Optické metody.

Prezentace na téma: "Optické metody."— Transkript prezentace:

1 Optické metody

2 Optické metody Obsah přednášky
Základy Elektromagnetické vlnění Základy instrumentace AES, AAS Luminiscenční metody XRFS

3 Optické metody Základy
Spektrální metody Měření jevů, ke kterým dochází při interakci látky s elektromagnetickým vlněním (zářením)

4 Optické metody Základy
I0, I – intenzity I0 = I nedošlo k interakci Snížení intenzity (I < I0) – absorpce, odraz, rozptyl

5 Optické metody Základy
Elektromagnetické vlnění

6 Optické metody Základy
E = h.n n – kmitočet (frekvence) h – Planckova konstanta

7 Optické metody Základy – interakce záření
DE = E2 – E1 = hn E1 < E2 – absorpce E1 > E2 – emise

8 Optické metody Interakce záření s hmotou
Absorpce Emise Fotoluminiscence Rozptyl Lom Polarizace

9 Optické metody Spektrum
Závislost intenzity měřené veličiny na vlnové délce, vlnočtu nebo energii záření. Intenzita ovlivněna absorpcí, odrazem, rozptylem… Čím nižší vlnová délka, tím vyšší energie

10 Optické metody Obecná instrumentace

11 Optické metody Prvky monochromátoru
Mřížka Hranol Littrowův hranol Interferometry

12 Optické metody Rozdělení
Zkoumaná látka pouze ovlivňuje procházející záření (nedochází k výměně energie) Změna rychlosti – index lomu – refraktometrie Změna otáčení roviny polarizovaného světla – polarimetrie Rozptyl světla částicemi – turbidimetrie, nefelometrie Optické metody spektrální – dochází k výměně energie Absorpce – absorpční metody Emise – emisní metody

13 Optické metody Rozdělení
Molekulová spektroskopie Interakce molekul se zářením IR – interakce vazeb UV-VIS – interakce elektronů v molekulách Atomové spektroskopie Interakce atomů se zářením AAS – atomová absorpční spektroskopie AES – atomová emisní spektrometrie

14 Atomová emisní spetrometrie (AES)
Analyt musí být atomizován (převeden do atomárního stavu) Měření intenzity na určitých vlnových délkách Čárová spektra Nejintenzivnější čáry Princip: Převedení vzorku do atomárního stavu, excitace valenčních elektronů  návrat na nižší energetickou hladinu  Emisní spektrum

15 AES Spektrum Spektrální čáry Rezonanční čáry – nejintenzivnější
Vlnová délka – přítomnost prvku Intenzita – kvantitativní zastoupení prvku Počet čar závisí na počtu valenčních elektronů Desítky až tisíce čar Rezonanční čáry – nejintenzivnější Použití k analýzám Při AAS vykazují nejvyšší absorbanci

16 AES Zdroje budící energie
Chemický plamen – K Elektrické zdroje Oblouk – K Jiskra – K ICP – indukčně vázaná plasma – x0 000 K Rychlé, energeticky náročné, i pro velmi nízké koncentrace GD – Doutnavý výboj – kovy – Ar plasma

17 AES Detekce Fotografická deska – spektrogram Fotoelektrický detektor
CCD Fotonásobič

18 AES Metodika analýzy Lomakinův vztah Il = a.b.c Kalibrace Standardy
Srovnání intenzit čar Podobné a známé složení a fyzický stav – matrice Kvalita – nejméně 3 čáry se musejí shodovat Il – intenzita spektrální čáry a – zahrnuje složení vzorku, rovnováha mezi koncentrací ve vzorku a v plasmatu b – souvisí s absorpcí záření v plasmatu

19 AES Využití Stanovení všech prvků s různou mezí detekce
Kovy v ocelích, slitinách a rudách Stopová analýza v životním prostředí Výhoda: nepatrná spotřeba vzorku Nevýhoda: meze detekce závisí na způsobu buzení spekter a na matrici vzorku

20 Atomová absorpční spektrometrie - AAS
Analýza v oblasti rezonančních čar Princip Atomizace vzorku  specifická absorpce monochromatického rezonančního záření  excitace valenčních elektronů Rezonanční čáry kovů: 190 – 850 nm Stanovení – hodnota absorbance

21 AAS Instrumentace Zdroj záření – katodová výbojka, váleček z analyzovaného kovu, multiprvkové výbojky Absorpční prostředí – látka v atomárním stavu Monochromátor – disperzní prvek Detektor – fotonásobič, polovodičový detektor

