Spectrofotometrie

1.1 Prezentare general a metodei de analiz chimic prin spectrofotometrie

Spectrofotometria este o metod optic de determinarea a concentraiilor constituenilor existeni ntr-o prob dat.

Spectrofotometria reprezint msurarea cantitativ a spectrelor de absorbie / emisie ale unei substane. Substanele care absorb radiaii aparinnd domeniului vizibil se vor colora n culori complementare. Acest fapt face posibil determinarea cantitii de lumin absorbit de ctre soluie, intensitatea radiaiei transmise fiind proporional cu concentraia speciilor absorbante din soluia analizat.

Aceast metod se bazeaz pe iradierea probei de analizat cu un fascicol de radiaii electromagnetice, a crui putere radiant se micoreaz la ieirea din sistem n funcie de natura i concentraia speciilor absorbante.Spectroscopia este o denumire generic dat unei clase de procedee i tehnici experimentale prin care se urmrete i se cuantific efectul absorbiei sau emisiei de energie de ctre o prob supus analizei chimice calitative i/sau cantitative. La folosirea spectroscopiei n analiza chimic calitativ scopul spectroscopiei este acela ca dintr-un spectru s se obin informaii despre proba analizat precum: structura intern, compoziie, dinamic. Spectrofotometria este o ramur a spectroscopiei moleculare ce se ocup cu analiza calitativ i cantitativ a spectrelor de absorbie n domeniul UV-VIS a substanelor organice sau anorganice n stare lichid. Din cauz c n domeniul UV-VIS nu toate substanele sau elementele chimice au spectre de absorbie cu maxime clare analiza calitativ nu este att de reprezentativ ca cea cantitativ. Un spectrofotometru sau un colorimetru utilizeaz transmiterea luminii printr-o soluie pentru determinarea concentraiei unui solut n soluia respectiv. Radiaia ectromagnetic emis ntr-un spectru electromagnetic este desfcut prin refracie pe o prism sau pe o reea de difracie Tn n scopul evidenierii precise a lungimilor de und specifice diferitelor elemente, ioni, radicali sau molecule. La folosirea spectroscopiei n analiza chimic calitativ se realizeaz corelarea lungimilor de und a spectrelor obinute cu spectre etalon. La analiza chimic cantitativ se folosete dependena dintre intensitatea emisiilor spectrale specifice i concentraia elementelor sau substanelor din compui sau amestecuri de compui. Un fascicol de radiaii de intensitate I0,ce strbate sub o inciden normal un strat absorbant, pierde o parte din energia sa radiant prin reflexie Ir iar o parte din aceasta este absorbit de ctre sistem Ia. Metoda de analiz chimic a alimentelor prin spectrofotometrie este o metod care are la baz legea LAMBERT-BEER.

Deci din intensitatea iniial numai o parte din radiaie este transmis i ea se noteaz cu It. Gradul de diminuare al intensitii radiaiei incidente este (conform legii lui Beer-Lambert) proporional cu grosimea stratului traversat i cu concentraia speciei absorbante:

Legea Beer-Lambert - exprim legtura ntre intensitatea luminii care traverseaz o soluie i concentraia soluiei respective.

n spectrofotometrie se folosesc uzual doi parametri pentru a cuantifica absorbia:

T - este transmisia; E - este extincia .

n fenomenele de propagare, lumina prezint, dup cum se tie, un aspect ondulatoriu, de und electromagnetic. n fenomenele de emisie, respectiv absorbie, lumina prezint un aspect corpuscular, adic se comport ca fiind format din cantiti bine determinate de energie, indivizibile, numite cuante sau fotoni.

Explicaia existenei fotonilor rezid n aceea c fiecare unitate de energie radiant este emis de cte o microparticul: atom,ion sau molecul.

