11

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

22

MỞ ĐẦUMỞ ĐẦU

Sự phát triển của các ngành vật lý, hoá lý Sự phát triển của các ngành vật lý, hoá lý Sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệSự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ Nhu cầu phân tích nhanh, chính xác, mọi đối Nhu cầu phân tích nhanh, chính xác, mọi đối

tượng với hàm lượng khác nhautượng với hàm lượng khác nhau Phát triển các phương pháp phân tích vật lý và Phát triển các phương pháp phân tích vật lý và

hoá lý (phương pháp phân tích công cụ) hoá lý (phương pháp phân tích công cụ) Các phương pháp phân tích công cụ được xây Các phương pháp phân tích công cụ được xây

dựng dựa trên mối tương quan giữa các tín hiệu dựng dựa trên mối tương quan giữa các tín hiệu đo (vật lý hoặc hoá lý) và thành phần của hệ đo (vật lý hoặc hoá lý) và thành phần của hệ nghiên cứu.nghiên cứu.

33

MỞ ĐẦUMỞ ĐẦU Các phương pháp phân tích quang họcCác phương pháp phân tích quang học

Quang phổ nguyên tửQuang phổ nguyên tử Hấp thụ (AAS)Hấp thụ (AAS) Phát xạ (AES); ICP-OESPhát xạ (AES); ICP-OES Huỳnh quang (AFS)Huỳnh quang (AFS)

Quang phổ phân tửQuang phổ phân tử Hấp thụ (UV-Vis); Phổ hồng ngoại Hấp thụ (UV-Vis); Phổ hồng ngoại Huỳnh quang (MFS)Huỳnh quang (MFS)

Các phương pháp phân tích điện hóaCác phương pháp phân tích điện hóa Đo thế Đo thế Điện lượngĐiện lượng Von-ampe hòa tanVon-ampe hòa tan Cực phổCực phổ

Các phương pháp phân tích sắc kýCác phương pháp phân tích sắc ký Sắc ký khí (GC)Sắc ký khí (GC) Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) Sắc ký bản mỏng, sắc ký giấySắc ký bản mỏng, sắc ký giấy

Các phương pháp táchCác phương pháp tách Chiết lỏng lỏng (LLE)Chiết lỏng lỏng (LLE) Chiết pha rắn (SPE)Chiết pha rắn (SPE) Chưng cất…Chưng cất…

44

ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ

55

Phân loại các PPPTQHPhân loại các PPPTQHCác phương pháp phân tích quang học:Các phương pháp phân tích quang học: Phổ hấp thụ phân tử (phổ UV-VIS, phổ hồng ngoại)Phổ hấp thụ phân tử (phổ UV-VIS, phổ hồng ngoại) Phổ nguyên tử (phát xạ nguyên tử, hấp thụ nguyên tử)Phổ nguyên tử (phát xạ nguyên tử, hấp thụ nguyên tử) Phổ huỳnh quang (huỳnh quang phân tử và nguyên tử)Phổ huỳnh quang (huỳnh quang phân tử và nguyên tử) Các phương pháp quang học khác (đo độ đục, đo khúc Các phương pháp quang học khác (đo độ đục, đo khúc

xạ, đo độ quay cực)xạ, đo độ quay cực)

66

Ưu điểm của các PPPTQHƯu điểm của các PPPTQH

Độ nhạy tăng → Phân tích vếtĐộ nhạy tăng → Phân tích vết Tính chọn lọc caoTính chọn lọc cao Ít tốn thời gianÍt tốn thời gian Tự động hoáTự động hoá

77

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌCQUANG HỌC

Các phương pháp phân tích quang học dựa trên việc nghiên Các phương pháp phân tích quang học dựa trên việc nghiên cứu sự tương tác của bức xạ ánh sáng trên chất khảo sát cứu sự tương tác của bức xạ ánh sáng trên chất khảo sát hoặc sự phát ra các bức xạ ánh sáng dưới một tác động vật hoặc sự phát ra các bức xạ ánh sáng dưới một tác động vật lý nào đó.lý nào đó.

Dựa vào nguyên tắc của phương pháp đo người ta chia làm Dựa vào nguyên tắc của phương pháp đo người ta chia làm 2 nhóm:2 nhóm:- Nhóm 1: bao gồm các phương pháp dựa trên việc đo độ hấp thụ của dung dịch mẫu phân tích hay độ hấp thụ của đám hơi nguyên tử tạo ra từ mẫu phân tích. Ta có phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS.- Nhóm 2: bao gồm các phương pháp dựa trên việc đo cường độ chùm bức xạ phát ra từ mẫu phân tích hoặc đám hơi nguyên tử do tác động của một tác nhân vật lý nào đó. Ta có phương pháp phổ huỳnh quang phân tử hoặc phổ phát xạ nguyên tử AES

88

ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

Ánh sáng là một phần trong phổ các bức xạ Ánh sáng là một phần trong phổ các bức xạ điện từ.điện từ.

Các bức xạ điện từ gồm: ánh sáng nhìn thấy, Các bức xạ điện từ gồm: ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia hồng ngoại, tia Rơngen (tia tia tử ngoại, tia hồng ngoại, tia Rơngen (tia X), tia X), tia , sóng radio,…, sóng radio,…

99

1010

ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp) Bức xạ điện từ có bản chất hai mặt: tính sóng và tính hạtBức xạ điện từ có bản chất hai mặt: tính sóng và tính hạtTính chất sóng: Tính chất sóng: Các bức xạ điện từ là những dao động có hai thành phần điện trường và từ trường lan truyền theo một phương, với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng c (c=3.1010cm/s). Các thành phần điện trường và từ trường cuả sóng điện từ nằm trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền của bức xạ.

