Spektrofotometrie

Spektrofotometrie je pole, které studie měření energie dopravované na elektromagnetické záření v oblasti viditelného světla. Spektrometrie nebo spektroskopie, je kvantitativní a kvalitativní analytická metoda, která zahrnuje měření absorbance nebo optické hustoty chemické látky dané, obvykle v roztoku . Čím je vzorek koncentrovanější, tím více světla absorbuje v mezích proporcionality stanovených zákonem Beer-Lambert .

Optická hustota vzorků se stanoví spektrometrem předem kalibrovaným na vlnovou délku absorpce studované látky.

Zásada

Další podrobnosti najdete v článku Beer-Lambertův zákon .

Když intenzivní světlo prochází roztokem, jeho část je absorbována rozpuštěnými látkami. Intenzita procházejícího světla je proto menší než . Absorbanci roztoku definujeme jako: Já0{\ displaystyle I_ {0} \;}Já{\ displaystyle I \;}Já0{\ displaystyle I_ {0} \;}

NA=log⁡(Já0Já){\ displaystyle A = \ log \ left ({\ frac {I_ {0}} {I}} \ right)}.

Mluvíme také o propustnosti definované vztahem:

T=JáJá0{\ displaystyle T = {\ frac {I} {I_ {0}}}}to znamená .NA=-log⁡T{\ displaystyle A = - \ log {T} \;}

Absorbance je kladná hodnota bez jednotky. Čím větší, tím nižší je vysílaná intenzita.

Vztah Beer-Lambert popisuje, že při dané vlnové délce λ je absorbance roztoku úměrná jeho koncentraci a délce optické dráhy (vzdálenosti, kterou světlo prochází roztokem).

Takže u čirého roztoku obsahujícího jedinou absorpční látku:

NAλ=ελlvs.{\ displaystyle A _ {\ lambda} = \ varepsilon _ {\ lambda} \; l \; c}

• NAλ{\ displaystyle A _ {\ lambda} \;}je absorbance nebo optická hustota (bez jednotky) roztoku pro vlnovou délku λ;
• vs.{\ displaystyle c \;}(v mol.m −3 ) je koncentrace absorpční látky;
• l{\ displaystyle l \;}(v cm) je délka optické dráhy  ;
• ελ{\ displaystyle \ varepsilon _ {\ lambda} \;}(v m 3 .mol -1 .cm -1 ) je molární extinkční koeficient absorbující látky v roztoku. Představuje schopnost této látky absorbovat světlo při vlnové délce λ.

Podle zákona Beer-Lamberta je absorbance aditivní (nikoli však propustná). U roztoku obsahujícího několik absorpčních látek je tedy absorbance roztoku součtem jejich absorbance. Pro n absorpčních látek:

NA=∑i=1neNAi(ελ,i,l=1vs.m,vs.i)=ελ,1vs.1+ελ,2vs.2+...+ελ,nevs.ne{\ displaystyle A = \ sum _ {i = 1} ^ {n} A_ {i} (\ varepsilon _ {\ lambda, i}, l = 1 cm, c_ {i}) = \ varepsilon _ {\ lambda, 1 } \; c_ {1} + \ varepsilon _ {\ lambda, 2} \; c_ {2} + ... + \ varepsilon _ {\ lambda, n} \; c_ {n}}.

UV viditelný rozsah spektrometrie

Další podrobnosti najdete v článku Spektroskopie

Barevná látka nebo chromofor absorbuje viditelné světlo ( vlnové délky mezi 400 a 800  nm ). Některá řešení absorbují ultrafialové záření (vlnové délky menší než 380  nm ), toto se nazývá UV spektrometrie . Infračervené se nepoužívá ve spektroskopii, protože závisí především na teplotě roztoku a ne jeho koncentraci , nýbrž se vztahuje na infračervenou spektroskopií. Spektrofotometrie je specifičtější než spektroskopie, která pokrývá jiné vlnové délky elektromagnetického spektra .

