga prethodnog ili do osnovnog stanja prenosei pritom suviak energije drugim atomima


6/116


"

ili molekulama u istoj okolini. Taj se proces, koji uzrokuje malo povienje temperatureokolia, opisuje jednadbom

M* -->* M + toplina

Relaksacija moe nastati i fotohemijskim razgraivanjemestice M*, pri emu nastaju novevrste, ili pakfluorescencijskomilifosforescencijskomreemisijom zraenja. Vijek trajanja M*toliko je kratak daje koncentracija pobuenih estica u bilo kojem trenutku zanemariva.Nadalje, koliina toplinske energije otputene tokom relaksacije najee je tako mala da sene moe ni detektirati. Dakle, prednosti apsorpcijskih mjerenja su u injenici da se njimanajmanje to je mogue remeti energija prouavanog sustava.

Slika 3. Podruja elektromagnetskog spektra

Apsorpcijske znaajke pojedine vrste uglavnom se opisuju apsorpcijskim spektrom. To jegrafiki prikaz neke funkcije slabljenja osnovnog snopa zraenja u ovisnosti o promjeni valneduljine, frekvencije ili valnog broja. Uzorci za apsorpcijsku analizu u ultraljubiatom ividljivu podruju elektromagnetskog zraenja najee su ili plinoviti ili su razrijeeneotopine pripremljene u propusnom (prozirnom, transparentnom) otapalu. Transmitancija (T)

otpine je dio upadnog zraenja proputenoga uzorku.

1C-1. Atomska apsorpcija

Pri prolazu polihromatinog ultraljubiastog ili vidljivog zraenja sredinom koja sadrigasoviti uzorak, tek nekoliko frekvencija je oslabljeno apsorpcijom. Spektar se zato sastoji odsamo malog broja vrlo uskih (priblino 0,005 nm) apsorpcijskih linija.


7/116


#

1C-2. Apsorpcija infracrvenog zraenja

Infracrveno zraenje openito nema dovoljno energije za poticanje elektronskih prijelaza, ali

moe inducirati prijelaze u vibracijskim i rotacijskim stanjima povezanima s osnovnimelektronskim stanjemmolekule. Da bi se pojavila apsorpcija u molekuli, izvor mora emitiratizraenje onih frekvencija koje tano odgovaraju energijama oznaenima duinama etirijustrelica. Najupotrebljiviji dio infra crvenog zraenja za detekciju i odreivanje organskihspojeva je u podruju valnih duljina od 2,5 do12 m, to odgovara podruju valnih brojevaod 4000 do 667 cm-1.

1C-3. Pojmovi i imena u apsorpcijskoj spektroskopiji

U tablici 1. navedeni su uobiajeni nazivi i simboli koji se primjenjuju u apsorpcijskojspektroskopiji. Ta imena preporuili su Ameriko drutvo za ispitivanje materijala i

Ameriko hemijsko drutvo (American Society for Testing Materials; American ChemicalSociety). Trei stupac sadri alternativne simbole upotrebljavane u starijoj literaturi. Zbogvisokih zahtjeva postavljenih na standardno ime, povezanih s izbjegavanjem nejasnoa iviestrukih znaenja, itatelj mora nauiti primjenu, imena i oznake, te izbjegavati simbole iztreeg stupca.

Transmitancija

Slika 4. prikazuje snop paralelnog zraenja prije i nakon prolaza kroz sloj otopine debljine bcm i koncentracije c vrste koja apsorbira. Posljedica meudjelovanja fotona i estica koje

apsorbiraju jest smanjenje snage snopa sa Pona P. Transmitancije Totopine definira se kaoudio upadnog zraenja koji je proao kroz otopinu;

T= P/P0 (5)

Transmitanta se esto izraava u postotcima.


8/116


$

Tabela 1. Nazivlje( imena) i simboli koji se primjenjuju u apsorpcijskim mjerenjima

Slika 4. priguivanje snopa zraenja kao rezultat apsorpcije u otopini

Apsorbancija

Apsorbancija A otopine definira se jednadbom

(6)

Nasuprot transmitanciji, apsorbancija otopine se poveava s priguenjem osnovnog snopa.Jednadba 6, zahtijeva da apsorbancijska ljestvica bude logaritamska, u spektrofotometrima

ureaj za oitanje kojih je badaren za pokazivanje vrijednosti i transmitancije i apsorbancije.


9/116


%

1C-4. Odnos izmeu apsorbancije i koncentracije:Beerov zakon

Funkcijski odnos izmeu veliine mjerene apsorpcijskom metodom (A) i one koja se

odreuje (koncentracija c) poznat je kao Beerov zakon:A = log(P0/P) = abc (7)

gdje je a konstanta proporcionalnosti, apsorptivnost (apsorpcijski koeficijent), a b duljinaputa zraenja kroz uzorak. Budui daje apsorbancija veliina bez dimenzija, jedinice zaapsorpcijski koeficijent odreuju se uz pretpostavku da je lijeva strana jednadbebezdimenzijska.

Kada se koncentracija u jednadbi 7. izraava u molovima po litri, a b u centrimetrima,konstanta proporcionalnosti naziva se molarnom apsorptivnou (molarnim apsorpcijskim

koeficijentom)s posebnim simbolom . Tada jeA = bc (8)

gdje se izraava u L cm-1mol-1.

1C-5. Eksperimentalno odreivanje apsorbancije i transmitancije

Apsorbancija i transmitancija, kako su prikazane jednadbama 5. i 6., ne mogu se mjeriti ulaboratoriju jer uzorak kojemu se apsorbancija odreuje mora

Slika 5. Gubici zbog refleksije irasprenja

biti smjeten u neku posudicu. Meudjelovanje zraenja i stijenki posudice je neizbjeno, teuzrokuje gubitak refleksijom, ali i apsorpcijom (slika 5). Takvi gubici mogu biti veliki. Moese primjerice pokazati da se refleksijom gubi otprilike 8,5% snopa ute svjetlosti pri

vertikalnom prolazu zraenja kroz staklenu au napunjenu vodom. Nadalje, uz refleksijske


10/116


&'

gubitke, rasprenjem na velikim molekulama ili nehomogenostima u otapalu moe se smanjitisnaga snopa pri prolazu kroz otopinu.

Za kompenzaciju tih uinaka najee se usporeuje snaga zraenja snopa proputenoga krozmjernu posudicu punjenu otopinom koja apsorbira, sa snagom snopa koji prolazi identinom

posudicom punjenom samo otapalom. Eksperimentalna apsorbancija se tada definirajednadbom

(9)

Takve eksperimentalne apsorbancije u skladu su s Beerovim zakonom i predstavljaju dobreaproksimacije istinskih apsorbancija. Nadalje e naziv apsorbancija oznaavati omjerdefiniran jednadbom 13. Pritom je P0 snaga zraenja nakon prolaza kroz posudicu s

otapalom, a Pnakon prolaza kroz identinu posudicu s otopinom analita.

1C-6. Primjena Beerova zakona na smjese

Beerov zakon moe se primijeniti i na otopine koje sadre vie razliitih supstancija kojeapsorbiraju. Uz uvjet da ne postoji meudjelovanje razliitih vrsta, ukupna apsorbancijaviekomponentnog sustava iznosi

Aukupno= A1 + A2 + .... + An= 1bc1+ 2bc2 + ... + nbcn (10)

gdje indeks noznauje komponente l,2,...n koje apsorbiraju.

1C-7. Ogranienja primjenjljivosti Beerova zakona

Nije poznat nijedan izuzetak od linearnog odnosa apsorbancije i duljine puta pri jednoj,odreenoj koncentraciji supstancije koja apsorbira. Meutim, esto su uoena odstupanja odizravne proporcionalnosti apsorbancije i koncentracije pri konstantnoj duljini puta. Neka odtih odstupanja su osnovna i predstavljaju istinska ogranienja zakona. Druga su posljedica ilinaina mjerenja apsorbancije (instrumentna odstupanja)ili hemijskih promjena povezanih s

koncentracijskim promjenama (hemijska odstupanja).

Istinska ogranienja

Beerov zakon uspjeno opisuje apsorpcijsko ponaanje samo razrijeenih otopina, te je u tomsmislu granini zakon. Pri visokim koncentracijama (najee > 0,01 M) smanjuju seprosjene udaljenosti meu esticama vrste koja apsorbira, do stupnja pri kojemu svakaestica utjee na raspodjelu naboja susjedne etice. Takvo meudjelovanje moe mijenjatinjihovu sposobnost apsorpcije pri odreenoj valnoj duljini.Budui da doseg meudjelovanjaovisi o koncentraciji, ta je pojava uzrokom odstupanja od linearnog odnosa apsorbancije o

koncentraciji. Slian se uinak katkad pojavljuje u razrijeenim otopinama supstancije kojaapsorbira ako se u otopini nalaze visoke koncentracije nekih drugih vrsta, a osobito


11/116


&&

elektrolita. Blizina stranih iona i supstancije koja apsorbira mijenja molarnu apsorptivnostove druge elektrostatikim meudjelovanjem, a to uzrokuje odstupanje od Beerova zakona.

Iako uinak molekulskog meudjelovanja najee nije znatan pri koncentracijama manjimaod 0,01 M, izuzetci postoje meu nekim velikim organskim ionima ili molekulama.

Primjerice, objavljeno je da se molama apsorptivnost pri 436 nm kationa metilenskog plavilapoveava za 80% kada se koncentracija poveava od 10-5do 10-2M; ak niti ispod 10-6Mnema strogog slaganja s Beerovim zakonom.

Odstupanja od Beerova zakona pojavljuju se i zbog ovisnosti apsorptivnosti o indeksu lomaotopine. Tako, ako su promjene u koncentraciji uzrok znatnih promjena u indeksu lomaotopine, pojavljuje se odstupanje od Beerova zakona. Openito je taj uinak malen i rijetloizraen pri koncentracijama manjima od 0,01 M.

Hemijska odstupanja

Oita odstupanja od Beerova zakona esto su posljedica asocijacije, disocijacije ili reagiranjavrste koja apsorbira s otapalom, pri emu nastaju produkti apsorpcijskih znaajki razliitih odznaajki analita. Primjer pokazuje da se takva odstupanja od Beerova zakona mogu lakopredvidjeti iz podataka o konstantama ravnotee reakcija i molarnih apsorptivnosti ispitivanevrste.

2D EMISIJA ELEKTROMAGNETSKOG ZRAENJA

Atomi, ioni ili molekule mogu se pobuditi ujedno ili u nekoliko viih energijskih stanja narazliite naine. Procesi koji to uzrokuju ukljuuju bombardiranje elektronima ili drugimelementarnim esticama, izlaganje visokonaponskoj izmjeninoj iskri, podvrgavanje utjecajutopline u plamenu ili u elektrinom luku, ili pak izlaganje izvoru elektromagnetskog zraenja.Vrijeme ivota pobuene vrste openito je vrlo krtko (10-6 10-9s), a relaksacija u nie ili uosnovno stanje zbiva se uz otputanje suvika energije u obliku elektromagnetskog zraenja,topline ili ak oboje.

