生体分子解析学 2016/7/9 機器分析 分光学 Ｘ線結晶構造解析 質量分析 熱分析 その他機器分析 1 演習 2016/7/9 1. 原子吸光光度法において、中空陰極ランプの陰極に、定量目的 の金属（またはその合金）を用いなければならないか、その理由 を説明しなさい．下記の用語を使うこと． 遷移、発光波長、吸光波長、ポテンシャルエネルギー、励起 原子スペクトルでは、ポテンシャルエネルギーの低い原子軌道から 高い原子軌道に電子が遷移する際に光を吸収する．逆に、ポテン シャルエネルギーの高い原子軌道から低い原子軌道に電子が遷移 すると発光する．この時の励起時と低い軌道に落ちてくる際のエネ ルギー差が等しいので、発光波長と吸光波長は等しくなる。即ち、 光源として定量目的金属を中空陰極ランプの陰極とすることで、陰極 の金属が励起され発光する．定量目的金属と同じ金属の発光波長 は、フレーム中の定量される金属の吸収波長と同じになるので、 原子吸光が起きて、定量できるようになる． 2 演習 2016/7/9 1. モル吸光係数ε= 500 の分子の 2 mM の溶液の吸光度はいくら か計算しなさい．ただし、層長(光路長)は 1 cm とする． A = εcl = 500(M-1cm-1)×(2×10-3)(M)×1(cm) = 1(無次元) 単位: M について M = mol/L (= mol•L-1) mM の m (ミリ) について m = 10-3 2 mM = 2×10-3 M = 2×10-3 mol/L モル吸光係数ε: 1 M溶液を1 cmセルに入れた時の吸光度 3 演習 2016/7/9 2. 化合物Aが溶けた溶液を200倍希釈した溶液を層長 0.5 cm の 資料容器(セル)に入れて吸光度を測ったところ1.2を示した．化合 物Aの希釈前の濃度はいくらか．なお、比吸光度を200とする． 化合物Aの200倍希釈前の濃度をC (%)とすると 希釈後の濃度 = C/200(%) A = Ecl = 200(%-1cm-1)×(C/200)(%)×0.5(cm) = 1.2 注意：比吸光度で用いる濃度は％濃度 0.5×C = 1.2 1% 比吸光度: Ecm-1 よって、C = 2.4% 1%溶液を1 cm層長のセルに入れたときの吸光度 4 原子スペクトル分光法 (応用１) フレーム（炎光）分析法 2016/7/9 原子固有の 発光波長 原子発光 その原子の定量 炎 アルカリ金属 原子発光スペクトルの１種 ICP発光分析法 フレーム(炎) の代わりに プラズマで 単原子化 & 熱励起 プラズマ 6000~ 8000 K 超高温 アルカリ土類金属 原子固有の 発光波長 その原子の定量 H, O, N, ハロゲンを除く元素 (フレーム法より広範囲) 5 原子スペクトル分光法 (応用２) 原子吸光光度法 2016/7/9 検出器 特定波長の取り出し その原子の定量 光源 炎 サンプルの原子化 原子固有の 吸光波長 陰極：分析目的元素を含む単一金属または合金 測定元素の 測定元素の ＝ 吸収波長 発光波長 6 2016/7/9 原子スペクトル分光法 (その他&まとめ) 7 紫外可視吸収の化学的背景 振動遷移 2016/7/9 回転遷移 エテンの分子軌道 あらゆる準位 から、あらゆ る準位へ 電子遷移 ••• 励起前 πz* 電子励起 電子遷移 πz ΔE 電子遷移の エネルギー ΔE ± e 8 電子遷移エネルギー (ΔE) がばらつく ΔE 回転遷移 ΔE − e 振動遷移 ΔE + e 紫外可視吸収の化学的背景 2016/7/9 ΔE = hν 振動数 (ν) がばらつく ΔE c λ= ν 吸収波長 (λ) がばらつく 吸収帯が幅を持つ 9 赤外光領域の分光法・物理的背景 高 γ線 物理現象 測定法 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 電子による Ｘ線の弾性散乱 Ｘ線結晶構造 解析 回折法 2016/7/9 紫 外 線 可 視 光 線 電子遷移 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 分子振動 分子の 核スピンの 回転運動 反転 紫外可視 赤外分光法 分光法 蛍光 ラマン 分光法 分光法 CD, ORD 旋光度 回転 分光法 ESR 分光法 分光法 NMR 分光法 10 ラマン分光（ラマン散乱） 可視光領域の波数 ν 2016/7/9 可視光領域の波数 ν ν 弾性散乱 ν (レイリー散乱) ν’ ラマン散乱 ν’ = Δν ポテンシャル エネルギー 赤外領域の波数 ν ν’ Δν 分子振動への エネルギー供与 11 2016/7/9 ラマン分光（ラマン散乱） 可視光領域の波数 ν ν ν 弾性散乱 ν (レイリー散乱) ポテンシャル