Chương 2 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (Molecular Absorption Spectrometry) 64P

1. Chương 2
Phương pháp phổ hấp thụ
phân tử
(Molecular Absorption Spectrometry)

2. 2
2.1. Sự hình thành phổ phân tử
Sự hấp thụ bxđt và sự hình thành các loại phổ hấp thụ phân
tử
Năng lượng phân tử được lưu giữ có thể coi là tống năng
lượng lưu trữ của ba dạng:
- Quay
- Dao động
- Điện tử
E thấp + hν = Ecao
Phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong khoảng thời
gian rất ngắn (10-6-10-9s) và quay trở lại trạng thái cơ bản.

3. Sự thay đổi trạng thái lượng tử của phân tử sẽ dẫn đến sự
biến thiên năng lượng ΔE của phân từ tuân theo định luật
Planck.
ΔE = Ecao – E thấp = hν (2-1)
Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay,
dao động và điện tử nên:
ΔE = ΔEquay + ΔEdao động+ ΔEđiện tử (2-2)

4. 4
QuayDao động
Điện tử
200 (nm) 400 (nm) 800 (nm)

5. Four types of transitions are possible:
σ σ*, n σ*, n π*, and π π*

6. 6
Quá trình phát xạ (Emission) là quá trình một phân tử
chuyển trạng thái lượng tử cao hơn sang thấp hơn và thoát
ra một photon.
Quá trình hấp thụ (Absorption) là một quá trình một phân tử
chuyển từ trạng thái lượng tử thấp hơn sang cao hơn và
hấp thụ một photon.
(Trạng thái
kích thích)
(Trạng thái
cơ bản)
Năng
lượng

7. 7
Sự thay đổi trạng thái lượng tử của phân tử sẽ dẫn đến sự
biến thiên năng lượng ΔE của phân từ tuân theo định luật
Planck.
ΔE = Ecao – E thấp = hν = hc/λ (2-1)
Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay,
dao động và điện tử nên:
ΔE = ΔEquay + ΔEdao động+ ΔEđiện tử (2-2)
ULTRAVIOLET/VISIBLE MOLECULAR
ABSORPTION SPECTROMETRY
(Phương pháp đo quang, UV-VIS)

8. 8
Sự hấp thụ bức xạ điện từ
Bức xạ truyền qua; I ; λBức xạ tới
Io; λ
Phản xạ
Khúc xạ
Dung dịch nghiên
cứu

9. 9
9
Độ truyền quang T: (2-3)
T nằm trong khoảng (0-1).
Phần trăm truyền quang: 100T %,
Thay đổi tương ứng từ 0-100%.

10. 10
(2-4)
Nếu ánh sáng không bị hấp thụ, I = Io và A = 0
Nếu 90% ánh sáng bị hấp thụ, 10% đã được truyền
quang, A = 1
Nếu chỉ có 1% ánh sáng được truyền quang, A = 2
(Độ hấp thụ A đôi khi còn gọi là mật độ quang,optical
density)
Độ hấp thụ (absorbance)

11. 11
Phổ hấp thụ

12. 12
σ σ* Transition
 The energy required to induce a σ σ* transition is
large.
 Methane and alkane can undergo only σ σ*
transitions, exhibits an absorption maximum at 125
nm.
 Absorption maxima due to σσ* transitions are
never observed in the ordinarily accessible ultraviolet
region.

13. 13
n σ* Transitions
 Saturated compounds containing atoms with unshared
electrons are capable of n σ* transitions.
 Transitions require less energy than the σ σ* type and can
be brought about by radiation in the region of between 150
and 250 nm, with most absorption peaks appearing below 200
nm.
 The molar absorptivities are low to intermediate in magnitude
and range between 100 and 3000 L cm-1 mol -1.

