Atom és molekula spektroszkópiás módszerek

1. Atom és molekula spektroszkópiás módszerek • Módszer Elv Vizsgát anyag típusa • Lángfotómetria E szervetlen • Atom abszorpció (AAS) A szervetlen • Induktívan kapcsolt E szervetlenplazma gerjesztés (ICP) • Röntgen Fluorescens E szervetlenspektróskópia (XRF) • Ultraibolya és látható A szervesspektroszkópia (UV-VIS) • Infravörös spektroszkópia (IR) A szerves • Fluorescens spektroszkópia (Fl) E szerves Jelmagyarázat: E emisszió; A, abszorpció; atomi; molekuláris

2. Elektronok gerjesztése és energia leadása AAS az alapállapotból a gerjesztett állapotba kerülő elektronok energiaelnyelését , fényabszorpcióját méri. Az ionizációs energiáknál kisebb energia tartalom (UV-VIS) a mérés ideális tartománya.

3. Az abszorpciós és emissziós módszerek összehasonlítása Emissziónál a gerjesztett Abszorpciónál a fény atomokbocsátják ki az energiát. gerjeszti atomokat

4. Fényabszorpció elve • A fény (I0) egy része elnyelődik az elemek gőzében így csökken a fényintenzitás (I), miközben az elemek nyugalmi állapotból gerjesztett állapotba jutnak. • A fényelnyelés mértéke függ az elemek fajtájától, az elemek gőzének sűrűségétől és az optikai úthossztól.

5. A fényabszorpció egyenlete Lambert-Beer törvény A = - log I/ I0 = k * l * c A: Abszorpció (E) I: Kimenő fényintenzitás I0: Bemenő fényintenzitás k: abszorpciós együttható (mol/l) c: koncentráció l: optikai úthossz A = 2-lgT T: ( áteresztőképesség, transzmittancia)

6. Áteresztőképesség (T) -- koncentráció

7. Atom abszorpciós spektroszkópia (AAS) • Elem (atom) szelektív analízis módszer • A módszer az elemre jellemző hullámhosszúságú fény elnyelésén alapul • Nyomelemzésre alkalmas módszer (10-3 – 10-15) • Az elemek többségének meghatározására alkalmas

8. AAS készülék felépítése

9. AAS alkalmazási köre

10. Lánggerjesztés folyamata

11. Lánggerjesztéses AAS jellegzetes adatai Elem Hullámhossz (nm) Kimutatási határok (μg/l) Al 309,3 20 Cd 228.8 1.5 Cr 357.9 5 Cr 425.4 237 Pb 217.0 14 Pb 283.3 15 As 193.7 42 As 197.2 60 As 189.0 74 Hg 253.7  / Bi 227.7 64

12. Grafitkályhás gerjesztés

13. Jelalakok az AA spektroszkópiánál Porlasztás Grafitkályha

14. Magasabb hőmérsékleten intenzívebb az energia kisugárzás

15. Emisszió alapegyenlete Iem = Aij * h * jí* Nj Iem : Emisszió intenzitása Aij : Elektron átmenet valószínűsége i és j szint között h: Planck állandó jí : Kisugárzott fény frekvenciája Nj: Gerjesztett molekulák száma (arányos a koncentrációval)

16. Definíciók, ICP alapelve • Plazma magas hőmérsékletű (7000-8000 K) részben ionizált gáz, amely atomizált állapotba hozza a minta összetevőit. • ICP gyakorlatában a plazmát rádiófrekvenciás generátorral (1-5 kV, 2,7 Mhz) állítják elő rendszerint argon gázban. Az argon ionok rezgésük miatt felmelegszenek, és energiájukat átadják a minta komponenseinek.

17. Plazma szerkezete A hatásos gerjesztéshez szükséges közvetítő közeg a mágneses hullám és a minta között , ami az ICP gyakorlatában argon.

