Vývoj instrumentace a metodologie spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta Ústav chemie Vývoj instrumentace a metodologie spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS Karel Novotný Habilitační práce Brno

2 Možná jsem nedošel tam, kam jsem původně chtěl, ale myslím, že jsem skončil tam, kde jsem potřeboval. Douglas Adams Rád bych na tomto místě poděkoval všem svým kolegům a studentům, kteří mě provázeli při práci a poskytovali neocenitelné rady a pomoc. Nemenší dík pak patří mým nejbližším, kteří mě podporovali v osobním i profesním životě. 2

3 Obsah Obsah Předmluva... 5 Úvod... 6 Cíle habilitační práce... 7 Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS... 8 Dvoupulzní uspořádání Studium hloubkových profilů Povrchové mapování Dálková analýza Komentář k referovaným pracím Použité odkazy Splnění cílů habilitační práce Obrazová příloha Vlastní práce referované v textu jako [I-XXIV] Práce I Práce II Práce III Práce IV Práce V Práce VI Práce VII Práce VIII Práce IX Práce X Práce XI Práce XII Práce XIII Práce XIV Práce XV Práce XVI Práce XVII Práce XVIII Práce XIX

4 Obsah Práce XX Práce XXI Práce XXII Práce XXIII Práce XXIV Curriculum vitae

5 Předmluva Předmluva Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS (z angl. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) patří mezi moderní metody atomové emisní spektroskopie. Je to analytická technika založená na spektroskopické analýze emise mikroplazmatu, jenž je vybuzeno fokusovaným laserovým pulzem. Toto mikroplazma může být generováno jak na povrchu pevných materiálů (nejčastější případ), tak uvnitř nebo na hladině kapalin, v plynech či aerosolech, na hladině tavenin nebo na vzdálených objektech. Tato vlastnost předurčuje tuto techniku jako univerzální metodu pro analýzu či monitoring vzorků v různých skupenstvích, různého původu (anorganického i organického) a v různých prostředích. Praktický vývoj metody LIBS začal počátkem osmdesátých let, kdy se výrazně zvýšila dostupnost vysoce výkonných pulzních laserů. Od té doby počet prací věnujících se technice LIBS v odborných časopisech neustále roste. Důvodem, proč se jí řada vědeckých a akademických pracovišť zabývá, je především fakt, že ji lze využít k okamžité a prakticky nedestruktivní (semidestruktivní) analýze vzorků všech skupenství. Stanovení většiny prvků periodické soustavy a možnosti analýzy vzorků v libovolném prostředí (na vzduchu či v jiných plynech, ve vakuu, pod vodní hladinou nebo dokonce v atmosféře jiných planet - viz. úspěšná instalace zařízení na marsovském vozítku Curiosity) a možnost konstrukce mobilních zařízení činí tuto metodu ještě atraktivnější. Využitím nových typů pulzních laserů a detektorů vývoj LIBS dále pokračuje v mnoha směrech. Vznikla řada modifikací této metody, které přinesly například snížení detekčních limitů nebo rozšíření pole použitelnosti do dalších oblastí. Mezi tyto modifikace patří například LIBS ve dvoupulzním uspořádání nebo metody analýzy na dálku (Remote LIBS, Stand-off LIBS). Mezi hlavní přednosti LIBS tak v současné době patří prakticky okamžitá odezva signálu, možnost měření na dálku i možnosti stanovení plošného a hloubkového rozložení prvků. Počátky vývoje metod založených na laserové ablaci se na Ústavu chemie Masarykovy Univerzity v Brně datují od roku 1998, kdy zde byl nainstalován první pulzní laser. Vlastní práce na instrumentaci LIBS byla zahájena v roce 2002 v rámci autorova postdoktorandského projektu GAČR a zahrnovala vývoj časově rozlišené spektrometrie s využitím klíčovaného fotonásobiče. V dalších letech bylo značné úsilí věnováno nejen dalšímu zdokonalování instrumentace (konstrukce optického stolu, zakoupení ICCD detektoru, kombinace dvou laserů pro tzv. dvoupulzní uspořádání), ale také zdokonalování vlastní metodologie stanovení (např. hloubkové profilování, povrchové mapování, analýza práškových materiálů, analýza biologických materiálů) a ve spolupráci s Ústavem fyzikálního inženýrství, Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně pak dále vývoj techniky dálkové analýzy. Mgr. Karel Novotný, Ph.D. 5

6 Úvod Úvod Tato habilitační práce je shrnutím části vědecké činnosti autora publikované ve vědeckých a odborných časopisech v letech 2006 až Uvedené práce jsou zaměřeny na vývoj instrumentace a metodologie spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS a to především na Ústavu chemie Masarykovy Univerzity v Brně. Jednotlivé příspěvky jsou v práci seřazeny chronologicky pro lepší orientaci čtenáře vzhledem k vývoji instrumentace i zdokonalování metodologických postupů. Ačkoliv v práci nejsou obsaženy všechny práce autora, vybrané příspěvky poskytnou podrobný náhled do řešené problematiky, především co do různorodosti analyzovaných materiálů, přípravy vzorků, analytických postupů i vyhodnocení dat. Komentáře k jednotlivým příspěvkům pak napomáhají k pochopení souvislostí a návazností jednotlivých etap vývoje jak v experimentálním přístupu, tak z hlediska řešení dílčích úkolů. Ve většině případů se jedná o aplikaci metody LIBS pro konkrétní materiály, jejichž výběr vyplynul z řešení řady projektů a grantů. Jejich řešitelem nebo spoluřešitelem byl sám autor nebo jeho spolupracovníci. U řady příspěvků se pak z tohoto důvodu objevuje řada srovnávacích technik (LA-ICP-OES/MS, elektronová mikrosonda, roztokové metody atomové spektrometrie, počítačová tomografie apod.), s jejichž pomocí byly ověřovány výsledky dosažené metodou LIBS, sloužily ke kalibraci metody nebo napomohly k určení dalších charakteristik vzorku. Z tohoto pohledu, je třeba také zmínit problematiku interpretace výsledků, které často zasahují do řady dalších vědeckých oborů (např. geologie, archeologie, metalurgie, biologie či medicína). S postupem času se do popředí dostávalo především sledování prostorové distribuce prvků ve vzorcích nebo analýza na dálku. Celým výzkumem se pak táhne jako červená nit řešení problematiky kalibrace, zvyšování prostorového rozlišení či snižování mezí detekce pro klíčové prvky. V pracích zabývajících se analytickými postupy je autorský podíl Mgr. Karla Novotného, Ph.D. asi 25-50% (podle počtu spoluautorů), v přehledovém článku asi 25%. V případě vývoje instrumentace na Ústavu chemie Masarykovy Univerzity je podíl téměř 100 % (s využitím zkušeností řady spolupracovníků či podpory technického personálu při výrobě různých součástí). Ve většině publikací jsou mezi dalšími spoluautory studenti doktorského studijního programu pracující pod jeho vedením. V souvislosti s vývojem techniky LIBS v mezinárodním kontextu byl také kladen důraz na udržení výzkumu na odpovídající úrovni i s ohledem na omezené možnosti vlastní laboratoře. K tomu sloužila především těsná spolupráce s Ústavem fyzikálního inženýrství VUT v Brně a dále pak spolupráce s řadou špičkových pracovišť v zahraničí. Část výsledků byla získána také na těchto pracovištích při stážích nebo krátkodobých pracovních pobytech buď samotného autora, nebo studentů doktorského studia pracujících pod jeho vedením. Před vlastním komentářem k jednotlivým publikacím obsahuje tato práce velmi stručný obecný náhled do problematiky LIBS, jednotlivých technik a shrnutí současného stavu poznání, popř. postřehy a vlastní zkušenosti v tomto oboru. Tato část by měla napomoci ke snadnější orientaci i méně zasvěcenému čtenáři. Neklade si ale za cíl být podrobnou literární rešerší, neboť se v poslední době objevuje v odborných časopisech celá řada vynikajících přehledových článků, které k tomuto účelu poslouží mnohem lépe. 6

