SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK
BEVEZETŐ
1. Előzmények
• 1666: Newton egy prizma segítségével komponenseire (színeire) bontja a Nap „fehér” fényét. Ő használja erre először a spektrum szót
(spectrum (latin)): egy folyamat összetevőinek együttese vagy eloszlása).
• 1802: Wollaston angol orvos, kémikus, biológus (a Pd, és Rh felfedezője) a Nap színképében (spektrumában) fekete vonalakat fedez fel.
• 1814: Fraunhofer német fizikus a saját maga alkotta készülékkel (tk. az első spektroszkóp) a színkép látható tartományában ezeket a
vonalakat (574 db-ot) azonosítja (megállapítja a helyüket és azokat betűvel jelöli, de magyarázatot a jelenségre nem tud adni).
1.1. ábra. A Nap emissziós spektruma ( Forrás: A 44,7 %-os hatásfokú napelemes cella legendája.
Előadás, Magyar Napelem Napkollektor Szövetség, VIII. Szolár Konferencia, 2014.02.23.)
1. Előzmények
• 1850: Kirchoff német fizikus, kémikus, matematikus felismeri, hogy a Fraunhofer-féle fekete vonalak azonosak az általa tanulmányozott gázok spektrumában található fényes vonalakkal.
• 1858: Bunsen német kémikus a maga alkotta égővel (kb. 1500 oC, így a látható tartományban nincs zavaró háttérsugárzása) a kémiai elemek lángfestését tanulmányozza.
• 1859: Bunsen és Kirchoff megépítik az első igazi spektroszkópot (forrás:
Bunsen-égő, keskeny rés, fényfelbontás: prizma, megfigyelés (detektálás): okulár). Megállapítják, hogy „felforrósítva” minden elem a rá jellemző hullámhosszon sugároz és ez alapján katego- rizálják az egyes elemeket. Megfejtik a Fraunhofer-féle fekete vonalak titkát: a forró Nap sugárzásából (1. ábra) a relatíve hideg saját légkörében lévő elemek elnyelik a rájuk jellemző hullám- hosszakat. (2. ábra)
1.2. ábra. A Fraunhofer vonalak keletkezése (Forrás: Vinkó J.-Szatmáry K.- Kaszás G.-Kiss L.:
A csillagok színképe. Meteor csillagászati évkönyv, 1998.)
2. Analitikai spektroszkópiai módszerek
• Az analitikai spektroszkópiai módszerek a minta és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatásán alapulnak: a vizsgált mintából kisugárzott vagy a mintával kölcsönhatásba lépő elektromágneses sugárzást használják fel a minta anyagi minőségének, szerkezetének, ill. mennyiségi összetételének vizsgálatára.
2.1. Az elektromágneses sugárzás
• Kettős természetű: hullám (folytonos), ill. részecske (foton) természet
• Hullámként: az anyaggal energiakicserélődés nélküli kölcsönhatás
• nempolarizált (izotróp) fény esetében (ha a térben szabad töltés nincs jelen) a mágneses és az elektromos mező egymásra és a fény terjedésére merőlegesen, de egyébként a tér bármely irányában oszcillál (3. ábra).
• Lineárisan polarizált (anizotróp) fénynél az oszcilláció egyetlen irányban történik (4. ábra).
2.1. ábra. Az elektromágneses sugárzás (Forrás: Anal. kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.): A terjedés irányára merőlegesen osszcillálló elektromos és mágneses tér
2.2. ábra. Fénysugár polarizáltsága (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
2.1.1. Az elektromágneses sugárzás hullámjellemzői
• Hullámhosz (λ, nm): a szinusz hullám két egymás utáni, azonos fázisú és azonos iránytangensű pontja közötti távolság.
• Frekvencia (ν, 1/s): az időegységre eső hullámok száma.
• Hullámszám (ῦ, 1/cm): 1 cm hosszúság egységre eső hullámok száma (1/λ).
• A frekvencia független az anyagi közegtől, viszont a hullámhossz és a sebesség a közeghatár átlépésekor változik!
• Összefüggések: c = ·
n = c0/c
ahol: c (m/s) a sugárzás (fény) sebessége
c0 (m/s) a sugárzás (fény) sebessége vákuumban
(s-1) a sugárzás frekvenciája
(m) a sugárzás hullámhossza
n törésmutató (a vákuumra vonatkoztatva)
és c0 ~ 3x 108 m/s = 300.000 km/s (természeti állandó)
2.1.2. A sugárzás, mint részecske:
• A sugárzás diszkrét energiacsomagok (fotonok) sorozata (árama).
• Az anyaggal (atom, molekula) energiakicserélődéssel járó kölcsönhatásba lép (elnyelődik, vagy az anyag kibocsájtja).
• Egy adott foton energiáját a Planck-egyenlet adja meg:
E = h · = h · c / = h · c · ῦ ahol: E (Joule) a foton energiája
h = 6.626 · 10-34 J · s Planck-állandó
(s-1) a sugárzás frekvenciája
(m) a sugárzás hullámhossza
c (m/s) a hullám terjedési sebessége
ῦ (cm-1) hullámszám
2.1.3. Monokromatikus sugárzás (egyszínű fény) :
Egy meghatározott hullámhosszúságú fény. A gyakorlatban monokro- matikus sugárzás alatt egy nagyon kis hullámhossz-tartományt (Δλ) értünk.
Szigorúan monokromatikus fény, ui. nem valósítható meg, mert a Heisenberg-féle határozatlansági elv szerint egy stacionárius állapotú rendszer energiáját csak ΔE határozatlansággal lehet meghatározni és ez természetes vonalszélességet (Δλ) okoz, ui. ΔE=h·c/ Δλ.
2.1.4. A fény és az anyag közti kölcsönhatás eredménye lehet:
a. energiakicserélődéssel nem járó kölcsönhatások: melyek során a
sugárzás hullámtulajdonságai (irány, hullámhossz, sebesség) változnak meg:
reflexió (visszaverődés), refrakció (fénytörés), optikai forgatás, fényszóródás, stb.
b. energiakicserélődéssel járó kölcsönhatások: melyek során a sugárzás részecske tulajdonságai (energiája) változnak meg, vagyis maga a foton megszűnik (pl. abszorpció →elnyelődés), vagy keletkezik (pl. emisszió → kibocsájtás), miközben a kölcsönhatásban résztvevő anyag (atom, molekula) energiája a megszűnő foton energiájával nő, vagy a keletkező foton
energiájával csökken.
