推 raya61305:斌哥真強者 04/01 18:02
→ jasonfghx:小多寫的非本人 04/03 10:25
借我手工轉 以後這留給大二
I. What is spectrophotometry?
就是啊 古典分析走到了瓶頸 但是有人發現matter會跟光有很多有用的交互作用(廢話
)
簡單來說就是有可以
定量的 Lambert-Beer's law
至於他為甚麼公式是 A= -log T = ebc A= 0.4~ 0.9
因為 dI = e*c*I*dz 積分之後就會有ln 出現啦
定性上的使用 像是IR 的看各個波長的 T %
總之對光譜而言 就是 "分開波長" "光的強度"
II. IR spectrum
光源: 只要是會發高熱的都好 像是 鎳鉻絲 有點黑體輻射的味道
所以光源的強度對波長函數就會有一個黑體輻射的樣子
分光: Interferometer (干涉儀; 一下普物實驗做過的喔)
因為紅外線的波長比較長 所以一般的grating prism 之類的分光效果比較不好
所以用干涉儀測
偵測器: 只要會感熱的都可以
因為紅外線就是熱的代表啊~~~ 不然控窯的地瓜怎麼會熟呢~~
像是 1. 熱電偶 thermocouple: 兩種材料的借面產生電位差跟溫度有關
2. 焦電效應 pyroelectricity: 簡單來說就是晶體裡面有 分子的電偶極
在紅外光照的時候會有熱 有熱就會動
會動就會有偶極的變化 就會有電位差
i.e. DTGS deuterated triglycerine sulfate
3. photoconductive/ photovoltaic: 啊就是太陽能電池啦
一般的太陽能電池是半導體作的吧 只是吸收的
是可見光 這裡的差別是把 能階 調到 紅外線的地方
只是會太敏感所以要在低溫下 不然你就會看到訊號滿天飛
i.e. MCT mercury cadmium tellurium
座標軸: 波數 vs 透射度
會用波數--> 因為波長的數字看起來差很少 所以用波數 cm^-1
然後 IR 測的是振動 不能定量
III. UV/ Vis spectrum
測的是 電子組態的能階
然後可以應用老伯啤酒定律 (Lambert-Beer's law) 定量
只是盡量要用吸收度最高的那個波長
光源: 1. W-lamp 就是一般的鎢絲白熾燈泡 既然是白光 就是充滿了可見光
因為很熱 所以充滿了紅外光 因為平常都在用也不會有皮膚癌
所以沒有很多紫外光 (黑體輻射)
所以要加入
2. D-lamp 氘燈
主要是紫外光區 然後是因為 D atom的動能很高 藉由解離的時候放出的紫外光
所以強度比較連續
3. Xenon arc/ Mercury arc
有點像是日光燈管這樣吧 然後整個UV/Vis的波長都被包含
所以沒有轉換燈泡的問題 所以 Mercury光譜雖然很多牙齒 不過器材不用轉動
就像你的嘴巴關著不動 只要一開始沒咬到舌頭 就不會再咬到舌頭
只要一開始波長對準了 以後就不會不準
分光器:
1. Filters:
一種是吸收的 就是一般有顏色的那種濾片啦 便宜效果爛
另一種是跟薄膜干涉很像的 也是跟膜的厚度有關
2. Monochromator:
包含grating(把光散開) 跟 collimator(把光稍微聚焦一下)
grating的原理的話
想像你面前有很多寶特瓶隔相同距離d
因為光是波 所以可以畫一個波前 現在把波前用一整排的乒乓球丟過去
乒乓球就會有散射的效果 在加上建設性干涉 破壞性干涉 就是了
偵測器:
1. 光電管 & PMT (光電倍增管)
就是光電效應啦
PMT 只是中間加上很多個dynode可以讓電子每打一次dynode就多個幾顆
所以可以把光強放大
敏感度高(所以要低溫使用) 但是只能測一個波長一次
但是光如果太強他會燒掉
2. photodiode
反正就是把半導體的pn junction的 reverse bias 用光打小 讓導電度變好
反正就是會有電訊號的差異啦
PDA (photodiode array) 就是一整排的photodiode啦 所以可以一次測很多
波長
CCD (charge coupled device) 就是一整棋盤的photodiode
只是他會用電極控制每次打出的電子怎麼走
才會有 3 phase 之類的電位變化
然後一次可以測多波長 快 敏感
IV. Cuvets
不要用手摸 不要有刮痕 用完馬上洗 不要有水痕 一次買一對 系統誤差才有救
考試要會畫圖 要會解說原理 要知道每個原件是幹嘛的
Fluorescence spectroscopy
就是 給你能量 你放光給我看
就是有機實驗點TLC的那個 用UV燈顯色的那種啦
然後電子躍遷遵循 Franck Codon principle 電子組態改變但是形狀不會變
但是每個電子組態的基態就是長的不一樣 所以只好往上找其他振動態
