Phương pháp phân tích quang phổ là một trong những phương pháp được sử dụng rất nhiều trong việc xác định thành phần hóa học, cấu trúc, tính chất vật lý, hóa học nó có ý nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và kĩ thuật như công nghệ vi điện tử, quang điện tử, công nghệ vật liệu mới… Các phương pháp phân tích, kiểm tra rất phong phú và đa dạng. Căn cứ vào những hướng nghiên cứu cụ thể mà người sử dụng có thể lựa chọn một hoặc nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu. Vùng phổ UVvis là vùng nằm từ cận vùng UV cho đến cận hồng ngoại IR, được xác định từ 180 đến 1100 nm như trên hình 1. Có thể chia vùng phổ này làm 3 vùng nhỏ hơn là: vùng cận UV (180400 nm),khả kiến (400700 nm) và vùng cận hồng ngoại (7001100 nm).
Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Contents Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis BÁO CÁO MÔN QUANG HỌC KỸ THUẬT Đề tài: QUANG PHỔ UV-VIS Mở đầu Phương pháp phân tích quang phổ phương pháp sử dụng nhiều việc xác định thành phần hóa học, cấu trúc, tính chất vật lý, hóa học có ý nghĩa quan trọng nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật công nghệ vi điện tử, quang điện tử, công nghệ vật liệu mới… Các phương pháp phân tích, kiểm tra phong phú đa dạng Căn vào hướng nghiên cứu cụ thể mà người sử dụng lựa chọn nhiều phương pháp khác để nghiên cứu Vùng phổ UV-vis vùng nằm từ cận vùng UV cận hồng ngoại IR, xác định từ 180 đến 1100 nm hình Có thể chia vùng phổ làm vùng nhỏ là: vùng cận UV (180-400 nm),khả kiến (400-700 nm) vùng cận hồng ngoại (700-1100 nm) Hình 1: Vùng phổ UV-vis Đây vùng phổ nghiên cứu nhiều áp dụng nhiều mặt định lượng Phương pháp phổ UV-vis dựa tượng hấp thụ Nguồn gốc tượng tương tác photon xạ với ion hay phân tử mẫu Kết tượng có biến đổi lượng điện tử phân tử phổ UV-vis gọi phổ điện tử PHỔ HẤP THỤ UV-VIS 1.1 Hiện tượng hấp thụ a Hiện tượng Cho chùm ánh sáng đơn sắc song song có cường độ I0 chiếu vng góc với lớp mơi trường đồng giới hạn mặt song song có bề dày l có hấp thụ môi trường cường độ I chùm sáng khỏi môi trường bị giảm Hiện tượng thể hình 2 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 2: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng b Giải thích Sự hấp thụ ánh sáng kết tương tác sóng ánh sáng mơi trường tác dụng điện trường sóng ánh sáng tới có tần số ω Các electron nguyên tử bị dịch chuyển so với hạt nhân thực dao động điều hoà với tần số tần số sóng ánh sáng Khi electron dao động trở thành nguồn phát ánh sáng thứ cấp Do có giao thoa sóng ánh sáng tới vá sóng thứ cấp nên mơi trường xuất sóng có biên độ khác với biên độ sóng tới kết cường độ sóng truyền qua mơi trường bị giảm khơng phải tồn lượng bị hấp thụ nguyên tử, phân tử mà giải phóng dạng xạ Năng lượng bị hấp thụ chuyển thành nhiệt, làm vật nóng lên Đó gọi tượng hấp thụ ánh sáng 1.2 Đặc điểm Đồ thị biểu diễn A = f( λ ) (hoặc ε =f( λ ) lg ε = f( λ )) gọi phổ hấp thụ ánh sáng dung dịch Phổ hấp thụ thường biểu diễn dạng đường cong cho thấy phụ thuộc độ hấp thụ chất trạng thái dung dịch vào bước sóng ánh sáng chiếu tới Phổ hấp thụ chất đặc trưng bước sóng λmax mà hấp thụ lớn Báo cáo môn Quang học kỹ thuật 1.3 Quang phổ UV-vis Nguyên lý phổ hấp thụ Khi chiếu chùm xạ điện từ tác động lên khối vật chất hấp thụ khối vật chất phụ thuộc vào chất nó, đo lượng tia xạ bị hấp thụ ta xác định tính chất vật liệu Phổ hấp thụ ứng dụng tốt nguyên tử phân tử nhỏ Khi ánh sáng tương tác với phân tử khí xảy q trình khác nhau: - Quá trình hấp thụ Quá trình phát xạ tự phát Q trình phát xạ kích thích