využitie elektromagnetického žiarenia v chémii · g) otáčanie roviny polarizovaného...

Využitie elektromagnetického žiarenia v analytickej chémii

e-Analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU, 2006 88

3. VYUŽITIE ELEKTROMAGNETICKÉHO ŽIARENIA V ANALYTICKEJ CHÉMII 3.1. ELEKTROMAGNETICKÉ ŽIARENIE A JEHO VLASTNOSTI

Elektromagnetické žiarenie je druh energie, ktorá sa šíri priestorom postupným periodic-kým pohybom. Mnohé jeho vlastnosti sa opisujú pomocou klasického vlnového modelu, ktorý používa pojmy ako vlnová dĺžka, frekvencia, rýchlosť, amplitúda. Na rozdiel od iných vlnových javov, ako je zvuk, elektromagnetické žiarenie nevyžaduje na svoje šírenie nosné médium - šíri sa aj vo vákuu. Vlnový model zlyháva pri uvažovaní javov spojených s absorpciou alebo emisiou žiarivej energie. V týchto prípadoch sa elektromagnetické žiarenie považuje za prúd diskrétnych častíc - fotónov, ktorých energia je úmerná frekvencii žiarenia. Tieto duálne predstavy o žiarení sa navzájom nevylučujú, ale sú komplementárne a spolu tvoria základ vlnovej mechaniky.

Kvantum energie prenášanej jedným fotónom je úmerné frekvencii ν

E = hν (3.1)

kde h je Planckova konštanta (6,63.10-34 J⋅s). V spektroskopii sa energia fotónu (elektrónu, iónu) často vyjadruje v elektrónvoltoch (1 eV = 1,6022⋅10-19 J).

Množstvo žiarivej energie prenesené za jednotku času sa označuje ako žiarivý tok (Φ), ktorého hlavnou jednotkou je J⋅s-1, t.j, W. (žiarivý tok teda zodpovedá výkonu). Žiarivá energia dopadajúca na jednotku plochy (napr. detektora) za jednotku času sa označuje ako intenzita žiarenia.

V metódach röntgenovej a optickej spektroskopie sa žiarivá energia charakterizuje vlnovou dĺžkou (λ) alebo vlnočtom (ν = 1/λ), ktoré spolu s frekvenciou (ν) vyplývajú z vlnovej povahy žiarenia. Rýchlosť šírenia žiarenia je daná súčinom frekvencie a vlnovej dĺžky

vi = ν λi (3.2)

kde index i sa vzťahuje na dané prostredie. Vo vákuu je rýchlosť maximálna a označuje sa symbolom c (c = 299 792 458 m⋅s-1, rýchlosť vo vzduchu je asi o 0,03 % menšia). Aj pre vákuum platí, že

c = ν λ (3.3)

V súlade s vlnovou mechanikou je vlnová dĺžka usporiadaného pohybu hmotných mikro-častíc (najmä elektrónov a iónov) s hmotnosťou m a rýchlosťou v daná de Broglieho vzťahom

h=

m vλ (3.4)

Rýchlosť šírenia sa žiarenia v inom prostredí než vo vákuu sa zmenšuje, pretože dochádza k interakcii elektromagnetického poľa s elektrónmi atómov a molekúl. Mierou tejto interakcie je absolútny index lomu



iv=

cn (3.5)

Dôležitý je poznatok, že frekvencia sa prechodom žiarenia cez rôzne prostredia na rozdiel od rýchlosti šírenia nemení. Pretože frekvencia žiarenia je konštantná, vlnová dĺžka sa musí pri prechode z vákua do daného prostredia zmenšovať, z čoho pri veľmi presných meraniach vyplýva potreba korigovať hodnoty vlnovej dĺžky (λi) a vlnočtu (ν ) namerané v prostredí s absolútnym indexom lomu n (napr. vo vzduchu) na hodnoty vo vákuu

( ) 1i i nλ λ λ= + − (3.6)

Elektromagnetické žiarenie sa správa ako priečne vlnenie s dvoma silovými zložkami - elektrickou a magnetickou. Ich vektory sú navzájom vždy kolmé a kolmé sú aj na smer šírenia sa lúča. Pri opise preto stačí uvažovať iba jeden z nich. Žiarenie vysielané obvyklými zdrojmi býva nepolarizované, t.j. napr. elektrický vektor kmitá vo všetkých rovinách kolmých na šírenie sa lúča. Optickým zariadením, tzv. polarizátorom možno získať lineárne (rovinne) polarizované žiarenie, keď elektrický vektor kmitá iba v jednej rovine. Dvojrozmerným zobrazením lúča monochromatického a lineárne polarizovaného elektromagnetického žiarenia ako závislosti veľkosti vektora elektrickej zložky od dráhy v smere šírenia sa lúča je sínusoida.

Tabuľka 3 Oblasti elektromagnetického spektra využívané v analytickej chémii

Názov a skratka oblasti Frekvencia ν [Hz] Vlnová dĺžka λ Vlnočet ν [cm-1]

Röntgenová, RTG 1020 až 1016 103 až 10 nm

Ultrafialová, UV

vákuová 1016 až 1015 10 až 200 nm

blízka 1015 až 7,5⋅1014 200 až 380 nm

viditeľná, VIS 7,5⋅1014 až 4,0⋅1014 380 až 770 nm

Infračervená, IR

blízka 4,0⋅1014 až 1,2⋅1014 0,75 až 2,5 μm 13000 až 4000

stredná 1,2⋅1014 až 6,0⋅1012 2,5 až 50 μm 4000 až 200

vzdialená 6,0⋅1012 až 1,0⋅1011 50 až 100 μm 200 až 10

Mikrovlnná 1011 až 108 1 až 1000 m 10 až 0,01

Rádiofrekvenčná 108 až 105 1 až 1000 m

Vzájomná interakcia dvoch alebo viacerých vlnení s časovo nepremenným fázovým

posunom (koherentných vlnení) sa nazýva interferencia. Jej podstatou je vektorové sčítanie amplitúd elektrickej (aj magnetickej) zložky v uvažovanom mieste pozorovania. Ak sa dráhový rozdiel dvoch susedných lúčov s rovnakou vlnovou dĺžkou rovná celistvému násobku vlnovej dĺžky, interferencia sa pozoruje ako maximálne zosilnenie alebo zoslabenie svetelného toku, čo sa využíva napr. na monochromatizáciu žiarenia na mriežkach, pri konštrukcii interferenčných filtrov a iných interferometrov, alebo v interferometrii. Interferometria na mriežkach (aj na mriežkach kryštálov) sa nazýva difrakcia.



Elektromagnetické žiarenie využiteľné v analytickej chémii siaha od vysoko energetic-kého žiarenia γ po rádiovlnné žiarenie s veľmi malou energiou. Tento rozsah žiarenia sa označuje ako elektromagnetické spektrum, ktorého približné členenie na jednotlivé oblasti (tab. 3) súvisí jednak s charakterom zdrojov žiarenia a povahou častíc tvoriacich lúč, jednak s vlastnosťami detektorov žiarenia. 3.2. ANALYTICKÝ SIGNÁL OPTICKÝCH METÓD

Označenie "optické metódy" pôvodne prislúchalo využitiu viditeľnej (VIS) oblasti elektromagnetického žiarenia, pre ktoré sa potrebné prístroje konštruujú z tzv. optických prvkov (hranoly, mriežky, šošovky, zrkadlá a pod.). Neskôr sa tieto metódy rozšírili o využitie ultrafialovej (UV) a infračervenej (IR) oblasti spektra a dnes sa využíva prakticky celé elektromagnetické spektrum.

Nositeľom analytickej informácie o zložení skúmanej látky môže byť buď elektro-magnetické žiarenie, ktorého zdrojom je vzorka, alebo elektromagnetické žiarenie pozmenené v dôsledku interakcie so skúmanou látkou. Najviac informácií dávajú spektrálne metódy, pri ktorých analytickým signálom, ktorý vzniká interakciou medzi časticami vzorky a skúmadlom (žiarením alebo inou formou energie) je žiarenie určitých, pre dané častice charakteristických frekvencií. Ako spektrum daných častíc sa potom nazýva závislosť žiarivého toku alebo absolútnej či relatívnej intenzity žiarenia od energie (vlnovej dĺžky, vlnočtu, frekvencie) tohto sledovaného žiarenia.

Pri interakcii elektromagnetického žiarenia s látkou dochádza k viacerým fyzikálnym aj chemickým dejom. Žiarenie sa sčasti absorbuje, mení svoj smer, vyvoláva chemické reakcie alebo reemisiu sekundárneho žiarenia a pod.

Podľa javov, ktoré sa uplatňujú pri využití elektromagnetického žiarenia možno odvodiť najvýznamnejšie techniky merania, tvoriace základ príslušných analytických metód. Najvýznamnejšími javmi sú:

a) Absorpcia žiarenia časticami vzorky (absorpčné metódy atómovej a molekulovej spektrometrie).

b) Emisia žiarenia atómami, iónmi alebo molekulami po ich termickej excitácii (emisné spektrálne metódy).

c) Emisia žiarenia časticami po ich excitácii elektromagnetickým žiarením (fluorescenčné a fosforescenčné metódy).

d) Rozptyl žiarenia (turbidimetria, nefelometria, Ramanova spektrometria, elektrónová difrakčná spektrometria).

e) Odraz žiarenia od povrchu skúmanej látky (mikroskopia, spektroskopia odrazeného žiarenia).

f) Zmena smeru šírenia sa žiarenia pri prechode skúmaným prostredím (refraktometria).

g) Otáčanie roviny polarizovaného žiarenia (polarimetria, spektropolarimetria).



Absorpcia žiarenia

Absorpciou žiarenia sa rozumie proces, pri ktorom chemické zložky transparentného prostredia žiarenie selektívne zoslabujú, t.j. znižujú intenzitu určitých frekvencií elektromagnetic-kého žiarenia. Podľa kvantovej teórie každá mikročastica (atóm, ión, molekula) môže nadobúdať určitý rad energetických stavov, z ktorých najnižší je tzv. základný stav. Pri bežnej teplote je väčšina elementárnych častíc v ich základnom stave. Keď fotón žiarenia prechádza v blízkosti elementárnej častice, stáva sa absorpcia pravdepodobnou iba ak sa energia fotónu presne rovná rozdielu energie medzi základným stavom a niektorým z vyšších energetických stavov častice. Za týchto okolností sa energia fotónu prenesie na túto časticu (atóm, ión alebo molekulu), čím ju prevedie do vyššieho energetického stavu, ktorý sa označuje ako vzbudený (excitovaný) stav. Excitáciu častíc M na ich vzbudený stav M* možno opísať rovnicou

M + hν = M*

Po krátkom čase (10-6 až 10-9 s) excitovaná častica relaxuje na jej pôvodný alebo základný stav, pričom energia prechádza na iné atómy alebo molekuly v prostredí. Tento proces, pri ktorom sa zvýši teplota okolia možno vyjadriť rovnicou

M* = M + teplo

Relaxácia môže prebehnúť aj fotochemickým rozkladom M* za vzniku nových látok, alebo luminiscenčným reemitovaním žiarenia. (Doba života excitovaných častíc M* je taká krátka, že ich koncentrácia je zanedbateľná a navyše množstvo relaxáciou uvolnenej tepelnej energie je spravidla veľmi malé na to, aby bolo merateľné). Prednosťou sledovania absorpcie žiarenia je, že dochádza k minimálnemu narušeniu skúmaného systému. Využitie absorpčných metód v kvantitatívnej analýze je založené na meraní rozsahu absorpcie žiarenia vyjadreného veličinami, ako sú transmitancia a odvodené veličiny (absorbancia a absorptancia). V absorpčných metódach absorbujúce látky charakterizuje absorpčné spektrum, čo je závislosť niektorej funkcie miery zoslabenia žiarenia (napr. transmitancie, absorbancie alebo logaritmu absorbancie) od vlnovej dĺžky, frekvencie alebo vlnočtu. UV/VIS absorpčné spektrá sa získavajú obvykle pre vzorky plynné alebo pre ich zriedené roztoky v transparentnom rozpúšťadle.

Emisia žiarenia

Častice skúmanej látky (atómy, ióny, molekuly) možno excitovať na niektorú z vyšších energetických hladín niekoľkými spôsobmi, ako sú pôsobenie tepla chemického plameňa, vysoko-napäťovej elektrickej iskry, elektrického oblúka alebo viazanej plazmy, účinok primárneho elektromagnetického žiarenia alebo toku elektrónov či iných hmotných častíc. Vzbudený (excitovaný) stav častíc má krátku životnosť. Nadbytočná energia excitovaných častíc sa môže uvoľniť vo forme žiarenia, pričom dochádza k tzv. relaxácii na nižšiu energetickú hladinu alebo na základný stav

M* = M + hν

Emisia žiarenia môže nastať samovoľne (spontánna emisia), alebo môže byť vynútená vonkajším účinkom (stimulovaná, alebo tiež indukovaná emisia), na čom je založená funkcia tzv. kvantových generátorov (laserov).

Emisia žiarenia je základom emisnej spektrálnej analýzy, kedy excitovanými časticami sú atómy alebo ióny, a luminiscenčných metód, kedy excitovanými časticami sú molekuly.



Žiarenie každého zdroja možno charakterizovať emisným spektrom, čo je grafické vyjadrenie relatívnej intenzity emitovaného žiarenia ako funkcie jeho vlnovej dĺžky alebo frekvencie. Rozoznávame tri druhy spektier:

(a) Čiarové spektrum, ktoré pozostáva zo série ostrých, dobre definovaných píkov. Pozoruje sa vtedy, keď emitujúcimi časticami sú navzájom dostatočne izolované atomárne častice, ako je to v plynoch. Tieto častice sa môžu správať navzájom nezávisle a spektrum tvorí séria ostrých čiar o šírke poriadku 10-3 pm. Horizontálna čiara na obr. 29 označená ako E0 zodpovedá základnému stavu. Horizontálne čiary E1 a E2 zodpovedajú dvom vyšším energetickým hladinám. Jediný elektrón na valenčnej hladine atómu sodíka v základnom stave sa nachádza na orbitále 3s. Hladina E1 predstavuje energiu atómu, ktorého elektrón absorpciou energie (tepelnej, elektrickej alebo žiarivej) prešiel na energeticky vyšší orbitál 3p. Po asi 10-8 s sa atóm vráti do základného stavu, pričom vyžiari fotón, ktorého frekvencia a vlnová dĺžka sú podľa (3.1) a (3.3)

ν1 = (E1 – E0)/h, resp. λ1 = hc/(E1 – E0)

Obr. 29 Časť diagramu energetických hladín atómu sodíka s uvedením prechodov,

zodpovedajúcim spektrálnym čiaram pri 285 nm, 330 nm a 590 nm

Prechodu z 3p na 3s zodpovedá emitované žiarenie s vlnovou dĺžkou 590 nm. Energeticky vyšší stav atómu sodíka vyjadruje čiara E2, ktorá zodpovedá elektrónovému stavu 4p. Žiarenie zodpovedajúce prechodu z orbitálu 4p na 3s sa pozoruje pri kratšej hodnote vlnovej dĺžky (330 nm) a pri ešte kratšej vlnovej dĺžke (285 nm) sa pozoruje žiarenie zodpovedajúce prechodu z orbitálu 5p na 3s. Vlnová dĺžka emitovaného žiarenia je podľa tzv. Kirchhoffovho zákona totožná s vlnovou dĺžkou absorpčných píkov pár sodíka, pretože k prechodom dochádza medzi tými istými energetickými stavmi.

(b) Pásové spektrum, ktoré pozostáva z niekoľkých skupín čiar, ktoré sú navzájom tak blízko, že nie sú rozlíšené. Zdrojmi pásov sú excitované molekuly alebo radikály. V emisnej spektroskopii sa často stretávame s pásovými spektrami spôsobenými prítomnosťou plynných radikálov alebo malých molekúl, napr. OH, MgOH, MgO. Pásy pozostávajú zo sérií navzájom blízkych spektrálnych čiar, ktoré použitý prístroj nedokáže rozlíšiť. Tieto čiary, tvoriace pásy, zodpovedajú početným kvantovaným vibračným energetickým hladinám, ktoré sú naložené na



energetickú hladinu základného stavu elektrónov danej molekuly. Dôsledkom rozdielu v dobe životnosti vyšších vibračných stavov (10-15 s) a excitovaných elektrónových stavov (10-8 s) je, že keď elektrón je excitovaný na jednu z vyšších vibračných hladín elektrónového stavu, pred tým, než môže nastať prechod elektrónu do základného stavu, nastane relaxácia na najnižšiu vibračnú hladinu vzbudeného stavu. Žiarenie produkované elektrickou alebo termickou excitáciou viac atómových častíc tak temer vždy zodpovedá prechodu z najnižšej vibračnej hladiny excitovaného elektrónového stavu na niektorú z vibračných hladín základného stavu.

Mechanizmus, ktorým dochádza k relaxácii vibračných stavov excitovaných častíc na najbližší elektrónový stav spočíva v prenose nadbytočnej energie sériou kolízií na iné atómy v systéme. Tento proces prebieha veľkou rýchlosťou. Kolíziami dochádza aj k relaxácii vyššieho elektrónového stavu na nižší, ale tento proces prenosu energie je dostatočne pomalý na to, aby sa uprednostnilo aj uvoľnenie fotónu, t.j. žiarivá dezaktivácia vzbudeného elektrónového stavu. Na každú vibračnú hladinu sú navyše naložené početné rotačné stavy molekúl, pričom rozdiely energií rotačných stavov sú poriadkovo menšie, než vibračných hladín.

(c) Spojité spektrum, ktoré je príčinou zvýšenia pozadia prejavujúceho sa najmä nad asi 350 nm. Čiarové aj pásové spektrá sú potom superponované na tomto spojitom pozadí. Spojité žiarenie vzniká pri zahrievaní tuhých telies do žiaru. Tepelné žiarenie tohto druhu, označované ako vyžarovanie čierneho telesa, väčšmi závisí od teploty telesa, než od materiálu jeho povrchu a je spôsobené nespočetnými osciláciami atómov a molekúl tuhej fázy, excitovaných tepelnou energiou. Čím je teplota vyššia, tým kratšie vlnové dĺžky dosahuje emitované spojité žiarenie. Zahrievané tuhé telesá sú dôležitým zdrojom žiarenia v analytických prístrojoch pre spektroskopiu v IR, VIS a dlhovlnnej UV oblasti (aby však podstatná časť emitovaného žiarenia spadala do UV oblasti, tepelne excitovaný zdroj musí mať veľmi vysokú energiu). Na vzniku spojitého žiarenia plazmových zdrojov sa podieľajú tiež rekombinácie iónov a radikálov, ako aj nerozlíšené molekulové pásy.

3.3. METÓDY OPTICKEJ ATÓMOVEJ SPEKTROMETRIE 3.3.1. Atómové elektrónové spektrá

Atómové spektrá zodpovedajú radiačným prechodom medzi excitovanými stavmi energetických hladín atómov alebo iónov prvkov. Energie fotónov hν sú v súhlase so zákonom o zachovaní energie dané rozdielmi energií medzi dvoma hladinami, označenými k a i, t.j.

hν = Ek – Ei (3.7)

Pretože energia jednotlivých stavov v atóme závisí od vzájomného pôsobenia elektricky kladne nabitého jadra a od konfigurácie záporne nabitého elektrónového obalu, ktorá je pre daný prvok charakteristická, sú rozdiely energií medzi rôznymi stavmi funkciou atómového čísla uvažovaného prvku. Pravdepodobnosť elektrónových prechodov medzi jednotlivými hladinami je pritom obmedzená tzv. výberovými pravidlami. Frekvencie diskrétnych monochromatických



zložiek žiarenia emitovaného atómami určitého prvku možno využiť na kvalitatívny dôkaz jeho prítomnosti v zdroji žiarenia. Ak sú v žiarení, ktoré interaguje s látkou v atomizovanom stave prítomné fotóny požadovanej energie, môže sa časť z nich absorbovať, pričom atóm prejde z nižšieho stavu do vyššieho. Rozdiel energií pri absorpcii a emisii fotónu atómom je rovnako veľký, a teda atóm (a podobne ión, molekula, alebo radikál) je schopný vyžarovať a absorbovať tú istú energiu. Táto vlastnosť je kvalitatívnym základom Kirchhoffovho zákona a znamená to, že aj absorpciu elektromagnetického žiarenia možno využiť na kvalitatívnu charakterizáciu prostredia, v ktorom sa žiarenie šíri.

Z hľadiska kvantitatívneho využitia atómovej spektroskopie si treba uvedomiť, že emito-vaná energia bude tým väčšia, čím väčší podiel atómov bude vo vyššom energetickom stave k. Naopak, pri danej hustote fotónov žiarenia sa bude absorbovať tým viac energie, čím väčší po-diel atómov bude v nižšom energetickom stave i. V podmienkach termodynamickej rovnováhy sa obsadzovanie energetických hladín elektrónov riadi Boltzmannovým rozdeľovacím zákonom, ktorého bežné vyjadrenie sa vzťahuje na obsadzovanie dvoch susedných energetických hladín elektrónmi. Na vyjadrenie podielu excitovaných atómov z celkového počtu prítomných atómov daného prvku však treba uvažovať počet Nk atómov nachádzajúcich sa na energetickej hladine k a celkový počet atómov nachádzajúcich sa na všetkých ostatných energetických hladinách, ktorý je daný súčtom

( )a j jj

exp /Z g E k= −∑ T (3.8)

kde gj je štatistická váha a Ej energia j - tého stavu, k je Boltzmannova konštanta a T teplota. Súčet po stavoch Za je partičná (rozdeľovačia) funkcia. Za týchto podmienok je

(k kk

a a

expN g = -E /kTN Z

) (3.9)

kde Na je celkový počet atómov daného prvku v systéme, gk je štatistická váha a Ek je energia stavu k.

Celkový počet častíc daného prvku, ktorý určuje jeho koncentráciu v emitujúcom alebo absorbujúcom prostredí môže byť zmenšený o ionizované častice, ktoré neemitujú (ani neabsorbujú) frekvencie atómových spektrálnych čiar. Podiel neionizovaných atómov uvažovaného prvku v danej sústave možno zvýšiť pridaním dobre ionizovateľného prvku (napr. Cs) k vzorke. Celková energia vyžiarená sústavou excitovaných atómov (iónov) sa rozdelí na jednotlivé spektrálne čiary podľa pravdepodobností zodpovedajúcich energetických prechodov, pričom táto celková energia nemôže byť väčšia, než celková energia vyžiarená absolútne čiernym telesom pri tej istej teplote.

Za obvyklých podmienok atomizácie je (v súhlase s Boltzmannovým zákonom) väčšina atómov v základnom energetickom stave (E = 0) a najčastejšími prechodmi pri absorpcii žiarenia sú elektrónové prechody z tohto základného stavu na niektorý vyšší. Tieto elektrónové prechody, rovnako ako emisné procesy končiace na základnom elektrónovom energetickom stave (a im zodpovedajúce spektrálne čiary) sa nazývajú rezonančnými.

Keď sú atómy v plynnom stave vystavené žiareniu s presne takou vlnovou dĺžkou akú absorbujú (alebo emitujú), relaxácia excitovaného stavu sa prejaví fluorescenčnou reemisiou. Fluorescencia, pri ktorej excitačné aj emitované žiarenie majú rovnakú vlnovú dĺžku, sa nazýva rezonančná fluorescencia. Atómy však môžu vykazovať aj nerezonančnú fluorescenciu a to vtedy, keď najprv dochádza v dôsledku kolízií s inými časticami systému k neradiačnej relaxácii



na energetickú hladinu E1 a potom k radiačnej relaxácii na základný stav. (Rezonančná fluorescencia sa pri atómoch pozoruje bežne, pri molekulách v oveľa menšej miere).

Tabuľka 4 Klasifikácia techník atómovej spektroskopie podľa spôsobu atomizácie

Atomizácia Teplota atomizácie

[°C] Technika

plameňová 1700 - 3150 atómová absorpčná spektroskopia, AAS atómová emisná spektroskopia, AES atómová fluorescenčná spektroskopia, AFS

elektrotermická 1200 - 3000 elektrotermická AAS elektrotermická AFS

indukčne viazaná argónová plazma

6000 - 8000 ICP AES (inductively coupled plasma spectroscopy)

jednosmerná argónová plazma

6000 - 10000 DCP AES (direct current plasma spectroscopy)

elektrický oblúk (plazma vedie prúd)

4000 - 5000 emisná spektroskopia s oblúkovým zdrojom

elektrická iskra (krátkodobý silnoprúdový výboj)

3000 - 5000 SSES (spark-source emission spectroscopy)

žiarenie (lasery) AES, AFS

Využitie absorpcie žiarenia na kvantitatívnu analýzu je založené na skutočnosti, že relatívne zníženie žiarivého toku špecifickou absorpciou energie je úmerné počtu absorbujúcich atómov (všeobecne častíc) na nižšej energetickej úrovni, ktorý je pri konštantnej teplote úmerný koncentrácii c sledovaného prvku (čo je vyjadrením Beerovho zákona) a dráhe b, ktorú lúč prechádza v absorbujúcom prostredí (Bouguerov-Lambertov zákon). Spojením sa získa známe vyjadrenie Bouguerovho-Lambertovho-Beerovho zákona

0log IA b c

Iε= = (3.10)

ktorý vyjadruje, že absorbancia A je úmerná hrúbke absorbujúcej vrstvy a koncentrácii. Konštanta úmernosti ε (absorptivita) je pri danej vlnovej dĺžke a teplote charakteristickou pre absorbujúcu látku, ale jej hodnota závisí od spôsobu vyjadrenia koncentrácie a hrúbky vrstvy. I0 je intenzita žiarenia vstupujúceho do absorbujúcej vrstvy a l je intenzita žiarenia po prechode vrstvou.



V súhlase s Heisenbergovým princípom neurčitosti čím presnejšie je definovaný čas trvania energetického stavu, tým menej presne môžeme definovať jeho energiu (teda aj frekvenciu fotónu). Energetické hladiny nie sú ostré, ale predstavujú energetické pásy. Obmedzenie doby trvania stavu má za následok obmedzenie monochromatickosti príslušného žiarenia - prechod medzi dvoma hladinami v skutočnosti zodpovedá úzkemu pásmu frekvencií alebo vlnových dĺžok. Energetické stavy s krátkou dobou existencie emitujú alebo absorbujú energiu v širšom frekvenčnom pásme, než stavy s dlhšou dobou života (napr. v prípade tzv. zakázaných prechodov). Závislosť žiarivého toku od vlnovej dĺžky v rozsahu tohto pásu je tzv. profil spektrálnej čiary, ktorého priebeh a tzv. vlastná (prirodzená) šírka závisí od podmienok v zdroji žiarenia alebo v absorbujúcom prostredí. V reálnych sústavách obsahujúcich voľné atómy a ióny však dochádza aj z iných príčin k rozšíreniu elektrónových energetických pásov, voči ktorému je ich prirodzené rozšírenie zanedbateľné. V praxi sa rozšírenie spektrálnej čiary charakterizuje jej polšírkou, ktorá je definovaná ako interval frekvencií alebo vlnových dĺžok pri polovičnej hodnote maxima profilu čiary. Rozšírenie spektrálnych čiar má osobitne dôležitú úlohu pri určovaní ich spektrálnych intenzít alebo absorpcie meraním v úzkom intervale vlnových dĺžok, pretože očakávanú úmernosť nameraných hodnôt koncentrácii analytu ovplyvňujú príčiny rozšírenia čiary. 3.3.2. Inštrumentácia v optickej atómovej spektroskopii

Základné zložky analytických prístrojov na emisnú, absorpčnú a fluorescenčnú spektroskopiu sú vzhľadom na funkciu a požadované vlastnosti v podstate zhodné.

Väčšina spektroskopických prístrojov sa skladá z piatich zložiek, ktorými sú:

1. Stabilný zdroj žiarivej energie. 2. Zariadenie na prevedenie vzorky do atomizovaného plynného stavu. 3. Zariadenie na vyčlenenie určitej oblasti vlnovej dĺžky. 4. Detektor žiarenia, alebo prevodník, ktorý mení žiarivú energiu na merateľný, spravid-

la elektrický signál. 5. Zariadenie na spracovanie, registráciu a meranie signálu.

Na obr. 30 je znázornené usporiadanie týchto zložiek v prístrojoch pre emisnú, absorpčnú a fluorescenčnú spektrometriu. Konfigurácia zložiek 3 až 5 je rovnaká pre všetky tri typy prístrojov. Emisné prístroje sa od ďalších dvoch typov líšia tým, že zložky 1 a 2 sú spojené, t.j. kontajnerom vzorky je plameň alebo plazma, v ktorých sa vzorka nachádza a ktoré súčasne spôsobujú emisiu charakteristického žiarenie. Oproti tomu, absorpčná a fluorescenčná spektroskopia vyžaduje externý zdroj žiarivej energie a zariadenie (napr. kyvetu) na umiestnenie vzorky. Pri absorpčných meraniach prechádza lúč zo zdroja vzorkou (pri niektorých prístrojoch pred tým, pri iných potom prechádza disperzným zariadením). V prípade fluorescencie zdroj spôsobuje, že vzorka emituje charakteristické žiarenie, ktoré sa spravidla meria pod uhlom 90° vzhľadom na lúč zo zdroja. Okrem uvedených súčastí každý optický systém obsahuje pomocné optické prvky (šošovky, zrkadlá, štrbiny), ktorých materiál a konštrukcia závisí najmä od oblasti elektromagnetického žiarenia, pre ktoré sú určené.



Externé spektroskopické zdroje

Absorpčná a fluorescenčná spektroskopia vyžadujú externý zdroj primárneho žiarenia, ktorý má dodávať vysokú žiarivú energiu sústredenú do úzkeho spektrálneho intervalu, má mať dlhodobú stabilitu, dlhú životnosť, dobrú ovládateľnosť a má byť cenovo dostupný. Problém stability zdroja sa niekedy obchádza rozdelením výstupu zo zdroja na dva lúče, z ktorých jeden prechádza vzorkou a druhý porovnávacím prostredím. Detektor sa potom ožaruje striedavo a pomer intenzít oboch lúčov tvorí analytický signál, ktorý je zväčša nezávislý od fluktuácií zdroja žiarenia. Veľkosť žiarivej energie primárneho zdroja ovplyvňuje pomer signál/šum, t.j. aj medzu stanoviteľnosti. (Absorbancia však od intenzity primárneho zdroja nezávisí).

Obr. 30 Blokové schémy zariadení základných spektroskopických techník

Vodíkové a deutériové výbojky sa používajú najmä pri korekciách pozadia v AAS. Elektrickou excitáciou deutéria alebo vodíka pri nízkom tlaku vzniká spojité žiarenie v UV oblasti. Absorpciou elektrickej energie vznikajú excitované molekuly D2* alebo H2*, ktoré disociujú na dva zodpovedajúce atómy a UV fotón

*2 c 2H + H H + H + E hν′ ′′→ →

kde Ec je elektrická energia absorbovaná molekulou, ktorá sa v procese rozdelí na jednotlivé zložky:

*2

c H HH + + + E E E E hν′ ′′→



kde E(H2*) je diskrétna kvantovaná energia excitovaných molekúl H2*, E(H′) a E(H″) sú kinetické energie dvoch atómov vodíka. Súčet týchto dvoch energií sa môže meniť od nuly po E(H2*) a teda v tomto rozsahu sa môže meniť aj energia (a zodpovedajúca frekvencia) fotónov. Dôsledkom je spojité spektrum v oblasti od asi 160 nm do začiatku VIS oblasti. Väčšina moderných zdrojov UV žiarenia sú nízkonapäťové deutériové výbojky, v ktorých sa tvorí oblúk medzi oxidmi pokrytým vyhrievaným vláknom a kovovou elektródou. Vyhrievané vlákno poskytuje elektróny na udržiavanie jednosmerného prúdu pri napätí asi 40 V. Na konštantnú intenzitu treba regulovaný zdroj napätia. Pri väčších vlnových dĺžkach (> 360 nm) sa nachádza čiarové spektrum, ktoré možno využiť na kalibráciu stupnice vlnových dĺžok absorpčného prístroja.

