QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS (THE SCIENCE OF CHEMICAL MEASUREMENTS) by Dạy Kèm Quy Nhơn Official

QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS

MỞ ĐẦU 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. 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.

NỘI DUNG 1

QUANG PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾN UV-VIS

3 2

MÀU SẮC CỦA SỰ HẤP THỤ

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3 4

CẤU TẠO MÁY UV-VIS

ỨNG DỤNG CỦA PHỔ UV-VIS

PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI – KHẢ KIẾN UV – VIS QUANG PHỔ LÀ GÌ ?

Nghiên cứu cấu trúc phân tử và động lực thông qua sự hấp thu, phát xạ và tán xạ ánh sáng.

Phổ hấp thụ

+ Phổ hồng ngoại + Phổ Raman + Electron UV – VIS

Phổ electron

PHá»&#x201D; ELECTRON

1.1. VÙNG PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI – KHẢ KIẾN UV – VIS

Vùng UV là vùng tử ngoại, có 2 loại:

+ Vùng tử ngoại xa, bước sóng l < 200nm + Vùng tử ngoại gần, l = 200nm - 400nm

- Vùng VIS là vùng ánh sáng mà ta nhìn thấy được, l = 400nm - 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 phân tử, nhóm phân tử các chất khi ở điều kiện thường tồn tại ở trạng thái cơ bản Eo. Khi bị kích thích các electron hoá trị trong các liên kết π, δ 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

SƠ ĐỒ MỨC NĂNG LƯỢNG E CỦA CÁC ĐÁM MẤY OBITAL

Bước chuyển dời năng lượng

λ (nm)

Năng lượng kích thích E (kcal/mol)

→ → → →

120 160 180 280

230 184 162 82

δ π n n

δ∗ π∗ δ∗ π∗

Hiệu 2 mức năng lượng cơ bản Eo và kích thích Em là năng lượng phân tử hấp thụ từ nguồn sáng

∆E (e) = Em - Eo = hc / λ

FORMALDEHYD (HCHO)

H C

H σ=

π= n=

Phổ UV – VIS là gì?

Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS là phổ do sự tương tác

giữa các điện tử hoá trị trong các liên kết d, p và đôi điện tử n ở trong phân tử hay nhóm phân tử của các chất với chùm tia sáng kích thích thích hợp 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 tuỳ thuộc vào cấu trúc và loại liên kết trong phân tử hay nhóm nguyên tử

Vùng sóng 200nm – 800nm

Phổ UV – VIS là phổ đám ( phổ băng )

1.3. ĐỊNH LUẬT HẤP THỤ LIÊN QUAN

ĐỊNH LUẬT BOUGHER-LAMBER’S

ĐỊNH LUẬT LAMBER-BEER’S

ĐỊNH LUẬT BOUGHER-LAMBER-BEER

1.3.1. ĐỘ TRUYỀN QUA T

1 phần cường độ chùm sáng đi qua cuvet It

1 phần cường độ chùm sáng bị phản xa, tán xạ Ifx, Itx

1 phần cường độ chùm sáng bị chất mẫu hấp thụ Ih

Cường độ chùm sáng ban đầu là Io. Ta có: Io = It + Itx + Ifx + Ih

( Itx, Ifx < 1%)

Io = It + Ih

Độ truyền qua T được xác định

Độ hấp thụ quang A

T = ( I / Io ) * 100% A = lg 1/T = lg Io / I A = f (λ, L, C )

Mật độ quang D

D = ΚLC

1.3.2. ĐỊNH LUẬT BOUGUER - LAMBERT

T = I / I 0 = e − Const⋅Pathlength

1.3.3. ĐỊNH LUẬT LAMBERT BEER’S

Concentration

T = I / I 0 = e − Const⋅Concentration

Light

Glass cell filled with concentration of solution (C)

A = f (λ λ, L, C)

Khi nồng độ dung dịch tăng lên, cường độ truyền ánh sáng giảm.

