Spektroskopie

Animace rozkladu světla pomocí optického hranolu.

Spektroskopie je fyzikální obor zabývající se vznikem a vlastnostmi spekter. Je to metoda založená na interakci elektromagnetického záření se vzorkem.

Historie

Zakladatelem spektroskopie je sir Isaac Newton, který pomocí optického hranolu objevil monochromatické světlo. Také si všiml, že čím čistější monochromatické světlo získává, tím slabší je jeho intenzita. Tato skutečnost je pravdou, kterou překonaly až lasery a synchrotrony. První spektrometr vytvořili Kirchhoff a Bunsen v roce 1860.

Dělení

Spektroskopie se dá rozdělit podle několika hledisek.

• Prvním hlediskem může být typ interakce záření s hmotou. Atom nebo molekula mohou záření pohltit (absorpce), nebo může naopak uvolnit energii ve formě záření (emise), nebo může záření pohltit a po čase jej opět emitovat (fluorescence a fosforescence). Základní fyzikální vlastností látek je, že se jedná o záření určitých specifických vlnových délek. Absorbované nebo emitované spektrum není spojité, ale skládá se z mnoha linií (čar nebo pásů), které jsou specifické pro každou látku. Neexistují dvě chemicky odlišné látky mající stejné absorpční nebo emisní spektrum. V kapalné a pevné fázi pozorujeme spektra pásová. V plynné fázi mají spektra podobu separovaných linií v případě molekul sdružených do pásů. Ve vzdálené infračervené oblasti odpovídá každá linie změně rotace molekuly. Ve střední a blízké infračervené oblasti změně vibrace a rotace molekuly. Ve viditelné a ultrafialové oblasti spekter dochází k elektronovým změnám (přeskokům z orbitalů různých energií) ve vnějších slupkách molekulových a atomových orbitalů, v oblasti rentgenového záření ke změnám ve vnitřních slupkách atomů. Radioaktivní záření gama vede k přeskokům jaderných částic mezi jednotlivými energetickými hladinami jádra. Jak bylo zmíněno, vlnové délky linií odpovídajících těmto změnám v energii molekul a atomů jsou specifické podle druhu specie.
• Druhým hlediskem může být použitá vlnová délka, tedy typ záření. Rozdě­lení podle tohoto hlediska ukazuje tabulka:

Typ záření	Vlnočet (cm-1)	Frekvence	Energie (kJ/mol)	Interakce s hmotou
Záření gama (γ)	108 - 1010	3×1018 Hz - 3×1020 Hz	106 - 108	Rozpady atomových jader
Rentgenové záření (RTG)	106 - 108	3×1016 Hz - 3×1018 Hz	104 - 106	Ionizace
Ultrafialové záření (UV)	104 - 106	3×1014 Hz - 3×1016 Hz	100 - 104	Přechody elektronů
Viditelné záření (VIS)	100 - 104	3×1012 Hz - 3×1014 Hz	1 - 100	Přechody elektronů
Infračervené záření (IR)	1 - 100	30 GHz - 3×1012	0,01 -1	Vibrace molekul
Mikrovlnné záření (MW)	0,01 - 1	300 MHz - 30 GHz	10−4 - 0,01	Rotace molekul
Rádiové záření (LW)	10−4 - 0,01	3 MHz - 300 MHz	10−6 - 10−4	Přechody jaderného spinu

Se zkracující se vlnovou délkou záření se zvyšuje jeho energie a také účinek záření na atomy, či molekuly je znatelnější. Zatímco radiové vlny svým dopadem ovlivní jen orientaci jaderného spinu a účinek na molekulu je téměř nulový, tak gama záření je schopno zničit i atomová jádra.

Analytická chemie a forenzní chemie využívají RTG záření, případně UV/VIS nebo IR spektroskopii. Fluorescence se používá například k zobrazování otisků a také k DNA značení při hledání otcovství.

Druhy

Lihový plamen a jeho spektrum

• Elektromagnetická spektroskopie – měření intenzity elektromagnetického záření v závislosti na frekvenci resp. vlnové délce. Do této oblasti spadá řada spektrálních oblastí a měřicích technik.

1. Ramanova spektroskopie je založena na měření spektra elektromagnetického záření rozptýleného díky Ramanově jevu (neelastický rozptyl), který způsobuje, že rozptýlené záření má mírně odlišnou vlnovou délku od dopadajícího záření kvůli předání části energie na vibračních přechodech molekuly. Tato spektroskopická technika poskytuje informace o struktuře a prostorovém uspořádání molekuly.
2. Spektrometrie s Fourierovou transformací je založena na matematické transformaci interferogramu (závislosti intenzity signálu na dráhovém rozdílu paprsků) získaného detekcí signálu vystupujícího z interferometru. Interferující paprsky putují přes kyvetu se vzorkem. Spektrometry Fourierova typu jsou v současné době poměrně hodně rozšířeny.
3. Infračervená spektroskopie (Zeslabený úplný odraz)
4. UV/VIS spektroskopie
5. Atomová absorpční spektroskopie
6. Rentgenová fluorescence
7. NMR spektroskopie využívající jaderné magnetické rezonance – určuje rozložení atomů v okolí jader s nenulovým jaderným spinem (¹H, ¹³C, ³¹P, …)
8. Spektroskopie využívající elektronové paramagnetické rezonance – měření částic obsahujících nepárové elektrony.

Literatura

• Prosser, Václav, Experimentální metody biofyziky, 1. vyd. Praha : Academia, 1989, ISBN 80-200-0059-3.
• Amesz A., Hoff, A.J. Biophysical Techniques in Photosynthesis. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 411 pp., (chapter 1-6, 9-11, 13, 18-20), 1996. ISBN 0-7923-3642-9.
• Atkins, P., de Paula, J. Fyzikální chemie. VŠCHT Praha, 1. vydání, 2013. ISBN 978-80-7080-830-6.
• Lakowicz R. J., Principles of Fluorescence Spectroscopy. 2006. ISBN 0-387-31278-1.
• Gauglitz, G., Vo-Dinh, T. Handbook of spectroscopy. 2014. ISBN 978-3-527-32150-6.
• Valeur B., Bronchon J.-C. New trends in fluorescence spectroscopy. Application to chemical and life sicences. Berlin, 2001. ISBN 3-540-67779-8.
• Seriál o detektivní chemii v brožuře KSICHTu

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu spektroskopie na Wikimedia Commons
• Fluorescenční spektroskopie
• Řešené úlohy ze spektroskopie nukleární magnetické resonance
• EPR spektroskopie
• Spektrometrie s Fourierovou transformací

Autoritní data	NKC: ph116234 PSH: 5682 BNF: cb11969985z (data) GND: 4056138-0 LCCN: sh85126423 LNB: 000081062 NDL: 00561016 NLI: 987007565844205171

Portály: Chemie