AnalChem : Basic of Spectroscopy

Asst.Prof.Woravith Chansuvarn, Ph.D
http://web.rmutp.ac.th/woravith woravith
woravith.c@rmutp.ac.th
วิธีสเปกโทรสโกปีเบื้องต้น
Basic of Spectroscopy Method

หลักการ
วิเคราะห์ทาง
สเปกโทรสโกปี
6.1 รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
อันตรกิริยาระหว่างโฟตอนกับสสาร
ประเภทของสเปกโทรสโกปี
การดูดกลืนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
// แผนการสอนและประเมินผลการเรียนรู้
02

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry
เอกสารประกอบการสอน
03
http://www.slideshare.net/woravith
http://web.rmutp.ac.th/woravith
ChemoGraphics
▪ วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ. 2563. เคมีวิเคราะห์ (หลักการ
และเทคนิคการคานวณเชิงปริมาณ). สานักพิมพ์
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

การศึกษาสมบัติหรือข้อมูลของสสารโดยอาศัยการเกิด
อันตรกิริยา (interaction) ระหว่างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
(electromagnetic radiation) กับสสาร (matter)
▪ การดูดกลืน (absorption)
▪ การเปล่งออก (emission)
▪ การเปล่งแสงด้วยแสง (photoluminescence)
▪ การกระเจิงแสง (scattering)
อันตรกิริยา
matter
Incident light
reflection
absorption
photoluminescence
transmission
scattering
Spectroscopy
04

▪ เปลี่ยนระดับพลังงานนิวเคลียร์
▪ เปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนวงใน
▪ เปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่สร้างพันธะ (electronic
transition)
▪ เปลี่ยนพลังงานจากการหมุน (rotation)
▪ เปลี่ยนพลังงานจากการสั่น (vibration)
▪ เปลี่ยนระดับพลังงานจากการสปินของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก
▪ เปลี่ยนระดับพลังงานจากการสปินของนิวคลิไอในสนามแม่เหล็ก
การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงาน (แทรนซิชัน) ของอนุภาคเมื่อ
สสารเกิดอันตรกิริยากับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (โฟตอน)
โดยเป็นการแทรนซิชันจากระดับพลังงานต่ากว่า เรียกว่า
สถานะพื้น (ground state, E0) ไปยังระดับพลังงานสูงกว่า
เรียกว่า สถานะกระตุ้น (excited state, E1)
(interaction)
E1
E0
Energy
05

E1
E0
Energy
การเปลี่ยนระดับพลังงานของสสารเกิดขึ้นจากอันตรกิริยากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ทาให้ได้ข้อมูลที่เป็นลักษณะเฉพาะของสาร
E0
E1
Energy
E1 E2 E3
ระดับ
พลังงาน
การสั่น
ระดับพลังงาน
การหมุน
v0
v1
v2
v3
v4
v0
v1
v2
v3
v4

Electromagnetic radiation
พลังงานรูปหนึ่งที่สามารถส่งผ่านที่ว่าง
ด้วยความเร็วสูงมาก มีสมบัติเป็นได้ทั้ง
คลื่น (wave) และอนุภาค (particle)
ประกอบด้วยสนามแม่เหล็ก (magnetic
field) และสนามไฟฟ้า (electric field)
แกว่งกวัด (oscillation) เป็นคลื่นรูป
ไซน์ ในแนวตั้งฉากซึ่งกันและกัน และตั้ง
ฉากกับทิศทางการแผ่รังสี

การหักเห การสะท้อน การแทรกสอด การเลี้ยวเบน
สมบัติความเป็นคลื่น
(wave property)
สมบัติความเป็นอนุภาค
(particle property)
การแผ่พลังงานในลักษณะอนุภาค
เรียกว่า โฟตอน (photon)
หรือ ควอนตัม (quantum)

สมบัติความเป็นคลื่น
▪ ขนาดคลื่น (amplitude, A) คือขนาดของเว็กเตอร์ซึ่งใช้บอกความแรงของสนามไฟฟ้า
▪ คาบ (period, p) คือเวลา (วินาที) ที่คลื่น 1 รอบผ่านจุดๆ หนึ่งในที่ว่าง (space)
ความยาวคลื่น ()
ขนาดคลื่น
คาบ (p)
ทิศทางของคลื่น

สมบัติความเป็นคลื่น ความถี่
▪ จานวนคลื่นที่ผ่านจุดๆ หนึ่งใน 1 วินาที
 =1/p
▪ มีหน่วยเป็นเฮิรต์ (Hz) ซึ่งสอดคล้อง
กับ 1 รอบ/วินาที (1 Hz = s-1)
▪ ขึ้นกับแหล่งกาเนิดรังสี
▪ ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่
เปลี่ยนแปลงเมื่อรังสีผ่านตัวกลาง
(medium) ที่ต่างกัน
short wavelength
long wavelength

