Ultra violet visible spectrometry โดย นางสาวกัญญารัตน์ พร้อมสกุล 6404304001004 กลุ่มเรียน 64047.041 เคมี เสนอ อาจารย์ ดร.นิภาภรณ์ มีพันธุ์ รายงานนี้เปนส่วนหนึ่งของรายวิชาเคมีวิเคราะห์เชิงสเปกโทรสโกปี ภาคเรียนที่ 2 ปี การศึกษา 2566 มหาวิทยาลัยราชภัฏสุราษฎร์ธานี
ก ค าน า รายงานเล่มน้ีจดัข้ึนมาเพื่อเป็ นส่วนหน่ึงของรายวิชาวิเคราะห ์ เชิงสเปกโตร มีเน้ือหาเกี่ยวกบั หลักการท างานเเละองค์ประกอบของเครื่องมือ เครื่อง Ultra violet visible เพื่อน าไปใช้ในการ การศึกษาใหม ้ีความรู้ ความเขา ้ใจในเน้ือหามากยิ่งข้ึน ผูจ ้ ดัทา หวงัว่ารายงานเลม่น้ีจะเป็ นประโยชน ์ กบันกัศึกษาหรือผูเ ้ รียนที่กา ลงัศึกษาหาขอ ้ มูลเรื่องน้ีอยไู่ม่มากก ็ นอ ้ ย หากมีขอ ้ ผิดพลาดประการใด ผู้จัดท าขอน้อมรับไว้เเละขออภัยมา ณ ที่น้ีดว ้ ย ผู้จัดท า นางสาวกัญญารัตน์ พร้อทสกุล
ข สารบัญ ค าน า ก ความหมาย UV-visible spectroscopy 1 ความส าคัญ UV-visible spectroscopy 1 อัตตร้าไวโอเลตเเละวิสิเบิลสเปกโทรโกปี 1 หลักการท างานของเครื่อง UV-visible spectrometry 1 องค์ประกอบของเครื่อง UV-visible spectrometry 2
1 UV-visible spectroscopy สเปกโทรสโกปี คือ การศึกษาตรวจสอบการเเยกปฏิกิริยาระหว่างการแผ่รังสีกับสสารในรูปของ ฟังก์ชันความยาวคลื่น (λ) เเละบันทึกพลังงานที่เปลี่ยนไป พลังงานที่มีการเปลี่ยนไปเกิดจาก อีมิส ชัน (Emission) การดูดกลืน (Absorption) การกระเจิง (Scattering) ความส าคัญของ spectroscopy ( UV-vis) คือความสามารถในการวัดการดูดกลืนแสงของตัวอย่าง และข้อมูลที่สามารถใช้เพื่อระบุและ วิเคราะห์กลุ่มการท างาน ความเข้มข้น และโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์และทางเรขาคณิตของ โมเลกุล เทคนิคน้ีมีการใชง ้ านที่หลากหลายเช่น ในเคมีวิเคราะห ์ ชีวเคมีและในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยาอาหาร น้า และสิ่งแวดลอ ้ ม อัตตร้าไวโอเลตเเละวิสิเบิลสเปกโทรโกปี เป็ นการวัดการดูดกลืนเเสง หรือรังสี ในช่วงอัลตร้าไวโอเลตเละวิสิเบิล ได้มีชื่อเรียกว่า "ครื่องยูวีวิสิ เบิล" - ใช้เเสงความยาวคลื่นที่ 190-800 nm อยู่ในช่วง ยูวีเเละวิสิเบิล -วิเคราะห์สารที่มีสีเเละไม่มีสี - สามารถดูดกลืนรังสีที่เป็ นสารพวกอินทรีย์ สารประกอบเชิงซ้อน เเละ สารอนินทรีย์ หลักการท างานของเครื่อง UV-vis spectrometry เป็ นเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจวัดปริมาณแสง เเละค่า intensity ในช่วงรังสี UV และช่วงแสงขาวที่ ทะลุผ่านหรือถูกดูดกลืนโดยตัวอย่างที่วางอยู่ในเครื่องมือ โดยที่ความยาวคลื่นแสงจะมี ความสัมพันธ์กับปริมาณและชนิดของสารที่อยู่ในตัวอย่างซึ่งส่วนใหญ่จะเป็ นสารอินทรีย์
