ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ

SPEKTROMETRIE V UV/VIS

OBLASTI SPEKTRA

Lenka Veverková, 2013

ABSORPČNÍ

SPEKTROMETRIE

ABSORPCE ZÁŘENÍ VE VIS OBLASTI

Při dopadu bílého světla na vzorek může být záření zcela odraženo látku vidíme jako bílou; nebo zcela pohlceno látku vidíme jako černou.

Pokud vzorek část záření pohltí a část odrazí barva látku viditelná pro lidské oko odpovídá barvě odraženého záření (tzv. doplňková barva).

(nm) Pohlcená barva Doplňková barva

400-435 fialová žlutozelená

435-480 modrá žlutá

500-560 zelená červeno-purpurová

560-580 žlutozelená fialová

580-595 žlutá zelená

595-610 oranžová zelenomodrá

620-760 červená modrozelená

MOLEKULOVÉ ORBITALY (MO)

MO vznikají při tvorbě vazby z AO. Ze 2 AO se vytvoří 2 MO.

2 typy vazebných orbitalů

2 typy protivazebných orbitalů

1 nevazebný orbital; n* neexistuje, protože n orbitaly se nepodílí na vazbě!

Absorpční pásy mohou patřit 6 typům přechodů (4 u molekul, 2 u anorganických iontů).

Symetricky zakázané přechody (v daleké UV oblasti).

E

s*

p*

n

p

s

UV/VIS SPEKTRA MOLEKUL A IONTŮ

Pokud molekula nebo ion absorbuje záření v UV nebo Vis oblasti

spektra, dojde k elektronovému přechodu valenčního e-.

Intenzita pásů (dle kvantové mechaniky):

1. Přechody dovolené – ze základní singletové do excitované singletové hladiny; max 104 – 105 l.mol-1.cm-1

2. Přechody spinově zakázané – málo pravděpodobné přechody ze základní singletové do excitované tripletové hladiny; max 100 l.mol-1.cm-1

3. Přechody symetricky zakázané max 102 l.mol-1.cm-1; vibrace jader molekuly vede k diferenci v rozdělení e- a tím ke změně dipólového momentu molekuly a přechodu e-.

MOLEKULY:

UV/VIS SPEKTRA MOLEKUL

p p*, n p* uvedeme společně, chemické skupiny často obsahují jak p tak n e-, oba typy přechodů přispívají k tvorbě absorpčních pásů.

Přechody p p* jsou relativně nezávislé na atomech spojených s dvojnou vazbou, jsou dovolené a intenzivní: 103 - 105.

Přechody n p* jsou symetricky zakázané a nejsou příliš intenzivní ( 10 - 102), jejich absorpční maximum je silně závislé na druhu atomu (poloha n e- je silně závislá ne elektronegativitě heteroatomu).

s s* vytvářejí jednoduché vazby – alifatické uhlovodíky. Prakticky nepoužívané vzhledem ke krátkým (nutno pracovat ve vakuu).

n s* poskytují substituenty s nevazebnými e- – nasycené sloučeniny se S, N, Br, I, které absorbují do 200 nm a O a Cl, které absorbují nad 200 nm.

UV/VIS SPEKTRA MOLEKUL

Chromofor – funkční skupina v molekule odpovědná za absorpci záření v UV a Vis oblasti. Obecně lze říci, že skupiny s p e- jsou chromofory pro UV a Vis oblast a skupiny se s e- pro dalekou UV oblast.

Konjugační efekt – s rostoucím počtem konjugovaných dvojných vazeb se posouvá absorpční pás pp* přechodu k delším .

Auxochrom – funkční skupina, která způsobuje posun absorpčních maxim chromoforů a zvyšují intenzitu pásů, př.: OH, NH2, halogenidy. Posuny maxim a změna intenzity vlivem substituce či volbou rozpouštědla jsou důležité pro strukturní analýzu. Bathochromní (červený) posun – k delším .

Hypsochromní (modrý) posun – ke kratším .

Hyperchromický efekt – zvýšení intenzity absorpce.

Hypochromní efekt – snížení intenzity absorpce.

UV/VIS SPEKTRA IONTŮ

Přenos náboje – intenzivní 103 - 104, hlavně UV; molekula

donoru vytváří s molekulou akceptoru komplex, jež se projeví

novým absorpčním pásem (p p*, n p*) [Fe2+ s

fenantrolinem, Fe3+Fe(SCN)2+, komplexy fenolů s Cu2+ či Fe3+].

M-L + hn M+-L-

Přenos v ligandovém poli – málo intenzivní 101 - 102,

hlavně Vis [ [Cu(H2O)6]2+ absorbuje při 790 nm].

Spektrum Fe3+ s o-fenantrolinem

Volný atom přechodného kovu

má 5 degenerovaných d

orbitalů. Je-li atom v komplexu,

působí na něj elektrostatické

pole ligandů a d orbitaly se

rozštěpí.