2D-1. Emisijski spektri

Zraenje izvora uglavnom se opisuje pomou emisijskog spektra, koji je prikaz relativnesnage emitiranog zraenja kao funkcije bilo valne duljine ili frekvencije. Imamo tri vrstespektra: linijski, vrpasti i kontinuirani. Linijski spektar tvori niz otrih, dobro definiranihmaksimuma koji nastaju pobuivanjem pojedinanih atoma. Vrpasti se spektar sastoji odnekoliko skupina linija smjetenih meusobno tako blizu da ih se ne moe potpuno razdvojiti.Izvor takvih vrpca su male molekule ili radikali. Konano, kontinuirani je spektar odgovoranza pojaanje pozadinskog zraenja pri valnim duljinama veima od priblino 350 nm.Linijski i vrpasti spektri superponirani su kontinuiranome.


12/116


&2

Linijski spektri

Pojedinani atomi meusobno dobro odvojeni, kao u plinu, emitiraju linijske spektre.

Pojedinane se estice u plinovitu stanju ponaaju meusobno neovisno, te se spektar sastojiod niza otrih linija irine priblino 10-4oA.

Dijagram energijskih razina na slici 6a. prikazuje nain nastajanja linija u tipinomuemisijskom spektru nekog elementa. Vodoravna crta E0 odgovara najniem, osnovnomenergijskom stanju atoma. Vodoravne crte E1i E2prikazuju dva via energijska elektronskastanja. Primjer, jedini vanjski elektron natrijevog atoma u osnovnom se E0 stanju nalazi uorbitali 3s.Energijska razina E1tada predstavlja energiju atoma koja odgovara prijelazu togelektrona u stanje 3p,apsorpcijom toplinske, elektrine ili energije zraenja. Taj je prijelazprikazan manjom, lijevom, valovitom strijelom na slici 6a. Nakon priblino 10-8 sekundi,

atom se vraa u osnovno stanje emitiranjem fotona frekvencije i valne duljine prikazanejednadbama 11. i 12:

(11) i (12)

Emisijski je proces prikazan kraom, desnom, ravnom strelicom na slici 6a.

Slika 6. Dijagram energijski razina atoma natrijuma i jednostavne molekule. Prikazan jenastanak (a) linijskog spektra i (b) vrpastog spektra.

Na primjeru atoma natrija E2 odgovara energijom bogatijem stanju 4p; kao rezultat toga,

zraenje E2se pojavljuje pri manjim valnim duljinama. Prijelazom 3 p--> 3 snastaje linija


13/116


&3

pri otprilike 590 nm. Vano je naglasiti da su zbog prijelaza izmeu ista dva stanja, emitiranevalne duljine identine valnim duljinama apsorpcijskih maksimumanatrija.

Vrpasti spektri

Spektralni izvori zbog prisutnosti plinovitih radikala ili malih molekula esto sadre vrpastespektre.

Slika 6b. djelomian je dijagram energijskih razina molekule, a prikazuje osnovno stanje E0idva od nekoliko pobuenih elektronskih stanja E1 i E2.Prikazano je i nekoliko od mnogihvibracijskih razina povezanih s osnovnim stanjem. Vibracijske razine koje pripadajupobuenim stanjima izostavljene su jer je vrijeme ivota pobuenog vibracijskoga stanja

neznatno u usporedbi s elektronskim (10-15

s prema 10-8

s). Posljedica takve ogromne razlikeu vremenima ivota oituje se u injenici da se elektron pobuen u jedno od viih vibracijskihrazina nekoga elektronskog stanja relaksira u najnie vibracijsko stanje, bre nego to sedogodi prijelaz u osnovno elektronsko stanje. Zbog toga zraenje koje je rezultat elektrinogili toplinskog pobuivanja vieatomne vrste gotovo uvijek ukljuuje prijelaze s najnievibracijske razine pobuenoga elektronskog stanjana neku od nekoliko vibracijskih razinaosnovnog stanja.

Mehanizam kojime se vibracijski pobuene vrste relaksiraju u najblie elektronsko stanjeukljuuje prijenos suvika energije na druge atome sustava nizom sudara. Taj proces tee

ogromnom brzinom. Relaksacija iz jednog elektronskog stanja u drugo moe se takoerdogoditi prijenosom energije sudarima, ali je brzina tog procesa dovoljno malena da prednostima relaksacija otputanjem fotona.

Dijagram energijskih razina na slici 6b. prikazuje mehanizam emitiranja dviju vrpca zraenjakoje se sastoje od pet blisko smjetenih linija, koje emitira molekula pobuena ili toplinskomili elektrinom energijom. U stvarnosti je broj pojedinanih linija mnogo vei jer osnovnostanje sadri daleko vie vibracijskih razina nego to je prikazano. Uz to, svakoj vibracijskojrazini superponirano je vie rotacijskih stanja. Razlike u energijama izmeu rotacijskih razinaza priblino su jedan red veliine manje od onih koje odgovaraju vibracijskim stanjima. Stoga

je stvarna molekulama vrpca sastavljena od mnogo vie linija nego to je prikazano slikom, ione su smjetene meusobno mnogo blie.

Kontinuirani spektri

Pravo kontinuirano zraenje nastaje zagrijavanjem vrsti tjela do usijanja (slika 7). Zraenjetakve vrste, koje se nazivazraenjem crnog tijela,vie je ovisno o temperaturi povrine kojazrai nego o materijalu te povrine. Zraenje crnog tijela nastaje zbog bezbrojnih atomskih imolekulskih oscilacija pobuenih toplinskom energijom u kondenziranoj krutini. Treba u

slici 7., uoiti pomak energijskih maksimuma prema manjim valnim duljinama pri povienju


14/116


15/116


&!

Atomska fluorescencija

Plinoviti atomi fluoresciraju kada su izloeni zraenju valne duljine koja tono odgovaravalnoj duljini apsorpcijske ili emisijske linije ispitivanog elementa. Primjerice, plinovitiatomi natrija prelaze u pobueno energijsko stanje E1(slika 6b) apsorpcijom zraenja pri 590

nm. Tada zapoinje relaksacija ili fluorescencijom ili emisijom iste valne duljine.Fluorescencija u koje su valne duljine pobuivanja i emisije iste naziva se rezonancijskom

fluorescencijom.Atomi natrija mogu rezonantno fluorescirati i kad su izloeni valnoj duljinipri 330 nm. Nadalje, element moe proizvesti nerezonancisjku fluorescenciju relaksacijomprvotno na energijsku razinu E1) nizom sudara s ostalim prisutnim vrstama. Relaksacija uosnovno stanje moe se nastaviti emisijom fotona pri 590 nm ili daljnjom kolizijskomdeaktivacijom. Rezonancijska fluorescencija najee je povezana s atomima, a rjee smolekulskim vrstama.

Molekulska fluorescencija

Broj molekula koje fluoresciraju relativno je malen. Fluorescencija zahtijeva strukturnasvojstva koja usporavaju brzinu relaksacijskih procesa bez otputanja zraenja, a poveavajubrzinu fluorescencijske relaksacije. Veina molekula ne posjeduje takve strukture, ime jeiskljuena mogunost fluorescencije.

Molekulskom fluorescencijom nastaju vrpce zraenja. Slino molekulskim aposorpcijskimvrpcama, molekulske fluorescencijske vrpce sastavljene su od niza teko razluivih, blizusmjetenih linija. Linije 1i 2) kojima zavravaju fluorescencijske vrpce pri kratkim valnimduljinama, odnosno pri visokim energijama, rezonancijske su linije. To znai, da semolekulske fluorescencijske vrpce sastoje od linija veih valnih duljina od vrpceapsorbiranog zraenja, koje je uzrok njihova pobuivanja. Taj se pomak u valnim duljinamaponekad naziva Stokesovim pomakom.

3. INSTRUMENTI U OPTIKOJ SPEKTROSKOPIJI

Osnovni dijelovi analitikih instrumenata za emisijsku, apsorpcijsku i fluorescencijskuspektroskopiju meusobno su vrlo slini kako u funkciji tako i u izvedbi bez obzira na to jesuli predvieni za rad u ultraljubiastom, vidljivu ili infracrvenom dijelu spektra. Upavo zbog teslinosti ti se ureaji esto nazivaju optikim instrumentima, ak i kad su namijenjeniprimjeni u podruju zraenja koje ne opaa ljudsko oko. U ovom e poglavlju najprije bitiopisane znaajke dijelova koji su zajedniki svim optikim instrumentima, te istaknutasvojstva koja ne ovise o primijenjenoj valnoj duljini kao i svojstva koja ovise. Zatim e serazmotriti ope znaajke tipinih instrumenata, a posebice onih koji se primjenjuju uapsorpcijskoj spektroskopiji.

3A. DIJELOVI INSTRUMENATA

Veina je spektroskopskih ureaja sastavljena od pet osnovnih dijelova: (1) stabilnogizvora energije zraenja, (2) selektora valnih duljina koji omoguuje izdvajanje


16/116


&"

odreenoga valnoga podruja, (3) jednoga ili vie spremnika za uzorke,(4) detektorazraenja ili pretvomika energije zraenja u mjerljiv signal (najee elektrini) te (5)procesora signala i ureaja za njegovo oitanje. Slikom 8. prikazan je nain sastavljanjapojedinih djelova u instrumentima za emisijsku, apsorpcijsku i fluorescencijsku

spektroskopiju. Oito je daje meusoban poloaj etvrte i pete sastavnice istovjetan u svimtipovima ureaja.

Emisijski se insturmenti od ostala dva tipa razlikuju utoliko to su u njih prvi i trei navedenidio zajedno. To znai da su elektrini luk, iskra, zagrijana povrina ili plamen ujedno ispremnici uzorka i uzronici emisije karakteristinog zraenja. Nasuprot tome, apsorpcijska ifluorescencijska spektroskopija zahtijevaju odvojenost izvora enrgije zraenja i spremnikauzoraka. U apsorpcijskim mjerenjima snop koji dolazi iz izvora prolazi uzorkom tek nakonizlaza iz selektora valnih duljina. Neki instrumenti, meutim, imaju obrnute poloajespremnika i selektora. U fluorescenciji izvor inducira emisiju karakteristinog zraenja

uzorka,

Slika 8. Sastavni dijelovi razliitih tipova instrumenata za optiku spektroskopiju: (a)emisijska spektroskopija; (b) apsorpcijska spektroskopija; (c) fluorescencijska i

spektrtoskopija rasprivanja koja se najee mjeri pod kutom od 90 stupnjeva u odnosuprema snopu iz izvora.


17/116


3A-1. Prozirnost materijala za izradu optikih dijelova ureaja

Slika 9. prikazuje podruja spektralne prozirnosti razliitih materijala koji se primijenjuju zaizradu prozora, lea, kiveta i prizama u spektroskopskim instrumentima. Obino silikatnostaklo uglavnom se rabi u ureajima za primjenu samo u vidljivu dijelu spektra. Taljeni

silicijev dioksid i kvarc proiruju podruje spektroskopskih instrumenata do 180 i 200 nm uultraljubiastom dijelu spektra. Infracrvena spektroskopija zahtijeva primjenu prozoranainjenih od tvari kao to je polirani natrijev, kalijev ili srebrov klorid. Sve tvari prozirne uinfracrvenom dijelu spektra jako apsorbiraju vlagu, te ih je potrebno redovito istiti doponovne potpune prozirnosti.

