Molecular Ultraviolet/Visible Absorption Spectroscopy Application of Molecular Ultraviolet/Visible Absorption Spectroscopy

Applications (UV-VIS radiation) qualitative determination quantitative determination Absorbing species การดูดกลืนแสงยูวีและวิสิเบิลโดยอะตอมหรือโมเลกุล M สามารถพิจารณาเป็น 2 ขั้นตอน

ขั้น 1 เกี่ยวข้องกับ electronic excitation ซึ่งสามารถ แสดงดังสมการ M + hv M* (short lifetime ~10-8 – 10-9 s) ขั้น 2 relaxation processes โดยมากเปลี่ยน Excitation energy เป็นความร้อน M* M + heat

relaxation อาจทำให้เกิดการสลายตัวของ M* ไปเป็นสปีชีส์ใหม่ เรียกกระบวนการนี้ว่า ‘photochemical reaction’ relaxation อาจเกี่ยวข้องกับ fluorescence หรือ phosphorescence โดยทั่วไป การดูดกลืนแสง UV-VIS เป็นผลจากการ กระตุ้น (excitation) อิเล็กตรอนที่เกิดพันธะ (bonding electron) ในโมเลกุล

โดยทั่วไป การดูดกลืนแสง UV-VIS เป็นผลจากการ กระตุ้น (excitation) อิเล็กตรอนที่เกิดพันธะ (bonding electron) ในโมเลกุล ทำให้ความยาวคลื่น ของ absorption peak สัมพันธ์กับชนิดของพันธะที่ อยู่ในสปีชีส์ที่กำลังศึกษา ดังนั้น molecular absorption spectroscopy จึงมี ประโยชน์มากในการระบุ functional groupในโมเลกุล

Absorbing species containing p, s and n electron absorbing species ที่มีอิเล็กตรอนทั้งสามเป็น องค์ประกอบ ได้แก่ organic molecule, ions และ Inorganic molecule สารประกอบอินทรีย์ทุกตัวสามารถดูดกลืน electromagnetic radiation เนื่องจากทุกตัวมี Valence electrons ซึ่งสามารถถูกกระตุ้นไปอยู่ใน ระดับพลังงานสูง (excited state)

energy n Electronic molecular energy level antibonding antibonding s* antibonding p* n nonbonding p bonding s bonding Electronic molecular energy level

Organic Chromophores กรุ๊ปที่ทำหน้าที่ในการดูดกลืนแสง เรียกว่า 1. Chromophore ที่มี multiple bond ระหว่าง 2 อะตอมของธาตุ โดยที่ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว C=C

2. Chromophore ที่มี multiple bond ระหว่าง 2 อะตอมธาตุ โดยที่อะตอมของธาตุหนึ่งมีอิเล็กตรอน คู่โดดเดี่ยว C=O 3. Chromophore ที่มีวงเบนซีน ได้แก่ สารประกอบ aromatic hydrocarbon

Effect of conjugate of chromophores ส่งผลทำให้เกิด ลดหรือเพิ่มความยาวคลื่น ลดหรือเพิ่มการดูดกลืนแสง Auxochrome กรุ๊ปซึ่งไม่ดูดกลืนแสงโดยตัวมันเอง แต่เมื่อไปคอนจูเกต กับ Chromophore จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ ความยาวคลื่นหรือค่าการดูดกลืน เช่น –OH, -Br, -NH2

Wavelength Hyperchomic effect Hypsochromic Bathochromic Shifts (red shift) Hypsochromic (blue shift) Wavelength

Molecular Fluorescence and Phosphorescence

สารเคมีหลายตัวที่สามารถคายแสงได้เมื่อถูกกระตุ้นด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสงที่คายอาจเป็น fluorescence หรือ Phosphorescence ซึ่งขึ้นอยู่กับ lifetime และกลไกการเกิด Fluorescence คายแสงทันทีหลังจากฉายแสง lifetime 10-8-10-9 sec Phosphorescence จะทิ้งช่วงระยะหนึ่งก่อน จึงจะให้แสงออกมา Lifetime 10-4-20 sec

Fluorescence and Phosphorescence ใช้หาปริมาณของสารอินทรีย์และอนินทรีย์ โดยการวัด ความเข้มแสงที่คายออกมา sensitivity สูงกว่า absorption 1000-10000 เท่า selectivity สูง อาจวัดเฉพาะสารที่เกิด fluorescence ได้ มีข้อจำกัด คือ มีสารไม่มากนักที่จะให้ fluoresence

กลไกการเกิด fluorescence และ phosphorescence ภายในโมเลกุลจะมี electronic energy level ในแต่ละ electronic energy level ประกอบด้วย vibrational energy level เวลาเกิด electronic transition จะเกิดจาก ground state ไปยัง vibrational level ของ excited electronic state ซึ่งสามารถแสดงดังภาพ partial energy diagram โมเลกุลที่มี electronic state เป็นแบบ paired เรียกว่า singlet state เวลาเกิด excitation อาจเกิดเป็น singlet excited state หรือ triplet excited state

hv excited state singlet state excited state triplet state ground state

พวก polyatomic molecule หลังจากดูดกลืนแสงแล้วถูก กระตุ้นไปที่ excited state การกลับสู่ ground state มีหลาย ทาง Deactivation process Radiation deactivation Non-radiation deactivation เช่น vibrational relaxation, internal conversion, external conversion, intersystem crossing