7 Cíle habilitační práce Cíle habilitační práce Vývoj instrumentace techniky LIBS - sestavení flexibilního zařízení použitelného pro analýzu široké škály vzorků s možností snadného ovládání a možnosti kombinace různých technik (jednopulzní a dvoupulzní uspořádání, detekce pomocí ICCD detektoru nebo klíčovaného fotonásobiče, možnost použití atmosféry různých plynů) Vývoj zařízení umožňujícího simultánní měření metodou dvoupulzní LIBS a laserové ablace ve spojení s optickou emisní spektrometrií indukčně vázaného plazmatu (LA-ICP-OES) Vývoj analytických metod pro stanovení prostorové distribuce prvků v široké škále materiálů (hloubkové profilování, povrchové mapování), optimalizace parametrů pro dosažení vysokého prostorového rozlišení a nízkých detekčních limitů, nalezení vhodných postupů pro kalibraci a postupů pro úpravu vzorku 7

8 Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS Název Laser-Induced Breakdown Spectroscopy a zkratka LIBS (do češtiny nyní nejčastěji překládaná jako Spektrometrie laserem buzeného plazmatu) se začíná objevovat v literatuře až na začátku osmdesátých let, přestože spektroskopické vlastnosti plazmatu generovaného laserem byly sledovány již na počátku let šedesátých, nedlouho po vynálezu laseru. V té době byly však tyto experimenty často uváděny jako Laser Induced Plasma Spectroscopy pod zkratkou LIPS, případně LSS (Laser Spark Spectroscopy). K výraznějšímu analytickému využití těchto technik v tomto období nicméně nedošlo a opravdový boom spektrometrie laserem buzeného plazmatu začíná až v létech devadesátých. K technice LIBS bylo v nedávné minulosti vydáno několik učebnicových knih, ve kterých jsou detailněji diskutovány jak její fyzikální základy, tak typická experimentální uspořádání či vybrané aplikace. První dostupnou knihou se stal v roce 2006 Handbook of LIBS ( A. Cremers a L.J. Radziemski), jež je názornou učebnicí poskytující podrobný přehled metodologie [1]. Její hlavní předností je ucelený náhled do historie, teorie, instrumentace i rozdělení jednotlivých technik, nechybí velké množství užitečných odkazů na literaturu či tabulka nejčastěji používaných emisních čar pro stanovení jednotlivých prvků v různých matricích. Další dvě knihy autorů J.P. Singha a R. NolIa jsou zaměřeny taktéž na fundamentální základy a instrumentaci [2,3]. Kniha A. Miziolka je pak zaměřena spíše aplikačně [4]. Náhled do základů techniky LIBS poskytuje i řada přehledných článků v odborných časopisech [5-8]. Seriózní výzkum plazmat emitujících záření se datuje od dvacátých let 20. století a studium laserem buzeného plazmatu, jak již bylo zmíněno, od let šedesátých. Popis základních principů laserové ablace a s ní spojený vznik laserem buzeného plazmatu bývá často v teoretických či úvodních pasážích odborných článků odbýván slovy poukazujícími na nejasnost celého procesu. Do jisté míry je to stále pravda, neboť existuje nepřeberné množství variant experimentálních uspořádání pracujících za různých podmínek. Nicméně existuje mnoho dílčích studií, které byly během padesátiletého vývoje provedeny a které přispěly k objasnění řady pochodů spojených s interakcí laserového pulzu s hmotou. Pro tvorbu plazmatu, ať již na povrchu pevných vzorků, v kapalinách či plynech, se používají pulzní lasery s typickou délkou pulzu v řádech jednotek nanosekund a energií pulzů v desítkách či stovkách mj. Po zaostření laserového pulzu vhodnou optikou je průměr ozařované plochy poměrně malý (řádově jednotky až stovky µm). Vzhledem k délce trvání laserového pulzu je dosaženo hustoty zářivého výkonu v jednotkách až desítkách GW/cm 2. Tato hodnota je pak dostatečná pro generaci plazmatu. Tento děj bývá někdy nazýván jako optický průraz (breakdown), jenž dal také název této technice. Výraz breakdown se v označení techniky objevil až v pozdější době, aby byl zdůrazněn fakt, že jde o metodu provádějící se běžně za atmosférického tlaku (na rozdíl od názvu LIPS laser induced plasma spectroscopy realizovaném také za sníženého tlaku či ve vakuu). Hodnoty energie potřebné k průrazu se výrazně liší v závislosti na typu vzorku a okolní atmosféře. Obecně platí, že generace plazmatu je snadnější v případě pevných vzorků než kapalin a plynů. Zpočátku je plazma 8

