Chương 2: Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis | Bài giảng môn Phân tích bằng công cụ | Đại học Bách khoa hà nội

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ
2.1. Sự tạo thành phổ hấp thụ phân tử (phổ UV- Vis)
• Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis là phổ xuất hiện do sự
PHẦN I: Các PP phân tích quang phổ
tương tác của các điện tử hóa trị trong phân tử hay
nhóm phân tử với bức xạ điện từ vùng UV-Vis.
Chương 2: Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
• Thực chất, phổ UV-Vis gồm những dải hấp thụ được
tạo ra do rất nhiều vạch có khoảng cách rất gần nhau (phổ đám).
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/1
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/4 1 4
2.1. Sự tạo thành phổ hấp thụ phân tử (phổ UV- Vis)
2.1. Sự tạo thành phổ hấp thụ phân tử (phổ UV- Vis)
• Các phân tử ở điều kiện bình thường tồn tại ở trạng
thái cơ bản bền vững có năng lượng thấp. Khi chúng
được cung cấp năng lượng, ví dụ như khi chiếu
chùm bức xạ vùng tử ngoại – khả kiến (UV-Vis), thì
các điện tử hóa trị (liên kết) trong phân tử sẽ hấp
thụ năng lượng của nguồn bức xạ và chuyển lên
trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn.
• Sự chuyển dời electron giữa 2 trạng thái (2 obitan)
được gọi là sự dịch chuyển điện tử.
• Cùng với sự dịch chuyển điện tử thì phân tử có sự
dịch chuyển cảm ứng bức xạ là sự dao động và quay.
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/2
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/5 2 5
2.1. Sự tạo thành phổ hấp thụ phân tử (phổ UV- Vis)
• Năng lượng tổng cộng E của 1 phân tử được viết như sau: E = Eđt + Edđ + Eq
Eđt: là năng lượng của các e trong các obitan ở lớp vỏ của phân tử;
Edđ: là năng lượng các dao động giữa các nguyên tử trong toàn bộ phân tử;
Eq: là năng lượng ứng với sự quay của phân tử quanh trọng tâm của chúng
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/3
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/6 3 6
2.2. Định luật cơ bản về sự hấp thụ bức xạ điện từ Định luật Beer
• Dựa trên sự hấp thụ năng lượng của bxđt bởi chất
2.2.1. Định luật Bouguer-Lambert-Beer - dPx/Px = dS/S Trong đó:
dS/S là tỉ lệ của diện tích hấp thụ trên thiết diện S, tỉ lệ với số
hạt (đơn vị) hấp thụ có trong dS
dS=adn với a là hằng số, dn số hạt (đơn vị) hấp thụ trong dS
n là tổng số hạt (đơn vị) hấp thụ trong mẫu P n Pierre Bouguer Johan Lambert August Beer dP adn x   (1698-1758) (1728-1777) (1825-1863)   P S Investigated Extended the Applied Lambert’s P x o 0 absroption vs. concepts developed concepts to solutions of P an thickness of by Bouguer different concentrations o  ln  medium P S P an o log  P 2 3 . 0 S 3
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/7
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/10 7 10 Định luật Beer Định luật Beer
• Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi
• Thiết diện S có thể được biểu diễn qua đại lượng thể
trường vật chất thì cường độ của tia sáng ban đầu I0 sẽ tích và bề dày
bị giảm đi chỉ còn là I do các hiện tượng hấp thụ (phần  S=V/b (cm2)
chính), phản xạ và tán xạ.  n/V = C
• Nếu môi trường vật chất là dung dịch chất mẫu nồng    a/2,303
độ C đựng trong cuvet có bề dày b, thì độ hấp thụ A
của các phân tử trong dung dịch chất mẫu, P anb o log    b . C . A = log (I0/I) = bC P 3 . 2 0 V 3
 là hệ số hấp thụ mol (hệ số hấp thụ phân tử gam).