Tabuľka 5 Externé zdroje žiarenia v atómovej spektrometrii

Zdroje spojitého žiarenia Oblasť vlnových dĺžok

vodíkové(H2) a deutériové výbojky (D2) 160 - 380 nm xenónové výbojky 250 - 600 nm

Čiarové zdroje žiarenia Oblasť vlnových dĺžok

výbojky s dutou katódou (HCL) UV - VIS bezelektródové výbojky (EDL) UV - VIS lasery 300 - 400 nm

Vysokotlakové xenónové výbojky sa v ostatnom čase zavedením účinných tzv. echellette monochromátorov stali aktuálnymi aj ako zdroje žiarenia pre AAS a APS.

Výbojky s dutou katódou (HCL, Hollow-Cathode Lamps) sú najvýznamnejší zdroj pre AAS. Produkujú čiarové spektrá (s typickou polšírkou čiar do 0,002 nm), ktoré závisia od materiálu katódy. Výbojky sú plnené jednoatómovým plynom (Ne, Ar) s tlakom asi 0,5 kPa. Napätie (200 až 600 V) vkladané na elektródy spôsobí nízkotlakový tlejivý výboj, pri ktorom ionizáciou vzniknuté kladné ióny (Ne+, Ar+) po dopade na katódu katodickým rozprašovaním a prípadne aj vyparovaním uvoľňujú atómy príslušného prvku. Uvoľnené atómy sa kolíziami s iónmi a elektrónmi plazmy excitujú a následne dochádza k emisii pre daný prvok špecifického žiarenia, pričom sa atómy vracajú do základného stavu. Uvoľňovanie atómov závisí od kinetickej energie (hmotnosti a rýchlosti) iónov plynu. Pre väčšinu prvkov je preto výhodnejší Ne, pre ľahké prvky (Al, Mg) sa používa náplň Ar. Prednosťou Ne je aj to, že má chudobnejšie emisné spektrum, takže sa v menšej miere uplatňujú rušivé spektrálne vplyvy. Spektrum výbojky však okrem spektrálnych čiar plynu môže obsahovať aj "cudzie" čiary, prislúchajúce iným zložkám nosnej katódy a nečistotám. Zdroj prúdu pre napájanie výbojok musí byť stabilný s možnosťou nastavenia prúdu. Pri použití mechanickej modulácie primárneho žiarenia môže byť napájanie jednosmerným prúdom. Pri elektronickej modulácii sú výbojky napájané pulzovým prúdom s frekvenciou 50 až 600 Hz (pre sledovanie rýchlych dejov v elektrotermických atomizátoroch je výhodnejšia vyššia frekvencia). Závislosť produkovaného žiarivého toku od napájacieho prúdu I vyjadruje empirický vzťah Φ = a⋅lb , kde a je konštanta (ak sa neuplatňuje samoabsorpcia) a exponent b závisí od druhu prvku. Pretože zvýšenie napájacieho prúdu má



za následok zväčšenie polšírky čiary, väčšie uplatnenie sa samoabsorpcie a skrátenie životnosti výbojky, spravidla sa používajú prúdy do 40 mA.

Bezelektródové výbojky (EDL, Electrodeless Discharge Lamps) sú konštruované ako valcové banky, plnené vzácnym plynom (He, Ne, Ar) pod tlakom 100 až 200 Pa, príslušným prvkom (najčastejšie As, Se, Pb, P) a jeho prchavou zlúčeninou. Napájajú sa rádiofrekvenčným (20 až 50 MHz), alebo mikrovlnným (typicky 2450 MHz) zdrojom. Pri rádiofrekvenčnom budení dochádza k výboju, ktorý je sústredený pozdĺž stien banky a preto sa samoabsorpcia uplatňuje iba minimálne. Intenzita primárneho žiarenia býva v porovnaní s výbojkami s dutou katódou až o poriadok väčšia.

Prednosťou laserov je prísne monochromatické a koherentné žiarenie s vysokou hustotou žiarivého toku. Možnosť sústrediť vysokú žiarivú energiu do rezonančných čiar robí z laserov najúčinnejší excitačný zdroj pre atómovú fluorescenčnú spektrometriu. Ich nevýhodou je obmedzenosť na produkovanie žiarenia v oblasti 300 až 400 nm, pre oblasť emisie menších vlnových dĺžok chýbajú vhodné farbivá.

Zariadenia na izoláciu pásu vlnových dĺžok

Spektroskopické prístroje sú spravidla vystrojené zariadením (monochromátorom alebo filtrom), ktoré vymedzuje úzku oblasť vlnových dĺžok žiarenia, ktoré sa vzorkou absorbuje alebo emituje. Tým sa zväčšuje selektivita aj citlivosť prístroja a pri absorpčných meraniach sa zväčšuje pravdepodobnosť, že budú splnené podmienky platnosti Lambert-Beerovho zákona. Žiadne zariadenie neumožňuje získať z polychromatického žiarenia určitú jedinú vlnovú dĺžku, ale výstup z neho vždy predstavuje spojitú oblasť - pás - vlnových dĺžok, ktoré sú viac či menej symetricky rozložené okolo strednej nominálnej vlnovej dĺžky. Optické prvky, ktoré a nachádzajú vo všetkých monochromátoroch sú:

1. vstupná štrbina, 2. kolimátor (šošovky alebo zrkadlá) produkujúci zväzok paralelných lúčov, 3. hranol alebo mriežka, ktoré zabezpečujú disperziu žiarenia na jeho zložky podľa

vlnových dĺžok, 4. zaostrovacie prvky, ktoré zabezpečujú projekciu pravouhlých obrazov vstupnej

štrbiny do ohniskovej roviny.

Väčšina monochromátorov má aj vstupné a výstupné okienka na ochranu jednotlivých zložiek pred prachom a korozívnymi laboratórnymi dymami. Spojité premenné vlnové dĺžky možno získať pomocou monochromátorov tvorených disperznými prvkami, ktorými sú hranoly a mriežky. Diskrétne pásy vlnových dĺžok dávajú interferenčné alebo absorpčné filtre. Materiály, z ktorých sú tieto zložky zhotovené, musia byť vhodné, najmä priepustné pre dané žiarenie. Atómová emisná spekrometria vyžaduje izolovať veľmi úzky spektrálny interval. V atómovej absorpčnej analýze funkciu monochromátora zastupuje už zdroj a na izoláciu sledovanej, spravidla rezonančnej čiary stačí monochromátor strednej kvality. V atómovej fluorescenčnej spektrometrii často stačia aj filtre.

Kritériami na vyjadrenie kvality monochromátora sú:

a) uhlová disperzia d dΘλ

(3.11)



ktorá vyjadruje veľkosť uhla Θ medzi dvoma ešte rozlíšenými čiarami, ktorých vlnové dĺžky sa líšia o dλ,

b) recipročná lineárna disperzia 1 d dD xλ

= (3.12)

ktorá vyjadruje vzdialenosť dvoch spektrálnych čiar, ktoré sa v rovine výstupnej štrbiny monochromátora nachádzajú vo vzdialenosti dx (t.j., vyjadruje napr. šírku spektrálneho intervalu v nm pripadajúcu na 1 mm šírky výstupnej štrbiny), a

c) rozlišovacia schopnosť =d

R λλ

(3.13)

vyjadrujúca minimálny rozdiel vlnových dĺžok dvoch čiar, ktoré je pri danej vlnovej dĺžke možno rozlíšiť.

Účinnosť vymedzenia spektrálneho intervalu filtrami sa vyjadruje pološírkou vymedze-ného intervalu vlnových dĺžok, ktorá sa môže pohybovať od desatín do stoviek nm.

Obr. 31 Optická schéma jednoduchého hranolového spektrografu

1 - zdroj žiarenia, 2 - kondenzátor, 3 - štrbina, 4 - clona kolimačného objektívu, 5 - kolimátor, 6 - hranol, 7 - kamerový objektív, 8 - zobrazovacia (fokálna) rovina spektra

Hranoly

Hranoly (obr. 31) sú disperzné prvky, ktoré sa používajú na rozklad polychromatického žiarenia v UV až IR oblasti na základe závislosti indexu lomu od vlnovej dĺžky žiarenia. Materiál hranola je charakterizovaný jeho indexom lomu, disperziou indexu lomu (dn/dλ), ktorá má byť čo najväčšia, a rozsahom vlnových dĺžok, v ktorom je materiál dostatočne transparentný. Pre UV žiarenia sa používajú hranoly kremenné, pre viditeľnú oblasť sklené a pre IR oblasť napr. z NaCl, Csl a pod. Ak hranolom s pôdorysom tvaru rovnoramenného trojuholníka prechádza lúč za podmienky minimálnej deviácie, je uhlová disperzia daná vzťahom

2 2

d 2sin( / 2) d d1 sin ( / 2)

nn

dΘ αλ λα

=−

(3.14)



a rozlišovacia schopnosť vzťahom

d = = d d

nR bλλ λ

(3.15)

kde n je index lomu, α je lámavý uhol a b je dĺžka základne hranola. (Minimálnu deviáciu, t.j. odchýlku Θ v porovnaní s ostatnými vlnovými dĺžkami má ten lúč, ktorý prechádza hranolom rovnobežne so základňou).

Odrazové mriežky

Mriežky sú disperzné prvky pracujúce na základe difrakcie a následnej interferencie žiarenia. Reflexné mriežky (mriežky na odraz) sú tvorené sériou paralelných vrypov do materiálov, ktoré dobre odrážajú žiarenie vo zvolenej oblasti spektra. Pre UV až IR oblasť to býva na skle naparený hliník. Počet vrypov na 1 mm býva pre UV a VIS 300 až 2000, najčastej-šie 1200 až 1400 vrypov na milimeter. Pre IR oblasť sa používa 30 až 300 vrypov na milimeter. Dnes sa používajú prevažne tzv. echellette mriežky, ktorých vrypy majú konštantný sklon k rovine mriežky. Na širších plochách vrypov dochádza k odrazu, úzke sú nevyužité. Hĺbka vrypov je 0,5 až 5 násobok vlnovej dĺžky. Táto geometria poskytuje vysokoúčinnú difrakciu. Každá odrazová plocha sa môže považovať za bodový zdroj žiarenia, poskytujúci odrazené lúče, ktoré navzájom interferujú. Na obr. 32 je znázornený zväzok rovnobežných lúčov, ktoré na mriežku dopadajú pod uhlom α (vzhľadom na normálu mriežky). Je zrejmé, že lúč II prechádza väčšiu vzdialenosť než lúč I a tento rozdiel sa rovná - CB AB . Aby nastala konštruktívna interferencia, tento rozdiel musí byť

- CB AB kλ= (3.16a)

kde k je malé celé číslo, nazývané poriadok difrakcie. Z geometrickej konštrukcie dvoch pravouhlých trojuholníkov ACB a ADB je zrejmé, že uhol CAB sa rovná uhlu α a že uhol ABD je totožný s uhlom Θ.

Obr. 32 Znázornenie funkcie echelette mriežky



Pretože sin , CB AB dAB

α= = , je úsečka sinCB d α= .

Podobne, pretože sinADAB

Θ= , platí, že sinAB d Θ= .

Z trigonometrie teda vyplýva, že

( ) - sin sinCB AD d α Θ= − (3.16b)

kde d je vzdialenosť medzi odrážajúcimi povrchmi. Podľa konvencie, ak uhol odrazu Θ leží na opačnej strane voči normále mriežky oproti

uhlu α, jeho znamienko je záporné. (Uhol Θ je kladný, keď je na tej istej strane, ako α). Preto v tomto prípade dosadením (3.16b) do (3.16a) dostaneme ako podmienku konštruktívnej interferencie

k⋅λ = d(sinα - sinΘ) (3.17)

Podľa tejto rovnice pre daný uhol difrakcie Θ existuje niekoľko hodnôt vlnových dĺžok. Ak sa pri Θ pozoruje čiara prvého poriadku (k = 1) pri 900 nm, pozorujú sa pre tento uhol tiež čiary druhého (pri 450 nm) a tretieho (pri 300 nm) poriadku. Čiara prvého poriadku je spravidla najintenzívnejšia - mriežku možno konštruovať tak, aby sa až 90 % dopadajúcej intenzity koncentrovalo v tomto poriadku. Čiary vyšších poriadkov vo všeobecnosti možno odstrániť filtrami. Napr. sklo, ktoré absorbuje žiarenie pod 350 nm eliminuje spektrá vyššieho poriadku spojené so žiarením prvého poriadku vo väčšine viditeľnej oblasti.

Diferencovaním rovnice (3.17) sa získa uhlová disperzia

d d co

kd

Θsλ Θ

= (3.18)

Obr. 33 Schéma usporiadania mriežkového monochromátora podľa Eberta:

1 - vstupná štrbina, 2 - zrkadlo, 3 - kolimátor (parabolické zrkadlo), 4 - mriežka, 5 - objekíív (parabolické zrkadlo), 6 - zobrazovacia (fokálna) rovina spektra



Rozlišovacia schopnosť a disperzia pri mriežkach na rozdiel od hranola je prakticky konštantná v celom rozsahu vlnových dĺžok, pretože rozsah uhlov zrkadlového odlesku Θ od plochy vrypov (blaze efekt) je spravidla malý a mriežka rozptyľuje žiarenie lineárne po fokálnej rovine monochromátora, čo značne zjednodušuje jeho konštrukciu. Častejšie používanú recipročnú lineárnu disperziu možno vyjadriť pomocou uhlovej disperzie a ohniskovej vzdialenosti f spektrometra vzťahom

1 d dfλΘ

(3.19)

S výnimkou echellette mriežok je táto veličina prakticky konštantná v celom použiteľnom spektrálnom rozsahu. Teoretická rozlišovacia schopnosť mriežok je daná vzťahom R = m⋅k, kde m je celkový počet osvetlených vrypov. Po dosadení za k z rovnice (3.17) dostaneme

( )sin

WR

α Θλ

±= (3.20)

kde W je šírka plochy s vrypmi (W = m⋅d), podľa čoho je rozlišovacia schopnosť určitej čiary tým väčšia, čím väčšiu plochu má mriežka a tiež výhodnejšie je usporiadanie s čo najväčšími uhlami dopadu a difrakcie. Usporiadanie bežne používaných mriežkových monochromátorov je znázor-nené na obr. 33 a obr. 34.

Ako tzv. echellette mriežky sa označujú mriežky, na ktorých dochádza k difrakcii po dopade a odraze žiarenia z užších plôch vrypov, ktorých hĺbka sa rovná 10 až 200 - násobku vlnovej dĺžky. (Dopadajúci a odrazený lúč sú takmer paralelné s rovinou širších plôch vrypov). Tieto mriežky majú väčšiu účinnosť pri vyšších poriadkoch difrakcie a dávajú vysoké rozlíšenie.

Obr. 34 Schéma usporiadania mriežkového monochromátora podľa Czernyho a Turnera:

S1, S2 - vstupná a výstupná štrbina, M - mriežka, Z - duté zrkadlo

Interferenčné filtre

Interferenčný filter sa skladá z veľmi tenkého transparentného materiálu (napr. fluoridu vápenatého alebo horečnatého), ktorý je na oboch stranách pokrytý vrstvičkou kovu, ktorej hrúbka zabezpečuje, že asi polovica dopadajúceho žiarenia vrstvičkou prechádza a druhá



polovica sa odráža. Z vonkajších strán je kovová vrstvička chránená pred účinkami atmosféry sklenými platničkami. Pri kolmom dopade žiarenia asi polovica prenikne prvou vrstvičkou kovu a druhá sa odrazí. Prechádzajúce žiarenie sa podobne rozdelí pri dopade na druhú kovovú vrstvičku. Ak žiarenie odrazené od druhej vrstvičky má vhodnú vlnovú dĺžku, sčasti sa odráža od vnútornej strany prvej kovovej vrstvičky vo fáze so vstupným žiarením tej istej vlnovej dĺžky. Výsledkom je konštruktívna interferencia žiarenia tejto vlnovej dĺžky a ostatné vlnové dĺžky sa deštruktívnou interferenciou zoslabia. Nominálna vlnová dĺžka interferenčného filtra je

max2 t n

kλ =

kde t je hrúbka strednej vrstvy (fluoridu), n je jej index lomu a k je celé číslo, vyjadrujúce poriadok interferencie. (Navyše, sklené ochranné vrstvy sa často volia tak, aby absorbovali ostatné vlnové dĺžky okrem tej, ktorá prechádza strednou vrstvou, čím sa dosiahne, že filter prepúšťa iba interferenčné žiarenie prvého poriadku).

Interferenčné filtre umožňujú izolovať pomerne úzke pásy žiarenia (s polšírkou 1,5 až 0,15 % nominálnej vlnovej dĺžky) a konštruujú sa pre UV a VIS oblasti žiarenia a tiež pre IR žiarenie do asi 14 μm.

Absorpčné filtre

Použitie absorpčných filtrov, ktoré sú lacnejšie a mohutnejšie než interferenčné, je obmedzené na viditeľnú oblasť. Spravidla pozostávajú zo sfarbených sklených platničiek, ktoré časť dopadajúceho žiarenia absorbujú. Ich efektívna šírka pásu býva 30 až 250 nm. Filtre s najužším efektívnym pásom tiež absorbujú významnú časť žiadaného žiarenia a ich maximálna transmitancia môže byť 1 % a menej.

Dôležitú úlohu pri určovaní akosti prístroja majú štrbiny monochromátora. Ich hrany musia byť ostré, rovnobežné a musia sa nachádzať v tej istej rovine. Efektívna šírka pása monochromátora závisí od disperzie hranola (alebo mriežky) aj od šírky vstupnej alebo výstupnej štrbiny. Väčšina monochromátorov má premenné šírky štrbiny, takže efektívnu šírku pásov možno meniť. Úzke štrbiny a teda úzke pásy vedú k väčšiemu rozlíšeniu prístroja, čo je želateľné, pretože za týchto podmienok možno pozorovať väčšie detaily spektra. Keďže energia žiarivého toku vystupujúceho z monochromátora so zužovaním štrbiny rýchlo klesá, rozlíšenie, s ktorým monochromátor môže pracovať je vo všeobecnosti určované citlivosťou detektora žiarenia.

Detektory žiarenia a prevodníky

Detektor je zariadenie, ktoré indikuje existenciu určitého fyzikálneho javu. Známe príklady detektorov sú fotografický film na indikáciu prítomnosti elektromagnetického alebo rádioaktívneho žiarenia, ručička váh ukazujúca rozdiel hmotností, hladina ortuti v teplomeri, indikujúca teplotné zmeny. Aj ľudské oko je detektor - mení viditeľné žiarenie na elektrický signál, ktorý prechádza do mozgu reťazou neurónov v optickom nerve. Prevodník konvertuje signály, ako sú intenzita žiarenia, pH, hmotnosť, teplota na elektrické signály, ktoré následne možno zosilniť, spracovať a nakoniec konvertovať na čísla, reprezentujúce veľkosť pôvodného signálu. Ideálny prevodník elektromagnetického žiarenia vykazuje v širokom rozsahu vlnových dĺžok rýchlu odozvu na nízke úrovne žiarivej energie. Navyše produkuje elektrický signál, ktorý



sa ľahko zosilňuje a má pomerne nízku úroveň šumu. Podstatné je, aby prevodníkom produkovaný elektrický signál bol priamo úmerný intenzite ožiarenia detektora Ee

Y = S Ee +Y′

kde Y je elektrická odozva detektora v jednotkách prúdu, odporu, alebo potenciálu. Konštanta úmernosti S je mierou citlivosti detektora; vyjadruje veľkosť elektrickej odozvy, ktorá pripadá na jednotku intenzity ožiarenia. Mnohé detektory vykazujú malú konštantnú odozvu, známu ako tmavý prúd Y′ aj vtedy, keď na ich povrch nedopadá žiadne žiarenie. Prístroje s detektormi vykazujúcimi značný tmavý prúd sú spravidla vybavené zariadením na jeho kompenzáciu, aby sa Y′ redukoval na nulu. Vtedy, za obvyklých podmienok platí:

Y = S Ee

Elektrický signál z detektora sa pred jeho meraním musí spracovať buď analógovými alebo digitálnymi elektronickými obvodmi. Väčšina moderných spektrometrov je pripojená na vhodné počítače, ktoré riadia pracovné podmienky, zber a spracovanie dát, vrátane korekcií na spektrálne interferencie a pozadie.

Existujú dva základné typy detektorov žiarenia. Jeden vykazuje odozvu na fotóny, druhý na teplo. Všetky detektory fotónov sú založené na interakcii žiarenia s reaktívnym povrchom detektora za uvoľnenia elektrónov (fotoemisia) alebo na prechode elektrónov na energeticky vyšší stav, v ktorom môžu viesť elektrický prúd (fotokondukcia). Na vyvolanie týchto procesov má dostatočne veľkú energiu iba žiarenie v UV, VIS a blízkej IR oblasti. Fotónové detektory sú preto obmedzené na vlnové dĺžky kratšie než 2 μm.

Veľmi dôležitú úlohu v rozvoji atómovej emisnej spektroskopie mala fotografická doska. Po mnohé desaťročia fotografická emulzia slúžila súčasne ako detektor, prevodník, zosilňovač a registrátor žiarenia rozloženého pozdĺž ohniskovej roviny spektrografu. Jej hlavné prednosti - multiradiačnú detekciu a trvalosť záznamu - neprekonali ani moderné detektory. Hlavné obmedzenia fotografickej emulzie sú malý dynamický rozsah (ktorý je typicky obmedzený na asi dva koncentračné poriadky) a rýchlosť analýzy. Najčastejšie používané detektory v súčasnej AOS sú fotonásobiče a tzv. detektory televízneho typu.

Fotonásobiče

Činnosť fotonásobiča je v princípe obdobná ako činnosť vákuového fotočlánku. Za určitých podmienok energia absorbovaného fotónu spôsobuje uvoľnenie elektrónu z katódy. Ak sa uvoľnený elektrón vplyvom vloženého napätia pohybuje od katódy k anóde, vzniknutý prúd je úmerný intenzite dopadajúceho žiarenia. Na emisiu elektrónov z katódy fotočlánku normálne treba len minimálnu energiu. Citlivosť fotočlánku sa zvyšuje 106 až 108 - krát urýchlením elektrónov od katódy sériou elektród, nazývaných dynódy, na ktorých dochádza k sekundárnej emisii elektrónov. Vo fotonásobičoch, ktoré pracujú typicky pri napätí 700 až 2000 V, sa používa 7 aj viac dynód. Odozva fotonásobiča je poriadku nanosekúnd. Materiál fotokatódy a okienka sa volí podľa spektrálnej oblasti, pre ktorú je fotonásobič určený. Kvantová účinnosť fotonásobiča sa pohybuje podľa druhu a v závislosti od vlnovej dĺžky žiarenia od 1 do 40 %. Pretože fotonásobiče majú značnú výstupnú impedanciu, výstupný prúd sa ľahko zosilňuje a transformuje na napäťový signál, ktorý sa meria. Ak fotonásobič nie je osvetlený, vykazuje tmavý prúd typicky okolo 5 mA. Jeho základnou príčinou je termická emisia elektrónov z fotokatódy a dynód, ktorú možno významne znížiť chladením fotonásobiča na asi - 40 °C.



Zostávajúci tmavý prúd môže byť tiež dôsledkom prítomnosti rádioaktívnych látok. Signál fotonásobiča ovplyvňujú rôzne zdroje šumu, ktorý sa uplatňuje najmä pri nízkych hodnotách intenzity žiarenia.

Televízne typy detektorov (TTD, Television-Type Detectors)

Fotodiódové polia (PDA, Photodiode Arrays)

Komerčne dostupné sú polia s 256, 512, 1024, 2048 alebo 4096 lineárne usporiadanými fotosenzitívnymi prvkami, najpoužívanejšími sú 1024 - prvkové. Hustota diód je asi 40 diód na milimeter. Výška poľa je asi 2,5 mm. Pole prvkov je pokryté vrstvou SiO2. Diódové polia s tenšími vrstvami (hrúbky okolo 0,4 μm) sú pri použití v ďalekej ultrafialovej oblasti citlivejšie, než polia s hrubšími vrstvami (okolo 3 μm). PDA sa umiestňuje do zaostrenej roviny spektrometra a vhodným elektronickým usporiadaním sa meria signál jednotlivých prvkov. Spravidla sa používa integrovaný obvod, v ktorom každá fotodióda s paralelne zapojenou kapacitou pracuje v nabíjacom režime a je tak integračný typ detektora. Na účinné využitie PDA zber dát riadi počítač. Aby sa znížil tmavý prúd diódové pole treba chladiť. Hlavnou prednosťou PDA pred fotonásobičmi je, že PDA umožňuje merať celé spektrum prakticky naraz. Nevýhodou je obmedzený dynamický rozsah a v AES aj značná neurčitosť (20 až 30 %) pri meraní intenzity a polohy píkov. Aby sa táto neurčitosť eliminovala, používajú sa náročnejšie spôsoby získavania a spracovania dát.

Vidiconové detektory

Vidicon je polovodičový fotocitlivý detektor, ktorý pracuje podobne ako fotodiódové pole. Podstatný rozdiel je v tom, že oproti lineárnemu usporiadaniu jednotlivých senzorov PDA sú jednotlivé prvky vidiconu usporiadané v dvojrozmernom poli, napr. 512 x 512 senzorov na ploche 12,5 cm2 . Dvojrozmerné usporiadanie umožňuje použitím viacerých vstupných štrbín vidiconu vykonávať simultánnu multiprvkovú analýzu. Na rozdiel od PDA jednotlivé prvky nie sú pripojené vodičmi, ale prístup k ním zabezpečuje rastrujúci elektrónový lúč. Podobne, ako PDA, vidicony sú integračné detektory. Potrebná elektronika je však značne zložitejšia než v prípade PDA. Vidicony majú tiež značne pomalšiu odozvu.

Detektory s prenosom náboja (CTD, Charge Transfer Devices)

CTD predstavujú novú triedu detektorov, ktorých citlivosť a možnosti dynamického roz-sahu prevyšujú všetky ostatné typy detektorov svetla, ktoré sa používajú v oblasti analytickej spektroskopie. CTD sú mnohokanálové fotón-integračné detektory, ktoré akumulujú informačný signál o dopade svetla podobne, ako fotografický film. Najrozšírenejšie CTD sú založené na technológii kremíkových polovodičov. Viaceré sú svojimi rozmermi vhodné na použitie v spektrometroch. Aby sa znížil tmavý prúd, musia sa chladiť.

Na obr. 35a je schematicky znázornený prierez n-dopovaným kremíkovým článkom. Keď sú elektródy nabité záporne oproti kremíku a jedna z elektród má zápornejší potenciál ako druhá, pod elektródou sa vytvára oblasť inverzie náboja. V tomto n-dopovanom kremíkovom článku sú hlavným nositeľom prúdu elektróny a vedľajším nositeľom sú "diery". Absorpcia fotónu vytvára mobilnú "dieru", ktorá migruje k inverznej zóne, kde sa akumuluje. Náboj sa akumuluje pod elektródou s negatívnejším potenciálom. Množstvo náboja generovaného v CTD sa môže merať dvoma elektronickými systémami.



Detektory CCD možno považovať za veľký počet fotodetegujúcich analógov posuvných registrov. Po uložení fotónmi generovaných nábojov sa tieto čítajú horizontálne, riadok po riadku, cez vysoko rýchly posuvný register do predzosilňovača. Výsledný signál sa uchováva počítačom. V prípade detektorov CID (obr. 35b) svetlo dopadá na diskrétne fotocitlivé pixely usporiadané v štruktúre riadkov a stĺpcov. Každá pixela pozostáva z dvojice MOS - kondenzáto-rov kremíkového typu. Fotónmi generovaný náboj, uchovávaný jedným kondenzátorom môže byť počas čítania z každej pixely prenesený na iný kondenzátor, čo umožňuje nedeštruktívne odčítanie. Pri deštruktívnom odčítaní sa uchovávaný náboj injektuje do substrátu. Zmiešaním deštruktívneho a nedeštruktívneho odčítania sa môže eliminovať vplyv preožiarenia, čo je vý-znamné najmä pri monitorovaní zložitých spektier. Z týchto dvoch druhov detektorov, CCD majú väčšie kvantové výťažky a veľmi malú úroveň šumu. Výhodou CID oproti CCD je, že fotónmi generovaný náboj možno merať opakovane, pretože náboj pri meraní ostáva v elementoch detektora. Navyše, náboje akumulované v jednej časti poľa možno merať, zatiaľ čo v inej oblasti môže pokračovať integrácia náboja.

Obr. 35 (a) Rez prvkom hypotetického CTD detektora pred integráciou náboja,

(b) Usporiadanie fotocitlivých prvkov CID detektora

3.4. ATÓMOVÁ EMISNÁ SPEKTROMETRIA

Spektrá atómov alebo iónov (ako napr. Mg+) v UV/VIS oblasti možno získať iba v plynnej fáze, kedy sú jednotlivé atómy alebo ióny navzájom dostatočne vzdialené. V dôsledku toho je prvým krokom postupu získavania spektier atomizácia, čo je proces, ktorým sa vzorka splyňuje a potom rozkladá na atómový plyn. Účinnosť a reprodukovateľnosť atomizácie vo veľkej miere



určujú citlivosť, presnosť a správnosť metódy. Na atomizáciu sa najčastejšie používajú elektrické zdroje energie, prípadne chemické plamene, ktoré sú súčasne budiacimi zdrojmi. Chemické plamene, ktoré sú fyzikálnym prejavom chemického procesu oxidácie - horenia, sa ako zdroje energie na atomizáciu a budenie analyzovanej látky uplatňujú v plameňovej spektrometrii (časť 3.4.1) a ako atomizátory v AAS. V elektrických budiacich zdrojoch energie sa zdrojom elektromagnetického žiarenia stáva plazma vznikajúca počas elektrického výboja. (Plazma je ionizovaný plyn, ktorý obsahuje elektricky nabité častice). Medzi hlavné elektrické budiace zdroje patria elektrický oblúk a elektrická iskra, ktoré sa používajú najmä v spektrografii (časť 3.4.2) a v ostatnom čase najmä rádiofrekvenčné a mikrovlnové plazmy. Termickými budiacimi zdrojmi popri chemických plameňoch sú aj lasery.

Základom kvalitatívnej emisnej spektrálnej analýzy je schopnosť každého prvku emitovať vo vzbudenom stave charakteristické spektrum, zložené z čiar určitých, presne definovaných vlnových dĺžok.

