Cursus Instrumentele chemie.pdf

# Spectroscopische methoden Spectroscopische methoden zijn analytische technieken die gebaseerd zijn op de interactie tussen elektromagnetische straling en materie, waarbij absorptie of emissie van straling wordt geregistreerd [4](#page=4). ### 1.1 Inleiding tot spectroscopische methoden Spectroscopische methoden vormen een belangrijke groep analytische technieken die gebruik maken van de interactie tussen elektromagnetische (EM) straling en materie. Deze interactie kan resulteren in de opname (absorptie) of het uitzenden (emissie) van straling door een stof. In de spectrometrie wordt ofwel de absorptie ofwel de emissie van straling door een monster geregistreerd [4](#page=4). Binnen de moleculaire spectrometrie richt men zich op verbindingen, terwijl atomaire spectrometrie zich bezighoudt met de analyse van atomen [4](#page=4). Om de wisselwerking tussen EM-straling en materie te begrijpen, is kennis van de eigenschappen van EM-straling essentieel [4](#page=4). ### 1.2 Het elektromagnetisch spectrum en het lichtspectrum #### 1.2.1 Soorten elektromagnetische straling (EM) Het elektromagnetisch spectrum wordt ingedeeld op basis van de energie-inhoud van de straling. De belangrijkste soorten, van hoog naar laag energieniveau, zijn [4](#page=4): * Gammastraling (toepassing: behandeling van kanker) [4](#page=4). * X-stralen (toepassing: geneeskunde) [4](#page=4). * Ultraviolette stralen [4](#page=4). * Zichtbaar licht [4](#page=4). * Infrarood stralen [4](#page=4). * Microgolven (toepassing: microgolfovens) [4](#page=4). * Radiogolven (toepassing: F.M. radio, radar, televisie) [4](#page=4). Slechts een klein deel van het elektromagnetisch spectrum is zichtbaar voor het menselijk oog [4](#page=4). Licht kan op basis van golflengte worden onderverdeeld in drie gebieden [5](#page=5): * **Ultraviolet licht:** golflengte van 190 nm tot 380 nm [5](#page=5). * **Zichtbaar licht:** golflengte van 380 nm tot 780 nm [5](#page=5). * **Infrarood licht:** golflengte van 800 nm tot 25000 nm [5](#page=5). Het zichtbare licht wordt verder onderverdeeld in kleuren op basis van hun golflengte: violet (< 400 nm), indigo, blauw, groen, geel, oranje en rood (> 800 nm) [5](#page=5). Twee kleuren licht die samen wit licht vormen, worden complementaire kleuren genoemd en bevinden zich tegenover elkaar in het kleurenspectrum. Bijvoorbeeld, het verwijderen van groene kleur uit wit licht resulteert in een mengsel dat door het menselijk oog als rood wordt waargenomen [5](#page=5). #### 1.2.2 Eigenschappen van elektromagnetische straling Elektromagnetische straling kan op twee manieren worden benaderd: als golf en als deeltje. Fenomenen zoals reflectie, refractie, diffractie en interferentie wijzen op het golfkarakter van EM-straling. Emissie- en absorptie-eigenschappen worden daarentegen beter verklaard met de kwantumtheorie, die deeltjes beschouwt [5](#page=5). **Licht als golfverschijnsel:** De golfkarakteristieken van licht omvatten: * **Polarisatievlak:** Het vlak waarin het elektrische veld van de EM-straling oscilleert. EM-straling plant zich voort met hoge snelheid. Het elektrische veld wisselt continu van grootte met een sinusoïdaal verloop. Aan dit wisselende elektrische veld is een gekoppeld wisselend magnetisch veld gekoppeld, loodrecht op de richting van het elektrische veld en met dezelfde frequentie. Niet-gepolariseerd licht heeft stralen met verschillende polarisatierichtingen, terwijl bij vlak gepolariseerd licht alle polarisatierichtingen samenvallen, wat belangrijk is in de polarimetrie [5](#page=5) [6](#page=6). * **Amplitude (A):** De maximale sterkte of grootte van het wisselende elektrische veld [6](#page=6). * **Intensiteit (I):** De hoeveelheid energie die per tijdseenheid een loodrechte doorsnede van de bundel passeert. De intensiteit is evenredig met het kwadraat van de amplitude: $I \propto A^2$ [6](#page=6). * **Frequentie (ν):** Het aantal golven per tijdseenheid, meestal uitgedrukt in Hertz (Hz), wat gelijk is aan $s^{-1}$ [7](#page=7). * **Voortplantingssnelheid (c):** De afstand die EM-straling per tijdseenheid aflegt. In vacuüm is dit $c \approx 2,998 \times 10^8 \, m \cdot s^{-1}$ [7](#page=7). * **Golflengte (λ):** De afstand afgelegd door één volledige trilling. Gangbare eenheden zijn nanometer (nm, $10^{-9}$ m), micrometer (µm, $10^{-6}$ m) en Ångstrom (Å, $10^{-10}$ m) [7](#page=7). * **Trillingstijd of periode (T):** De tijd nodig om één volledige golfbeweging af te leggen. Het is het omgekeerde van de frequentie ($T = 1/\nu$) [7](#page=7). De relaties tussen deze parameters zijn: $$c = \frac{\lambda}{T} = \nu \lambda$$ [7](#page=7). Hieruit volgt dat bij een toenemende golflengte de frequentie afneemt en vice versa. De frequentie kan ook worden berekend als [7](#page=7): $$\nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{2,998 \times 10^8 \, m \cdot s^{-1}}{\lambda}$$ [7](#page=7). * **Golfgetal ( $\bar{\nu}$ ):** Dit is het aantal golven per lengte-eenheid, meestal per cm of meter, en wordt vaak gebruikt in de IR-spectrofotometrie. Het is gedefinieerd als $\bar{\nu} = 1/\lambda$ [7](#page=7). **Licht als stroom van energiedeeltjes:** De intensiteit van een lichtbundel wordt geassocieerd met een stroom van energiedeeltjes, kwanten of fotonen