Fyzikálne a fyzikálne-chemické metódy (inštrumentálne) Spektrálne analytické metódy

1. Fyzikálne a fyzikálne-chemické metódy (inštrumentálne)Spektrálne analytické metódy Význam: Znižujú dobu analýzy Môžu sa aplikovať aj tam kde klasické metódy zlyhajú Klasické metódy využívajú chemické vlastnosti látok a používajú sa pri nich len jednoduchšie prístroje (váhy) Inštrumentálne metódy požadujú vedomosti z fyziky, fyzikálnej chémie a elektroniky Používanie fyzikálnych prístrojov sa zakladá na vzťahu medzi kvalitou a kvantitou skúmanej látky a niektorou jej fyzikálnou vlastnosťou, ktorú meriame prístrojom Fyzikálne vlastnosti využívané v analytickej chémii: hmotnosť, objem, hustota, povrchové napätie, viskozita, absorpcia a emisia svetelného žiarenia, otáčanie roviny polarizovaného svetla, index lomu, potenciál elektródy, elektrická vodivosť, dielektrická konštanta a iné. Podľa fyzikálneho princípu rozdeľujeme inštrumentálne analytické metódy: 1. Elektrochemické (meranie elektrických veličín – prúd, napätie, elektrický odpor, vodivosť) 2. Optické (meranie emitovaného alebo absorbovaného žiarenia, index lomu, uhlu optickej otáčavosti)) 3. Chromatografické (rozdeľovanie zložitých látok a identifikácia zložiek) a iné (napr. metóda aktivačnej analýzy založená na meraní jadrového žiarenia)

2. Optické metódy 1. Založené na sledovaní javov vzájomných interakcií látky a elektromagnetického žiarenia, pri ktorých sa nemení vlnová dĺžka, či frekvencia žiarenia, mení sa len jeho smer alebo rýchlosť 2. Založené na sledovaní emisných spektier, pri ktorých sama analyzovaná látka je zdrojom sekundárne emitovaného svetla, alebo absorpčných spektier (Spektrochemické metódy) Spektrochemické metódy Spektrochemické metódy využívajú: - javy spojené so vznikom elektromagnetického žiarenia - javy pozorované pri vzájomnej interakcii žiarenia a analyzovanej sústavy Súbor všetkých elektromagnetických vĺn, usporiadaných podľa stúpajúcej vlnovej dĺžky nazývame elektromagnetickým spektrom. Elektromagnetické žiarenie možno charakterizovať: - energiou (E) prislúchajúcou jednotlivým fotónom elektromagnetického žiarenia - vlnovou dĺžkou (l) - kmitočtom (n) - vlnočtom (n ) Vzťahy medzi jednotlivými veličinami sú: E = h.n = hc/l a n = 1/ l kde h je Planckova konštanta a c je rýchlosť svetla vo vákuu Všeobecne platí, že energia žiarenia je priamoúmerná frekvencii a nepriamoúmerná vlnovej dĺžke.

3. Spektrochemické metódy možno rozdeliť :1. Emisná spektrochemická metóda - založená najmä na štúdiu emisných spektier atómov (Atómová emisná spektrometria – AES)K emisným metódam sa zaraďuje aj Ramanova spektroskópia a tiež metódy využívajúce spektrá sekundárnej emisie, budené ultrafialovým, či RTG, laserom alebo katódovými lúčmi.2. Absorpčné spetrochemické metódy - založené na meraniach absorpčných spektiermolekúl (molekulová absorpčná spektrometria0 alebo voľných atómov (atómová absorpčná spektrometria – AAS)3. Rezonannčné metódy - založené na skúmaní magnetických rezonančných spektier látok v silnom magnetickom poli (Zeemanov jav). Patrí sem elektrónová paramagnetická rezonancia – EPR, nukleárna magnetická rezonancia – NMR a Mossbauerova spektroskopia.4. Metódy röntgenovej analýzy a elektrónovej mikroanalýzyAtómová spektrometia zahrňuje analytické techniky pri ktorých sa využíva - atómová emisia- atómová absorpcia- atómová fluoerscenciaPre pochopenie týchto techník je potrebné poznať stavbu atómov a ich chovanie, v prípade, že sa na atóm pôsobí nejakou energiou z vonku.