3A-2. Spektroskopski izvori zraenja

Apsorpcijska i fluorescencijska spektroskopija zahtijevaju vanjski izvor konstantnog idovoljno snanog zraenja koje omoguuje jednostavnu detekciju i mjerenje. Najee se

snaga zraenja izvora eksponencijalno mijenja s naponom izvora elektrine energije. Zbogtoga se esto uz spektroskopske izvore upotrebljavaju regulatori napona.

Slika 9. transmitacisko podruije razliitih materijala za izradu dijelova optikihinstrumenata

Pitanje stabilnosti izvora ponekad se zaobilazi cijepanjem izlaznog snopa izvora u dva snopa,referentni koji prolazi otapalom i drugi koji prolazi otopinom analita. Tada je detektorozraen naizmjenice s dva snopa ili se pak snopovi promatraju meusobno prilagoenimdetektorima. Omjer intenziteta dva snopa tad pribavlja analitiki parametar koji je uglavnomneovisan o fluktuacijama izvora.

U tablici 2. popisani su uobiajeni izvori, koji se upotrebljavaju u razliitim tipovimaspektroskopija. Treba uoiti da se primjenjuju kako kontinuirani tako i linijski izvorizraenja.


18/116


19/116


&%

energije velike, hv je mali. Posljedica toga je doista kontinuiran spektar koji se protee od160 nm do poetka vidljiva podruja.

Veina suvremenih arulja za proizvodnju ultraljubiastog zraenja su nisko-naponske isadre deuterij. U njima luk nastaje izmeu zagrijane niti arulje premazane oksidom i

metalne elektrode. Ugrijana nit daje elektrone za odravanje istosmjerne struje pri naponu odpriblino 40 V. Za postizanje stalnih intenziteta potreban je izvor energije koji se moeregulirati.

Kako deuterijska tako i vodikova arulja proizvode upotrebljiv kontinuirani spektar upodruju od 160 do 375 nm . Intenzitet deuterijske arulje vei je od intenziteta vodikove,to je razlog njezinoj eoj primjeni. Pri veim valnim duljinama (> 360 nm) u tim izvorimanastaju emisijske linije koje su superponirane kontinuumu. Te linije pokatkad u primjeniizazivaju smetnje. Meutim, one su upotrebljive za badarenje valnih duljina apsorpcijskihinstrumenata.

arulja s volframovom niti

Najei izvor vidljiva zraenja i zraenja u bliskom infracrvenom podruju je arulja svolframovom niti (Sl.10). Raspodjela energije tog izvora slina je onoj crnog tijela, te jestoga ovisna o temperaturi. U veine apsorpcijskih instrumenata radna temperatura joj jepriblino 2 900 K. Glavnina energije se pri toj temperaturi emitira u infracrvenom dijeluspektra. arulja s volframovom niti primjenjiva je u podruju valnih duljina izmeu 320 i 2500 nm. Donja je granica nametnuta apsorpcijom staklenog omotaa oko niti.

Slika 10. Volframova aruljaEnergija izlaznog zraenja volframove arulje u vidljivu se podruju mijenja priblino setvrtom potencijom radnog napona, te je nuan strogi nadzor napona. Stoga se primjenjujeili pretvara stalnog napona ili elektroniki regulator napona. Postoji mogunost napajanjaarulje akumulatorom od 6 V, kojime se postie vrlo stabilan napon ako se odrava u dobrustnaju.

arulja volfram/halogen sadri male koliine joda u kvarcnom omotau. Kvarc omoguujerad pri temperaturi od priblino 3 500 K, ime se postiu vei intenziteti i proiruje podrujearulje duboko u ultraljubiasti dio spektra. ivotni vijek arulje volfram/halogen vie jenego dvostruk od obine volframove arulje vijek koje je ogranien sublimacijom volframa iz


20/116


2'

ice. U prisutnosti joda sublimirani volfram reagira, pri emu nastaju plinovite molekule WI2koje se vraaju prema vruoj niti gdje se molekule razgrauju i ponovno taloe atomivolframa. arulje volfram/halogen sve se ee rabe u suvremenim apsorpcijskiminstrumentima zbog njihova irokoga valnog podruja, veeg intenziteta i duljeg vijeka.

Izvori infracrvenog zraenja

Kontinuirano infracrveno zraenje dobiva se pomou vruih inertnih krutina. Globarov jetapi silicijeva karbida dimenzija 5 X 50 mm. Prolazom elektriciteta Globarov se izvorzagrijava na priblino 1 500 C i pritom emitira zraenje u podruju od 1 do 40/m.

Nernstov tapijevaljak sastavljen od cirkonijeva i itrijeva oksida, dimenzija 2 X 20 mm; onemitira infracrveno zraenje pri zagrijavanju do visokih temperatura pomou elektrinestruje. Elektino grijane uzvojnice od ice ni-hroma takoer slui kao izvori infracrvenog

zraenja.

3A-3. Selektori valnih duljina

Spektroskopski instrumenti uglavnom sadre ureaj koji suzuje mjereno zraenje do uskevrpce koju uzorak apsorbira ili emitira. Takva sredstva esto bitno utjeu na selektivnost iosjetljivost instrumenta. Nadalje, u apsorpcijskim mjerenjima uske vrpce poveavajuvjerojatnost slaganja s Beerovim zakonom.Nema selektora koji bi mogao izdvojiti zraenje

samo jedne valne duljine. Umjesto toga, izdvaja se skupina susjednih valnih duljina, koja senaziva vrpcom. Te su valne duljine rasporeene vie ili manje simetrino oko sredinje,nominalne (nazivne) valne duljine. Efektivna irina vrpce ili irina vrpce selektora (Sl. 6)

definira se kao ona irina vrpce, izraena u jedinicama valne duljine, koja odgovara irinimaksimuma u polovici njegove visine.

Slika 11. Izlazni signal tipinog selektora valnih duljina


21/116


2&

Ordinata tog crtea predstavlja postotak upadnog zraenja koji je proputen za svakuodreenu valnu duljinu. Razliiti selektori valnih duljina daju bitno razliite irine vrpca.Primjerice, monohromatori visoke kakvoe za vidljivo podruje mogu imati efektivnu irinuvrpce od nekoliko desetinka nanometra ili ak manje, a neki apsorpcijski filtar istog podruja

moe posjedovati irinu vrpce od 200 nm ili vie.Postoje dva osnovna tipa selektora valnih duljina za proizvodnju uskih vrpca zraenja (tablica3). To su monohromatori i filtri. Prednost monokromatora je u injenici da se izlazne valneduljine mogu kontinuirano mijenjati u relativno irokom spektralnom podruju.

Tabela 3 Selektori valnih duljina u spektroskopiji

Filtri

Filtri rade na naelu apsorpcije svih valnih duljina kontinuiranog izvora, osim jedneograniene vrpce. Openito, oni su odreeni svojom nazivnom (nominalnom) valnomduljinom,postotkom transmitancije u maksimumu i efektivnom irinom vrpce (slika 11).

Interferencijski filtri. Interferencijski filtri primjenjivi su kako za ultraljubiasto i vidljivozraenje tako i za zraenje do priblino 14m u infracrvenom podruju. Kao to sam nazivkazuje, interferencijski se filtri temelje na optikoj interferenciji, ime proizvode relativnouske vrpce zraenja.

Interferencijski se filtar sastoji od vrlo tanka sloja propusnog materijala (esto kalcijev ilimagnezijev fluorid) prevuenoga sa obje strane slojem metala dovoljno tankim da priblinopolovicu zraenja koje na njega pada proputa, a drugu polovicu reflektira. Sve je tosmjeteno izmeu dviju staklenih ploa koje su zatita od atmosfere. Od zraenja koje pada

na takav filtar pod kutom od 90 stupnjeva, prvi metalni sloj priblino polovicu proputa, apolovicu reflektira. Proputeno zraenje se slino raspodjeljuje na drugomu metalnom sloju.Kada je dio koji se reflektira na drugom sloju prikladne valne duljine, on se djelomice reflek-tira i na unutranjoj strani prvog sloja, a u fazi sa zraenjem iste valne duljine koja je i daljeproputena prvim slojem. Rezultat tog procesa je konstruktivna interferencija zraenja tevalne duljine i uklanjanje veine drugih valnih duljina. Lako je pokazati da se nominalnavalna duljina interferencijskog filtra Amaksmoe prikazati jednadbom

1

max= 2tn/ n (13)

gdje je tdebljina sredinjega fluoridnog sloja, n indeks loma tog materijala, a n cijeli brojnazvan redom interferencije.Stakleni slojevi filtra esto su odabrani tako da apsorbiraju sve


22/116


22

osim one valne duljine koju proputa sredinji sloj, ime je propusnost filtra ograniena nasamo jedan red.

Slikom 12. prikazane su radne znaajke tipinoga interferencijskog filtra. Veina filtara togtipa ima irinu vrpce bolju od 1,5% nazivne valne duljine, iako se taj broj u nekih filtara s

uskim vrpcama moe smanjiti i do vrijednosti od 0,15%. Meutim, takvi filtri imajumaksimum transmitancije priblino 10%.

Apsorpcijski filtri. Apsorpcijski filtri, koji su opentio jeftiniji i loiji od interferencijskih, uprimjeni su ogranieni samo na vidljivo podruje spektra. Taj tip filtra najee je napravljenod obojene staklene ploe koja apsorpcijom uklanja dijelove upadnog zraenja. Podrujeefektivnih irina vrpca apsorpcijskih filtara priblino je 30 - 250 nm. Filtri koji proizvodenajue vrpce istodobno apsorbiraju veliki dio zraenja, te mogu imati transmitancije ak imanje od 1 % u maksimumuTrite je opskrbljeno staklenim filtrima maksimumi kojihpokrivaju itavo vidljivo podruje spektra. Njihove su radne znaajke bitno slabije od onih

interferencijskih filtara, meutim cijena im je mnogo nia, a za neke rutinske poslove sa-svim su prikladni.

Slika 12. ema vrpce za dva tipa filtera

Monohromatori

Monohromatori za ultraljubiasto, vidljivo i infracrveno zraenje sline su grae. Svi se onisastoje od pukotina, lea, zrcala, prozora i disperznog sredstava. Meutim, tvari od kojih su tidijelovi nainjeni ovise o valnom podruju njihove primjene (Sl. 9).

Dijelovi monohromatora. Slikom 13. shematski su prikazani optiki elementi svihmonohromatora: (1) ulazna pukotina, (2) kolimacijske lee ili zrcalo koje proizvodi paralelansnop, (3) prizma ili reetka koja raspruje zraenje u pojedinane komponente - valne duljinete (4) dio za fokusiranje koji projicira niz pravokutnih slika izlazne pukotine na ravnu

povrinu nazvanu arinom ravninom. Nadalje, veina monokromatora ima izlazne i ulazneprozore koji tite unutranje dijelove od praine i korozivnih laboratorijskih para.Dva


23/116


23

najea tipa disperznih sredstava u monokromatorima su refleksijska reetka i prizma (Sl.13). U svrhu jednostavnijeg prikazivanja pretpostavlja se daje snop zraenja sastavljen odsamo dviju valnih duljina 1i 2(1> 2). Snop ulazi u monohromator kroz uzak pravokutanotvor (pukotina),kolimira se, a tada pada na povrinu disperznog elementa pod nekim kutom.

