Spektroskopi

Målemetoder som benytter prinsippet om at atomkjerner, atomer eller molekyler kan absorbere (motta) og sende ut elektromagnetisk stråling (energi).

Atomabsorbsjonsspektrometeri

Atomabsobsjonsspektrometeri (AAS) brukes til å bestemme type og mengde grunnstoff i en prøve. Instrumentet består av en hullkatodelampe spesifikk for hvert grunnstoff, en chopper etterfulgt av en brenner, deretter en monokromator, og til slutt en fotomultiplikator som virker som detektor. I brenneren gir acetylen-luft en temperatur 2400oC, eller acetylen-lystgass 2800oC.  I flammen omdannes prøven til plasma. Ved flammeemmisjon baserer man seg på at grunnstoffet i plasmaform sender ut lys, for eksempel natrium som sender ut guloransje lys. Ved flammeabsorbsjon brukes prinsippet om at grunnstoffer absorberer elektromagnetisk stråling med spesifikke bølgelengder.

Raman-spektroskopi

Raman-spredning etter den indiske fysikeren og nobelprisvinner i fysikk 1930 Chandrasekhara Venkata Raman, " for sitt arbeid med lysets spredning, og for oppdagelsen av Ramaneffekten" . Lys spredt av molekyler i en prøve har en annen frekvens (og bølgelengde) enn det innkomne lyset. Ramaneffekten er at noe av det innkomne lyset endrer retning sammenlignet med det innkomne. Endringen i energi ved skifte i frekvens skyldes energitransisjoner ved vibrasjons- og rotasjonstilstander i molekylet som gir lysspredning. Lyset gir oscillasjoner av elektronladninger i molekylene, og disse oscillerende elektronladningene kan spre lys. Monokromatisk lys med høy energi som i en laser vil ikke bli absorbert av prøven fordi energien er større enn vibrasjonsenergimellomrommene i prøven. Både Raman-spektroskopi med vann og infrarød-spektroskopi uten vann brukes til å registrere vibrasjoner i biomolekyler.

Infrarød spektroskopi

I infrarød spektroskopi, bølgelengde 2.5-15 mikrometer (µm) brukt i rotasjons-vibrasjonssstudier,  kan man identifisere molekyler og funksjonelle grupper når infrarød stråling interagerer med molekyler. Vibrasjoner i kjemiske bindinger mellom molekyler er strekking, bøying, vridning, vagging og risting i molekylene i ulike retninger. Eldre tradisjonelle dispersive instrumenter og moderne basert på Fourier-transformasjoner (Fourier transform infrarødt spektrofotometer, FTIR). Et IR-spektrum har absorbanse eller transmittanse på den vertikale y-aksen og frekvens eller bølgelengde på den horisontale x-aksen. Som mål på frekvens kan man bruke bølgetallet den resiproke av cm, cm-1. Molekyler har en spesifikke og karakteristiske egenskaper i absorbsjon av IR, hvor resonansfrekvenser passer overens med vibrasjonsfrekvenser i molekylet.

Fouriertransformasjoner baserer seg på prinsippet at enhver harmonisk funksjon kan uttrykkes som en serie med cosinus- sinus-funksjoner som atskiller seg i frekvens. amplitude og fase.

Gammaspektroskopi

Gammastråling er elektromagnetisk stråling med opprinnelse fra reaksjoner i atomkjerner. Instrumentet består av en gammakilder (e.g. kobolt-57, jern-57, Tc), den absorberende prøven og en detektor.