genoemd [8](#page=8). * **De wet van Planck:** De energie-inhoud van elk foton is evenredig met de frequentie van de straling. De energie van een foton ($E$) wordt gegeven door [8](#page=8): $$E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$$ [8](#page=8). Hierin is $h$ de constante van Planck ($6,625 \times 10^{-34} \, J \cdot s$). De energie van een foton neemt dus toe met de frequentie en is omgekeerd evenredig met de golflengte [8](#page=8). #### 1.2.3 Interactie tussen materie en straling: absorptie Materie, opgebouwd uit moleculen, atomen of ionen, vertoont bij analytische spectrometrische metingen, vaak in vloeibare of gasvorm, voortdurende beweging met kinetische energie die afhangt van de temperatuur. Daarnaast beschikken deeltjes over potentiële energie [8](#page=8). * **Potentiële energie bij atomen:** Hangt af van de elektronenverdeling [8](#page=8). * **Potentiële energie bij moleculen:** Hangt af van de positie van elektronen en atomen [8](#page=8). Deze potentiële energie is gekwantiseerd, wat betekent dat deze alleen specifieke waarden kan aannemen, weergegeven als energieniveaus [8](#page=8). > **Tip:** Denk aan energieniveaus als specifieke "energiestappen" die een deeltje kan hebben, niet willekeurige waarden. Wanneer elektromagnetische straling op materie valt, kunnen deeltjes in wisselwerking treden met de straling. Sommige stralen kunnen geabsorbeerd worden, waarbij de energie van de fotonen wordt overgedragen en de deeltjes naar een hogere potentiële energietoestand gaan [9](#page=9). Dit proces kan worden weergegeven als: $$atoom + h\nu \longrightarrow atoom^*$$ [9](#page=9). Het atoom in de hogere energietoestand wordt een geëxciteerd atoom genoemd. Energieopname is alleen mogelijk als de fotonenergie precies overeenkomt met het verschil tussen twee energieniveaus. Als de fotonenergie niet overeenkomt, wordt deze niet geabsorbeerd [9](#page=9). Als een atoom overgaat van een lagere energietoestand ($E_0$, grondtoestand) naar een hogere energietoestand ($E_1$), is de geabsorbeerde fotonenergie gelijk aan: $$\Delta E = E_1 - E_0 = h\nu$$ [9](#page=9). De energieverschillen tussen de grondtoestand en andere energietoestanden zijn uniek voor elke stof. Door de geabsorbeerde golflengten te bestuderen, kan een stof worden geïdentificeerd. Dit resulteert in een absorptiespectrum wanneer de absorbantie wordt uitgezet tegen de golflengte [9](#page=9). ##### Atoomspectra Voor een natriumatoom (Na) in de grondtoestand is de elektronenconfiguratie: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Bij absorptie kan een elektron verspringen naar een hogere, niet-bezette orbitaal. Excitatie van een lager gelegen elektron vereist fotonen met zeer hoge energie (bijvoorbeeld X-stralen). Bij interactie met zichtbaar licht of UV-stralen kan het 3s-elektron een overgang maken naar hogere energieniveaus, wat straling met een specifieke energie vereist. Het analyseren van de geabsorbeerde golflengten leidt tot een lijnenspectrum. Experimenteel worden scherpe absorptiepieken waargenomen voor overgangen van 3s naar 3p en van 4s naar 4p [10](#page=10). ##### Molecuulspectra Absorptie van straling door moleculen is complexer dan bij atomen, omdat er veel meer mogelijke potentiële energietoestanden zijn. De totale energie van een molecuul ($E_{tot}$) is de som van elektronische energie ($E_{el}$), vibratie-energie ($E_{vib}$) en rotatie-energie ($E_{rot}$) [10](#page=10): $$E_{tot} = E_{el} + E_{vib} + E_{rot}$$ [10](#page=10). * **Rotatie-energie ($E_{rot}$):** Hangt samen met de rotatiesnelheid van het molecuul om zijn as [10](#page=10). * **Vibratie-energie ($E_{vib}$):** Bepaald door het trillen van atomen binnen het molecuul [10](#page=10). * **Elektronen-energie ($E_{el}$):** Komt overeen met de energie van de elektronen in de molecuulorbitalen [10](#page=10). Deze energievormen zijn gekwantiseerd [10](#page=10). Absorptie van straling kan leiden tot: * Een elektronische overgang naar een hoger energieniveau. * Een verhoging van de vibratie-energie van de atomen. * Een verhoging van het rotatie-energieniveau. Hierbij geldt de relatie: $\Delta E_{el} >> \Delta E_{vib} >> \Delta E_{rot}$ [11](#page=11). * Absorptie die alleen rotaties beïnvloedt, vindt plaats in het verre infrarood [11](#page=11). * Absorptie die alleen vibraties beïnvloedt, betreft infraroodstraling [11](#page=11). * Elektronische excitatie gaat gepaard met absorptie van zichtbaar of ultraviolet licht [11](#page=11). Vaak treden absorpties gecombineerd op: elektronen worden geëxciteerd, terwijl tegelijkertijd vibratie- en rotatie-energie worden opgenomen. Rotatie-absorptie treedt voornamelijk op bij moleculen in gasvorm, waar vrije rotatie mogelijk is. In veel praktijksituaties met opgeloste stoffen kunnen moleculen niet vrij roteren, waardoor voornamelijk vibratieniveaus, samen met elektronische excitatie, het absorptiespectrum bepalen. Dit leidt tot spectra met een groot aantal absorptielijnen en kleine golflengteverschillen, wat resulteert in een continu spectrum. In plaats van een lijnenspectrum spreekt men hier van een bandenspectrum [11](#page=11). > **Voorbeeld:** Het absorptiespectrum van $\text{KMnO}_4$ is continu maar vertoont afzonderlijke pieken die ontstaan uit extra vibratie-overgangen [11](#page=11). --- # Moleculaire spectroscopie Moleculaire spectroscopie onderzoekt de interactie tussen elektromagnetische straling en moleculen om hun structuur en concentratie te bepalen [13](#page=13). ### 2.1 UV-vis spectrometrie UV-Vis spectrometrie maakt gebruik van het golflengtebereik van ongeveer 250 nm tot 1000 nm, inclusief het zichtbare licht (380-780 nm) en ultraviolet licht (< 380 nm) [13](#page=13). #### 2.1.1 De wet van Lambert-Beer De wet van Lambert-Beer beschrijft de relatie tussen de extinctie (absorptie) van licht en de concentratie van een stof in een oplossing, evenals de lengte van het lichtpad [13](#page=13). De intensiteit van het invallende licht ($I_0$) kan worden uitgedrukt als de som van geabsorbeerd ($I_a$), getransmitteerd ($I_t$), gereflecteerd ($I_r$) en verstrooid licht ($I_s$): $I_0 = I_a + I_t + I_r + I_s$ [13](#page=13). Om reflectie en verstrooiing te compenseren, wordt een blanco gebruikt. De wet wordt dan $I_0 = I_a + I_t$ [13](#page=13). De wet van Lambert relateert de transmissie aan het lichtpad ($b$): $$I_t = I_0 \cdot 10^{-kb c}$$ Waarbij $k$ een constante is [14](#page=14). Transmissie ($T$) en procentuele transmissie ($T\%$) worden gedefinieerd als: $$T = \frac{I_t}{I_0}$$ $$T\% = \frac{I_t}{I_0} \cdot 100\%$$ Absorptie ($A$), ook wel extinctie of absorbantie genoemd, is gedefinieerd als: $$A = \log \frac{I_0}{I_t} = \log \frac{1}{T}$$ Hieruit volgt: $$A = k \cdot b \cdot c$$ De wet van Beer relateert de absorptie aan de concentratie ($C$): $$A = k_2 \cdot C$$ Gecombineerd leidt dit tot de wet van Lambert-Beer: $$A = k' \cdot b \cdot C$$ De evenredigheidsconstante ($k'$) wordt gespecificeerd als: * **Specifieke absorptiecoëfficiënt ($a$):** Wanneer $C$ in g/L en $b$ in cm wordt uitgedrukt. $A = a \cdot b \cdot C$ [15](#page=15). * **Molaire absorptiecoëfficiënt ($\epsilon$):** Wanneer $C$ in mol/L wordt uitgedrukt. $A = \epsilon \cdot b \cdot C$. Hierbij geldt $\epsilon = a \cdot M$, waar $M$ de molaire massa is [15](#page=15). De wet van Lambert-Beer geldt onder de volgende voorwaarden: * Monochromatisch licht [15](#page=15). * "Optisch lege" vloeistoffen (geen lichtverstrooiende deeltjes) [15](#page=15). * Constante temperatuur en pH [15](#page=15). * Niet te geconcentreerde oplossing [15](#page=15). In de farmaceutische chemie wordt de specifieke absorptie $A_{1cm}^{1\%}$ gebruikt, wat de absorptie is van een 1% (m/V) oplossing bij een lichtpad van 1 cm [16](#page=16). #### 2.1.2 Apparatuur Een spectrofotometer bestaat uit de volgende basiscomponenten: 1. **Lichtbron/stralingsbron:** Zorgt voor de uit te zenden straling. Continue bronnen zenden licht uit over een breed golflengtebereik (bv. wolfraamlamp voor zichtbaar/nabij-IR, 250-2500 nm ), terwijl lijnbronnen specifieke golflengten uitzenden. Deuteriumlampen worden gebruikt voor UV-spectroscopie (180-375 nm) [16](#page=16) [17](#page=17). 2. **Golflengteselectie:** Scheidt monochromatisch licht af uit het spectrum van de lichtbron. Dit kan met: * **Filters:** Absorptiefilters (gekleurd glas/gelatine) en interferentiefilters (gebaseerd op interferentie). Interferentiefilters hebben een kleinere bandbreedte [18](#page=18). * **Monochromators:** Splitsen licht op in golflengten en laten een selectief deel door, essentieel voor het scannen van spectra. Dit kan met een prisma (dispersie gebaseerd op brekingsindex die golflengteafhankelijk is) of een rooster (dispersie gebaseerd op buiging en interferentie). De bandbreedte van het monochromatische licht wordt bepaald door de slitopening van de monochromator [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). 3. **Cuvettenhuis met cuvetten:** Houdt de te meten oplossingen. Cuvetten zijn verkrijgbaar in glas, kwarts (voor UV) of kunststof, met verschillende volumes en lichtpadlengtes (meestal 1 cm) [20](#page=20). 4. **Detector:** Vangt het doorgaande licht op en zet lichtenergie om in elektrische energie. Voorbeelden zijn fotocellen, fotovermenigvuldigingsbuizen en Si-fotodiodes. Si-fotodiodes kunnen in diode-arrays worden geplaatst om spectraat een moment op te nemen [21](#page=21) [22](#page=22). 5. **Meetversterker met uitlezing:** Versterkt het signaal van de detector en geeft de resultaten weer als absorptie ($A$) of procentuele transmissie ($T\%$), en kan soms direct concentraties weergeven [22](#page=22). #### 2.1.3 Toepassingen * **Opname van het absorptiespectrum:** Bepaalt de optimale golflengte (werkgolflengte) voor kwantitatieve analyse, die overeenkomt met de maximale absorptie ($\lambda_{max}$) [23](#page=23). * **Kwantitatieve bepaling:** * Voorbereiden van een stockoplossing en een reeks standaarden met bekende concentraties [23](#page=23). * Meting van de absorptie van standaarden en onbekende monsters bij de werkgolflengte [23](#page=23). * **Wiskundige berekening:** De molaire absorptiecoëfficiënt ($\epsilon$) wordt berekend uit de standaarden ($c = A / (\epsilon \cdot b)$). De concentratie van onbekende oplossingen wordt vervolgens berekend [24](#page=24). * **Grafische bepaling (ijkcurve):** Absorptiewaarden worden uitgezet tegen concentraties om een lineaire regressielijn te verkrijgen ($y=ax+b$). De concentratie van onbekende oplossingen wordt afgelezen op basis van hun absorptiewaarden [24](#page=24). * **Meercomponentenanalyse:** De