Spektroskopske metode Inovativna škola za zelenu budućnost Hrvoje Sučić

Sadržaj Spektroskopske metode Spektroskopija Podjela spektroskopije Spektroskopske tehnike Uređaji za spektroskopiju Dijelovi spektroskopa UV/VIS spektroskopija IR i Ramanova spektroskopija Atomsko apsorpcijska spektroskopija (AAS) Atomsko emisijska spektroskopija (AES)

Pregled glavnih analitičkih metoda Analitički signal Metoda temeljena na tom analitičkom signalu Emisija zračenja Emisijska spektrometrija (X-zrake, UV, VIS, elektronska), Fluorescencija i Fosforoscencija (X-zrake, UV, VIS) Apsorpcija zračenja Spektrofotometrija (X-zrake, UV, VIS, IR), Fotoakustična spektroskopija, NMR, Elektronska spinska rezonancija (ESR) Raspršenje zračenja Turbidimetrija, Nefelometrija, Ramanova spektroskopija Lom zračenja Refraktometrija, Interferometrija Električni potencijal Potenciometrija, Kronopotenciometrija Električni naboj Kulometrija Električna struja Polarografija, Amperometrija

Što su spektroskopske metode? metode koje se zasnivaju na mjerenju intenziteta elektromagnetskog zračenja propuštenog kroz uzorak, a omogućavaju kvalitativnu i kvantitativnu analizu tvari područje zračenja iskoristivog u analitičke svrhe kreće se od infracrvenoga do gama i rendgenskog zračenja Kvalitativna analizom osniva se na karakterističnom fizikalno-kemijskom svojstvu analita (apsorpcija EZ kod određene valne duljine) Kvantitativna analiza osniva se na količini, odnosno udiu pojedinih sastojaka (intenzitet EZ kod određene valne duljine)

Spektar elektromagnetskog zračenja Spektar elektromagnetskog zračenja se dijeli na više dijelova. Podjela ovisi i o znanosti koja koristi spektar. Općenita podjela je na: gama zračenje, rendgensko zračenje, ultraljubičasto zračenje, vidljivu svjetlost, infracrveno zračenje, mikrovalno zračenje i radiovalove.

Priroda elektromagnetskog zračenja Kombinacija oscilirajućeg električnog i magnetskog polja koja zajedno putuju kroz prostor Dualna priroda: VAL (pri širenju kroz prostor) ČESTICA (pri interakciji s materijom)

Svojstva elektromagnetskog zračenja Brzina prostiranja Brzina = frekvencija x valna duljina C=300,000 km/s Frekvencija Broj valova u sekundi Frekvencija se ne može direktno izmjeriti nego se izračuna iz valne duljine i brzine 10 Hz do 1023 Hz (s-1) Valna duljina 104 km – 1 femtometra (10-15m) Energija i frekvencija su direktno proporcionalne → posljedica: viša frekvencija zračenja ima višu energiju Energija i valna duljina su obrnuto proporcionalni → posljedica: zračenja dužih valnih duljina su slabije energije Energija fotona Planckova konstanta x frekvencija (Js) (Hz) E = hν=hc/λ EM valovi su drugačiji od drugih valova. Putuju kao čestice određene valne duljine (fotoni) i imaju energiju čija snaga ovisi o frekvenciji h = 6.6 x 10–34Js

vs. Spektrometrija Spektroskopija Grana fizike Grana analitičke kemije Nastali spektri(emisijski i apsorpcijski) karakteristični su za određenu tvar Proučava efekte vezane uz emisiju i apsorpciju EZ Grana fizike Proučava spektre nastale interakcijom EZ i tvari Grana analitičke kemije vs.

Podjela spektroskopije Rotacijska Proučavaju se rotacije molekula Promjene su vidljive u regiji mikrovalova. Rotacija se može opisati s 3 mjerljive veličine - momenti inercije Inercijski moment moguće je izračunati za molekulu kod koje je poznata formula i duljine veza između atoma i kutovi između veza Mikrovalna i Ramanova spektroskopija Vibracijska Proučavaju se spektri uzrokovani vibracijama molekula Veze između atoma nisu izrazito čvrste i omogućavaju vibraciju atoma u molekuli u određenim frekvencijama (poput žica na gitari – nekoliko različitih vibracija) Frekvencije povezane dužinom i čvrstoćom veza te masom atoma na kraju veza Infracrvena i Ramanova Elektronska Proučava spektroskopske prijelaze koji uključuju promjenu elektronske konfiguracije molekule Elektroni u molekuli prelaze iz jedne energijske razine u drugu Prostiru se blizu IR, VIS i UV područja Elektronski spektar; odgovoran je za boje koje vidimo