Základom kvantitatívnej emisnej spektrometrie je skutočnosť, že žiarivá energia spektrálnych čiar alebo pásov priamo závisí od počtu excitovaných atómov alebo molekúl, ktorý je úmerný celkovej koncentrácii danej látky v zdroji žiarenia. 3.4.1. Plameňová fotometria

V plameňovej emisnej spektrometrii tradične nazývanej plameňová fotometria sa roztok vzorky privádza do plameňa vo forme aerosólu. Teplotou plameňa sa odparí rozpúšťadlo, prítomné zlúčeniny disociujú (ale tiež sa oxidujú a reagujú navzájom aj so zložkami plameňa) a atómy niektorých kovov v plynnej fáze sú excitované na vyššie energetické hladiny, čím sa stávajú zdrojmi špecifického žiarenia. Pretože teplota plameňa je pomerne nízka (teplota horiacej zmesi acetylén - vzduch je asi 2360 K, zmesi acetylén - oxid dusný asi 2990 K, zmesi acetylén - kyslík 3160 K), väčšina prítomných atómov je v súhlase s rovnicou (3.9) v základnom stave a preto intenzita čiar emitovaného žiarenia je pomerne nízka. Energia plameňa stačí iba na excitáciu prvkov s nízkymi ionizačnými energiami - t.j. prvkov alkalických kovov a alkalických zemín. Vznikajúce emisné spektrá sú preto relatívne jednoduché, chudobné na čiary. Praktickým dôsledkom je, že na izoláciu zvolenej spektrálnej čiary stačia monochromátory s pomerne malou disperziou a najčastejšie sa používajú interferenčné filtre. Na detekciu žiarenia sa spravidla používajú fotoelektrické detektory, často tiež hradlové články. Dôležitou požiadavkou je vysoká stálosť plameňa počas celej doby horenia, pre ktorú treba zvoliť optimálny pomer obidvoch zložiek horľavej zmesi, ktorý závisí aj od hydrodynamických podmienok v rozprašovači.

Emisná plameňová fotometria sa používa výlučne ako kvantitatívna metóda na stanovenie alkalických kovov a kovov alkalických zemín vo vodách, v pôdnych výluhoch, v biologických a priemyselných kvapalinách s neurčitosťou menšou, než 3 % (relatívne). Na vyhodnotenie nameraných údajov sa spravidla používa metóda analytickej kalibračnej krivky, zostrojenej na základe premeriavania série štandardných roztokov vhodného zloženia. Pri ojedinelých analýzach a vtedy, ak treba minimalizovať vplyv matrice, sa používa metóda štandardných prídavkov. Rušivé vplyvy spôsobené fluktuáciami pomerov v plameni sa znižujú použitím metódy vnútorného porovnávacieho prvku.



3.4.2. Spektrografia

Pre spektrografiu je typické, že na fotografickú registráciu emisného spektra sa používajú tzv. spektrálne dosky, ktorých účinnou vrstvou je emulzia submikroskopických kryštálikov halogenidov striebra. Pôsobením dopadajúceho žiarenia na citlivú vrstvu fotochemickou reakciou nastáva jej latentná zmena, ktorá pri následnom vyvolaní vedie k vyredukovaniu striebra v množstve úmernom ožiareniu (expozícii) vrstvy na miestach, zodpovedajúcich jednotlivým spektrálnym čiaram.

Na excitáciu sa používajú elektrické budiace zdroje, najmä elektrický oblúk, elektrická iskra, prípadne lasery ako neelektrické termické zdroje budenia.

Oblúkové zdroje pracujú na princípe samostatného elektrického výboja medzi dvoma elektródami. Charakterizuje ich veľká prúdová hustota a neobmedzený čas trvania. Vkladané napätie dosahuje hodnoty 120 až 300 V a prúd hodnoty 1 až 30 A. Elektrický oblúk s časovo stálym výbojom je oblúk jednosmerného prúdu. Elektrický výboj s pravidelne sa opakujúcou časovou charakteristikou je oblúk striedavého prúdu. Vzhľadom na nízku teplotu plazmy je relatívny počet ionizovaných atómov malý a oblúkové čiarové spektrum obsahuje prevažne atómové spektrálne čiary. Používajú sa najmä na kvalitatívnu a polokvantitatívnu analýzu a na stopovú analýzu.

Elektrická iskra je krátkodobý (10-5 s) elektrický výboj medzi dvoma elektródami zo skúmaného materiálu alebo medzi pomocnými grafitovými elektródami. Elektrické iskrové zdroje sú napájané generátormi, tvorenými výkonovými RLC oscilačnými obvodmi. Prúdová hustota nadobúda hodnoty 10 000 až 50 000 A⋅cm-2. V dôsledku vysokej teploty (10 000 až 120 000 K) obsahuje plazma väčší podiel ionizovaných atómov a v spektre sa pozorujú aj spektrálne čiary iónov s vyššími ionizačnými energiami. Keďže čas trvania iskry je veľmi krátky, elektródy ostávajú relatívne chladné. Na ich hrotoch však v dôsledku vysokej prúdovej hustoty dochádza k lokálnemu prehrievaniu, takže frakčná destilácia zložiek vzorky je na rozdiel od budenia v elektrickom oblúku výrazne potlačená. Pre svoju stabilitu sa iskrové zdroje uprednostňujú pri kvantitatívnej analýze kovových materiálov. Nízkonapäťové iskry pri zníženom tlaku umožňujú budenie aj ťažko excitovateľných prvkov (halogény, S, P, v kovoch rozpustené plyny).

Lasery sa v AES spravidla používajú iba na vyparenie vzorky lokálnym prehriatím a excitácia sa robí pomocným elektrickým výbojom. Sú vhodné pre mikroanalýzu a najmä pre lokálnu analýzu.

Vnášanie vzorky do budiaceho zdroja môže byť diskontinuitné alebo kontinuitné. Diskontinuitné spôsoby, používané pri budení elektrickou iskrou a oblúkom, sú založené na jednorazovom vyparení vzorky. Z elektricky vodivých materiálov sa zhotovujú elektródy valčekového tvaru s rôzne tvarovaným zakončením. Nevodivé práškové materiály sa zmiešavajú s vodivým práškom (C, Cu, Al) a vkladajú do vývrtov tvarovaných uhlíkových nosných elektród. Výhodou uhlíka je, že jeho emisné spektrum obsahuje málo čiar. Nedostatkom (ktorý možno odstrániť budením v inertnej atmosfére) je, že uhlík pri vysokej teplote reaguje so vzdušným dusíkom za vzniku kyánu (CN), ktorý v blízkej UV oblasti dáva molekulové spektrá ("kyánové pásy") prekrývajúce spektrálne čiary. Výhodou technicky



zložitejších diskontinuitných metód je trvalý prísun novej vzorky vo forme prášku alebo roztoku do zdroja počas trvania výboja, čím sa dosahuje stacionárny stav budenia.

Hranolové disperzné prvky monochromátorov klasických spektrografov v súčasnosti nahrádzajú mriežkové disperzné prvky, ktoré umožňujú dosahovať veľkú a najmä konštantnú uhlovú disperziu. Usporiadanie monochromátorov s rovinnou reflexnou mriežkou býva najčastejšie Ebertovo (obr. 33), alebo podľa Czernyho a Turnera (obr. 34). Pri konštrukcii spektrografov s dutou mriežkou sa vstupná štrbina, dutá mriežka a výstupná štrbina monochromátora nachádzajú na tzv. Rowlandovej kružnici.

Kvalitatívna analýza

S ohľadom na možnosť prekrývania sa blízkych spektrálnych čiar, treba na bezpečný dôkaz prítomnosti prvku nájsť v spektre aspoň tri jeho čiary. Sú to najčastejšie tzv. posledné čiary, ktoré zostávajú v spektre, ak sa znižuje obsah analytu až po jeho medznú koncentráciu. Na presné merania vlnových dĺžok sa používajú buď spektrometre s veľkými mriežkami a ohniskovou vzdialenosťou do 10,7 m, alebo spektrometre s Fourierovou transformáciou. Vlnové dĺžky v oblasti blízkej UV a vo VIS oblasti sa merajú s presnosťou na 1 : 106 a porovnávajú s presnými referenčnými čiarami, často získanými interferometricky. Častejšie sa spektrá vyhodnocujú pomocou atlasov spektrálnych čiar, v ktorých sú na jednotlivých listoch zobrazené príslušné oblasti spektra porovnávacieho prvku (železa) a súčasne sú vyznačené polohy najdôležitejších spektrálnych čiar jednotlivých prvkov. Čiary spektra vzorky sa priraďujú jednotlivým prvkom po zväčšení a premietnutí získaného dvojspektra na tienidlo. Vlnová dĺžka danej spektrálnej čiary sa určuje tiež interpoláciou, napr. pomocou Hartmannovho interpolačného vzorca.

Kvalitatívnu analýzu možno doplniť približným odhadom obsahu prvkov vo vzorke, napr. pomocou posledných čiar.

Kvantitatívna analýza

Závislosť intenzity spektrálnej čiary (ktorej je úmerné množstvo vylúčeného striebra na príslušnom mieste spektrálnej dosky) od koncentrácie analytu vyjadruje empirický vzťah, označovaný ako Lomakin-Scheibeov vzťah

I = a cb (3.21)

kde / je intenzita zvolenej spektrálnej čiary, c je obsah stanovovaného prvku (%), konštanta a súvisí s procesom atomizácie vzorky, t.j. s prechodom stanovovaného prvku zo vzorky do plazmy a konštanta b vyjadruje podmienky excitácie atómov v zdroji a najmä vplyv reabsorpcie žiarenia neexcitovanými atómami toho istého prvku.

Množstvo vyredukovaného striebra sa určuje meraním sčernenia S fotomateriálu, ktoré je definované ako logaritmus pomeru žiarivého toku prechádzajúceho neosvetleným miestom spektrálnej dosky k žiarivému toku prechádzajúcemu exponovaným miestom (t.j. ako absorbancia)

0 1 log logST

ΦΦ

= = (3.22)

Absorbancia, resp. meraná transmitancia T je tu len sprostredkujúcou veličinou, ktorá závisí od expozície H (H = It), vlastnosti fotografického materiálu a postupu jeho vyvolávania, ako aj od



usporiadania spektrografu. Vlastnosti spektrálnej dosky vyjadruje tzv. kalibračná krivka citlivej vrstvy, vyjadrujúca závislosť sčernenia od expozície. Najdôležitejšou je lineárna oblasť tejto krivky, ktorej smernica γ vyjadruje tzv. strmosť (gradáciu) fotomateriálu, a ktorá je najvhodnejšia pre kvantitatívne merania podľa vzťahu (3.21). Sčernenie tak možno vyjadriť. Vzťahom S = γ logK⋅H - i, kde K je konštanta úmernosti, H expozícia, i je inercia fotografického materiálu a γ jeho gradácia.

Aby sa minimalizoval vplyv fluktuácií meraného signálu, často sa používa metóda porovnávacieho prvku, ktorý sa v konštantnom množstve pridáva k vzorke aj k štandardom. Ak sa pracuje v lineárnej oblasti charakteristickej krivky, pre rozdiel hodnôt sčernenia obidvoch vhodne zvolených čiar analytického páru platí

xx r

r

- log IS S SI

γ= Δ = (3.23)

kde Ix, Ir sú intenzity čiar stanovovaného a porovnávacieho prvku. Rovnicu (3.21) možno upraviť na tvar

x

r

bx x

br r r

I a cI a c

= x (3.24a)

ktorého logaritmovaním (log / sa v spektrochemickej praxi označuje ako Y) sa získa vzťah

Yx – Yr = ΔY = log Ix – log Ir = (log ax - log ar) + (bx log cx – br log cr) (3.24b)

ktorý možno upraviť na tvar priamky, vyjadrujúcej analytickú funkciu

ΔY = Ax,r + bx log cx (3.25)

ktorej parametre sa určia pomocou štandardov známeho zloženia.

Emisná spektrografia je vhodná na stanovenie nečistôt (väčšiny kovov a niektorých nekovov, ako sú napr. bor, kremík, fosfor a arzén) v kovoch a zliatinách, na analýzu mineralizátov organických a biologických materiálov a potravín. Jej výhody sú vo veľkej špecifickosti metódy, v možnosti priameho stanovenia zložiek vzorky bez ich predbežného oddeľovania a v možnosti získať trvalý záznam o celkovej analýze na fotografickej platni. Nevýhodou je potreba značnej skúsenosti operátora pri obsluhe zariadenia aj vyhodnocovaní spektier. Porovnávací spôsob kvantitatívnej analýzy vyžaduje použitie referenčných materiálov podľa možnosti podobného zloženia, ako majú analyzované vzorky.

Presnosť stanovení je najviac 2 až 3 % (relatívne), preto nie je vhodnou metódou na stanovenie obsahov väčších než asi 3 %. 3.4.3. Optická emisná spektrometria s indukčne viazanou plazmou (ICP OES)

Indukčné viazaná plazma (ICP) sa ako budiaci zdroj najlepšie uplatňuje pri kvantitatívnej mnohoprvkovej analýze kvapalných vzoriek.

Budiacim zdrojom je bezelektródová argónová plazma. ICP hlavica konštrukcie podľa Fassela sa skladá z troch koncentrických rúrok. Roztok vzorky sa privádza do rozprašovača (pneumatického alebo ultrazvukového zhmlovača) a jemný aerosól po oddelení väčších kvapôčok v zhmlovacej komore je unášaný stredným injektorovým valcom do prúdu



ionizovaného (po prechode Teslovým indukčným ionizátorom) plazmového argónu s prietokom asi 1 cm3⋅min-1. Vonkajšou koncentrickou rúrkou sa privádza chladiaci argón prietokom 10 až 15 dm3⋅min-1. Kremenné koncentrické rúrky koaxiálne zasahujú do chladenej indukčnej cievky s tromi až štyrmi závitmi. Cievka je spojená s výkonovým generátorom rádiofrekvenčného elektromagnetického poľa (typická frekvencia býva 27,12 MHz a výkonom 0,6 až 3 kW). Vysokofrekvenčné pole vyvolá v elektricky vodivom plazmovom plyne elektrický prúd, ktorý zohrieva prúdiaci plazmový plyn na potrebnú teplotu a vytvára stálu plazmu, v ktorej dochádza k excitácii žiarenia atómami.

Emisné čiarové spektrum okrem čiar stanovovaných prvkov obsahuje aj spektrálne čiary argónu a molekulové pásy (napr. OH, C2, NH, NO, CN, N2

+). Analytickým signálom je intenzita spektrálnej čiary, spravidla určovaná integráciou jej profilu. Súčasné výkonné ICP AES spektrometre sú vystrojované detektormi typu CID, ktoré majú na ploche 1,6 cm x 1,6 cm 512 x 512 fotocitlivých elementov s účinnými echellette monochromátormi. Prednosti tejto konštrukcie možno zhrnúť do týchto bodov:

1. Pri stanovení radu prvkov vo vzorke možno na stanovenie každého prvku využiť niekoľko spektrálnych čiar.

2. Použitie niekoľkých spektrálnych čiar umožňuje kontrolu hodnôt koncentrácie stanovenej pre jednotlivé čiary, čím sa dosahujú spoľahlivejšie výsledky.

3. Meranie pomeru intenzít určitých čiar, zodpovedajúcich atómu a iónu daného prvku, umožňuje monitorovať budiace podmienky v plazme, čo dáva tiež možnosť zvýšenia správnosti analytických výsledkov pomocou korekcií.

4. Použitie niekoľkých čiar pre daný prvok v určitej vzorke tiež umožňuje zvoliť najlepšiu spektrálnu čiaru pre danú vzorku. Technika CID-echellette spektrometrov umožňuje vykonať úplnú kvalitatívnu spektrálnu analýzu aj pri obmedzenom množstve vzorky.

5. CID-echellette spektrometre možno konštruovať pri zachovaní značnej mechanickej jednoduchosti: nie sú potrebné výstupné štrbiny, pretože všetky adjustácie vlnových dĺžok riadi počítač. Optika takýchto spektrometrov je mimoriadne stabilná.

6. Zmeny intenzity emisie hydroxidového pásu môžu indikovať zmenu rýchlosti prívodu vzorky a zmenu príkonu ovplyvňujúceho excitačnú teplotu.

7. Automatizované systémy umožňujú meniť analytické čiary a podmienky plazmy na základe stanovovaných prvkov počas prvých niekoľkých sekúnd expozície. Na základe tejto informácie možno vybrať najlepšie podmienky analýzy bez ohľadu na spektrálne čiary použité pri akejkoľvek predošlej vzorke.

Najnovšie prístroje môže dopĺňať aj hmotnostný spektrometrický detektor. K strate linearity závislosti analytického signálu od koncentrácie dochádza v dôsledku

samoabsorpcie, interferencie čiar, vplyvu matrice, ovplyvňovania podmienok v zdroji analytom, alebo v dôsledku saturácie detektora.

Pomer S/N v ICP spektrometri ovplyvňuje rad faktorov, ako sú frekvencia generátora, konštrukcia závitu, zloženie plynu, prietok, geometria, matrica vzorky, zloženie nosnej kvapaliny, spôsob prívodu vzorky, analytická spektrálna čiara, rozsah korekcií na pozadie, optická dráha v plazme, šírka a výška vstupnej štrbiny spektrometra, typ mriežky a typ detektora.

Mnohoprvková analýza ICP spektrometrom sa môže realizovať sekvenčne, alebo simultánne. Výhodou techniky je rýchla analýza, možnosť stanoviť aj ťažko ionizovateľné prvky



(B, P, Zr), široký dynamický rozsah (5 až 6 poriadkov koncentrácie stanovovaného prvku), malý šum, nízka medza stanoviteľnosti (pre väčšinu prvkov 0,1 až 10 ppb) a značná spoľahlivosť metódy. Príklad jednej z možností zobrazenia spektra ICP AES s CID detektorom je na obr. 36.

Obr. 36 Príklad trojrozmerného emisného spektra 1 ppm Fe v roztoku s 1000 ppm Gd,

znázorňujúceho výsek v okolí emisnej čiary Fe 373,49 nm: k - poriadok spektra (napriek zložitému spektrálnemu pozadiu je možné dosahovať nízku medzu stanoviteľnosti Fe)

3.5. ATÓMOVÁ ABSORPČNÁ SPEKTROMETRIA

Atómová absorpčná spektrometria (AAS) je založená na meraní selektívnej absorpcie elektromagnetického žiarenia v rozsahu vlnových dĺžok od 190 do 850 nm voľnými atómami v základnom energetickom elektrónovom stave. Je vhodná na kvantitatívne stanovenie nízkych obsahov asi šesťdesiatich prevažne kovových prvkov. Jej použitie predpokladá, že analyzovaná látka sa prevádza z roztoku na voľné atómy v plynnej fáze. Atomizácia obvykle vyžaduje teplotu prostredia 2000 až 3000 K a je kľúčovou operáciou techniky AAS.

Atomizácia kvapalnej vzorky sa najčastejšie dosahuje vysokoteplotným plameňom zmesi vzduch - acetylén, alebo N2O - acetylén. Roztok sa nasáva do atomizátora prúdom oxidovadla (napr. vzduchom) tak, aby vznikal jemný aerosól, ktorý sa v horáku so štrbinovým vyústením dĺžky 5 až 10 cm mieša s palivom (acetylénom). Plameň horáka nad štrbinou je súčasne absorpčným prostredím AAS s plameňovou atomizáciou.



Na vymedzenie požadovanej spektrálnej čiary, pri ktorej sa meria absorbancia, sa dnes používajú takmer výlučne monochromátory s rovinnou reflexnou mriežkou v usporiadaní podľa Czernyho - Turnera. Spektrálnu šírku štrbiny možno voliť od 0,1 do 2 nm. Vhodnú spektrálnu čiaru treba voliť v závislosti od koncentrácie analytu a od prítomnosti potenciálnych rušiacich zložiek tak, aby nedochádzalo ku koincidencii a boli čo najlepšie splnené podmienky pre použitie Lambert-Beerovho zákona.

Účinný, ale technicky náročnejší spôsob atomizácie je bezplameňová elektrotermická atomizácia. Vzorka objemu 5 až 100 mm3 sa dávkuje na grafitovú, prípadne volfrámovú podložku, ktorá sa programovo vyhrieva elektrickým prúdom až na atomizačnú teplotu. Vzorka sa v atmosfére inertného plynu postupne vysuší (do 120 °C), pyrolyzuje a splyňuje (do 500 °C) a nakoniec atomizuje pri 2000 až 3000 °C. V absorpčnom prostredí, najmä ak boli prítomné organické zložky vzorky, môžu vznikať molekulové aj tuhé častice, ktoré tiež absorbujú prechádzajúce žiarenie. Zvýšenie absorbancie o zložky neatómovej absorpcie treba v takom prípade korigovať na základe ďalšieho merania, na čo sa ako zdroje spojitého žiarenia používajú deutériové výbojky. Pri elektrotermickej atomizácii sa spravidla registruje závislosť absorbancie od času. Tento prechodový signál má ostré maximum a výška maxima, alebo plocha pod zapísanou závislosťou je úmerná množstvu analytu. Bezplameňová atomizácia máva v porovnaní s plameňovou až o dva poriadky menšiu hranicu stanoviteľnosti.

Najpoužívanejší zdroj žiarenia v AAS sú výbojky s dutou katódou (pozri časť 3.3.2). Na detekciu žiarenia sa najčastejšie používajú fotonásobiče, ktoré musia byť citlivé v

intervale vlnových dĺžok 190 až 850 nm. Dôležité je, že detektor pracuje bez zotrvačnosti. To pri meraní umožňuje odlíšiť striedavý signál detektora, generovaný mechanickou alebo elektronickou moduláciou zdroja, od jednosmerného signálu, zodpovedajúceho nežiadúcemu žiareniu z plameňa.

Metódy AAS sú porovnávacími metódami: pri vyhodnocovaní koncentrácie analytu vo vzorke sa vychádza z nameranej absorbancie, ktorá sa porovnáva metódou kalibračnej funkcie alebo prídavkovými metódami s hodnotami nameranými pre štandardy.

AAS je vhodná analytická technika pre sériové stanovenia kovov, ktoré sú vo vzorkách prítomné v nízkych až stopových koncentráciách. Používa sa napr. pri analýze vôd, v biochémii a v potravinárstve, v geologickom prieskume, v toxikológii a kontrole znečistenia zložiek životného prostredia, pri analýze pôd, hnojív, plastov, ropných produktov a pod.

3.6. ANALÝZA ZALOŽENÁ NA MOLEKULOVEJ SPEKTROMETRII

Molekulová spektrometria zahŕňa spektrometrické metódy, ktoré sú založené na interakciách elektromagnetického žiarenia s molekulami analyzovaných látok. Kým v atómových spektrách čiarové spektrá zodpovedajú rozdielom energií energetických hladín dovolených stavov elektrónov, v molekulových spektrách príslušné energetické hladiny elektrónov patria jednotlivým molekulovým orbitálom. Absorbované kvantá energie vyvolávajú prechody väzbových elektrónov (molekulová absorpčná spektrometria v ultrafialovej a viditeľnej oblasti spektra), zmeny vibračných a rotačných stavov molekúl (infračervená a Ramanova spektrometria), alebo zmeny energetických stavov magnetických momentov jadier či elektrónov



(vysokofrekvenčná rezonančná spektrometria). Na žiarivej deexcitácii primárne absorbovaného elektromagnetického žiarenia sú založené metódy luminiscenčnej analýzy v ultrafialovej a vo viditeľnej oblasti spektra. 3.7. ABSORPČNÁ SPEKTRÁLNA ANALÝZA V ULTRAFIALOVEJ

A VIDITEĽNEJ OBLASTI (UV/VIS)

Metódy molekulovej absorpčnej spektrometrie v oblasti UV/VIS sú založené na interpretácii zmien, ktoré nastávajú v molekulách pri absorpcii žiarenia v oblasti λ = 200 až 800 nm (t.j. ν = 50 000 až 12 500 cm-1). Látky, ktoré absorbujú iba v UV oblasti (λ < 380 nm) sa javia ľudskému oku ako bezfarebné. Látky, ktoré z bieleho slnečného svetelného žiarenia pohlcujú žiarenie s λ = 400 až 600 nm vníma ľudské oko ako farebné. Napr. látka sa nám javí ako purpurová, keď z bieleho slnečného svetla pohlcuje žiarenie zelené, teda λ = 500 až 550 nm. V tomto prípade sa hovorí, že purpurovej farbe je doplnková - komplementárna farba zelená.

Prehľad vlnových dĺžok zodpovedajúcej farby a jej patriace komplementárne zafarbenie je uvedený v tab. 6

Tabuľka 6 Farby viditeľného svetla a ich doplnkové farby

Vlnová dĺžka λ [nm] farba doplnková farba

400 až 435 fialová žltozelená

435 až 480 modrá žltá

480 až 490 zelenomodrá oranžová

490 až 500 modrozelená červenooranžová

500 až 560 zelená červenopurpurová

560 až 580 zelenožltá fialová

580 až 595 žltooranžová modrá

595 až 610 oranžovočervená zelenomodrá

620 až 760 červená modrozelená

Absorbované kvantá žiarivej energie (poriadkovo 200 až 600 kJ⋅mol-1) spôsobujú

prechod molekúl z nižšieho do vyššieho elektrónového stavu. Vzhľadom na excitáciu elektrónov sa tejto oblasti merania hovorí ako oblasť elektrónových spektier. Zmena stavu elektrónového obalu molekuly je všeobecne spojená aj so zmenou ich vibračných a rotačných stavov.

Prechod z nižšej do vyššej elektrónovej hladiny môže prebiehať do rôznych vibračných a rotačných podhladín molekuly a tak počet energeticky blízkych elektrónových prechodov v molekule je veľký. Tieto blízke prechody sa obyčajne nedajú rozlíšiť ako jednotlivé čiary a výsledné absorpčné spektrum je pásové (na rozdiel od čiarového spektra voľných atómov).



Tieto pásy sa objavia v okolí určitej vlnovej dĺžky, ktorá je charakteristická pre sledovanú molekulu. Premeriavanie elektrónových spektier teda napomáha charakterizovať a identifikovať určitú látku, ale väčší význam má pre kvantitatívne účely.

Pri bežných laboratórnych podmienkach sú molekuly na základnej elektrónovej i vibrač-nej hladine. Absorbovaním fotónu sa celková energia molekuly (súčet energie elektrónovej, vibračnej i rotačnej) zvyšuje a molekula prechádza z energetickej hladiny E0 na vyššiu E1 - do excitovaného stavu. Rozdiel energií sa rovná prijatému kvantu žiarenia, teda

E1 - E0 = hν (3.26)

Podľa zákonov elektrodynamiky je táto absorpcia žiarenia spojená so zmenou dipólového momentu molekuly, čo sa prejaví zmenou v rozložení náboja molekuly v excitovanom a základnom stave. Čas, po ktorý molekula zotrváva v excitovanom stave je veľmi krátky (poriadkovo 10-9 s) a molekula rôznymi nežiarivými, resp. i žiarivými mechanizmami sa vracia späť do základného stavu, čím sa udržuje rovnováha v prospech molekúl v základnom stave. Vzhľadom na veľký počet podhladín, ktoré sa môžu pri absorpcii uplatniť, splývajú pri meraní v kvapalnom skupenstve sústavy blízkych čiar do plynulého pása, ktorého tvar je viac, či menej symetrický s maximom pri určitej vlnovej dĺžke λmax, kde je absorpcia žiarenia najväčšia. Absorpčné spektrá zložitejších molekúl mávajú viacej absorpčných pásov, ktoré sa často navzájom prekrývajú a vytvárajú krivky s nevýraznými maximami a ramenami.

Na štruktúru elektrónového pása z hľadiska jeho symetrie má výrazný vplyv vibračný pohyb molekuly. Vibrácia jadier v molekule (10-13 s) je poriadkovo dlhšia ako doba elektróno-vého prechodu (10-15 s) a preto sú pri absorpcii energetického kvanta najpravdepodobnejšie tie elektrónovo vibračné prechody, pri ktorých sa zachováva rovnovážna vzdialenosť (Franck-Condonov princíp). Ak má molekula v excitovanom stave také usporiadanie, že rovnovážna vzdialenosť jadier je približne rovnaká ako v základnom elektrónovom stave, je najpravde-podobnejší a najintenzívnejší absorpčný prechod rovnako do najnižšej vibračnej podhladiny excitovaného stavu. Prechody do vyšších vibračných podhladín sú možné, ale ich početnosť klesá s rastúcou energiou vibračnej podhladiny. Absorpčný pás má v tomto prípade asymetrický tvar. V častejšom prípade, keď v excitovanom stave molekuly je rovnovážna vzdialenosť medzi jadrami väčšia ako v základnom stave, je najpravdepodobnejší prechod do tej vyššej vibračnej podhladiny excitovaného stavu, pre ktorú je medzijadrová vzdialenosť rovnaká ako v základnom elektrónovom stave. Samozrejme, že sú možné tiež prechody do vyšších či nižších vibračných podhladín excitovaného stavu susediacich s uvedenou podhladinou, a ktorých intenzita v absorpčnom páse je zrovnateľná. V tomto prípade má pás symetrickú vibračnú štruktúru.

Na základe kvantovej mechaniky sa rozlišujú tri typy prechodov molekúl do excitovaného stavu:

1. Dovolené prechody, ktoré dávajú najintenzívnejšie pásy a zodpovedajú prechodu zo základnej singletovej hladiny (spiny elektrónov väzbového páru sú opačné) na rovnakú singletovú excitovanú hladinu (nemení sa spin excitovaného elektrónu);

2. Spinovo zakázané prechody, ktoré dávajú pásy s najmenšími intenzitami a zodpo-vedajú prechodu zo základnej singletovej hladiny so zmenou spinu elektrónu do tripletového excitovaného stavu. Tieto prechody majú malú pravdepodobnosť.



3. Symetricky zakázané prechody, ktoré majú intenzitu pásov medzi predchádzajúcimi dvoma typmi. Tieto prechody prichádzajú do úvahy vtedy, keď elektrónový základný a excitovaný stav molekuly majú rovnakú symetriu v rozložení elektrických nábojov. Tieto prechody sú možné preto, lebo vplyvom vibrácie jadier v molekule môže dôjsť k určitej diferenciácii v rozdelení elektrónov v základnom a excitovanom stave.

Porovnanie poriadkových hodnôt molových absorpčných koeficientov εmax pre uvedené typy prechodov vidieť z tab. 7

Tabuľka 7 Poriadkové hodnoty εmax dovolených a zakázaných prechodov

prechod εmax [dm3⋅cm-1⋅mol-1] dovolený 104 až 105

symetricky zakázaný < 102

spinovo zakázaný ≈ 100

Systematickým štúdiom elektrónových spektier UV/VIS čistých zlúčenín sa našli viaceré korelácie medzi spektrom a štruktúrou látky. Teoretický výklad k pozorovaným súvislostiam podala kvantová mechanika. Ako bolo už uvedené pri absorpcii v oblasti UV/VIS ide o prechody valenčných elektrónov (väzbových, resp. neväzbových) z obsadených molekulových orbitálov na orbitály neobsadené.

