SPECTROFOTOMETRIA DE ABSORBŢIE MOLECULARĂ ÎN UV - VIS PRIBCIPIUL METODEI Spectrofotometria de absorţie moleculară în UV – VIs se bazează pe absorbţia radiaţiilor de regulă între 180 – 800 nm de către speciile moleculare din probe lichide, solide sau gazoase. Proba lichidă se pune într-o cuvă şi asupra ei se trimite un fascicul primar emis de o sursă externă de spectru continuu. Fotonii întâlnesc în calea lor speciile absorbante moleculare, care absorb o parte din radiaţia incidentă. Puterea radiantă transmisă prin cuvă este măsurată cu ajutorul unui detector optic sensibil în domeniul UV – Vis.
Cuvă cu soluţie (probă) P0( λ )
Sursa
Pt( λ ) Detector
P0(λ ) – Puterea radiantă incidentă Pt (λ ) – Puterea radiantă transmisă
Bilanţul puterii radiante, dacă se neglijează puterea radiantă reflectată de pereţii cuvei, cea absorbită de pereţii cuvei şi cea dispersată prin soluţie este
P0 = Pa + Pt Puterea radiantă absorbită (Pa) şi cea transmisă (Pt) depind de
Lungimea de undă (λ )
Concentraţia speciilor absorbante
CONCLUZIE. Deoarece Pa şi Pt depind de lungimea de undă şi concentraţie, prin spectrometria de absorbţie moleculară se pot face analize calitative şi cantitative
MĂRIMILE OPTICE. TRANSMITANŢA ŞI ABSORBANŢA Interacţiunea radiaţiei în absorbţia moleculară se caracterizează prin două mărimi optice: Transmitanţa (T) sau transmitanţa procentuală (T%) şi Absorbanţa (A)
MĂRIMI OPTICE TRANSMITANŢA (T)
ABSORBANŢA (A)
Gradul de transmisie a radiaţiei prin probă la o anumită lungime de undă
Pt T= P0
Pt T% = × 100 P0
Gradul de absorbţie a radiaţie prin probă la o anumită lungime de undă
A = − log T
A = 2 − log T%
DOMENIILE DE VARIAŢIE ALE TRANSMITANŢEI ŞI ABSORBANŢEI Pt = 0
P t = P0
T Є 0
1
T% Є 0
100
A Є ∞
0
Scala de transmitanţă este liniară iar cea de absorbanţă este logaritmică. Pe scala unui spectrofotometru pot fi citite absorbanţe între 0 – 2. Absorbanţele mai mari decât 2 sunt asimilate cu infinit.
LEGEA LAMBERT-BEER LEGEA ABSORBŢIEI MOLECULARE Legea lui Lambert – Beer descrie relaţia de legătură dintre absorbanţă, grasimea stratului absorbant de probă (grosimea cuvei) şi concentraţia speciilor absorbante
A = ε × b× c
A = a× b× c
A – absorbanţa fără unitate de măsură b – grosimea stratului absorbant (grosimea cuvei , în cm) ε - absorbtivitatea molară, în l mol-1 cm-1 a – absorbtivitatea, în l g-1 cm-1 c – concentraţia speciilor absorbante în mo l-1 (pentru ε ) sau g l-1 (pentru a) Absorbanţa creşte liniar cu concentraţia speciilor absorbante şi grosimea cuvei. Dacă grosimea cuvei este constantă atunci absorbanţa depinde liniar numai de concentraţie.
ABSORBTIVITATEA MOLARĂ (ε )
A 1 −1 −1 ε= = = l × mol × cm −1 b × c cm × mol× l Dacă b = 1 cm şi concentraţia speciilor absorbante c = 1 mol l-1 , rezultă
A=ε Absorbtivitatea molară (ε ) este absorbanţa unui strat de soluţie cu grosimea de 1 cm şi concentraţia speciilor absorbante de 1 mol l-1 Cu cât ε este mai mare cu atât substanţa absoarbe mai bine radiaţia optică.
