Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

UV-VIS MOLEKULASPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK.. 1. Elektronok gerjesztési lehetőségei a molekulákban Molekulák létrejöttekor az atompályák kombinációjának.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "UV-VIS MOLEKULASPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK.. 1. Elektronok gerjesztési lehetőségei a molekulákban Molekulák létrejöttekor az atompályák kombinációjának."— Előadás másolata:

1 UV-VIS MOLEKULASPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK.

2 1. Elektronok gerjesztési lehetőségei a molekulákban Molekulák létrejöttekor az atompályák kombinációjának következtében a molekulapályák két sorozatához (kötő ill. lazító) jutunk. Ha a molekula elektromágneses sugárzást nyel el az alacsonyabb energiájú kötőpályán lévő elektron a magasabb energiájú lazítópályára gerjesztődik. 1. ábra. A formaldehid (H 2 C=O ) molekulapályái ill. elvileg lehetséges elektronátmenetei

3 1.1. 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 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), - n → σ * átmenet esetében egyes kötéssel kapcsolódik a molekulához (alkoholok, éterek, alkil/aril-halogenidek).  Az UV-VIS-spektrumok felvételének körülm

4 1.2. Kiválasztási szabályok Megszabják, hogy mikor megengedett vagy tiltott két molekulapálya között az elektronátmenet: -A különböző spin multiplicitású állapotok (szingulett → triplett) között az átmenet tiltott, azonosak között megengedett. -Elektronátmenet olyan pályára megengedett, melynek ugyanolyan szimmetriája van, mint az alapállapot szimmetriája és amelynek több csomósíkja van, mint az alapállapot elektronpályájának. -Ortogonális, azaz egymásra merőleges pályák közti átmenetek tiltottak (pl. C=O csoport n → π * átmenete). Tiltott elektronátmenethez tarozó sávok vagy meg sem jelennek a spektrumban vagy nagyon kis intenzitásúak ( ε értéke nagyon kicsi). Pl. a C=O csoport acetaldehidben (gőz állapotban): n → π * átmenet: λ max =298 nm ε= 12.5 dm 3 mol -1 cm -1 π → π * átmenet: λ max =182 nm ε= dm 3 mol -1 cm -1

5 2. ábra: A karbonil csoport (>C=O) molekulapályái és elelektronátmenetei

6 1.3. Az abszorpció hullámhosszát befolyásoló tényezők Az elektron gerjesztéséhez szükséges energiát (a gerjesztő foton hullámhosszát, vagyis az elnyelési sáv helyét a spektrumban ) a kémiai kötés erőssége határozza meg, amely ily módon jellemző a kötést létrehozó atomokra. Ez a minőségi analízis alapja. Kromofórok: az abszorpciót okozó atomcsoportok. Auxokróm csoportok: maguk nem abszorbeálnak, de a kromofórokkal kölcsönhatásba lépve (molekulapályák közötti konjugáció) megváltoztatják az abszorpciós sáv a. hullámhosszát: hullámhossz növekedése: batokróm eltolódás, hullámhossz csökkenése: hipszokróm eltolódás, b. intenzitását: abszorbancia növekedése: hiperkróm eltolódás, abszorbancia csökkenése: hipokróm eltolódás.

7 1.4. A molekulapályák közötti konjugáció A konjugáció elektroneltolódással járó effektus, amely π – π, n – π ill. σ - π pályák között jöhet létre: π – π konjugáció: a π pályák közötti kölcsönhatás eredményeképpen policentrikus molekulapályák jönnek létre, aminek következtében kis energiájú π – π* átmenetekre van lehetőség, így a konjugált rendszer a nagyobb hullámhosszakon abszorbeál. (batokróm hatás, lásd. 3. ábra). n – π konjugáció: kromofór és auxokróm csoport között létrejövő kölcsönhatás, amikor a heteroatom (pl. halogén ) magános elektronpárja delokalizálódik a π -rendszeren, aminek következménye szintén a nagyobb hullámhosszakon történő abszorpció (batokróm hatás, lásd 4. ábra). σ - π konjugáció (hiperkonjugáció): a σ kötés elektronpárja kölcsönhatásba lép a π renndszerrel, az abszorpció a magasabb hullámhosszak felé tolódik el (batokróm hatás, pl. metil-csoport kölcsönhatása az aromás π renszerrel a toluolban)