Mặt phẳng dao động trong điện trường

Mặt phẳng dao động trong từ trường

Hình 1.1. Thành phần điện trường và từ trường của bức xạ điện từ

Phương truyền

1111

ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)

Các dao động có biên độ biến thiên theo thời gian Các dao động có biên độ biến thiên theo thời gian khi lan truyềnkhi lan truyền

Các dao động được đặc trưng bằng bước sóng Các dao động được đặc trưng bằng bước sóng hay tần số hay tần số

Thành phần vectơ điện trường của bức xạ điện từ Thành phần vectơ điện trường của bức xạ điện từ tương tác với các nguyên tử hoặc phân tử gây nên tương tác với các nguyên tử hoặc phân tử gây nên hiệu ứng hhiệu ứng hấp thụ và tạo raấp thụ và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử phổ hấp thụ nguyên tử hoặc phân tử.hoặc phân tử.

1212

ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)Tính chất hạtTính chất hạt Bức xạ điện từ là các hạt mang năng lượng được gọi là Bức xạ điện từ là các hạt mang năng lượng được gọi là

photon lan truyền với vận tốc ánh sáng. photon lan truyền với vận tốc ánh sáng. Các bức xạ điện từ cCác bức xạ điện từ có ó bước sóngbước sóng khác nhau có năng khác nhau có năng

lượng khác nhau.lượng khác nhau. Để gây ra hiệu ứng hấp thụ bức xạ điện từ, năng lượng Để gây ra hiệu ứng hấp thụ bức xạ điện từ, năng lượng

của bức xạ phải bằng hiệu mức năng lượng của bức xạ phải bằng hiệu mức năng lượng E tương E tương ứng với các trạng thái năng lượng của nguyên tử hoặc ứng với các trạng thái năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử. Nghĩa là bước sóng phân tử. Nghĩa là bước sóng của bức xạ điện từ phải của bức xạ điện từ phải phù hợp với phương trình:phù hợp với phương trình:

E = hc/E = hc/ = h = h (1.1)(1.1)

h = 6.63.10h = 6.63.10-34-34j.s j.s c: vận tốc ánh sáng, cm/s c: vận tốc ánh sáng, cm/s Phương trình (1.1) thể hiện sự thống nhất bản chất sóng Phương trình (1.1) thể hiện sự thống nhất bản chất sóng

và hạt của bức xạ điện từ.và hạt của bức xạ điện từ.

1313

Bước sóng Bước sóng : quảng đường mà bức xạ đi được : quảng đường mà bức xạ đi được trong 1 dao động. (m, trong 1 dao động. (m, m, nm, …)m, nm, …)

Tần số Tần số : số giao động mà bức xạ điện từ thực : số giao động mà bức xạ điện từ thực hiện được trong 1 s, thứ nguyên (shiện được trong 1 s, thứ nguyên (s -1-1), đơn vị Hz, ), đơn vị Hz, kHz, MHz.kHz, MHz.

= c/= c/ (1.2) (1.2) Số sóng Số sóng : : = 1/ = 1/ (cm (cm-1-1)) (1.3)(1.3)

ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)

CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO BỨC XẠ ÁNH CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO BỨC XẠ ÁNH SÁNGSÁNG

1414

Không khí Không khíThuỷ tinh

= 6,0.1014 Hz = 500 nm

= 6,0.1014 Hz = 330 nm

= 6,0.1014 Hz = 500 nm

1515

ÁNH SÁNG TRONG PHỔ SÓNG ĐIỆN TỪ, THANG ÁNH SÁNG TRONG PHỔ SÓNG ĐIỆN TỪ, THANG SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔSÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ

miền nhìn thấy

Tia

gần xa miền tử ngoại

xa gần miền hồng ngoại

Sóng viba

103 1012 1017 1020 Hz

1012 1014 4.1014 7.1014 15.1014 1017 Hz

Sóng radio Ánh sáng quang học Tia Rơngen

1616

ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (tiếp)

Tuỳ thuộc vào bản chất của bức xạ điện từ Tuỳ thuộc vào bản chất của bức xạ điện từ tương tác với nguyên tử, phân tử mà ta có các tương tác với nguyên tử, phân tử mà ta có các phương pháp phân tích phổ khác nhau. phương pháp phân tích phổ khác nhau.

Miền sóng radio, vi sóng:Miền sóng radio, vi sóng: phổ cộng hưởng từ phổ cộng hưởng từ Miền tia Rơngen, tia Miền tia Rơngen, tia :: phân tích phổ Rơngen, phổ phân tích phổ Rơngen, phổ

tia tia Miền ánh sáng quang học:Miền ánh sáng quang học: phổ hấp thụ phân tử ( phổ phổ hấp thụ phân tử ( phổ

nhìn thấy (VIS), phổ tử ngoại (UV), phổ hồng ngoại nhìn thấy (VIS), phổ tử ngoại (UV), phổ hồng ngoại (IR)(IR)

Trong miền phổ quang học có các phương pháp phổ Trong miền phổ quang học có các phương pháp phổ hấp thụ, phổ phát xạ, phổ huỳnh quang.hấp thụ, phổ phát xạ, phổ huỳnh quang.