INSTRUMENTACE

KOLORIMETR(ie) – vizuální porovnávání intenzity zbarvení

vzorku a standardu nebo řady standardů.

FOTOMETR(ie) – objektivní měření prošlého toku záření:

FOTOMETR – barevný filtr k vymezení .

SPEKTROFOTOMETR – obsahuje monochromátor.

K Y V E T Y

Materiál: sklo, křemen, plast

David

MIL

DE, 2

004

KOMERČNÍ PŘÍSTROJE D

avid

MIL

DE, 2

004

KVANTITATIVNÍ ANALÝZA

• Průmyslové aplikace: farmaceutický, potravinářský, sklářský,výroba barev

KVALITATIVNÍ ANALÝZA

STANOVENÍ 2 LÁTEK VE SMĚSI

Solving for c(Fe) gives the concentration of Fe3+ as 1.80.10–5 M. Substituting

this concentration back into the equation for the mixture’s absorbance at a

wavelength of 396 nm gives the concentration of Cu2+ as 1.26.10–4 M.

STUDIUM KOMPLEXŮ – JOBOVA METODA (METODA KONTINUÁLNÍCH VARIACÍ)

Slouží k určení stechiometrického složení a podmíněné konstanty stability komplexu:

M + yL MLy

Měří se série roztoku s konstantním ntot a proměnným nM a nL (ekvimolární roztoky): ntot = nM + (nL)i

Maximum Abs je dosaženo pro stechiometrické složení komplexu.

Je-li to možné měříme při , kde absorbuje pouze komplex.

XL = 0,75 y = 3 ML3

XL = 0,5 y = 1 ML

XL = 0,67 y = 2 ML2

L iL i

tot

M L i

(n )(X )

n

X 1 (X )

L L

M L

X Xy

X 1 X

SPEKTROFOTOMETRICKÉ TITRACE

Určování BE na základě změny absorbance s přídavkem

titračního činidla. Tento způsob titrace je experimentálně

jednoduchý a má uspokojivou přesnost.

Titrační křivky:

A. Absorbuje pouze titrační činidlo (titrace s uvolňováním Br2, I2).

B. Absorbuje produkt titrační reakce.

C. Absorbuje pouze titrovaná látka (stanovení Pb titrací chelatonem

uvolňování xylenové oranže z komplexu s Pb).

(FOTO)LUMINISCENČNÍ

SPEKTROMETRIE

FOTOLUMINISCENCE

Jde o emisi záření látkou, které bylo před tím absorbováno.

Dělení: FLUORESCENCE, FOSFORESCENCE.

Návrat látky z excitovaného (doba života excitovaného stavu 10-5 – 10-9 s) do základního stavu – relaxace:

Vibrační deaktivace – nadbytek E uvolněn ve formě tepla

Emise – nadbytek E uvolněn jako foton

Relaxace pomocí fotochemické reakce: A* X + Y

Elektronové stavy organických molekul se dělí na:

S – singletový T - tripletový

Dubletový stav – lichý e- u volného radikálu, který může zaujmout 2 orientace.

FOTOLUMINISCENCE

FLUORESCENCE: emise fotonu při přechodu z S1 (nebo S2,…) do základního stavu S0. Doba života excitovaného stavu (za jakou dobu dojde k emisi) závisí na při absorpci záření: pro 104 – 105 je doba 10-7 – 10-9 s, pro 101 – 102 je doba 10-5 – 10-6 s.

Fluorescence odeznívá velmi rychle po ukončení excitace (vypnutí zdroje excitačního záření).

FOSFORESCENCE: emise fotonu při přechodu z T1 na S0. Doba života excitovaného T stavu je 10-4 – 102 s fosforescenční záření sledujeme delší dobu po ukončení excitace.

Elektron po absorpci záření nejprve přejde z S1 na T1 (přechod z S0 na T1 je zakázaný)!

DIAGRAM ENERGETICKÝCH HLADIN

MOLEKULY

2 1 3 4

vr … vibrational relaxation

ic … internal conversion

ec … external conversion

isc … intersystem crossing

DEAKTIVAČNÍ PROCESY V MOLEKULÁCH

Preferovaný přechod do základního stavu je ten, který minimalizuje dobu života excitovaného stavu!

Nezářivá deaktivace Vibrační relaxace – rychlý proces (10-12 s), molekula ve vyšším vibračním

stavu snižuje svou E přechodem na nejnižší vibrační podhladinu excitovaného (i základního) stavu.

Vnitřní konverze – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází do vyšší vibrační podhladiny nižšího energetického stavu.

Kombinací ic a vr může molekula přejít z excitovaného do základního stavu bez emise fotonu!

Vnější konverze – nadbytek E je předán rozpouštědlu či jiné složce matrice.

Mezisystémový přechod – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází na vysokou energetickou podhladinu stavu s nižší E a jiným spinem.