V organických molekulách sú kovalentné väzby opísané prekryvom hybridných orbitálov. Tieto jednocentrové orbitály sa tvoria kombináciou valenčných atómových orbitálov s a p. Orga-nickú látku v základnom stave charakterizujú tieto molekulové orbitály :

σ-väzbové, ktoré sa tvorenia prekrytím hybridných uhlíkových orbitálov sp3, sp2 alebo sp, po spojnici jadier,

π-väzbové, ktoré sa tvorenia prekrytím zvyšných uhlíkových orbitálov mimo spojnice jadier, keď na tvorbu σ - väzbových orbitálov sa použili sp2 alebo sp hybridné orbitály,

n-neväzbové, ktoré sú obsadené voľnými elektrónovými pármi,

σ-väzbové orbitály sa vyskytujú prevažne pri molekulách s jednoduchými väzbami, π-orbitály pri molekulách s násobnými väzbami a n-orbitály pri molekulách s heteroatómami (napr. O, S, N, Cl a iné) viazanými na uhlík. V excitovanom stave sa obsadzujú proti väzbové orbitály σ* a π*, na ktoré prechádza jeden z elektrónov po absorpcii kvanta žiarivej energie. Možné sú teda tieto prechody:

σ → σ*; π → σ*; n → σ*; π → π*, n → π* a σ → π*

Energetické rozdiely medzi jednotlivými orbitálmi a možné elektrónové pochody pri

absorpcii žiarenia je vidno z obr. 37. Najväčšiu excitačnú energiu treba na exitáciu σ → σ* a jej zodpovedajúca vlnová dĺžka leží vo vákuovej ultrafialovej oblasti (pod 180 nm). Menej energie vyžadujú prechody z π-orbitálov. Elektrónové absorpčné spektrá organických zlúčenín, ktoré vznikajú v blízkej ultrafialovej a viditeľnej oblasti sú spôsobené najmä prechodmi π → π* a n → π*. Funkčné skupiny, ktoré tieto typy prechodov spôsobujú sa nazývajú chromofory. Zlúčeniny bez chromoforov, t.j. najmä zlúčeniny s jednoduchým väzbami, ako napr. nasýtené uhľovodíky, pri ktorých sú možné iba prechody σ → σ* sa vyskytujú aj prechody n → σ* s



pomerne málo intenzívnymi pásmi v blízkej ultrafialovej oblasti (v spektrách amínov, éterov, sulfidov a pod.).

Obr. 37 Energetický diagram molekulových orbitálov a absorpčné prechody medzi nimi

- typy elektrónových prechodov

V molekulách s nenasýtenými väzbami je častý prechod π → π*; ktorý sa označuje ako

tzv. K-pás. Tieto prechody sú väčšinou dovolené a veľmi intenzívne, avšak značne na ne vplýva poloha chromoforu. Všeobecne platí pravidlo: rastúca konjugácia násobných väzieb a polarita rozpúšťadla posúvajú maximá pásov π → π* k väčším vlnovým dĺžkam - tzv. batochromný (červený) posun.

Elektrónové prechody nenasýtených molekúl podmienené súčasnou prítomnosťou heteroatómu s voľnými elektrónovými pármi (O, N, S, X) sú n → π* prechody nazývané R-pásy. Tieto prechody sú symetricky zakázané a nemajú vysokú intenzitu.

Pre tieto prechody platí všeobecné pravidlo: čím polárnejší je substituent alebo použité rozpúšťadlo, tým viac sa vlnová dĺžka absorpčného maxima λmax posúva ku kratším hodnotám - tzv. hypsochromný (modrý) posun. Hodnota εmax pása tiež rastie.

Osobitné sú prechody, ktoré súvisia s prenosom náboja (elektrónu) z molekuly na mole-kulu (donor-akceptorové systémy), tzv. charge transfer, CT-pásy. V takomto prípade vytvára molekula donora s molekulou akceptora roztoku komplex, ktorého prítomnosť sa prejaví novým absorpčným pásom v elektrónovom spektre. Tento donor-akceptorný pás vzniká prechodom elektrónu z obsadeného π orbitálu donora na neobsadený π* orbitál akceptora (πdonor → π*akceptor) v komplexnej častici. Tento CT prechod je energeticky priaznivejší ako prechody pre jednotlivé zložky, preto λmax je pri väčšej vlnovej dĺžke ako pásy samotných zložiek. Okrem intenzívneho π → π* prechodu sa môže objaviť i prechod n → π* v prípade, že donor obsahuje n-orbitál.

Pri koordinačných zlúčeninách sa pod CT pásom rozumie prechod z obsadených d-orbitálov centrálneho atómu do π*-orbitálov ligandu (M → L) alebo z obsadených π-orbitálov ligandov do vakantných d-orbitálov centrálneho atómu (L → M). Tieto pásy sú omnoho intenzívnejšie než d-d prechody, ktoré sú v prvom priblížení zakázané.

Rozlíšenie jednotlivých pásov pri priraďovaní spektra je založené na ovplyvňovaní spektra zmenou rozpúšťadla, syntetickými alternáciami (derivatizácia, vyfarbovanie) a pod.



Priraďovanie pásov je významné z hľadiska charakterizácie látok v kvalitatívnej analýze vrátane štruktúrnej analýzy.

Lambert-Beerov zákon

Pri absorpčných meraniach sa sleduje úbytok žiarivého toku určitej vlnovej dĺžky po prechode prostredím s látkou.

Transmitancia - priepustnosť T je definovaná pomerom vystupujúceho žiarivého toku Φ k žiarivému toku vstupujúcemu Φ0:

0

T ΦΦ

= (3.27)

Absorptancia α je podiel absorbovaného žiarenia k vstupujúcemu toku

0

0

1 - TΦ Φα

Φ−

= = (3.28)

Absorbancia A je definovaná vzťahom

0 log - logAΦΦ

= = T (3.29)

Transmitancia, resp. absorbancia vzorky sa mení s vlnovou dĺžkou žiarenia a závisí od počtu absorbujúcich častíc v dráhe lúča (koncentrácia častíc) a od hrúbky vrstvy, cez ktorú lúč prechádza. Na zistenie koncentrácie je dôležitý vzťah medzi c, l a A(T) pri určitej vlnovej dĺžke. Tento vzťah matematicky vyjadruje Lambert-Beerov zákon:

0 10 clεΦ Φ −= (3.30)

kde ε je molový absorpčný koeficient [dm3⋅cm-1⋅mo-1], c - látková koncentrácia absorbujúcej zložky [mol⋅dm-3], l - dĺžka lúča vo vzorke - hrúbka vrstvy (kyvety) [cm]. Teda :

A = ε c l (3.31)

Uvedený zákon platí pre monochromatické žiarenie a zriedené roztoky (c < 10-2 mol⋅dm-3), v ktorých absorbujúce častice nepodliehajú žiadnym interakciám. Tento zákon je základom pre kvantitatívnu analýzu založenú na meraní absorpcie žiarenia.

V praxi sa však uplatňujú viaceré faktory, ktoré spôsobujú odchýlky od linearity A = f(c). V prvom rade sú to rôzne chemické rovnováhy interakcie látky s rozpúšťadlom, či ďalšími prítomnými zložkami (tvorba komplexov, iónových párov, dimérov, disociácia a pod.). Ďalej sa môže prejaviť zmena teploty roztoku, nedostatočná monochromatickosť žiarenia, absorpcia skúmadiel, ktoré tiež môžu spôsobovať odchýlky od vyššie uvedenej linearity. Ak obsahuje roztok viacej druhov častíc, ktoré absorbujú žiarenie danej vlnovej dĺžky, platí aditivita absorbancií, tzn. že nameraná absorbancia je súčtom príspevkov absorbancií jednotlivých častíc.

Prístrojové vybavenie v UV/VIS oblasti

Na meranie molekulových spektier a na stanovenie koncentrácie zložky vo vzorke sa používajú absorpčné spektrometre alebo spektrofotometre. Pod spektrometrom sa väčšinou



rozumieme prístroj, ktorým možno automaticky snímať - zaznamenať absorpčnú krivku, teda T, resp. A = f(λ) resp. f(ν ). Názov spektrofotometer sa používa na neregistračné a konštrukčne jednoduchšie prístroje, ktoré sa využívajú na stanovenie koncentrácií z nameraných absorbancií pri určitej vlnovej dĺžke (spravidla pri λmax absorpčného pása).

Bežné spektrometre a spektrofotometre pracujú v oblasti vlnových dĺžok od blízkej ultrafialovej (λ = 190 nm) až po veľmi blízke infračervené (λ = 1 až 2 μm). Vo viditeľnej oblasti pri sériových analýzach sa používajú jednoduché absorpčné fotometre, v ktorých sa vo funkcii monochromátora bežne používajú filtre. Takéto prístroje sa označujú ako filtrové fotometre, resp. objektívne kolorimetre. V súčasnosti ich nahradzujú jednoduché spektrofotometre, ale nachádzajú uplatnenie v prevádzkových analyzátoroch, alebo ako detektory v kvapalinovej chromatografii a v kapilárnej elektroforéze. Každý spektrálny absorpčný fotometer má tieto štyri časti :

1. zdroj žiarenia so spojitým spektrom v širokom rozmedzí vlnových dĺžok a s dostatoč-nou energiou,

2. disperzný systém, ktorým je hranolový alebo mriežkový monochromátor, pomocou ktorého možno zo spojitého žiarenia postupne izolovať zväzok lúčov s úzkym inter-valom zvolených vlnových dĺžok, v jednoduchých prístrojoch vo funkcii monochromá-tora slúži filter,

3. absorpčný systém, t.j. roztok v kyvete, 4. fotometrický systém, ktorý sa skladá z fotoelektrického detektora žiarenia, zosilňova-

cieho a iných elektrických obvodov a meradla na odčítanie, či zaregistrovanie signálu. Podľa konštrukcie sa vyrábajú jednolúčové a dvojlúčové spektrometre s optickou, resp.

elektrickou kompenzáciou (obr. 38).

Obr. 38 Bloková schéma spektrofotometra

a - jednolúčový prístroj, b - dvojlúčový prístroj, A - zdroj, B - monochromátor, C, C' - meraná alebo porovnávacia kyveta, D, D' - detektor, E - vyhodnocovacie zariadenie (zapisovač), v schéme b je bodkovane vyznačený systém s jedným detektorom



V ostatných rokoch je na trhu konštrukčne nový dvojlúčový fotometrický systém, ktorý umožňuje prakticky okamžite registrovať spektrum látky v rozsahu 200 až 800 nm. Principiálne nový je detekčný systém. Pri ňom lúč spojitého žiarenia zo zdroja sa rozdelí na dva modulované lúče (meraný a porovnávací) s rovnakým svetelným tokom. Tieto potom prechádzajú cez meranú a porovnávaciu kyvetu. Vystupujúce lúče sú znovu opticky spojené a vedú sa na odrazovú (holografickú) mriežku. Žiarenie rozložené týmto disperzným prvkom podľa vlnových dĺžok dopadá na rad niekoľko sto miniatúrnych detektorov (kremíkové fotodiódy), ktoré sú umiestnené v zobrazovacej rovine spektra. Každá fotodióda zaznamenáva hodnotu Φ/Φ0 pre jedinú určitú vlnovú dĺžku. Celé spektrum možno pozorovať priamo na obrazovke, alebo ho možno uložiť do pamäti pripojeného počítačového prvku.

Jednotlivé konštrukčné prvky rôznych prístrojov sú funkčne rovnaké, ale môžu sa líšiť svojimi parametrami.

Zdroje spojitého žiarenia. Pre rozsah 180 až 360 nm sa používa deutériová alebo vodíková výbojka a nad 360 nm je to volfrámová žiarovka, ktorá poskytuje spojité žiarenie až do 3 μm.

Monochromátor. V súčasných spektrometroch sa dáva prednosť mriežkovému mono-chromátoru pred hranolovým. Kvalitné spektrometre majú spektrálnu šírku štrbiny 0,1 nm, jednoduché spektrofotometre pre VIS oblasť okolo 10 nm. Platí zásada, že spektrálna šírka štrbiny by mala byť aspoň päťkrát menšia ako je pološírka meraného absorpčného pása. Kalibrácia vlnových dĺžok monochromátorov sa uskutočňuje pomocou štandardných látok (antracén pre UV oblasť a holmiové sklo pre VIS oblasť).

Absorpčné prostredie tvorí obsah kyviet. Pri meraní sa používajú dve rovnaké kyvety, pričom jedna sa plní roztokom vzorky a druhá referenčným - porovnávacím roztokom. Pre UV oblasť sú kyvety a ostatná optika z kremeňa, pre VIS oblasť zo skla. Hrúbka kyviet sa volí podľa koncentrácie a hodnoty absorpčného koeficienta tak, aby namerané hodnoty absorbancie boli medzi 0,1 až 1,0. Na kontinuálnu a kvantitatívnu analýzu sa používajú prietokové kyvety. Plyny sa fotometrujú v špeciálnych valcových kyvetách dĺžky 10 cm a viac.

Detektory žiarenia. V UV/VIS oblasti sa používajú fotoelektrické detektory. V dvojlúčových spektrometroch s jedným detektorom sa používa fotoelektrický násobič s vhodnou citlivou vrstvou fotokatódy. V ostatnom čase už aj spomínané kremíkové fotodiódy. V starších jednolúčových spektrofotometroch sa používali dve fotónky, pre tzv. "modrú" oblasť 200 až 600 nm a "červenú" nad 600 nm. Vo viditeľnej oblasti sa stále využíva selénový hradlový článok. Pre blízku infračervenú oblasť do 2,5 μm je vhodným detektorom článok PbS. Fotoelektrický prúd z príslušného detektora sa zosilňuje vhodnými elektronickými zosilňovačmi. Spôsoby odčítania optických signálov sú rôzne.

Rozpúšťadlá. Najpoužívanejšie rozpúšťadlo je voda, ktorá prepúšťa žiarenie od 185 do 1000 nm. Jej použiteľnosť však obmedzuje rozpustnosť látok v nej. Pre nepolárne organické látky treba použiť organické rozpúšťadlá. Pre VIS oblasť sú vhodné takmer všetky bezfarebné rozpúšťadlá. Až do 210 nm sú použiteľné nasýtené uhľovodíky, nižšie alkoholy a étery. Pri výbere rozpúšťadiel treba ich vhodnosť overiť pomocou príslušných tabuliek. Rozpúšťadlo vhodné na spektrofotometrickú analýzu musí byť chemicky čisté a označené "pre UV spektrometriu".



Využitie

Kvalitatívna analýza. Spektrometria v UV/VIS oblasti prispieva k identifikácii a riešeniu štruktúrnych otázok pre čisté látky, resp. ich jednoduchých zmesí. Poloha a intenzita pásov je typická iba pre určitú časť molekuly - chromofor (funkčnú skupinu, ktorá absorbuje pri charakteristických hodnotách λ) a preto sa spektrá veľkých, štruktúrne podobných látok navzájom líšia veľmi málo. Na porovnanie spektier pri identifikácii látok sú k dispozícii atlasy UV/VIS spektier. Pri identifikácii sa môžu uplatniť niektoré všeobecné pravidlá.

Cenné informácie poskytuje UV/VIS spektrometria pri identifikácii a štúdiu biochemický významných látok (steroidov, farbív a pod.), pesticídov, syntetických farbív, farmaceutických prípravkov a radu karcinogénnych látok v životnom prostredí. Pri analýze zložitých vzoriek vznikajú komplikácie, ktoré sa obyčajne riešia tak, že zmes sa vhodnou separačnou technikou rozdelí na čisté látky.

Kvantitatívna analýza je založená na Lambert-Beerovom zákone za podmienky, že v medziach platnosti linearity A = f(c) je hodnota molového absorpčného koeficienta konštantná. Jeho hodnota závisí od vlnovej dĺžky, od druhu rozpúšťadla a od prítomnosti ďalších látok. Stanovenie sa uskutočňuje pri hodnotách vlnových dĺžok, ktoré zodpovedajú maximu absorpčného pása, lebo za týchto podmienok je mólový absorpčný koeficient najmenej závislý od spektrálnej šírky štrbiny a jeho hodnota býva značne vysoká, čo umožňuje citlivé stanovenie. Pri splnení uvedených podmienok možno pracovať v oblasti stopovej analýzy (s koncentráciou μg⋅cm-3). V najjednoduchšom prípade fotometrickej analýzy patrí nameraná absorbancia jednej zložke. Keď sa v roztoku nachádzajú ďalšie zložky, ktoré pri danej vlnovej dĺžke absorbujú svetelné žiarenie, potom nameraná hodnota absorbancie je súčtom hodnôt patriacich jednotlivým zložkám (aditivita), teda

( )n

iii=1

A l cλε= ∑ (3.32)

kde i = 1,..., n sú absorbujúce zložky. Aditivita sa využíva na súčasné stanovenie viacerých zložiek v zmesi. Na výpočet ich koncentrácií je potrebné zmerať absorbanciu toho istého roztoku pri toľkých vlnových dĺžkach, koľko je absorbujúcich zložiek (rieši sa sústava n lineárnych rovníc pre n neznámych koncentrácií ci).

Metodicky spektrofotometrické stanovenia možno rozdeliť na priame a titračné. Pri priamych stanoveniach jednej zložky sa pracuje väčšinou metódou kalibračnej krivky, prípadne metódou štandardného prídavku. Pri fotometrickej titrácii sa fotometria používa na indikáciu koncového bodu titrácie. Pracovné podmienky sa volia tak, aby pri danej vlnovej dĺžke absorbovala stanovovaná látka (titrand) alebo odmerný roztok (titrant), či produkt ich chemickej reakcie. Titračná krivka sleduje závislosť zmeny absorbancie od objemu odmerného roztoku A = f(V) a skladá sa z dvoch priamkových častí, ktorých priesečník určuje objem v koncovom bode titrácie. Zakrivenie titračnej krivky v oblasti koncového bodu titrácie (resp. bodu ekvivalencie) býva zapríčinené neúplnosťou titračnej reakcie. Tvar titračnej krivky závisí od absorbujúcich zložiek.

Vo všeobecnosti absorpčná spektrofotometria našla široké použitie v anorganickej i organickej analýze, ako aj pri riešení niektorých fyzikálno-chemických problémov (napr. získa-vanie údajov na výpočet rýchlosti chemických reakcií v roztokoch). V mnohých prípadoch sa výhodne využíva na zistenie zloženia - stechiometrie komplexných zlúčenín, rovnovážnych



konštánt pri disociačných, asociačných a komplexotvorných reakciách. Na tieto účely boli vypracované postupy, ktoré sú v princípe založené na špecifickom určení niektorej z častíc v roztoku. Na spektrofotometrické stanovenie zloženia komplexnej zlúčeniny sa najčastejšie využívajú: metóda kontinuálnych variácií - Jobova metóda, metóda pomeru smerníc a metóda molových pomerov.

Pri Jobovej metóde sa meria absorbancia radu roztokov, v ktorých súčet analytických koncentrácií kovového iónu a ligandu je stály [c = c(M) + c(L) = konšt.], ale mení sa pomer ich koncentrácií

(M) (L) 1-

cc x

=x (3.33)

kde x je molový zlomok kovového iónu M a (1-x) je molový zlomok ligandu, pričom x sa mení od 0 po 1. Zostrojením grafickej závislosti A = f(1-x) , resp. f(x) sa získajú krivky, kde súradnica priesečníka k stúpajúcej a klesajúcej časti krivky určuje hodnotu molového zlomku ligandu (1-x)max. Počet ligandov viazaných kovovým iónom je

max

max

(1 ) (L) / (L) (M) / (M)

x c c cnx c c c−

= = = (3.34)

Pri metóde pomeru smerníc sa pracuje s dvoma radmi roztokov. Jeden rad má vysokú a stálu koncentráciu ligandu L a malú stúpajúcu koncentráciu kovového iónu M. Druhý rad roztokov má opačné zloženie. Predpokladá sa, že látky s malou koncentráciou c(M) v prvom a c(L) v druhom rade roztokov sa kvantitatívne viažu do komplexu a absorbancie roztokov sú priamoúmerné analytickým koncentráciám týchto látok. Pre prvý rad roztokov platí vzťah

A = ε(MLn) [MLn] ≈ ε(MLn) c(M) pre 1 cm kyvetu (3.35)

Pre druhý rad roztokov

A = ε(MLn) [MLn] ≈ ε(MLn) c(L)/n pre 1 cm kyvetu (3.36)

Závislosť A1 = f[c(M)] je priamková so smernicou k1 = ε(MLn). Smernica priamky A2= f[c(L)] má hodnotu k2 = ε(MLn)/n. Pre pomer obidvoch smerníc platí :

n = k1/k2 (3.37)

Pri metóde molových pomerov sa meria absorbancia radu roztokov obsahujúcich konštantnú koncentráciu c(M) a rôznu stúpajúcu koncentráciu ligandu c(L). Pomer c(L)/c(M) sa mení od 0,1 do 10. Zostrojí sa graf A = f[c(L)/c(M)]. Pri kvantitatívnej reakcii vzniku jediného dostatočne stáleho komplexu sa získa krivka s dvoma priamkovými vetvami, ktorých priesečník zodpovedá molovému pomeru c(L)/c(M), ktorého hodnota udáva číslo n - počet ligandov v komplexe.

Pri získavaní spektra A = f(λ) v závislosti od rôznych podmienok (napr. od zmeny pH), teda v spektrách roztokov, ktoré obsahujú viacero farebných látok sa vyskytujú tzv. izosbestické body. Sú to body, pri ktorých je molový absorpčný koeficient dvoch látok, ktoré sú v rovnováhe, rovnaký. Počet izosbestických bodov súvisí s počtom farebných zložiek v roztoku a s počtom absorpčných pásov v ich spektrách.

Pri analytických spektrofotometrických meraniach sa najviac využíva klasický postup. Pri tomto spôsobe merania sa do dráhy lúčov vloží kyveta s čistým rozpúšťadlom (porovnávacím roztokom) a nastaví sa transmitancia na T = 100 %. Potom sa zacloní detektor žiarenia a



ukazovateľ sa nastaví na T = 0 %. Po zasunutí kyvety s meraným roztokom sa odčíta hodnota absorbancie, resp. transmitancie. Okrem tohto spôsobu sú opísané i ďalšie postupy pre veľmi slabo absorbujúce roztoky (metóda stopovej analýzy) a pre silne absorbujúce roztoky (metóda diferenčnej spektrometrie). Tieto postupy patria k metódam s roztiahnutou škálou.

Na rozlíšenie prekrývajúcich sa absorpčných pásov jednotlivých chromoforov je výhodné použiť deriváciu absorpčnej krivky, ktorá zdôrazní aj drobné zmeny v pôvodnom spektre. Na získanie derivačného spektra existuje niekoľko metód. S rozvojom prístrojovej techniky vystupujú do popredia spôsoby, ktoré využívajú techniku dvoch vlnových dĺžok. Výsledné spektrum je rozdielom absorbancií ΔA pri obidvoch vlnových dĺžkach s rozdielom v závislosti od vlnovej dĺžky ΔA/Δλ = f(λ). Okrem optickej metódy možno získať derivačné spektrum vhodným elektronickým zapojením alebo mikropočítačom po digitalizácii spektra. Derivačná spektrofotometria má výrazne väčšiu rozlišovaciu schopnosť a umožňuje získať viac informácií o študovanej látke. 3.8. LUMINISCENČNÁ ANALÝZA

Luminiscenčná analýza je založená na meraní luminiscenčného žiarenia, ktoré skúmaná látka emituje. Luminiscenciu - žiarenie látky možno vyvolať napr. :

a) pohltenou svetelnou energiou - fotoluminiscencia, b) energiou chemickej reakcie - chemiluminiscencia, c) energiou uvoľnenou biologickými pochodmi - bioluminiscencia, d) elektrickým poľom - elektroluminiscencia. Z hľadiska analytickej chémie má najväčší význam fotoluminiscencia. Fotoluminiscenčné

metódy sú založené na využití emisných spektier molekúl v oblasti UV/VIS žiarenia. Analytické metódy, ktoré sú založené na ich meraní sa nazývajú fluorimetria a fosforimetria. Fluorescencia má kratšiu dobu dosvitu (10-8 až 10-4 s) ako fosforescencia (10-4 až 101 s a viac). Dosvit je čas, ktorý uplynie od konca budiaceho impulzu do vyhasnutia luminiscencie. Fotoluminiscenčné spektrá vznikajú žiarivou deaktiváciou molekúl, ktoré boli privedené do vyšších excitovaných stavov absorpciou žiarenia v tej istej spektrálnej oblasti. Fluorimetria i fosforimetria majú najväčší význam na stanovenie koncentrácie látky a fotoluminiscenčné spektrá možno využiť pri identifikácii a riešení štruktúry látky.

Vznik luminiscenčného spektra

Na vznik luminiscenčného spektra je potrebná excitácia molekúl zo základnej elektrónovej hladiny (na ktorej za bežných podmienok je väčšina molekúl) na niektorú vyššiu elektrónovú hladinu pôsobením žiarivej energie - absorpciou žiarenia vhodnej frekvencie. Na obr. 39, kde sú schematicky znázornené energetické hladiny pre dvojatómovú molekulu je tento proces označený A. Absorpčný prechod, ktorý trvá asi 10-15 s, sa začína zväčša na najnižšej vibračnej hladine v" = 0 základného elektrónového stavu S0. Po absorpcii všetky molekuly, ktoré majú energiu vyššiu, ako najnižšia vibračná hladina (v′ = 0) vzbudeného elektrónového stavu S1, rýchlo strácajú energiu bez vyžiarenia kvanta a dostávajú sa na jednotnú energetickú úroveň



danú energiou najnižšej vibračnej hladiny vzbudeného stavu S1 - proces B na obrázku. Toto rozptýlenie nadbytočnej vibračnej energie, tzv. vibračná relaxácia (prebehne v čase asi 10-12 s) môže zahŕňať prenos energie molekulovými zrážkami s inými molekulami, resp. odovzdanie energie iným druhom vibrácií alebo rotácií tej istej molekuly.

Obr. 39 Schematické znázornenie vzniku fluorescencie (a) a fosforescencie (b)

A - proces absorpcie žiarenia, B, C - bezradiačný rozptyl vibračnej energie, D - bezradiačný prechod do základného elektrónového stavu, F - fluorescenčné žiarenie, l - fosforescenčné žiarenie, Ep - potenciálna energia, dX - súradnica medziatómovej vzdialenosti

Pravdepodobnosť prechodu molekuly z najnižšej vibračnej hladiny (v′ = 0) vzbudeného elektrónového stavu s vyžiarením fluorescenčného kvanta je najvyššia. Tento prechod, ktorý prebieha v čase 10-8 až 10-4 s, sa končí na rôznych vibračných, či rotačných hladinách základného elektrónového stavu - proces F. Tento proces neprebieha so 100 % účinnosťou, lebo paralelne prebieha bezradiačná relaxácia molekuly - proces D, pri ktorej sa molekula zbavuje energie zrážkami s inými molekulami a prechádza tak do základného stavu, alebo do menej energetického tripletového stavu - proces C, chemickou reakciou s molekulami prostredia alebo tvorbou menej stabilného izoméru.

Fluorescenčný proces je charakterizovaný dvoma druhmi spektra - excitačným (ab-sorpčným) a fluorescenčným spektrom. Fluorescenčné spektrum je závislosť žiarivého toku fluorescencie od vlnovej dĺžky, resp. frekvencie či vlnočtu emitovaného fluorescenčného žiare-nia. Je jednou z fyzikálnych charakteristík danej látky a je dôležité z hľadiska kvalitatívnej charakterizácie látky. Meranie žiarivého toku emisie pri danej λ alebo aj celkovej intenzity fluo-rescencie sa využíva v kvantitatívnej analýze. Z doteraz uvedeného je zrejmé, že fluorescenčné spektrum bude posunuté v smere nižších energií ako absorpčné spektrum (obr. 40).



Obr. 40 Porovnanie absorpčného, fluorescenčného a fosforescenčného spektra.

1 - absorpčný pás, 2 - fluorescenčný emisný pás, 3 - fosforescenčný emisný pás

Fluorescenčný pás má obyčajne zrkadlovo súmerný tvar k absorpčnému pásu. Obidva

pásy sa prekrývajú, pričom tento prekryv vymedzuje 0 - 0 prechod, t.j. prechod medzi najnižšími vibračnými hladinami obidvoch elektrónových stavov (obr. 40). Určenie (teda aj energie) tohto 0 - 0 prechodu vyjadruje energetickú vzdialenosť obidvoch elektrónových stavov nekompliko-vanú vibráciami (napr. pre koreláciu optických, reakčne kinetických veličín s výsledkami kvan-tovo-chemických výpočtov alebo navzájom).

Excitačné (absorpčné) spektrum je závislosť žiarivého toku fluorescencie meranej pri λ fluorescenčného maxima od λ excitačného žiarenia.

V prípade, že molekula schopná absorbovať žiarenie, má popri základnej a vzbudenej singletovej hladine S0 a S1 ešte tripletovú hladinu T1 (obr. 39) ktorá energeticky leží medzi .singletovými hladinami a pretína hladinu S1., môže za určitých podmienok emitovať žiarenie až niekoľko sekúnd po prerušení absorpcie. Toto tzv. fosforescenčné žiarenie je dlhovlnnejšie ako absorbované, aj ako predpokladané fluorescenčné žiarenie. Pretože hladiny S1 a T1 sa pretínajú v blízkosti najnižšieho bodu hladiny S1 bezradiačný prechod na energeticky nižšie položenú hladinu T1 sa môže uskutočniť s určitou pravdepodobnosťou napriek tomu, že proces singlet-triplet je kvantovo-mechanicky zakázaný. Rozptyl vibračnej energie na molekuly, ktoré sa vy-skytujú v blízkosti uvažovanej častice, spôsobí, že po tomto bezradiačnom prechode singlet-triplet bude molekula na základnej vibračnej hladine tripletového stavu. Jej návrat do základ-ného elektrónového stavu je spojený s emisiou fosforescenčného žiarenia. Keďže preskok T1-S0 je zakázaný, bude molekula zotrvávať v stave T1 relatívne dlhý čas. Preto aj fosforescencia bude prebiehať s pomerne malou účinnosťou - molekula v stave T1 je dlhý čas vystavená mož-nosti bezradiačne stratiť aj zvyšok svojej energie a dostať sa tak do základného elektronového stavu S0 (obr. 39b - proces D). Účinnosť fosforescencie sa zvýši znížením teploty a zvýšením viskozity prostredia (rozpúšťadla). Na jej efektívne zvýšenie sa používajú tzv. rigidné rozpúšťadlá (napr. rozpúšťadlo EPA je zmes éteru, izo-pentánu a etanolu v objemovom pomere 5 : 5 : 2). Roztok vzorky po schladení na teplotu kvapalného dusíka dáva sklovitú látku, ktorá sa analyzuje.

Dôležitou kvalitatívnou charakteristikou fosforescenčného spektra je stredný čas života molekuly v tripletovom stave. Je to čas potrebný na pokles fosforescenčného žiarivého toku na



hodnotu (1/e) - násobku pôvodnej hodnoty. V kvapalných prostrediach nadobúda hodnoty 10-4 až 10-3 s, v rigidných 1 s a viac. Klesajúca teplota zvyšuje žiarivý tok a predlžuje stredný čas života fosforescencie.

Vzťah medzi štruktúrou a fluorescenciou

Nevyhnutnou podmienkou vzniku fluorescencie je absorpcia UV alebo VIS žiarenia. Čím je táto intenzívnejšia, tým intenzívnejšia je fluorescencia danej látky. Fluorescenciu možno predpokladať v zlúčeninách s konjugovanými dvojitými väzbami, napr. aromatické uhľovodíky. Najväčší účinok majú uhľovodíky s rigidnou (tuhou) planárnou štruktúrou. Aromatické kruhy s heteroatómami poskytujú obyčajne väčšiu fosforescenciu ako fluorescenciu. Fluorescenciu často zosilňujú určité substituenty tzv. fluorogény. K takýmto patria elektrón-donorné skupiny (napr. -OH, -NH2, -NHCH3, -N(CH3)2, -OCH3), lebo zvyšujú pravdepodobnosť prechodu medzi najnižším singletovým a základným stavom. Niektoré skupiny napr. C=O, C=NH, -CH=N- a väčší počet kondenzovaných kruhov v molekule aromatickej zlúčeniny spôsobuje červený posun fluorescenčného spektra. K absorpcii a emisii žiarenia dochádza práve na týchto chromoforoch, tzv. fluoroforoch.