9 Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS silně ionizováno a v jeho emisním spektru dominuje kontinuální záření. Toto kontinuum je zapříčiněno buď brzdným zářením volných elektronů (Bremsstrahlung), nebo rekombinačním zářením elektronů s ionty. Během interakce plazmatu s laserovým pulzem je pozorován ale i opačný jev (inverse Bremsstrahlung), který je naopak odpovědný za předávání energie fotonů volným elektronům, a tím zvyšování energie vlastního mikroplazmatu. Doba, po kterou převládá v plazmatu kontinuální brzdné záření, není využitelná ze spektroskopického hlediska. Je třeba zachytit časový interval, kdy emitují dostatečně intenzivní záření relaxující atomy a ionty. To je umožněno především díky faktu, že intenzita kontinuálního záření klesá v čase daleko rychleji než intenzita emise iontů a atomů. Výběr vhodného časového intervalu (časového okna) pro registraci spekter je tedy jedním z klíčových parametrů metody LIBS. Instrumentace LIBS může být relativně jednoduchá a skládá se z pěti základních částí: pulzní laser, zaostřovací optika, snímací optika, monochromátor a detektor synchronizovaný s laserovým pulzem. Pulzy o vysoké energii mohou odpařovat (ablatovat) matriál z povrchu jakéhokoliv vzorku, včetně žáruvzdorných a vysoce odolných materiálů. Pro LIBS je důležitější energie dodaná laserem na jednotku plochy (hustota zářivého výkonu) než celkový špičkový výkon laseru. Ačkoliv není v případě LIBS vyžadována vysoká koherence laserového svazku, přesto může být důležitá pro možnost dosažení vysokého zářivého výkonu (zaostření laserového paprsku na povrch vzorku). V případě generace laserem buzeného plazmatu nehraje monochromatičnost laserového paprsku zpravidla důležitou roli. Ve speciálních případech je možno pro rezonanční excitaci atomů v plazmatu využít vysoce monochromatické záření. Pro analýzu záření plazmatu se používají v zásadě dva typy spektrometrů: monochromátory v uspořádání Czerny Turner a dále pak spektrometry typu Echelle [9]. V minulosti se sice objevily práce využívajících polychromátorů Paschen-Runge osazených fotonásobiči, tato uspořádání se však nyní již prakticky nepoužívají. Jejich nespornou výhodou byla vysoká citlivost a rychlost snímání signálu i čtení. Proto tyto přístroje našly uplatnění například při povrchovém mapování vzorků s použitím laserů s vysokou opakovací frekvencí [10]. Zajímavým přístupem, který se uplatňuje především ve speciálních zařízeních, je použití úzkopásmových interferenčních filtrů v kombinaci s odpovídajícím detektorem (fotonásobič, fotodioda). Hodí se především pro měření signálu na několika málo emisních čarách například při on-line monitoringu výrobních procesů (analýza surovin, odpadních produktů apod.), kdy se sleduje vzorek se stále stejnou matricí. Takováto jednoúčelová zařízení nacházejí v praxi stále širší uplatnění. Zajímavé je využití interferenčních filtrů ve spojení s plošným detektorem (ICCD), kdy je možné sledování prostorového rozložení atomů či iontů daného prvku v mikroplazmatu. To je důležité například pro studium fundamentálních procesů časového vývoje mikroplazmatu za různých podmínek. Dnes se různé typy spektrometrů používají výhradně v kombinaci s polovodičovými detektory, především typu intenzifikovaných CCD detektorů. Důležitým požadavkem na detektor při spektrometrii laserem buzeného plazmatu je možnost rychlého zapnutí/vypnutí, možnost synchronizace s pulzy laseru a dostatečná citlivost. Tyto požadavky běžné CCD detektory bohužel nesplňují, avšak vybavení 9

10 Spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS těchto detektorů intenzifikátory významně zvyšuje jejich citlivost a také umožňují časově rozlišenou detekci a synchronizaci. Těmito detektory jsou snímána celá spektra (nebo jejich části podle typu spektrometru) v přesných časových intervalech po pulzu laseru. Přesné časové nastavení detekčního okna je velice důležité a je předmětem optimalizace každého měření. Protože během pulzu laseru a krátce po něm se emise mikroplazmatu vyznačuje vysokým spojitým pozadím, které je z analytického hlediska nevyužitelné, je důležité pečlivě zvolit čas zpoždění. Obvykle se volí čas zpoždění řádově 0,5 až 2 mikrosekundy po pulzu laseru. Integrační doba signálu pak bývá nejvýše desítky mikrosekund, aby nebyl zbytečně integrován šum detektoru v době, kdy mikroplazma již vyhaslo. Neoddělitelnou součástí detekčního systému bývá vhodný software pro vyhodnocení signálu. Při vyhodnocení spekter je důležitá identifikace čar jednotlivých prvků, je tedy užitečné, aby software obsahoval databázi čar. Zpracování velkého množství spekter také vyžaduje možnost tvorby 3D grafů, různé překládání či odečítání spekter mezi sebou. Samozřejmostí by měl být jednoduchý export dat do různých formátů pro použití v dalších programech, či pro presentaci výsledků. V poslední době se začínají objevovat na trhu komerční LIBS spektrometry, které nevyžadují žádnou složitou obsluhu ani údržbu. Nastavené parametry se dají většinou měnit v úzkém rozmezí a ovládací software obsahuje metody optimalizované pro daný typ materiálu. Tyto systémy jsou vhodné pro rutinní použití v laboratoři. Vedle toho se na trhu objevují různá speciální zařízení, se kterými se v praxi zatím ještě běžně nesetkáme, avšak potenciál jejich využití je poměrně široký. Jde například o přenosná zařízení pro měření v terénu a nebezpečných prostředích. Dále automatické systémy pro monitoring výrobních procesů či životního prostředí nebo zařízení pro měření na dálku či pod vodou. 10

11 Dvoupulzní uspořádání Dvoupulzní uspořádání Metoda LIBS je založena na jednoznačném rozlišení jednotlivých spektrálních čar a přesném měření jejich intenzit. Především pro kvantitativní analýzu je důležitý dostatečný odstup signálu od šumu, což může být problém především u prvků obsažených ve vzorku ve stopových množstvích. Zvýšení citlivosti a snížení detekčních limitů lze dosáhnout několika způsoby zvýšení teploty plazmatu, prodloužením času trvání plazmatu, zvýšení množství ablatované hmoty nebo případně kombinací uvedených způsobů. Ideálním případem je získání vysokých intenzit při odpaření co nejmenšího množství materiálu a tedy vytvoření co nejmenšího ablačního kráteru. To poté umožňuje analýzu s minimálním narušením vzorku a docílení analýzy s vysokým prostorovým rozlišením (např. při mapování plošného rozložení hledaných prvků ve vzorku). Docílit toho lze např. použitím dvou vzájemně časově posunutých laserových pulzů [11]. Tato dvoupulzní technika (double pulse DP LIBS) se používá ve dvou základních geometrických uspořádáních ortogonálním a kolineárním. V případě ortogonálního uspořádání laserové paprsky vzájemně svírají úhel 90, kdy jeden paprsek dopadá kolmo na vzorek a druhý je veden paralelně s povrchem vzorku. Při kolineárním uspořádání jsou vedeny oba laserové paprsky ze stejného směru. Efektivitu u DP LIBS můžeme zvýšit vhodně zvolenými vlnovými délkami a energiemi jednotlivých pulzů. Často se využívá stejné vlnové délky pro oba pulzy, zejména základní vlnové délky Nd:YAG laseru, tedy 1064 nm. S výhodou lze však použít kombinaci různých vlnových délek, např. ablační pulz z ultrafialové oblasti (UV) a excitační z infračervené (IR). Použitím UV pulzu dosáhneme lepší fokusace, a tedy vytvoření menšího ablačního kráteru, naopak použitím IR pulzu vyšší účinnosti opětovného ohřátí plazmatu. Z hlediska časování pulzů rozlišujeme takzvaný pre-pulse nebo reheating mód. Jde o dva různé přístupy u ortogonálního uspořádání, kdy v prvním případě je pulz rovnoběžný s povrchem vzorku přiveden dříve než ablační pulz a vytváří mikroplazma nad povrchem vzorku v předstihu. Do tohoto mikroplazmatu je pak teprve ablatován vlastní vzorek. U reheating módu jde o následné přihřátí primárního mikroplazmatu vytvořeného ablačním pulzem. Paprsek druhého laseru je do tohoto mikroplazmatu přiváděn se zpožděním desetin až jednotek mikrosekund ( interpulse delay ) a má za následek zvětšení plazmatického útvaru a prodloužení jeho doby trvání. Kombinovat lze také lasery s různou délkou pulzu. Tento přístup se nejčastěji používá při využití femtosekundových laserů, jejichž výhodné ablační vlastnosti (tvorba pravidelných kráterů s plochým dnem, vysoké hloubkové či prostorové rozlišení, minimální frakcionace vzorku) jsou díky krátkému časovému intervalu vlastního laserového pulzu spojeny s tvorbou slabého mikroplazmatu. Použití nanosekundového pulzu v reheating módu v tomto případě vede k výraznému zesílení signálu a bez použití této kombinace je využití femtosekundových laserů pro LIBS výrazně omezené. Zajímavým případem je využití dvoupulzního uspořádání pro analýzy objektů pod vodní hladinou [12]. V tomto případě první pulz slouží z vytvoření bubliny na povrchu vzorku, do níž je pak druhým ablačním pulzem generováno analytické plazma. 11