所以 從 S0 基態跳上去之後 會到S1 的不知道哪個形狀一樣的振動態
然後會有各種不同的relaxation跟 conversion
1. internal conversion: 電子組態不同 但是能量相同
2. external conversion: 電子組態不同 外加散失能量(不放光)
3. intersystem conversion: 從Singlet 到 triplet的交換
因為自旋不同啦 這個造成磷光(phosphorescence)
螢光光譜的特點
呈鏡像但是本來應該重疊的譜線有一點偏差
1. 鏡像
因為 振動能階等差(就是該死的簡諧振子)
你可以畫 一個兩個電子能階 E=1 E=6
以及三個 振動能階 這樣就可以組成 E= 1, 2, 3, 4
E= 6, 7, 8, 9 兩組
從E= 1 上去到 上面那組 可以有 delta E = 5 6 7 8
E= 6 下去 可以得到 delta E = 5 4 3 2 這樣組合起來就有
2 3 4 5 5' 6 7 8 對稱的譜線了 然後雖然是能量 不過換成nm當波長也差不多對
稱這樣
2. 有一點點差異 那個 5 跟 5'
因為他跳上去之後啊 總是會有一點莫名其妙的relaxation 所以螢光那個 能量差會
稍微小一點
偵測器的位子跟光源成九十度 因為 你總不想測到光源吧XD
然後光源的話可以打入最大吸收的那個光 這樣才可以吸飽飽 放一堆光
這種偵測方式又稱作 luminescence
敏感度高 放射光強 I = k P(光源)C(濃度)
光源強一點敏感度就好一點
只是濃度太高還是會往下掉(self- absorption)
Beacon Molecule: 就是那個DNA分子平常沒事的時候會自己左右兩邊黏在一起
上面的發光團旁邊的消光團就會把他消掉
等到你的目標DNA出現就會把他們兩個拉開 就有光啦
(DNA說要有光 就有光(誤))
FRET Fluorescence Resonance Energy Transfer
重點是說有兩個螢光團 A B
A 吸收 藍光放綠光 B 吸收綠光放紅光
所以AB在一起的時候 你會看到紅色
分手的時候就會看到綠色
Chemiluminescence: 利用化學反應的時候發的光定量
最有名的就是 luminol跟 NO+ ozone吧
luminol + 血 ----> 藍光
NO + Ozone ---> NO2* ---> NO2 + hv
標記的方法大概有四種
1. radioactive
2. fluorescence
3. chemiluminescence
4. bioluminescence
5. enzyme labeling( 會把無色的受質 變成有色的受質)
EMIT Enzyme multiplied immunoassay technique
首先 有一個抗體可以抓你要測的分析物X
現在杯子裡面有限量的抗體 跟已知量的 有標記的X(上面的酵素可以把無色的受質變有色
)
只是一接上抗體就哭哭了
所以 X 越多 能跟抗體接的 XE就越少 XE自由得多 被變成有色的受質也多
就這樣
Solid Phase immunoassay
就是把抗體1黏在杯子上 這樣你的分析物X 沖進去的時候就可以黏在上面
再把抗體2放進去 抗體2上面的標記可以是放射性的
或是 酵素! 就是ELISA enzyme linked immuno sorbent assay
CRDS cavity ring down spectroscopy
光源 --> [ 樣品 ] ---> 偵測器
光只進不出 光一次只能出來一點點
所以光會在裡面來回走啊走 會一直被吸收 所以偵測器可以測到跟時間有關
的decay
Raman spectroscopy
1. Rayleigh scattering : 能量不變的散射(彈性碰撞)
Raman scattering: 能量有一點改變的散射(shift)
2. 簡單來說就是分子被基發上去之後沒有回到原來的地方
從基態出發但是沒回到基態(E變小 波長變大) --> Stokes line(強度大)
從激發態出發但是回到基態(E變大 波長變小) --> Anti-Stokes line(強度小)
光學元件用 FT-Raman 就是用干涉儀了啦
光源是單波長的雷射
首先
原子光譜跟前面的分子光譜不同點在於
線光譜 vs 很粗很粗的光譜 因為
原子的能階躍遷 每次都是比較精確的一條線 不會因為振動能階而糊在一起
所以原子光譜通常需要比較好的光學元件
然後通常的樣品是 金屬跟類金屬 像是 Fe As 之類的
分析物要被原子化之後 才能作測量
所以原子光譜有"原子化" 的特別之處
然後因為原子化就是要用高熱 所以樣品要先霧化(nebulization)
總不能灑藥品水溶液到火上面吧 火會熄掉......
