PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐO QUANG
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN
TÍCH ĐO QUANG
Theo nguyên tắc chung, để xác định một chất bất kì, ta có thể tìm cách đo
một tính hiệu bất kì có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với chất đó. Phương pháp
phân tích đo quang có nhiệm vụ nghiên cứu cách xác định các chất dựa trên việc
đo đạc những tín hiệu bức xạ điện từ và tác dụng tương hỗ của bức xạ này với chất
nghiên cứu.
Các phương pháp phân tích đo quang cổ điển chỉ mới dựa trên quan hệ của
những ánh sáng khả kiến – VIS (tức là vùng bức xạ nhạy cảm với mắt người có
bước sóng 400 – 700 nm) với chất nghiên cứu nên vẫn thường được gọi là phương
pháp so màu. Ngày nay, phương pháp phân tích đo quang đã đực dùng để khảo sát
cả một vùng bức xạ điện từ rộng lớn từ tử ngoại (có vùng bước sóng từ 10 nm)
đến hồng ngoại (10
-2
cm), và có thể tới các vùng có bước sóng bé hơn nữa (như ở
các phương pháp phổ tia X và tia
γ
) hoặc các vùng có bước sóng lớn hơn nữa
(như ở các phương pháp cộng hưởng spin – electron – miền sóng viba – và cộng
hưởng từ hạt nhân)
1. ĐẶC TÍNH CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
Như đã biết, ánh sáng có thể được mô tả theo tính chất sóng và theo tính
chất hạt. Khi mô tả tính chất sóng của ánh sáng ta thường dùng các thuật ngữ
bước sóng và tần số . Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng có thể được hình
dung như một tổ hợp của một trường dao động điện E và một từ trường M vuông
góc với nhau và chuyển động với một vận tốc không đổi ở một môi trường nhất
1
định. Trong chân không thì vận tốc này chính là vận tốc của ánh sáng. Có thể hình
dung tính chất sóng của ánh sáng như hình bên dưới.

người ta còn dùng một đơn vị khác nhau là
số sóng. Đây là số nghịch đảo của bước sóng (1/
λ
) được biểu diễn bằng đơn vị
nghịch đảo của centimet (cm
-1
). Như vậy số sóng tỉ lệ thuận với tần số và được kí
hiệu là
ν
.
Tính chất hạt của ánh sáng được mô tả dưới dạng những đơn vị năng lượng
mang tên photon. Năng lượng của một photon gắn liền với một sóng điện từ tỉ lệ
thuận với tần số của sóng. Nếu kí hiệu năng lượng là E thì ta có hệ thức :
2
Hình 1: Tính chất sóng của ánh sáng
E h= ν
Trong đó h là hằng số tỉ lệ (hằng số Planck) có giá trị bằng 6,63.10
-34
J.s
hoặc 6,63.10
-27
ec-s
Như vậy, năng lượng biểu thị hằng số jun hoặc ec đối với mỗi photon. Mỗi
mol photon được gọi là là Einstein có năng lượng bằng Nhv trong đó N là số
Avogadro. Đương nhiên cách biểu thị này phải dựa trên giả thiết là mọi photo đều
phải có cùng tần số và các photon này được gọi là “đơn sắc” (vì chúng có cùng
bước sóng nên mới có cùng tần số).
Tương tác của bức xạ điện từ với một chất có thể được thể hiện một cách
đại cương ở hai quá trình: quá trình hấp thụ, trong trường hợp bức xạ điện từ tới từ
nguồn bị chất nghiên cứu hấp thụ và cường độ bức xạ sẽ bị giảm đi, và quá trình

vùng nhìn thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành 3 vùng nhỏ:
- Near-IR 400-10 cm
-1
(1000- 25 μm)
- Mid-IR 4000 - 400 cm
-1
(25- 2,5μm)
- Far-IR 14000- 4000 cm
-1
(2,5 – 0,8μm)
Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các
phân tử, từ đó cho biết các thông tin liên quan đến cấu trúc của các phân tử đó.
4
Thông thường đơn vị của bước sóng được sử dụng trong phổ hồng ngoại là µm
( 1 µm = 10
- 4
cm) và thay cho tần số (Hz), người ta sử dụng đơn vị là số sóng:

Phổ hấp thụ hồng ngoại là phổ dao động quay khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại
thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của phân tử đều bị kích thích.
Khi phân tích quang phổ hồng ngoại, ngoài việc xem xét tần số vân phổ còn
phải chú ý tới cường độ và hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thường được
ghi dưới dạng đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua
(100.I/I
0
) vào số sóng (
υ
). Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi
những vân phổ với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định gọi là tần số.
Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:

nghiên cứu.
Trong hóa phân tích phổ IR ứng dụng để phân tích định lượng.
3.3. Kỹ thuật thực nghiệm:
3.3.1. Nguyên lý máy đo phổ hồng ngoại
Hình 2 trình bày sơ đồ nguyên lý một máy đo phổ hồng ngoại kiểu hai
chùm tia. Nguồn bức xạ (1) phát ra chùm tia hồng ngoại với mọi tần số trong vùng
cần đo. Chùm tia này được tách thành hai phần: đi qua mẫu (2) và đi qua môi
trường đo (dung môi chẳng hạn (2’)) rồi đến bộ tạo đơn sắc (3). Bộ tạo đơn sắc
tách từng tần số để đưa qua bộ phận “phân tích” gọi là detector (4). Detector sẽ so
sánh cường độ hai chùm tia (một đi qua mẫu và một đi qua môi trường đo) để cho
ra những tính hiệu điện có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu, bút
tự ghi (5) được chỉ huy bởi tín hiệu điện do detector cung cấp sẽ ghi lại sự hấp thụ
bức xạ của mẫu (thường dưới dạng đường cong sự phụ thuộc phần trăm bức xạ
truyền qua vào số sóng, cm
-1
) (6).

6
*
(1)
(2)
(2')
(3)
(4)
(5)
(6)
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại hai chùm tia.
Nếu mẫu là chất lỏng hay là dung dịch nó được chứa trong dụng cụ gọi là
cuvet. Cuvet này có một “cửa sổ” để cho chùm tia hồng ngoại đi qua. Cửa sổ này
làm từ vật liệu trong suốt đối với vùng hồng ngoại nguyên cứu. Các chất thường

chính là số sóng
υ
, do đó thực chất ta đã có hàm sự phụ thuộc của cường độ
bức xạ vào số sóng. Bút tự ghi sẽ cho ra phổ có dạng giống như các phổ thu được
từ máy phổ thế hệ cũ.

o
2
3
5
4
1
6
7
8
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
1-Nguồn sáng, 2-Gương cố định, 3-Gương di động, 4-Bộ phận chia chùm sang,
5-Mẫu, 6-Detector, 7-Computer, 8-Bút tự ghi.
Máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier có ưu điểm hơn hẳn máy phổ hồng
ngoại thường; việc dùng giao thoa kế cho phép làm khe sáng rộng hơn do đó
lượng ánh sáng thu được trên giao thoa kế sẽ lớn hơn nhiều so với trên bộ tạo đơn
sắc ở máy phổ thế hệ cũ; Nhờ nguyên lý hoạt động mới mày phổ hồng ngoại biến
đổi Fourier giảm được nhiễu, làm tăng tín hiệu. Do sử dụng computer nên việc đo
phổ được tự động hóa ở mức độ cao, ngoài ra phổ còn được lưu trữ và đối chiếu
với các phổ của các chất có trong thư viện của máy.
8
Trong quá trình làm việc, thang tần số của máy phổ hồng ngoại có thể bị xê
dịch. Vì vậy, cần phải thường xuyên kiểm tra, điều chỉnh bằng cách sử dụng các
chất chuẩn như polistiren, amoniac hoặc hơi nước.
 Một số loại máy đo phổ hồng ngoại:

, nhưng ở cuvet với bề dày 1 mm nó hấp thụ đáng
kể ở 1600-1550, 1270-1200 và 1020-960 cm
-1
. Cửa sổ của cuvet thường làm bằng
NaCl do đó hạn chế việc nghiên cứu các dung dịch nước. Người ta cũng có thể
khắc phục bằng cách dùng cửa sổ làm từ CaF
2
hoặc AgCl.
Ở thể rắn: nghiền mẫu nhỏ rồi sau đó trộn mẫu với dầu parafin (Nujol) hoặc
trộn mẫu với bột KBr rồi ép (phương pháp ép KBr). Theo phương pháp ép KBr,
mẫu được trộn với bột KBr khan, nghiền nhỏ, cho vào cối ép thành một màng
mỏng có chiều dày 0,1mm rồi đặt vào cuvet để ghi. Lượng mẫu cần 2-5g.
3.4. HẤP THỤ HỒNG NGOẠI CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ
3.4.1. Tần số đặc trưng nhóm
Theo quan niệm dao động nhóm, những nhóm nguyên tử giống nhau trong
các phân tử có cấu tạo khác nhau sẽ có những dao động định vị thể hiện ở những
khoảng tần số giống nhau. Những tần số ứng với các dao động nhóm rất có ích
trong việc nhận ra các nhóm nguyên tử trong phân tử vì vậy được gọi là tần đặc
trưng nhóm.
Hầu hết các nhóm nguyên tử trong các hợp chất hữu cơ hấp thụ ở vùng 4000-
650 cm
-1
.
Vùng phổ từ 1500 – 4000 cm-1 chứa các vân hấp thụ của hầu hết các nhóm
chức như OH, NH, C=O, C=N, C=C… nên được gọi là vùng nhóm chức. Vùng
phổ dưới 1500 cm
-1
phức tạp hơn và thường dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn
là xác định các nhóm chức của nó. Ở vùng này có các dao động biến dạng của các
liên kết đơn C-H, C-C…và các dao động hóa trị của các liên kết đơn C-C, C-N,

