Absorpsjon av elektromagnetisk stråling.

Transkript

1 Bølgeegenskaper. amplitude, A. periode, p, tiden fra et maksima til neste går gjennom et punkt i rommet. frekvens, ν = 1/p (Hz), uavhengig av mediet, bestemmes av kilden. hastighet, c, avhengig av mediet. bølgelengde, λ. bølgetall, ν = 1/ λ (cm -1 ), er direkte proporsjonalt med fotonenergien. Partikkelegenskaper, fotoner E = hν = hc/λ. Bølgelengden er omvent proporsjonal med energien E - energien til et foton h - Planks konstant 6, Js c - lyshastigheten 3, m/s Vi lagde et spekter med et holografisk gitter. Vi så hvor i det elektromagnetiske spektrum fargede løsninger absorberer. Vi lærte at det er komplementærfargen til løsnings farge som absorberes. Vi så på spekter av løsninger og så hvordan man kan tegne et spektrum. Hva er det som skjer i molekyler/atomet ved absorpsjon av stråling? Illustrasjon av absorpsjon og emisjonsprosesser med et diagram. Absorpsjon av elektromagnetisk stråling. 1

2 Noen definisjoner som vi må kunne. P Transmittans: T = P 0 T: transmittans; fraksjon av strålen som ikke absorberes av analyttmolekyler P: effekt av den utgående strålen P o : effekt av den inngående strålen P0 Absorbans: A = log( T ) = log P Absorbansen øker når effekten av strålen som går gjennom løsningen blir mindre. Lambert-Beers lov: P0 A = log = a b c P A: absorbans a: absorptiviteten b: veilengde i det absorberende medium c: konsentrasjon av analytt. A = ε b c ε: molar absorptivitet, cm -1 M -1 b: veilengde i det absorberende medium, cm c: konsentrasjon av analytt, M Den funksjonelle sammenheng mellom, absorbansen (A), og konsentrasjonen (c), kalles Lambert-Beers lov. a er en proporsjonalitetskonstant og kalles absorptiviteten. b er veilengden strålen går i det absorberende medium. Da absorbansen er en størrelse uten enhet vil absorptiviteten ha enhet som kansellerer enhetene av b og c. Når konsentrasjonen uttrykkes i mol/l og b i cm kalles proporsjonalitetskonstanten den molare absorptiviteten og gis symbolet, ε. ε har enhet M -1 cm -1. 2

3 Eksperimentell absorbans. Pløsningsmiddel P0 A = log = log P P løsning Transmittans og absorbans slik det er definert her kan ikke måles i laboratoriet. Løsningen som skal studeres må være i en eller annen form for beholder. Interaksjon mellom strålen og beholderen er uunngåelig. Effekten av strålen vil avta fordi strålen både reflekteres og absorberes. F. eks. kan det vises at 8,5 % av en stråle med gult lys går tapt når den passerer et beger med vann. I tillegg til tap ved refleksjon vil spredning fra større molekyler og inhomogeniteter i løsningen være årsak til at effekten av strålen avtar. For å kompensere for de nevnte forhold blir effekten av strålen som går gjennom cellen sammenlignet med en stråle som passerer en referansecelle. Referansecellen er identisk og inneholder kun løsningsmiddel. Eksperimentell absorbanse kan defineres ved likningen over. Slike eksperimentelle absorbanser følger Beers lov og er en god tilnærmelse til virkelige absorbanser. Molekylær spektroskopi i UV og det synlige området. Spektralområdene UV og synlig bindes sammen fordi utstyret som benyttes og den informasjonen vi får ut av disse to spektralområdene er den samme. Molekylært fenomen: Eksitasjon av valenselektroner. Spektrene er brede bånd med liten struktur. De elektroniske nivåene igjen er delt i vibrasjons- og rotasjonsnivå og at absorpsjonsbåndene er derfor brede. Spektra av liknende absorberende grupper har en tendens til å være meget like. Metoden er ikke særlig brukbar kvalitativ. Metoden er hovedsakelig kvantitativ. Anvendelse: Kvantitativ analyse, spesielt som siste trinn i en kjemisk analyse. Fordeler: Stor nøyaktighet, enkel, billig, lett å automatisere, relativt selektiv, spesifikke metoder kan utvikles (er utviklet), god nøyaktighet, stor anvendbarhet, tusener av metoder fins rundt omkring og høy sensitivitet 10-4 til 10-6 M. Begrensninger: Lav spesifisitet, lite informasjon om molekylstruktur, prøven må løses i et løsningsmiddel som ikke absorberer. Organiske forbindelser. Den energien som absorberes korresponderer til at et elektron hopper fra en okkupert orbital til en ikke-okkupert orbital. En funksjonell gruppe som absorberer elektromagnetisk stråling kalles en kromofor. I UV/synlig er en kromofor en gruppe som absorberer UV/synlig stråling. En gruppe som når den er bundet til en kromofor forskyver λ maks for kromoforen mot lengre bølgelengde kalles en auxokrom. En auxokrom utvider en kromofor og gir en ny kromofor. 3