CARACTERISTICILE ABSORBTIVITĂŢII MOLARE CARACTERITICILE ABSORBTIVITĂŢII MOLARE (ε ) ESTE O MĂRIME CALITATIVĂ NU DEPINDE DE CONCENTRAŢIA SPECIEI ABSORBANTE DEPINDE DE NATURA SPECIEI ABSORBANTE DEPINDE DE LUNGIMEA DE UNDĂ
RELAŢIILE DE LEGĂTURĂ DINTRE ABSORBANŢĂ ŞI TRANSMITANŢĂ
A = − log T A = 2 − log T% Pt −A −εbc T = = 10 = 10 P0 Pt = P0 ×10
−εbc
Intre absorbanţă şi transmitanţă există o relaţie logaritmică Absorbanţa concentraţia
creşte
liniar
cu
Transmitanţa scade exponenţial cu concentraţia Puterea radiantă transmisă scade exponeneţial cu concentraţia
In metodele prin absorbţie spectrometrul măsoară transmitanţa, iar absorbanţa este calculată pe baza relaţiei logaritmice de dependenţă între ele
SPECTRUL DE ABSORBŢIE ŞI DREAPTA DE CALIBRARE IN ABSORBŢIE 0.8 0.5
0.2 0.1 0
Co(H2O)62+ Cr(H2O)63+
380 430 480 530 580 630 680 730 780
120
Transmitanţa
100 80 60 40
Co(H2O)62+ Cr(H2O)63+
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Lungimea de undă / nm
Spectre de absorbţie A = f(λ ) şi transmisie T = (λ )
0.4 0.2 0 0
2
4
6
8 10 12 14
2
4
6
8 10 12 14
120 100 80 60 40 20 0
Transmitanţa
Absorbanţa
0.3
Absorbanţa
0.6
0.4
0
Concentraţie Cr3+ / mg l-1
Dreapta de calibare in absorbţie, A = (c) şi T = (c)
CONDIŢIILE DE VALABILITATE A LEGII LUI LAMBERT - BEER •
Radiaţia incidentă trebuie să fie perfect monocromatică şi conţine raze paralele, şi să cadă perpendicular şi uniform distribuite pe suprafaţa mediului absorbant
•
Reflexia şi absorbţia radiaţiilor de către pereţii cuvei să fie neglijabile
•
Puterea radiantă incidentă să nu fie suficient de mare pentru a duce la efecte de saturaţie a absorbţiei şi astfel la limitarea semnalului detectorului optic
•
Mediul absorbant să fie suficient de diluat, astfel încât speciile absorbante (moleculele) să interacţioneze independent unele faţă de altele cu fotonii. Prezenţa moleculelor solventului să nu influenţeze interacţiunea foton-specie absorbantă şi absorbţia solventului să fie neglijabilă.
•
Mediul absorbant să fie omogen şi să nu aibă loc o dispersie a luminii la trecerea prin acesta
•
Grosimea mediului absorbant să fie uniformă pe toată suprafaţa transversală a cuvei (lungimea drumului optic al radiaţiei prin mediul absorbant să fie egal pe toată suprafaţa transversală a mediului absorbant)
ABATERI POZITIVE ŞI NEGATIVE DE LA LEGEA LUI LAMBERT - BEER Abateri pozitive
(+) (-) Abateri negative
Absorbanţ
(+) (-) Concentraţie
TIPURI DE ABATERI ABATERI POZITIVE Absorbanţa măsurată este mai mare decât cea teoretică în conformitate cu legea lui Lambert- Beer ABATERI NEGATIVE Absorbanţa măsurată este mai mică decât cea teoretică în conformitate cu legea lui Lambert- Beer
Abaterile pozitive şi negative de la legea lui Lambert- Beer apar în soluţii diluate sau concentrate. Există un domeniu dinamic al curbei de etalonare, pe care există o relaţie liniară între absorbanţă şi concentraţie. Abaterile duc la erori sistematice pozitive şi negative.
ORIGINEA SPECTRELOR DE ABSORBŢIE MOLECULARĂ IN UV VIS Moleculele au trei nivele energetice cuantificate
ELECTRONICE
Ee
VIBRAŢIONALE
Ev
ROTAŢIONALE
Er
Creşte energia
NIVELE ENERGETICE CUANTIFICATE PENTRU MOLECULE
Pentru fiecare nivel electronic molecula are mai multe nivele energetice vibraţionale şi pentru fiecare nivel vibraţional mai multe nivele rotaţionale.