エネルギー 可視光領域の波数 Stokes線 ν ν’ Δν 分子振動 への エネルギー 供与 ν’ ラマン散乱 ν’ = Δν anti-Stokes線 分子振動 からの ν エネルギー 受取 Δν ν’ 12 ラマン分光（ラマンスペクトル） 可視光領域の波数 ν 可視光領域の波数 ν 弾性散乱 (レイリー散乱) 2016/7/9 ν ν ν’ ラマン散乱 ν’ = Δν 赤外領域の波数 Δν の波数の吸収（吸光度）のプロット ラマンスペクトル 分子振動の情報 13 赤外光領域の分光法・物理的背景 高 γ線 物理現象 測定法 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 電子による Ｘ線の弾性散乱 Ｘ線結晶構造 解析 回折法 2016/7/9 紫 外 線 可 視 光 線 電子遷移 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 分子振動 分子の 核スピンの 回転運動 反転 紫外可視 赤外分光法 分光法 蛍光 ラマン 分光法 分光法 CD, ORD 旋光度 回転 分光法 ESR 分光法 分光法 NMR 分光法 14 赤外分光（測定） 2016/7/9 サンプル容器 （セル）の窓材 測定法 15 赤外光領域の分光法・物理的背景 高 γ線 A-B A 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 紫 外 線 分子 可 視 光 線 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 バネの伸縮運動 B A B m1 m2 2016/7/9 結合が 伸縮する 原子は重り、共有結合はバネ 赤外光領域の分光法・物理的背景 高 γ線 A-B A 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 紫 外 線 分子 可 視 光 線 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 バネの伸縮運動 B A B m1 m2 2016/7/9 結合が 伸縮する 原子は重り、共有結合はバネ 単振動 単振動：バネの動き t/s m1 m2 物理学A (高校物理) 原子は重り、共有結合はバネ バネの端が 単振動 出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio 単振動：バネの動き t/s m1 m2 物理学A (高校物理) 原子は重り、共有結合はバネ バネの端が 固定された 単振動 出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio 単振動：バネの動き x = −r•cos(ωt) ω: 単振動と周期が同じ回転運動の角速度 x/m r 振幅: r 0 −r t/s 周期: T (s) t/s 振動数 f(s-1) = 1/T(s) 周期 T(s) = 2π(=360°)(rad)/ω(rad/s) 出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio 2016/7/9 赤外分光法の物理 高 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 γ線 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 紫 外 線 可 視 光 線 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 バネの伸縮運動 天井 物理学A (高校物理) k: バネ定数 単振動 m 単振動 バネの端が固定された単振動 1 振動数 ν = 2π √ k m 1 ν 1 波数 ν = λ = c = 2πc √ k m 2016/7/9 赤外分光法の物理 高 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 γ線 A-B 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 紫 外 線 Ｘ線 可 視 光 線 分子 k: 結合のバネ定数 m1 低 m2 換算質量: μ 分子振動 どこも固定されていない単振動 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 m1+ m2 1 1 1 μ = m1 + m2 = m1•m2 m1•m2 μ = m +m 1 2 1 振動数 ν = 2π √ k μ 1 ν 1 波数 ν = λ = c = 2πc √ k μ 2016/7/9 