hấp thụ phân tử
4.1. Sự hấp thụ ánh sáng của môi trờng vật chất
Hiện tợng hấp thụ ánh sáng là hiện tợng một lớp vật chất bất kì giữ lại một phần năng lợng của chùm sáng đi qua nó, hệ quả là cờng độ chùm sáng yếu đi sau khi đi qua lớp vật chất. Nguyên nhân của sự hấp thụ ánh sáng là năng lợng của một phần các photon đã đợc biến đổi thành các dạng năng lợng khác trong quá trình đi qua lớp vật chất.
4.1.1. Các định luật hấp thụ ánh sáng
Giả sử ta có một lớp vật chất đồng nhất có bề dày l đợc một chùm sáng đơn sắc chiếu vuông góc tới ( hình 10.12). Cờng độ chùm sáng trớc và sau khi qua lớp vật chất lần lợt là I0 và
I . Ta xét một lớp môi trờng có bề dày dx, cờng độ chùm sáng khi đập tới mặt ranh giới lớp dx này có cờng độ là I(x) , nh vậy phần cờng độ sáng bị lớp dx hấp thụ dI(x) sẽ tỷ lệ thuận
I0 I
dI(x) ~ I(x) dx
hay dI(x) = I(x) dx (10.7)
trong đó là hệ số hấp thụ của môi trờng, phụ thuộc bản chất và mật độ của môi trờng vật chất nhng
không phụ thuộc vào cờng độ ánh
sáng trong một giới hạn nhất định. Dấu trừ trong biểu thức (10.7) cho biết cờng độ ánh sáng qua lớp d(x) bị giảm đi.
Từ (10.7) ta có: dx x I x dI . ) ( ) (
khi cho x biến thiên từ 0 đến l thì I(x) biến thiên từ I0 đến I I I l dx x I x dI 0 0 . ) ( ) ( tơng đơng với ln I ln I0 = l
hay I =I0. e-.l
(10.8)
Cần chú ý rằng = f() trong đó là bớc sóng ánh sáng truyền qua.
Biểu thức (10.8) là định luật Bouguer cho biết qui luật giảm cờng độ ánh sáng khi truyền qua môi trờng hấp thụ ánh sáng. Thờng ngời ta viết định luật này dới dạng sau:
I = I0 10-kl (10.9) trong đó k là hệ số tắt, k= 0,43 . Nếu 0 10 I I thì x k1
Nh vậy hệ số tắt có giá trị bằng nghịch đảo bề dày mà cờng độ ánh sáng qua nó bị yếu đi 10 lần.
Trong trờng hợp môi trờng hấp thụ ánh sáng là dung dịch loãng có nồng độ là C, ta thấy hệ số tắt tỷ lệ thuận với C:
k= C
Trong đó là hệ số tắt của dung dịch, đơn vị đo của nó phụ thuộc vào đơn vị đo của nồng độ dung dịch. Nh vậy:
I = I0. 10- C l
(10.10)
Đó chính là biểu thức của định luật Bouguer- Lambert- Bear. Định luật này nói lên hệ số hấp thụ của của một dung dịch loãng tỷ lệ thuận với số phân tử vật chất trên một đơn vị chiều dài trong vùng có chùm sáng đi qua . Điều này chỉ đúng trong trờng hợp dung dịch loãng. Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử chất hấp thụ giảm, tơng tác giữa các phân tử là là đáng
kể, ta thấy định luật này không còn chính xác nữa. Ngoài ra, trong nhiều trờng hợp còn phụ thuộc dung môi nữa, nhất là trong trờng hợp dung môi không “trong suốt”.
4.1.2. Các đại lợng đặc trng khác
Để đặc trng cho tính chất hấp thụ mạnh hoặc yếu của môi trờng vật chất, ngoài hệ số hấp thụ , hệ số tắt k ngời ta còn dùng các đại lợng sau:
Hệ số truyền qua T (transmittance): T=
0
I I
( thờng tính bằng phần trăm ) Mật độ quang học D (optical density):
D=lg I I T 0 lg 1 =Cl (10.11) Nếu T tính bằng phần trăm thì: D=lg 100/T = 2 lgT
Lu ý rằng, ngời ta còn dùng phổ biến thuật ngữ độ hấp thụ A (absorbance) hoàn toàn tơng đơng với mật độ quang học D .