Gammaresonansspektroskopi

Elektronspinresonans spektroskopi (ESR)

Elektron spin resonans eller elektron paramagnetisk resonans (EPR) blir brukt i studiet av prosesser eller materialer med et uparret elektron, blant annet radikaler. Et elektron er en partikkel med ladning og egenspin (spinkvantetall s=1/2) med magnetisk moment ms=1/2 og ms=-1/2 . Et elektron påvirkes av et magnetfelt og retter seg inn parallelt eller antiparallelt til felet. Hver av disse har en energi E:

\(E=m_sg_e\mu_BB_0\)

hvor µB er Bohr magneton,  g er en konstant, elektronets g-faktor og B0 er magnetisk flukstetthet eller magnetisk feltstyrke e.g. 0.35 T (tesla). Elektronene befinner seg i to energitilstander og kan bevege seg mellom disse ved å motta eller avgi energi i form av fotoner under resonansbetingelsene. Når man øker styrken på magnetfeltet B0 så atskiller de to energitilstandene ms=+1/2 og ms=-1/2 til elektronene seg inntil avstanden mellom dem blir lik energien mikrobølgene fra senderen ca. 10 GHz. De fleste elektronene befinner seg i den laveste energitilstanden, men de blir overgang mellom de to tilstandene når de utsettes for energi lik ΔE, resonansbetingelsene:

\(\Delta E=h \nu =g_e\mu _B B_0\)

Absorbsjonen av energi blir uttrykt som funksjon av den magnetiske feltstyrken. Instrumentet består av en mikrobølgesender, en elektromagnet omkring prøven, detektor og forsterker. Man kan variere den magnetiske flukstetten og frekvensen på mikrobølgene.

Kjernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR)

I ethvert atom vil magnetfeltet til atomkjernen orientere valenselektronene, som også har et magnetisk moment, slik at spinnet til elektronene blir motsatt av atomkjernens spin, spin-spin kobling. Spin-spin elemineres ved spin-spin dekobling. Høy intens stråling med frekvens som bare absorberes av at spesielt atom brukes til å identifiser hvilken kjerne som gir resonans. Ved resonansfrekvens vil det kjernemagnetiske moment reorienteres. Det er likhetstrekk med elektronspinresonans og kjernemagnetisk resonans. Det proton i et magnetfelt med magnetisk feltstyrke B0 vil få et magnetisk moment i vinkel theta θ eller 180o - θ med eller mot feltet.

\(-\mu B_0 \sin \theta\)

\(\mu B_0 \sin \theta\)

Energi med en bestemt frekvens nu ν får protonet til å flippe mellom de to energitilstandene. For to kjerner kvantemekaniske spintall I karakterisk for hver kjerne 2I + 1 hvor I=1/2 og multipler av denne. For hver kjerne er det bare en frekvens for overføring for hver verdi på styrken av magnetfeltet. Det magnetfeltet som registreres av atomkjernen er ikke lik B0 siden atomkjernen er beskyttet av elektroner og disse påvirkes også av magnetfeltet. Elektroner som beveger seg gir også et magnetfelt (jfr. Michael Faraday)

\(B_{effektiv}=\left(1-\alpha \right)B_0\)

hvor alfa, α, er en skjermingskonstant.

Skifte i resonansfrekvens kalles kjemisk skift (ppm). Bruker referansestandard.

\(kjemisk \; skift \; \left(ppm\right)=\frac{B_s - B_{ref}}{B_{ref}}\cdot 10^6\)

Bs er magnetfeltet som skaper resonans i prøven. Uparrete elektroner gir skift 20-30 ppm.

Røntgenspektroskopi

For kvantetall 1, 2 og 3, med skall K, L og M. Elektroner utenfra fjerner elektroner fra K-skallet og disse erstattes av elektroner fra L-skallet sammen med røntgenstråling

Optisk rotasjon dispersjon (ORD)

Basert på å roter planpolarisert lys dannet via et polarisasjonsfilter (polaroid eller Nicollprisme)

Sirkulær dikromisme (CD)

Basert på absorbsjon av venstre og høyre sirkulært polarisert lys. To planpolariserte bølger ute av fase med hverandre med  en kvart bølgelengde (1/4λ).Brukes til å studere struktur til proteiner og nukleinsyrer.

Spektrofotometri

Tilbake til hovedside 

Publisert 9. sep. 2019 10:16 - Sist endret 10. sep. 2019 10:03