12 Studium hloubkových profilů Studium hloubkových profilů Kritickým parametrem při studiu hloubkových profilů vrstevnatých materiálů metodami laserové ablace je tvar kráteru a případná redepozice materiálu na jeho stěnách a okrajích. Na tyto efekty mají vliv nejen vlastnosti laserového pulzu jako vlnová délka, energie, zaostření a délka pulzu, ale i okolní atmosféra a pochopitelně i vlastnosti samotného vzorku (či jednotlivých vrstev). Ideálním tvarem kráteru je válec s plochým dnem, jehož docílením můžeme dosáhnout vysokého hloubkového rozlišení, avšak tohoto ideálního tvaru nebývá ani zdaleka dosaženo. V první řadě si je třeba uvědomit, že vlastní profil laserového paprsku je často Gaussovský, v lepším případě tvaru flat-top a po průchodu různými optickými prvky a zaostřením může být dále deformován. To vede zpravidla také ke Gaussovskému tvaru ablačních kráterů, případně ke tvaru ve formě komolého kužele. Během ablace do hloubky poté nedochází k odpařování materiálu pouze ze dna kráteru, ale i z jeho stěn. Důsledkem je výrazné zhoršení hloubkového rozlišení a rozmývání signálu. Kráterů přibližujících se válcovému profilu (tvar známý např. při použití doutnavého výboje, jenž je ke stanovení hloubkového profilu v současné době nejčastěji používán) může být tedy teoreticky dosaženo pouze u laserů využívajících speciální optiku pro homogenizaci paprsku a to nejlépe v kombinaci s femtosekundovými lasery. Tyto lasery s ultrakrátkými pulzy jsou výhodné pro hloubkové profilování také z důvodu eliminace kondenzace a napařování materiálu na okrajích kráteru. Jak již bylo zmíněno dříve, mikroplazma vznikající při interakci femtosekundového pulzu se vzorkem je slabé a pro zvýšení intenzit emisních čar je třeba použít dvoupulzního uspořádání. Ablace pomocí femtosekundových laserů se s výhodou používá především ve spojení s ICP-OES nebo ICP-MS spektrometrií. Zde se využívá nejen možností hloubkového profilování s velkým rozlišením, ale především toho, že v případě femtosekundových pulzů jsou výrazně potlačeny frakcionační procesy (odablatovaný aerosol má stejné složení jako vzorek) a vznikající aerosol se vyznačuje vysokým podílem jemných částic. V případě hloubkového profilování je důležité znát ablační rychlost, která je nejčastěji udávaná jako hloubka průniku (kráteru) dosažená jedním pulzem (nm/pulz, µm/pulz). Vzhledem k tomu, že tato veličina je nejen závislá na parametrech laserového pulzu a atmosféře, ale také na vzorku samotném, odpovídající vyhodnocení hloubkového profilu je tím ztíženo. V případě vrstevnatých materiálů, kde je složení jednotlivých vrstev známo a lze využít známých standardů či referenčních materiálů, je tato komplikaci řešitelná a lze po kalibraci dosáhnout přesné a spolehlivé výsledky. Pokud jde o vzorky s nepravidelnou strukturou, kde je složení známo pouze přibližně (např. geologické materiály), je stanovení hloubkového profilu obtížné a výsledky jsou často jen orientační (především co se týče informace o hloubce kráteru během měření). Užitečné může být stanovení hloubky jinou technikou (např. optická profilometrie), avšak tato možnost komplikuje a prodražuje celý postup. Navíc měření hloubky lze provést až po vlastním měření, čímž se ztrácí informace o změnách ablační rychlosti během pronikání laserového paprsku do vzorku. U vzorků, u kterých je to možné a nevadí jejich poškození, lze hloubkový profil stanovit na řezu. Rozříznutý vzorek se na požadovaném místě podrobí buď lineárnímu scanu či povrchovému 12

13 Studium hloubkových profilů mapování a informace o hloubce je pak jednoznačně dána vzdáleností kráteru od okraje vzorku. U heterogenních materiálů je však v těchto případech nutno postupovat s opatrností (poškození vzorku na řezu, změna složení během ablace do hloubky více pulzy). I přes výše uvedené nevýhody a komplikace má hloubkové profilování metodou LIBS svoje místo. Jednou z nezanedbatelných výhod je možnost použití na vzduchu a bez jakékoliv úpravy povrchu, přičemž samotné zařízení je poměrně jednoduché. Metoda je rychlá a při odpovídajícím nastavení mohou být vrstvy analyzovány během několika jednotek až desítek sekund. To předurčuje tuto techniku především pro použití v průmyslové výrobě či rychlé (či orientační) kontrole vrstevnatých materiálů. Výjimečná je také flexibilita této metody, kdy nastavením parametrů laseru (energie a zaostření) lze analyzovat jak tenké vrstvy v řádech desítek nanometrů [13], tak vrstvy silné stovky mikrometrů [14]. 13