totale absorptie bij een bepaalde golflengte is de som van de absorpties van de individuele componenten. Metingen bij meerdere golflengten zijn nodig om de concentraties van meerdere componenten te bepalen [25](#page=25). * **Fotometrische titraties:** De absorptie wordt gemeten tijdens een titratie om het eindpunt vast te leggen. De titratiecurve toont de absorptie als functie van het toegevoegde volume titrans, met twee rechte lijnen die elkaar snijden bij het equivalentiepunt [26](#page=26). ### 2.2 Fluorescentiespectrometrie (fluorimetrie) Fluorescentie is een vorm van luminescentie waarbij geabsorbeerde energie wordt uitgestraald als licht, met een korte vertraging (10$^{-8}$ tot 10$^{-4}$ s) na absorptie [27](#page=27). #### 2.2.1 Principe (Jablonski diagram) Moleculen die UV- of zichtbare straling absorberen, gaan over naar een hogere energietoestand (S$_1$ of S$_2$) [27](#page=27). * **Vibrationele relaxatie (VR):** Snel verval naar het laagste vibrationele niveau van de geëxciteerde elektronische toestand (bv. van S$_2$ naar S$_1$) [27](#page=27). * **Interne conversie (IC):** Stralingsloos verval van een geëxciteerde elektronische toestand naar een lagere elektronische toestand met dezelfde energie [27](#page=27). * **Fluorescentie:** Stralingsemissie vanuit de laagste vibrationele toestand van de eerste geëxciteerde singlettoestand (S$_1$) naar de grondtoestand (S$_0$) [28](#page=28). * **Intersystem crossing (ISC):** Overgang van een singlettoestand (S$_1$) naar een triplettoestand (T$_1$) [28](#page=28). * **Fosforescentie:** Lichtemissie vanuit de triplettoestand (T$_1$) naar de grondtoestand (S$_0$), met een langere vertraging dan bij fluorescentie (seconden tot minuten) [28](#page=28). #### 2.2.2 Absorptie en emissie Fluorescentiespectrometrie kent twee spectra: * **Absorptie- of excitatiespectrum:** Absorptie als functie van de golflengte [28](#page=28). * **Emissiespectrum:** Fluorescentie-intensiteit als functie van de golflengte [28](#page=28). Kenmerken van fluorescentie: * **Stokes' shift:** Emissie vindt plaats bij lagere energieën (langere golflengten) dan absorptie door vibrationele relaxatie [28](#page=28). * Hetzelfde emissiespectrum wordt meestal verkregen onafhankelijk van de excitatiegolflengte [28](#page=28). * Emissiespectra zijn vaak een spiegelbeeld van de absorptiespectra [28](#page=28). #### 2.2.3 Emissie-intensiteit en concentratie De fluorescentie-intensiteit ($I_f$) is recht evenredig met de concentratie ($c$) bij lage concentraties: $$I_f = k \cdot I_0 \cdot \Phi_f \cdot (1 - 10^{-abc})$$ Waarbij $k$ een evenredigheidsfactor, $I_0$ de invallende intensiteit, $\Phi_f$ de kwantumopbrengst, $a$ de absorptiecoëfficiënt en $b$ de cellengte zijn [29](#page=29). Bij lage concentraties kan dit benaderd worden als: $$I_f = k \cdot I_0 \cdot \Phi_f \cdot 2.303 \cdot a \cdot b \cdot c$$ **Quenching** kan de fluorescentie-intensiteit verlagen [29](#page=29). #### 2.2.4 Verband tussen structuur en fluorescentie Fluorescentie treedt vooral op bij aromatische moleculen met een starre, vlakke, multicyclische structuur [29](#page=29). * **Elektronenpaardonoren** (bv. -OH, -NH$_2$) versterken fluorescentie [29](#page=29). * **Elektronenzuigende groepen** (bv. -COOH, -NO$_2$) verminderen fluorescentie [29](#page=29). * De pH van de oplossing kan de fluorescentie beïnvloeden [29](#page=29). #### 2.2.5 Apparatuur Een fluorimeter lijkt op een spectrofotometer, maar met een belangrijke afwijking: de fluorescentie wordt gemeten onder een hoek van 90° ten opzichte van het invallende licht [30](#page=30). Een fluorimeter bevat twee monochromators: * **Excitatiemonochromator:** Tussen lichtbron en monster [30](#page=30). * **Emissiemonochromator:** Tussen monster en detector [30](#page=30). #### 2.2.6 Analytische toepassingen Fluorescentie is een gevoelige techniek met lage detectielimieten en hoge selectiviteit door karakteristieke absorptie- en emissiespectra. De analytische procedure omvat het opnemen van excitatiespectra, het bepalen van maximale golflengten, het instellen van de apparatuur, en het meten van standaarden en onbekende oplossingen [30](#page=30) [31](#page=31). ### 2.3 Infraroodspectrometrie (IR) Infraroodspectrometrie bestudeert de absorptie van infraroodstraling (780 nm tot 300.000 nm, meestal geconcentreerd op 2.5 tot 250 µm) door moleculen. Golflengten worden vaak uitgedrukt als golfgetal ($\bar{\nu} = 1/\lambda$) in cm$^{-1}$, en de resultaten worden doorgaans weergegeven als procentuele transmissie [32](#page=32). #### 2.3.1 Absorptie van infraroodstraling Moleculen met covalente bindingen kunnen IR-straling absorberen, wat leidt tot hogere rotationele (grotere golflengten > 100 µm) of vibrationele energietoestanden (1-100 µm) [32](#page=32). #### 2.3.2 Moleculaire vibraties IR-absorptie vereist een verandering in dipoolmoment tijdens de vibratie. Apolaire bindingen absorberen geen IR [32](#page=32). Belangrijke vibratietypes zijn: * **Rekvibraties:** Verandering in bindingslengte (symmetrisch, asymmetrisch) [32](#page=32). * **Buigvibraties:** Verandering in bindingshoek (schaar-, schommel-, wring-, schudbeweging) [32](#page=32). Voorbeelden zijn de vibraties in CO$_2$ en watermoleculen [33](#page=33). * **Grondtoon/fundamentele