Slika 13. Dva tipa monohromotara (a) monohromator sa reetkom prema Czerny-Turneru;(b) monohromator sa prizmom prema Bunsenu

U monohromatorima s reetkom, kutna disperzija snopa u pojedinane valne duljine nastajezbog difrakcije na refleksnoj povrini. Disperzija u instrumentima s prizmom rezultat je lomazraenja na dvjema povrinama. I u jednima i u drugima raspreno se zraenje fokusira uarinoj ravniniAB,gdje se pojavljuju dvije slike ulazne pukotine, po jedna za svaku valnuduljinu. Zakretanjem disperznog elementa te se slike mogu fokusirati na izlaznu pukotinu.

Kad je detektor smjeten na izlaznu pukotinu monokromatora (Sl. 13a), a reetka se okreetako da jedna od linija (primjerice 1) prolazi pukotinom od vrijednosti 1- do vrijednosti1+ pri emu je mala razlika u valnim duljinama, tada izlazni signal detektora poprimaoblik Gaussove krivulje. Efektivna irina vrpce monohromatora definiranoga priloenomslikom ovisi o veliini i kakvoi disperznog elementa, o irinama pukotina i arinojudaljenosti monohromatora. Monohromator visoke kakvoe ima u ultraljubiastom i vidljivupodruju efektivnu irinu vrpce nekoliko desetinka nanometra ili manje. Efektivna irina


24/116


2

vrpce monohromatora koji openito zadovoljava pri kvantitativnoj primjeni nalazi se upodruju od 1 do 20 nm.

Refleksijske reetke slue kao disperzni elementi u suvremenim spektroskop- skimureajima. Stoga e se daljnje izlaganje ograniiti iskljuivo na monohromatore s reetkama.

Refleksijske reetke. Veina je refleksijskih reetaka vjerna kopija (replike) originalnereetke (matrica),koja se sastoji od velikog broja paralelnih blizu smjetenih ureza u tvrdojulatenoj povrini, nainjenih pomou prikladnoga dijamantnog pribora. Pogled na uveanipresjek nekoliko tipinih ureza prikazan je slikom Reetka za ultraljubiato i vidljivozraenje sadri od 300 do 2 000 ureza/mm,pri emu je 1 200 - 1 400 najei broj ureza.Za infracrveno podruje zraenja uobiajen broj je 10 - 200 ureza/mm.

Slika 14. Mehanizam difrakcije na eeletnoj reetki

Replike reetaka pripremaju se na sljedei nain. Tanak sloj aluminija nanese se uparavanjemna matricu prethodno prevuenu slojem materijala koji doputa jednostavno odvajanje

aluminija od matrice. Tada se staklena ploa slijepi uz aluminij, a urezani se sloj skine soriginalnoga kalupa. Time je zavren postupak pripremanja reetke. U novije se vrijeme umonohromatorima pojavljuju holografske reetke. Ta se vrsta reetaka izrauje finimlitografskim tehnikama uz primjenu para laserskih zraka. Radne znaajke tih reetaka dalekonadmauju znaajke replika - reetaka.

Disperzija pomou refleksijske reetke. Reetka prikazana slikom 14. eeletnaje reetka, aurezisu napravljeni na takav nain da osiguravaju relativno iroke povrine na kojima dolazido refleksije, te uske neupotrijebljene povrine. Takav geometrijski raspored osigurava vrlodjelotvornu difrakciju. Svaka se iroka povrina moe promatrati kao tokasti izvor zraenja

u kojemu nastaju zrake 1, 2 i 3, koje meusobno interferiraju. Konstruktivna se interferencija


25/116


2!

postie kada se duljine puta zraka razlikuju za cjelobrojni viekratnik n valne duljineupadnog snopa.

Paralelne zrake 1 i 2 monohromatinog zraenja (slika 14) padaju na reetku pod upadnimkutom i u odnosu prema okomici reetke. U ovom primjeru najvea konstruktivna

interferencija nastaje pri kutu refleksije r.Oito je da zraka 2 prelazi vei put od zrake 1, a daje ta razlika jednaka CD AB. Ta razlika mora iznositi im da bi se zadovoljio uvjetnastajanja konstruktivne interferencije:

Pritom se n, mali cijeli broj, naziva redom difrakcije. Kut CAD jednak je kutu i, a kut BDAkutu r. Stoga vrijedi trigonometrijski odnos

u kojemu je d razmak izmeu povrina koje reflektiraju. Takoer je oito daje

Negativan predznak dogovorno pokazuje da kut refleksije rlei sa suprotne strane okomicereetke od upadnoga kuta i (Sl. 14). Kut rje pozitivan kada je s iste strane kao i.Uvrtenjemdvaju zadnjih izraza u prvi dobije se uvjet konstruktivne interferencije:

n= d(sin i + sin r) (14)Jednadba 14. pokazuje da za zadani kut difrakcije rpostoji nekoliko valnih duljina . Dakle,ako se pod kutom rnalazi linija prvog red (n =1) pri 900 nm, pod tim istim kutom pojavit ese i linija drugog reda (450 nm), kao i ona treeg reda (300 nm). Najee je linija prvog redanajintenzivnija. Dapae, mogue je napraviti reetku koja u tom redu koncentrira ak 90%upadnog intenziteta. Linije viih redova mogue je openito ukloniti pomou filtara.Primjerice staklo, koje apsorbira zraenje ispod 350 nm, uklanja spektre viih redovapovezane sa zraenjem prvog reda u veem dijelu vidljiva podruja. Sljedei primjer ocrtavate tvrdnje.

Slinim raunom dobivaju se sljedei podatci:


26/116


2"

Nasuprot prizmi, reetka dispergira zraenje linearno du arine ravnine monokromatora, topojednostavnjuje njegovu izradbu. Druga prednost je u tome to su reetke izraene kaoreplike mnogo jeftinije od prizama.

Monohromatorske pukotine. Pukotine monohromatora vrlo su vane za kakvou

instrumenta. Pukotina se radi od dva komada kovine, vrlo paljivo da njezini rubovi buduvrlo otri. Treba paziti da ti rubovi budu meusobno paralelni i da lee u istoj ravnini.

Efektivna irina vrpce monohromatora ovisi kako o disperziji prizme ili reetke tako i oulaznoj i izlaznoj pukotini. Veina je monohromatora opskrbljena pukotinama promjenjiveirine, ime se moe mijenjati efektivna irina vrpce. Uske pukotine a time i male irinevrpca, uzrok su boljeg razluivanja instrumenta, a to je poeljno jer se time otkriva viespektralnih pojedinosti uzorka. Budui da se snaga snopa koji izlazi iz monohromatoraznatno smanjuje sa suen- jem pukotine, razluivanje monohromatora je openito odreenoosjetljivou detektora zraenja.

3A-4. Detektori zraenja i pretvornici

Detektorje naprava koja pokazuje postojanje neke fizike pojave. Poznati primjeri detektoraukljuuju fotografski film za odreivanje prisutnosti elektromagnetskog ili radioaktivnogzraenja, kazaljku vage za mjerenje razlika masa, te stupac ive u termometru za pokazivanjetemperaturnih promjena. Ljudsko oko

takoer je detektor. Ono pretvara vidljivo zraenje u elektrini signal koji dolazi do mozgapreko lanca neurona u optikom ivcu.

Pretvornik jeposebna vrsta detektora koji pretvara signale kao to su svjetlosni intenzitet,pH, masa, temperatura, u elektrine signale koji se nakon toga mogu pojaavati, prilagoavatii konano pretvoriti u broj koji oznauje veliinu poetnog signala.

Svojstva pretvornika

Idealan pretvornik elektromagnetskog zraenja ima brz odgovor za niske razine energijezraenja u iroku podruju valnih duljina. Nadalje, on proizvodi elektrinisignal koji se lako pojaava te ima relativno nizak um. Konano, osnovni

je uvjet da signal koji stvara pretvornik bude razmjeran snazi snopa P.

G = KP + K' 15

gdje je Gelektrini odgovor detektora u jedninicama struje, otpora ili potencijala. Konstantaproporcionalnosti K mjeri osjetljivost detektora kao elektrini odgovor po jedinici snagezraenja. Mnogi detektori pokazuju mali stalan odgovor, poznat kao tamna struja K\ak ikad nikakvo zraenje ne dopire do njihove povrine. Instrumenti iji detektori pokazuju veiodgovor tamne struje uglavnom su opskrbljeni dodatnim kompenzacijskim krugom kojiomoguuje oduzimanje signala razmjernoga tamnoj struji da bi se K'smanjila na nulu. Dakle,pod uobiajenim okolnostima moe se pisati

G = KP 16


27/116


2#

Vrste pretvornika

Kao to je prikazano tablicom 4., postoje dvije osnovne vrste pretvornika, oni koji dajuodgovor na fotone i drugi koji reagiraju na promjenu topline.

Svi fotonski detektori temelje se na meudjelovanju zraenja s reaktivnom povrinom, priemu ili nastaju elektroni (fotoemisija) ili oni prelaze u energijska stanja u kojima moguvoditi elektricitet (fotovodljivost). Samo ultraljubiasto, vidljivo i blisko infracrveno zraenjeimaju dovoljnu energiju za poticanje tih procesa.

Openito, infracrveno se zraenje detektira mjerenjem povienja temperature zacmjenog

materijala smjetenoga na putu snopa zraenja. Budui da su temperaturne promjene koje surezultat apsorpcije infracrvene energije vrlo male, potreban je strogi nadzor okolnetemperature ako se ele izbjei velike pogreke. De- tektorski sustav je uglavnom onaj kojiograniuje osjetljivost i preciznost instrumenata za infracrveno podruje.

Fotonski detektori

U daljem tekstu opisane su etiri najee primjenjivane vrste fotonskih detektora: (1)fotocijev, (2) fotomultiplikator, (3) silicijska fotodioda i (4) fotonaponski lanak.

Fotocijev. Fotocijev se sastoji od polucilindrine katode i od anode u obliku ice, zataljenih uevakuiranom propusnom omotau (Sl. 15). Konkavna povrina katode premazana je slojemfotoosjetljiva materijala kao to su alkalijski metali ili metalni oksidi koji ozraivanjememitiraju elektrone. Kada je potencijal primjenjen na elektrode, emitirani fotoelektroniprelaze na anodu stvarajui struju koja se odmah pojaava te prikazuje ili snima.

Broj elektrona izbaen iz fotoemisivne katode razmjeran je snazi zraenja snopa koji pada napovrinu. S primijenjenim potencijalom od priblino 90 V svi ti elektroni dolaze na anodu,pri emu nataje struja razmjerna snazi zraenja. Fotocijevi esto proizvode malu tamnu strujuu odsutnosti zraenja (jedn. 15) koja je rezultat toplinski inducirane emisije elektrona.


28/116


2$

Slika 15. Strujni krug fotocijevi. Fotostruja iducirana zraenjem uzrokuje pad napona naotporniku to se pojaava i registrira.