MIŞCAREA DE VIBRAŢIE ŞI ROTAŢIE A MOLECULELOR MIŞCĂRI DE VIBRAŢIE
MIŞCĂRI DE ROTAŢIE
α
Alungire
+ -
+ -
Forfecare
+ -
+
Vibraţie în plan şi în planuri diferite Prin mişcarea de vibraţie se modifică lungimea legăturilor şi unghiul dintre legături
Prin mişcarea de rotaţie se schimbă frecvenţa de rotaţie a moleculelor în jurul centrelor de greutate
ENERGIA MOLECULEI. TRANZIŢII ENERGETICE Energia totală a molecule este suma energiei electronice, vibraţionale şi rotaţionale
Et = E e + E v + E r
Et = hν e + hν v (v + 1) + hcBJ( J + 1) ν
e
– frecvenţa radiaţiei optice care provoacă tranziţia energetică electronică
ν
v
– frecvenţa radiaţiei optice care provoacă tranziţia energetică vibraţională
v – numărul cunatic vibraţional (v = 0, 1, 2, 3,......n) J – numărul cunatic rotaţional (J = 0, 1, 2, 3,.......n) B – constanta
TRANZIŢII ENERGETICE ALE MOLECULEI LA ABSORBŢIA UNEI RADFIAŢII UV VIS REGULI DE SELECŢIE
3 2 1 v=0
E1
Abs. radiaţie
Emisie căldură
∆ n=± 1
3 2 1 v=0
La absorbţia unei radiaţii UV Vis nu există nici o regulă de selecţie. Astfel sunt posibile orice tranziţii energetice ∆ v = 0, ± 1, ± 2, ± 3, etc
E0
∆ J = 0, ± 1, ± 2, ± 3, etc
La absorbţia unei radiaţii UV Vis molecula suferă o tranziţie energetică electronică de pe nivelul fundamental (E0) pe cel excitat (E1). Tranziţia electronică a moleculei este însoţită de mai multe tranziţii energetice vibraţionale şi rotaţionale. In spectrul de bandă a moleculei sunt grupate mai multe linii spectrale. Banda moleculară are un caracter hiperfin. Conform principiului Frank – Condon tranziţia de vibraţie pentru care este aceeaşi distanţă interatomică pe cele două nivele are loc cu probabilitate maximă. Astfel benzile moleculare de absorbţie UV Vis sunt asimetrice spre lungimi de undă mari.Spectrele moleculare de absorbţie UV Vis sunt spetre electronice – vibraţionale.
FORMA SPECTRELOR DE ABSORBŢIE MOLECULARĂ UV VIS Benzen vapori
Benzen lichid
Spectrul de absorbţie moleculară în domeniul UV pentru benzen în stare de vapori şi în stare lichidă. Caracterul hiperfin al benzilor moleculare din UV Vis pot fi observate numai pentru probele în stare gazoasă sau de vapori (exemplu benzen), deoarece în această stare vibraţia şi rotaţia moleculeor absorbante este liberă. Pentru probe în stare lichidă (exemplu benzen) caracterul hiperfin nu mai poate fi observat, deoarec vibraţia şi rotaţia moleculeor de benzen nu este liberă.
INSTRUMENTAŢIA IN SPECTROMETRIA DE ABSORBŢIE MOLECULARĂ UV - VIS Schema bloc pentru spectrometria de absorbţie moleculară
SURSĂ PRIMARĂ DE RADIAŢIE
DISPOZITIV IZOLARE BANDĂ SPECTALĂ ŞI SELECTARE LUNGIME DE UNDĂ
CUVA CU PROBĂ
DETECTOR OPTIC UV VIS
PROBA
AMPLIFICATOR
MĂSURĂ ŞI AFIŞAJ
Semnal optic
Semnal electric
ELEMENTELE COMPONENTE ALE SPECTROMETRELOR UTILIZATE ÎN UV VIS
• Sursa primară de radiaţie • Dispozitivul de monocromare a radiaţiei şi selectare lungime de undă (monocromatoare sau policromatoare) • Detectorul optic • Sistemul de condiţionare a semnalului (amplificatorul) • Sistemul de citire şi afişare rezultat
SURSELE PRIMARE DE RADIAŢIE UTILIZATE ÎN UV VIS SURSE PRIMARE DE RADIAŢIE DE SPECTRU CONTINUU
Se utilizaeză în absorbţia moleculară, fosforescenţa moleculară, absorbţia atomică
DE SPECTRU DE LINII
Se utilizează în absorbţia atomică şi fluorescenţa atomică
Aceaşi sursă poate să emită atât un spectru continuu cît şi un spectru de linii
APARARENŢA SPECTRULUI CONTINUU ŞI DE LINII SPECTRUL CONTINUU SPECTRUL DE LINII
SPECTRUL CONTINUU Este format din linii spectrale foarte apropiate între ele încât nu pot fi separate SPECTRUL DE LINII Spectrul de linii conţine radiaţii discrete cu lungime de undă bine definită care port fi separate între ele.
