«Αναλυτική Χημεία – Ενόργανη Ανάλυση» Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Σχολή Επιστημών Υγείας Τμήμα Βιολογικών Εφαρμογών και Τεχνολογιών «Αναλυτική Χημεία – Ενόργανη Ανάλυση» Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Φασματοσκοπία Ατομικής Απορρόφησης (AAS) Δρ. Δημήτριος Στεργίου Διδάσκων Π.Δ. 407/80

Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα αποτελείται από ακτινοβολίες με διαφορετικά μήκη κύματος. Το μήκος κύματος (λ) μαζί με τη συχνότητα (ν) αποτελούν χαρακτηριστικά μεγέθη κάθε είδους ακτινοβολίας και ισχύει η σχέση: λ = c / v, όπου c η ταχύτητα του φωτός.

Φασματοφωτομετρία UV-Vis Οι φασματοσκοπικές μέθοδοι ανάλυσης, στηρίζονται στην ικανότητα των ουσιών να αλληλεπιδρούν με ακτινοβολίες με χαρακτηριστικά μήκη κύματος. Φασματοφωτομετρία απορρόφησης: η διαδικασία βασίζεται στη μέτρηση της απορρόφησης μονοχρωματικής ακτινοβολίας, από μία ουσία, βάσει της οποίας γίνεται ποιοτική και ποσοτική ανάλυση. Φασματοφωτομετρία απορρόφησης ορατού (Vis): κάνει χρήση ορατής ακτινοβολίας. Φασματοφωτομετρία απορρόφησης υπεριώδους (UV): κάνει χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας. Μονοχρωματική ακτινοβολία: είναι η ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος. Η επιλογή γίνεται από ένα σύνολο μηκών κύματος, που στέλνει η πηγή φωτός, με τη βοήθεια ενός μονοχρωμάτορα.

Φασματοφωτομετρία UV-Vis Ένταση ακτινοβολίας (P): η ενέργεια ανά μονάδα χρόνου και επιφάνειας. Διαπερατότητα (T): το κλάσμα του φωτός που διαπερνά το δείγμα, T=P/Po. Απορρόφηση (Α): Α = log(Po/P) = -log(T%) και Α = 2 – log(T) Νόμος του Beer: η απορρόφηση είναι ανάλογη της συγκέντρωσης. Α = εbC όπου ε = γραμμοριακή απορροφητικότητα (cm-1mol-1L), b = μήκος της οπτικής διαδρομής (το πάχος της κυψελίδας) (cm) και C = συγκέντρωση (M).

Φασματοφωτομετρία UV-Vis Ο νόμος του Beer προϋποθέτει ότι: 1) Η απορρόφηση είναι ο μόνος μηχανισμός αλληλεπίδρασης μεταξύ ακτινοβολίας και αναλύτη. 2) Η προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι μονοχρωματική. 3) Η απορρόφηση λαμβάνει χώρα σε ένα όγκο διαλύματος με ομοιόμορφη διατομή. 4) Τα απορροφούντα σωματίδια δρουν ανεξάρτητα χωρίς να επηρεάζονται το ένα από την παρουσία του άλλου. Φάσμα απορρόφησης: ονομάζεται η γραφική απεικόνιση της μεταβολής της απορρόφησης (Α) συναρτήσει του μήκους κύματος (λ). Στάδια φασματοφωτομετρικής ανάλυσης: 1) Λήψη φάσματος απορρόφησης της ουσίας και εύρεση του μήκους κύματος μέγιστης απορρόφησης. 2) Κατασκευή καμπύλης αναφοράς. 3) Μέτρηση της απορρόφησης του αγνώστου και υπολογισμός της συγκέντρωσης από την καμπύλη αναφοράς.

Φασματοφωτόμετρα UV-Vis Πηγές φωτός: Λαμπτήρες W, Xe, LED, LASER, τόξου δευτερίου. Μονοχρωμάτορας: Διάταξη που διαχωρίζει το φως στα επιμέρους μήκη κύματος και επιλέγει ένα μικρό εύρος μηκών κύματος, τα οποία αφήνει να περάσουν προς το δείγμα. Αποτελείται από τις σχισμές εισόδου και εξόδου, τα κάτοπτρα και ένα φράγμα περίθλασης. Το φράγμα περίθλασης είναι οπτικό εξάρτημα αποτελούμενο από χαραγές. Κάθε χαραγή εκτρέπει το φως, λειτουργώντας ως ξεχωριστή πηγή ακτινοβολίας χαρακτηριστικού μήκους κύματος. Περίθλαση ονομάζεται το φαινόμενο της εκτροπής του φωτός από ένα φράγμα. Διακριτική ικανότητα ονομάζεται η ικανότητα του μονοχρωμάτορα να διαχωρίζει τα μήκη κύματος. Όσες περισσότερες χαραγές φέρει το φράγμα περίθλασης, τόσο μεγαλύτερη η διακριτική ικανότητα του μονοχρωμάτορα.

