Abszorpciós spektroszkópia

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. július 2-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

Az abszorpciós spektroszkópia vagy az abszorpciós spektroszkópia  egy spektroszkópiai módszer, amely a mintán áthaladó sugárzás elnyelését méri a frekvencia vagy a hullámhossz függvényében. A minta részben energiát, azaz fotonokat nyel el a sugárforrásból. Az abszorpciós intenzitás a frekvenciával változik, és ez a változás abszorpciós spektrumként jelenik meg. Az abszorpciós spektroszkópia módszere lehetővé teszi a méréseket a teljes elektromágneses spektrumban. Az oldatokban lévő anyagok koncentrációjának meghatározására szolgál. [1] Számos értékes tulajdonsággal rendelkezik: képes egyidejűleg minőségi és mennyiségi adatok beszerzésére, sok információ az anyag kémiai természetéről, nagy az elemzési sebesség, a módszer nagy érzékenysége, az anyagok elemzésének képessége az összes aggregációs állapot, a keverékek komponensekre bontása nélküli elemzésének lehetősége, a minták többszöri felhasználásának lehetősége az újravizsgálathoz, lehetővé teszi a mikroszkopikus objektumok feltárását, a számítógépek adatfeldolgozásra való felhasználásának lehetősége [2] .

Az abszorpciós spektroszkópiát az analitikai kémia eszközeként használják egy adott anyag mintában való jelenlétének meghatározására, és sok más esetben az abszorbens jelenlétének számszerűsítésére. Az infravörös és az optikai spektroszkópia általános az analitikai alkalmazásokban. Az abszorpciós spektroszkópiát a molekula- és atomfizikai kutatásokban, a csillagászati ​​spektroszkópiában és a távérzékelésben is használják.

Az abszorpciós spektrumok mérésére számos kísérleti megközelítés létezik. A legelterjedtebb séma szerint a keletkezett sugárzássugarat a mintára irányítják, és meghatározzák a rajta áthaladó sugárzás intenzitását. Az átvitt energia felhasználható az abszorbancia kiszámítására, ha összehasonlítjuk egy standard mintával. A forrás, a minták helye, az áteresztett fény intenzitásának mérési módja jelentősen eltér a frekvenciatartománytól és a kísérlet céljától függően.

Az alábbiakban felsoroljuk az abszorpciós spektroszkópia főbb típusait [3] :

Szám Elektromágneses sugárzás A spektroszkópia típusa
egy röntgen Röntgen-abszorpciós spektroszkópia
2 Ultraibolya - látható Optikai abszorpciós spektroszkópia
3 Infravörös Infravörös abszorpciós spektroszkópia
négy mikrohullámú sütő Mikrohullámú abszorpciós spektroszkópia
5 rádióhullámok Elektronparamágneses rezonancia spektroszkópia

Mágneses magrezonancia spektroszkópia

6 Lézer Dióda lézer abszorpciós spektroszkópia

Abszorpciós spektrum

Egy anyag abszorpciós spektruma az anyag által egy bizonyos frekvenciatartományban elnyelt beeső sugárzás aránya. Az abszorpciós spektrumot elsősorban az anyag atomi és molekulaösszetételétől függően határozzák meg [4] [5] [6] . A sugárzás nagyobb valószínűséggel nyelődik el olyan frekvenciákon, amelyek megfelelnek a molekulák vagy atomok két kvantummechanikai állapota közötti energiakülönbségnek. A két állapot közötti átmenet miatti abszorpciót abszorpciós vonalnak nevezzük, és a spektrum általában sok vonalból áll.

Az abszorpciós vonalak előfordulási gyakorisága, valamint relatív intenzitásuk elsősorban a minta elektron- és molekulaszerkezetétől függ. A frekvenciák a mintában lévő molekulák közötti kölcsönhatásoktól, a szilárd anyagok kristályszerkezetétől és néhány környezeti tényezőtől (pl. hőmérséklet, nyomás, elektromágneses tér) is függnek. A vonalak szélessége és alakja is lesz, amelyet elsősorban a rendszer spektrális sűrűsége vagy állapotsűrűsége határoz meg.