absorptie:** Overgang naar de eerste geëxciteerde vibrationele toestand [33](#page=33). * **Overtonen:** Overgangen naar hogere vibrationele toestanden (zwakker, nabij-IR) [33](#page=33). * **Combinatiebanden:** Som van fundamentele frequenties [33](#page=33). Factoren die de vibratiefrequentie beïnvloeden: * **Bindingsterkte en -lengte:** Sterkere, kortere bindingen leiden tot hogere vibratie-energie. Hybrideatie en conjugatie spelen een rol [33](#page=33). * **Atoommassa:** Zwaardere atomen leiden tot lagere vibratie-energie [33](#page=33). Functionele groepen vertonen karakteristieke absorpties (groepsvibraties/groepsfrequenties), bv. de carbonylgroep (-C=O) absorbeert rond 1700 cm$^{-1}$. Het gebied van 4000-1300 cm$^{-1}$ is kenmerkend voor functionele groepen, terwijl het gebied van 1300-600 cm$^{-1}$ (fingerprintgebied) unieke patronen voor individuele moleculen vertoont (skeletvibraties) [33](#page=33) [34](#page=34). #### 2.3.3 Apparatuur Er zijn twee typen IR-spectrofotometers: * **Dispersieve IR spectrofotometer:** Een dubbelstraalinstrument met een monochromator. Gebruikt spiegels voor optische elementen omdat glas en kwarts IR-straling absorberen. Zoutenkristallen (KBr, CsCl, NaCl) worden gebruikt voor cuvetten en lenzen. Detectoren zijn vaak thermisch (bv. temperatuursgevoelige weerstand) [35](#page=35). * **Fourier-transformatie-IR-spectrometrie (FTIR):** Een enkelstraalsinstrument dat spectraat een keer opneemt met een interferometer (bv. Michelson-interferometer). Dit leidt tot snellere metingen, hogere gevoeligheid en grotere nauwkeurigheid in frequentiemeting. De computer analyseert het interferogram met een Fourier-transformatie om het IR-spectrum te verkrijgen [36](#page=36) [37](#page=37). --- # Atoomatoomspectrometrie Atoomatoomspectrometrische methoden omvatten technieken die gebruikmaken van de absorptie, emissie of fluorescentie van UV-Vis-straling door vrije atomen in de gasfase om de elementaire samenstelling van een monster te bepalen [38](#page=38). ### 3.1 Inleiding tot atomaire spectrometrie Bij atomaire spectrometrische technieken worden verbindingen eerst ontleed tot hun atomen, een proces dat atomisatie wordt genoemd. De daaropvolgende meting van de interactie van deze atomen met elektromagnetische straling in het UV-Vis-gebied maakt kwantitatieve analyse mogelijk. De drie belangrijkste typen atomaire spectroscopische technieken zijn [38](#page=38): * **Atomaire Absorptie Spectroscopie (AAS):** Gebaseerd op de absorptie van fotonen door atomen in de grondtoestand [38](#page=38). * **Atomaire Emissie Spectroscopie (AES):** Gebaseerd op de emissie van fotonen door geëxciteerde atomen [38](#page=38). * **Atomaire Fluorescentie Spectroscopie (AFS):** Gebaseerd op de absorptie van fotonen door grondtoestandatomen, gevolgd door de emissie van fotonen vanuit een geëxciteerde toestand [38](#page=38). #### 3.1.1 Toegelaten elektronentransities in een atoom De spectra in het UV- en visuele gebied worden bepaald door de valentie-elektronen, de elektronen in de buitenste schil van een atoom. Niet alle overgangen tussen energieniveaus van deze elektronen zijn toegestaan; ze moeten voldoen aan specifieke selectieregels [38](#page=38). * **Selectieregels:** * Voor de verandering in het nevenkwantumgetal $l$: $\Delta l = -1$ of $+1$. Dit betekent dat s $\rightarrow$ p overgangen zijn toegestaan, terwijl s $\rightarrow$ s ($\Delta l = 0$) of s $\rightarrow$ d ($\Delta l = 2$) overgangen niet zijn toegestaan [38](#page=38). * Voor de verandering in het magnetisch kwantumgetal $m$: $\Delta m = -1$, 0, of $+1$ [38](#page=38). Transities die de grondtoestand betrekken zijn over het algemeen het meest intens. De **resonantielijn** is de meest intense lijn in het absorptie- of emissiespectrum en correspondeert met de overgang tussen de grondtoestand en het laagste excitatieniveau [38](#page=38) [39](#page=39). ### 3.2 Atoomabsorptiespectrometrie (AAS) AAS is een techniek die gebruikmaakt van de absorptie van UV- of zichtbare straling door vrije atomen in de gasfase. De intensiteit van de geabsorbeerde straling is recht evenredig met de concentratie van vrije atomen in het monster [40](#page=40). #### 3.2.1 Atomisatie Aangezien vrije atomen zelden stabiel voorkomen in oplossingen of vaste stoffen, moeten ze eerst worden gevormd door het monster op te warmen tot hoge temperaturen. De twee meest gebruikte atomisatiemethoden in AAS zijn vlamatomisatie (F-AAS) en elektrothermische atomisatie met een grafietoven (GF-AAS). Het proces van atomisatie vanuit een oplossing omvat de volgende stappen [40](#page=40): 1. **Desolvatatie:** Verdamping van het oplosmiddel (bv. CuCl$_{2, \text{aq}}$ $\rightarrow$ CuCl$_{2, \text{vast}}$) [40](#page=40). 2. **Vervluchtigen:** Omzetting van het analyt naar de gasfase (bv. CuCl$_{2, \text{vast}}$ $\rightarrow$ CuCl$_{2, \text{gas}}$) [40](#page=40). 3. **Dissociatie:** Ontbinding van het analyt in vrije atomen (bv. CuCl$_{2, \text{gas}}$ $\rightarrow$ Cu$_{\text{gas}}$ + 2 Cl$_{\text{gas}}$) [40](#page=40). 