Spektroskopija: kas tā ir, pamatprincipi un pielietojumi
Spektroskopija ir gaismas izpēte kā izstarotā, atstarotā vai caur cietu vielu, šķidrumu vai gāzi izstarotā, atstarotā vai izstarotā viļņa garuma funkcija. Lai analizētu ķīmisko vielu, to uzkarsē, jo karstas lietas spīd, un katra ķīmiskā viela spīd atšķirīgi. Dažādie mirdzuma viļņu garumi veido krāsu spektru, kas dažās detaļās atšķiras no citām ķīmiskajām vielām. Spektroskopija atdala un mēra dažādu viļņu garumu spilgtumu. Tā var identificēt maisījumā esošās ķīmiskās vielas un noteikt dažas citas lietas, piemēram, cik karsta ir lieta.
Spektroskopija ļauj zinātniekiem pētīt un izpētīt lietas, kas ir pārāk mazas, lai tās redzētu ar mikroskopu, piemēram, molekulas un vēl mazākas subatomārās daļiņas, piemēram, protonus, neitronus un elektronus. Šādu gaismas viļņu mērīšanai un analīzei ir īpaši instrumenti.
Pamatprincipi
Spektrs ir signāla (parasti intensitātes) sadalījums pēc viļņa garuma vai frekvences. Parasti spektrs tiek attēlots kā diagramma: intensitāte pret viļņa garumu (nm) vai frekvenci (Hz), retāk — enerģijā (eV) vai viļņskaitlī (cm⁻¹). Spektroskopijas pamatā ir gaismas mijiedarbība ar vielu — izstarošana, absorbcija, atstarošana un izkliede (scatter).
Galvenie procesi un to nozīme:
- Emisija: atoms vai molekula izstaro fotonu, kad to elektroni pāriet uz zemāku enerģijas līmeni. Emisijas spektri ir raksturīgi elementiem un ļauj identificēt klātesošās sugas.
- Absorbcija: viela absorbē noteikta viļņa garuma gaismu, kas rada absorbcijas līnijas vai joslas spektrā — tas atspoguļo enerģijas pārejas vielā.
- Raman un izkliede: gaismas frekvence mainās mijiedarbībā ar molekulām, kas sniedz informāciju par molekulāro struktūru un vibrācijām.
- Fluorescēšana un fosforescēšana: ekscitētas molekulas atbrīvo energiju fotonu veidā — intensīvs instruments biomolekulu un materiālu analīzē.
- Magnētiskā rezonanse (NMR/ESR): spektri rodas no kodolu vai elektronu enerģijas līmeņu sadalījuma magnētiskā laukā, būtiski orgāniskās ķīmijas un medicīnas attēlveidošanai (MRI).
Spektroskopijas veidi
- UV–Vis spektroskopija — analizē elektroniskās pārejas, plaši lieto ķīmijā un bioloģijā.
- Infrasarkanā (IR) spektroskopija — fokusējas uz molekulārajām vibrācijām, lietderīga organiskajām funkcijām un materiālu identifikācijai.
- Raman spektroskopija — papildina IR, sniedz “molekulāro pirkstu nospiedumu” neinvazīvai analīzei.
- Atoma emisijas un absorbcijas spektroskopija — izmanto atomu līnijas elementu kvantitatīvai un kvalitatīvai analīzei.
- X jaudu un UV fotoelektronu spektroskopija (XPS/UPS) — pēta materiālu virsmas ķīmisko sastāvu un elektronisko struktūru.
- NMR (kodolu magnētiskā rezonanse) — sniedz detalizētu informāciju par molekulāro struktūru un vidi; pamattehnoloģija MRI.
- ESR/EPR — pēta brīvos radikāļus un elektronālos stāvokļus magnētiskā laukā.
Instrumenti un tehniskie pamati
Spektrometrs sastāv no vairākām galvenajām daļām: avots (gaismas vai cits excitācijas veids), dispersijas elements (prizma vai difrakcijas režģis), slīdošs sprauslas elements (monohromators) vai interferometrs un detektors (fotomultipliers, CCD u.c.). Jūtīgums, spektrālā izšķirtspēja un trokšņa līmenis nosaka, cik precīzi var nolasīt spektrālās līnijas. Spektru paplašināšanos var ietekmēt termiskā kustība (Doplera broadening), spiediens, elektriskie un magnētiskie lauki.
Pielietojumi
Spektroskopija ir universāls instruments daudzās zinātnes un rūpniecības nozarēs:
- Astrofizikā — nosaka zvaigžņu un galaktiku ķīmisko sastāvu, temperatūru, kustības (sarkanais/pelēkais nobīde) un eksoplanētu atmosfēras sastāvu.
- Ķīmijā un materiālzinātnē — identificē vielas, analizē reakciju gaitu, nosaka piemaisījumu līmeni, pētī jaunas materiālu īpašības.
- Medicīnā — NMR/MRI diagnostika, bioķīmiskā analīze ar fluorescences un masas spektroskopiju (biomolekulu noteikšana).
- Vide un vides monitorings — gaisa un ūdens piesārņotāju izsekošana, izmešu sastāva mērījumi ar optiskajiem sensoru tīkliem.
- Forenzikā — vielu identifikācija no pierādījumiem (krāsvielas, šķīdinātāji, narkotikas).
- Industrija — kvalitātes kontrole, piemēram, pārtikas rūpniecībā, farmācijā un ķīmiskajā ražošanā.
Kā lasīt spektru praktiski
Spektrā uzmanība tiek pievērsta trīs galvenajiem elementiem:
- Līniju/ joslu pozīcija — norāda uz konkrētām enerģijas pārejām un identitāti.