Spektroskopske tehnike interakcija EMZ s materijalom atomska molekulska Atomske spektroskopije služe u analizi metala i metaloida, a temelje se na tri procesa: vrste energijskih prijelaza apsorpcija emisija fluorescencija

Apsorpcija i emisija APSORPCIJA; proces u kojemu neka kemijska vrsta prisutna u propusnoj sredini selektivno prigušuje, dakle smanjuje intenzitet neke frekvencije EMZ najniže energijsko stanje atoma ili molekule naziva se osnovnim stanjem kada čestica (atom, ion, molekula) apsorbira foton, energija čestice raste EMISIJA; proces u kojemu se atomi ili molekule pobuđuju apsorpcijom snopa elektromagnetskog zračenja. Pobuđene se vrste tada relaksiraju u osnovno stanje otpuštanjem suviška svoje energije u obliku fotona. Fluorescencijska emisija traje 10-15 sekundi ili manje Emitirana svjetlost niže je energije i veće valne duljine od apsorbirane svjetlosti, što znači da je i boja emitirane svjetlosti različita od apsorbirane Osnovno stanje Pobuđeno (ekscitirano) foton Relaksacija

Spektroskopske tehnike Optička ili elektronska (promjene strukture el.omotača, spektar u vidljivom i UV području; 100-700 nm) Infracrvena (prijelazi između vibracijskih stanja u IC spektru; 800-1000 nm) Elektronska spinska rezonancija (prijelaz spinskih stanja elektrona u vanjskom mag.polju spektra mikrovalova; 1-10 cm) Nuklearna magnetska rezonancija (prijelaz spinskih stanja jezgre u vanjskom mag.polju spektra radiovalova; 1-10 m) Fluorescencija (molekule se pobuđuju u stanje veće energije ultraljubičastim ili laserskim zračenjem; relaksacijom u osnovno stanje emitiraju zračenje u vidljivom području) Apsorpcijske Emisijske

Primjena spektroskopskih tehnika MEDICINA (Dijagnostika,terapija, rendgenska dijaskopija) ANALIZA MATERIJALA (Strukturna i spektralna analiza, defektoskopija) Najšira upotreba u ANALITIČKE SVRHE

Uređaji za spektroskopiju - uređaj koji se sastoji od cijevi kroz koju se promatra osvjetljeni objekt ili izvor svjetlosti - ne omogućuje pohranu podataka (metoda ograničena na vidljivi dio spektra EZ) - omogućuje snimanje spektra IC, vidljivog i UV zračenja na posebne fotoosjetljive filmove ili ploče - filmovi i ploče moraju biti osjetljivi na korisni dio spektra koji se želi zabilježiti - uređaj koji omogućuje promjenu valne duljine koju propušta monokromator - omogućuje precizno mjerenje cijelog spektra zračenja tvari - mogućnost pohrane podataka SPEKTROSKOP SPEKTROGRAF SPEKTROFOTOMETAR

Osnovni dijelovi spektrofotometra 1.Izvor zračenja 2.Optički filter i monokromator 3.Prostor za uzorak (kivetu) 4.Detektor i amplifikator

Izvor zračenja žarulja u kojoj se nalazi plin nekog elementa ili pare metala pod tlakom živina, volframova, deuterijeva žarulja… ovisno o namjeni instrumenta Izvor zračenja može davati kontinuirani spektar, linijski spektar, odnosno biti monokromatski volframova žarulja (kontinuirani spektar od 260-750 nm), deuterijeva žarulja je primjenjiva u ultraljubičastom spektru, halogena žarulja je primjenjiva u vidljivom spektru Dovođenjem energije plinu, pobuđuju se elektroni koji emitiraju određene kvante energije UV ili VIS zračenja

Monokromatori Optički filteri Obojena stakla visoke spektralne čistoće Boje filtera apsorbiraju samo određena zračenja, dok druga propuštaju Monokromatori Prizme ili difrakcijske rešetke (sićušne paralelne pukotine) Propušta EZ različitih valnih duljina koja se sustavom zrcala usmjeravaju na uzorak(širina pukotine<širine apsorpcijskog maksimuma tvari koja se mjeri) U spektrofotometrima se najčešće rabe monokromatori i to difrakcijske rešetke koje se sastoje od niza sićušnih paralelnih pukotina na ravnoj ili zakrivljenoj staklenoj plohi.