Fotomultiplikatori. Fotomultiplikator (Sl. 16) je po konstrukciji slian upravo opisanojfotocijevi, ali je mnogo osjetljiviji. Povrina katode slina je po sastavu onoj iz fotocijevi, priemu se elektroni emitiraju kad je izloena zraenju. Emitirani se elektroni ubrzavaju premadinodi(oznaka 1 na slici 16b) potencijal koje je za 90 V pozitivniji od onoga katode. Udaromna povrinu dinode svaki ubrzani fotoelektron proizvodi nekoliko dodatnih elektrona koji seakceleriraju prema drugoj dinodi, a koja je za 90 V pozitivnija od prve. Tu se opet elektroniumnoavaju. Nakon zavrenog procesa koji se ponavlja na svakoj od preostalih dinoda, svaki

je foton proizveo 106 - 107elektrona, koji se konano skupljaju na anodi. Nastala se strujadalje elektronski pojaava i mjeri.

Silicijske fotodiode. Kristalian silicij je poluvodi,to znai tvar elektrina vodljivost kojeje manja od vodljivosti metala, ali vea od one elektrinih izolatora. Silicij je element etvrteskupine, te prema tome ima etiri valentna elektrona. U kristalu silicija je svaki od tihelektrona u sprezi s elektronima etiriju drugih silicij evih atoma, ime nastaju etirikovalentne veze. Pri sobnoj temperaturi stvara se dovoljno toplinsko pobuivanje u tojstrukturi da se iz vezanog stanja oslobodi neki od elektrona koji tada ima mogunost kretanja

kroz kristal. Toplinska eksci-tacija elektrona za sobom ostavlja pozitivno nabijeno podrujenazvano rupom,


29/116


2%

Slika 16. Fotomultiplikator: (a) presjek; (b) elektrini krug

21A-5. Spremnici za uzorke

Spremnici za uzorke, esto nazivani elijamaili kivetama,moraju imati prozore nainjene odmaterijala prozirnoga u odreenom spektralnom podruju. Tako se (slika 9) kvarcupotrebljava za rad u ultraljubiastom podruju (ispod 350 nm), a moe se primijeniti prekovidljivoga sve do 3 000 nm u infracrvenom podruju. Silikatno staklo se zbog niih cijenauglavnom primjenjuje u podruju izmeu 375 i 2 000 nm. Plastine posudice se takoermogu primijeniti u vidljivu dijelu spektra. Najei materijal za prozore u infracrvenomdijelu spektra jest kristalini natrijev klorid.

Najbolje su kivete prozori kojih su okomiti na smjer snopa, ime se smanjuju gubitci zbogrefleksije. Najea debljina kiveta za rad u ultraljubiastom i vidljivu podruju iznosi 1 cm.Kalibrirane i meusobno sparene kivete te veliine mogu se nabaviti iz vie komercijalnihizvora. Na tritu postoje kivete i drugih debljina sloja, od 0,1 do 10 cm. Postoje i propusnerazmaknice za skraivanje debljine sloja posudice od 1 na 0,1 cm. Slika 17. prikazujenekoliko tipinih kiveta.


30/116


3'

Slika 17. Tipino trino dostupne kivete

Cilindrine se kivete katkad primjenjuju zbog ekonomskih razloga. Pritom treba posebicepaziti da se takve posudice uvijek stavljaju u isti poloaj u odnosu prema snopu. U suprotnombi se mogle pojaviti velike pogreke zbog promjene debljine sloja i refleksijskih gubitaka nazakrivljenim povrinama.

Kakvoa spektroskopskih podataka vrlo je ovisna o nainu upotrebe i odravanja sparenihkiveta. Otisci prstiju, masnoa i druge vrste taloga bitno mijenjaju transmisijske znaajkekiveta. Nuno je ienje kiveta prije i poslije upotrebe, a treba izbjegavati i dodirivanjeprozora nakon zavrenog ienja. Sparene se kivete nikad ne smiju suiti zagrijavanjem upei ili iznad plamena, jer takav postupak moe biti uzrok ili fizikog oteenja ili promjene u

debljini sloja. Sparene se kivete redovito moraju meusobno usporeivti (badariti) pomouneke otopine koja apsorbira.

3B. SPEKTROSKOPSKI INSTRUMENTI

Sastavni dijelovi prikazani u prethodnim odjeljcima mogu biti sklopljeni na razliite naine,te time nastaje niz razliito konstruiranih instrumenata za spektroskopska mjerenja. Te sekonstrukcije mogu razlikovati od vrlo jednostavnih do vrlo profinjenih. I cijene su im vrlorazliite; neki se mogu nabaviti za par stotina dolara, dok drugi kotaju desetke tisua dolara.

Nijedan od instrumenata nije sam po sebi najbolji za sve svrhe. Izbor instrumenata odreenjevrstom posla i ekono- minou primjene.

3B-1. Tipovi spektroskopskih instrumenata

Spektroskop je ureaj za identifikaciju elemenata u uzorku koji je ekscitiran u plamenu ilinekoj drugoj vruoj sredini. Sadri modificirani monokromator (slika 13b) u kojemu jearina ravnina s izlaznom pukotinom zamijenjena pokretnom leom koja omoguujevizualnu detekciju emisijskih linija. Valna duljina linije odreuje se pomou kuta izmeuupadnog snopa i puta linije do lee.

Definicija kolorimetrakae daje to instrument za apsorpcijska mjerenja koji koristi ljudskooko kao detektor. Za svaku upotrebu instrumenta potrebni su standardi za usporeivanje.


31/116


3&

Fotometar je jednostavan instrument koji se moe primijeniti za apsorpcijska, emisijska ilifluorescencijska mjerenja s ultraljubiastim, vidljivim ili infracrve- nim zraenjem. Fotometrise razlikuju prema ugraenim apsorpcijskim ili interferencijskim filtrima za izabiranje valnihduljina te fotoelektrinoj napravi za mjerenje snage zraenja. Instrumenti koji se primjenjuju

za apsorpcijska mjerenja s vidljivim zraenjem pokatkad se nazivaju fotoelektirnimkolorimetrimaili samo kolorimetrima.Primjena ovoga posljednjega naziva moe prouzroitinesporazum. Fotometar koji se primjenjuje iskljuivo za fluorescencijska mjerenja esto senazivafluorimetrom.

Spektrografsnima spektre na fotografsku plou ili na film smjeten uzdu a- rine ravninemonokromatora. Tako se monohromator prikazan na slici 21-8. moe pretvoriti u spektrografzamjenom arine ravnine ABploom ili draem filma. Spektri se tada pojavljuju kao nizcrnih slika ulazne pukotine. Spektrografi se ponajprije primjenjuju za kvalitativnu analizuelemenata.

Spektrometar je monohromator s pukotinom uvrenom u arinoj ravnini. Dvamonohromatora na slici 13. primjeri su spektrometara. Spektrometar s fotopretvornikom zovese spektrofotometar. Ti se instrumenti mogu primjenjivati za apsorpcijska, emisijska ifluorescencijska mjerenja. Fluorescencijski spektrometri esto se nazivajuspektrofluorimetrima.

3B-2. Graa instrumenta

U ovom e se odjeljku opisati etiri osnovne vrste spektroskopskih instrumenata: (1)jednosnopni, (2) dvosnopni - prostorno odijeljenih snopova, (3) dvosnopni - vremenski

odijeljenih snopova i (4) viekanalni instrumenti.Jednosnopni instrumenti

Slika 18a, shematski je prikaz instrumenta s jednim snopom zraenja primjenjivim zaapsorpcijska mjerenja. Sastoji se od jednoga od izvora zraenja navedenih u tablici 2., zatimod filtra ili monokromatora za odabir valnih duljina (tabl. 3), sparenih kiveta koje senaizmjence mogu umetnuti u snop, jednoga od detektora navedenih u tablici 4., te pojaala iureaja za oitavanje.


32/116


32

Slika 18. Mjerenje transmitancije instrumentom s jednom zrakom svjetlosti zahtijevatri osnovna koraka:

(1) namjetanje (ugaanje) 0% T.

(2) namjetanje (ugaanje)100% Ti

(3) odreivanje % Tuzorka.

Ugaanje 0% T izvodi se pomou zaslona postavljenoga izmeu izvora i fotodetektora.

Mjerilo se ugaa mehaniki ili elektriki dok se ne postigne vrijednost 0. Drugi se korakizvodi umetanjem otapala na put svjetlosti, otvaranjem zaslona i mijenjanjem intenzitetazraenja, ili pojaanjem elektrinog signala s detektora do postizanja vrijednosti 100 (100%T).

Intenzitet snopa moe se mijenjati na nekoliko naina, ukljuujui namjetanje elektrinesnage na izvoru. Osim toga, snop se moe priguiti pomou dijafragme, optikoga klina ilioptikog elja koji fiziki zaustavlja dio zraenja (uklonjena koliina se moe mijenjati). Utreem se koraku posudica s otapalom zamjenjuje onom koja sadri uzorak, a postotnatransmitancija se oita s ljestvice.


33/116


33

Budui da je pretvoreni signal s fotodetektora linearan u odnosu prema snazi zraenja koje nanjega pada, oitanje na ljestvici za uzorak u putu svjetlosti zapravo je postotna transmitancija(tj. postotak pune ljestvice).

Jednosnopan instrument zahtijeva stabilno napajanje naponom da bi se izbjegle pogreke

nastale promjenama intenziteta snopa za vrijeme ugaanja 100% Ti mjerenja % Tuzorka.

Velike su razlike meu jednosnopnim ureajima u sloenosti i radnim znaajkama.Najjednostavniji i najjeftiniji sastoji se od volframove arulje prikljuene na bateriju, nizastaklenih filtara za odabir valnih duljina, epruveta kao mjernih posudica, fotoelije kaodetektora i malog mikroampermetra kao ureaja za oitavanje. S druge strane, postojesloeni, kompjutorski upravljani instrumenti koji pokrivaju podruje od 200 do 1000 nm, iliak ire. Ti instrumenti imaju meusobno izmjenljive volframove i deuterijeve lampe kaoizvore, primjenjuju pravokutne silikatne kivete, a opremljeni su reetkom s visokimrazluivanjem i varijabilnom pukotinom. Kao detektori slue fotomultiplikatori, a izlazni

podatak esto je digitaliziran i pohranjen te se moe ispisati u nekoliko oblika.

Dvosnopni instrumenti

Mnogi suvremeni fotometri i spektrofotometri temelje se na radu s dva snopa zraenja. Slika18b. prikazuje instrument u kojemu dva snopa nastaju u prostoru pomou zrcala u oblikuslova V, koje se naziva djeliteljem snopa. Jedan snop prolazi kroz referentnu otopinu premafotodetektora, a dragi istodobno prolazi kroz uzorak prema dragom, sparenom fotodetektora.Dva se izlazna signala pojaavaju, a njihov omjer, ili logaritam njihovih omjera, odreuje seelektroniki i pokazuje na ureaju za oitavanje. Kod runih instrumenata mjerenje zahtijeva

dva koraka, najprije namjetanje nule pomou zaslona izmeu selektora i djelitelja snopa, azatim se uz otvoreni zaslon izravno s mjerila oita transmitancija ili apsorbancija uzorka.