Elmélet

Az abszorpciós vonalakat általában a molekulában vagy atomban indukált kvantummechanikai változások természete szerint osztályozzák. A molekulák forgásával kapcsolatos vonalak például akkor keletkeznek, amikor egy molekula forgási állapota megváltozik. A forgással kapcsolatos energiák általában a spektrum mikrohullámú tartományában vannak. A rezgési energiák a molekula rezgési állapotában bekövetkezett változásoknak felelnek meg, és általában az infravörös tartományban vannak. Az elektronikus átmenetekhez kapcsolódó vonalak egy atom vagy molekula elektronállapotának változásának felelnek meg, és általában a spektrum látható és ultraibolya tartományában találhatók. A röntgensugárzás abszorpciója az atomok belső héjain elhelyezkedő elektronok gerjesztésével jár. Ezek a változások kombinálhatók is (pl. forgás-rezgés átmenetek), ami új abszorpciós vonalakat eredményez a két változás együttes energiáján.

A molekula vagy atom energiaállapotai közötti kvantummechanikai átmenetekhez kapcsolódó energia elsősorban az abszorpciós vonal frekvenciáját határozza meg, de a frekvencia többféle kölcsönhatás révén változtatható. Az elektromos és mágneses mezők eltolódást vagy új energiaállapotok megjelenését okozhatják (degeneráltság megszüntetése). A szomszédos molekulákkal való kölcsönhatás eltolódásokat (például hatás kiszélesedését) okozhat. Például egy molekula abszorpciós vonalai a gázfázisban jelentősen elmozdulhatnak a szomszédos állapotok kölcsönhatása miatt, amikor ez a molekula folyékony vagy szilárd fázisban van, és erősebb kölcsönhatásba lép a szomszédos molekulákkal.

Az abszorpciós vonalak szélességét és alakját a megfigyeléshez használt műszer, a sugárzást elnyelő anyag és az anyag fizikai környezete határozza meg. Általában a vonalak Gauss-eloszlás vagy Lorentzi-eloszlás formájában vannak. Egy vonalat csak az intenzitása (amplitúdója) és szélessége ír le, nem pedig a teljes alakja.

Az integrált intenzitás, amelyet az abszorpciós vonal alatti terület integrálásával kapunk, arányos a jelenlévő abszorbens mennyiségével. Az intenzitás összefügg az anyag hőmérsékletével, valamint a sugárzás és az abszorber közötti kvantummechanikai kölcsönhatással is. Ezt a kölcsönhatást az átmenet valószínűsége számszerűsíti, és attól függ, hogy az átmenet melyik alsó állapotától kezdődik, és melyik felső állapothoz kapcsolódik.

Az abszorpciós vonalak szélessége a méréshez használt spektrométer segítségével határozható meg. A spektrométernek van egy belső határa arra vonatkozóan, hogy milyen keskeny vonalat tud feloldani, így a megfigyelt szélesség belefér ezen a határon. Ha a vonalszélesség nagyobb, mint a spektrométer felbontási határa, akkor azt elsősorban az abszorber környezete határozza meg. A folyékony vagy szilárd abszorberben, amelyben a szomszédos molekulák erős kölcsönhatásba lépnek egymással, általában szélesebb abszorpciós vonalakkal rendelkeznek, mint a gázok. Az abszorbeáló anyag hőmérsékletének vagy nyomásának növelése szintén növeli a vonalszélességet. Az is gyakori, hogy több szomszédos átmenet elég közel van egymáshoz, hogy vonalaik átfedik egymást, így a kapott teljes vonal még szélesebbé válik.

Kapcsolat az átviteli spektrummal

Az abszorpciós és transzmissziós spektrumok ekvivalens információt adnak, és ezek egyikének ismeretében matematikai transzformációval kiszámíthatja a másik spektrumot. Az átviteli spektrum maximális intenzitása azokon a hullámhosszokon lesz, ahol az abszorpció a leggyengébb, mivel több fény halad át a mintán. Az abszorpciós spektrum maximális intenzitása azokon a hullámhosszokon lesz, ahol az abszorpció a legerősebb.