8 3. ábra. π – π konjugáció

9 4. ábra. n – π konjugáció

10 1.4. A molekulaspektrumok sávos jellege Atomok belső energiájának megváltozása: ΔE atom = ΔE elektron = hν Következmény: vonalas ( nm) spektrum. Molekulák belső energiájának megváltozása: ΔE molekula = ΔE elektron + ΔE rezgési + ΔE forgási = hν Vagyis: egy foton abszorpciója egyidejűleg okozhatja mindhárom állapot megváltozását! Következmény: sávos (10-50 nm) spektrum. ΔE elektron ~ 10·ΔE rezgési ~ 10· ΔE forgási

11 1. Ábra. Molekulák gerjesztési lehetőségei (az elektron-rezgési-forgási spektrum)

12 2. ábra. Kétatomos molekula potenciális energiája az atomtávolság fv.nyében - a potenciálgörbék minimumai közötti távolság az elektron gerjesztéséhez szükséges energia - gerjesztett állapotban nagyobb a magtávoság és kisebb a disszociációs energia, ezért a gerj. állapotok görbéi jobbra tolódnak el és laposabbak.

13 3. ábra. Az akridon sávos spektruma

14 2. Molekulaspektroszkópiai módszerek csoportosítása

15 2. Mennyiségi analízis 2.1. Lambert-Beer törvény: egy adott λ= áll. hullámhosszon, híg oldatokban: A = -lg T = ε·l·c T = I t /I 0 ahol A ( - )abszorbancia T ( -, vagy %)transzmittancia I t, I 0 az áteresztett (transzmittált) ill. a beeső fény intenzitása c (mol/dm 3 )koncentráció l (cm)optikai úthossz ε (dm 3 ·mol -1 ·cm- 1 )moláris abszorpciós koefficiens Egy adott vegyületnél minden abszorpciós csúcshoz más hullámhossz, ezért más ε tartozik, vagyis minden hullámhosszra más-más LB törvény írható fel!

16 3. 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 A i = A 1 + A 2 +…+A n = ε 1 ·l·c 1 + ε 2 ·l·c 2 +….+ ε n ·l·c n Kétkomponensű elegy összetételének meghatározása: Két olyan hullámhosszon (λ 1, λ 2 ) mérünk, ahol mindkét komponens elnyel: 1. Először meghatározzuk a tiszta komponensek moláris abszorpciós koefficienseit a két hullámhosszon (ε 11, ε 12, ε 11, ε 12 ), 2. Megmérjük az elegy abszorbanciáját a két hullámhosszon (A 1, A 2 ) 3. Megoldjuk a 2 db két ismeretlenes (c 1, c 2 )egyenletet: A 1 = = ε 11 ·l·c 1 + ε 12 ·l·c 2 A 2 = = ε 21 ·l·c 1 + ε 22 ·l·c 2

17 2. Mennyiségi analízis 2.2. Eltérések a Lambert-Beer-törénytől Tömény oldatokban (c > M) ε nem független a koncentrációtól, mivel az oldat törésmutatója a koncentráció növelésével nő M-nál nagyobb koncentrációk esetén: ε* = ε·n / (n 2 +2) 2 ahol n az oldat törésmutatója Híg oldatokban (c < M) Kémiai okokra visszavezethető eltérések A mérendő oldatban disszociáció, asszociáció, szolvatáció, komplexképződés játszódhat le, aminek következtében az abszorbeáló részecskék koncentrációja megváltozik. A jelenség felhasználható egyensúlyi állandó meghatározásához. Pl. így meghatározható indikátorok pK i értéke: az indikátorok két formája (nem disszociált molekula ill. anion) egymástól eltérő színű, mivel más-más szerkezetűek →más-más hullámhosszon abszorbeálnak.

18 Egyensúlyi állandó meghatározása Az indikátor (mint gyenge sav) disszociációs egyensúlya: HIn ↔ H + + In - Egy λ=áll. hullámhosszon, ahol mindkét forma elnyel valamilyen mértékben, három pH értéknél mérünk: 1.pH 1 = 0 (erősen savas közeg): itt az indikátor (gyenge sav) nem disszociál, csak HIn formában van jelen, melynek elnyelése: A HIn = ε HIn ·l·c Ebből ismert c konc. oldat esetén ε HIn meghatározható. 2. pH 2 = 14 (erősen lúgos közeg): itt az indikátor (gyenge sav) teljesen disszociál, csak In - formában van jelen, melynek elnyelése: A In = ε In ·l·c 3. pH 3 ~ pK i környékén: az indikátor részlegesen disszociál, mindkét forma jelen van, melyek elnyelése: A = A HIn + A In = ε HIn ·l·c HIn + ε In ·l·c In mivel: c = c HIn + c In, a két egyenletből c HIn és c In számítható. Az egyensúlyi állandó: K i = (H + ) · (In - ) / (HIn) = 10 -pH3 · c In / c HIn

19 Izobesztikus pont Ha a kémiai egyensúly mindkét partnere (pl. HIn és In - ) abszorbeálja a sugárzást, és található olyan λ 1, ahol ε HIn > ε In, valamint olyan λ 2, ahol ε HIn < ε In, akkor a görbék folytonossága miatt lennie kell legalább egy olyan hullámhossznak, ahol ε HIn = ε In, azaz a görbék metszik egymást. Ezt a metszéspontot izobesztikus pontnak nevezzük. Az izobesztikus pont hullámhosszán mérve meghatározható a vegyület összkoncentrációja.

