Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού. (Ultra Violet Visible, UV-Vis)

Transcript

1 Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (Ultra Violet Visible, UV-Vis) Πέτρος Α. Ταραντίλης Χρήστος Παππάς

2 Που βασίζεται; Τα ηλεκτρόνια σθένους των στοιχείων διαφόρων μορίων, κατά την επίδραση UV-Vis Vis ακτινοβολίας, απορροφούν ενέργεια (E=hv) και διεγείρονται από τη βασική τους κατάσταση, σε μια αντιδεσμική κατάσταση υψηλότερης ενέργειας. σ* π* n αντιδεσμικά αδεσμικά E π σ δεσμικά

3 Το τμήμα του μορίου που είναι υπεύθυνο για την απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας καλείται χρωμοφόρο. Α π ο ρ ρ ό φ η σ η (Α) λmax Φάσμα απορρόφησης Μήκος κύματος (λ, nm)

4 Οργανολογία Τα φασματοφωτόμετρα περιέχουν τις εξής βασικές δομικές μονάδες :. Πηγή Ακτινοβολίας σταθερής ισχύος,. Επιλογέας μήκους κύματος για την απομόνωση της επιθυμητής ακτινοβολίας 3. Κυψελίδα για την τοποθέτηση δείγματος 4. Ανιχνευτή ακτινοβολίας, που μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό 5. Σύστημα μέτρησης, που αποτελείται από ενισχυτή σήματος και όργανο ανάγνωσης.

5 Οργανολογία Φωτόμετρο Κάθε όργανο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απορρόφησης της ακτινοβολίας σε συγκεκριμένο μήκος κύματος. Χρησιμοποιεί φίλτρο για την απομόνωση στενής περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Φασματοφωτόμετρο Πολυπλοκότερο και πιο ευέλικτο όργανο που χρησιμοποιείται για την καταγραφή ενός φάσματος απορρόφησης. Χρησιμοποιεί μονοχρωμάτορα για να γίνεται η απομόνωση της μονοχρωματικής δέσμης.

6 Οργανολογία Τα φασματοφωτόμετρα διακρίνονται σε: Απλής δέσμης ιπλής δέσμης

7 Παρουσίασης φάσματος λ max = 30 nm logε = 4, λ max = 7 nm logε =3 3, λ 3max = 8nm logε =,9 UV βενζοϊκού οξέος σε κυκλοεξάνιο

8 Εφαρμογές α) Προσδιορισμό δομής και ποιοτική ανάλυσης μιας ένωσης. β) Ποσοτική ανάλυση. γ) Κινητική μελέτη αντιδράσεων. δ) Προσδιορισμός σταθερών ισορροπίας. ε) Προσδιορισμός του τύπου ενός σύμπλοκου ιόντος και της σταθεράς αστάθειας του. στ) Φασματοφωτομετρικές ογκομετρήσεις.

9 Προσδιορισμό ρ της δομής μιας ένωσης Τα φάσματα UV-Vis δίνουν γενικές πληροφορίες για τη δομή μιας ένωσης Απορρόφηση λmax Ένταση απορρόφησης Παρουσία ορισμένης ομάδας 80 nm Ασθενής >C=O 50 nm Έντονη Βενζολικός δακτύλιος

10 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης α) οδιαλύτης, β) το ph, γ) οι χρωμοφόρες ομάδες, δ) οι αυξόχρωμες ομάδες, ε) η συζυγία, στ) ηστερεοχημεία. Υψοχρωμία Υπερχρωμία Υποχρωμία Βαθυχρωμία Βαθυχρωμία ή ερυθρή μετατόπιση: είναι η μετατόπιση του μεγίστου της απορρόφησης σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Υψοχρωμία ή μπλε μετατόπιση: είναι η μετατόπιση του μεγίστου της απορρόφησης σε μικρότερα μήκη κύματος. Υπερχρωμία: είναι η αύξηση της απορρόφησης. Υποχρωμία: είναι η μείωση της απορρόφησης.

11 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης α) ο διαλύτης, Πολικοί διαλύτες: Εξασθενίζουν τη λεπτή υφή του φάσματος Προκαλούν βαθυχρωμία Μη πολικοί διαλύτες: Λεπτή υφή φάσματος Προκαλούν υψοχρωμία Φάσμα UV της φαινόλης σε αιθανόλη και ισοοκτάνιο

12 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης β) Επίδραση του ph Φάσματα UV-Vis της φαινόλης σε συνάρτηση με το ph.

13 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης β) Επίδραση του ph MeOH+NaOH MeOH Φάσματα UV-Vis του γλυκοζίτη της καμφερόλης.