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/8
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/11 8 11
2.2.2. Tính chất của độ hấp thụ quang
• Độ hấp thụ quang có tính chất cộng tính hay định
luật Beer-Lambert có thể áp dụng cho hỗn hợp chất
(nếu không có sự tương tác giữa các chất)
Atot=SAx = 1.b.C1 + 2.b.C2 + … n.b.Cn
Hệ quả: Amẫu = Achất nc + Aso sánh
hay Achất nc = Amẫu - Aso sánh
• Chia lớp dung dịch thành những lớp vô cùng mỏng
Trong đó, Aso sánh là độ hấp thụ quang của dung
thiết diện S có bề dày là dx.
dịch trống (mẫu trắng – blank). Dung dịch so sánh • P
được chuẩn bị sao cho có thành phần như dung
x: năng lượng của bxđt tới thiết diện S trong 1 đơn vị thời gian.
dịch mẫu đo nhưng không chứa nghiên cứu.
• Ánh sáng khi đi qua lớp dx giảm cường độ mất dPx.
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/9
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/12 9 12
2.2.2. Tính chất của độ hấp thụ quang
2.3. Giới hạn của định luật Beer
• Ý nghĩa vật lý của :
2.3.1. Các nguyên nhân làm cho sự hấp thụ ánh sáng
 là độ hấp thụ quang của dung dịch có nồng độ 1 M
không tuân theo định luật Beer
đựng trong cuvet có bề dày 1 cm.
• Cân bằng hóa học dịch chuyển
 đặc trưng cho bản chất của chất nghiên cứu (phụ
• Ánh sáng không đơn sắc
thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu) và phụ
• Bxđt xuất hiện ngẫu nhiên (tản mạn) do hệ thiết bị
thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. (stray light)
• Thứ nguyên của  là: l.mol-1cm-1 hay cm2.mmol-1
• Cuvet không đồng nhất
• Hệ số hấp thụ phân tử k = /6,0231020 (cm2)
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/13
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/16 13 16
2.2.3. Đại lượng đặc trưng cho sự hấp thụ ánh sáng
Cân bằng hóa học dịch chuyển
• Độ truyền quang - % T:
• Sự phân ly của phức khi pha loãng % T = I/I  0 100 • Ảnh hưởng của H+ • Độ hấp thụ quang A
• Ảnh hưởng của ion lạ A = log(I0/I) = - logT
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/14
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/17 14 17
Một số đại lượng dùng trong phổ UV-Vis: Ánh sáng không đơn sắc
• Bxđt có nhiều hơn một bước sóng
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/15
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/18 15 18
Bxđt xuất hiện ngẫu nhiên: Stray light
2.3. Giới hạn của định luật Beer
• Bxđt xuất hiện ngẫu nhiên tạo nên bởi sự tán xạ và phản
2.3.2. Độ chính xác của phép đo
xạ ánh sáng trên bề mặt của cách tử nhiễu xạ, thấu kính,
Thông thường giá trị A nên nằm trong khoảng 0,2 – 0,8
gương, kính lọc, cửa sổ cuvet... (đến detector nhưng
ứng với T = 0,65 – 0, 16 (65% - 16%). không qua mẫu)
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/19
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/22 19 22 Cuvet không đồng nhất
2.4. Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Sơ đồ khối
• Cuvet chứa mẫu trắng (blank) và mẫu thực tế không đồng nhất (1) Nguồn sáng (2) Bộ chọn sóng (3) Cuvet chứa mẫu (4) Detectơ
(5) Khuyếch đại và ghi tín hiệu
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/20
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/23 20 23
2.3. Giới hạn của định luật Beer
2.4. Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
2.3.2. Độ chính xác của phép đo
Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
A = b.C = log(1/T) = 0,434 ln(1/T)
Phổ UV-Vis là dạng đồ thị với: Lấy đạo hàm theo T trục tung: A, , log, T dC/dT = -0,434/Tb
trục hoành: bước sóng , tần số , số sóng. Thay b = A/C ta có:
dC/C = -0,434/A  (dT/T) = 0,434/logT  (dT/T) (1)
Giá trị T mà tại đó sai số tương đối về nồng độ là nhỏ
nhất được xác định bằng cách lấy đạo hàm của (1) và cho bằng 0.