20 Fizikai okokra visszavezethető eltérések -A besugárzó fény (I 0 ) nem szigorúan monokromatikus (Δλ szélességű) Keskeny éles csúcsok esetén ez jelentős hibát okozhat, ezért célszerű az elnyelési sáv maximumához tartozó hullámhosszon mérni. -A hőmérséklet hatása Alacsonyabb hőmérsékleten az abszorpciós sáv szélessége csökken ( a csúcs élesedik), mivel csökken a gerjesztett forgási és rezgési nívók betöltöttsége. A sávmaximum helye a kisebb hullámhosszak felé tolódik el. Az abszorbancia hőmérsékletfüggése %/C 0 -A mérés során változik a fényforrás intenzitása, vagy a jelfeldolgozó erősítése Melegszik a lámpa, ezért jobban emittál. A hiba kiküszöbölhető két fényutas készülék alkalmazásával. -Változik a detektor érzékenysége (az idő függvényében) Ezért jobban preferált a két sugárutas egy detektoros készülék.

21 3. 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).

22 4. ábra. Különböző folyadéktartó küvetták

23 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

24 5. ábra. Spektrofotométer típusok

25 6.a. ábra Kétsugárutas, egy detektoros spektrofotométer

26 6.b. ábra. Diódasoros spektrofotométer

27 4. Alkalmazások 4.1. Minőségi analízis: funkciós csoportok felismerése A módszer önállóan nem használható szerves vegyületek szerkezetének meghatározására (széles egymást átfedő sávokat tartalmazó spektrum →kevés információ), de más módszerekkel (IR, NMR, MS) együtt alkalmazva hasznos információkat szolgáltat Egyensúlyi állandók meghatározása: Kromofór csoportot tartalmazó gyenge savak, bázisok (pl. indikátorok) disszociációs állandóinak meghatározása Titrálási folyamatok végpontjelzése: Ha titrálandó vegyület, a reagens vagy a keletkező termék közül valamelyik abszorbeál a végpont fotometriásan jelezhető. Akkor is működik, ha az oldat színes vagy nincs indikátor, vagy az átcsapás rosszul észlelhető (lásd ábra) HPLC készülékek detektoraként diódasoros detektor → háromdimenziós spektrum 4.5. Fémionok mennyiségi meghatározása

28 7. ábra. Fotometriás titrálási görbék

29 4.5. Fémionok spektrofotometriás meghatározása A meghatározás alapja: A fémionok szerves ligandumokkal színes komplexeket képeznek. A legtöbb szervetlen fémvegyület színtelen, viszont a komplexképző ligandum hatására a fémionok ötszörösen degenerált d-atompályái felhasadnak és így létrejön egy, a látható fény fotonjával gerjeszthető d-d átmenet (lásd ábra). A komplexképzés szelektív, a keletkező komplex stabil és intenzíven abszorbeál (nagy abszorpciós koefficiens), így nagyon érzékeny módszerek ismertek, akár M koncentrációjú oldatok is mérhetők. A kationokhoz hasonlóan számos anion (klorid, nitrit, nitrát, foszfát) is meghatározható megfelelő szerves reagensekkel. Pl. Fe 2+ : 1-10-fenantrolin,pH = 4, λ = 510 nm Fe 3+ : NH 4 SCN,pH = 1, λ = 490 nm szulfoszalicilsav pH = 1-4, λ = 500 nm

30 8. ábra. Átmeneti fémek d-elektronpályáinak felhasadása a ligandum hatására

31 FLUORIMETRIÁS MÓDSZEREK.

32 1. Alapjelenségek, definíciók Lumineszcencia: Az anyag a különböző módon felvett gerjesztési energiát elektromágneses sugárzás formájában (foton kibocsájtásával) adja le. A lumineszcencia fajtái: -kemilumineszcencia: kémiai reakcióban gerjesztett állapotú molekula (termék, közti termék) keletkezik. Ha biokémiai (enzim katalizálta) reakcióban keletkezik: biolumineszcencia. -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.

