Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK BEVEZETŐ. Analitikai spektroszkópiai módszerek Az analitikai spektroszkópiai módszerek a minta és az elektromágneses sugárzás.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK BEVEZETŐ. Analitikai spektroszkópiai módszerek Az analitikai spektroszkópiai módszerek a minta és az elektromágneses sugárzás."— Előadás másolata:

1 SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK BEVEZETŐ

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. 1. Az elektromágneses sugárzás Kettős természetű: hullám ill. részecske (foton) természet Hullám: 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. Lineárisan polarizált (anizotróp) fénynél az oszcilláció egyetlen irányban történik.

3 1. ábra. Az elektromágneses sugárzás: a terjedés irányára merőlegesen osszcillá l

4 2. ábra. Fénysugár polarizáltsága

5 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 (ν, 1/cm): az hosszúságegységre eső hullámok száma (1/λ). A frekvencia független az anyagi közegtől, viszont a hullámhossz közeghatár átlépésekor változik! Összefüggések:c = · n = c 0 /c ahol:c (m/s) a sugárzás (fény) sebessége c 0 (m/s) a sugárzás (fény) sebessége vákuumban (s -1 ) a sugárzás frekvenciája (m) a sugárzás hullámhossza n törésmutató (a vákuumra vonatkoztatva) és c 0 ~ 3x 10 8 m/s = km/s

6 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 / ahol:E (Joule)a foton energiája h = · J · sPlanck-állandó (s -1 )a sugárzás frekvenciája (m) a sugárzás hullámhossza c (m/s)a hullám terjedési sebessége

7 Monokromatikus sugárzás (egyszínű fény) : Egy meghatározott hullámhosszúságú fény. A gyakorlatban monokromatikus sugárzásként egy nagyon kis hullámhossz-tartományt (Δλ) értünk. Szigorúan monokromatikus fény nem valósítható meg, mert a Heisenberg- féle határozatlansági reláció szerint egy stacionárius állapotú rendszer energiáját csak ΔE határozatlansággal lehet meghatározni és ez természetes vonalszélességet (Δλ) okoz. A fény és az anyag közti kölcsönhatás eredménye lehet: reflexió (visszaverődés), refrakció (fénytörés), optikai forgatás, fényszórás, abszorpció (fényelnyelés), emisszió (fénykibocsátás), lumineszcencia :foto- (fluoreszcencia, foszforeszcencia ) kemi- bio -

8 1. táblázat A spektroszkópiai módszerek csoportosítása (atomspektroszkópiai módszerek A, molekulaspektroszkópiai módszerek M) Hullámhossz-tartománySpektroszkópiai módszerFolyamat gamma 0,5-10 pm Mössbauer v. gamma- fluoreszcens sp. Mmagátmenetek röntgen 0,01-10 nm X-ray röntgen-emissziós röntgen-abszorpciós röntgen-fluoreszcenciás elektronmikroszondás módszerek Abelső elektron-átmenetek távoli (vákuum) ultraibolya nm ultraibolya nm látható nm közeli infravörös nm FUV UV VIS NIR atomabszorpciós atomemissziós atomfluoreszcenciás módszerek molekulaabszorpciós molekulaemissziós lumineszcenciás módszerek AMAM külső elektron-átmenetek elektron- átmenetek rezgési és forgási átmenetek infravörös 1-30 mm IRinfravörös sp.M rezgési és forgási átmenetek távoli infravörös mm FIRtávoli infravörös sp.Mforgási átmenetek mikrohullámok 0,3 mm-1 m mikrohullámú sp. elektronspin- rezonancia sp. MMMM forgási átmenetek elektronspin átm. Rádióhullámok m mágneses magrezonancia sp. M magspin átmenetek

9 3. ábra Az optikai spektroszkópia fontosabb alapjelenségei a. emissziób. abszorpció, transzmisszió fotolumineszcencia minta

10 2. Minőségi analízis A minőségi analízis alapja: Az atomok ill. molekulák csak bizonyos, rájuk jellemző hullámhossz- tartományban mutatnak elnyelést (abszorpció) ill. kibocsátást (emisszió). Az elnyelt ill. kibocsátott 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 ábrázolt analitikai jel (intenzitás vagy abszorbancia). Azaz a spektroszkópiai információ tömör megjelenítése.

