MB1300 Spektroskopi og spektrometri

Spektroskopi og spektrometri

• Spektroskopi: Handler om hvordan elektromagnetiske stråling (EMS) vekselvirker med stoff

  • For eksempel kan et molekyl:

    • Absorbere et foton → elektronet eksiteres (lav energinivå → høy energinivå)

    • Emittere et foton → elektronet deeksiteres (høy energinivå → lav energinivå)

• Spektrometri: Handler om å måle og tolke av denne vekselvirkningen for å få informasjon om stoffet

  • Vi kan for eksempel måle:

    • Hvilke bølgelengder et stoff absorberer

    • Hvilke bølgelengder et stoff emitterer

Elektromagnetisk stråling (EMS)

• Elektromagnetisk stråling (EMS) består av elektriske og magnetiske felt som svinger vinkelrett på hverandre og på utbredelsesretningen

• EMS kan overføre energi til stoff gjennom fotoner med energien:

  • E = hf = hc/λ

Høyere frekvens/kortere bølgelengde → høyere fotonenergi

Absorpsjon og kvantiserte tilstander

• Absorpsjon skjer når et atom eller molekyl tar opp et foton og går fra en lavere til en høyere energitilstand (E1 + foton → E2)

• Siden energitilstandene er kvantiserte, må fotonenergien tilsvare energiforskjellen: ΔE = E2 - E1 = hf

• Forskjellige kvantetilstander (translasjon, vibrasjon, rotasjon, elektronisk) har forskjellige avstander mellom energinivåene, og dermed krever ulike fotonenergi for å gjøre en overgang:

  • Spinn < rotasjon < vibrasjon < elektronisk

  • Rotasjon = 4 ×10^-22 J

  • Vibrasjon = 4 × 10^-20 J

  • Elektronisk = 4 × 10^-18 J

  • Jo større energiforskjell mellom nivåene → krever høyere frekvens → krever kortere bølgelengde

• Dette er grunnen til at forskjellige deler av det elektromagnetiske spekteret brukes i forskjellige spektroskopiske metoder

Utvalgsregler

• Utvalgsregler bestemmer hvilke overganger mellom kvantiserte tilstander som kan skje ved vekselvirkning med EMS

• Det stilles to krav til absorpsjon:

1. Riktig fotonenergi: Energien må passe med energiforskjellen mellom tilstandene

2. Tillatt overgang: EMS må kunne vekselvirke med stoffet under overgangen (stoffet/molekylet må ha strukturelle egenskaper (elektrisk eller magnetisk egenskaper) for å for å absorbere EMS (må kunne “gripe tak i” stoffet).

Selv om fotonenergien passer akkurat med energiforskjellen mellom nivåene, betyr det ikke automatisk at fotonet absorberes. EMS må også kunne vekselvirke med molekylet (stoffet)

• Det finnes to typer utvalgsregler:

  • Generell utvalgsregler: Generelle strukturelle egenskaper stoffet må ha for å absorbere EMS

  • Spesifikke utvalgsregler: Bestemmer hvilke endringer i kvantetall som er tillatt for den bestemte kvantetilstanden

Vibrasjonsspektroskopi (IR)

• Binding nær likevekstavstanden (xo) kan modelleres omtrent som en fjær, og Schrödingersligningen gir bestemte kvantiserte vibrasjonsenergier (E_v), beskrevet med vibrasjonskvantetallet v

  • For den harmoniske oscillatoren er avstanden (energiforskjellen) mellom nabonivåene tilsvarende energien det krevde å presse eller trekke atomkjernene fra hverandre (den tilbakeførende kraften og dermed den potensielle energien vil også være like stor)

• Hvis molekylet absorberer et IR-foton med riktig energi, og vibrasjonen oppfyller utvalgsreglene for vibrasjon, kan molekylet få en høyere vibrasjonstilstand, for eksempel fra: v =0  → v = 1

• Utvalgsregler:

  • Generell: Molekylets elektriske dipolmoment må endre seg under vibrasjonen for å absorbere infrarød (IR) stråling

  • Spesifikk: v = ±1

• Generell utvalgsregel - hvorfor må dipolmomentet endres:

  • EMS sitt elektriske felt trekker på molekylets positive og negative ladninger i ulike retninger. Siden feltet svinger frem og tilbae, kan det vekselvis strekke og presse bindingene slik at molekylet vibrerer.

