ATOMOVÁ FLUORESCENCE Vítězslav Otruba 2010 prof. Otruba 2 Atomic fluorescence spectrometry Základní vztahy I Vliv saturace Vfi = —hvAloni 2n nt = B01p(v)n0 Vfi = ^hvA10B01p(y)n0 log Ev 2010 prof. Otruba 3 Typy fluorescence rezonanční fluorescence, kde fluorescenční záření má stejnou vlnovou délku jako záření budící (a) přímá čárová fluorescence, kdy se excitovaný elektron vrací na některý z vyšších energetických stavů (b) postupná fluorescence, kdy elektron nejprve přechází bezradiačním přechodem na nižší hladinu a teprve pak následuje radiační přechod (c) Termicky asistovaná fluorescence, kdy excitovaný atom je vlivem termické energie vybuzen do vyššího energetického stavu a vyzářená fluorescence má kratší vlnovou délku než záření budící (anti-Stokesovská fluorescence), (d) c c - Resonance fluorescence (<0 Stepwise line fluorescence Direct line fluorescence 0' (d) Thermally assisted fluorescence 2010 prof. Otruba 4 Rozptyl záření • Rozptyl budícího záření ve fluorescenční spektrometrii je obvykle základní faktor limitující mez detekce, a to: • Rayleighův rozptyl je pružný rozptyl na částicích menších než vlnová délka primárního záření • Mieho rozptyl je pružný rozptyl na částicích větších než vlnová délka primárního záření • Rozptyl nekoherentní (nepružný) - rozptýlené záření má jinou vlnovou délku než záření primární • Fluorescence molekul • Ramanův rozptyl • Rezonanční fluorescence • Rozptyl záření na měřící instrumentaci Rayleighův rozptyl 2010 prof. Otruba 6 Mieho rozptyl Když se velikost částic přiblíží a nakonec přesáhne vlnovou délku světla A, Rayleighův přístup se již nedá použít. Pro kulaté částice se dá použít teorie odvozená v roce 1908 německým fyzikem G. Miem. Mieova teorie předpokládá, že každá částice, na kterou dopadne světlo se chová jako rezonanční oscilátor, při čemž bere do úvahy, že při interakci paprskem dochází k rozptylu, odrazu, absorpci, lomu a interferenci světla. 0A ^ A hv ODRAZ A INTERFERENCIA Fluorescence molekul Fluorescence molekul může být velmi rušivý jev, poněvadž fluorescenční spektrum může pokrývat velký rozsah vlnových délek - až stovky nm. 386 387 WAVELENGTH Um) 388 Fig. 5. Excitation spectrum of CN in a nitrous oxide-acetylene flame: kn = 385.5 nm, 400 fim slit width, 385-389 nm wavelength range, BBQ dye. 2010 prof. Otruba 8 Základní schéma AFS Mochromátor, echelle, filtr PM, ICCD Lock-in, boxcar Atomizer Wavelength hV Detector I i selector w j Readout Light source HCL; SL; EDL; Xe a Hg výbojky; laser; 2010 prof. Otruba 9 AFS pro stanovení rtuti • Rtuť má při 20°C tlak par 0,16 Pa, což odpovídá koncentraci přibližně 14 mgnr3 ve vzduchu. Tato unikátní vlastnost dovoluje přímé měření koncentrace rtuti bez nutnosti atomizace v plameni či ETA. • Metoda CVAFS (cold-vapor atomic fluorescence spectrometry) je obdobou CVAAS (cold-vapor atomic absorption spectrometry). • Měří se na rezonanční čáře 253.7 nm -1S0 přechod) • Meze detekce dosahují hodnot ppq (1:1015) rO B lani Sample EjediiChSai ■On Pumu 2 O j L . □ Waste caiiier E33 Dryer gřs Dryer out g35 in t I Gaj-Hquid 33-iiankii Schematic diagram of the continuous-flow vapor/hydride generator. II n" JTľi-tr.T Lem 2 o- Phot (Huultiplier tube ■Filter Shield za: Reference oeJl Cold vapor IntľoduEtiťHl r-Vii'mnprľ Schematic diagram illustrating the optical configuration of an AFS system for mercury analysis 2010 prof. Otruba 10 Fluorescenční analyzátor rtuti Merlin firmy P.S. Analytical 2010 prof. Otruba 11 Automated Mercury Fluorescence System EPA-821-R-05-001 February 2005 EPA Method 245.7: Mercury in Water by Cold Vapor Atomic Fluorescence Spectrometry Flourescence Detector Peristaltic Pump Carbon Filter Vent to Hood Sheath Argon Gas 2010 prof. Otruba 12 Hydridová technika • Hydridy se tvoří redukcí analytu tetrahydridoboritanem sodným (NaBH4) v kyselém prostředí s účinností téměř 100%. Generování hydridů lze využít u As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se, Sn, Te, In a TI • Meze detekce u komerčního zařízení PSA: • As -1 o ppt • Se-2 ppt • Sb -10 ppt • Te & Bi - 10 ppt (with use of an optimised multi-reflectance filter) Linearity over 5 orders of magnitude 2010 prof. Otruba 13 Speciace LC-HG-AFS The PSA 10.055 Millennium Excalibur system can easily be utilised for Selenium speciation by the simple addition of a liquid chromatography system and a PSA 10.570 UV oxidation unit. Using a reverse phase column with a modifier of DDAB, five selenium species (selenocystine, selenomethionine, selenoethionine, selenite and selenate) can be generated in under 10 minutes. 