Věra Bártová, Štefan Štanga ED-XRF: účinný nástroj pro stanovení prvkového složení (nejen) nově syntetizovaných organických látek Stanislava Matějková Věra Bártová, Štefan Štanga ÚOCHB AV ČR, v.v.i, Praha

Proč XRF na ÚOCHB AV ČR Výhody metody Instrumentace Vývoj metodik Výsledky měření Další možnosti použití Závěr

Elementární analýza na ÚOCHB Analytická laboratoř – interní servisní pracoviště ústavu, který se mj. zabývá vývojem organických sloučenin pro různé praktické aplikace (medicinální, nanotechnologie...), případně využitím látek izolovaných z přírodních materiálů Různá stanovení + ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA – důležitá charakteristika nové látky, ukazatel čistoty (důležité např. pro testování biologické aktivity sloučenin) Určování prvkového složení nejrůznějších typů organických látek izolovaných z přírodních zdrojů nebo syntetizovaných „de novo“, sledování průběhu reakcí v jednotlivých krocích. Dosavadní vybavení umožnovalo stanovení prvků CHN Analytická laboratoř ÚOCHB AV ČR je interním servisním pracovištěm ústavu a kromě dalších služeb a stanovení je hlavní náplní práce určování elementárního složení na ústavu nově syntetizovaných látek. Stanovení obsahu C, H a N se provádí pomocí automatického analyzátoru Perkin Elmer, na jednu analýzu je potřeba cca 2 mg látky, dále se prováděla titrační stanovení P, S, Cl. Br a I po mineralizaci vzorků. V srpnu roku 2008 byl do laboratoře Analytické chemie pořízen simultánní energiově-disperzní rentgenový fluorescenční analyzátor SPECTRO iQ II (SPECTRO Analytical Instruments, SRN, 2008).

Elementární analýza na ÚOCHB Různé typy látek (analoga nukleotidů, steroidy, organokovy, heliceny… ) Obvykle neznámá struktura i celkové prvkové složení. Vzorky jsou produktem experimentálních syntéz – často velmi odlišné výsledky od předpokládaného složení v důsledku jiného průběhu reakcí nebo nedokonalého čištění produktu Často velmi malá množství látky pro analýzu (jednotky mg) Určování prvkového složení nejrůznějších typů organických látek izolovaných z přírodních zdrojů nebo syntetizovaných „de novo“, sledování průběhu reakcí v jednotlivých krocích. Dosavadní vybavení umožnovalo stanovení prvků CHN Analytická laboratoř ÚOCHB AV ČR je interním servisním pracovištěm ústavu a kromě dalších služeb a stanovení je hlavní náplní práce určování elementárního složení na ústavu nově syntetizovaných látek. Stanovení obsahu C, H a N se provádí pomocí automatického analyzátoru Perkin Elmer, na jednu analýzu je potřeba cca 2 mg látky, dále se prováděla titrační stanovení P, S, Cl. Br a I po mineralizaci vzorků. V srpnu roku 2008 byl do laboratoře Analytické chemie pořízen simultánní energiově-disperzní rentgenový fluorescenční analyzátor SPECTRO iQ II (SPECTRO Analytical Instruments, SRN, 2008).

Elementární analýza na ÚOCHB Určování prvkového složení nejrůznějších typů organických látek izolovaných z přírodních zdrojů nebo syntetizovaných „de novo“, sledování průběhu reakcí v jednotlivých krocích. Dosavadní vybavení umožnovalo stanovení prvků CHN Analytická laboratoř ÚOCHB AV ČR je interním servisním pracovištěm ústavu a kromě dalších služeb a stanovení je hlavní náplní práce určování elementárního složení na ústavu nově syntetizovaných látek. Stanovení obsahu C, H a N se provádí pomocí automatického analyzátoru Perkin Elmer, na jednu analýzu je potřeba cca 2 mg látky, dále se prováděla titrační stanovení P, S, Cl. Br a I po mineralizaci vzorků. V srpnu roku 2008 byl do laboratoře Analytické chemie pořízen simultánní energiově-disperzní rentgenový fluorescenční analyzátor SPECTRO iQ II (SPECTRO Analytical Instruments, SRN, 2008). Příklady reálných vzorků k analýze

