Faculty of Science and Technology Rajamangala University of Technology Phra Nakhon

Asst.Prof.Woravith Chansuvarn, Ph.D

02-412-105 Analytical Chemistry

The subject was presented according to the curriculum of analytical chemistry (02-412-105) Faculty of Science and Technology, RMUTP

Basic of Spectroscopyหลกพนฐานการวเคราะหเชงสเปกโทรสโกป

iamworavith Lasted update: Jan 2017

Spectroscopy

2

สเปกโทรสโกป : การศกษาสมบตหรอขอมลของสสารโดยอาศยการเกดอนตรกรยา (interaction) ระหวางรงสแมเหลกไฟฟา (electromagnetic radiation) กบ สสาร (matter)

▪ การดดกลนแสง (absorption)▪ การคายพลงงาน (emission) ▪ การเรองแสง (fluorescence) ▪ การกระเจงแสง (scattering)

อนตรกรยา

3

Analytical Method

Classical Method Instrumental Method

Optical Method

UV-VIS

AAS

IR

NMR

FES

Separation Method

Chromatography

extraction

Ion exchange resin

Electrical Method

Potentiometry

Conductimetry

Votametry

Electrogavitry

Coulometry

Spectroscopy

4

▪ เปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอน (electronic)

▪ เปลยนพลงงานจากการหมน (rotation)

▪ เปลยนพลงงานจากการสน (vibration)

อนตรกรยาระหวางรงสแมเหลกไฟฟา (โฟตอน) กบสสาร ท าใหเกดการเปลยนระดบพลงงาน

การเปลยนระดบพลงงานของอนภาคภายในสสารเกดขนอนเนองจากอนตรกรยา โดยเปนการเปลยนระดบพลงงานจากสถานะพน (ground

state, E0) ไปยงสถานะกระตน (excited state, E1)

5

E0

E1

E1

E0

Ener

gy

การเปลยนระดบพลงงานของสสารเกดขนจากอนตรกรยากบคลนแมเหลกไฟฟา ท าใหไดขอมลของสาร

รงสแมเหลกไฟฟา

▪ พลงงานรปหนง สามารถสงผานทวาง (space) ดวยความเรวสงมาก มสมบตเปนไดทงคลน (wave) และอนภาค (particle)

▪ ประกอบดวยสนามแมเหลก (magnetic field) และสนามไฟฟา (electric field) ซงเกดการแกวงกวด (oscillation) เปนคลนรปไซน รวมเฟสกนในแนวตงฉากซงกนและกน และตงฉากกบทศทางการแผรงส

6

สมบตรงสแมเหลกไฟฟา

1) สมบตเชงคลน (wave) ไดแก สมบตการหกเห การสะทอน การแทรกสอด การเลยวเบน เปนตน

7

2) สมบตเชงอนภาค (particle) โดยอนภาคของรงสแมเหลกไฟฟาเรยกวา โฟตอน (photon) หรอควอนตม (quantum) มสมบตความเปนควอนไตซ (quantized) คอมพลงงานแนนอนและเคลอนทดวยความเรวสงมาก

พลงงานของโฟตอนสมพนธความยาวคลน () และความถ () และเลขคลน (wave number)

vhchc

hvE

การแผรงสแมเหลกไฟฟา

8

▪ เปนการแผพลงงานรปหนงในลกษณะอนภาค (particle) ทเรยกวา โฟตอน (photon)

▪ รงสแมเหลกไฟฟา ประกอบดวย เสนแรงสนามไฟฟาและเสนแรงสนามแมเหลก ซงตงฉากกนและกน

ลกษณะเฉพาะของคลน

9

▪ ขนาดคลน (amplitude, A) คอขนาดของเวกเตอรซงใชบอกความแรงของสนามไฟฟา/สนามแมเหลกทจดสงสดของคลน

▪ คาบ (period, p) คอเวลา (วนาท) ทคลน 1 รอบผานจดๆ หนงในทวาง (space)

amplitude

p

ความถ (frequency, )

▪ คอจ านวนคลนทผานจดๆ หนงใน 1 วนาท

= 1/ p▪ มหนวยเปนเฮรต (Hz) ซงสอดคลองกบ 1 รอบ/วนาท (1 Hz = s-1)

▪ ขนกบแหลงก าเนดรงส▪ ความถของคลนแมเหลกไฟฟาไมเปลยนแปลงเมอรงสผานตวกลาง (medium) ทตางกน

10

▪ ความยาวคลน (wavelength, ) คอ ระยะระหวางจด 2 จดทสอดคลองกนบนคลนทตอเนองกน

11

สมบตความเปนอนภาค (particle)