4 Orbitaler involvert i absorpsjon av UV-stråling. σ σ* korresponderer til å bryte bindinger av typen C-C, C-H, C-O og C-X. Κrever energi i som korresponderer til λ < 180 nm. Både kvarts og luft (N 2 og O 2 ) absorberer i dette området og derfor er σ σ* overganger lite benyttet. n σ* Forbindelsen må inneholde atomer med ledige elektronpar. Forbindelser som inneholder O, S, N og halogener kan absorbere via denne type overganger. Absorpsjonene er typisk i området nm og ikke særlig intense. n π* for at en π* orbital skal være tilgjengelig må molekylet være umettet. Disse overgangene gir intense absorpsjoner i området nm. Når graden av umettethet øker vil λ maks forskyves mot lengre bølgelengder. π π Isolerte diener gir samme spektrum som eten. Ved utvidelse av det konjugerte system blir avstanden mellom energinivåene mindre og vi får en forskyvning av λ maks inn i det synlige området. Jo større antall konjugerte bindinger, jo lengre er bølgelengden for absorbert lys. Variable som påvirker absorbansen. løsningsmiddelet ph elektrolyttkonsentrasjon temperaturen Spektre kan ha forskjellig utseende i forskjellige løsningsmidler. Løsningsmiddelet må ikke absorbere i UV-området. Løsningsmiddelet må være rent. Små mengder forurensninger kan gi stor absorpsjon. Sjekk fremstillingsmetoden (spectroscopic grade, HPLC kvalitet, ikke teknisk). Vask aldri kyvettene med aceton. Vær nøye. Det er som regel ved tillaging av løsningene at kilden til unøyaktige målinger ligger. Bruk volumetrisk utstyr ved fortynning. Absorbansen som måles spektrofotometrisk er meget nøyaktig. Uorganiske forbindelser. Overgangsmetallene viser størst absorpsjon. Dette skyldes interaksjon mellom ligander og d- orbitaler i metallatomene. De fleste overgangsmetallene har delvis okkuperte d-orbitaler. For et fritt ion vi alle d- orbitalene ha samme energi. Interaksjon med ligander vil påvirke enkelt orbitaler mer enn andre fordi d-orbitalene er ikke like. Oppsplitting av energinivåene avhenger av type ligander og geometrien på komplekset som dannes. Oppsplitting av energinivåene i d-orbitalene resulterer i d-d overganger i UV/synlig området. Generelt vil ioner og komplekser av elementene i de to første overgangsseriene absorbere brede bånd i den synlig delen av spekteret. Som en konsekvens av dette vil de være farget. Absorpsjon involverer overganger mellom fylte, okkuperte, og ledige, ikke-okkuperte, d- orbitaler med energi som er avhengig av liganden bundet til metallionet. Energiforskjellen 4