Elementární analýza na ÚOCHB (v době předrentgenové) CHN – automatický analyzátor PE (2mg/analýzu) F – pomocí ISE (1 – 3mg/analýzu) Další prvky: P, S, Cl, Br, I – klasické stanovení (mineralizace a titrace) Výhody – bezkalibrační Nevýhody – pouze předem určené prvky, velká spotřeba vzorku (5 – 15mg/1 prvek), pracné, nelze stanovovat za přítomnosti rušivých prvků Požadovaná správnost stanovení ±0,3 resp. 0,4 % vychází z publikačních požadavků Určování prvkového složení nejrůznějších typů organických látek izolovaných z přírodních zdrojů nebo syntetizovaných „de novo“, sledování průběhu reakcí v jednotlivých krocích. Dosavadní vybavení umožnovalo stanovení prvků CHN Analytická laboratoř ÚOCHB AV ČR je interním servisním pracovištěm ústavu a kromě dalších služeb a stanovení je hlavní náplní práce určování elementárního složení na ústavu nově syntetizovaných látek. Stanovení obsahu C, H a N se provádí pomocí automatického analyzátoru Perkin Elmer, na jednu analýzu je potřeba cca 2 mg látky, dále se prováděla titrační stanovení P, S, Cl. Br a I po mineralizaci vzorků. V srpnu roku 2008 byl do laboratoře Analytické chemie pořízen simultánní energiově-disperzní rentgenový fluorescenční analyzátor SPECTRO iQ II (SPECTRO Analytical Instruments, SRN, 2008).

Elementární analýza na ÚOCHB Hledání jiného způsobu stanovení, který by snížil spotřebu vzorku nahradil klasický časově i materiálově náročný způsob stanovení P, S, Cl, Br a I rozšířil škálu stanovovaných prvků umožnil „vidět“ a následně stanovit i nepředpokládané prvky i z minimálního množství vzorku byl finančně dostupný: ED-XRF

Výhody ED-XRF Metoda je „nedestruktivní“, vzorek lze po stanovení případně dále zpracovávat, jednodušší (nebo žádná) příprava vzorku Dostatečně citlivá – možno snížit navážku na cca 1 – 5 mg při zachování požadované správnosti stanovení Umožňuje současné stanovení všech prvků z jednou připraveného vzorku Kvalitativní – přímo Kvantitativní – po kalibraci ve stanovené matrici

Instrumentace Stolní energio-disperzní RTG fluorescenční spektrometr SPECTRO iQ II (SPECTRO Analytical Instruments, SRN), instalován v srpnu 2008

Princip a konstrukce Spectro iQ Nízkovýkonová 50W rentgenka s Pd anodou chlazená vzduchem Speciální optika s polarizací budicího záření pro potlačení šumu a lepší citlivost především u lehkých prvků He proplach Si-drift detektor chlazený Peltierovým jevem Těsné a pevné uspořádání měřicího prostoru

Princip a konstrukce Spectro iQ Přístroj má jednomístný držák kyvet v měřicím prostoru, neměnné umístění kyvety zvyšuje citlivost a stabilitu měření. Při charakteru analyzovaných vzorků nelze používat autosampler – po vyhodnocení prvého spektra vzorku je někdy potřeba upravovat další postup, např. volit metodu pro kvantitativní měření jiného prvku Pevný držák kyvety bez rotace vzorku během měření – při měření v roztoku jako homogenním prostředí není potřeba, menší riziko poškození přístroje

Princip a konstrukce Spectro iQ ED-XRF spektrometr umožňuje kvalitativní analýzu různých typů látek s prvkovým složením Na – U (kromě radioaktivních prvků a plynů) s dostatečným rozlišením i u lehkých prvků (LOD většinou jednotky ppm) kvantitativní analýzu u stanovitelných prvků po provedených kalibracích v dané matrici/roztocích i v případě nerozpustnosti látky rychle a jednoduše získat informaci o kvalitativním složení a tak rozhodnout o dalším postupu, např. stanovení titrační metodou nebo použití ICP-OES včetně volby optimální přípravy vzorku a matrice

Vývoj metodik Obecné podmínky analýz Příprava vzorků Parametry měření Proměření/ukázky kalibračních závislostí Analýza směsných vzorků Výsledky měření

Obecné podmínky analýz Podmínky provádění analýz při zachování požadované správnosti kvantitativního stanovení: Měření ve zředěných roztocích – homogenní prostředí, stabilní „lehká“ matrice se známým složením, minimalizace efektu meziprvkového ovlivnění stanovovaných elementů Vážení na přesných vahách Pečlivé udržování čistoty přístroje a veškerých pomůcek Opakované měření připraveného vzorku a výpočet finální koncentrace z aritmetického průměru naměřených hodnot