1717

SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ MÀU SẮCSỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ MÀU SẮC Theo thuyết lượng tử, mỗi hạt sơ cấp (phân tử, nguyên tử, Theo thuyết lượng tử, mỗi hạt sơ cấp (phân tử, nguyên tử,

ion) có một hệ thống duy nhất các trạng thái năng lượng.ion) có một hệ thống duy nhất các trạng thái năng lượng. Trạng thái năng lượng thấp nhất gọi là Trạng thái năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bảntrạng thái cơ bản.. Sự hấp thụ phôton ánh sáng bởi hạt sơ cấp chỉ có thể xảy Sự hấp thụ phôton ánh sáng bởi hạt sơ cấp chỉ có thể xảy

ra khi phôton đó mang năng lượng đúng bằng hiệu các ra khi phôton đó mang năng lượng đúng bằng hiệu các mức năng lượng của 1 trạng thái năng lượng cao hơn và mức năng lượng của 1 trạng thái năng lượng cao hơn và trạng thái cơ bản.trạng thái cơ bản.

Trạng thái năng lượng cao hơn gọi là Trạng thái năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thíchtrạng thái kích thích..M + hM + h M* M*

Sau một thời gian rất ngắn (10Sau một thời gian rất ngắn (10-6-6 10 10-9-9s), tiểu phân ở trạng s), tiểu phân ở trạng thái kích thích sẽ phục hồi trở về trạng thái cơ bản ban đầu thái kích thích sẽ phục hồi trở về trạng thái cơ bản ban đầu có năng lượng thấp hơn, truyền năng lượng thừa cho các có năng lượng thấp hơn, truyền năng lượng thừa cho các nguyên tử và phân tử của môi trường xung quanh làm cho nguyên tử và phân tử của môi trường xung quanh làm cho môi trường nóng lên một ít. môi trường nóng lên một ít.

M* M* M + nhiệt M + nhiệt (phục hồi không bức xạ) (phục hồi không bức xạ)

1818

SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ MÀU SẮCSỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ MÀU SẮC

Sự phục hồi có thể thực hiện thông qua sự Sự phục hồi có thể thực hiện thông qua sự phân huỷ quang hoá của M* thành chất phân huỷ quang hoá của M* thành chất mới hoặc bằng sự phát xạ huỳnh quang mới hoặc bằng sự phát xạ huỳnh quang (phục hồi có bức xạ).(phục hồi có bức xạ).

Đặc tính hấp thụ của một chất được mô tả Đặc tính hấp thụ của một chất được mô tả bằng bằng phổ hấp thụ quangphổ hấp thụ quang, là đường biểu , là đường biểu diễn độ hấp thụ A theo diễn độ hấp thụ A theo hay hay

1919

MÀU SẮCMÀU SẮC Ánh sáng được chia thành 3 vùng:Ánh sáng được chia thành 3 vùng:

Vùng tử ngoại:Vùng tử ngoại: 185-400 nm185-400 nm Vùng khả kiến:Vùng khả kiến: 400-760 nm400-760 nm Vùng hồng ngoại:Vùng hồng ngoại: 760 – 1000 nm760 – 1000 nm

Vùng khả kiến có nhiều màu, mỗi màu ứng với một chùm Vùng khả kiến có nhiều màu, mỗi màu ứng với một chùm các tia có bước sóng gần nhau:các tia có bước sóng gần nhau:

Đỏ:Đỏ: 760 - 630 nm760 - 630 nm Lam:Lam: 500 – 450 nm500 – 450 nmCam:Cam: 630 – 600 nm630 – 600 nm Chàm:Chàm: 450 – 430 nm450 – 430 nmVàng:Vàng: 600 – 570 nm600 – 570 nm Tím:Tím: 430 – 400 nm430 – 400 nmLục:Lục: 570 – 500 nm 570 – 500 nm

2020

MÀU SẮCMÀU SẮC Màu phụ nhauMàu phụ nhau: Một vật có màu lam hấp thụ mạnh các tia : Một vật có màu lam hấp thụ mạnh các tia

màu vàng và ngược lại vật có màu vàng hấp thụ mạnh các màu vàng và ngược lại vật có màu vàng hấp thụ mạnh các tia màu lam. Hai màu vàng và lam hình thành một cặp tia màu lam. Hai màu vàng và lam hình thành một cặp màu phụ nhau hay bổ sung cho nhau.màu phụ nhau hay bổ sung cho nhau. Các cặp màu phụ nhau:Các cặp màu phụ nhau:

Lục vàngLục vàng -- TímTímVàngVàng -- LamLamDa camDa cam -- lam lụclam lụcĐỏĐỏ -- Lục lamLục lamĐỏ tíaĐỏ tía -- LụcLục

Để định lượng một dung dịch màuĐể định lượng một dung dịch màu bằng phương pháp bằng phương pháp đo độ hấp thụ, người ta dùng kính lọc có màu phụ với màu đo độ hấp thụ, người ta dùng kính lọc có màu phụ với màu dung dịch cần đo.dung dịch cần đo.

2121

2222

2323

SỰ HẤP THỤ CỦA NGUYÊN TỬSỰ HẤP THỤ CỦA NGUYÊN TỬ Khi chiếu một chùm tia tử ngoại và khả kiến qua Khi chiếu một chùm tia tử ngoại và khả kiến qua

một môi trường hơi nguyên tử thì chỉ có một số ít bức một môi trường hơi nguyên tử thì chỉ có một số ít bức xạ có tần số xác định bị hấp thụ và phổ hấp thụ thu xạ có tần số xác định bị hấp thụ và phổ hấp thụ thu được gồm một số vạch hấp thụ rất hẹp (gọi là phổ được gồm một số vạch hấp thụ rất hẹp (gọi là phổ vạch).vạch).