赤外分光法の物理 高 波長 短 10-12 10-11 10-10 γ線 A-B A A 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 紫 外 線 分子 可 視 光 線 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 バネの伸縮運動 B B 結合が 伸縮する 単振動 物理学A (高校物理) バネの端が固定された単振動 分子振動 m1 m2 原子は重り、共有結合はバネ どこも固定されていない単振動 2016/7/9 赤外光と赤外分光法 高 波長 短 波数 10-6 E (光子のエネルギー;単位: J) 2.5×10-6 4000 1 波数 ν = 2πc 10-5 2500 √ 2.5×10-5 低 10-3 (m) 10-4 2000 長 400 (cm-1) 1500 (三重結合) (二重結合) (単結合) C≡C C=C C−C k μ m1 m1 m1 m1 m1 m1 結合のバネ定数 kC≡C kC=C kC−C 波数 (cm-1) νC≡C νC=C νC−C 24 2016/7/9 赤外光と赤外分光法 高 波長 短 波数 10-6 2.5×10-6 4000 1 波数 ν = 2πc 10-5 2500 √ 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 2.5×10-5 10-3 (m) 10-4 2000 長 400 (cm-1) 1500 (三重結合) (二重結合) (単結合) C≡C C=C C−C k μ m1 m1 m1 m1 m1 m1 結合のバネ定数 kC≡C ＞ kC=C ＞ kC−C 波数 (cm-1) νC≡C ＞ νC=C ＞ νC−C 25 2016/7/9 赤外光と赤外分光法 高 波長 短 波数 10-6 E (光子のエネルギー;単位: J) 2.5×10-6 4000 1 波数 ν = 2πc 2500 √ 10-5 2.5×10-5 2000 低 10-3 (m) 10-4 1500 長 400 (cm-1) (三重結合) (二重結合) (単結合) C≡C C=C C−C C≡N C=N C−N C=O C−O k μ m1 m1 m1 m1 m1 m1 26 2016/7/9 赤外光と赤外分光法 高 波長 波数 E (光子のエネルギー;単位: J) 2.5×10-6 4000 (単結合) C−H m1 2.5×10-5 (m) 5×10-6 2500 2000 1 波数 ν = 2πc m2 400 (cm-1) 1500 √ k μ (単結合) C−C m1 m1•m2 12×1 12 μC−H = m + m = 12+1 13 1 2 低 m1 m1•m1 12×12 144 μ=C−C = m + m = 12+12 24 1 1 結合のバネ定数 μC−H μC−C 波数 (cm-1) νC−H νC−C = 27 2016/7/9 赤外光と赤外分光法 高 波長 波数 E (光子のエネルギー;単位: J) 2.5×10-6 4000 (単結合) C−H m1 2.5×10-5 (m) 5×10-6 2500 2000 1 波数 ν = 2πc 400 (cm-1) 1500 √ k μ m2 (単結合) C−C m1 m1•m2 12×1 12 μC−H = m + m = 12+1 13 1 2 低 m1 m1•m1 12×12 144 μ=C−C = m + m = 12+12 24 1 1 結合のバネ定数 μC−H ＜ μC−C 波数 (cm-1) νC−H ＞ νC−C = 28 2016/7/9 赤外光と赤外分光法 高 波長 波数 2.5×10-6 2.5×10-5 (m) 5×10-6 4000 2500 (単結合) C−H N−H O−H 2000 m2 400 (cm-1) 1500 (三重結合) (二重結合) (単結合) C≡C C=C C−C C≡N C=N C−N C=O C−O 特性吸収帯 m1 低 E (光子のエネルギー;単位: J) m1 m1 m1 指紋領域 m1 m1 m1 29 赤外分光（構造解析編） 100 2016/7/9 3300 cm-1付近の幅広くて強い吸収 50 O-H伸縮振動 3000 2000 1000 波数／cm-1 1700 cm-1付近の 強い吸収 100 50 0 C=O伸縮振動 3000 2000 1000 波数／cm-1 30 2016/7/9 赤外分光（構造解析編） C=O伸縮振動の波数 O R O O O R R 約1745 cm-1 R R N R H 約1720 cm-1 約1645 cm-1 1700 cm-1付近の 強い吸収 100 50 0 C=O伸縮振動 