14 Povrchové mapování Povrchové mapování Problematika analýzy povrchů je poměrně komplikovaná a řada technik pracujících ve vakuu umožňuje precizní nedestruktivní nebo semidestruktivní mapování s vysokým plošným rozlišením (např. EPXMA, XPS, µxrf, SIMS apod.). Z tohoto pohledu je třeba nahlížet na metodu LIBS jako na techniku s plošným rozlišením výrazně horším a vedoucím k většímu poškození vzorku (ablační krátery) [15]. Na druhé straně jde však o techniku výrazně jednodušší, pracující za atmosférického tlaku a s minimálními nebo žádnými požadavky na úpravu vzorku. Instrumentální vybavení LIBS vyžaduje posuvy vzorku v osách x, y. Méně často se využívá pohybu laserového paprsku po povrchu vzorku (např. u dálkových měření). Sama podstata metody předurčuje použití především pro větší plochy povrchů a to pro sledování prvků nejen na samotném povrchu, ale i do určité hloubky (v závislosti na ablační rychlosti a počtu použitých pulzů laseru). S použitím příslušné instrumentace s možností využití vysokých opakovacích frekvencí laseru pak může jít také o techniku velice rychlou [10]. Ve většině případů je ale rychlost omezena opakovací frekvencí pulzního laseru či možnostmi detektoru. Vlastní provedení mapování povrchu vzorku záleží na požadované informaci a také na použité instrumentaci. Principem mapování je přiřazení měřeného signálu konkrétnímu místu na vzorku. Například v případě mikroanalýzy jde o přiřazení jednoho signálu jednomu konkrétnímu bodu, zatímco v případě laterálního mapování (realizovaném jednou řadou kráterů) lze signál přiřadit poloze na přímce (ose x). Informace poskytovaná tímto typem měření nám ukazuje změny složení vzorku v jedné ose. Informaci o složení ve dvou osách (2D mapování) je několikanásobné laterální mapování v pravidelném odstupu (rastr kráterů) a každý kráter je pak určen souřadnicemi x a y. V podstatě lze provést v každém bodě (kráteru) i hloubkové profilování a obdržet tak prostorovou informaci (3D tomografie) o složení vzorku [16]. Tento postup se však zatím kvůli komplikacím při hloubkovém profilování (viz. předchozí kapitola) příliš neujal. Většího uplatnění se pro tyto účely dostalo kombinace 2D mapování a následného zabrušování vzorku. Plošné rozlišení je dáno v prvním přiblížení velikostí ozařované plochy a především průměrem kráteru, ale také volbou rozestupu kráterů v daném rastru. Příliš malá vzdálenost bodů v rastru má za následek překrývání kráterů, čímž dojde k ovlivnění signálu mezi body a tedy ke zhoršení prostorového rozlišení. Krátery by měly být v dostatečné vzdálenosti, aby nedošlo k jejich překryvu, ale ani tak není zaručeno, že nedojde k ovlivnění. Především může vlivem napařování a naprašování materiálu do okolí během ablace dojít ke kontaminaci vlastního povrchu (často je tento jev pozorován například při ablaci lisovaných tablet připravených z práškových materiálů). V řadě případů může dojít k odpaření těkavých složek z daleko většího průměru, než jsou viditelné okraje kráteru vlivem vlastního mikroplazmatu ohřívající okolí kráteru (tento problém byl například pozorován při ablaci tenkých řezů biologického materiálu). Všechny tyto efekty je třeba brát v úvahu především při volbě parametrů laseru (energie, zaostření) a volby vzdálenosti mezi body rastru. 14

15 Povrchové mapování Někdy jsou používány také tzv. lineární scany s překrýváním kráterů, kdy pohyb vzorku v jedné ose je kontinuální a vzdálenost kráterů je pak dána rychlostí posuvu vzorku a opakovací frekvencí laseru. Tato technika bývá častěji uplatňována u laserové ablace ve spojení s ICP spektrometrií, ale můžeme se s ní setkat i u techniky LIBS. Menší vzdálenost kráterů mezi sebou by se na první pohled mohla zdát z pohledu plošného rozlišení výhodnější, pravý opak však může být pravdou. Nebezpečím je především transport materiálu pulz od pulzu ve směru vlastního scanu, čímž může dojít k výraznému rozmytí signálu (na mapách ve formě artefaktů viditelných jako řádkování ). U již zmíněného mapování pomocí laserové ablace ve spojení s ICP spektrometrií může k těmto nežádoucím efektům ovšem docházet také během transportu aerosolu do ICP. Proto se zde také častěji používá ablace do jednotlivých bodů s dostatečnou vzdáleností a dostatečnou časovou prodlevou během ablace jednotlivých bodů. Na rozdíl od techniky LIBS je zde většinou aplikováno větší množství laserových pulzů pro získání delšího a stabilního signálu [17]. 15

16 Dálková analýza Dálková analýza Laser je již svou podstatou předurčen k použití k dálkovým technikám. Vedle možnosti stanovení přesné vzdálenosti, přenosu informací v telekomunikačních systémech či použití v navigačních zařízeních je laserový paprsek díky svým výjimečným vlastnostem vhodný také pro dálkovou analýzu. Techniky pro monitoring složení atmosféry, sledování polutantů či pro sledování bojových látek ve vojenské technice jsou známy už řadu let. Řada z těchto spektroskopických metod je založena na absorpci, fluorescenci či Ramanově rozptylu a jejich použití je dnes už často rutinní záležitostí (příklad monitoring znečištění atmosféry) [18,19]. Techniky LIBS, kdy je excitační i emitované záření vedeno vhodnou optickou cestou na větší vzdálenosti, lze rozdělit z hlediska uspořádání do dvou skupin. V prvním případě, nazývaném jako Remote LIBS, je laserový paprsek i záření mikroplazmatu vedeno optickými kabely (nebo společným optickým kabelem). Na konci optického kabelu je pak sonda (např. ve tvaru pistole), která se přikládá na povrch vzorku. Spektrometr a laser může být i ve vzdálenosti několika desítek metrů a zařízení má především využití v nebezpečných nebo znečištěných prostředích případně při analýze těžko přístupných objektů. Speciálním případem je analýza předmětů pod vodní hladinou, kdy se spektrometr a laser nachází na palubě plavidla a se sondou pod vodou manipuluje potápěč či mechanické rameno ponorky [20]. Technika Stand-off LIBS využívá k přenosu záření laseru i emise mikroplazmatu otevřenou optickou cestu atmosférou a lze tedy analyzovat takové předměty, které jsou v přímém dohledu od aparatury. Zaostření laserového paprsku i sběr emise záření je realizováno různými typy teleobjektivů (např. Galileova typu) s typickým dosahem několika desítek metrů. Zařízení bývá vybaveno jemnými posuny pro přesné zaměření a fokusaci laserového paprsku. Zajímavou možností je kombinace této techniky s dálkovou Ramanovou spektrometrií v jedné instrumentaci [21]. Možnost dálkové analýzy rozšiřuje významně pole působnosti techniky LIBS, neboť jiné bezkontaktní metody vhodné pro tyto účely prakticky neexistují. V případě analýzy objektů nepřístupných nebo nacházejících se v nebezpečných prostředích nabízí tato technika široké uplatnění. Patři k nim například kontrola součástí jaderných reaktorů či svarů pod mořskou hladinou. Technika Stand-off LIBS dříve primárně vyvíjena pro dálkovou detekci výbušnin [22,23] nabízí dále široké uplatnění například pro sledování objektů z jednoho místa (archeologie, monitoring znečištění životního prostředí) i možnost mapování velkých ploch (stavby, malby na stěnách) [24]. Významným přínosem je pak také použití dálkové analýzy v průmyslu pro monitoring výrobních procesů (např. analýza tavenin v pecích během tavby, monitoring vstupních surovin, exhalací apod.) [25]. Ačkoliv instrumentace pro techniku dálkové analýzy LIBS ještě není zcela běžně dostupná, existují firmy dodávající na trh různá zařízení. Jde většinou o modulární systémy, které lze přizpůsobit specifickým požadavkům zákazníka. Jednou z firem, která se těmito technikami zabývá dlouhou dobu a má zřejmě v tomto oboru nejvíce zkušeností je britská společnost Applied Photonics Ltd. 16

17 Dálková analýza Své významné uplatnění našla technika dálkové analýzy LIBS také v kosmickém výzkumu a to konkrétně při průzkumu Marsu. Zařízení ChemCam (pracující na principu stand-off LIBS) je součástí Marsovské vědecké laboratoře (MSL), známější pod pojmenováním vlastního marsovského vozítka Curiosity. 17