สมบัติความเป็นคลื่น ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่น (wavelength, ) คือ ระยะระหว่างจุด 2 จุดที่สอดคล้องกันบนคลื่นที่ต่อเนื่องกัน
short wavelength
long wavelength

สมบัติความเป็นอนุภาค
v
hc
hc
hv
E =
=
=

E = พลังงานของโฟตอน 1 ตัว (J)
h = ค่าคงที่ของพลังค์ (6.63x10−34 Js)
 = ความถี่ (s−1)
 = ความยาวคลื่น (nm)
 = เลขคลื่น (m−1)
c = ความเร็วของแสง (3.0x108 m s-1)
▪ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วย
อนุภาคซึ่งเรียกว่า โฟตอน
(photon) หรือ ควอนตา (quanta)
▪ โฟตอน 1 ตัวมีพลังงานที่แน่นอน
จะมากหรือน้อยขึ้นกับความถี่
สมการของพลังค์ (Planck)

จากสมการของพลังค์ สามารถคานวณหาพลังงานของโฟตอนที่ความยาวคลื่นต่างๆ ได้
เช่นที่ ความยาวคลื่น 5.00 m พลังงานของโฟตอน

hc
E =
-34 8 -1
-20
-6
(6.63x10 Js)(3.00x10 ms )
E = =3.98x10 J
5.00x10 m
ดังนั้น แสงที่มีความยาวคลื่น 5.00 m (500 nm) จะมีพลังงานของโฟตอน
เท่ากับ 3.98x10-20 J

สเปกตรัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 (nm)
1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 (s-1)
รังสีแกมมา
(-ray)
รังสีเอกซ์
(X-ray)
ยูวี
(UV)
อินฟราเรด
(IR)
ไมโครเวฟ
(microwave)
คลื่นวิทยุช่วงกว้าง
(long radio wave)
วิทยุ
FM AM
วิสิเบิล
(visible)
ความยาวคลื่นกว้าง
400 500 600 700
ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่นสั้น
ความถี่เพิ่มขึ้น
ความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น

แสงที่ถูกดูดกลืน ความยาวคลื่น (nm) ความถี่ (THz) พลังงานโฟตอน (eV) แสงสีเติมเต็ม
ยูวี <380
ม่วง 380–450 668–789 2.75–3.26 เหลือง-เขียว
น้าเงิน 450–495 606–668 2.50–2.75 เหลือง
เขียว 495–570 526–606 2.17–2.50 แดง-ม่วง
เหลือง 570–590 508–526 2.10–2.17 น้าเงิน
ส้ม 590–620 484–508 2.00–2.10 เขียว-น้าเงิน
แดง 620–750 400–484 1.65–2.00 น้าเงิน-เขียว
อินฟราเรดใกล้ >750
ชื่อเรียก ความยาวคลื่น (, nm)
ยูวีไกล (far-ultraviolet) 10–200
ยูวีใกล้ (near-ultraviolet) 200–380
วิสิเบิล (visible) 380–780
อินฟราเรดใกล้ (near-infrared) 780–3000
อินฟราเรดกลาง (middle-infrared) 3,000–30,000
อินฟราเรดไกล (far-infrared) 30,000–300,000
ไมโครเวฟ (microwave) 300,000–1,000,000,000

▪ พลังงานโฟตอนที่แตกต่างกันทาให้เกิด
อันตรกิริยากับสสารได้แตกต่างกัน
Interaction between Photon and Matter
เกี่ยวข้องกับการแทรนซิชันของอนุภาคจาก
สถานะพื้น (ground state; E0)
ไปยัง สถานะกระตุ้น (excited state; E1)

เทคนิคทางสเปกโทรสโกปี
เทคนิคที่มีการถ่ายโอนพลังงาน
ระหว่างโฟตอนกับสสาร
เทคนิคที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลง
สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
▪ การดูดกลืน (absorption)
▪ การเปล่งออก (emission)
▪ การเปล่งแสงด้วยแสง
(photoluminescence)
▪ การเปล่งแสงด้วยเคมี
(chemiluminescence)
สมบัติของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงเมื่อ
เกิดอันตรกิริยากับสสาร
• แอมพลิจูด (amplitude)
• มุม (angle)
• โพลาไรเซชัน (polarization)
• ทิศทาง (direction of propagation)
เกิดปรากฏการณ์เมื่อรังสีตกกระทบกับสสาร
• การหักเห (refraction)
• การสะท้อน (reflection)
• การกระเจิง (scattering)
• การเลี้ยวเบน (diffraction)
• การกระจาย (dispersion)

ประเภท ความถี่ (Hz) ความยาวคลื่น () อันตรกิริยากับสสาร เทคนิควิเคราะห์
radio 108-1010 1 m-1 cm nucleus or electron spin NMR, ESR
microwave 1010-1012 1 cm-100 m rotation microwave
infrared 1012-1014 100 m-1 m vibration IR, raman
UV/vis 1014-1016 1 m-10 mm electronic of valence Uv/vis
X-ray 1016-1018 10-10 m electronic of shell XRD
-ray 1018-1020 electronic of nucleus
อันตรกิริยาของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับสสาร

เทคนิคเปกโทรสโกปี ความยาวคลื่น ช่วงเลขคลื่น (cm-1) การเปลี่ยนระดับพลังงานที่เกิดขึ้น
Gamma-ray 0.005–1.4 Å – Nuclear
X-ray 0.1–100 Å – Inner electron
Vacuum UV 10–180 nm 1x106 – 5x104 Bonding electrons
UV / visible 180–780 nm 5x104 – 1.3x104 Bonding electrons
Infrared/Raman 0.78–300 m 1.3x104 – 3.3x101 Rotation/vibration
Microwave 0.75–3.75mm 13–27 Rotation
Electron spin
resonance 3 cm 0.33 Spin of electrons a in a
magnetic field
Nuclear magnetic
resonance 0.6–10 m 1.7x10−2 – 1x103 Spin of nuclei in a magnetic
field

ประเภท
การสปินของอิเล็กตรอน การหมุน การสั่น การเปลี่ยนแปลงระดับ
พลังงานของอิเล็กตรอน
นิวเคลียร์
เลขคลื่น (cm-1)
ความยาวคลื่น
ความถี่ (Hz)
พลังงาน (J/mol)
ประเภทเทคนิค
NMR ESR microwave infrared UV-Vis X-ray -ray
10-2 1 100 104 106 108
10 m 100 cm 1 cm 100 m 1000 nm 10 nm 100 pm
3x106 3x108 3x1010 3x1012 3x1014 3x1016 3x106
10-3 10-1 10 103 105 107 109

พลังงานควอนตัมของโฟตอนของรังสีเอกซ์มีค่าสูงมาก รังสีเอกซ์จึง
เกิดปฏิกิริยาโดยการชนอิเล็กตรอนจนหลุดออกจากอะตอม
• ถ่ายเทพลังงานทั้งหมดให้กับอิเล็กตรอน (photoionization) ทาให้
เกิดรังสีไอออน (ionizing radiation)
• ถ่ายเทพลังงานบางส่วน (Compton scattering) โดยทาให้โฟตอนมี
พลังงานลดลง
• ถ้าโฟตอนของรังสีเอกซ์มีพลังงานสูงพอจะทาให้เกิดคู่ electron
positron pair
10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 (nm)
1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 (s-1)
(-ray)
(X-ray)
ยูวี
(UV)
(IR)
(microwave)
(long radio wave)
วิทยุ (radio)
FM AM

▪ ย่านยูวี-วิสิเบิล ความถี่อยู่ในช่วง 3x1014 ถึง 3x1016 Hz (ความยาว
คลื่น 1 m ถึง 10 mm)
▪ การเปลี่ยนแปลงเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนระดับพลังงานของ
อิเล็กตรอน ความแตกต่างของระดับพลังงานอิเล็กตรอนวงนอกสุด
ประมาณ 100 kJ/mol
▪ เทคนิคยูวี-วิสิเบิล สเปกโทรสโกปี (UV-vis)
10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 (nm)
1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 (s-1)
(-ray)
(X-ray)
ยูวี
(UV)
(IR)
(microwave)
(long radio wave)
FM AM
วิสิเบิล
(visible)

• ความถี่ช่วง 3x1012 ถึง 3x1014 Hz (ความยาวคลื่น
100 m ถึง 1 m)
• พลังงานควอนตัมของโฟตอนอยู่ระหว่าง 0.001 ถึง
1.7 eV ซึ่งเป็นช่วงพลังงานที่ทาให้โมเลกุลเกิดการสั่น
ความแตกต่างของระดับพลังงานของการสั่นอยู่ในช่วง
104 J/mol
• เทคนิคอินฟราเรด สเปกโทรสโกปี (IR) และรามาน
สเปกโทรสโกปี (Raman)
10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 (nm)
1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 (s-1)
(-ray)
(X-ray)
ยูวี
(UV)
(IR)
(microwave)
(long radio wave)
FM AM

▪ ความถี่อยู่ในช่วง 3x1010 ถึง 3x1012 Hz (ความยาวคลื่นประมาณ 1 cm
ถึง 100 m)
▪ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานเกิดจากการหมุน (rotation) ของโมเลกุลที่
มีขั้ว
▪ ความแตกต่างของระดับพลังงานของการหมุนอยู่ในช่วง 102 J/mol
▪ การหมุนของโมเลกุลจะเกิดสนามไฟฟ้าและให้สเปกตรัมไมโครเวฟออกมา
▪ เทคนิคไมโครเวฟสเปกโทรเมตรี
10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 (nm)
1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 (s-1)
(-ray)
(X-ray)
ยูวี
(UV)
(IR)
(microwave)
(long radio wave)
FM AM