Kapcsolat az emissziós spektrummal

Az emisszió az a folyamat, amelynek során egy anyag elektromágneses sugárzás formájában energiát szabadít fel. Az emisszió bármilyen frekvencián előfordulhat, amelyen abszorpció előfordulhat, és ez lehetővé teszi az abszorpciós vonalak meghatározását az emissziós spektrumból. Az emissziós spektrum azonban általában teljesen más intenzitású mintázatú lesz, mint az abszorpciós spektrum, tehát nem egyenértékűek. Az abszorpciós spektrum az emissziós spektrumból az Einstein-együtthatók segítségével számítható ki.

Kapcsolat a szórási és reflexiós spektrumokkal

Egy anyag szórási és visszaverődési spektrumát mind a törésmutatója, mind az abszorpciós spektruma befolyásolja. A spektrum látható tartományában az abszorpciót általában az extinkciós együttható segítségével, az extinkciós együtthatót és a törésmutatót pedig a Kramers-Kronig reláción keresztül számszerűsítik. Ezért az abszorpciós spektrum a szóródási vagy visszaverődési spektrumból nyerhető. Ez általában egyszerűsítő feltevéseket vagy modelleket igényel, így az így kapott abszorpciós spektrum egy közelítés.

Alkalmazások

Az abszorpciós spektroszkópiát érzékenysége és mennyiségi jellege miatt a kémiai elemzésben [7] alkalmazzák. Az abszorpciós spektrumok felbontása lehetővé teszi a vegyületek megkülönböztetését egymástól keverékben, így az abszorpciós spektroszkópia sokféle alkalmazásban hasznos. Például infravörös gázanalizátorok segítségével meghatározható a szennyező anyagok jelenléte a levegőben, megkülönböztetve a szennyező anyagokat a nitrogéntől, oxigéntől, víztől és más várható komponensektől [8] .

A módszer érzékenysége lehetővé teszi ismeretlen minták azonosítását is, ha a mért spektrumot összehasonlítjuk egy referencia spektrum könyvtárával. Sok esetben lehetőség van minőségi információ meghatározására egy mintáról akkor is, ha az nincs a könyvtárban. Az infravörös spektrumoknak például vannak abszorpciós sávjai, amelyek szén-hidrogén vagy szén-oxigén kötések jelenlétét jelzik. Az abszorpciós spektrumot a Beer-Lambert törvény segítségével mennyiségileg össze lehet kötni a jelenlévő anyag mennyiségével. Egy vegyület abszolút koncentrációjának meghatározásához ismerni kell a vegyület abszorbanciáját. Egyes vegyületek abszorpciós együtthatója referenciaforrásokból ismert, és egy ismert célkoncentrációjú kalibrációs standard spektrumának mérésével is meghatározható.

Távérzékelés

A spektroszkópia, mint analitikai technika egyik egyedülálló előnye, hogy mérések végezhetők anélkül, hogy a műszer hozzáérne a mintához. A minta és a műszer között áthaladó sugárzás spektrális információt fog tartalmazni, így a mérés távolról is elvégezhető. A spektrális távérzékelés számos helyzetben hasznos. Például mérgező vagy veszélyes környezetben is végezhetők mérések a kezelő vagy a műszer veszélyeztetése nélkül. Ezenkívül a mintaanyag nem érintkezhet a műszerrel, ami megakadályozza az esetleges keresztszennyeződést.

A távoli spektrális mérések számos problémát vetnek fel a laboratóriumi mérésekhez képest. A vizsgálati minta és a műszer közötti tér is elnyelheti a sugárzást. Ezek a nem kívánt abszorpciók elfedhetik vagy torzíthatják a minta abszorpciós spektrumát. Az ilyen háttérzaj idővel változhat. A távméréseknél a sugárzás forrása gyakran környezeti forrás, például napfény vagy meleg tárgy hősugárzása, és ez szükségessé teszi a spektrális abszorpció és a forrás spektrumában bekövetkező változások megkülönböztetését.

E feladatok egyszerűsítése érdekében a differenciális optikai abszorpciós spektroszkópia némi népszerűségre tett szert, mivel a differenciális abszorpció jellemzőire összpontosít, és nem veszi figyelembe a szélessávú abszorpciót, például az aeroszolt és a Rayleigh-csillapítást. Ezt a módszert földi, légi és műholdas méréseknél alkalmazzák. Egyes földi módszerek lehetővé teszik a troposzférikus és sztratoszférikus gázszennyeződések magassági profiljának meghatározását.

