Emmite modrozelený

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ
SPEKTROMETRIE V UV/VIS
OBLASTI SPEKTRA
Lenka Veverková, 2013
ABSORPČNÍ
SPEKTROMETRIE
ABSORPCE ZÁŘENÍ VE VIS OBLASTI


Při dopadu bílého světla na vzorek může být záření zcela odraženo  látku
vidíme jako bílou; nebo zcela pohlceno  látku vidíme jako černou.
Pokud vzorek část záření pohltí a část odrazí  barva látku viditelná pro
lidské oko odpovídá barvě odraženého záření (tzv. doplňková barva).
 (nm)
Pohlcená barva
Doplňková barva
400-435
fialová
žlutozelená
435-480
modrá
žlutá
500-560
zelená
červeno-purpurová
560-580
žlutozelená
fialová
580-595
žlutá
zelená
595-610
oranžová
zelenomodrá
620-760
červená
modrozelená
MOLEKULOVÉ ORBITALY (MO)
E
MO vznikají při tvorbě vazby z AO.
Ze 2 AO se vytvoří 2 MO.
 2 typy vazebných orbitalů
*
s  2 typy protivazebných orbitalů
p*  1 nevazebný orbital; n* neexistuje,
protože n orbitaly se nepodílí na
vazbě!
n
 Absorpční pásy mohou patřit 6
p typům přechodů (4 u molekul, 2 u
anorganických iontů).
s  Symetricky zakázané přechody (v
daleké UV oblasti).
UV/VIS SPEKTRA MOLEKUL A IONTŮ

Pokud molekula nebo ion absorbuje záření v UV nebo Vis oblasti
spektra, dojde k elektronovému přechodu valenčního e-.
Intenzita pásů (dle kvantové mechaniky):
1.
2.
3.

Přechody dovolené – ze základní singletové do excitované singletové
hladiny; max  104 – 105 l.mol-1.cm-1
Přechody spinově zakázané – málo pravděpodobné přechody ze základní
singletové do excitované tripletové hladiny; max  100 l.mol-1.cm-1
Přechody symetricky zakázané max  102 l.mol-1.cm-1; vibrace jader
molekuly vede k diferenci v rozdělení e- a tím ke změně dipólového
momentu molekuly a přechodu e-.
MOLEKULY:
UV/VIS SPEKTRA MOLEKUL

p  p*, n  p* uvedeme společně, chemické skupiny často
obsahují jak p tak n e-, oba typy přechodů přispívají k tvorbě
absorpčních pásů.


Přechody p  p* jsou relativně nezávislé na atomech spojených
s dvojnou vazbou, jsou dovolené a intenzivní:   103 - 105.
Přechody n  p* jsou symetricky zakázané a nejsou příliš intenzivní (
 10 - 102), jejich absorpční maximum je silně závislé na druhu atomu
(poloha n e- je silně závislá ne elektronegativitě heteroatomu).
s  s* vytvářejí jednoduché vazby – alifatické uhlovodíky.
Prakticky nepoužívané vzhledem ke krátkým  (nutno pracovat
ve vakuu).
 n  s* poskytují substituenty s nevazebnými e- – nasycené
sloučeniny se S, N, Br, I, které absorbují do 200 nm a O a Cl,
které absorbují nad 200 nm.

UV/VIS SPEKTRA MOLEKUL
Chromofor – funkční skupina v molekule odpovědná za
absorpci záření v UV a Vis oblasti. Obecně lze říci, že skupiny s
p e- jsou chromofory pro UV a Vis oblast a skupiny se s e- pro
dalekou UV oblast.
 Konjugační efekt – s rostoucím počtem konjugovaných
dvojných vazeb se posouvá absorpční pás pp* přechodu k
delším .
 Auxochrom – funkční skupina, která způsobuje posun 
absorpčních maxim chromoforů a zvyšují intenzitu pásů, př.:
OH, NH2, halogenidy. Posuny maxim a změna intenzity vlivem

substituce či volbou rozpouštědla jsou důležité pro strukturní analýzu.
Bathochromní (červený) posun – k delším .
Hypsochromní (modrý) posun – ke kratším .
Hyperchromický efekt – zvýšení intenzity absorpce.
 Hypochromní efekt – snížení intenzity absorpce.



UV/VIS SPEKTRA IONTŮ

Přenos náboje – intenzivní   103 - 104, hlavně UV; molekula
donoru vytváří s molekulou akceptoru komplex, jež se projeví
novým absorpčním pásem (p  p*, n  p*) [Fe2+ s
fenantrolinem, Fe3+Fe(SCN)2+, komplexy fenolů s Cu2+ či Fe3+].
M-L + hn  M+-L Přenos v ligandovém poli – málo intenzivní   101 - 102,
hlavně Vis [ [Cu(H2O)6]2+ absorbuje při 790 nm].
Volný atom přechodného kovu
má 5 degenerovaných d
orbitalů. Je-li atom v komplexu,
působí na něj elektrostatické
pole ligandů a d orbitaly se
rozštěpí.
Spektrum Fe3+ s o-fenantrolinem
INSTRUMENTACE
KOLORIMETR(ie) – vizuální porovnávání intenzity zbarvení
vzorku a standardu nebo řady standardů.
 FOTOMETR(ie) – objektivní měření prošlého toku záření:



FOTOMETR – barevný filtr k vymezení .
SPEKTROFOTOMETR – obsahuje monochromátor.
KYVETY

Materiál: sklo, křemen, plast
David MILDE, 2004
KOMERČNÍ PŘÍSTROJE
David MILDE, 2004
KVANTITATIVNÍ ANALÝZA
• Průmyslové aplikace: farmaceutický, potravinářský, sklářský,výroba barev
KVALITATIVNÍ ANALÝZA
STANOVENÍ 2 LÁTEK VE SMĚSI
Solving for c(Fe) gives the concentration of Fe3+ as 1.80.10–5 M. Substituting
this concentration back into the equation for the mixture’s absorbance at a
wavelength of 396 nm gives the concentration of Cu2+ as 1.26.10–4 M.
STUDIUM KOMPLEXŮ – JOBOVA METODA
(METODA KONTINUÁLNÍCH VARIACÍ)
Slouží k určení stechiometrického složení a podmíněné
konstanty stability komplexu:
M + yL  MLy
 Měří se série roztoku s konstantním ntot a proměnným nM a nL
(ekvimolární roztoky):
ntot = nM + (nL)i

(X L )i 
(n L )i
n tot
X M  1  (X L )i


Maximum Abs je dosaženo pro stechiometrické složení komplexu.
Je-li to možné měříme při , kde absorbuje pouze komplex.
XL
XL
y

XM 1 XL
XL = 0,75  y = 3  ML3
XL = 0,5
y=1
ML
XL = 0,67
y=2
ML2
SPEKTROFOTOMETRICKÉ TITRACE


Určování BE na základě změny absorbance s přídavkem
titračního činidla. Tento způsob titrace je experimentálně
jednoduchý a má uspokojivou přesnost.
Titrační křivky:
A.
B.
C.
Absorbuje pouze titrační činidlo (titrace s uvolňováním Br2, I2).
Absorbuje produkt titrační reakce.
Absorbuje pouze titrovaná látka (stanovení Pb titrací chelatonem 
uvolňování xylenové oranže z komplexu s Pb).
(FOTO)LUMINISCENČNÍ
SPEKTROMETRIE
FOTOLUMINISCENCE
Jde o emisi záření látkou, které bylo před tím absorbováno.
 Dělení: FLUORESCENCE, FOSFORESCENCE.
 Návrat látky z excitovaného (doba života excitovaného stavu
10-5 – 10-9 s) do základního stavu – relaxace:





Vibrační deaktivace – nadbytek E uvolněn ve formě tepla
Emise – nadbytek E uvolněn jako foton
Relaxace pomocí fotochemické reakce:
A*  X + Y
Elektronové stavy organických molekul se dělí na:
S – singletový
T - tripletový
Dubletový stav – lichý e- u volného radikálu, který může zaujmout 2 orientace.
FOTOLUMINISCENCE

FLUORESCENCE: emise fotonu při přechodu z S1 (nebo
S2,…) do základního stavu S0. Doba života excitovaného stavu
(za jakou dobu dojde k emisi) závisí na  při absorpci záření:
pro   104 – 105 je doba 10-7 – 10-9 s, pro   101 – 102 je doba
10-5 – 10-6 s.


Fluorescence odeznívá velmi rychle po ukončení excitace (vypnutí
zdroje excitačního záření).
FOSFORESCENCE: emise fotonu při přechodu z T1 na S0.
Doba života excitovaného T stavu je 10-4 – 102 s 
fosforescenční záření sledujeme delší dobu po ukončení
excitace.

Elektron po absorpci záření nejprve přejde z S1 na T1 (přechod z S0 na
T1 je zakázaný)!
DIAGRAM ENERGETICKÝCH HLADIN
MOLEKULY
vr … vibrational relaxation
ic … internal conversion
ec … external conversion
isc … intersystem crossing
2
4
1
3
DEAKTIVAČNÍ PROCESY V MOLEKULÁCH

Preferovaný přechod do základního stavu je ten, který
minimalizuje dobu života excitovaného stavu!
Nezářivá deaktivace
Vibrační relaxace – rychlý proces (10-12 s), molekula ve vyšším vibračním
stavu snižuje svou E přechodem na nejnižší vibrační podhladinu
excitovaného (i základního) stavu.
 Vnitřní konverze – molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného
stavu přechází do vyšší vibrační podhladiny nižšího energetického stavu.
Kombinací ic a vr může molekula přejít z excitovaného do základního stavu bez
emise fotonu!
 Vnější konverze – nadbytek E je předán rozpouštědlu či jiné složce matrice.
 Mezisystémový přechod – molekula na nejnižší vibrační podhladině
excitovaného stavu přechází na vysokou energetickou podhladinu stavu s
nižší E a jiným spinem.