Zářivé deaktivace: fluorescence a fosforescence

FLUORESCENCE – EMISE PŘI PŘECHODU E- Z NEJNIŽŠÍ VIBRAČNÍ PODHLADINY S1 NA S0

Lze ji pozorovat pouze pokud je účinnějším prostředkem deaktivace než

nezářivé přechody.

Intenzita fluorescence IF: (F = NF/N … flourescenční výtěžek)

IF roste s F, P0, a koncentrací.

Vliv teploty a viskozity rozpouštědla na F.

Fluorescenční přechod může skončit na různých vibračních podhladinách

S0 pásové spektrum.

Ke fluorescenci dochází u 3, nezáleží na tom, zda byla molekula

excitována 1 do S1 nebo 2 do S2.

cbPk303,2I)PP(kI 0FFT0FF

bc

0T 10PPzákonaBeerovaLambertovaZ

EXCITAČNÍ A EMISNÍ SPEKTRA

2 typy fluorescenčních spekter:

1. Excitační: IF v závislosti na budícího záření při konstantní emitovaného záření – slouží k určení účinné pro vyvolání fluorescence.

2. Emisní: IF v závislosti na emitovaného záření při konstantní excitačního záření.

VLIV STRUKTURY NA LUMINISCENCI

1. Luminiscenci neposkytují nasycené uhlovodíky a zřídka nenasycené alifatické uhlovodíky.

2. Intenzivní F: aromatické uhlovodíky s nízkoležícími S stavy pp*.

3. P vykazují aromatické sloučeniny s C=O nebo heteroatomy.

4. Vliv substituce aromatického jádra na F: -NO2, -OH, …

5. Aromáty s halogen substituenty zvyšují P a snižují F.

6. Luminiskují zejména velké a pevné rovinné molekuly s rigidní strukturou.

SOUVISLOST ABSORPČNÍCH A

EMISNÍCH SPEKTER

Luminiscence začíná na nejnižší vibrační podhladině S1 (T1) Eemit je menší než Eabs. Luminiscence se objevuje u vyšších než absorpce.

Luminiscenční spektrum bývá zrcadlovým obrazem absorpčního. Mohou se protínat v 0.

0 odpovídá nejmenší E pro absorpci a je v absorpčním spektru nejintenzivnější.

INSTRUMENTACE - FLUORESCENCE

Optická dráha mezi zdrojem a detektorem svírá 90°.

Fluorimetr: k vymezení slouží filtry; zdroj: Hg výbojka.

Spektrofluorimetr: mřížkové monochromátory; zdroj

nejčastěji Xe vysokotlaká výbojka (spojité spektrum).

Kyvety: 1 cm, křemen

Rozpouštědla: nesmí

fluoreskovat.

Nutné rozlišit fluorescenci a fosforescenci!

David

MIL

DE, 2

004

Instrumentace - fosforescence

PŘÍPRAVA

VZORKŮ Kapalné: zmrazení v

kapalném N2 vytvoří

opticky čistou pevnou

látku (vzorek v

rozpouštědle).

Pevné: nanesení vzorku

na pevný substrát (desky

tenkovrstvé chromato-

grafie) – možno měřit za

laboratorní teploty.

KOMERČNÍ PŘÍSTROJE D

avid

MIL

DE, 2

004

ANALYTICKÉ VYUŽITÍ

KVALITATIVNÍ ANALÝZA: menší využití – zejména pro polycyklické aromáty; molekuly s jemnými strukturními rozdíly mají velmi podobná spektra.

KVANTITATIVNÍ ANALÝZA: komplexy s kovy, organické sloučeniny.

• Chemiluminiscence: chemická reakce produkuje

molekuly v excitovaném stavu, které emitují fotony.

• Bioluminiscence: k reakcím produkujícím molekuly

v excitovaném stavu dochází v biologických

systémech.

ANALYTICKÉ VYUŽITÍ

FRANK-CONDONŮV PRINCIP

Hmotnost atomových jader je několik řádů větší než hmotnost elektronu a vzájemný pohyb jader atomů v molekule (vibrace molekuly) je pomalejší (10-12 s) než rychlost přechodu elektronů (10-15 s).

Při přechodu elektronu ze základního do excitovaného stavu proto zůstane zachována původní vzdálenost mezi jádry atomů; tato vzdálenost však nemusí odpovídat optimální (minimální) E molekuly v excitovaném stavu a proto jádra atomů zaujmou nejvýhodnější (rovnovážnou) vzdálenost až dodatečně, po přechodu elektronu.

FRANK-CONDONŮV PRINCIP

Potenciálové jámy s vibra-čními podstavy.

Hodnota kvantového vibra-čního čísla určuje počet uzlů vibrační vlnové funkce pro daný stav molekuly.

Minimum křivky poten-ciální energie odpovídá rovnovážné vzdálenosti mezi oběma atomy. Tato vzdálenost může být stejná pro základní a pro exci-tovaný E stav molekuly (a), ale častěji je v excitovaném stavu větší než ve stavu základním (b).

a b