một độ chính xác của 5 ppm hoặc ít hơn, mà thường là đủ để xác nhận công thức
phân tử của hợp chất là một, và cũng là một yêu cầu tiêu chuẩn để công bố trên
một tạp chí hóa học
Kết cấu thông tin có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một số loại quang
phổ kế khối lượng, thường là những người có nhiều phân tích được biết đến như
quang phổ kế khối song song. Điều này đạt được bằng cách phân mảnh các mẫu
trong các dụng cụ và phân tích các sản phẩm tạo ra. Thủ tục này rất hữu ích cho sự
giải thích cấu trúc của các hợp chất hữu cơ và cho peptide hoặc trình tự
oligonucleotide.
II. KHỐI PHỔ KẾ
Khối phổ kế là thiết bị chuyên dùng dùng để đo đạc tỉ lệ khối lượng trên điện
tích ion
Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, bao gồm:
• Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân tử
hợp chất hay từng phần tách riêng của nó
• Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợp chất
• Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần tách
riêng của nó
• Định lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng các phương pháp khác
(phương pháp phổ khối vốn không phải là định lượng)
• Nghiên cứu cơ sở của hóa học ion thể khí (ngành hóa học về ion và chất
trung tính trong chân không)
16
• Xác định các thuộc tính vật lí, hóa học hay ngay cả sinh học của hợp chất
với nhiều hướng tiếp cận khác nhau.
Một khối phổ kế là một thiết bị dùng cho phương pháp phổ khối, cho ra
phổ khối lượng của một mẫu để tìm ra thành phần của nó. Có thể ion hóa mẫu và
tách các ion của nó với các khối lượng khác nhau và lưu lại thông tin dựa vào việc
đo đạc cường độ dòng ion. Một khối phổ kế thông thường gồm 3 phần: phần
nguồn ion, phần phân tích khối lượng, và phần đo đạc.

được nhận ra bởi máy.
17
Một trong những tính năng lớn của khối phổ lượng là có thể tìm thấy cấu
tạo không gian của phân tử ví dụ phân tử C
7
H
14
O
2
có thể là acid hoặc ester Và
khả năng phát hiện ra hợp chất với độ nhậy cực cao từ 10
-6
dến 10
-12
gram.
Hình 4: Khối phổ của phân tử tử Kaempferol-rhamnose-rhamnose-glucose
(m/z 741)
18
CHƯƠNG 3: PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY
(NMR)
Hơn năm mươi năm trở lại đây máy cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear
magnetic resonance), thường gọi là NMR, đã trở thành công nghệ ưu việt cho việc
xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ. Trong tất cả các phương pháp phổ
nghiệm, duy nhất NMR một loại công cụ phân tích đầy đủ và sự giải thích trọn
vẹn phổ như được mong đợi. Mặc dù số lượng lớn các mẫu cần thiết phải đo phổ
khối và cùng với các dụng cụ hiện đại có thể thu được các dữ liệu tốt từ mẫu có
trọng lượng ít hơn một milligram. Ngày nay máy quang phổ NMR hoạt động với
các tầng số 100, 200, 400, 500 và ngay cả 800 và 900MHz, tương ứng với cường
độ từ trường 2.3, 4.6, 9.4;…hay 18.8 T…Ứng dụng máy NMR để đo cấu trúc của

