Εισαγωγή στις Φασματομετρικές Τεχνικές Μέτρηση της έντασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μετά από αλληλεπίδραση με την ύλη. Η μέτρηση της έντασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας επιτυγχάνεται με φωτοηλεκτρικούς ή άλλους κατάλληλους μεταλλάκτες. Οπτικές Μέθοδοι Ανάλυσης Οπτικές Τεχνικές Ανάλυσης

Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Παράσταση μονοχρωματικής δέσμης, πολωμένης σε επίπεδο: (α) ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο το καθένα σε ορθή γωνία ως προς το άλλο και κατεύθυνση διάδοσης, (β) διδιάστατη παράσταση του ηλεκτρικού διανύσματος.

c = 3,00  cm/s Απορρόφηση ακτινοβολίας Εκπομπή ακτινοβολίας

Ενεργειακές καταστάσεις χημικών σωματιδίων 1.Σωματίδια (άτομα, ιόντα και μόρια) μπορούν να βρίσκονται σε καθορισμένες, διακριτές καταστάσεις, που χαρακτηρίζονται από ορισμένα ποσά ενέργειας. 2.Όταν ένα σωματίδιο αλλάζει ενεργειακή κατάσταση, απορροφά ή εκπέμπει μια ποσότητα ενέργειας ακριβώς ίση με τη διαφορά ενεργειών των δύο καταστάσεων. 3.Όταν άτομα, ιόντα ή μόρια απορροφούν ή εκπέμπουν ακτινοβολία, για να μεταβούν από μια ενεργειακή κατάσταση σε άλλη, η συχνότητα ν ή το μήκος κύματος λ της ακτινοβολίας σχετίζεται με τη διαφορά των ενεργειών στις δύο καταστάσεις και υπολογίζεται από τη σχέση:

Εκπομπή ακτινοβολίας Διάγραμμα ενεργειακών επιπέδων (α) ενός ατόμου νατρίου που δείχνει την προέλευση ενός γραμμωτού φάσματος και (β) ενός απλού μορίου που δείχνει την προέλευση ενός ταινιωτού φάσματος.

Γραμμωτά φάσματα (line spectra) Ταινιωτά φάσματα (band spectra) Φάσμα εκπομπής δείγματος θαλασσίου ύδατος με φλόγα οξυγόνου-υδρογόνου

Συνεχή φάσματα Θερμική ακτινοβολία (ακτινοβολία μέλανος σώματος - blackbody radiation): 1.χαρακτηριστική της θερμοκρασίας της εκπέμπουσας επιφάνειας παρά της ουσίας από την οποία συνίσταται αυτή. 2.παράγεται από τις αναρίθμητες ατομικές και μοριακές ταλαντώσεις, οι οποίες διεγείρονται στο συμπυκνωμένο στερεό από τη θερμική ενέργεια Καμπύλες ακτινοβολίας μελανού σώματος.

Απορρόφηση ακτινοβολίας Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διέρχεται μέσα από ένα στρώμα στερεού, υγρού ή αερίου, είναι δυνατόν να απομακρυνθούν εκλεκτικά με απορρόφηση μερικές συχνότητες ως αποτέλεσμα της μεταφοράς ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας στα άτομα, τα ιόντα ή τα μόρια, τα οποία συνθέτουν το δείγμα. 1.Τα άτομα, μόρια ή ιόντα έχουν περιορισμένο αριθμό διακριτών ενεργειακών επιπέδων 2.Για να απορροφηθεί ακτινοβολία πρέπει το φωτόνιο, το οποίο θα προκαλέσει τη διέγερση, να έχει ακριβώς την ενέργεια που αντιστοιχεί στη διαφορά ενεργειών της βασικής και μιας διεγερμένης κατάστασης του απορροφoύντος σωματιδίου

Ατομική απορρόφηση Μοριακή απορρόφηση Ατομική απορρόφηση: απλά φάσματα με στενές γραμμές απορρόφησης που οφείλονται μόνο σε ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις Τυπικά φάσματα απορρόφησης Μοριακή απορρόφηση: πολύπλοκα φάσματα που οφείλονται στην ύπαρξη πολλών ενεργειακών καταστάσεων (ηλεκτρονιακών, δονητικών και περιστροφικών) Ε = Ε ηλεκτρονιακή + Ε δονητική + Ε περιστροφική