Ďalšou dôležitou okolnosťou vzniku fluorescencie (prípadne pre vlnovú dĺžku maxima emisného pása) je náboj chromofora, ktorý ovplyvňuje hodnota pH prostredia. Vplyv pH môže byť výrazný lebo pri interakcii molekuly s vodíkovými iónmi sa môžu meniť náboje a rezonančné formy častíc. Napríklad anilín fluoreskuje v alkalickom prostredí vo viditeľnej oblasti, avšak jeho katión (vzniká v kyslom prostredí) je v tejto oblasti spektra neaktívny.

Významná je fluorescencia kovových komplexov organických skúmadiel. Tieto aromatické zlúčeniny s komplexotvornými vlastnosťami samé o sebe obyčajne nefluoreskujú. K fluorescencii dochádza až vznikom chelátu s kovovým iónom. Fluoreskujúce cheláty je možné využiť analyticky buď ako skúmadlá pre fluorimetrické stanovenie alebo ako fluorescenčné indikátory.

Fluorescenčné meranie komplikuje schopnosť niektorých látok zhášať fluorescenciu. Medzi také patria organické látky s voľnými elektrónmi a niektoré anorganické anióny a katióny. Medzi účinné zhášače fluorescencie z aniónov patria ióny I-, SCN- a Br-, stredne účinné sú ióny CH3COO- a SO4

2-. Ako zhášač (zhasínadlo) pôsobí tiež kyslík rozpustený vo vodnom roztoku s koncentráciou približne c = 10-3 mol⋅dm-3. Preto sa odporúča roztoky pred meraním odplyniť alebo prebublať dusíkom, resp. argónom. Komplikácie môžu zapríčiniť aj chemické reakcie, ktorým podliehajú molekuly v excitovanom stave. Tieto fotochemické reakcie môžu viesť k dimerizácii, polymerizácii, k fotolýze (hydrolýze) molekúl a pod.

Uvedené faktory, ktoré ovplyvňujú fluorescenciu možno využiť na získavanie informácií o štruktúre látok, resp. o jej zmenách v priebehu reakcií a pod.

Závislosť fluorescencie od koncentrácie a teploty

Žiarivosť toku fluorescencie ΦF sa rovná úbytku žiarivého toku vynásobenému kvantovým výťažkom fluorescencie ϕF (pomer emitovaných a absorbovaných svetelných kvánt)

ΦF = (Φ0 - Φ) ϕF (3.38)

Po dosadení za Φ z Lambert-Beerovho zákona

ΦF = k ϕ Φ0 (1 – 10-εcl) (3.39)



kde sú: k - prístrojová konštanta, ktorá zohľadňuje podmienky merania, ε - molový absorpčný koeficient pri vlnovej dĺžke excitačného žiarenia, l - hrúbka vrstvy roztoku, c - látková koncentrácia.

Po úprave výrazu 10-εcl = e-2,3 εcl rozvojom do mocninového radu možno tretí a ďalšie členy rozvoja zanedbať, potom

e-2,3 εcl = 1 - 2,3 ε⋅c⋅l (3.40)

Pri týchto podmienkach pre žiarivý tok fluorescencie platí

ΦF = k ϕ Φ0 2,3 ε⋅c l (3.41)

Pre veľmi zriedené roztoky je intenzita fluorescencie priamo úmerná koncentrácii. So vzrastajúcou koncentráciou sa závislosť ΦF = f(c) zakrivuje a blíži sa k limitnej hodnote Φ0 za predpokladu, že kvantový výťažok fluorescencie ϕF = 1. Tento predpoklad je splnený, ak je fluoreskujúca látka rozpustná vo vysoko viskóznom rozpúšťadle, kde relaxačný čas molekúl je omnoho dlhší ako čas života vzbudeného stavu. So stúpajúcou koncentráciou môže ΦF dokonca klesať v oblasti vyšších koncentrácií v dôsledku samoabsorpcie fluorescencie.

Uvedený vzťah (3.41) pre ΦF platí pre veľmi zriedené roztoky (približne 10-7 až 10-4 mol⋅ ⋅dm-3), čo svedčí o tom, že fluorimetria patri medzi najcitlivejšie fyzikálno-chemické metódy.

Podobný vzťah platí medzi fosforescenčným žiarivým tokom a koncentráciou. Kalibračné krivky však bývajú obyčajne lineárne vo väčšom rozsahu koncentrácií ako vo fluorimetrii.

Teplota ovplyvňuje fluorescenciu tak, že so zvyšovaním teploty sa znižuje žiarivý tok ΦF. Zvýšením teploty sa urýchľuje tepelný pohyb molekúl a rastie pravdepodobnosť dezaktivácie excitovaných molekúl zrážkami. Pri použití intenzívneho excitačného zdroja sa odporúča pracovať s termostatovanými kyvetami. Fosforescencia sa často študuje pri konštantnej teplote v Dewarovej nádobe naplnenej kvapalným dusíkom.

Na analytické účely sa využíva najmä oblasť lineárnej závislosti žiarivého toku fluorescencie od koncentrácie. Medzu stanoviteľnosti metódy možno znižovať zvyšovaním citlivosti s použitím vyšších hodnôt žiarivého toku budiaceho zdroja ΦF. Limitom pre fluorimetrické stanovenie nízkych koncentrácií býva fluorescencia slepého pokusu, šum elektrického obvodu detektora, prípadne fotochemická reakcia. Medza stanoviteľnosti je najmenej o dva poriadky nižšia ako pri absorpčnej fotometrii.

Prístrojové vybavenie

Prístroje, ktoré sa používajú na meranie, sa konštruujú so zreteľom na požiadavky analýzy. Pri jednoduchších sa fluorescencia pozoruje okom. Filtrové fluorimetre (obr. 41) používajú ako detektor fotočlánok alebo fotonásobič. Meria sa v kolmom smere na dopadajúce primárne žiarenie. Budiacim zdrojom býva obyčajne ortuťová výbojka. Z jej čiarového spektra sa primárnym filtrom (úzkopásovým) vyčleňuje len jedna čiara na excitáciu vzorky. Sekundárny filter sa umiestňuje pred fotodetektor a jeho úlohou je chrániť detektor pred odrazeným alebo rozptýleným budiacim žiarením. Zároveň má absorbovať najmä Ramanove čiary rozpúšťadla, ale musí prepúšťať fluorescenčné žiarenie. Vo funkcii sekundárneho filtra sa používa dlhovlnový filter s absorpčnou hranou. Takýmto fluorimetrom sa meria relatívna intenzita fluorescencie vzhľadom na zvolený štandard.

Na meranie fluorescencie sa často používajú fluorescenčné nadstavce ku komerčne vyrábaným spektrometrom, ktoré okrem zdroja budiaceho žiarenia, primárneho filtra, obsahujú



aj optiku na privedenie emitovanej fluorescencie do monochromátora spektrometra. Na druhej strane, komerčné spektrometre využívajú svoj vlastný zdroj monochromatického žiarenia na budenie a fluorescenčné žiarenie zo vzorky privádzajú na fotodetektor bez monochromácie. Umožňujú tak získať také excitačné spektrum, na ktorom sa znázorňuje celková intenzita fluorescencie od vlnovej dĺžky budiaceho žiarenia.

Obr. 41 Schéma filtrového fluorimetra

Z - budiaci zdroj, PF - primárny filter, SF - sekundárny filter, E - excitačné žiarenie, F -fluorescenčné žiarenia, FD - fotodetektor, M - merací prístroj, V - vzorka

Fluorescenčný spektrometer má dva monochromátory - jeden na získavanie monochro-

matického excitačného žiarenia a druhý na analýzu fluorescenčného žiarenia. Pretože na vzorku po monochromácii dopadá len malý zlomok z celkovej energie zdroja, vyžaduje sa intenzívny zdroj spojitého spektra a musia mať zabudovaný citlivý detektor emitovaného žiarenia - najčastejšie fotonásobič. Fluorescenčné spektrometre s konštantnou šírkou štrbiny dávajú zdanlivé fluorescenčné spektrá, ktoré často postačujú na bežnú prácu. Pri veľmi presných meraniach treba zdanlivé spektrá korigovať na frekvenčné zmeny citlivosti fotonásobiča, zmeny spektrálnej šírky monochromátora a pod. Kvalitné, komerčne vyrábané prístroje vykonávajú tieto korekcie automaticky a zaznamenávajú pravé fluorescenčné spektrum.

Väčšina látok, ktoré fosforeskujú, súčasne i fluoreskujú. Na meranie intenzity fosforescencie je preto potrebné použiť zariadenie, ktorým možno tieto dva javy rozlíšiť. Toto je možné pomocou fosforoskopu, ktorý sa ako adaptér pripája k spektrofluorimetru. Fosforescenčný spektrofotometer má pripojené rotačné zariadenie, ktoré zabezpečuje striedavé osvetľovanie vzorky budiacim žiarením a jej zatemňovanie. V časových intervaloch, keď sa vzorka neosvetľuje, vedie sa emitované žiarenie po monochromácii na fotodetektor. Vzorka je v kremennej mikrokyvete, ktorá je ponorená do kremennej valcovej nádoby naplnenej kvapalným dusíkom. Táto nádobka s kyvetou je ponorená do rotujúceho plášťa. Z frekvencie otáčania a geometrie usporiadania možno zistiť dobu trvania fosforescencie v rozmedzí 1 až 10-4 s. Prístroj umožňuje rozlišovať látky podľa vlnových dĺžok fosforescenčného žiarenia alebo podľa doby trvania fosforescencie. Na porovnanie intenzít a doby trvania fosforescencie sa používa štandardný roztok fenantrénu v zmesi metylcyklohexánu a i-pentánu (1 : 6). Priebeh vyhasínania možno sledovať rýchlym zapisovačom (keď je dosvit τ > 1 s), pre nižšie hodnoty je potrebné použiť osciloskop.



Využitie

V analytickej praxi sa uplatnila najmä fluorimetria. Fosforimetria má vzhľadom na náročnú prístrojovú techniku doteraz menšie uplatnenie.

Fluorescenčné excitačné a najmä emisné spektrá sú vhodné na identifikáciu látok a na riešenie otázok štruktúry organických molekúl v excitovanom stave. Emisné spektrá v niekto-rých prípadoch pomáhajú rozlíšiť priestorové, resp. polohové izoméry. Typické látky, ktoré prejavujú fluorescenciu vo viditeľnej oblasti možno rozdeliť do dvoch skupín. Do prvej patria tuhé anorganické látky, napr. minerál fluorit, sulfid zinočnatý a mnoho polovodičov (tzv. luminoforov). Do druhej skupiny sa zaraďujú organické a organokovové molekuly so systémom konjugovaných dvojitých väzieb. Tak možno rozlíšiť napr. 1-nitronaftalén od 2-nitronaftalénu, dokázať tryptofán vedľa dvadsiatich iných aminokyselín. Podľa spektier je možno určiť rad kancerogénnych polykondenzovaných uhľovodíkov.

Hlavné ťažisko využitia fluorescencie a fosforescencie je v kvantitatívnej analýze. Najväčšou prednosťou fluorimetrie je jej vysoká citlivosť, ktorá je v priemere o 2 až 4 poriadky vyššia v absorpčnej spektrofotometrii. Je to spôsobené v prvom rade tým, že koncentrácia je priamoúmerná meranému signálu, zatiaľ čo pri absorpcii sa meria rozdiel dvoch veľkých signálov. Vysoká selektivita je zase v dôsledku toho, že budiace žiarenie absorbuje v analyzovanej zmesi iba obmedzený počet látok, z ktorých len niektoré fosforeskujú. Z týchto látok iba malé množstvo bude emitovať žiarenie rovnakej vlnovej dĺžky, čo možno využiť najmä pri práci so spektrofluorimetrom s dvoma monochromátormi.

Nevýhodou fluorimetrie je závislosť signálu od typu prístroja, od prítomnosti vedľajších látok v matrici vzorky, od teploty a druhu rozpúšťadla. Z týchto dôvodov sa nedajú porovnávať hodnoty signálov získané pri rôznych experimentálnych podmienkach. Preto pri stanoveniach je potrebné zostrojiť individuálnu kalibračnú krivku na základe matrice vzorky, alebo pracovať metódou štandardných prídavkov. Fluorimetrické stanovenia môžu byť priame a nepriame. Pri priamej fluorimetrii sa meria fluorescencia analyzovanej látky. Táto metóda sa najviac aplikuje v stopovej analýze najmä v biochémii, v medicíne, v petrochémii, v analýze polymérov, liečiv a inde. Príkladom môže byť stanovenie vitamínov (riboflavínu, tiamínu, vitamínu A), adrenalínu, porfyrínov, žlčových kyselín, atď. Z anorganických látok sa stanovuje napr. urán vo forme fluoridového skla (5 ng U⋅g-1 vzorky).

Nepriama metóda predpokladá premenu látky na fluoreskujúcu zlúčeninu. Využíva sa najmä v stopovej analýze katiónov kovov, ktoré sa premieňajú na fluoreskujúce cheláty, ako napr. stanovenie vanádu po reakcii s kyselinou benzoovou, stanovenie Al a Be po reakcii s morínom a pod.

Z uvedeného plynie, že fluorimetrické metódy sa významne podieľajú pri analýze stopo-vých prvkov, polymérov, v petrochémii, farmácii, biochémii, medicíne, analýze potravín, vôd a ovzdušia.



3.9. INFRAČERVENÁ SPEKTROMETRIA

Infračervená spektrometria (IR) je založená na absorpcii elektromagnetického žiarenia vlnočtu 10 až 12 000 cm-1 vzorkou. Energia tohto žiarenia je dostatočná na to, aby molekuly pri absorpcii zmenili svoj rotačný, či vibračný stav. Táto zmena sa môže uskutočniť iba prechodom medzi dvoma stavmi, ktoré charakterizujú rôzne vibračné, resp. rotačné čísla. IR spektrum sa rozdeľuje na tri oblasti :

• blízka - od 4 000 do 12 000 cm-1 • stredná - od 400 do 4 000 cm-1 • ďaleká - od 10 do 400 cm-1 V analytickej chémii sa využívajú najmä vibračné, resp. vibračno-rotačné spektrá,

ktorých základné - dovolené prechody patria do strednej, a vyššie harmonické do blízkej IR oblasti. Čisto rotačné prechody sa pozorujú v ďalekej IR oblasti, ktorá sa v analytickej chémii využíva menej pre inštrumentálnu náročnosť. Vibračný, resp. vibračno-rotačný prechod je vyvolaný absorpciou príslušného kvanta IR žiarenia molekulou a v IR spektre sa prejaví ako absorpčný pás, definovaný vlnočtom absorpčného maxima, šírkou (pološírkou) pása a intenzitou absorpcie, vyjadrenou absorbanciou alebo transmitanciou.

Vibrácia dvojatómových molekúl

Vibráciu dvojatómovej molekuly možno znázorniť pohybom dvoch guľôčok s hmotnosťou m1 a m2, ktoré sú spojené pružinou (obr. 42). Vzdialenosť ťažísk guľôčok sa rovná dĺžke väzby v rovnovážnom stave r0.

Obr. 42 Znázornenie vibrácie dvojatómovej molekuly o hmotnosti atómov m1 a m2

Natiahnutím pružiny sa zväčší vzdialenosť r0 na r a na guľôčky pôsobí sila F, ktorá ich vracia do pôvodnej rovnovážnej polohy

F = k (r - r0) = k x (3.42)

kde k je silová konštanta, x - je výchylka atómov z rovnovážnej vzdialenosti r0. Vplyvom získanej kinetickej energie sa budú guľôčky pohybovať ďalej, prekročia

rovnovážnu polohu (stlačia pružinu). Tlak pružiny sa bude snažiť vrátiť guľôčky znovu do



rovnovážnej polohy. Tieto deje sa budú periodicky opakovať a dvojatómová molekula bude vykonávať kmitavý, vibračný pohyb, ktorý možno opísať rovnicou

x = x0 sin 2πνt (3.43)

kde ν je frekvencia vibračného pohybu, t - čas, x0 - amplitúda vibrácie. Frekvencia vibračného pohybu závisí od pevnosti väzby medzi vibrujúcimi atómami

(silovej konštanty k) a od ich redukovanej hmotnosti μ

1 2

kνπ μ

= (3.44)

1 2

1 2

m mm m

μ =+

(3.45)

Potenciálnu energiu harmonického oscilátora v závislosti od medzijadrovej vzdialenosti vyjadruje potenciálová krivka (obr. 43). Vibračná energia molekuly môže nadobúdať iba určité diskrétne hodnoty, molekula môže byť iba v určitých energetických stavoch definovaná vibračným kvantovým číslom ν, ktoré môže nadobúdať iba celočíselné hodnoty (0, 1, 2 ...).

v v1 2

E hν ν⎛= +⎜⎝ ⎠

⎞⎟ (3.46)

Kvantová mechanika odvodila, že v prípade platnosti harmonickej aproximácie, je vibračný prechod spojený s absorpciou alebo emisiou energie iba medzi susednými energetickými hladinami, dovolená zmena vibračného kvantového čísla Δν = ±1. Skutočná molekula sa nespráva ako harmonický oscilátor. Medzijadrovú vzdialenosť medzi dvoma atómami nemožno zväčšovať do nekonečna, ako predpokladá potenciálna krivka harmonického oscilátora, ale po dosiahnutí disociačnej energie dôjde k roztrhnutiu väzby. Potenciálová krivka nemá symetrický tvar a rozdiely medzi jednotlivými vibračnými stavmi nie sú ekvidištantné - rovnaké (obr. 43).

Obr. 43 Potenciálová krivka harmonického (A) a anharmonického (B) oscilátora

ν - vibračné hladiny



V anharmonickom oscilátore okrem dovoleného prechodu medzi susednými energetic-kými hladinami môžu prebiehať (s menšou pravdepodobnosťou) aj prechody náročnejšie s násobnými vlnočtami zmenou vibračného kvantového čísla viac ako o jednotku. Tieto vyššie harmonické prechody - overtóny sú však kvantovo mechanicky zakázané. Ich pravdepodobnosť klesá so zvyšujúcou sa hodnotou energetického kvanta potrebného na prechod a v nameranom spektre sa prejavia ako stredne, resp. málo intenzívne absorpčné pásy. Pravdepodobnosť základných prechodov je relatívne najväčšia, čo sa prejaví na spektre intenzívnymi absorpčnými pásmi.

Ďalšou nevyhnutnou podmienkou je, že vnútorná energia molekuly sa môže zvýšiť absorpciou elektromagnetického žiarenia iba vtedy, ak súčasne dochádza k zmene vektora elektrického momentu dipólu molekuly. K zmene vibračného stavu molekuly môže dôjsť iba vtedy, ak sa zároveň mení jej dipólový moment. Táto podmienka musí byť splnená, aby vibrácia molekuly bola aktívna v IR spektre. Platí pre všetky druhy molekúl. Preto napr. dvojatómové homonukleárne molekuly, ktoré majú vo všetkých vibračných stavoch nulový dipólový moment, neabsorbujú IR žiarenie (N2, O2, H2, He, Ne).

Vibrácia polyatómových molekúl

Polyatómovú molekulu si možno predstaviť ako sústavu hmotných bodov - atómov viazaných medzi sebou určitými silami - väzbami. Polohu hmotného bodu v priestore možno opísať súradnicami troch priestorových osí (x, y, z). Každý hmotný bod má 3 stupne voľnosti. Systém N hmotných bodov (polyatómová molekula) bude mať 3N stupňov voľnosti.

Pohyb atómov v molekule možno všeobecne opísať ako súbor vibrácií jednotlivých oscilátorov molekuly. Pohyb polyatómov molekuly možno vyjadriť ako súčet normálnych vibrácií. Z celkového počtu 3N stupňov voľnosti v prípade lineárnej molekuly pripadá na vibračné pohyby 3N - 5 a pre nelineárnu molekulu 3N - 6 stupňov voľnosti. Je to preto, že 3 stupne voľnosti treba odčítať pre translačný pohyb (molekula ako celok sa môže pohybovať v priestore v troch smeroch). Pre nelineárnu molekulu treba odčítať ďalšie 3 stupne voľnosti pre rotačný pohyb pozdĺž troch súradníc a pre lineárnu molekulu iba 2 stupne voľnosti pre rotačný pohyb, lebo táto molekula môže byť umiestnená pozdĺž jednej zo súradnicových osí a rotácia okolo tejto osi (totožnej s pozdĺžnou osou molekuly) sa nepočíta do stupňov voľnosti. Podľa uvedeného má lineárna molekula CO2 štyri vibračné módy a nelineárna H2O iba 3 vibračné módy (obr. 44).

Ako bolo uvedené, vibrácie dvojatómových molekúl prebiehajú približovaním a vzďaľovaním obidvoch atómov pozdĺž ich spojnice, ktorá je reprezentovaná chemickou väzbou. Tento typ sa nazýva valenčná vibrácia ν. Valenčné vibrácie viac - atómových molekúl sú dvojaké: symetrické a asymetrické. V symetrických vibráciách νs sa väzba medzi atómami striedavo rovnomerne skracuje alebo predlžuje, zatiaľ čo v asymetrických vibráciách νas je vždy jedna zo vzdialeností medzi atómami kratšia ako druhá, ale valenčné uhly sa zachovávajú, (pozri obr. 44). Vibrácie, pri ktorých je dĺžka vždy konštantná, ale mení sa veľkosť valenčných uhlov sú tzv. deformačné vibrácie δ. Tieto môžu prebiehať v rovine alebo mimo roviny. Znamienka + a - značia výchylky nad a pod rovinou. Tie vibrácie, ktoré sa líšia iba tým, že sa uskutočňujú vo dvoch na seba kolmých rovinách, majú rovnakú frekvenciu, označujú sa ako degenerované.

Vibračný mód sa môže v spektre prejaviť ako základný - fundamentálny absorpčný pás a prináleží mu fundamentálna frekvencia (vlnočet). To znamená, že nie všetky vibračné módy



sa prejavujú ako absorpčné pásy v IR spektre. Počet fundamentálnych absorpčných pásov je teda menší ako 3N - 6, resp. 3N - 5. Môže sa stať, že daná vibrácia nie je aktívna v IR spektre, pretože nie je splnená podmienka pravdepodobnosti prechodu, aby molekula (skupina, väzba) pri vibrácii menila dipólový moment. Dipólový moment sa môže zmeniť v molekule so stálym (permanentným) dipólovým momentom alebo i v molekule bez dipólového momentu. Príkladom vzniku dipólového momentu a jeho časových zmien je asymetrická valenčná vibrácia molekuly oxidu uhličitého, ktorý sám osebe nemá permanentný dipól. Pri tejto vibrácii sa periodicky mení ťažisko náboja v molekule CO2 a tým vzniká dipól. Zatiaľ, čo asymetrická vibrácia je v IR spektrometru aktívna, symetrická vibrácia CO2 je neaktívna a nedochádza k absorpcii žiarenia v IR oblasti. Počet pásov zmenšuje degeneráciu vibrácií, t.j. vibrácií, ktoré majú rovnakú energiu. Príkladom sú deformačné vibrácie CO2. Deformačné vibrácie sú spojené so zmenou dipólového momentu, a preto sú v IR spektre aktívne.

Obr. 44 Normálne vibračné módy molekuly oxidu uhličitého (A) a vody (B)

νs - symetrické valenčné vibrácie, νas - asymetrické valenčné vibrácie, δ - deformačné vibrácie, znamienka v krúžku vyznačujú vibráciu nad a pod rovinou

Naopak, počet absorpčných píkov oproti už uvedenej hodnote zvyšujú vyššie harmonické vibrácie (overtóny) a tzv. kombinačné vibrácie, ktoré vznikajú interakciou dvoch vibračných módov s neveľmi odlišnou frekvenciou. Vo všeobecnosti možno povedať, že IR spektrum je pre viacatómové molekuly zložené z mnohých absorpčných píkov a jeho priradenie je pri štruktúrnej analýze pomerne zložité. Pre praktické aplikácie vibračnej spektrometrie je výhodné kombinovať IR spektrometriu s Ramanovou spektrometriou a takto možno získať úplný opis vibračných pohybov danej molekuly.

Rotačné a vibračno-rotačné spektrá

Dvojatómová molekula rotuje iba okolo osi, ktorá prechádza jej ťažiskom. Rotačný pohyb molekúl možno opísať momentom zotrvačnosti I

2 i ii

I m= ∑ r (3.47)

kde mi je hmotnosť i-teho atómu, ri - vzdialenosť príslušného atómu od ťažiska.



Podľa kvantovej mechaniky riešením Schrödingerovej rovnice pre rotačný pohyb vy-plýva, že moment hybnosti P je kvantovaný podľa vzťahu

( 1) P J J= + ( čítaj “há trans“) (3.48)

kde J je rotačné kvantové číslo a môže nadobúdať hodnoty: J = 0, 1, 2, 3, ..., =h/2π Rotačná energia Er dvojatómovej molekuly v prvom priblížení je daná rovnicou

2

2 8rhE

IJ

π= (3.49)

Pri prechodoch medzi rotačnými energetickými hladinami platí výberové pravidlo, podľa ktorého sú dovolené prechody iba medzi susednými energetickými hladinami, teda ΔJ = ±1 a dochádza pri nich k zmene permanentného dipólového momentu. Medzi vibračnými a rotačnými prechodmi je podstatný rozdiel v tom, že v anharmonickom oscilátori so stúpajúcou energiou rozdiely medzi jednotlivými vibračnými stavmi klesajú, kým pri rotačných stavoch stúpajú. Rotačné spektrá sa nachádzajú v ďalekej IR oblasti, prípadne až v mikrovlnovej oblasti. Ak sa zmení vibračný aj rotačný kvantový stav, vzniká vibračno-rotačné spektrum, ktoré leží v strednej IR oblasti. Každý vibračno-rotačný pás sa skladá z určitého počtu blízkych čiar. Vzdialenosť vibračných energetických hladín je oveľa väčšia ako vzdialenosť rotačných hladín. Pri vibračno-rotačných zmenách je celková energia Evr súčtom vibračnej Ev a rotačnej energie Er.

Podľa výberového pravidla sú dovolené prechody, pri ktorých sa vibračné kvantové číslo zmení o jednotku Δν = ±1 a pre rotačné zmeny pre dovolené prechody platí ΔJ = ±1. Vibračno-rotačné spektrum sa bude skladať z dvoch sérií čiar P-vetvy a R-vetvy po obidvoch stranách základného vlnočtu Q (čistého vibračného prechodu s ΔJ = 0). Vetva R je spojená s prechodom ΔJ = +1 a je od Q posunutá k nižším vlnočtom. Vetva P s prechodmi ΔJ = -1 je zase posunutá k vyšším vlnočtom. Obidve sú kvantovo - mechanicky povolené a v IR spektre získanom na spektrometri s vysokým rozlíšením sa prejavia jemnou rotačnou štruktúrou. Intenzita absorpcie spojenej s jednotlivými prechodmi súvisí s distribúciou molekúl do jednotlivých rotačných hladín pri teplote snímania IR spektra. Rotačná jemná štruktúra býva silno potlačená v spektrách roztokov, pretože v kondenzovanej fáze pri rotácii naráža molekula na okolité molekuly. Preto pri kvapalinách a tuhých látkach sa nerozlíši jemná rotačná štruktúra a v spektre sa zaznamená iba obalová krivka vibračno-rotačného pása.

Príprava vzoriek

Infračervené spektrá možno merať pre látky všetkých troch skupenstiev (plynné, kvapalné i tuhé) v substancii, v roztoku alebo v zmesi. Látky môžu byť anorganického i organického pôvodu.

Pri skúmaní plynov sa používajú valcové kyvety s dĺžkou 10 cm, ktoré sa po evakuovaní plnia plynom na tlak poriadkové 104 Pa. Na stanovenie nízkych koncentrácií zložiek v analyzovanom plyne sa používajú špeciálne kyvety s mnohonásobným prechodom žiarenia, kedy dráha lúčov dosahuje až desiatky metrov.

Kvapaliny sa skúmajú buď v čistej forme, alebo v roztokoch. Čisté kvapaliny sa merajú vo veľmi tenkej vrstve 0,005 až 0,02 mm. Pre prchavé kvapaliny treba použiť nerozoberateľné kyvety, ktoré dobre tesnia. Málo prchavé kvapaliny možno merať v rozoberateľných kyvetách.

Na okienka kyviet sa používa chlorid sodný, ktorý prepúšťa žiarenie v rozsahu 4000 až 650 cm-1. Pre nižšie vlnočty možno použiť KBr (prepúšťa až do 350 cm-1). Z materiálov



odolných voči vode sa používa CaF2, AgCl a KRS 5 (zmesný kryštál TIBr a TlI). Pri meraní agresívnych látok sa používajú doštičky potiahnuté tenkou vrstvičkou materiálu, ktorý v danej oblasti neabsorbuje, napr. z fluorovaných polymérov, polyetylénu, alebo naparovaním vrstvičky selénu.

Roztoky sa merajú v kyvetách hrúbky 0,1 až 1 mm, podľa možnosti s meniteľnou hrúbkou vrstvy, ktorá sa môže upraviť tak, aby transmitancia ležala v rozsahu optimálnej presnosti merania. V bežných meraniach býva koncentrácia vzorky okolo 5 %, čo zodpovedá hmotnosti 1 až 10 mg látky. Táto relatívne vysoká koncentrácia je určená malými absorbtivitami (molovými absorpčnými koeficientami), ktoré sú asi o dva poriadky menšie ako v UV/VIS oblasti. Ak treba merať nečistoty vo vzorke, musia sa voliť ešte vyššie koncentrácie.

Rozpúšťadlá, ktoré sa používajú, musia spĺňať tieto požiadavky :

o musia mať dostatočnú optickú priepustnosť v študovanom rozsahu, o nemajú výrazne ovplyvňovať tvar spektra rozpustenej látky, o nesmú reagovať so vzorkou, o musia dobre rozpúšťať všetky zložky analyzovanej vzorky, o nemajú narušovať materiál okienok.

V bežnej praxi sa odporúča používať tetrachlórmetán, chloroform a sírouhlík. Voda nie je vhodné rozpúšťadlo, lebo sama silne absorbuje a porušuje väčšinu bežne používaných okienok kyviet.

Tuhé látky možno merať vo forme tenkých vrstvičiek nanesených na doštičkách vo forme filmov (po odparení rozpúšťadla alebo po naparení tuhej látky vo vákuu). Najčastejší spôsob merania tuhých látok tzv. tabletovou technikou, pri ktorej sa skúmaná látka premieša s tuhým KBr a rozotrie v trecej miske. Vzniknutý jemnozrnný prášok sa v špeciálnom lise vylisuje na priehľadné okienko (KBr - technika). Okrem KBr sa niekedy používa KCl, CsBr, TIBr, polyetylén a adamantan. Ďalšou možnosťou merania tuhých látok je, že sa pripraví ich suspenzia v parafínovom oleji, tzv. nujole. Suspenzia sa pripraví roztieraním vzorky s olejom vo vhodnom zariadení. V posledne menovaných dvoch technikách prípravy vzorky, znižuje KBr, resp. nujol rozdiel indexu lomu medzi časticami vzorky a prostredím. Priemerná veľkosť častíc nesmie byť väčšia ako je najkratšia vlnová dĺžka použitého žiarenia.