14. 14
Sự hấp thụ của các hợp chất hữu cơ chứa electron
không liên kết

15. 15
n π* and π π* Transitions
 Transitions for n or π electrons to the π* excited required the
energies that bring the absorption peaks into an experimentally
convenient spectral region (200 to 700 nm).
 Both transitions require the presence of an unsaturated
functional group to provide the π orbitals.
 Molar absorbtivities from n π* transitions are relatively low,
and range from 10 to100 L mol-1 cm-1
 ππ* transitions normally give molar absorbtivities between
1000 and 10,000 L mol-1 cm-1

16. 16
The solvent in which the absorbing species is dissolved also has an
effect on the spectrum of the species. Peaks resulting from n π*
transitions are shifted to shorter wavelengths (blue shift) with
increasing solvent polarity. This arises from increased solvation of
the lone pair, which lowers the energy of the n orbital. Often (but not
always), the reverse (i.e. red shift) is seen for ππ* transitions. This is
caused by attractive polarisation forces between the solvent and the
absorber, which lower the energy levels of both the excited and
unexcited states. This effect is greater for the excited state, and so
the energy difference between the excited and unexcited states is
slightly reduced - resulting in a small red shift. This effect also
influences n π* transitions but is overshadowed by the blue shift
resulting from solvation of lone pairs.

17. 17
Sự hấp thụ của một số hợp chất hữu cơ

18. 18

19. 19
2.2. ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ HẤP THỤ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER
(2-5)
A: Độ hấp thụ (không thứ nguyên)
C: Nồng độ của mẫu (mol/l)
b (L): Chiều dày của cuvet đựng mẫu (cm)
ε: độ hấp thụ mol (hay còn gọi là hệ số tắt phân tử)
(M-1cm-1)
Câu hỏi: Nêu ý nghĩa vật lý của ε

20. 20
Trong phân tích đo quang, với dung dịch phân tích xác
định, bước sóng tia tới là đơn sắc thì ε là xác định,
người ta luôn có thể chọn b xác định nên định luật hấp
thụ ánh sáng có thể viết dưới dạng:
A = KC với K= εb = const (2-6)
Phương pháp phân tích đo quang định lượng được đặt
trên cơ sở phương trình (2-6)

21. 21
A = KC
Phương pháp đường chuẩn xác định hệ số góc K
Nồng độ C1 C2 …………… Cn
Độ hấp thụ A1 A2 ……………. An
K= ?
Ax Cx

22. 22
Ví dụ: Tìm độ hấp thụ và truyền quang của dung dịch
0,00240 M có độ hấp thụ mol ε = 313
M –1cm –1, với bề dày cuvet là b = 1,00 cm
Giải
Theo (2-5) ta có:
Độ hấp thụ:
A = εbC = 313 M –1cm –1 x 1,00 cm x 0,00240M = 0,751
Độ truyền quang T = 10 –A = 10 –0,751 = 0,177
→ có 17,7% ánh sáng truyền qua dung dịch (ánh sáng
ló)

23. 23
Tính chất cộng tính của độ hấp thụ quang
Giả sử chúng ta chiếu liên tiếp một chùm tia sáng đơn
sắc qua hai dung dịch có nồng độ lần lượt là C1 và C2,
độ hấp thụ mol tương ứng là ε1 và ε2.
C1 C2
Io
I1 I2
(2-9)
Tổng quát

24. 24
Nếu một dung dịch gồm chất nghiên cứu và tạp chất
thì độ hấp thụ:
Adung dịch = Anghiên cứu + Anền
Trong phân tích đo quang chúng ta chuẩn bị dung
dịch trống chứa các tạp chất, có nghĩa là:
Atrống = Anền (do không có mặt ion cần xác định)
Và Anghiên cứu = Adung dịch - Atrống
Như vậy, trong phân tích đo quang bằng việc sử dụng dung
dịch trống, giá trị A đo được sẽ phản ánh đúng nồng độ chất
nghiên cứu, nói cách khác phương trình (2-6) được tuân theo
chặt chẽ.

25. 25
an acid base indicator when dissolved in water will
partially dissociate according to its acid dissociation
constant:

26. 26

27. 27

28. 28
Các yếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer
1. Tính đơn sắc của ánh sáng tới.
2. Điều kiện hóa lý của dung dịch nghiên cứu.
Ví dụ: phức Fe3+ với axit sunphosalyxylic tùy thuộc
pH mà tạo phức có miền phổ hấp thụ khác nhau.
[Fe(Sal)]+ ở pH = 1,8-2,5 λmax = 506 nm
[Fe(Sal)2]- ở pH = 4-8 λmax = 470 nm
[Fe(Sal)3]3- ở pH = 8-11 λmax = 420 nm
axit sunphosalyxylic (H2Sal)
O
HO
S
O
O
OH
HO