1. táblázat. A spektroszkópiai módszerek csoportosítása
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
(A: atomspektroszkópiai módszerek, M: molekulaspektroszkópiai módszerek)
•
Hullámhossz-tartomány Spektroszkópiai módszer Folyamat gamma
0,5-10 pm Mössbauer v. gamma-
fluoreszcens sp. M magátmenetek
röntgen
0,01-10 nm X-ray
röntgen-emissziós röntgen-abszorpciós röntgen-fluoreszcenciás
elektronmikroszondás módszerek
A belső elektron-átmenetek
távoli (vákuum) ultraibolya 10-180 nm
ultraibolya 180-350 nm
látható 350-780 nm közeli infravörös
780-1000 nm
FUV UV
VIS NIR
atomabszorpciós atomemissziós atomfluoreszcenciás
módszerek
molekulaabszorpciós molekulaemissziós
lumineszcenciás módszerek
A
M
külső elektron-átmenetek ---
elektron- átmenetek
rezgési és forgási átmenetek
infravörös
1-30 mm IR infravörös sp. M rezgési és forgási
átmenetek távoli infravörös
30-300 mm FIR távoli infravörös sp. M forgási átmenetek
mikrohullámok 0,3 mm-1 m
mikrohullámú sp.
elektronspin- rezonancia sp.
MM
forgási átmenetek elektronspin átm.
Rádióhullámok
1-300 m mágneses
magrezonancia sp. M magspin
átmenetek
3. Az optikai spektroszkópia fontosabb alapjelenségei
(Forrás: Analitikai kémiae-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
• a. emisszió b. abszorpció, transzmisszió, fotolumineszcencia
minta
transzmisszió fotolumineszcencia
fényszórás
abszorpció beeső sugárzás
minta
3.1. Minőségi analízis:
3.1.1 A minőségi analízis alapja:
Az atomok, ill. molekulák csak bizonyos, rájuk jellemző hullámhossz- tartományokban mutatnak elnyelést (abszorpció), ill. kibocsájtást (emisszió).
Az elnyelt, ill. kibocsájtott sugárzás hullámhossza egyértelmű összefüggésbe hozható az atom, ill. molekula szerkezetével.
A spektroszkópiai minőségi információ tömör megjelenítése a spektrum.
A spektrum (színkép): a kibocsájtott vagy elnyelt foton hullámhosszának, frekvenciájának, hullámszámának, vagy energiájának függvényében (az E = h · = h · c / összefüggés alapján) ábrázolt analitikai jelsorozat (intenzitás, transzmittancia, vagy abszorbancia).
Fentiek alapján egy atom-, vagy. molekula spektruma a szerkezetének megfelelően egyedi és abból felismerhető az adott atom, vagy molekula.
3.2. A spektrumok fajtái
3.2.1. A spektrum jellege szerint lehet :
- vonalas (atomspektrum, jel félértékszélessége: 0,005–0,03 nm)
- sávos (molekulaspektrum, jel félértékszélessége 10–50 nm)
- folytonos, ( a spektrumban a vonalak és sávok elmosódnak, a spektrum strukturáltsága eltűnik és folytonos spektrum keletkezik, pl. sugárzó fekete test –izzólámpa, Nap- emissziós spektruma)
3.2.2. A spektrum keletkezése (létrehozása) alapján lehet : - emissziós (intenzitás-hullámhossz függvény)
- abszorpciós (abszorbancia (transzmittancia)-hullámhossz függvény) - fluoreszcens (flureszcencia intenzitás-hullámhossz függvény)
3.3. A spektrumok jellemzői, a belőlük nyerhető minőségi információk
• 3.3.1. Atomspektrumok:
• - vonalas emissziós spektrumok,
• - a Gauss-görbe típusú vonalak félértékszélessége nagyon kicsi (0,001-0,03 nm),
• - a vonalak helye a spektrumban (hullámhossz) és a vonalak
intenzitásaránya ujjlenyomatszerűen jellemző az adott atomra, mert:
• a vonalak helyét (hullámhosszát) az atom szerkezete (az elektronpályák felépítése, vagyis azok energiaszintje) határozza meg, így az atom csak olyan energiájú (hullámhosszú) fotonnal gerjeszthető, amelyik éppen megfelel két elektronpálya energiakülönbségének: ΔE= h·c/ λ).
• a vonalak relatív intenzitását (egymáshoz viszonyított magasságukat) egy- egy elektronátmenet valószínűsége (gyakorisága) határozza meg, ami egy adott atomnál szintén állandó.
1 2 3 4 5 6
3s 4s 5s
3p 4p
5p
3d 4d 5d E i = 5,14 eV
2S
1/2 2P
1/2,3/2 2D
3/2,5/2
589,6 (D1) 589,0 (D2)
819,3818,8 568,3 568,8 285,3
330,2 330,3 1140,4
1138,2 616,1
615,4 gerjesztési
energia, eV
285,2 termvázlat
3.1. ábra. A nátriumatom (11Na) gerjesztési lehetőségei
(Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
Elektronkonfiguráció: 1s2, 2s2, 2p6, 3s1
.
3.2. ábra. A nátriumatom regisztrált és fényképezett spektruma
(Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
0 200 400 600 800 1000 1200
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
589,6 (D1) 589,0 (D2)
615,4 616,1
818,8
819,3 1138,2 1140,4 568,3
568,8 330,2 330,3 285,2 283,3
hullámhossz, nm Intenzitás
hullámhossz, nm
hullámhossz, nm kilépőrés kilépőrés
spektrális sávszélesség fényképezett spektrum
spektrumvonal kiválasztása monokromátorban
regisztrált spektrum
589,0 nm (negatív)
Na
3.3.2. Molekulaspektrumok
• - sávos emissziós, vagy abszorpciós spektrumok,
• - a Gauss-görbe típusú sávok félértékszélessége nagy (10-50 nm),
• - a sávok helye a spektrumban (hullámhossz) és a sávok intenzitásaránya az atomok között létrejött kémiai kötésre (és nem a teljes molekulára) jellemző.
• A molekulaspektrumok keletkezése:
• Az atomok közötti kémiai kötés keletkezése során az egyesülő atompályákból a molekulapályák két sorozata jön létre :
• - kötő pályák: ahol alapállapotban a kötésben résztvevő elektronok elhelyezkednek,
• - lazító pályák: amelyek alapállapotban általában üresek, gerjesztéskor a kötő pályán lévő elektron ide lép fel.