Nebulization: 樣品泡成水溶液之後---> 用氣體噴霧把他弄成aerosol
aerosol 的solvent 在高溫一點之後會蒸發掉(evaporation)
這樣空氣中就只剩下一顆一顆的樣品固體 像是鹽巴顆粒
接著在1500 度左右 固體會揮發(volatization)
形成氣態的NaCl 之類的 然後會進行原子化--> Na atom 這樣
只是他可能會在這個時候跟其他人反應 變成Na2O 之類的有的沒的
就是化學干擾
不過如果真的Na+ (ionization後) 很多的話 要測他也是ok
然後原子光譜要使用線光源 (配合一下講義 p.9 的圖片吧)
因為 如果是連續光源 當 儀器 把 200.5~201.5 nm的光都認定作 201.0 nm
那 P(ref) 的訊號強度(就是線下面積) 會很大
但是跟線光譜的線下面積比起來 會很慘 就好像沒有線光譜一樣 所以要用線光源
線光源怎麼作呢? 兩種燈
1. HCL Hollowed cathode lamp
如果你想要鐵的線光源 就在陰極上面鍍一層鐵
然後用比較高的電壓去激發燈裡面的 Argon 這個Argon 會很像電漿 然後會一直去打
會去打鍍在上面的鐵 鐵會被打下來說聲 "幹" 然後就發光了
弄成圓筒狀 是避免飛出來的鐵太遠 不然你就會看到整個燈管上面好像鍍了一層鐵
如果用高強度的電流的話 光會比較強
但是因為都普勒效應 線光源會變胖 (就跟你說吃太多會變胖)
然後如果太多只是輕輕的被打下來的鐵太多 他反而會吸光
所以強度不能太強
2. EDL Electrodeless discharge lamp
跟樓上差不多 同樣都是用高能的Argon 去打元素
只是像是As 之類的 沒辦法鍍上去 所以就放在燈裡面 然後用電漿的方式激發Ar
所以旁邊才有radio freq coil
然後你不想要Ar 放太多光吧 所以Ar 氣壓很低
不過這個燈強度強個幾個order 燈裡面的溫度比較低 相對doppler effect就比較小
只是說他的輸出功率比較不穩定
樣品霧化之後 會跟著燃料氣體 吹到火焰這邊 用火的高溫給他原子化
(Flame atomization)
然後燃料氣體不能吹太慢 不然往裡面燒你的機器就掰了
然後這個方法很吃樣品 霧化後只用裡面的一點點 剩下就當垃圾丟了
不過再現性很好
原子化後的樣品留在火焰裡面的時間短(也就是說在光徑上時間短)
光徑會通過的是火焰的中間部分 因為下面部份樣品剛開始燒原子化不完全
上面的原子化後又快要變氧化物了
另一種原子化方式是 石墨爐 Graphite furnace (GFAAS)
用電熱的方式加熱樣品 然後爐子是用石墨作的 所以把樣品點在這個上面就好
然後溫度會往上升 升到大概兩千度左右就可以測到訊號
就像老師之前show的那個廣告 你可以測到吸收度跟時間的關係 因為樣品原子化後很快
就跟你 say goodbye了 所以吸收度會上升再下降
L'vov platform 是用來增加再現性的方式 這樣受熱比較均勻
GFAAS 的好處是樣品量可以少 高敏感度 只是再現性稍差
其他的 chemical atomization(把氧化態的分析物弄成氫化物 然後氫化物的裂解溫度
比較低 ) 跟cold-vapor atomization(僅限 Hg) 就看看就算了吧
I. Interferences
1. chemical interference
比起光譜干擾常見 就是說自己跟自己的干擾
就是說因為各種化學平衡形成各種化合物 但是我們要的是"原子"!!!!!
