1

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópiaAnalitikai információ az UV/Vis tartományban

A fényelnyelés oldatokban az UV/Vis tartományban főként amolkulapályák közötti, illetve fémionok d-d pályái közötti vegyértékl k á k ől á ik b ióelektronátmenetektől származik az abszorpció.

Mivel egy molekula elektronjai közül igen sok található közel azonosenergiaállapotban egy oldatban, ezért itt az UV/Vis abszorpciósspektrum széles sávokként jelenik meg (50-200 nm szélesség).

A hasznos hullámhossz tartomány praktikus okokból a kb. 190 nm és800 nm közötti tartományra korlátozódik (küvetták, oldószerek, stb.)

2

Szerves molekulák esetében az UV/Vis abszorpció főként a n π* ésπ π* átmenetektől származik. Más átmenetek (pl. σ σ* és n σ*)

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szerves molekulák elnyelése

általában nem gerjesztődnek a 190-800 nm tartományban, ezértaztán egyszeres C-C kötések vagy izolált kettős kötések tipikusannem jelennek meg az UV/Vis abszorpciós spektrumban.

Ezen átmenetek hullámhossza túl alacsonya ahhoz, hogy láthassuk őket az UV/Vis spektrumokban

A kromofór a molekulának azon része, amely az UV/Vis fényelnyeléstöbbségéért felelős. Szerves molekuláknál ezek főként konjugált kettőskö é k há kö é k é h kö é k ( óbbi

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szerves molekulák elnyelése

kötések, hármas kötések és heteroatomos kötések (az utóbbi anemkötő elektronok miatt).

3

Érdemes ugyanakkor megjegyezni, hogy az elnyelési sávok pozíciójamintáról-mintára a spektrumban kismértékű variációt mutat a

k külö b é i ill ldó l l é ő j ll i

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szerves molekulák elnyelése

szerkezet különbségei, illetve az oldószer esetleg eltérő jellege miatt.

Az oldószer hatást az okozza,hogy az elnyelő komponensmolekulájának akár az alap-, akára gerjesztett állapotában felléphetaz oldószerrel kölcsönhatás (vörösés kék eltolódás 10-20 nm)és kék eltolódás, 10 20 nm).Másrészről, pl. egy poláris oldószeregy poláris oldott anyaggal jobbankölcsönhat, ami a finomspektrumcsúcsokat elkeni aspektrumban. (lásd: a fenolpéldája a jobb oldalon).

Az átmeneti fémionok és

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Szervetlen specieszek elnyelése

Az átmeneti fémionok éskomplexeik oldata általábanszínes, mivel elnyelik a fényt aVis tartományban. Az abszorpcióoka az elektron gerjesztés abetöltetlen és betöltött d-dpályák között (ritkaföldfémionoknál 4f 5f átmenet)ionoknál 4f-5f átmenet).Az energiakülönbség (elnyelésihullámhossz) az oxidációsállapottól és a koordinatívekötött ligandumtól függ.

4

Kvantitatív alkalmazások a Lambert-Beer törvényt alkalmazzák akoncentráció meghatározására. Az ε ismeretében c közvetlenül

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások

gszámítható, de gyakoribb a kalibráció alkalmazása. Az érzékenységfokozható a szokásosnál (1 cm) hosszabb küvetták használatával.

Direkt meghatározás lehetséges, ha a mérendő komponensintenzíven elnyel az UV/Vis tartományban (pl. KMnO4).

Gyakoribb a kémiai konverzióval történő meghatározás, amikor ay g ,mérendő komponenst jól abszorbeálóvá alakítjuk egy kvantitatívkémiai reakcióval. Ez történhet kromofor hozzákapcsolásával vagyoxidációval/redukcióval. A lehetőségek köré igen széles, mivel ez amódszer nem csak szerves molekulákon, de szervetlen vegyületeken,ionokon is alkalmazható. Fontos előny, hogy a kémiai reakcióvalfokozható a szelektivitás.

jodátionok meghatározásamérendő reagens

színtelen sárga vöröses lila

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások

fémionok konverziója:

színtelen sárga vöröses-lila

mérendő reagens

színtelen színtelen bíbor

2

2

reagens: dietil-ditiokarbamát

reagens: difenil-ditiokarbamát

5

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvantitatív alkalmazások

o-toluidin

Zöld szín, abszorpció 630 nm-en

6

Oldatban a kvalitatív alkalmazások köre korlátozott, mivel az elnyelésisávok szélesek, és pozíciójuk változékony (befolyásolja pl. asszociáció,H ldó b ) A i ő é i lí i é ál láb ké i i

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások

pH, oldószer, stb.). A minőségi analízis ezért általában kémiaimintaelőkészítéssel (konverzió) végezhető el.