3000 2000 1000 波数／cm-1 31 紫外可視領域の分光法・物理的背景 高 γ線 物理現象 測定法 低 E (光子のエネルギー;単位: J) 波長 短 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 (m) 長 Ｘ線 電子による Ｘ線の弾性散乱 Ｘ線結晶構造 解析 回折法 2016/7/9 紫 外 線 可 視 光 線 電子遷移 赤外線 マイクロ ラジオ波 波 分子振動 分子の 核スピンの 回転運動 反転 紫外可視 赤外分光法 分光法 蛍光 ラマン 分光法 分光法 CD, ORD 旋光度 回転 分光法 ESR 分光法 分光法 NMR 分光法 32 蛍光とリン光の化学的背景 2016/7/9 衝突や運動 S1 励起 最低振動準位 ΔE1 = hν1 励起 蛍光 ΔE2 = hν2 G 基底状態 最低振動準位 (一重項) 33 2016/7/9 蛍光とリン光の化学的背景 振動遷移 回転遷移 衝突や運動 S1 励起一重項 最低振動準位 ΔE1 = hν1 励起 衝突や運動 (禁制遷移) 電子スピン 反転 蛍光 リン光 ΔE2 = hν2 ΔE2 = hν3 励起 最低振動準位 リン光を出す 過程が遅い (禁制遷移) G 基底状態 最低振動準位 T1 長く光る (一重項) 34 蛍光とリン光の化学的背景 2016/7/9 衝突や運動 S1 励起 一重項 最低振動準位 ΔE1 = hν1 励起 蛍光 ΔE2 = hν2 G 基底状態 最低振動準位 (一重項) 35 2016/7/9 蛍光とリン光の化学的背景 振動遷移 回転遷移 衝突や運動 S1 励起一重項 最低振動準位 ΔE1 = hν1 励起 衝突や運動 (禁制遷移) 電子スピン 反転 蛍光 リン光 ΔE2 = hν2 ΔE2 = hν3 励起 三重項 最低振動準位 リン光を出す 過程が遅い (禁制遷移) G 基底状態 最低振動準位 T1 長く光る (一重項) 36 演習 2016/7/9 1. C-C単結合の伸縮運動に伴う吸収の波数は、C=C二重結合の伸 縮運動に伴う吸収の波数の何倍になるか概算値を求めなさい。 ただし、C=C二重結合のσ結合とπ結合の強さが共にC-C単結合 のσ結合の強さと等しいものと近似する。 2. C-H伸縮運動の波数は、C-D伸縮運動に伴う吸収の波数の何倍 になるか概算値を求めなさい。Dは2H（質量数2の水素原子）。 37 2016/7/9 演習 1. C=C二重結合の伸縮運動に伴う吸収の波数は、C-C単結合の伸 縮運動に伴う吸収の波数の何倍になるか概算値を求めなさい。 ただし、C=C二重結合のσ結合とπ結合の強さが共にC-C単結合 のσ結合の強さと等しいものと近似する。 C=C二重結合のσ結合とπ結合の強さが共に、C-C単結合のσ結 合の強さと等しいので、C=C二重結合の結合の強さはC-C単結合の ２倍になる。 即ち、バネ定数が２倍: kC=C = 2kC-C 1 波数 ν = 2πc √ kC=C 1 = μ 2πc √ 2kC-C μ これより、 C=C伸縮運動の波数はC-C伸縮振動の √2 倍 38 2016/7/9 演習 2. C-H伸縮運動の波数は、C-D伸縮運動に伴う吸収の波数の何倍 になるか概算値を求めなさい。Dは2H（質量数2の水素原子）。 m1•m2 12×1 12 C-H結合の換算質量μC-Hは μC−H = m + m = 12+1 13 1 2 = m1•m2 12×2 12 C-D結合の換算質量μC-Hは μC−D = m + m = 7 12+2 1 2 13 = 7 1 波数 ν = 2πc √ k 1 μC−D = 2πc √ k 1 (13/7)μC−H = 2πc √μ √ k C−D = 7 13 これより、 C-D伸縮運動の波数はC-H伸縮振動の √7/13 倍 39 2016/7/9 連絡 以下の方は田中のところにきて下さい． 宮本辰徳君 竹内悠生君 40 宿題 2016/7/9 1. 単結合より二重結合のほうが高波数側に吸収があることを下記 の言葉を使って説明しなさい。 共有結合、バネ定数 (予習) 蛍光分光法の励起スペクトルとは何か、説明しなさい。 解らない場合は、21ページの D スペクトルを要約しなさい。 41 宿題 2016/7/9 1. C-C伸縮振動よりC=C伸縮振動のほうが高波数側に吸収がある ことを下記の言葉を使って説明しなさい。 バネ定数、共有結合 共有結合はバネのような働きをする。C=C二重結合では共有結合 が２つあり、C-C単結合のバネ２個分に近い力で結合している。 従って、バネ定数kが大きくなることに相当する。波数はkの平方根 に比例するので、C=C伸縮振動のほうがC-C伸縮振動より高波数 となる。 42
© Copyright 2024 ExpyDoc