5 mellom d-orbitalene, og dermed posisjonen av den korresponderende absorpsjonstoppen, er avhengig av elementets plass i periodesystemet, dets oksidasjonstall og liganden bundet til elementet. Absorpsjonsbåndene til lantanoidene og aktinoidene er forskjellig fra de i d-elementene. Elektronene ansvarlig for absorpsjon i disse elementene (h.h.v. 4f og 5f) er skjermet fra ytre omgivelser. Elektroner i orbitaler med større hovedkvantetall sørger for denne skjermingen. Som et resultat av dette er båndene smale og upåvirket av species involvert i bindinger med de ytre elektronene. Pr 3+ grønt ion 481 nm, 467 nm, 433 nm Nd 2+ lyserødt ion. 520 nm, 574 nm Charge transfer komplekser. Et kompleks der en species er en elektrondonor, og en annen er elektronakseptor. Disse species har meget høye absorptiviteter, ε > Da absorptivitene er meget høye, er mange analytiske metoder basert på dannelse av denne type komplekser. Mange species absorberer ikke i UV/synlig. Problemet kan løses ved å danne en annen species som absorberer. Detaljer i prosedyren. Vi måler ved λ maks fordi det gir størst forandring i A per konsentrasjonsenhet og ε varierer lite d. v. s. kurven er flat. Beers lov gjelder over et større konsentrasjonsområde. Kyvettene må ikke ha riper. må være samme fabrikat. må vaskes med den løsningen som skal undersøkes, ikke med aceton. Aceton absorber UV stråling. Anta aldri uten videre at Beers lov gjelder. Sjekk om Beers lov gjelder. Avvik kan skyldes høye konsentrasjonen ( > 0,01 M), som gir elektrostatiske vekselvirkninger og dermed forandrer ε. andre molekyler/ioner i løsningen kan vekselvirke med analyttmolekylene og gi avvik. lysspredning p. g. a. partikler i prøven. fluorescens eller fosforescens i prøven. forandring i kjemisk likevekter som er en funksjon av konsentrasjonen. ikke-monokromatisk stråling, bruk en flat del av spekteret. 5

6 Lumeniscens: Fluorescens, fosforescens og kemilumeniscens. Absorpsjon og deaktiveringsprosesser i et molekyl Vi skal nå se på hvordan elektroner i molekyler kan bevege seg mellom forskjellige elektroniske energinivå. Etter at elektronet i molekylet er eksitert mister det overskudd av vibrasjonsenergi og går tilbake til det laveste vibrasjonsnivå i den elektroniske tilstanden. Denne energien går over i termisk energi (termisk energi er vibrasjonsenergi) til molekyler i løsningen. Prosessen kalles vibrasjonsrelaksasjon og går trinnvis ν = 1. Prosessen tar s. En typisk vibrasjon tar s. Elektroner kan bevege seg mellom to elektroniske tilstander uten å sende ut stråling. Når elektronet beholder spinnet kalles denne prosessen internal conversion (IC). Internal conversion til S 1 og vibrasjonsrelaksasjon er hurtigere prosesser enn fluorescens. Derfor vil fluorescens vanligvis skje fra laveste vibrasjonsnivå i S 1 til forskjellige nivå i S 0. Dette er årsak til at man ofte kun ser et fluorescensbånd selv om man har flere absorpsjonsbånd. Fluorescens kan også skje fra høyere elektroniske tilstander f. eks. viser azulen S 2 - S 0 fluorescens. Absorpsjon til triplett tilstander er symmetriforbudt, men en liten absorpsjon er mulig i noen molekyler. En triplett tilstand fås når et elektron i en singlet tilstand går over til en triplett tilstand. Denne prosessen kalles intersystem crossing (ISC). Etter intersystem crossing vil elektronet deaktiveres ved vibrasjonsrelaksasjon til grunnvibrasjonsnivået i T 1. Molekyler kan gå fra S 1 til S 0 ved utsendelse av et foton. Utsendelse av stråling når elektroner går mellom tilstander med samme multiplisitet kalles fluorescens. Molekyler kan gå fra T 1 til S 0 ved utsendelse av et foton. Utsendelse av stråling når elektroner går mellom tilstander med forskjellig multiplisitet kalles fosforescens. Vi så på absorpsjonsspekter, fluorescensspekter og fosforescensspekter av tryptofan. Kemiluminisens er utsendelse av stråling fra molekyler som er dannet i eksitert tilstand. Lightsticks som benyttes av dykkere er basert på kemiluminisens. 6

