ROZPTYLOVÉ a EMISNÍ metody - Rayleighův rozptyl - kvazielastický rozptyl - Ramanův rozptyl - fluorescence - fosforescence ROZPTYLOVÉ a EMISNÍ metody - TEORETICKÉ ZÁKLADY rozptylových jevů å pozorování rozptylu na heterogenitách å závislost intenzity rozptylu na vlnové délce å energie dopadajícího a rozptýleného fotonu å změna energie rozptylujícího objektu å kvazielastický rozptyl å velikost makromolekul, koloidních částic å Ramanův rozptyl å struktura molekul, krystalů, supramolekul Ramanova spektroskopie Každá čára Ramanova spektra je svými vlastnostmi závislá na počtu a hmotě společně kmitajících atomů molekuly, na jejich prostorovém uspořádání a na vnitřně molekulovém silovém poli. Je zřejmé, že Ramanových spekter lze použíti analyticky, zvláště při řešení některých, chemicky těžko dokazovatelných rozdílů konstitučních. Prof. Dr. Arnošt Okáč Výklad k základním operacím v chemické analyse JČMF 1948 Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Podstata Ramanova jevu ROZPTYL ZÁŘENÍ - rozptýlený foton má odlišnou energii oproti dopadajícímu zářivý dvoufotonový přechod mezi dvěma stacionárními vibračními stavy molekuly, jejichž energie jsou E1 a E2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci n0 >ú E2 - E1ú / h, provázený vyzářením rozptýleného fotonu o energii hnR= hn0 ± ( E2 - E1 ), kde hnvib = E2 - E1 Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Schéma dvoufotonových přechodů Ramanův a Rayleighův rozptyl při excitaci normální a rezonanční C:\Dokumenty\2002-konf\0habilitace\pracovni2.bmp Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Základní výběrové pravidlo Ramanova rozptylu změna polarizovatelnosti během vibračního pohybu Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie vz. 16 IR 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 vz. 16 Raman 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 1000 2000 3000 Wavenumbers (cm-1) Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Vztah intenzity pásů - možnost měření teploty vzorku Principy Ramanovy spektroskopie prášková SÍRA • možnost měření ve vodném prostředí å nízká intenzita Ramanova rozptylu pro vodu å používané optické materiály nejsou citlivé na vlhkost • možnost měření ve skleněných nádobách å měření v uzavřených ampulích - např. pod vakuuem • snadné využití skelné vláknové optiky • minimální požadavky na úpravu pevných vzorků • intenzivní pásy -C=C-, -N=N-, -S-S- a dalších symetrických vibrací Experimentální výhody Lasery pro excitaci Ramanova jevu TYP laseru vlnová délka [nm] He-Ne 632,8 Ar+ 514,5 Ar+ 488,0 Ar+ 457,9 Kr+ 568,2 Kr+ 647,1 Kr+ 676,4 Kr+ 752,6 Nd-YAG 1064 Nd-YAG - 2f 532 diodové 780, 785 - NIR barvivové 360 - 750 - UV, vis Instrumentace Schéma Ramanova disperzního přístroje Schéma Ramanova mikroskopu C:\Dokumenty\Kurz2003\Ramanmikroskop.bmp Externí sondy připojené pomocí vláknové optiky Křemenná vlákna Fokusační zrcadla Vysoce světelné objektivy z kvalitního optického skla Mobilní přístroje Principy FT Ramanovy spektroskopie masina.bmp Schéma FT Ramanova spektrometru s NIR excitací Instrumentace Materiály pro dělič paprsků Propustný materiál Polopropustný povlak rozsah použití [cm-1] křemen Si (Fe2O3) 23 000 – 4 000 CaF2 Si (Fe2O3) 10 000 – 1 000 KBr Ge 4 700 – 350 CsI Ge 4 000 – 200 • rezonanční - RR • povrchem zesílený - SERS • rezonanční povrchem zesílený - SERRS • fotoakustický - PARS • hyperRaman • koherentní anti-Stokes - CARS • koherentní Stokes - CSRS Speciální techniky •VZORKY • anorganické - korozní vrstvy - povrchy pevných disků, křemík - amorfní uhlík, diamanty • organické - supramolekulární systémy • - systémy na nosičích • polymery - fotolabilní materiály • biologické - in vitro, in vivo • geologické - minerály, horniny • archeologické - od paleolitu po novověk Studované materiály •GEMMORAMAN - 1980 drahokamy •FRESCORAMAN - 1980 anorg. barviva •ICONORAMAN - 1985 org. barviva •PETRORAMAN - 1995 kameny •RESINORAMAN - 1995 amorf. org. m. •TISSUERAMAN - 1997 tkáně •CERAMORAMAN - 1998 keramika •METALLORAMAN - 1999 koroze kovů •VITRORAMAN - 1999 skelný stav •CLIMATORAMAN - 1999 vlivy klimatu na m. Studované materiály Kvantitativní spektrometrie - specifické aspekty jednotlivých metod –Ramanova spektrometrie - –ANALÝZA MATERIÁLŮ - polovodiče – - kontrola povrchu pevných disků, Seagate 1992 – - magnetických hlav – – - uhlíkové materiály C:\Dokumenty\2ach\stazeno\DISKRAM.JPG C:\Dokumenty\2ach\stazeno\DLC-00865-180.jpg Analýza uhlíkatých materiálů x1000 100 80 60 40 20 0 500 1000 1500 2000 Wavenumber (cm-1) diamant sp3 DLC uhlíková vrstva sp3 sp2 Kvantitativní spektrometrie - specifické aspekty jednotlivých metod –Ramanova spektrometrie - –ANALÝZA ropných produktů - – stanovení oktanového čísla –analýza automobilových olejů C:\Dokumenty\2ach\stazeno\INDURAM.JPG C:\Dokumenty\2ach\stazeno\labramsmall.jpg Kvantitativní spektrometrie - specifické aspekty jednotlivých metod –FT Ramanova spektrometrie - –ANALÝZA ropných produktů - stanovení oktanového čísla – - analýza automobilových olejů – - stanovení obsahu alkoholu – - kontrola biotechnologií – - analýza ve farmaceutickém průmyslu Identifikace drog Identifikace léčiv C:\Dokumenty\1ACH\aspirin.jpg C:\Dokumenty\1ACH\Ramanfluostavy.bmp Fluorescence Fluorescence a fosforescence C:\Dokumenty\1ACH\jablon.gif •FLUORESCENCE •luminiscence s krátkým dosvitem – spinově dovolený přechod - bez změny orientace elektronového spinu – •FOSFORESCENCE •luminiscence s dlouhým dosvitem – spinově zakázaný přechod - změna orientace elektronového spinu • možný díky spin-orbitální interakci Fluorescence a fosforescence •DOBA ŽIVOTA EXCITOVANÉHO STAVU – kinetika „zániku“ excitovaného stavu • •INTENZITA fluorescence a fosforescence – KVANTOVÝ VÝTĚŽEK – – – •počet vyzářených fotonů vůči počtu absorbovaných • - VLIV NEZÁŘIVÝCH PROCESŮ - intra- a inter- molekulárních Fluorescence a fosforescence •STRUKTURA MOLEKULY – dvojné vazby - aromáty, konjugované C=C – heteroatomy - C=O, dusíkaté heterocykly – VLIV SUBSTITUENTŮ - -OH, -NO, -NO2 … – RIGIDITA struktury π-elektronového systému – CHELÁTY – •MEZIMOLEKULOVÉ INTERAKCE – především zhášení luminiscence – vliv pH, teploty, viskozity, polarita rozpouštědla Fluorescence a fosforescence •MĚŘENÍ STACIONÁRNÍCH SPEKTER –spektrofluorimetr Fluorescence a fosforescence –MOLEKULOVÁ emisní spektrometrie –- VIS a UV oblast - fluorescence a fosforescence EXCITUJÍCÍ PAPRSEK FLUORESCENČNÍ ZÁŘENÍ x1000 350 300 250 200 150 100 50 0 644 646 648 650 Wavelength (nm) –MOLEKULOVÁ emisní spektrometrie –- VIS a UV oblast - fluorescence a fosforescence •MĚŘENÍ STACIONÁRNÍCH SPEKTER –spektrofluorimetr •zdroj záření - xenonová výbojka • - nízkotlaká rtuťová výbojka •křemenné kyvety •mřížkové monochromátory •detektor - fotonásobič –excitační a emisní spektra • excitační - změna vlnové délky excitujícího záření konstantní λ emisního toku • emisní - fixovaná λ excitujícího záření proměnná λ emisního toku Fluorescence a fosforescence •STACIONÁRNÍ SPEKTRA –knihovny spekter •charakteristická spektra polyaromatických uhlovodíků •charakteristická spektra fluorescenčních indikátorů • •ČASOVĚ ROZLIŠENÁ SPEKTRA – měření doby života excitovaných stavů •snazší u fosforescence •obtížnější u fluorescence - studium přenosu energie Fluorescence a fosforescence