Μηχανισμοί αποδιέγερσης Αποδιέγερση χωρίς εκπομπή ακτινοβολίας Απώλεια ενέργειας με μικρά-μικρά βήματα Η ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια κατά τη σύγκρουση των σωματιδίων μεταξύ τους, με σύγχρονη αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος

Μηχανισμοί αποδιέγερσης Αποδιέγερση με φθορισμό και φωσφορισμό 1.Τα μόρια επιστρέφουν στη θεμελιώδη κατάσταση με εκπομπή ακτινοβολίας από τα διεγερμένα σωματίδια. 2.Ο φθορισμός (fluorescence) πραγματοποιείται ταχύτερα από τον φωσφορισμό και γενικά συμπληρώνεται μέσα σε 1  10  5 s μετά τη διέγερση. 3.Ο φωσφορισμός (phosphorescence) εμφανίζεται σε χρόνους μεγαλύτερους από 1  10  5 s και είναι δυνατόν να συνεχίσει η εκπομπή του για λεπτά ή και ώρες μετά τη διακοπή της ακτινοβόλησης του δείγματος. 4.Ο φθορισμός και ο φωσφορισμός παρατηρούνται ευκολότερα σε γωνία 90 ο ως προς τη δέσμη διέγερσης

ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ-1 S = k P Όπου S είναι το ηλεκτρικό σήμα που καταγράφεται στον ανιχνευτή (μεταλλάκτη) P είναι η ισχύς της ακτινοβολίας K είναι μια σταθερά Οι σπουδαιότερες κατηγορίες φασματοσκοπικών τεχνικών Κατηγορία ακτινοβολία ς Μετρούμενη ισχύς ακτινοβολίας Σχέση με τη συγκέντρω ση Τύπος αναλυτικής τεχνικής ΕκπομπήΕκπεμπόμενη, Ρ e P e = k cΑτομική εκπομπή ΦωταύγειαΦωταυγάζουσα, P l P l = k cΑτομικός και μοριακός φθορισμός, φωσφορισμός και χημειοφωταύγεια ΣκέδασηΣκεδαζόμενη, P sc P sc = k cΣκέδαση Raman, θολωσιμετρία και νεφελομετρία Απορρόφησ η Εισερχόμενη Ρ 0 και διερχόμενη Ρ  log(P/P 0 ) = k c Ατομική και μοριακή απορρόφηση

ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ-2 Κατηγορία ακτινοβολίας Μετρούμενη ισχύς ακτινοβολίας Σχέση με τη συγκέντρωσ η Τύπος αναλυτικής τεχνικής ΕκπομπήΕκπεμπόμενη, Ρ e P e = k cΑτομική εκπομπή ΦωταύγειαΦωταυγάζουσα, P l P l = k cΑτομικός και μοριακός φθορισμός, φωσφορισμός και χημειοφωταύγεια ΣκέδασηΣκεδαζόμενη, P sc P sc = k cΣκέδαση Raman, θολωσιμετρία και νεφελομετρία ΑπορρόφησηΕισερχόμενη Ρ 0 και διερχόμενη Ρ  log(P/P 0 ) = k c Ατομική και μοριακή απορρόφηση

ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ-3 Γραμμική σχέση που συνδέει τη συγκέντρωση με το μετρούμενο μέγεθος Δυναμική περιοχή αναλυτικής μεθόδου Χρήσιμη περιοχή αναλυτικής μεθόδου. LOQ = όριο ποσοτικοποίησης LOL = όριο γραμμικής απόκρισης.

ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ-4 Εκπομπή και φωταύγεια Η ισχύς της ακτινοβολίας, η οποία εκπέμπεται από ένα δείγμα μετά τη διέγερσή του, είναι συνήθως ανάλογη προς τη συγκέντρωση c της προσδιοριζόμενης ουσίας (αναλύτης) (Ρe = kc) και προκύπτει ότι: S = k'c Απορρόφηση ακτινοβολίας Απαιτούνται δύο μετρήσεις ισχύος: Μία πριν περάσει η δέσμη από το δείγμα που περιέχει τον αναλύτη (Ρ 0 ) και μία μετά (Ρ). Δύο έννοιες οι οποίες συνδέονται με τη φασματομετρία απορρόφησης και σχετίζονται με τα μεγέθη Ρ 0 και Ρ, είναι η διαπερατότητα και η απορρόφηση.