• - nem kötő pálya: bizonyos atomoknál (pl. O, N, S, halogének) a
vegyértékhéjon vannak olyan elektronpárok is , amelyek nem vesznek részt a kötés kialakításában (nem kötő elektronok).
• Szabály: annyi molekulapálya keletkezik ahány atompálya egyesült.
3.3. ábra. A formaldehid molekula lehetséges elektronátmenetei
(Forrás: Novák L., Kolonits Gy.: Szerves kémiai praktikum, jegyzet, 1985)
A lehetséges elektronátmenetek jellemzői
σ → σ * átmenet
- egyszeres kötésben részt vevő elektron gerjesztésekor jellemző,
- az átmenet gerjesztésére nagy energiájú, távoli ultraibolya sugarak alkalmasak,
- általában nem vizsgálhatóak, mert a gerjesztéshez szükséges sugárzás hullámhossza kisebb, mint 200 nm (itt a levegő oxigénje is gerjesztődik, ill. a molekula széteshet) π → π * átmenet
- a telítetlen kettős és hármas kötéseket tartalmazó vegyületekre jellemző,
- a gerjesztéshez kisebb energia szükséges, mint az egyszeres kötéseknél, így a közeli UV- ben, esetenként a látható tartományban (VIS) is gerjeszthető.
n → σ * és n → π * átmenetek
- nem kötő, magános elektronpárral rendelkező heteroatomot (O, N, S, halogének) tartalmazó vegyületekben lehetségesek:
- n → π * átmenet esetében ez az atom kettős kötésben, illetve heteroaromás gyűrűben található (C=O, C=N, piridin, furán, tiofén),
- n → σ * átmenet esetében egyes kötéssel kapcsolódik a molekulához (alkoholok, éterek, alkil/aril-halogenidek).
•
•
• .
• 3.1.2. Az UV-VIS-spektrumok felvételének körülm
A molekulaspektrumok sávos jellegének magyarázata Atomok belső energiájának megváltozása:
ΔEatom = ΔEelektron = hν
Vagyis: egy foton abszorpciója egy elektronállapot megváltozását okozza!
Következmény: vonalas (0.005-0.02 nm) spektrum.
Molekulák belső energiájának megváltozása:
ΔEmolekula = ΔEelektron + ΔErezgési + ΔEforgási = hν Vagyis: egy foton abszorpciója egyidejűleg okozhatja (akár) mindhárom állapot megváltozását!
Következmény: sávos (10-50 nm) spektrum.
ΔEelektron ~ 10·ΔErezgési ~ 10· ΔEforgási
3.4. Ábra. Molekulák gerjesztési lehetőségei (az elektron-rezgési-forgási spektrum)
3.5. ábra: Az aceton UV molekulaspektruma
(forrás: wwww.masterorganicchemistry.com)
3.6. ábra: Az aceton IR molekulaspektrumai
(Forrás:http://lisa.chem.ut.ee/IR_spectra/conservation_materials/acetone,
http://www.spectroscopyonline.com/carbonyl-group-part-i-introduction)
CH3 vegyértékrezgés
C=O vegyértékrezgés
C-C vegyértékrezgés CH3 deform.rezgés
ATOMSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK
.
4.1. Az atomspektroszkópiai módszerek felosztása
• Az analitikai információt szabad atomok (atomos gáz) ill. szabad ionok (ionizált atomos gáz) elektrongerjesztéséből származó kis szélességű vonalakból álló (0.005-0.02 nm) atomspektrum hordozza.
Az analitikai információ származhat:
1.Termikusan (nagy hőmérsékletű terekben), kémiai úton, vagy elektron- ill.
ionütközéssel gerjesztett szabad atomok ill. szabad ionok spontán fotonemissziójából (atomemissziós módszer, AES, Atomic Emission Spectroscopy, pl. F-AES, ICP-OES, HG-AES).
2. Szabad atomok fotonabszorpciójából (atomabszorpciós módszer, AAS, Atomic Absorption Spectroscopy, F-AAS, GF-AAS, CV-Hg-AAS, HG- AAS).
3. Szabad atomok fotonokkal történő gerjesztését követő emissziójából (atomflureszcenciás módszer, AFS, Atomic Fluorescence Spectroscopy, pl. CV-Hg-AF, HG-AF).
4. Szabad ionok tömegének meghatározása alapján(tömegspektrometriás módszer, MS, Mass Spectrometry, pl. ICP-MS)
4.1. ábra. Szabad atomok (ionok) előállítása és meghatározási lehetőségei (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2. Atomemissziós módszerek (AES)
4.2.1. ábra. Az AES mérés atomi folyamatai és mérési elrendezése
(Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.1. Az atomemissziós módszerek csoportosítása: a sugárforrások alapján
Sugárforrások: a sugárforrásokban a minta atomizálása (ionizálása) és a szabad atomok (ionok) gerjesztése történik.
4.2.1.1. Lángok: stacioner, lamináris lángok diffúziós (H2-Ar-levegő)
előkevert - levegő-propán, 1900 0K - acetilén-levegő, 2300 0K
- acetilén-dinitrogén-oxid, 2800 0K :
- sztöchiometrikus( C2H2+5N2O =2CO2 +H2O + 5 N2) - oxidáló (N2O felesleg)
- redukáló (C2H2+2 N2O= 2CO+H2 + 2 N2)
Meghatározható anyagok: levegő-propán: alkáli fémek (Li,Na, K) levegő-acetilén: + alkáli földfémek (Ca, Mg, Sr, Ba)
acetilén-N2O : kb. a fémek 70%-a
Kimutatási határok: Li, Na, Ca, Mg : 1 g/l (1 ppb) Ag, Cu, Fe : 10 g/l (10 ppb)
Zr : 1500 g/l (1.5 ppm) Ce : 105 g/l (100 ppm)
4.2.2. ábra. Diffúziós és előkevert láng szerkezete
(Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
+
< 10
minta-aeroszol (frakció m) a porlasztókamrából
vg vf
lineáris gázsebesség
fundamentális lángsebesség
vs a lánggázok és a minta lineáris sebessége
jelölések:
acetilén-levegő gázelegy +
< 10
minta-aeroszol (frakció m) a porlasztókamrából
előmelegedési zóna vf
vg vs
égőfej reakciózóna belső égési zóna külső égési zóna analitikai zóna O2
O2
hidrogén-argon gázelegy
lamináris, diffúziós láng lamináris, előkevert láng
előmelegedési zóna vg
vs
égőfej
analitikai zóna O2
O2
O2
O2
égési zóna
4.2.3. ábra. Különböző összetételű levegő-acetilén ill. levegő-N2O lángok képe (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
fuel lean: éghető anyagban szegény (oxidáló) fuel reach: éghető anyagban gazdag (redukáló)
4.2.4. ábra. Mintabevitel a lángokba: (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
elölnézet oldalnézet
porlasztó
acetilén
levegõ Itr
I0
hasadófólia égõfej
láng fényút
ütközõgömb
keverõ
folyadékzár minta, c
PE kapilláris
porlasztókamra
megfigyelési magasság Qg
qn
s
4.2.5. ábra. Pneumatikus porlasztó működése (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.6. ábra. Folyadékcseppek atomizációjának lépései (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
a minta haladása a forrásban vs = kb. 10 m/s
vs = kb. 1 m/s (láng)
(ICP)
oldószer elpárolgása
szilárd maradék képződése
0,05
oldatcsepp belépése, olvadék keletkezése
szublimáció, párolgás
molekuláris gőz keletkezése
atomizáció, molekulák disszociációja szabad atomok keletkezése
szabad atomok ionizációja konvekció
laterális diffúzió
m
m
4.2.1.1. Zavaró hatások (mátrixhatások) láng sugárforrásoknál
• Mátrixhatások:
• interferencia: a mátrix ugyanolyan jelet ad, mint az analát (pl. ugyanazon a hullámhosszon emittál, vagy abszorbeál).