Zářivé deaktivace: fluorescence a fosforescence
FLUORESCENCE – EMISE PŘI PŘECHODU E- Z
NEJNIŽŠÍ VIBRAČNÍ PODHLADINY S1 NA S0


Lze ji pozorovat pouze pokud je účinnějším prostředkem deaktivace než
nezářivé přechody.
Intenzita fluorescence IF:
(F = NF/N … flourescenční výtěžek)
I F  kF (P0  PT )
I F  2,303 k FP0 bc
Z Lambertova  Beerova zákona PT  P0 10bc

IF roste s F, P0,  a koncentrací.

Vliv teploty a viskozity rozpouštědla na F.


Fluorescenční přechod může skončit na různých vibračních podhladinách
S0  pásové spektrum.
Ke fluorescenci dochází u 3, nezáleží na tom, zda byla molekula
excitována 1 do S1 nebo 2 do S2.
EXCITAČNÍ A EMISNÍ SPEKTRA

1.
2.
2 typy fluorescenčních spekter:
Excitační: IF v závislosti na  budícího záření při konstantní 
emitovaného záření – slouží k určení účinné  pro vyvolání
fluorescence.
Emisní: IF v závislosti na  emitovaného záření při konstantní 
excitačního záření.
VLIV STRUKTURY NA LUMINISCENCI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Luminiscenci neposkytují nasycené uhlovodíky a zřídka nenasycené
alifatické uhlovodíky.
Intenzivní F: aromatické uhlovodíky s nízkoležícími S stavy pp*.
P vykazují aromatické sloučeniny s C=O nebo heteroatomy.
Vliv substituce aromatického jádra na F: -NO2, -OH, …
Aromáty s halogen substituenty zvyšují P a snižují F.
Luminiskují zejména velké a pevné rovinné molekuly s rigidní
strukturou.
SOUVISLOST ABSORPČNÍCH A
EMISNÍCH SPEKTER



Luminiscence začíná na nejnižší
vibrační podhladině S1 (T1)  Eemit
je menší než Eabs. Luminiscence se
objevuje u vyšších  než absorpce.
Luminiscenční
spektrum
bývá
zrcadlovým obrazem absorpčního.
Mohou se protínat v 0.
0 odpovídá nejmenší E pro absorpci
a je v absorpčním spektru
nejintenzivnější.
INSTRUMENTACE - FLUORESCENCE
Optická dráha mezi zdrojem a detektorem svírá 90°.
 Fluorimetr: k vymezení  slouží filtry; zdroj: Hg výbojka.
 Spektrofluorimetr:
mřížkové monochromátory; zdroj
nejčastěji Xe vysokotlaká výbojka (spojité spektrum).



Kyvety: 1 cm, křemen
Rozpouštědla: nesmí
fluoreskovat.
Instrumentace - fosforescence

Nutné rozlišit fluorescenci a fosforescenci!
David MILDE, 2004
PŘÍPRAVA
VZORKŮ
Kapalné: zmrazení v
kapalném N2 vytvoří
opticky čistou pevnou
látku
(vzorek
v
rozpouštědle).
Pevné: nanesení vzorku
na pevný substrát (desky
tenkovrstvé
chromatografie) – možno měřit za
laboratorní teploty.
KOMERČNÍ PŘÍSTROJE
David MILDE, 2004
ANALYTICKÉ VYUŽITÍ
KVALITATIVNÍ ANALÝZA: menší využití – zejména pro
polycyklické aromáty; molekuly s jemnými strukturními
rozdíly mají velmi podobná spektra.
 KVANTITATIVNÍ ANALÝZA: komplexy s kovy, organické
sloučeniny.

• Chemiluminiscence: chemická reakce produkuje
molekuly v excitovaném stavu, které emitují fotony.
• Bioluminiscence: k reakcím produkujícím molekuly
v excitovaném stavu dochází v biologických
systémech.
ANALYTICKÉ VYUŽITÍ
FRANK-CONDONŮV PRINCIP
Hmotnost atomových jader je několik řádů větší než hmotnost
elektronu a vzájemný pohyb jader atomů v molekule (vibrace
molekuly) je pomalejší (10-12 s) než rychlost přechodu
elektronů (10-15 s).
 Při přechodu elektronu ze základního do excitovaného
stavu proto zůstane zachována původní vzdálenost mezi
jádry atomů; tato vzdálenost však nemusí odpovídat
optimální (minimální) E molekuly v excitovaném stavu a
proto jádra atomů zaujmou nejvýhodnější (rovnovážnou)
vzdálenost až dodatečně, po přechodu elektronu.

FRANK-CONDONŮV PRINCIP
a
b

Potenciálové jámy s vibračními podstavy.

Hodnota kvantového vibračního čísla určuje počet uzlů
vibrační vlnové funkce pro
daný stav molekuly.

Minimum křivky potenciální energie odpovídá
rovnovážné
vzdálenosti
mezi oběma atomy. Tato
vzdálenost může být stejná
pro základní a pro excitovaný E stav molekuly (a),
ale častěji je v excitovaném
stavu větší než ve stavu
základním (b).