4. **Ionisatie:** Bij voldoende energie kan ionisatie optreden (bv. Cu$_{\text{gas}}$ $\rightarrow$ Cu$^{+}_{\text{gas}}$). Dit is ongewenst in AAS en wordt vermeden door de temperatuur van de vlam of oven aan te passen [40](#page=40). #### 3.2.2 Apparatuur Een atoomabsorptiespectrometer bestaat uit de volgende componenten [41](#page=41): * **Lichtbron:** Continue lichtbronnen zijn ongeschikt omdat de absorptielijnen van atomen zeer smal zijn (ca. 0,01 nm). Een ideale lichtbron zendt straling uit met een bandbreedte kleiner dan of gelijk aan de absorberende spectrale lijn [41](#page=41). * **Holle kathodelamp (HCL):** De meest gebruikte lichtbron. Deze zendt specifieke golflengten uit die geabsorbeerd kunnen worden door het te meten element. De lamp bevat een kathode van het te meten metaal en een edelgas (bv. neon of argon). Een spanning ioniseert het edelgas, de ionen bombarderen de kathode waardoor metaalatomen vrijkomen en geëxciteerd raken door botsingen. Bij terugkeer naar de grondtoestand zenden deze atomen straling uit die overeenkomt met het spectrum van het kathodemateriaal. De emissielijnen zijn zeer scherp en hebben dezelfde golflengtes als de absorptielijnen van het analyt. Een beperking is dat voor elk element een aparte lamp nodig is. Multi-elementlampen, gemaakt van legeringen, zijn ook beschikbaar [41](#page=41). * **Atoomcel:** Hier vindt de daadwerkelijke atomisatie plaats. Het monster wordt omgezet in neutrale atomen in de gasvormige toestand. Dit vereist energie, meestal in de vorm van hoge temperaturen (2000-5000 K), geleverd door een vlam of een grafietbuis [42](#page=42). * **Atomisatie met vlam (F-AAS):** Een monsteroplossing wordt met een verstuiver in de vlam gebracht. Vaste stoffen moeten eerst worden opgelost via een destructie-, digestie- of ontsluitingsprocedure. Een vlamatomisator bevat een opzuigsysteem, een verstuivingskamer (voor aerosolvorming en druppelselectie) en een brander. Een gleufvormige brander ("slot burner") wordt vaak gebruikt voor een grotere optische weglengte ($b$), wat de gevoeligheid verhoogt volgens de wet van Lambert-Beer. De vlam levert de benodigde hitte (bv. acetyleen/lucht vlam bij ca. 2500 K, lachgas/acetyleen vlam bij ca. 3955 K). De meting moet plaatsvinden op een hoogte in de vlam waar de atomisatie volledig is. Gevoeligheid ligt in het ppm-bereik. Voordeel is reproduceerbaarheid, nadelen zijn de hoge flow rate van monster en het verlies van druppels groter dan 1-5 µm in de verstuiver [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Elektrothermische atomisatie met grafietoven (GF-AAS):** Deze methode biedt hogere gevoeligheid en vereist minder monster (5-50 µl). Het monster wordt geïnjecteerd in een grafietbuisje dat elektrisch wordt verhit. Het proces verloopt in meerdere stappen [44](#page=44): 1. **Drogen:** Residu vorming bij 110-200 °C [44](#page=44). 2. **Verassing/Pyrolyse:** Matrixcomponenten worden verwijderd (350-1200 °C) [44](#page=44). 3. **Atomi s atie:** Zeer snelle temperatuurverhoging tot 2000-3000 °C voor de vorming van atomen; de absorptie wordt hier gemeten [44](#page=44). De gehele cyclus duurt ca. 45-90 seconden. Argon gas spoelt het buisje tijdens drogen en pyrolyse, maar wordt doorgaans weggelaten tijdens atomisatie om afkoeling en snelle verdwijning van atomen te voorkomen. Een externe gasstroom beschermt tegen oxidatie. GF-AAS heeft een hogere gevoeligheid (ppb-bereik) en lagere detectielimieten dan F-AAS, maar een mindere precisie [44](#page=44) [45](#page=45). * **Monochromator:** Scheidt de gewenste golflengte van andere emissielijnen van de lamp of het vulgas. De spleetbreedte is instelbaar en typisch 0,1-1,0 nm [41](#page=41) [45](#page=45). * **Detector:** Detecteert de geselecteerde straling, versterkt deze en geeft een signaal. Meestal wordt een fotomultiplier gebruikt [46](#page=46). #### 3.2.3 Toepassingen * **Welke elementen?:** AAS kan in principe alle elementen meten die absorptielijnen vertonen in het golflengtegebied van 200-1000 nm. Lagere golflengtes (< 200 nm) zijn problematisch door absorptie door lucht en optische componenten. Hogere golflengtes (> 1000 nm) zijn beperkt door de gevoeligheid van de detector. AAS is daardoor voornamelijk geschikt voor de bepaling van metalen [46](#page=46). * **Kwalitatieve analyse:** Moeilijk uitvoerbaar vanwege de noodzaak voor specifieke HCL's per element en golflengtewisselingen [46](#page=46). * **Kwantitatieve analyse:** Wordt uitgevoerd door de absorptie van een verzwakte lichtbundel te meten na interactie met het monster. De analyse verloopt analoog aan spectrophotometrie, waarbij de wet van Lambert-Beer geldt [46](#page=46). * De wet van Lambert-Beer voor AAS kan worden uitgedrukt als: $$ A = \log\left(\frac{I_0}{I}\right) = a \cdot b \cdot c \cdot k $$ Waarbij: * $A$ = absorptie [46](#page=46). * $I_0$ = intensiteit van invallend licht [46](#page=46). * $I$ = intensiteit van doorgelaten licht [46](#page=46). * $a$ = atomaire absorptiecoëfficiënt [47](#page=47). * $b$ = lengte van de brander [46](#page=46). * $c$ = concentratie in oplossing [46](#page=46). * $k$ = een evenredigheidsfactor afhankelijk van het instrument [46](#page=46). * $k'$ = een evenredigheidsconstante vastgesteld door kalibratie [47](#page=47). Het apparaat wordt geijkt met een blanco-oplossing en vervolgens worden de absorptiewaarden van onbekende oplossingen gemeten [46](#page=46). ### 3.3 Vlamemissie Spectroscopie (Vlamfotometrie) Vlamemissie maakt gebruik van de emissie van UV- en vis-straling door atomen