18 Komentář k referovaným pracím Komentář k referovaným pracím První verze instrumentace pro metodu LIBS byla na Ústavu chemie Masarykovy University (tehdejší Katedře analytické chemie) vyvíjena v letech 2002 až 2004 v rámci postdoktorandského projektu autora - GAČR (GP203/02/P097) Studium interakce laserového záření s pevnými materiály pomocí metod plazmové spektrometrie. Konstrukce byla postavena na základě úprav stávajícího dostupného zařízení pro laserovou ablaci ve spojení s ICP optickou spektrometrií. Využito bylo především pulzního Nd:YAG laseru Brilliant (Quantel), který byl do té doby především používán pro ablaci pevných vzorků do ICP spektrometru Jobin Yvon (170-Ultrace). Pro analýzu emise laserem buzeného plazmatu bylo využito spektrometru Jobin Yvon (Triax 320). Tento spektrometr však bylo třeba před tím vybavit časově rozlišenou detekcí, kterou by bylo možno synchronizovat s pulzy laseru. Pro tyto účely bylo zkonstruováno zařízení, které využívalo jako detektoru fotonásobiče Hamamatsu R928 a klíčovací patice Hamamatsu C1392, signál pak byl registrován jednoduchým digitálním osciloskopem Tektronix TDS Protože se v té době stále věnovala značná pozornost laserové ablaci ve spojení s ICP spektrometrií, byla zkonstruována ablační cela, která umožňovala obě techniky provádět současně (vývoji instrumentaci pro simultánní měření, jak bude uvedeno dále, bylo věnováno úsilí i později). Poměrně podrobný technický popis první verze zařízení je uveden v referované práci [I]. Pro demonstraci studia procesů interakce laserového záření s pevnými materiály zde byly vybrány vzorky zemědělských půd (lisovaných do tablet) a vzorky skel používaných pro kalibraci při XRF spektrometrii. Článek se opírá především o experimenty bakalářských prací (pod vedením autora) studentek M. Galiové, V. Možné a A. Staňkové, které za prezentaci výsledků jejich práce získaly zvláštní cenu poroty v soutěži O cenu firmy Merck 2005 za nejlepší studentskou vědeckou práci v oboru analytická chemie. Je zde mimo jiné diskutována problematika použití porovnávacího prvku, jehož využití se v technice LA-ICP v řadě případů osvědčilo. V této souvislosti je třeba říci, že u metody LIBS zde nebylo použití porovnávacího prvku k odstranění vlivu matrice úspěšné. Podobně u dalších prací se snaha o eliminaci matričních efektů signálem porovnávacího prvku nesetkala s výrazným úspěchem. Problematice stanovení hloubkového profilu je věnována referovaná práce [II]. Experimentální uspořádání se příliš nelišilo od předchozího snad jen s tím rozdílem, že ablační komora byla použita za účelem sledování vlivu atmosféry vzácných plynů (He, Ar) na hloubkový profil a ablatovaný materiál tedy již nebyl veden do ICP-OES spektrometru. Značný vliv atmosféry na tvar kráteru v případě pozinkovaných plechů je demonstrován jak na fotkách samotných kráterů, tak vlastními průběhy hloubkových profilů. Není třeba zastírat, že v řadě případů nebyly výsledky příliš příznivé a rozlišení bylo z praktického pohledu nepoužitelné, práce však ukázala významný vliv experimentálních podmínek a atmosféry na signál. V případě atmosféry helia a nastavení vhodných parametrů bylo však dosaženo uspokojivého hloubkového rozlišení od 10 do 24 µm. V souvislosti s touto prací je nutno poznamenat, že problematika stanovení hloubkových profilů byla a stále je předmětem zájmu, i když možnosti stávající instrumentace jsou omezené. Pro některé typy materiálů však může být 18

19 Komentář k referovaným pracím dosaženo dobrých výsledků po odpovídající optimalizaci experimentálních podmínek, čehož je důkazem i uvedená práce. Významným podílem přispěla svými výsledky studentka M. Galiová, jejímž tématem diplomové práce (pod vedením autora) bylo právě studium hloubkových profilů. Studie hloubkových profilů pozinkovaných plechů byla prováděna také v kombinaci laserové ablace s ICP-OES a ICP-MS spektrometrií. V tomto případě bylo provedeno srovnání dvou typů laserů excimerového ArF a pevnolátkového Nd:YAG [26]. Další referovaná práce je zaměřena na analýzu wolframkarbidových práškových prekurzorů a kompaktních wolframkarbidů [III]. Z pohledu instrumentace jde o první práci realizovanou nejen s klíčovaným fotonásobičem jako detektorem, ale také s nově instalovaným ICCD detektorem Jobin Yvon Horiba. Tento detektor byl na spektrometr Jobin Yvon Triax 320 instalován na konci roku 2005 a jde v podstatě o verzi známějšího ICCD detektoru istar (Andor). Část experimentů byla realizována také na Ústavu chemie Univerzity v Jyväskyle (Finsko). Řadu měření provedla pod vedením autora studentka A. Staňková v rámci své diplomové práce, která absolvovala na tomto pracovišti 3-měsíční studijní pobyt. Některé experimenty byly pak provedeny samotným autorem během krátkého pracovního pobytu v rámci projektu Socrates-Erasmus. Tato mezinárodní spolupráce poskytla výbornou příležitosti pro realizaci srovnávací studie s využitím dvou laserů excimerových (ArF a KrF) a pevnolátkového (Nd:YAG) při základní a čtvrté harmonické frekvenci. Bylo tedy možno zhodnotit vliv vlnové délky jak na ablaci lisované tablety z práškového vzorku, tak na ablaci kompaktního materiálu. Sledování obsahu Ni, Ti a Co bylo provedeno i s přihlédnutím použití práškového stříbra jako pojiva pro přípravu tablet. V souvislosti s touto prací je nutno zmínit problematiku přípravy lisovaných tablet z práškových materiálů. Výběru vhodného pojiva i možnosti přídavku porovnávacího prvku, stejně jako problematice mletí, homogenizaci a vlastnímu lisování byla věnována v minulosti na našem pracovišti značná pozornost. První práce byly zaměřeny především na analýzu půd metodou ICP-OES [27], ale získané zkušenosti byly využity pro analýzu celé řady dalších materiálů a to i metodou LIBS (jak bude uvedeno dále). Další referovaná publikace je první z řady prací, jež se věnují akumulaci kovů v rostlinách [IV]. Tato práce byla také jednou z prvních, která byla realizována v těsné spolupráci s Ústavem fyzikálního inženýrství, Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně (J. Kaiser). Pro experimenty byla využita instrumentace LIBS nacházející se na tomto pracovišti. Zařízení se skládá z ablační komory vybavené mikroposuvy pro pohyb vzorku a příslušnou optikou. Jde o upravenou komoru z elektronového mikroskopu (Tescan) umožňující měření za různého tlaku a v atmosféře různých plynů. Nd:YAG laser Quantel (Brilliant B) pracující na druhé harmonické frekvenci a emitující paprsek o vlnové délce 532 nm byl zaostřen na vzorek příslušnou optikou a vzhledem k povaze vzorků bylo používáno pulzů o energii 10 mj. Pro vlastní spektroskopii LIBS bylo využito systému z pracoviště na Masarykově Univerzitě (JY Triax 320, ICCD JY Horiba), který sem byl zapůjčen z důvodu dlouhodobé závady na laseru. Instrumentace je podrobněji popsána v práci [IV] a byla použita v různých modifikacích i v dalších pracích. 19