▪ มีความถี่ 104-1010 Hz (ความยาวคลื่น 1 m -1 cm)
▪ มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานต่าในช่วง 10-3 – 10 J/mol
▪ เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสปิน (spin) ของนิวเคลียสหรือ
อิเล็กตรอน
▪ เทคนิคนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) และ
อิเล็กตรอนสปินเรโซแนนซ์ (ESR)
เนื่องจากคลื่นในช่วงความถี่นี้สามารถหักเหและสะท้อนได้ในชั้นบรรยากาศ จึงนามาใช้ประโยชน์ในการติดต่อสื่อสาร
จากเครื่องส่งของสถานีไปยัง เครื่องรับตามบ้าน มีการส่งสัญญาณ 2 ระบบ คือ ระบบเอเอ็ม (amplitude
modulation: AM) มีช่วงความถี่ 530-1600 kHz และระบบเอฟเอ็ม (frequency modulation: FM) มีช่วง
ความถี่ 88-108 MHz
10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 (nm)
1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 (s-1)
(-ray)
(X-ray)
ยูวี
(UV)
อินฟร าเรด
(IR)
(microwave)
(long radio wave)
FM AM

สเปกโทรสโกปีแบบเปล่งออก
(emission spectroscopy)
สเปกโทรสโกปีแบบดูดกลืน
(absorption spectroscopy)
Spectroscopy Method
• การดูดกลืนระดับอะตอม (atomic absorption)
• การดูดกลืนระดับโมเลกุล (molecular absorption)
• การเปล่งออกระดับอะตอม (atomic emission)
• การเปล่งออกระดับโมเลกุล (molecular emission)

E0
E1
E=hv
พลั
ง
งาน
อนุภาค (อะตอมหรือโมเลกุล) อยู่ในระดับพลังงานต่า
ที่สุด เรียกว่า สถานะพื้น (E0)
อนุภาคได้รับพลังงานโฟตอน (hv) จากภายนอก
อนุภาคเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะที่มีพลังงานสูงขึ้น
เรียกว่า สถานะกระตุ้น (E1)
เมื่อผลต่างระดับพลังงาน E0 และ E1 (E) พอดีกับ
พลังงานโฟตอน อนุภาคนั้นจะเกิด การดูดกลืน
(absorption) รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
การดูดกลืน (absorption)

E0
E1
E=hv
พลั
ง
งาน
อนุภาค (อะตอมหรือโมเลกุล) อยู่ในระดับพลังงาน
ต่าที่สุด เรียกว่า สถานะพื้น (E0)
ระดับพลังงานสถานะกระตุ้นนั้นเป็นสถานะที่ไม่เสถียร
อนุภาคจะกลับสู่สถานะพื้น แล้วจะเกิด การเปล่งออก
(emission) ของพลังงานในรูปแบบต่าง ๆ
อนุภาคได้รับพลังงานจากภายนอก เช่น ความร้อน
พลังงานไฟฟ้า หรือ ปฏิกิริยาเคมี อนุภาคนั้นจะ
เปลี่ยนไปอยู่ในสถานะที่มีพลังงานสูงขึ้น เรียกว่า
สถานะกระตุ้น (E1)
การเปล่งออก (emission)
โฟตอน > การเปล่งแสงด้วยแสง (photoluminescence)
• การวาวแสง (Fluorescence)
• การเรืองแสง (Phosphorescence)
ปฏิกิริยาเคมี > การเปล่งแสงด้วยเคมี (chemiluminescence)
ความร้อน /โฟตอน
ปฏิกิริยาเคมี

E0
(ground state)
E1
(excited state)
E=hv E=hv
แบบดูดกลืน (absorption) แบบเปล่งออก (emission)
พลั
ง
งาน
อะตอมหรือโมเลกุลใน E0 ดูดกลืนพลังงาน (hv)
และเปลี่ยนไปอยู่ในสภาวะที่มีพลังงานสูงกว่า (E1)
อะตอมหรือโมเลกุลในสภาวะที่มีพลังงานสูงกว่า (E1)
คายพลังงาน (hv) ออกมา และกลับไปอยู่ใน E0

สเปกโทรสโกปีแบบดูดกลืน (absorption spectroscopy)
P0 P
เมื่อให้พลังงานในรูปรังสี
แม่เหล็กไฟฟ้าแก่ตัวกลางที่มี
อนุมูลสารที่สนใจที่ดูดกลืนแสง
ได้ (absorbing species)
E0
E1
E(1)=h1=hc/1
E(2)=h2=hc/2
A

1
2
พลังงานโฟตอนกระตุ้นให้
อนุภาคเปลี่ยนระดับพลังงาน
จาก E0 ไปยัง E1 เมื่อ
พลังงานโฟตอนเท่ากับ E
อนุภาคจะดูดกลืนรังสี
ค่าการดูดกลืนในแต่ละช่วง
ความยาวคลื่นเกิดขึ้นได้ไม่
เท่ากัน เรียกว่า
สเปกตรัมการดูดกลืน

ความสามารถในการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (absorption ability) ของสสารที่ความยาว
คลื่นต่างกัน จะดูดกลืนได้ไม่เท่ากัน
สเปกตรัมการดูดกลืนของอนุภาคระดับนาโนเมตรของทองคา
ค่าการดูดกลืนสูงสุด
(maximum absorbance) จะ
ปรากฎที่ความยาวคลื่นของรังสี
แม่เหล็กไฟฟ้าความยาวคลื่น
หนึ่ง เรียกว่า ความยาวคลื่นที่มี
ค่าการดูดกลืนสูงสุด
(maximum absorptivity
wavelength, max)
max

0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
215 235 255 275 295
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
ความยาวคลื่น (nm)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
400 450 500 550 600 650 700
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
กรดเบนโซอิก
คาเฟอีน
Fe(II)-Phen

ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
(ก) คลอโรฟิลล์เอ
(ข) คลอโรฟิลล์บี
(ค) แคโรทีนอยด์
(ก) คลอโรฟิลล์เอ
(ข) คลอโรฟิลล์บี
(ค) แคโรทีนอยด์
สารบางชนิดอาจปรากฏ max ได้สองค่าหรือมากกว่าขึ้นอยู่กับโครงสร้างและหมู่ฟังก์ชัน
• chlorophyll A จะปรากฎ max ที่ 430 nm และ 662 nm
• chlorophyll B จะปรากฎ max ที่ 453 nm และ 642 nm

สเปกโทรสโกปีแบบเปล่งออก (emission spectroscopy)
Sample
Photoluminescence
P0 P
E0
E1
E=hv
พลั
ง
งาน
ความร้อน โฟตอน ปฏิกิริยาเคมี
10-8 s 10-3 s
10-12 s

P0 PE
รังสีตกกระทบ รังสีเปล่งออก
E1
E0
E1(1)=h1=hc/1
E1(2)=h2=hc/2

I
2 1 3
E1(3)=h3=hc/3
PE
กระตุ้นด้วย
- ความร้อน
- ไฟฟ้า
- ปฏิกิริยาเคมี
รังสีเปล่งออก
E1
E0
E1(1)=h1=hc/1
E1(2)=h2=hc/2

I
2 1 3
E1(3)=h3=hc/3
หลักของสเปกโทรสโกปีการเปล่งแสงด้วยแสง (การวาวแสงและการเรืองแสง)
หลักของสเปกโทรสโกปีการเปล่งแสงทางเคมี (chemiluminescence)

สภาพดูดกลืนแสงต่อโมล
(molar absorptivity, )
Absorption Method
กฎการดูดกลืนแสง
• กฎของแลมเบิรต์
• กฎของเบียร์
การเบี่ยงเบนจากกฎของเบียร์

P0 P
absorbing
species
b
กาลังของรังสีที่ตกกระทบ
(incident power of radiation)
กาลังของรังสีที่ส่งผ่าน
(transmitted power of radiation)
เมื่อลาแสงขนานของรังสีความยาวคลื่นเดี่ยว
(monochromatic radiation) ผ่านสารละลาย
ที่มีสารที่สามารถดูดกลืนแสงได้ (absorbing
species) กาลังของรังสีจะลดลง
แสงที่ตกกระทบ (incident light)
แสงที่ถูกดูดกลืน (absorbed light)
แสงที่ส่งผ่าน (transmitted light)
ค่าการดูดกลืนแสง
(absorbance, A)
ค่าความส่งผ่าน
(transmittance, T)
อัตราส่วนระหว่างปริมาณ
แสงที่ผ่านออกมา (P) ต่อ
ปริมาณแสงที่ตกกระทบ (P0)

T =
P
P0
%T = x 100
P
P0
ค่าการดูดกลืนแสง (A) คือ ปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนไป
จากปริมาณแสงที่ตกกระทบ
ค่าความส่งผ่าน (T) คือ อัตราส่วนระหว่างปริมาณแสง
ที่ผ่านออกมา (P) ต่อปริมาณแสงที่ตกกระทบ (P0)
A = -logT = -log = log
P0
P
P
P0
รังสีตกกระทบ รังสีส่งผ่าน

ความสัมพันธ์ระหว่าง absorbance (A) และ transmittance (T)
▪ เมื่อแสงผ่านสารละลายโดยไม่มีการดูดกลืน A = 0 และ %T = 100
▪ เมื่อ A เพิ่มขึ้น %T จะลดลง
▪ สาหรับสเกลของเครื่องมือรุ่นเก่า %T จะเป็น linear scale ส่วน A เป็น
log scale จึงมักอ่าน %T แล้วหา A จาก A = 2–log%T
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
2.0 1.5 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0
ค่าการดูดกลืนแสง (A)
ค่าความส่งผ่าน (%T)

เมื่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นเดี่ยว
ผ่านตัวกลางเนื้อเดียว ค่าความส่งผ่านจะลดลง
แบบเลขชี้กาลัง (exponential) กับความหนา
ของตัวกลางที่แสงผ่าน (path length)
กฎของแลมเบิร์ต
Lambert’s Law (ค.ศ.1760)
k = ค่าคงที่สัดส่วน (proportional constant)
b = ความหนาตัวกลางที่แสงผ่าน (path length)
T = = 10-kb
P
P0
ค่าการดูดกลืนแสงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาของตัวกลางที่แสงผ่าน
“
“