29. 29
Phổ hấp phổ hấp thụ của phức Fe3+ ở các miền pH khác nhau

30. 30

31. 31

32. 32

33. 33
2.3. Các thủ tục thực nghiệm trong phân tích đo
quang
Phương pháp đường chuẩn
y = 1,4963x
R² = 1
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450
A
C, mg/l

34. 34
Chúng ta đo độ hấp thụ Ax của dung dịch mẫu nghiên
cứu có nồng độ Cx và độ hấp thụ Ac dung dịch chuẩn Cc.
Do có cùng hệ số góc K nên:

35. 35
Phương pháp thêm tiêu chuẩn
Mối quan hệ giữa các số liệu rời rạc là mối quan hệ
tuyến tính.
Hồi qui các số liệu rời rạc về phương trình bậc nhất, từ
đó cho phép chúng ta tính được hệ số góc K.
Để phép đo có độ tin cậy cao, thường người ta chọn
nồng độ C1 có nồng độ gần bằng Cx.

36. 36

37. 37
Phương pháp đo quang vi sai
Khi dung dịch phân tích có nồng độ lớn (giá trị A sẽ
rất lớn), người ta sử dụng phương pháp đo quang vi
sai nhằm làm giảm giá trị đo A với việc sử dụng dung
dịch trống chứa chất cần phân tích đã biết nồng độ, vì
khi đó giá trị đo được sẽ nằm trong khoảng tuyến
tính, tức là hệ thức (2-5) luôn đúng.

38. 38
Phương pháp tính

39. 39
Phương pháp đồ thị

40. 40
2.5. Thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử
Sơ đồ thiết bị
Nguồn
sáng
Bộ tán
sắc
Khuếch đại
Máy tính
(hiển thị và
điều khiển)
So sánh

41. 41
NGUỒN SÁNG
Các loại đèn H2 và D2 cho ánh sáng với bước sóng từ
160-380 nm
Đèn Đơtơri (a) và phổ phát xạ của nó (b)

42. 42
Đèn sợi đốt vonfram cho ánh sáng từ miền 350-2200 nm
Đèn sợi đốt vonfram (a) và phổ phát xạ của nó (b)

43. 43
Thiết bị UV-VIS có hai đèn: Đơtơri và vonfram

44. 44
Bộ tán sắc
Các thiết bị phân tích quang học thường cần đến bộ
tán sắc giúp việc phân chia ánh sáng thành ánh sáng
đơn sắc, nó được sử dụng để chất phân tích hấp thụ
hay phát xạ.
- Nâng cao cả độ nhạy và độ chọn lọc
- Tăng tính đúng đắn của phương trình toán học của
định luật Lambert-Beer.

45. 45
Đầu ra của một bộ tán sắc
Độ rộng hiệu quả của đám hay còn
gọi là độ đơn sắc được định nghĩa là
độ rộng của đám phổ ở chiều cao ½
của chiều cao pic. Độ đơn sắc của
bộ tán sắc thay đổi rất lớn đối với
các bộ tán sắc khác khau. Ví dụ, bộ
tán sắc có chất lượng cao cho miền
trông thấy có thể cho độ đơn sắc
nhỏ hơn 1/10 nm, trong khi đó các
bộ lọc trong vùng trông thấy có thể
cho độ đơn sắc tới 200 nm hay lớn
hơn.

46. 46
Cách tử: Hầu hết bộ tán sắc trong các thiết bị phân tích hiện đại
là các bản sao cách tử, nhận được bằng cách đúc từ cách tử chủ.
Cách tử chủ là một kính phẳng, được đánh bóng bề mặt và được
chia vạch bằng kim cương. Mặt cắt đứng được phóng đại ở hình
vẽ chỉ cho ta thấy một vài rãnh. Một cách tử sử dụng cho miền tử
ngoại và trông thấy thường chứa từ 300-2000 rãnh/mm.
Cách tử được phủ lớp nhôm để nó có thể phản xạ. Một lớp mỏng
SiO2 trên bề mặt nhôm để bảo vệ kim loại khỏi bị oxy hóa, điều này
có thể làm giảm khả năng phản xạ của nó. Khi ánh sáng được
phản xạ từ cách tử, mỗi một rãnh hoạt động như một nguồn bức
xạ. Khi các tia sáng liền kề nhau trong cùng pha, chúng tăng
cường lẫn nhau, và khi chúng không cùng một pha, chúng môt
phần hoặc toàn bộ triệt tiêu nhau