4. ENERGIA + Excitovaný stav (absorbovanie energie) Vzbudený stav l + Emitovanie (vyžiarenie absorbovanej energie) Prechod do stacionárneho stavu Proces budenia a vyžarovania je základom pre všetky tri hore spomínané techniky, záleží na tom, či sa pre analytické potreby využíva meranie vyžiarenej energie (EAS) alebo meranie množstva absorbovanej energie (AAS) prípadne rozptýlenej energie (FAS). V oblasti optických spektier sa na týchto prechodoch zúčastňujú iba vonkajšie , valenčné elektróny (na rozdiel od röntgenových spektier). Na prechod elektrónu na niektorú vyššiu energetickú hladinu je potrebná určitá energia, nazvaná budiaca energia alebo budiaci potenciál udávaný v eV. Elektrón sa dostane do vzbudeného stavu, t.j. do stavu s vyšším obsahom energie. Po krátkom čase – asi 10-8 s – sa elektrón vráti na niektorú nižšiu energetickú hladinu a pritom vyžiari nadbytočnú energiu vo forme svetelného kvanta. Žiarenie vysielané excitovanými atómami v plynnom stave je polychromaické, pritom nespojité,t.j. skladajúce sa z rôznych, presne vymedzených, diskrétnych vlnových dĺžok, resp. frekvencií D E = h.n Kvalitatívne zloženie vzorky je určené charakteristickými frekvenciami (vlnovými dĺžkami), ktoré ten-ktorý prvok vysiela. Kvantitatívne zloženie vzorky je určené pomerným rozdelením intenzity žiarenia na tieto frekvencie.

5. EMISNÁ SPEKTRÁLNA ANALÝZAEmisná spektrálna analýza je fyzikálna metóda na určenie kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia látok, založená na skúmaní žiarenia vysielaného atómami a iónmi skúmaného prvku. Atómová emisná spektrálna analýza je metóda pre kvalitatívnu a kvantitatívnu prvkovú analýzu vzoriek založená na vyhodnocovaní emisných spektier voľných atómov a iónov.Schéma Analyzovaná vzorka sa dopraví do plazmy, ktorá je tvorená elektrickým výbojom. Voľné atómy vzorky v plazme emitujú (vysielajú) charakteristické žiarenie.Toto polychromatické žiarenie sa rozloží na disperznom zariadení za vzniku spektra, ktoré pozostáva zo spektrálnych čiar. Detektor registruje spektrum, ktoré sa dá vyhodnocovať z hľadiska polohy spektrálnych čiar (kvalitatívne zloženie vzorky), alebo z hľadiska intenzity spektrálnych čiar (kvantitatívne zloženie vzorky). Plazma Disperzné zariadenie Detektor Vyhodnocovacie zariadenie

6. PLAZMAPlyn zahriaty na takú teplotu, aby aspoň 1 % častíc bolo v ionizovanom stave sa nazýva plazmou. Plazmu tvoria molekuly, časti molekúl, radikály, atómy, ióny a elektróny. Plazma sa získa dodaním energie a to v plameni, v elektrickom oblúku, v elektrickom iskrovom výbojiVodivé kovové vzorky sa upravia na tvar tyčiniek, alebo na iný tvar s  očistenou plochou a  upevnia sa v statíve spektrometra. Oproti sa upevní grafitová, prípadne volfrámová elektróda. Z generátora výbojov sa na elektródy privedie vhodný elektrický výboj. V prípade analýzy kovov sa najčastejšie využíva iskrový výboj (50 – 100 Hz), niekedy iskrový výboj s vyššou frekvenciou (do 1 kHz). Iskrový výboj spôsobuje odparenie časti materiálu vzorky a v medzielektródovom priestore vzniká plazma.Nevodivé prášky sa obvykle zmiešajú s grafitovým práškom, aby sa stali vodivým práškom a podobne ako vodivé kovové prášky sa plnia do kráteru grafitových elektród vhodného tvaru. Takto naplnená elektróda sa upevní do statívu spektrometra a oproti nej sa upevní grafitová elektróda. Z generátora výbojov sa na elektródy privedie oblúkový výboj, ktorý môže byť jednosmerný, alebo striedavý, prípadne prerušovaný. Oblúkový výboj odparuje materiál vzorky z elektródy, pary postupujú do medzielektródového priestoru, kde vzniká plazma.