เมื่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น
เดี่ยว ผ่านตัวกลางเนื้อเดียว ค่าความ
ส่งผ่านจะลดลงแบบเลขชี้กาลัง
(exponential) กับความเข้มข้นอนุมูล
สารที่สนใจ (c)
กฎของเบียร์
Beer’s Law (ค.ศ.1852)
K’ = ค่าคงที่สัดส่วน (proportional constant)
c = ความเข้มข้นอนุมูลสารที่สนใจ
T = = 10-k’c
P
P0
ค่าการดูดกลืนแสงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของอนุมูลสารที่สนใจ
(absorbing species) ในสารตัวอย่าง
“
“
C

T = = 10-kb
P
P0
T = = 10-k’c
P
P0
T = = 10-abc
P
P0
สมการแลมเบิร์ต
log T = log = -abc
P
P0
-log T = log = abc
P0
P
A = log = abc
P0
P
สมการเบียร์-แลมเบิร์ต หรือเรียกว่า
สมการของเบียร์
▪ ค่าการดูดกลืนแสง (A) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นอนุมูลสารที่สนใจ (c) และ
path length (b)
▪ a เป็นค่าคงที่ เรียกว่า absorptivity ใช้แสดงปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนต่อหน่วยความ
เข้มข้น ค่าของ a ขึ้นกับหน่วยของ b และ c
- ถ้า b เป็น cm และ c เป็น g/L เทอม a มีหน่วยเป็น Lg-1cm-1
- ถ้า b เป็น cm และ c เป็น mol/L เทอม a เรียกว่า molar absorptivity () และ
มีหน่วยเป็น Lmol-1cm-1
สมการเบียร์

 ขึ้นกับความยาวคลื่น ดังนั้น A ขึ้นกับความยาวคลื่น
A เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้น (เมื่อ  และ b คงที่)
A เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ path length (เมื่อ  และ c คงที่)
A เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ  (เมื่อ b และ c คงที่)
A ไม่ใช่ %absorption (ซึ่งเท่ากับ 100 – %T)
A = absorbance (ไม่มีหน่วย)
 = molar absorptivity (Lmol-1cm-1)
b = path length (cm)
c = concentration (mol L-1)
A = bc
A = log = abc
P0
P

Molar absorption coefficient, Molar extinction coefficient
สภาพดูดกลืนแสงต่อโมล ()
ค่าคงที่เฉพาะของสารดูดกลืนแสง
ที่ขึ้นอยู่กับชนิดของสารและความยาวคลื่นที่วัด
“
“
สารที่มีค่า  มาก จะดูดกลืนแสง
ต่อโมลได้ดี ซึ่งจะส่งผลให้สามารถ
วัดการดูดกลืนแสงได้ แม้ความ
เข้มข้นต่ามากๆ (หรือมีสภาพไวสูง)
ชนิด โครโมฟอร์  (nm) 
Acetylide -C=C 175-180 6000
Aldehyde -CHO 210 1500
Amine -NH2 195 2800
Azo -N=N- 285-400 3-25
Bromine -Br 208 300
Carboxyl -COOH 200-210 50-70
Disulphide -S-S- 194 5500
Ether -O- 185 1000
Ketone -C=O 195 1000
Nitrite -ONO 220-230 1000-2000
Nitro -NO2 210 สูง

จากสมการของเบียร์ A = bc
“A เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ c (เมื่อ  และ b คงที่)”
เมื่อเขียนกราฟระหว่าง A กับ c ของสารละลายชนิดหนึ่งที่มี
ความหนาตัวกลางที่แสงผ่านคงที่ (=1 cm) จะได้กราฟ
เส้นตรง ที่มีความชันเท่ากับ 
y = mx + b A = bc
y
x
y
x
b
A
c
A
c
intercept

สารละลาย Co(NO3)2 มีความ
เข้มข้นต่างกัน ตั้งแต่
0.0050 – 0.500 mol/L
วัดการดูดกลืนแสงในย่านวิสิเบิล
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
400 450 500 550 600 650 700
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
0.0500 M
0.0400 M
0.0300 M
0.0200 M
0.0100 M
0.0050 M
max

0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
400 450 500 550 600 650 700
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
0.050 M
0.040 M
0.030 M
0.020 M
0.010 M
0.0050 M
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
ความเข้มข้น (mol/L)
max

การเบี่ยงเบนจากกฎของเบียร์
เบี่ยงเบนทางบวก
เบี่ยงเบนทางลบ
กฎของเบียร์
สมการของเบียร์
A = bc
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
ความเข้มข้น