18. Egydimenziós optikai ICP elrendezése

19. Echelle ráccsal két dimenzós párhuzamos felvételek Egyidejűleg méri az egész spektrumot ezért gyors módszer.

20. Echelle ráccsal nyert analízis

21. ICP-MS kimutatási határai

22. Lángfotometria • Alkáli és alkáli földfémek analízisére megfelelő • Korlátozott használat a környezetvédelemben • Nem nyomelemzési célra > 10 ppm (pl. Rendkívül egyszerű, gyors használat • Környezetvédelmi felhasználás: keménység, Na, Ca

23. Lángfotométer vázlata Normál gázégő megfelel Optika: szűrök

24. Röntgen fluoreszcens spektroszkópia • Röntgen besugárzással történik a gerjesztés • Elemekre jellemző sugárzást mérik • Szilárd minták analízisére alkalmas • Terepi mérésekre alkalmas módszer • Szabvány módszer: EPA 6200

25. XRF elve XRF főleg az alsó pályákról kilökött elektronok helyettesítéséből származó sugárzást méri.

26. XFR korrigált spektrum

27. XRF analízisre alkalmas elemek

28. Előzetes szennyezés felmérés fúrólyukban

29. Molekulaspektrumok szerkezete Molekulák belső energiája csak, diszkét értéket vehet fel, ezért az energiaváltozások is kvantáltak. Az energia változás három tagból áll: Elektron energia Vibrációs energia Forgási energia A mért jelenség lehet sugárzási (emissziós) vagy elnyelési (abszorciós).

30. Spektrumok sajátságai • Az energia-átmenetek csak vákuumban különíthetők el teljesen egymástól az egyszerűbb molekuláknál. • A közeg sűrűsödésével és a molekulák szerkezetének bonyolódásával a sávok összeolvadnak és folytonossá válnak. • A burkológörbe maximuma, hullámhossza () jellemző az adott molekulára, vagy egy funkciós csoportra. • A maximum nagysága, az intenzitás függ az anyag koncentrációjától és a molekula szerkezetétől.

31. Abszorpciós energianívók

32. A vizsgálandó közeg sűrűsödésével az elkülönült energiaszintek összemosódnak

33. Két anyag átfedő abszorpciós sávjának kiértékelése

34. UV-VIS műszerek • Lámpák: deutérium, halogén (WJ), Xe, • Fényfelbontók: szűrők (5-50 nm felbontás), prizmák, rácsok, interferométerek (0,1 nm felbontás lehetséges). • Egy és két utas készülékek. • Küvetták: kvarc (UV-VIS), üveg (VIS), gáz (50-200 mm), folyadék (10- 50 mm). • Detektorok: fény sokszorzók, fotocellák, diódasorok (InGaAs). UV –VIS mérések tartománya: 10-5 – 10 –3 mol/l Javasolt működési tartomány: 20% < T < 60% és 0,7 < A < 0,2.

35. Hagyományos UV-VIS készülék

36. Anyaga általában kvarc. Prizma Fény felbontók Rács Rácsegyenlet: n· = (sin  - sin )

37. Diódasoros UV-VIS készülék

38. Fluoreszcenciás alapfogalmak • A fényelnyeléshez és a kibocsátáshoz kvantált energiák tartoznak. • A kibocsátott energia kisebb mint a felvett, ezért a fluoreszcens sugárzásnak kisebb a hullámhossza mint az abszorpciójának. • Az elnyelési sávoknak csak kis hányada okoz fluoreszcenciát. • Fluoreszcens spektrumok egyszerűbbek mint az abszorpciósok. • Fluoreszcens sugárzás 10-9 sec–on belül követi a gerjesztést (besugárzás). • Foszforencia sugárzás 10-6 sec és hetes időtartamon belül követi a gerjesztést.

39. Különböző emissziós molekulaspektrumok energia változásai

40. A kisugárzott energia magasabb hullámhosszú mint a gerjesztő

41. A gerjesztő és a kisugárzott fény detektálása egymásra merőleges elrendezésű. Fluoreszcens spektrofotométer felépítés

42. Infravörös spektroszkópia • Az elektromágnes sugárzás abszorcióján alapuló módszer a 0,7-300 m hullámhossz (1,7–0,005 eV) tartományban. • A molekulában lévő atomok és csoportok rezgési (vibrációs) és forgó (rotációját) normál frekvenciáit, elnyelési sávjainak hullámszámát (1/, cm-1) mérik. • Az elnyelés intenzitása koncentráció és anyagfüggő. • Közepesen érzékeny, csoport specifikus módszer. • Alkalmazási terület: kőolaj, fenol szennyezések, légszennyező gázok (SO2, CO, CO2, NH3).

43. Rezgések neve és formája H2O CH2

44. Toluol IR spektruma

45. Prizmás IR készülék vázlata Prizma végzi a fény felbontását Második fényút referenciaként szolgál

46. FTIR készülék működési elve

47. Fourier-transzformáció eredménye Szürke egyedi mérések, piros végeredmény

48. Turbidimetria elve

49. Nefelometria elve

50. Levegő szennyezés távmérése