47. 47
Sự giao thoa với các song liền kề (a): cùng pha 0°, (b) 90° và (c)180° lệch pha

48. 48
Theo nguyên lý của hiện tượng giao thoa ánh
sáng, các cực đại sáng (constructive interference) chỉ
được thấy tại những phương mà hiệu quang trình của
hai tia bằng nhau và bằng số nguyên lần bước sóng
(nλ).
nλ = a-b
Trong đó n = ±1, ±2, ±3, … Khi n = ±1 gọi là nhiễu xạ
bậc nhất (first-order diffraction), khi n = ±2 gọi là nhiễu
xạ bậc 2 (second-order diffraction)

49. 49
Nguyên lý nhiễu xạ từ một loại cách tử

50. 50
Điều kiện để có cực đại sáng:
nλ = a – b = d(sinθ +sinΦ)
Ở đây, d là khoảng cách giữa hai vạch liền kề. Ứng với mỗi một góc tới
θ, có hàng loạt góc phản xạ, trong đó Φ là góc ở bước sóng xác định sẽ
tạo ra cực đại sáng.
Độ phân giải: đo khả năng tách hai pic ở gần nhau. Độ phân giải càng
cao thì sự khác nhau giữa hai bước sóng ∆λ có thể phân biệt được càng
nhỏ. Độ phân giải của cách tử:
ở đây, λ là bước sóng, n là bậc nhiễu xạ, N là số vạch trên cách tử nhiễu
xạ được chiếu sáng.
Phương trình trên chỉ ra rằng, nếu chúng ta thiết kế với độ phân giải là
104 với bậc nhiễu xạ bậc nhất, nhất thiết phải có 104 vạch ở trên cách tử.
Nếu cách tử có độ dài 10cm, cách tử phải có số vạch 103 vạch/cm.

51. 51
Cuvet đựng mẫu
Các loại cuvet đựng mẫu

52. 52
Detector
Các tính chất của bộ chuyển đổi tín hiệu bức xạ điện
từ:
- Phản hồi nhanh chóng với các với các bức xạ có năng
lượng thấp và trên một miền bước sóng rộng.
- Tạo ra tín hiệu điện để có thể dễ dàng khuếch đại và
có độ nhiễu thấp.
- Tín hiệu được tạo ra bởi đầu dò tỉ lệ thuận với cường
độ của tín hiệu của đầu vào

53. 53
Ống quang và các phụ kiện
Mặt lõm của catot được phủ
một lớp vật liệu quang điện
Số electron được đẩy ra từ
bề mặt của quang điện tỉ lệ
thuận với bức xạ tia tới tấn
công bề mặt này. Với điện
áp khoảng 90V, các electron
này có thể tới được anot và
cho một dòng tỉ lệ thuận với
cường độ tia tới.
ống quang (phototubes)
làm việc trong miền từ
150-1000 nm

54. 54
Phân tích các chất trong hỗn hợp
Câu hỏi: Độ hấp thụ A của 1 dd X và Y nguyên chất và hỗn hợp
(X+Y) với cuvet có bề dày b= 1,00 cm tại 1 bước sóng λ= 420 nm
và 505 nm có các giá trị là :

55. 55
Giải

56. 56
Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng
phương pháp dãy đồng phân tử gam (phương pháp
biến thiên liên tục; Continuous Variation)
M + nX ⇌ MXn
Điều kiện:
M và X không hấp thụ ánh sáng ỏ bước sóng λmax
của MXn
Trong quá tình tạo phức chỉ tạo một loại phức
Không có phản ứng phụ
Xác định thành phần phức: n

57. 57
Pha một loạt dung dịch trong đó tổng nồng độ M và X không đổi
nhưng tỷ lệ thì thay đổi
CM + Cx = Co
Cx = f.Co
CM = Co - Cx = (1-f).Co
n = f/(1-f)
Cho f biến thiên từ 0 đến 1
Ứng với A dung dịch đạt cực đại sẽ là nồng độ
cực đại của phức. Khi đó tì được f và n.
Nếu f = 0,667 → n = 0,667/0,333 = 2
Nếu f = 0,5 → n = 0,5/0,5 = 1
Nếu f = 0,333 → n = 0,333/0,667= 1/2

58. 58

59. 59
Các điều lưu ý khi sử dụng phương pháp biến thiên liên tục:
- Đảm bảo tính đúng đắn của định luật Lambert-Beer.
- Giữ lực ion không đổi và pH ổn định (có thể sử dụng dung dịch
đệm).
- Đo ở nhiều hơn một bước sóng tia tới; cực đại hấp thụ xảy ra ở
cùng phần mol cho mỗi bước sóng.
- Làm thí nghiệm với tổng nồng độ Me + R khác nhau.