▪ รงสแมเหลกไฟฟาประกอบดวยอนภาคซงเรยกวา โฟตอน (photon) หรอ ควอนตา (quanta)

▪ โฟตอน 1 ตวมพลงงานทแนนอน จะมากหรอนอยขนกบความถ▪ สมการของพลงค (Planck)

12

vhchc

hvE

E = พลงงานของโฟตอน 1 ตว (J)h = คาคงทของพลงค (6.63x1034 Js) = ความถ (s1) = ความยาวคลน (nm) = เลขคลน (m1)c = ความเรวของแสง = 3.0x108 m/s

จากสมการของพลงค เราสามารถค านวณหาพลงงานของโฟตอนทความยาวคลนตางๆ ได เชนท ความยาวคลน 5.00 m พลงงานของโฟตอน

13

hcE

Jxmx

msxJsxE 20

6

1834

1098.31000.5

)1000.3)(1063.6(

ดงนน แสงทมความยาวคลน 5.00 m (500 nm) จะมพลงงานของโฟตอน เทากบ 3.98x10-20 J

สเปกตรมของรงสแมเหลกไฟฟา สเปกตรมของรงสแมเหลกไฟฟาเปนสเปกตรมตอเนองทครอบคลมชวงความยาวคลนกวาง ตงแตรงสแกมมาจนถงคลนวทย

14

ชอเรยก ความยาวคลน (nm)far-ultraviolet near-ultraviolet visiblenear-infraredmiddle-infraredfar-infraredmicrowave

10 – 200200 – 380380 – 780780 – 30003,000 – 30,00030,000 – 300,000300,000 – 1,000,000,000

15

http://lumenistics.com/what-is-full-spectrum-lighting/

16

วงลอส (color wheel) เมอแสงขาวถกดดกลนคลนแสงไปบางชวงความยาวคลน สทปรากฎจะเปนสตรงกนขามในวงลอส

อนตรกรยาของรงสแมเหลกไฟฟากบสสาร

ความถ(Hz)

ความยาวคลน ()

อนตรกรยากบสสาร เทคนควเคราะห

radio 108-1010 1 m - 1 cm nucleus or electron spin NMR, ESR

microwave 1010-1012 1 cm - 100 m rotation microwave

infrared 1012-1014 100 m - 1 m vibration IR, raman

Uv/vis 1014-1016 1 m - 10 mm electronic of valence Uv/vis

x-ray 1016-1018 10-10 m electronic of shell XRD

-ray 1018-1020 electronic of nucleus

17

18

19

20

เทคนคทางสเปกโทรสโกป

เทคนคทมการถายเทพลงงานระหวางโฟตอนกบสสาร

เทคนคทเกดจากการเปลยนแปลงสมบตของคลนแมเหลกไฟฟา

▪ การดดกลน▪ การเปลงแสง▪ photoluminescence▪ chemiluminescence

21

22

E0 (ground state)

Ener

gy

E

E1 (excited state)▪ อนภาค (อะตอมหรอโมเลกล) อยในระดบ

พลงงานต าทสด เรยกวา สถานะพน (E0)▪ เมออนภาคไดรบพลงงานโฟตอน (hv)

พอดกบ E ของอนภาคนน จะเกด การดดกลนพลงงาน (absorption) ท าใหอนภาคเปลยนไปอยในสถานะทมพลงงานสงขน เรยกวา สถานะกระตน (E1)

▪ สถานะกระตนไมเสถยร อนภาคจะกลบสสถานะพน แลวจะเกด การคายพลงงาน (emission) ออกมา

E= E1-E0 = hv

abso

rptio

n

emiss

ion

23

อะตอมหรอโมเลกลใน E0 ดดกลนพลงงาน (hv) และเปลยนไปอยในสภาวะทมพลงงานสงกวา (E1)

อะตอมหรอโมเลกลในสภาวะทมพลงงานสงกวา (E1) คายพลงงาน (hv) ออกมา และกลบไปอยใน E0

E1

E0

Spectroscopy methods - Absorption

▪ เมอใหพลงงานในรปของคลนแมเหลกไฟฟาแก sample ซงรงสตกกระทบเปน P0 ทผานออกมามก าลงลดลงเปน P

▪ พลงงานของโฟตอน (hv) พอดกบผลตางระหวางระดบพลงงาน (E) สปชสสารทสนใจ (analyte species) จะดดกลนท าใหเกดการเปลยนระดบพลงงานจาก E0 ไปยง E1 หรอ E2

