Đang tải... (xem toàn văn)
Các phương pháp phổ được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóahọc, quá trình phản ứng, ứng dụng trong kiểm nghiệm môi trường, trắc quan, kiểmnghiệm dược phẩm…Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của cácbức xạ điện từ đối với các phân tử vật chất. Khi tương tác với các bức xạ điện từ,các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ khác nhau. Kết quả của sựhấp thụ và phát xạ năng lượng này chính là phổ, từ phổ chúng ta có thể xác địnhngược lại cấu trúc phân tử.
QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ (UV-VIS) I - MỤC TIÊU HỌC TẬP Trình bày khái niệm quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS định luật Lamber- Beer - Nêu yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp thụ UV-VIS , giải thích ảnh hưởng yếu tố đến phổ chất - Trình bày phương pháp định lượng phổ UV-VIS - Nêu thành phần cấu tạo máy quang phổ UV-VIS - Ứng dụng phổ UV-VIS: Đọc phổ Các phương pháp phổ ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu hợp chất hóa học, trình phản ứng, ứng dụng kiểm nghiệm môi trường, trắc quan, kiểm nghiệm dược phẩm…Cơ sở phương pháp phổ trình tương tác xạ điện từ phân tử vật chất Khi tương tác với xạ điện từ, phân tử có cấu trúc khác hấp thụ phát xạ khác Kết hấp thụ phát xạ lượng phổ, từ phổ xác định ngược lại cấu trúc phân tử Có phương pháp phổ: Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử: + Phổ hồng ngoại + Phổ Raman + Electron UV – VIS Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR Phương pháp phổ khối lượng Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiển (UV-VIS) 1.1 Vùng tử ngoại khả kiến (UV-VIS) - Vùng UV vùng tử ngoại, có loại: + Vùng tử ngoại xa, bước sóng < 200nm + Vùng tử ngoại gần, = 200 - 400nm - Vùng VIS vùng ánh sáng mà ta nhìn thấy được, = 400 - 800nm 1.2 Sự xuất phổ hấp thụ phân tử UV-VIS - Phân tử, nhóm phân tử chất cấu tạo từ nguyên tử theo kiểu liên kết hoá học định điện tử (electron) hoá trị nguyên tố Các electron hoá trị vào phân tử hình thành liên kết liên kết liên kết phối trí Nếu phân tử chất có chứa dị tố (O, S, N) nguyên tử nguyên tố chứa 1, đôi điện tử hoá trị chưa tham gia liên kết, ký hiệu cặp electron n Những đôi electron n cho phân tử cảu chất khác tham gia phản ứng với chất cần đôi điện tử tạo liên kết bền - Các phân tử, nhóm phân tử chất điều kiện thường tồn trạng thái bản, trạng thái bền nghèo lượng (Eo) Khi bị kích thích electron hoá trị liên kết đôi điện tử n chuyển từ obitan liên kết không liên kết lên obitan phản liên kết có mức lượng cao Em Bước chuyển dời lượng (nm) Năng lượng kích thích E (kcal/mol) → 120 230 → 160 184 n→ 180 162 n→ 280 82 - Hiệu mức lượng Eo kích thích Em mà lượng phân tử hấp thụ từ nguồn sáng ∆E (e) = Em - Eo = hc / E n Sơ đồ dịch chuyển mức lượng electron - Ngoài lượng di chuyển đám mây e, người ta thấy có chuyển động quay (Eq) dao động ( Ed) Tổng lượng: Et = Ee + Eq + Ed Et: Lượng lượng mà chất hấp thụ để tạo phổ hấp thụ phân tử Vì có Ee lượng tử hoá nghĩa tạo mức lượng định electron phân tử Ee >> Ed >>Eq nên người ta coi Et ≈ Ee Vậy: Phổ hấp thụ phân tử chất vùng UV-VIS phổ vạch, đơn bước sóng (1 ), không đơn sắc phổ phát xạ, phhỏ AAS Đặc điểm phổ hấp thụ phân tử UV-VIS phổ băng, phổ đám có cực đại cực tiểu hấp thụ tuỳ thuộc vào chất cần phân tích Kết luận: Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS phổ tương tác điện tử hoá trị liên kết đôi điện tử n phân tử hay nhóm phân tử chất với chùm tia sáng kích thích thích hợp ( vùng UV-VIS) tạo Phổ phân tử UV-VIS phổ đám có cực đại cực tiểu phổ nằm bước sóng xác định thuỳ thuộc vào cấu trúc loại liên kết phân tử hay nhóm nguyên tử Vùng sóng 200nm – 800nm Hình dáng phổ 1.3 Định luật hấp thụ quang - Định luật Lamber beer Độ truyền qua T Khi chiếu chùm sáng có cường độ ban đầu I o vào cuvet dung dịch chứa mẫu có độ dày L có tượng xảy - phần cường độ chùm sáng qua cuvet - Ih phần cường độ chùm sáng bị phản xa, Ifx tán xạ Ifx, Itx - dd mau It t tx phần cường độ chùm sáng bị chất mẫu hấp thụ Ih Ta có: Io = It + Itx + Ifx + Ih Sau dung dịch hấp thụ, cường độ chùm sáng lại I Độ truyền qua T xác định T = ( I / Io ) * 100% * Độ hấp thụ quang A, mật độ quang D, độ tắt E A = lg 1/T = lg Io / I A phụ thuộc vào bề dày L cuvet ( lớp dung dịch), bước sóng tia sáng nồng độ mol C chất A = f (, L, C ) Trong , L không đổi nên A phụ thuộc vào nồng độ chất C A = LCb ( hệ số hấp thụ quang ) A = kCb ( k = L ) Khi b = thi D = LC - Ý nghĩa: A = kCb Với chất có giá trị Co + Nếu Cx < Co : b = Quan hệ A Cx tuyến tính có dạng y = ax + Nếu Cx > Co : b < Quan hệ A Cx không tuyến tính Hình ảnh: C'x A Cx Co O C 1.4 Phân loại dải hấp thụ: Sự dịch chuyển điện tử hợp chất hữu Chuyển mức + Các hợp chất đồng phân với etylen chứa liên kết đôi phân tử có khả hấp thụ mạnh khoảng bước sóng 170nm + Vị trí hấp thụ phụ thuộc vào diện nhóm + Những hợp chất không màu thường có phổ hấp thụ vùng tử ngoại Khi chúng hấp thụ xạ chúng chuyển lên mức lương cao Chuyển mức n - +Quá trình thường xảy phân tử có nguyên tử chứa điện tử không liên kết ( ví dụ phân tử chứa nhóm cacbonyl CO ) bước sóng hấp thu từ 270nm – 295nm Cường độ hấp thu thấp Chuyển mức + Sự chuyển vị e lien kết hợp chất hữu từ obital lien kết lên obita phản liên kết + Sự chuyển vị đòi hỏi lượng lớn, trình chuyển vị nằm vùng tử ngoại xa UV Chuyển mức n - + Sự chuyển vị điện tử từ obital n lên obital trong nguyên tử O, N, S + Xảy vùng phổ tử ngoại gần có cường độ không lớn Sự dịch chuyển dao động 180nm cho ancol, dẫn xuất halogen 19nm Đối với amin 220 nm Ví dụ: Ete có bước sóng max 190nm ; methanol có bước sóng lớn 183nm ; etylamin có bước sóng lớn 210nm Chuyển mức d – d + Sự chuyển mức xảy obital d, kim loại vùng chuyển tiếp + Các phối tử có cặp điện tử tự tham gia lai hóa với nhứng obital chuyển điện tử vào obital gây chuyển mức + Màu tạo phức làm cho phức có khả nưng hấp thụ bước sóng vùng khả kiến Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp thụ quang UV-VIS Có nhiều yếu tố ảnh hưởng, ta xét số yếu tố ảnh hưởng Ta biết A = f(, L, C) phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bề dày dung dịch, nồng độ chất Các nguyên nhân tác động khách quan gây ảnh hưởng yếu tố đến A yếu tố môi trường + Bước sóng Ánh sáng chiếu vào cuvet không hoàn toàn đơn sắc ( kính lọc không tốt ) + Bề dày dung dịch, cuvet