Tất cả các đại lợng đặc trng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của môi trờng vật chất đều phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng
( ; ; T ; D hay A ) = f() 4.1.2. Phổ hấp thụ phân tử
4.1.2.1. Phổ hấp thụ phân tử
Đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của một trong các đại lợng , , T , D (hay A) vào bớc sóng gọi là phổ hấp thụ của một lớp vật chất. Hình 10.13 biểu diễn thí dụ về một phổ hấp thụ đợc xây dựng choD. Thông thờng luôn tồn tại một cực đại hấp thụ rõ rệt trong đồ thị ứng với xác định đợc gọi là max, các độ hấp thụ ứng với các bớc sóng khác đều nhỏ hơn nhiều độ hấp thụ ở bớc sóng này.
D 1 max 2 max P1 P2 A B 4.1.2.2. Dải hấp thụ
Chúng ta biết rằng không có một lớp vật chất nào cho toàn bộ miền bức xạ điện từ đi qua 100% hay nói khác đi là không hấp thụ ánh sáng. Mỗi một chất đều hấp thụ rất mạnh ở miền này hay miền khác của phổ, từ đó tạo nên cảm giác màu của vạn vật xung quanh ta. Chẳng hạn sắc tố đỏ của máu là do hemoglobin hấp thụ mạnh nhất các ánh sáng có bớc sóng trong vùng xanh da trời và vùng xanh lá cây của phổ ánh sáng nhìn thấy, chỉ còn ánh sáng vùng đỏ đi qua. Lá cây xanh hấp thụ mạnh nhất ánh sáng vùng đỏ và xanh da trời. Nh vậy trên phổ hấp thụ phân tử ta sẽ thấy có các đỉnh hấp thụ mạnh ( các điểm P1 và P2 trên hình 10.13) và các bớc sóng tại đó đợc gọi là max. Một phân tử nhất định sẽ có thể có vài max tuy nhiên lu ý rằng độ hấp thụ tại các max đó không nh nhau. Miền phổ trong đó sự hấp thụ chuyển qua max gọi là dải hấp thụ. Cụ thể trên hình 10.13 ta thấy khoảng bớc sóng từ 1 đến 2 ứng với phần đờng cong AP1B là dải hấp thụ.
4.2. ứng dụng của quang phổ hấp thụ phân tử
Quang phổ hấp thụ phân tử đợc ứng dụng để nghiên cứu thành phần và cấu trúc của các chất. Phép phân tích các chất bằng quang phổ hấp thụ phân tử bảo đảm: nhạy, nhanh, chính xác và đặc biệt không cần tách riêng các thành phần trong một hỗn hợp nhiều chất, không làm hỏng mẫu nghiên cứu. Với phổ hấp thụ phân tử ta có thể thực hiện phép phân tích định tính và cả phân tích định lợng tất cả các chất.
4.3.1. Máy quang phổ hấp thụ miền tử ngoại và nhìn thấy
Nguyên tắc chung cơ bản của các máy quang phổ dùng cho miền ánh sáng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy (đôi khi còn gọi là khả kiến) là đo cờng độ chùm sáng gián tiếp qua giá trị dòng quang điện tới hạn (cũng còn gọi là dòng quang điện bão hoà) mà chùm sáng đó tạo nên trên tế bào quang điện chân không.
Nh ta đã biết, trong hiệu ứng quang điện ngoài, cờng độ dòng quang điện tới hạn đồng biến bậc nhất với cờng độ chùm sáng đập tới tế bào quang điện. Tế bào quang điện dùng trong các máy
quang phổ hiện đại phản ứng với các bớc sóng ánh sáng trong khoảng ánh sáng nhìn thấy và ở đầu vùng hồng ngoại ( 1000 nm). Trong máy quang phổ, bằng cách tử nhiễu xạ hay phản xạ ngời ta có thể thay đổi bớc sóng đến từng 0,1 nm. Dòng quang điện phát sinh dới tác dụng của ánh sáng đợc khuếch đại lên nhiều lần, có thể ghi lại dòng điện này bằng điện kế nhạy hoặc trong các máy hiện đại ngời ta dùng bộ phận tự ghi để ghi phổ. Máy quang phổ tự ghi hiện đại cho phép nhận đợc đồ thị biểu diễn D, T theo hoặc theo f trên băng giấy hoặc trên màn hình (display) một cách nhanh chóng. Biểu thức (10.21) biểu diễn nguyên tắc của phép đo độ truyền qua T và mật độ quang học D gián tiếp qua các c- ờng độ dòng quang điện tới hạn (hay là bão hoà) i0 và i tơng ứng với cờng độ chùm sáng đập tới tế bào quang điện I0, I lần lợt khi không bị chắn và có bị chắn bởi lớp vật chất cần khảo sát (ở đây thờng là dung dịch). i i i i I I D i i I I T lg lg lg lg 0 0 0 0 0 (10.12) 2 1 3 7 6 5 4 9 8 8 Hình 10.14 1. Đèn (nguồn sáng); 2. Hệ thống gơng phản xạ; 3. Khe vào hệ lọc đơn sắc; 4. hệ lọc đơn sắc (cách tử nhiễu xạ hoặc phản xạ); 5. Chắn sáng điều chỉnh độ rộng của chùm tia và mức độ đơn sắc; 6. Cuy vét đựng dung dịch khảo sát; 7. Tế bào quang điện; 8. Bộ khếch đại dòng điện; 9. Bộ ghi