Csillagászat

A csillagászati ​​spektroszkópia a spektrális távérzékelés különösen fontos formája. Ebben az esetben az érdeklődésre számot tartó tárgyak és minták olyan távol vannak a Földtől, hogy az elektromágneses sugárzás az egyetlen elérhető eszköz a mérésükre. A csillagászati ​​spektrumok mind az abszorpciós, mind az emissziós spektrumokról tartalmaznak információkat. Az abszorpciós spektroszkópia különösen fontos volt a csillagközi felhők megértésében és annak meghatározásában, hogy némelyikük molekulákat tartalmaz-e. Az abszorpciós spektroszkópiát a Naprendszeren kívüli bolygók tanulmányozására is használják. A Naprendszeren kívüli bolygók tranzit módszerrel történő detektálása az abszorpciós spektrumukat is méri, és lehetővé teszi a bolygó légkörének [9] összetételének , hőmérsékletének, nyomásának és magassági csillapítási skálájának meghatározását, ami lehetővé teszi a bolygó tömegének meghatározását is [ 9] 10] .

Atom- és molekuláris fizika

Az elméleti modellek, elsősorban a kvantummechanikai modellek lehetővé teszik, hogy az atomok és molekulák abszorpciós spektrumait más fizikai tulajdonságokkal, például az elektronszerkezettel, az atom- vagy molekulatömeggel, valamint a molekuláris geometriával is összefüggésbe hozzuk. Ezért ezek és más tulajdonságok meghatározására abszorpciós spektrum méréseket alkalmaznak. Például a mikrohullámú spektroszkópia lehetővé teszi a kötések hosszának és a köztük lévő szögek nagy pontosságú meghatározását.

Ezen kívül spektrális mérések segítségével meghatározható az elméleti előrejelzések pontossága. Például egy olyan jelenséget, mint a hidrogénatomok abszorpciós spektrumában mért Lamb-eltolódás, kísérleti felfedezése előtt nem jósolták meg. Felfedezése ösztönözte és irányította a kvantumelektrodinamika fejlődését. A finomszerkezeti állandó meghatározására ma bárány eltolódás méréseket használnak.

Kísérleti módszerek

Az abszorpciós spektroszkópia legegyszerűbb megközelítése, ha egy forrással sugárzást generálunk, detektorral megmérjük ennek a sugárzásnak a referenciaspektrumát, majd újramérjük a minta spektrumát, miután a kérdéses anyagot a forrás és a detektor közé helyezzük. A két mért spektrum ezután kombinálható az anyag abszorpciós spektrumának meghatározásához. A minta spektruma önmagában nem elegendő az abszorpciós spektrum meghatározásához, mert azt befolyásolják a kísérleti körülmények - a forrás spektruma, a forrás és a detektor közötti egyéb anyagok abszorpciós spektruma, valamint a detektor hullámhosszfüggő jellemzői. Ezek a kísérleti körülmények azonban ugyanúgy befolyásolják a referenciaspektrumot, ezért ilyen kombinált abszorpciós spektrummérések szükségesek az egyes anyagok spektrumának tanulmányozásához.

A széles elektromágneses spektrum lefedésére különféle sugárforrásokat használnak. A spektroszkópiához kívánatos, hogy a forrás a hullámhosszok széles tartományát fedje le, hogy az abszorpciós spektrum széles tartományát meg lehessen mérni. Egyes források természetesen széles spektrumot bocsátanak ki. Ilyenek például a földgömbök vagy más fekete test sugárzási források az infravörösben, a higanylámpák a spektrum látható és ultraibolya tartományában, valamint a röntgencsövek. A közelmúltban kifejlesztett, új, széles spektrumú sugárforrások egyike a szinkrotronsugárzás, amely lefedi mindezen spektrális tartományokat. Más sugárforrások szűk spektrumot generálnak, de a sugárzás hullámhosszát úgy lehet beállítani, hogy lefedje a kívánt spektrális tartományt. Ilyenek például a mikrohullámú tartományban lévő klistronok és a spektrum infravörös, látható és ultraibolya tartományában lévő lézerek (bár nem minden lézer rendelkezik hangolható hullámhosszal).