L Cuvet có bề dày không đồng nhất, không suốt gây tượng quang học phụ tán xạ, hấp thụ, phản xạ + Nồng độ C Ảnh hưởng pH, pH không thích hợp kéo theo thay đổi cấu trúc phân tử, làm sai lệch bước sóng chất Dung môi: Chọn dung môi không thích jợp có bước sóng khả hấp thụ cao, ảnh hưởng đến phổ chất mẫu ( dường ) Loại liên kết phân tử chất tan Sự tồn lượng dư nhiều hay thuốc thử tạo phức, ion kim loại khác, chất lạ, Nhiệt độ môi trường dung dịch không tồn cố định trình đo 2.1 Cấu trúc phân tử chất tan ( Hiệu ứng nhóm thế, hiệu ứng lập thể ) Nguyên nhân sinh quang phổ hấp thụ phân tử kích thích tia sáng thích hợp, điện tử liên kết hoá học liên hợp đôi điện tử rự n dị tố phân tử định sinh phổ UV-VIS C = C, C = C - C = C , C = O, N = N, C = N Chất có nhiều liên kết , liên kết liên hợp đôi điện tử tự n hấp thụ quang mạnh Đồng phân cis hợp chất có mạch liên hợp dài có khả xuất thêm cực đại hấp thụ phía sóng ngắn Ví dụ: trans--caroten: 460nm , cis--caroten: 340nm Như phụ thuộc vào: + Loại liên kết chất liên kết phân tử + Số liên kết liên hợp + Số nguyên tố dị tố + Số nhóm thế, chất cấu trúc nhóm + Cấu trúc lớp vỏ e ion kim loại trung tâm tạo phức nhóm mang màu, nhóm tăng màu + Ảnh hưởng vị trí không gian, hiệu ứng lập thể 1.5 Sự liên hợp nhóm mang màu Các chất có màu hữu phân tử có chứa nhóm nối đôi hay nối ba VD: C = C ; C = O; C = N ; N = N , C ≡ C ; N ≡ N ; NO2 ; Khi nhiều nhóm mang liên hợp với màu chúng đậm Các hợp chất có chứa nhiều nhóm liên hợp có màu đậm cực đại hấp thụ chuyển dịch phái sóng dài Các kiểu liên hợp Liên hợp : Khi hợp chất có chứa nôi đôi liên hợp, cực đại hấp thụ chuyển dịch mạnh phía sóng dài, cường độ hấp thụ tăng số nối đôi liên hợp tăng E2 E1 E3 →max=175nm CH2 = CH2 →max = 217nm CH2 = CH – CH = CH2 →max = 175nm CH2 = CH2 ∆ E1 = ∆ E2 > ∆ E3 Nguyên nhân : Do liên hợp liên kết làm thay đổi mức lượng obital, rút ngắn hiệu số lượng bước chuyển electron (Dải K) Liên hợp - p: Đây liên hợp nối đôi cặp electron tự dị tố liên kết đôi C = Z ( Z = O, N, S ) C – X ( X = Cl, Br, I, ) tương ứng với bước bước chuyển electron n → * Sự liên hợp dẫn đến chuyển dịh cực đại phái sóng dài cường độ hấp thụ không tăng Khi mạch liên hợp tăng lên bước chuyển n → * rút ngắn, cực đại hấp thụ chuyển dịch phái sóng dài ( dải R có cực đại hấp thụ nằm phái sóng dài dải K cường độ hấp thụ nhỏ ) Giải thích cho trường hợp liên hợp C = C – C = O n C=C C = C C -= O C=O Liên hợp Nhóm ankyl liên kết gây hiệu ứng siêu liên hợp, electron phân tử chuyển dịch C C C C C C C C C Hiệu ứng làm cực đại hấp thụ chuyển dịch phía sóng dài Ảnh hưởng đến cực đại hấp thụ Ví dụ: UV C6H6 dạng Ảnh hưởng nhóm chức + Nhóm chức nhóm nhỏ tạo thành từ nhiều nguyên tử, định tính chất hợp chất hữu + Tịa vị trí nhóm chức phân tử dịch chuyển điện tử xảy ra, nên phổ đồ phân tử hữu liên quan tới nhóm chức phân tử + Người ta tìm bước sóng hấp thụ cực đại cho nhóm chức Từ dự đoán tồn nhóm chức thông qua độ hấp thụ 2.2 Các yếu tố môi trường Nhiệt độ môi trường dung dịch đo phổ cuvet không định suốt thời gian đo Nhiệt độ tăng giảm chất bị tan chảy phân hủy 2.3 Ảnh hưởng dung môi Tùy theo chất phân cực dung môi chất tan mà phổ tử ngoại