ĐỊNH LUẬT BOUGHER-LAMBERT - BEER A = f (λ λ, L, C)

A = − log T = − log (I / I 0 ) = log (I 0 / I ) = k .L.C

A=f(Î»)

A=f(L)

Absorbance at 280 nm

A=f(C)

1.0

0.5

4 2 3 Concentration (mg/ml)

Sự tương quan giữa hai thang đo A và T

1.3.4. Độ hấp thụ quang A Aλ = εLCb

Đặt k = εL → Aλ = kCb

Trong đó: Cx nồng độ chất k Hằng số điều kiện thực nghiệm b Hằng số bản chất 0 < b ≤ 1 Ý nghĩa: Aλ = kCb Với mỗi 1 chất luôn có giá trị Co + Nếu Cx < Co : b = 1. Quan hệ giữa Aλ và Cx là tuyến tính và có dạng y = ax + Nếu Cx > Co : b < 1. Quan hệ giữa Aλ và Cx là không tuyến tính

1.3.5. ĐIỀU KIỆN ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT -

Thiết bị phải có khả năng tạo ra chùm tia có độ đơn sắc nhất định

Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dưới tác dụng của tia UV-VIS

Dung dịch phải nằm trong khoảng nồng độ thích hợp

Dung dịch phải trong suốt để hạn chế các hiện tượng quang học khác

1.4. SỰ CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TỬ TRONG CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Chuyển

mức σ − σ*

Sự chuyển vị của các e trong liên kết σ của các hợp chất hữu cơ từ obital liên kết lên obital 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

Chuyển mức n - σ*

Sự chuyển vị của các điện tử từ obital n lên các obital σ* trong các nguyên tử như O, N, S

Xảy ra ở vùng phổ tử ngoại gần có cường độ không lớn. Sự dịch chuyển này dao động ở 180nm cho ancol, dẫn xuất halogen là 190nm. Đối với các amin là 220 nm

Ví dụ: Ete có bước sóng max là 190nm ; methanol có bước sóng lớn nhất là 183nm ; etylamin có bước sóng lớn nhất là 210nm

Chuyển mức n - π*

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 π − π*

Các hợp chất đồng phân với etylen chứa liên kết đôi trong phân tử có khả năng hấp thụ mạnh trong khoảng bước sóng 170nm

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 d – d

Sự chuyển mức này xảy ra ở các obital d, nhất là ở các kim loại vùng chuyển tiếp

Các phối tử có cặp điện tử tự do tham gia lai hóa với nhứng obital này chuyển điện tử vào các obital này gây ra sự chuyển mức

Màu tạo ra của các phức làm cho phức có khả nưng hấp thụ những bước sóng ở vùng khả kiến

2. Màu sắc của sự hấp thụ

Màu của vật chất và khả năng hấp thụ tia sáng của chúng có liên quan chặt chẽ 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

Sự tương tác này là cơ sở của phép đo phổ trong vùng phổ UV-VIS

TRUYỀN TẢI VÀ MÀU SẮC

Mắt người nhìn thấy màu sắc mà vật hấp thụ ???

HẤP THỤ VÀ MÀU SẮC BỔ SUNG

3. Yếu tố ảnh hưởng

3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI

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 - π* của nhóm cacbonyl Nguyên nhân là do sự làm bền trạng thái n của dung môi

CHUYỂN DỊCH ĐỎ Là hiện tượng các hợp chất hữu cơ có xu hướng hấp thụ những bức xạ có bước sóng dài hơn trong những dung môi có độ phân cực cao hơn Hiện tượng được tìm thấy ở các phân tử hữu cơ mà trong cấu trúc phân tử của nó có sự liên hợp

Nguyên nhân của hiện tượng này do khi mạch C càng dài thì hiệu ứng liên hợp càng tăng, dẫn tới độ lệch năng lượng giữa hai trạng thái giảm. Trong phan tử hữu cơ có hiệu ứng liên hợp càng dài thì bước sóng hấp thụ càng lớn

ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI

2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA PH

Ảnh hưởng của độ bền phức

Ảnh hưởng đến sự tạo phức

Ảnh hưởng dạng tồn tại

2.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC PHÂN TỬ CHẤT TAN

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 p, p liên hợp và đôi điện tử do n của các dị tố trong phân tử quyết định sinh ra phổ UV-VIS C = C, C = C - C = C , C = O, N = N, C = N....