khi khuếch đại (amplier) và chuyển qua mặt phẳng x-y, phổ NMR có thể ghi lại
(record) và tần số cộng hưởng có thể đo.
- Hai kỹ thuật thực nghiệm NMR có giá trị là CW và FT
+ CW là máy quét sóng liên tục (continuous wave) có nghĩa là trong
suốt quá trình đo phổ NMR tần số υ của rf thay đổi liên tục.
20
+ FT là máy biến đổi Fourier (Fourier transformation) trong đó sự kích
thích hạt nhân xuyên qua một xung động rf, một trường rf mạnh (~50 Watt) trong
khoảng thời gian ngắn (5 – 10 µs).
1.4. Phép đo phổ
Phổ CW bây giờ chỉ dung để đo phổ 1H với mẫu 50 mg hay nhiều
hơn đối với hỗn hợp phản ứng để xác định sơ bộ lượng sản phẩm. Phổ FT được
lấy dung với lượng mẫu ít hơn cũng như cho độ chính xác và độ phân giải cao,
thong thường đophổ 13C cần 50-100 mg bây giờ chỉ cần 1-10 mg. tuy vậy lúc đó
cần nhiều xung (pulse, scan) hơn, với phổ 1H cần ít hơn 0.1 mg nếu khối lượng
phân tử chất khảo sát lớn hơn vài trăm. Mẫu được làm tinh khiết (trên 95%) khan
và không chứa dung môi (chứa H) bằng cách hút chân không khoảng hơn một
ngày. Mẫu được hòa tan trong một dung môi, thích hợp nhất là các dung môi
không cho tín hiệu hoặc tín hiệu nằm ngoài vùng tín hiệu chất khảo sát NMR. Các
dung môi thường dungflaf CCl
4
, CDCl
3
, d
6
-DMSO [(CD
3
)
2
SO] và D

sử dụng; với các proton γH = 2.675 x 10
8
T
-1
S
-1
Ta có: υ = 2.675 x 10
8
x 11.7/(2x3.14) = 500 x 10
6
Hz = 500MHz
Tần số υ là tần số Larmor, đó cũng chính là tần số quay của nhân quanh trục từ
trường B
o
ứng với một nhân xác định.
Bảng υ (MHz) - B
o
(Tesla)
Bo 1.4 1.9 2.3 4.7 7.1 11.7 14.1
υ
1
H 60 80 100 200 300 500 600
υ (
13
C) 15.1 20.1 25.1 50.3 75.5 125.7 151
2.2 Độ dịch chuyển hóa học
Trên phổ đồ, tại một vị trí mà một hạt nhân hấp thu năng lượng để có hiện
tượng cộng hưởng được gọi là độ dịch chuyển hóa học.
Phổ NMR được chia theo đơn vị delta (δ). Một đơn vị delta bằng 1 phần
một triệu (ppm) của tần số hoạt động máy NMR.

3
CH
2
COOCH
3
.
Trên phổ 1H-NMR cho 3 peak (3 nhóm tín hiệu). Nếu khuếch đại các peak thu
được các peak rõ hơn. 3 tín hiệu là Quarlet, singlet, triplet là 3 tín hiệu của CH
3
,
CH
2
, CH
3
. Độ dịch chuyển hóa học của các mũi đa được thể hiện chi tiết trên phổ
đồ:
23
Độ dịch chuyển hóa học của các peak đối với phổ 1
H
NMR của Ethylacetate
như sau:
peak 1 2 3 4 5 6 7 8
δ
(ppm)
4.0899 4.0757 4.0614 4.0471 1.9907 1.2211 1.2068 1.1925
Từ bảng số liệu ta tính được: vị trí peak và hằng số ghép cặp
J = (δ
n
– δ
n-1

-).
II. PHÂN LOẠI
24
1.NMR 1D
Hình ảnh phổ được biểu diễn trên một trục nằm ngang có đơn vị là ppm lấy TMS
làm mốc tại δ = 0 ppm ở phía phải của phổ đồ.
1.1 Phổ
1
H NMR
Phổ
1
H NMR dùng để xác định có bao nhiêu nhóm H trong hợp chất cần khảo sát,
dựa vào độ dịch chuyển hóa học có thể đoán được H được gắn vào vị trí nào của
chất khảo sát. Ngoài ra kết hợp với phổ khối có thể đếm chính xác số H có trong
hợp chất. Đối với phổ
1
H NMR peak dung môi CDCl
3
có độ dịch chuyển hóa học
là 7.26 ppm.
Độ dịch chuyển hóa học của một số nhóm có chưa H trong phổ
1
H NMR như sau:
Nhóm chất CH3,
CH2,CH
bảo hòa
CH3, CH2,
CH bất bảo
hòa có O
C=C Vòng thơm C=O