Spektrometr

Další podrobnosti najdete v článku Spektrometr

Schéma jednopaprskového UV-viditelného spektrometru

Spektrometr měří absorbance roztoku při dané vlnové délce. Zařízení monochromátoru umožňuje generovat z viditelného nebo ultrafialového zdroje světla monochromatické světlo , jehož vlnovou délku volí uživatel. Dopadající jednobarevné světlo o intenzitě pak prochází nádrží obsahující studovaný roztok a přístroj měří intenzitu procházejícího světla. Hodnota zobrazená spektrofotometrem je absorbance na požadované vlnové délce. Spektrofotometr lze použít k okamžitému měření absorbance při dané vlnové délce nebo k vytvoření absorpčního spektra (skenovací spektrofotometr). V druhém případě monochromátorové zařízení v krátké době popisuje všechny vlnové délky mezi dvěma hodnotami zvolenými operátorem. Já0{\ displaystyle I_ {0} \;}Já{\ displaystyle I \;}

Limity

Několik faktorů může degradovat Beer-Lambertův zákon a omezit platnost spektrofotometrie:

• ideální rozsah měření je pro hodnoty T mezi 20 a 60%;
• několik optických aberací spojených s rozptylem , odrazem a difrakcí světla může měření narušit;
• mohou rušit fluorescenční jevy i další chemické zvláštnosti spojené s absorpčními látkami;
• čím větší je hustota rozpuštěné látky, tím více se paprsek dopadajícího světla lome s danou hodnotou. Tato tendence je obvykle malá, ale při vyšších koncentracích se stává výraznější. Refrakce tedy snižuje intenzitu procházejícího světla a přístroj falešně indikuje vyšší absorbanci. Obecně se tomuto jevu lze vyhnout prací s koncentracemi pod 0,01 mol.L −1 .

Důležitost difuzního jevu

Viz.

Jak uvádí zákon Beer-Lambert, síla média blokovat průchod světla je kvantifikována extinkčním koeficientem daným rovnicí:

Já/Já0=E-yX.{\ displaystyle I / I_ {0} = e ^ {- \ gamma \, x}. \,}

Tato impedance je generována dvěma odlišnými jevy: absorbance a difúze.

• K rozptylu dochází, když je světlo odkloněno částicemi v médiu tak, že nedosahuje na druhou stranu vzorku.
• Absorbance je proces, při kterém je světelná energie absorbována molekulami ve vzorku, než je uvolněna jako teplo nebo uložena jako chemické vazby.

Takže koeficient předchozí rovnice je složen z koeficientu difúze ( ) a koeficientu absorpce ( ), to znamená: y{\ displaystyle \ gamma \,}τ{\ displaystyle \ tau \,}α{\ displaystyle \ alpha \,}

y=τ+α.{\ displaystyle \ gamma = \ tau \, + \, \ alfa.}

Koeficient difúze lze vyjádřit součinem koncentrace částic ,, a průřezu z druhé, (za předpokladu, že tyto částice jsou homogenní a rovnoměrně rozděleny v médiu), máme: NE{\ displaystyle N \,}σ{\ displaystyle \ sigma \,}

τ=NEσ.{\ displaystyle \ tau = N \, \ sigma.}

Průřez, který je měřítkem podílu světla rozptýleného na částici, je funkcí jejich velikosti. Ve skutečnosti u malých částic (např. Jejich průměr představuje 10% dopadající vlnové délky) převládá Rayleighův rozptyl . Rayleighův rozptyl závisí na délce dráhy, koncentraci rozptylových částic, vlnové délce a jejich polarizaci . Pro ideálně sférickou částici je napsán Rayleighův průřez:

σs=2π53d6λ4(ne2-1ne2+2)2.{\ displaystyle \ sigma _ {s} = {\ frac {2 \ pi ^ {5}} {3}} {\ frac {d ^ {6}} {\ lambda ^ {4}}} \ vlevo ({\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} \ vpravo) ^ {2}.}

• d{\ displaystyle d \,} je průměr částic,
• λ{\ displaystyle \ lambda \,} je vlnová délka,
• ne{\ displaystyle n \,}je index lomu .

