Dělení spektrometrických metod podle druhu interagujících částic

1. Metody atomové spektrometrie

Atomová absorpční spektrometrie

Atomová emisní spektrometrie

Atomová fluorescenční spektrometrie

Rentgenová spektrometrie

2. Metody molekulové spektrometrie

Molekulová absorpční spektrometrie v UV/VIS oblasti

Molekulová absorpční spektrometrie v IR oblasti

Molekulová fluorescenční a fosforescenční spektrometrie

Spektrometrie EPR (absorpce mikrovlnného záření v magnetickém poli)

Spektrometrie NMR (absorpce radiofrekvenčního záření v magnetickém poli)

Dělení spektrometrických metod podle oblasti vlnových délek

· Mössbauerova spektrometrie (rezonanční absorpce g záření)

· Rentgenová spektrometrie

· UV/VIS spektrometrie

· Infračervená spektrometrie

· Mikrovlnná spektrometrie

· Spektrometrie elektronové paramagnetické rezonance

· Spektrometrie nukleární magnetické rezonance

Základní části spektrometrů

· Zdroj záření

· Zařízení pro umístění vzorku

· Disperzní systém a pomocná optika

· Detektor záření

· Řídící počítač

Zdroje záření

Atomová emisní spektrometrie - zdroj záření = atomizovaný a excitovaný vzorek

· Plamenová excitace

· Excitace v plazmatu elektrického oblouku či jiskry

· Excitace ve stejnosměrném plazmatu (DCP)

· Excitace v mikrovlnně indukovaném plazmatu (MIP)

· Excitace v kapacitně vázaném plazmatu (CCP)

· Excitace v indukčně vázaném plazmatu (ICP)

· Excitace laserem

· Excitace dopadem urychlených elektronů (rentgenová spektrometrie)

Atomová absorpční a fluorescenční spektrometrie, molekulová spektrometrie a další metody

· Rozžhavené tuhé látky: wolframová lampa, Globar, Nernstova tyčinka

· Elektrické výboje v plynech a parách kovů (nízkotlaké a vysokotlaké)

· Laserové zdroje

· Rentgenové lampy

· Radiofrekvenční cívky a klystrony

Disperzní systém a pomocná optika

Slouží k prostorové separaci záření o určitém spektrálním intervalu vlnové délky

· Nejčastěji využívanými monochromátory (polychromátory) jsou dnes difrakční mřížky

· V některých přístrojích se doposud jako monochromátory používají optické hranoly

· Pro separaci jednotlivých vlnových délek rentgenového záření slouží monokrystaly

· Pro některé jednoduché aplikace lze místo monochromátorů použít spektrální filtry

· Štěrbiny vymezují určitou část paprsků ze svazku paprsků

· Pomocná optika slouží k vedení a zaostřování paprsku (čočky, zrcadla, hranoly)

Detektory záření

Detektory elektromagnetického záření se obvykle dělí podle intervalů vlnových délek, pro jejichž detekci se používají

Detektory UV/VIS záření

· Nejčastěji používaným detektorem je fotonásobič (vnější fotoelektrický jev)

· Stále častěji se dnes využívají odporové polovodičové články (vnitřní fotoelektrický jev)

· Využití fotografické detekce je dnes již téměř historickou záležitostí

Detektory IR záření

· Termočlánky - měření potenciálového rozdílu na rozhraní dvou kovů po dopadu záření

· Pyroelektrické články - signál odpovídá změně polarizovatelnosti materiálu článku

· Polovodičové detektory

Detektory rentgenového záření

· Ionizační detektory

· Scintilační detektory

· Polovodičové detektory

Uspořádání základních přístrojových částí spektrometru

· Jednopaprskové spektrometry - využívají se ve všech metodách emisní spektrometrie

· Dvoupaprskové spektrometry - eliminují vliv nestability zdroje záření, používají se v metodách absorpční spektrometrie

Atomová emisní spektrometrie (AES)

· Studuje záření emitované excitovanými atomy, případně ionty

· Počátky AES spadají do 60. let 19. století - excitace Rb a Cs

· Rozvoj aplikací AES nastal ve 20. letech 20. století - spektrografie

· Pro současnost je typický rozvoj nových zdrojů excitační energie (ICP, laser, MIP)

· Stále častější je spojení AES s dalšími analytickými technikami (MS)

Teoretický základ AES

· Analyt je v důsledku dodání energie převeden do atomárního excitovaného stavu

· Excitované atomy emitují čárové polychromatické záření

· Spektrum je rozloženo na jednotlivé vlnové délky

· Poloha čar ve spektru udává kvalitativní složení vzorku

· Intenzita čar určuje kvantitativní obsah analytu ve vzorku

Kvalitativní analýza

· Čárové spektrum je charakteristické pro každý prvek - identifikace prvku podle polohy jeho čar ve spektru (důkaz prvku na základě alespoň 3 čar)