SURSE DE SPECTRU CONTINUU UTILIZATE ÎN UV VIS SURSE DE SPECTRU CONTINUU UTILIZATE ÎN UV VIS CU CORP INCANDESCENT
BECUL CU FILAMENT DE WOLFRAM
LAMPA CU HALOGEN
CU DESCĂRCĂRI ELECTRICE ÎN GAZE
LAMPA DE DEUTERIU
LAMPA DE XENON
BECUL CU FILAMENT DE WOLFRAM ŞI LAMPA CU HALOGEN Se utilizează ca surse de spectru continuu în absorbţia moleculară în domeniul vizibil. Au în construcţia lor un filament de W adus la incedescenţă (2000 – 3500 K) închis într-un corp de sticlă sau cuarţ. Becul cu filament de W emite un spectru continuu în domeniul vizizib IR (400 – 1400 nm) Lampa cu halogen emite un spectru continuu în domeniul UV – VIS, şi are în interiorul o cantitate mică de iod care reduce sublimarea W de pe filament.
W(s) W(g) + I2(g) WI2(g)
W(g) WI2(g) W(s) + I2(g)
Forma spectrului continuu emis de becul cu filament de W
Becul cu filament de W
Intensitatea spectrului continuu creşte cu temperatura filamentului Lampa cu halogen
LUNGIMEA DE UNDĂ / nm
Lampa de deuteriu Funcţionarea se bazează pe o descărcare electrică între doi electrozi de W imersaţi într-o atmosferă gazoasă de deuteriu sau hidrogen. Spectrul este: unul continuu în domeniul UV emis de moleculele de deuteriu (180 – 380 nm Unul de linii în domeniul vizibil emis de atomii excitaţi de hidrogen sau deuteriu (liniile hidrogenului din seria Balmer) Spectrul lămpii de deuteriu este mai intens UTILIZAREA LĂMPII DE DEUTERIU ca sursă de spectru continuu în absorbţia moleculară UV – VIS ca sursă de spectru continuu în corecţia de fond în absorbţia atomică UV - VIS
SPECTRUL DE EMISIE AL LĂMPII DE DEUTERIU
SPECTRU CONTINUU 180 – 380 nm
SPECTRU DE LINII
Lungimea de undă / nm
SPECTRUL DE EMISIE A LĂMPII DE XENON
Lungimea de undă / nm Lampa de Xe emite un spectru continuu foarte intens în domeniul UV VIS (200 – 1000 nm), pecte care se suprapune spectrul de linii al Xe. Lampa de Xe se utilizează ca sursă primară în spectrometria de absorbţie în cazul spectrometrelor simultane precum şi în fluorescenţă atomică
IMAGINI CU LAMPA DE DEUTERIU ŞI DE XENON
LAMPA DE DEUTERIU
LAMPA DE XENON
DISPOZITIVE DE IZOLARE BANDĂ SPECTRALĂ DE TRECERE. MONOCROMATOARE. POLICROMATOARE
ROLUL DISPOZITIVELOR. Sursele primare de radiaţie sau proba emit de regulă un spectru policromatic, format din radiaţii cu mai multe lungimi de undă. Determinările spectrale se efectuează de regulî în radiaţie monocromatică (radiaţie cu o singură lungime de undă. Dispozitivele de izolare bandă spectrală de trecere au două roluri: De a dispersa radiaţia policromatică provenită de la sursă în funcţie de lungimea de undă De a izolara benzi spectrale de trecere înguste pe ca se consideră că radiaţia este monocromatică. Cu alte cuvinte de a selecta radiaţii cu anumite lungimi de undă din spectrul policromatic.
BENZILE SPECTRALE DE TRECERE IZOLATE. SELECTARE LUNGIMI DE UNDĂ
Semnal
Benzi spectrale de trecere izolate Radiaţie considerată monocromnatică
λ1
λ2
λ3
λ4
Lungimea de undă / nm λi– lungimi de undă selectate din spectrul sursei de radiaţie Nu se poate izola din spectru o radiaţie perfect monocromatică. Pe banda spectrală de trecere se consideră ca radiaţia este monocromatică.