die zich in een geëxciteerde toestand bevinden binnen een vlam [48](#page=48). #### 3.3.1 Principe Bij verhitting in een vlam kunnen valentie-elektronen kinetische energie opnemen door botsingen en naar hogere energieniveaus springen, waardoor het atoom zich in een aangeslagen toestand bevindt. Slechts een fractie van de atomen wordt aangeslagen, wat beschreven kan worden met de Maxwell-Boltzmann verdeling [48](#page=48): $$ N_i = N_0 \cdot e^{-\frac{E_i - E_0}{kT}} $$ Waarbij: * $N_i$ = aantal atomen in aangeslagen toestand $E_i$ [48](#page=48). * $N_0$ = aantal atomen in de grondtoestand $E_0$ [48](#page=48). * $k$ = constante van Boltzmann ($1,38 \times 10^{-23}$ J/K) [48](#page=48). * $T$ = absolute temperatuur [48](#page=48). Een stabiel dynamisch evenwicht treedt op waarbij evenveel atomen hun energie verhogen als dat geëxciteerde atomen hun energie afstaan. Energieafgifte kan plaatsvinden door emissie van fotonen, wat resulteert in de uitzending van licht van specifieke golflengtes die karakteristiek zijn voor elk element. De intensiteit van dit uitgezonden licht is, tot op zekere hoogte, kenmerkend voor de concentratie van het element [48](#page=48) [49](#page=49). #### 3.3.2 Apparatuur Een vlamfotometer vertoont veel gelijkenissen met een AAS-spectrometer [49](#page=49). * **Brander-verstuiver:** Zet de monsteroplossing om in een aerosol, die vervolgens wordt gemengd met een brandbaar gasmengsel en in de vlam terechtkomt. Net als bij AAS worden grotere druppels (> 5 µm) verwijderd. Verschillende gasmengsels kunnen worden gebruikt om verschillende temperaturen te bereiken (bv. lucht-acetyleen ca. 2250 K, zuurstof-acetyleen ca. 3060 K) [49](#page=49) [50](#page=50). * **Monochromator:** Selecteert de specifieke golflengte van het uitgezonden licht via een filtersysteem, prisma of rooster [50](#page=50). * **Detector (fotocel):** Zet het uitgezonden licht om in een elektrisch signaal [50](#page=50). * **Meetversterker en uitlezing:** Het signaal wordt versterkt en digitaal of analoog weergegeven [50](#page=50). #### 3.3.3 Algemene werkwijze * **Kwalitatieve analyse:** Het volledige emissiespectrum wordt genoteerd om de aanwezigheid van specifieke atomen aan te tonen op basis van hun karakteristieke golflengten [50](#page=50). * **Kwantitatieve analyse:** Er wordt een verdunningsreeks gemaakt van een stockoplossing om een ijklijn (concentratie versus uitgezonden lichtintensiteit) op te stellen in het lineaire gebied. Onbekende monsters worden gemeten en hun concentraties worden bepaald aan de hand van de ijklijn. Bij hogere concentraties kan zelfabsorptie optreden, waardoor de curve afbuigt [51](#page=51). #### 3.3.4 Toepassingsgebied Vlamemissie is vooral geschikt voor elementen met een intens emissiespectrum, zoals de alkalimetalen (Li, Na, K, Cs) en aardalkalimetalen (Ca, Mg, Sr, Ba) [51](#page=51). #### 3.3.5 Mogelijke fouten Fouten kunnen optreden door veranderingen in de vlam, zoals schommelingen in gasdebieten, debietveranderingen in de verstuiver, of vervuiling van de brander. Ionisatie is een ongewenst fenomeen, vooral bij gemakkelijk ioniseerbare alkalimetalen, en wordt geminimaliseerd door een lagere vlamtemperatuur te gebruiken [51](#page=51) [52](#page=52). ### 3.4 Inductief Gekoppeld Plasma - Atoomemissie Spectrometrie (ICP-AES) ICP-AES is een emissietechniek die, net als vlamemissie, gebruikmaakt van geëxciteerde atomen die licht uitzenden bij terugkeer naar de grondtoestand, maar dan met een veel hetere argonplasma als excitat iebron [52](#page=52). #### 3.4.1 Principe Het principe is identiek aan vlamemissie: atomisatie en excitatie van het monster bij hoge temperaturen, gevolgd door emissie van fotonen. Echter, ICP bereikt temperaturen tot 10000 K, wat resulteert in een grotere fractie van aangeslagen atomen dan bij vlamemissie (max. 4000 K). Dit maakt ICP-AES geschikt voor een breed scala aan elementen en maakt het een multi-element techniek. Het monster wordt als aerosol geïntroduceerd in het plasma, waar het gedesolvateerd, gedissocieerd en geatomiseerd wordt. Bij terugkeer naar de grondtoestand zenden de atomen fotonen uit waarvan de golflengte karakteristiek is voor elk element. Kwantitatieve analyse gebeurt via kalibratie met ijkoplossingen, waarbij een lineair verband bestaat tussen emissie-intensiteit en metaalconcentratie over een breed bereik (4 tot 6 ordegroottes) [52](#page=52) [53](#page=53). #### 3.4.2 Instrumentatie De instrumentatie omvat [52](#page=52): * **Verstuiver:** Zet de monsteroplossing om in een aerosol die via argondragersgas in het plasma wordt geïnjecteerd. Een verstuivingskamer selecteert de kleinste druppeltjes (< 10 µm) [52](#page=52). * **Plasmatoorts:** Bestaat uit drie concentrische kwartsbuizen waar argon gas doorheen stroomt (koelgas, hulpgas, dragersgas). Een watergekoelde inductiespoel met hoogfrequente wisselstroom genereert een magnetisch veld dat elektronen versnelt en het argonplasma in stand houdt. De toorts kan verticaal (radiale observatie) of horizontaal (axiale observatie) geplaatst worden; axiale observatie is gevoeliger [53](#page=53). * **Multielement detector:** Een scannende monochromator met een enkele detector kan meerdere elementen analyseren door de golflengte afzonderlijk te meten. Alternatief kan een