Absorbia sau emisia unui foton este legat de trecerea prin salturi a unei asemenea microparticule de la o stare energetic posibil la alta.Pentru un astfel de salt este necesar ca energia cunatei, s fie egal cu diferena de energie dintre cele dou stri. Aceste tranziii, legate de interaciunea foton-microparticul urmeaz anumite reguli de selecie care determin ce fel de salturi de la un nivel la altul sunt permise. Pe de alt parte, o tranziie are loc numai dac sunt ndeplinite anumite condiii de interaciune cuant particul.

n chimie i fizic, diferite tipuri de spectrofotometre acoper game largi ale spectrului electromagnetic: ultraviolet (UV), lumina vizibil, infrarou (IR), sau cu microunde. Spectrofotometria UV este deosebit de util n detectarea i cuantificarea substanelor incolore, n soluie.1. Principiul metodei

Spectrofotometrul - instrument care servete la obinerea spectrelor de emisie sau de absorbie ale substanelor, cu ajutorul cruia se determin att lungimile de und ale liniilor, ct i intensitile acestorlinii.Principiul spectrofotometrului const n determinarea frecvenelor la care au loc tranziii: coeficientul de extincie prezint un salt brusc pentru frecvenele cuantelor care provoac tranziii n prob. Pentru aflarea acestor frecvene se fac deci determinri de coeficieni de extincie n funcie de frecven. n principiu se folosete un calorimetru, dar n loc s se lucreze n lumin alb,se fac determinri n lumin monocromatic a crei frecven se poate varia continuu. Se utilizeaz o surs de lumin alb, de exemplu un bec cu filament, i se selecteaz pe rnd radiaiile de diferite frecvene cu ajutorul unui dispozitiv numit monocromator.

Schema de principiu a obinerii luminii monocromatice pentru un spectrofotometru cu monocromator cu reea:

Schema de principiu a unui spectrofotometru

1- surs de lumin, 2-lentile colimatoare, 3-sistem de fante, 4- sistem monocromator cu prism, 5- spaiu pentru cuvele cu soluie de analizat, 6- detector de radiaie luminoas, 7- amplificator, 8- sistem de afiare.

Un astfel de ansamblu format dintr-o surs alb, un monocromator i un colorimetru cu citire direct, constituie cel mai simplu tip de spectrofotometru.

Spectrofotometrul este un aparat optoelectronic care msoar raportul a dou valori ale unei mrimi radiometrice la aceeai lungime de und i n acelai interval ngust de lungime de und .

Cu ajutorul unor oglinzi mobile din monocromator se schimb n salturi foarte mici frecvena luminii selectate din radiaia total a sursei. De fiecare dat se msoar absorbia, transmisia sau extinia i se calculeaz valoarea coeficientului de extinie E. Reprezentnd grafic variaia lui E n funcie de frecven sau lungimea de und se obine o spectrogram (un spectru).

Corespondena tranziiilor posibile (a) cu liniile spectrale ideale

(b) respectiv benzile reale(c) dintr-o spectrogram.

n figur se red o astfel de spectrogram pentru cazul n care proba prezint n domeniul cercetat trei nivele de energie permise, sunt ndeplinite condiiile de interaciune i nici una din tranziii nu este interzis.

Valorile nu pot fi trasate direct de aparatele nregistratoare, aflarea lor necesitnd un calcul n funcie de concentraie i grosimea de strat.