14 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης γ) Χρωμοφόρες ομάδες Ακόρεστα συστήματα (C=C, CCC C=O, C=N, N=O, N=N κ.ά.) Προκαλούν βαθυχρωμία. δ) Αυξόχρωμες ομάδες Κορεσμένες ομάδες με ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων (-CΗ 3, -ΟΗ, -ΟR, -NH, αλογόνα). Επιδρούν στην απορρόφηση της κύριας χρωμοφόρου ομάδας, Προκαλούν υπεχρωμία και βαθυχρωμία. Χλωροφύλλη α: Χ=CH 3 και β: Χ=CHΟ

15 Η σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος του ορατού φάσματος του φωτός που απορροφούν οι ενώσεις και στο χρώμα που παρατηρείται Όταν ένα αντικείμενο απορροφά εκλεκτικά ένα τμήμα της ορατής ακτινοβολίας, ( nm) εμείς βλέπουμε το τμήμα της ακτινοβολίας που δεν απορροφήθηκε, οπότε το αντικείμενο εμφανίζεται έγχρωμο. To χρώμα που παρατηρούμε oνομάζεταιμ ζ συμπληρωματικό μ χρώμα του χρώματος που απορροφήθηκε

16 Η σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος του ορατού φάσματος του φωτός που ύ ώ ώ ί απορροφούν οι ενώσεις και στο χρώμα που παρατηρείται Χλωροφύλλη α: Χ= CH 3 Χλωροφύλλη β: Χ=CHΟ

17 Η σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος του ορατού φάσματος του φωτός που απορροφούν οι ενώσεις και στο χρώμα που παρατηρείται Περιοχή φάσματος Χρώμα που παρατηρείται α Φυσικά προϊόντα λ max απορρόφησης nm Κίτρινο nm Πορτοκαλί β-καροτένιο (καρότο) 45 nm nm Κόκκινο Λυκοπένιο (τομάτα) 474 nm nm Ιώδες (μοβ) Κυανιδίνη (άνθη) 545 nm nm Βαθύ γαλάζιο (μπλε) nm Γαλάζιο nm Πράσινο α- χλωροφύλλη (πράσινα φύλλα) 40 & 680 nm

18 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης ε) Επίδραση της συζυγίας Η προσθήκη αρωματικών δακτυλίων (π.χ. βενζόλιο) σε συστήματα με έντονο συζυγιακό φαινόμενο, προκαλεί βαθυχρωμία Όταν αυξάνεται ο αριθμός των διπλών δεσμών στα πολυένια παρατηρείται βαθυχρωμία και ταυτόχρονα υπερχρωμία.

19 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης στ) Επίδραση της στερεοχημείας Προκαλεί έντονα φαινόμενα βαθυχρωμία-υπερχρωμία β-καροτένια all-trans 9-cis Φάσματα UV των ισομερών all-trans, 5-cis και 9-cis του β-καροτενίου. 5-cis

20 Παράγοντες που επιδρούν στην παρουσίαση των φασμάτων απορρόφησης Προσθετικοί κανόνες απορρόφησης διενίων και πολυενίων Χρωμοφόρο Κέντρο ιένιο 5 nm Κυκλοεξαδιένιο 60 nm Υποκατάσ τατης Επίδραση R- +5 nm RO- X- (Cl- ή Br-) RCO - +6 nm +0 nm 0 nm RS- +30 nm R N- +60 nm C=C C C 6 H nm +60 nm

21 Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Πηγή Μονοχρωμάτορας είγμα Ανιχνευτή Φωτό ς ς Ανιχνευτής Μονοχρωμάτορας b Ανιχνευτής Ανιχνευτής Νόμος των Lambert-Beer Α = log(po/p) = -logt = log(00/%t) = αbc g/l = εbc mol/l A = Aπορρόφηση (Absorbance). Καθαρός αριθμός. Po = Ισχύς της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. P = Ισχύς της εξερχόμενης από το διάλυμα ακτινοβολίας. Τ = ιαπερατότητα (Transmittance) = P/Po (% Τ). c = η συγκέντρωση του διαλύματος σε mol/l ή g/l. b = το μήκος της διαδρομής που διάνυσε η δέσμη μέσα στο διάλυμα σε cm. α = απορροφητικότητα (absorptivity) (c= g/l). ε = μοριακή απορροφητικότητα (molar absorptivity) (c= mol/l).