สาเหตุการเบี่ยงเบนจากกฎของเบียร์
การเบี่ยงเบนทางทฤษฎี
(fundamental deviation)
เนื่องจากการวัดจะมีความเที่ยงสาหรับสารที่สนใจมี
ความเข้มข้นต่า ๆ เท่านั้น
การเบี่ยงเบนทางเคมี
(chemical deviation)
เกิดจากสารที่ต้องการวิเคราะห์เกิดการสลายตัว การ
รวมตัว หรือทาปฏิกิริยากับตัวทาละลาย แล้วเกิดเป็น
สารอื่นที่อาจปรากฏสเปกตรัมดูดกลืนแสงต่างจาก
สารที่สนใจ
การเบี่ยงเบนจากเครื่องมือ
(instrumental deviation)
• แสงที่ตกกระทบสารตัวอย่างมีหลายความยาวคลื่น
(polychromatic light)
• แสงรบกวน (stray light) ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจาก
ความไม่สมบูรณ์ของตัวแยกแสงเดี่ยวที่ยินยอมให้
แสงอื่นผ่านเข้าไปในเครื่องและไปตกกระทบบนตัว
ตรวจหาแสง (detector)
1
2
3

Quantitative Method
วิธีกราฟมาตรฐานความเข้มข้น
(calibration method)
วิธีเติมสารมาตรฐาน
(standard addition method)

กะหล่าปลีม่วง (red cabbage)
มีสารแอนโทไซนานิน (anthocyanin)
อยู่ปริมาณเท่าใด
เลือกวิธีวิเคราะห์ :
วิธียูวี-วิสิเบิล สเปกโทรโฟโตเมทรี
(red cabbage)

เตรียมตัวอย่างโดยวิธีสกัด
ด้วยตัวทาละลาย
สารสกัดที่มี
anthocyanin
methodology
สเปกตรัมดูดกลืนแสง
ของสาร anthocyanin
ในกระหล่าปลีม่วง
max=524 nm
max=524 nm

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 mg/L
(mg/L)
ค่าการดูดกลืนแสง
(430 nm)
0.20 0.115
0.40 0.160
0.60 0.210
0.80 0.285
1.00 0.355
1.20 0.420
▪ เตรียมสารละลายมาตรฐาน anthocyanin ที่มี
ความเข้มข้นต่างกันจานวน 6 ความเข้มข้น
(0.20-1.20 mg/L)
▪ วัดค่าการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 524 nm
▪ เขียนกราฟมาตรฐานความเข้มข้น
วิธีกราฟมาตรฐานความเข้มข้น (calibration method)
หมายเหตุ ศึกษาวิธีสร้างกราฟด้วยโปรแกรมเอกเซลล์ Click
สารมาตรฐาน
anthocyanin

0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
Abs.
conc. (mg/L)
Conc.
(mg/L)
Abs
0.20 0.115
0.40 0.160
0.60 0.210
0.80 0.285
1.00 0.355
1.20 0.420
y = 0.311x + 0.04
0.04
y
x
slope = ---- = ------------ = 0.311
y
x
0.355 - 0.150
1.00 – 0.340
เขียนกราฟระหว่างค่าการดูดกลืนแสงกับความเข้มข้น
หาความชันกับจุดตัดแกนจากเส้นกราฟ
• ความชัน = 0.311
• จุดตัดแกน = 0.04
สมการเส้นตรง นักศึกษาสร้างกราฟมาตรฐานความเข้มข้นด้วย
โปรแกรมเอกเซลล์ แสดงสมการเส้นตรง และค่า R2
y = 0.3121x + 0.039 R2=0.9922

0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
Abs.
conc. (mg/L)
นาสารสกัดกะหล่าปลี
(unknown) หนัก 1.00 g
วัดค่าการดูดกลืนแสงที่
ความยาวคลื่น 524 nm
พบว่ามีค่าการดูดกลืน
แสง = 0.250
0.250
unknown conc.
0.68
y = 0.311x + 0.04
0.250 = 0.311x + 0.04
x = (0.25-0.04)/0.311
= 0.675
unknown Abs.
1) หาความเข้มข้นโดยลากเส้นบนกราฟ
มาตรฐานความเข้มข้น
2) คานวณความเข้มข้นโดยสมการเส้นตรง
เป็นเท่าไร ?
กาหนดจุด Abs บนแกน y (Abs ของสารตัวอย่าง) ลากเส้น
ขนานแกน x จนชนกับเส้นกราฟมาตรฐาน ลากลงขนานกับแกน y
จุดที่ตัดแกน x จะเป็นความเข้มข้นของสารตัวอย่าง
แทนค่า Abs ของสารตัวอย่าง
(y) ลงในสมการเส้นตรง คานวณ
ความเข้มข้นของสารตัวอย่าง (x)