- Intensitāte — kvantitatīvi saistīta ar vielas koncentrāciju vai eksitācijas varbūtību.
- Formas un platums — sniedz informāciju par temperatūru, spiedienu, kustību un mijiedarbībām.
Praktiski padomi
- Labi kalibrēts instruments un referenču spektri ir būtiski pareizai identifikācijai.
- Sagatavošanās — paraugu attīrīšana, piemērota viļņa diapazona izvēle un spektrālā izšķirtspēja uzlabo rezultātus.
- Apvienojot vairākas spektroskopiskas metodes (piem., IR + Raman + NMR), iegūst pilnīgāku priekšstatu par vielas struktūru un īpašībām.
Spektroskopija ir spēcīgs instruments, kas no vienkāršas krāsas analīzes ir attīstījies par kvantitatīvu, precīzu metodi gandrīz visās dabas un inženierzinātņu disciplīnās — no molekulām laboratorijā līdz kosmosa izpētei.
Alkohola liesma un tās spektrs
Metodes
Infrasarkanā spektroskopija mēra gaismu infrasarkanajā elektromagnētiskajā spektrā. IR spektroskopijas galvenā iezīme ir tā, ka tā ir ļoti noderīga organisko molekulu funkcionālo grupu noteikšanai. Infrasarkanās gaismas absorbcija, ko rada organiskās molekulas, izraisa molekulārās vibrācijas. Vibrācijas frekvences ir unikālas atsevišķām funkcionālajām grupām. Infrasarkano staru spektru grafiski attēlo caurlaidība (%) pret viļņu skaitu (cm-1).
Ar rentgenstaru kristalogrāfiju var aplūkot kristāliskas molekulas struktūru. Katra atoma elektronu mākonis izkliedē rentgena starus, tādējādi atklājot atomu atrašanās vietas. Ar šo metodi var kristalizēt un izmantot dažādas neorganiskas un organiskas molekulas, tostarp DNS, olbaltumvielas, sāļus un metālus. Analīzei izmantotais paraugs netiek iznīcināts.
Ultravioleto un redzamo staru spektroskopija izmanto redzamo un ultravioleto gaismu, lai noteiktu, cik daudz ķīmiskās vielas ir šķidrumā. UV-Vis spektroskopijas darbības pamatā ir šķīduma krāsa. Šķīduma krāsa, ar kuru mēs strādājam, ir krāsaina tā ķīmiskā sastāva dēļ. Tātad šķīdums absorbē dažas gaismas krāsas un atstaro citas krāsas, tā atstarotā gaisma ir šķīduma krāsa. UV-Vis spektroskopija darbojas, laižot gaismu caur šķīduma paraugu un pēc tam nosakot, cik daudz gaismas šķīdums absorbē.
Ar kodolmagnētisko rezonansi var aplūkot kodolus. Tā izmanto dažu kodolu magnētiskās īpašības, visbiežāk 13C un1 H. NMR instruments rada lielu magnētisko lauku, kas liek kodoliem darboties kā maziem stieņu magnētiem. Kodi vai nu izlīdzinās ar instrumenta magnētisko lauku, vai pret to. Šobrīd kodoliem ir divas iespējamās orientācijas - α vai β. Pēc tam kodolus pakļauj radioviļņiem, kas liek α kodoliem pāriet uz β orientāciju. Kad notiek šī maiņa, izdalās enerģija, un tā tiek detektēta. Datorizēta sistēma datus interpretē grafiski (intensitāte pret ķīmisko nobīdi ppm). NMR neiznīcina analīzē izmantoto paraugu. Zemāk ir 900 MHz NMR sistēma.
Saistītās lapas
- Absorbcijas spektroskopija
- Astronomiskā spektroskopija
- Spektroskopija laika diapazonā
- Augera elektronu spektroskopija
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir spektroskopija?
A: Spektroskopija ir gaismas izpēte kā izstarotā, atstarotā vai caur cietu vielu, šķidrumu vai gāzi izstarotā viļņa garuma funkcija.
Q: Kāpēc ķīmijas speciālisti spektroskopijas laikā ķīmisko vielu silda?
A: Katra ķīmiskā viela sakarsēta spīd atšķirīgi, un spektroskopijā analizē ķīmiskās vielas spīdumu, lai noteiktu tās viļņu garuma krāsu spektru, kas atšķiras no citiem.
J: Kā ar spektroskopiju var atšķirt dažādas ķīmiskās vielas?
A: Spektroskopija atdala un mēra ķīmisko vielu spīduma dažādu viļņu garumu spilgtumu.
J: Ko papildus ķīmisko vielu noteikšanai var noteikt ar spektroskopiju?
A: Ar spektroskopiju var noteikt, cik karsts ir analizējamais objekts.
J: Kāda ir spektroskopijas priekšrocība?
A: Spektroskopija ļauj zinātniekiem pētīt un izpētīt lietas, kas ir pārāk mazas, lai tās redzētu ar mikroskopu, piemēram, molekulas un subatomārās daļiņas.
J: Kas nepieciešams, lai spektroskopijā mērītu un analizētu gaismas viļņus?
A: Lai spektroskopijā mērītu un analizētu gaismas viļņus, ir vajadzīgi īpaši instrumenti.
J: Kādi ir daži subatomāro daļiņu piemēri, ko var pētīt ar spektroskopijas palīdzību?
A: Ar spektroskopijas palīdzību var pētīt tādas subatomārās daļiņas kā protoni, neitroni un elektroni.
