Bài giảng Quang phổ học: Chương 6 - Quang phổ phát xạ phân tử

CHÆ SOÁ KHUÙC XA<br /> <br /> QUANG PHỔ PHÁT XẠ PHÂN TỬ<br /> (F.S - Fluorescence spectrophotometry)<br /> <br /> QUANG PHỔ PHÁT XẠ PHÂN TỬ<br /> (F.S - Fluorescence spectrophotometry)<br /> <br /> MỤC TIÊU:<br /> - Trình bày được cơ chế của qúa trình phát huỳnh quang<br /> của phân tử.<br /> - Nêu được cấu hình máy quang phổ huỳnh quang.<br /> - Nêu được ứng dụng và cách đọc phổ huỳnh quang.<br /> <br /> PHAÂN TÖÛ<br /> <br /> HAÁP THU<br /> <br /> UV-VIS<br /> <br /> PHAÙT XAÏ<br /> <br /> F.S<br /> <br /> I.R<br /> <br /> QUANG PHỔ PHÁT XẠ PHÂN TỬ<br /> (F.S - Fluorescence spectrophotometry)<br /> <br /> QUANG PHỔ PHÁT XẠ PHÂN TỬ<br /> (F.S - Fluorescence spectrophotometry)<br /> Electron ở trạng thái kích thích có thể ở trạng thái đơn (singlet) hay<br /> trạng thái ba (triplet).<br /> • Trạng thái đơn (singlet): electron ở trạng thái kích thích có spin<br /> đối song với electron ở trạng thái cơ bản, có độ bội<br /> M = 2S + 1 = 2(-1/2+1/2) + 1 = 1 (singlet)<br /> • Trạng thái ba (triplet): chúng có spin song song và độ bội<br /> M = 2S + 1 = 2(1/2+1/2) + 1 = 3 (Triplet)<br /> Theo định luật Hund, electron singlet có mức năng lượng cao hơn<br /> electron triplet<br /> <br /> 1<br /> <br /> CHÆ SOÁ KHUÙC XA<br /> <br /> 1. Các phân tử hấp thu photon ánh sáng trong<br /> vùng UV-VIS mà không phát quang: phân tử<br /> chuyển từ trạng thái năng lượng cơ bản đơn<br /> (Singlet) S0 sang trạng thái năng lượng kích thích<br /> đơn (Singlet) S1 rồi trở về trạng thái cơ bản mà<br /> không phát xạ (quá trình khử hoạt hay quá trình<br /> phục hồi không bức xa), năng lượng dư được<br /> chuyển thành nhiệt năng cho môi trường.<br /> <br /> 2. Các phân tử có tính chất phát huỳnh quang :<br /> Khi hấp thu bức xạ l1 trong vùng UV-VIS, phân tử sẽ<br /> chuyển từ trạng thái năng lượng cơ bản S0 sang trạng<br /> thái năng lượng kích thích đơn (Singlet) S1 rồi từ mức<br /> năng lượng cao nhất của trạng thái kích thích đơn trở<br /> về mức năng lượng thấp nhất của trạng thái kích thích<br /> đơn, giải phóng một phần năng lượng do sự TỰ VA<br /> CHẠM, gọi là quá trình bất hoạt hay dao động hồi phục.