Διαπερατότητα Εξασθένιση δέσμης ακτινοβολίας που διέρχεται μέσω απορροφούντος διαλύματος Ως διαπερατότητα Τ (transmittance) ορίζεται το κλάσμα της εισερχόμενης ακτινοβολίας, το οποίο διέρχεται από το μέσον : Η διαπερατότητα εκφράζεται και ως σχετικό επί τοις εκατό μέγεθος, δηλαδή

Απορρόφηση Η απορρόφηση Α (absorbance) ενός οπτικού μέσου ορίζεται με την εξίσωση Σε αντίθεση με τη διαπερατότητα, η απορρόφηση του οπτικού μέσου αυξάνει, όσο εξασθενεί η διερχόμενη δέσμη.

Νόμος του Beer Για μονοχρωματική ακτινοβολία, η απορρόφηση είναι ανάλογη με την οπτική διαδρομή b μέσα από το υλικό και τη συγκέντρωση c του απορροφούντος σωματιδίου: Α = αbc Όπου α = σταθερά αναλογίας και καλείται απορροφητικότητα (absorptivity). Το μέγεθος της α εξαρτάται από τις μονάδες των b και c. Εάν η συγκέντρωση c εκφρασθεί σε mol/L και η διαδρομή b σε cm, η απορροφητικότητα α καλείται γραμμομοριακή απορροφητικότητα (molar absorptivity) και συμβολίζεται με ε: Α = εbc όπου το ε έχει διαστάσεις L mol  1 cm  1.

Κλίμακα ανάγνωσης φωτομέτρου Φωτόμετρο απλής δέσμης για μετρήσεις απορρόφησης στην περιοχή του ορατού Ρύθμιση 0% Τ: κενή κυψελίδα, πέτασμα κλειστό Ρύθμιση 100% Τ: κυψελίδα με διαλύτη, πέτασμα ανοικτό Διαπερατότητα: Δεκαδική κλίμακα Απορρόφηση: Λογαριθμική κλίμακα

Μοριακή Φασματοσκοπία Φασματομετρία Μοριακής Απορρόφησης στο Υπεριώδες/Ορατό (UV/Vis) Απώλειες από ανάκλαση και σκέδαση

Νόμος του Βeer Προϋποθέσεις για να ισχύει ο νόμος του Beer 1.Η ακτινοβολία να είναι μονοχρωματική 2.Μοναδικό φαινόμενο η απορρόφηση 3.Ομοιομορφία διαλύματος 4.Κάθε σωματίδιο να απορροφά ανεξάρτητα και να μην επηρεάζεται τα άλλα σωματίδια του διαλύματος Αποκλίσεις από το νόμο του Beer Η γραμμική σχέση μεταξύ απορρόφησης και συγκέντρωσης δεν ισχύει εξαιτίας περιορισμών (αποκλίσεων) που χωρίζονται σε 1.Πραγματικούς περιορισμούς 2.Φαινομενικούς περιορισμούς Χημικές αποκλίσεις Οργανολογικές αποκλίσεις

Αποκλίσεις από το νόμο του Βeer Πραγματικοί περιορισμοί Ο νόμος του Βeer ΔΕΝ ισχύει για πυκνά διαλύματα (C > 0,01 M) Σε μεγάλες συγκεντρώσεις ( > 0,01 Μ), η μέση απόσταση μεταξύ των απορροφούντων μορίων, μειώνεται σε σημείο που κάθε μόριο επηρεάζει την κατανομή φορτίου των γειτονικών του. Η αλληλεπίδραση αυτή επηρεάζει την ικανότητα των μορίων να απορροφούν ακτινοβολία ενός δεδομένου μήκους κύματος. Διόρθωση: Αραίωση διαλύματος

Αποκλίσεις από το νόμο του Βeer Φαινομενικές χημικές αποκλίσεις Φαινομενικές αποκλίσεις από το νόμο του Beer εμφανίζονται, όταν ο αναλύτης διίσταται, συζεύγνυται, ή αντιδρά με το διαλύτη και παράγει προϊόντα που έχουν διαφορετικό από αυτόν φάσμα απορρόφησης. ΗΔ ¾ Η+ + Δ  χρώμα 1 χρώμα 2 Διόρθωση: Ρύθμιση pH 2 CrO H + ¾ Cr 2 O H 2 O Κίτρινο πορτοκαλί

Αποκλίσεις από το νόμο του Βeer Φαινομενικές οργανολογικές αποκλίσεις - πολυχρωματική ακτινοβολία Ο νόμος του Βeer ισχύει ΜΟΝΟ για μονοχρωματική ακτινοβολία Οι συσκευές που απομονώνουν τμήματα από συνεχή φάσματα διαφόρων πηγών, παράγουν συνήθως συμμετρικές ζώνες μηκών κύματος γύρω από μια επιλεγόμενη τιμή (λ±Δλ)

Αποκλίσεις από το νόμο του Βeer Πολυχρωματική ακτινοβολία-1 Αν μια δέσμη ακτινοβολίας: 1.αποτελείται μόνο από δύο μήκη κύματος λ΄ και λ΄΄, και 2.ο νόμος του Beer ισχύει για καθένα από τα δύο μήκη κύματος χωριστά τότε ισχύει ότι η σχέση απορρόφησης και συγκέντρωσης παύει να είναι γραμμική.