Druga vrsta instrumenta s dvije zrake svjetlosti prikazana je slikom 18c. Tu su snopoviodijeljeni u vremenu pomou rotirajuega sektorskog zrcala koji usmjeruje cijeli snopnajprije od monokromatora kroz referentnu otopinu, a zatim kroz uzorak. Takvi pulsevizraenja kombiniraju se s drugim sektorskim zrcalom koje proputa jedan, a reflektira drugiimpuls zraenja prema detektoru. Kao to je prikazano dijelom oznaenime "pogled sprijeda"na slici 18c., sektorsko zrcalo koje pokree motor nainjeno je od segmenata u obliku kriketorte, od kojih je polovica zrcalna, a polovica prozirna. Zrcalni dijelovi povezani su zacr-

njenim metalnim okvirima koji periodiki prekidaju snop, ime sprjeavaju njegov dolazakna detektor. Detektorski je krug programiran da za to vrijeme izvede ugaanje tamne struje.

Instrument prikazan slikom 18c. jest instrument "nul-tipa", u kojemu se snop koji prolazi krozotapalo priguuje dok se njegov intenzitet tono ne poklopi s intenzitetom snopa koji prolaziuzorkom. Priguenje se ovdje postie pomou optikoga klina propusnost kojega se linearnosmanjuje s njegovom duljinom.

Dakle, nul-toka se postie pomicanjem klina u snop dok dva elektrina impulsa ne postanuidentina, to se pokazuje nulom na detektoru. Transmitancija ili apsorbancija se tada

izravno oita pomou kazaljke spojene s klinom.


34/116


3

Dvosnopni instrumenti pokazuju prednost utoliko to oni kompenziraju sve osimkratkotrajnih fluktuacija ulaznog zraenja i klizanja u detektoru i pojaalu. Nadalje,postojanje dvostrukog snopa omoguuje neprekidno snimanje transmi- tancijskih iliapsorbancijskih spektara. Kao posljedica toga veina suvremenih instrumenata za snimanje u

ultraljubiastom i vidljivom dijelu spektra su s dvostrukim snopom, najee odijeljenim uvremenu. Na tom se naelu temelji i veina spektrofotometara za infracrveno podrujespektra.

Viekanalni instrumenti

U posljednjih desetak godina proizvodi se mnogo viekanalnih spektrofotometara. Slika 19.pojednostavnjen je shematski prikaz optikog nacrta za vrstu viekanalnog spektrometra kojise naziva spektrometrom s diodnim nizom. Zraenje volframove ili deuterijske lampefokusirano je kroz posudicu koja sadri uzorak ili otapalo, nakon ega prolazimonokromatorom s fiksnom reetkom. Disper- girano zraenje pada na detektor s diodnim

nizom koji se, kao to je prije spomenuto, sastoji od nekoliko stotina linearno poredanihfotodioda po duljini silicij- skog ipa. Cipovi su uglavnom duljine 1-6 cm, a irinapojedinanih dioda je 15 - 50pm.Svaki ip takoer sadri kondenzator i elektini prekidazasvaku diodu. Kompjutorski se sekvencijalno zatvara svaki prekida, stoje uzrok daje svakikondenzator nabijen do -5 V. Zraenje koje pada na povrinu bilo koje diode uzrokujedjelomino izbijanje pripadnoga kondenzatora. Taj se izgubljeni napon nadomjeta tijekomsljedeeg ciklusa ukljuivanja. Rezultantne struje, koje su razmjerne snazi zraenja,pojaavaju se, digitaliziraju i spremaju u kompjutorsku memoriju. Cijeli je ciklus zavren zanekoliko milisekunda.

irina pukotine monokromatora instrumenta s diodnim nizom najee je jednaka irini jedneod silicij skih dioda. Dakle, izlazni signal svake od dioda odgovara zraenju razliite valneduljine, a spektar se dobiva sekvencijalnim snimanjem tih izlaznih signala. Budui dajeelektroniki proces snimanja izvanredno brz, podatci cijelog spektra sakupe se za jednusekundu ili ak manje.

Slika 19. Prikaz viekanalnog spektrofotometra koji se temelji na primjeni reetke i

fotodiodnog detektora


35/116


36/116


3"

Apsorpcija organskih spojeva

Za apsorpciju ultraljubiastog i vidljiva zraenja u organskim molekulama odgovorne sudvije vrste elektrona: (1) zajedniki (podijeljeni) elektroni koji izravno sudjeluju u stvaranjuveze, te su stoga podijeljeni vie nego jednom atomu, i (2) nepodijeljeni vanjski elektroni koji

su uglavnom smjeteni oko atoma kao to su kisik, halogeni elementi, sumpor i duik.

Slika 20. Tipini ultraljubiasti apsorpciski spektri. Spoj je 1,2,4,5- tetrazin. Iz S. F.Mason, J. Chem. Soc. 1959., 1265. S doputenjem

Valne duljine pri kojima organska molekula apsorbira ovise o jakosti kojom su vezani njezinirazliiti elektroni. Primjerice, podijeljeni elektroni u jednostrukim vezama kao to su ugljik-ugljik ili ugljik-vodik tako su vrsto vezani da njihovo pobuivanje zahtijeva energije kojeodgovaraju valnim duljinama u vakuumskom ultraljubiastom podruju (ispod 180 nm).Spektri jednostrukih veza nisu iroko iskoriteni u analitike svrhe zbog eksperimentalnihpotekoa pri radu u tom podruju. Potekoe se pripisuju injenici da i kvare i sastavnidijelovi atmosfere apsorbiraju zraenje ispod 180 nm. Ta okolnost zahtijeva primjenu evakui-ranih spektrofotometara s optikom nainjenom od litijeva fluorida.

Organski spojevi s dvostrukim ili trostrukim vezama openito imaju upotrebljive apsorpcijskemaksimume u lako dostupnom ultraljubiastom podruju jer su elektroni u nezasienimvezama relativno slabo vezani, te se lako pobuuju. Nezasiene organske funkcionalneskupine koje apsorbiraju u ultraljubiastom i vidljivu podruju nazivaju se hromoforima.Utablici 5. popisani su uobiajni hromofori i priblini poloaji njihovih apsorpcijskih

maksimuma. Nekoliko primjera spektara prikazano je na margini stranice.


37/116


3#

Tablica 5.

APSORPCIJSKE ZNAAJKE NEKIH UOBIAJENIH ORGANSKIH KROMOFORA

Organski spojevi koji sadre sumpor, brom i jod takoer apsorbiraju u ultraljubiastompodruju jer ti elementi imaju slabo vezane nepodijeljene elektrone koji se lake pobuuju odpodijeljenih elektrona u zasienim vezama.

Apsorpcija anorganskih vrsta

Apsorpcijski spektri veine anorganskih kompleksnih iona i molekula nalik su onimaorganskih spojeva (Sl. 20b. i 20c, te spektri prikazani na margini stranice), sa irokim

apsorpcijskim maksimumima i vrlo malo fine strukture. Pritom su iznimka spektri iona izniza lantanida i aktinida. Elektroni odgovorni za apsorpciju tih elemanata (4f, odnosno 5f)zasjenjeni su vanjskim utjecajima elektrona koji se nalaze u orbitalama s veim glavnimkvantnim brojevima. Posljedica tog su uske apsorpcijske vrpce na koje ne utjee priroda vrstavezanih pomou vanjskih elektrona.

Ioni i kompleksi 18 elemenata prvih dvaju prijelaznih nizova obojeni su, uz neke iznimke,barem u jednom, ako ne u svim oksidacijskim stanjima. Apsorpcija vidljiva zraenja tih vrstaukljuuje prijelaze elektrona izmeu popunjenih i nepopunjenih f-orbitala koje se razlikuju uenergiji zbog vezivanja liganda na ion metala. Razlike energija izmeu d-orbitala, a time i

poloaj odgovarajuega apsorpcijskog maksimuma, ovise o oksidacijskom stanju elementa,njegovu poloaju u periodnom sustavu te vrsti liganda vezanog na ion metala.


38/116


3$

Apsorpcija prijenosa naboja

Apsorpcija prijenosa nabojaosobito je vana za kvantitativne svrhe zbog neobino visokihvrijednosti molarnih apsorptivnosti (emaks > 10 000), to dovodi do velike osjetljivostiodreivanja. Mnogi anorganski i organski kompleksni spojevi podlijeu takvoj vrsti

apsorpcije, te se stoga nazivaju kompleksima s prijenosom naboja.

Kompleksi s prijenosom naboja sadre skupinu donora elektrona vezanu na akceptorelektrona. Kada takav produkt apsorbira zraenje, elektron se s donorske skupine premjeta uorbitalu uglavnom povezanu uz akceptorsku skupinu. Pobueno je stanje tada rezultat nekevrste unutarnjega oksidacijsko-redukcijskog procesa. To se ponaanje razlikuje od onogaorganskih kromofora u kojima se pobueni elektron nalazi u molekulskojorbitali podijeljenojizmeu dva ili vie atoma.

Najpoznatiji primjeri kompleksa s premjetanjem naboja su fenolni kompleks eljeza(III),

kompleks eljeza(II) sa 1,10-fenentrolinom, kompleks molekulskog joda s jodidnim ionom tefero-fericijanidni kompleks koji tvori boju Pruskog plavila. Crvena boja kompleksa koji tvorieljezo(III) s tiocijanatnim ionom daljnji je primjer apsorpcije prijelaza s prijenosom naboja.Apsorpcijom fotona elektroni prelaze iz tiocijanatnog iona u orbitalu koja je poglavitopovezana s ionom eljeza(III). Produkt je pobuena estica koja sadri uglavnom eljezo(II) itiocijanatni radikal SCN. Kao i u drugim vrstama elektronskih pobuivanja, elektron se utakvu kompleksu najee vraa u svoje poetno stanje nakon vrlo kratka vremena. Pokatkad,dodue, pobueni kompleks moe disocirati i pritom nastaju fotokemijski oksidacijsko-redukcijski produkti.

Kod veine kompleksa s prijenosom naboja koji u sebi imaju ion metala, metal slui kaoakceptor elektrona. Iznimke su kompleksni spoj 1,10-fenantrolina sa eljezom(III) tebakrom(I), u kojima je ligand akceptor, a metalni ion donor elektrona. Poznato je jonekoliko primjera takvih kompleksa.

2A-2. Instrumenti za ultraljubiastu i vidljivu apsorpcijsku spektroskopiju

Fotometri

Prednosti fotometara u apsorpcijskim mjerenjima su niska cijena, jednostavnost, robusnost,mogunost prenoenja te lakoa odravanja. Nadalje, u analizama u kojima nije vana visoka

spektralna istoa, a to je esto, tanost i preciznost mjerenja fotometrom sline su onimadobivenima spektrofotometrom. Loe strane fotometara su skuena viestranost,nemogunost dobivanja cijelog spektra te vee efektivne irine vrpca.