1 ' f Ú Isocratic LC systém for the speciation of Selenium Hn Air Pemia pure dryer tube HCl NaBEj Argon Gas-liquid separator 2010 prof. Otruba 14 Speciace sloučenin selenu Five Selenium species; íSelenoCysteine, Selenite, SelenoMethionine, SelenoSugar1 and Selenate) were separated using 40mM ammonium formate, 0.01 s mmol I"1 Didecyldimethylammonium bromide, 0.5% (v/v) methanol, pH 4 as mobile phase at 0.8 ml min ^ i on a C18 column (PSA C2 or i equivalent) and then digested by online UV irradiation at elevated ji temperature. z Hydride generation was used as sample introduction technique, and this was maximized for all species by the optimization of variable i analytical parameter. The final optimized conditions for UV-HG-AFS were 50% (v/v) HCl + 5% (m/v) KBr as reducing reagent, 0.8% (m/v) NaBH4 in 1% (m/v) NaOH as reductant, 250ml min1 argon flow rate and 150°C temperature 2010 prof. Otruba 15 AF spektrometr s ICP atomizací Popis prístroje • Atomizace v ICP plazmatu, do kterého je vnášen aerosol vzorku • Budící zdroj fluorescence jsou výbojky typu „booster" • Selekce záření interferenčními filtry, detekce fotonásobiči • Moduly zdroj-detektor jsou výměnné, současně až 10 modulů rozmístěných kolem ICP hlavice -multielementární měření ICPAFS Baird Europe 2010 prof. Otruba 16 Schematický diagram LIF spektrometru Q R ' L Schematic diagram of laser-excited atomic fluorescence flame spectrometry system: A, N2 laser; B, dye laser; C, dye laser control unit; D,vacuum pump; E, N2 laser power supply; F, trigger source; G, beam expander; H, panel; I, diaphragm; J, burner/nebulizer; K, light trap; L, light trap; M, diaphragm; N, light baffle and lens; 0, monochromator; Ps photomultiplier detector; Q, recorder; R, boxcar integrator; S, photo multiplier power supply 2010 prof. Otruba 17 Koncentrační závislost F-AFS Analytical growth curves nickel fluorescence excited at 300.249 nm and measured at approximately 342 nm tin fluorescence excited at 300.914 nm and measured at 317.5 nm. flame acetylene - air CO z LU z LU U c/> LU CK O O 4- 2 - 1- LIMIT OF DETECTION ~i--1-i--r~ 12 3 4 4 -3 -2 -1 O LOG CONCENTRATION (j/s/mL) 2010 prof. Otruba 18 Experimentální aparatura LIF/ETA rO i Giaphite furnace Photodiode for laser absorption measurements To detection electronics Doubling crystal Current to voltage AMP Photodiode trigger To detection electronics To detection electronics 2010 prof. Otruba 19 LIF - ETA Element DL abs (pg) DL cone, (pg/ml) Ag 0,03 1 Co 0,02 1 Cs 0,5 10 Cu 0,01 0,1 Ir 1 50 Fe 0,002 0,1 Na 0,1 5 Pb 0,0002 0,01 Tl 0,005 0,03 Zn 0,03 0,1 2010 prof. Otruba 20 Detekce olova v plynné fázi LAS * 2 kWcrrr2 AA= 0,02 nm t = 5 ns Q = 0,16 sr f/D = 1 : 2,5 F = 50 Hz tint = 1 5 S MD = 30 atomů Pb log n (at/ml) 12 200 400 °C 2010 prof. Otruba 21 Fotonásobiče - rušivé vlivy • Teplota - termoemise z fotokatody - chlazení na -20°C až -40°C u multialkalických katod, na -160°C u typů AgO-Cs • Magnetické pole - deformace dráhy elektronů v PM -stínění slitiny typu pemalloy • Elektrické pole - deformace dráhy elektronů v PM -Faradayovo stínění • Radioaktivita - záření konstrukčních materiálů, především skla (např. draslík), výběr neaktivních materiálů pro výrobu • Kosmické záření - spršky částic z atmosféry. Stínění, vyloučení chybových signálů korelací s referenčním PM. • Helium - difúze přes sklo. Vyloučení He z atmoféry (GC), výměna PM. 2010 prof. Otruba 22 Šum 2010 prof. Otruba 23 NEP (noise equivalent power) 2010 prof. Otruba 24 Frekvenční spektrum šumu 2010 prof. Otruba 25