33 1. ábra. Biolumineszcencia (szentjánosbogár)

34 2. Fluoreszcencia ill. foszforeszcencia létrejötte 1.fotonabszorpció: az elektron a gerjesztett állapot egy magasabb rezgési szintjére kerül 1.a. rezgési relaxáció: a molekula alacsonyabb rezgési szintre kerül 2. 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. 3. külső átalakulás (quenching, kioltás): fotonemisszió nélküli (pl. ütközéses) relaxáció 4. intercrossing system(belső átrendeződés): az elektron spinje átfordul, a molekula szingulett állapotból triplett állapotba kerül 4.a. rezgési relaxáció: a molekula alacsonyabb rezgési szintre kerül 5. foszforeszcencia: az elektron újabb spinátfordulás után fotonemisszióval az alapállapot valamelyik rezgési szintjére kerül. 6. külső átalakulás (quenching, kioltás): fotonemisszió nélküli (pl. ütközéses) relaxáció

35 2. ábra. Molekulák energialeadásának módjai

36 3. ábra. Különböző spinállapotok

37 2. Fluoreszcencia és a molekulaszerkezet 2.1. Mely molekulák fluoreszkálnak? -A delokalizált π-kötéseket tartalmazó aromás vegyületek, többszörösen konjugált kettős kötéseket tartalmazó vegyületek (pl. poliének) Milyen hatások befolyásolják a fluoreszcenciát? -Minél merevebb egy molekula, annál inkább hajlamos a fluoreszcenciára, mivel a merevség (és a nagy tömeg) csökkenti a rezgésre való hajlamot, így a gerjesztési energiát inkább kisugározza. -A molekulában a kromofórhoz kapcsolódó szubsztituensek befolyásolják a fluoreszcencia erősségét: - Az elektronküldő csoportok (-OH, -NH 2, -O-alkil, -N-alkil) növelik -Az elektronvonzó csoportok (-COOH, -NHCOCH 3 ) csökkentik, vagy teljesen kioltják (-NO, -NO 2, halogének). -Ha a szubsztituens savas vagy bázikus jellegű a flureszcencia pH-függő -A hőmérséklet csökkenti a fluoreszcenciát, mert az oldatban nő a molekulák kinetikus energiája (mozgékonysága), így az ütközéses kioltás valószínűsége. -Az erős van der Waals kölcsönhatásra képes oldószerek növelik az ütközéses kapcsolat idejét, így csökkentik a fluoreszcenciát.

38 4. ábra. A molekulaszerkezet hatása a fluoreszcenciára Fluorén: merev szerkezet ( a metil csoport miatt) nagy hajlandóság a fluoreszcenciára kvantumhatásfok (Φ k ) = 1 Bifenil: rugalmas szerkezet, a két fenil csoport külön-külön könnyen rezgésbe hozható, a molekula alig fluoreszkál kvantumhatásfok (Φ k ) = 0.2

39 5. ábra. Fluoreszkáló anyagok: 1. Aminosavak fluoreszcencia spektruma 2. Fluoreszcein molekula (festék, indikátor) 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

40 2.3. A fluoreszcenciaspektrum A fluoreszcencia spektrum tükörképe az abszorpciós spektrumnak, csak a fluoreszcencia spektrum sávjai a nagyobb hullámhosszak felé eltolódnak. 6. ábra. Akridon flureszcenciaspektruma

41 3. Mennyiségi analízis A fotolumineszcenciás (fluoreszcenciás, foszforeszcenciás) módszer mérési elrendezése és analitikai függvénye

42 4. A fluoreszcencia alkalmazásai 4.1. Az abszorpciós és fluoreszcens módszer összehasonlítása - A fluoreszcencia intenzitása (I F ) növelhető a megvilágító fényforrás intenzitásának (I 0 )növelésével, így nő a mérés érzékenysége, sokkal kisebb kimutatási határok (akár M) érhetők el. - 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 Gyakorlati alkalmazási lehetőségek -fluoreszkáló vegyületek mérése - nem fluoreszkáló de kémiai reakcióval (származékképzés) azzá tehető vegyületek meghatározása (kromatográfia, immunoassay) -nem fluoreszkáló, de a fluoreszcenciát kioltó anyagok meghatározása -alkalmazás HPLC detektorokként


Letölteni ppt "UV-VIS MOLEKULASPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK.. 1. Elektronok gerjesztési lehetőségei a molekulákban Molekulák létrejöttekor az atompályák kombinációjának."

Hasonló előadás


Google Hirdetések