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

Proč XRF na ÚOCHB AV ČR Princip metody Charakteristika ED-XRF Spectro iQ II Vývoj metodik Výsledky měření Souhrn

Elementární analýza na ÚOCHB Analytická laboratoř – interní servisní pracoviště ústavu Různá stanovení + ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA Analýza nově syntetizovaných organických látek, popř. látek izolovaných z přírodních materiálů Různé typy látek, mnohdy neznámá struktura i celkové prvkové složení. Vzorky jsou produktem experimentálních syntéz - neočekávané výsledky 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 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: ED-XRF Metoda je „nedestruktivní“, jednodušší 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

XRF - Princip metody PODSTATA JEVU 1) Ionizace atomu primárním RTG fotonem 2) Emise sekundárního (fluorescenčního) RTG fotonu 1) VZNIK VAKANCE 2) ZAPLNĚNÍ VAKANCE – vznik K čáry

XRF - Princip metody 3) Emise sekundárního (fluorescenčního) RTG fotonu 4) Vznik rentgen-fluorescenčního spektra: vyzářená energie je charakteristická pro daný prvek, intenzita záření je úměrná koncentraci prvku ve vzorku 3) ZAPLNĚNÍ VAKANCE – vznik L čáry 4) XRF-Spektrum Au 200ppm Au 150ppm Au 100ppm Au 50 ppm Au blank

Charakteristika Spectro iQ 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 Si-drift detektor chlazený Peltierovým jevem Speciální optika s polarizací budicího záření pro potlačení šumu a lepší citlivost u lehkých prvků Těsné a pevné uspořádání měřicího prostoru He proplach

Princip a konstrukce Spectro iQ Přístroj má jednomístný držák kyvet v měřícím 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 Pd a většiny radioaktivních prvků) s dostatečným rozlišením i u lehkých prvků 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

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 kvalitativního stanovení: Měření ve zředěných roztocích – homogenní prostředí, stabilní matrice se známým složením, minimalizace efektu meziprvkového ovlivnění stanovovaných elementů Vážení na přesných vahách Pečlivé udržování čistoty přístroje a veškerých pomůcek Opakování měření 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 Z hlediska rentgenové fluorescence lehká matrice

Podmínky měření Metody pro měření lehkých prvků (K čáry), resp. těžších na L (M) čarách: Pracovní podmínky rentgenky 25kV, 1mA Proplach He 80l/h, doba jednotlivého měření 180s, K-čáry pro Al, Si, P, S, Cl, K, L-čáry pro I Metody pro těžší prvky: Pracovní podmínky rentgenky 48kV, 0,52mA K-čáry pro Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Br, Ag a Cd, L-čáry pro Pt, Au, Hg a Pb 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 Pro stanovení Al v prostředí olej/toluen byl použit komerčně dostupný standard 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 – 150/200ppm Pro stanovení některých prvků byly vytvořeny kalibrace ve směsném prostředí MeOH/voda (S a Cl) případně ve vodě (Ni, Cu, Zn, Au, Pt) v podobném 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 Kalibrace pro síru 10 koncentrací: 0 – 150 ppm

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

Příprava vzorků Navážka obvykle 2 - 4 mg vzorku do vialky 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 Prvek Průměr naměřených koncentrací, ppm Přepočtený obsah prvku v látce % Skutečný obsah prvku v látce Diference přepočteného a skutečného 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 Prvek Průměrná navážka vzorku, mg Trvaní celého stanovení pro pevný vzorek, min P 8 100 S 6 40 Cl 10 Br 15 I 45 RFA - P,S,Cl, Br, I 1 - 5 25 - 60 27

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 průměrná hodnota 28

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 29

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 30

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 VZOREK VZOREK + HNO3 31

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 klasickým způsobem stanovení a výsledky strukturních metod

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

Souhrn V současnosti stanovované prvky: Automatický analyzátor PE Klasická titrace ISE elektroda ED-XRF kvantitativní ED-XRF kvalitativní

Souhrn 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

Příklad Látka s předpokládaným složením C 32% H 1% N 5% Br 52%, struktura potvrzena MS a NMR ! Výsledek CHN-analýzy: C 0,8% H 0,05% N 0,2% ?! ED-XRF: pro nerozpustnost pouze kvalitativní analýza – stopy Br, ale majoritní S Závěr: 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…