Φασµατοµετρία Μοριακής Φωταύγειας

Transcript

1 Φασµατοµετρία Μοριακής Φωταύγειας µοριακή φωταύγεια (molecular luminescence) τα µόρια του αναλύτη διεγείρονται και όταν αποδιεγείρονται, παρέχουν φάσµα εκποµπής ιέγερση µε απορρόφηση φωτονίων φωτοφωταύγεια (photoluminescence) µοριακός φθορισµός ηλεκτρονιακή ενεργειακή µετάπτωση χωρίς µεταβολή του ηλεκτρονιακού spin φωσφορισµός ηλεκτρονιακή ενεργειακή µετάπτωση µε µεταβολή του ηλεκτρονιακού spin

2 ιέγερση ως αποτέλεσµα χηµικής αντιδράσεως χηµειοφωταύγεια εκποµπή από διεγερµένο σωµατίδιο, που παράγεται κατά την πορεία µιας χηµικής αντίδρασης βιοφωταύγεια εκποµπή από διεγερµένο σωµατίδιο, που παράγεται κατά την πορεία µιας ενζυµικής αντίδρασης το διεγερµένο σωµατίδιο είναι προϊόν µιας αντίδρασης µεταξύ αναλύτη και κατάλληλου αντιδραστηρίου (συνήθως ενός ισχυρού οξειδωτικού µέσου π.χ. 3, H 2 2 ) Προκύπτει φάσµα εκποµπής του προϊόντος οξείδωσης του αναλύτη ή του αντιδραστηρίου και όχι του ίδιου του αναλύτη παρεµποδιστική επίδραση καταλυτική επίδραση

3 Απορρόφηση ακτινοβολίας Φθορισµοµετρία Μόρια άτοµα Εκποµπή ακτινοβολίας Μοριακή απορρόφηση ατοµική απορρόφηση Μοριακός φθορισµός ατοµικός φθορισµός Μοριακή εκποµπή ατοµική εκποµπή

4 ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑ φωταύγεια (luminescence) παραγωγή σωµατιδίου σε διεγερµένη κατάσταση µε απορρόφηση ακτινοβολίας χηµική αντίδραση Χηµειοφωταύγεια (chemiluminescence) φαινόµενο φωταύγειας, το οποίο λαµβάνει χώρα κατά τη διάρκεια ορισµένων χηµικών αντιδράσεων. Το διεγερµένο σωµατίδιο είναι ενδιάµεσο ή τελικό προϊόν της αντιδράσεως. Η 2 Ο 2 + acl 2 * + H 2 + acl 2 * Ο 2 + hν βιοφωταύγεια (bioluminescence) Η αντίδραση είναι ενζυµική ή λαµβάνει χώρα σε ζώντες οργανισµούς

5 hν h< hν h< hν h< x 1 x 10 x 100 Τεχνική Σκοτεινού Πεδίου Η χηµειοφωταύγεια εξελίσσεται συγχρόνως µε τη χηµική αντίδραση Η ισχύς της ακτινοβολίας είναι ανάλογη της συγκεντρώσεως H 2 H H H 2 + H H - C H 2 h v C - + Αέρια φάση Υγρή φάση διαλύµατα Στερεά φάση

6 Ενεργειακά διαγράµµατα S 0 : βασική ενεργειακή κατάσταση του µορίου S 1 : πρώτη ηλεκτρονιακή κατάσταση S 2 : δεύτερη ηλεκτρονιακή κατάσταση T 1 : πρώτη διεγερµένη τριπλή ηλεκτρονιακή κατάσταση ενεργειακό διάγραµµα φωτοφωταυγάζοντος συστήµατος * * (ΑΡΧΕΣ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ, D. Skoog, F. J. Holler, T. A. ieman, 5 η Εκδοση, Ελληνική Μετάφραση Καραγιάννη- Ευσταθίου-Χανιωτάκη, Εκδόσεις Κωσταράκη)

7 ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑ παράγεται όταν µια χηµική αντίδραση παράγει ένα ηλεκτρονιακά διεγερµένο σωµάτιο, το οποίο εκπέµπει φως κατά την επιστροφή του στη βασική κατάσταση ή όταν µεταφέρει την ενέργειά του σε ένα άλλο σωµάτιο, το οποίο παράγει εκποµπή φωτός Αντιδράσεις φωταύγειας συναντώνται σε µεγάλο αριθµό βιολογικών συστηµάτων, όπου το φαινόµενο καλείται βιοφωταύγεια (bioluminescence)

