Wprowadzenie do Spektroskopii: Od spektroskopii mas do NMR, mechanizmy działania i zastosowanie w praktyce
O czym jest ten artykuł?
Spektroskopia to dziedzina nauki umożliwiająca analizę struktury oraz właściwości materii na poziomie molekularnym, oraz oddziaływania materii ze światłem. Choć spektroskopia mas występuje jako temat na egzaminie maturalnym, w rzeczywistości stanowi ona istotną technikę analityczną w dziedzinie chemii. W tym artykule omówimy podstawy spektroskopii mas oraz spektroskopii NMR (ang. nuclear magnetic resonance) oraz ich zastosowania w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Nie przejmuj się, jeżeli za pierwszym razem wszystkiego nie zrozumiesz! Warto zapisać ten artykuł na później i wrócić do niego po czasie 😀
Czym jest spektroskopia mas?
Pierwszym rodzajem spektroskopii jest spektroskopia mas. Jest oparta na pomiarze stosunku masy do ładunku danego jonu. Ta technika pozwala na identyfikację związków chemicznych oraz ich mieszanin, ustalenie struktury związków chemicznych, składu pierwiastkowego, izotopowego oraz składu złożonych mieszanin o dużych masach molowych.
Podstawowa konstrukcja spektrometru składa się z trzech części:
Jonizator – urządzenie, w którym dochodzi do powstania jonów, na przykład przez zerwanie wiązań chemicznych.
Analizator – urządzenie, w którym jony poddaje się rozdzieleniu ze względu na stosunek masy do ładunku.
Rejestrator – urządzenie, które zlicza jony wypływające z analizatora.
Wyniki analizy są prezentowane na wykresie, gdzie cząsteczki, które uległy jonizacji, ale nie uległy fragmentacji, odpowiadają pikom o największej masie (czyli są najbardziej na prawo na osi stosunku masy do ładunku). Pik o najwyższej intensywności reprezentuje stosunek masy do ładunku jonu, którego przy fragmentacji wytworzyło się najwięcej. Pozostałe piki fragmentacyjne odpowiadają stosunkowi masy do ładunku innych jonów powstałych podczas fragmentacji.
Pozwalają one na zidentyfikowanie określonych fragmentów budulcowych cząsteczki.
Powyższy wykres pochodzący z arkusza CKE do matury 2023 przedstawia fragment widma masowego chlorobenzenu, a zadaniem zdającego jest określenie jaki kation tego związku odpowiada ponumerowanym pikom.
Pik fragmentacyjny oznaczony numerem 1, oznacza, że jest on pikiem kationu, który
uległ rozpadowi na małe jony- w związku z tym, będzie to kation C6H5+
Piki molekularne są to większe jony- w przypadku chlorobenzenu są to C6H535Cl+ oraz C6H537Cl+.
Większy pik molekularny ma jon C6H 35Cl+, ponieważ składa się on z jonu izotopu chloru, którego zawartość procentowa jest większa w atomie chloru.
Chemia – najczęściej popełniane błędy na maturze
Matematyka PP – najczęściej popełniane błędy na maturze
Zastosowanie spektroskopii mas
Spektroskopia mas to niezwykle potężne narzędzie analityczne, które znalazło szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i technologii. Umożliwia ona dokładne określenie masy cząsteczek oraz identyfikację ich struktury chemicznej poprzez analizę ich fragmentów. Jest kluczowa w chemii organicznej i nieorganicznej do identyfikacji związków chemicznych, w biochemii do analizy białek i peptydów, a także w farmakologii do badania struktury leków. Dzięki spektroskopii mas można też analizować skład izotopowy próbek, co ma znaczenie w geologii czy archeologii. Jej precyzyjność i zdolność do analizy skomplikowanych mieszanin czynią ją nieodzowną w nowoczesnych laboratoriach badawczych. Spektroskopia mas to potężne narzędzie analityczne, które znalazło zastosowanie nie tylko w środowisku akademickim, ale także w wielu gałęziach przemysłu. W przemyśle petrochemicznym, technika ta jest wykorzystywana do charakteryzacji surowców naftowych i produktów rafinacji. W przemyśle farmaceutycznym, spektroskopia mas służy do identyfikacji i analizy czystości leków, umożliwiając jednocześnie wykrywanie zanieczyszczeń i produktów ubocznych. W przemyśle spożywczym jest używana do identyfikacji składników żywności, a także do wykrywania niepożądanych substancji, takich jak pestycydy czy kontaminanty. W zakresie monitoringu środowiskowego, technika ta pozwala na wykrywanie i kwantyfikację zanieczyszczeń w próbkach wody, powietrza i gleby. Wreszcie, w przemyśle kosmetycznym, spektroskopia mas może być używana do analizy składu różnorodnych produktów kosmetycznych, gwarantując ich jakość i bezpieczeństwo. Jej wszechstronność i precyzja czynią spektroskopię mas niezastąpioną w wielu aspektach badań i produkcji przemysłowej.
