PHÂN TÍCH TRẮC QUANG TS NGUYỄN THỊ THANH MAI

PHAÂN TÍCH TRẮC QUANG TS. NGUYỄN THỊ THANH MAI

1. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP Là phương pháp phân tích định lượng các chất dựa trên phổ hấp thu phân tử.

1.1. Nguyên tắc Chiếu một chùm bức xạ vào vật thể hấp thu. Dựa vào phần ánh sáng bị hấp thu bởi vật chất mà suy ra hàm lượng của chất đó.

Io I

PP phân tích trắc quang dùng để xác định hàm lượng vết (~ 10-7 %)

1

1.2. Màu sắc và phổ hấp thu E = h =

Sóng

Ánh sáng:

Hạt

hc

: Bước sóng : Tần số



1.2.1. Những vùng phổ của sóng điện từ 10-2 Ao

10-1 Ao

-rays

800 nm 1 mm

200 nm

X-rays

UV

IR

1m

Microwave

1 km

Radio

Visible 400 – 800 nm

 Ánh sáng tử ngoại (UV): 180 – 400 nm  Ánh sáng khả kiến (VIS): 400 – 800 nm

1.2.2. Màu sắc trong vùng ánh sáng khả kiến

 Violet:

400 - 420 nm

 Yellow: 570 - 585 nm

 Indigo:

420 - 440 nm

 Orange: 585 - 620 nm

 Blue:

440 - 490 nm

 Red:

 Green:

490 - 570 nm

620 - 780 nm

2

1.2.3. Các màu sắc phụ họa nhau

 (nm) Màu bị hấp thu

Màu phụ (màu thấy được)

400

450

480

Tím

Chàm

Lục vàng

Vàng

490

500

Chàm Lục lục chàm

Cam

Đỏ

560

Lục

Đỏ hồng

585

590

605

750

Lục Vàng vàng

Cam

Tím

Chàm Lục lục chàm

Chàm

Đỏ

1.2.4. Phổ hấp thu trong vùng UV-VIS Khi phân tử hấp thu bức xạ tử ngoại hay khả kiến, các e hóa trị sẽ bị kích thích và chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích

E1

E1

h

Eo

Eo Eo: Trạng thái cơ bản E1: Trạng thái kích thích ΔE = E1 – Eo = h =

hc



Mỗi phân tử có nhiều mức năng lượng nhưng chỉ có vài bước chuyển dời thấy được

Mật độ quang (A)

1.2 0.8 0.4 0 180

280

380

480

580

 max (nm)

3

 Các kiểu chuyển mức electron

* (VĐ phản liên kết) NĂNG LƯỢNG

n → *

ΔE =

n → *

* (VĐ phản liên kết)

 → *  → *

 → *

n

(VĐ không liên kết)



(VĐ liên kết)



(VĐ liên kết)

 → *

hc







alkan





carbonyl





Hợp chất chưa no

n



O, N, S, halogen

n



carbonyl

max <150 nm max <150 nm max: 200 – 600 nm max: 150 – 250 nm max: 200 – 600 nm

 Độ dài của bước sóng hấp thu phụ thuộc vào độ dài của hệ thống  liên hợp.

max = 176nm

max = 180nm

max = 223nm

max = 258nm

 Màu sắc của các chất phụ thuộc vào các nhóm mang màu trong phân tử.

lycopene, max = 474 nm O H N N H O

indigo

max = 602 nm

4

 Nếu cấu trúc phân tử phân cực thì càng dễ chuyển sang trạng thái kích thích, màu càng đậm.