chất tan thay đổi theo cách khác Khi tăng độ phân cực dung môi dải K chuyển dịch phía sóng dài dải R (n→ ) lại chuyển dịch phía song ngắn + Bước sóng hấp thụ cường độ hấp thụ hợp chất chịu ảnh hưởng dung môi 10 vùng tử ngoại ( UV = 190 - 400nm), độ bền 500-800h Đèn làm việc tốt vùng phổ từ 210nm đến 360nm - Đèn W-halid: Vùng phổ 400-900nm Nguyên tắc làm việc: Sự phát sáng dây tóc điểm đốt nóng môi trường chân không để tạo páht sáng phổ vùng VIS Bền, cường độ sáng cao, số vùng người ta phải dùng kính lọc để giảm bớt cường độ sang - Đèn xenon: Vùng phổ tử ngoại khả kiến 260-600nm Nguyên tắc: Phóng điện hồ quang cực trơ Pt môi trường khí Xe - Đèn Hg: Chỉ cho vài tia định thích hợp với chất Nguyên tắc: Phóng điện hồ quang môi trường Hg kim loại để tạo vạch phổ phát xạ Hg Phổ biến hay dùng: Đ2, W b, Bộ phận đơn sắc hoá Tuỳ theo mục đích sử dụng mà chọn loại kính lọc khác - Kính lọc: Vúng áp dụng VIS - Lăng kính: Dựa tượng tán sắc sáng, thường chế tạo thạch anh - Cách tử: Sử dụng nhiều cách tử phản xạ Trên bề mặt cách tử có nhiều vạch sát Khi chiếu tia bề mặt nó, tia bị phản xạ theo phương khác Khe sáng: Tác dụng tăng giảm cường độ chùm sáng vào buồng chứa mẫu 15 Phân loại cách tử: có hai loại Cách tử truyền suốt: Được làm thủy tinh Cách tử phản xạ: Làm nhôm c, Detector, thu nhận xử lý số liệu Detector phận ghi nhận xử lý tín hiệu quang thành tín hiệu điện Thiết bị nhận biết (detecters) 16 + Có tác dụng cảm nhận xạ điện từ sau bị hấp thụ chuyển lượng xạ thành dòng điện + Cường độ dòng điện thu tỷ lệ thuận với cường độ xạ đập vào bề mặt catot Tế bào quang điện hay ống nhân quang điện thiết bị hữu dụng việc đo xác định Ống nhân quang điện: Có chức tổ hợp tín hiệu chuyển đổi qua vài giai đoạn khuyếch đại than ống Các loại detector: + Tế bào quang điện: đơn giản, độ nhạy thấp (trước dùng) + Ống nhân quang: Độ nhạy cao, tính chọn lọc cao Độ khuyeechs đại khoảng 106 lần + Mảng diot: Thích hợp đo đồng thời nhiều cấu tử với nhiều bước sóng khác nhau, độ chọn lọc độ nhạy cao, bền Loại hay sử dụng c, Buồng đo (cuvet) 17 - Buồng đo chứa cuvet mẫu - Buồng đo thường có phần phần chứa mẫu blank, 1buồng chứa dung dịch cần đo ( buồng chùm tia) - Cuvet: Nhựa, thạch anh, suốt Máy đo quang 18 Máy chùm tia: Ưu điểm: Giá thành thấp, thông lượng xạ qua cao độ nhạy cao Nhược điểm: Có khoảng lệch thời gian tiến hành đo chuẩn mẫu xác định, có vấn đê với độ trôi Điều xảy với thiết bị cũ, thiết bị đại với tính cao ổn định khắc phục nhược điểm Vì máy quang phổ chùm tia ó ứng dụng cao phòng thí nghiệm 19 20 Ưu điểm chùm tia: Cho độ xác cao mẫu đo mẫu đối chứng đo lúc Nhược điểm: Giái thành cao, độ nhạy thấp cấu trúc quang học phức tạp hơn, độ tin cạy thấp Nguyên tắc phép đo phổ - Chuẩn bị dung dịch đo phổ 21 + Nếu chất phân tích có phổ UV-VIS, ta phải hoà tan môi trường thích hợp tạo dung dịch đồng thể + Chất phổ hấp thụ quang, phải tạo phức bền + Với chất khí, cuvet phải đóng kín - Chiếu vào cuvet có dung dịch mẫu cần phân tích chùm sáng có lương thích hợp - Thu chùm sáng quan cuvet, chọn tia sáng có vị trí hấp thụ cực đại băng phổ - Ghi giá trị độ hấp thụ quang A Ứng dụng Phân tích định tính, định lượng cấu trúc