像是 a. 形成不易汽化的康胖
i.e. 如果測Ca 的時候 有個sulfate or phosphate 會形成鹽類 不易汽
化
加EDTA 先卡Ca 等到高溫的時候 EDTA就死掉了 Ca 就很開心的不會
跟sulfate在一起
b. 跟氧氣變成氧化物
這個時候用活性金屬去抓氧 氧被抓掉 分析物就自由了
c. 游離化(ionization)
就 電子不敵這個溫度 就跟你再見了(在很高溫 低壓 的時候會很重要)
加入 K 可以抑制
簡單來說解決的方法都是用化學平衡 加入其他的 modifier or liberating agent
or high temp or protecting agent (like EDTA)
II. Spectral interference
定義就是說跟別人的干擾
像是可能會有兩條譜線很靠近 或是剛好有該死的分子干擾出現
分子光譜是胖胖的 所以一靠近你要的光譜就被遮掉了
(想想你要找羅姐的時候他卻站在月半仙的旁邊)
這個時候 最直接的想法就是 我要高級一點的光學元件(貴死你)
或是直接找另一條可用的譜線
但是光學元件還是有極限
像是你要越高的解析度你的focal length(聚焦距離)就要越長
像是p 27那幾個圖
另一個比較大的干擾就是matrix (background abs很大!!)
可以用比較高的溫度去拆了該死的干擾物(如果你確定高溫有效)
或是那四個奇怪的correction
1. two-line: 就是說 我找兩條很接近的譜線 一條是我要的 另一條不會吸收
reference line
我只要看不吸收的那條的起伏就可以看出來matrix的干擾有多大
缺點是不見得每種樣品都可以找到旁邊的那條線
2. continuum source
分析樣品的時候用HCL 要知道背景訊號的時候用 D lamp
p 33 有式子
3. Zeeman effect
首先你只要知道光譜線在磁場下可能會分裂(通常是奇數條)
然後分裂後的原本那跟會變小 "會對光的極化方向有偏好"
(把這件事情想成樣品的那個軌域要滿足動量守恆之類的就好)
所以在兩種偏極化光下 會有兩種關係式
I1 = P(垂直) - I(backgnd)
I2 = P(平行) - I(backgnd)- I(分析物)
所以可以很乾脆的把背景訊號砍掉
4. Smith-Hieftje correction method
就是說 HCL 在低電流的時候 測到的是背景+分析物
但是高電流的時候會因為self-absorption把要的那個強度弄下去
所以測到的大概就是背景值
所以這樣循環著打進去就可以把背景值砍掉
進入 AES 了!!!!
又稱作OES optical emmision spectroscopy 因為很需要好的光學元件
1. 溫度很高 (3000~8000K) 原子化完全 所有的元素都可以放光了
所以對那些很喜歡瞎搞的原子來說可以有比較低的偵測極限
也可以測非金屬
又可以同時測很多元素
只是這樣每個元素都放光給你看 光譜線就會很複雜 也需要比較好的解析度跟分光器
現在的激發都是用ICP
然後ICP induced coupled plasma
就是電漿 只是裡面有少部分的游離原子跟電子 大多是中性物種 但溫度很高
跟太陽表面一樣吧通常都是利用線圈跟磁場把游離化的原子加速---> 溫度就變高啦
樣品進去的方式跟AAS差不多 都要先經過nebulization
或是 ETV-ICP (electro thermal volatization)
就是石墨爐只是不是用來原子化 而是讓他變蒸氣往上飄到plasma
偵測放射光的時候一樣是從plasma的中段測
只是如果樣品太少可以平行plasma測 這樣放射光徑比較多
分光的話有兩種
1. concave grating: 就是P 52的那個圓形的圖 看圖 很 簡單易懂吧
只是說偵測器會一次放好幾個PMT這樣
2. 先用echelle grating再用prism(稜鏡) 分光成2D 打在sensor上面
可以同時測幾百條光譜線
echelle grating vs. echellette grating
光打在 短邊 長邊
每個單位d 比較長 比較短
blave/grooves 比較稀疏 密
入射反射角 比較大 比較小
因為 d(sin a + sin b)= nL(lambda)
d 也大 a b 也大 當波長固定 散射級數也大 (n 大)
簡單來說就是可以把光散開開這樣
http://gratings.newport.com/information/technotes/technote6.asp
講解echelle grating的網頁
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