Spektroskopowe metody badawcze

Zastosowanie spektroskopii w badaniu związków próchnicznych, zwłaszcza w połączeniu
z metodami chemicznymi, prowadzi do uzyskania cennych informacji w zakresie budowy chemicznej tych związków.
Zalety stosowania metod spektroskopowych związane są z faktem, iż:
  1. nie wykazują one działania destrukcyjnego,
  2. do badań potrzebne są niewielkie naważki próbek,
  3. są one proste w wykonaniu.

Badanie właściwości optycznych w zakresie światła widzialnego i ultrafioletowego

Absorpcja w zakresie światła ultrafioletowego (200 - 400 nm) i widzialnego
(400 - 800 nm) jest spowodowana przez drgania atomów, związane z przeskokiem elektronów z powłoki elektronowej o niższej energii na powłokę o wyższej energii. Związki zawierające wolne elektrony na powłokach atomów tlenu, siarki i atomów z grupy chlorowców są zdolne do absorpcji światła, podobnie jak związki zawierające podwójne wiązanie C=C. Część cząsteczki odpowiedzialnej za barwę zwana jest chromoforem lub grupą chromoforową. Przykładami takich grup są następujące połączenia:

-N=O; -N=N-; -C=N-; -C=C-; C=O; C=S

Na podstawie krzywych gęstości optycznej, możemy określić stopień humifikacji
związków próchnicznych. Im wyższa jest gęstość optyczna, tym większa jest ilość kwasów huminowych, które odznaczają się dużą gęstością optyczną.

Iloraz barwy E4/E6, czyli stosunek gęstości optycznej przy długości fali 465 i 665 nm, jest
wskaźnikiem szeroko stosowanym przy charakterystyce związków próchnicznych. E4/E6 dla kwasów huminowych wynosi zwykle < 5,0, a dla kwasów fulwowych kształtuje się w zakresie od 6,0 do 8,5.Przyjmuje się, że wartości E4/E6 maleją wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej związków próchnicznych, bądź ze wzrostem spolimeryzowania ich jądra aromatycznego. Z tego względu iloraz barwy E4/E6 może służyć jako wskaźnik stopnia humifikacji.

Spektroskopia w podczerwieni (IR)

Spektrogramy związków próchnicznych wykonane w podczerwieni zawierają różne pasma
absorpcji, które są charakterystyczne dla określonych struktur cząsteczkowych. Spektroskopia w podczerwieni ma zasadnicze znaczenie w badaniach związków próchnicznych z następujących przyczyn:
  1. określa rodzaj, reaktywność i budowę grup funkcyjnych,
  2. wykazuje obecność węglowodanów i protein,
  3. wykazuje obecność lub brak mineralnych zanieczyszczeń,
  4. technika ta jest odpowiednia dla analizy ilościowej.

Absorpcja w podczerwieni jest powodowana drganiami grup funkcyjnych i wiązań
chemicznych w cząsteczce badanego związku. Wyróżnia się dwa podstawowe typy drgań cząsteczkowych: drgania rozciągające i drgania zginające.
W spektrogramach wyróżnia się następujące pasma absorpcji wywołane przez określone
grupy lub wiązania chemiczne:

Spektrogramy IR kwasów huminowych i fulwowych są do siebie podobne.
Zasadnicza różnica między nimi polega na tym, że występująca w kwasach fulwowych strefa absorpcji w zakresie liczby falowej 1720 cm-1 kwasów fulwowych jest znacznie silniejsza. (Stevenson 1982)
Stevenson i Goh wyróżnili następujące typy spektrogramów IR związków próchnicznych:

Typ 1 - spektrogramy charakterystyczne dla kwasów huminowuch. Występuje silne pasmo absorpcji w strefach 3400, 2900, 1720, 1600 i 1200 cm-1.

Typ 2 - spektrogramy charakterystyczne dla kwasów fulwowych, odznaczające się silną absorpcją w strefie 1720 cm-1.

Typ 3 - spektrogramy podobne do typów 1 i 2, ale występują w nich dodatkowo silniejsze absorpcje w zakresie 1540 cm-1 i 2900 cm-1. Jest to typowe dla protein i węglowodanów.

Dla większości gleb charakterystyczne są spektrogramy przejściowe między typami 1 i 2,
natomiast spektrogramy typu 3 są charakterystyczne dla kwasów huminowych pochodzenia wodnego.

Paramagnetyczny rezonans elektronowy (ESR)

Związki próchniczne wykazują dosyć dużą zawartość wolnych rodników, którymi są
atomy lub grupy atomów posiadające nieparzyste elektrony.Okrążające atom elektrony wykonują ruch wirujący. Jeżeli elektrony na danej powłoce są parzyste, to w każdej parze elektrony mają przeciwny spin (moment pędu), wzajemnie się równoważący. W sytuacji gdy na powłoce występuje elektron nieparzysty, jego spin nie jest równoważony, a atom wykazuje własciwości paramagnetyczne.W przeciwieństwie do większości substancji, związki, które zawierają wolne rodniki są przyciągane przez pole magnetyczne i jest to właściwość, wykorzystywana przy stosowaniu spektrometrii ESR. Wolne rodniki pełnią istotną rolę, ponieważ biorą udział w reakcjach, w których uczestniczą kwasy huminowe i fulwowe, np. wiązanie metali.
Pod względem zawartości wolnych rodników, substancje próchniczne można uszeregować następująco: kwasy fulwowe > kwasy huminowe > huminy (Riffaldi i Schnitzer 1972).
Widma ESR kwasów huminowych charakteryzują się następującymi właściwościami
(Altherton et al. 1967):
  1. kwasy huminowe wykazują widma w zakresie 1,75 do 1,90 gauss,
  2. spektrogramy ESR, w zależności od pH gleby, można podzielić na dwie grupy. Kwasy ze środowiska kwaśnego (pH 2,8 - 4,3) wykazują czteroliniowe widma na spektrogramach, natomiast ze środowiska mniej kwaśnego (pH 4,3 - 7,2) wykazują słabo wykształcone widma, bez wyraźnych pików,
  3. nie stwierdzono wpływu głębokości miejsca pobrania próbek lub wieku gleby na widma ESR, na ich wykształcenie (wyrazistość pików) wpływa jednak roślinność porastająca glebę.

Nuklearny rezonans magnetyczny (NMR)

Jądra niektórych atomów (np. 1H i 13C) wykazują magnetyczny moment spinu. Kiedy takie
atomy umieści się w polu magnetycznym i pobudzi falami radiowymi, wydziela się przejściowa energia. Powstałe w ten sposób widmo dostarcza istotnych informacji obejmujących najbliższe środowisko badanego atomu.
Spektrogramy 1H-NMR i 13C-NMR związków próchnicznych dostarczają wiadomości o
ich strukturze chemicznej i grupach funkcyjnych, np. spadek w pasmach określających rdzeń aromatyczny oraz wzmocnienie w pasmach związanych z częścią alifatyczną związków próchnicznych. Na tej podstawie można określić czy przeważają kwasy huminowe czy fulwowe.

powrót do pierwszej strony