Đại cương về phổ IR

Theo nguyên tắc chung, để xác định một chất bất kì, ta có thể tìm cách đo một tính hiệu bất kì có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với chất đó. Phương pháp phân tích đo quang có nhiệm vụ nghiên cứu cách xác định các chất dựa trên việc đo đạc những tín hiệu bức xạ điện từ và tác dụng tương hỗ của bức xạ này với chất nghiên cứu. Các phương pháp phân tích đo quang cổ điển chỉ mới dựa trên quan hệ của những ánh sáng khả kiến – VIS (tức là vùng bức xạ nhạy cảm với mắt người có bước sóng 400 – 700 nm) với chất nghiên cứu nên vẫn thường được gọi là phương pháp so màu. Ngày nay, phương pháp phân tích đo quang đã đực dùng để khảo sát cả một vùng bức xạ điện từ rộng lớn từ tử ngoại (có vùng bước sóng từ 10 nm) đến hồng ngoại (102 cm), và có thể tới các vùng có bước sóng bé hơn nữa (như ở các phương pháp phổ tia X và tia ) hoặc các vùng có bước sóng lớn hơn nữa (như ở các phương pháp cộng hưởng spin – electron – miền sóng viba – và cộng hưởng từ hạt nhân) I.1. Đặc tính của bức xạ điện từ Như đã biết, ánh sáng có thể được mô tả theo tính chất sóng và theo tính chất hạt. Khi mô tả tính chất sóng của ánh sáng ta thường dùng các thuật ngữ bước sóng và tần số . Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng có thể được hình dung như một tổ hợp của một trường dao động điện E và một từ trường M vuông góc với nhau và chuyển động với một vận tốc không đổi ở một môi trường nhất định. Trong chân không thì vận tốc này chính là vận tốc của ánh sáng. Có thể hình dung tính chất sóng của ánh sáng như hình bên dưới.

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐO QUANG

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

ĐO QUANG

Theo nguyên tắc chung, để xác định một chất bất kì, ta có thể tìm cách đo một tính hiệu bất kì có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với chất đó Phương pháp phân tích đo quang có nhiệm vụ nghiên cứu cách xác định các chất dựa trên việc

đo đạc những tín hiệu bức xạ điện từ và tác dụng tương hỗ của bức xạ này với chất nghiên cứu

Các phương pháp phân tích đo quang cổ điển chỉ mới dựa trên quan hệ của những ánh sáng khả kiến – VIS (tức là vùng bức xạ nhạy cảm với mắt người có bước sóng 400 – 700 nm) với chất nghiên cứu nên vẫn thường được gọi là phương pháp so màu Ngày nay, phương pháp phân tích đo quang đã đực dùng để khảo sát

cả một vùng bức xạ điện từ rộng lớn từ tử ngoại (có vùng bước sóng từ 10 nm) đến hồng ngoại (10-2 cm), và có thể tới các vùng có bước sóng bé hơn nữa (như ở các phương pháp phổ tia X và tia γ) hoặc các vùng có bước sóng lớn hơn nữa (như ở các phương pháp cộng hưởng spin – electron – miền sóng viba – và cộng hưởng từ hạt nhân)

I.1 Đặc tính của bức xạ điện từ

Như đã biết, ánh sáng có thể được mô tả theo tính chất sóng và theo tính

chất hạt Khi mô tả tính chất sóng của ánh sáng ta thường dùng các thuật ngữ

bước sóng và tần số Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng có thể được hình

dung như một tổ hợp của một trường dao động điện E và một từ trường M vuông góc với nhau và chuyển động với một vận tốc không đổi ở một môi trường nhất định Trong chân không thì vận tốc này chính là vận tốc của ánh sáng Có thể hình dung tính chất sóng của ánh sáng như hình bên dưới

Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kề nhau Bước sóng có thể được biểu diễn bằng số centimet, nhưng với các bước sóng bé người ta hay dùng đơn vị nanomet (nm, 1nm = 10-9 m hay 10-7 cm) hoặc đơn vị angstrom,

0 0

A(1A 1/10nm 10 m 10 cm) = = − = −

Tần số ν là số lần đếm được đỉnh sóng đi qua một khoảng không gian nhất định trong một đơn vị thời gian khi quan sát viên ngồi ở một vị trí nào đó Đơn vị của tần số là hec (Hz) biểu thị số pic đi qua mỗi giây Giữa bước sóng và tần số có mối quan hệ sau đây :