2 สารประกอบเชิงซ้อนและสารอนินทรีย์ที่สามารถดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นได้ในการ ดูดกลืนแสงของสารเมื่อโมเลกุลของตัวอย่างถูกฉายด้วยแสงในช่วงรังสียูวีหรือแสงขาวที่มีพลังงาน เหมาะสมจะทา ให ้ อิเล ็ กตรอนภายในอะตอมเกิดการดูดกลืนแสงแลว ้ เปลี่ยนสถานะไปอยใู่นช้นัที่มี ระดับพลังงานสูงกว่าเมื่อท าการวัดปริมาณของแสงที่ผ่านหรือสะท้อนมาจากตัวอย่างเทียบกับแสง ขาวจากแหล่งก าเนิดที่ความยาวคลื่นค่าต่างๆค่าดูดกลืนแสงของสารจะแปรผันกับจ านวนโมเลกุลที่ มีการดูดกลืนแสง องค์ประกอบของเครื่อง UV-vis spectrometry มีองคป์ ระกอบหลกั5 ส่วน ไดเ ้ เก่ 1. ต้นก าเนิดแสง (light source) 2. ส่วนเลือกความยาวคลื่น (wavelength selector) 3. ภาชนะใส่สาร (cell หรือ cuvette) 4. ตัวตรวจจับสัญญาณ (detector) 5. ส่วนบันทึกและแปรผลสัญญาณ (recorder and processor )
3 1. แหล่งก าเนิดแสง (light source) แหล่งก าเนิดแสงในเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์จะต้องให้รังสีในช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการอย่าง ต่อเนื่องและคงที่ตลอดเวลารวมท้งัมีความเขม ้ แสงที่มากพอด้วยส าหรับความยาวคลื่นในช่วง อัลตราไวโอเลตจะใช้หลอดดิวเทอเรียม (deuterium lamp) เป็ นแหล่งก าเนิดแสง ซึ่งให้แสงในช่วง 185-375 nm หลักการคือท าให้อะตอมดิวเทอเรียมที่อยู่ในสภาวะเร้าคายพลังงานออกมา ส่วนหลอด ทังสเตน (tungsten filament lamp) จะให ้ ความยาวคลื่นครอบคลุมช่วงแสงที่มองเห ็ นได ้ คือต้งัแต่ 320-2500 nm หลักการจะคล้ายกับหลอดไฟทังสเตนธรรมดาคือ ให้กระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไป จนกระทงั่ลวดทงัสเตนร ้ อนและเปล่งรังสีออกมาโดยปกติจะเปิดเครื่องทิ้งไวก ้่อนใชง ้ านประมาณ 30 นาที เพื่อให้แน่ใจว่าหลอดดิวเทอเรียมหรือหลอดทังสเตนให้แสงที่มีความเข้มสม ่าเสมอ 2. ส่วนเลือกความยาวคลื่น (wavelength selector) เป็ นส่วนที่ใช้แยกความยาวคลื่นที่ออกมาจากแหล่งก าเนิดแสง ซึ่งเป็ นแสงที่มีหลายๆ ความยาวคลื่น (polychromatic wavelength) ให้เป็ นแถบแสงในช่วงแคบๆ หรือ เป็ นความยาวคลื่นเดี่ยว (monochromatic wavelength) เครื่องมือสมยัก่อนจะใชป้ ริซึมหรือ ฟิลเตอร ์ สา หรับแยกความยาว คลื่น แต่ปัจจุบันเปลี่ยนมาใช้โมโนโครเมเตอร์ (monochromater) แบบเกรตติ้ง (grating) สะท้อน แสงซึ่งมีลักษณะเป็ นร่องเล็กๆ ขนานกันจ านวนมาก แสงจากแหล่งก าเนิดแสงจะตกกระทบลงบน ผิวหนา ้ ของร่องแลว ้สะทอ ้ นออกมาที่มุมต่างๆ เฉพาะความยาวคลื่นที่เราเลือกเท่าน้นัจึงจะผ่าน ช่อง แสงออก (exit slit) ไปสู่สารตัวอย่าง
4 3. ภาชนะใส่สารตัวอย่าง (cell หรือ cuvette) ภาชนะใส่สารตัวอย่างส าหรับสเปกโทรโฟโตมิเตอร์จะเรียกว่า เซลล์หรือคิวเวทท์ (cuvette) มีหลาย แบบหลายขนาดดว ้ ยกนัข้ึนกบัการใชง ้ าน หลกัสา คญั ในการเลือกใชก ้ ค ็ือ การวัดในช่วงแสง อัลตราไวโอเลต จะต้องใช้เซลล์ที่ท าจากควอตซ์ (quartz) เท่าน้นัเนื่องจากแกว ้สามารถดูดกลืนแสง ในช่วงอลัตราไวโอเลตได ้ส่วนเซลลท ์ ี่ทา จากแกว ้ จะใชว ้ ดัในช่วงแสงที่มองเห ็ นได ้ นั่นหมายความ ว่าถ้าเราต้องการวัดสารในช่วงแสงที่มองเห็นได้ก็ควรจะใช้เซลล์ที่ท าจากแก้ว การใช้เซลล์ควอตซ์ ไม่ไดม ้ีผลใหก ้ ารวดัแสงดีข้ึน แต่จะสิ้นเปลืองเปล่า ประโยชน ์ เพราะควอตซ ์ ราคาแพงกว่าแกว ้ มาก นอกจากน้ีการวิเคราะห ์โดยใช ้spectrophotometric detection ถ้างานวิเคราะห ์ น้นัมีความไว (sensitivity) ต่า เราสามารถเพมิ่ความไวใหสู้งข้ึนไดง ้่ายๆ โดยใชเ ้ ซลลท ์ ี่มีความกวา ้ งมากข้ึน เพราะ จากกฎของเบียร์-แลมเบิร์ตค่าการดูดกลืนแสงของสารยงัข้ึนกบัความหนาของตวักลางที่แสงเดิน ทางผ่าน (l)ดังสมการ A = cl ซ่ึงเซลลท ์ ี่ใชใ้ นงานทวั่ ไปมีความกวา ้ งต้งัแต่1-10 cmหรือถ้าสารมี ราคาแพงและปริมาณน้อย ก็มีเซลล์ขนาดเล็กที่ปริมาตรต ่ากว่า 1 mLส่วนการท าความสะอาดเซลล์ เพียงแค่กล้วัดว ้ ยน้า กลนั่หรือกล้วัดว ้ ยตวัทา ละลายที่เหมาะสมตามดว ้ ยน้า กลนั่ก ็ เพียงพอ ห ้ ามขดั ถูพราะจะท าให้เซลล์มีรอยขีดข่วน