Slika 21. prikazuje jednostavan jednosnopni fotometar, primjenjiv za kvantitativnaodreivanja u vidljivu podruju. Uz takve fotometre najee postoji nekoliko filtara, odkojih svaki proputa razliito podruje vidljiva spektra. Openito, prikladan filtar je onajkojega je boja komplementarna boji otopine uzorka. Tu komplementarnu boju uzorakapsorbira. Primjerice, otopina je obojena crveno jer proputa crveno podruje spektra, aapsorbira zeleno. Intenzitet zelenog zraenja mijenja se s koncentracijom uzorka, te se mora


39/116


3%

primijeniti zeleni filtar. Ako postoji nekoliko filtara iste osnovne boje, potrebno je upotrijebitionaj koji za otopinu analita daje najveu apsorbanciju, odnosno najmanju transmitanciju.

Fotometri za ultraljubiasto podruje postali su vani detektori u visokodjelot- vornojtekuinskoj kromatografiji. U tu svrhu kao izvor slui arulja sa ivinim parama, a emisijska

linija pri 254 ili pri 280 nm izolira se pomou interferencijskog filtra.

Slika 21. Jednosnopni fotometar za apsorpcijska mjerenja u vidljivu podruju

Spektrofotometri

Razliiti proizvoai instrumenata nude na tritu nekoliko desetaka razliitih modelaspektrofotometara za ultraljubiasto i vidljivo podruje zraenja.

Instrumenti za vidljivo podruje zraenja. Spektrofotometri za vidljivo podruje zraenjaopenito su instrumenti s jednim snopom zraenja i reetkom, relativno su niskih cijena,robustni i lako prenosivi. Postoje instrumenti na baterijski pogon, koji su tako maleni da semogu drati u ruci. Oni se najee primjenjuju za kvantitativnu analizu pri jednoj valnojduljini, iako se s nekima od njih mogu poluiti iznenaujue dobri apsorpcijski spektri, a toomoguuje njihovu primjenjivost i u kvalitativnoj analizi.

Instrument shematski prikazan slikom 22. jednostavan je spektrofotometar Spectronic 20. Tajse model prvi put pojavio na tritu sredinom pedesetih godina, a njegova se izmijenjenaverzija jo proizvodi i dobro prodaje. Bez ikakve sumnje, vie je tih instrumenata trenutno uupotrebi u svijetu od bilo kojeg drugog pojedinanog modela spektrofotometra.


40/116


'

Slika 22. Spektrofotometar Spectronic 20.

Spectronic 20 se koristi izvorom svjetlosti s volframovom niti uz stabilizirano napajanjeelektrinom energijom, ime nastaje zraenje stalnog intenziteta. Nakon difrakcije na

jednostavnoj refleksijskoj reetki zraenje prolazi kroz kivetu s uzorkom ili onu sreferentnom otopinom, te pada na fotocijev. Pojaan elektrini signal iz detektora pokreemjerilo, ljestvica kojega je veliine 15 cm badarena linearno za transmitanciju, alogaritamski za apsorbanciju.

Spectronic 20 opremljen je zatvaraem koji izgleda kao vjetrenica, a automatski zatvaraprostor izmeu snopa i detektora im se kiveta ukloni iz njezina draa. Ureaj za nadzor

svjetlosti, smjeten izmeu reetke i zatvaraa, je otvor u obliku slova V koji se pomie usnop ili iz njega, ime se nadzire intenzitet snopa koji pada na fotocijev.

U Spectronic 20 badarenje 0% Tnapravi se uz prazan odjeljak za uzorke, pri emu zatvarasprjeava pristup zraenja detektoru. Ugaanje100% Tukljuuje stavljanje kivete sa slijepimuzorkom u odjeljak za uzorke i namjetanje ureaja za nadzor svjetlosti. Konano, u odjeljakza uzorke stavi se uzorak, a postotna transmitancija, ili pak apsorbancija, izravno se oita sljestvice mjerila.

Spektralno podruje instrumenta Spectronic 20 protee se od 340 do 625 nm; dodatnafotocijev moe proiriti mjerno podruje do 950 nm. Ostale znaajke instrumenta su irinavrpce od 20 nm i tonost valne duljine od 2,5 nm.


41/116


&

Jednosnopni instrumenti, kao to je Spectronic 20, dobro su prilagoeni za kvantitativnaapsorpcijska mjerenja pri jednoj valnoj duljini. Jednostavnost instrumentacije, niska cijena ilakoa odravanja pruaju znatne prednosti.

Nekoliko proizvoaa instrumenata nudi jednosnopne instrumente za rad u ultraljubiastom i

u vidljivu podruju spektra. Najnie valne duljine su tada izmeu 190 i 210 nm, a najviepodruje je od 800 do 1 000 nm. Svi su opremljeni volframovom aruljom i deuterijskom (ilivodikovom) lampom. Veina ima fotomulti- plikatore kao detektore, a reetke za disperzijuzraenja. Mnogi su opremljeni digitalnim ureajem za oitanje, a neki velikim mjerilima.

Spektrofotometri za ultraljubiasto i vidljivo podruje s pisaem. Slika 23., prikazujeoptiki sustav tipinog spektrofotometra s dva snopa zraenja podijeljena u vremenu, koji jepredvien za rad od priblino 190 nm do 750 nm. Instrument se sastoji od deuterijskog ivolframovog izvora zraenja, koje je mogue odabirati prema potrebi, zatim od refleksijskereetke kao monokromatora te fotomultipli- katora kao detektora. Sjeckalo snopa je

cirkulama ploica ("chopper") pokretana motorom, koja je podijeljena u tri dijela, od kojih jejedan proziran drugi reflek- sijski, a trei nepropustan. Svakim obrtajem ploice detektordobiva tri signala, od kojih prvi odgovara P0, drugi, P, a trei tamnoj struji. Konaanelektrini signal tada se podvrgava elektronikom procesu, da bi se na ureaju za oitavanjedobio podatak o transmitanciji ili o apsorbanciji.

Takva vrsta instrumenta najee je opskrbljena reetkom koju pokree motor usklaen sradom pokretaa papira u pisau, ime je omogueno automatsko snimanje cijelog spektra.

Slika 23. Dvosnopni spekrofotometar s pisaem za ultraljubiasto i vidljivo podruje;serije Perkin Elmer.


42/116


43/116


3

Utjecaj rasprenog zraenja na krajnje valne duljine spektrofotometra

Prethodno je pokazano da raspreno zraenje moe prouzroiti instrumentna odstupanja odBeerova zakona. Drugi neeljeni uinak te vrste zraenja povremena je pojava lanihmaksimuma pri krajnjim valnim duljinama spektrofotometra. Krivulja B istinski je spektar

otopine cerija(IV) dobiven pomou spektrofotometra istraivake kakvoe, koji imamogunost snimanja kvalitetnih spektara do 200 nm ili ak nie. Krivulja A dobivena je zaistu otopinu pomou instrumenta nie cijene, opskrbljenoga volframovim izvorom prikladnimza rad samo u vidljivu podruju zraenja. Lani maksimum pri 360 nm izravno se pripisujerasprenom zraenju koje nije apsorbirano jer je sastavljeno od valnih duljina veih od 400nm. Najee takvo raspreno zraenje ima zanemariv uinak jer je njegova snaga samomalen dio ukupne snage snopa koji izlazi iz monokromatora. Meutim, pri valnim duljinamamanjima od 380 nm zraenje iz monokromatora vrlo je prigueno zbog apsorpcije ustaklenim optikim komponentama i kivetama. Nadalje, i izlazni signal izvora i osjetljivost

fotolanka znatno se smanjuju ispod 380 nm. Kombinacija svih tih imbenika uzrok jepripadanja bitnog udjela mjerene apsorbancije rasprenom zraenju, u podruju valnih duljinau kojemu je otopina cerija(IV) prozirna. Time nastaje lani maksimum.

Isti se uinak pokatkad pojavljuje kada se pomou instrumenata za ultraljubiasto i vidljivopodruje pokuavaju mjeriti apsorbancije pri valnim duljinama manjima od priblino 190 nm.

4A-4. Kvantitativna analitika primjena ultraljubiaste i vidljivefotometrije i spektrofotometije

Apsorpcijska spektroskopija koja se temelji na ultraljubiastom i vidljivu zraenju jedna je od

najupotrebljivijih metoda u kvantitativnoj analitikoj kemiji5.

Vane znaajke fotometrijskih i spektrofotometrijskih metoda su:

1. iroka primjenjivost.Ogroman broj anorganskih, organskih i biokemijskih vrsta apsorbiraili ultraljubiasto ili vidljivo zraenje, te su time prikladne za izravno kvantitativnoodreivanje. Mnoge vrste koje ne apsorbiraju, takoer se mogu odreivati nakon kemijskereakcije kojom se prevode u derivate koji apsorbiraju. Procijenjeno je da se vie od 90%analiza koje se izvode u klinikim laboratorijima temelje na apsorpcijskoj spektroskopijiultraljubiastog i vidljiva zraenja.

4B. INFRACRVENA APSORPCIJSKA SPEKTROSKOPIJA

Infracrvena spektrofotometrija jedna je od najsnanijih metoda koje hemiaru stoje naraspolaganju za identifikaciju istih organskih i anorganskih spojeva, jer osim nekolikohomonuklearnih molekula kao to su O2, N2 i Cl2, sve molekulske vrste apsorbirajuinfracrveno zraenje. Nadalje, osim kiralnih molekula u kristalinom stanju, svakamolekulska vrsta ima jedinstven infracrveni apsorpcijski spektar. Stoga se uzorak nedvojbenomoe identificirati ako se njegov spektar tono slae sa spektrom spoja poznate strukture.

Infracrvena spektroskopija manje je zadovoljavajua za kvantitativnu analizu od

spektroskopije u ultraljubiastom i vidljivu podruju jer uski maksimumi koji su tipini zainfracrvenu apsorpciju obino najee uzrokuju odstupanja od Bee- rova zakona. Nadalje,


44/116


45/116


!

dobivanje potpunih spektara za kvalitativnu identifikaciju, a fotometri s filtrima namijenjenisu kvantitativnom radu. Instrumenti s Fourierovom transformacijom i oni s filtrima sunedisperzni u smislu nepostojanja prizme ili reetke koja bi dispergirala zraenje upojedinane valne duljine.

Disperzni instrumenti

Disperzni instrumenti za infracrveno podruje zraenja openito su, uz jednu razliku, slinidvosnopnim instrumentima, snopovi zraenja kojih su podijeljeni u vremenu. Spomenuta jerazlika u smjetaju odjeljka za uzorke u odnosu prema monohromatoru. U instrumentima zaultraljubiasto i vidljivo podruje uzorci su uvijek smjeteni izmeu monohromatora idetektora da bi se izbjeglo fotohemijsko razgraivanje koje se moe pojaviti pri izlaganjupunoj snazi ultraljubiasta ili vidljiva izvora zraenja. Nasuprot tome, infracrveno zraenjenema energiju dovoljnu za fotorazgradnju. Stoga se uzorak smjeta izmeu izvora imonokromatora. Takav raspored ima prednost jer se sve raspreno zraenje koje nastaje u

odjeljku za uzorke ukloni monokromatorom.

Komponente ureaja za infracrveno podruje, u pojedinostima se bitno razlikuju od onih zaultraljubiasto i vidljivo podruje. Izvori za infracrveno zraenje su zagrijane krutine, a nedeuterijska ili volframova arulja. Reetke su mnogo grublje izradbe od onih zaultraljubiasto i vidljivo zraenje. Detektori odgovaraju na toplinu, a ne na fotone.Nadalje,optike komponente insturmenata za infracrveno podruje nainjene su od izg-Aenih krutina, kao stoje natrijev klorid ili kalijev bromid.