Wprowadzenie do spektroskopii NMR: co warto wiedzieć do matury
Drugim rodzajem spektroskopii jest spektroskopia NMR (ang. nuclear magnetic resonance). Jest niezwykle potężnym narzędziem i znalazła zastosowanie w diagnostyce medycznej oraz jest szeroko wykorzystywana w dziedzinach takich jak biologia, fizyka i chemia. Polega ona na obserwacji lokalnych pól magnetycznych wokół jąder atomowych.
Przed przejściem do mechanizmu spektroskopii NMR należy przybliżyć temat równocennych atomów węgla i wodoru oraz korelacji liczby pików z budową cząsteczki.
Równocenne atomy węgla to takie atomy węgla, które mają identyczną chemiczną strukturę i są w pełni wymienne w danej cząsteczce organicznej tj. mają to samo otoczenie. Innymi słowy, te atomy są związane w taki sposób, że mają takie same połączenia z atomami innych pierwiastków w danej cząsteczce, co sprawia, że ich zachowanie chemiczne jest takie samo. Równocenność jest ważnym pojęciem w spektroskopii, ponieważ pozwala przewidywać liczbę i rodzaj sygnałów, które mogą być obserwowane dla danej cząsteczki. Pojęcie to jest też użyteczne w chemii organicznej, ponieważ pozwala zrozumieć reaktywność i zachowanie się różnych cząsteczek.
Można zobrazować to na przykładzie cząsteczki benzenu. Jak widać, na poniższym rysunku struktury benzenu, każdy atom węgla połączony jest w tak jak atomy wodoru, które są równocenne.
Kolejnym przykładem równocennych atomów są atomy wodoru w cząsteczce metanu (CH4), gdzie występują cztery równocenne atomy wodoru, z których każdy jest połączony z jednym atomem węgla.
Zobaczmy jak zatem wygląda model i widmo 1HNMR metanu:
Inny przykład obrazujący równocenność atomów jest cząsteczka etanu. W tym przypadku dwa atomy węgla są równocenne, ponieważ każdy z nich jest połączony z trzema atomami wodoru. Te rozważania prowadzą do prostego wniosku – jeżeli zamienilibyśmy pierwszy węgiel z węglem drugim, to nie zauważylibyśmy najmniejszej różnicy tj. nie zmienilibyśmy struktury tej cząsteczki, czyli atomy węgla są równocenne.
W cząsteczkach organicznych, węgiel może tworzyć różne rodzaje wiązań z innymi atomami węgla lub innymi pierwiastkami. Te różne połączenia mogą prowadzić do powstania różnych izomerów, czyli cząsteczek o tej samej liczbie danych atomów ( takim samym wzorze sumarycznym), ale o różnych strukturach i właściwościach fizykochemicznych. Izomerię możemy podzielić na konstytucyjną i stereoizomerię. Izomeria konstytucyjna mówi o cząsteczkach o takim samym wzorze sumarycznym, ale różnym układzie atomów. Przykładem może być izomeria szkieletowa, gdzie różne izomery mają różne struktury szkieletu węglowego. Izomeria konfiguracyjna, znana również jako stereoizomeria, obejmuje izomery, które mają ten sam układ atomów, ale różnią się w przestrzennym rozmieszczeniu tych atomów. Najbardziej znane podtypy to izomeria geometryczna, gdzie atomów różnią się względem wiązań podwójnych lub pierścieni, oraz izomeria optyczna, która wynika z chiralności cząsteczek.