• mátrixhatás: a mátrix maga nem ad ugyanolyan jelet, mint az analát, de megváltoztatja a mérés érzékenységét, aminek következtében a jel nagysága is megváltozik.
• A zavarások fajtái:
• 1. Háttérzavarás: a láng komponensei ugyanazon hullámhosszon
emittálnak (abszorbeálnak), mint az analát (lásd a 8. ábrát)
• Megoldás: háttérkorrekció (a vakminta jelének mérése az analát mérésének hullámhosszán).
• 2. Mintabeviteli zavarás: a porlasztásra kerülő mintaoldat fizikai
tulajdonságainak (sűrűség, viszkozitás, felületi feszültség, gáztartalom) megváltozása a porlasztási hatásfok
megváltozását okozza.
• Megoldás: a fizikai tulajdonságok állandóságának biztosítása.
4.2.7. ábra. Alkáli- és alkáliföldfémek emissziós spektruma levegő-acetilén lángban (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
300 400 500 600 700 800 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
hullámhossz, nm intenzitás
K Na
Li Rb
Ca Na
OH CaOH
CH C2
Ba SrOH
K
Sr
4.2.1.1. Zavaró hatások (mátrixhatások) láng sugárforrásoknál
• 3. Termikusan stabil vegyületek keletkezése:
• az atomizációs folyamat utolsó lépésében egyes atomok (pl. Al) stabil, nehezen disszociáló kétatomos molekulái (MO, MOH, MC, MX)
keletkeznek a lángban, amelyek nehezen bonthatók el.
• Megoldás: magasabb lánghőmérséklet, vagy redukáló láng alkalmazása
• 4. Ionizációs zavarás: a könnyen ionizálódó alkáli fémek (K, Rb, Cs) atomizációja, ill. gerjesztése továbbmegy és ionok
keletkeznek, melyek emissziója (abszorpciója) más hullámhossznál van.
• Megoldás: ionizációs puffer alkalmazása, vagy a lánghőmérséklet csökkentése.
4.2.1.2. Plazmák
A plazma részlegesen, vagy teljesen ionizált állapotú gáz (negyedik
halmazállapot), amely elektronokból, ionokból, atomokból, molekulákból, molekulaionokból és gyökökből állhat. A környezet felé semleges (kvázi
neutrális), mivel a töltések kiegyenlítik egymást, azonban a benne lévő töltések miatt elektromosan vezető.
A plazmában lévő töltéshordozókra (ionok, elektronok) a külső elektromos, vagy mágneses terek hatással vannak (Lorentz-törvény), ezek segítségével a plazma formálható: a töltések gyorsíthatók, irányíthatók.
1. Egyenáramú ív ( 4000 - 6000 0K)
Meghatározható anyagok: az összes fém (szelektív párolgás) Kimutatási határok: 0.1 – 10 ppm
2. Váltóáramú ív (szikra): 30000 - 5000 0K
Meghatározható anyagok: az összes fém és nem fém
Kimutatási határok: hasonló, mint az egyenáramú ív 3. Induktív csatolású plazma ( 6000 - 8000 0K)
(Inductively Coupled Plasma, ICP )
Meghatározható anyagok: az összes fém és nem fém (kb. 70 féle elem)
Kimutatási határok: 0.1 -100 ppb
4.2.8. ábra. Nagyfeszültségű szikra sugárforrás (Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.9. ábra. Elektródelrendezés szikra sugárforrásnál és a kisülések
nyomai a minták felületén (Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.10. ábra. Az induktív csatolású plazma (ICP) sugárforrás főbb egységei(Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.11. ábra. Az induktív csatolású plazmaégő részei (A) ill.
a plazma fontosabb zónái és hőmérséklet-eloszlása (B).
(Forrás: Analitikai kémia e-jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
10000 K 9000 K 8000 K 7000 K
6000 K analitikai zóna
elektromágneses mezô
örvényáramok
A B
energiabeviteli zóna
hômérséklet
indukciós tekercs
plazma
külső argon közbülső argon
belső argon külső argon
közbülső argon belső argon
megfigyelési magasság
4.2.2. Monokromátorok, polikromátorok
• 1. Monokromátor:
• Funkciója: A fényforrásból, vagy sugárforrásból származó polikromatikus sugárzás különböző hullámhosszúságú komponenseit térben más-más
irányba téríti el (szétválasztja →diszperzió) és közülük csak egy szűk hullámhossz-tartományt (Δλ) enged tovább. A kiválasztott hullámhossz- tartomány időben változtatható , így felvehető egy minta spektruma.
• Felépítése: A monokromátorok be- és kilépő réseket, tükröket, lencséket és fényfelbontó egységet tartalmaznak (lásd a 13. ábrát).
• A fényfelbontó egység lehet: prizma, reflexiós optikai rács.
• A prizma működési elve: a prizma törésmutatója eltér a környezetétől (pl. levegő), ezért a prizmába belépő, majd az abból kilépő fény sebessége és iránya megváltozik, a fény (kétszeresen) megtörik (refrakció). A
változás hullámhosszfüggő, így az összetett fény felbontható (lásd a 12.
ábrát).