CCD-detector (Charge Coupled Device) worden gebruikt, die een volledig spectrum in een breed golflengtegebied kan detecteren [54](#page=54). ### 3.5 Inductief Gekoppeld Plasma - Massa Spectrometrie (ICP-MS) ICP-MS is een zeer gevoelige techniek voor het meten van spoor-elementen (ng/l niveaus en lager), die de ICP-bron combineert met een massaspectrometer [54](#page=54). #### 3.5.1 Principe ICP-AES meet elementen in µg/l niveaus, terwijl ICP-MS nodig is voor lagere concentraties zoals Cd, Pb, en Hg in water en voedingsmiddelen. Het ICP-gedeelte blijft identiek aan ICP-AES, maar de detector is een massaspectrometer. De atomen in het plasma zijn grotendeels geïoniseerd (bv. Cd $\rightarrow$ Cd$^+$). De massaspectrometer scheidt deze ionen op basis van hun massa/ladingverhouding [54](#page=54) [55](#page=55). #### 3.5.2 Instrumentatie De instrumentatie omvat de verstuiver, verstuivingskamer en plasma (identiek aan ICP-AES), een overgang tussen het plasma (atmosferische druk) en de massaspectrometer (hoog vacuüm), en de massaspectrometer zelf met een ionvermenigvuldiger als detector. Een veelgebruikte massaspectrometer is de quadrupool, waarbij een wisselend elektrisch veld tussen polen zorgt dat alleen ionen met een specifieke massa/ladingverhouding een stabiel traject naar de detector maken. Door de spanning te variëren, kan het massaspectrum worden afgescand [55](#page=55) [56](#page=56). #### 3.5.3 Analytische kenmerken ICP-MS is een multi-element techniek die de bepaling van een breed gamma elementen mogelijk maakt met concentraties tot in het sub-µg/l gebied. De detectielimieten van ICP-MS zijn significant lager dan die van ICP-AES en GF-AAS [56](#page=56) [57](#page=57). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Elektromagnetische straling (EM-straling) | Een vorm van energie die zich voortplant als een golf en bestaat uit oscillerende elektrische en magnetische velden, zoals zichtbaar licht, UV-straling en infraroodstraling. | | Absorptie | Het proces waarbij materie elektromagnetische straling opneemt, waardoor de energie van de straling wordt omgezet in interne energie van de materie. | | Emissie | Het proces waarbij materie elektromagnetische straling uitzendt, vaak als gevolg van de terugval van aangeslagen deeltjes naar een lagere energietoestand. | | Spectrometrie | Een analytische techniek die gebruik maakt van de interactie tussen elektromagnetische straling en materie om stoffen te identificeren of te kwantificeren, door de absorptie of emissie van straling te meten. | | Moleculaire spectroscopie | Een tak van spectroscopie die zich richt op de interactie van straling met moleculen, met methoden zoals UV-Vis, fluorescentie en infraroodspectrometrie. | | Atoomatoomspectrometrie | Een tak van spectroscopie die zich richt op de interactie van straling met atomen, met methoden zoals Atoomabsorptie Spectroscopie (AAS) en Vlamemissie Spectroscopie. | | Golflengte ($\lambda$) | De afstand tussen twee opeenvolgende toppen of dalen van een golf, die de energie en kleur van elektromagnetische straling bepaalt. Gemeten in meters (m), nanometers (nm) of micrometers (µm). | | Frequentie ($\nu$) | Het aantal golven dat per seconde een punt passeert, gerelateerd aan de golflengte en de lichtsnelheid. Gemeten in Hertz (Hz). | | Wet van Lambert-Beer | Een fundamentele wet in de spectrometrie die stelt dat de absorptie van licht evenredig is met de concentratie van de absorberende stof en de lengte van het lichtpad door de oplossing. | | Cuvet | Een speciaal recipiënt, meestal gemaakt van glas of kwarts, dat wordt gebruikt om monsters (oplossingen) in een spectrofotometer te plaatsen voor meting. | | Monochromator | Een optisch apparaat dat een brede lichtbundel opsplitst in zijn samenstellende golflengten en een nauwkeurig ingestelde, smalle bandbreedte van licht selecteert. | | Detector | Een instrument dat licht omzet in een elektrisch signaal, dat vervolgens kan worden gemeten en geanalyseerd om de intensiteit van de straling te bepalen. | | Atoomatoomspectroscopie (AAS) | Een techniek voor elementanalyse waarbij de absorptie van UV-vis straling door vrije atomen in de gasfase wordt gemeten. | | Vlamemissie | Een techniek waarbij atomen in een hete vlam worden geëxciteerd en vervolgens licht uitzenden bij terugval naar de grondtoestand, wat wordt gemeten voor kwantitatieve analyse. | | Inductief Gekoppeld Plasma (ICP) | Een techniek die gebruik maakt van een plasma met zeer hoge temperaturen om atomen te atomiseren en te exciteren, gevolgd door emissie- of massaspectrometrische analyse. | | Interferogram | Een signaal dat wordt verkregen bij Fourier-transformatie-IR (FTIR) spectroscopie, waarbij de intensiteit van de geregistreerde straling wordt uitgezet tegen de tijd of de beweging van een spiegel, en dat de informatie van het infraroodspectrum bevat. | | Moleculaire vibraties | De bewegingen van atomen binnen een molecuul die resulteren in veranderingen in bindingslengten (rekvibraties) of bindingshoeken (buigvibraties), welke kunnen leiden tot absorptie van infraroodstraling. | | Bandenspectrum | Een absorptie- of emissiespectrum dat bestaat uit brede banden in plaats van scherpe lijnen, typisch voor moleculaire absorptie spectra waarbij vibratie- en rotatieovergangen optreden. |