7 Molekylær fluorescensspektroskopi. Molekyler eksiteres ved absorpsjon av elektromagnetisk stråling. De eksiterte molekylene går tilbake til grunntilstanden og gir opp noen av den absorberte energien som fotoner. 2 til 3 størrelsesordener mer sensitiv enn absorbansemålinger. I = kc når A < 0,05 Eksitasjonsspektrum og emisjonsspektrum av rhodamin B og rhodamin 6G. Et eksitasjonsspektrum er en graf som viser emisjonsintensitet som funksjon av eksitasjonsbølgelengde, likner absorpsjonspekteret λemisjon er konstant, mens λeksitasjon varierer. Et emisjonsspektrum er en graf som viser emisjonsintensitet som funksjon av bølgelengde, når vi bestråler ved en bestemt bølgelengde, λeksitasjon er konstant, mens λemisjon varierer. Relaksasjonsprosesser. Diagrammet viser energiforandringer under absorpsjon og fluorescens. Vi betegner en elektronisk grunntilstand S 0 og en eksitert tilstand S 1. I et molekyl vil begge elektroniske nivå igjen være oppdelt i vibrasjonsnivå. Når et molekyl absorberer stråling, hν A, kan et elektron eksiteres fra en tilstand S 0 til en tilstand S 1. I tilstanden S 1 kan det treffe forskjellig vibrasjonsnivå. Elektronet faller først ned til laveste vibrasjon nivå i tilstanden S 1. Deretter kan del falle ned til tilstanden S 0. Dette skjer ved at det sender ut stråling med energi hν F. Energidifferansen hν A må derfor være større eller lik energidifferansen hν F. hc hν A = > λ A hc hν F = λ F λ F må derfor være større eller lik λ A 7

8 Et molekyl bestråles med UV-stråling med bølgelengde 200 nm. Molekylet emitterer stråling med bølgelengde 450 nm. Hvor mye energi har molekylet mistet ved vibrasjonsrelaksasjon? m 1 1 E = hν A hν F = hc = 6, Js 3,00 10 = 5,52 10 s 9 9 λ A λf m m Dersom kvanteutbyttet er molekyler kj E = 5,52 10 J 6, = 333 mol mol Undertrykking av fluorescens, (eng: Quenching) 1 19 Self quenching analyttmolekyler absorberer utsendt stråling skjer når A > 0,05 andre molekyler i løsningen absorberer fluorescens. Kvanteutbyttet, Φ. FLUORESCENS OG STRUKTUR J Φ = antall _ fotoner _ emitert antall _ fotoner _ absorbert CH 2 Bifenyl, Φ = 0,2 Fluoren, Φ = 1,0 Det er funnet eksperimentelt at fluorescens er særlig favorisert i stive molekyler. F. eks har man funnet at kvanteutbyttet, Φ, i fluoren er nesten 1,0, mens i bifenyl er kvanteutbyttet Φ = 0,2. Forskjellen i oppførsel skyldes stort sett økt stivhet p. g. a. metylengruppen i fluoren. Stivheten senker hastigheten av strålingsløs relaksasjon til et punkt der fluorescens har tid til å skje. Oppgave. Hvilket av følgende to molekyler forventer du gir størst kvanteutbytte i fluorescens? Fenolftalein eller fluorescein. Økt fluorescens oppnås når de fluorescerende molekyler absorberes på en fast overflate. Her er det også økt stivhet som er årsak til økt fluorescens. Økt stivhet gir økt fluorescens i organiske kompleksdannere når de bindes til metaller. Eks: 8-hydroksyquinolin. O Zn N 2 8

