Metode Optice de Analiza

1 PRINCIPII GENERALE

Metodele optice de analiză utilizează proprietăţile optice ale substanţelor.

Metodele spectrale de analiză se bazează pe utilizarea fenomenelor de emisie sau de interacţiune a radiaţiei electromagnetice cu atomii sau moleculele substanţei de analizat (absorbţie).

Emisia sau absorbţia radiaţiilor electromagnetice de către sistemul cercetat duce la apariţia unui semnal analitic ce dă informaţii despre compoziţia calitativă şi cantitativă a substanţei analizate.

Intensitatea semnalului analitic este proporţională cu numărul de particule care au cauzat acest semnal, deci cu concentraţia componentului ce se determină.

În cazul metodelor spectrale de absorbţie, semnalul analitic este absorbanţa.

Metodele optice de analiză utilizează ca mijloc de excitare a substanţelor (respectiv atomilor componenţi ai moleculelor) radiaţia electromagnetică, în vederea obţinerii de informaţii privind fie natura constituenţilor fie cantitatea acestora.

Spectrometria se bazează pe proprietatea substanţelor de a absorbi selectiv radiaţiile electromagnetice şi este folosită pentru identificarea şi determinarea cantitativă a acestora.

Spectrele de absorbţie se obţin la trecerea unui fascicol de radiaţii continue prin substanţa de analizat care poate absorbi o parte din energia acestuia. Cantitatea de energie absorbită este în funcţie de structura şi de numărul moleculelor sau al atomilor substanţei cu care interacţionează fascicolul de radiaţii.

Spectrometria în domeniul vizibil şi ultra violet face parte dintre cele mai vechi metode fizice de investigatie a substanţelor organice. Ambele tipuri de spectre (între care nu există nici o diferenţă principal) sunt asociate cu tranziţiile electronice care au loc atunci când o moleculă trece din starea fundamentală într-o stare excitată. Ca urmare, spectrele corespunzătoare, numite spectre electronice, vor da informaţii aupra stării electronice a moleculelor.

Radiaţia electromagnetică ce constituie lumina este caracterizată (ca de altfel toate radiaţiile electromagnetice) prin lungime de undă (λ), frecvenţă (ν), respectiv energie (E) corelate prin expresia:

(1.1)

în care:

λ = lungimea de undă (distanţa în linie dreaptă cuprinsă între două maxime consecutive ale unei unde);

ν = frecvenţa radiaţiei (numărul de oscilaţii pe secundă); ν = 1/T;

T = perioada, ce reprezintă intervalul de timp dintre două maxime consecutive.

c = viteza luminii = 3 - 1010 cm/s.

Numărul de unde cuprinse într-un cm se numeşte număr de undă:

(1.2)

Fiecare radiaţie luminoasă poartă o energie - cuantă de energie - ce este proporţională cu frecvenţa acesteia:

(1.3)

unde:

h = constanta lui Planck = 6,62 - 10-27 erg - s

λ se măsoară în:

- microni (μm) 1μm = 10-6 m = 10-3 mm

- nanometri (nm) 1nm = 10-9 m = 10-3 μm.

1 nm = 10-9 m = 10-7 cm = 10Å; 1Å = 10-8 cm = 10-1 nm = 10-10 m;

1mm = 10-6 m = 10-4 cm = 103 nm.

Funcţie de lungimea de undă a radiaţiilor electromagnetice, domeniile spectrale sunt cele indicate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Domeniile spectrale funcţie de lungimea de undă

Lungimi de undă,

Denumirea domeniului spectral Tipul spectrometriei Tipuri de tranziţii

în cm în mărimi uzuale

102 - 103 1m – 10m Radio RMN Reorientări de spin nuclear

10-1 1mm Microunde RES Reorientări de spin electronic

10-2 100μm IR îndepărtat IR Rotaţii moleculare

10-3 – 10-4 1 μm - 10 μm IR apropiat IR Vibraţii moleculare

400 – 750 nm Vizibil VIS Energii ale electronilor de valenţă

10-5 100 – 400 nm UV apropiat UV Energii ale electronilor de valenţă

10-6 10 nm UV îndepărtat UV Energii ale electronilor interiori

10-7 – 10-8 1 nm (1Å) Raze X Rőntgen (de raze X) Energii ale electronilor interiori

10-9 – 10-10 0,1 – 0,01 nm Raze γ Gama Energii ale nucleonilor

După cum se poate observa şi din relaţia E = f(λ), aceste mărimi sunt invers proporţionale, deci la lungimi de undă mari, energiile sunt mici şi invers.

O cuantă luminoasă (un foton) poate fi absorbită de un atom sau moleculă, dacă prin aceasta atomul sau molecula trec la unul din nivelele de energie superioare ce diferă de starea de plecare prin energia fotonului.