CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết
2.3.1.7. Các phương pháp phân tích quang học
Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích định lượng dựa vào hiệu ứng hấp thụ xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ. Vùng bức xạ được sử dụng trong phương pháp này là vùng tử ngoại gần hay khả kiến ứng với bước sóng khoảng từ 200 nm đến 800 nm.
Cơ sở của phương pháp trắc quang là dựa vào định luật Bouger - Lam bert - Beer:
A = - lgT = lg (Io/It) = εlC với T = It/Io
Trong đó:
I0: cường độ ánh sáng ban đầu, It: cường độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch, C: nồng độ dung dịch, đo bằng mol/L, l: bề dày của cuvet đựng dung dịch, đo bằng cm, ε: được gọi là hệ số hấp thụ phân tử.
Các đại lượng hay sử dụng biểu thức (2.12) chính là cơ sở cho phương pháp phân tích định lượng. Tuy nhiên, quan hệ giữa cường độ ánh sáng và nồng độ của dung dịch thông qua hàm logarit, để thuận tiện cho sử dụng, chúng ta thường sử dụng các đại lượng sau: Độ truyền quang T là tỉ lệ giữa cường độ chùm sáng đơn sắc sau khi đi qua dung dịch It với cường độ chùm sáng đơn sắc chiếu vào I0, lúc đó T = It/I0 = 10-εlC (2.13). Nếu l = 1 cm thì T gọi là hệ số truyền quang. Trên các máy phân tích, T thường được biểu diễn bằng %, thang đo T từ 0 ÷ 100; Mật độ quang (2.12)
49
D (Dentisity) hay độ hấp thụ A (Absorption) hay độ tắt E (Extinction) được định nghĩa theo biểu thức sau: D = A = E = - lg T = lg(I0 /It) = ε.l.C
Với các dung dịch chứa chất hấp thụ xác định, đựng trong các cuvet có kích thước như nhau thì ε và l là không đổi, khi này có thể biểu diễn: D = A = K.C (2.15). Hay nói cách khác, sự phụ thuộc giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch là tuyến tính, đó chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng trắc quang phân tử. Như vậy, nguyên tắc chung của phương pháp đo quang để xác định một chất X nào đó, ta chuyển nó thành một chất có khả năng hấp thụ ánh sáng.
b. Phương pháp phổ huỳnh quang [55], [146]
Phương pháp phát quang dựa trên phép đo cường độ bức xạ do chất phân tích phát ra dưới tác dụng của năng lượng bức xạ điện từ chiếu vào nó. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào định luật huỳnh quang định lượng: trong khoảng nồng độ C đủ bé (ɛlC≤ 0,01), cường độ bức xạ huỳnh quang tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích (C), hệ số hấp thụ phân tử mol (ɛ) và cường độ ánh sáng tới I0 theo biểu thức: iF = 2,303. K.I0.ɛ.l.C (2.16).
Khi hấp thụ bức xạ (với năng lượng đủ lớn), electron chuyển đổi từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích, ứng với mức năng lượng cao hơn. Đó là quá trình chuyển electron từ các MO bị chiếm ở trạng thái cơ bản lên các MO không bị chiếm và sau đó, phân tử ở trạng thái kích thích.
(2.14)
Hình 2.1. Các quá trình giải phóng năng lượng kích thích
50
Sau khi hấp thụ năng lượng bức xạ và ở trạng thái kích thích, trong một khoảng thời gian ngắn, từ 10-8 giây đến 10-3 giây, phân tử sẽ giải phóng năng lượng kích thích và trở về lại trạng thái cơ bản dưới nhiều con đường khác nhau (Hình 2.1) như: huỳnh quang; chuyển đổi nội bộ hay dao động phục hồi (internal conversion, IC), đó là chuyển trực tiếp về trạng thái cơ bản nhưng không kèm phát huỳnh quang; chuyển ngang (intersystem crossing, ISC), kèm theo sau đó là quá trình lân quang (phosphorescence) hoặc huỳnh quang trì hoãn (delayed fluorescence);
chuyển điện tích nội phân tử (intramolecular charge transfer); chuyển đổi cấu hình (conformational change); hoặc là các quá trình xảy ra từ tương tác giữa trạng thái kích thích với các phân tử khác như chuyển dịch electron, chuyển dịch proton, chuyển dịch năng lượng, hình thành các dạng eximer, exciplex... Những con đường giải phóng năng lượng kích thích khác có thể cạnh tranh với quá trình phát huỳnh quang khi chúng xảy ra cùng thời điểm và có cùng thời gian sống (lifetime) của trạng thái kích thích. Một số quá trình trên cũng có thể dẫn đến hình thành một số dạng trung gian có thể phát huỳnh quang và ảnh hưởng đến phổ huỳnh quang của chất ban đầu.