9 Hvor effektivt et molekyl er til å sende ut stråling er avhengig av molekylets struktur og det miljøet molekylet befinner seg i. Selv om det er vanskelig å forutsi om et molekyl vil sende ut stråling kan man sette opp noen generelle regler. NB! Det er alltid unntak til reglene. 1. Luminescens observeres generelt ikke fra mettede hydrokarboner siden disse ikke innholder π eller n elektroner. (Svak fluorescens kan observeres i vakuum UV pga π*-π overganger.) 2. Luminescens vil sjelden observeres fra ikke-aromatiske hydrokarboner som inneholder få dobbeltbindinger (π-elektroner). Svak fluorescens i UV observeres for enkelte alifatiske karbonylforbindelser. Noen sterkt konjugerte, men ikke-aromatiske hydrokarboner, f.eks. β-karoten og vitamin A, viser sterk fluorescens fra π*-π overganger. 3. Mange aromatiske hydrokarboner viser intens fluorescens fordi de har π*- π overganger med liten energi. Fosforescens er mindre sannsynlig dersom man ikke har atomer med ledige elektronpar eller substituenter som begunstiger intersystem crossing. 4. Fosforescens er ofte gunstig i aromatiske molekyler som inneholder karbonylgrupper, f. eks. benzofenoner, eller heteroatomer som nitrogen, f.eks. pyrimidin, pyrazin). Disse gruppene har ikkebundne elektroner og dermed mulighet for n-π*-overganger. Den resulterende økning i intersystem crossing vil som regel redusere fluorescensintensiteten. Sterk fluorescens vil imidlertid kunne observeres for noen heterosykliske systemer, tryptofan og andre som inkluderer en indolring der nitrogen ikke er en del av det aromatiske system, fordi π*-π overganger da har lavere energi enn n- π* overganger. 5. Substituenter bundet til aromatiske ringer. Elektrondonerende grupper øker kvanteutbyttet. -NH 2, - OH, -F, -OCH 3, -NHCH 3 og N(CH 3 ) 3 Elektrontiltrekkende grupper gir nedsatt fluorescens. -Cl, - Br, -I, -NHCOCH 3, NO 2 og COOH 6. Halogener pertuberer elektronspinn og øker miksing av elektroniske tilstander. Dette øker S1 til T 1 intersystem crossing og dermed T 1 til S 0 fosforescens 7. Når konjugasjonen øker får vi et shift mot lengre bølgelengde, Φ F øker og Φ P avtar. 8. Rigide molekyler. 9. For molekyler som består av to uavhengige ringsystem er det en uavhengig fluorescens for hver ring. 10. Rigide metall komplekser Temperatur og løsningsmiddeleffekter I de fleste molekyler vil Φ avta med økt temperatur p. g. a. økt kollisjonsfrekvens. Høyere viskositet i løsningen gir økt Φ. Løsningsmiddelet. o polaritet og evne til å danne H-bindinger. o dersom kromoforen forandres med ph, kan fluorescensen forandres. Lav ph Høy ph Forandring av fluorescens med ph OH O _ Ja O CH 3 O CH 3 Nei 9

10 Ikke fluoriserende forbindelser kan reagere med egnede reagens og danne fluoriserende derivater. Eksempel: Bestemmelse av aminosyrer. H 3 C CH 3 N H 3 C CH 3 N + NH 2 R CH COOH SO 2 Cl SO 2 R NH CH COOH Uorganiske forbindelser. Direkte metoder. 2+ Uranyl UO 2 metall + kjelat, man måler fluorescens fra komplekset mellom metall og kjelat, benyttes for ikke-overgangsmetaller. Overgangsmetallene er ofte paramagnetiske og undertrykker fluorescens. Indirekte metoder for bestemmelse av anioner. Instrumentet. 10