MONOCROMATOR ŞI POLICROMATOR DISPOZITIVE SELECTARE λ MONOCROMATOR
POLICROMATOR
Selectează odată o singură lungime de undă (o singură bandă spectrală de trecere) din spectru Selectează simultan mai multe lungimi de undă (mai multe benzi spectrale de trecere) din spectru
ELEMENTE COMPONENTE ŞI SCHEMA OPTICĂ A UNUI DISPOZITIV DE DISPERSIE ŞI SELECTARE LUNGIME DE UNDĂ Lentilă
Fantă de intrare Colimator Reţea
SURSA DE RADIAŢIE
Focalizator
Plan focal
Fantă de ieşire
λ1
λ1 λ2 λ3
Monocromator O singură fantă de ieşire Reţeaua se roteşte pt select λ
Policromator Mai multe fante de ieşire Reţea fixă
ELEMENTELE COMPONENTE MONOCROMATOR / POLICROMATOR ELEMENTE COMPONENTE FANTA DE INTRARE COLIMATOR ELEMENT DE DISPERSIE FOCALIZATOR FANTA/FANTE DE IEŞIRE
ROLUL COMPONENTELOR MONOCROMATORULUI / POLICROMATORULUI FANTA DE INTRARE. Este o deschidere îngustă de 20 – 50 µ m prin care pătreunde radiaţia de la sursă, sau prin care se vizualizează sursa spectrală. COLIMATORUL. Colectează radiaţia pătrunsă în monocromator şi o proiectează asupra dispozitivului de dispersie sub forma unui fascicul de raze paralele. Este o lentilă sau oglindă. DISPOZITIVUL DE DISPERSIE. Realizează dispersia radiaţiei în funcţie de lungimea de undăîn planul focal în puncte diferite pentru diferite lungimi de undă. FOCALIZATORUL. Este o lentilă sau oglindă care focalizează radiaţia pentru o anumită lungime de undă asupra fantei de ieşire. Focalizatorul realizează de fapt refacerea imaginii sursei spectrale pentru diferite lungimi de undă în planul focal al monocromatorului / policromatorului.
ROLUL COMPONENTELOR MONOCROMATORULUI / POLICROMATORULUI FANTA DE IEŞIRE. Este o deschidere îngustă prin care se izolează o bendă spectrală de trecere care conţine lungimea de undă a radiaţiei monocromatice pentru analiză. Rezoluţia spectrală (capacitatea de separare a liniilor spectrale) depinde de lărgimea fantei de ieşire. Fanta îngustă asigură o rezoluţia mai bună.
Separarea liniei dublet cu o fantă îngustă
Interferenţa liniilor din dublet cu o fantă largă
Rezoluţie mare
Rezoluţie mică
TIPURI DE MONOCROMATOARE MONOCROMATOARE PRISMĂ
Utilizează ca element dispersiv a spectrului o prismă din sticlă sau cuarţ
REŢEA
Utilizează o reţa ca element dispersiv. Reţeaua este o suprafaţă striată cu un număr de 1200 – 2400 linii / mm.
MONOCROMATORUL CU REŢEA Reţeua este o suprafaţă striată (1200 – 2400 linii/mm). Funcţionarea reţelei se bazează pe dispersia radiaţiei incidente de către suprafaţa striată şi pefenomenul de interferenţă constructivă între radiaţiile reflectate de către suprafaţa striaţiunilor. α – unghiul de incidenţă
θ α
Θ – unghiul de reflexie C
θ
α A
d
d – distnaţa dintre striaţiuni
D
B
d
Diferenţa de drum optic între raze se calulează cu relaţia, unde m este ordinul de interferenţă m = 0,1, 2, 3....
δ = AC + BD = d (sin α ± d sin θ ) = mλ
CARACTERISTICILE SPECTRALE ALE MONOCROMATORULUI CU REŢEA
Monocromatorul cu reţea are putere de dispersie mai mare decât cel cu prismă Scala lungimii de undă este liniară Monocromatorul cu reţea acoperă domeniul spectral UV VIS între 190 – 800 nm. Pentru domeniul spectral 120 – 180 nm, monocromatorul trebuie vidat şi umplut cu argon sau azot. Radiaţuiile din acest domeniu sunt absorbite de aer.
MONOCROMATORUL CZERNY TURNER Axa optică Normala α Colimator
Focalizator Fanta de ieşire
Fanta de intrare
Detector λDetector optic λ optic
1
λ
2
Sursa de radiaţie
Reţea
3
In montajul optic Czerny Turner, reţeua este montată simetric faţă de colimator şi focalizator. Selectarea lungimii de undă se realizează prin rotirea reţelei, câd se modifică unghiul de incidenţă şi sunt focalizate diferite radiaţii asupra fantei de ieşire. Inregistrarea spectrului se realizează prin baleiaj.
DETECTOARE OPTICE UTILIZATE IN UV VIZIBIL ROLUL DETECTOARELOR Sunt dispozitive optoelectronice care realizează transformarea semnalului optic ănre-un semnal electric. Semnalul electric este direct proporţional cu cel optic.