Benzol abszorpciós spektruma különböző közegekben

Sok molekula esetében a protonált és nem protonált formafényelnyelése erősen különböző. A pH függvényében felvett

k k fi ( é ) já ük i b ik k H

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások – izobesztikus pont

spektrumok fix (metszés)pontját nevezzük izobesztikus pontnak. Haebből egyet találunk, az bizonyítja, hogy a vegyületnek csak kétspeciesze található az oldatban. Ez a célszerű hullámhossza akvantitatív méréseknek is…

fenol vörös izobesztikus pont

benzo-azo-difenilamin

7

Ha szelektív spektrofotometriás mérés útján mérni tudjuk egyegyensúlyi folyamatban szereplő PX és X komponenseket,

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások – egyensúlyi állandó mérése

akkor K értékét meghatározhatjuk a Scatchard módszerrelspektrofotometriásan. Ehhez egy oldatsorozathoz, ahol [P]= P0

konstans, X növekvő mennnyiségeit adjuk. Mivel [P]= P0 - [PX], így

]X][P[]PX[

K =PXXP ↔+

]PX[

vagyis [PX]/[X] ábrázolásával [PX]függvényében egy egyenest kapunk, amelynekmeredeksége éppen K.

])PX[P(K]X[]PX[

0 −⋅=

UV/Vis (vagy akár bármilyen más spektrometriai eljárás) használhatótitrálások végpontjelzésére is, ha a reakció kromofort fogyaszt vagy

UV/Vis abszorpciós molekula spektroszkópia Kvalitatív alkalmazások – spektrofotometriás titrálás

termel. Példaképpen említhetők sav/bázis titrálások indikátorjelenlétében, vagy a komplexometriás titrálások. Ezzel szembencsapadékos titrálások általában nem jól követhetőkspektrofotometriás módon…

Bi3+/Cu2+ ionok elegyének meghatározása spektrofotometriás titrálással 745 nm-en Cu-EDTA intenzíven elnyel, de a szabad EDTA vagy Bi-EDTA nem

8

IR abszorpciós molekula spektroszkópia

Az IR (és részben MW) tartományba eső EM sugárzás nem hordozelegendő energiát ahhoz, hogy az elektronokat gerjessze egy

á á é é á

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaVibrációs és rotációs átmenetek

molekulában, ehelyett a forgási és rezgési energiaállapotok közötttörténő átmeneteket indukálja („rugómodell”). A formaldehid vibrációsállapotai:

Tehát pl. 1251 cm-1 hullámszámú IR sugárzás a formaldehid molekulaasszimmetrikus hajlító rezgését gerjeszti, annak amplitúdóját növeli. AMW sugárzás a molekula forgási sebességét növeli, stb.

9

Általában egy nemlineáris n atomos molekulában 3n-6 vibrációsállapot és 3 rotációs állapot lehetséges (formaldehidnél:

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaNormálrezgések

3×4-6=6). Egy lineáris molekula 3n-5 vibrációs és 2 rotációsállapottal rendelkezik.

Ezeket a rezgésállapotokat normálrezgéseknek nevezzük. Anormálrezgéseket két fő csoportba soroljuk: avegyértékrezgések a molekula egyes kötései mentén való(annak megnyúlásával-összehúzódásával járó) rezgéseketjelentik, míg a deformációs rezgések a molekulakötésszögeinek megváltozását okozzák.