Poniższy schemat przedstawia dokładny podział izomerii.
Aby łatwiej zrozumieć to zagadnienie skupmy się na dwóch związkach: butanie i 2-metylopropanie. Oba związki mają taki sam wzór sumaryczny, mianowicie C4H10. Jednak jak widać ich budowa się różni. Również w tych związkach można określić równocenność atomów. Przyjrzyjmy się atomom węgla połączonymi z trzema atomami wodoru (niebieskie). Każdy z tych atomów węgli jest równocenny bo posiada takie samo otoczenie. Również w cząsteczce butanu istnieją równocenne atomy węgla w środku łańcucha, które są połączone z dwoma atomami wodoru (różowe).
Widmo i model butanu
Widmo i model 2-metylopropanu (izobutanu)
Widma NMR butanu oraz 2-metylopropanu – szczegółowe omówienie
Ważne jest, aby zrozumieć pojęcie równoważnych atomów węgla, ponieważ w spektroskopii NMR (jądrowego rezonansu magnetycznego) występują różne sygnały dla atomów węgla o różnym położeniu w cząsteczce. Analiza tych sygnałów pozwala określić strukturę cząsteczki oraz ustalić, jak atomy są ze sobą połączone.Ilość sygnałów w spektroskopii NMR zależy od liczby różnych rodzajów jąder atomowych w badanej cząsteczce. Każdy unikalny typ jądra atomowego, który ma inną chemiczną okolicę, generuje oddzielny sygnał w widmie NMR. Dlatego liczba sygnałów w spektrum NMR może być użyteczna do identyfikacji różnych grup atomów w badanej próbce. Najbardziej popularna jest spektroskopia protonowa oraz węglowa. Nie mniej, można przeanalizować każdą cząsteczkę posiadającą jądra atomowe o niezerowym momencie magnetycznym. Prościej ujmując, cząsteczka musi mieć jądra atomowe o nieparzystej liczbie nukleonów(bo właśnie wtedy ma ona niezerowy spin jądrowy). Dla przypomnienia nukleony to neutrony i protony, które tworzą jądro atomowe. Przykładowymi atomami z niezerowym spinem jądrowym są: Wodór 1H, sód 23Na, węgiel 13C, azot 15N, tlen 17O. Przykładowo metan (CH4) zawiera tylko jeden atom węgla i jeden rodzaj atomów wodoru, dlatego w jej spektrum NMR otrzymamy tylko dwa sygnały (po jednym sygnale ma widmie 1H i jeden dla 13C).
Zobacz jak możemy Ci pomóc
W bardziej złożonych cząsteczkach, na przykład w związkach aromatycznych lub związkach zawierających różne grupy funkcyjne, liczba sygnałów może być znacznie większa, ponieważ będzie odpowiadać różnym rodzajom atomów węgla i wodoru w różnych środowiskach chemicznych.
Kluczowym elementem NMR jest oddziaływanie jąder atomowych z zewnętrznym polem magnetycznym. W obecności takiego pola, jądra atomowe mają dwie możliwe orientacje spinu względem kierunku pola:
-Względem pola magnetycznego (niższa energia): Odpowiada to konfiguracji, w której spin jądra ustawiony jest równolegle do kierunku pola magnetycznego. Wtedy magnetyczna liczba spinowa przyjmuje wartość -½. Jest to stan niższej energii, nazywany inaczej stanem spinowym alfa.
-Przeciwnie do pola magnetycznego (wyższa energia): Odpowiada to konfiguracji, w której spin jądra ustawiony jest antyrównolegle do kierunku pola magnetycznego. Wtedy magnetyczna liczba spinowa przyjmuje wartość ½ .Jest to stan wyższej energii, nazywany inaczej stanem spinowym beta.
Jest to zobrazowane na poniższym wykresem.