200 300 400 500 600

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

Năn

g lư

ợng

elec

tron

vo

lts

285

nm 330

nm 590

nm

Độ

hấp

thụ

3s

3p

4p

5p

Phổ hấp thụ của hơi Na Giản đồ mức năng lượng

2424

SỰ HẤP THỤ CỦA NGUYÊN TỬSỰ HẤP THỤ CỦA NGUYÊN TỬ

2525

1.1. Trạng thái năng lượng của phân tửTrạng thái năng lượng của phân tửEEtổngtổng = E = Et t + E+ Eee + E + Evv + E + Err

EEtt: năng lượng của chuyển động tịnh tiến: năng lượng của chuyển động tịnh tiến

EEee: năng lượng của điện tử: năng lượng của điện tử

EEvv: năng lượng của chuyển động dao động: năng lượng của chuyển động dao động

EErr: năng lượng của chuyển động quay: năng lượng của chuyển động quay

Trong đó:Trong đó: EEee >> E >> Evv >> E >> Err ; ;

(E(Eee 60 – 150, E 60 – 150, Ev v 1 – 10, E 1 – 10, Er r 0,01 – 0,1 0,01 – 0,1

kcal/mol)kcal/mol)

Mở đầuMở đầuPHỔ PHÂN TỬPHỔ PHÂN TỬ

2626

1.1. Trạng thái năng lượng của phân tử (tiếp)Trạng thái năng lượng của phân tử (tiếp)

Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của phân tử Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của phân tử làm thay đổi làm thay đổi mức năng lượng của chuyển động dao động và chuyển mức năng lượng của chuyển động dao động và chuyển động quay của phân tử (Eđộng quay của phân tử (Evv và E và Err) ) đó là nguồn gốc phổ đó là nguồn gốc phổ hồng ngoại hồng ngoại phổ hồng ngoại được gọi là phổ dao động. phổ hồng ngoại được gọi là phổ dao động.

Sự hấp thụ bức xạ vùng tử ngoại, khả kiến của phân tử Sự hấp thụ bức xạ vùng tử ngoại, khả kiến của phân tử làm thay đổi mức năng lượng của điện tử hóa trị trong làm thay đổi mức năng lượng của điện tử hóa trị trong phân tử phân tử

Phổ huỳnh quang phân tử là sự phát ra bức xạ của các Phổ huỳnh quang phân tử là sự phát ra bức xạ của các phân tử đã được kích thích bằng các bức xạ ánh sáng. Đây phân tử đã được kích thích bằng các bức xạ ánh sáng. Đây là phương pháp phổ phát xạ phân tử.là phương pháp phổ phát xạ phân tử.

Phổ phân tử là phổ giải, phổ liên tục.Phổ phân tử là phổ giải, phổ liên tục.

PHỔ PHÂN TỬPHỔ PHÂN TỬ

2727

SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬSỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ

Huỳnh quang cộng hưởng

43210

43210

43210

43210

43210

43210

43210

43210

43210

E0

E1

E2

(a) Hấp thụ phân tử (b) Phục hồi không bức xạ

(c) Huỳnh quang

Năn

g lư

ợng

IR VIS UV

E1

E2

E0E0

E1

E2

2828

SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ EE00, E, E11, E, E22: các mức năng lượng điện tử của trạng thái cơ : các mức năng lượng điện tử của trạng thái cơ

bản và các trạng thái kích thíchbản và các trạng thái kích thích Ứng với một mức năng lượng điện tử lại có một số mức Ứng với một mức năng lượng điện tử lại có một số mức

năng lượng dao động.năng lượng dao động. Ứng với mỗi mức dao động lại có một số mức năng lượng Ứng với mỗi mức dao động lại có một số mức năng lượng

của chuyển động quay.của chuyển động quay. Hình (a) chỉ ra: sự hấp thụ bức xạ tử ngoại (UV) có năng Hình (a) chỉ ra: sự hấp thụ bức xạ tử ngoại (UV) có năng

lượng lớn dẫn đến chuyển mức năng lượng lên Elượng lớn dẫn đến chuyển mức năng lượng lên E22, VIS , VIS

EE11; IR ; IR thay đổi E thay đổi Evv, phân tử vẫn ở trạng thái năng lượng , phân tử vẫn ở trạng thái năng lượng

cơ bản. cơ bản. Phổ hấp thụ phân tử có dạng là giải phổ (phổ đám) Phổ hấp thụ phân tử có dạng là giải phổ (phổ đám) Sự phục hồi năng lượng do chuyển năng lượng của phân Sự phục hồi năng lượng do chuyển năng lượng của phân

tử bị kích thích cho dung môi (không bức xạ) hoặc phát ra tử bị kích thích cho dung môi (không bức xạ) hoặc phát ra huỳnh quang. huỳnh quang.

2929

CÁC BƯỚC CHUYỂN ĐIỆN TỬ VÀ PHỔ UV-VIS CÁC BƯỚC CHUYỂN ĐIỆN TỬ VÀ PHỔ UV-VIS TRONG PHÂN TỬTRONG PHÂN TỬ

3030

PHPHổổ HẤP THỤ CỦA PHÂN TỬ HẤP THỤ CỦA PHÂN TỬ

3131

2. Sự hấp thụ BXĐT và trạng thái năng lượng của phân tử2. Sự hấp thụ BXĐT và trạng thái năng lượng của phân tử

- Ở điều kiện bình thường phân tử ở trạng thái cơ bản, có năng Ở điều kiện bình thường phân tử ở trạng thái cơ bản, có năng lượng thấp ( Elượng thấp ( Eoo))

- Khi phân tử nhận năng lượng ( bức xạ, nhiệt..), phân tử chuyển lên Khi phân tử nhận năng lượng ( bức xạ, nhiệt..), phân tử chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích (E*) trạng thái năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích (E*)