20 Komentář k referovaným pracím Studie byla zaměřena především na sledování obsahu olova jako toxického těžkého kovu, ale byl sledován i vliv jeho přítomnosti na obsah některých nutričních prvků (Mn, K). Ke sledování byly vybrány listy slunečnice jako potenciálního hyperakumulátoru těžkých kovů. Vzorky použité při této studii byly nejen analyzovány pomocí roztokových technik (AAS, AES), ale také pomocí rentgenové mikrotomografie s využitím synchrotronového záření a techniky LIBS s využitím femtosekundového laseru [28,29]. Příprava vzorků a řada těchto experimentů byla prováděna ve spolupráci s Universitou L Aquila (Itálie). Významným podílem přispěla experimenty studentka M. Galiová v rámci řešení své disertační práce (pod vedením autora). Výsledky této práce se staly dobrým základem pro další studium akumulace těžkých kovů vybranými rostlinami. Tato problematika se ukázala být zajímavá hlavně s výhledem na využití rostlin - hyperakumulátorů těžkých kovů, pro remediaci kontaminovaných půd. Vzhledem k omezeným možnostem našeho pracoviště co se týče kultivace rostlin za definovaných podmínek, jejich dopování těžkými kovy či monitoringu jejich růstu, byla zahájena spolupráce s Ústavem chemie a biochemie Mendelovy univerzity v Brně (skupina R. Kizeka). Ve spolupráci s tímto pracovištěm se podařilo rozvinout celou řadu experimentů, které přispěly k objasnění řady jevů v této oblasti. Kombinace technik LIBS a LA-ICP-MS byla například použita pro mapování prostorové distribuce stříbra a mědi v listech slunečnice [V]. Experiment prokázal možnost použití obou technik se srovnatelnými výsledky. Nicméně řada obtíží spojená s vlastní kultivací rostlin, prostorovým rozlišením či přípravou vzorků (sušení) nebyla v této práci zcela vyřešena, ale byla jim věnována pozornost v dalších pracích. Ty se objevují v dalším komentáři díky chronologickému uspořádání ještě na několika místech, avšak toto řazení bylo zvoleno především s ohledem na vývoj použité instrumentace. Problematika vývoje instrumentace je diskutována i u další referované práce [VI]. Zde se objevuje poprvé ablační systém UP-266 Macro (New Wave). Jde o komerční zařízení pro laserovou ablaci pevných vzorků primárně určené ke spojení s ICP-OES nebo ICP-MS spektrometrií. Toto zařízení obsahuje Nd:AG laser pracující na čtvrté harmonické frekvenci emitující záření o vlnové délce 266 nm a bylo na našem pracovišti instalováno v roce Zpočátku bylo využíváno především ve spojení s ICP-OES spektrometrem JY 170 Ultrace. Po přestěhování našeho pracoviště z prostor Přírodovědecké fakulty MU na ulici Kotlářská do budovy Lékařské fakulty MU na Komenského náměstí (z důvodu rekonstrukce) se naskytla možnost, díky přesunutí optického stolu do větší laboratoře, využít toto zařízení i pro techniku LIBS. Původní myšlenka využít tento systém pro jednopulzní uspořádání LIBS (po nahrazení ablační komory jednoduchým držákem vzorků) se nesetkala s příliš velkým úspěchem, neboť nebylo dosaženo uspokojivých signálů především pro minoritní a stopové prvky. Bylo proto rozhodnuto využít také stávajícího laseru Quantel Brilliant pro sestavení dvoupulzního uspořádání v orthogonální konfiguraci. První verze takového uspořádání byla poprvé presentována na II Central European Symposiu on Plasma Chemistry 2008 konané 31. srpna až 4. září na Přírodovědecké fakultě MU v Brně. Podrobnější popis je v referované práci [VI], jež je příspěvkem z konferenčního čísla časopisu 20

21 Komentář k referovaným pracím Chemické listy věnovanému této konferenci. Vzhledem k tomu, že v té době byl dostupný pouze jeden delay generátor (DG 535 Standford research Systems), bylo nutné časování lamp a Q spínačů obou laserů vyřešit elektronikou vlastní konstrukce. K tomuto účelu byla především navržena a zkonstruována dělička pulzů a další delay generátor. Takovéto zařízení pak dovolovalo nastavení energie obou laserů, opakovací frekvence, zpoždění mezi pulzy i synchronizaci ICCD detektoru a fotonásobiče. Pro základní charakteristiku plazmatu generovaného tímto zařízením bylo využito vzorku čistého železa a emisních čar železa pro určení teploty plazmatu v různých časových intervalech po pulzech obou laserů. Do práce na těchto experimentech byl zapojen i student Středoškolské vědecké činnosti (SVOČ) Filip Lutzký z gymnázia v T.G. Masaryka v Hustopečích. Toto experimentální uspořádání bylo využito i pro sledování prostorového rozložení prvků v archeologických nálezech. V referované práci [VII] byla studována prostorová distribuce biologicky důležitých prvků (vápníku, hořčíku, stroncia a zinku) na vzorku zubu prehistorického soba. Laterální rozložení těchto prvků na řezu zubu byla interpretována i s ohledem na strukturu zubu a porovnána též s výsledky obdrženými metodou LA-ICP-MS. Je zde také demonstrována možnost určení změn tvrdosti na základě poměru intenzit hořčíkové iontové čáry 280,26 nm a atomové čáry 285,22 nm. Tato práce je jednou z prvních věnujících se archeologickým nálezům a její výsledky posloužily jako dobrý základ vývoje techniky pro mapování rozložení prvků v kostech a zubech (viz dále). Také na základě těchto výsledků byl podán mezinárodní Česko-americký projekt kontakt ME08002 Použití spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) a laserové ablace ve spojení s ICP-OES/MS spektroskopií pro chemické mapování biominerálů s prof. Davidem Hahnem (University of Florida, USA). V této souvislosti je třeba dodat, že analýza archeologických materiálů byla a je jednou z hlavních priorit autorova výzkumu. Použití metody LIBS se zde nabízí nejen v souvislosti s její semidestruktivní povahou a možností analýzy s vysokým prostorovým rozlišením, ale také s možností konstrukce přenosného zařízení nebo možnosti dálkového měření. Řada z těchto aspektů bude diskutována i v dalších referovaných pracích. Tématu prostorového mapování je věnována další práce, tentokrát se zaměřením na geologický materiál [VIII]. Cílem bylo především demonstrovat možnosti LIBS ve srovnání s technikou LA-ICP-MS, která je v geologii často používanou metodou především pro prostorové mapování rozložení prvků či datování pomocí sledování poměru obsahů vybraných izotopů. Na vzorku výbrusu žuly bylo provedeno mapování na ploše 20 x 20 mm celkovým počtem bodů (100 x100). Stejným způsobem bylo provedeno mapování technikou LIBS i LA-ICP-MS, a sice pro vybrané prvky vápník, hliník, mangan a železo. Z výsledných map jsou jasně vidět rozdíly ve složení jednotlivých fází, které jsou vykresleny s odpovídajícím rozlišením a plně vystihují strukturu kamene. Je zřejmé, že obě metody v tomto případě poskytují prakticky totožné výsledky. Obecně je problematika geologických materiálů z hlediska požadavků na analýzu a možnosti obou metod specifická. Na jedné straně požadavek přesného stanovení obsahů izotopů (datování) či sledování ultrastopových příměsí nedává metodě LIBS příliš šancí ve srovnání s metodou LA-ICP-MS, 21