· Koincidence čar - vzájemný překryv čar různých prvků

Kvantitativní analýza

Scheibe-Lomakinův vztah: log F_l = b.log c + log a

a … parametr charakterizující přechod prvku ze vzorku do plazmatu

b … parametr zahrnující budící pochody ve zdroji

Přirozená šířka čáry:

Dl … 10^-5 nm

Profil a pološířka čáry závisí na poměrech ve zdroji

Budící zdroje

Plamen

· Excituje pouze prvky s nízkými excitačními potenciály

· Emisní spektrum je zde relativně jednoduché

· Aplikací je metoda plamenové fotometrie

· Obvykle se využívají laminární předmíchávané plameny acetylen - vzduch

· Vzorek je před zavedením do hořáku zmlžován (pneumatické zmlžovače)

· Aerosol je v plameni odpařen a disociován

· Volné atomy jsou excitovány a emitují čárové elektromagnetické záření

Elektrický výboj - oblouk a jiskra

· Atomům je dodána vysoká energie

· Spektrum je bohaté na čáry prvků

· Přítomny jsou rovněž čáry ionizovaných atomů

· Teplota plazmatu je určována proudovou složkou zdroje

· Provádí se analýza práškových i kapalných vzorků

· Pevné vzorky mohou být přímo použity jako jedna z elektrod

Tabulka 1: charakteristiky elektrického oblouku a elektrické jiskry

	Elektrický oblouk	Elektrická jiskra
Doba trvání výboje (s)	neomezená	µs
Proudová hustota (A)	10^0 - 10^1	10^2 - 10^3
Teplota plazmatu (°C)	3500 - 7000	12000 - 30000
Charakter spektra	převažují atomové čáry	převažují iontové čáry
Spotřeba vzorku	velká	malá
Analytické využití	kvalitativní analýza	kvantitativní analýza

Obrázek 1: elektrický oblouk a elektrická jiskra jako excitační zdroje pro AES

Plazmové excitační zdroje

· Stejnosměrné plazma (DCP)

· Mikrovlnně indukované plazma (MIP)

· Kapacitně vázané plazma (CCP)

· Indukčně vázané plazma (ICP)

Stejnosměrné plazma

· Vzniká průchodem proudu vysoké hodnoty mezi třemi elektrodami

· Realizováno je obvykle v prostředí argonu

· Zmlžovaný vzorek je rozprašován nosným plynem do plazmatu

· Dosažené meze detekce se podobají hodnotám pro FAAS

Obrázek 2: stejnosměrné plazma

Mikrovlnně indukované plazma

· MIP vzniká v rezonanční dutině výbojové trubice v prostředí He

· Energie je dodávána z mikrovlnného zdroje

· Plazma se zde nenalézá v teplotní rovnováze

· MIP může být použito i pro stanovení nekovových prvků (S, P, Cl, Br)

Kapacitně vázané plazma

· Plazma zde „hoří“ na hrotu jediné elektrody

· Přenos vysokofrekvenční energie do plazmatu

· Elektrický obvod se uzavírá kapacitní vazbou proti zemi

Indukčně vázané plazma

· Velice perspektivní, moderní plazmový excitační zdroj

· Vzniká indukčním přenosem vysokofrekvenční energie

· Primární vinutí tvoří 2 až 3 závity cívky

· Sekundární vinutí je realizováno vlastním plazmatem

· Plazmová hlavice je tvořena 3 koaxiálními křemennými trubicemi

· Pro zapálení plazmatu slouží Teslův induktor

· Používají se pneumatické, ultrazvukové či Babingtonovy zmlžovače

· Převažuje zde excitace nárazem

· Spektrum je složeno z atomových i iontových čar

· Možnost spojení ICP s laserovou ablací (LA) či GF

· Možnost spojení ICP s MS

Obrázek 3: indukčně vázané plazma

Laser jako excitační zdroj

· Pulsní laserový paprsek je fokusován na vzorek mezi 2 elektrodami

· Laserový puls spouští výboj mezi elektrodami

· Výhodou je fokusace laseru na velmi malou plochu

· Metoda je použitelná pro přímou analýzu biologických materiálů

Základní typy interferencí v metodě ICP-AES

Interference je vliv, který způsobí systematické odchylky velikosti signálu při analýze

· Spektrální interference představují závažné omezení metody AES

· Interference emise spojitého záření plazmatu (pozadí)

· Fyzikální interference při transportu vzorku (viskozita roztoku)