7. Kvapaliny a vodné roztoky sa rozprašujú a vo forme aerosólu sa zavádzajú do plazmových zdrojov rôznej konštrukcie, z ktorých najvýkonnejšia je vysokofrekvenčná plazma známa pod názvom indukčne viazaná plazma, často označovaná skratkou anglického názvu ICP (Inductively Coupled Plasma)Na rozprašovanie roztokov sa najčastejšie využívajú sklenené, alebo teflónové pneumatické rozprašovače uhlové, alebo koncentrické. Plynný argón pod tlakom prúdi vysokou rýchlosťou okolo kapiláry spojenej s roztokom vzorky. Prúd Ar strháva častice zo svojho okolia a teda aj z kapiláry. Tým vzniká v kapiláre podtlak a dochádza k nasávaniu roztoku. Ak roztok dosiahne temeno kapiláry prúd Ar strháva častice kvapaliny a vytvorí sa aerosól, ktorý sa zavádza do plazmy. Kvalita aerosólu je závislá aj od konštrukcie hmlovej komory, v ktorej nastáva rozprašovanie a vzniká aerosól. V hmlovej komore nastáva kondenzácia najväčších kvapiek aerosólu a do plazmy sa transportujú len jemné častice aerosólu. Kondenzát odchádza do odpadu cez vodný uzáver.

8. Plazmové zdroje sa rozdeľujú na zariadenia s prúdovouplazmou a na zariadenia s bezprúdovou plazmou. Existuje celý rad konštrukcií s bezprúdovou plazmou, ale všetky pracujú na rovnakom princípe. Uzavretá nádoba s otvorom pre vstup aerosólu a nosného plynu a s otvorom pre výstup rozžhaveného plynu obsahuje dva prstencové grafitové elektródy, medzi ktorými prebieha jednosmerný oblúkový výboj. Nosný plyn sa prehreje v oblúkovom výboji a vystupuje z plazmového zdroja vo forme elektrického plameňa. Aerosól sa vyparí a atómy emitujú charakteristické žiarenie z elektrického plameňa. ICP pozostáva z troch koncentrických kremenných trubíc a  zo zdroja vysokofrekvenčnej energie. Do strednej trubice sa privádza aerosól s nosným plynom, ktorým najčastejšie býva argón. Ďalšou trubicou sa privádza plazmový plyn (tiež Ar) a do vonkajšieho plášťa sa privádza chladiaci plyn (Ar), ktorý zamedzuje roztavenie kremennej trubice. Na horný okraj kremennej trubice sa privádza vysokofrekvenčná energia vlnovodmi, ktoré tvoria tri závity cievky. Pod vplyvom magnetického poľa elektróny v strede v cievke by mali vykonávať usmernený pohyb, ale pri frekvencii 27 MHz až 50 MHz tak často musia zmeniť smer svojho pohybu (54 – 100 milión krát za sekundu), že prechádzajú na precesný pohyb o vysokej energii. V dôsledku toho sa plyn v strede cievky rozžhaví na teplotu až 15 kK v závislosti od výkonu zdroja (obvykle 2 – 7 kW). Vzniká plazma, do ktorej ľahko vnikajú častice aerosólu a nastáva budenie atómov na rovnakom princípe ako v oblúkovom výboji.Tandemové techniky sú založené na odparení tuhej látky rôznym spôsobom (iskra, oblúk, laser, elektrotermická piecka) a na budení pár vzorky v separátnej plazme, najčastejšie v ICP a majú veľký význam pre priamu analýzu tuhých vzoriek (bez ich uvedenia do roztoku).