E*E*tổngtổng = E* = E*ee + E* + E*vv + E* + E*rr

EEt t = E= Ett* - E* - Eoo = (E*= (E*ee- E- Eoo) + (E*) + (E*vv - E - Eoo

vv ) + (E* ) + (E*rr – E – Eoorr))

= = EEe e + + EEvv + + EErr

Sự hấp thụ năng lượng bức xạ tương ứng với bước chuyển mức Sự hấp thụ năng lượng bức xạ tương ứng với bước chuyển mức năng lượng nào thì sẽ tạo ra loại phổ hấp thụ phân tử tương ứng: năng lượng nào thì sẽ tạo ra loại phổ hấp thụ phân tử tương ứng:

EEe e : Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS: Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS

EEvv : Phổ dao động phân tử : Phổ dao động phân tử

EEr r : Phổ quay phân tử: Phổ quay phân tử

3232

2.1. PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ 2.1. PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾNKIẾN

2.1.1. CÁC VÙNG PHỔ2.1.1. CÁC VÙNG PHỔ Trong phổ các bức xạ điện từ, các tia tử ngoại và khả Trong phổ các bức xạ điện từ, các tia tử ngoại và khả

kiến chỉ chiếm một phần rất hẹp:kiến chỉ chiếm một phần rất hẹp:

bước sóngbước sóngTia X Tia X = 0,1 = 0,1 50 nm 50 nmTia UV xaTia UV xa = 50 = 50 200 nm 200 nmTia UV gầnTia UV gần = 200 = 200 400 nm 400 nmTia VisTia Vis = 400 = 400 800 nm 800 nm

3333

Tia UV xa: Bức xạ này ít được dùng vì:Tia UV xa: Bức xạ này ít được dùng vì: Có năng lượng khá cao Có năng lượng khá cao làm phá vỡ liên làm phá vỡ liên

kết trong các phân tửkết trong các phân tử Bị hầu hết các dung môi hấp thụ mạnh, nên Bị hầu hết các dung môi hấp thụ mạnh, nên

có thể làm hoá hơi dung môicó thể làm hoá hơi dung môi Bị thạch anh (quartz) hấp thụBị thạch anh (quartz) hấp thụ Ôxi trong không khí cũng hấp thụ mạnh Ôxi trong không khí cũng hấp thụ mạnh

bức xạ có bức xạ có = 180 nm = 180 nm

3434

Tia UV gần và Vis: thường được dùng vì: Tia UV gần và Vis: thường được dùng vì: Làm thay đổi năng lượng điện tử trong Làm thay đổi năng lượng điện tử trong

phân tửphân tử Thạch anh (quartz) không hấp thụ trong Thạch anh (quartz) không hấp thụ trong

miền này.miền này.

Các máy đo độ hấp thụ UV-Vis thường đo Các máy đo độ hấp thụ UV-Vis thường đo được các bức xạ có bước sóng được các bức xạ có bước sóng = 190 = 190 1000 nm, dùng cuvet thạch anh. Đối với tia 1000 nm, dùng cuvet thạch anh. Đối với tia Vis có thể dùng cuvet thuỷ tinh hoặc cuvet Vis có thể dùng cuvet thuỷ tinh hoặc cuvet nhựa. nhựa.

3535

Các điện tử liên kết:Các điện tử liên kết:Trong Hydrocacbon no:Trong Hydrocacbon no:

Điện tử Điện tử có thể có trong liên kết C-C hoặc C-H có thể có trong liên kết C-C hoặc C-H Để điện tử Để điện tử lên được trạng thái kích thích lên được trạng thái kích thích * cần có * cần có

năng lượng E lớn vì khoảng cách giữa các mức năng lượng E lớn vì khoảng cách giữa các mức và và * lớn.* lớn.

Trong Hydrocacbon chưa no:Trong Hydrocacbon chưa no: Điện tử Điện tử có trong liên kết đôi và liên kết ba có trong liên kết đôi và liên kết ba

C = O, C = O, C = C , C = C , -C -C C- C- Để điện tử Để điện tử lên trạng thái kích thích lên trạng thái kích thích * cần có năng * cần có năng

lượng E nhỏ hơn vì hai mức này gần nhau hơn.lượng E nhỏ hơn vì hai mức này gần nhau hơn. Nếu phân tử càng có nhiều dây nối đôi thì sự hấp thụ Nếu phân tử càng có nhiều dây nối đôi thì sự hấp thụ

càng chuyển về phía bức xạ có bước sóng dàicàng chuyển về phía bức xạ có bước sóng dài Nếu phân tử có nối đôi liên hợpNếu phân tử có nối đôi liên hợp

– – C = C – C = C – thì ưu tiên hấp thụ bức xạ có bước C = C – C = C – thì ưu tiên hấp thụ bức xạ có bước sóng dài hơn (bức xạ khả kiến, vùng đỏ).sóng dài hơn (bức xạ khả kiến, vùng đỏ).

2.1.2. Các điện tử tham gia vào sự hấp thụ

3636

Các điện tử phi liên kết:Các điện tử phi liên kết:

Điện tử n:Điện tử n: là đôi điện tử tự do không là đôi điện tử tự do không tham gia litham gia liên ên kkếtết (vd: O, N, Cl). Có hai (vd: O, N, Cl). Có hai loại điện tử tự do nloại điện tử tự do nss và n và npp có thể chuyển có thể chuyển

lên mức năng lượng lên mức năng lượng *, trong đó các *, trong đó các điện tử nđiện tử nss có mức năng lượng nhỏ hơn n có mức năng lượng nhỏ hơn npp

Sự hấp thụ thường trong miền từ 150 – Sự hấp thụ thường trong miền từ 150 – 250 nm và giá trị thấp250 nm và giá trị thấp

3737

Mô tả các mức năng lượng:Mô tả các mức năng lượng:

Sự hấp thụ UV-Vis của chất hữu cơ đòi hỏi năng lượng hấp thụ tương ứng với bước nhảy từ orbital có điện tử lên orbital trống. Sự chuyển mức năng lượng từ n * cần năng lượng thấp nhưng xác suất xảy ra lại thấp hơn sự chuyển *.