Loại liên kết và bản chất liên kết trong phân tử Số liên kết π liên hợp, Số nguyên tố dị tố Số nhóm thế, bản chất và cấu trúc của nhóm thế Cấu trúc lớp vỏ e của ion kim loại trung tâm tạo phức và nhóm mang màu, nhóm tăng màu Ảnh hưởng của vị trí không gian, hiệu ứng lập thể.

Nhóm chức Nhóm

chức là những nhóm nhỏ được tạo thành từ nhiều

nguyên tử, quyết định tính chất của hợp chất hữu cơ Tại

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

ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM CHỨC Auxochrome function group

ẢNH HƯỞNG CỦA MẠCH C LIÊN KẾT

Quy luật của liên hợp

CH3CH2CH2CH=CH2

λmax= 184 εmax = ~10,000

CH2=CHCH2CH2CH=CH2

λmax=185

H2C=CHCH=CH2

λmax=217 εmax = ~21,000

εmax = ~20,000

Bước sóng λmax thay đổi theo loại liên kết và mạch C

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

Hypsochr omic

Để Greater hấp thụ

Hyperchr omic

Để Hạ hấp thụ

Hypochr omic

4. CẤU TẠO MÁY QUANG PHỔ UV-VIS

Hệ thống quang học của máy quang phổ 1 chùm tia

CẤU TẠO MÁY QUANG PHỔ THÔNG THƯỜNG Máy UV-VIS hai chùm tia

Máy UV-VIS chia chùm

Hệ thống quang học của máy quang phổ hai chùm tia

4.1. NGUỒN SÁNG:

Nguồn sáng có nhiệm vụ cung cấp bức xạ tương thích với quá trình đo. Bức xạ được cung cấp bởi nguồn sáng thường là chùm bức xạ đa sắc, nó bao trùm một khoáng rộng của phổ

4.2. BỘ PHẬN ĐƠN SẮC HÓA

Kính lọc: Vùng áp dụng VIS

Lăng kính: Dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng

Cách tử: Sử dụng nhiều nhất là cách tử phản xạ

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

4.3. BUỒNG ĐO

ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN QUA CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU

Lưu ý rằng tất cả các vật liệu hiện mất ít nhất khoảng 10% tổn thất đường truyền ở tất cả các bước sóng

4.4. DETECTER

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

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 đo xác định

DETECTOR ỐNG NHÂN QUANG Anode

DETECTOR Máº¢NG DIOD

5. ỨNG DỤNG

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.

+ 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

5.2. PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH, ĐỊNH LƯỢNG CÁC CẤU TRÚC PHÂN TỬ, CÁC MẪU CHẤT. Nguyên tắc phép đo phổ

4. Nguyên tắc phép đo phổ 1

Chuẩn bị dung dịch đo phổ

3 2

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 λ ở vị trí hấp thụ cực đại của băng phổ.

3 4

Ghi giá trị độ hấp thụ quang A

Các phương pháp định lượng

Phương pháp dãy chuẩn bằng mắt

Phương pháp chuẩn độ so sánh màu bắng mắt

Phương pháp cân bằng màu bằng mắt

Phương pháp đường chuẩn

Phương pháp thêm chuẩn

Phương pháp một mẫu chuẩn

Định lượng dung dịch có nhiều thành phần

+ Tính cộng của độ hấp thụ ánh sáng + Đo quang hỗn hợp tại nhiều bước sóng + Quang phổ đạo hàm

A, Phương pháp đo 1 bước sóng Công thức của định luật Lambert-Beer Dc = εcLCc Dx = εxLCx

Cc Dx Cx = Dc

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 ε là hệ số hấp thụ quang

B, Phương pháp lập đường chuẩn 1. Chọn bước sóng lớn nhất λmax 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 5. Pha mẫu phân tích sao cho nồng độ dung dịch mẫu

