Спектроскопия: анализ на светлинни спектри за идентификация на химикали
Спектроскопия — прецизен анализ на светлинни спектри за бърза идентификация на химикали, определяне на температура и изследване на молекули и субатомни частици.
Спектроскопията е изследване на светлината като функция на дължината на вълната, която е била излъчена, отразена или осветена през твърдо тяло, течност или газ. Чрез разделяне на светлината на отделните дължини на вълната се получава спектър — графика или изображение, което показва каква е интензивността при всяка дължина на вълната. Спектроскопията отделя и измерва яркостта на различните дължини на вълните и по това „образецът“ може да бъде идентифициран.
В практиката има различни начини за получаване на спектър. За да бъде анализиран, химикалът може да се нагрее, защото горещите неща светят, а всеки химикал свети по различен начин — това е принципът на емисионната спектроскопия. Важно е обаче да се отбележи, че нагряването не е задължително: при абсорбционната спектроскопия се използва външен източник на светлина, който преминава през пробата; веществото поглъща определени дължини на вълните и отпечатъкът на поглъщането също е характерен за веществото. Има и други методи, като флуоресцентна спектроскопия, раманова спектроскопия и инфрачервена спектроскопия, които използват различни процеси и диапазони от електромагнитния спектър.
Как спектроскопията идентифицира химикали
Различните дължини на вълните на светенето или поглъщането създават цветен спектър, който се различава в някои детайли от другите химикали. За атомите и простите йони спектрите са характерни с тесни линии (линейни спектри) — например натриевите D-лини или серията на водорода (Балмерови линии). Молекулите дават по-широки „ленти“ (бандови структури), защото включват въртене и вибрация. По моделите на линиите или лентите учените могат да определят кои елементи или молекули присъстват, както и тяхната концентрация, физично състояние и температура.
Инструменти и единици
За измерване и анализ на тези светлинни вълни се използват специални инструменти — спектрометри, спектрофотометри, спектрографи, монохроматори и детектори (напр. фотодиоди, CCD-матрици). Основните компоненти са източник на светлина, устройство за разделяне на лъчите (призма или дифракционна решетка) и детектор. Резултатът се дава в единици като дължина на вълната (нанометри, nm), честота (Hz) или вълново число (cm⁻¹).
Приложения
- Аналитична химия: идентификация на вещества в смеси, качествен и количествен анализ.
- Астрономия: определяне на химичния състав, температура и движение (чрез Доплерово изместване) на звезди и галактики.
- Медицина: диагностични методи (напр. пулсова оксиметрия, спектроскопия на тъкани).
- Околна среда и индустрия: следене на замърсители, контрол на процеси и качеството на продукти.
- Научни изследвания: изследване на молекули, слоести материали, субатомни частици и реакции.
- Криминалистика и реставрация: анализ на бои, мастила и материали.
Възможности и ограничения
Спектроскопията позволява на учените да изследват и проучват неща, които са твърде малки, за да бъдат видени с микроскоп, като молекули и още по-малки субатомни частици като протони, неутрони и електрони. Има специални инструменти за измерване и анализ на тези светлинни вълни. Точността на анализа зависи от разделителната способност на уреда, качеството на калибрацията и наличието на библиотека с референтни спектри.
Сред ограниченията са припокриване на спектрални линии в сложни смеси, чувствителност към шум и фонови сигнали, както и необходимост от подходяща подготовка на пробите. Въпреки това, при правилна методика и калибрация, спектроскопията е мощен и широко прилаган инструмент за идентификация и характеризиране на вещества.
Алкохолен пламък и неговият спектър
Методи
Инфрачервената спектроскопия измерва светлината в инфрачервения електромагнитен спектър. Най-важното при инфрачервената спектроскопия е, че тя е много полезна за определяне на функционалните групи на органичните молекули. Поглъщането на инфрачервената светлина от органичните молекули предизвиква молекулни вибрации. Вибрационните честоти са уникални за отделните функционални групи. Инфрачервеният спектър е представен графично чрез съотношението на пропускливостта (%) към броя на вълните (cm-1)
С рентгеновата кристалография може да се изследва структурата на кристална молекула. Електронният облак на всеки атом разсейва рентгеновите лъчи, като по този начин разкрива позициите на атомите. Различни неорганични и органични молекули могат да бъдат кристализирани и използвани при този метод, включително ДНК, протеини, соли и метали. Пробата, използвана за анализ, не се разрушава.
Ултравиолетово-видимката спектроскопия използва видима и ултравиолетова светлина, за да установи какво количество от даден химикал се съдържа в течността. Цветът на разтвора е в основата на работата на ултравиолетовата спектроскопия. Цветът на разтвора, с който работим, е оцветен заради химичния му състав. Така че разтворът поглъща някои цветове светлина и отразява други цветове, а светлината, която отразява, е цветът на разтвора. UV-Vis спектроскопията работи чрез пропускане на светлина през проба от вашия разтвор, след което се определя колко светлина се поглъща от разтвора.
Ядреномагнитният резонанс може да разглежда ядрата. При него се използват магнитните свойства на някои ядра, като най-често срещаните са 13C и1 H. Уредът за ЯМР генерира голямо магнитно поле, което кара ядрата да действат като малки магнити. Ядрата се подреждат или в съответствие с магнитното поле на инструмента, или срещу него. В този момент имаме две възможни ориентации, в които ядрата могат да бъдат в α или β. След това ядрата се излагат на радиовълни, които карат α да премине в β ориентация. При тази промяна се отделя енергия, която се открива. Данните се интерпретират графично (интензитет спрямо химични измествания в ppm) с помощта на компютърна система. ЯМР не разрушава пробата, която използвате за анализ. По-долу е показана 900 MHz ЯМР система.
Свързани страници
- Абсорбционна спектроскопия
- Астрономическа спектроскопия
- Спектроскопия в областта на времето
- Електронна спектроскопия на Оже
Въпроси и отговори
В: Какво представлява спектроскопията?
О: Спектроскопията е изследване на светлината като функция на дължината на вълната, която е била излъчена, отразена или осветена през твърдо тяло, течност или газ.
В: Защо химиците нагряват химикала по време на спектроскопията?
О: Всеки химикал свети по различен начин при нагряване, а спектроскопията анализира светенето на химикала, за да определи цветовия му спектър с дължина на вълната, който се различава от другите.
В: Как спектроскопията разграничава различните химикали?
О: Спектроскопията разделя и измерва яркостта на различните дължини на вълните на светене на химикалите.
В: Какво може да определи спектроскопията в допълнение към идентифицирането на химикали?
О: Спектроскопията може да определи колко горещо е анализираното нещо.
В: Каква е ползата от спектроскопията?
О: Спектроскопията позволява на учените да изследват и проучват неща, които са твърде малки, за да бъдат видени с микроскоп, като молекули и субатомни частици.
В: Какво е необходимо за измерване и анализ на светлинните вълни в спектроскопията?
О: За измерване и анализ на светлинните вълни в спектроскопията са необходими специални инструменти.
В: Кои са някои примери за субатомни частици, които могат да бъдат изследвани чрез спектроскопия?
О: Субатомни частици като протони, неутрони и електрони могат да бъдат изследвани чрез спектроскопия.
обискирам