Műszeres analitika vegyipari területre 4. Optikai mérések elmélete 2.

Az IR spektrometria alapjai Az infravörös spektrometria látszatra teljesen hasonló, mint a látható és az UV, ugyanúgy lehet mérni áteresztett és visszavert fényt, a berendezés felépítése is lehet hasonló. Mégis több a különbség, mint a hasonlóság. Mik ezek? 1. A kölcsönhatást létrehozó folyamatok UV és VIS tarto-mányban elektron-átmenetek voltak, IR tartományban molekula rezgések és forgások. 2. A fényforrás többnyire nem W lámpa, hanem Globár-izzó. 3. A küvetta anyaga is más (pl. KBr az üveg helyett). 4. Monokromátor a korszerű készülékekben nincs, helyette interferométer és egy matematikai transzformáció. 5. A detektor is más, mint az UV-VIS tartományban, pl. PbS. 6. Az alkalmazási terület is eltérő.

Az IR spektrometria alapjai A vizsgálandó mintát az IR sugárzásnak tesszük ki, és a mintán áteső, vagy a mintáról visszaverődő, a minta mole-kuláris tulajdonságai által módosított sugárzást mérjük. Az IR teljes tartománya:  = 780 nm..1000 μm, hullám-szám 10 cm−1..12 500 cm−1, frekvencia 300 GHz..384 THz. Közeli infravörös (NIR - near infrared), hullámszám kb. 14000..4000 cm−1, ( = 1,4..0,8 μm felhangok vagy harmonikus rezgések (főként élelmiszeripar és agykutatás) Közép-infravörös (MIR - middle infrared) hullámszám kb. 4000..400 cm−1,  = 30..1,4 μm fundamentális rezgések és a kapcsolódó rotációs-vibrációs rezgések. Távoli infravörös (FIR - far infrared): hullámszám kb. 400..10 cm−1,  = 1000..30 μm rotáció.

A kölcsönhatást létrehozó folyamatok Rezgések Kötéshossz és kötésszög változás síkbeli szimmetrikus, aszimmetrikus síkra merőleges szimmetrikus, aszimmetrikus ollózó kaszáló Forgások: kisebb energiájúak, a rezgési energiákra „rakód-nak”, így lesz a spektrum látszatra folyamatos (ld. következő dia)

A rezgések és a rugómozgás harmonikus rezgés helyzeti energia (Hook törvény) nyúlás – rövidülés rugó: tetszőleges méret molekula: nem tetszőleges méret (kvantált, meg- határozott energia- szintek!) nem harmonikus rezgés helyzeti energia forgás

A készülék felépítése Az abszorpciós fotométerek szokásos felépítése: – fényforrás, – fényfelbontó, – minta/mintatartó, – detektor, – jelfeldolgozó, kijelző, regisztráló, adattároló és feldolgozó. A régi, diszperzív készülékek valóban ilyenek voltak. A mai, korszerű IR spektrométerek nem diszperzív rend-szerűek, a fényfelbontó egység helyett interferométer van bennük. Közvetlenül nem spektrumot, hanem interferogramot vesznek fel, ebből készül matematikai módszerrel (pl. Fourier-transzformációval) a spektrum.

A Michaelson interferométer Detektor Lencse Fényforrás Fix tükör Mozgó tükör Dx Sugárosztó (féligáteresztő tükör)

A minta A minta többféle módon elkészíthető, különböző anyagok esetén más-más lehet a célszerű. 1. „Hagyományos”: oldat küvettában (ld. következő oldal): – az oldószer és a küvetta IR-ben átlátszó legyen (A legjobb oldószer a CCl4 és a CS2) – rétegvastagság a küvettában legfeljebb 0,1 mm. 2. Szilárd „hígítás”, a szilárd anyagot összedörzsöljük IR-ben átlátszó szilárd anyaggal (pl. KBr-dal) és pasztillázzuk. 3. Vékony fóliát készítünk: – oldatból vagy olvadékból, – esetleg mechanikai úton (pl. nyújtás). 4. Gázok mérése gázküvettában (átvezetéses feltöltés). A fény úthossz 10..100 mm, tükrökkel növelhető.

A spektrum kiértékelése Minőségi A spektrumban az elnyelési maximumok helye (hullám-száma) hordozza az anyagra jellemző információt. Anyag azonosítása akkor lehetséges, ha – tiszta anyagot vizsgáltunk, – a spektrum megfelelően jó minőségű, – az azonosításhoz rendelkezésre áll megfelelő spektrum- könyvtár és egy alkalmas szoftver. Mennyiségi A spektrumból kiválasztott elnyelési maximumok értéke alkalmas lehet erre.

