QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ (UVVIS)

Các phương pháp phổ được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóahọc, quá trình phản ứng, ứng dụng trong kiểm nghiệm môi trường, trắc quan, kiểmnghiệm dược phẩm…Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của cácbức xạ điện từ đối với các phân tử vật chất. Khi tương tác với các bức xạ điện từ,các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ khác nhau. Kết quả của sựhấp thụ và phát xạ năng lượng này chính là phổ, từ phổ chúng ta có thể xác địnhngược lại cấu trúc phân tử.

QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ (UV-VIS)

- Trình bày các phương pháp định lượng bằng phổ UV-VIS

- Nêu được các thành phần cấu tạo chính máy quang phổ UV-VIS

- Ứng dụng của phổ UV-VIS: Đọc phổ

Các phương pháp phổ được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóa học, quá trình phản ứng, ứng dụng trong kiểm nghiệm môi trường, trắc quan, kiểm nghiệm dược phẩm…Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của các bức xạ điện từ đối với các phân tử vật chất Khi tương tác với các bức xạ điện từ, các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ khác nhau Kết quả của sự hấp thụ và phát xạ năng lượng này chính là phổ, từ phổ chúng ta có thể xác định ngược lại cấu trúc phân tử

 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR

 Phương pháp phổ khối lượng

1 Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiển (UV-VIS)

1.1 Vùng tử ngoại khả kiến (UV-VIS)

- Vùng UV là vùng tử ngoại, có 2 loại:

+ Vùng tử ngoại xa, bước sóng  < 200nm

+ Vùng tử ngoại gần,  = 200 - 400nm

- Vùng VIS là vùng ánh sáng mà ta nhìn thấy được,  = 400 - 800nm

1.2 Sự xuất hiện của phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

- Phân tử, nhóm phân tử của các chất đều được cấu tạo từ các nguyên tử theo kiểu liên kết hoá học nhất định của các điện tử (electron) hoá trị của các nguyên tố Các electron hoá trị khi đi vào phân tử hình thành liên kết  liên kết  và liên kết phối trí Nếu trong phân tử các chất có chứa dị tố (O, S, N) thì các nguyên tử nguyên tố này còn chứa 1, 2 đôi điện tử hoá trị chưa tham gia liên kết, ký hiệu là cặp electron n Những đôi electron n này có thể cho phân tử cảu chất khác khi tham gia phản ứng với chất cần đôi điện tử tạo ra liên kết bền

- Các phân tử, nhóm phân tử các chất khi ở điều kiện thường tồn tại ở trạng thái cơ bản, trạng thái bền và nghèo năng lượng nhất (Eo) Khi bị kích thích các electron hoá trị trong các liên kết  và đôi điện tử n chuyển từ các obitan liên kết hoặc không liên kết lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn Em

Bước chuyển dời năng lượng  (nm) Năng lượng kích thích E (kcal/mol)

Sơ đồ dịch chuyển mức năng lượng của các electron

- Ngoài năng lượng của sự di chuyển của đám mây e, người ta còn thấy có 2 chuyển động nữa là sự quay (Eq) và dao động ( Ed)

Tổng năng lượng: Et = Ee + Eq + Ed

Et: Lượng năng lượng mà các chất hấp thụ để tạo ra phổ hấp thụ phân tử

Vì chỉ có Ee được lượng tử hoá nghĩa là tạo ra mức năng lượng nhất định của electron trong phân tử và Ee >> Ed >>Eq nên người ta coi Et ≈ Ee

Vậy: Phổ hấp thụ phân tử của chất trong vùng UV-VIS không phải là phổ vạch, đơn bước sóng (1  ), không đơn sắc như phổ phát xạ, phhỏ AAS Đặc điểm của phổ hấp thụ phân tử UV-VIS là phổ băng, phổ đám có cực đại và cực tiểu hấp thụ tuỳ thuộc vào chất cần phân tích