Là một công cụ phân tích tốt để xác định nồng độ mẫu chất. Thông thường, bạn phải xác định phạm vi đó bằng thực nghiệm . Được thực hiện bởi thực hiện một loạt pha loãng của các mẫu chất . Những mẫu chất pha loãng cho một đường cong làm việc. Dựa vào đường cong xác định nồng độ 1 chất bất kỳ nằm trong khoảng tuyến tính

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

PHỔ HẤP THỤ DẪN XUẤT CỦA HEMOGLOBIN

CÓ THỂ TÍNH Λ−MAX? Molar Absorptivity (l/mol-cm)

Electronic Spectra

50243

40194

30146

20097

10049 nacindolA 0 220

Wavelength (n 230

240

250

260

270

280

290

300

Electronic Spectra

Molar Absorptivity (l/mol-cm) 51972

41578

31183

20789

10394

Nacetylindol 0 220

Wavelength ( 230

240

250

260

270

280

290

300

THE ORBITALS INVOLVED

55487

44390

33292

22195

11097

0 200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

Nhóm cộng thêm Đơn vị cộng: nm Một nối đôi bổ sung cho nhóm mang màu +30 Nối đôi ngoại vòng +5 Alkyl +5 O-Acyl 0 S-alkyl +30 O-alkyl +6 NR2 +60 Cl, Br +5

HỢP CHẤT ENOL β α

Ο α

+18

δ,+

Nối dôi liên hợp C=C

+30

Nối đôi ngoại vòng C=C

Dien nội vòng

+39

X=OH 193

alkyl

+10

+12

X=OR 193

+35

+30

OAcyl

O-alkyl

+35

+30

+17

+31

+15/+25

+12/+30

X=H 207

X=R 215

With solvent correction of….. Water

EtOH

CHCl3

-1

Dioxane

-5

Et2O

-7

Hydrcrbn -11

NR2 S-alkyl Cl/Br

+18 +50

VÒNG BENZEN UV of Benzene in heptane

From Crewes, Rodriguez, Jaspars, Organic Structure Analysis

Group

K band (εε)

B band(ε ε)

R band

Alkyl

208(7800)

260(220)

-OH

211(6200)

270(1450)

-O-

236(9400)

287(2600)

-OCH3

217(6400)

269(1500)

NH2

230(8600)

280(1400)

-F

204(6200)

254(900)

-Cl

210(7500)

257(170)

-Br

210(7500)

257(170)

-I

207(7000)

258/285(610/180 )

-NH3+

203(7500)

254(160)

-C=CH2

248(15000)

282(740)

-C≡CH

248(17000)

278(6500

-C6H6

250(14000)

-C(=O)H

242(14000)

280(1400)

328(55)

-C(=O)R

238(13000)

276(800)

320(40)

-CO2H

226(9800)

272(850)

-CO2-

224(8700)

268(800)

-C≡N

224(13000)

271(1000)

-NO2

252(10000)

280(1000)

330(140)

Tên của hợp chất

2,4-dimethylpenta-1,3-dien

Woodward phần

Đóng góp

Core- Transoid / Heteroannular dien Giá trị cơ bản

+ 215 nm

Thế- 3 nhóm alkyl

3 x 5 = + 15 nm

Tác dụng khác

Tính λmax

230 nm

Λmax quan sát

234 nm

THỰC HÀNH 1 VÀI VÍ DỤ Base value 2 x thế ankyl.

217 10

Nối đôi ngoại vòng 5 total

232

Đo. Giá trị cơ bản

237 214

3 x thế ankyl.

Nối đôi ngoại vòng 5 Tổng O

Đo. Giá trị cơ bản 2 ß thế ankyl. Tổng

235 215 24 239

Đo.

237

DẠNG ISO! Giá trị cơ bản 214 4 x alkyl subst. 20 Nối đôi ngoại vòng 5 Tổng 239 Đo.

238

Giá trị cơ bản 4 x thế alkyl .

253 20

HO2C

Exo Tổng Đo. HO2C

5 278 273

Nguồn sinh ra năng lượng

ĐỘ CHỤM VÀ ĐỘ ĐÚNG

Độ chụm –

Độ chụm +

Độ chụm –

Độ chụm +

Độ đúng –

Độ đúng +

Phổ hấp thụ UV-VIS