•
4.2.12. ábra. A prizma működési elve (Forrás: www.vilaglex.hu/Lexikon)
A reflexiós optikai rács
• Felépítése: A reflexiós optikai rács olyan tükröző lemez, amelyen sűrűn, a ráeső sugárzás hullámhosszával összemérhető mértékben egymástól
azonos távolságban párhuzamos rovátkák (belekarcolt vonalak) vannak (az UV-VIS-tartományban akár 1000-4000 karcolás/mm).
• Működése (diffrakció elvén):
• - a rácspontok (mint kis tükröcskék) mérete a rájuk eső sugárzás nagyság- rendjébe esik, így a visszaverődő sugarak szóródnak (minden
irányban van visszaverődés→ Huygens elv).
• - a szomszédos rácspontokról visszaverődő sugarak interferálnak: az útkülönbségtől függően maximálisan erősítik, gyengítik, vagy
kioltják egymást (Δ= k·λ, ahol k= 1, 2,…n), így egy-egy irányban egy-egy hullámhosszúságú (ill. annak fele, harmada, stb.) sugárzás intenzitása lesz nagyon erős. (lásd. a 12. ábrán).
4.2.13. ábra. A reflexiós optikai rács működési elve
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.14. ábra. A monokromátor felépítése és működési elve
(Forrás: Posta J.: Atomabszorpciós spektrometria., www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/atomabszorpcios)
4.2.15. ábra. Polikromátor (Paschen-Runge elrendezésű) felépítése és működése (Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
Felépítése: 1 db belépőrést és több (akár 50-70) kilépőrést tartalmazó speciális elrendezésű (az egységei az un.Rowland körön
helyezkednek el) monokromátor. Ahány kilépőrés annyi elem mérhető egyidőben (szimultán elemzési lehetőség)
4.2.3. Detektorok A detektor feladata:
A sugárforrásban gerjesztett atomok által emittált (emissziós módszer), vagy az atomforrásban lévő atomok által el nem nyelt (transzmittált→
abszorpciós módszer) sugárzás intenzitásának mérése, vagyis a detektorba jutó (tetszőleges hullámhusszúságú) fotonok számával arányos
(elektromos) jel előállítása.
Az UV-VIS tartományban alkalmazott detektortípusok:
fotocella
fotoelektron sokszorozó (Photo Multi Player) fotodióda , fotodióda sor
CCD (Charge Coupled Device )
4.2.16. ábra. A fotocella működési elve (külső fényelektromos hatás)
- a fotokatódba ütköző fotonok elektronokat szabadítanak ki a katódból (ionizálják) - a kiszabaduló elektronok (melyek száma arányos a fotonok számával) az anódba csapódva az áramkörben elektromos áramot hoznak létre
- a keletkező áram nagyobb, ha vákuum alatt lévő burában kis nyomású nemesgáz van.
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.2.17. ábra. A fotoelektron sokszorozó működési elve
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
- A fotokatódba ütköző fotonok elektronokat szabadítanak ki a katódból (ionizálják) - A kiszabaduló elektronok a katóddal azonos anyagból készült de annál (100 V-tal ) nagyobb feszültségre kapcsolt dinóda felé repülnek, miközben az elektromos térben gyorsulnak (kinetikus energiájuk nő) és a dinódába becsapódva, onnan 4-5 elektront ütnek ki, így sokszorozzák magukat..
- A folyamat a következő dinódákon sorra megismétlődik, így az anódon kilépő
elektronok száma (az elektromos áram) 106-1010-szerese az első dinódán keletkezőének (belső erősítés).
4.2.18. ábra. Az ICP-OES készülékek általános felépítése
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
külső Ar ( plazma Ar, hűtő Ar ) közbülső Ar (segéd Ar )
Generátor Impedancia
illesztő
T VT SZ
belső Ar ( porlasztó Ar )
pumpa minta
porlasztó
porlasztókamra polikromátor
hangoló optikai
rács
fotoelektron- sokszorozók
számítógép plazmaégő
indukciós tekercs
( 27 MHz vagy 40 MHz ) plazma
M
M = megfigyelési magasság
T = becsatolt teljesítmény mérése és beállítása VT = visszavert teljesítmény mérése
SZ = plazmaindító szikra (monokromátor)
4.2.4. Mennyiségi analízis
Az analitikai függvény (Lomakin-Scheibe összefüggés):
IE = k·c (vagy IE = I0+k·c )
ahol IE a vizsgált atomok által emittált fény intenzitása (intenz.egys.) I0 a vakminta jele (intenz.egys.)
k a mérés érzékenysége (a függvény meredeksége, int.egys·l/mol) c a vizsgált atomok koncentrációja a mintában (mol/l)
A koncentráció meghatározásának módjai:
1.Kalibrációs (külső standard) módszer:
- A mérés érzékenységét (a kalibrációs függvény meredekségét) pontosan ismert koncentrációjú analátot tartalmazó oldatsorozat (standard oldatok) mérésével
határozzuk meg.
- Az érzékenység ismeretében az ismeretlen koncentrációjú mintaoldat jelének megmérése után a mintaoldat koncentrációja kiszámítható.
A módszer alkalmazásának feltétele: a mérés érzékenysége (k) a standard oldatok, ill. a mintaoldat mérése során nem változik (nincs mátrixhatás!)
4.2.4. Mennyiségi analízis
• Az érzékenység meghatározása: egyenest illesztünk a mérési pontokra úgy, hogy a függvényből számított és a mért y értékek közötti eltérések négyzeteinek összege minimális legyen (legkisebb négyzetek módszere)
4.2.4. Mennyiségi analízis
2. (Standard) addíciós módszer:
A módszer alkalmazásának oka:
A mintában lévő mátrix megváltoztatja a mérés érzékenységét (mátrixhatás), így
kalibrációs módszer alkalmazása esetén a standard oldatokban (melyekben nincs mátrix csak az analát) más lenne az érzékenység, mint a mintaoldatban.
A módszer alkalmazásának feltétele:
A vizsgált koncentráció-tartományban a válaszjel egyenesen arányos a koncentrációval (a kalibrációs függvény ezen a szakaszon egyenes és a 0-ból indul ki).
A módszer kivitelezése:
- Megmérjük az ismeretlen koncentrációjú minta jelét.
- Az ismeretlen koncentrációjú mintához hozzáadjuk az analát ismert mennyiségét (addíció) és az így elkészített minta jelét is megmérjük.
-A két mérés eredményéből kiszámítjuk az ismeretlen koncentrációt.