Prostor za uzorak- kiveta Plastične, silicijske, staklene kivete…50 mm, 20 mm, 10 mm Snop zračenja mora biti uži od širine kivete Pravokutne ili valjkaste baze, uvijek pod pravim kutom na smjer zračenja Čistoća kivete ??? Oštećenje i nečistoće uzrokuju apsorpciju zračenja, a otapalo s vanjske strane kivete povećava gubitak zračenja refleksijom Kivete : UV područje – kvarcne VIS područje - staklene

Detektor i amplifikator fotoćelija fotomultiplikatori površine sastavljene od gusto pakiranih fotodioda (‘fotodiode array detector, FAD) fotoćelija je sastavljena od tankoga polupropusnoga sloja srebra na sloju selena, a oba sloja su na pločici vodiča struje. Kad zračenje prođe kroz sloj srebra pogodi selenski sloj i oslobodi elektron koji prijeđe u sloj srebra te postane razmjeran zračenju pristiglom na fotoćeliju fotonski detektori: npr. fotomultiplikator zračenje se detektira pretvorbom svjetlosne energije u električni signal koji se kasnije elektronički pojačava i registrira selekcijom se izdvaja samo jedna spektralna linija te koristi za aktiviranje fotoelektričnog detektora → signal proporcionalan intenzitetu upadnog zračenja

UV-VIS spektroskopija Merck NOVA 60 UV-VIS spektrofotometar koristi se za kvantitativno određivanje prijelaznih metala i organskih komponenti u otopini otopina s ionima prijelaznih metala može biti obojena (tj. apsorbirati vidljivi dio spektra) budući da elektroni iz d-orbitala mogu biti pobuđeni iz jednog energetskog stanja u drugo. Boja otopine ovisi o prisustvu drugih vrsta kao što su određeni anioni ili ligandi organske komponente apsorbiraju svjetlost u vidljivom i UV dijelu spektra UV-VIS područje: 100-700 nm

UV-VIS spektroskopija Izvor elektromagnetskog zračenja odašilje EM zračenje širokog spektra koje ulazi u monokromator. Monokromator propušta EM zračenje točno određene valne duljine koje prolazi kroz uzorak u kiveti duljine puta (l). Uzorak apsorbira dio zračenja, a količina apsorbiranog zračenja je proporcionalna koncentraciji uzorka. Dio zračenja koji nije apsorbiran prolazi kroz uzorak (propušteno EM zračenje) i mjeri se na detektoru te najčešće izražava kao apsorbancija (A)

Lambert-Beerov zakon Ovisnost apsorpcije nekog monokromatskog zračenja o koncentraciji tvari kroz koju zračenje prolazi Transmitancija – udio upadnog zračenja koje je otopina propustila T = I / I0 I0 - intenzitet ulaznog svjetla I - intenzitet izlaznog svjetla

A = - log T= ecL Apsorbancija opisuje količinu apsorbiranog zračenja (intenzitet propuštenog zračenja pada eksponencijalno s povećanjem koncentracije neke homogene otopine) A = - log T= ecL A-apsorbancija I0-intenzitet upadnog svjetla I-intenzitet propuštenog svjetla e-molarni apsorpcijski koeficijent c-tražena koncentracija L-promjena valne duljine pri prolasku kroz uzorak c l0 l L

Primjenjuje infracrveno zračenje kao medij proučavanja IR spektroskopija Primjenjuje infracrveno zračenje kao medij proučavanja Vibracijska spektroskopija (Infracrveno zračenje emitiraju molekule zahvaljujući svojim vibracijama. Apsorbiranjem infracrvenog zračenja molekulske vibracije se pobuđuju, pa molekule počinju jače vibrirati) Svaka molekula ima karakteristične vibracije, koje ovise o čvrstoćama veza i masama dijelova molekula koje vibriraju (jedna od najmoćnijih sredstava za proučavanje građe molekule) Kako svaka molekula ima različiti infracrveni spektar, infracrvena spektroskopija se primjenjuje pri identifikaciji tvari