Un spectrofotometru sau un colorimetru utilizeaz transmiterea luminii printr-o soluie pentru determinarea concentraiei unui solut n soluia respectiv. Spectrofotometrul difer de colorimetru prin modul n care lumina este separat n lungimile de und componente. Spectrofotometrul utilizeaz o prism pentru separarea luminii, iar colorimetrul utilizeaz filtre. Ambele se bazeaz pe un model simplu de trecere a luminii de lungime de und cunoscut printr-o proba i msurarea cantitii de energie luminoas care este transmis. Aceasta se realizeaz prin plasarea unei fotocelule n partea opus a probei respective. O raz de lumin este format din fotoni; cnd un foton ntlnete o molecul de analit, exist anse ca analitul s absoarb fotonul. Aceast absorbie reduce numrul de fotoni din raza de lumin, astfel reducnd intensitatea luminoas.Toate moleculele absorb energie radiant la anumite lungimi de und. Cele care absorb energie n spectrul vizibil sunt cunoscute ca pigmeni. Proteinele i acizii nucleici absorb lumina n domeniul ultraviolet. Un spectrofotometru implic o surs de lumin, o prism, un suport pentru probe i o fotocelul. Acestea sunt conectate la un sistem electric sau mecanic care controleaz intensitatea luminii, lungimea de und i conversia energiei primite la nivelul fotocelulei n fluctuaii voltmetrice. Fluctuaiile voltmetrice sunt apoi proiectate pe o scal metric/digital i valorile sunt nregistrate ntr-un computer.Intensitatea culorii dintr-o prob depinde de cantitatea de solut din proba respectiv. Transmisia luminii nu este o funcie liniar, ci mai degrab exponenial. Transmitana este procentul relativ de lumin care a trecut prin prob. Transmitana procentual este transformat ntr-o funcie logaritmic invers cunoscut ca absorbant(sau densitate optic).Legea Beer-Lambert: absorbana este minus log10 din transmitana (A = - log10T). Aceast valoare este mai util dect transmitana deoarece proiecia absorbantei versus concentraie determin o linie dreapt, absorbana crescnd odat cu creterea concentraiei (transmitana scade odat cu creterea concentraiei de analit).Pentru a utiliza un spectrofotometru este necesar stabilirea unei serii cunoscute de diluii a unor cantiti cunoscute de solut. Una din acestea nu conine solut i este cunoscut ca blank. Este utilizat pentru ajustarea instrumentului s citeasc 100% transmitana pentru absorbanta 0. O valoare a transmitanei de 0% (absorbanta infinit) este stabilit prin plasarea unei bariere ntre sursa de lumin i fotocelul. Toate celelalte msurtori sunt apoi efectuate prin simpla plasare a probelor n calea luminii. Dupa nregistrarea absorbanei pentru o serie de probe standard este efectuat o dreapt absorbant versus concentraie. Panta dreptei reprezint coeficientul de extincie. Aceast valoare este o constant i este utilizat pentru conversia oricrei absorbante msurate n concentraia corespunztoare (C = A/).Un spectrofotometru poate utiliza att lumina vizibil (de obicei avnd ca surs de lumin o lamp cu tugsten/halogen), ct i lumina UV. Singura modificare necesar este nlocuirea tuburilor de sticl cu cuvete de quartz (sticla absoarbe lumina UV i nu este potrivit pentru un spectrofotometru UV).2. Avantajele metodei de analiz prin spectrofotometrieSpectrofotometria are numeroase i variate domenii de aplicabilitate:

n analiza n urme

n analizele tehnice metalurgice se aplic pentru determinarea elementelor de aliere din oeluri, fonte, aliaje,

aplicaii biologice,

medicale, clinice,

de mediu,

industria alimentar .

Avantajele propriu-zise ale acestei metode de analiz const n:

permite obinerea de date certe; pot fi cercetare probe complexe; permite automatizare i determinare foarte rapid; prezint o sensibilitate ridicat; dau un grad mare de siguran a rezultatelor msurtorilor. precizie mare de determinare; pot fi utilizate probe mici; sunt metode rapide, prin msurarea direct, fr a fi necesar adugarea de soluie titrat. n multe cazuri se poate evita separarea altor componente, iar prin folosirea unor reactivi specifici i prin controlul strict al reaciei se poate elimina interferena ionilor strini (controlul pH-ului, lungime de und convenabil aleas, utilizarea solvenilor organici pentru extragerea complecilor colorai, utilizarea unor reacii redox etc.).

folosirea reactivilor organici a condus la realizarea unor metode de determinare a urmelor de substan,

se poate aplica pentru dozarea majoritii substanelor. n cazul n care compusul nu absoarbe lumina, poate fi transformat printr-o reacie chimic adecvat ntr-un compus colorat ce absoarbe lumina.;

metodele spectrofotometrice pun n eviden punctul de echivalen ntr-o metod titrimetric (titrare spectrofotometric).

3. Dezavantajele metodei de analiz prin spectrofotometrie

precizia final se afl adesea n domeniul 5%; costul iniial i pentru ntreinerea echipamentului este ridicat; intervalul de concentraie este limitat (msurtori relative); n mod obinuit, necesit spaiu destul de mare; implic un personal cu o pregtire special; timp mai ndelungat pentru obinerea rezultatelor; necesit un numr mre de determinri pentru o interpretare statistic; d indicaii asupra unei singure caracteristici. Analizeaz doar un element pe rnd - echipamentul care este disponibil n prezent este construit pentru a determina doar un element pe rnd. Acest lucru nu ar constitui o problem, dac un numr de probe trebuie s fie analizate pentru un singur element. Dar, n cazul n care o prob trebuie s fie analizat de o serie de elemente, ar putea aprea o dificultate. Fiecare element trebuie s fie determinat separat;

