INSTRUMENTÁLNÍ METODY ACH/IM David MILDE, 2014 Dělení instrumentálních metod Spektrální metody (MILDE) Separační metody (JIROVSKÝ) Elektroanalytické metody (JIROVSKÝ) Ostatní: imunochemické, radioanalytické, David MILDE, 2014 1
SEKTRÁLNÍ METODY Ing. David MILDE, h.d. Katedra analytické chemie Tel.: 585634443; E-mail: david.milde@upol.cz oužitá a doporučená literatura Němcová I., Čermáková L., Rychlovský.: Spektrometrické analytické metody I. Univerzita Karlova, raha 2004. Volka K. a kol.: Analytická chemie I, II. VŠCHT, raha 1995. Klouda.: Moderní analytické metody. Nakladatelství avel Klouda, Ostrava 2003. 2
ÚVOD Spektroskopie/spektrometrie studuje a využívá jevy, k nímž dochází při interakci atomů a molekul s elektromagnetickým zářením, kdy se (obvykle) mezi látkou a elektromagnetickým. Zářením vyměňuje kvantované, přesně vymezené množství E. ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ Má současně korpuskulární a vlnový charakter. Elektromagnetická vlna má elektrickou a magnetickou složku u polarizovaného záření jsou jejich vektory navzájem kolmé a rovněž kolmé na směr šíření vlny. h E E E h E 2 1 h lanckova konstanta (6,63.10-34 Js) frekvence záření [s -1 ] ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ c ~ 1 ~ c ~ vlnová délka [nm] vlnočet [cm -1 ] amplituda Elektrická složka je odpovědná za většinu jevů (přechodů): absorpci, emisi, refrakci, odraz záření. Magnetická složka umožňuje absorpci radiofrekvenčného záření v NMR. Energetické přechody (1) emise (2) absorpce (3) luminiscence (stimulovaná emise) 3
SEKTRUM (přesněji spektrogram) závislost intenzity absorpce či emise (tj. veličiny úměrné počtu přechodů mezi energetickými hladinami) na E záření, či odvozených veličinách:,vlnočet, n. řehled metod Metody při nichž dochází k výměně energie mezi zářením a vzorkem. E spočívá v absorpci nebo emisi záření. Dělí se na: absorpční a emisní metody metody atomové a molekulové spektrometrie 4
řehled metod Metody při nichžzáření se vzorkem E nevyměňuje. Do této, výrazně menší skupiny patří metody, při nichž jsou ovlivňovány vlastnosti procházejícího záření (rychlost, stáčení roviny polarizovaného světla, rozptyl). Hmotnostní spektrometrie: zvláštní postavení metoda nevyužívá interakce vzorku s elektromagnetickým zářením. David MILDE, 2014 Interakce záření s atomy a molekulami V atomech přijímají nebo vyzařují E pouze e - na určitých hladinách. V atomech lze jednotlivé přechody rozlišit čárová spektra! V molekulách existují kromě elektronových energetických hladin (molekuly se skládají z atomů) hladiny vibrační a rotační. E molekul je ovlivňována i pohybem atomů vibrujících kolem rovnovážných poloh daných chemickou vazbou pásová/spojitá spektra. 5
Energetické hladiny a podhladiny molekul (a) (b) (c) Nejmenší E změny při změnách rotačních stavů/podhladin absorpce v MW a vzdálené IR oblasti. Rotační přechody absorpce ve velmi úzkém E intervalu někdy lze naměřit čárová spektra. ro molekulové vibrace je zapotřebí větší E absorpce v IR oblasti. Molekuly v určitém vibračním stavu/podhladině se nachází v různých rotačních stavech, při vibračním přechodu dochází současně kpřechodům mezi různými rotačními hladinami obou vibračních stavů. Dochází k vibračně-rotačním přechodům a ve spektrech vznikají pásy splynutím vzájemně se překrývajících rotačních čar. řechody valenčních e - mezi E hladinami absorpce záření v UV/Vis oblasti. Elektronické přechody jsou doprovázeny vibračními a rotačními. řechody se někdy nazývají vibronické, ve spektrech je malý počet širokých pásů. Absorpce záření Jde o interakci látky X (atom, molekula) se zářením o vhodné E (podle počtu hladin látka absorbuje při různých ): X + h X * Uspořádaný soubor vlnových délek, které látka absorbuje se nazývá absorpční spektrum. Absorbované jsou pro určitou látku charakteristické = látku lze podle nich identifikovat, případně usuzovat na její strukturu (kvalitativní analýza). Velikost absorpce, tj. množství absorbovaného záření, se vyjadřuje pomocí absorbance A (kvantitativní analýza). Ve spektrech se projeví pouze přechody povolené výběrovými pravidly. ro všechny absorpční metody platí pravidlo, že se projevují pouze přechody, při nichž dochází ke změnám dipólového momentu molekuly. U jednotlivých metod platí další výběrová pravidla! 6
Transmitance, absorbance Transmitance T T prošlý zářivý tok 0 vstupující zářivý tok Transmitance se udává v %: T = 100 % bez absorpce T = 0 % úplná absorpce T 0 Absorbance A log T log T 0 log 0 T Lambertův-Beerův zákon Když monochromatické záření prochází infinitezimálně tenkou vrstvou látky dx,dochází k zeslabení zářivého toku: d Cdx Integrováním levé strany od = 0 do = T a pravé strany od x = 0 do x = b získáme: Úpravou ln na log získáme: A b c kde je (dekadický) molární absorpční koeficient [l mol -1 cm -1 ] 7
Lambertův-Beerův zákon Odchylky od linearity (platnosti zákona): fundamentální: zákon platí pouze pro nízké koncentrace, kde nedochází k vzájemnému ovlivňování částic (< 0,01 M). Chemické vliv chemických reakcí, např. disociace, změny chemických rovnováh. Instrumentální: platí pouze pro monochromatické záření; vliv rozptylu záření, fluorescence. A = b.c nulový úsek Lambertův-Beerův zákon Absorbance je aditivní veličina, na celkové A se podílí všechny složky vzorku, které absorbují při dané možnost analyzovat vícesložkové směsi. A n i 1 A n i (εi b ci ) i 1 avel Šiman, FAF UK David MILDE, 2014 8
Emise záření, fluorescence EMISE: látka je dodáním E převedena do vyššího energetického (excitovaného) stavu a následně přechází do nižšího stavu za současného vyslání záření: X * X+h Uspořádaný soubor vlnových délek, které látka emituje se nazývá emisní spektrum. ro kvantitativní analýzu se používá Lomakinův vztah: I = a c b nebo v logaritmické podobě log I = b log c + log a a, b konstanty charakteristické pro danou ; (b samoabsorpce) FLUORESCENCE: látka po excitaci přechází do nižšího energetického stavu složitějším mechanismem: X * X + h + teplo Závislost I F = f(c) je lineární pouze v úzkém rozsahu u nízkých koncentrací a souvisí s kvantovým výtěžkem fluorescence: F = N F /N 9