22 Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Ο νόμος του Beer ισχύει με τις εξής προϋποθέσεις: α) ο μόνος μηχανισμός αλληλεπίδρασης μεταξύ διαλυμένης ουσίας και ακτινοβολίας είναι η απορρόφηση. β) η ακτινοβολία που πέφτει στο δείγμα είναι μονοχρωματική. γ) το δείγμα βρίσκεται σε κυψελίδα με ομοιόμορφη διατομή. δ) τα σωματίδια που απορροφούν δρουν ξεχωριστά το ένα από το άλλο και άσχετα προς τον αριθμό και το είδος τους. Α ολ = Α +Α +...+Α+Α n

23 Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Ο νόμος του Beer δεν ισχύει για πυκνά διαλύματα (c>0,00 Μ), α) η απόσταση μεταξύ των διαλυμένων μορίων ή ιόντων γίνεται τόσο μικρή, ώστε κάθε ένα μόριο να επιδρά στο φορτίο των γειτονικών του και στην ικανότητα τους να απορροφούν σε ορισμένο μήκος κύματος β) το ε εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης του διαλύματος. Ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται στα πυκνά διαλύματα και δημιουργεί απόκλιση από το νόμο του Beer.

24 Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Ποσοτικός προσδιορισμός ενός διαλύματος με ένα συστατικό Φάσμα απορρόφησης Kαμπύλη αναφοράς Απορρόφ φηση Μήκος κύματος Απορρ ρόφηση λm max Συγκέντρωση Κλίση = εb

25 Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Ποσοτικός προσδιορισμό ενός διαλύματος με δύο συστατικά τα σωματίδια που απορροφούν δρουν ξεχωριστά το ένα από το άλλο και άσχετα προς τον αριθμό και το είδος τους. τον αριθμό και το είδος τους. Α ολ = Α +Α Μετράμε την απορρόφηση του αγνώστου διαλύματος με τα δύο συστατικά στα λ max και μ ς μ max λ max Α λ = c ε λ +c ε λ Α λ = c ε λ +c ε λ c c

26 Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Ποσοτικός προσδιορισμό ενός διαλύματος με ένα ή περισσότερα συστατικά με άγνωστο μοριακό βάρος A % cm = Ειδικός συντελεστής απορρόφηση ή ειδική απορρόφηση Ισούται με την απορρόφηση διαλύματος % (w/v) ουσίας σε κυψελίδα cm. Χρησιμοποιείται κυρίως όταν το μοριακό βάρος της ένωσης είναι άγνωστο ή όταν πρόκειται για μείγμα ουσιών.

27 R O O HO HO Αρχές και εφαρμογές ποσοτικής φασματοφωτομετρίας Ποσοτικός προσδιορισμός των ποιοτικών χαρακτηριστικών του κρόκου (Saffron) CH 3 CH 3 O ISO 363-:003(E) X CH OH O ''' Χρωστικές OH HO all-trans ''' O CH 5' 3' ' 9' O 0' 9' HO CH 3 CH 3 HO CH OH O OH OR HO '' '' OH ÒÔÍflÌÂÚ (CRCs) : ÎıÍÔÊıÎÂÛÙ ÒÂÚ ÙÁÚ ÙÁÚ ÍÒÔÍÂÙflÌÁÚ - ÒÔÍflÌÁ = R = R = -D- ÂÌÙÈÔ ÈÔÊıÎ ( ) - ÒÔÍflÌÁ = R = -D- ÂÌÙÈÔ ÈÔÊıÎ ( ), R = -D- ÎıÍÔÊıÎ ( ) - ÒÔÍflÌÁ = R = -D- ÂÌÙÈÔ ÈÔÊıÎ ( ), R = «ƒ- ÒÔÍflÌÁ = R = R = -D- ÎıÍÔÊıÎ ( ) -ÍÒÔÍflÌÁ = R = -D- ÎıÍÔÊıÎ ( ), R = «ÒÔÍÂÙflÌÁ (CRT) = R = R = H ƒèïâëıîíòôíâùflìá (DMCRT) = R = R = CH 3 H3 C CH 3 H CH3 3 C HO HO CH OH O OH O ÈÍÒÔÍÒÔÍflÌÁ CH 3 O Y ˆÒ Ì ÎÁ CH 3 O Χαρακτηριστικά Χρωστικές Χρωστική δύναμη E % cm στα 440 Κατηγορία Ι nm Κατηγορία ΙΙ Κατηγορία ΙΙI Συστατικό γεύσης Συστατικό αρώματος Saffron σε νήματα Απορρόφηση της πικροκροκίνης E % cm στα 57 nm Κατηγορία Ι 70 Κατηγορία ΙΙ 55 Κατηγορία ΙΙI 40 Απορρόφηση της σαφρανάλης E % cm στα 330 nm min. 0 max. 50

28 Φασματοφωτομετρία παραγώγων Σε αρκετές περιπτώσεις αντί μιας κανονικής κορυφής στο φάσμα απορρόφησης εμφανίζεται μια αλλαγή κλίσης, σημείο καμπύλης (shoulder) που είναι δύσκολο να αναγνωριστεί. Στις περιπτώσεις αυτές αντί του φάσματος απορρόφησης, λαμβάνεται η πρώτη ή η δεύτερη παράγωγος του φάσματος απορρόφησης, οπότε οι αλλαγές κλίσης καθίστανται προφανείς.