O2N

OH

O-

O2N

p-Nitrophenol Không màu

p-Nitrophenol Vàng

1.2.5. Nguyên tắc của thiết bị đo quang

Ipc

Itx Idm mẫu

Io Io

Ipc

detector

IX = I' - I

Itx mẫu trắng

Io

I

IX

Idm

I'

detector

5

Spectrophotometer UV-1800 Shimadzu

2. ĐỊNH LUẬT LAMBERT - BEER Io

A = lg

I

Io =lC I

A: Độ hấp thu/ Mật độ quang

l: Chiều dày cuvet (cm)

: Hệ số hấp thu (L.mg-1.cm-1)/

Io: Cường độ ánh sáng ban đầu

hệ số hấp thu phân tử (L.mol-1.cm -1)

I: Cường độ ánh sáng đi ra

C. Nồng độ dung dịch (mg/L; mol/L)

 thể hiện:

 Bước chuyển e từ dưới lên trên (bước nhảy càng dễ thì ε càng lớn).  Độ nhạy của phương pháp ( càng lớn thì hấp thu càng mạnh)

 phụ thuộc:

Bản chất chất nghiên cứu Bước sóng bức xạ

ε

= 103 ÷ 7×104: sử dụng trong PTTQ

6

Độ truyền qua: T =

I 100 Io

Mối liên hệ giữa A và T: T=

I 100 = 10- l C.100 = 10-A. 100 Io A = 2 - lgT

 Nếu chất nghiên cứu không hấp thu bức xạ: I = Io

T = 100

A=0

 Nếu chất nghiên cứu hấp thu hoàn toàn bức xạ: I=0

T=0

A=

Vậy A có giá trị từ 0 - 

3. ỨNG DỤNG CỦA ĐỊNH LUẬT LAMBERT - BEER 3.1. Đối với 1 chất nghiên cứu Đo mật độ quang A của chất nghiên cứu tại bước sóng max.

Các phương pháp xác định nồng độ: a. Phương pháp xác định trực tiếp Dùng dung dịch chuẩn của chất nghiên cứu để xác định , áp dụng định luật Lambert-Beer: A = lC để tính nồng độ chất đó.

7

Ví dụ: Hãy tính hàm lượng (mg/L) Fe2+ có trong 20mL nước uống bằng phương pháp phân tích trắc quang với thuốc thử 1, 10phenantrolin. Biết rằng, lấy 20mL mẫu nước này pha loãng thành 100mL, lấy 10mL mẫu sau pha loãng rồi thêm thuốc thử vào rồi định mức thành 50mL và đem đo quang ở bước sóng 510nm, trong cuvet 2 cm với A = 0.085. Biết rằng một dung dịch chuẩn chứa 5.3610-6 M phức Fe-Phen (tỉ lệ 1:1) có A = 0.119 đo cùng bước sóng và chiều dày cuvet.

Tính  của phức Fe-phen từ dung dịch chuẩn:  = A = 0.119 -6 = 1.11104 L.mol-1.cm-1 lC 25.3610 CFe trong 50 mL mẫu :

C=

A

l

=

0.085 21.1104

= 3.8310-6 M

Tính hàm lượng Fe2+ có trong 20mL mẫu ban đầu: 100 m = 3.8310-656  1000 = 2.145 mg/L 10

b. Phương pháp so sánh Đo mật độ quang dung dịch chất xác định và 1 hoặc 2 dung dịch chuẩn của chất đó. Áp dụng công thức để tính nồng độ chất đó.

 Khi sử dụng 1 dung dịch chuẩn:

CX =

AX CC AC

AX, AC: Mật độ quang của dung dịch xác định và dung dịch chuẩn CX, CC: Nồng độ của dung dịch xác định và dung dịch chuẩn  Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn: CX = C1 +

(C2 – C1) (A2 – A1)

(AX – A1)

Chọn 2 dung dịch chuẩn sao cho A1 < AX< A2

8

c. Phương pháp đường chuẩn Dùng dung dịch chuẩn của chất nghiên cứu ở các nồng độ khác nhau để dựng đường thẳng tuyến tính A (C). Từ A đo được của chất nghiên cứu, dựa vào đường chuẩn suy ra nồng độ chất đó.