Kết luận: Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS là phổ do sự tương tác giữa các điện tử hoá trị trong các liên kết  và đôi điện tử n ở trong phân tử hay nhóm phân tử của các chất với chùm tia sáng kích thích thích hợp ( vùng UV-VIS) tạo ra Phổ phân tử UV-VIS là phổ đám có các cực đại và cực tiểu của phổ nằm ở những bước sóng xác định thuỳ thuộc vào cấu trúc và loại liên kết trong phân tử hay nhóm nguyên tử Vùng sóng 200nm – 800nm

Hình dáng phổ

1.3 Định luật hấp thụ quang - Định luật Lamber beer

 Độ truyền qua T

Khi chiếu 1 chùm sáng có cường độ ban đầu Io vào cuvet dung dịch chứa mẫu

có độ dày L có 3 hiện tượng xảy ra

- 1 phần cường độ chùm sáng đi qua cuvet

Sau khi dung dịch hấp thụ, cường độ chùm sáng còn lại là I

Độ truyền qua T được xác định

A = kCb ( k = L )

Khi b = 1 thi D = LC

- Ý nghĩa: A = kCb

Với mỗi 1 chất luôn có giá trị Co

+ Nếu Cx < Co : b = 1 Quan hệ giữa A và Cx là tuyến tính và có dạng y = ax + Nếu Cx > Co : b < 1 Quan hệ giữa A và Cx là không tuyến tính

+ Vị trí hấp thụ phụ thuộc vào sự hiện diện của nhóm thế

+ Những hợp chất không màu thường có phổ hấp thụ ở vùng tử ngoại Khi chúng hấp thụ bức xạ chúng sẽ chuyển lên mức năng lương cao hơn

 Chuyển mức n - 

+Quá trình thường xảy ra trong phân tử có một nguyên tử chứa điện tử không liên kết ( ví dụ phân tử chứa nhóm cacbonyl CO ) và bước sóng hấp thu từ 270nm – 295nm Cường độ hấp thu thấp

 Chuyển mức 

+ Sự chuyển vị của các e trong lien kết  của các hợp chất hữu cơ từ obital lien kết lên obita phản liên kết

+ Sự chuyển vị này đòi hỏi một năng lượng khá lớn, vì vậy quá trình chuyển vị này nằm trong vùng tử ngoại xa UV

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ quang UV-VIS

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng, ta xét 1 số yếu tố ảnh hưởng

Ta biết A = f(, L, C) phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bề dày dung dịch, nồng độ của chất Các nguyên nhân tác động khách quan gây ra những ảnh hưởng các yếu tố đến A chính là yếu tố môi trường

Loại liên kết trong phân tử chất tan

Sự tồn tại lượng dư nhiều hay ít của thuốc thử tạo phức, các ion kim loại khác, chất lạ,

Nhiệt độ môi trường và dung dịch không tồn tại cố định trong quá trình đo

2.1 Cấu trúc phân tử của chất tan ( Hiệu ứng nhóm thế, hiệu ứng lập thể )

Nguyên nhân sinh ra quang phổ hấp thụ phân tử là do sự kích thích của tia sáng thích hợp, các điện tử trong liên kết hoá học  liên hợp và đôi điện tử rự do n của các dị tố trong phân tử quyết định sinh ra phổ UV-VIS

Các kiểu liên hợp

 Liên hợp : Khi trong hợp chất có chứa các nôi đôi liên hợp, các cực đại hấp thụ chuyển dịch mạnh về phía sóng dài, cường độ hấp thụ tăng khi số nối đôi liên hợp tăng

 Liên hợp  - p: Đây là sự liên hợp của nối đôi và cặp electron tự do ở các dị

tố trong các liên kết đôi C = Z ( Z = O, N, S ) và C – X ( X = Cl, Br, I, ) tương ứng với bước bước chuyển electron n → * Sự liên hợp này dẫn

đến sự chuyển dịh cực đại về phái sóng dài nhưng cường độ hấp thụ không tăng

Khi mạch liên hợp  tăng lên thì bước chuyển n → * cũng rút ngắn, do đó cực đại hấp thụ chuyển dịch về phái sóng dài ( dải R có cực đại hấp thụ nằm về phái sóng dài hơn dải K nhưng cường độ hấp thụ luôn nhỏ hơn )