Tato rovnice předpovídá, že krátké vlnové délky budou nejvíce rozptýleny.
U částic větších než je vlnová délka podléhají složitějšímu jevu zvanému Mieův rozptyl . Vzhledem k tomu, že světlo bude rozptýleno v různých úhlech, je v tomto případě nutno v průřezu zohlednit tvar částic. Maximální efektivní část se získá, když se velikost částice blíží dopadající vlnové délce. Rozptyl se s rostoucím rozdílem mezi velikostí částic a vlnovou délkou stále více zmenšuje (to je případ molekulární spektrofotometrie).

Aplikace

Stanovení neznámé koncentrace

Známe absorpční spektrum chemické látky, můžeme měřit na jedné z jejích vlnových délek (kde je absorpce maximální) odchylky v intenzitě světelného paprsku procházejícího stejnou tloušťkou. Řešení různých koncentrací. λmnaX{\ displaystyle \ lambda _ {max} \;}Já{\ displaystyle I \;}l{\ displaystyle l \;}

To umožňuje experimentálně stanovit křivku vztahující se k absorbanci a koncentraci studované látky (s ) provedením měření různých koncentrací. Tato křivka je kalibrační křivka . NA=F(vs.){\ displaystyle A = f (c) \;}l=1vs.m{\ displaystyle l = 1cm \;}NA{\ displaystyle A \;}

Experimentální kalibrační křivka pak umožňuje určit neznámou koncentraci roztoku této látky jednoduchým měřením jeho absorbance a vynesením do grafu . NA=F(vs.){\ displaystyle A = f (c) \;}

Lambert-Beerův zákon má limity. Je lineární pouze v rozsahu snížené koncentrace, který seskupuje hodnoty nižší než 10 −2 mol.L −1 .

Sledování kinetiky chemické reakce

Když během chemické reakce, pro kterou chceme studovat kinetiku jedné z chemických látek v roztoku, je možné pomocí absorpční spektrofotometrie sledovat koncentraci této látky (obvykle barevné). Pokud je tato látka činidlem , absorbance roztoku v průběhu času klesá. Pokud naopak jde o produkt reakce, absorbance roztoku se časem zvyšuje.

Příklady

• Můžeme sledovat kinetiku oxidačně-redukční reakce v kyselém prostředí , mezi kyselinou šťavelovou C 2 H 2 O 4 manganistanovým iontem MnO 4 - (fialové zbarvení) měřením poklesu jeho absorbance pro vlnovou délku λ = 540  nm .

2MneÓ4-(protiiÓlEt)+6H++5VS2Ó4H2→2Mne2+(inevs.ÓlÓrE)+8H2Ó+10VSÓ2{\ displaystyle 2MnO_ {4} ^ {-} (fialová) + 6H ^ {+} + 5C_ {2} O_ {4} H_ {2} \ rightarrow 2Mn ^ {2 +} (bezbarvý) + 8H_ {2} O + 10CO_ {2}}.Spektrofotometrická titrace

Reference

James Henkel, Základy kvality léčivých přípravků (str. 130 133). 1978, The Mosby Company, ( ISBN  0801600316 ) .

1. Srov. G. Bruhat (2005), Optika , šesté vydání, Dunod: § Spectrophotometry.
2. (in) Rozptyl světla a molekulární spektrofotometrie

Bibliografie

• Georges Bruhat , Optique , šesté vydání, sbírka referenčních kurzů, Dunod, 2005, 1152 s.

Podívejte se také

Související články

• Světlo
• Chromofor
• Absorbance
• Spektrometrie
• Absorpční spektrometrie
• Spektroskopie

externí odkazy

• Simulace spektrofotometru ( Ang )

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">