A spektrum minőségi kiértékelése Szerves anyagot vizsgált IR spektrum alapján. A következő spektrumról olvassa le a megjelölt csúcsok hullámszámait! A leolvasott (Absorbance %) értékekből számítson abszorban-ciákat! Töltse ki a következő táblázatot! x x x x x x x

A spektrum minőségi kiértékelése hullámszám, cm–1 abs % A Anorm 3350 2970 1460 1380 1310 950 820 90 95 75 86 1,000 1,301 0,602 0,854 0,769 1,000 0,463 0,656 Referencia spektrum alapján az anyag azonosítható.

Az IR spektrometria alkalmazási területei Minőségi Bűnügyi technika: pl. vérnyomok azonosítása (mikroszkópos, reflexiós technika). Környezetvédelem: műanyag palackok megkülönböztetése (pl. PET, PP, PE, egyéb), szelektálás. Mennyiségi Takarmányok elemzése: néhány alkalmas hullámhosszon végzett felvétel alkalmas kalibráció után gyors elemzéssel megmutatja a takarmány fő összetevőinek (fehérje, kemé-nyítő, zsiradék, nedvesség) mennyiségét (www.infracont.hu). Környezetvédelem: levegő összetétele (CO, CO2, NOx, SO2).

A belső standard használata Kis mintamennyiség (néhány mg) → kis pontosság ↓ pontatlan eredmény Mit lehet tenni? Belső standard: minden mintához és standardhez azonos arányban hozzáadunk egy másik anyagot (pl. CaCO3 mérésnél CaSO4·2H2O-t). Így a mérendő és a belső standard abszorbanciája ugyan függ a beméréstől, de a hányadosuk nem. Ezt az eljárást előnyösen lehet alkalmazni a kromatográfiá-ban is.

CaSO4 (belső standard) és CaCO3 keverékének spektruma Nagy eltérés a lineáristól (10, 30 és 50%)…

CaCO3 kalibráció (10, 30 és 50 %-os) A kalibrációs egyenes mégis szép, R>0,999

A fluoreszcens spektrometria alapjai A fluoreszcencia jelensége régen ismert: egyes anyagok az elnyelt fény egy részét kisebb energiájú (más színű) fény-ként visszasugározzák az elnyeléssel csaknem egyidejűleg (10–9..10–6 s-on belül). [A késleltetett fénykibocsátás (akár több s vagy min) a foszforeszcencia.] Az elnyelt fény egy része (általában kisebb hányada) hővé alakul, a többi fényként távozik. Ha az anyag UV fényt nyelt el és láthatóban sugároz, olyan, mintha világítana. Hétköznapjainkból is ismerősek ezek az anyagok: – ilyen a fénycső belső oldalán lévő fénypor, – a szövegkiemelésre használt tollak festékanyaga, – az optikai fehérítők (mosószerben). A fluoreszkáló anyagok érzékenyen és szelektíven mérhető-ek, hiszen a „szokásos” elnyelési hullámhossz-maximum mellett a kibocsátási hullámhossz-maximum is jellemző az anyagra (ld. ábra).

A kinin abszorpciós és emissziós spektruma hullámhossz (nm) hullámszám (cm–1 *10–3)

 A fluoreszcencia spektrométer vázlata Lámpa M1 monokromátor 1 K küvetta (mintatartó) D detektor (PMT) E+K erősítő és kijelző M1 I0 I K M2 D E + K

A fluorimetria használata mennyiségi mérésre A fluoreszcenciás fénysugárzás intenzitása arányos – a besugárzó fény intenzitásával, – az okozott abszorpcióval és – a koncentrációval. Egy adott emissziós hullámhosszon a kibocsátott fény intenzitása a következőképpen írható fel: I = k ⋅ I0 ⋅ ε ⋅ c, ahol c a minta koncentrációja, ε az elnyelés (besugárzás) hullámhosszán érvényes moláris abszorpciós koefficiens, I0 a besugárzó monokromatikus fény intenzitása, k pedig a küvettára és a műszerre jellemző állandók és a vizsgálandó vegyület ún. kvantumhasznosítását összegző arányossági tényező.

A kinin mérése A kinin, amit régóta hasz-nálnak a malária gyógy-szereként és üdítőitalok ízesítésére is (pl. tonik) fluoreszkáló anyag, tehát jól mérhető A kinin szerkezete Gyakorlati feladatként üdítőital kinin tartalmát határozzuk meg.

A standard addíció használata A standard addíció a „szokásos” kalibráció helyett használ-ható módszer: A mintához a mérendő anyagból ismert (mért) mennyiséget hozzáadunk, így tudjuk, mennyivel nő a koncentráció. Olyankor előnyös az alkalmazása, ha összetett, sokféle anyagot tartalmazó mintánk van. Kiértékelés konc., mg/ℓ A 5 10 c