 Tìm được T = 0,368 hay A = 0,434 và dC/C = - 2,72 dT
Nếu sai số của phép đo T là 0,1% thì sai số tương đối xác
định nồng độ sẽ là 0,27%.
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/21
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/24 21 24
2.4. Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis a- Kính lọc
 Các bộ phận chính của máy
• Kính lọc cho qua những chùm tia nhất định (độ rộng quang phổ bước sóng cỡ ~ 50 nm). 1. Nguồn sáng
• Loại kính lọc đơn giản nhất là kính lọc hấp thụ (colored
2. Bộ chọn bước sóng (kính glass filters). lọc, bộ đơn sắc)
• Kính lọc thường được sử dụng cho vùng khả kiến. 3. Cuvet chứa mẫu Nhược điểm 4. Detector 5. Bộ đọc tín hiệu
• Kính lọc không phải là bộ phận chọn bước sóng tốt.
 Máy quang phổ 1 (single
Vì kính lọc cho qua chùm tia có độ rộng bước sóng
beam) và 2 (double beam) chùm
khá lớn có thể gây sai lệch định luật Beer. tia
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/25
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/28 25 28 b- Bộ đơn sắc 2.4.1- Nguồn sáng
Bộ đơn sắc được sử dụng nếu muốn quét phổ (có thể dễ dàng thay đổi
Nguồn sáng của máy quang phổ UV-Vis là nguồn sáng liên tục.
bước sóng của bxđt cho khoảng mong muốn).
• Phát bức xạ điện từ với tất cả các bước sóng trong vùng phổ sử dụng
Có thể được sử dụng cho vùng UV/Vis.
• Nguồn bức xạ ổn định và có cường độ lớn
Bộ đơn sắc gồm khe đo (slits), gương (mirror), thấu kính (lense), cách Nguồn sáng liên tục
tử nhiễu xạ (grating) hoặc lăng kính (prism).
Bxđt vùng khả kiến và hồng ngoại Bxđt vùng UV gần Đèn Tungsten Đèn Deuterium 320-2500 nm 200-400 nm
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/26
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/29 26 29
2.4.2. Bộ chọn bước sóng
b1-Bộ đơn sắc sử dụng cách tử nhiễu xạ
Trường hợp lý tưởng bxđt ra khỏi bộ chọn bước sóng là đơn sắc
Cách tử nhiễu xạ phản xạ (1 bước sóng)
Quay cách tử nhiễu xạ phản xạ cho phép chỉ 1 bước sóng (2) qua bộ đơn sắc
Không có bộ chọn bước sóng nào có thể làm việc lý tưởng, tức
là bxđt ra khỏi bộ chọn bước sóng là 1 chùm tia
Thiết bị càng tốt thì chùm tia thu được càng hẹp Bộ chọn bước sóng Kính lọc Bộ đơn sắc
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/27
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/30 27 30
2. Tốt nhất nên chọn bước sóng mà tại đó độ hấp thụ không thay đổ
b2- Bộ đơn sắc sử dụng lăng kính
đáng kể khi bước sóng thay đổi nhỏ. Tức là tỉ số A /  nhỏ.
 Độ tán sắc bởi lăng kính
Ví dụ: Tại băng (dải) A  A /  0
phụ thuộc vào độ khúc xạ ánh
Tại băng (dải) B  A /  lớn (độ đúng của phép đo giảm) sáng
 Tia tím với năng lương cao Band A
hơn (bước sóng ngắn hơn) bị A Broad horizontal
nhiễu xạ (bẻ cong) nhiều nhất bands  Band B
Bức xạ đỏ với năng lương ce an A shoulder
nhỏ hơn (bước sóng dài hơn) rb so
bị nhiễu xạ (bẻ cong) ít nhất b A    wavelength m
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2 3 /3 1 1
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/34 31 34
Lựa chọn bước sóng phân tích Phép đo đ
3. Nếu dung dịch có chứa nhiều cấu tử hấp thụ, nếu có thể chọn
ộ hấp thụ thường được thực hiện tại 1 bước
bước sóng tại đó cấu tử quan tâm hấp thụ lớn ngược lại cấu tử
sóng cố định. Khi 1 bước sóng được chọn cho mục đích
gây nhiễu không hấp thụ hoặc ít hấp thụ.