Shematski prikaz mjerenja u IR području Izvor može biti infracrveni laser promjenljive frekvencije ili izvor kontinuiranog spektra. Nakon prolaska kroz uzorak, ako smo se koristili kontinuiranim spektrom, propušteni snop ulazi u monokromator. Njegova je zadaća da rasipa sve zračenje osim zračenja one frekvencije koju istražujemo. To zračenje fokusiramo na detektor. Detekcija propuštenog zračenja i mjerenje njegova intenziteta obavlja se danas pomoću bolometra ili TGS-detektora (Triglycine sulfate TGS ) i na njega priključene elektroničke dijelove uz dodatak kompjutora Difrakcijska rešetka; ključni dio za analizu spektra. Razlike u valnim duljinama uzrokuju da su razmaci među zarezima veći, tj. da su rešetke mnogo grublje. Geometrija rešetke i površinski materijali također su prilagođeni infracrvenom području Izvor zračenja uzorak monokromator uređaj za detekciju i registraciju

Ramanova spektroskopija Primjenjuje neelastično raspršenje svjetla, Ramanovo raspršenje za prikupljanje spektroskopskih podataka Elektromagnetsko zračenje, raspršeno na molekuli, sadrži dvije komponente koje dolaze od vibracija ili rotacija molekula.  Metoda se oslanja na neelastično raspršenje monokromatske svjetlosti, obično iz lasera i to u vidljivom, infracrvenom i ultraljubičastom spektralnom području Ramanova spektroskopija se obično koristi i u kemiji jer informacije o vibracijama atoma su vrlo specifične za kemijske veze u molekulama, odnosno može se reći da ne postoje dvije različite molekule s istim vibracijama. Stoga se Ramanov spektar smatra “otiskom prsta” molekule. Ramanova spektroskopija ima veliku prednost nad infracrvenom spektroskopijom jer se ramanovi spektri mogu snimati u vodenim otopinama.

Shematski prikaz RAMANOVA spektroskopa Laserski snop pada na uzorak. Efekt se promatra obično pod kutom 90°radi izbjegavanja jakog intenziteta osnovne laserske frekvencije  Skeniranjem u području valnih duljina oko valne duljine izvora zračenja, dobiva se spektar. Spektar se sastoji od jedne linije velikog intenziteta, koja odgovara valnoj duljini upadnog zračenja (Rayleighovo raspršenje) te skupa vrpci i/ili linija pri većim valnim duljinama (Antistokesovo raspršenje) i skupine vrpci i/ili linija pri manjim valnim duljinama (Stokesovo raspršenje) puno manjeg intenziteta Stokesove i Antistokesove vrpce puno su manjeg intenziteta od Rayleighovog raspršenog zračenja (potrebno je primijeniti izvor zračenja velikog intenziteta) Stokesovo i Antistokesovo raspršenje ovise o promjeni polarizabilnosti molekula u vremenu, pa Ramanov spektar pokazuju samo one vibracije i rotacije molekula koje mijenjaju polarizabilnost molekule Monokromator propušta samo zračenje jedne frekvencije ili njihova uskog pojasa (optička rešetka ili prizma te izvor jake svjetlosti) Intenzitet propuštene komponente mjeri detektor (fotomultiplikator) laser uzorak monokromator uređaj za detekciju

Zanimljivost Zašto je nebo plave boje? Rayleighovo raspršenje Sunce osvjetljava Zemlju bijelom svjetlošću, koja je kombinacija svih duginih boja. Te boje imaju različite valne duljine. Nebo je plavo zbog atmosfere (atmosfera je sloj plinova koji okružuju Zemlju) i različitih valnih duljina duginih boja.  Bijela svjetlost sa Sunca dolazi do našeg planeta i putuje kroz atmosferu. Boje dužih valnih duljina (kao što su crvena i narančasta boja) prolaze atmosferu i nastavljaju svoje putovanje, dok se plava boja, koja ima jednu od najkraćih valnih duljina, „odbija“ po atmosferi u svim pravcima. U svjetlosti koja do nas stiže više nema plave boje jer je rasuta u atmosferi te obasjava nebo i boji ga u plavo. Sunce emitira svjetlost svih boja, tj. bijelu. Iz naše perspektive je žuto zbog toga što je iz bijele svjetlosti nestala plava komponenta koja daje boju nebu, a preostale boje formiraju žutu. Raspršenje svjetlosti na česticama koje su manje od valne duljine svjetlosti Rayleighovo raspršenje

Atomska apsorpcijska spektroskopija(AAS) fenomen atomske apsorpcije - početak 19. stoljeća (prva oprema- druga polovica 20 stoljeća) daje informacije o atomima neovisno o molekulskim oblicima u kojima se nalaze u uzorku mjeri apsorpciju elektromagnetskog zračenja VIS i UV područja koje apsorbiraju atomi Alan Walsh, 1950-te l < 400 nm, UV 400 nm < l < 700 nm, VIS