11 2.1. A spektrumok fajtái A spektrum jellege szerint lehet : - vonalas (atomspektroszkópia, jel félértékszélessége: 0,005–0,03 nm) - sávos (UV-VIS-spektroszkópia, 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- emissziós spektruma) A spektrum keletkezése alapján lehet : - emissziós (Intenzitás-hullámhossz függvény) - abszorpciós (Abszorbancia (transzmittancia)-hullámhossz függvény) - fluoreszcens (Flureszcencia intenzitás-hullámhossz függvény)

12 4. ábra. Spektrumok (színképek) típusai

13 3. Mennyiségi analízis 3.1. Az atomemissziós és a kemilumineszcenciás módszer mérési elrendezése és mennyiségi analitikai függvényei minta, elemző sugárforrás I e, I lm fényfelbontás fényintenzitás mérés

14 3. Mennyiségi analízis 3.2. Az atomabszorpciós módszerek mérési elrendezése és analitikai függvénye

15 3. Mennyiségi analízis 3.3. A molekulaabszorpciós módszerek mérési elrendezése és analitikai függvénye

16 3. Mennyiségi analízis 3.4. A fotolumineszcenciás (fluoreszcenciás, foszforeszcenciás) módszer mérési elrendezése és analitikai függvénye

17 3. Mennyiségi analízis 3.5. A turbidimetriás módszer mérési elrendezése és analitikai függvénye

18 3. Mennyiségi analízis 3.6. A nefelometriás módszer mérési elrendezése és analitikai függvénye

19 4. Az optikai spektrométerek felépítése Az optikai spektrométerek általában tartalmaznak: - fényforrást, - hullámhossz kiválasztó egységet, - mintateret (és referenciateret) - mintatartó - detektort - jelfeldolgozó egységet Fényforrások - nem folytonos sugárzású (vájtkatódú lámpa, lézerek) - folytonos sugárzású (izzók, kisülési lámpák)

20 5. ábra. Vájtkatódú lámpa (atomabszorpciós spektroszkópiában)

21 Folytonos sugárzású fényforrások molekulaspektroszkópiában (UV-VIS, IR, fluorimertria) használjuk

22 -Wolfram izzó -A W szálat o K-re melegítve a 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: λ max ·T ( o K) = áll. --Halogén lámpa: ha lámpa búrájába halogén elemet (jód) töltünk a lámpa élettartama jelentősen növelhető (WI 2 keletkezése, majd bomlása és a szál rekombinációja), továbbá, mivel magasabb hőmérsékleten üzemeltethető a sugárzás intenzitása is nő. -Deutérium (hidrogén) lámpa - kisülési lámpa: a folytonos sugárzást ( nm) a lámpában lévő kisnyomású D 2 molekula Ar-ívfény (plazma) hatására történő gerjesztődése és a gerjesztett molekula atomizációja közben keletkező UV fotonok adják: Ar → Ar + + e - ; D 2 + e - → D 2 * → D 1 + D 2 + UV foton A folyamat energiamérlege: E elektron = E gerjesztés = E D1,kin. + E D2,kin. + h·ν foton

23 6. ábra. A deutérium lámpa felépítése W: anód Ni: katód

24 7. ábra. Spektrofotométerek fényforrásai UV: deutérium lámpa VIS: wolfram izzó IR: Nernst izzó (Zr-oxid-Yttrium-oxid)

25 8. ábra. Különböző hétköznapi fényforrások spektruma

26 4.2. A hullámhossz kiválasztása Színszűrők(egyetlen hullámhossz kiválasztására alkalmasak) optikai szűrők:színes üvegből, színes zselatinból készülnek, a nem kívánt hullámhosszakat elnyelik (Δλ = nm) interferenciaszűrők:működésük az interferáló fénysugarak fáziskülönbsége okozta kioltáson alapszik (Δλ = 5-20 nm) 9. ábra. Összetett optikai üvegszűrő működési elve

27 Az interferenciaszűrők működési elve: Két félig áteresztő lemez (a belső felületük vékony ezüstfilmmel bevonva) között átlátszó dielektrikum (CaF 2, SiO 2 ) van, a lemezek félig áteresztik félig visszaverik a beeső sugárzást. Az áthaladó ill. a visszaverődő sugárzás interferál: ha azonos fázisban vannak erősítik, ha ellentétes fázisban vannak gyengítik vagy kioltják egymást. Az erősítés feltétele: 2·d·n = k·λ ( Bragg-egy. )