phân tử, mẫu chất Nguyên tắc phân tích định lượng dựa vào mối quan hệ mật độ quang nồng độ dung dịch theo định luật Lambert – Beer Ngoài ra, sử dụng để xác định số cân , số phân li nghiên cứu động Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện, máy móc không đắt Phù hợp cho phân tích định lượng nhiều chất có hàm lượng nhỏ Ví dụ: + Xác định chất: Phân tích hợp chất hữu Phân tích thuốc, dược phẩm, sản phẩm nông nghiệp Phân tích ion kim loại đối tượng mẫu khác + Xác định thành phần phức, độ phân ly, số phân ly phức axit yếu + Xác định nhóm chức phân tử chất Nhược điểm: Độ chọn lọc kém, thuốc thử để tạo phức hay hợp chất có cực đại hấp thụ gần nhau, chen lấn nhau, trùng không xác định Phạm vi ứng dụng: Trong y học, dược học, nông nghiệp, thực phẩm, phân tích môi trường, nước, công nghiệp hóa học 6.1 Phương pháp đo bước sóng Để phân tích mẫu thực theo cách đơn giản đo mẫu chuẩn mẫu phân tích tính toán theo công thức định luật LambertBeer viết 22 Dc = cLCc Dx = xLCx Với: Dc, Dx mật độ quang dung dịch mẫu chuẩn mẫu phân tích L chiều dày lớp mỏng dung dịch Cc, Cx nồng độ dung dịch mẫu chuẩn mẫu phân tích hệ số hấp thụ quang Từ phương trình suy ra: C x Cc Dx Dc Cc nồng độ mẫu chuẩn pha xác, Dx Dc giái trị đo máy đo Từ tính nồng độ mẫu phân tích 6.2 Phương pháp lập đường chuẩn Chọn bước sóng lớn max Pha dãy chất chuẩn có nồng độ tăng giảm dần Đo mật độ quang mẫu bước sóng Vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang D vào nồng độ C, đường biểu diễn đồ thị gọi đường chuẩn Pha mẫu phân tích cho nồng độ dung dịch mẫu đo nằm giới hạn tuyến tính đường chuẩn Sau đo mẫu phân tích nhận giá trị Dx đối chiếu đồ thị đọc giá trị Cx 23 Độ hấp thụ chất nồng độ khác 6.3 Phân giải phổ Dựa vào bước sóng lớn max biết loại liên kết max < 150nm: có loại liên kết của hợp chất no max > 150nm: có liên kết bội max quanh vùng 200 – 260nm có benzene benzene max > 280nm: hệ liên hợp maz lớn hệ liên hợp dài Hình dáng phổ chen lấn phổ Vì phổ hấp thụ quang UV-VIS phổ phân tử nhóm phân tử, phổ đám phổ vạch Các dải phổ thường có độ rộng từ 10-50nm Nhiều chất hay hợp chất với thuốc thử thường có vùng cực đại hấp thụ không cách xa nhau, trùng cực đại hay nằm sát cạnh Do phổ UV-Vis tính chọn lọc cao ảnh hưởng chen lấn phổ chất với lớn Rất nhiều trường hợp phải tách riêng chất đo phổ hấp thhuj xác Nếu không bước song chất 24 đo độ hấp thụ quang tổng chất mà Để tách chất khỏi phải loại trừ chất có phổ chen lấn ảnh hưởng đến phổ chất phân tích Muốn ta phải quét phổ toàn vùng chất sau lồng lên nhau, so sánh chúng với qua phát vùng phổ kề nhau, chen hay trùng ( có thể: Thêm chất phụ gia, tạo phức, kết tửa, chọn pH, chọn dung môi,…) Ví dụ: Dải phổ hấp thụ quang phân tử UV-VIS có dạng đường chuẩn Gauss Độ rộng dải hấp thụ quang xác định bẳng NBW chiều rộng dải hấp thụ mẫu nửa cực đại hấp thụ (có thể ký hiệu W1/2 ) Sự chen lấn phổ phần (> Ed >>Eq nên người ta coi Et ≈ Ee Vậy: Phổ hấp thụ phân tử chất vùng UV-VIS phổ vạch,... phổ chen lấn phổ Vì phổ hấp thụ quang UV-VIS phổ phân tử nhóm phân tử, phổ đám phổ vạch Các dải phổ thường có độ rộng từ 10-50nm Nhiều chất hay hợp chất với thuốc thử thường có vùng cực đại hấp