Đối với phổ hấp thụ xét trình: Hấp thụ phát xạ tự phát Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 3: Quá trình hấp thụ, trình phát xạ tự phát, trình phát xạ kích thích xạ điện từ tác động lên hệ phân tử (nguyên tử) CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN 2.1 Định luật Lambert Chiếu chùm ánh sáng đơn sắc song song vng góc với lớp môi trường giới hạn hai mặt song song cách khoảng l Xét lớp mơi trường có bề dày dx Gọi i cường độ chùm sáng vào lớp dx, i-di cường độ chùm sáng khỏi lớp dx Khi độ giảm cường độ di chùm sáng tỉ lệ với cường độ i, độ dày dx môi trường mà ánh sáng truyền qua Ta có: Báo cáo mơn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis k gọi hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào chất môi trường bước sóng ánh sáng truyền qua Bỏ qua phần lượng tán xạ, phản xạ Lấy tích phân hai vế: Suy ra: Nội dung: Khi độ dày lớp môi trường tăng theo cấp số cộng cường độ sáng giảm theo cấp số nhân 2.2 Định luật Beer Khi chất hấp thụ hồ tan dung mơi suốt ( nước cất ) khơng hấp thụ ánh sáng hệ số hấp thụ dung dịch tỉ lệ với nồng độ phân tử C chất hoà tan Nghĩa k = ε C Khi biểu thức định luật Bouguer viết lại là: ε gọi hệ số hấp thụ phân tử Hệ số hấp thụ phân tử ε đặc trưng cho tính riêng biệt chất nghiên cứu dung dịch, khác với chất khác ε không phụ thuộc vào nồng độ dung dịch lại phụ thuộc vào chất hồ tan dung mơi dung dịch Ngồi ε dung để xác định độ nhạy phản ứng bước sóng xác định ε lớn phản ứng dễ xảy Người ta đặt: với D: Mật độ quang A: Độ hấp thụ Khi : Báo cáo mơn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Đặt Suy : Trong (Độ truyền qua) Từ công thức ta thấy D phụ thuộc tuyến tính vào C Nhưng thực tế điều dung dịch có nồng độ nhỏ ( pha loãng ) Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách phân tử giảm, tương tác phân tử mạnh kết đo có nhiều sai lệch so với định luật Hay nói cách khác, phụ thuộc mật độ quang nồng độ dung dịch tuyến tính Đó sở phương pháp phân tích định lượng trắc quang phân tử Hệ số truyền qua (%) Hệ số hấp thụ 100 80 60 40 Độ nghiêng =a.b A=a.b.C 20 Nng (g/l) Nồng độ (g/l) Hình 4: Hệ số truyền qua hệ số hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ ĐỘ CHÍNH XÁC KHI ĐO PHỔ HẤP THỤ Cấp xác cho biết kết đo gần giá trị chấp nhận Cịn sai số mơ tả tính lặp lại phép đo Độ tuyến tính xủa phép đo khả hệ phổ cho tuyến tính cơng suất xạ chiếu vào detector giá trị vài đại lượng đo hệ Độ xác tuyệt đối dựa mối liên hệ hệ số truyền qua đo đựơc thay đổi tuyệt đối cường độ ánh sáng toạ detector Cấp xác thường xác định cách Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis so sánh thông dI qua độ gắn vào mẫu đóng mở điểm khác q trình hiệu chỉnh Các thơng số hệ đo ảnh hưởng tới cấp xác là: Độ rộng khe: khe rộng quá, giải thông rộng giá trị thực Còn hẹp khó phân biệt tín hiệu với mẫu Tốc độ quét nhanh gây lỗi, đỉnh phổ bị dịch vùng bước sóng thấp Tốc độ quét cần phải điều khiển cho không nhanh 1/10 giải thông cho chu kỳ ghi phổ Cấp xác bước sóng, cần phải hiệu chỉnh trước đo để đạt đựơc bước sóng tiêu chuẩn Sự lệch chùm sáng nguyên nhân gây xác đặc biệt chùm sáng yếu Nguyên nhân ánh sáng bị tán xạ bụi ẩm mốc bề mặt dụng cụ quang học Độ lệch chùm sáng ảnh hưởng tới cấp xác sai số từ đại lượng Beer Hệ số hâp thụ thực khơng có tượng lệch tia sáng sác định sau: Aapperent = log I0 + Is I + Is Is : cường độ ánh sáng bị hấp thụ mẫu chuẩn SAI SỐ PHÉP ĐO - Sai số hệ số truyền qua : ∆T - Sai số cường độ ánh sáng : ∆I - Sai số nồng độ : ∆C Các sai số suất bị nhiễu đo Giá trị sai số khoảng 