Mivel nincs két teljesen egyforma molekula (a kapcsolódó atomoktömege és kötéserőssége változó), ezért hullámhossza/~száma

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaKarakterisztikus sávok

az abszorbeált sugárzásnak jellemző a molekulára nézve, vagyisabból kvalitatív információ nyerhető.

Mivel azonban a szerves molekulák elég hasonlóak egymáshoz,ezért a legjellegzetesebb abszorpció olyan molekula részletektőlszármazik, amelyekben többes kötések, heteroatomok fordulnakelő. Ezeket karakterisztikus sávoknak vagycsoportfrekvenciáknak nevezzük.

10

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaKarakterisztikus sávok

Az infravörös színképben csak azok a sávok fognak megjelenni, amelyenergiához tartozó intramolekuláris mozgásállapot-változás a

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaÖsszefüggések

molekula dipólusmomentumát megváltoztatja (IR kiválasztásiszabály).

Az elektronikus és vibrációs, rotációs átmenetek egymássalösszefüggnek; a magasabb energiájú, elektron átmenettel járófolyamat magával hozza a többi állapot megváltozását is.

Az IR abszorpciós spektrumban általában viszonylag széles sávokattalálunk (az UV sávoknál keskenyebbek), mivel a rotációs és vibrációsenergiaállapotok igen közel esnek egymáshoz. Könnyen lehetségesközöttük energiaátvitel pl. ütközési folyamatok révén. A spektrumotbefolyásolja a hőmérséklet és az oldószer is.

11

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaA mintaelőkészítés

Az IR spektroszkópia nagykörültekintést igénylőűművelete a minta-

előkészítés.

A gondot az jelenti, hogyaz IR tartományban azUV/Vis tartománybanszokásos üveg, műanyag,kvarc küvetták itt nemmegfelelőek mert saját IRmegfelelőek, mert saját IRabszorpciójuk is jelentős.

Hasonlóan problémás azoldatkészítés is, hiszen azoldószereknek maguknakis van elnyelése (lásdtáblázat a jobb oldalon).

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaA mintaelőkészítés

A küvetták ezért általábanösszetett szerkezetek, amelyekablakai szervetlen sókból (pl.NaCl, LiF, KBr) készülnek.Feltöltésük oldatmintával egyfecskendővel történik (lásd jobboldali ábrát). A sóablakokat anedvességtől (víztől) óvni kell.

A kiszárított szilárd mintákatA kiszárított szilárd mintákatporított állapotban alkalmas sóval(pl. KBr) vagy kötő-anyaggal (pl.Nujol paraffinolaj) szuszpenzióvákeverjük, majd a mérőcellátmegtöltjük vele, esetleg tablettátkészítünk belőle.

12

IR abszorpciós molekula spektroszkópiaAlkalmazások

Az IR spektroszkópia fő alkalmazási területe a kvalitatívlí i (f k ió t k h t t k tb j l lété kanalízis (funkciós csoportok, heteroatomok, stb. jelenlétének

kimutatása, szerkezet-valószínűsítés, stb.).

Kvantitatív analízis is lehetséges, de ezt nehezíti a mérőcellákdegradálódása, a mérési körülmények rossz reprodukálhatósága (amérőcella effektív vastagsága sokszor csak 1-2 mm, amintaelőkészítés egyedi, stb.)

A kvantitatív analízis a nehézségek ellenére ígéretes ugyanakkor,mivel a legtöbb vegyületnek van viszonylag keskeny elnyelési sávjaaz IR tartományban. A kvantitatív meghatározás ritka, inkábbszenzorokban valósul meg.

Raman (molekula) spektroszkópia

13

Raman (molekula) spektroszkópiaA jelenség

A Raman egy szórási jelenség (a felfedezőjéről elnevezve), amelynekjellegzetessége, hogy a molekulára bocsátott EM sugárzás a nemcsakj g g gy gelasztikusan, vagyis változatlan hullámszámmal szóródik (Rayleighszórás) a molekulán, hanem inelasztikusan is. Sőt, nem csak agerjesztő sugárzásnál kisebb hullámszámokon (Stokes vonalak),hanem annál nagyobb hullámszámokon is (Anti-Stokes vonalak)detektálhatunk szórt sugárzást, igaz az utóbbi esetben a vonalakgyengébbek. Az energiakülönbség rezgési energiaszinteknek felel meg.