8 Μηχανισµοί και απόδοση χηµειοφωταύγειας Αµεσος µηχανισµός Το διεγερµένο σωµατίδιο παράγεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης χηµειοφωταύγειας Έµµεσος µηχανισµός Το διεγερµένο σωµατίδιο προϋπάρχει στο χώρο της αντίδρασης και διεγείρεται από την ενέργεια που απελευθερώνεται

9 Άµεσος µηχανισµός Α + Β [Γ]* [Γ]* Γ + hv [Γ]* Γ + θερµότητα [Γ]* : τελικό ή ενδιάµεσο προϊόν συντελεστής απόδοσης αντιδράσεως, Φ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ Φ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ = Αριθµός µορίων Α Συνολικός αριθµός ή Β που µορίων Α αντιδρούν ή Β συντελεστής απόδοσης διεγέρσεως, Φ ΙΕΓΕΡΣΗΣ Φ ΙΕΓΕΡΣΗΣ = Αριθµός σωµατιδίων Αριθµός µορίων Α [Γ]* ή που σχηµατίζονται Β που αντιδρούν συντελεστής απόδοσης εκποµπής, Φ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Φ ΕΚΠΟΜΠΗΣ = Αριθµός φωτονίων που εκπέµπονται Αριθµός σωµατιδίων [Γ]* που σχηµατίζονται ολική απόδοση Φ ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Φ = Φ Φ Φ ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ ΙΕΓΕΡΣΗΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Φ ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑ ΥΓΕΙΑΣ = Αριθµός Συνολικός φωτονίων αριθµός που εκπέµπονται µορίων Α ή Β

10 Έµµεσος µηχανισµός µεταφορά ενέργειας σε ένωση µε υψηλό συντελεστή εκποµπής αύξηση ολικής απόδοσης Α + Β [Γ]* [Γ]* + Ε Γ + [Ε]* [Ε]* Ε + hv Ε : ευαισθητοποιητής (sensitizer) ευαισθητοποίηση (sensitization) [Γ]* + Ε Γ + Ε + θερµότητα απόσβεση (quenching): µείωση της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας

11 συντελεστής απόδοσης µεταφοράς ενέργειας Φ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ = Αριθµός σωµατιδίων [Ε]* που Αριθµός σωµατιδίων σχηµατίζονται [Γ]* συντελεστής απόδοσης εκποµπής Φ ΕΚΠΟΜΠΗΣ = Αριθµός φωτονίων που εκπέµπονται Αριθµός σωµατιδίων [Ε]* που σχηµατίζονται Φ = Φ Φ Φ Φ ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ ΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Φ ΧΗΜΕΙΟΦΩΤΑ ΥΓΕΙΑΣ = Αριθµός Συνολικός φωτονίων αριθµός που εκπέµπονται µορίων Α ή Β Απόδοση αντιδράσεων χηµειοφωταύγεια : 0,01-0,20 (1-20%) βιοφωταύγεια : ως 1,0 (100%)

12 Παρατηρήσεις ορατή περιοχή ( nm): απαιτείται από την αντίδραση απελευθέρωση ενέργειας στην περιοχή των 70 ως 40 kcal mol απελευθέρωση αρκετής ενέργειας κατά τη διάρκεια µιας χηµικής αντίδρασης 2. ρυθµός µε τον οποίο απελευθερώνεται η ενέργεια αυτή σχάση ή δηµιουργία δεσµών: η ενέργεια αποβάλλεται αρκετά αργά και απορροφάται από µοριακές δονήσεις και συγκρούσεις δηµιουργία διεγερµένης κατάστασης: κάποια από τα στάδια της αντίδρασης πρέπει να απελευθερώνουν ενέργεια πολύ γρήγορα Τέτοιες αντιδράσεις είναι εκείνες οι οποίες περιλαµβάνουν διαδικασίες µεταφοράς ηλεκτρονίων χωρίς σχάση ή δηµιουργία δεσµών σχηµατισµός µικρών µορίων: ευνοεί το σχηµατισµό της διεγερµένης κατάστασης επειδή µειώνεται η πιθανότητα απώλειας της ενέργειας λόγω µηχανικών αποσβέσεων

13 Χηµειοφωταυγείς αντιδράσεις Αντιδράσεις που παράγουν φθορίζουσες ενώσεις H 2 H 2 C- H + 2 H H H 2 + hv H C- Χηµειοφωταυγής αντίδραση της λουµινόλης µε υπεροξείδιο του υδρογόνου