AAS princip metode kada atomi apsorbiraju svijetlo, primljena energija pobudi elektrone u više energetsko stanje atomi metala apsorbiraju svjetlo specifične frekvencije i valne duljine, a količina apsorbiranog zračenja direktna je mjera količine atoma prisutne u otopini (koncentracija analita se određuje iz količine apsorbiranog zračenja) mjeri se razlika intenziteta upadne i izlazne zrake (smanjenje intenziteta) prije i poslije prolaza kroz atomizirani uzorak Osjetljivost metode Uzorak se putem nebulajzera prevodi u plinovito stanje i uvodi u plamen gdje dolazi do atomizacije.Atomi se prevode iz osnovnog stanja u pobuđeno i stvara se oblak atoma elementa. Prolaskom svjetla iz šuplje katodne lampe kroz oblak atoma pobuđeni atomi elementa apsorbiraju svjetlost kod određene valne duljine karakteristicne za pojedini element  Smanjenje inteziteta svjetlosti bilježi se na detektoru i aparat crta kalibracijsku krivulju sa poznatim koncentracijama standarda na osnovu koje se očitavaju koncentracije određenog elementa u uzorku. µg/L mg/L

Atomizacija AS zahtjeva da atomi analita budu u plinovitom obliku ATOMIZACIJA je postupak kojim se uzorak pretvara u plinovite atome (nastaje atomska para) treba biti učinkovita i reproducibilna → određuje osjetljivost, preciznost i točnost metode Najčešći načini atomizacije: atomizacija u plamenu elektrotoplinska atomizacija (pećnica) atomizacija u induktivno spregnutoj plazmi atomizacija u plazmi istosmjerne struje Fe Ca Na Element se dovodi u disocirano,plinovito, nepobuđeno,neionizirano osnovno stanje Mg Mn

Klasifikacija atomskih spektralnih metoda Metoda atomizacije Temperatura atomizacije °C Temelj metode Uobičajeni naziv i kratica metode Plamena 3150 apsorpcija emisija fluorescencija Atomska apsorpcijska spektroskopija, AAS Atomska emisijska spektroskopija, AES Atomska fluorescencijska spektroskopija, AFS Elektrotoplinska (elektrotermalna) 3000 Elektrotoplinska atomska apsorpcijska spektroskopija, ETAAS (GFAAS) Elektrotoplinska atomska fluorescencijska spektroskopija Induktivno spregnuta argonska plazma 6000 8000 Induktivno spregnuta plazma spektroskopija, ICP Induktivno spregnuta plazma fluorescencijska spektroskopija Istosmjerna argonska plazma 6000 10000 Istosmjerna plazma spektroskopija, DCP Električni luk 4000 5000 Emisijska spektroskopija uz lučni izvor Električna iskra 40000(?) Emisijska spektroskopija uz iskru kao izvor

Spektrofotometri s jednim ili dva snopa zračenja Instrumenti za AAS izvor zračenja atomizator sustav spektralne selekcije (monokromatori: optičke mrežice) mjerni i fotodetekcijski sustav (detektor; fotomultiplikator) Spektrofotometri s jednim ili dva snopa zračenja

AAS-Izvor zračenja za svaki element ili skupinu elemenata potrebna je posebna žarulja (lampa) emitirane valne duljine su karakteristične za svaki atom najčešće: žarulje sa šupljom katodom, šuplja katodna žarulja (Hollow-Cathode Lamps, HCL) HCL- sastoji se od šuplje katode napravljene od metala koji se analizira i volframove anode zataljenih u staklenoj cijevi punjenoj inertnim plinom pod tlakom. Kada je potencijal dovoljno velik, nastaje ionizacija argona koji putuju prema katodi: kationi argona udaraju na katodu s energijom dovoljnom za izbijanje nekolicine atoma metala čime nastaje atomski oblak (prštanje) jedan dio izbijenih atoma nalazi se u pobuđenom stanju te emitira tipične valne duljine pri povratku u osnovno stanje. HCL- sastoji se od šuplje katode napravljene od metala koji se analizira i volframove anode zataljenih u staklenoj cijevi punjenoj inertnim plinom pod tlakom. Kada je potencijal dovoljno velik, nastaje ionizacija argona koji putuju prema katodi: kationi argona udaraju na katodu s energijom dovoljnom za izbijanje nekolicine atoma metala čime nastaje atomski oblak (prštanje) jedan dio izbijenih atoma nalazi se u pobuđenom stanju te emitira tipične valne duljine pri povratku u osnovno stanje. Izbijeni atomi mogu preći natrag na površinu katode ili pak na stijenke žarulje te se istaložiti