Raman (molekula) spektroszkópiaKapcsolat az IR spektroszkópiával

A Raman spektroszkópia kiválasztási szabálya az, hogy amolekula polarizálhatóságának kell változnia a rezgésiállapotváltozás során; csak ebben az esetben ad az adottrezgési átmenet csúcsot a Raman spektrumban. Homonukleárisdiatomos molekulák pl. nem IR aktívak, de Raman aktívak.

Egy gyakorlati megfigyelés szerint, ha szimmetria centrum van amolekula szerkezetében, akkor ahol az egyik spektrum intenzív,ott a másik gyenge Ez azt jelenti hogy az IR és a Ramanott a másik gyenge. Ez azt jelenti, hogy az IR és a Ramanspektroszkópia jól kiegészíti egymást és pl. szimmetriacentrumok kimutatására együttesen nagyon alkalmasak.

14

Raman (molekula) spektroszkópiaKapcsolat az IR spektroszkópiával

zió

IR t

ransz

mis

snte

nzi

tás

2,5-diklór-acetofenon IR és Raman spektruma

(megj.: egy Raman spektrum vízszintes tengelyén a vonalak gerjesztő sugárzáshoz képest mért relatív hullámszáma van mindig feltüntetve; „Raman shift”)

Ram

an i

Raman (molekula) spektroszkópiaGyakorlati szempontok

A Raman spektroszkópia nagy előnye, hogy nem szükséges speciálisküvettában tartani a mintát és hogy a gerjesztő sugárzásküvettában tartani a mintát és hogy a gerjesztő sugárzáshullámhossza megválasztható (csak a shift számít).

A Raman spektrumok intenzitása nagymértékben függ a gerjesztősugárzás intenzitásától, ezért ma csak fókuszált lézerfénythasználnak gerjesztésre. Optimálisan a lézerfény hullámhosszát úgyállítják be, hogy az egy elnyelési maximum közelébe essen (Vis vagyIR gerjesztés) és hogy a minta fluoreszcenciája minimális legyen(hátté j l!)(háttérjel!).

Gázok, oldatok és szilárd minták egyaránt mérhetők, azonban aminta lokális felmelegedését el kell kerülni (pl. a minta forgatásávalvagy az oldatok keringető pumpálásával). Oldatok esetében mMkoncentrációk is jól mérhetők.

15

Lumineszcencia spektroszkópia

Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópiaA jelenség

Fotolumineszcencia alatt azt a jelenséget értjük, amikor egyanyag UV vagy Vis sugárzás hatására gerjesztődiky g gy g g j(elektrongerjesztés), majd az elnyelt energiát fény formájában, azelnyelttel azonos vagy nagyobb hullámhosszúságon sugározza ki. Afotolumineszcencia molekulák, atomok és ionok esetében ismegfigyelhető, de itt csak molekulák lumineszcenciájávalfoglalkozunk.

Leggyakrabban az elektron a gerjesztést követően ns-µs időn belülrelaxál, az emisszió megszűnik. Ezt a fajta fotolumineszcenciátfl iá k ük A ib i ió ű ikfluoreszcenciának nevezzük. Amennyiben az emisszió nem szűnikmeg azonnal a megvilágítás beszüntetésével, hanem az µs-tólmintegy 100 másodpercig terjedő ideig, csökkenő intenzitássalfolytatódik, akkor foszforeszcenciával van dolgunk. A kémiaianalízis gyakorlatában leginkább a fluoreszcenciának jut szerep.

16

Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópiaAz emittált intenzitás

Kvantum hasznosítási tényezőnek nevezzük az emittált és azabszorbeált fotonok számának hányadosát. Mivel a fluoreszcenciayemisszió hatékonyságához az kell, hogy más energiatárolási módokraminél kisebb hányada tevődjön át az abszorpció útján felvettenergiának, ezért érthető, hogy általában azok a molekulákmutatnak intenzív fluoreszcenciát, amelyek aromás jellegűekvagy többszörösen konjugált kettős kötést tartalmaznak,továbbá merev, sík szerkezetűek (pl. naftalin, antracén,fenantrén).