0.8

y = 0.735x + 0.001

A 0.6

2

R = 0.9991

0.4

AX

0.2 0 0

0.2

0.4 CX 0.6

0.8

1

C (mg/L)

PP này có độ chính xác cao vì sử dụng nhiều dung dịch chuẩn

Điều kiện:  Cần có từ 5 dung dịch chuẩn trở lên  Đường chuẩn phải tuân theo định luật Lambert-Beer

4. NGUYÊN NHÂN LÀM SAI LỆCH ĐỊNH LUẬT BEER 0.8

A

0.6 0.4

Khoảng tuyến tính: 0.1 – 0.8 mg/mL 0.2 0 0

0.4

0.8

1.2

1.6

C (mg/L)

Mức độ đơn sắc của ánh sáng đến Nguyên nhân:

Nồng độ dung dịch pH, lực ion, …

9

4. TÍNH CỘNG CỦA MẬT ĐỘ QUANG Nếu trong các cấu tử trong cùng dung dịch đều có khả năng hấp thu dòng ánh sáng đơn sắc chiếu vào thì giá trị A đo được sẽ là A tổng cộng của các cấu tử.

Io

1C1 2C2

I

A = lg

Io = l(1C1 + 2C2) I

 Dung dịch chỉ có X trong dung môi

Io

I

Ta có: A = AX + Adm

AX = A - Adm

X

dm

0.85

A

AX Adm

0.65

Chọn max của dung môi cách xa max của X

0.45 0.25 0.05 200

300

400

500

600

 (nm)

 Bảng bước sóng hấp thu của một số dung môi

Dung môi

 max

acetonitrile

190

chloroform

240

cyclohexane

195

1,4-dioxane

215

95% ethanol

205

n-hexane

201

methanol

205

isooctane

195

water

190

10

5. NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG DÙNG TRONG PP PTTQ Chủ yếu sử dụng các phản ứng tạo phức chất có màu để định lượng các anion/ cation kim loại.

5.1. Nguyên nhân dẫn đến phổ hấp thu UV-VIS của phức chất  Các bước chuyển kèm theo chuyển điện tích với sự chuyển e từ ligand đến ion kim loại hoặc ngược lại.  Các kim loại chuyển tiếp có chuyển mức d-d (do các phân mức d bị tách ra bởi trường phối tử).  Các chuyển mức e thuộc các nhóm mang màu của ligand.

5.2. Yêu cầu của một phản ứng dùng trong PP PTTQ M

+

L

ML

 Phức chất phải có độ bền cao (  > 108) để đảm bảo các ion kim loại đi vào trong phức.  Phức chất phải có  lớn.  Phức chất phải có thành phần xác định.

Ví dụ: Ion Fe3+ tạo được các phức màu có thành phần khác nhau với acid salicylic (H2Sal) tùy thuộc vào pH môi trường. pH

Màu

Fe3+ + Sal2-

FeSal+

Fe3+ + 2Sal2-

FeSal2- 4.0 – 8.0

Fe3+ + 3Sal2-

FeSal33- 8.0 – 11.0 Vàng

1.8 – 2.5

Tím đỏ Đỏ cam

 lớn nhất  max = 416 nm

11

5.3. Các bước tiến hành

A

1) Quét phổ hấp thu phức chất để tìm max

0.85

 max

0.65 0.45 0.25 0.05 180

280

 (nm)

380

2) Tìm thứ tự thêm thuốc thử, thời gian, nhiệt độ phản ứng 3) Tìm khoảng pH thích hợp

A

(1): phức bền trong mt acid, kém bền trong mt baz

1 2 3

(2): phức bền trong mt baz, kém bền trong mt acid

pH

(3): phức kém bền trong mt acid lẫn baz

[R], [M] = const, thay đổi pH

4) Tìm lượng thuốc thử thích hợp ([R] > [M]) A

CR

CR

5) Dựng đường chuẩn A (CM) A

0.8

y = 0.735x + 0.001 2

R = 0.9991

0.6 0.4 0.2 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 (nm)