· Disociační a ionizační interference

Analytické aplikace AES

· Stopová prvková analýza

· Kvalitativní i kvantitativní analýza

· Metody kalibrační křivky a standardního přídavku

Spojení ICP-MS

· ICP je zdrojem iontů pro hmotnostní spektrometr

· ICP-MS je separační metoda

· Rozdílné tlaky v obou částech zařízení

· Převod iontů z plazmatu do hlubokého vakua je realizován pomocí 2 kuželů

· Kvadrupólový hmotnostní analyzátor slouží k separaci iontů

· Ionty bývají obvykle vzorkovány z oblasti 7500 °C

· ICP-MS umožňuje eliminaci spektrálních interferencí

· Nižší detekční limity ve srovnání s AES-ICP

· Možnost zjištění izotopového složení vzorku

· Problémem zde mohou být izotopové interference

· ICP-MS je jednou z nejcitlivějších analytických metod, které byly doposud popsány

Atomová absorpční spektrometrie

· Využívá měření absorpce elektromagnetického záření volnými atomy

· Řadí se mezi nejmladší fyzikálně chemické metody

· První AA-spektrometr byl sestrojen v roce 1953

· Metoda AAS vyniká vysokou selektivitou a citlivostí

· AAS je základní metodou stanovení prvků v roztocích ve stopových koncentracích

Základní techniky AAS

1. AAS s plamenovou atomizací (F-AAS)

2. AAS s elektrotermickou atomizací (ETA-AAS)

3. AAS s generováním těkavých hydridů (HG-AAS)

4. AAS s generováním studených par (CV-AAS)

Teorie AAS

· Absorbující volné atomy analytu musí být v plynné fázi

· Elektronové přechody se řídí stejnými výběrovými pravidly jako v AES

· Absorpční a emisní spektrální čáry jsou analogické

· Při absorpci jsou významné pouze některé z těchto čar

· Pro absorpci platí Lambertův-Beerův zákon ve tvaru

F = F₀.e^-c.l.N

F ... tok záření po absorpci

F₀ … tok vstupujícího monochromatického záření

c ... monochromatický absorpční koeficient

l … délka absorbujícího prostředí

N … počet volných atomů v základním stavu

Experimentální uspořádání

Zdroje primárního záření

· Výbojky s dutou katodou - zdroje čárového elektromagnetického záření pracující v režimu nízkotlakého doutnavého výboje v inertním plynu

· Bezelektrodové výbojky - výboj je zde buzen radiofrekvenčním generátorem

· Laditelný barvivový laser - možnost ladění vlnové délky změnou geometrie rezonátoru

Obrázek 4: výbojka s dutou katodou

Absorpční prostředí - atomizátory

Plamen (FAAS)

· Realizován směsí paliva (acetylen, propan) a oxidovadla (vzduch, oxid dusný)

· Většinou se dnes používají laminární předmíchávané plameny

· Difusní plameny se dnes používají spíše výjimečně

· Zavádění vzorku se obvykle provádí pomocí pneumatických zmlžovačů

· Alternativou je využití vysokotlakých hydraulických zmlžovačů

· Koncentrace volných atomů v různých zónách plamene udává plamenový profil

· Přítomnost těžko disociujících sloučenin může mít za následek neúplnou atomizaci

· Pro metodu plamenové atomizace je typické silné naředění analytu spalnými plyny

· Účinnost pneumatických zmlžovačů bývá velmi nízká

· Metoda FAAS je výrazně méně citlivá ve srovnání s ET-AAS, HG-AAS a ICP-MS

· Vysoká rychlost analýzy a nižší vliv matrice ve srovnání s ET-AAS představují výhody metody plamenové atomizace v AAS

Obrázek 5: plamenový atomizátor v metodě AAS

Elektrotermické atomizátory (ETAAS)

· Speciální odporově vyhřívané kyvety

· Atomizátory bývají vyrobeny z grafitu, skelného uhlíku, W, Mo, Ta

· Dávkuje se malé množství vzorku (10 – 50 µl)

· Analyt se dávkuje na stěnu kyvety, na platformu nebo na sondu

· Všechen dávkovaný analyt se podílí na absorpci záření

· Ohřev kyvety probíhá v atmosféře argonu

· Teplota kyvety je zvyšována podle zvoleného teplotního programu

· Základními kroky teplotního programu jsou sušení, pyrolýza a atomizace vzorku

· Za účelem stabilizace analytu ve fázi pyrolýzy matrice se používá modifikátor (Pd)

· Po provedení měřícího cyklu je atomizátor vypálen a ochlazen

· Pozorovaný signál má tvar píku (vyhodnocuje se výška nebo plocha)

· Atomizace probíhá za izotermických podmínek, průtok argonu je zastaven

· Detekční limit bývá až o 3 řády nižší ve srovnání s plamenovou atomizací

· Nutností je zde kompenzace nespecifické absorpce pozadí

Křemenové atomizátory - atomizace těkavých sloučenin v AAS (HG-AAS)