28 Monokromátorok, polikromátorok -Be- és kilépő réseket, tükröket, lencséket és fényfelbontó elemeket tartalmaznak. A fényfelbontó elemek alapján prizmás ill. rácsos monokromátorokat különböztetünk meg. -A fényfelbontó elemek jellemzése: -diszperzió (D = dn/d λ) -felbontóképesség (R = λ/Δλ = b· D) -spektrális tartomány ahol λ (nm) a felbontott vonal hullámhossza, Δλ (nm) a két szomszédos, még egymástól megkülönböztethető hullámhossz különbsége, n törésmutató (prizmánál) b (mm)bázis (alap) hossz (prizmánál) Polikromátor: egy belépő- és több kilépő rés, így szimultán több hullámhossz detektálható!

29 10. ábra. A prizma működési elve A törésmutató (n) változása a hullámhosszal (λ) nem lineáris ill. vannak olyan tartományok, ahol a prizma anyaga is elnyel (anomális diszperzió), itt a prizma nem használható. Egy prizma felbontása (R) egy hullámhossztartományban annál jobb, minél nagyobb a diszperziója (D) és a bázishossza (b).

30 11. ábra. Reflexiós optikai rács működési elve

31 11. ábra. Síkrácsos monokromátor (Ebert rendszerű) felépítése

32 Polikromátor (Paschen-runge elrendezésű) felépítése

33 Detektorok A detektor feladata: a fényintenzitás 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 )

34 11. 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

35 12. ábra. A fotoelektron sokszorozó működési elve - A fotokatódba ütköző fotonok elektronokat szabadítanak ki a katódból (ionizálják) - A kiszabaduló elektronok a katóddal azonos anyagból készült de annál 100 V-al nagyobb feszültségre kapcsolt dinóda felé repülnek, miközben az elektromos térben gyorsulnak (kinetikus energiájuk nő) és a dinódába becsapódva, onnan 4-5 elektront ütnek ki. - A folyamat a következő dinódákon sorra megismétlődik, így az anódon kilépő elektronok száma (az elektromos áram) szerese az első dinódán keletkezőének

36 A fotodióda működési elve (belső fényelektromos hatás) - A p-rétegben (pozitív réteg) elektronhiány (lyuk), az n-rétegben (negatív réteg) elektronfelesleg van, míg a középső, záró réteg (tiszta félvezető, pl. Si) töltésmentes - Ha p-réteget az áramkör negatív, az n-réteget a pozitív sarkára kötjük (záró irányú kapcsolás) a diódán nem folyik áram - Fény (a becsapódó fotonok energiájának ) hatására a záró rétegben szabad elektron- lyuk párok keletkeznek, melyek a megfelelő elektróda felé vándorolva zárják az áramkört, melyben így a fotonok számával arányos elektromos áram mérhető.

37 A CCD felépítése és működési elve 1. A MOS tárolóegység ( a CCD alapeleme) Metal (fém): elektróda Oxid: szigetelő réteg Semiconductor (félvezető):töltések forrása és tárolása Működése:- az elektródára + 10 V feszültséget kapcsolnak, - megvilágítás hatására a p-rétegben elektron-lyuk párok keletkeznek, - az elektronok a szigetelőnél gyűlnek össze, míg a lyukak az n-rétegbe vándorolnak és ott rekombinálódnak.

38 2. A CCD működése CCD = Charge Coupled Device (töltés csatolt eszköz) A CCD érzékelő MOS pixelekből épül fel, melyekből az információt (a tárolt elektronokat) a töltéscsatolás segítségével olvassák ki: az elektródákra adott feszültséget változtatva a fotonok hatására keletkezett töltéscsomagok léptethetők (kiolvashatók). Az ábrán egy három fázisú töltéscsatolás működési elve ill. feszültség-idő programja látható.

39 13. ábra. CCD detektor felépítése

40 14. ábra. Különböző fényérzékelők hatásfoka


Letölteni ppt "SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK BEVEZETŐ. Analitikai spektroszkópiai módszerek Az analitikai spektroszkópiai módszerek a minta és az elektromágneses sugárzás."

Hasonló előadás


Google Hirdetések