  • Eksempel: drivhusgasser er polare gasser som kan absorbere varmestråling (IR-stråling), få endret dipolmomentet deres når de vibrerer, og sender strålingen ut igjen, og dermed bidrar til drivhuseffekten. CO2 er et eksempel på en drivhusgass - selv om den har ikke en permanent dipol, så kan molekylet bøyes eller strekkes på en måte som endrer dipolmomentet. Mens N2 og O2 er upolare gassmolekyler som ikke klarer å endre dipolmomentet deres. 

Rotasjonsspektroskopi

• Fordi bølgefunksjonen må passe sammen med seg selv rundt molekylets rotasjon, er bare bestemte rotasjonstilstander tillatt:

  • Krav til bølgefunksjon → kvantisert angulærmoment (L) → kvantisert rotasjonsenergier (J)

• Hvis molekylet absorberer et mikrobølgfoton med riktig energi, og oppfyller den generelle utvalgsregelen for rotasjon, kan det gå til en høyere rotasjonstilstand, for eksempel J → J +1

 

• Utvalgsregler:

  • Generell: Molekylet må ha et permanent elektrisk dipolmoment for å absorbere mikrobølgstråling

  • Spesifikk: ΔJ = ±1

  
  

• Generell utvalgsregel - hvorfor må molekyle ha et permanent dipolmoment:

  • EMS sitt elektriske felt trekker på molekylets positive og negative sider og skaper et dreiemoment som kan påvirke rotasjonen.

  • Mikrobølgens frekvens/bølgelengde bestemmer hvor raskt det elektriske feltet svinger og skifter retning, og dermed hvor mye energi som absorberes:

    • Kortere bølgelengde → høyere frekvens → feltet skifter raskere → mer energi absorberes

    • Lengre bølgelengde → lavere frekvens → feltet skifter saktere → mindre energi absorberes

Kjernespinn og NMR

• NMR (kjernemagnetisk resonans) bygger på at atomkjerner med spinn har et magnetisk dipolmoment (virker som en liten magnet), og kan derfor plasseres og vekselvirke med et eksternt magnetfelt.

• Elektronene rundt kjernen påvirker der lokale magnetfeltet som kjernen opplever. Derfor kan hydrogenkjerner i ulike kjemiske omgivelser ha litt forskjellige energiforskjeller mellom spinntilstandene.

• Det eksterne magnetfeltet gir spinntilstander med forskjellige orienteringer med forskjellige energier.

• For en hydrogenkjerne med spinn 1/2:

  • Lavere energi (ml = +1/2): magnetisk moment orientert med magnetfeltet

  • Høyere energi (ml = -1/2): magnetisk moment orientert mot magnetfeltet

• Når kjernen absorberer et radiofoton med riktig energi, kan den gå fra lavere til høyere spinntilstand (ΔE = hf).

  • Dette er grunnlaget for NMR og MR-avbildning

Elektronisk spektroskopi

• Atomer og molelyler har kvantiserte elektroniske energitilstander

• Ved absorpsjon av et foton med riktig energi kan systemet eksiteres til en høyere elektronisk tilstand

• Slike overganger krever vanligvis mer energi enn rotasjons- og vibrasjonsoverganger → Det brukes ofte synlig lys eller UV-stråling

Emisjon

• Etter absorpsjon befinner systemer seg i en høyere energitilstand. Det kan senere gå tilbake til en lavere tilstand og frigjøre energi som er tilsvarende energien som ble sendt inn: E2 → E1 + foton

• To typer emisjon:

  • Spontan emisjon: Systemet går av seg selv til en lavere energitilstand og sender ut et foton. Skjer uten at innkommende foton stimulerer overgangen.