phân tích định lượng, 3 yếu tố sau cần phải lưu ý:
1. Bước sóng lựa chọn cho độ nhạy cao nhất. max hoặc bước
sóng tại đó hệ số hấp thụ tương đối lớn. sample Interfering ance species λmax sorb b A m wavelength
λmax – bước sóng tại đó sự hấp thụ là lớn nhất
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/32
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/35 32 35
Đo độ hấp thụ quang tại bước sóng  2.4.3- Bộ chứa mẫu
max thì có thể đo được
nồng độ chất phân tích nhỏ nhất với độ chính xác tốt.
 Mẫu lỏng thường được chứa trong cuvet.
 Cuvet nhựa, thủy tinh cho vùng khả kiến
Ví dụ so sánh nồng độ tối thiểu của chất phân tích tại 
 Cuvet thạch anh cho vùng UV, Vis max (10-5 M) và 1. 10-2 M 10-3 M ce 10-4 M an rb 5x10-5 M so 10-5 M b A   max 1 Nhựa Thủy tinh Thạch anh wavelength
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/33
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/36 33 36
Sơ đồ khối của máy quang phổ 1 chùm tia Cuvet Semi micro cuvet
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/37
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/40 37 40 2.4.4- Detector
Sơ đồ khối của máy quang phổ 2 chùm tia
 Là bộ phận chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
 Detector phải nhạy, đáp ứng nhanh cho 1 khoảng bước sóng mong muốn.
 Tín hiệu điện tạo ra bởi detector phải tỉ lệ thuận với độ truyền quang.
 Ánh sáng đi qua mẫu thực tế hoặc mẫu so sánh (mẫu trắng) nhờ vào bộ chia bxđt (beam chopper)
 Khi ánh sáng qua mẫu detector đo P. Ngược lại khi ánh sáng qua mẫu trắng detector đo P0. Diode quang Ống nhân quang CCD camera
 Bộ chia bxđt lặp lại vài lần/s mạch điện tử tự động so sánh P và P0 để tính
toán độ hấp thụ và độ truyền quang.
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/38
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/41 38 41 2.4.4- Detector
Ưu điểm của máy quang phổ 2 chùm tia so với máy quang phổ 1 chùm Ống nhân quang tia
 Electron giải phóng ra từ catot nhạy sáng kéo theo (thúc đẩy) các
Máy quang phổ 1 chùm tia không tiện ích vì:
electron khác từ các dynode.
1. Mẫu trắng và mẫu phải được đo lần lượt.
 Nếu quá trình này được lặp lại vài lần thì có hơn 106 electrons được
2. Nếu muốn đo tại nhiều bước sóng khác nhau, mẫu trắng phải được
giải phóng khi 1 photon tác động lên catot đầu tiên.
đo ứng với mỗi bước sóng (với máy không có chức năng quét theo bước sóng). Máy quang phổ 2 chùm tia
1. Độ hấp thụ của mẫu được tự động so sánh với mẫu trắng.
2. Tự động hiệu chỉnh sự thay đổi cường độ của nguồn sáng và sự
thay đổi đáp ứng của detector với thời gian hoặc bước sóng bởi vì 2
chùm tia được so sánh và đo tại cùng 1 thời điểm.
3. Tự động quét và ghi phổ (absorbance vs. wavelength).
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/39
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/42 39 42
2.5. Phân tích bằng phương pháp phổ UV-Vis
 Độ nhạy cao 10-6-10-4 M
2.5.1. Nguyên tắc của phép đo:
 Độ chọn lọc ở mức trung bình đến cao.