22 AAS Absorpční prostředí
Plamenová technika Prostorově vymezený plyn – plamen Aerosol vnesen do plamene - atomizace 2000 – 3000 K Acetylén + vzduch Acetylén + oxid dusný Nevhodné pro těkavé prvky (Hg) ETA – elektrotermická atomizace Tyčinka s prohlubní z grafitu Vzorek se vnese do prohlubně Žhavení grafitu – atomizace V malém prostoru – lze analyzovat i těkavé látky

23 AAS Využití Výhody Nevýhody Vysoká citlivost
Rychlost a jednoduchost měření Sériové analýzy kovů Nevýhody Nedává informace o vazbě kovu Správnost závisí na správnosti kalibrace

24 AAS Využití Kovové prvky v nízkých koncentracích
Vysoká specifičnost pro 60 prvků Analýzy pitných vod Lékařství – kovy v krvi, moči Potravinářství – kovy v nápojích Geologie, metalurgie Toxikologie a analýza ŽP Hg – těkavá, nelze v plameni

25 AAS/AES Přístroje

26 Luminiscenční metody Fotoluminiscence Chemiluminiscence
Bioluminiscence Termoluminiscence Elektroluminiscence

27 Fotoluminiscenční metody Základy
Emise záření látkou, která předtím záření absorbovala. Ozáření vzorku nejčastěji UV zářením, viditelným zářením, RTG zářením Za vhodných podmínek zpětná emise – luminiscence (stejná nebo delší vlnová délka oproti excitačnímu záření) Návrat látky z excitovaného stavu do základního - relaxace

28 Fotoluminiscenční metody Základy
Způsoby relaxace Vibrační deaktivace – přeměna energie na teplo Emise – energie vyzářená jako foton (luminiscence) Relaxace pomocí fotochemické reakce Preferovaný je přechod, který minimalizuje dobu života excitovaného stavu Nezářivé deaktivace – vibrační relaxace a vnitřní konverze, vnější konverze Zářivé deaktivace – luminiscence

29 Fotoluminiscenční metody
Dělení (foto)luminiscence Fluorescence (10-8 – 10-5 s) Fosforescence (10-2 s – dny) Výtěžek luminiscence k = Eemit/Eabs ≤ 1 Zhášení luminiscence – k < 1 Intramolekulární a intermolekulární pochody Vnitřní konverze Vznik fotosloučenin Intermolekulární pochody – neelastické srážky, vliv rozpouštědla

30 Fotoluminiscenční metody
Luminiscenční spektrum i intenzita luminiscence závisí na rozpouštědle a hodnotě pH K analytickým účelům se používá především luminiscenční spektrum a intenzita luminiscence Luminiscenční spektra: Zředěné plyny - čárová spektra Molekuly sloučenin – pásová spektra

31 Fotoluminiscenční metody
Luminiscenci poskytuje jen málo anorganických sloučenin Fluoreskují především organické sloučeniny a komplexy s kovy Chromoforové skupiny: -N=N-, -CN, aromatické kruhy

32 Fotoluminiscenční metody Aplikace
Kvalitativní analýza Menší využití Např. polycyklické aromáty a velmi podobné molekuly – velmi podobná spektra Kvantitativní analýza Kalibrační křivky Komplexy kovů Organické sloučeniny Proteiny Aminokyseliny

33 Rentgenová fluorescenční analýza - XRFS
Princip: Ozáření vzorku RTG zářením  dodaná energie uvolní elektron z vnitřní slupky atomu  vzniklá vakance se zaplní elektronem z vyšší slupky  vyzáření energie  RTG spektrum

34 XRFS Instrumentace Zdroj záření Dopad na vzorek Detektor Zapisovač
Rentgenová lampa – málo používaná Zářiče – 55Fe, 109Cd – radioizotopové – stálé, vyčerpání v řádu 2 – 3 let, měkké zářiče Dopad na vzorek Vzorek v pevném stavu Detektor Emitované záření Chlazený kapalným dusíkem Zapisovač

35 XRFS Využití Kvalita Kvantita Nejčastěji pro anorganické materiály
Přiřazení určité čáry spektra k určitému prvku Kapalné i pevné vzorky Kvantita Tok záření RTG spektra je úměrný obsahu prvku ve vzorku Kalibrace na standardy Nejčastěji pro anorganické materiály Stanovení středních a velkých obsahů Nevýhoda: výsledek stanovení je silně závislý na povrchové úpravě, homogenitě a matrici vzorku

36 Exkurze do laboratoří Úterý 3. 12. – 3 dvojice
Středa – 3 dvojice Úterý – 2 dvojice Středa – 2 dvojice

37 Pro dnešek vše 