Uniwersytet Jagielloński, Collegium Medicum, Katedra Chemii Organicznej, Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, Marek Żylewski
Gdy próbka jest umieszczona w silnym polu magnetycznym, jądra atomowe większości protonów ustawiają się w stanie niższej energii (równoległym do pola magnetycznego). Jednak, gdy na próbkę skierowany zostaje odpowiedni impuls elektromagnetyczny, fotony zawierające energię rezonansową są wchłaniane przez jądra atomowe. To powoduje przejście jąder z konfiguracji niższej energii (równoległej) do konfiguracji wyższej energii (antyrównoległej).
W momencie zakończenia działania impulsu, jądra atomowe powracają do stanu równowagi, ustawiając się ponownie w stanie niższej energii (równoległym do pola magnetycznego). Ten proces powrotu do stanu równowagi generuje sygnały NMR, które można zarejestrować i analizować.
Ważne jest, aby zrozumieć, że różnica między stanami niższej i wyższej energii dla jąder atomowych w próbce jest charakteryzowana przez częstotliwość rezonansową. Właśnie tę różnicę energetyczną, która jest proporcjonalna do przyłożonego pola magnetycznego, badamy i wykorzystujemy w spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR). Dzięki analizie tych różnic, możemy uzyskać informacje na temat struktury i składu badanej próbki.
Powyższe widmo przedstawia spektrum jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) octanu etylu. Na osi poziomej znajdują się przesunięcia chemiczne wyrażone w jednostkach częstości chemicznej (ppm), które pozwalają zidentyfikować różne rodzaje protonów występujących w badanym związku.
Pik przy przesunięciu 4 ppm odpowiada protonom węgla z grupy CH2. Jego intensywność względna wynosi 2, co oznacza, że występują dwa równoważne protony tego typu.
Sygnał przy 2 ppm odpowiada trzem równoważnym protonom z grupy CH3-C=O (grupa acetylowa). Jego intensywność względna wynosi 3, co wskazuje na trzy równoważne protony. Dodatkowo, ten sygnał nie jest rozszczepiony, co oznacza, że w jego sąsiedztwie nie ma innych protonów, które by z nimi oddziaływały. Ostatni sygnał, przy przesunięciu około 1,2 ppm przyporządkowany jest równoważnym protonom z grupy CH3 (metylowej). Intensywność względna wynosi 3, co oznacza, że występują trzy równoważne protony tego typu. Jednak ten sygnał jest rozszczepiony, co wskazuje na oddziaływanie(np. sprzęganie) z protonami z grupy CH2.
Zastosowania spektroskopii NMR
W biochemii, spektroskopia NMR pozwala na oznaczenie zawartości wody i suchej masy w produktach spożywczych. Fale elektromagnetyczne są pochłaniane przez jądra wodoru obecne w wodzie, co umożliwia określenie ich ilości w badanym materiale.
W medycynie, zjawisko rezonansu magnetycznego wykorzystuje się w jednej z technik tomograficznych, znaną jako obrazowanie metodą rezonansu
magnetycznego. Metoda ta pozwala na nieinwazyjną i precyzyjną diagnostykę zmian chorobowych przede wszystkim w tkankach.
Podsumowanie
Spektroskopia to potężne narzędzie analizy materii na poziomie molekularnym. Spektroskopia mas pozwala na identyfikację związków chemicznych i ich składu oraz masy cząsteczkowej, natomiast spektroskopia NMR umożliwia analizę struktury i składu cząsteczek. Obydwie techniki mają szerokie zastosowanie w medycynie, chemii, biologii i fizyce, otwierając nowe perspektywy w badaniach naukowych oraz diagnostyce medycznej.
Jeżeli spodobały Ci się modele cząsteczek to możesz wykonać je samodzielnie w aplikacji KingDraw Chemical Structure Editor lub w programie ChemSkech.
_________
Współautor artykułu:
Maria Zdankowicz
Pasjonatka medycyny i wszystkiego co wykracza poza podstawę programową. Bardzo ambitna- nie toleruje niczego co jest słabsze niż doskonałe. Dąży do zostania światowej klasy chirurgiem. Kocha koty a kiedy potrzebuje chwili wytchnienia można ją znaleźć na brzegu morza, czerpiącą siły z szumu fal i morskiej bryzy.