0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
ช่วงของการตรวจวัด
(dynamic range)
ความสัมพันธ์เชิงเส้นตรง
(linear range)
LOQ
LOD
ขีดจากัดในการตรวจวัด (LOD) คือ
ระดับความเข้มข้นของสารที่สนใจที่ให้
สัญญาณเท่ากับค่าที่วัดได้จากแบลงก์
รวมกับ 3 เท่าของ sd ของสัญญาณ
แบลงก์
ขีดจากัดในการวัดเชิงปริมาณ (LOQ)
คือ ระดับความเข้มข้นของสารสนที่ใจที่
ให้สัญญาณเท่ากับค่าที่วัดได้จากแบ
ลงก์รวมกับ 10 เท่าของ sd ของ
สัญญาณแบลงก์
ก ร า ฟ ที่ มี ค ว า ม ชั น
มากกว่าจะมีสภาพไว
ได้มากกว่ากราฟที่มี
ความชันน้อยกว่า

0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
ความเข้มข้น (mg/L)
Matrix-match calibration curve Calibration curve
กราฟมาตรฐานเมทริกซ์แมทซ์ ความชันของเส้นกราฟเท่ากันหรือใกล้เคียงกัน
กราฟมาตรฐานความเข้มข้นกับ
กราฟมาตรฐานเมทริกซ์แมทซ์
มีความชันเท่ากัน หรือ
ใกล้เคียงกัน
เส้นกราฟจะขนานกัน
อธิบายได้ว่า
ผลของสิ่งรบกวนในสารตัวอย่าง
ไม่มีผลต่อการวิเคราะห์

0.00
0.30
0.60
0.90
1.20
1.50
1.80
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00
ค่
า
การดู
ด
กลื
น
แสง
ความเข้มข้น (mg/L)
Matrix-match calibration Calibration curve
กราฟมาตรฐานเมทริกซ์แมทซ์ ความชันของเส้นกราฟไม่เท่ากันหรือไม่ใกล้เคียงกัน
กราฟมาตรฐานความเข้มข้นกับ
กราฟมาตรฐานเมทริกซ์แมทซ์
มีความชันไม่เท่ากัน
หรือ ไม่ใกล้เคียงกัน
เส้นกราฟจะไม่ขนานกัน
อธิบายได้ว่า ผลของสิ่งรบกวนใน
สารตัวอย่างมีผลต่อการวิเคราะห์

อ
วิธีเติมสารมาตรฐาน (standard addition)
นิยมใช้ในการวิเคราะห์เชิงปริมาณ
ของสารที่สนใจที่มีสารเจือปนมาก
(matrix effect) ซึ่งอาจจะมีผล
ต่อการวิเคราะห์ได้ โดยหลักการ
ของวิธีนี้คือการเติมสารละลาย
มาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่
แน่นอนลงในสารตัวอย่างจะทาการ
วิเคราะห์สารที่สนใจ 1) เตรียมสารละลายตัวอย่าง ที่ไม่ทราบความเข้มข้น (Cx)
ปริมาตรแน่นอน (Vx) เท่ากัน ในขวดวัดปริมาตร 5-6 ขวด
2) เติมสารละลายมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้น (Cs) และ
ปริมาตรที่แตกต่างกันเป็นลาดับ (Vs)
3) เติมสารอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา ให้เท่ากันทุก ๆ ขวด
และปรับปริมาตรด้วยตัวทาละลาย (ปริมาตรรวม Vt)
4) วัดค่าการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นที่กาหนด ได้สัญญาณ
การดูดกลืนแสงรวม (S)

0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
-0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
Abs.
(524
nm) ความเข้มข้น (mg/L)
สัญญาณของสารตัวอย่างที่
ไม่ได้ทาการเติมสารมาตรฐาน
สารตัวอย่าง
สัญญาณ (S) ที่ได้จะเป็นผลรวมของสัญญาณจาก
สารตัวอย่างกับสารมาตรฐานที่เติมลงไป
s s x x
t t
V C V C
S = +
V V
เขียนกราฟระหว่าง S กับ Vs จะได้กราฟเส้นตรง
s
t
C
slope, m =
V
x x
t
V C
intercept, b =
V
สารตัวอย่างที่ไม่ทราบความเข้มข้น (Cx)
สามารถหาความเข้มข้น
t
x x
t s
V
b V C
=
m V C
  
  
  

ผู้เขียนมีความตั้งใจอย่างมากที่จะเรียบเรียง
หนังสือเล่มนี้เพื่อให้เป็นส่วนหนึ่งของรากฐาน
ศาสตร์แห่งเคมีวิเคราะห์ และหวังเป็นอย่างยิ่งว่า
หนังสือเล่มนี้จะเป็นส่วนหนึ่งในการเพิ่มพู น
ความรู้ ความเข้าใจ และทักษะการคานวณเชิง
ปริมาณ สาหรับนิสิต นักศึกษา นักวิจัย และผู้ที่
สนใจสามารถประยุกต์ใช้ในการศึกษา การ
ประกอบวิชาชีพและการค้นคว้าวิจัยต่อไป
ผศ.ดร.วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ

AnalChem : Basic of Spectroscopy

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to AnalChem : Basic of Spectroscopy

Similar to AnalChem : Basic of Spectroscopy (20)

More from Dr.Woravith Chansuvarn

More from Dr.Woravith Chansuvarn (17)

AnalChem : Basic of Spectroscopy