M t th tó h fl iá á á i t itá áMegmutatható, hogy a fluoreszcenciás sugárzás intenzitása arányos agerjesztő sugárzás intenzitásával. Közelebbről:

Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópiaAz önabszorpció

A koncentrációtól való lineárisfüggés csak híg oldatokbanfüggés csak híg oldatokban,közelítőleg a 10-4-10-8 mol/dm3

tartományban teljesül; eztjelentősen meghaladókoncentrációk esetén akalibrációs görbe visszahajlásáttapasztaljuk, aminek sok esetbenaz önabszorpció az oka (afluoreszkáló komponens sokpesetben képes a maga általkibocsátott fényt elnyelni; ez arezonancia fluoreszcencia). Afluoreszcencia intenzitásátgyakran befolyásolja az oldat pH-ja és az oldószer anyagiminősége is.

17

Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópiaÖsszefüggés az abszorpciós spektrummal

Lumineszcencia (fluoreszcencia) spektroszkópiaA műszer felépítése és alkalmazása

Luminescence atmany wavelengths

A fluoreszcencia spektroszkópia agyakorlatban igen szelektív ésérzékeny módszer, ami a gerjesztőfény nagy intenzitásának és akettős monokromátornakkettős monokromátornakköszönhető.

Széles körben alkalmazzákkvantitatív analitika célra (pl.gyógyszerek, növényvédőszerek,klinikai minták, élelmiszer-komponensek, stb. elemzése).

18

Tömegspektroszkópia

TömegspektroszkópiaA koncepció

A tömegspektroszkópiaaz atomok, molekulák és,molekula fragmensektömegét vizsgáló(meghatározó) módszer,amelynek lényege, hogy avizsgálandó molekulákationizálják, majd azokatm/z viszonyszámukalapján egy tömeg-

li át ét ál tjanalizátor szétválogatja.

A keletkező tömeg-spektrumban afragmensek tömegealapján a molekulaszerkezete, minőségemeghatározható.

19

TömegspektroszkópiaElektron gerjesztéses és kémiai ionizáció (EI és CI)

Az ionizáció történhet felgyorsított elektronokkal való ütközés révén(EI), vagy reaktív ionokkal (pl. metánból előállított CH5

+) valóütközés révén (CI)ütközés révén (CI).

A két módszer közül az EI általában összetettebb spektrumoteredményez. A CI tömegspektrumban legtöbbször megtalálható azMH+ ion (a legnagyobb tömegű ion, ami az azonosítást segíti), míg azEI spektrumban nem, mivel fragmentálódik.

TömegspektroszkópiaElectrospray mintabevitel és ionizáció

Nagy molekulák esetén bevált mintabeviteli és lágy ionizációseljárás az electrospray. Ez a folyadék mintát apró cseppekreszakítja nagyfeszültség segítségével. A tömegspektrum egyszerűfelépítésű lesz, mivel csak protonált formák keletkeznek.

20

TömegspektroszkópiaA spektrumok kiértékelése

A tömegspektrumok értelmezése nem egyszerű.

é é é é é é é ó ó óA kiértékelés egyik nehézségét a többféle módon megvalósulófragmentáció okozza, ami miatt minden molekulának többféle „lány”ionja keletkezik. Minél összetettebb az eredeti molekula, annál többfélefragmens keletkezik.

A másik nehézséget az izotópok okozzák. Minden molekulaion-fragmens az alkotó elemeknek a természetes gyakoriságnak megfelelőtöbbféle izotópjából épül fel. Ez többszörösére növeli az ionok számát aspektrumban hiszen az izotópok összes kombinációja előfordul majdspektrumban, hiszen az izotópok összes kombinációja előfordul majdbenne. A csúcsok intenzitása arányos lesz az izotópgyakorisággal éspersze az eredeti minta („anya”) molekula koncentrációjával.

Az elmondottak miatt a tömegspektroszkópiát összetett mintákelemzésére a módszer nem használatos, inkább tiszta(elválasztástechnikai módszerrel előzetesen megtisztított)komponensek azonosítására alkalmazzák.