Hình 2.2 trình bày các quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái electron có thể có, bao gồm: hấp thụ photon, chuyển đổi nội (dao động phục hồi), huỳnh quang, chuyển ngang, lân quang và huỳnh quang trì hoãn. Các trạng thái singlet được ký hiệu là S0 (trạng thái cơ bản), S1, S2... (cho các trạng thái kích thích). Các trạng thái kích thích triplet được ký hiệu là T1, T2...
Hình 2.2. Quá trình chuyển đổi bức xạ và không bức xạ giữa các trạng thái electron
51
Khi phân tử bị kích thích có thể hấp thụ năng lượng của các dải bức xạ ở các bước sóng khác nhau như λ1, λ2..., tương ứng với các bước chuyển S0→S1 và S0→S2, sau đó xảy ra các quá trình phục hồi dao động về trạng thái S1, rồi phát huỳnh quang bức xạ ở bước sóng λ3 để trở về trạng thái cơ bản S0. Như vậy, phổ huỳnh quang không phụ thuộc vào bước sóng kích thích, hay nói chính xác hơn chỉ phụ thuộc vào sự khác biệt năng lượng giữa trạng thái cơ bản S0 và trạng thái kích thích S1. Thông thường, phổ huỳnh quang chuyển về vùng bước sóng dài hơn so với phổ hấp thụ do mất mát năng lượng.
Bên cạnh đó cũng có các quá trình khác cạnh tranh với quá trình phát huỳnh quang, bao gồm: quá trình phục hồi dao động từ S1→S0 mà không phát xạ huỳnh quang; hay quá trình chuyển ngang giữa trạng thái S1→T1, rồi sau đó phát lân quang ở bước sóng λ4 để trở về trạng thái cơ bản S0.
Quá trình dao động phục hồi là quá trình chuyển đổi không phát xạ giữa hai trạng thái electron cùng độ bội spin, hướng đến mức dao động nhỏ nhất, trong đó năng lượng dư thừa thường được chuyển giao từ phân tử kích thích sang dung môi xung quanh thông qua quá trình va chạm.
Quá trình chuyển ngang là quá trình chuyển đổi không phát xạ huỳnh quang giữa hai trạng thái electron có độ bội spin khác nhau, ví dụ từ trạng thái S1→T1. Quá trình này đủ nhanh (10-10 giây đến 10-8 giây) để cạnh tranh với các quá trình khác như huỳnh quang và quá trình phục hồi dao động.
Quá trình chuyển đổi từ trạng thái T1 về trạng thái S0 (về nguyên tắc quá cũng bị cấm do khác biệt độ bội spin, nhưng cũng có thể xảy ra thông qua ghép nối spin-orbit) và giải phóng năng lượng kích có thể không kèm theo bức xạ (chuyển ngang sau đó là quá trình phục hồi dao động), hoặc kèm theo bức xạ (gọi là lân quang).
Thời gian phân tử hấp thụ bức xạ diễn ra nhanh, khoảng 10-15 giây. Quá trình dao động phục hồi diễn ra trong khoảng 10-11 giây đến 10-9 giây. Quá trình chuyển ngang diễn ra trong khoảng từ 10-10 giây đến 10-8 giây. Trong khi đó, thời gian sống của trạng thái kích thích S1 khoảng từ 10-10 giây đến 10-7 giây, còn của trạng thái T1
lâu hơn nữa, từ 10-6 giây đến vài giây.
52