Příprava vzorků / standardů Základní matrice pro kalibrace: metanol Relativně univerzální rozpouštědlo pro řadu organických látek (v našich podmínkách cca 95%), popř. po mírné úpravě (zahřátí, ultrazvuk, okyselení resp. alkalizace, příp. přidání malého množství jiného rozpouštědla nerušícího stanovení tak aby se nezměnilo prvkové složení matrice o více než 0,5%) Dostatečně stabilní, relativně málo těkavý, neagresivní vůči přístroji Z hlediska rentgenové fluorescence lehká matrice

Podmínky měření Metody pro měření lehkých prvků (Na – Ti, K-čáry), resp. těžších na L-(M-) čarách: Pracovní podmínky rentgenky 25kV, 1mA Proplach He 80l/h, doba jednotlivého měření 180s, Metody pro těžší prvky: Pracovní podmínky rentgenky 48kV, 0,52mA K- resp. L-čáry pro nejtěžší prvky (Hf – U) Vyhodnocování metodou fundamentálních parametrů nebo empiricky (Lucas-Tooth)

Kalibrační závislosti Kalibrační roztoky se připravují v laboratoři za použití čistých organických sloučenin s ověřeným prvkovým složením používaných jako standardy, spíše výjimečně s použitím komerčně dostupných standardů Kalibrační roztoky jsou uchovávány ve speciálních dokonale těsnících vialkách s teflonovou vložkou ve víčku, dlouhodobě stabilní (min. 12 měsíců)

Kalibrační závislosti Kalibrační závislosti v metanolu pro stanovované prvky jsou obvykle v rozsahu 0 – 300 ppm. Koncentrace stanovovaných prvků ve výchozích standardech i vzorcích se pohybují v řádu jednotek až desítek % Pro stanovení některých prvků byly vytvořeny kalibrace ve směsném prostředí MeOH/voda (S a Cl) případně ve vodě (Ni, Cu, Zn, Au, Pt) v obdobném rozsahu, pro stanovení Al v prostředí olej/toluen v rozsahu (0 – 5000ppm) Při těchto koncentracích by dle literatury nemělo docházet k meziprvkovému ovlivnění

Kalibrační závislosti Kalibrační spektra pro Au v MeOH, 0 – 200 ppm Au Au 200ppm Au 150ppm Au 100ppm Au 50 ppm Au blank

Kalibrační závislosti Kalibrace pro síru 10 koncentrací: 0 – 150 ppm

Kalibrační závislosti Kalibrace pro brom 11 koncentrací: 0 – 200 ppm

Příprava vzorků Navážka obvykle 1 - 3 mg vzorku do vialky diferenčně na mikrovahách s přesností na tisíciny mg

Příprava vzorků Přidání 5 ml metanolu – váženo na analytických vahách s přesností na setiny mg (u tekutých, těkavých nebo mazlavých vzorků se látka naváží do malého skleněného kelímku a umístí do vialky s předváženým metanolem)

Příprava vzorků Kapalinová kyveta s 4μm prolenovou folií (v prostředí toluenu apod. 2,5μm mylarová folie), u agresivních látek ochranný mikrofilm pod víčkem kyvety

Příprava vzorků Do kyvety se naváží 3g roztoku vzorku, zavíčkuje a v držáku kyvet s ochrannou 4μm prolenovou folií umístí do měřicího prostoru

Měření vzorků Spektra směsných vzorků Měřeno při napětí 25kV P+S+Cl+Br+I Měřeno při napětí 25kV

Měření vzorků Spektra směsných vzorků P+S+Cl+Br+I Měřeno při napětí 48kV

Měření vzorků Výsledky měření směsných vzorků (5 opakovaných měření jednou připraveného vzorku) Prvek Průměr naměřených koncentrací, ppm Přepočtený obsah prvku v látce % Teoretický obsah prvku v látce Diference přepočteného a teoretického obsahu P 65,56 12,07 11,81 + 0,26 S 106,78 17,51 0,00 Cl 143,54 22,56 22,65 - 0,09 Br 170,73 37,30 37,33 - 0,03 I 254,88 51,34 51,17 + 0,17

Měření vzorků Srovnání titračních stanovení a ED-XRF (nároky na čas a množství vzorku) Prvek Průměrná navážka vzorku, mg Trvání celého stanovení pro pevný vzorek, min P 8 100 S 6 40 Cl 10 Br 15 I 45 RFA - P,S,Cl, Br, I a další prvky… 1 - 5 25 - 60 29