5 4. ตัวตรวจจับสัญญาณ (detector) เครื่องตรวจจับสัญญาณที่ดีต้องมีสภาพไวสูง คือแม้ปริมาณแสงจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย ก็สามารถ ตรวจจับสัญญาณความแตกต่างได้ ปัจจุบันเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ส่วนใหญ่ นิยมใช้ตัว ตรวจจับสัญญาณ 2 ชนิดคือ 4.1 หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (photomultiplier tube; PMT) หลอด PMT ประกอบไปด้วยแคโทด (cathode) ที่ฉาบผิวด้วยสารที่สามารถให้อิเล็กตรอนได้เมื่อถูก แสงจ านวน 9 ชุด เรียกว่า ไดโนด (dynode) แต่ละไดโนดจะมีศกัยไ์ฟฟ้ าสูงข้ึนเรื่อยๆ เมื่อแสงตก กระทบกบัไดโนดตวัที่หน่ึงสารที่ฉาบผิวจะเกิดอิเล ็ กตรอนข้ึน แลว ้ วิ่งไปกระทบไดโนดที่สอง สาม สี่จนครบท้งัเกา ้ ตวัดังน้นั ปริมาณอิเล ็ กตรอนจะเพิ่มข้ึนถึง 106 -107 เท่า แล้วจึงชนแอโนดให้ กระแสไฟฟ้าออกมาเข้าเครื่องขยายสัญญาณต่อไป 4.2 โฟโตไดโอดอาร์เรย์ (photodiode arrays; PDA) ตวัตรวจจบัสัญญาณชนิดน้ีสามารถจบัสัญญาณไดค ้ รอบคลุมท้งัสเปกตรัมโดยใชไ้ ดโอดน้ีมาเรียง ต่อกนัเป็ นแถว ซ่ึงสามารถวดัครอบคลุมสเปกตรัมไดต ้้งัแต่200-1100nm ตวัตรวจจบัสัญญาณน้ี ประกอบไปด้วยโฟโตไดโอดและตัวเก็บประจุ (capacitor) ประมาณ 200-4000 ตัวเรียงต่อกันเป็ น แถว หลกัการเริ่มตน ้ ดว ้ ยการให ้ประจุผ่านผิวหนา ้ไดโอด ซ่ึงไดโอดก ็ จะเก ็ บประจุไวท ้ ี่ตวัเก ็ บประจุ เมื่อแสงตกลงบนไดโอดจะท าให้เกิดประจุไฟฟ้าไปท าลายประจุที่เก็บไว้ที่ตัวเก็บประจุ ท าให้ต้อง ใส่ประจุเพิ่มเขา ้ไปใหมซ่่ึงเป็ นช่วงของการสแกนแต่ละคร้ังนนั่เอง ปริมาณของประจุที่ตอ ้ งใส่เขา ้ไป
6 ใหม่จะเป็ นปฏิภาคโดยตรงกบัความเขม ้ แสงที่วดัไดข ้ องแต่ละไดโอด ดงัน้นัจากการวดัปริมาณแสง ที่แตกต่างกันตลอดช่วงความยาวคลื่นจะได้เป็ นสเปกตรัมการดูดกลืนของสารน้นัออกมา 5. ส่วนบันทึกและแปรผลสัญญาณ (recorder and processor) ท าหน้าที่ขยายสัญญาณ และแปรผลสัญญาณให้ออกมาในมาตราส่วนแบบล็อก (log scale)
เอกสารอ้างอิง https://il.mahidol.ac.th/e-media/colorlight/page4_2.html?fbclid=IwAR1TIXO8zU6fgpIZh_z0_z1HLdMqGzDEBpYRD6PVAsbhiCqgBlr9d5TbWc https://microbiologynote.com/th/uv-vis- %E0%B8%AA%E0%B9%80%E0%B8%9B%E0%B8%81%E0%B9%82%E0%B8%97%E0%B8 %A3%E0%B8%AA%E0%B9%82%E0%B8%81%E0%B8%9B%E0%B8%B5/ http://www.science.mju.ac.th/chemistry/download/s_sangsrichan/05UVVisible%20Spectroscopy-UV-Vis292557.pdf?fbclid=IwAR2NGwdfpMS6AmXsgiRrLIC4IBTbI-Dd_BY5r37YCz_OvT78Lz47fiDdy https://www.mic.eng.ku.ac.th/facilitiesdetail.php?id_sub=41&id=46&fbclid=IwAR17aBvfgNsLrzxFcAnPNvrOEg2XleDx6raOwtfOZq6 G5DawElNi49Zo9Zc