4.2.4. Mennyiségi analízis
2. (Standard) addíciós módszer:
Ha az addíciót többször, más-más hozzáadott koncentrációval (
mennyiséggel (dc1, dc2, dc3) elvégezzük és mért jeleket (I) a hozzáadott
mennyiségek (dc) függvényében ábrázoljuk, a kalibrációs egyenes x tengellyel való metszete megadja az ismeretlen koncentráció értékét.
I = k · (c + dc) = k ·c + k · dc
Ha I = 0 → dc = -c
4.3. Atomabszorpciós módszerek
4.3.1. ábra. Az AAS mérés atomi folyamatai és mérési elrendezése
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.3.1. Az atomabszorpciós módszerek csoportosítása
Atomforrások (a csoportosítás alapja): feladata a minta molekuláinak szabad atomokká történő átalakítása
4.3.1.1. Lángok: stacioner, lamináris lángok (ua., mint az AES módszereknél, de a láng csak atomizálásra szolgál)
–Meghatározható anyagok:
–
–levegő-propán lángban: alkáli-fémek (Li,Na, K, Rb, Cs)
–acetilén-levegő lángban : + Fe, Co, Ni, Cr, Mo, Zn, Cd, Cu, Pb, Au, Pd, Pt
– acetilén-N2O lángban : + Ca, Sr, Ba, B, Al, V, W, Ti, Si
–Kimutatási határok: 1 ppb(pl. Na, Mg) és 1 ppm (Ge, Si, W) között
4.3.1.2. Elektrotermikus atomizálás
- Az atomizálás elektromosan fűtött grafitcsőben történik (GF-AAS) egy hőmérsékletprogram szerint:
- szárítás (100-150 0C, oldószer eltávolítás)
-hőkezelés (350-1200 0C, szerves anyagok eltávolítása)
-atomizálás (1200-2800 0C, a visszamaradt minta atomizálása) -tisztítás (2000-2800 0C, a csőben visszamaradt anyagok eltáv.) Mintabevitel: diszkrét (nem folytonos), oldat (10-20 l), ill.
szilárd formában (5-10 mg) Jel: tranziens
Kimutatási határok: általában kedvezőbb, mint a láng-AAS-nél, néhány elemre (As, Cd, Pb, Se) 2-3 nagyságrenddel is jobb Előnye: az atomizálás során a minta kevésbé hígul, mint a
porlasztásos mintabevitel esetén
4.3.2. ábra. ETA-AAS: Hosszirányú (a) és keresztirányú (b) fűtés megvalósítása és a cső hőmérséklet- eloszlása:
1:grafitcső-fal, 2: bemérőnyílás, 3: grafit segédelektródok)
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
3 1 2
(a) (b)
1 2 3
3 3
T cső T cső
4.3.1.3. Kémiai atomizációs módszerek
1. Hg meghatározása (hideg gőzös eljárás, CV = Cold Vaporisation)
- a Hg-vegyület redukciója (pl. kénsavas közeg, ón-klorid: Hg 2+ + Sn 2+ = Hg + Sn 4+)
- a keletkező atomos Hg gőzt argonnal vagy levegővel a láng atomforrásba visszük
3.2. Hidrid módszer (HG = Hydrid Generation)
Illékony hidrideket képező elemek (As, Sb, Bi, Sn, Pb, Ge, Se, Te) vegyületeikből Na-tetrahidro-borát segítségével, szobahőmérsékleten gáz halmazállapotba vihetők és így nagyobb hatásfokkal juttathatók be a láng atomforrásba, mint az oldatporlasztásos mintabevitel esetén .
További előny, hogy a hidridek már 900-1000 0C-on atomizálhatók.
Példa: As -hidrid előállítása
NaBH4 + HCl+ H2O = 8 H + H3BO3 + NaCl H3AsO3 + 6 H + = AsH3 + 3 H2O
A kémiai atomizációs módszerek ICP sugárforrás (tehát emisszió) esetén is alkalmazhatók!
4.3.2. Fényforrások az atomabszorpciós spektrometriában
• 1. Folytonos spektrumú fényforrás: xenon lámpa
• - nagy felbontású monokromátor (kilépő rés szélessége: 0,002 nm),
• - nagy fényintenzitás szükséges (a keskeny kilépőrés miatt).
• Előny: egy fényforrással oldja meg az összes elem mérését,
egyszerűen lehet a mért elemet váltani,
• Hátrány: - a spektrumvonal azonosítása nem megbízható (elemtévesztés előfordulhat).
• 2. Vonalas spektrumú (elemspecifikus )fényforrás: vájtkatódú lámpa
• - a meghatározandó elem vonalas spektrumát emittálja, ezért
• - közepes felbontású monokromátor elegendő (kilépő rés szélessége: 0,1-2 nm)
• Előny: csak egy adott elem mérhető, így nincs elemtévesztés,
a fényforrások fényereje nagy, így kedvező a jel/zaj viszony,
• Hátrány: minden elemhez külön lámpa kell (drága)
egy-egy beállítással (lámpa, hullámhossz) csak egy elemet mérhetünk.
» -
4.3.3. ábra. Fényintenzitások folytonos spektrumú fényforrás, ill.
elemspecifikus fényforrás alkalmazásakor,
„nagy” résszélességű monokromátorral
a. Folytonos spektrumú fényforrás (xenon lámpa)
b. Vonalas spektrumú fényforrás (vájtkatódú lámpa)
A monokromátor kilépő résszélessége (λ2-λ1): 1-2 nm Atomvonal szélessége: 0.001-0.005 nm
4.3.4. ábra. Vájtkatódú (üreges katódú) lámpa felépítése
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.3.5. ábra. Vájtkatódú lámpák vonalas spektruma
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.3.6. ábra. Az atomabszorpciós készülék felépítése és a benne lejátszódó folyamatok (Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.3.7. ábra. Az AAS mérés detektorjele modulálás nélkül (a) és modulálással (b)
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.3.8. ábra. Láng AAS (F-AAS) készülék : mintabevitel a lángba
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
4.3.3. Mennyiségi analízis
megvilágító
fényforrás minta
I
0I
trfényfelbontás
fényintenzitás mérése
(atomizáló)
c k I T
A lg I
tr lg
a
0
ahol A abszorbancia
I0 a megvilágító fényforrás intenzitása a mérés λ hullámhosszán, Itr az áteresztett (transzmittált) fény intenzitása a mérés λ hullámhosszán,
T transzmittancia (áteresztőképesség), c az analát mintabeli koncentrációja,
ka arányossági tényező (a kalibrációs függvény meredeksége)
4.3.3. Mennyiségi analízis
• Megjegyzések:
• - ka hullámhosszfüggő, egy adott analát különböző elnyelési hullámhosszainál értéke más és más.