Plamena atomizacija (FAAS) plamena AAS može analizirati samo otopine princip: svjetlo iz žarulje prolazi kroz plamen u koji se usisava otopina uzorka te atomi analiziranog elementa apsorbiraju dio energije zračenja. Rezonantna linija se izdvaja pomoću monokromatora te registrira fotodetekcijskim sustavom

Plamena atomizacija (FAAS) plamenik važan dio instrumenta (stabilan, tih, osjetljiv, dovoljne brzine unošenja uzoraka) otopina prolazi kroz pneumatski raspršivač (nebulizer) miješa se s oksidansom pri čemu nastaje aerosol koji zajedno s gorivom ulazi u plamen Plamenik laminarnog protoka ili plamenik s prethodnim miješanjem

Plamena atomizacija (FAAS) stupanj atomizacije ovisan o temperaturi temperatura plamena ovisi o smjesi goriva i oksidansa gorivo oksidans temperatura Prirodni plin Zrak 1700-1900 Kisik 2700-2800 Vodik 2000-2100 2550-2700 Acetilen 2100-2400 3050-3150 N2O 2600-2800

Elektrotoplinska atomizacija (ETAAS, GFAAS) grafitna kiveta omogućuje potpunu atomizaciju cijelog uzorka i dulje zadržavanje atoma u optičkom putu nego što je slučaj kod plamene atomizacije visoka temperatura potrebna za atomizaciju postiže se dovođenjem električne energije na krajeve grafitne cijevi, pri čemu se grafitna kiveta užari do temperature od 3000 °C

Elektrotoplinska atomizacija (ETAAS, GFAAS) veća osjetljivost od atomizacije u plamenu (LD niža 100-1000x) potrebno manje uzorka princip: svjetlosna zraka prolazi kroz grafitnu kivetu kroz koju se propušta neki inertni plin, a visina signala koji u tom trenutku registrira detektor razmjerna je koncentraciji određivanog elementa temperaturni program pećnice: sušenje uzorka (isparavanje otapala) piroliza uzorka, "burn off" atomizacija (2000-3000°C) čišćenje kivete

Sažetak osnovnih postupaka plamene i elektrotoplinske atomizacije Plamena atomizacija raspršivanje uzorka (nebulizacija) uklanjanje otapala atomizacija određivanog elementa mjerenje kondenzacija reakcijskih produkata Elektrotoplinska atomizacija unošenje uzorka u kivetu sušenje-isparavanje otapala spaljivanje-atomizacija čišćenje kivete-zagrijavanjem kivete da se očisti od ostataka

-posljedica rasapa svjetlosti na molekulama ili česticama AAS interferencije Spektralne spektralna linija nekog elementa poklapa se s linijom elementa koji određujemo (rijetke, kvalitetni monokromatori) Kemijske -potječu od interakcija između određivanih i prisutnih elemenata u uzorku ili neke vrste koja smeta ili nepotpune atomizacije elementa -uklanjaju se dodatkom reagensa koji će vezati interferirajuće sastojke ili koji će vezati analit u hlapljiviji oblik (npr. dodatak La, Pd), nadalje povećanjem temp. plamena Apsorpcija pozadine -posljedica rasapa svjetlosti na molekulama ili česticama -metoda dviju linija (mjerenje A kod različitih valnih duljina):prvo mjerenje uključuje vrijednosti A za ne atomne čestice i za atome, a drugo mjerenje samo za atomne čestice. Iz razlike tih dvaju mjerenja dobiva se A određivanog elementa Fizikalne posljedica fizikalnih svojstava uzoraka (npr. viskoznost, hlapljivost, površinska napetost): organska otapala → povećana apsorpcija zračenja

Kalibracijski postupci Što je kalibracija ? PRINCIP: aparat se kalibrira očitavanjem apsorbancije nekoliko (3-6) standardnih otopina poznate koncentracije te se izrađuje kalibracijska krivulja (ovisnost koncentracije o apsorbanciji) A) Metoda vanjskog standarda B) Metoda dodatka standarda (metoda standardnog dodatka, metoda adicije) C) Metoda unutarnjeg standarda utjecaj matriksa zanemariv i ne ovisi o koncentraciji analita