▪ คาการดดกลนรงสในแตละชวงความยาวคลนเกดขนไดไมเทากน เรยกวา สเปกตรมการดดกลน

24

25

▪ ความสามารถในการดดกลนคลนแมเหลกไฟฟา (absorption ability) ของสสารทความยาวคลนตางกน จะดดกลนไดไมเทากน

สเปกตรมการดดกลนของอนภาคระดบนาโนเมตรของทองค า

▪ คาการดดกลนสงสด (maximum absorbance) จะปรากฎทความยาวคลนของรงสแมเหลกไฟฟาความยาวคลนหนง เรยกวา ความยาวคลนทมคาการดดกลนสงสด (maximum absorptivity wavelength, max)max

26

Spectroscopy methods - Emission

▪ เมอ analyte species กลบส ground state อาจคายพลงงานในรปทไมใชรงสหรอโดยการเปลงรงส เรยกวา photoluminescence (เทคนคfluorescence และ phosphorescence)

27

Sample

Photoluminescence

P0

Incidentradiation

P

Transmittedradiation

เทคนคเปกโทรสโกป ความยาวคลน ชวงเลขคลน (cm-1) การเปลยนระดบพลงงานทเกดขนGamma-ray 0.005–1.4 Å – NuclearX-ray 0.1–100 Å – Inner electronVacuum UV 10–180 nm 1x106 – 5x104 Bonding electronsUV / visible 180–780 nm 5x104 – 1.3x104 Bonding electronsInfrared/Raman 0.78–300 m 1.3x104 – 3.3x101 Rotation / vibrationMicrowave 0.75–3.75mm 13–27 RotationElectron spin resonance

3 cm 0.33 Spin of electrons a in a magnetic field

Nuclear magnetic resonance

0.6–10 m 1.7x102 – 1x103 Spin of nuclei in a magnetic field

28

กฎการดดกลนแสง

เมอล าแสงขนานของรงสความยาวคลนเดยว (monochromatic radiation) ผานสารละลายทมสารทสามารถดดกลนแสงได (absorbing species) ก าลงของรงสจะลดลง

29

P0

Incidentradiation

P

transmittedradiation

Absorbing solution ofconcentration c

b P0 = ก าลงของรงสทตกกระทบสารละลาย (incident power of radiation)P = ก าลงของรงสทสงผานสารละลาย (transmitted power of radiation)

▪ คาการดดกลนแสง (absorbance) ▪ คาการทะลผานของแสง (transmittance)

▪ Transmittance (T)

30

0P

PT

TT 100%

P

PA 0log

▪ Absorbance (A)

TT

A log1

log

TA

%

100log

TA %log2

P0 = incident power of radiationP = transmitted power of radiation

ความสมพนธระหวาง absorbance และ transmittance

31

• เมอแสงผานสารละลายโดยไมมการดดกลน A = 0 และ %T = 100• เมอ A เพมขน %T จะลดลง• ส าหรบสเกลของเครองมอรนเกา %T จะเปน linear scale สวน A เปน

log scale จงมกอาน %T แลวหา A จาก A = 2 – log %T

กฎการดดกลนแสง

Lambert’s Law (ค.ศ.1760) “เมอรงสแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนเดยว ผานตวกลางเนอเดยว รงสแมเหลกไฟฟาทถกดดกลนจะลดลงแบบ exponential กบความหนาของตวกลางทแสงผาน (path length, b) ”

32

path length, b (cm)

P/ P0

P0 = incident power of radiationP = transmitted power of radiationk = proportional constantb = path length

kb

P

PT 10

0

b

P0 P

P

PA 0log

Beer’s Law (ค.ศ.1852) “ความเขมของรงสแมเหลกไฟฟาทถกดดกลนจะลดลงเปนสดสวนโดยตรงกบความเขมขนของสปชสสารทสนใจ (absorbing species) ในสารตวอยาง”

33

P0 = incident power of radiationP = transmitted power of radiationk = proportional constantc = concentration of absorbing species

ck

P

PT '

0

10

Beer-Lambert law

Lambert’s Law :

Beer’s Law :

34

kb

P

PT 10

0

ck

P

PT '

0

10

abc

P

PT 10

0

abcP

PT

0

loglog

abcP

PT 0loglog

abcP

PA 0log Beer-Lambert’s Law หรอ

เรยกสนๆ วา Beer’s Law

จาก Beer’s law

▪ คาการดดกลนแสง (A) เปนสดสวนโดยตรงกบ ความเขมขนของ absorbing species (c) และ path length (b)

▪ a เปนคาคงท เรยกวา absorptivity ใชแสดงปรมาณแสงทถกดดกลนตอหนวยความเขมขน คาของ a ขนกบหนวยของ b และ c - ถา b เปน cm และ c เปน g/L เทอม a มหนวยเปน Lg-1cm-1