Hình 10.14 biểu diễn sơ đồ của một máy quang phổ hấp thụ miền tử ngoại và nhìn thấy. Nguồn sáng là đèn dây tóc tungsten phát ra phổ liên tục trong miền 340 –1000 nm hoặc là đèn phóng điện qua khí hidro deterium phát ra phổ liên tục trong miền tử ngoại 220–340 nm. Bộ lọc đơn sắc cho phép tách ra ánh sáng đơn sắc có bớc sóng gần nh tuỳ ý trong giải phổ của đèn. Bộ ghi trong các máy hiện đại thờng là số hoá đợc hiển thị trên màn hình. Tuỳ theo chế độ lựa chọn mà màn hình hiển thị các đại lợng khác nhau nh , T, D, …
Việc phân tích định tính các chất bằng phổ hấp thụ phân tử dựa trên mối quan hệ vô cùng khăng khít giữa bản chất vật chất và tính chất quang phổ của chúng. Mỗi chất đợc đặc trng bởi các bớc sóng hấp thụ cực đại (max). Giữa các bớc sóng hấp thụ cực đại và kích thớc của các liên kết, hay nói khác đi với cấu trúc vật chất, có một mối liên quan xác định. Điều đó đợc giải thích bằng sự tồn tại các mức năng lợng xác định các điện tử trong phân tử. Khi phân tử hấp thụ lợng tử ánh sáng, điện tử có thể chuyển lên các mức năng lợng kích thích khác nhau. Xác suất chuyển của điện tử tới phân mức dao động xác định nào đó tuân theo nguyên tắc Pauli và hoàn toàn phụ thuộc vào câú trúc phân tử. Bớc sóng (max) là bớc sóng ứng với xác suất lớn nhất để điện tử chuyển lên mức kích thích Em từ mức năng lợng En (hình 10.15)
Em – En = Emax = hc/ max (10.13) Trong đó En là mức năng lợng ban đầu của điện tử.
Chính vì vậy những chất có cấu trúc phân tử khác nhau có những bớc sóng hấp thụ cực đại khác nhau. Do đó dựa vào vị trí cực đại của phổ hấp thụ ta có thể xác định một chất là chất gì hay hỗn hợp chất gồm đơn chất nào.
Những kết quả thực nghiệm cho chúng ta thấy rằng nhiều nhóm chức cho ta các dải hấp thu đặc trng nằm trong các miền sóng xác định. Đa số các nhóm chức hữu cơ có cực đại hấp thụ điển hình nằm trong miền sóng từ 200 nm đến 500 nm. Miền sóng ứng với cực đại hấp thụ của nhóm chức không thay đổi dù nhóm chức đó có chất này hay chất khác. Chẳng hạn các chất khác nhau cùng nhóm chức CH3 có hấp thụ cực đại đặc trng ở 377,7 nm và 348,2 nm. Sự có mặt trong phổ hấp thụ cực đại ở bớc sóng tơng ứng với nhóm chức đó cho phép ta khẳng định sự tồn tại của nhóm chức đó trong hợp chất. Dựa vào tính chất này của vật chất mà ngời ta phân tích định tính các chất. Thí dụ nh để xác định thành phần cấu tạo của tế bào lymphô chuột ngời ta đã chụp phổ của những tế bào đó. Mật độ quang học cực đại tại bớc sóng max =260 nm cho phép ta kết luận là thành phần chính của tế bào lympho là các acid nucleic (gốc pirimidin, purin,…). Nhìn vào phổ hấp thụ của tế bào lymphô này ta thấy còn có một điểm đặc biệt là bề rộng dải hấp thụ tơng đối lớn so với phổ hấp thụ khác: ta biết rằng =280nm là bớc sóng hấp thụ cực đại của các acid amin thơm (gốc Triptophan, tyrosin).
Tính tỉ số = D280/D260, trong đó D280, D260 là mật độ quang học của dung dịch tế bào tại các bớc sóng 280nm và 260nm, ngời ta thu đợc giá trị = 0,8 lớn hơn bình thờng điều này chứng tỏ rằng trong tế bào lympho ngoài các acid nucleic còn có một phần đáng kể protein.