A sugárzási teljesítmény mérésére használt detektorok a kívánt hullámhossz-tartománytól is függenek. A legtöbb detektor meglehetősen széles spektrális tartományban érzékeny, és az érzékelő kiválasztása gyakran inkább az adott mérés érzékenységétől és zajkövetelményétől függ. A spektroszkópiában elterjedt detektorok közé tartoznak például a heterodin vevők a mikrohullámú tartományban, a bolométerek a milliméteres és az infravörös tartományban, a kadmium-tellurid és más hűtött félvezető detektorok az infravörös tartományban, valamint a fotodiódák és fénysokszorozók a látható és ultraibolya tartományban.

Ha mind a forrás, mind a detektor széles spektrális tartományt fed le, akkor a spektrum meghatározásához az emissziós hullámhossz feloldására is szükség van. Gyakran spektrográfot használnak a sugárzás hullámhosszainak térbeli elválasztására, így az egyes hullámhosszok teljesítménye egymástól függetlenül mérhető. Az interferometriát széles körben alkalmazzák a spektrum meghatározására is – a Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia ennek a módszernek a széles körben elterjedt megvalósítása.

Az abszorpciós spektroszkópiai kísérlet megtervezésekor figyelembe kell venni még két másik kérdést: a sugárzás irányítására használt optika és a mintaanyag tárolására vagy tárolására szolgáló eszközök (úgynevezett küvetta vagy cella). A legtöbb UV, látható és közeli infravörös tartományban végzett méréshez precíziós kvarcküvetták használata szükséges. Mindkét esetben fontos olyan anyagokat választani, amelyeknek viszonylag csekély belső abszorpciója van a vizsgált hullámhossz-tartományban. Más anyagok felszívódása zavarhatja vagy elfedheti a minta felszívódását. Például több hullámhossz-tartományban szükséges a minta mérése vákuumban vagy inert gáz környezetben, mert a légkörben lévő gázok nemkívánatos abszorpciós tulajdonságokkal rendelkeznek.

Jegyzetek

  1. ↑ Frolov, 2003 , p. 188.
  2. ↑ Frolov, 2003 , p. 192.
  3. ↑ Kumar, Pranav. A biofizika és a molekuláris biológia alapjai és technikái. - New Delhi: Pathfinder kiadvány, 2018. - P. 33. - ISBN 978-93-80473-15-4 .
  4. ↑ Modern spektroszkópia (puhakötésű) J. Michael Hollas ISBN 978-0-470-84416-8
  5. ↑ Szimmetria és spektroszkópia: Bevezetés a vibrációs és elektronikus spektroszkópiába (puha borítás) Daniel C. Harris, Michael D. Bertolucci ISBN 978-0-486-66144-5
  6. ↑ Atomok és molekulák spektruma, Peter F. Bernath ISBN 978-0-19-517759-6
  7. ↑ James D. Ingle, Jr. és Stanley R. Crouch, Spectrochemical Analysis , Prentice Hall, 1988, ISBN 0-13-826876-2
  8. ↑ Gáznemű szennyező anyagok - Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (hivatkozás nem érhető el) . Letöltve: 2009. szeptember 30. Az eredetiből archiválva : 2012. október 23.. 
  9. ↑ Khalafinejad, S.; Essen, C. von; Hoeijmakers, HJ; Zhou, G.; Klocova, T.; Schmitt, JHMM; Dreizler, S.; Lopez-Morales, M.; Husser, T.-O. (2017-02-01). „Az exobolygós légköri nátrium orbitális mozgása során kiderült”. Csillagászat és asztrofizika ]. 598 : A131. arXiv : 1610.01610 . Irodai kód : 2017A&A...598A.131K . DOI : 10.1051/0004-6361/201629473 . ISSN  0004-6361 .
  10. ↑ de Wit, Julien; Seager, S. (2013. december 19.). „Az exobolygó tömegének korlátozása az átviteli spektroszkópiából”. tudomány . 342 (6165): 1473-1477. arXiv : 1401.6181 . Iratszám : 2013Sci...342.1473D . DOI : 10.1126/tudomány.1245450 . PMID  24357312 . S2CID  206552152 .

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban