Кванттық спектроскопиялық талдау әдістері

Кіріспе

Спектроскопиялық талдау диапазоны. Ультракүлгін (УК) спектроскопиясы немесе ультракүлгін-көрінетін (УК-КӨР) спектрофотометриясы – электромагниттік спектрдің ультракүлгін бөлігінде және оған жақын, толық көрінетін аймақтарындағы сіңіру немесе шағылысу спектроскопиясы болып табылады. УК-КӨР спектрофотометрлері сынама арқылы жарық сәулесін өткізіп, әрбір толқын ұзындығында сіңірілген жарық мөлшерін өлшейді. Сіңірілген жарық мөлшері сынамадағы сіңіретін заттың концентрациясына пропорционалды.

Оптикалық ауысулар

Көптеген молекулалар мен иондар ультракүлгін немесе көрінетін спектрде энергияны сіңіреді, яғни олар хромофорлар. Сіңірілген фотон хромофордағы электронды жоғары энергиялы молекулалық орбитальдарға көтереді, нәтижесінде қозу күйі пайда болады. Органикалық хромофорлар үшін төрт мүмкін ауысу түрі қарастырылады: π–π*, n–π*, σ–σ* және n–σ*. Көшіру металдарының кешендері көбінесе боялған (яғни көрінетін жарықты сіңіреді), себебі толық емес d орбитальдарымен байланысты бірнеше электрондық күйлер болады.

Іс жүзіндегі ескертулер

Beer-Lambert заңының қолданылуы үшін эксперименттік жағдайда орындалуы тиіс жасырын шарттары бар; әйтпесе заңнан ауытқулар болуы мүмкін. Мысалы, сынаманың химиялық құрамы мен физикалық жағдайы оның өшіру коэффициентін өзгерте алады. Сондықтан, қорытындылардың дұрыс болуы үшін сынақ үлгісінің химиялық және физикалық жағдайы эталондық өлшемдермен сәйкес болуы керек. Әлемдік фармакопеялар, мысалы американдық (USP) және еуропалық (Ph. Eur.) фармакопеялары, спектрофотометрлердің қатаң реттеу талаптарына сәйкес жұмыс істеуін талап етеді, бұл шарттарға кездейсоқ жарық және толқын ұзындығының дәлдігі сияқты факторлар кіреді.

Спектрлік жолақтың кеңдігі

Спектрофотометрдің спектрлік ені – құралдың белгілі бір уақытта үлгі арқылы өткізетін толқын ұзындықтарының диапазоны. Ол жарық көзімен, монохроматормен, оның физикалық саңылауының енімен, оптикалық дисперсиясымен және спектрофотометрдің детекторымен анықталады. Спектрлік ен өлшеудің ажыратымдылығы мен дәлдігіне әсер етеді. Тар спектрлік ен жоғары ажыратымдылық пен дәлдікті қамтамасыз етеді, бірақ сонымен қатар бүкіл спектрді сканерлеу үшін көбірек уақыт пен энергия қажет. Кен спектрлік ен жылдам және оңай сканерлеуге мүмкіндік береді, бірақ сіңіру шыңдары біріккен үлгілер үшін ажыратымдылық пен дәлдік төмендеуі мүмкін. Сондықтан, сенімді және нақты нәтижелер алу үшін спектрлік енді дұрыс таңдау маңызды. Жауаптың сызықтығын арттыру үшін үлгілік жасушаға түсетін жарық монохроматикалық болуы керек. Кез келген жарық, монохроматор таңдаған толқын ұзындығынан өзгеше, және УФ-спектрофотометрдің детекторына жететін жарық – бұл шашырау немесе оптикалық беттерден шағылысу салдарынан болуы мүмкін. Шашыраған жарық, әсіресе жоғары сіңіруде, сіңіру өлшемінде маңызды қателерге әкелуі мүмкін, себебі ол детекторы анықтаған сигналға қосылады, тіпті ол таңдалған толқын ұзындығының бөлігі болмаса да. Нәтижесінде өлшенген сіңірушілік нақты сіңірушіліктен төмен болады. Шашыраған жарық – талдау үшін қолданылатын жарықтың тазалығын анықтайтын маңызды фактор. Оған ең көп әсер ететін фактор – монохроматордың шашыраған жарық деңгейі. Ауытқулар төмен концентрация және жоғары сіңіру жағдайында ең байқалады. Соңғы сілтеме осы ауытқуды түзету жолын сипаттайды. Мыс(II) хлориді сияқты кейбір ерітінділер, судағы концентрацияға байланысты, түстелген ионның (екі валентті мыс ионының) айналасындағы жағдайлар өзгергенде визуально өзгеріп, көгілдірден жасылға өтеді. Бұл монохроматикалық өлшемдердің Beer-Lambert заңынан ауытқуына себеп болады.

Spectral bandwidth of a spectrophotometer is the range of wavelengths that the instrument transmits through a sample at a given time. It is determined by the light source, the monochromator, its physical slit width and optical dispersion and the detector of the spectrophotometer. The spectral bandwidth affects the resolution and accuracy of the measurement. A narrower spectral bandwidth provides higher resolution and accuracy, but also requires more time and energy to scan the entire spectrum. A wider spectral bandwidth allows for faster and easier scanning, but may result in lower resolution and accuracy, especially for samples with overlapping absorption peaks. Therefore, choosing an appropriate spectral bandwidth is important for obtaining reliable and precise results. It is important to have a monochromatic source of radiation for the light incident on the sample cell to enhance the linearity of the response. in a UV spectrophotometer is any light that reaches its detector that is not of the wavelength selected by the monochromator. This can be caused, for instance, by scattering of light within the instrument, or by reflections from optical surfaces. Stray light can cause significant errors in absorbance measurements, especially at high absorbances, because the stray light will be added to the signal detected by the detector, even though it is not part of the actually selected wavelength. The result is that the measured and reported absorbance will be lower than the actual absorbance of the sample. The stray light is an important factor, as it determines the purity of the light used for the analysis. The most important factor affecting it is the stray light level of the monochromator. The deviations will be most noticeable under conditions of low concentration and high absorbance. The last reference describes a way to correct for this deviation. Some solutions, like copper(II) chloride in water, change visually at a certain concentration because of changed conditions around the coloured ion (the divalent copper ion). For copper(II) chloride it means a shift from blue to green, which would mean that monochromatic measurements would deviate from the Beer–Lambert law.

Өлшемнің белгісіздігі көздері

Жоғарыда аталған факторлар УФ/ВИ спектрофотометриясымен алынған нәтижелердің өлшеу белгісіздігіне әсер етеді. Егер УФ/ВИ спектрофотометриясы сандық химиялық талдау үшін қолданылса, нәтижелерге қосымша түрде өлшенетін заттар мен/немесе ерітінділердің ерекшеліктерінен туындайтын белгісіздік көздері де әсер етеді. Мұндайларға сіңіру жолақтарының қабаттасуынан туындайтын спектрлік араласулар, сіңіретін заттардың түсінің өшуі (ыдырау немесе реакция нәтижесінде) және сынама мен калибрлеу ерітіндісінің құрамындағы мүмкін болатын айырмашылықтар жатады.

Ультрафиолетті көру спектрлі фотометр

Ультракүлгін-көрінетін спектроскопияда қолданылатын құрал UV/Vis спектрофотометр деп аталады. Ол үлгі арқылы өткеннен кейін жарықтың қарқындылығын өлшейді және оны үлгі арқылы өтпестен бұрынғы жарықтың қарқындылығымен салыстырады. Бұл қатынас трансмитанция деп аталады және әдетте проценттік көрсетіммен (%T) беріледі. Абсорбция, , трансмитанцияға негізделген: UV-көрінетін спектрофотометрді рефлектанцияны өлшеу үшін де конфигурациялауға болады. Бұл жағдайда спектрофотометр үлгіден шағылысқан жарықтың қарқындылығын өлшейді және оны эталондық материалдан (мысалы, ақ плиткадан) шағылысқан жарықтың қарқындылығымен салыстырады. Бұл қатынас рефлектанция деп аталады және әдетте проценттік көрсетіммен (%R) беріледі. Спектрофотометрдің негізгі бөліктері: жарық көзі, үлгіні ұстауға арналған ұяшық, жарықтың әртүрлі толқын ұзындықтарын бөлуге арналған дифракциялық тор немесе призма монохроматор ретінде, және детектор. Сәулелену көзі көбінесе вольфрам жіпшесі (300–2500 нм), ультракүлгін аймақта үздіксіз болатын дейтерий доғасы лампасы (190–400 нм), 160-тан 2000 нм-ге дейін үздіксіз болатын ксенон доғасы лампасы; немесе соңғы кезде, жарықдиодтар (LED) болып табылады.

The instrument used in ultraviolet–visible spectroscopy is called a UV/Vis spectrophotometer. It measures the intensity of light after passing through a sample , and compares it to the intensity of light before it passes through the sample The ratio is called the transmittance, and is usually expressed as a percentage (%T). The absorbance, , is based on the transmittance:

The UV–visible spectrophotometer can also be configured to measure reflectance. In this case, the spectrophotometer measures the intensity of light reflected from a sample , and compares it to the intensity of light reflected from a reference material (such as a white tile). The ratio is called the reflectance, and is usually expressed as a percentage (%R). The basic parts of a spectrophotometer are a light source, a holder for the sample, a diffraction grating or a prism as a monochromator to separate the different wavelengths of light, and a detector. The radiation source is often a tungsten filament (300–2500 nm), a deuterium arc lamp, which is continuous over the ultraviolet region (190–400 nm), a xenon arc lamp, which is continuous from 160 to 2,000 nm; or more recently, light emitting diodes (LED)

Samples for UV/Vis spectrophotometry are most often liquids, although the absorbance of gases and even of solids can also be measured. Samples are typically placed in a transparent cell, known as a cuvette. Cuvettes are typically rectangular in shape, commonly with an internal width of 1 cm. (This width becomes the path length, , in the Beer–Lambert law.) Test tubes can also be used as cuvettes in some instruments. The type of sample container used must allow radiation to pass over the spectral region of interest. The most widely applicable cuvettes are made of high quality fused silica or quartz glass because these are transparent throughout the UV, visible and near infrared regions. Glass and plastic cuvettes are also common, although glass and most plastics absorb in the UV, which limits their usefulness to visible wavelengths. microscopic paint chips and the color of glass fragments. They are also used in materials science and biological research and for determining the energy content of coal and petroleum source rock by measuring the vitrinite reflectance. Microspectrophotometers are used in the semiconductor and micro optics industries for monitoring the thickness of thin films after they have been deposited. In the semiconductor industry, they are used because the critical dimensions of circuitry is microscopic. A typical test of a semiconductor wafer would entail the acquisition of spectra from many points on a patterned or unpatterned wafer. The thickness of the deposited films may be calculated from the interference pattern of the spectra. In addition, ultraviolet–visible spectrophotometry can be used to determine the thickness, along with the refractive index and extinction coefficient of thin films.

UV/Vis спектрофотометриясы үшін үлгілер көбінесе сұйықтықтар болып табылады, бірақ газдардың және тіпті қатты заттардың абсорбциясын да өлшеуге болады. Үлгілер әдетте кювет деп аталатын мөлдір жасушаға салынады. Кюветтер әдетте тіктөртбұрышты пішінде болады, әдетте ішкі ені 1 см. (Бұл ені жол ұзындығы болады, , Beer–Lambert заңында.) Кейбір құралдарда сынақ түтікшелерін де кювет ретінде қолдануға болады. Қолданылатын үлгі контейнерінің түрі сәулеленудің қызығушылық тудыратын спектрлік аймақтан өтуіне мүмкіндік беруі керек. Ең көп қолданылатын кюветтер жоғары сапалы балқытылған кварц немесе кварц шыныдан жасалған, өйткені олар UV, көрінетін және жақын инфрақызыл аймақтарда мөлдір. Шыны және пластик кюветтер де қолданылады, бірақ шыны және көптеген пластиктер UV сәулелерін сіңіреді, бұл олардың пайдалылығын көрінетін толқын ұзындықтарымен шектейді. микроскопиялық бояу сынықтары және шыны сынықтарының түсі. Олар сондай-ақ материалтану және биологиялық зерттеулерде, сондай-ақ витриниттің рефлектанциясын өлшеу арқылы көмір және мұнайдың бастапқы тау жыныстарының энергиялық мазмұнын анықтау үшін қолданылады. Микроспектрофотометрлер жартылай өткізгіш және микрооптика салаларында жұқа пленкалардың қалыңдығын бақылау үшін қолданылады. Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде олар қолданылады, өйткені схемалардың маңызды өлшемдері микроскопиялық деңгейде болады. Жартылай өткізгіш пластинаны сынаудың әдеттегі тесті әлгі пластинадағы үлгіленген немесе үлгіленбеген нүктелерден спектрлерді алуды қамтиды. Салынған пленкалардың қалыңдығын спектрлердің интерференциялық суретінен есептеуге болады. Сонымен қатар, ультракүлгін-көрінетін спектрофотометрияны жұқа пленкалардың сыну көрсеткіші мен жойылу коэффициентін анықтау үшін де қолдануға болады.

Қосымша өтінімдер

УФ/ВИ химиялық реакцияның жылдамдығын сипаттау үшін қолданылуы мүмкін. Мысалы, сынап дитизонатының сары-қызыл және көк түсті изомерлерінің өзгеруін қарастыруға болады. Бұл талдау әдісі концентрацияның өзіне пропорционалды екендігіне негізделген. Осыған ұқсас тәсіл хромофорлар арасындағы тепе-теңдікті анықтауға да мүмкіндік береді. Күю газдарының спектрінен отынның химиялық құрамын, газдардың температурасын және отын-ауа қатынасын анықтауға болады.