Αποκλίσεις από το νόμο του Βeer Πολυχρωματική ακτινοβολία-2 Επίδραση πολυχρωματικότητας της ακτινοβολίας στον νόμο του Beer. Με μετρήσεις στη ζώνη Α οι αποκλίσεις είναι μικρές, επειδή το ε δεν μεταβάλλεται σημαντικά σε όλο το εύρος της ζώνης. Με μετρήσεις στη ζώνη Β οι αποκλίσεις είναι εντονότερες, επειδή το ε μεταβάλλεται σημαντικά στην περιοχή της.

ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ Τα όργανα που χρησιμοποιούνται αποτελούνται από: 1.πηγές ακτινοβολίας 2.επιλογείς μήκους κύματος 3.υποδοχείς δειγμάτων 4.μεταλλάκτες ακτινοβολίας, και 5.επεξεργαστές σημάτων και διατάξεις ανάγνωσης μετρήσεων.

Τμήματα διαφόρων τύπων οργάνων οπτικής φασματοσκοπίας για μέτρηση: (α) απορρόφησης, (β) φθορισμού, φωσφορισμού ή σκέδασης, (γ) εκπομπής και χημειοφωταύγειας ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ

Λυχνίες ακτινοβολίας Λυχνία βολφραμίου (ορατή περιοχή) Λυχνία δευτερίου (υπεριώδης περιοχή)

Υποδοχείς δείγματος (κυψελίδες) Απλή κυψελίδα Κυψελίδα ροής Συνήθως κατασκευάζονται από χαλαζία ώστε να επιτρέπεται η διέλευση της ακτινοβολίας στην περιοχής εργασίας

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Στις φασματοσκοπικές αναλυτικές τεχνικές απαιτείται ακτινοβολία με περιορισμένη, στενή και συνεχή ομάδα μηκών κύματος που καλείται ζώνη ή ταινία (band). Η στενή ζώνη βελτιώνει την ευαισθησία της μέτρησης απορρόφησης, εξασφαλίζει εκλεκτικότητα τόσο στις τεχνικές εκπομπής, όσο και στις τεχνικές απορρόφησης και αποτελεί συχνά αναγκαία συνθήκη για να υπάρχει γραμμικότητα μεταξύ του οπτικού αναλυτικού σήματος και της συγκέντρωσης Ιδανική κατάσταση: επιλογέας μήκους κύματος που εξασφαλίζει ακτινοβολία ενός και μόνο μήκους κύματος Στην πράξη λαμβάνεται ζώνη μηκών κύματος

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Φασματική ζώνη ακτινοβολίας εξόδου από τυπικό επιλογέα μήκους κύματος. 1.Φίλτρα 2.Μονοχρωμάτορες 1.Στενή περιοχή μηκών κύματος 2.Σάρωση περιοχής

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Φίλτρα Φίλτρα συμβολής Φίλτρα απορρόφησης Δραστικό εύρος ζώνης για τους δύο τύπους φίλτρων.

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Μονοχρωμάτορας (α) Μονοχρωμάτορας φράγματος διάταξης Czerney-Turner (β) μονοχρωμάτορας πρίσματος Bunsen (λ 1 > λ 2 ).

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Μονοχρωμάτορες Διασπορά ακτινοβολίας με πρίσμα: (α) Tύπος χαλαζία Cornu και (β) Tύπος Littrow Μηχανισμοί περίθλασης σε φράγμα τύπου echellette

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Μονοχρωμάτορες-Σχισμή εξόδου Διέλευση μονοχρωματικήςα κτινοβολίας από σχισμή εξόδου για διάφορες θέσεις του μονοχρωμάτορα. Οι σχισμές εισόδου και εξόδου έχουν ακριβώς τις ίδιες διαστάσεις

ΕΠΙΛΟΓΕΙΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ Μονοχρωμάτορες-Σχισμές εξόδου Όσο μικραίνει το εύρος της σχισμής, τόσο «στενεύει» η ακτινοβολία που διέρχεται και «τείνει» να γίνει μονοχρωματική (λ±Δλ)

ΔΟΧΕΙΑ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ 1.Kατασκευάζονται από υλικά διαπερατά από την ακτινοβολία της περιοχής μελέτης του φάσματος 2.Για την υπεριώδη περιοχή (< 350 nm) απαιτείται χαλαζίας ή τηγμένη πυριτία (SiO 2 ), υλικά τα οποία είναι διαπερατά στην ορατή περιοχή 3.Πυριτικές ύαλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιοχή μεταξύ 350 και 2000 nm. 4.Για την ορατή περιοχή μπορούν να χρησιμοποιηθούν και πλαστικές κυψελίδες 5.Για την υπέρυθρη περιοχή χρησιμοποιούνται παράθυρα κυψελίδων από κρυσταλλικό χλωριούχο νάτριο

ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ανιχνευτές Οι μεταλλάκτες μετατρέπουν την ενέργεια ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό σήμα Iδιότητες ιδανικού μεταλλάκτη 1.Υψηλή ευαισθησία 2.υψηλό λόγο σήματος-προς-θορύβο (S/N) 3.σταθερή απόκριση σε μεγάλη περιοχή μηκών κύματος 4.ταχεία απόκριση 5.μηδενικό σήμα εξόδου όταν δεν εκτίθεται σε ακτινοβολία 6.Γραμμική σχέση ηλεκτρικού σήματος (S) με ένταση της ακτινοβολίας (P): S = kP

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΕΣ Φωτολυχνίες κενού Φωτολυχνία κενού με το κύκλωμά της Αποτελείται από: 1.ημικυλινδρική κάθοδο 2.άνοδο από σύρμα εντός διαφανούς περιβλήματος σε κενό αέρα. Αρχή Λειτουργίας 1.Η κοίλη επιφάνεια της καθόδου επικαλύπτεται με στρώμα φωτοευαίσθητου υλικού που εκπέμπει ηλεκτρόνια όταν ακτινοβολείται 2.Με εφαρμογή μιας διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια προσανατολίζονται και συλλέγονται από την άνοδο δημιουργώντας φωτορρεύμα 3.Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από τη φωτοευαίσθητη επιφάνεια είναι ανάλογος της ισχύος της προσπίπτουσας δέσμης ακτινοβολίας

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΕΣ Φωτοπολλαπλασιαστές ‘Ενας φωτοπολλαπλασιαστής (photomultiplier tubes, PMT) αποτελείται από: 1.Μια φωτοκάθοδο 2.Μια άνοδο Μεταξύ της φωτοκαθόδου και της ανόδου παρεμβάλεται σειρά επιπλέον ηλεκτροδίων (π.χ. 9) τα οποία ονομάζονται δύνοδοι. Λυχνία φωτοπολλαπλασιαστή: (α) τομή της λυχνίας και (β) ηλεκτρικό κύκλωμα

ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ανιχνευτές Αρχή λειτουργίας φωτοπολλαπλασιαστή 1.Η φωτοκάθοδος εκπέμπει ηλεκτρόνια όταν ακτινοβολείται 2.Η δύνοδος 1 συνδέεται με δυναμικό κατά 90 V θετικότερο του δυναμικού της καθόδου, με συνέπεια τα φωτοηλεκτρόνια να επιταχύνονται προς αυτήν 3.Με την πρόσκρουση στη δύνοδο, κάθε ηλεκτρόνιο προκαλεί εκπομπή νέων ηλεκτρονίων από την επιφάνειά της, τα οποία με τη σειρά τους επιταχύνονται προς τη δύνοδο 2, η οποία συνδέεται με δυναμικό κατά 90 V θετικότερο από αυτό της δυνόδου 1. 4.Εκπέμπονται νέα ηλεκτρόνια από κάθε ηλεκτρόνιο που προσκρούει στη δύνοδο 2. 5.Όταν ο μηχανισμός αυτός επαναληφθεί εννέα φορές, για κάθε φωτοηλεκτρόνιο θα έχουν παραχθεί 10 6 έως 10 7 ηλεκτρόνια. 6.Αυτός ο “καταρράκτης” των ηλεκτρονίων συλλέγεται τελικά από την άνοδο και το προκύπτον ρεύμα ενισχύεται ηλεκτρονικά και μετρείται.

ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ανιχνευτές

Τύποι φασματοφωτομέτρων