Spektroskopia: mitä se on, miten se toimii ja mihin sitä käytetään
Spektroskopia — opi miten valo ja aallonpituudet paljastavat aineiden koostumuksen, lämpötilan ja mikroskooppiset ilmiöt. Selkeä opas käyttöihin, tekniikoihin ja sovelluksiin.
Spektroskopia on valon tutkimista kiinteän aineen, nesteen tai kaasun läpi emittoituneen, heijastuneen tai läpäisseen aallon pituuden funktiona. Kemikaali kuumennetaan, jotta sitä voidaan analysoida, koska kuumat aineet hehkuvat ja jokainen kemikaali hehkuu eri tavalla. Hehkumisen eri aallonpituudet muodostavat värispektrin, joka eroaa jossakin määrin muista kemikaaleista. Spektroskopia erottaa ja mittaa eri aallonpituuksien kirkkauden. Sen avulla voidaan tunnistaa seoksen sisältämät kemikaalit ja määrittää joitakin muita asioita, kuten se, kuinka kuuma asia on.
Spektroskopian avulla tutkijat voivat tutkia ja tutkia asioita, jotka ovat liian pieniä mikroskoopilla havaittaviksi, kuten molekyylejä ja vielä pienempiä subatomisia hiukkasia, kuten protoneja, neutroneita ja elektroneja. Näiden valoaaltojen mittaamiseen ja analysointiin on olemassa erityisiä välineitä.
Miten spektroskopia toimii?
Spektroskopian perusajatus on, että valo ja aine vuorovaikuttavat siten, että aineen elektronit, atomit tai molekyylit vaihtavat energiatasoja. Nämä siirtymät näkyvät valon aallonpituuksina: tietyt aallonpituudet absorboituvat tai emittoituvat voimakkaammin kuin toiset. Näin syntyy spektri, joka koostuu piikeistä (linjaspektri) tai laajemmista vyöhykkeistä (molekyylispektri).
Tyypillisiä spektroskopia-tekniikoita
- UV–Vis-spektroskopia – mittaa UV- ja näkyvän valon absorbanssia; yleinen liuosten pitoisuusanalyyseissa.
- Infrapunaspektroskopia (IR) – tunnistaa molekyylien sidoksia värähtelyominaisuuksien perusteella; paljon käytetty orgaanisessa kemiassa.
- Raman-spektroskopia – täydentää IR-spektriä ja toimii hyvin vesipitoisissa näytteissä.
- Atomispektroskopiat (esim. atominen absorptio- ja emisiospektrometria) – määrittävät alkuaineiden pitoisuuksia.
- NMR (ydinmagneettinen resonanssi) – tutkii atomiytimien magneettisia siirtymiä; keskeinen rakenteenmäärityksessä ja lääketieteessä (MRI).
- XRF (röntgenfluoresenssi) – analysoi alkuainekoostumusta kiinteistä näytteistä.
- Huom. Myös röntgen- eli diffraktiotekniikat ja massaspektrometria liittyvät läheisesti materiaalin analyysiin, vaikka ne perustuvat jonkin verran eri ilmiöihin.
Laitteet ja mittaus
Perusspektrometrin osia ovat valonlähde, näyte (esim. kuppi, kaasu- tai kiinteä näyte), dispersiivinen elementti (prisma tai ritilä), monokromaattori ja detektori (fotodiodi, fotomultiplikaatio- tai CCD-kenno). Mittauksissa tarvitaan myös kalibrointilähteitä ja referenssejä, jotta aallonpituudet ja intensiteetit voidaan määrittää luotettavasti.
Mittaustuloksiin vaikuttavat mm. instrumentin erottelukyky, signaali–kohinasuhde, näytteen valmistelu ja mahdolliset häiriötekijät (esim. taustasäteily tai liuenneiden aineiden vaikutus).
Tulosten tulkinta
Spektrissä näkyvät piikit tai vyöhykkeet kertovat siirtymäenergioista. Piikin sijainti eli aallonpituus kertoo, minkälaisesta siirtymästä on kyse; piikin korkeus tai pinta-ala liittyy usein pitoisuuteen (Beer–Lambertin laki absorbanssissa). Piikkien leviäminen voi johtua Doppler-leviöstä, paineleviöstä, instrumenttisekoiluista tai monimutkaisemmista ympäristövaikutuksista. Astronomiassa spektriä käytetään myös esimerkiksi kohteen lämpötilan, liike- (punasiirtymä) ja kemiallisen koostumuksen määrittämiseen.
Sovelluksia
- Kemia ja biokemia: yhdisteiden tunnistus ja pitoisuusmääritykset (esim. lääkkeiden tai biomolekyylien analyysi).
- Tähtitiede: tähdissä ja kaasusumuissa esiintyvien alkuaineiden tunnistus, lämpötilan ja liikenopeuksien mittaus (punasiirtymä).
- Lääketiede: diagnostiset menetelmät kuten NMR/MRI ja verikokeiden analyysit.
- Ympäristötutkimus: saasteiden seuranta ilman tai vedenäytteistä.
- Teollisuus ja laadunvalvonta: materiaalien koostumus, metallianalyysit ja prosessien seuranta.
- Forensiikka: ainejäämien tunnistus rikospaikoilta.