29 Φασματοφωτομετρία παραγώγων Χαρακτηριστικά των παραγώγων φασμάτων είναι ότι : α) τα ύψη των κορυφών είναι συνήθως ευθέως ανάλογα των συγκεντρώσεων και β) η ευαισθησία εξαρτάται από την ταχύτητα μεταβολής της μοριακής απορροφητικότητας μετά του μήκους κύματος (dε/dλ), παρά από την τιμή του ε. Έτσι είναι δυνατές πολύ ευαίσθητες αναλύσεις. Κύριο πλεονέκτημα της φασματοφωτομετρίας παραγώγων είναι η αυξημένη διαχωριστική ικανότητα που τη διακρίνει και η οποία κάνει δυνατή τη λήψη περισσοτέρων πληροφοριών για τη διευκρίνιση της δομής μιας ένωσης. Συνήθως προτιμώνται τα φάσματα δεύτερης παραγώγου, γ, γιατί χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη ευαισθησία έναντι των φασμάτων της πρώτης παραγώγου. Γίνεται έτσι δυνατός ο προσδιορισμός πολύ μικρών συγκεντρώσεων ουσιών σε μείγματα απορροφουσών ουσιών μεγάλων συγκεντρώσεων.

30 Ποιοτικός έλεγχος χρωστικών και ανίχνευση τυχόν νοθείας.5 4 nm 446 nm Φάσμα UV-Vis Vis Saffron 397 nm Abs Wavelength[nm] Max 397± nm 40± nm 445± nm nm 464 nm, η παράγωγος φάσματος UV-Vis Saffron 0 Min Max d A/dλ nm, 395± nm 406± nm 40 nm, 448 nm, Wavelength[nm] 4± nm 433± nm 447± nm 46± nm

31 0.5 Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Ποιοτικός έλεγχος χρωστικών και ανίχνευση τυχόν νοθείας nm Abs 0. 0 Λήψη των φασμάτων UV-Vis πρότυπων χρωστικών Φάσμα UV-Vis της χρωστικής Sunset yellow FCF Wavelength[nm] 7E-04 5E-04 0 d A/dλ -5E nm 390 nm 434 nm 456 nm 49 nm 477 nm 533 nm 50 nm -8E Wavelength[nm] Καταγραφή της δύ δεύτερης παραγώγου πρότυπων χρωστικών η παράγωγος του φάσματος UV-Vis της χρωστικής Sunset yellow FCF

32 Ποιοτικός έλεγχος χρωστικών και ανίχνευση τυχόν νοθείας Λήψη των φασμάτων UV-Vis πρότυπων χρωστικών Καταγραφή της δεύτερης παραγώγου πρότυπων χρωστικών Χρωστική max min Allura Red AC 570 ± nm 539 ± nm Amaranth 586 ± nm 563 ± nm Azorubine 584 ± nm 560 ± nm Carminic Acid 49 ± 3 nm 447 ± nm Naphthol Yellow 464 ± και 485 ± nm 440 ± nm Ponceau 4R 570 ± nm 54 ± nm Quinoline Yellow 457 ± 4 nm 44 ± nm Red G 585 ± nm 54 ± nm Sunset Yellow FCF 533 ± nm 50 ± nm Tartrazine 49 ± nm 475 ± nm

33 Ποιοτικός έλεγχος χρωστικών και ανίχνευση τυχόν νοθείας Λήψη των φασμάτων UV-Vis πρότυπων χρωστικών Καταγραφή της δεύτερης παραγώγου πρότυπων χρωστικών Λήψη του φάσματος UV-Vis αγνώστου δείγματος Καταγραφή της δεύτερης παραγώγου του αγνώστου δείγματος Χρωστική max min E-04 Allura Red AC 570 ± nm 539 ± nm Amaranth 586 ± nm 563 ± nm Azorubine 584 ± nm 560 ± nm E-04 d A/dλ 534 nm, Carminic Acid 49 ± 3 nm 447 ± nm Naphthol Yellow 464 ± και ± nm ± nm Ponceau 4R 570 ± nm 54 ± nm 0 Quinoline Yellow 457 ± 4 nm 44 ± nm Red G 585 ± nm 54 ± nm -5E nm, Sunset Yellow FCF 533 ± nm 50 ± nm Wavelength[nm] Tartrazine 49 ± nm 475 ± nm η παράγωγος φάσματος UV- Vis αγνώστου δείγματος

34 Εφαρμογές. Προσδιορισμό της δομής μιας ένωσης. Ποιοτικό προσδιορισμό ρ μιας ένωσης 3. Ποσοτική ανάλυση ενός συστατικού ένωσης ή μίγματος συστατικών 4. Προσδιορισμό της νοθείας κ.ά.