Vibrational relaxation เกิด deactivation โดยจาก vibrational excited state จะเกิด การสูญเสียพลังงานที่เกินพอ ออกมาในรูปของความร้อน โดยการชนกับโมเลกุลของตัวทำละลาย เกิด vibrational Relaxation กลับสู่ vibrational ground state ของ 1st electronic excited state ถ้าจะเกิด F ก็เกิดได้ต่อไป Internal conversion (IC) IC เป็น deactivation process ของ electronic excited state ไปยัง lower electronic state เช่น S2  S1 หรือ T2  T1 ขบวนการนี้จะไม่เกิด emission

Intersystem crossing (ISC) กรณีนี้เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานเกิดเหลื่อมกันหรือเท่ากัน แล้วเกิด deactivated จาก S1  T1 การเกิด ISC กรณีที่มี Vibrational energy level ที่ซ้อนทับกันเช่นนี้จะเกิดได้ง่ายกว่า การเกิด fluorescence จาก higher excited state External conversion (EC) หรือ Collisional deactivation เป็น deactivation process จาก excited molecule ที่ 1st excited state เกิดการชนกับโมเลกุลของตัวทำละลายหรือ โมเลกุลอี่น ๆ แล้วเกิดการถ่ายพลังงานให้โมเลกุลที่มันชน

ปัจจัยที่มีผลต่อ fluorescent intensity สารที่จะให้ fluorescence 1. ดูดกลืนแสงในช่วง near UV หรือ visible 2. เป็นสารประกอบ aromatic ที่มี pp* transition ที่มีระดับพลังงานต่ำ 3. พวก aliphatic และ alicyclic carbonyl structure หรือพวก highly conjugated d.b. structure 4. พวก aromatic hydrocarbon ที่มี fused ring 5. พวก heterocyclic compound โมเลกุลขนาดเล็กไม่ให้ Fluorescence เช่น pyridine, furan, thiophene

ผลของหมู่แทนที่ (Effect of substituent) พวก substituent group บนวงเบนซีน จะทำให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงของ lmax ของการดูดกลืนและ fluorescence peak และ substituent group ยังมีผลต่อ fluorescent intensity หลักการดูผลของ substituent group Electron donating substituent จะเพิ่ม F Electron withdrawing group จะลด F

เช่น พวก mono-substituted aromatic compound ที่มีตัวเข้า แทนที่พวก OH-, O-CH3, -NH2, -NHCH3, -N(CH3)2, F และ CN ซึ่งเป็นพวกให้อิเล็กตรอนแก่วงเบนซีน 2. NHCOCH3, -Cl, -Br, -I, C=O, NO2, -SO3H, -NH3+ และ -COOH เป็นพวกที่จะให้ weakly or non fluorescent (เนื่อง จากเกิด np*) 3. พวก substituent ที่เป็น alkyl group มีผลต่อ IF น้อย 4. พวก bromine, iodide หรือ heavy metal atom ลด F

Effect of structural rigidity F ได้ดี และพวก chelating agent บางตัว ไม่ให้ F แต่เมื่อเกิด สารเชิงซ้อนแล้วให้ F ได้ดีขึ้น fluorene Phenolphthalein (non-fluorescent)

pH effect Fluorescence ของพวก aromatic cpd ที่มีกลุ่มแทนที่เป็น กรดหรือเบส จะขึ้นกับ pH ทั้ง ionized form และ non-ionized form จะมีความยาว คลื่นของแสงละความเข้มแสงที่คายออกมาที่ต่างกัน ผลของ pH มีผลทำให้เปลี่ยนประจุและ resonance Structure ของสารตัวอย่าง เช่น Ar-NH2 ในสารละลายที่เป็น กลางหรือเบส จะให้ F ในย่าน visible แต่ถ้าเป็น Ar-NH2+ จะไม่ให้ F

Temperature and solvent effect ถ้าอุณหภูมิสูง จะเป็นการเพิ่ม collisional deactivation ทำให้ quantum efficiency ลดลง ถ้าใช้อุณหภูมิต่ำ จะเป็นการลด EC เป็นการเพิ่ม F ตัวทำละลายที่มีความหนืดต่ำ ทำให้เกิด collisional deactivation ได้ง่าย ลด F ตัวทำละลายที่มีความหนืดสูง ลด collisional deactivation เพิ่ม F

ความสัมพันธ์ระหว่าง IF หรือ Ipกับความเข้มข้น (เอกสารประกอบการสอน) เทคนิคการหาปริมาณ 1. วัดโดยตรง ถ้าสารที่สนใจให้ F อยู่แล้ว 2. Chemical induction assay เปลี่ยนสารที่ non- fluorescent ไปเป็น highly fluorescent derivative 3. Quenchofluorimetric assay ใช้หาสารที่เป็น Quenching agent