S = S0 + k × P
S = S0
daca
P=0
Unde S – semnalul electric S0 – semnlul curentului de întuneric (zgomotul detectorului) generat de detector în absenţa semnalului optic. Cu cât semnalul de întuneric este mai mic cu atât detectorul este mai sensibil.
TIPURI DE DETECTOARE IN UV VIS DETECTOARE OPTICE IN UV VIS FOTOELECTRONICE
FOTOCELULA
FOTOMULTIPLICATORUL
FOTOCONDUCTIVE
FOTELEMENTUL CU SELENIU
ARIA DE FOTODIODE
DETECTORUL CU TRANSFER DE SARCINĂ
PRINCIPII DE FUNCŢIONARE A DETECTOARELOR OPTICE UV VIS
DETECTOARELE FOTOELECTRONICE Funcţionarea fotoelectric.
se
bazează
pe
efectul
Au în construcţia lor electrozi pe suprafaţa cărora este depus un material care pune uşor în libertate electroni sub acţiunea radiaţiilor UV Vizibil, generând un semnal electric ca urmare a deplasării electronilor generaţi între electrozi sub acţiunea unei tensiuni aplicate între electrozi.
FOTOMULTIPLICATORUL CONSTRUCŢIE
3001000 V
Anod
Radiaţie optică
Dinodă
Electroni
Catod
Fotomultiplicatorul are trei electrozi 1. Un catod 2. Un anod 3. Mai multe dinode. ROLUL ELECTROZILOR 1. Catodul pune în libertate electroni primari sub acţiunea fotonilor 2. Dionodele au rol de transportare a lectronilor pănă la nod şi rol de amplificare internă a semnalului prin generarea a 2 – 5 electroni secundari pentru fiecare electron care atinge suprafaţa sa 3. Anodul are rol de colectare a electronilor
CARACTERISTICILE FOTOMULTIPLICATORULUI 1. Semnalul fotomultiplicatorului depinde de mărimea semnalului optic şi tensiunea aplicată pe fotomultiplicator. La semnale optice mici se aplică o tensiune mai mare, respectiv invers. Dacă se menţine tensiunea constantă semnalul electric depinde liniar de semnalul optic. 2. Fotmultiplicatirul are cea mai mare sensibilitate dintre detectoarele optice utilizate în UV - VIS. Aceasta se datorează amplificării interne mari (numarul electronilor care ajung la anod este cu 8 – 9 ordine de mărime mai mare decât al electronilor primari generaţi de catod. 3. Fotmultiplicatorul acoperă domeniul UV – VIS între 190 – 900 nm 4. Se interzice ca fotomultiplicatorul să fie sub tensiune şi pe suprafaţa catodului să cadă lumina zilei.
APLICAŢII CANTITATIVE ALE ABSORBŢIEI MOLECULARE UV VIS. DETERMINAREA CONCNTRAŢIEI. Spectrofotometria de absorbţie moleculară UV – Vis se aplică atât la analiza substanţelor incolore cât şi la cele colorate. Se pot analiza atât substnaţe organice cât şi anorganice. Substanţele organice care sunt incolore prezintă spectre de absorbţie foarte intense în domeniul UV al spectrului (200 – 400 nm). Substanţele organice şi anorganice colorate absorb în domeniul Vizibil al spectrului (400 – 800 nm). Absorbţia moleculară Uv - Vis se aplică adesea la determinarea cationilor metalici în soluţii apoase. In cazul în care cationii nu sunt coloraţi, se aplică o reacţie de derivatizare prin chelatizare cu un ligand ca reactiv de culoare. In urma reacţiei rezultă un complex numit specie absorbantă mult mai intens colorată comparativ cu cationul original, denumit specie de determinat.
REACŢII DE DERIVATIZARE
Me + mL → [ MeLm ] n+
Specie de determinat
−
Reactiv de culoare
+ ( n− m )
Specie absorbantă
Ex: determinarea ionilor Fe3+ cu acid sulfosalicilic în mediu acid sau bazic 3-
Fe
3+
+3
HO3S
COOH OH
HO3S
CO O
Fe 3
Compexul Fe3+ cu acidul sulfosalicilioc este galben în mediu bazic şi roşu în mediu acid. Reacţiile de derivatizare sunt totale şi astfel în calcule se utilizează concentraţia speciei de determinat (Fe3+ ) şi nu concentraţia speciei absorbante. Prin reacţia de derivatizare creşte sensibilitatea metodei (creşte ε ).