Nu determin nemetalele - n prezent, aceast metod nu a fost gsit util pentru determinarea direct de elemente nemetalice, cum ar fi halogenurile, oxigenul i azotul;

Nu analizeaz direct probele solide i gazoase - o alt problem n absorbia atomic, este faptul c este foarte util pentru analiza probelor de lichid, dar nu a fost utilizat cu succes pentru analiza direct de solide sau gaze; 4. Aparatur utilizat

: Spectro(foto)metrele se clasific n:I) spectrofotometre de absorbie:

a) spectrofotometre cu absorbie molecular n UV-VIZ-IR;

b) fotocolorimetre;

c) spectrometre cu transformat Fourier;

d) spectrofotometre cu absorbie atomic

II) de emisie

a) spectrometre de emisie optic n plasm cuplat inductiv;

b) fotometre cu flacr;

c)spectrometre de emisie cu fluorescen de raze X.

n laboratoare se ntlnesc diverse tipuri de spectrofotometre n funcie de domeniul de utilizare:* spectrofotometrul de fluorescen atomic

* spectrofotometrul cu vizibilitate n infrarou IR

* spectrofotometrul pentru analiza de ap

* spectrofotometrul UV VIS

* spectrofotometrul de rezonan electronic de spin

* spectrofotometrul cu monofascicol

* spectrofotometrul cu dublu fascicol

* spectrofotometrul cu ir de diode, etc. Spectrofotometrele se compun, n principiu, din urmtoarele dispozitive eseniale: *o surs luminoas,* un monocromator,* un recipient cu perei transpareni, numit celul de absorbie,* un detector i* un dispozitiv pentru msurat i nregistrat efectele detectate. Schema unui spectrometru de absorbie

Schema unui spectrofotometrun molecule biatomice, ca HCl, HBr, etc., este posibil o vibraie de un singur fel, aceea prin care atomii se apropie i se ndeprteaz unul de altul, oscilnd n jurul unei poziii de echilibru.

Spectrofotometrele pot fi cu dou fascicule sau cu un singur fascicul.

Spectrofotometrul cu un singur fascicul aceste spectrofotometre au un singur fascicul luminos care trece pe rnd prin cuva cu soluie de referin i prin cuva cu soluie de analizat.

Spectrofotometrul VSU-2G lucreaz n domeniul 200-1600 nm, de la ultravioletul apropiat la infrarou.

Schema aparatului este reprezentat astfel:

Radiaia care vine de la sursa 1 (un filament care emite radiaie prin nclzire) ajunge, dup reflexiile pe oglinzile 2, 3, 4, pe fanta de intrare 5, care poate fi reglat din exteriorul aparatului.

Fascicolul divergent este transformat n fascicul paralel prin reflexie pe oglinda concava 6 i ajunge apoi la reeaua de difracie prin reflexie 7. Fasciculul, care este acum separat dup lungimile de und, este din nou reflectat de oglinda concava 6 care l transform ntr-un fascicul convergent care ajunge la fanta de ieire (nereglabil) 8 i de acolo, cu ajutorul lentilei 9, la cuvele cu soluii 10. Dup care fasciculul emergent ajunge pe un fotodetector 11 legat direct la calculator. Se citete o tensiune care este proporionala cu fluxul fasciculului.

O caracteristic important a unui spectrofotometru este lrgimea benzii pasante. Ea se definete ca lrgimea domeniului spectral care iese din monocromator la o lungime de unda dat. Datorit lrgimii finite a fantei de ieire, aceasta este traversat de o band de lungimi de und. Distribuia energiei luminii, n funcie de lungimea de unda prezint aproximativ forma unui triunghi al crui vrf se situeaz la lungimea de und marcat pe scal.

Spectrofotometrul cu dublu fascicul este un aparat automat construit dup principiul monofascicul, care s nregistreze zeci de puncte pe secund, ar fi nevoit s alterneze foarte repede cuva de dizolvant cu cea de soluie, operaie greu de rezolvat din punct de vedere mecanic i care ar necesita cuve perfect etane. De aceea este mult mai raional s se menin cuvele pe loc i s se treac, simultan sau succesiv, cte un fascicul de lumin prein fiecare cuv, realiznd astfel aparate cu dublu fascicul .