9. DISPERZNÉ ZARIADENIAPolychromatické žiarenie z plazmy sa vedie cez optický systém na vstupnú štrbinu disperzného zariadenia a ďalej na disperzný prvok, ktorým môže byť optický hranol (prípadne sústava hranolov), alebo (v moderných zariadeniach) difrakčná mriežka (niekedy kombinácia hranola a mriežky). Na disperznom prvku sa polychromatické žiarenie rozkladá na jednotlivé monochromatické lúče.Spektrum je súbor spektrálnych čiar usporiadaných podľa vlnovej dĺžky. Spektrálna čiara je stopa po dopade monochromatického lúča. Má tvar čiary, lebo je obrazom vstupnej štrbiny disperzného zariadenia.Disperzné zariadenia:- Monochromátor sa vyznačuje výstupnou štrbinou Š, ktorá z rozloženého žiarenia (spektra) prepúšťa len veľmi úzku oblasť vlnových dĺžok (spektrálnu čiaru). Môže byť vybavený krokovým motorčekom, ktorý otáča mriežku M, čo má za následok, že celé spektrum sa postupne zobrazí na výstupnú štrbinu monochromátora s fotonásobičom F. - Polychromátor je disperzné zariadenie, ktoré súčasne zobrazuje celé vzniknuté spektrum, alebo jej významnú časť.

10. Polychromátor - s fotografickou registráciou spektier sa nazýva spektrograf. - s fotoelektrickou detekciou spektier sa nazýva simultánny spektrometer. Umožňuje súčasné stanovenie požadovaných prvkov.Monochromátor- vybavený krokovým motorčekom na otáčanie mriežky a fotonásobičom sa označuje ako sekvenčný spektrometer. Stanovenie väčšieho počtu prvkov sa dosahuje postupnou registráciou žiarenia príslušných spektrálnych čiar.

11. Optické prvkyPre usmernenie žiarenia sa využívajú optické prvky, ako šošovky (konvexné, konkávne), sústavy šošoviek a zrkadlá (rovinné, duté, vypuklé, parabolické). Na vymedzenie žiarenia sa využívajú clony a štrbiny.Izolácia vlnových dĺžokNa izoláciu vlnových dĺžok sa využíva niekoľko zariadení.-Absorpčný optický filter -Interferenčný filter-Optický hranol - Difrakčná mriežkaModerné analytické prístroje využívajú na rozklad žiarenia difrakčné mriežky. Najčastejšie sa využívajú rovinné mriežky a v simultánnych spektrometroch duté mriežky (majú schopnosť fokusácie žiarenia). V poslednom období sa uplatňujú aj stupňovité mriežky, tzv. echelle (ešel-schody) mriežky, ktoré v kombinácii s optickým hranolom poskytujú najlepšiu rozlišovaciu schopnosť.

12. DETEKTOR- Vizuálna detekciaViditeľná časť spektra sa dá pozorovať priamo ľudským okom (na matnom skle). Veľká väčšina spektrálnych čiar sa však nachádza v oblasti ultrafialového žiarenia, pre ktorú sa táto vizuálna detekcia spektra nedá aplikovať.- Fotografická registráciaFotografická detekcia spektraje založená na citlivosti fotografickej emulzie (nanesenej na sklenenej doske, alebo na plastickom filme) na dopadajúce elektromagnetické žiarenie. Po procesoch vyvolávania a ustaľovania sa získa negatívny obraz spektra (na miestach dopadu monochromatických lúčov vznikajú čierne spektrálne čiary). Toto spektrum sa dá vyhodnocovať pre účel kvalitatívnej analýzy pomocou spektroprojektora (20 násobné zväčšenie spektra) a pre účely kvantitatívnej analýzy pomocou mikrofotometra (meranie sčernenia jednotlivých spektrálnych čiar). - Fotoelektrická detekcia – selénový fotočlánok, kremíková fotodióda, vákuové fotónky, fotonásobiče Fotoelektrická detekcia spektier využíva fotonásobiče (meranie intenzity jednej spektrálnej čiary) a  v poslednom období aj polovodičové detektory žiarenia (meranie intenzít v celej oblasti spektra), najčastejšie typu CCD (Charge Coupled Device).VYHODNOCOVACIA JEDNOTKASignály zo spektrometrov (z fotoelektrických detektorov) majú analógový charakter. Pomocou analógovo-digitálnych (A/D) prevodníkov spracované signály sa vyhodnocujú mikroprocesorovou jednotkou, alebo na priamo napojenom (on-line) počítači s vhodným softvérom.