Bước sóng λ(cm/pic) x tần số ν (pic/s) = vận tốc (cm/s) Như vậy bước sóng và tần số tỉ lệ nghịch nhau

Ngoài bước sóng λ và tần số ν người ta còn dùng một đơn vị khác nhau là

số sóng Đây là số nghịch đảo của bước sóng (1/λ) được biểu diễn bằng đơn vị nghịch đảo của centimet (cm-1) Như vậy số sóng tỉ lệ thuận với tần số và được kí hiệu là ν

Tính chất hạt của ánh sáng được mô tả dưới dạng những đơn vị năng lượng

mang tên photon Năng lượng của một photon gắn liền với một sóng điện từ tỉ lệ

thuận với tần số của sóng Nếu kí hiệu năng lượng là E thì ta có hệ thức :

E h = ν

Hình 1: Tính chất sóng của ánh sáng

Trong đó h là hằng số tỉ lệ (hằng số Planck) có giá trị bằng 6,63.10-34 J.s hoặc 6,63.10-27 ec-s

Như vậy, năng lượng biểu thị hằng số jun hoặc ec đối với mỗi photon Mỗi

mol photon được gọi là là Einstein có năng lượng bằng Nhv trong đó N là số

Avogadro Đương nhiên cách biểu thị này phải dựa trên giả thiết là mọi photo đều phải có cùng tần số và các photon này được gọi là “đơn sắc” (vì chúng có cùng bước sóng nên mới có cùng tần số)

Tương tác của bức xạ điện từ với một chất có thể được thể hiện một cách đại cương ở hai quá trình: quá trình hấp thụ, trong trường hợp bức xạ điện từ tới từ nguồn bị chất nghiên cứu hấp thụ và cường độ bức xạ sẽ bị giảm đi, và quá trình phát xạ, trong trường hợp chất nghiên cứu cũng phát ra bức xạ điện từ và vì vậy sẽ làm tăng cường độ bức xạ phát ra từ nguồn

Quá trình hấp thụ thường xảy ra khi phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái năng lượng điện từ thấp nhất (trạng thái cơ bản) nên có khả năng hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ Còn khi chất nghiên cứu lại chứa những phân tử ở trạng thái kích thích thì những phân tử này có thể trở lại trạng thái cơ bản và khi đó sẽ phát ra bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ điện từ tăng lên trong quá trình phát xạ

I.2 Phổ điện từ

Phổ điện từ bao gồm khoảng lớn các bước sóng từ < 0,05 A0 (bức xạ tia X) đến > 300 mm (sóng vô tuyến) trong phạm vi ứng dụng phổ biến ở các phòng thí nghiệm người ta thường chỉ nghiên cứu phổ điện từ bắt đầu từ miền tử ngoại gần (có bước sóng trong khoảng 180 – 350 nm) qua miền khả kiến (có bước sóng trong khoảng 350 – 770 nm) đến miền hồng ngoại gần (770 – 2500 nm) Chỉ trong những trường hợp cá biệt và tùy khả năng thực tế về cơ sở vật chất cũng như tùy yêu cầu khoa học mà người ta mới có thể áp dụng các phương pháp phổ ở các miền tia γ, tia X hoặc ở các miền vi ba và sóng vô tuyến Dưới đây giới thiệu cụ

thể về các miền phổ điện từ

Bảng 1: Các miền phổ điện tử

sóng λ

Khoảng tần số, ν

(Hz)

Khoảng số sóng hay năng lượng

Tia γ < 0,05 0

A > 6.1019 > 2,5.105 eV Tia X 0,05 – 100 A0 3,0.1016 – 6,0.1019 124 – 2,5.105 eV

Tử ngoại xa 10 – 180 nm 1,7.1015 – 3,0.1016 7 – 124 eV

Tử ngoại gần 180 – 350 nm 8,6.1014 – 1,7.1015 3,6 – 7 eV Khả kiến 350 – 770 nm 3,9.1014 – 8,6.1014 1,6 – 3,6 eV Hồng ngoại gần 770 – 2500 nm 1,2.1014 – 3,9.1014 12900 – 4000 cm-1 Hồng ngoại giữa 2,5 – 50 µ m 6,0.1012 – 1,2.1014 4000 – 200 cm-1 Hồng ngoại xa 50 – 1000 µm 3,0.1011 – 6,0.1012 200 – 10 cm-1