Acestea sunt componentele unui spectrofotometru cu dublu fascicul si pricipiul de baz:S surs; M monocromatro; E1, E2, E01, E04- motoare electrice; O1, O4 oglinzi mobile; O2, O3 oglinzi fixe; C1, C2 cuve; R receptor; A amplificator; K compensator; Er motor reversibil; Di dispozitiv de nregistrare .

Sursa S trimite un fascicul de lumin alb pe fanta de intrare a monocromatorului M. Motoraul E1 schimb continuu elementele mobile ale monocromatorului, astfel nct din monocromator iese o radiaie monocromatic a crei frecven se schimb uniform n timp.La un moment dat radiaia cade pe oglinda mobil O1, rotit de electromotorul E01 cu circa 10 rot/sec. Oglinda fix O2 schimb direcia razei cu 900 i o trece n cuva cu soluia de cercetat.

ntruct n cuva C2 se gsete dizolvat i substana de cercetat, aceasta va introduce o absorbie suplimentar, iar ca urmare pe receptor vor cdea alternativ un fascicul mai intens i unul mai slab.De la receptor semnalele sunt trecute la amplificatorul A, care este informat printr-un sistem de sincronizare de poziiile celor dou oglinzi n fiecare moment. Impulsurile amplificate sunt trecute la motorul reversibil Er, care mpinge n drumul fasciculului mai intens o pan de compensaie K, n form de pieptene. Cu ajutorul penei compensatoare se reduce intensitatea radiaiilor de comparaie pn la valoarea celor care au trecut prin cuva cu soluie, moment n care motorul Er se oprete. Ajungndu-se apoi ntr-un domeniu spectral n care substana absoarbe i mai intens,pana este mpins i mai adnc n drumul radiaiilor de comparaie de ctre motorul Er. n acest moment faza impulsurilor de radiaie de la receptorul R se inverseaz, motoraul Er pornete n sens invers, trgnd pana n afar pn la restabilirea echilibrului.

Solidar cu compensatorul K se mic i o peni nregistratoare care nscrie pe un tambur cu hrtie o diagram. Spectrofotometrul cu ir de fotodiode una din realizrile cele mai importante n domeniul spectrofotometriei o reprezint folosirea detectoarelor ir de fotodiode, n locul detectoarelor clasice. Aceste tip de detector permite preluarea spectrului UV-VIS-NIR n acelai timp nefiind necesar scanarea secvenial n timp a tuturor lungimilor de und.

Mai sus este prezentat un spectrofotometru UV-VIS cu ir de fotodiode. Se remarc n principal faptul c acest spectrofotometru nu are nici un element mecanic sau electromecanic n micare aa cum au spectrofotometrele clasice cu scanare.

La acest tip de spectrofotometre lumina se desparte n lungimile de und individuale abia dup ce trece prin cuv. Pentru fiecare lungime de und individual dorit exist ca detector al intensitii luminoase absorbite cte o fotodiod individual.

BIBLIOGRAFIE

1.Lorentz Jntschi -Chimie Fizic. Analize Chimice i Instrumentale , Editura AcademicDirect, 2004 (http://ph.academicdirect.ro);2.Lorentz Jntschi ,Sorana Bolboac - Analiz Chimic i Instrumental Aplicat, Editura AcademicDirect (http://ph.academicdirect.ro), ( pag. 40-42);3.Horea Iustin Nacu, Lorentz Jntschi -Chimie analitic i instrumental , Editura AcademicPres&AcademicDirect 20064.http://www.katalin-nohse.ro/aparatura_laborator.php#4

1. AscultaiCitii fonetic5.http://www.brml.ro/downloadNML/NML_etapa7/NML028-05/NML%20028-05.doc

6.http://ph.academicdirect.org/CAI_2006.pdf 7.http://www.umfiasi.ro/ScoalaDoctorala/StudiiAprofundate/Suport%20Cursuri/Validarea%20metodelor%20spectrofotometrice.docPAGE 9

_1357642416.unknown

_1357642417.unknown

_1357639798.unknown