- ถา b เปน cm และ c เปน mol/L เทอม a เรยกวา molar absorptivity ()และมหนวยเปน Lmol-1cm-1

35

abcP

PA 0log

จาก Beer’s law

ถา b เปน cm และ c เปน mol/L เขยนสมการไดเปน

36

abcP

PA 0log

ขนกบความยาวคลน ดงนน A ขนกบความยาวคลนA เปนสดสวนโดยตรงกบความเขมขน (เมอ และ b คงท)A เปนสดสวนโดยตรงกบ path length (เมอ และ c คงท)A เปนสดสวนโดยตรงกบ (เมอ b และ c คงท)A ไมใช %absorption (ซงเทากบ 100 – %T)

A = absorbance (ไมมหนวย) = molar absorptivity (L mol-1 cm-1)b = path length (cm) c = concentration (mol L-1)

A = bc

ประโยชนของ Beer’s law

จาก Beer’s law A = bc

ค านวณ molar absorptivity () ของ absorbing species ถาทราบความเขมขน (c)❖ ใชคา absorbance ทวดไดค านวณความเขมขนเมอทราบ molar absorptivity () และ path length (b)

37

จาก Beer’s law A = bcA เปนสดสวนโดยตรงกบความเขมขน, c (เมอ และ b คงท)เมอ plot ระหวาง A กบ c ของสารละลายชนดหนงทมความหนาคงท จะไดกราฟเสนตรง ทมความชนเทากบ b

38

slope = b

Abso

rban

ce

Concentration (mol/L)

Absorption spectrum ไดจากการเขยนกราฟระหวาง absorbance (A) กบความยาวคลน () หรอ ความถ () หรอ เลขคลน ()

39

A %T log

(nm) (Hz) (cm-1)

จาก A = bc ถาสรางกราฟระหวาง A กบ c จะไดกราฟเสนตรง slope = b

40

dcba

+ -

a b c dConcentration (mol/L)

A A

Wavelength (nm)

%T

slope = b

เงอนไขของ Beer’s Law

1. รงสเปนรงสชนดล าแสงขนานและความยาวคลนเดยว (parallel monochromatic radiation)2. รงสตงฉากกบพนผว3. สารละลายเปนเนอเดยวกน (homogeneous solution)4. สารละลายมความเขมขนทเหมาะสม

41

การวเคราะหเชงปรมาณ

42

Solvent extraction

ถาตองการทราบวาในสารตวอยางมLutein อยปรมาณเทาใด

ท าการวเคราะหโดยวธสเปกโทรสโกปแบบดดกลนแสง

กราฟเสนตรง (linear curve)

y = mx + b

43

A = bcy

x

y

xb

A

c

A

cintercept

แนวคดการสรางกราฟมาตรฐาน

44

400 500 600 700

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

00. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1.0

Concentration of AuNP (mol/L)Wavelength (nm)

AuNP 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1.0 mol/L

Abs. at 527 nmAbs.1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

กราฟมาตรฐาน (standard curve)

45

▪ เตรยมสารละลายมาตรฐานททราบความเขมขน 6 ความเขมขน (series of standard solution)

▪ วดคาการดดกลนแสงทความยาวคลน 517 nm

0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1.0 1.2 mg/L

Conc. (mg/L) Abs (517 nm)

0.2 0.1150.4 0.1600.6 0.2100.8 0.2851.0 0.3551.2 0.420

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

Abs.

conc. (mg/L)

46

Conc. (mg/L)

Abs

0.2 0.1150.4 0.1600.6 0.2100.8 0.2851.0 0.3551.2 0.420

y = 0.311x + 0.04

0.04

y

x

slope = ------ = ------------------- = 0.311 yx

0.355 - 0.1501.00 – 0.340

A = 0.311c + 0.04

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

Abs.

conc. (mg/L)

47

Conc. (mg/L)

Abs

0.2 0.1150.4 0.1600.6 0.2100.8 0.2851.0 0.3551.2 0.420

น าตวอยาง (unknown) วดคาการดดกลนแสงทความยาวคลน 517 nm พบวามคา Abs = 0.25

0.25

Unknown conc.0.68

y = 0.311x + 0.040.25 = 0.311x + 0.04

x = (0.25 – 0.04)/0.311 = 0.675

Unknown abs.

1) หาความเขมขนโดยลากเสนบนกราฟมาตรฐาน2) ค านวณความเขมขนโดยสมการเสนตรง

ความเขมขนเปน

เทาไร ?