• - 0 ≤ T ≤ 1, vagy 0 % ≤ T ≤ 100 %, de az egyenletbe mindig a 0 és 1 közötti értéket helyettesítjük be.
• A koncentráció meghatározásnak módjai:
• - kalibrációs módszer (ha nincs mátrixhatás)
• - standard addíciós módszer (mátrixhatás esetén)
• A két módszer alkalmazásának feltételei és lépései azonosak az atom- essziós módszernél ismertettett lépésekkel (4.2.4. fejezet)
MOLEKULASPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK
.
5.1. Molekulaspektroszkópiai módszerek csoportosítása
5.2. UV-VIS spektrofotometria
• - Molekulaabszorpciós módszer:
• - Az elemzés az ultraibolya (UV), ritkábban a látható (VIS →visible) tartományban történik (kb. 190- 800 nm).
• - A mérés során a molekulában lévő kettős (hármas) kötés, vagy az aromás rendszer π elektronjának (ritkábban a heteroatom nem kötő elektronjának) gerjesztése (π- π*, n-π*) következtében történt fényelnyelésből következ- tetünk a molekula szerkezetére (az elnyelés hullámhossza), ill. koncent- rációjára (az elnyelés mértéke→ Lambert-Beer törvény).
• - Mivel a molekulák spektruma sávos (3.3.2. fejezet), a széles sávok miatt a módszer önállóan nem alkalmas a szerkezet felderítésére, viszont az intenzív elnyelési sávok érzékeny mennyiségi analízist tesznek lehetővé.
5.2.1. UV-VIS spektrofotométerek
A készülékek fő egységei:
1. Fényforrás: folytonos emissziós spektrumot szolgáltató fényforrás (lámpa) UV-tartomány: deutérium lámpa
Látható tartomány (VIS): wolfram-halogén lámpa 2. Fényfelbontó egység:
optikai szűrő (üvegszűrő vagy interferencia szűrő) monokromátor (prizmás, optikai rácsos)
3. Mintatartó: küvetta (folyadék mintákhoz)
speciális gázküvetta (gáz halmazállapotú mintákhoz)
speciális mintatartó szilárd mintákhoz (fóliák, fényvédő krémek, UV-szűrő üvegek vizsgálatához)
A mintatartók anyaga az UV-tartományban kvarcüveg, a látható tartományban kvarcüveg, normál üveg ill. műanyag (plexi).
UV-VIS spektrofotométerek
4. Detektor: fotocella
fotoelektron sokszorozó fotodióda
CCD 5. Jelfeldolgozó, kijelző egység:
analóg (mutatós) műszer
PC (megfelelő adatfeldolgozó szoftverrel) Spektrofotométer típusok:
egy fényutas
két fényutas – egy detektoros - két detektoros
5.1. ábra- Egy és két sugárutas UV-VIS spektrofotométer
(Forrás: Analitikai kémia e- jegyzet, szerk.: Pokol Gy., 2011.)
5.2. ábra. Egysugárutas spektrofotométer (térbeli elrendezés) (Forrás: www.vilaglex.hu/Fizika)
5.3. ábra. Kétsugárutas spektrofotométer (térbeli elrendezés)
(Forrás: https//anzdoc.com/spektrofotometria.)
5.2.1.1 Fényforrások
Látható tartományban (VIS): Wolfram izzó
A W szálat 3000-3500 oK-re melegítve a 350-2500 nm (VIS, IR) hullámhossztartományban folytonos sugárzást ad (fekete test sugárzása).
A sugárzás hullámhossztartománya és intenzitása az izzószál hőmérsékletének függvénye: magasabb hőmérsékleteken a sugárzás intenzitása nő, a hullámhossz maximuma a kisebb hullámhosszak felé tolódik el: Wien-féle törvény: λmax·T (oK) = áll.
• Ultraibolya tartományban (UV): deutérium lámpa
kisülési lámpa: a folytonos sugárzást (160-400 nm) a lámpában lévő kisnyomású D2 molekula Ar-ívfény (plazma) hatására történő gerjesztődése és a gerjesztett molekula atomizációja közben keletkező UV fotonok adják:
• Ar → Ar+ + e- ; D2 + e- → D2* → D1 + D2 + UV foton
• A folyamat energiamérlege:
• E elektron = E gerjesztés = ED1,kin. + ED2,kin. + h·νfoton
5.4. ábra. UV_VIS pektrofotométerek fényforrásai
5.5. ábra. Különböző folyadéktartó küvetták
5.2.2. Mennyiségi analízis
Bouguer-Lambert-Beer törvény: egy adott (λ= áll.) hullámhosszon, híg oldatokban:
ahol A ( - ) abszorbancia
T ( - , vagy %) transzmittancia
It , I0 az áteresztett (transzmittált) ill. a beeső fény intenzitása
c (mol/dm3) koncentráció
l (cm) optikai úthossz
ε (dm3·mol-1·cm-1)moláris abszorpciós koefficiens
A I
I
trT l c
lg lg
0
5.2.2. Mennyiségi analízis
Az abszorbancia additív: ha egy oldatban az adott hullámhosszon több
komponens is elnyel a mért abszorbancia az egyes komponensek abszorbanciáinak összege:
A = Σ Ai = A1 + A2 +…+An = ε1·l·c1 + ε2·l·c2 +….+ εn·l·cn Kétkomponensű elegy összetételének meghatározása:
Két olyan hullámhosszon (λ1, λ2) mérünk, ahol mindkét komponens elnyel:
1. Először meghatározzuk a tiszta komponensek moláris abszorpciós koefficienseit a két hullámhosszon (ε11 , ε12, ε11 , ε12) ,
2. Megmérjük az elegy abszorbanciáját a két hullámhosszon (A1, A2) 3. Megoldjuk a 2 db két ismeretlenes (c1, c2 )egyenletet:
A1 = = ε11·l·c1 + ε12·l·c2
A2 = = ε21·l·c1 + ε22·l·c2
5.6. ábra. Kétkomponensű (M és N) elegy abszorpciós spektruma és a mérési hullámhosszok kiválasztása
5.2.2. Mennyiségi analízis
• Megjegyzések:
• - εhullámhosszfüggő, egy adott analát (molekula) különböző elnyelési hullámhosszainál értéke más és más.