12

6. SƠ ĐỒ MÁY ĐO QUANG Nguồn bức xạ

UV: Đèn H2; Hg VIS: Đèn W Kính lọc: Vẫn còn ánh sáng đa sắc

Bộ đơn sắc

Lăng kính: UV (thạch anh); VIS (thủy tinh) Cách tử: Màng Al UV: Cuvet thạch anh

Hộc đựng mẫu

VIS: Cuvet thủy tinh; PE Bộ thu bức xạ

Bộ phát tín hiệu

HỘC ĐỰNG MẪU (Sample cell, cuvette)

13

7. ỨNG DỤNG CỦA PP PHÂN TÍCH TRẮC QUANG Phân tích các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong các lĩnh vực:  Môi trường  Thực phẩm  Dược phẩm  Mỹ phẩm  Y học  Nông nghiệp  Công nghiệp

Một số phản ứng định lượng dùng trong PP phân tích trắc quang 2+

(1)

Fe2+ +

Fe N

N

N

max: 508 nm

1,10-phenantrolin

(2)

HO3S

3

N

NH2 + NO2-

HCl

HO3S

Acid sulfanilic

N N

NH2

-Naphtylamin HO3S

N N

NH2

max: 520 nm

14

(3)

Ti4+

+

[TiO(H2O2)2]2+

H2O2

max: 410 nm

(4) NH4+ + 2HgI42- + OH-

[HgO(Hg(NH2)I] + 7I- + 3H2O max: 410 nm

H N N C6H5

(5) HS C

H N N C6H5 + Pb2+

Pb S

C

N N C6H5

N N C6H5 2

Dithizon

max: 540 nm

max: 610 nm

(6)

HO

C C C C C C C H H H H H O OH

H3CO

+ 2H+

OH OCH3

Curcumin

+ B3+

[B(curcumin)2]+

max: 540 nm

(7) HO

OH + Al3+

HOOC

C

COOH

Al(aluminon)3

max: 515 nm

COOH O

Aluminon

(8) H3C

C

C

CH3 + Ni2+

NOH

NOH

Dimetylglyoxim

C CH3 Ni H3C C NOH NOH 2

max: 543 nm

15

(9): Xác định hoạt tính chống oxi hóa NO2 O2N

C2H5OH

N N

O2N

X

max: 520 nm NO2

NO2 H N N

Phenolic

NO2

Diphenylpicrylhydrazyl

max: 520 nm

(10): Kiểm tra hàm lượng acid uric trong máu để chẩn đoán bệnh gút Food containing purine (meats, sea foods, beans, etc.)

O

O Xanthine oxidase

N

HN N

N H

HN O

Hypoxanthine

O Xanthine oxidase

N N H

HN

N H

O

Xanthine

H N O

N H

N H

Uric acid

max: 290 nm

Bài tập 1. Có thể phân biệt các hợp chất sau bằng phổ UV không?

CH3

CH2CH3 O

(a)

H3C

O

O

O

(b) CH3

O

H3C

CH3

CH3

O CH3

CH3

CH3

(c)

16

2. Khi cho amin (RNH2) phản ứng với acid picric (2,4,6-trinitrophenol) sẽ tạo thành muối picrat. Các muối này hấp thu mạnh ở bước sóng 359 nm ( = 1.25104). Nếu lấy 0.1155g một amin X đem hòa tan trong nước và định mức thành 100 mL. Sau đó lấy 1 mL dung dịch này cho phản ứng với acid picric rồi pha loãng thành 250 mL. Tiến hành đo quang dung dịch này ở 359 nm trong cuvet 1 cm thu được A = 0.454. Hãy xác định trọng lượng phân tử của X. Ta có:

A

=  lC

C=

A

l

=

0.454 = 3.6310-5 mo/L 4 1.2510 1

Số mol X trong bình 100 mL: (3.6310-5mol/L)(0.25 L)

100 mL = 9.0810-4 mol

1 mL MX =

0.1155 = 127.2 g 9.0810-4

X: ClC6H4NH2

17