14 Παραγωγοποίηση CH 2 CH 3 H H 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 H H 2 H H (Α) (Β) H I I I I CH 2 CH C H 2 H (CH 2 ) 4 C 2 H 5 H H (Γ) Η ισολουµινόλη (Α), η υποκατεστηµένη µορφή της (ΑΒΕΙ, Β) και το προϊόν της ένωσης µε τη θυροξίνη (Γ)

15 H 3 C H 2 S H CH 2 + Cl - CH 3 H - - HCl Θειαµίνη Οξείδωση Fe(C) 6 3- H 3 C S Θειόχρωµα CH 3 H + hv Χηµειοφωταυγής οξείδωση θειαµίνης από σιδηρικυανιούχο κάλιο προς σχηµατισµό φθορίζοντος θειοχρώµατος β) Αντιδράσεις που παράγουν λουµινόλη ή παρόµοιες ενώσεις H CH 2 H H CH CH H 3 C Cu(Ac) 2 H 3 C H H Τετραϋδροαλδοστερόνη Γλυοξαλικό παράγωγο CH H 2 H H H 2 DPH: 4,5-διαµινοφθαλαϋδραζίνη H CH H H H 2 2 H CH hv H 3 C H 3 C H Χηµειοφωταυγές παράγωγο H

16 γ) Αντιδράσεις που παράγουν µικρά µόρια ή κετοενώσεις HCCH Ce(IV) + 2 H 2 + H Ce(III) + H + + CH 3 CH + hv H δ) Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις φθοριζουσών ενώσεων και αντιδράσεις χηµειοδιέγερσής τους H 2 2 H Φαινυλοφλουορόνη C H 2 2 / H A* + hv + A* A + (Φαινυλοφλουορόνη)* Φαινυλοφλουορόνη + hv ε) ιάφορες αντιδράσεις

17 Η αντίδραση οξαλικών εστέρων µε υπεροξείδιο του υδρογόνου Ar C C Ar + H 2 2 C C + 2ArH Οξαλικός αρυλεστέρας 1,2- ιοξετανο-διόνη (Ι) (I) + F F * + 2C 2 F + hν ( F = φθορισµοφόρο παράγωγο)

18 Το βιοφωταυγές σύστηµα της πυγολαµπίδας H S S Λουσιφερίνη H H 2 / ATP / Mg 2+ Λουσιφεράση H S S Οξυλουσιφερίνη + hv (Φ~90%) λ max =562 nm C 2 H S S H H H 2 H S S Λουσιφερίνη της πυγολαµπίδας και µηχανισµός της αντίδρασης βιοφωταύγειας σχάση του δεσµού Ο Ο απόσπαση ρίζα διοξειδίου του άνθρακα µετακίνηση ηλεκτρονίου στη φαινολική ρίζα φθορισµός χηµικώς απαρχόµενης µεταφοράς ηλεκτρονίων (chemical initiated electron exchange luminescence, CIEEL)

19 - S S - S S * hv C 2. S S. -. S S + C 2.- Σχηµατισµός διεγερµένου ανιόντος της οξυλουσιφερίνης στην πυγολαµπίδα µε µηχανισµό του φθορισµού εκ χηµικώς απαρχόµενης µεταφοράς ηλεκτρονίων (α) H S S Σκανδάλη Ενεργοποιητής και φθορισµοφόρο τµήµα Πηγή ενέργειας (β) X.. ED (α) Τα τρία σηµαντικά µοριακά συστατικά της λουσιφερίνης της πυγολαµπίδας που οδηγούν στην αποδοτική παραγωγή βιοφωταύγειας. (β) Υποθετικό χηµικό ισοδύναµο του παραπάνω συστήµατος (ED: δότης ηλεκτρονίων)

20 (α) E a < 20 Ασταθής (β) E a = 25,8 Σταθεροποιηµένη (γ) E a = 34,6 Σταθερή Σταθεροποίηση θερµικά ασταθών διοξετανών µε υποκατάστασή τους µε το αδαµαντάνιο (E a : ενέργεια ενεργοποιήσης σε kcal mol -1 ). Πηγή ενέργειας Me Σκανδάλη X Σταθεροποιητής Ενεργοποιητής και Φθορισµοφόρο Συνθετικό µόριο που εκπληρώνει τις απαιτήσεις ενός χηµικού ισοδύναµου της λουσιφερίνης της πυγολαµπίδας (Χ = υποκαταστάτης ο οποίος µπορεί να αποµακρυνθεί εύκολα, είτε χηµικά, είτε ενζυµατικά).