Vi ba 1 – 300 mm 1,0.109 – 3,0.1011

Sóng vô tuyến > 300 mm < 1,0.109

Về nguyên tắc thì việc phân tích ở miền phổ nào cũng có quá trình thực hiện tương tự nhau nhưng các phương pháp thực nghiệm thì có thể khác nhau rất nhiều và nội dung thông tin thu được cũng rất khác nhau

I.3 Định luật Bouguer – Lambert - Beer (Pierre Bouguer - Johann Heinrich Lambert - August Beer )

Khi chiếu một dòng sáng qua dung dịch chất hấp thụ ánh sáng thì chất đó chỉ hấp thụ chọn lọc một số tia tùy theo màu sắc của chất Giữa màu sắc của chất

và khả năng hấp thụ các tia sáng của nó có liên quan với nhau

Ta hãy hình dung một dung dịch chất nghiên cứu được đặt trên đường đi

của một chùm bức xạ Một năng lượng bức xạ tới I o sẽ đi qua dung dịch và sẽ bị dung dịch và sẽ bị dung dịch hấp thụ một phần, phần còn lại sẽ đi ra khỏi dung dịch tới máy thu (đetectơ) để được ghi nhận

Đầu tiên, Bouguer (Pierre Bouguer: 1698 - 1758) phát hiện ra rằng phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ trên mỗi đoạn đường ∆xcủa bình đựng có tỉ lệ thuận với chiều dày của bình Tiếp đó, Lambert (Johann Heinrich Lambert: 1728- 1777)

đã nêu lại mối liên hệ này dưới tên gọi định luật Lambert và được công thức hoá thành:

Phần năng lượng bị hấp thụ = I I−I = ∆I I = ∆x=k'∆x

0 0

Tuy nhiên định luật này chưa nêu được mối quan hệ giữa sự hấp thụ năng lượng bức xạ với nồng độ chất tan có trong dung dịch

Ta có thể thấy rõ điều hạn chế này qua hình :

Muốn áp dụng định luật Bouguer – Lambert vào việc định lượng cần tìm ra mối quan hệ định lượng giữa độ hấp thụ năng lượng bức xạ với nồng độ chất nghiên cứu Mối quan hệ này đã được Beer tìm ra khi nhận thấy lượng ánh sáng bị hấp thụ tăng lên theo nồng độ chất tan ở trong dung dịch mà ánh sáng đi qua giống như khi tăng chiều dài (bề dày) của lớp dung dịch mà dòng ánh sáng đi qua Như vậy định luật Bouguer – Lambert – Beer (sau này được gọi tắt là định luật Beer)

có thể được biểu thị bằng:

Phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ kC x

I

I I

I I

∆

=

∆

=

−

=

0 0

0

Cần lưu ý rằng I0 không phải là một hằng số khi bức xạ đi qua dung dịch

mà nó sẽ liên tục giảm đi theo bề dày và nồng độ lớp dung dịch Mối liên hệ này được mô tả bằng phương trình:

I

I

ε

=

0 log

Hình 2: Hạn chế của định luật Bouguer

Đây có thể coi là kết quả cuối cùng về lí thuyết chung nhất của các phương pháp phổ hấp thụ phân tử và là biểu thức toán học của định luật Beer (Lambert – Beer)

I.4 Những sai lệch đối với định luật Beer

Khi áp dụng định luật Beer để định lượng một chất nào đó bằng phương pháp đồ thị chuẩn ta thường thu được đường biểu diển phụ thuộc nồng độ chất nghiên cứu vào độ hấp thụ của chất đó dưới dạng sau:

Ta thấy đồ thị chỉ tuyến tính (định luật Beer được tôn trọng) đến một khoảng

nồng độ chất định (C n) và bị cong (lệch) đi ở những khoảng nồng độ lớn hơn Ta hãy xét các yếu tố có thể gây nên độ lệch này:

I.4.1 Tính đơn sắc của ánh sáng Do tính chất đặc trưng của các chất màu

là chỉ hấp thụ những bức xạ có độ dài sóng thích hợp nên định luật Beer chỉ luôn đúng khi dùng ánh sáng đơn sắc để nghiên cứu Các máy đo quang chính xác phải

có nguồn sáng cung cấp được dải sóng tập trung quang một bước sóng nhất định Tốt hơn cả là chọn bước sóng thích hợp tại pic hấp thụ của chất nghiên cứu

i.4.2 Khả năng tương tác của chất nghiên cứu với các chất lạ và môi trường Độ hấp thụ của chất nghiên cứu thường được đo dưới dạng một hợp chất

Hình 3: Sự phụ thuộc của nồng độ chất nghiên cứu

vào độ hấp thu của nó

màu tạo bởi chất nghiên cứu với thuốc thử thích hợp trong những điều kiện xác định về nồng độ các chất tham gia phản ứng và môi trường Hơn nữa các dung dịch chuẩn được pha chế để xác định khoảng nồng độ mà định luật Beer được tôn trọng (tức đường chuẩn) thường chỉ được xem xét ở dạng nồng độ “hình thức” chứ không phải nồng độ “phân tử thực” của chất đó Nếu như nồng độ này tỉ lệ thuận với nồng độ hình thức thì định luật Beer vẫn được tôn trọng

Trường hợp nồng độ thực không tỉ lệ thuận với các nồng độ hình thức thì

định luật Beer sẽ bị sai lệch.

Bảng 2 : Tóm tắt các thuật ngữ và ký hiệu dùng trong phương pháp đo

quang phổ hấp thụ phân tử

Năng lượng bức xạ tới I*

Ánh sáng (bức xạ) từ nguồn (hay đúng hơn là từ mẫu trắng) đi tới máy thu (đêtetơ) trong mỗi giây

Năng lượng bức xạ truyền

qua

*

I Ánh sáng từ mẫu tới đêtectơ trong mỗi

giây

Độ hấp thụ A** log I I log1/ T0 = = − log T

Bề dày bình đựng dung dịch

để đo

*

l Đoạn dài mà dòng bức xạ phải đi qua

bình đo (thường được tính bằng số cm)

Độ hấp thụ phân tử ε

A / l.C, trong đó C được tính bằng mol/l hoặc mmol/ml còn ε được tính bằng l/mol.cm hoặc mol/mmol.cm

A / l.C, trong đó C được tính bằng g/l hoặc các đơn vị nồng độ khác; nếu C được tính bằng g/l thì a được tính bằng l/gam.cm

* Có nhiều tài liệu dùng kí hiệu b thay cho l và Po, P thay cho I0, I

** Trong nhiều sách khác người ta còn gọi độ hấp thụ a là mật độ quang và ký hiệu là D

PHỔ HỒNG NGOẠI

I SƠ LƯỢC VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI

Vùng bức xạ hồng ngoại (IR) là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng nhìn thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành 3 vùng nhỏ:

- Near-IR 400-10 cm-1 (1000- 25 μm)

- Mid-IR 4000 - 400 cm-1 (25- 2,5μm)

- Far-IR 14000- 4000 cm-1 (2,5 – 0,8μm)

Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử, từ đó cho biết các thông tin liên quan đến cấu trúc của các phân tử đó Thông thường đơn vị của bước sóng được sử dụng trong phổ hồng ngoại là µm ( 1 µm = 10- 4 cm) và thay cho tần số (Hz), người ta sử dụng đơn vị là số sóng:

Phổ hấp thụ hồng ngoại là phổ dao động quay khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của phân tử đều bị kích thích Khi phân tích quang phổ hồng ngoại, ngoài việc xem xét tần số vân phổ còn phải chú ý tới cường độ và hình dạng của vân phổ Phổ hồng ngoại thường được ghi dưới dạng đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100.I/I0) vào số sóng (υ) Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi những vân phổ với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định gọi là tần số

Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau: + Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) cũng là tần số của bức xạ tới

+ Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên

sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường, trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử -Các điện tích ngược nhau sẽ chịu các lực theo chiều ngược nhau, điều đó dẫn đến

sự tách biệt 2 cực tăng hoặc giảm Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độ phân cực của chúng một cách tuần hoàn, khoảng cách giữa các nguyên tử tích điện của phân tử cũng thay đổi một cách tuần hoàn Khi các nguyên tử tích điện này dao động, chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại Nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử lớn, sự hấp thụ bức xạ mạnh và sẽ có đám phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử nhỏ, đám phổ hấp thụ hồng ngoại yếu Theo điều kiện này thì các phần tử có 2 nguyên tử giống nhau sẽ không xuất hiện phổ dao động Ví dụ O2, N2 v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại

* Ứng dụng của phổ hồng ngoại: Trong hóa hữu cơ phổ IR dung nhận biết

các nhóm chức có trong phân tử Trước khi ghi phổ hồng ngoại, nói chung ta đã có thể có nhiều thông tin về hợp chất hoặc hỗn hợp cần nghiên cứu, như: trạng thái vật lý, độ tan, điểm nóng chảy Nếu có thể thì cần biết chắc mẫu là chất nguyên chất hay hỗn hợp Sau khi ghi phổ hồng ngoại, nếu chất nghiên cứu là hợp chất

hữu cơ thì trước tiên nghiên cứu vùng dao động co giãn của H để xác định xem mẫu thuộc loại hợp chất nào vòng thơm hay mạch thẳng… Sau đó nghiên cứu các vùng tần số nhóm để xác định phân tử có hay không có các nhóm chức Nhưng trong nhiều trường hợp việc đọc phổ (giải phổ) và tìm các tần số đặc trưng không

đủ để nhận biết một cách toàn diện về chất nghiên cứu

Trong hóa phân tích phổ IR ứng dụng để phân tích định lượng

II KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

1 Nguyên lý máy đo phổ hồng ngoại

Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý một máy đo phổ hồng ngoại kiểu hai chùm tia Nguồn bức xạ (1) phát ra chùm tia hồng ngoại với mọi tần số trong vùng cần

đo Chùm tia này được tách thành hai phần: đi qua mẫu (2) và đi qua môi trường

đo (dung môi chẳng hạn (2’)) rồi đến bộ tạo đơn sắc (3) Bộ tạo đơn sắc tách từng tần số để đưa qua bộ phận “phân tích” gọi là detector (4) Detector sẽ so sánh cường độ hai chùm tia (một đi qua mẫu và một đi qua môi trường đo) để cho ra những tính hiệu điện có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu, bút tự ghi (5) được chỉ huy bởi tín hiệu điện do detector cung cấp sẽ ghi lại sự hấp thụ bức xạ của mẫu (thường dưới dạng đường cong sự phụ thuộc phần trăm bức xạ truyền qua vào số sóng, cm-1) (6)

*

(1)

(2)

(2')

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại hai chùm tia

Nếu mẫu là chất lỏng hay là dung dịch nó được chứa trong dụng cụ gọi là cuvet Cuvet này có một “cửa sổ” để cho chùm tia hồng ngoại đi qua Cửa sổ này làm từ vật liệu trong suốt đối với vùng hồng ngoại nguyên cứu Các chất thường làm cửa sổ đó thường là: NaCl, CaF2, AgCl…Bộ tạo đơn sắc (3) trước đây thường dùng lăng kính chế tạo từ NaCl, LiF hoặc CaF2 Ngày nay người ta thay bằng cách

tử nhiễu xạ để tăng độ phân giải và dễ bảo quản

Các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến đổi Furiê (Fourier) (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer = FTIR

Spectrophotometer)

Ở máy đo hồng ngoại biến đổi Fourier người ta không dùng bộ tạo đơn sắc

mà dùng bộ tạo giao thoa (giao thoa kế) gồm từ một gương cố định, gương di động và bộ phận chia chùm sáng Bức xạ hồng ngoại sau khi ra khỏi giao thoa kế

sẽ đi qua mẫu rồi đến detector Detector ghi nhận sự biến đổi cường độ của bức xạ theo quãng đường d mà gương di động thực hiện được rồi chuyển thành tín hiệu điện Khi đó thu được tín hiệu dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường, V

= f(d) Computer sẽ thực hiện phép biến đổi Fourier để chuyển hàm V = f(d) thành hàm của cường độ bức xạ I theo nghịch đão của quãng đường d (tức d-1)

V = f(d) I = f(d-1)

Vì d-1 chính là số sóng υ, do đó thực chất ta đã có hàm sự phụ thuộc của cường độ bức xạ vào số sóng Bút tự ghi sẽ cho ra phổ có dạng giống như các phổ thu được

từ máy phổ thế hệ cũ

Biến đổi Fourier

FT