60. 60
Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng
phương pháp đường cong bão hòa
o Chuẩn bị một loạt dung dịch chứa nồng độ ion kim loại cố định
còn nồng độ X (Cx) tăng liên tục → CX/CM tăng liên tục
o Đo độ hấp thụ quang và vẽ đồ thị quan hệ A-CX/CM
o Đểm uốn trên đồ thị ứng với n=CX/CM
CM 2 2 2 2 2 2 2 2
CX 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 …….
A
CX /CM
n = ?

61. 61
Đường cong bão hòa cho
phức 1:1 và 1;2. Phức 1:2 bền
hơn, được chỉ ra bởi độ cong
ít hơn gần hệ số tỉ lượng

62. 62
Bài tập
Câu 1. Độ hấp thụ A của dung dịch X và Y nguyên chất và hỗn hợp
X+Y với cuvet có bề dày 1,00 cm tại hai bước sóng 410 nm và 510
nm có các giá trị như ở bảng dưới đây
Chất Nồng độ A (tại 410 nm) A (tại 510 nm)
X 2,00×10-4M 0,842 0,200
Y 3,00×10-4M 0,326 1,061
X+Y (Cx+Cy) 0,630 0,958
Tính nồng độ X và Y trong hỗn hợp
ĐS. Cx = 8,6×10–5 ( M); Cy = 2,47×10–4 ( M)

63. 63
Câu 2. Độ hấp thụ mol của một đơn axit yếu HInd (Ka = 1.42×10–5)
và bazơ yếu liên hợp của nó là Ind– ở bước sóng 430 và 570 nm
được xác định bằng cách đo trong môi trường axit mạnh và bazơ
mạnh (ở đó toàn bộ chất chỉ thị tương ứng ở dạng HInd và Ind–).
Kết quả thu được cho ở bảng dưới đây:
ε430 (M–1cm–1) ε570 (M–1cm–1)
HInd 6,30×102 7,12×103
Ind- 2,06×104 9,61×102
Một dung dịch (không được đệm để giữ ổn định pH) có tổng nồng
độ chất chỉ thị là: 2×10–5 M. Hãy tính nồng độ mol/l của
[HInd], [Ind–] và độ hấp thụ A430, A570 biết bề dày của cuvet b =
1,00 cm.
ĐS. [Ind–] = 1,12×10–5 M; [Hind] = 0,88×10–5 M; A430 = 0,236; A570 =
0,073

64. 64
1. Trình bày định luật Lambert-Beer, định luật cơ bản về hấp thụ bức xạ điện từ, trong phương
pháp phổ hấp thụ phân tử UV-VIS. (Nêu biểu thức toán học, chứng minh định luật, ý nghĩa vật
lý của độ hấp thụ mol, nêu điều kiện để hệ thức của định luật đúng)
2. Nêu biểu thức toán học định luật Lambert- Beer trong phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-
VIS. Phổ UV-VIS là kỹ thuật phổ được áp dụng khi phân tích các hợp chất có nồng độ thấp, ở
đó môi tương quan giữa tín hiệu đo được và nồng độ của chất phân tích là mối quan hệ tuyến
tính. Hãy nêu cách sử dụng kỹ thuật này cho phân tích định lượng (phương pháp đường
chuẩn, thêm chuẩn và phương pháp tính, vẽ đồ thị minh họa).
3. Thế nào là phổ hấp thụ? Tại sao trong phân tích đo quang người ta thường chọn λmax là
bước sóng tia tới?
4. Nêu tính chất cộng tính của độ hấp thụ. Nêu vai trò của dung dịch trống trong phân tích đo
quang?
5. Trình bày cấu tạo và cơ chế hoạt động của detector ống quang. Các yêu cầu của bộ chuyển
đổi tín hiệu bức xạ điện từ.
6. Trình bày cấu tạo vào cơ chế hoạt động của detector nhân quang điện.
7. Nêu các bước chuyển điện tử của phân tử và bước sóng cực đại tương ứng trên của phổ
hấp thụ.
Câu hỏi