• - 0 ≤ T ≤ 1, vagy 0 % ≤ T ≤ 100 %, de az egyenletbe mindig a 0 és 1 közötti értéket helyettesítjük be.
• A koncentráció meghatározásnak módjai:
• - kalibrációs módszer (ha nincs mátrixhatás)
• - standard addíciós módszer (mátrixhatás esetén)
• A két módszer alkalmazásának feltételei és lépései azonosak az atom- essziós módszernél ismertettett lépésekkel (4.2.4. fejezet)
5.3 Fluorimetria
5.3.1. Alapjelenségek, definíciók Lumineszcencia:
A molekula a különböző módon felvett gerjesztési energiát (ill. annak egy részét) elektromágneses sugárzás formájában (foton kibocsájtásával) adja le (5.3.3 ábra)
A lumineszcencia fajtái:
1. Kemilumineszcencia: kémiai reakcióban gerjesztett állapotú molekula
(termék, közti termék) keletkezik. Ha biokémiai (enzim katalizálta) reakcióban keletkezik: biolumineszcencia.
2. Fotolumineszcencia: a molekula gerjesztése elektromágnenses sugárzással történik
- fluoreszcencia: a gerjesztés ill. a relaxáció alatt a gerjesztett elektron
spin állapota nem változik meg, ezért a jelenség gyors.
- foszforeszcencia: a gerjesztés ill. a relaxáció közben a gerjesztett elektron spin állapota megváltozik . Mivel az ilyen átmenet tiltott(ezért kis valószínűségű), a gerjesztés és a relaxáció között viszonylag sok idő telik el.
5.3.2. A lumineszcencia alkalmazásai:
• - analitikai kémia (fluoreszcencia spektroszkópia→fluorimetria, HPLC detektálás)
• - biológia, orvostudomány (immunanalitika, sejtvizsgálatok, DNS analízis)
• - világítástechnika (fénycsövek)
• - közlekedés (fluoreszkáló jelzőtáblák, láthatósági mellény, iskolatáska)
• - biztonságtechnika (láthatósági mellény, védőöltözékek)
• - törvényszéki alkalmazások (ujjlenyomat, vérnyomok láthatóvá tétele)
• - ásványtan, olajipar (ásványok szennyeződéseinek kimutatása, olaj kimutatása)
• - divat (fluoreszkáló öltözködési cikkek)
5.3.1. ábra. Fluoreszkáló ásványok
5.3.2. ábra. Biolumineszcencia (szentjánosbogár)
5.3.3. ábra. Fluoreszkáló anyagok:
1. Aminosavak fluoreszcencia spektruma (Forrás: https://slideplayer.hu/UV/VIS molekulaspektroszkópiai módszerek)
3. Fluoreszkáló fehérjemolekula (GFP, Green Fluorescent Protein), 2008: kémiai Nobel díj
Gerjesztés: 396 nm UV, 475 nm kék Emisszió: 508 nm zöld
Fluorofór csop.: szerin-tirozin-glicin
2. Fluoreszcein molekula (festék, indikátor) (Forrás:
https://slideplayer.hu/UV/VIS molekulaspektroszkópiai módszerek
5.3.4. ábra. A fluoreszcencia, ill. foszforeszcencia jelensége Jablonski diagram (Forrás: https://wikipedia.org)
2. Fluoreszcencia ill. foszforeszcencia létrejötte (a Jablonski diagram értelmezése)
1. fotonabszorpció: az elektron a gerjesztett állapot egy magasabb rezgési szintjére kerül.
2. rezgési relaxáció: a molekula alacsonyabb rezgési szintre kerül .
3. fluoreszcencia: az elektron a gerjesztett állapot legalsó rezgési szintjéről fotonemisszióval az alapállapot valamelyik rezgési szintjére kerül.
Frank-Condon-elv: a foton emissziója mindig a gerjesztett állapot legalsó rezgési szintjéről történik.
4. Belső konverzó (quenching, kioltás): fotonemisszió nélküli (pl. ütközéses) relaxáció.
4. Belső átrendeződés (intercrossing system): az elektron spinje átfordul, a molekula szingulett állapotból triplett állapotba kerül.
5. foszforeszcencia: az elektron újabb spinátfordulás után fotonemisszióval az alapállapot valamelyik rezgési szintjére kerül.
5.3.5. ábra. A molekulaszerkezet hatása a fluoreszcenciára
Fluorén: merev szerkezet ( a metil csoport miatt) nagy hajlandóság a fluoreszcenciára
kvantumhatásfok (Φk) = 1
Bifenil: rugalmas szerkezet, a két fenil csoport külön-külön könnyen rezgésbe hozható, a molekula alig fluoreszkál
kvantumhatásfok (Φk) = 0.2
5.3.3. A fluoreszcencia spektrum
A fluoreszcencia spektrum tükörképe az abszorpciós spektrumnak, csak a fluoreszcencia spektrum sávjai a nagyobb hullámhosszak felé tolódnak el.
A gerjesztés általában az UV-tartományban, az emisszió a látható tarományban
történik.
5.3.4. Mennyiségi analízis
A fotolumineszcenciás (fluoreszcenciás, foszforeszcenciás) módszer mérési elrendezése és analitikai függvénye
megvilágító fényforrás
minta
I0 Itr
If
gerjesztő fény
felbontása
fluoreszcencia fény felbontása
fényintenzitás mérése
I
f k I c
f 0
ahol If az emittált fluoreszcens sugárzás intenzitása, I0 a besugárzó fény intenzitása,
kf arányossági tényező,
c a fluoreszkáló anyag (minta) oldatbeli koncentrációja
5.3.5. Az abszorpciós és fluoreszcens módszer összehasonlítása
-A fluoreszcencia intenzitása (IF) növelhető a megvilágító fényforrás intenzitásának (I0) növelésével, így nő a mérés érzékenysége, sokkal kisebb kimutatási határok (akár 10-8 M) érhetők el.
-Abszorpciós módszernél ha növeljük a megvilágító fényforrás intenzitását (I0), akkor nő a fényelnyelés, de ugyanolyan mértékben nő az áteresztés (Itr) is, így a kettő hányadosa (T=I0/Itr) nem változik, ezért ily módon nem
növelhető az érzékenység.
- Mivel kevés anyag fluoreszkál számottevő mértékben, ezért szelektívebb, mint az abszorpciós módszer.
- Hátránya, hogy nem robosztus, a fluoreszcencia mérések nagyon érzékenyek a pH-ra, hőmérsékletre, oldószerre, kioltó anyagok jelenlétére.