Rajoitukset ja haasteet
Spektroskopia tarjoaa paljon tietoa, mutta rajoituksia ovat mm. näytteiden kompleksisuus (yliaktiiviset tai päällekkäiset piikit), alarajat (detektiokyky), kalibrointi sekä tulkinnan monitulkintaisuus ilman vertailutietoja. Usein tarvitaan useampia eri menetelmiä tai mallinnusta luotettavan analyysin varmistamiseksi.
Yhteenveto
Spektroskopia on monipuolinen joukko menetelmiä, jotka perustuvat valon ja aineen vuorovaikutukseen. Sillä voidaan tunnistaa aineita, mitata pitoisuuksia, selvittää rakenteita ja seurata fysikaalisia olosuhteita monilla tieteenaloilla aina kemiasta tähtitieteeseen ja lääketieteeseen. Oikein käytettynä ja kalibroituna spektroskopia antaa tarkkaa ja usein hyvin luotettavaa tietoa materiaalien ominaisuuksista.
Alkoholin liekki ja sen spektri
Menetelmät
Infrapunaspektroskopia mittaa valoa infrapunaspektrissä. IR-spektroskopian huippuominaisuus on, että se on erittäin hyödyllinen orgaanisten molekyylien funktionaalisten ryhmien tunnistamisessa. Orgaanisten molekyylien absorboima infrapunavalo aiheuttaa molekyylien värähtelyjä. Värähtelytaajuudet ovat yksilöllisiä yksittäisille funktionaalisille ryhmille. IR-spektri esitetään graafisesti läpäisykertoimen (%) ja aaltoluvun (cm-1) suhteen.
Röntgenkristallografialla voidaan tarkastella kiteisen molekyylin rakennetta. Kunkin atomin elektronipilvi hajottaa röntgensäteet ja paljastaa näin atomien sijainnit. Erilaisia epäorgaanisia ja orgaanisia molekyylejä, kuten DNA:ta, proteiineja, suoloja ja metalleja, voidaan kiteyttää ja käyttää tässä menetelmässä. Analyysiin käytetty näyte ei tuhoudu.
Ultravioletti-violettispektroskopiassa käytetään näkyvää ja ultraviolettivaloa tarkastelemaan, kuinka paljon kemikaalia on nesteessä. Liuoksen väri on perusta sille, miten UV-Vis toimii. Käsiteltävän liuoksen väri johtuu sen kemiallisesta koostumuksesta. Liuos siis absorboi joitakin valon värejä ja heijastaa muita värejä, ja sen heijastama valo on liuoksen väri. UV-Vis-spektroskopia toimii siten, että valo johdetaan liuoksen näytteen läpi ja sitten määritetään, kuinka paljon valoa liuos absorboi.
Ydinmagneettiresonanssilla voidaan tarkastella ytimiä. Siinä käytetään hyväksi tiettyjen ytimien magneettisia ominaisuuksia, joista yleisimpiä ovat 13C ja1 H. NMR-laite tuottaa suuren magneettikentän, joka saa ytimet toimimaan kuin pienet sauvamagneetit. Ytimet suuntautuvat joko laitteen magneettikenttään tai sitä vastaan. Tässä vaiheessa on kaksi mahdollista suuntausta, joissa ytimet voivat olla α- tai β-suuntauksessa. Seuraavaksi ytimet altistetaan radioaalloille, jotka saavat α:n suuntautumaan β-suuntaukseen. Kun tämä muutos tapahtuu, energiaa vapautuu ja se havaitaan. Tietokonejärjestelmä tulkitsee tiedot graafisesti (intensiteetti vs. kemiallinen siirtymä ppm:nä). NMR ei tuhoa analyysiin käytettävää näytettä. Alla on 900 MHz:n NMR-järjestelmä.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Absorptiospektroskopia
- Tähtitieteellinen spektroskopia
- Aika-alueen spektroskopia
- Auger-elektronispektroskopia
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on spektroskopia?
V: Spektroskopia on valon tutkimista sen aallon pituuden funktiona, joka on emittoitunut, heijastunut tai loistanut kiinteän aineen, nesteen tai kaasun läpi.
K: Miksi kemistit lämmittävät kemikaalia spektroskopian aikana?
V: Jokainen kemikaali hehkuu eri tavalla kuumennettaessa, ja spektroskopiassa analysoidaan kemikaalin hehkua sen aallonpituuden värispektrin määrittämiseksi, joka eroaa muista.
K: Miten spektroskopia erottaa eri kemikaalit toisistaan?
V: Spektroskopiassa erotetaan ja mitataan kemikaalien hehkun eri aallonpituuksien kirkkautta.
K: Mitä spektroskopialla voidaan määrittää kemikaalien tunnistamisen lisäksi?
V: Spektroskopialla voidaan määrittää, kuinka kuuma analysoitava asia on.
K: Mitä hyötyä spektroskopiasta on?
V: Spektroskopian avulla tutkijat voivat tutkia ja tutkia asioita, jotka ovat liian pieniä mikroskoopilla havaittaviksi, kuten molekyylejä ja subatomisia hiukkasia.
K: Mitä tarvitaan valoaaltojen mittaamiseen ja analysointiin spektroskopiassa?
V: Valoaaltojen mittaamiseen ja analysointiin spektroskopiassa tarvitaan erityisiä välineitä.
K: Mitä esimerkkejä subatomisista hiukkasista voidaan tutkia spektroskopian avulla?
V: Spektroskopian avulla voidaan tutkia subatomisia hiukkasia, kuten protoneja, neutroneja ja elektroneja.
Etsiä