Experimentálne zariadenie

V súčasnosti sa IR-spektrá merajú na dvojlúčových IR-spektrometroch v rozsahu 5000 až 200 cm-1. Tieto prístroje umožňujú kompenzačné meranie spektier. Základným typom dvojlúčového IR-spektrometra je rozdelenie zväzku lúčov vychádzajúcich zo zdroja na dva rovnocenné zväzky, z ktorých jeden prechádza kyvetou so vzorkou (meracou), resp. vzorkou a druhý kyvetou s rozpúšťadlom (porovnávacou), resp. štandardnou vzorkou. Principiálna schéma IR-spektrometrov je podobná ako pre UV/VIS oblasť. Základné prvky každého IR-spektrometra sú: zdroj IR-žiarenia, kyveta so vzorkou, monochromátor, detektor IR-žiarenia a registračné zariadenie. Zatiaľ, čo v UV/VIS oblasti sa vzorka vkladá až za monochromátor, aby sa zmenšil účinok žiarenia na vzorku, v IR-spektrometrii je vzorka umiestnená pred monochromátorom. Monochromátor potom rozkladá žiarenie, ktoré prešlo vzorkou (kyvetou) skôr, ako vstúpi do detektora.



Ako zdroj žiarenia sa používa Globar. Je to tyčinka z karbidu kremíka (dlhá 6 až 8 cm s priemerom asi 5 mm) vyhrievaná elektrickým prúdom na teplotu 1400 °C. Iným zdrojom je Nernstov horák, čo je tyčinka vyrobená zo zmesi oxidov zirkónia, ytria a tória žeravená na 2000 °C. Medzi lacnejšie zdroje patrí elektricky rozžeravená špirála z Ni - Cr drôtu. Taktiež možno použiť Rh - drôt, ktorým sa vyhrieva oxid hlinitý a tento je potom vlastným žiaričom.

Na rozloženie žiarenia po prechode vzorkou sa v súčasnosti používajú disperzné mriež-kové monochromátory a interferometre. Keďže jedna mriežka nemôže ako disperzný prvok po-kryť s vynikajúcimi vlastnosťami celú oblasť vlnočtov, v praxi sa používajú monochromátory s viacerými mriežkami, ktoré vo vyžadovaných optických vlastnostiach pokrývajú celú spektrálnu oblasť spektrometra. Mechanika monochromátora automaticky mení jednotlivé mriežky pre príslušné oblasti monochromátora počas registrácie spektra. Mriežkové monochromátory oproti starším, hranolovým majú väčšiu rozlišovaciu schopnosť, menšiu teplotnú závislosť a sú odol-nejšie proti atmosférickej vlhkosti. Šírka výstupnej štrbiny je riadená automaticky podľa vopred určeného programu tak, aby vystupujúca energia IR-žiarenia bola v širokom rozsahu spektra konštantná. Iným typom IR-spektrometra je prístroj, ktorý pracuje na princípe interferometra. Získaný záznam - interferogram je potrebné premeniť na tvar normálneho absorpčného spektra matematickou cestou pomocou Fourierovej transformácie s použitím počítača. Spektrometre FTIR majú v porovnaní s mriežkovým IR-spektrometrami väčšiu rozlišovaciu schopnosť a oveľa menšie straty energie žiarenia.

Ako detektory žiarenia v IR - spektrometroch sa používajú vákuové fotočlánky, ktoré pracujú ako termoelektrické články. Tieto sú založené na vzniku termoelektrického napätia na spoji dvoch vodičov pri dopade IR žiarenia. Ďalším typom detektorov sú bolometre -termoodpory, pri ktorých sa odpor mení s ich teplotou. Najpoužívanejší bolometer je TGS detektor, ktorý má aktívnu detekčnú látku triglycínsulfát. V niektorých prístrojoch sa používajú pneumatické detektory, z ktorých najznámejší je Golayov detektor. Podstatou týchto detektorov je komôrka naplnená plynom a uzavretá membránou. Zmena polohy membrány (v dôsledku tepelnej expanzie plynu) sa optoelektricky spracúva a zaznamenáva ako detekčný signál.

Intenzita absorpcie sa riadi Lambert-Beerovým zákonom. Z hľadiska obťažnosti referencie podmienok merania intenzít absorpčných pásov v IR - spektrách sa väčšinou charakterizujú intenzity pásov informačnými údajmi:

silné pásy T ≥ 80 % (s) strog

stredné pásy T = 40 až 60 % (m) medium slabé pásy T < 40 % (w) weak

V tabuľkách a diagramoch IR maxím sa často pri jednotlivých vlnočtoch udáva aj označenie intenzity (s, m, w). Pás, ktorý tvorí rameno intenzívnejšieho pása, sa označuje symbolom sh (shoulder). Vo väčšine spektier sa intenzita absorpcie vyjadruje pomocou priepustnosti T (%), absorbancia A sa používa zriedkavejšie.

Využitie IR-spektrometrie v analytickej chémii

IR-spektrá obsahujú množstvo absorpčných pásov, ktoré prislúchajú jednotlivým väzbám a skupinám atómov. Hlavnou úlohou IR-spektier je identifikácia neznámych zlúčenín. IR - spektrometria sa využíva aj v kvantitatívnej analýze.



Na základe absorpcie v istej oblasti spektra možno teda určiť prítomnosť funkčnej sku-piny. Ovplyvnenie vibrácií skupín zvyškom molekuly prepožičiava spektru chemickej zlúčeniny pečať individuálnosti, čo sa využíva pri identifikácii látok. Základom kvalitatívnej interpretácie IR - spektier je priradenie jednotlivých absorpčných pásov charakteristickým vibráciám molekuly. Z IR - spektra sa dajú získať informácie o atómových charakteristických skupinách v molekule a tiež o usporiadaní týchto skupín v skelete molekuly (obr. 45).

Obr. 45 Oblasti infračerveného spektra

Pri rozbore IR-spektra sa obyčajne postupuje tak, že sa najprv priradia absorpčné pásy

charakteristickým skupinám. Tieto sa nachádzajú prevažne v oblasti vyšších vlnočtov (4000 až 1300 cm-1) a patria najmä valenčným vibráciám molekuly. Potom sa rieši oblasť nižších vlnočtov, ktoré sa označujú ako oblasť "odtlačkov prstov" (finger print). V tejto oblasti ležia ab-sorpčné pásy, ktoré identifikujú každú molekulu ako chemické indivíduum (1300 až 650 cm-1). V tejto oblasti sa vyskytujú valenčné a deformačné vibrácie polyatómového skeletálneho systému. Typ spektra v tejto oblasti dovoľuje rozoznať alifatický reťazec, alebo typ substitúcie na aromatickom kruhu a pod. Každá zmena v štruktúre molekuly má veľký vplyv na absorpciu v tejto oblasti, čo sa prejavuje tým, že žiadne dve molekuly sa nezhodujú v spektre.

Pri vlastnej interpretácii spektra sa postupuje takto :

1. Porovnávaním experimentálneho spektrá s negatívnym diagramom sa vylúči prítom-nosť určitých charakteristických skupín

2. Pre identifikované skupiny sa určí ich postavenie v molekule porovnávaním namera-ných hodnôt s podrobnejšími tabuľkami.

3. Na základe informácie o atómových skupinách prítomných v molekule a v porovnaní s ostatnými informáciami (napr. s molovou hmotnosťou, výsledkami elementárnej analýzy, retenčnými údajmi a pod.) sa priradia skeletálne vibrácie molekúl.



4. Porovnaním s tabelovaným, resp. atlasovým (referenčným) spektrom sa potvrdí identifikácia molekuly. Pri tomto porovnaní sa často uplatňuje pomoc počítača, ktorý experimentálne spektrum hodnotí so spektrami možných zlúčenín uloženými v periférnej pamäti.

Identifikácia pomocou IR spektra sa okrem organických zlúčenín využíva aj pri anorganických látkach (najmä v komplexných zlúčeninách).

I napriek tomu, že IR spektrum obsahuje značný počet informácií o štruktúre molekúl, niekedy nedáva jednoznačné riešenie daného problému. V takomto prípade sa výsledky IR spektrometrie konfrontujú s výsledkami ďalších metód, najmä s NMR, UV/VIS, hmotnostnou a Ramanovou spektrometriou.

Ako analytická metóda má IR spektrometria uplatnenie aj pri sledovaní rovnovážnych dejov, asociačných, či disociačných rovnováh, pri štúdiu reakčnej kinetiky pri zisťovaní niektorých fyzikálnych, ale najmä termodynamických veličín chemických reakcií. V ostatných rokoch sa často používa ako analytická koncovka separačných metód (plynová a kvapalinová chromatografia).

IR spektrometriu možno využiť aj v kvantitatívnej analýze, pretože pre absorpciu IR žiarenia platí Lambert-Beerov zákon. Analýzu možno vykonať, ak je známy ε a hrúbka kyvety, pričom sa volí taká frekvencia žiarenia, kde analyzovaná zložka silno absorbuje a sprievodné látky slabo alebo vôbec nie. Určité komplikácie v súvislosti s platnosťou Lambert-Beerovho zákona môžu zapríčiniť: nezanedbateľný rozptyl svetla alebo nedostatočná monochromatickosť. Ďalším komplikujúcim faktorom je zmena výšky pása v absorpčnom maxime v závislosti od šírky štrbiny spektrometra. Správnejšie je preto pri kvantitatívnom vyhodnotení IR spektra pou-žiť tzv. integrálnu absorbanciu, resp. intenzitu, ktorá je úmerná ploche absorpčného pása. Charakteristickým rysom IR spektra je, že jeho absorpčné pásy sú relatívne úzke. To je určitá výhoda pre analýzu zmesí, lebo v spektre možno nájsť relatívne dobre izolované absorpčné pásy jednotlivých zložiek zmesí a tak ich stanoviť vedia seba.

Z metód kvantitatívnej IR spektrometrie sa najviac používa metóda základnej línie a diferenčná metóda. Pri metóde základnej čiary (base line) sa urobí dotyčnica, ktorá spája základne daného absorpčného pása. Väčšinou sa nepozná absorpčný koeficient stanovovanej látky a preto sa zmeria jej spektrum pri známej koncentrácii (pri rovnakých experimentálnych podmienkach) a meranie sa vyhodnotí spoločne so spektrom vzorky. Pri sériových analýzach je vhodné pracovať metódou kalibračnej krivky. Pri diferenčnej metóde sa vychádza z diferenčného spektra, ktoré sa získa premeraním vzorky (roztoku) proti porovnávaciemu štandardnému roztoku so známou koncentráciou meranej látky. Koncentrácia štandardu sa volí o niečo menšia ako je predpokladaná koncentrácia látky vo vzorke. Výsledná absorbancia meranej látky sa rovná súčtu absorbancie diferenčného spektra a absorbancie použitého štandardu. Výhodou tejto metódy je eliminácia určenia základnej línie absorpčného pása, nevýhodou však je zložitá príprava porovnávacieho štandardu.

Z analytických aplikácií možno poukázať na využitie IR analyzátorov pre automatickú analytickú kontrolu, predovšetkým niektorých plynných škodlivín v ovzduší.



3.10. RAMANOVA SPEKTROMETRIA Ramanova spektrometria je založená na kombinačnom rozptyle UV, resp. VIS žiarenia a poskytuje informácie o vibračno-rotačných a rotačných stavoch molekuly. Ramanovo spektrum sa využíva na charakterizáciu analyzovanej zložky a štruktúrnu analýzu. Možno ju aplikovať aj v kvantitatívnej analýze, ktorá je založená na priamej úmernosti žiarivého toku od koncentrácie.

Podstata Ramanovho žiarenia

Pri dopade intenzívneho monochromatického žiarenia na vzorku vzniká žiarenie, ktoré sa šíri všetkými smermi. V tomto žiarení možno nájsť vlnové dĺžky dopadajúceho (excitačného) žiarenia a veľmi slabé žiarenie s dlhšími a kratšími vlnovými dĺžkami. Toto rozptýlené žiarenie sa podľa jeho objaviteľa nazýva Ramanovo žiarenie.

Rozptýlené žiarenie rovnakej vlnovej dfžky patrí pružným (elastickým) zrážkam fotónu s molekulou a je známe ako Rayleighov rozptyl. Ramanovo žiarenie vzniká pri nepružných zráž-kach molekúl s fotónmi, kedy molekuly fotónu odovzdávajú, alebo od neho prijímajú energiu. Táto energia je kvantovaná a v molekule spôsobuje zmenu rotačného alebo vibračného stavu. Tieto rozptýlené fotóny pri neelastických (nepružných) zrážkach tvoria podstatu Ramanovho žiarenia. Výmenu energie medzi fotónmi a molekulou možno vidieť na obr. 46. Molekula sa zrážkou s fotónom energie hν0 dostáva do tzv. virtuálneho (metastabilného, kváziexcitovaného) stavu. Pritom nemusí ísť o prechod na stacionárnu elektrónovú hladinu, do akej sa molekula dostáva pri absorpcii fotónu. Tento stav je nestabilný a okamžite sa uvoľní fotón. Na obr. 46 vidieť, že okrem Rayleighovho rozptylu (naznačený prerušovanými čiarami), pri ktorom má roz-ptýlený fotón nezmenenú energiu hν0 sa môže molekula pri zrážke dostať na vyššiu vibračnú hladinu v = 1 a rozptýlený fotón má energiu zníženú o rozdiel energií vibračných hladín v = 1 a v = 0. V takomto prípade ide o tzv. Stokesov pík. S určitou pravdepodobnosťou nastáva aj nepružná zrážka molekuly, ktorá je v základnom elektrónovom stave vo vyššej vibračnej hladine v = 1. Pritom molekula odovzdá energiu hνv rozptýlenému fotónu a dostane sa do základného stavu na vibračnú hladinu v = 0. Energeticky obohatený fotón je podstatou tzv. anti-Stokeso-vých píkov. Táto interakcia je pri laboratórnej teplote menej častá, pretože väčšina molekúl sa nachádza v základnom vibračnom stave v = 0.

Rozdiely frekvencie rozptýleného žiarenia oproti frekvencii excitačného (primárneho) žiarenia Δν = ν0 ± ν sa označujú ako Ramanov posun a informujú o energetickej vzdialenosti vibračných hladín. Hodnota Ramanovho posunu nezávisí od frekvencie primárneho žiarenia, ktoré prechádza vzorkou. Ramanové píky sú symetricky rozložené okolo čiary Rayleighovho rozptylu.

Intenzita Stokesových píkov (čiar) je väčšia ako anti-Stokesových. Zvyšovaním teploty vzorky stúpa intenzita anti-Stokesových čiar za súčasného klesania intenzity Stokesových čiar. Spektrum obsahuje podobne ako IR spektrum čiary s Ramanovým posunom zodpovedajúcim základným vibračným prechodom, kombinačným vibráciám i vyšším harmonickým, ktoré majú veľmi malú intenzitu.

Okrem vibračných Ramanových posunov možno pozorovať aj čisto rotačné Ramanove spektrá, ktoré poskytujú podobné informácie ako spektrá v ďalekej IR oblasti alebo mikrovlnové



spektrá. Pri rozložení rotačných energetických hladín a platnosti výberového pravidla ΔJ = ± 2 (J je rotačné kvantové číslo) prejaví sa rotačný Ramanov posun na obidve strany od čiary primárneho žiarenia, pričom intenzita čiar je rovnaká. Vyplýva to z faktu, že molekuly sú pri laboratórnej teplote po energeticky blízkych rotačných hladinách rozdelené rovnomernejšie v porovnaní s vibračnými hladinami.

Obr. 46 Ramanov kombinačný rozptyl svetla

a - vznik Stokesovej čiary, b - vznik anti-Stokesovej čiary, Ep - potenciálna energia, dX - súradnica medziatómových vzdialeností

Kým vznik IR spektier je spojený so zmenou trvalého dipólového momentu molekuly, kombinačný rozptyl je podmienený periodickými zmenami indukovaného dipólového momentu, ktorý vzniká v dôsledku zmien polarizovateľnosti (α) molekuly

( )0 rαα α ∂

= +∂ Δ

(3.50)

kde α0 je rovnovážna polarizovateľnosť väzby, Δr = r - r0 sú rozdiely medziatómových vzdiale-ností v ľúbovoľnom (r) a rovnovážnom stave molekuly (r0).

Ramanova a IR spektrometria sa v mnohých prípadoch navzájom dopĺňajú. Najmar-kantnejšie sa to prejavuje v molekulách so stredom symetrie. V Ramanovom spektre sú aktívne symetrické vibrácie a antisymetrické sú aktívne iba v IR spektre. V nesymetrických molekulách sú všetky vibrácie aktívne v IR i v Ramanovom spektre. Všeobecne platí, že najintenzívnejšie pásy v IR spektre prináležia vibráciám väzieb s trvalým dipólovým momentom a najintenzívnej-šie čiary v Ramanových spektrách vibráciám nepolárnych väzieb, pokiaľ sú tieto dobre polarizo-vateľné.



Prístroje a technika merania Ramanových spektier

Pôvodné prístroje mali valcovú kyvetu, ktorú kolmo na pozdĺžnu os ožarovali ortuťové výbojky. Dnes sa prevažne používajú lasery, ktoré sú zdrojom monochromatického, vysoko intenzívneho a koherentného žiarenia. Frekvencia žiarenia z monochromatického zdroja sa volí tak, aby meraná látka toto žiarenie neabsorbovala. Pri použití lasera sa pracuje spravidla pri jednej frekvencii. Najbežnejšie sú He - Ne lasery s vlnovou dĺžkou 632,8 nm. Táto je v časti spektra, v ktorej odpadá väčšina problémov s fluorescenciou. Bloková schéma je na obr. 47.

Obr. 47 Bloková schéma Ramanovho spektrometra

L - laser (zdroj žiarenia), V - kyveta so vzorkou, M - monochromátor, F - fotonásobič, (detektor), Z - zapisovač

Rozptýlené žiarenie sa meria pod určitým uhlom k smeru dopadajúceho žiarenia (spravidla 90°). Žiarenie zdroja, ktoré prejde cez meranú vzorku nesmie rušiť rozptýlené žiarenie. Prítomnosť fluoreskujúcich látok sťažuje detekciu.

Vo funkcii monochromátora sa využíval hranol. V súčasnosti sa používajú dvojité mriežkové monochromátory.

Ako detektor rozptýleného žiarenia sa používa fotonásobič v spojení so zapisovačom. V starších prístrojoch sa vo funkcii detektora používala fotografická doska.

Ramanove spektrometre pracujú s optikou používanou sa meranie vo viditeľnej oblasti spektra. Ako rozpúšťadlo sa výhodne používa sírouhlík, tetrachlórmetán, chloroform alebo acetonitril, ktoré musia byť vysokej čistoty. Dobre sa merajú spektrá kvapalín a kryštalických práškov. Meranie látok v plynnom skupenstve je zložitejšie, lebo treba použiť kyvety na mnohonásobný chod lúčov.

Využitie Ramanovej spektrometrie

Ramanove spektrá poskytujú v podstate rovnaký druh informácií ako IR spektrá. Existuje však skupina vibrácií, ktoré sú aktívne v Ramanových spektrách a zakázané v IR spektrách. V takomto prípade Ramanova spektrometria kompletizuje informácie o vibračnom stave molekuly získané z IR spektra. V porovnaní s IR spektrometriou má niekoľko výhod:

• množstvo vzorky na získanie Ramanovho spektra je malé (niekoľko mg až μg), • vzorku po získaní Ramanovho spektra možno použiť na iné merania, • agresívne, na vzduchu nestále kvapaliny, alebo tuhé látky možno snímať priamo v

zatavených kapilárach alebo ampuliach, • voda má veľmi slabé Ramanovo spektrum (na rozdiel od silnej absorpcie v IR oblasti)

a preto ju možno použiť ako rozpúšťadlo,



• snímanie Ramanových spektier vzoriek pri nízkych a vysokých teplotách je pomerne jednoduché,

• Ramanove spektrá polymérov možno získať z hotových výrobkov bez úpravy vzorky.

Možno ju využiť aj v kvantitatívnej analýze, kde v porovnaní s IR spektrometriou má tieto dve výhody :

• lineárna závislosť medzi intenzitou čiary a koncentráciou. V IR spektrometrii je závislosť medzi koncentráciou a tokom prejdeného žiarenia logaritmická, čo má za následok, že relatívna chyba pri stanovení koncentrácie absorpčnou metódou (IR) je väčšia ako pri emisnej Ramanovej spektrometrii,

• Ramanove spektrá sú jednoduchšie ako IR spektrá, lebo neobsahujú žiadne over-tóny, kombinačné frekvencie a pod.

V prípade, že vzorka neobsahuje príliš veľa zložiek, možno v Ramanovom spektre nájsť charakteristické čiary, ktoré nie sú narušené interferenciami.

V porovnaní s IR spektrometriou má Ramanova spektrometria menšiu citlivosť a nie je veľmi vhodná na stanovenie nízkych koncentrácií. 3.11. SPEKTROMETRIA JADROVEJ MAGNETICKEJ REZONANCIE

Pri spektrometrii jadrovej magnetickej rezonancie (označovanej často ako NMR-spek-trometria podľa anglického Nuclear Magnetic Resonance) sa meria absorpcia vysokofrekvenč-ného žiarenia vzorkou, ktorá je umiestnená v magnetickom poli. NMR-spektrum pre dané jadro sa obyčajne skladá z niekoľkých absorpčných píkov vo vysokofrekvenčnej oblasti spektra. Ich poloha (udávaná napr. frekvenciou) je charakteristická pre chemickú povahu viazaného atómu, pričom prípadný multipletový charakter rezonančného signálu informuje o okolí rezonujúceho jadra. Každé jadro atómu viazané v molekule rovnakým spôsobom (chemicky ekvivalentné jadrá) prispieva k intenzite spoločného rezonančného signálu. Meranie intenzity rezonančného signálu sa teda môže využiť na stanovenie počtu chemicky ekvivalentných jadier, a v princípe aj na kvantitatívnu analýzu. 3.11.1. Vznik rezonančných signálov

Magnetické vlastnosti jadier, dôležité na určenie podmienok rezonancie vyplývajú z ich spinu. Preto je dôležité poznať ich spinové kvantové číslo a rozloženie kladného náboja. Ak sú spiny všetkých nukleónov v jadre spárené, jadrové spinové číslo I sa rovná nule. Takéto jadro si predstavujeme s kladným nábojom rozloženým sféricky a skutočnosť, že navonok nejaví magnetické vlastnosti vysvetľujeme tak, že jadro je bez rotácie. Tento typ zahŕňa všetky jadrá s párnymi počtami protónov a neutrónov (napr. jadrá 12C, 16O, 32S). Tieto jadrá neposkytujú signál NMR, ani neinteragujú so spinom iných jadier.

Iný typ jadier je charakterizovaný jadrovým spinovým kvantovým číslom I = 1/2 a sférickým rozložením kladného náboja. K tomuto typu patria jadrá s nepárnym počtom protónov



alebo neutrónov ako napr. 1H, 3H, 13C, 15N, 19F, 31P. Tieto jadrá sa správajú tak, akoby sa náboj, rovnomerne rozložený v ich povrchu, otáčal okolo osi a vytváral magnetický moment jadra.

Ďalším typom sú jadrá, ktorých I > 1; okrem spinového magnetického momentu sa vyznačujú aj nesférickým rozložením kladného náboja. K tomuto typu patrí 2H, 14N, 17O, 33S, 35Cl a pod.

NMR-spektrometria najčastejšie študuje jadrá s I = 1/2. Informácie, ktoré poskytuje o jadre 1H, sú obzvlášť cenné pre široké zastúpenie vodíka v anorganických i organických molekulách a iónoch, ako aj preto, že informácie, ktoré o ňom poskytujú iné metódy štruktúrnej analýzy, sú menej presné. Z hľadiska analýzy štruktúry najmä organických látok významná je 13C NMR-spektroskopia.

Jadrá s nenulovým spinovým kvantovým číslom prejavujú nenulový magnetický moment M. Jadrový magnetický moment sa stáva dôležitý, keď sa látka vloží do silného homogénneho magnetického poľa s indukciou BB0, ako to zvyčajne je v NMR-spektrometrii. Pôsobením tohto vonkajšieho poľa na jadrový magnetický moment snaží sa jadro zaujať polohu s minimálnou energiou vzhľadom na vonkajšie pole.

Jadro v týchto podmienkach môže zaujať len obmedzený počet polôh vzhľadom na vonkajšie magnetické pole; tieto patria stavom s rôznou energiou - spinovým energetickým hladinám jadra. Energia hladín je úmerná indukcii magnetického poľa B

E = - Mz B (3.51)

kde konštanta úmernosti Mz je priemet magnetického momentu M do osi z rovnajúci sa γ⋅ ⋅ml (γ je jadrový gyromagnetický pomer a redukovaná Planckova konštanta). Energetické hladiny sú charakterizované magnetickými kvantovými číslami ml, ktoré môžu nadobudnúť hodnoty /, (/ - 1), (/ - 2), ..., - (l - 2), - (/ - 1), - /. Celkový počet týchto hladín sa teda rovná 2l + 1. Pre jadrá so spinovým kvantovým číslom / = 1/2 sú možné iba dve hladiny α a β (obr. 48).

Obr. 48 Spinové energetické hladiny (α, β) jadra / = 1/2 nachádzajúceho sa v magnetickom poli



Dve možné spinové energetické hladiny protónu (/ = 1/2) zodpovedajú dvom polohám jadrového magnetického momentu vzhľadom na vonkajšie pole: ml = 1/2 (nižšia energetická hladina α) a ml = - 1/2 (vyššia energetická hladina β).

Ak sa v smere osi x privádza striedavé vysokofrekvenčné žiarenie s frekvenciou ν, môže jadro prejsť z nižšej energetickej hladiny na vyššiu pohltením jeho energie, ak je splnená rezonančná podmienka

hν = ΔE

Výberové pravidlá určujú, že prechody medzi energetickými hladinami musia spĺňať podmienku Δml = ± 1. Energetický rozdiel medzi hladinami spojený s takým prechodom je

ΔE = γ B (3.52)

Rovnica (3.52) a spomenutá rezonančná podmienka určujú frekvenciu žiarenia, ktoré má byť pohltené pri prechode jadra z nižšej energetickej hladiny na vyššiu:

2Bγνπ

= (3.53)

V NMR-spektrometrii teda možno zmenou indukcie vonkajšieho magnetického poľa B meniť energetické rozdiely medzi hladinami a rezonančnú frekvenciu. Pre bežne používané indukcie magnetického poľa (1 až 3 T) ležia tieto rezonančné frekvencie vo vysokofrekvenčnej oblasti elektromagnetického žiarenia.

Indukcia magnetického poľa určuje nielen frekvenciu absorbovaného žiarenia (3.53), ale aj intenzitu absorpčného signálu. Absorpcia je tým pravdepodobnejšia, čím väčší je pomer počtu jadier na nižšej energetickej hladine (nα) k počtu jadier na vyššej energetickej hladine (nβ). Tento pomer je určovaný indukciou magnetického poľa, ktorá rozhoduje o energetickom rozdiele obidvoch hladín (3.52) tak, ako to vyplýva z Boltzmannovho vzťahu

exp n Βn kΤα

β

γ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

(3.54)

kde k je Boltzmannova konštanta, T - teplota (K). Pre hladiny protónov pri laboratórnej teplote a B = 1 T má tento pomer hodnotu

1,0000066. Ak pomer nα/nβ = 1, je absorpcia žiarenia rovnako pravdepodobná ako jeho emisia (rovnaké množstvo jadier schopných absorpcie i emisie). Vypočítaný malý nadbytok jadier v nižšej hladine znamená, že absorpčný signál bude pomerne slabý. Z toho vyplýva pomerne malá citlivosť NMR-spektroskopie.

Citlivosť detekcie je pre rôzne jadrá s nenulovým I rôzna, ako je to pre niekoľko prípadov dokumentované v tab. 8. Relatívnu citlivosť určuje jednak hodnota gyromagnetického pomeru γ, jednak prirodzený výskyt izotopu. Tabuľka súčasne udáva rezonančnú frekvenciu jadier pri indukcii magnetického poľa 2,3 T.



Tabuľka 8 Vlastnosti niektorých jadier s jadrovým spinovým kvantovým číslom 1/2

Jadro

Relatívna citlivosť pri konštantnej indukcii magnetického poľa

(citlivosť 1H je 1,000)

NMR-frekvencia pre indukciu

magnetického poľa 2,3 T [MHz]

Prirodzený výskyt [%]

1H 1,000 99,600 99,98 13C 1,764⋅10-4 25,044 1,108 15N 3,797⋅10-6 10,093 0,365 19F 0,833 93,701 100 31P 6,63⋅10-2 40,327 100

117Sn 3,459⋅10-3 35,490 7,65 119Sn 4,497⋅10-3 37,129 49,48

3.11.2. Získavanie spektra NMR

Spektrum jadrovej magnetickej rezonancie sa môže snímať pri konštantnej indukcii magnetického poľa a menlivej frekvencii vysokofrekvenčného oscilátora, alebo naopak pri konštantnej frekvencii so zmenou indukcie magnetického poľa, ktorá mení vzdialenosť energetických hladín.

Vzorka je umiestnená v sklenej kyvete valcového tvaru s priemerom 5 až 10 mm v homogénnom magnetickom poli (na obr. 49 schematicky znázornené severným a južným pólom magnetu). Držiak, v ktorom je kyveta upevnená, je vzduchová turbínka, umožňujúca otáčanie vzorky (niekoľko sto otáčok za minútu). Tým sa zvýši zdanlivá homogenita magnetického poľa v celom objeme vzorky. Turbínka je súčasťou tzv. sondy, ktorá okrem toho obsahuje aj vysielaciu a prijímaciu cievku. Sonda je umiestnená medzi pólmi magnetu. Sondy bývajú väčšinou prispôsobené na meranie pri nízkych aj vysokých teplotách (-150 až + 200 °C).

Na vysoké rozlíšenie sa musí udržiavať dokonale homogénne magnetické pole, priestorovo i časovo konštantné na 1 milióntinu percenta.

Vysokofrekvenčné žiarenie sa generuje v oscilátore riadenom kryštálom, ktorého výstup je pripojený na vysielacie cievky V, ktorých závity sú rovnobežné s rovinou nákresu. Okolo vzorky v rovine kolmej na rovinu vysielacej cievky i magnetického póla je navinutá cievka prijímača. V týchto podmienkach a v neprítomnosti rezonujúcich jadier sa z vysielacej cievky neprenáša na prijímaciu cievku nijaká energia. V prípade rezonancie sa signál vedie z prijímacej cievky na spracovanie signálu a na registráciu. Signál sa spracúva zosilnením, odfiltrovaním šumu, prípadne integráciou.

Prístroje určené len na protónovú spektrometriu NMR sa obyčajne dajú prispôsobiť na sledovanie iných jadier pomocou adaptérov. Univerzálne - multijadrové spektrometre umožňujú komplexný NMR výskum látok. Zdroj vysokofrekvenčného žiarenia umožňuje nastavenie frekvencie podľa druhu jadra.



Na zvýšenie citlivosti sa využíva už spomenutý jav, že signál rastie so stúpajúcou induk-ciou magnetického poľa. Vysoké hodnoty BB0 sa dosahujú použitím supravodivých magnetov, ktoré sa do inštrumentácie NMR zavádzajú čoraz častejšie. Vysoká hodnota B0B (10 až 12 T) znamená aj zlepšenie rozlišovacej schopnosti.