ABSORBŢIA RADIAŢIILOR VIZIBILE DE CĂTRE SUBSTANŢELE COLORATE. Substanţele colorate absorb culoarea lor complementară. Culorile complementare sunt cele două culori care prin amestecare dau culoartea albă. Domeniul nm
spectral
/Culoarea
Culoarea complimentară
625 – 750
Roşu
Verde-albastru
590 – 625
Oranj
Albastru-violet
575 – 590
Galben
Albastru
560 – 575
Verde-galben
Violet
500 – 560
Verde
Purpuriu
490 – 500
Albastru
Roşu
480 – 490
Verde-albastru
Oranj
450 – 480
Albastru-verde
Galben
400 – 450
Violet
Galben-verde
METODE DE DETERMINARE A CONCENTRAŢIEI
1.METODA DREPTEI DE ETALONARE 2.METODA STANDARDULUI DE ADIŢIE
METODA DREPTEI DE ETALONARE ETAPE 1. Se prepară proba analitică din materialul de analizat care conţine analitul în concentraţie necunoscută 2. Se prepară etaloanele care conţin enalitul în cunoscută. Etaloanele se prepară dintr-o soluţie stoc.
concentraţie
3. Se prepară proba martor care nu conţine analitul, dar conţine reactivii de derivatizare utilizaţi la prepararea ealoanelor şi probei necunoscute. 4. Se trasează spectrul de absorbţie A = f(λ ) prin măsurarea absorbanţei unui etalon faţă de martor la diferite lungimi de undă. Se determină lungimea optimă de analiză corespunzătoare maximului de absorbţie. 5. Se măsoară absorbanţa etaloanelor la lungimea optimă de analiză, faţă de martor. 6. Se trasează dreapta de etalonare A = f(c) 7. Se măsoară absorbanţa probei analitice concentraţia speciei analitice prin interpolare.
şi
se
determină
ALEGEREA LUNGIMII OPTIME DE ANALIZĂ ÎN ABSORBŢIA MOLECULARĂ
Absorbanţă
ε
Se maxi
m
λ
lucrează pe maximul de absorbţie din următoarele considerente
1. Metoda are sensibilitatea maximă (panta dreptei de etalonare este maxiumă)
opti
Lungimea de m undă / nm Spectrul de absorbţie moleculară. Absorbanţa în funcţie de λ
2. Dreapta de etalonare are cea mai bună liniritate (nu prezintă abateri semnificative de la legea lui Lambert – Beer. 3. Se pot determina precis concentraţii mai mici de analit.
DREAPTA DE ETALONARE IN ABSORBŢIA MOLECULARĂ
Absorbanţă
Dreapta de etalonare în absorbţia moleculară este reprezentarea grafică a absorbanţei faţă de concnetraţia etaloanelor. Dreapta de etalonare se trasează la lungimea optimă de analiză.
Absorbanţă probă
Ax
Concentraţie probă
cx Concentratie
Panta dreptei de etalonare este tgα = ε b Cu cât absorbtivitatea molară (ε ) este mai mare cu atât dreapta are o pantă mai mare, metoda este mai sensibilă şi pot fi determinate concentraţii mai mici.
INFLUENŢA DESCHIDERII FANTEI ŞI A LUNGIMII DE UNDĂ SELECTATE ASUPRA ABATERILOR
ε
C B
A
A
B C
Absorbanţă
D
D
Absorbtivitate m
λ Lungimea λ m de undă / nm
Concentraţie
1. Situaţia A. Dacă se lucrează pe maximul peakului (la λ m) şi fanta este infinitezimală se obţine liniaritate prefectă a curbei de etalonare 2. Situaţia B. Se lucrează pe maximul absorbţiei şi ∆ λ ef este 1/10 din semilărgimea benzii de absorbţie, abaterile de la liniaritate sunt neglijabile 3. Situaţia C. Se lucrează pe maximul absorbţiei dar fanta este largă apar abateri negative în soluţii concentrate. 4. Situaţia D. Se lucrează la alată lungime decât maximul de absorbţie. Panta dreptei scade semnificativ şi abaterile de la liniaritate sunt cele mai mari.
CURBA ERORILOR ÎN ABSORBŢIA MOLECULARĂ Curba erorilor în absorţia moleculară este reprezentarea grafică a incertitudinii relative a concentraţiei (σc/c) în fujncţie de absorbanţă sau transmitanţă. Curba erorilor permite alegerea domeniului optim al absorbanţei, pentru care incertitudinea concentraţiei este este mică. Forma curbei erorilor depinde de tipul zgomotului preponderent care afectează măsurarea transmitanţei sau absorbanţei, precum şi de performanţele spectrometrului.