Kvantitativní spektrometrie - specifické aspekty jednotlivých metod –MOLEKULOVÁ emisní spektrometrie –- VIDITELNÁ a UV oblast - fluorescence a fosforescence – - stacionární spektra – - pásové spektrum - malý počet širokých pásů – - kvantový výtěžek fluorescence – - samoabsorpce – - zhášení rozpouštědlem či „zhášedly“ –STANOVENÍ NÍZKÝCH OBSAHŮ PŘEDEVŠÍM ORGANICKÝCH LÁTEK Kvantitativní spektrometrie - specifické aspekty jednotlivých metod –MOLEKULOVÁ emisní spektrometrie –- VIDITELNÁ a UV oblast - fluorescence a fosforescence – - stacionární spektra –PŘÍMÉ METODY - stanovení PAH – - stanovení hemoproteinů – - stanovení vitamínů – - stanovení steroidů Kvantitativní spektrometrie - specifické aspekty jednotlivých metod –MOLEKULOVÁ emisní spektrometrie –- VIDITELNÁ a UV oblast - fluorescence a fosforescence – - stacionární spektra –NEPŘÍMÉ METODY - tvorba chelátů - např. s morinem – - stanovení hliníku – - stanovení aniontů na principu zhášení fluorescence – - stanovení na základě reakce provázené vznikem fluoreskujícího produktu Kvantitativní spektrometrie •Klíčový požadavek -vyjádřit VZTAH MEZI KONCENTRACÍ (OBSAHEM) ANALYTU a SPEKTRÁLNÍ VELIČINOU –- matematické vyjádření –- experimentální kalibrace a validace (externí standardy, metoda standardního přídavku) - –SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – absorpční metody – – emisní metody – – rozptylové metody – – reflexní metody OPTICKÉ METODY Metody kalibrace •Důležité pojmy •Metoda kalibrační křivky (external standards) –připravíme sérii kalibračních roztoků stanovovaného analytu, pokrývající zamýšlený koncentrační rozsah –snažíme se, aby bylo stejné složení matrice jako u vzorku –předpokládáme, že vliv matrice je zanedbatelný –(když je rozsah koncentrací analytu omezen, vystačíme třeba i s dvěma standardy - „pod“ a „nad“ vzorky) Metody kalibrace •Důležité pojmy •Metoda standardních přídavků (internal standards) –použitelná v případě, že je nemožné potlačit interference matrice –ke změřenému vzorku je přidáno malé množství roztoku standardu a stanovení se opakuje za maximálně možných stejných podmínek –metoda je mnohem náročnější na množství práce, vhodná pro ověření vlivu matrice Metody kalibrace •Důležité pojmy •Metoda vnitřního standardu –do všech analyzovaných vzorků i kalibračních (validačních) roztoků je přidáno stejné množství vhodné čisté látky odlišné od analytu –jako kalibrační křivku vynášíme – poměr odezvy analyt/standard proti koncentraci analytu ve standardních roztocích –vnitřní standard by měla být látka podobná analytu, jejíž signál však neinterferuje se signálem analytu Kvantitativní spektrometrie –ATOMOVÁ EMISNÍ spek. – emisní metoda –ATOMOVÁ ABSORPČNÍ spek. – absorpční metoda – –MOLEKULOVÁ spek. – UV, vis – absorpční metoda, (reflexní metoda) – – luminiscence – emisní metoda – – NIR – absorpce, reflexe – MIR, FIR – absorpce, reflexe – Raman – rozptyl – NMR spektrometrie, hmotnostní spektrometrie Kvantitativní spektrometrie –SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – pro absorpční metody – - absorpce fotonů – závisí na množství excitovatelného analytu –DŮLEŽITÉ FAKTORY – - vstupní tok záření – - tloušťka absorbující vrstvy – - absorpční koeficient - napierovský, dekadický – - molární absorpční koeficient - – - napierovský, dekadický Kvantitativní spektrometrie - vztah k tloušťce vrstvy Bouguer (1729), Lambert (1760) Kvantitativní spektrometrie - vztah ke koncentraci Beer (1852) - vyjádření vztahu pro k dekadický absorpční koeficient (dekadický) molární absorpční koeficient –SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – pro absorpční metody –- ABSORBANCE –DŮLEŽITÉ FAKTORY – - vlnová délka vstupního záření – - eliminace jiných optických jevů - rozptyl, odraz, lom, fluorescence … – - eliminace saturačního efektu – - směs analytů – Kvantitativní spektrometrie –ABSORPČNÍ METODY –- efekty ovlivňující hodnotu molárního absorpčního koeficientu –DŮLEŽITÉ FAKTORY – - závislost na vlnové délce vstupního záření – - chemické reakce analytu – - mezimolekulové interakce s rozpouštědlem – - mezimolekulové interakce s jinými analyty – - vliv teploty na stabilitu analytu Kvantitativní spektrometrie –ABSORPČNÍ METODY –- ABSORBANCE - neměříme před a za vzorkem, – ale SE VZORKEM a BEZ VZORKU – - jednopaprskové a dvoupaprskové uspořádání – – - pásové spektrum - výška píku – - plocha píku – - KOREKCE POZADÍ - vlivy matrice, další vlivy – Kvantitativní spektrometrie Kvantitativní spektrometrie –SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – emisní metody – - emise fotonů – závisí na množství excitovaného analytu – –EMITOVANÝ ZÁŘIVÝ TOK úměrný KONCENTRACI analytu – - celkové množství analytu ve vzorku – - způsob excitace – - možnosti nezářivé deexcitace – - rušivé emisní procesy – - rušivé absorpční procesy (samoabsorpce) – - závislost na vlnových délkách Kvantitativní spektrometrie –SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – reflexní metody – - počet odražených fotonů úměrný koncentraci – – závisí na množství ozářeného analytu – - celkové množství analytu ve vzorku – - reflektivita vzorku a dalších materiálů – - absorpce záření během odrazu – - lom dopadajícího záření / totální odraz Kvantitativní spektrometrie –SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – rozptylové metody – - počet rozptýlených fotonů úměrný koncentraci – (Ramanův rozptyl, nefelometrie) – - zeslabení transmitovaného toku záření – (turbidimetrie) – – závisí na množství excitovaného (ozářeného) analytu – - celkové množství analytu ve vzorku - způsob excitace – - rušivé emisní procesy - LUMINISCENCE – SPEKTRÁLNÍ DATA vs. KONCENTRACE – –- kalibrace, validace, měření neznámých vzorků –- zpracování dat - regresní metody – –- postupy kalibrace - sada nezávislých roztoků – - metody standardního přídavku –- zpracování kalibračních dat - jeden analyt – - více sledovaných analytů Kvantitativní spektrometrie –Zpracování kalibračních dat - jeden analyt – - více sledovaných analytů – - univariátní a multivariační metody – - zpracování úseků spekter či celých spekter – - analýza složitých směsí Kvantitativní spektrometrie Kvantitativní spektrometrie • CLS - classical least squares • ILS - inverse least squares • MLR - multiple linear regression • (PCA - principal component analysis) • PCR - principal component regression • PLS1 - partial least squares 1 • PLS2 - partial least squares 2 Regrese CLS • klasická metoda nejmenších čtverců - „K-matrix“ • předpoklad platnosti Lambertova - Beerova zákona při všech vlnových délkách (frekvencích) - absorbance je funkcí koncentrace • chyby modelu jsou přiřazeny chybám v určení absorbancí • použitelná i pro celá spektra • všechny komponenty musí být známy a zahrnuty do kalibrace Regrese ILS • inverzní metoda nejmenších čtverců - „P-matrix“ • předpoklad platnosti inverzního Lambertova - Beerova zákona pro všechny koncentrace - koncentrace je funkcí absorbance • chyby modelu jsou přiřazeny chybám v určení koncentrací • použitelná pro omezený počet vlnových délek •komponenty nezávislé, postačuje znalost jedné složky v kalibračních směsích Regrese PLS směsi látek A+B+C • ortogonální transformace dat do systému souřadnic označovaného jako hlavní komponenty - PC •- redukce počtu potřebných souřadnic