0,01 - 0,002 toàn thang đo Sai số tương đối nồng độ Theo định luật Beer : I A T = log = − lg ab ab I ab 0,434 dI dC 0,434 dC = − ( ) =− ab I hay dT Tab C= dC 0,434 dT dC 0,434 dI = ( ) =− ( ) → C A I C log T T dC C : sai số tương đối Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG 5.1 Phương pháp so màu mắt Có cách chủ yếu để định lượng theo phương pháp so mầu mắt là: lập dãy mầu chuẩn, chuẩn độ so sánh mầu cân mầu Phương pháp cho kết với độ xác khơng cao, nhiên đơn giản khơng cần máy đo phổ Phương pháp thích hợp việc kiểm tra ngưỡng cho phép chất sản phẩm cụ thể xem có đạt hay không Báo cáo môn Quang học kỹ thuật 5.2 Quang phổ UV-vis Phương pháp đường chuẩn Phương trình phép đo định lượng theo phổ UV−Vis là: A= ε l C (ε l = const A = f(C) hàm bậc nhất) Bằng cách chuẩn bị dãy dung dịch mầu có nồng độ tăng dần biết xác trước C 1, C2, C3,… (thường 5−7 nồng độ nằm vùng tuyến tính mối quan hệ A−C) dung dịch mầu chất cần xác định nồng độ điều kiện phân tích dãy dung dịch chuẩn Nghiên cứu chọn điều kiện phù hợp đo phổ mẫu chuẩn mẫu phân tích thơng số thời gian, môi trường, loại cuvet… Đo độ hấp thụ quang dung dịch chuẩn, dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ A−C sau đo độ hấp thụ quang dung dịch chất mầu cần xác định nồng độ (giả sử Ax), áp vào đường chuẩn ta có nồng độ Cx tương ứng với nồng độ chất cần xác định Hình 5: Đồ thị chuẩn A-C cách xác định nồng độ C từ A x đo 5.3 Phương pháp thêm chuẩn Nguyên tắc : Lấy lượng dung dịch cần phân tích vào bình định mức Thêm vào bình lượng dung dịch chuẩn chất phân tích Thực phản ứng màu bình điều kiện thí nghiệm thích hợp hoàn toàn nhau.Đem đo D dung dịch Theo định luật Lambert – Beer với ta có: 10 Báo cáo mơn Quang học kỹ thuật Trong đó: Quang phổ UV-vis mật độ quang dung dich không thêm mật độ quang dung dich sau thêm Dùng phương pháp loại trừ ảnh hưởng chất lạ, đồng thời kiểm tra độ xác phép phân tích MÁY QUANG PHỔ UV VIS 6.1 Cấu tạo Hình 6: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo quang • Nguồn sáng Nguồn sáng cho máy quang phổ chùm xạ phát rừ đèn Máy quang phổ dùng đèn hydro hay đèn Deuterium cho phổ phát xạ liên tục vùng UV tử 160 – 380nm (nhưng thường sử dụng 200 - 340 nm) đèn tungsten halogen đo vùng 380 – 1000 nm Để làm việc 60 cho hai vùng phải có đủ loại đèn Một yêu cầu nguồn sáng phải ổn định, tuổi thọ cao phát xạ liên tục vùng phổ cần đo Đèn Deuterium: cấu tạo sồm sợi đốt phủ ôxit cực kim loại đặt bóng thuỷ tinh chứa khí Deuteri hydro có cửa sổ thạch anh để xạ tử ngoại khơng truyền qua thủy tinh Khi sợi đốt đốt nóng, electron sinh kích thích phân tử khí Deuteri (hoặc hidro) biến thành nguyên tử phát phôton theo phản ứng: 11 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Ở lượng electron kích thích, xạ phát phổ có bước sóng từ 160 nm đến vùng khả kiến Bảng 1: Nguồn phát lượng thiết bị quang phổ • đơn sắc (cung cấp xạ đơn sắc) Với máy hệ cũ sử dụng từ 10 tới 12 kính lọc ánh sáng cho dải phổ hẹp không cho hệ đơn sắc Các máy đại sử dụng lăng kính ánh sáng đơn sắc Các máy UV-Vis hệ sử dụng cách tử (1200−1800 vạch/mm có tới 2400 vạch/mm) có độ phân giải cao từ tới 0,2nm 12 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 7: cách tử lăng kính • Mẫu phân tích: chất phân tích cho tác dụng với thuốc thử mơi trường thích hợp nhằm tạo phức chất có độ nhạy đảm bảo tính định lượng phương pháp Nếu chất phân tích chất khí phải chứa mẫu vào cuvet đóng kín Cuvet dùng cho phổ UV phải cuvet thạch anh Cuvet dùng cho phổ Vis cuvet nhựa cuvet thuỷ tinh 13 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 