Iný spôsob zvýšenia citlivosti je metóda koherentnej sumácie väčšieho množstva záznamov. Pritom signál je úmerný počtu záznamov a celkový šum len druhej odmocnine tohto počtu. Malá účinnosť tejto metódy je spôsobená časovou náročnosťou získavania CW záznamov spektra (5 - 10 minút na záznam). Podstatné zlepšenie prináša pulzová metóda, pri ktorej sa matematicky spracúva signál zániku voľnej indukcie po ožiarení rádiofrekvenčným pulzom a záznam NMR spektra sa získa veľmi rýchlo (za niekoľko sekúnd).

Vzorka na meranie vysoko rozlíšeného spektra NMR býva väčšinou kvapalná. Šírka píkov v kvapalinách je pomerne malá a zo spektra možno namerať jemnú štruktúru multipletov a získať informácie o vplyvoch, ktoré ich spôsobujú. Ideálne rozpúšťadlo pre NMR nemá dávať vlastný signál, má byť magneticky izotropné a inertné. CCl4 sa blíži tejto predstave pre protónovú NMR, nevýhodou je, že sa často používajú deuterované rozpúšťadlá ako CDCl3, D2O, CD3COCD3 a pod.

Na obr. 49 je znázornená bloková schéma spektrometra NMR so skríženými cievkami.

Obr. 49 Schematické znázornenie NMR spektrometra

A - zdroj vysokofrekvenčného žiarenia, B - spracovanie signálu prijímacej cievky, L -vzorka v otáčajúcom sa držiaku, S, J - severný a južný pól magnetu, Z - nízkofrekvenčný zdroj k cievkam, C, V - vysielacia cievka, P - prijímacia cievka, R - registračné zariadenie



3.11.3. Chemický posun

Použitie spektra NMR na riešenie chemických problémov je založené na skutočnosti, že lokálna hodnota indukcie magnetického poľa B v oblasti skúmaného jadra je odlišná od indukcie poľa magnetu B B0, do ktorého je vzorka vložená

B = BB0 - B0B σ = BB0(1 - σ) (3.55)

Odlišnosť (BB0σ) je spôsobená tienením elektrónov obklopujúcich skúmané jadro. Táto vlastnosť elektrónového oblaku je kvantitatívne vyjadrená tieniacou konštantou σ, ktorá je úmerná hustote elektrónového oblaku a charakterizuje teda "chemické okolie" skúmaného jadra. Atómy viazané v molekule rovnakým spôsobom majú jadrá s rovnakým chemickým okolím - nazývame ich chemicky ekvivalentné jadrá. Lokálna indukcia magnetického póla v miestach chemicky ekvivalentných jadier je rovnaká - energetická vzdialenosť ich spinových jadrových hladín je rovnaká. Budú teda absorbovať rovnakú frekvenciu vysokofrekvenčného žiarenia. V spektre sa prejavia jediným píkom. Naopak, aj jadrá rovnakého druhu viazané v molekule rôznym spôsobom budú vďaka rôznej hodnote pri tej istej hodnote B0B absorbovať žiarenie rozdielnych frekvencií. V spektre sa prejavia viacerými rezonančnými píkmi.

Na definovanie polohy rezonančného píku v spektre nezávisle od indukcie vonkajšieho magnetického poľa a frekvencie vysokofrekvenčného žiarenia, udáva sa poloha relatívne vzhľadom na zvolený štandard ako tzv. chemický posun

vz s vz svz s

s s

- - - B BB

ν νδ σ σ

ν= = = (3.56)

kde BBvz a BsB sú hodnoty vonkajšieho magnetického poľa potrebné na rezonanciu vzorky a štandardu, νvz a νs sú rezonančné frekvencie vzorky a štandardu a σvz a σs sú tieniace konštanty vzorky a štandardu.

Ako štandardy pre protónovú NMR sa používajú najmä voda, chloroform, cyklohexán, benzén a tetrametylsilán. Z nich sa najuniverzálnejšie používa tetrametylsilán a relatívne k tomuto štandardu - TMSi - sa udávajú protónové spektrá. Tetrametylsilán poskytuje jediný ostrý rezonančný pík, ktorého poloha prakticky nie je ovplyvnená prostredím.

V takto udanom chemickom posune je signál tetrametylsilánu začiatkom - nulou (obr. 50). Kladná hodnota zodpovedá menšiemu tieneniu protónov vzorky než protónov štandardu. Iný spôsob udávania navrhol Tiers (τ), obr. 50.

Chemický posun poskytuje veľmi dôležité údaje o spôsobe väzby vodíkového atómu, a je preto veľmi dôležitý z hľadiska štruktúrnej analýzy. Tabuľka 9 poskytuje údaje o chemickom posune protónovej rezonancie pre niektoré typy organických zlúčenín.

Významné údaje pre analýzu štruktúry organických zlúčenín poskytuje 13C NMR spektrum. Spinové kvantové číslo tohto jadra je / = 1/2, relatívna citlivosť je však veľmi malá (tab. 8). Získavanie 13C NMR spektra umožnilo len zavedenie pulzovej metódy. O chemickom posune tohto jadra rozhodujú podobné faktory ako pri protóne, avšak rozsah chemických posunov je asi 12 - krát väčší (240 ppm; pri protónovej NMR iba asi 12 ppm). Teda 13C NMR má podstatne väčšiu rozlišovaciu schopnosť a tým aj významnosť pre štruktúrnu analýzu organických látok.



Obr. 50 1H NMR - spektrum metyletylketónu CH3-CO-CH2-CH3 pri frekvencii 60 MHz

(a) nízko, (b) vysoko rozlíšené spektrum, (c) - integrálna krivka Pri jednotlivých píkoch multiptletov sú uvedené rezonančné frekvencie. (CH3)izol je metylová skupina naviazaná priamo na CO skupinu, Š - pík vnútorného štandardu tetrametylsilánu

3.11.4. Štiepenie rezonančných signálov v dôsledku

spin-spinovej interakcie jadier

Jadrá, ktorých magnetické momenty sú nenulové vzájomne interagujú a spôsobujú vzájomné štiepenie svojich pásov na multiplety pozorovateľné pri spektrách veľkého rozlíšenia. Ich vznik je spôsobený vzájomným pôsobením jadrových spinov. Tento efekt sa nazýva spin-spinová interakcia. Jej sila meraná vzdialenosťou medzi susednými píkmi multipletu sa nazýva interakčná konštanta J. Jej hodnota nezávisí od použitej frekvencie spektrometra, od indukcie magnetického poľa, ani od teploty.

Interakcia jadier je vzájomná. Hodnoty interakčných konštánt sú zvyčajne tým menšie, čím viac je chemických väzieb medzi obidvoma interagujúcimi jadrami. Najvyššia hodnota



interakčnej konštanty sa očakáva pri jadrách oddelených jedinou väzbou (1J). O geminálnej interakčnej konštante 2J hovoríme vtedy keď interagujúce jadrá oddeľujú dve väzby, vicinálna interakčná konštanta 3J je miera interakcie spinov cez tri väzby. Konštanty ďalekého dosahu nJ cez viac väzieb sú väčšinou príliš malé na to, aby sa prejavili v spektre multipletmi s výnimkou, ak sú prítomné aj násobné väzby.

Na posúdenie vplyvu spin-spinovej interakcie na štiepenie rezonancií NMR-spektra je dôležitá hodnota pomeru rozdielu rezonančných frekvencií interagujúcich jadier Δν a interakčnej konštanty. Ak tento pomer spĺňa podmienku Δν/J > 10, hovoríme o spektre prvého poriadku.

Multiplicita rezonančného pása ovplyvňovaného n ekvivalentnými jadrami s jadrovým spinovým kvantovým číslom I je (2nI + 1). Intenzity píkov multipletu sú pre prípad ovplyvnenia jadrom s / = 1/2 (napr. protón) úmerné binomickým koeficientom, ktoré možno určiť z Pascalovho trojuholníka:

n multiplet Pomer intenzít

0 singlet 1

1 dublet 1 1

2 triplet 1 2 1

3 kvartet 1 3 3 1

4 kvintet 1 4 6 4 1

5 sextet 1 5 10 10 5 1

6 septet 1 6 15 20 15 6 1

Ak rezonujúce jadro interaguje s viacerými skupinami ekvivalentných jadier, ako aj v prípade spektier vyššieho poriadku (Δν/J << 10), nemožno multiplicitu vyjadriť takými jednoduchými pravidlami.

Pri označovaní interagujúcich jadier sa zaviedol takýto spôsob:

a) Chemicky ekvivalentné jadrá sa označujú rovnakým písmenom (napr. A3, alebo B2) b) Chemicky neekvivalentné spinovo interagujúce jadrá s blízkymi hodnotami rezonan-

čných frekvencií sa označujú v abecede blízkymi písmenami A, B, C, D, E. "Blízkosť" hodnôt sa posudzuje so zreteľom na veľkosť ich interakčných konštánt. Takto označované spinové systémy tvoria spektrá vyššieho poriadku.

c) Neekvivalentné spinovo interagujúce jadrá s rezonančnými frekvenciami veľmi odliš-nými od A, B, C, ... sa označujú X, Y, Z alebo M, N, O, P, ...

Dve interagujúce jadrá môžu tvoriť kombinácie, ktoré sa v uvedenom zmysle označujú ako A2, AB, AX. V prípade troch interagujúcich jadier prichádzajú do úvahy spinové systémy A3, AB2, AX2, AMX a ABC. Pri väčšom počte interagujúcich jadier sa môžu tvoriť ďalšie kombinácie - spinové systémy.

Pri protónovej NMR najdôležitejšia je vicinálna interakcia dvoch protónov (homonukle-árna interakcia), ktoré sú na susedných uhlíkoch (v α polohe). Prirodzený výskyt "magnetic-kých" izotopov uhlíka, dusíka a kyslíka je nízky a heteronukleárna spinová interakcia teda zanedbateľná.



Interakčné konštanty 1J a 2J spinovo-spinovej interakcie protónov nemožno priamo pozorovať, pretože ide vždy o chemický ekvivalentné protóny, ktoré sa v spektre prejavia jedinou rezonanciou - singletom.

Príkladom takéhoto singletu v spektre na obr. 50 je rezonancia tzv. izolovanej -CH3 skupiny metyletylketónu - všetky tri vodíkové atómy sú chemicky ekvivalentné. Protóny -CH3 a -CH2- v etyl skupine vzájomne spinovo interagujú cez tri väzby, pričom vicinálna interakčná konštanta 3J má hodnotu približne 7 Hz (obr. 50).

Spomenutá vzájomnosť interakcie sa prejavuje rovnakou hodnotou interakčnej konštanty v multipletoch rezonancií protónov -CH3 a -CH2- etyl skupiny. Rozdiel rezonančných frekvencií týchto vzájomne interagujúcich protónov je 88 Hz (obr. 50) pri indukcii magnetického poľa 1,38 T (frekvencia zdroja 60 MHz). Pomer Δν/J = 12,5, ide teda o spektrum prvého poriadku. Pretože protóny -CH3 patriacej do etyl skupiny sú ovplyvnené dvoma chemicky ekvivalentnými protónmi -CH2-, a to cez tri chemické väzby, je rezonancia protónov -CH3 z etyl skupiny rozštiepená na triplet (2nl + 1 = 2⋅2⋅1/2 + 1 = 3). Naopak, tri chemicky ekvivalentné protóny -CH3- z etyl skupiny spôsobujú rozštiepenie rezonancie protónov -CH2- na kvartet (2⋅3⋅1/2 + 1 = 4). Etyl skupina metyletylketónu tvorí spinový systém A2X3. 3.11.5. Analytické využitie NMR spektrometrie

NMR spektrum vysokého rozlíšenia aplikované na chemické indivíduum umožňuje analyzovať jeho štruktúru. Existuje viacero ďalších možností (metóda viacnásobnej rezonancie, zmena indukcie magnetického poľa, derivatizácia deutériom, výmenné reakcie), ktoré umožňujú vyťažiť zo spektra maximum informácií.

Intenzita rezonančného pása je merateľná plochou pod absorpčnou krivkou. Experimen-tálne sa získava integráciou spektra. Koeficient úmernosti medzi intenzitou pása a počtom rezonujúcich protónov je pre všetky skupiny chemicky ekvivalentných jadier rovnaký. Tým sa NMR - spektrometria líši od iných spektrometrických metód, kde každý pás má iný molový absorpčný koeficient. To umožňuje vyjadriť z integrálnej krivky NMR spektra relatívne zastúpenie jednotlivých skupín chemicky ekvivalentných protónov v molekule (obr. 50, krivka c). Táto veličina je tiež využiteľná v kvantitatívnej analýze, ak ide o spektrum viaczložkovej zmesi. Po použití pulzovej metódy snímania spektra (napr. 13C) uvedená jednoduchá úmernosť intenzity rezonančného pása a počtu jadier neplatí.

Takmer vždy sa NMR spektroskopia kombinuje s ďalšími metódami (s hmotnostnou spektrometriou, vibračnou spektrometriou), aby sa zvýšila spoľahlivosť navrhovanej štruktúry. NMR spektroskopia sa využíva aj na analýzu technických materiálov (viacfázové plasty), či prvkovú kvantitatívnu analýzu v tuhých vzorkách bez rozkladu. Pri takomto využití si treba uvedomiť, že alternatívne použiteľné metódy sa vyznačujú vyššou citlivosťou a presnosťou než NMR. Nezanedbateľným faktorom je tiež pomerne vysoká cena analýzy. Preto sa NMR na kvantitatívnu prvkovú analýzu používa len v špeciálnych prípadoch. Ťažisko významu metódy je identifikácia látok a štruktúrna analýza.



Tabuľka 9 Rozsah hodnôt chemických posunov pre rôzne viazané protóny

(hodnoty uvedené oproti tetrametylsilánu)



3.12. INÉ OPTICKÉ METÓDY 3.12.1. Refraktometria a interferometria

Analyticky významnou optickou vlastnosťou látok je lom svetla - refrakcia. V podstate ide o zníženie rýchlosti prechádzajúceho žiarenia z jedného prostredia do druhého, pričom zároveň dochádza aj k zmene smeru žiarenia. Toto zníženie rýchlosti žiarenia proti hodnote vo vákuu je charakterizované indexom lomu platným pre určitú vlnovú dĺžku a teplotu. Refraktometria a interferometria sú založené na meraní indexu lomu látok, resp. ich rozdielu. Možno ich použiť na charakterizáciu chemického indivídua, prípadne aj na stanovenie zložiek zmesi.

Refraktometria

Relatívny index lomu je daný pomerom rýchlosti šírenia svetla v prostredí, z ktorého lúč dopadá na rozhranie v1, a rýchlosti, do ktorého sa láme v2, resp. je vyjadrený ako pomer sínusov uhlu dopadu α a uhlu lomu β.

11,2

2 1

sin sin

vnv n

2nαβ

= = = (3.57)

Pri prechode svetelného lúča z prostredia opticky redšieho do prostredia opticky hustejšieho nastáva lom ku kolmici a naopak. Absolútny index lomu sa vzťahuje na lom svetelného lúča z vákua do daného prostredia

11 2

cnv v

= 2cn = (3.58)

kde c je rýchlosť svetla vo vákuu. V bežnej praxi sa index lomu udáva vzhľadom na vzduch. Medzi indexom lomu

vzhľadom na vákuum na a indexom lomu na vzduch nv platí

na = 1,00027 nv

Index lomu závisí od vlnovej dĺžky žiarenia podľa Cauchyho rovnice, pričom krátkovlnové žiarenie sa láme viac ako dlhovlnové. Okrem vlnovej dĺžky závisí index lomu aj od teploty. Obidva tieto vplyvy sa udávajú ako indexy pri symbole indexu lomu. Napr. nD

25 znamená, že index lomu látky bol meraný pri 25 °C a ako zdroj monochromatického žiarenia bol použitý sodíkový dublet. Pri meraní plynov je potrebné udávať aj hodnotu tlaku pri meraní, lebo od neho taktiež závisí index lomu.

Zmeny indexu lomu od teploty, skupenstva a tlaku sú závislé od zmien hustoty látky p. Túto závislosť najpresnejšie vyjadruje Lorenz- Lorentzov vzťah pre špecifickú (mernú) refrakciu r

2

2

1 1 2

nrn ρ

−=

+ (3.59)



Vynásobením špecifickej refrakcie molovou hmotnosťou sa získa mólová refrakcia R = M⋅r. Táto charakterizuje určitú štruktúru a možno ju s určitým priblížením predpovedať zo súčtu inkrementov - príspevkov jednotlivých atómov, väzieb, prípadne skupín atómov v štruktúre.

Index lomu i refrakcie majú aditívny charakter, tzn., že ich hodnoty pre viaczložkové zmesi sú dané sumou príspevkov jednotlivých zložiek podľa ich pomerného zastúpenia v zmesi.

Meranie indexu lomu je založené na zisťovaní tzv. medzného - kritického uhla lomu βm. Je to uhol lomu pri uhle dopadu α = 90° (sin α = 1). Z rovnice (3.57) potom vyplýva

2

1 2

sin mvv n

β = = 1n (3.60)

Pri zmene uhla dopadu od 0 do 90° rastie uhol lomu od 0 do βm. Pri dopade rozptýleného svetla pod všetkými smermi na rozhranie, bude sa toto lámať tak, že sa vytvorí kužeľ svetla s vrcholovým uhlom 2⋅βm.

Refraktometre

Index lomu sa meria pomocou refraktometrov. Všeobecná schéma refraktometra je znázornená na obr. 51. Zväzok lúčov z monochromatického zdroja (väčšina refraktometrov má polychromatický zdroj - volfrámovú žiarovku) dopadá na vyleštenú plochu lámavého hranola (pod uhlom 90°), na ktorom je nakvapkaná meraná kvapalina. Tuhé vzorky sa pritlačia na vyleštenú plochu pomocou kvapaliny s vysokým indexom lomu (napr. monobrómnaftalén). Na rozhraní vzorky a lámavého hranola dôjde k lomu lúčov (v prípade polychromatického zdroja aj k ich disperzii). Lúče vychádzajúce z lámavého hranola pod uhlom lomu dopadajú na spojnú šošovku, ktorá ich zaostrí na stupnici ďalekohľadu. Na stupnici sa odčíta poloha svetelného rozhrania v uhlových stupňoch, empirických dielikoch, ktoré sa premenia na hodnoty indexu lomu alebo priamo hodnota indexu lomu.

Pri použití polychromatického zdroja je v refraktometri medzi lámavým hranolom a objektívom ešte kompenzačné zariadenie (Amiciho hranol), ktorého úlohou je lomom rozložené polychromatické žiarenie opäť zložiť.

Abbeho (univerzálny) refraktometer umožňuje meranie priamo v hodnotách indexu lomu s presnosťou ± 0,0001 jednotky. Ponorný Zeissov refraktometer používa výmenné hranoly pre užšie rozsahy indexu lomu. Tieto jednotlivé hranoly treba kalibrovať na vhodné štandardy. Meria sa s presnosťou až ± 0,000005 jednotiek indexu lomu.

V súčasnosti možno dostať refraktometre, ktoré sú priamo určené na vybrané druhy stanovení, napr. na stanovenie vody v tukoch, obsahu cukru v šťavách, určenie sušiny v potravinárskych produktoch a pod.

Diferenciálny refraktometer zaznamenáva rozdiel indexu lomu vzorky a štandardu a používa sa ako detektor v kvapalinovej chromatografii.

Pretože väčšina kvapalných vzoriek prejavuje pokles indexu lomu s rastúcou teplotou (asi 0,00045 jednotiek na stupeň), treba pri priamych meraniach termostatovať na ± 0,2 K.



Obr. 51 Schéma refraktometra

a - zdroj žiarenia, b - zväzok žiarenia dopadajúci na vyleštenú plôšku lámavého hranola,

c - lámový hranol, d - kompenzačné zariadenie - Amiciho hranol, e - stupnica, f - ďalekohľad

Využitie refraktometrie v analytickej chémie

Pre jednoduchosť, rýchlosť, presnosť a malú spotrebu vzorky sa refraktometria používa na overovanie čistoty a charakterizáciu chemických indivíduí, lebo index lomu je fyzikálna konštanta. Preto i prítomnosť stôp nečistôt sa prejaví zmenou tejto hodnoty. Meraním indexu lomu možno sledovať napr. priebeh frakčnej destilácie.

Molová refrakcia sa používa pri rozlišovaní štruktúry izomérov, porovnávaním experimentálne určenej hodnoty s možnými predpovedanými štruktúrami izomérov. Na určovanie molekulovej štruktúry rozšírením metód molekulovej spektrometrie stratila refraktometria na význame.

V kvantitatívnej analýze sa refraktometria uplatňuje pri určovaní zloženia binárnych, resp. ternárnych kvapalných zmesí. Pri analýze dvojzložkových zmesí treba pracovať metódou kalibračnej krivky. Analýza trojzložkových sústav je možná pomocou trojuholníkového diagramu, čo si vyžaduje okrem indexu lomu merať ešte ďalšiu fyzikálnu konštantu (najčastejšie hustotu). Zostrojenie takéhoto diagramu je pomerne prácne, lebo treba vykonať veľký počet meraní trojzložkových sústav známeho zloženia.

Interferometria

Interferometria je relatívna metóda založená na meraní malých rozdielov indexu lomu v závislosti od zmien zloženia meranej vzorky voči porovnávacej (štandardnej, referenčnej) látke.

Metóda sa zakladá na interferencii svetla, ktorá vzniká pri prekrývaní dvoch zväzkov lúčov vychádzajúcich z toho istého zdroja (koherentných lúčov). Po prechode lúčov prostrediami sa obidva zväzky opäť spoja do jedného. Ak mali obidve prostredia (látky) rovnakú hodnotu indexu lomu, teda mali rovnakú dĺžku optickej dráhy (optická dráha = súčin dĺžky lúča a indexu lomu), potom v zornom poli ďalekohľadu možno vidieť normálne rozloženie interferenčných pásov, tzn. že intenzita svetlých pásov klesá od stredu k obidvom okrajom.

V prípade, že medzi obidvoma prostrediami existuje určitý rozdiel indexov lomu, potom dĺžky optických dráh v obidvoch prostrediach nie sú rovnaké a dôjde k fázovému posunu interferenčných pásov, ktorý sa prejaví vzornom poli ďalekohľadu (obr. 53 B). Veľkosť posunu je



mierou rozdielu indexov lomu obidvoch prostredí, a teda i mierou kvalitatívnej, resp. kvanti-tatívnej zmeny meraného prostredia.

Malé rozdiely indexu lomu sa merajú na interferometri, ktorého jednoduchá schéma je na obr. 52. Rozdiel v optickej dráhe (dĺžke) spôsobený prostrediami s rôznymi indexami lomu v kyvetách V a R sa kompenzuje sklenými platničkami P1 a P2, z ktorých jedna má fixovanú polohu a druhá je otáčavá s možnosťou meniť efektívnu hrúbku - dráhu svetelného lúča.

Obr. 52 Schéma interferometra

O - zdroj žiarenia, L1, L2 - šošovky, Š1, Š2 - štrbiny, R - referenčné prostredie, V - vzorka, P1, P2 - sklené platničky, T – tienidlo

Otáčanie súvisí s efektívnou hrúbkou a meria sa mikrometrom. Otáča sa dovtedy, kým

sa systém maxím vychýlený zo stredu zorného poľa pri nerovnosti indexov lomu V (vzorky) a R (referenčnej látky) nevráti do pôvodnej polohy. Na uľahčenie práce sa do dolnej časti zorného poľa privádza interferenčný obrazec lúčov, ktoré prechádzajú v priestore pod kyvetami V a R obidva rovnakým prostredím (obr. 53 A). Zhodu interferenčných obrazov možno docieliť s presnosťou 1/20 šírky bezfarebného svetelného pása (v strede systému), čo zodpovedá 1 dieliku mikrometra a pri kyvete dlhej 1 m (používa sa pri meraní plynov) to zodpovedá zmene indexu lomu o 1,5⋅10-8 jednotky. Bežná presnosť merania je poriadkové 10-6 indexu lomu a rastie s dĺžkou kyvety. Na kvapaliny sa používajú kyvety 0,5 až 4 cm, na plyny 25 až 100 cm kyvety. Keďže interferometrické meranie je diferenčné, nie sú požiadavky na temperáciu vzorky veľmi prísne. Bezpodmienečne však treba zabezpečiť rovnosť teploty vzorky a štandardu.

Obr. 53 Zorné pole ďalekohľadu interferometra

A - pri rovnosti dĺžok optických dráh, B - pri nevyrovaných dĺžkach optických dráh



Interferometria sa prakticky uplatňuje v dvoch oblastiach, a to na analýzu plynov a analýzu veľmi zriedených roztokov. Používa sa na stanovenie metánu v banských plynoch, oxidu uhličitého v produktoch dýchania živých organizmov, určovanie stôp pár organických rozpúšťadiel, napr. benzínu, acetónu v ovzduší a pod. Za určitých opatrení možno interferometrické merania uskutočňovať aj v nevodných prostrediach. 3.12.2. Chiralooptické metódy

Chiralooptické metódy skúmajú interakcie polarizovaného žiarenia s opticky aktívnymi látkami. Patria sem polarimetria (meranie optickej otáčavosti), optická rotačná disperzia ORD a kruhový (cirkulárny) dichroizmus (CD). Tieto metódy sa využívajú na analytické účely pri identifikácii štruktúry opticky aktívnych látok, resp, ich priestorového usporiadania a v kvantitatívnej analýze týchto látok.

Celý rad organických a anorganických látok má schopnosť otáčať rovinu polarizova-ného žiarenia. Tieto látky sa označujú ako opticky aktívne a podľa smeru otáčania sa delia na pravotočivé a ľavotočivé. Veľkosť otáčania je určená vlastnosťami opticky aktívnej látky v závislosti od:

• množstva molekúl, ktoré sú v dráhe polarizovaného lúča (toto je určené koncentráciou a dĺžkou kyvety)

• vlnovej dĺžky použitého polarizovaného žiarenia • teploty

Sledovaním závislosti uhla otočenia roviny polarizovaného žiarenia od vlnovej dĺžky sa zaoberá spektropolarimetria - optická rotačná disperzia ORD, ktorá sa osvedčila pri riešení štruktúrnych otázok. Príbuznou spektrálnou metódou je cirkulárny dichroizmus CD.

Opticky aktívne sú také zlúčeniny, ktorých model nie je možné žiadnym otáčaním alebo posúvaním previesť na svoj zrkadlový obraz. Štruktúra, ktorá vyhovuje tejto podmienke sa nazýva chirálna a jej geometrická vlastnosť je chiralita. Štruktúra, ktorá neobsahuje žiadny prvok symetrie je asymetrická a teda chirálna. Centrom asymetrie býva najčastejšie tzv. asymetrický atóm so štyrmi rôznymi substituentami. Najčastejšie je to atóm C, ale môže to byť aj atóm S, P, N a pod.

Každá chirálna štruktúra môže existovať v dvoch izomérnych formách, ktoré sú vzájomnými zrkadlovými obrazmi a nazývajú sa enantioméry (optické antipódy). Ekvimolárna zmes enantiomérnych foriem je opticky inaktívna a nazýva sa racemát. Obidve izomérne formy majú zhodné chemické a fyzikálne vlastnosti okrem schopnosti otáčať rovinu polarizovaného žiarenia, reaktivity voči chirálnym skúmadlám, či adsorpcii na chirálnych stacionárnych fázach a pod. Na klasifikáciu opticky aktívnych zlúčenín sa používa ich priestorová stavba - konfigurácia. V súčasnosti sa využíva tzv. absolútna konfigurácia na jednotlivých asymetrických atómoch, ktorá sa označuje symbolmi R a S. K tomu, aby sa rozhodlo či ide o konfiguráciu R alebo S treba na modeli zlúčeniny určiť postupnosť nadradenosti a podradenosti substituentov na chirálnom centre. Nadradenosť skupín je daná protónovým číslom prvku, ktorý je priamo viazaný na chirálny atóm (najčastejšie C). V prípade, že sú atómy rovnocenné, treba posudzovať atómy a väzbu na ne viazané. Po zoradení jednotlivých substituentov sa použije tzv. pravidlo volanta. Najnižší substituent d (napr. vodík) je na osi volanta, ostatné a, b, c na



jeho obvode (pozri obr. 54). Smer otáčania volanta od najvyššieho substituenta k najnižšiemu smerom doprava zodpovedá konfigurácii R, smerom doľava konfigurácii S.

Obr. 54 Pravidlo volantu na určenie konfigurácie S a R (popis v texte)

V nepolarizovanom elektromagnetickom žiarení kmitajú vektory elektrickej a magnetickej zložky vo všetkých smeroch, ktoré sú kolmé na smer šírenia vlny. Elektrická a magnetická zložka sú navzájom kolmé. Toto nepolarizované žiarenie možno polarizovať, čiže dosiahnuť, aby elektrická, resp. magnetická zložka kmitala len v určitých smeroch.

Rovinne polarizované svetlo sa získa napr. dvojlomom na Nikolovom hranole. V takto polarizovanom svetle kmitá elektrický vektor v jednej rovine a magnetický v rovine kolmej na túto rovinu. Vlnová dĺžka žiarenia sa polarizáciou nemení. V kruhovo polarizovanom žiarení kmitá elektrický vektor v jednej rovine a magnetický vektor v rovine na ňu kolmej, pritom však obidve roviny sa rovnomerne otáčajú okolo osi ležiacej v smere šírenia vlny. Podľa smeru otáčania sa rozlišuje pravo- a ľavotočivé kruhovo polarizované svetlo.

Prechodom rovinne polarizovaného monochromatického žiarenia cez opticky aktívne látky nastáva otáčanie jeho roviny. Podstatou tohto javu je rozdielna rýchlosť šírenia kruhovo polarizovaných zložiek (z ktorých sa rovinne polarizované svetlo skladá) P a L (pravotočivej P a ľavotočivej L zložky) v roztoku opticky aktívnej látky, z čoho vyplýva rozdielny index lomu obidvoch zložiek nP a nL. Tento jav sa nazýva kruhová birefringencia (dvojlom). Rozdielne hodnoty nP a nL spôsobujú otočenie roviny polarizovaného žiarenia výsledne polarizovaného svetla o uhol α. Meraním uhla otočenia roviny polarizovaného žiarenia opticky aktívnymi zlúčeninami sa zaoberá polarimetria. Závislosť uhla otočenia od hmotnostnej koncentrácie opticky aktívnej látky c a dĺžky kyvety l vyjadruje Biotov zákon

[ ] t l cλ

α α= (3.61)

kde [ ]tλα je špecifická otáčavosť.

V praxi sa častejšie využíva empirický Biotov vzťah

[ ]

100

t l wλ

αα ρ= (3.62)

kde [ ]tλα je špecifická otáčavosť látky (°⋅cm3⋅dm-1⋅g-1), l - dĺžka kyvety (dm), w - hmotnostné

percento opticky aktívnej látky, ρ -hustota meraného roztoku (g⋅cm-3).



Špecifické otáčavosti sú tabelované obyčajne pre teplotu 20 °C a vlnovú dĺžku D-dubletu spektra sodíka (589,0 a 589,6 nm), lebo tento zdroj žiarenia sa v bežnej praxi používa najčastejšie. Uhol otočenia roviny polarizovaného svetla α je aditívnou veličinou, tzn. že v prípade prítomnosti viacerých opticky aktívnych zlúčenín v roztoku platí

ii

α α= ∑ (3.63)

Na meranie optickej aktivity sa používajú polarimetre (obr. 55).