21 Χηµειοφωταυγείς αντιδράσεις αερίων Αντιδράσεις όζοντος Αντιδράσεις µε ακόρεστες, κορεσµένες αλειφατικές ή ακόρεστες κυκλικές οργανικές ενώσεις Αντιδράσεις µε µονοξείδιο του αζώτου Αντιδράσεις µε ενώσεις του θείου Αντιδράσεις µε νικέλιο Αντιδράσεις µε υδρίδια 2C 2 H CH hv (λ max = 440 nm) ΝΟ + Ο 3 ΝΟ * 2 + Ο 2 ΝΟ * 2 ΝΟ 2 + hv ( nm) αυξηµένη ευαισθησία µεγάλη απόδοση χηµειοφωταύγειας είναι πολύ µεγάλη κατασκευή φορητών διατάξεων (field analyzer) συνεχής προσδιορισµός ΝΟ (pptv) γραµµικότητα σε περιοχή έξι τάξεων µεγέθους εκλεκτικότητα : δεν παρεµποδίζεται από ΝΟ 2, C 2, H 3, S 2 και H 2 Προσδιορισµός 2 : θερµική µετατροπή σε σε ανοξείδωτο σωλήνα στους ο C Παρεµπόδιση από αµµωνία : διαβίβαση του δείγµατος από διάλυµα για κατακράτηση της αµµωνίας

22 Χηµειοφωταυγειόµετρα ένταση ακτινοβολίας I CL (φωτόνια εκπεµπόµενα στο δευτερόλεπτο) ταχύτητα της χηµικής αντίδρασης (dc/dt) κβαντική απόδοση της χηµειοφωταύγειας Φ CL (φωτόνια που εκπέµπονται ανά αντιδρών µόριο) Ι ΧΗΜΕΙΟΦ. = Φ ΧΗΜΕΙΟΦ. dγ dt Χρονική στιγµή ανάµειξης αντιδρώντων Ένταση ακτινοβολίας Χρόνος Ισχύς εκπεµπόµενης ακτινοβολίας ως συνάρτηση του χρόνου για µια αντίδραση χηµειοφωταύγειας

23 Στατικό χηµειοφωταυγειόµετρο ιάφραγµα Καταγραφέας Κυψελίδα µέτρησης PMT I/V Μαγνητικός αναδευτήρας H.V.

24 ιάφραγµα (α) Κυψελίδα µέτρησης Ανιχνευτή Σύστηµα επεξεργασίας και καταγραφής σήµατος (β) είγµα Αντιδραστήριο Αντλία Σπείραµα µέτρησης Ανιχνευτής Σύστηµα επεξεργασίας και καταγραφής σήµατος Φέρον (γ) Βαλβίδα Αντιδραστήριο Απόβλητα Αντλία

25 Ισχύς ακτινοβολίας (α) Χρόνος Φέρον υγρό Βαλβίδα εισαγωγή Έναρξη αντίδρασης χηµειοφωταύγειας Ροή (β) Αντιδραστήριο Κυψελίδα ροής Σήµα (γ) Χρόνος (α) Ισχύς χηµειοφωταύγειας ως συνάρτηση του χρόνου µετά την ανάµειξη των αντιδρώντων, την έναρξη της αντίδρασης και την είσοδο και έξοδο του χηµειοφωταυγούς διαλύµατος στην κυψελίδα ροής (β). (γ) Τυπικό καταγράφηµα που λαµβάνεται µετά τη διαδοχική εισαγωγή του ίδιου διαλύµατος στη συσκευή.

26 Σχηµατική διάταξη χηµειοφωταυγειοµέτρου αερίου-αερίου ιάλυτης Α ΑΠ Β Στήλη ιάλυµα TCP Α οχείο Ανάµειξης Α Κ ιάλυµα H 2 2 Α ΑΠ Απόβλητα ΡΜΤ Σχηµατική παράσταση διάταξης HPLC µε χηµειοφωταυγειοµετρικό ανιχνευτή. Α: αντλία, ΑΠ: αποσβεστήρας παλµών, Β: βαλβίδα, ΣΑ: σπείραµα αντίδρασης, Κ: καταγραφέας