Metoda vanjskog standarda Kalibracijski ili baždarni dijagram: pripremi se niz standardnih otopina i očita apsorbancija (odziv aparata) ovisno o njihovoj koncentraciji standardne otopine trebaju pokrivati cijelo koncentracijsko područje priprema standardnih otopina – moguća sustavna pogreška (analitičar,instrument) A b s o r a n c i j 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 2 4 6 8 Koncentracija (ppm)

Uporaba kalibracijske krivulje za određivanje koncentracije elemenata 1.0 0.8 0.6 0.4 koncentracija= 5,0 ppm 0.2 2 4 6 8 koncentracija (ppm)

Prednosti AAS Velika specifičnost (signal koji sadrži informaciju o količini prisutnog elementa koncentriran je unutar uskog intervala valnih duljina) Niska granica detekcije za niz elemenata Brzina i široko koncentracijsko područje Određivanje niza elemenata jednim instrumentom te mogućnost određivanja nekoliko elemenata iz iste otopine

Atomska emisijska spektrometrija (AES) plamena emisijska spektrometrija ili plamena fotometrija mjeri se emisija ekscitiranih atoma za određivanje koncentracije analita princip: atomizacijski izvori (plamen, plazma) svojom energijom dovode do premještanja atoma u viši energetski nivo, povratkom u osnovno stanje emitira se zračenje koje prolazi kroz monokromator ili filtere prije detektora, fotomultiplikatora instrumenti AES su isti kao kod AAS, ali bez izvora zračenja izvor energije u AES npr.: plamen (1700 – 3150 °C)- prikladan za elemente s relativno niskom ekscitacijskom energijom (npr. Na, K, Ca, Ba, Li) plazma (6000 – 8000°C) postiže visoku temperaturu prikladnu za elemente više ekscitacijske energije

Plamena fotometrija atomizacija u plamenu plamen služi za prevođenje otopljenih sastojaka u plinovito stanje, za razgradnju sastojaka na atome i molekule i za pobuđivanje elektrona plamen niže temp. (< 2000°C)→ alkalijski i zemnoalkalijskii metal dijelovi: raspršivač, plamenik, fotoelement (fotoćelija ili fotomultiplikator), filtri ili monokromator, mjerni sustav (galvanometar) najznačajnija primjena u kliničkoj kemiji: Na, K, Li, Ca koristi metodu unutrašnjeg standarda (u uzorak, sp i standardne otop. dodaje se ista konc. određenog elementa, najčešće Li. Fotometar uspoređuje emisije Na i K s emisijama referentnog elementa Li dajući rezultate mjerenja kao omjer intenziteta tih zračenja) Visoke temperature postižu sagorjevanje vodika ili acetilena u kisiku te se rabe za određivanje većine elemenata, ali s obzirom da visoke temp. povećavaju ionizaciju moguća je interferencija s ostalim elementima iz uzorka. Plamena fotometrija našla je primjenu u različitim područjima znanosti i tehnike: u mineralogiji i geologiji za analizu vode i minerala,u u agrokemiji za analizu zemlje i gnojiva..ali najznačajnija primjena joj je u kliničkoj kemiji za određivanje Na,K,Li,Ca (npr.Li se normalno ne nalazi u serumu, ali je njegovo pojavljivanje u serumu važno u tijeku liječenja psihijatrijskih bolesti.

Plamena fotometrija emisija zračenja ispitivanog elementa pobuđena energijom plamena alkalijski metali zrače svjetlosnu energiju u vidljivom dijelu spektra intenzitet zračenja razmjeran broju atoma koji su se vratili u osnovno stanje Na K Li K kao izvor energije služi za prevođenje otoplj.sastojaka u plinovito stanje za razgradnju sastojaka na atome i molekule za pobuđivanje elektrona u atomima i molekulama

Plamen stabilan tih osjetljiv reproducibilan

ICP-OES (induktivno spregnuta plazma optička emisijska spektrometrija) plazma atomizacija plazma je vodljiva plinska smjesa koja sadrži znatnu količinu kationa i elektrona istovremena analiza više elemenata (štedi količinu uzorka) određivanje nekih nemetala (Cl, Br, I i S) Nedostatci: Komplicirani spektri Visoka rezulacija i skupe optičke komponente Zahtjevnost analize