CURBA ERORILOR PENTRU SPECTROFOTOMETRE DE SLABĂ ŞI INALTĂ PERFORMANŢĂ. DOMENIUL OPTIM AL ABSORBANŢEI CURBA A. 5
σ T = k1
Curba erorilor vpentru un sepctrofotometru de slabă performanţă. Incertitudinea este dată aparatul de măsură . Domeniul optim al absorbanţie este 0.2 – 0.8. Eroarea minimă este la A = 0.434.
4 3 2 1 0
σ T = k1
Eroare rel. Conc. ( % 0
0 .5
1
1 .5
2
CURBA B şi C.
2 .5
3
E A
D
B Absorbanţă
C
σ T = k 2T 1/ 2 σ T = k3T
Curba erorilor pentru un spectrometru de înaltă performanţă. Incertitudinea este datorată detectorului, fluctuaţiei sursei şi transmisiei luminii prin cuvă. Domeniul optim al abasorbanţei este mai larg 0.2 – 2 sau 0.2 – 3. CURBA D şi E. Curbe acare includ 2 sau 3 surse de incertitudini.
DETERMINAREA SUBSTANŢELOR IN AMESTEC PRIN ABSORBŢIA MOLECULARĂ PRINCIPIU: Determinarea substanţelor în amestec se bazează pe aditivitatea legii liu Lambert – Beer la o anumită lungime de undă pentru un amestec de substanţe. La o anumită lungime de undă, absorbanţa totală este suma absorbanţelor compuşilor din amestec. n
n
At = ∑i Ai = ∑i ε iλ × b × ci Unde Ai – absorbanţa componentului (i) la lungimea de undă (λ ) ε i – absorbtivitatea molară a componentului (i) la lungimea de undă (λ )
Pentru un mestec binar, legea lui Lambert – Beer este:
At = A1 + A2 = ε × b × c1 + ε × b × c2 λ 1
λ 2
Din această ecuaţie nu puten calcula concentraţiile c1 şi c2 din amestec. Pentru a determina concentraţiile din amestecul binar trebuie să se cunoască absorbanţa amestecului la două lungimi de undă (λ 1 şi λ 2)
At 1 = ε1 bc 1 + ε2 bc 2 λ λ At 2 = ε1 bc 1 + ε2 bc 2 λ
λ
1
1
2
2
Pentru λ
1
Pentru λ
2
Dacă se cunosc absorbanţele amestecului la cele două lungimi de undă şi coeficienţii sistemului se pot calcula concentraţiile celor două componente.
Etapele analizei următoarele:
amestecurilor
de
substanţe
1. Determinarea lungimilor optime de analiză λ
1
şi λ
2. Determinarea coeficienţilor sistemului de ecauţii ε
sunt
2 λ i
3. Determinarea absorbanţei amestecului la cele două lungimi de undă şi rezolvarea sistemului Condiţiile care se impun la determinarea a amestecurilor de substanţe: 1. Substanţele să nu reacţioneze între ele 2. Substanţele să nu prezinte interferenţe spectrale 3. Substanţele să aibă absotbtivităţi molare diferite, pentru ca determinantul sistemului (∆ ) să fie diferit de zero. ∆ ≠ 0
DETERMINAREA LUNGIMILOR OPTIME DE ANALIZĂ A AMESTECURILOR Pentru aceasta se prepară un etalon din fiecare compus şi se trasează spectrul de absorbţie A = f(λ ). Din spectrul de absorbţie se determină lungimile optime de analiză λ λ 2, coerspunzătoare maximelor de absorbţie pentru cei doi compuşi.
1
şi
Absorbanţa
Se aleg lungimile optime corespunzătoare maximelor, deoarece la aceste lungimi de undă dreptele de etalonare au panta maximă, respectiv abaterile de la liniaritate sunt neglijabile. Implict metoda are sensibilitate şi precizie foarte bune. Compus I
λ
1
Compus II
λ
2
Lungimea de undă / nm
DETERMINAREA COEFICIENŢILOR SISTEMULUI Se prepară etaloane din fiecare compus Se măsoară absorbanţele etaloanelor la cele două lungimi de undă Se trasează drptele de etalonare A = f(c) pentru fiecare compus la cele două lungimi de undă şi se calculează panta dreptelor, care sunt egale cu coeficienţii sistemului.
ε 1λ 1b
Comp. II
ε 2λ 1b Concentratie
λ
1
Comp. II Absorbanţă
Absorbanţă
Comp. I
ε 2λ 2b
Comp. II
ε 1λ 2b Concentratie
λ
2