*

*

np

ns

Phản liên kếtPhản liên kếtPhản liên kếtPhản liên kếtKhông liên kếtKhông liên kếtKhông liên kếtKhông liên kếtLiên kếtLiên kếtLiên kếtLiên kết

3838

Bước chuyển từ Bước chuyển từ * , * , Ít được sử dụngÍt được sử dụngcực đại hấp thụ cực đại hấp thụ < 150 nm< 150 nmNăng lượng quá lớnNăng lượng quá lớnLoại hấp thụ này tương ứng với phá vỡ liên kếtLoại hấp thụ này tương ứng với phá vỡ liên kếtC-C, C-H, C-O, C-XC-C, C-H, C-O, C-X

3939

4040

4141

4242

4343

Định luật hấp thụ ánh sáng (ĐL Bougeur-Lambert-Beer)

• Khi chiếu 1 chùm bức xạ đơn sắc có cường độ là I0 đi qua một lớp dung dịch chất màu, cường độ chùm bức xạ đi ra khỏi dung dịch là It

• Giữa It và I0 liên hệ với nhau theo biểu thức:I = I0.10-K

Trong đó K phụ thuộc vào bề dày lớp dung dịch ( l); nồng độ dung dịch (C ) và bản chất của dung dịch ()

I = I0.10-lC

• Như vậy I0/I = 10lC => lg I0/I = lC = A (độ hấp thụ quang)

• I/I0 : độ truyền quang (T) => A = log 1/T

4444

Các tính chất của độ hấp thụTừ biểu thức định luật hấp thụ ánh sáng ta cóTừ biểu thức định luật hấp thụ ánh sáng ta có

A = A = lClC là đại lượng phụ thuộc bản chất của chất hấp thụ và là đại lượng phụ thuộc bản chất của chất hấp thụ và bước sóng của ánh sáng chiếu vào. Nếu C tính bằng bước sóng của ánh sáng chiếu vào. Nếu C tính bằng mol/L thì mol/L thì gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam. gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam.

• Hệ số hấp thụ phân tử gam đặc trưng cho độ nhạy của Hệ số hấp thụ phân tử gam đặc trưng cho độ nhạy của phương pháp phân tíchphương pháp phân tích

• A là hàm theo các biến là C, l, và A là hàm theo các biến là C, l, và ĐườngĐường bi biểuểu di diễnễn s sựự ph phụụ thu thuộcộc c củaủa A A ~ C l~ C là đường à đường

thẳng: được dùng trong phân tích định lượngthẳng: được dùng trong phân tích định lượngĐường biểu diễn sự phụ thuộc A Đường biểu diễn sự phụ thuộc A ~ ~ l là một đường à một đường

phức tạp đặc trưng cho cấu tạo của chất phân tích gọi là phức tạp đặc trưng cho cấu tạo của chất phân tích gọi là phổ hấp thụphổ hấp thụ: được dùng trong phân tích định tính và cấu : được dùng trong phân tích định tính và cấu tạo chấttạo chất

• Độ hấp thụ có tính chất cộng tínhĐộ hấp thụ có tính chất cộng tính

4545

2.1.3. Các nhóm chức hoá học 2.1.3. Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh tham gia vào sự hấp thụ ánh sángsáng Nhóm mang màu (chromophore)

Các chất có mang các nhóm này chủ yếu hấp thụ các bức xạ có bước sóng >200 nm.

Các nhóm

có sự chuyển n *, Hấp thụ các bức xạ có bước sóng = 300 305 nm.

Các nhóm có sự chuyển điện tử * nên chủ yếu hấp thụ các bức xạ có bước sóng > 200 nm.

C=O N=O N

O

O

-

-

N=N C=C C C C=S

4646

Nhóm tăng màu (auxochrome):

Gồm các halogenua (Cl-, Br-, I-); các alkyl (-CH3, -C2H5); các amin (-NH2, -NH-) và nhóm alcol (-OH),…

Các nhóm này hấp thụ bức xạ có < 200 nm.

Kết hợp các nhóm này với nhóm mang màu làm cho sự hấp thụ của hợp chất chuyển về phía có dài hơn.

Nhóm làm cường độ hấp thụ tăng lên gọi là nhóm gây hiệu ứng Hyperchromic

Nhóm làm cường độ hấp thụ giảm đi gọi là nhóm gây hiệu ứng Hyphochromic

4747

2.1.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN ĐỘ HẤP THỤ

2.1.4.1. Các yếu tố thuộc về cấu trúc phân tử

Hiệu ứng cảm ứng Hiệu ứng không gian

4848

2.1.4.2. Các yếu tố thuộc về môi trườnga. Dung môi:

Dung môi có thể hấp thụ bức xạ UV-Vis cần phải mở rộng khe sáng để tăng cường độ sáng. Khi đó tia sáng kém đơn sắc đi độ nhạy của phép đo giảm.

Mỗi dung môi dùng cho bức xạ UV-Vis chỉ dùng trong khoảng bức xạ có bước sóng nhất định.