Spektrofotometri s Fourierovom transformacijom

Prednosti spektrofotometara s Fourierovom transformacijom za infracrveno podruje oitujuse u neobino velikoj osjetljivosti, razluivanju te brzini skupljanja podataka (podaci cijelogspektra mogu se dobiti za 1 sekundu ili manje). Nasuprot tim prednostima su sloenostinstrumenta i njegova visoka cijena, koja je takva djelomice zbog potrebe postojanja vrlosofisticiranog raunala za raspoznavanje izlaznih podataka.

Instrumenti s Fourierovom transformacijom ne sadre disperzni element, te se sve valneduljine detektiraju i mjere simultano. U svrhu odvajanja valnih duljina, potrebno je signalizvora modulirati tako da gaje mogue odgonetnuti Fourierovom transformacijom -matematikom operacijom koja zahtijeva raunalo velike brzine. Teorija mjerenja premaFourierovoj transformaicji izvan je programa ove knjige17.

Fotometri s filtrima

U novije se vrijeme upotrebljavaju infracrveni fotometri predvieni za praenje koncentracijezagaivaa zraka, primjerice ugljikova monoksida, nitrobenzena, vinilnoga klorida,cijanovodika i piridina, a u svrhu potovanja pravila koja je donijela zdravstvena organizacijaOccupational Safety and Health Administration (OSHA) (U.S.A.). Mogue je nabavitiinterferencijske filtre predviene za odreivanje svakoga pojedinog zagaivaa. Oniproputaju uske vrpce zraenja u podruju od 3 do 14 m.


46/116


"

4B-3. Kvalitativna analiza primjenom infracrvene spektrofotometrije

Infracrveni apsorpcijski spektar, ak i onaj relativno jednostavna spoja, esto sadrizbunjujuu koliinu otrih maksimuma i minimuma. Maksimumi kojima se prepoznajufunkcionalne skupine nalaze se u podruju manjih valnih duljina infracrvenog podruja

(priblino od 2,5 do 8,5 ftm). U tom podruju na poloaje maksimuma ostatak molekuleutjee samo neznatno. U tablici 7. prikazani su poloaji tipinih maksimuma nekihuobiajenih funkcionalnih skupina18.

Prepoznavanje funkcionalnih skupina u molekuli malokad je dostatno za sigurnuidentifikaciju spoja, te se cijeli spektar od 2,5 do 15 jummora usporediti s onime poznatogspoja. Za tu namjenu postoje zbirke spektara.

Tabela 7. Neki tipini infracrveni apsorpcijski maksimumi

4B-4. Kvantitativna analiza primjenom infracrvene fotometrije ispektrofotometrije

Kvantitativne infracrvene apsorpcijske metode poneto se razlikuju od onih u ul-traljubiastom i vidljivu podruju, ponajvie zbog vee sloenosti spektara, uskihapsorpcijskih vrpca te instrumentnih ogranienja infracrvenih fotometara i spek-trofotometara20.

Mjerenja apsorbancije

Primjena sparenih kiveta za otapalo i uzorak malokad je prihvatljiva za infracrvena mjerenjazbog potekoa u dobivanju kiveta istih transmisijskih znaajki. Dio potekoa potjee odsmanjenja prozirnosti prozora kiveta za infracrveno podruje (najee izglaeni natrijevklorid) tijekom primjene, zbog prisutnosti tragova vlage u atmosferi i u uzorcima. Nadalje,teko je dobiti identinu debljinu sloja jer su kivete za infracrveno podruje esto ue od 1mm. Takve su debljine kiveta potrebne radi proputanja mjerljivih intenziteta infracrvenogzraenja kroz isti uzorak ili kroz vrlo koncentirane otopine uzorka. Mjerenja razrijeenihotopina uzoraka, kao u ultraljubiastoj ili vidljivoj spektroskopiji, esto su iskljuena zbog

nedostatka dobrih otapala koja bi bila prozirna u znatnom dijelu infracrvenog spektra. Zbog


47/116


48/116


49/116


%

5.A. ATOMSKA SPEKTROSKOPIJA TEMELJENA NA ULTRALJUBIASTOM IVIDLJIVU ZRAENJU

Atomska se spektroskopija primjenjuje za kvalitativno i kvantitativno odreivanje priblino70 elemenata. Osjetljivosti se atomskih metoda nalaze u podruju "dijelova na milijun"

(ppm), odnosno "dijelova na bilijun" (ppb). Dodatne prednosti tih metoda su brzina,prikladnost, uglavnom visoka selektivnost te umjerene cijene instrumenata.

Spektroskopska se prouavanja atoma (ili elementnih iona), primjerice Fe+, Mg+ ili Al+,mogu pomou ultraljubiastog i vidljiva zraenja obavljati samo u plinovitoj sredini, u kojojsu pojedinani ioni dobro meusobno odvojeni. Prema tome, prvi korak svih atomskih

spektroskopskih postupaka je atomizacija,proces kojime se uzorak isparava i razgrauje uznastajanje atomske pare. Uinkovitou i reproducibilnou koraka atomizacije bitno jeodreena osjetljivost, preciznost i tonost metode. To znai da je atomizacija najkritinijikorak u atomskoj spektroskopiji.

Kao to je prikazano tablicom 10., atomske spektroskopske metode prikladno sukategorizirane prema nainu atomiziranja uzoraka. Pritom se atomizacijska temperatura bitnomijenja izmeu nekoliko metoda. Atomske se metode temelje na pojavama apsorpcije,fluorescencije i emisije.

U ovom e se poglavlju razmatrati spektroskopske metode temeljene na etiri najea nainaatomizacije: (1) atomizacija u plamenu, (2) elektrotermika atomizacija, (3) atomizacija uinduktivno spregnutoj plazmi i (4) atomizacija u plazmi istosmjerne struje.

Tabela 10. klasifikacija atomskih spektralnih metoda


50/116


!'

5.A-1 USPOREDBA ATOMSKIH I MOLEKULSKIH SPEKTROSKOPSKIHMETODA

Atomska se spektroskopija temelji na pojavama apsorpcije, fluorescencije i emisije, a zamolekulsku spektroskopiju openito su primjenjive samo apsorpcija i fluorescencija.Metode toplinske emisije malo su primijenjene u odreivanju molekulskih vrsta jer se veinamolekula razgrauje pri temperaturama potrebnim za pobuivanje emisije.

Postoje neke koncepcijske razlike izmeu atomske i molekulske spektroskopije. Primarna jerazlika u tipu prouavanih hemijskih vrsta. Atomska spektroskopija bavi se identitetom i

koncentracijom atoma u uzorku, bez obzira na nain njihove povezanosti. Nasuprot tome,molekulska spektroskopija upuuje na kvalitativne i kvantitativne podatke o molekulama uuzorku.

Atomska spektroskopija ograniena je na frekvencije ultraljubiastog, vidljiva i X-zraenja, jer su samo te frekvencije energijski prikladne za pobuivanje elektronskihprijelaza.Nasuprot tome, osim elektronskih razina, molekule imaju i vibracijska i rotacijskaenergijska stanja. Kao posljedica toga, molekulska se spektroskopija temelji na zraenjuultraljubiastog, vidljiva, infracrvenog, mikrovalnog i radiofrekvencijskog podruja.

Instrumenti za atomsku i molekulsku spektroskopiju imaju niz zajednikih znaajaka.Primjerice, i kod jednih i kod drugih primjenjuju se monohromatori ili filtriza odabiranjevalnih duljina te fotonski detektori za odreivanje intenziteta zraenja. Instrumenti zaatomska i molekulska apsorpcijska istraivanja imaju spremnik uzoraka. U ureajima zamolekulsku apsorpcijsku spektroskopiju su spremnici elije, ili kivete, koje sadre tekuu iliplinsku otopinu uzorka. Spremnik u atomskoj spektroskopiji je plamen, plazma, luk ili iskra,koji sadre plinski atomski uzorak. Spremnik atoma slui u dvije svrhe: on je ujedno isredstvo za atomizaciju i spremnik atomskih para.

Ureajima za atomsku apsorpciju i onima za fluorescenciju zajednika je znaajka takoerizvor zraenja. Poslije e se uoiti da su upravo svojstva izvora uzrok najveih razlikaizmeu atomske i molekulske spektroskopije.


51/116


52/116


53/116


!3

5B-2. Emisijski i apsorpcijski spektri u plamenu

Emisijski i apsorpcijski spektri atoma i iona dobivaju se iz plamena. Atomski emisijskispektri nastaju kada je atom ili ion pobuen apsorpcijom energije vrueg izvora, te serelaksira do svoga osnovnog stanja otputanjem fotona zraenja.Nasuprot tome, atomska

apsorpcija nastaje kada plinoviti atom ili ion apsorbira foton zraenja iz vanjskog izvora itime se pobuuje. Vano je naglasiti daje za isti elektronski prijelaz, energija emitiranogfotona jednaka onoj apsorbiranog fotona. Dakle, valna duljina emitiranog zraenja jednakajevalnoj duljini apsorbiranog zraenja.

U plamenu se svi elementi ioniziraju do nekog stupnja, to uvjetuje postojanje smjese atoma,iona i elektrona u vruem mediju. Primjerice, kada se uzorak koji sadri barij atomizira,ravnotea

Ba Ba+ + e-uspostavlja se u unutranjem stocu plamena. Poloaj ravnotee ovisi o temperaturi plamena iukupnoj koncentraciji barija kao i o koncentraciji elektrona koji nastaju ionizacijom svihelemenataprisutnih u uzorku. Pri temperaturama najtoplijih plamena (>3 000 K) priblinopolovica barija moe biti prisutna u ionskom obliku. Meutim, spektri Ba i Ba+potpuno sumeusobno razliiti. Prema tome, u visokotemperaturnim plamenima pobuuju se dvaspektra za barij, jedan atomski : jedan ionski. Zbog toga, a i zbog drugih razloga, u plamenoj

je spektroskopiji vrlo vaan nadzor temperature plamena.

5B-3. Metode dobivanja spektara pomou plamena

U plamenoj emisijskoj spektroskopiji pobueni ioni uzorka slue kao izvori zraenja. Toznai, za razliku od svih drugih do sada opisanih tipova spektroskopije, u plamenojemisijskoj spektroskopiji ne primjenjuje se nikakav vanjski izvor. Spektri se snimajusmjetanjem unutranjeg stoca plamena ispred ulazne pukotine monohromatora (Sl. 13).Izlazni signal izlazne pukotine promatra se kao spektar, koji se snima rotiranjem reetke iliprizme. Tako dobiven emisijski spektar prikazan je slikom 17.

U atomskoj se apsorpcijskoj spektroskopijizraenje posebne vrste vanjskog izvora proputakroz unutranji stoac plamena, monohromator (katkad interfereneijski filtar), do povrinedetektora zraenja. Nasuprot molekulskim apsorpcijskim metodama, atomske apsorpcijskemetode ne primjenjuju kon

Documents

Interna Skripta - Instrumentalne Metode