13. Kvalitatívna analýza- v atómoch rôznych prvkov sú rozdielne energetické pomery v elektrónovom obale- preskoky elektrónov medzi hladinami s rôznymi energiami majú za následok emitovanie fotónov o rôznej energii- každý prvok vysiela charakteristické spektrum- kvalitatívne zloženie vzorky je možné určiť zistením vlnových dĺžok spektrálnych čiar v spektre vzorkyKvantitatívna analýza- meranie intenzity príslušnej spektrálnej čiary analytu v spektre vzorky - intenzita spektrálnej čiary (signál) je úmerná koncentrácii prvku- signál sa pomocou kalibračnej funkcie prevedie na koncentračný údajPre zvýšenie presnosti kvantitatívnej analýzy je zavedený pojem porovnávací (referentný) prvok, ktorý sa nachádza v rovnakej koncentrácii vo všetkých vzorkách i v štandardných vzorkách. Pomer intenzít spektrálnej čiary analytu a spektrálnej čiary porovnávacieho prvku je konštantný i v prípade menšej stability plazmy. VÝZNAM SPEKTRÁLNEJ ANALÝZY - je vhodná pre stanovenie koncentrácie všetkých prvkov (nekovové prvky sa dajú stanovovať len špeciálnymi postupmi)- je mnohoprvkovou metódou - umožňuje simultánne stanovenie všetkých kovový prvkov vo vzorke- využíva sa na stanovenie vedľajších a stopových zložiek vzorky- hranica dôkazu 10-4 až 10-5 %, resp. ng/ml. - kalibračná závislosť vykazuje priamkový charakter v rozsahu 5 až 6 koncentračných poriadkovProblém:V prípade niektorých vzoriek môže mať významnú úlohu matrix efekt.

14. PLAMEŇOVÁ SPEKTROMETRIAPlameňová spektrometria- budenie prvkov v chemických plameňoch Plameňové spektrometre sú jednoduchšie a finančne dostupnejšie  Chemický plameň- tvorený plynným acetylénom uvoľňovaným z oceľovej fľaši a stlačeným vzduchom2 C2H2 + 5 O2 (vzduch) → 4 CO2 + 2 H2O teplota plameňa je okolo 2500 KVzorka vo forme roztoku sa rozprašuje pomocou pneumatických rozprašovačov a aerosól sa zavádza do laminárneho plameňa, kde dochádza k termickej disociácii molekúl, k budeniu voľných atómov a k emisii charakteristického žiarenia. Plameň je energeticky chudobný zdroj - vhodný len na stanovenie prvkov s najnižšími budiacimi energiami, ako sú alkalické kovy, kovy alkalických zemín, prípadne prvky vzácnych zemín- relatívna presnosť stanovenia je okolo 2%- hodnota hranice dôkazu je od 0,1 do 0,01 mg/mlNakoľko v spektrách sa nachádza pomerne malý počet spektrálnych čiar, na ich izoláciu sa často využívajú interferenčné filtre a žiareniesa registruje fotoelektrickým detektorom (najčastejšie fotobunkou). Intenzita žiarenia, ktorá je úmerná koncentrácii analytu sa prevedie na koncentračný údaj pomocou kalibračnej závislosti. Problém:- v plameni je vysoký podiel nedisociovaných molekúl a môžu vznikať aj termostabilné molekuly- spektrum plameňa obsahuje intenzívne molekulové pásy (C2, CH, OH, CaOH, CaO, a pod.) - stanovenie analytov je ovplyvnené výrazným matrix efektom.

15. Nesvietivá časť plameňa I Teplota P Závislosť intenzity žiarenia v plameni od pomeru tlakov plynov Vnútorná zóna Reakčná zóna Rozdelenie teploty v plameni

16. Atómová emisia Atómová absorpcia Atómová fluorescencia