<br /> <br /> 2<br /> <br /> CHÆ SOÁ KHUÙC XA<br /> <br />  Quá trình chuyển nội hệ : khi electron trở về trạng thái<br /> cơ bản S0 làm phân tử phát bức xạ huỳnh quang l3 do<br /> sự giải phóng năng lượng còn lại. Sự phát huỳnh<br /> quang mất đi sau khi tắt nguồn kích thích (10-8 s). Năng<br /> lượng phát huỳnh quang luôn luôn thấp hơn năng<br /> lượng kích thích (một phần năng lượng mất đi do sự<br /> TỰ va chạm), nghĩa là :<br /> EPX < EKT hay<br /> <br /> l3 > l1<br /> lPX > lKT (ĐL Stokes)<br /> <br /> 3. Các phân tử có tính chất phát lân quang :<br /> <br /> 3. Các phân tử có tính chất phát lân quang :<br /> <br /> • Quá trình vượt nội hệ: electron ở trạng thái năng<br /> <br /> • Quá trình chuyển nội hệ: electron Triplet trở về trạng<br /> <br /> lượng kích thích đơn (Singlet) S1 chuyển sang trạng thái<br /> <br /> thái cơ bản S0 phát bức xạ l4 với bước sóng dài hơn<br /> <br /> năng lượng kích thích ba (Triplet) T1 (có mức năng<br /> <br /> bức xạ kích thích và bức xạ huỳnh quang. Sự phát bức<br /> <br /> lượng thấp hơn)<br /> <br /> xạ kiểu này gọi là sự phát lân quang, thời gian phát lân<br /> quang rất dài sau khi tắt nguồn bức xạ kích thích (10-4 –<br /> 101 s hoặc dài hơn). Sự phát lân quang chỉ xảy ra ở môi<br /> trường rắn và nhiệt độ thấp.<br /> <br /> 3<br /> <br /> CHÆ SOÁ KHUÙC XA<br /> <br /> ÑÒNH LUAÄT BEER TRONG SÖÏ PHAÙT HUYØNH QUANG<br />  Hiệu suất lượng tử huỳnh quang F là tỉ số giữa số phân tử phát<br /> <br /> huỳnh quang và tổng số phân tử bị kích thích:<br /> F = Số phân tử phát huỳnh quang / tổng số phân tử bị kích thích<br />  Cường độ phát xạ huỳnh quang IF tỉ lệ với :<br /> - hiệu suất lượng tử huỳnh quang F<br /> - cường độ bức xạ kích thích bị hấp thu bởi mẫu = Io – It<br /> IF = F (Io – It)<br /> = F.Io(1 – It / Io) = F.Io (1 – T)<br /> <br /> Maø: A = -logT = e.C.l<br /> T = 10<br /> <br /> IF = F.Io (1 – 10 -e.C.l)<br /> IF = F.Io.(e.C.l ) [1 –<br /> <br /> (e.C.l)2<br /> <br /> / 2! +<br /> <br /> (e.C.l)3<br /> <br /> / 3! +<br /> <br /> (e.C.l)n/<br /> <br /> -e.C.l<br /> <br /> n!]<br /> <br /> Trường hợp dung địch rất loãng (C rất nhỏ), thì e.C.l rất nhỏ, do<br /> đó có thể viết phương trình trên rút gọn lại như sau :<br /> Nguồn: Quantitative chemical analysis, Daniel C. Harris, 2 nd Ed., Freeman<br /> <br /> ÑÒNH LUAÄT BEER TRONG SÖÏ PHAÙT HUYØNH QUANG<br /> <br /> IF = F.Io.(e.C.l ) = k’.Io.C<br /> (3)<br /> k’ = F. e.l<br />  Cường độ bức xạ huỳnh quang IF phụ thuộc tuyến tính vào<br /> cường độ bức xạ kích thích Io<br />  Tăng độ nhạy khi tăng cường độ bức xạ kích thích (dùng đèn<br /> công suất lớn) để cho tỷ số tín hiệu/nhiễu lớn,<br />  Tín hiệu huỳnh quang không được đo theo giá trị tuyệt đối mà<br /> chỉ biểu thị theo nghĩa huỳnh quang tương đối, nghĩa là so sánh tín<br /> hiệu huỳnh quang của chuẩn và thử<br /> <br /> IF = F.Io.