Ví dụ: Dung môi nước: dùng các bức xạ có > 205 nm Metanol, cyclohexan, acetonitril và isopropanol dùng

>210 nm Tetrahydrofuran dùng > 220 nm Dichloromethan dùng > 235 nm Chloroform dùng > 245 nm Aceton dùng > 330 nm

Chú ý: Khi dung môi hấp thụ bức xạ mạnh thì phép đo mắc sai số lớn. Lựa chọn dung môi cần quan tâm đến độ tan của chất cần đo độ hấp thụ trong dung môi.

4949

b. Tương tác giữa hai lưỡng cực (Dipole-Dipole) Khi dùng các dung môi phân cực như nước,

acetonitril, metanol, nếu chất phân tích cũng lưỡng cực thì có tương tác lưỡng cực gây tác dụng:

Khoảng cách dịch chuyển * ngắn lại, max tăng lên (Hiệu ứng bathocromic: cực đại hấp thụ chuyển về phía bước sóng dài)

Khoảng cách dịch chuyển n * dài ra, max giảm (Hiệu ứng hypsochromic: cực đại hấp thụ chuyển về bước sóng ngắn).

Vậy khi thay đổi dung môi thì max thay đổi.

5050

c. Liên kết hydro Các dung môi có lk hydro như ethanol có thể tác

động lên điện tử n trong phân tử. Ngược lại các dung môi có điện tử tự do n lại ảnh hưởng lên các chất phân tích có mang lk hydro.

Tác động: làm khoảng cách dịch chuyển n * dài ra ( hiệu ứng hypsochromic)

d. pH Nếu chất phân tích có tính chất trao đổi proton

(tính axit-bazơ), ví dụ: OH O- O

+ OH-

Hấp thụ bức xạ có = 285 nm

Hấp thụ bức xạ có = 293 nm

5151

2.1.5. CÁC ỨNG DỤNG2.1.5.1. Định tính và thử độ tinh khiết

Dựa vào max:

Ví dụ: Vitamin B12 có 3 cức đại hấp thụ ở các bước sóng:

278 nm 1 nm361 nm 1 nm548 nm 1 nm

Vitamin B2 có bốn hấp thụ cức đại ở các bước sóng: 223 nm, 267 nm, 375 nm và 444 nm. Dựa vào tỉ số giữa các giá trị độ hấp thụ cực đại hoặc cực tiểu để

định tính

Ví dụ: Với vitamin B12, dựa vào A278/A361 = 0,57

hoặc A548/A361 = 0,3 Ngày nay người ta không dùng phương pháp này để định tính

nữa vì quang phổ UV-Vis cho quá ít thông tin, trong khi quang phổ ỈR lại có nhiều thông tin hơn và đặc trưng hơn.

5252

5. Điều kiện ứng dụng của định luật Lambert – Beer:5. Điều kiện ứng dụng của định luật Lambert – Beer:

Chùm tia sáng phải đơn sắcChùm tia sáng phải đơn sắc Dung dịch phải loãngDung dịch phải loãng Dung dịch phải trong suốt (trừ chuẩn độ đo quang)Dung dịch phải trong suốt (trừ chuẩn độ đo quang) Chất phân tích phải bền trong dung dịch và bền Chất phân tích phải bền trong dung dịch và bền

dưới tác dụng của tia UV-Visdưới tác dụng của tia UV-Vis

5353

6. Sự sai lệch đối với định luật Lambert – Beer6. Sự sai lệch đối với định luật Lambert – Beer Sai lệch do máy (do bộ phận đơn sắc, bộ phận khuếch

đại kém) như tế bào quang điện, nhân quang quá già-độ nhạy kém, hệ kính quang học không trong suốt trong dãi sóng đo.

Sai lệch do hoá học: Do sự phân ly của phân tử chất phân tíchDo sự phân ly của phân tử chất phân tích Do sự tạo thành dimer, trimer: sản phẩm trùng hợp Do sự tạo thành dimer, trimer: sản phẩm trùng hợp

này có độ hấp thụ khác dạng đơn phân tử.này có độ hấp thụ khác dạng đơn phân tử. Do phản ứng của các chất lạ có mặt trong dung Do phản ứng của các chất lạ có mặt trong dung

dịch phân tích: Để loại trừ ảnh hưởng này, người dịch phân tích: Để loại trừ ảnh hưởng này, người ta dùng mẫu trắng (Mẫu blank, có thành phần như ta dùng mẫu trắng (Mẫu blank, có thành phần như dung dịch, chỉ trừ chất cần phân tích).dung dịch, chỉ trừ chất cần phân tích).

5454

Các kỹ thuật định lượng Các kỹ thuật định lượng

a.a. Đo phổ trực tiếpĐo phổ trực tiếpb.b. Phương pháp so sánhPhương pháp so sánhc.c. Phương pháp thêmPhương pháp thêmd.d. Phương pháp đường chuẩnPhương pháp đường chuẩne.e. Phương pháp thêm đường chuẩnPhương pháp thêm đường chuẩnf.f. Phương pháp định lượng hỗn hợpPhương pháp định lượng hỗn hợpg.g. Phương pháp chuẩn độ đo quangPhương pháp chuẩn độ đo quang

5555

Ứng dụng của phép đo phổ UV-VIS trong ng/cứu sự tạo phức

1. Xác định thành phần phức: thường sử dụng 3 phương pháp sau:a. Phương pháp biến đổi liên tục 1 hợp phần

aa bcc

dd

1122

5656

b. Phương pháp dãy đồng phân tử:

Nhiều phức bền có thành phần Nhiều phức bền có thành phần khác nhaukhác nhau

Một loại phức có thành Một loại phức có thành phần xác địnhphần xác định

11

22 33

XX RR XX RR

5757

c. Phương pháp logarit giới hạn

Phương pháp này chỉ áp dụng đối với những Phương pháp này chỉ áp dụng đối với những phức rất kphức rất kém bền.m bền.