Opakovatelnost a správnost měření Měření vzorků Opakovatelnost a správnost měření Test vlivu doby měření na výsledek: po době odpovídající minimálně 10-ti násobku doby běžného měření nebyl pozorován významný rozdíl (odchylka ±0,2% od průměru) průměrná hodnota 30

Měření vzorků Opakovatelnost a správnost měření („těžký prvek“) Stanovení Br (kyselina p-brombenzoová, 39,75% Br) tolerovaná odchylka od teorie teorie průměr XRF průměr titrace obsah Br, % tolerovaná odchylka od teorie číslo opakovaného vzorku, n, 5x opakované měření vzorku 31

Měření vzorků Opakovatelnost a správnost měření („lehký prvek“) Stanovení Cl (reálný vzorek, předpoklad 33,49% Cl) tolerovaná odchylka od teorie teorie průměr titrace průměr XRF tolerovaná odchylka od teorie obsah Cl, % číslo opakovaného vzorku, n 32

Vliv změny matrice na stanovení Cl Měření vzorků Vliv změny matrice na stanovení Cl přídavek kyseliny dusičné – pro zlepšení rozpustnosti u některých látek, přídavek 1 kapka = cca 30 mg (Jednotlivě připravované vzorky, každý měřen 5x před a po přidání HNO3) VZOREK VZOREK + HNO3 33

Souhrn Výhody ED-XRF: v rutinních případech rychlá jednoduchá analýza s minimální spotřebou vzorku, odpadá mineralizace a manipulace s jedovatými titračními činidly Umožňuje simultánní zobrazení a identifikaci všech přítomných prvků „viditelných“ pomocí ED-XRF včetně neočekávaných, výrazně větší rozsah stanovitelných prvků, více informací pro syntetické chemiky U složitých případů umožňuje použití ED-XRF téměř „detektivní odhalení“ složení popř. v kombinaci s ICP-OES a dalšími metodami elementární analýzy a výsledky strukturních metod

Souhrn Původně v laboratoři stanovované prvky: Automatický analyzátor PE Klasická titrace ISE elektroda

Souhrn Prvky stanovované v laboratoři po vybavení ED-XRF: Automatický analyzátor PE Klasická titrace ISE elektroda ED-XRF kvantitativní ED-XRF kvalitativní

Možnosti kvalitativního stanovení Metoda umožňuje simultánní identifikaci prvků v měřitelném rozsahu v podstatě z jakéhokoliv materiálu i ve velmi malém množství umístěném na střed kyvety

Možnosti kvalitativního stanovení Příklad identifikace složení kousku drátu (Pt) a způsobu orientačního měření většího odlitku pomocí otěru na čistý smirek

Možnosti kvalitativního stanovení Spektrum kousku drátu, měřeno při napětí 48 keV, proud 0,5 mA, čas měření 50 s, materiál identifikován jako Pt

Možnosti kvalitativního stanovení Umístění pevného vzorku v kyvetě v měřícím prostoru

Závěr

Závěr Možné problémy: vzhledem k citlivosti přístroje je nutné pečlivé dodržování čistoty – v našich podmínkách možná kontaminace S, prachem aj. Pro kvantitativní analýzu vyvinutou metodou je nutná rozpustnost v použitelném rozpouštědle Získávání dostatečně čistých a chemicky i fyzikálně stabilních látek pro přípravu standardů Umístění přístroje v mechanicky i elektromagneticky stabilním prostředí Principiální omezenost metody – „nevidí“ nejlehčí prvky, interference čar Interpretace složitějších spekter – artefaktové jevy

Příklad Látka s předpokládaným složením: C 32% H 1% N 5% Br 52%, struktura potvrzena MS a NMR ! Výsledek opakované CHN-analýzy: C 0,8% H 0,05% N 0,2% ?! ED-XRF: pro nerozpustnost pouze kvalitativní analýza – stopy Br, ale majoritní S Použití nevhodného redukčního činidla během reakčního postupu – ve vzorku převažuje elementární síra (cca 98%) Strukturně potvrzené látky je velmi malý podíl!

Ing. Petr Kolečkář, SPECTRO CS Poděkování: UOCHB AV ČR v.v.i. Ing. Petr Kolečkář, SPECTRO CS a Vám za pozornost…

Ing. Petr Kolečkář, SPECTRO CS Poděkování: UOCHB AV ČR v.v.i. Ing. Petr Kolečkář, SPECTRO CS a Vám za pozornost…