• Hòa tan chất phân tích trong một dung môi phù  Độ chính xác cao
hợp, hoặc cho chất nghiên cứu, thường là ion kim
Sai số tương đối về nồng độ khoảng từ 1% đến 3%
loại, tác dụng với thuốc thử hữu cơ trong dung môi
 Dễ thao tác, thực hiện nhanh, xử lý số liệu dễ dàng
thích hợp để tạo ra hợp chất (phức chất) có phổ UV- và thuận tiện Vis nhạy.
• Chiếu vào dung dịch mẫu chứa chất nghiên cứu
(đựng trong cuvet) 1 chùm sáng có bước sóng phù
hợp để chất nghiên cứu hay sản phẩm của nó hấp
thụ bức xạ để tạo thành phổ UV-Vis.
• Thu, phân ly phổ đó và chọn bước sóng cần đo rồi
ghi lại giá trị độ hấp thụ quang A.
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/43
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/46 43 46
2.6. Ứng dụng của pp phổ UV-Vis
2.5.2. Phương pháp định lượng
2.6.2. Một số ứng dụng khác của phổ UV-Vis
a. Phương pháp một điểm chuẩn
Xác định thành phần của phức 
b. Phương pháp đường chuẩn M + nX = MXn = [MXn]/[M][X]n
a. Phương pháp dãy đồng phân tử gam
c. Phương pháp thêm chuẩn
Gọi nồng độ ban đầu của M là CM, của X là CL; nồng cân bằng của phức là Cp. Cp   ( 1) (C  C ).(C  nC )n M p L p
Giá trị cực đại Cp được xác định bằng cách lấy đạo hàm
Cp theo CM và CL và cho bằng 0.  Cp max khi CL = nCM
 Hay độ hấp thụ của phức Amax khi nX/(nX+nM) = n/n+1
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-1/44
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/47 44 47
2.6. Ứng dụng của pp phổ UV-Vis
2.6. Ứng dụng của pp phổ UV-Vis
2.6.2. Một số ứng dụng khác của phổ UV-Vis
2.6.1. Phân tích định lượng
Xác định thành phần của phức
Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis là một trong những công M + nX = MX  n = [MXn]/[M][X]n
cụ hữu hiệu để phân tích định lượng
a. Phương pháp dãy đồng phân tử gam
 Khả năng áp dụng rộng: Tiến hành:
- Một số lớn các hợp chất hữu cơ, vô cơ (phức),
- Pha các dung dịch ion M và X có nồng độ mol/l như
phân tử sinh học hấp thụ trong vùng UV-Vis nên có nhau.
thể phân tích định lượng trực tiếp.
- Chuẩn bị dãy đồng phân tử gam bằng cách trộn các
- Nhiều hợp chất không hấp thụ vùng UV-Vis có thể
dung dịch theo thể tích khác nhau, nhưng tổng thể tích
phân tích gián tiếp sau khi dẫn xuất hóa bằng không đổi. phương pháp hóa học.
- Đo A ở 1 giá trị  đã chọn.
- Xây dựng đồ thị A – phần mol X, tại vị trí trên trục
hoành của cực đại thì nX/(nX+nM) = n/n+1  n
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/45
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/48 45 48
a. Phương pháp dãy đồng phân tử gam
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/49 49
2.6. Ứng dụng của pp phổ UV-Vis
2.6.2. Một số ứng dụng khác của phổ UV-Vis
Xác định thành phần của phức M + nX = MX  n = [MXn]/[M][X]n
b. Phương pháp đường cong bão hòa Tiến hành:
- Chuẩn bị dãy dung dịch có nồng độ của thuốc thử
thay đổi còn tất cả các cấu tử khác đều như nhau.
- Đo A ở 1 giá trị  đã chọn.
- Xây dựng đồ thị A – CL/CM, tại vị trí trên trục hoành
của điểm gãy thì n = CL/CM
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/50 50
b. Phương pháp đường cong bão hòa
Nguyễn X. Trường – ANACHEM-SCE-HUST-2/51 51