  • Stimulert emisjon: Et innkommende foton med riktig energi stimulerer et eksitert system til å gå ned i energi og sende ut ett til nytt foton, med samme frekvens og retning:

    • E2 + foton → E1 + 2 fotoner

    • Det er grunnlaget for lasere

Strålingsløst henfall

• Ved strålingsløst henfall så blir ikke all energien som blir absorbert sendt tilbake ut som lys (fotoner), noe av energien blir mistet gjennom strålingsløst henfall, for eksempel ved blir energien overført til:

  • Vibrasjonsbevegelse

  • Omgivelsene gjennom kollisjoner

→ Denne energien kan til slutt ende opp som varme

Fluorescens og fosforescens

• Fluorescens er når et elektronisk eksitert stoff sender ut lys med lengre bølgelengde

• Prosessen:

  • Molekylet absorberer et foton og eksiteres til en høyere elektronisk tilstand. Under elektronisk eksitasjon, øker molekylets foretrukne avstand mellom atomkjernene (likevekstavstanden)

  • Eksitasjonen skjer så raskt at atomkjernene ikke rekker å flytte seg med én gang. Molekylet kan derfor ha ekstra energi som det først kan kvitte seg med som vibrasjonsenergi eller gjennom kollisjoner gjennom strålingsløst henfall.

  • Deretter går molekylet til en lavere elektronisk tilstand (deeksiterer) og sender ut et foton

    • Derfor har flourescens vanligvis lengre bølgelengde sammenlignet med bølgelengden soffet absorberte:

      • E(aborpsjon) > E(fluorescens)

      • λ(absorpsjon) < λ(fluorescens) → Denne forskjellen kalles for Stokes-skiftet

• Forskjellen mellom fluorescens og fosforescens:

  • Fosforescens er emisjon av lys fra en eksitert tilstand hvor overgangen til en lavere energitilstand har lav sannsynlighet. Derfor skjer emisjonen langsommere enn ved fluorescens

  • Forskjellen:

    • Flourescens: Rask emisjon etter eksitasjon (bølgelengden er bare lengre)

    • Fosforescens: Langsom emisjon som kan fortsette etter at eksitasjonslyset er fjernet

Emisjonsspekter

• Et emisjonsspekter viser hvilke bølgelengder et stoff sender ut når atomer eller molekyler går fra høyere til lavere energitilstander

  • Når et atom eller et molekyl deeksiteres, så sendes det ut et foton som er tilsvarende energiforskjellen mellom energinivåene. Siden energinivåene er kvantiserte, så kan stoffet bare sende ut bestemte bølgelengder. Derfor får emisjonsspekteret separate, fargede linjer i stedet for et sammenhengende spekter

• Hvert grunnstoff har sitt eget unike mønster av linjer

  • Grunnstoffer har forskjellige kvantiserte energinivåer, noe som gir ulike forskjeller mellom energinivåer og dermed sender fotoner med forskjellige bølgelengder.

• Prosessen:

1. Atomene (hydrogengass i dette tilfellet) tilføres energi i gassrøret ved at elektrisk strøm sendes gjennom gassen og kolliderer med atomene og overfører energi til dem --> elektroner eksiteres til høyere energitilstander

2. Elektronene deeksiteres og sender ut fotoner som er tilsvarende energiforskjellen mellom energinivåene

3. Lyset går gjennom en smal spalte slik at en smal og tydelig lysstråle fokuseres inn mot prismet, som skiller lyset etter bølgelengde

4. Vi får et emisjonsspekter med bestemte fargede linjer. Hver linje tilsvarer en bestemt energiovergang.

Absorpsjonsspekter

• Et absorpsjonsspekter viser hvilke bølgelengder et stoff absorberer

• Når hvitt lys passerer gjennom stoffet, absorberes bestemte bølgelengder dersom fotonenergien passer med tillatte overganger → oppstår som mørke linjer i spekteret

• Et aborpsjonsspektrometer fungerer slik:

1. Lyskilde (hvitt lys): Sender ut lys som består av mange bølgelengder

2. Diffraksjonsgitter/prisme: Skiller lyset etter bølgelengde

3. Justerbare spalten: Velger ønsket bølgelengdeområde

4. Prøve: Absorberer noe av lyset dersom fotonenergien passer med tillatt overgang.

5. Detektor: Måler hvor mye lys som passerer/transmitterer gjennom prøven

   • Vi sammenligner lysintensiteten før (Io) og etter prøven (I) for å bestemme hvor mye lys som absorberes gjennom Beer-Lamberts lov

Referansemåling: En referansemåling utføres med samme løsemiddel og type kyvette, men uten stoffet som analyseres. Dette gjør at vi kan korrigere for lysabsorpsjon og andre optiske bidrag fra løsemiddelet, kyvetten og instrumentet. Dermed kan vi måle absorbansen som i større grad skyldes stoffet vi ønsker å undersøke.