(e.C.l ) (3)<br /> <br /> LIEÂN QUAN CAÁU TRUÙC VAØ TÍNH PHAÙT HUYØNH QUANG<br /> • Các chất vô cơ, các hydrocarbon no không hấp thu ánh sáng<br /> <br /> UV-VIS không có tính phát huỳnh quang, trừ một số nguyên tố đất<br /> hiếm và các Lantanit.<br /> • Các hydrocarbon thơm có hệ liên hợp - có khả năng phát<br /> huỳnh quang, trong đó các hợp chất thơm đa vòng ngưng tụ phát<br /> huỳnh quang mạnh hơn benzen (bước chuyển p*  p).<br /> • Các nhóm chức cho điện tử làm tăng hiệu suất huỳnh quang (OH, NH2 , alkyl, aryl…), các nhóm chức hút điện tử làm giảm hiệu<br /> suất huỳnh quang ( halogen, NO2 , NH3+, COOH…).<br /> NH2<br /> <br /> NH3<br /> <br /> O<br /> <br /> O<br /> N<br /> <br /> Nguoàn: caùc phương phaùp phaân tích Vaät<br /> lyù & Hoaù lyù - Nguyễn Đình Triệu<br /> <br /> 4<br /> <br /> CHÆ SOÁ KHUÙC XA<br /> <br /> LIEÂN QUAN CAÁU TRUÙC VAØ TÍNH PHAÙT HUYØNH QUANG<br /> <br />  Các phân tử dị vòng đơn không phát huỳnh quang .<br /> O<br /> <br /> S<br /> <br /> furan<br /> <br /> thiophen<br /> <br /> H<br /> N<br /> <br /> N<br /> <br /> pyrol<br /> <br /> pyridin<br /> <br />  Hệ vòng ngưng tụ của các dị vòng có hệ số hấp thụ cao hơn và<br /> thời gian sống của trạng thái kích thích ngắn hơn so với các dị vòng<br /> đơn nên khả năng phát huỳnh quang cao hơn.<br /> N<br /> N<br /> <br /> N<br /> H<br /> <br /> LIEÂN QUAN CAÁU TRUÙC VAØ TÍNH PHAÙT HUYØNH QUANG<br /> <br />  Các phân tử có cấu tạo cứng nhắc có khả năng phát huỳnh<br /> quang cao hơn các phân tử có cùng khung cấu trúc nhưng quay tự<br /> do quanh liên kết C-C..<br /> Φbiphenyl = 0,2<br /> Φfloren = 1<br /> biphenyl<br /> <br /> quinolin<br /> <br /> Indol<br /> <br /> ><br /> <br /> CH2<br /> <br /> isoquinolin<br /> <br /> LIEÂN QUAN CAÁU TRUÙC VAØ TÍNH PHAÙT HUYØNH QUANG<br /> <br /> • Thay đổi hoá học<br /> Adrenaline<br /> <br /> <br /> <br /> adrenochrome<br /> <br /> Thiamin<br /> <br /> <br /> <br /> thiochrome<br /> <br /> •<br /> <br /> Thay đổi dung môi:<br /> <br /> •<br /> <br /> Thay đổi pH:<br /> <br /> Floren<br /> O<br /> O<br /> <br /> -<br /> <br /> O<br /> <br /> O<br /> <br /> O<br /> <br /> C<br /> COO-<br /> <br /> pH= 7, phenol, anisol phát quang<br /> <br /> COO-<br /> <br /> Florescen<br /> Phenolphtalein<br /> <br /> pH= 12, phenolat không phát quang<br /> OH<br /> <br /> OCH3<br /> <br /> Phổ phát xạ của 6-bromoacetyl-2dimethylaminonapthalen (lKT 380 nm)<br /> <br /> N<br /> <br /> O<br /> Zn<br /> <br /> -<br /> <br /> N<br /> <br /> N<br /> <br /> O<br /> <br /> OH<br /> <br /> 8-oxyquinolin<br /> <br /> phöùc Zn 8-oxyquinolin<br /> <br /> phenol<br /> <br /> anisol<br /> <br /> 5<br /> <br />