Giải thích cho trường hợp liên hợp C = C – C = O

Ảnh hưởng của nhóm chức

+ Nhóm chức là những nhóm nhỏ được tạo thành từ nhiều nguyên tử, quyết định tính chất của hợp chất hữu cơ

+ Tịa vị trí các nhóm chức trong phân tử các dịch chuyển điện tử xảy ra, nên phổ

đồ của phân tử hữu cơ liên quan tới các nhóm chức trong phân tử

+ Người ta đã tìm ra được các bước sóng hấp thụ cực đại cho từng nhóm chức Từ

đó có thể dự đoán sự tồn tại của nhóm chức thông qua độ hấp thụ của nó

2.2 Các yếu tố về môi trường

Nhiệt độ môi trường và dung dịch đo phổ trong cuvet không hằng định trong suốt thời gian đo Nhiệt độ có thể tăng hoặc giảm do đó chất bị tan chảy hoặc phân hủy

2.3 Ảnh hưởng của dung môi

Tùy theo bản chất phân cực của dung môi và chất tan mà phổ tử ngoại của chất tan thay đổi theo các cách khác nhau Khi tăng độ phân cực của dung môi thì dải K chuyển dịch về phía sóng dài còn dải R (n→ ) lại chuyển dịch về phía song ngắn

+ Bước sóng hấp thụ và cường độ hấp thụ của các hợp chất chịu ảnh hưởng của dung môi

+ Sự tác động của những dung môi khác nhau lên các phân tử làm thay đổi mức năng lượng giữa các phân tử làm thay đổi mức năng lượng giữa các trạng thái cơ bản và kích thích

+ Sự tác động của dung môi lên phân tử làm sinh ra chuyển dịch xanh và chuyển dịch đỏ

+ Chuyển dịch xanh

Là hiện tượng hấp thụ bức xạ của các hợp chất hữu cơ có bước sóng ngắn hơn trong những dung môi có tính phân cực cao

Hiện tượng tìm thấy ở quá trình chuyển dịch n - của nhóm cacbonyl

Nguyên nhân là do sự làm bền trạng thái n của dung môi

Ảnh hưởng của pH

Ảnh hưởng của độ bền phức

Ảnh hưởng đến sự tạo phức

Ảnh hưởng dạng tồn tại

2.4 Các yếu tố thuộc về thiết bị

Thấu kính, lăng kính, cách tử, hệ gương không đồng nhất, bẩn, tuổi thọ cao, khả năng tạo chùm sáng đơn sắc kém

3 Màu sắc của sự hấp thụ

Khi chúng ta đo phổ hấp thụ của dung dịch KMnO4 màu tím, K2Cr2O7 màu da cam, CuSO4 màu xanh lam Sở dĩ có màu như vậy là do các chùm sáng trong vùng khả kiến chiếu vào các chất đó, chúng đã hấp thụ những tia sáng nhất định trong những vùng sóng nhất định Những tia sáng còn lại hợp thành màu sắc ta nhìn thấy

Như vậy màu của vật chất và khả năng hấp thụ tia sáng của chúng có liên quan chặt ché tới nhau → Sự bù màu của chùm sáng

Vậy màu sắc của vật chất mà ta nhìn thấy là kết quả của sự tương tác hấp thụ ánh sáng của vật chất

Bảng bù màu của ánh sang

450 480 490

500

560

575590

625750400

cham chamlucchamluclucluc anhvangvang

dacamdotiatim

4 Cấu tạo của máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

Gồm các bộ phân chính: Nguồn sáng, bộ phận đơn sắc (hệ quang), buồng chứa mẫu (cuvet), detector (thu nhận và xử lý số liệu), bộ phận ghi kết quả

vùng tử ngoại ( UV = 190 - 400nm), độ bền 500-800h Đèn làm việc tốt nhất trong vùng phổ từ 210nm đến 360nm