Usporedba atomske apsorpcijske i emisijske spektroskopije određivanje koncentracije elemenata u tragovima u kompleksnim matriksima mjeri se zračenje koje apsorbiraju atomi u osnovnom stanju atomska apsorpcija ovisi o broju atoma u osnovnom stanju izvor zračenja (žarulje) AAS mjeri se zračenje atoma u pobuđenom stanju atomska emisija ovisi o broju pobuđenih/ekscitiranih atoma nema izvora zračenja (žarulje) AES

Hidridni sustavi u AAS tehnika koja stvaranjem para hidrida elementa koji se određuje pruža bolju osjetljivost (As, Se, Sb, Hg) princip: mjereni element redukcijom s alkalnim borhidridom (NaBH4) prevodi se u plinoviti hidrid koji se uvodi u kvarcnu kivetu gdje se hidridna para atomizira i mjeri apsorpcija zračenja

Priprema uzoraka uzorak za analizu u obliku OTOPINA vodene otopine: uzorak se razrjeđuje s vodom biljni i životinjski materijali: tehnike suhog i mokrog razaranja metali i rude: otapanje u kiselini i nastala otopina se razrjeđuje s vodom priprema za određivanje elemenata: suho i vlažno razaranje: zagrijavanje mikrovalovima

Primjena AAS i AES Na, K, Ca, Mg određivanje metala i metaloida kliničke analize: određivanje elemenata u biološkim uzorcima (krv, mokraća, nokti, kosa) Na, K, Ca, Mg Cu, Zn, Fe, Cr, Se, Mn, Al, Au Pb, Cd, Hg, As biomonitoring analiza okoliša: monitoring (voda, zrak, tlo) prehrambena industrija: analiza sirovina i gotovog proizvoda analiza POU (npr. kozmetika, dječje igračke) farmaceutska industrija: analiza konačnih proizvoda (specifikacija, kontrola čistoće-onečišćenja ljekovitih i pomoćnih tvari; npr. određivanje bakra i željeza u askorbinskoj kiselini)

Granice detekcije u atomskoj spektroskopiji Granica detekcije je najniža koncentracija elementa koja se može detektirati(dokazati) uz odgovarajuću točnost i preciznost. To je ona koncentracija koju daje signal dvostruke vrijednosti standardne devijacije.(10 mjerenja s koncentracijom oko granice detekcije) Trend: ICP-MS > GFAAS > ICP-AES > FAAS > FAES

Pitanja ???

1. Na čemu se zasnivaju spektroskopske metode? a.)na apsorpciji polikromatskog zračenja b.)na mjerenju intenziteta EM zračenja propuštenog kroz uzorak c.)na interakciji monokromatskog zračenja i materije d.)na elektrolizi mjerene tvari e.)sve navedeno je točno

2.Spektroskopske metode su? a) kvalitativne b) kvantitativne c) kvalitativne i kvantitativne d) ništa nije točno e.)sve navedeno je točno

3. Koje je područje EM zračenja iskoristivo u analitičke svrhe? a.) od infracrvenoga do gama i rendgenskog zračenja b.) od infracrvenog do ultraljubičastog c.) od vidljivog do rendgenskog zračenje d.) od infracrvenog do vidljivog zračenja e.) sve navedeno je točno

4.Optički filteri su? a.) prizme visoke spektralne čistoće b.) obojena stakla visoke spektralne čistoće c.) difrakcijske rešetke uskih pukotina d.) sve navedeno e.) ništa nije točno

5. Koja je valna duljina spektra vidljivog zračenja? a.)100-200 nm b.)200-400 nm c.)400-700 nm d.)800-1000 nm e.)vidljivo zračenje nema valnu duljinu

6. Instrumenti AES za razliku od AAS nemaju? a.)monokromator b.)izvor zračenja c.)fotomultiplikator d.)b+c e.)sve navedeno je točno

7.Koja tvrdnja nije točna za AAS? a) služi za određivanje konc.elemenata u tragovima u kompleksnim matriksima b) mjeri zračenje atoma u pobuđenom stanju c) mjeri zračenje atoma u osnovnom stanju d) ima izvor zračenja e.)sve navedeno je točno

Zanimljivost Zašto zrela rajčica ima crvenu boju? LIKOPEN crveni karotenoidni pigment zastupljen ne samo u rajčici nego i drugim crvenim voćkama. apsorbira većinu vidljivog spektra, a uglavnom reflektira crvenu boju pa ju vidimo kao crveno obojenu

Hvala na pozornosti