Obr. 55 Optické usporiadanie polotieňového polarimetra

A - zdroj žiarenia (sodíková výbojka), B - kolimátor, C - Lippichov polotieňový polarizačný hranol, D - Nikolov polarizátor, E - kyveta so vzorkou, F - Nikolov analyzátor s uhlovou stupnicou, G - ďalekohľad, H - oko pozorovateľa

Zdrojom svetla je najčastejšie sodíková výbojka A, ktorá emituje nepolarizované, prakticky monochromatické svetlo (D - dublet). Polarizované žiarenie, ktoré sa získa v polarizátori D - Nikolov hranol, vstupuje do analyzovaného roztoku v kyvete E. Uhol otočenia sa zistí na uhlovej stupnici spojenej s analyzátorom, ktorý treba otočiť tak, aby jas zorného poľa bol rovnaký ako jas pri prechode svetla neaktívnym rozpúšťadlom pri nulovom otočení analyzátora oproti polarizátoru. Na uľahčenie tejto úlohy sa montuje tzv. polotieňové zariadenie C, ktoré spôsobuje zmenu jasu polovice zorného poľa. Po vyrovnaní polotieňov v okulári pomocou analyzátora sa odčíta zo stupnice príslušná hodnota v stupňoch. V súčasnosti sa vyrábajú aj polarimetre na špeciálne účely, napr. lekársky polarimeter na stanovenie bielkovín v moči.

Vizuálna kompenzácia bola nahradená elektronickou kompenzáciou vo fotoelektrických polarimetroch. V týchto prístrojoch na kompenzáciu slúžia polarizačné filtre, kremenné kliny, Faradayova cela a pod.

Pri kvapalinovej chromatografii a v priemyselnej chémii sa osvedčili prietokové polarimetre. Cez kapiláru alebo nádobu preteká meraná kvapalina, elektrický polarimeter meria automaticky jej otáčavosť a odovzdáva signál zapisovaču, ktorý automaticky zaznamenáva meranú hodnotu.

K polarimetrom patria i sacharometre, ktoré sa používajú na stanovenie sacharózy. Pravotočivosť sacharózy sa kompenzuje klinom z ľavotočivého kremeňa a analyzátor má fixovanú polohu. Pri meraní pomocou sacharometra možno použiť i denné svetlo alebo žiarovku, pretože vlastnosti roztoku sacharózy a kremeňa sú spektrálne veľmi podobné.

Polarimetria sa najčastejšie využíva v potravinárstve (stanovenie cukrov), v biochémii, klinickej analýze a vo farmácii (stanovenie steroidov, vitamínov, alkaloidov atď.).

Ako bolo už uvedené, špecifická otáčavosť závisí aj od vlnovej dĺžky. Túto závislosť vyjadruje vzťah



( P L - l n nπαλ

= ) (3.64)

kde λ je vlnová dĺžka prechádzajúceho žiarenia, nP, nL - index lomu pravotočivej a ľavotočivej zložky polarizovaného žiarenia

Zmena špecifickej otáčavosti od vlnovej dĺžky sa nazýva optická rotačná disperzia ORD a súvisí s rozličnou rýchlosťou šírenia, a teda rôznym indexom lomu (kruhovou birefringenciou). Zo vzťahu (3.64) vyplýva, že závislosť a od vlnovej dĺžky je hyperbolická, čiže v bežnom prípade monotónna funkcia (obr. 56a - krivka 3). Ak však pri určitej vlnovej dĺžke má meraná opticky aktívna zlúčenina elektrónový prechod, nastáva náhla anomálna zmena krivky ORD. Tento jav, ktorý prvý pozoroval A. Cotton pri meraní roztoku síranu chromitodraselného sa nazýva Cottonov efekt. Z obr. 56 je zrejmé, že Cottonov efekt môže byť kladný alebo záporný, podľa toho, či krivka dosiahne najskôr maximum alebo minimum v smere postupu od kratších vlnových dĺžok k dlhším.

Obr. 56 Krivky optickej rotačnej disperzie (a) a kruhového dichroizmu (b)

1 - kladný Cottonov efekt, 2 - záporný Cottonov efekt, 3 - monotónny priebeh ORD krivky

Vo všetkých molekulách, kde sa vyskytuje anomálny priebeh ORD kriviek možno

súčasne namerať ďalší efekt. Dve kruhovo polarizované zložky sú nerovnako absorbované, čiže ich molové absorpčné koeficienty εP a εL sú odlišné. Výsledkom je, že vystupujúce žiarenie je eliptický polarizované. Tento jav sa nazýva kruhový (cirkulárny) dichroizmus CD. Mierou CD je veličina nazvaná elipticita Θ, pre ktorú platí

( P L1 - 4

)Θ ε ε= (3.65)

Krivky kruhového dichroizmu možno experimentálne merať. Aj v tomto prípade sa uplatňuje Cottonov efekt (obr. 56b).

Meranie Cottonovho efektu je výhodnejšie v oblasti n → π* prechodov, pretože intenzita týchto prechodov je pomerne nízka. π → π* prechody (najmä v konjugovaných systémoch) majú oveľa vyššiu intenzitu, čo komplikuje meranie. Navyše tu vzniká viacnásobný Cottonov efekt, čo sťažuje interpretáciu. Meranie kriviek CD bolo donedávna vermi náročné, najmä pre chromofory, ktoré absorbujú v UV oblasti. Rozvoj experimentálnej techniky však umožnil sledovanie CD krivky až po hodnoty vlnových dĺžok 165 nm.



Znamienko Cottonovho efektu na ORD, resp. CD krivkách závisí od priestorového usporiadania opticky aktívnej molekuly, resp. substituentov v okolí chromoforu. Meranie ORD, resp. CD spektier opticky aktívnych zlúčenín sa v súčasnosti významne uplatňuje pri objasňovaní priestorového usporiadania ich atómov v molekulách. Na interpretáciu týchto spektier bol navrhnutý rad empirických pravidiel, z ktorých najznámejšie je oktantové pravidlo. Toto opisuje vzťah medzi znamienkom Cottonovho efektu π → π* prechodu karbonylovej skupiny a konfiguráciou susbstituentov opticky aktívnych cyklických ketónov.

Enantiomérne látky sa prejavia zrkadlovým priebehom kriviek ORD a CD pre pravotočivé a ľavotočivé formy látky. Ich rozlíšenie normálnou absorpčnou spektrometriou s nepolarizovaným žiarením nie je možné.

Meranie ORD, resp. CD spektier sa využíva aj pri určovaní štruktúry koordinačných zlúčenín. Optická aktivita koordinačnej zlúčeniny môže byť zapríčinená asymetriou komplexného iónu ako celku alebo asymetriou niektorého z ligandov. Tieto metódy možno využiť aj na kvantitatívnu analýzu, keď sa pracuje spravidla metódou kalibračnej krivky.

Na registráciu spektier ORD sa používajú spektropolarimetre s mechanickou alebo elektrickou kompenzáciou. Spektrá CD sa získavajú nákladnejšími zariadeniami - dichrografmi, ktoré pracujú buď s Fresnelovými hranolmi alebo elektrooptickým modulátorom na oddelenie obidvoch polarizovaných zložiek.

Pri registrácii spektier ORD a CD treba dbať na vysokú čistotu roztokov (nesmú obsahovať čiastočky prachu, mikrosuspenzie, či mikrogély). Koncentrácia látok sa pohybuje v rozmedzí 25 až 100 mg na 100 cm3 rozpúšťadla. 3.12.3. Fotometria rozptylu svetla

Pri interakcii elektrickej zložky elektromagnetického žiarenia a elektrónov sú elektróny uvedené do vynútených oscilácií, ktorých frekvencia zodpovedá frekvencii dopadajúceho žiarenia. V častici (molekule, atóme) vzniká dipólový moment, ktorého veľkosť sa periodicky mení rovnakou frekvenciou. Oscilujúci dipól je zdrojom sekundárneho žiarenia, ktoré sa šíri všetkými smermi. V prípade, že vlnová dĺžka dopadajúceho žiarenia je 1,5 až 2 razy väčšia ako rozmery častíc, sekundárne vlny vzájomne interferujú a žiarenie sa šíri iba v smere odrazenej a lomenej vlny. Ak sú rozmery častíc rovnaké alebo väčšie ako vlnová dĺžka dopadajúceho žiarenia a častice sa nachádzajú v prostredí o rozdielnom indexe lomu, dochádza k rozptylu žiarenia. Rozptyľujúce častice sa delia na malé (ich veľkosť je menšia ako 1/10 vlnovej dĺžky) a veľké (s veľkosťou do 1,5 násobku vlnovej dĺžky). Malé častice spôsobujú tzv. Rayleighov rozptyl. Intenzita rozptýleného žiarenia závisí od frekvencie a podľa Rayleighovho zákona je úmerná štvrtej mocnine frekvencie (teda nepriamoúmerná štvrtej mocnine vlnovej dĺžky).

Z uvedeného dôvodu pri rozptyle svetla v zakalenom prostredí sa zdá byť rozptýlené svetlo modravé, pretože lúče s kratšou vlnovou dĺžkou sa rozptyľujú viac ako žlté a červené lúče. Naopak, prechádzajúce svetlo sa zase stane červenkastým. Ak v koloidných roztokoch súčasne nastáva absorpcia, potom výsledná farba je určená absorpciou aj rozptylom a často závisí od rozmerov častíc.

Pre analytické aplikácie má najväčší význam rozptyl spôsobený makromolekulovými látkami alebo suspendovanými časticami v roztoku a je základom nefelometrie a turbidimetrie.

Pri nefelometrii sa meria intenzita rozptýleného žiarenia pod určitým uhlom vzhľadom na dopadajúce primárne žiarenie (najčastejšie pod uhlom 90°). Meranie možno uskutočniť na



spektrofluorimetroch alebo bežných spektrofotometroch s použitím doplnkového zariadenia. Na kvantitatívnu analýzu sa využíva metóda kalibračnej krivky. Meraním rozptýleného žiarenia pri rôznych uhloch a rozdielnych známych koncentráciách možno určiť relatívnu molovú hmotnosť častíc.

Na meraní rozptylom zoslabeného primárneho žiarenia v smere jeho dopadu je založená turbidimetria. Meranie možno uskutočniť na bežných spektrofotometroch. Turbidancia (absorbancia v zakalenom prostredí) je priamo úmerná koncentrácii častíc a závisí ďalej od hrúbky absorbujúcej vzorky, priemeru častíc a použitej vlnovej dĺžky žiarenia.

Vo všeobecnosti sa turbidimetria aplikuje na koncentrovanejšie a nefelometria na zriedenejšie zakalené roztoky. Obidve metódy sa používajú na analýzu koloidných sústav napr. zakalenej vody, dymov, hmiel, koloidov vo farmaceutikách, zákalov nápojov a pod. Stanovujú sa nimi i malé obsahy nerozpustných látok (BaSO4, BaCO3, AgCl, AgCN), keď turbidimetria, resp. nefelometria nahradzuje nedostatočne presné vážkové stanovenie. Dôležité sú podmienky prípravy mikrosuspenzie ako napr. spôsob pridávania zrážadla, rýchlosť miešania, atď. Na zvýšenie stálosti mikrosuspenzie sa pridávajú ochranné stabilizujúce koloidy. Koncentračný rozsah typický pre nefelometrické a turbidimetrické analýzy je asi 0,5 až 10 ppm. Presnosť analýzy je ± 5 % relatívnych. Výhodou obidvoch metód je veľká citlivosť a nevýhodou je ťažká reprodukovateľnosť. Niekedy sa tieto metódy využívajú aj na sledovanie priebehu titrácií zriedených roztokov. 3.13. ANALÝZA HMOTNOSTNOU SPEKTROMETRIOU

Hmotnostná spektrometria využíva ionizáciu molekúl, následnú separáciu a detekciu na charakterizovanie zložiek, kvantitatívnu analýzu a analýzu štruktúry. 3.13.1. Hmotnostné spektrum a jeho získavanie

Hmotnostné spektrum je závislosť iónového prúdu od pomeru relatívnej hmotnosti k nábojovému číslu iónu (m/z). Patrí medzi dôležité charakteristické údaje látky, hoci jeho podoba je ovplyvnená parametrami prístroja, na ktorom sa spektrum získalo.

Ako jednotka hmotnosti sa v hmotnostnej spektrometrii zaviedla jedna dvanástina hmotnosti izotopu 12C. Má hodnotu 1,66053⋅10-27 kg. Hmotnosti molekúl, resp. iónov vyjadrené pomocou tejto jednotky sú tzv. relatívne hmotnosti. Pri práci s hmotnostnými spektrometrami vysokého rozlíšenia ich možno merať s presnosťou na 5 až 6 desatinných miest. Jednoduchší spôsob na vyjadrovanie hmotnosti iónov sú tzv. hmotnostné čísla. Hmotnostné alebo aj nukleónové čísla sú dané súčtom počtu protónov a neutrónov v atómoch alebo molekulách. Hmotnosť protónov i neutrónov sa považuje za jednotkovú. Možno ich získať aj tak, že sa relatívne atómové alebo molekulové hmotnosti zaokrúhlia na najbližšiu celú jednotku hmotnosti. Jednotkou náboja v hmotnostnej spektrometrii je elementárny náboj (e = - 1,602⋅10-19 C).

Zariadenie na získavanie hmotnostného spektra sa nazýva hmotnostný spektrometer (obr.57).



Skladá sa z týchto častí: a) napúšťacie zariadenie, b) iónový zdroj, c) urýchľovač,

d) separátor, e) detektor, f) vákuový systém.

Obr. 57 Schéma hmotnostného spektrometra s dvojitou fokusáciou

Napúšťacie zariadenie

Napúšťacie zariadenie umožňuje vstup najrôznejším vzorkám (plynné, kvapalné) do spektrometra, kde sa vykonáva analýza v plynnom stave pri veľmi nízkom tlaku. Zariadenie často umožňuje aj priame pripojenie na výstup z kolóny plynového chromatografu, pričom sa analyzujú separované zložky sústavy.

Iónový zdroj, ionizácia a druhy iónov

Iónový zdroj ionizuje vzorku, ktorá sa nachádza vo vákuu 10-5 až 10-5 Pa. Najčastejším spôsobom ionizácie je nárazová ionizácia, pri ktorej sa molekula ionizuje nárazom elektrónov s energiou 10 až 70 eV. Nárazové elektróny sa generujú na rozžeravenej katóde a potrebnú energiu dostávajú v elektrickom poli medzi katódou a anódou. Nárazovou ionizáciou sa vyrazí väčšinou jeden elektrón (ionizačná energia býva približne 10 eV) a vznikne iónový radikál zvaný molekulový ión

M + e- = M++ 2e-


Ak má molekulový ión M+ nadbytok energie, môže nastať jeho fragmentácia pri vzniku fragmentových iónov (M - X)+, kde X je neutrálny radikál alebo molekula. Tieto ióny alebo iónové radikály sa nerozložia ani po 100 μs od svojho vzniku a prejavia sa v spektre ostrými píkmi.

Ak sa ióny rozkladajú v intervale 1 až 100 μs, teda už v urýchľovacom a separačnom systéme, prejavia sa na spektre difúznymi maximami. Nazývajú sa metastabilné ióny.

Okrem týchto iónov sa v iónovom zdroji tvoria aj tzv. izotopické ióny sprevádzajúce molekulové i fragmentové ióny v spektre. Sú to ióny s hmotnosťami o niekoľko hmotnostných jednotiek väčšími než napr. molekulový ión (M + 1, M + 2, ...), pretože obsahujú tažšie izotopy. V zlúčeninách C, H, N a O majú malú relatívnu intenzitu, pretože prirodzené zastúpenie ich ťažších izotopov je malé.

V malej miere vznikajú v iónovom zdroji aj viacnásobne nabité ióny (M2+), Stupeň fragmentácie sa mení so zmenou energie ionizujúcich elektrónov. Pri energiách nad 50 eV menia sa iónové prúdy v spektre už len v malej miere, preto sa spektrá určené na charakterizáciu látok zvyčajne snímajú pri vyšších energiách nárazových elektrónov.

Niekedy sa v iónovom zdroji využíva chemická ionizácia. Pri nej sa nárazovo ionizuje tzv. reakčný plyn, privádzaný so vzorkou vo veľkom nadbytku. Ak sa ako reakčný plyn použije metán, reaguje nárazovou ionizáciou vzniknutý molekulový ión CH4

+ s CH4 za vzniku CH3 a stabilnejších iónov CH5

+ a C2H5+. Tieto ióny potom ionizujú analyzovanú látku (M), tvoria sa

aduktové ióny (M + H)+, (M + CH5)+ a (M + C2H5)+, alebo sa odštiepi H (M - 1). Hmotnostné spektrá získané chemickou ionizáciou sa veľmi odlišujú od spektier s nárazovou ionizáciou. Využívajú sa najmä pri analýze termolabilných látok.

Urýchľovač

Vytvorené ióny sa urýchľujú v elektrickom poli s potenciálom U tvorenom systémom mriežok. Ióny s rôznou hmotnosťou (m) v ňom nadobúdajú rôznu rýchlosť.

Separátor

Tok iónov s rôznou rýchlosťou vstupuje do magnetického poľa s indukciou B. Siločiary poľa sú kolmé na smer toku iónov a ióny sa vychýlia do kruhovej dráhy. Každej hodnote m/z zodpovedá iný polomer zakrivenia

22

2m B rz U=

Tým sa dosahuje rozlíšenie jednotlivých m/z. V praxi sa rozlíšenie dosahuje zmenou indukcie magnetického poľa. Zakrivenie dráhy frakcie m/z bude práve vhodné, aby prešla štrbinou pred detektorom pri určitej indukcii magnetického poľa (obr. 57). Iná frakcia bude vyžadovať inú indukciu. Celé spektrum sa teda sníma plynulým menením indukcie magnetického poľa.

Rozlišovacia schopnosť (obr. 58) je definovaná ako maximálna hodnota podielu M1/(M2 - M1) (M1 a M2 sú hmotnosti zodpovedajúce píkom rozlišovaných iónov), pri ktorej sú zodpovedajúce píky ešte na 90 % rozlíšené (prekrývajú sa na 10 %). Bežné spektrometre majú rozlišovaciu schopnosť približne 1000. Umožňujú určiť hmotnosť s presnosťou na 1 jednotku hmotnosti, t. j. určuje sa iba hmotnostné číslo iónu. V snahe dosiahnuť vysokú rozlišovaciu schopnosť umiestňuje sa pred magnetické pole elektrostatický sektor (obr. 57). Geometria a parametre sa volia tak, aby sa ióny s rovnakým podielom m/z, ale s rôznou začiatočnou



rýchlosťou prípadne smerom, usmernili do jedného bodu. Tým sa zvýši rozlišovacia schopnosť prístroja na 50 000, alebo aj viac. Takéto spektrometre poskytujú relatívne hmotnosti atómov, atómových skupín a molekúl s presnosťou na niekoľko desatinných miest. Sú známe aj iné spôsoby separácie a fokusácie prúdu iónov - cykloidálny, preletový, vysokofrekvenčný, kvadrupólový atd. V praxi sa však používajú zriedkavejšie.

Obr. 58 Rozlišovacia schopnosť hmotnostného spektrometra

Detektor

Detektor spracúva pomerne veľmi slabý iónový prúd, ktorý predstavuje elektrický prúd asi 10-14 A. Používa sa na to elektrónový násobič, ktorý zosilní signál pred registráciou až 108 - krát.

Vákuový systém

Vákuový systém je určený na zabezpečenie hlbokého vákua v celom spektrometri. Extrémne nízky tlak, pri ktorom sa pracuje, zabezpečuje vznik iónov výhradne unimolekulovým mechanizmom (so vzájomnými zrážkami častíc netreba v prvom priblížení rátať). 3.13.2. Identifikácia a charakterizácia látok hmotnostným spektrom

Hmotnostné spektrá sa používajú pri identifikácii látok, v štruktúrnej analýze, ako aj v kvantitatívnej analýze.

Záznam hmotnostného spektra sa zvyčajne spracuje tak, že sa prevedie do normovanej podoby a iónové prúdy jednotlivých píkov sa vyjadria v percentách výšky najintenzívnejšieho píku spektra, ktorý sa nazýva základný pík. V normovanom spektre sú píky nahradené čiarami kolmými na os m/z, ktorých výška udáva relatívnu intenzitu v percentách (základný pík má relatívnu intenzitu 100 %). Príklad takto upraveného normovaného spektra ω-butenylbenzoátu je na obr. 59. Spektrálne údaje sú v tab. 10.



Obr. 59 Hmotnostné spektrum ω-butenylbenzoátu

Použitie pri identifikácii a charakterizácii látok je založené na odlišnosti hmotnostného

spektra pre rôzne látky. To sa týka aj molekúl príbuzných štruktúrou, prípadne izomérov, ktorých molekulový ión má rovnaké hmotnostné číslo.

Väčšinou maximá s najväčšou hodnotou m/z zodpovedajú molekulovým iónom, z ktorých možno určiť molovú hmotnosť látky. Molekulový ión sa odlíši od fragmentových pri zmene energie nárazových elektrónov. Pri jej znížení rastie pík molekulových iónov a píky fragmentových iónov klesajú.

Z hľadiska identifikácie molekuly je veľmi dôležitý údaj molovej hmotnosti z hmotnostného spektra, ktorá sa stanoví z hodnoty m/z molekulového iónu po jeho identifikácii. Ďalším závažným údajom je sumárny vzorec, ktorý možno stanoviť na základe relatívnej intenzity izotopických iónov, alebo na základe presného určenia molovej hmotnosti. Prvá metóda je založená na skutočnosti, že relatívne intenzity píkov izotopických iónov závisia od sumárneho (molekulového) vzorca sledovanej látky. Percentuálne zastúpenie napr. izotopického píku (M + 1) molekuly CaHbOcNd je dané ako súčet (1,107a + 0,015b + 0,037c + 0,366d) %. Pre ión (M + 2) je to hodnota [0,006(a - 1)a + 0,002ab + 0,004ad + 0,20c] %. Číselné koeficienty vyplývajú z prirodzeného relatívneho zastúpenia ťažších nuklidov. Posúdením nameranej hodnoty percentuálneho zastúpenia izotopického píku možno získať sumárny vzorec. V literatúre sú uvedené tabuľky zastúpenia izotopických píkov (M + 1) a (M + 2) pre rôzne kombinácie prvkov C, H, N, O pre hmotnostné čísla až do 500 (Beynonové tabuľky). Ako príklad sa v tab. 11 uvádza percentuálne zastúpenie píkov ťažších izotopov zodpovedajúcich píku hmotnostného čísla 176 (molekulový alebo fragmentový ión). Hľadá sa vzorec molekuly alebo fragmentu, ktorého elementárne zloženie najviac zodpovedá zo spektra nájdenému zastúpeniu ťažších izotopov. Prítomnosť atómov iných než C, H, N a O v molekule, napr. Cl, Br, S, Si, sa ukáže nezvyčajným zastúpením iónov s vyšším príspevkom ťažších izotopov vyplývajúcich z výrazne odlišného izotopického zloženia týchto prvkov. Prítomnosť týchto prvkov spolu s inými, ktoré sa môžu vyskytnúť v organickej molekule (P, F, I), možno detegovať aj z nezvyčajných rozdielov medzi niektorými fragmentovými iónmi v spektre. Iný spôsob zistenia sumárneho (molekulového) vzorca je veľmi presné stanovenie molovej hmotnosti, napr. molekulového iónu. Látky s rôznym prvkovým zložením sa líšia v zlomkoch



Tabuľka 10 Hmotnostné spektrum ω-butenylbenzoátu a jeho interpretácia

(desatinných miestach) svojich molových hmotností (tab. 11). Napríklad medzi molovou hmotnosťou uhľovodíkov C13H20 a C14H8, ktorých hmotnostné číslo je 176 je rozdiel 0,094, t.j. rozdiel medzi molovou hmotnosťou jedného uhlíka a 12 vodíkov. Presne stanovená molová



hmotnosť môže rozhodnúť medzi týmito sumárnymi (molekulovými) vzorcami. Vyžaduje sa však spektrometer s vysokou rozlišovacou schopnosťou.

Pri zistení správneho molekulového vzorca možno využiť aj tzv. dusíkové pravidlo, podľa ktorého nepárne hmotnostné číslo molekulového iónu indikuje prítomnosť nepárneho počtu atómov dusíka v molekule. Zlúčeniny C, H, O, S, Si, P a halogénov majú párne hmotnostné číslo. 3.13.3. Analýza štruktúry

Určenie štruktúry molekuly z hmotnostného spektra vyžaduje špeciálne znalosti o tom, ako sa jednotlivé typy zlúčenín po nárazovej ionizácii fragmentujú. Ak sa hmotnostné spektrum používa na štruktúrnu analýzu spolu s molekulovými spektrami analyzovanej vzorky (NMR, IR, Ramamovo, UV), postačujú niekedy aj znalosti všeobecných zásad štiepenia molekúl.

Termodynamicky stále zlúčeniny (benzén, naftalén) zvyčajne poskytujú intenzívny molekulový ión, kým menej stále zlúčeniny ľahko fragmentujú s odštiepením nenabitých častíc a molekulový ión je málo intenzívny.

Zo sumárneho vzorca možno určiť počet dvojitých väzieb a kruhov v štruktúre. Pre molekulu CaHbOcNd je to 0,5⋅(2a - b + d + 2).

Fragmentácia prebieha zvyčajne homolytickým spôsobom. Prejavuje sa tendencia tvorby termodynamicky stálych produktov. Vzniknuté ióny sú radikálové alebo neradikálové a sú charakteristické pre danú molekulu. Malá zmena štruktúry (napr. substitúcia benzénu) sa často veľmi výrazne prejavuje v rozpadovom obrazci.

Pri praktickom interpretovaní hmotnostných spektier, resp. pri ich využití na určenie štruktúry štúdiom fragmentácie sa často využívajú tabuľky charakteristických fragmentových iónov pre jednotlivé štruktúrne typy, ktoré bývajú zoradené podľa stúpajúceho m/z.

Na druhej strane je užitočné poznať aj neutrálne fragmenty, ktoré v hmotnostnom spektre zodpovedajú rozdielom hmotnostných čísel fragmentových a molekulových iónov. Aj tieto rozdiely bývajú typické pre určité štruktúrne typy.

Postup interpretácie hmotnostného spektra ω-butenylbenzoátu (obr. 59) je stručne uvedený v tab. 10. 3.13.4. Kvantitatívna a kvalitatívna analýza viaczložkových sústav

Použitie hmotnostnej spektrometrie na kvantitatívnu analýzu viaclozložkových vzoriek je principiálne zhodné so spôsobom využitia elektrónových alebo vibračných spektier. Vychádza z poznania spektier čistých látok a volia sa také m/z, pri ktorých sa jednotlivé analyzované zložky, čo možno najviac líšia v relatívnej intenzite. Je zrejmé, že najvýhodnejšie sú monokomponentné píky, ktorých výška závisí od jednej zložky. Koeficient úmernosti medzi intenzitou píku a parciálnym tlakom plynnej zložky (citlivosť) sa stanovuje empiricky. Na to treba mať k dispozícii referenčné materiály.




Tabuľka 11 Percentuálne zastúpenie píkov s príspevkom ťažkých izotopov pre pík hmotnostného čísla 176 (100%)

empirický

vzorec relatívna hmotnosť

M + 1 (%)

M + 2 (%)

empirický vzorec

relatívna hmotnosť

M + 1 (%)

M + 2 (%)

C6H12N2O4 176,1359 7,595 10,538 C9H10N3O 176,1387 11,069 7,583

C6H14N3O3 176,1597 7,969 8,817 C9H12N4 176,1625 11,443 5,993

C6H16N4O2 176,1836 8,344 7,111 C9H20O3 176,1975 10,163 10,652

C7H2N3O3 176,0658 8,858 9,507 C10H8O3 176,1036 11,051 11,537

C7H4N4O2 176,0897 9,232 7,833 C10H10NO2 176,1274 11,426 9,946

C7H14NO4 176,1485 8,326 11,069 C10H12N2O 176,1513 11,800 8,368

C7H16N2O3 176,1723 8.700 9,376 C10H14N3 176,1758 12,174 6,805

C7H18N3O2 176,1962 9,075 7,696 C11H2N3 176,0812 13,068 7,868

C7H20N4O 176,2200 9,449 6,031 C11H12O2 176,1400 12,157 10,756

C8H2NO4 176,0546 9,215 11,790 C11H14NO 176,1639 12,531 9,207

C8H4N2O3 176,0784 9,589 10,130 C11H16N2 176,1877 12,906 7,671

C8H6N3O2 176,1023 9,963 8,484 C12H2NO 176,0700 13,420 10,301

C8H8N4O 176,1261 10,338 6,852 C12H4N2 176,0938 13,794 8,799

C8H16O4 176,1611 9,057 11,653 C12H16O 176,1764 13,262 10,098

C8H18NO3 176,1849 9,432 9,987 C12H18N 176,2003 13,637 8,590

C8H20N2O2 176,2088 9,806 8,335 C13H4O 176,0826 14,151 11,258

C9H4O4 176,0672 9,946 12,439 C13H6N 176,1064 14,525 9,783

C9H6NO3 176,0910 10,320 10,809 C13H20 176,2129 14,368 9,563

C9H8N2O2 176,1149 10,695 9,188 C14H8 176,1190 15,256 10,820


Vo všeobecnosti sa meria minimálne pri toľkých m/z, koľko zložiek systému sa analy-zuje. Podobne ako v elektrónovej spektrometriizostaví sa systém n lineárnych rovníc s n mera-niami intenzity signálu. Každá z týchto rovníc vyjadruje aditivitu signálu viaczložkovej vzorky.

Riešenie systému takýchto lineárnych rovníc, t.j. určenie parciálnych tlakov zložiek zmesi je pre viaczložkovú sústavu zložité. Výhodne sa používa počítač. Charakter hmotnostného spektra umožňuje analýzu sústav s 30 i viacerými zložkami bez predbežnej separácie. Pri analýze zmesí uhľovodíkov možno analyzovať zložku až do 0,001 molových percent.

Z hľadiska analýzy viaczložkových sústav je veľmi významné spojenie hmotnostnej spektrometrie s plynovou chromatografiou. Upravené napúšťacie zariadenie hmotnostného spektrometra vedie zložky do iónového zdroja, ktorý je vybavený elektrónovo ionizačným detektorom zložiek oddelených na kolóne chromatografu. Detektor zabezpečuje, že registrácia hmotnostného spektra vytekajúcej zložky prebieha v okamihu jej najvyššej koncentrácie. Najväčšou výhodou kombinácie plynového chromatografu (GC) a hmotnostného spektrometra (MS) - GC/MS sú menšie nároky na referenčné materiály. Zariadenie sa výhodne používa na analýzu zložitých prírodných i syntetických organických vzoriek, ako aj biologických materiálov.

Iné spojenie separačnej techniky s hmotnostnou spektrometriou je kombinácia kvapalinovej chromatografie (LC) a hmotnostnej spektrometrie LC/MS. Využila sa doteraz najmä na analýzu biologicky dôležitých látok v zmesiach.


využitie elektromagnetického žiarenia v chémii · g) otáčanie roviny polarizovaného...

Documents