Giả sử có phản ứng tạo phức: X + nR = XRnGiả sử có phản ứng tạo phức: X + nR = XRn

KKbb = [XRn]/[X].[R] = [XRn]/[X].[R]n => n => [XRn] = K[XRn] = Kbb. [X].[R]. [X].[R]nn

[XRn] tỷ lệ với độ hấp thụ A và vì phức kém bền nên [XRn] tỷ lệ với độ hấp thụ A và vì phức kém bền nên [X] [X] C Cx x và [R] và [R] C CRR

=> log A = log K=> log A = log Kb b + logC+ logCX X + nlogC+ nlogCR R = K + nlog = K + nlog CCRR

lập dãy thí nghiệm, và vẽ đồ thi logA lập dãy thí nghiệm, và vẽ đồ thi logA ~ C~ CRR ta xác định ta xác định được nđược n

tgtg = n = n

log Alog A

logClogCRR

5858

2. Xác định hằng số phân ly của phức kém bền2. Xác định hằng số phân ly của phức kém bền

a. Phương pháp đường chuẩna. Phương pháp đường chuẩn: giả sử có phức XR với : giả sử có phức XR với cân bằng phân ly : XR = X + Rcân bằng phân ly : XR = X + R

=> K=> Kf f = [X].[R]/[XR]= [X].[R]/[XR]Phản ứng tạo phức giữa X và thuốc thử HR ở pH xác Phản ứng tạo phức giữa X và thuốc thử HR ở pH xác

định như sau: X + HR = XR + Hđịnh như sau: X + HR = XR + H++

Hằng số cân bằng của phản ứng tạo phức này là:Hằng số cân bằng của phản ứng tạo phức này là: K = [XR].[HK = [XR].[H++]/[X].[HR]]/[X].[HR]

HR có cân bằng phân ly: HR = HHR có cân bằng phân ly: HR = H++ + R + R- -

=> k=> k1 1 = [H= [H++] [R] [R--]/[HR]]/[HR]

=> k=> k11/K = [X].[R]/[XR] = K/K = [X].[R]/[XR] = Kff

Như vậy để tính KNhư vậy để tính Kf f phải tính đước hằng số cân bằng K phải tính đước hằng số cân bằng K của phản ứng tạo phức:của phản ứng tạo phức:

- Lập đồ thị chuẩn A - Lập đồ thị chuẩn A ~ C~ CX X => => [XR][XR]

- [X] = C- [X] = Cx x - [XR]; [HR] = C- [XR]; [HR] = CHRHR - [XR] - [XR]

Từ đó ta tính được KTừ đó ta tính được Kff

5959

b. b. Phương pháp dãy đồng phân tửPhương pháp dãy đồng phân tử

Giả sử có phức XR với cân bằng phân ly như sau: XR = Giả sử có phức XR với cân bằng phân ly như sau: XR = X + RX + R

KKf f = [X].[R]/[XR]= [X].[R]/[XR]

Goi Goi là độ phân ly: K là độ phân ly: Kff = = 22 C C22/(1- /(1- )C )C

= = 22CC

Dựa vào đồ thị dãy đồng phân tử ta có Dựa vào đồ thị dãy đồng phân tử ta có

= (A= (A0 0 – A– A11)/A)/A0 0 => K => Kff

AA11

AA00

XX RR

6060

2.1.6. MÁY QUANG PHỔ UV-Vis2.1.6. MÁY QUANG PHỔ UV-VisNguồn sáng:Nguồn sáng:

Đèn Vonfram: đo vùng Vis với Đèn Vonfram: đo vùng Vis với > 320 nm > 320 nm Đèn Deuteri (DĐèn Deuteri (D22) đo vùng UV với ) đo vùng UV với < 350 nm (khi < 350 nm (khi

đo dùng cuvet thạch anh)đo dùng cuvet thạch anh)

Khe sáng:Khe sáng: Để tạo ra một chùm tia sáng có cường độ đủ lớn để chiếu váo bộ đơn sắc

Bộ đơn sắc:Bộ đơn sắc: Dùng kính lọcDùng kính lọc Dùng lăng kínhDùng lăng kính Dùng cách tửDùng cách tử

Detector:Detector: Nhân quang, tế bào quang điện, diode array Nhân quang, tế bào quang điện, diode array

Xử lý tín hiệu:Xử lý tín hiệu: Nối máy tính Nối máy tính

Các loại máy:Các loại máy: Một chùm tia, Hai chùm tia Một chùm tia, Hai chùm tia

6161

Sơ đồ khối của một máy quang phổ hấp thụ phân tử Sơ đồ khối của một máy quang phổ hấp thụ phân tử một đường truyềnmột đường truyền đo tại một bước sóng lựa chọnđo tại một bước sóng lựa chọn

6262

Sơ đồ khối của một máy quang phổ hấp thụ phân tử Sơ đồ khối của một máy quang phổ hấp thụ phân tử hai đường truyền có khả năng quét phổhai đường truyền có khả năng quét phổ

6363

Sơ đồ khối của một máy quang phổ hấp thụ phân tử Sơ đồ khối của một máy quang phổ hấp thụ phân tử mảng diode mảng diode

6464

6565

6666

6767

6868

CÁCH TỬ NHIỄU XẠCÁCH TỬ NHIỄU XẠ

6969