8: số loại Cuvet • Detector: máy đơn giản dùng tế bào quang điện để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện cho qua khuếch đại hiển thị kết đo Trong máy hệ có độ nhạy cao thường dùng detector dạng ống nhân quang loại chuỗi diot (DAD) Detector chuỗi diot thích hợp cho việc đo đồng thời nhiều cấu tử với nhiều bước sóng khác nhau, thiết bị bền 14 Báo cáo mơn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 9: Ống nhân quang tế bào quang điện 15 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 10: mảng diode (diode array) 6.2 Phân loại Bao gồm: máy quang phổ chùm tia máy quang phổ hai chùm tia • Máy quang phổ chùm tia phải đo lần : lần với mẫu chu ẩn (chỉ chứa dung môi) lần với mẫu cần đo (chứa dung dịch cần phân tích) ->I0 lần đo phải không đổi -> kết phân tích khơng xác 16 Báo cáo mơn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 11: máy quang phổ chùm tia • Máy quang phổ chùm tia ánh sáng tới tách làm chùm : qua mẫu chuẩn lần qua mẫu cần đo, sau vào máy thu để so sánh cường độ ->chỉ phải đo lần -> kết phân tích xác tính độ hấp thụ A Hình 13: máy quang phổ hai chùm tia 17 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis 6.3 Nguyên tắc Phổ hấp thụ UV-VIS phổ hấp thụ chất tan trạng thái dung dịch dồng thể dung mơi định : nước, metanol, benzen, toluen, cloroform…Vì thế, muốn thực phép đo phổ ta phải : Hịa tan chất phân tích dung môi phù hợp Chiếu vào dung dich mẫu chứa hợp chất cần phân tích chùm xạ đơn sắc có lượng phù hợp chất phân tích hay sản phẩm hấp thụ xạ để tạo phổ hấp thụ UV-VIS đo cường độ chùm sáng sau qua dung dịch mẫu nghiên cứu 6.4.Dụng cụ đo phổ Hình 14: Máy đo UV-VIS 3101 18 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis Hình 15: Mơ hình máy phổ hấp thụ laser diot điều khiển được: Delta F 700 Series Hình 16 : Máy phổ UV-VIS-NIR Absorption Spectrophotometer (Cary 5000) 19 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV-vis ỨNG DỤNG - Kiểm tra độ tinh khiết Vết tạp chất chất hữu phát dễ dàng có cường độ hấp thu đủ lớn - Nhận biết chất nghiên cứu cấu trúc Bằng cách so sánh phổ hấp thu chất so với phổ hấp thu chất thiên nhiên với mẫu chuẩn cho kết luận sản phẩm tổng hợp - Phân tích hỗn hợp Các máy quang phổ uv-vis đại có khả xác định nồng độ riêng rẽ hỗn hợp gồm n cấu tử máy dụng tính chất cộng độ hấp thu để giải hệ phương trình cho kết nồng độ cấu tử hỗn hợp phân tích - Xác định khối lượng phân tử - Xác định số phân ly acid-bazo Xác định số phân ly acid-bazo phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu trúc hợp chất hữu cơ.Nội dung phương pháp đo phổ hấp thu chất hữu chứa nhóm có tính chất acid-bazo phụ thuộc vào ph môi trường - Xác định thành phần phức chất Thành phần phức chất dung dich xác định quang phổ hấp thu tử ngoại khả biến theo phương pháp khác phương pháp biến số liên tục,phương pháp tỉ lệ mol 20 ... mẫu vào cuvet đóng kín Cuvet dùng cho phổ UV phải cuvet thạch anh Cuvet dùng cho phổ Vis cuvet nhựa cuvet thuỷ tinh 13 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV- vis Hình 8: số loại Cuvet • Detector:... kết phân tích xác tính độ hấp thụ A Hình 13: máy quang phổ hai chùm tia 17 Báo cáo môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV- vis 6.3 Nguyên tắc Phổ hấp thụ UV- VIS phổ hấp thụ chất tan trạng thái dung... môn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV- vis Hình 9: Ống nhân quang tế bào quang điện 15 Báo cáo mơn Quang học kỹ thuật Quang phổ UV- vis Hình 10: mảng diode (diode array) 6.2 Phân loại Bao gồm: máy quang