Různé modifikace křemenových atomizátorů slouží k atomizaci těkavých sloučenin

· Generace těkavých kovalentních hydridů (As, Sb, Bi, Se, Te, Sn, Ge, Pb, Tl)

· Generace těkavých karbonylů, alkyl-derivátů, fluoridů, chelátů

· Generace těkavých forem (hydridů) přechodných kovů (Cu, Zn, Ag)

· Generace studených par rtuti a kadmia (není potřeba atomizátor, pouze absorpční cela)

· Těkavé sloučeniny jsou generovány chemickou či elektrochemickou redukcí

· Nejčastějším redukovadlem je NaBH₄ v prostředí HCl

· Plynný analyt je oddělen od kapalné fáze v separátoru fází

· Atomizace hydridů probíhá radikálovým mechanismem

· Uspořádání experimentu je dávkové, CFA nebo FIA

· Generace hydridů bývá spojena s kolekcí analytu

· Provádí se kolekce v absorpčním médiu, kolekce tlaková a kolekce vymražováním

· Perspektivním typem kolekce je in-situ akumulace v ETA

· Měřitelná tenze par Hg umožňuje využití generace studených par (CV-AAS)

· Akumulačním krokem může být zachycení par Hg na amalgamátoru (Au, Ag)

· Při generování těkavých sloučenin je analyt oddělen od matrice vzorku

Obrázek 6: schéma aparatury pro generování těkavých kovalentních hydridů v metodě AAS

Monochromátory v metodě AAS

· Interferometricky zhotovené mřížky pro vlnové délky 190 – 900 nm

· Vstupní a výstupní štěrbiny bývají spřažené, spektrální interval činí 0,1 – 2,0 nm

· Využívají se dvoupaprskové i jednopaprskové konstrukce spektrometrů

Detekce signálu v AAS

· Fotonásobič vyniká vysokou citlivostí a nízkou časovou konstantou

· Závislost výstupního proudu na intenzitě zářivého toku je lineární až přes 6 řádů

Nespecifická absorpce pozadí v AAS

· Rozptyl světla na nevypařených pevných částečkách

· Molekulární absorpce

Korekce pozadí v AAS

· Korekce zdrojem kontinuálního záření (deuteriová výbojka)

· Korekce s použitím Zeemanova jevu (magnetické pole)

· Korekce metodou „Smith-Hieftje“ (samozvrat spektrální čáry)

Obrázek 7: zdroj kontinuálního záření - deuteriová výbojka

Interference v metodě AAS

Spektrální interference

· Způsobené nedokonalou izolací měřené spektrální čáry

· Eliminace vhodnou volbou spektrálních čar a korekcí pozadí

Nespektrální interference v plamenové AAS

· Rušivé vlivy při transportu (změna rychlosti sání, účinnosti zmlžování)

· Rušivé vlivy vypařování (různá těkavost analytu v různých matricích)

· Rušivé vlivy v plynné fázi (ionizační interference)

Nespektrální interference v ET-AAS

· Interference ztrátami při teplotním programu

· Interference v plynné fázi (ionizace, kinetika procesu)

Nespektrální interference v HG-AAS

· Interference v kapalné fázi (oxidovadla, přechodné kovy)

· Transportní interference

· Atomizační interference (jiné hydridotvorné prvky, zánik H-radikálů)

Analytické aplikace AAS

· Stopová prvková analýza (asi 70 prvků)

· Analýza různorodých vzorků

· Klinická, toxikologická a environmentální analýza

· Analýza vod, nápojů, potravin

· Analýza vodných i nevodných roztoků

· Analýza suspenzí a pevných vzorků

· AAS je metodou srovnávací

AA-spektrometry jako chromatografické detektory

· Přímé napojení chromatografické kolony ke zmlžovači AAS

· Často je spojení realizováno pomocí mezičlánku (interface)

· Spojení HPLC a AAS pomocí mezičlánku na základě termosprejového efektu

· Spojení HPLC a AAS pomocí mezičlánku na základě elektrosprejového efektu

Atomová fluorescenční spektrometrie (AFS)

· Využívá sekundárního záření emitovaného volnými atomy analytu

· Větší experimentální náročnost měření ve srovnání s AAS

· Emise záření se měří ve směru kolmém vůči dopadu primárního záření

· Atomová fluorescence se hodnotí na základě velikosti toku fluorescenčního záření F_F

· F_F je závislý na zářivém toku primárního zdroje a na kvantovém výtěžku fluorescence

· Kalibrační závislosti bývají lineární i přes 5 řádů

· Metoda je vhodná pro ultrastopové analýzy řady prvků (Cd, Hg, Zn)

· Vzhledem k nedostatku přístrojů je AFS mnohdy nahrazena metodou ICP-MS