- Đèn xenon: Vùng phổ cả tử ngoại và khả kiến 260-600nm

Nguyên tắc: Phóng điện của hồ quang giữa 2 cực trơ Pt trong môi trường khí

Xe

- Đèn hơi Hg: Chỉ cho 1 vài tia nhất định thích hợp với từng chất

Nguyên tắc: Phóng điện hồ quang trong môi trường hơi Hg kim loại để tạo ra các vạch phổ phát xạ của hơi Hg

Khe sáng: Tác dụng tăng giảm cường độ chùm sáng đi vào buồng chứa mẫu

Phân loại cách tử: có hai loại

Cách tử truyền suốt: Được làm bằng thủy tinh

Cách tử phản xạ: Làm bằng nhôm

c, Detector, thu nhận và xử lý số liệu

Detector là bộ phận ghi nhận và xử lý tín hiệu quang thành tín hiệu điện

Thiết bị nhận biết (detecters)

+ Có tác dụng cảm nhận bức xạ điện từ sau khi bị hấp thụ và chuyển lượng bức xạ này thành dòng điện

+ Cường độ dòng điện thu được tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ đập vào bề mặt catot

Tế bào quang điện hay ống nhân quang điện là những thiết bị hữu dụng trong việc

- Buồng đo chứa cuvet mẫu

- Buồng đo thường có 2 phần 1 phần chứa mẫu blank, 1buồng chứa dung dịch

cần đo ( buồng 2 chùm tia)

- Cuvet: Nhựa, thạch anh, trong suốt

Máy đo quang

Máy một chùm tia:

Ưu điểm: Giá thành thấp, thông lượng bức xạ đi qua cao và như vậy độ nhạy cao Nhược điểm: Có khoảng lệch thời gian khi tiến hành đo giữa các chuẩn cũng như mẫu xác định, vì vậy có thể có vấn đê với độ trôi Điều này đã xảy ra với những thiết bị cũ, những thiết bị hiện đại với tính năng cao và ổn định đã khắc phục được nhược điểm này Vì vậy máy quang phổ một chùm tia vẫn ó những ứng dụng cao trong phòng thí nghiệm

Ưu điểm của 2 chùm tia: Cho độ chính xác cao vì mẫu đo và mẫu đối chứng đo

cùng một lúc

Nhược điểm: Giái thành cao, độ nhạy thấp do cấu trúc quang học phức tạp hơn, độ

tin cạy thấp hơn

5 Nguyên tắc phép đo phổ

- Chuẩn bị dung dịch đo phổ

+ Nếu chất phân tích có phổ UV-VIS, ta phải hoà tan nó trong môi trường thích hợp tạo dung dịch đồng thể

+ Chất không có phổ hấp thụ quang, phải tạo phức bền

+ Với chất khí, cuvet phải đóng kín

- Chiếu vào cuvet có dung dịch mẫu cần phân tích 1 chùm sáng có năng lương thích hợp

- Thu chùm sáng đi quan cuvet, chọn tia sáng có  ở vị trí hấp thụ cực đại của băng phổ

- Ghi giá trị độ hấp thụ quang A

6 Ứng dụng

Phân tích định tính, định lượng các cấu trúc phân tử, các mẫu chất Nguyên tắc của phân tích định lượng là dựa vào mối quan hệ giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch theo định luật Lambert – Beer Ngoài ra, nó cũng còn được sử dụng để xác định hằng số cân bằng , hằng số phân li và nghiên cứu động

 Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện, máy móc không đắt lắm Phù hợp cho phân tích định lượng nhiều chất có hàm lượng nhỏ Ví dụ:

+ Xác định các chất: Phân tích các hợp chất hữu cơ

Phân tích thuốc, dược phẩm, sản phẩm nông nghiệp Phân tích ion kim loại trong các đối tượng mẫu khác nhau + Xác định thành phần phức, độ phân ly, hằng số phân ly của phức và axit yếu + Xác định nhóm chức trong phân tử chất

 Nhược điểm: Độ chọn lọc kém, thuốc thử để tạo phức hay hợp chất có các cực đại hấp thụ gần nhau, chen lấn nhau, trùng nhau không xác định được