Φασματοφωτόμετρα UV-Vis Κυψελίδες: Πλαστικές ή υάλινες (Vis) Χαλαζία (SiO2) (UV) Ανιχνευτές: Διάταξη η οποία παράγει ηλεκτρικό σήμα, όταν σε αυτή προσπίπτουν φωτόνια. 1) Φωτολυχνίες: η λειτουργία τους στηρίζεται στην εκπομπή e- από μία φωτοευαίσθητη επιφάνεια, όταν σε αυτή προσπίπτει φωτεινή ακτινοβολία. 2) Φωτοπολλαπλασιαστής: η λειτουργία του βασίζεται στην συνεχή ενίσχυση (πολλαπλασιασμό) των e- που παράγονται από μία φωτοευαίσθητη επιφάνεια. 3) Συστοιχίες φωτοδιόδων: πλεονεκτούν στην ταυτόχρονη καταγραφή ολόκληρου του φάσματος. 4) Συσκευή Σύζευξης Φορτίου (charge coupled device, CCD): εμφανίζουν πολύ μεγάλη ευαισθησία.

Φασματοφωτομετρικές μέθοδοι Πλεονεκτήματα: 1) Εμφανίζουν μεγάλη ευαισθησία, οπότε είναι δυνατή η ανίχνευση συγκεντρώσεων της τάξης του 10-7. 2) Είναι γρήγορες. 3) Εμφανίζουν εκλεκτικότητα. 4) Παρέχουν τη δυνατότητα αυτοματοποίησης της ανάλυσης σε όλα τα στάδια αυτής. 5) Δεν χρησιμοποιούνται μόνο για ποιοτική και ποσοτική ανάλυση αλλά από αυτές αντλούμε πληροφορίες και για τη δομή της ύλης. Μειονεκτήματα: 1) Υστερούν ως προς την ακρίβεια σε σχέση με κάποιες κλασικές μεθόδους. 2) Απαιτούνται πρότυπα διαλύματα για τη βαθμονόμηση των οργάνων. 3) Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση θολών δειγμάτων.

Ατομική Φασματοσκοπία Στην ατομική φασματοσκοπία τα δείγματα εξαχνώνονται στους 2000–8000 Κ και αποσυντίθενται σε άτομα. Η συγκέντρωση των ατόμων στην αέρια φάση μετρείται μέσω της απορρόφησης ή της εκπομπής ακτινοβολίας με χαρακτηριστικό μήκος κύματος. Κατηγορίες ατομικής φασματοσκοπίας: 1) Εκπομπής 2) Απορρόφησης 3) Φθορισμού

Φασματοσκοπία Ατομικής Απορρόφησης Στη φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης (atomic absorption spectrometry, AAS) τα δείγματα ατομοποιούνται με τη βοήθεια φλόγας ή φούρνου γραφίτη και η συγκέντρωση των ατόμων στην αέρια φάση μετρείται μέσω της απορρόφησης της ακτινοβολίας που στέλνει μία λυχνία κοίλης καθόδου.

Μέρη μίας διάταξης AAS Πηγή φωτός: χρησιμοποιούνται λυχνίες κοίλης καθόδου. Η κάθοδος είναι κατασκευασμένη από το στοιχείο που θέλουμε να προσδιορίσουμε και όλη η λυχνία είναι πληρωμένη με ατμούς ενός αδρανούς αερίου. Ατομοποιητής δείγματος: αποτελείται από τον καυστήρα προανάμιξης, όπου αναμιγνύονται το καύσιμο, το οξειδωτικό και το δείγμα, και από τον εκνεφωτή, που ψεκάζει το δείγμα στη φλόγα. Η καύση γίνεται είτε με φλόγα και ως καύσιμο χρησιμοποιούνται ακετυλένιο ή υδρογόνο και ως οξειδωτικό αέρας, οξυγόνο ή Ν2Ο, είτε με φούρνο γραφίτη (πιο ευαίσθητος και απαιτεί μικρότερη ποσότητα δείγματος. Μονοχρωμάτορας: συνήθως είναι ένα φράγμα. Ανιχνευτής: φωτοπολλαπλασιαστής.

Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα AAS Πλεονεκτήματα: 1) Εμφανίζουν μεγάλη ευαισθησία, και επιτρέπουν την ανίχνευση μικρών ποσοτήτων. 2) Είναι σχετικά γρήγορες. 3) Χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό μεταλλοϊόντων σε διάφορα είδη δειγμάτων. 4) Παρέχουν τη δυνατότητα αυτοματοποίησης. Μειονεκτήματα: 1) Ακριβή οργανολογία. 2) Δεν χρησιμοποιείται για ποιοτική ανάλυση, διότι απαιτούνται πολλές λυχνίες.