Beer-Lamberts lov

• Beer-Lamberts lov beskriver hvor mye lys et stoff absorberer ved å sammneligne lysintensiteten før og etter prøven

• Formelen for Beer-Lamberts lov:

  • Io = Lysintensiteten før prøven

  • I = Lysintensiteten etter prøven

  • ε = Molar absorpsjonskoeffisient (hvor sterkt stoffet absorberer ved den aktuelle bølgelengden)

  • c = Konsentrasjon av stoffet i prøven

  • L = Lysveilengde gjennom prøven

• Absorbans (A) - Et logaritmisk mål på hvor mye lys som abroberes av prøven:

  • Jo høyere konsentrasjon ( c) av det absorberende stoffet i prøven, desto mer lys absorberes

  • Absorbansen er proporsjonal med konsentrasjonen og lysveilengden

  • Transmisjon (T) (andelen lys som passerer gjennom prøven): T = I/Io

  • Høy absorbans betyr lav transmisjon

Pulsoksymetri

• Et pulsoksymeter måler oksygenmetningen i blodet ved å utnytte at hemoglobin absorberer lys forskjellig avhengig av om det har bundet oksygen.

• Vi har:

  • Hb = Deoksygenert hemoglobin

  • HbO2 = Oksygenert hemoglobin

 → Disse absorberer ulike bølgelengder forskjellig

• Pulsoksymeteret sender derfor vanligvis to typer lys gjennom fingeren:

  • Rødt lys (ca. 660 nm) → HbO2 absorberer mest (høyest absorpsjonskoeffient ved denne bølgelengden)

  • Infrarødt lys (ca. 940 nm) → Hb absorberer mest (høyest absorpsjonskoeffisient ved denne bølgelengden)

 

• Detektoren på den andre siden måler hvor mye rødt og infrarødt lys som passerer gjennom fingeren, og dermed sammenligner absorpsjonen av lysene:

  • Pulsoksymeteret sender ut lys (rødt og IR) gjennom fingeren --> ml hvor mye som absorberes --> sammenlign absorpsjonen --> estimerer O2-metning

LASER - praksis bruk av stimulert emisjon

• LASER = Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation

• En lys forsterker lys gjennom stimulert emisjon

• Prosessen:

1. Plumping: Vi tilfører energi til lasermediet slik at mange partikler eksiteres. En metastabil tilstand gjør at partiklene kan forbli eksiterte relativt lenge.

2. Populasjonsinversjon: Vanligvis befinner flest partikler seg i den lavere energitilstanden. For å få nettop lysforsterkning må flere partikler befinne seg i den øvre lasertilstanden enn i den nedre.

3. Stimulert emisjon: Et foton med riktig energi treffer en eksitert partikkel og stimulerer utsendelse av et nytt foton, med samme frekvens og retning: E2 + foton → E1 + 2 fotoner.

4. Lysforsterkning: Fotonene stimulerer flere eksiterte partikler til å sende ut nye fotoner. Dermed får vi en kjedereaksjon som forsterker lyset.

5. Resonans mellom speilene: Det er speil på veggene som reflekterer lyset frem og tilbake gjennom lasermediet, slik at det kan forsterkes ytterligere. Bare bestemte bølgelengder danner passende stående bølger mellom speilene (formel på bildet)

6. Det ene speilet er delvis gjennomtengelig, slik at noe av det forsterkede lyset slipper ut som laserstrålen

• Kjennetegn ved laserlys:

  • Tilnærmet monokromatisk (består nesten bare av én bølgelengde/farge)

  • Koherent (lysbølgene svinger i takt og har samme fase)

  • Retningsbestemt

  • Konsentrert