 Phạm vi ứng dụng: Trong y học, dược học, nông nghiệp, thực phẩm, phân tích môi trường, nước, công nghiệp hóa học

6.1 Phương pháp đo 1 bước sóng

Để phân tích một mẫu có thể thực hiện theo cách đơn giản là đo một mẫu chuẩn và một mẫu phân tích rồi tính toán theo công thức của định luật Lambert-

Dc = cLCc

Dx = xLCx

Với: Dc, Dx là mật độ quang của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích

L là chiều dày lớp mỏng của dung dịch

Cc, Cx là nồng độ của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích

 là hệ số hấp thụ quang

Từ 2 phương trình trên suy ra:

c

x c x

D

D C

2 Pha dãy chất chuẩn có nồng độ tăng hoặc giảm dần

3 Đo mật độ quang của các mẫu ở bước sóng trên

4 Vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang D vào nồng độ C, đường biểu diễn của đồ thị này được gọi là đường chuẩn

5 Pha mẫu phân tích sao cho nồng độ dung dịch mẫu đo nằm trong giới hạn tuyến tính của đường chuẩn Sau khi đo mẫu phân tích nhận giá trị Dx rồi đối chiếu trên đồ thị đọc được giá trị Cx

Độ hấp thụ của 1 chất tại 4 nồng độ khác nhau

6.3 Phân giải phổ

Dựa vào bước sóng lớn nhất max có thể biết được loại liên kết

max < 150nm: chỉ có loại liên kết của hợp chất no

max > 150nm: có liên kết bội

max quanh vùng 200 – 260nm có thể có benzene và benzene thế

đo được độ hấp thụ quang tổng của các chất mà thôi Để tách được các chất ra khỏi nhau phải loại trừ các chất có phổ chen lấn ảnh hưởng đến phổ của chất phân tích Muốn thế ta phải quét phổ của toàn vùng của từng chất sau đó lồng lên nhau, so sánh chúng với nhau và qua đó chúng ta phát hiện được các vùng phổ kề nhau, chen nhau hay trùng nhau ( có thể: Thêm chất phụ gia, tạo phức, kết tửa, chọn pH, chọn dung môi,…)

Ví dụ:

Dải phổ của hấp thụ quang phân tử UV-VIS có dạng đường chuẩn Gauss Độ rộng của dải hấp thụ quang được xác định bẳng NBW là chiều rộng của dải hấp thụ mẫu ở nửa cực đại hấp thụ (có thể ký hiệu

Sự chồng phổ không thể tách Phổ hấp thụ dẫn chất hemoglobin

Ví dụ: Phổ UV của benzene và polien

1 Hợp chất của polien

Các hợp chất polien CH3-(CH=CH)n-CH3 cho dải hấp thụ cực đại ứng với bước chuyển  nằm trong vùng 200-400nm tùy theo mạch liên hợp dài hay ngắn và các nhóm thế khác nhau có mặt trong phân tử Đặc điểm của bước chuyển này có cường độ hấp thụ lớn Cấu trúc không gian có ảnh hưởng đến vị trí đỉnh hấp thụ

n = 3: CH 3 -(CH=CH) 3 -CH 3 trans

có  max = 275nm ;  max = 4,5

n = 4: CH 3 -(CH=CH) 4 -CH 3 trans

có  max = 310nm;  max = 4,9

n = 5: CH 3 -(CH=CH) 5 -CH 3 trans

có  max = 341nm;  max = 5,1

Phổ tử ngoại của polien và hexan

Phổ cho thấy khi nối đôi tăng lên thì cực đại hấp thụ chuyển về phái sóng dài đồng thời cường độ hấp thụ cũng tăng lên

Những thay đổi thuật ngữ để hấp

thụ

Thiên nhiên Shift

Mô tả hạn

Để bước sóng dài hơn

Bathochr omic

Để bước sóng ngắn hơn

Hypsoch romic

Để Greater hấp thụ Hyperchromic

Để Hạ hấp thụ Hypochromic

Bảng tính cực đại hấp thụ của polien ( Quy luật Woodward)