Với ví dụ trên chúng ta còn muốn nhấn mạnh rằng giữa bề rộng dải hấp thụ và cấu trúc vật chất có một mối quan hệ chặt chẽ. Bề rộng, hình dáng phổ hấp thụ phụ thuộc vào mức độ phức tạp của cấu tạo phân tử. Ngoài ra những yếu tố đặc trng cho sự hấp thụ này còn phụ thuộc vào tính chất của môi trờng bao quanh chúng. Phơng pháp phân tích định tính bằng quang phổ hấp thụ phân tử đặc biệt có hiệu quả trong những trờng hợp mà các phơng pháp hoá học không giải quyết đợc. Thí dụ ba chất nội tiết tố sinh dục nữ ostron, ostrion và ostradion có thành phần cấu tạo giống nhau, vì thế khó phân biệt đợc chúng bằng phơng pháp hoá học. Nhng nếu cho chúng tác dụng với H2SO4 ta sẽ đợc các hợp chất có màu xanh lá cây non có các cực đại hấp thụ điển hình.
Ostron – 300nm ; Ostrion – 300nm và 460nm ; Ostradion – 370nm và 430nm
Vị trí cực đại của nhóm chức hay gốc cấu tạo thay đổi tuỳ thuộc vào bản chất của nguyên tử bao quanh nhóm chức hay nhóm chức đó. Bảng dới đây cho ta biết miền số sóng (k) ứng với giá trị cực đại của nhóm chức Cacbonyl trong các chất khác nhau (k = 1/)
Miền số sóng (cm-1 ) Các nhóm chức 1300 –1420 1550 –1610 1630 – 1700 1710 –1730 1720 – 1740 1730 – 1760 1760 - 1780
Các acid bị ion hoá
Các acid không bị ion hoá Các acid của acid carboxylic Các ceton và acid cha no Các aldehyt cha no
Các . Lactam (vòng không ngng tụ)
Các . Lactam (vòng ngng tụ)
Từ bảng này ta dễ dàng phân biệt dạng acid bị ion hoá (miền số sóng 1300 –1420cm-1) và dạng acid không bị ion hoá (miền số sóng 1710 –1730cm-1). Acid bị ion hoá là acid bị mất ion H+ trong quá trình tơng tác với những chất khác.
Dựa vào cơ sở trên ngời ta dễ dùng phổ hấp thụ phân tử để phân tích cấu trúc phân tử của vật chất, nhận dạng chất tinh khiết, xác định (hay phủ định) sự có mặt của một chất tinh khiết nào đó trong một hỗn hợp cho trớc.
4.3.3. Phân tích định lợng bằng phổ hấp thụ phân tử
4.3.3.1. Trờng hợp dung dịch cần xác định nồng độ là dung dịch loãng:
Cách thứ nhất: áp dụng định luật Bouguer Lambert Bear I=I0.10 Cl
D=lg(I0/I)= Cl
điều đó có nghĩa là mật độ quang học tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch.
Nếu dung dịch đơn chất chỉ chứa phân tử chất A. Từ phổ hấp thụ của dung dịch A thu đợc bằng thực nghiệm hoặc từ sách tra cứu chúng ta biết đợc max đặc trng cho chất A. Ta đo mật độ quang học DA của dung dịch tại max trên. Ta có
DA = CA l
(10.14)
Trong đó là hệ số tắt của dung dịch; l là chiều dày lớp dung dịch mà ánh sáng truyền qua. Hệ số tắt có thể biết đợc từ các dữ liệu chuẩn, từ công thức ta sẽ tính đợc CA.
Nếu dung dịch là hỗn hợp nhiều chất cùng hấp thụ trong một miền bớc sóng, bằng cách đo mật độ quang học tại các vị trí max đặc trng cho mỗi chất và cách tính thích hợp chúng ta cũng xác định
đợc nồng độ của mỗi chất trong dung dịch khảo sát. Thí dụ dung dịch chứa hai chất A và B với nồng độ CA, CB. Các cực đại hấp thụ của A và B tại các bớc sóng 1và 2 tơng ứng. D1 và D2 là mật độ quang học của dung dịch hỗn hợp A và B đo đợc tại các bớc sóng 1 , 2 nói trên (hình 10.17). Ta có D1=A CA l + B CB l D2= A CA l + BCB l Trong đó A, B, ’ A, ’ B là các hệ số tắt của các dung dịch chất A và B tại các bớc sóng 1,2 tơng ứng. Các hệ số này đợc cho biết trớc (xem bảng cho sẵn trong các sách quang phổ) hoặc có thể xác định bằng phơng pháp đồ thị với từng chất riêng biệt.