22 Komentář k referovaným pracím na druhé straně možnost použití této techniky v terénu či při dálkových měřeních činí techniku LIBS pro geologii velice atraktivní. Vývoj metod zaměřených na geologické materiály je v současné době v popředí zájmu a nabízí širokou škálu využití. Byly publikovány práce, kde je ukázána možnost použití techniky LIBS i pro stanovení izotopů [30]. Další referovaná práce nás zavádí zpět k problematice mapování rozložení kovů v rostlinách [IX]. V tomto případě byla pozornost zaměřena na akumulaci olova a mědi. Vliv vyšších koncentrací olova při kultivaci na přírůstek živé hmoty rostliny demonstruje toxicitu olova pro rostlinu. Změna obsahu chlorofylu stanoveného tenkovrstvou chromatografií TLC byla sledována s ohledem na koncentraci olova a dobu kultivace. Průběh obsahu olova v čase kultivace poukazuje na mechanismus transportu i na distribuci olova v rostlině. Pro srovnání byla opět použita technika LA-ICP-MS. Studie byla vypracována v rámci disertační práce studentky Michaely Galiové pod vedením autora. Z poněkud odlišné oblasti je referovaná práce [X], ve které je pro metodu LIBS řešena problematika hledání vhodného referenčního signálu. Vzhledem k tomu, že interakce laserového pulzu se vzorkem je komplexní proces ovlivněný řadou parametrů, hledání vhodného referenčního signálu je téma stále aktuální. Jak již bylo zmíněno dříve, použití signálu porovnávacího prvku u metody LIBS nevede často k uspokojivým výsledkům. Jednou z možností je využití akustického signálu, který je důsledkem tlakové vlny vznikající při rozpínání vznikajícího mikroplazmatu. Tento signál lze poté uplatnit k eliminaci fluktuace energie laseru nebo vlivu matrice vzorku. V práci [X] bylo akustického signálu využito ke korekci intenzit při hloubkovém profilování glazovaných keramických kachliček. Použito bylo Nd:YAG laseru jak při základní (1064 nm) tak druhé harmonické frekvenci (532 nm). Na příkladu zelené kachličky je demonstrováno výrazné zlepšení průběhu signálu křemíku, hliníku, chromu i titanu. Pozorováno bylo jak zlepšení reprodukovatelnosti signálu pulz po pulzu, tak kompenzace poklesu signálu vlivem zahlubování kráteru během ablace. Instrumentace pro registraci akustického signálu může být poměrně jednoduchá a levná. Zahrnuje levný mikrofon a osciloskop, přičemž v případě integrovaného akustického signálu je jednoduché i vyhodnocení. Uvedená práce je příkladem možnosti výrazného zlepšení hloubkových profilů s použitím referenčního signálu. Širšímu použití na našem pracovišti zabraňuje snad jen potřeba dokonalejšího osciloskopu s možností uložení signálů pro větší množství pulzů. V této souvislosti je třeba zmínit problematiku analýzy keramických materiálů, která je rovněž v popředí zájmu autora. Uvedený příklad analýzy keramických kachliček demonstruje jak sledování hloubkových profilů vrstevnatých keramik, tak analýzu pigmentů či složení vlastního střepu. Pozornost je věnována např. keramickým archeologickým nálezům nebo cihlám z hlediska původu archeologických objektů. Další referovanou prací je příspěvek v Československém časopise pro fyziku [XI]. Tento časopis v roce 2010 věnoval k 50. výročí zprovoznění prvního laseru T. H. Maimanem dvojčíslo, jehož zaměřením bylo zdokumentovat historii i současnost laserového výzkumu v našich zemích. Zmíněn je zde první prototyp laseru uvedený do provozu již v roce 1963 ve Fyzikálním ústavu ČSAV díky významnému badateli v oboru luminiscence pevných látek Karlu Pátkovi. Řada referátů se pak věnuje 22

23 Komentář k referovaným pracím historii laserových technik na řadě našich významných institucí např. Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze (A. Novotný a kol.), Ústavu přístrojové techniky v Brně (P. Zemánek a kol.) nebo Vysokém učení technickém v Brně (M. Liška). Při příležitosti desátého výročí zahájení prvních mezinárodních experimentů je zde zmapována historie i současnost laserové laboratoře PALS (Prague Asterix Laser System) disponující pulzním jódovým fotodisociačním laserovým systémem o terawattovém výkonu (J. Ullschmied). Ze současného výzkumu lze zmínit příspěvky o Ultrarychlé laserové spektrometrii (P. Malý), Vláknových laserech (P. Peterka) nebo Nanobiofotonice (D. Chorvát). Pozornost zde byla věnována také novým velkým laserovým projektům Evropské Unie v ČR (K. Rohlena). Příležitost dostat se do povědomí naší širší vědecké veřejnosti zde dostala i technika LIBS. Příspěvek stručně shrnuje historii i fyzikální základy techniky LIBS jakož i stručný popis základní instrumentace. Dále je zde zmíněn vývoj techniky na pracovišti Ústavu chemie MU a v Laboratoři laserové spektroskopie VUT, včetně vývoje double pulse techniky a instrumentace pro dálkovou detekci. V příspěvku dále nechybí ani příklady vybraných aplikací včetně ukázky vlastních výsledků. V dalších dvou referovaných pracích se dostaneme zpátky k problematice mapování konkrétně u archeologických vzorků biominerálů (kostí a zubů). První práce je zaměřena na analýzu hadích obratlů nalezených v Mladečské jeskyni [XII]. V této lokalitě vytvořené v Devonském vápenci bylo nalezeno mimořádné množství hadích pozůstatků (více než hadích obratlů), pocházejících z doby přibližně před jedním milionem let. Úkolem práce bylo rozlišení zdravých obratlů a obratlů patologických (postižených chorobou osteitis deformans). Pro tyto účely bylo provedeno mapování na vhodných řezech, u kterých byly sledovány především poměry signálů vápníku a fosforu vzhledem k hydroxyapatitové matrici kosti. Srovnání bylo provedeno také mezi fosilními a recentními vzorky a kromě mapování metodou LIBS byla provedena analýza celkových obsahů vybraných prvků roztokovou analýzou metodou ICP-MS po rozkladu vzorků. Pro nalezení vhodného místa pro řez a pro určení celkové struktury obratlů bylo využito rentgenové mikrotomografie s využitím synchrotronového záření, které bylo provedeno ve spolupráci s pracovištěm synchrotronu Elettra v Terstu (Itálie). S tímto špičkovým pracovištěm nás pojí dlouholetá spolupráce především v oblasti rentgenové mikrotomografie, která se ukázala jako výborná technika doplňující metodu LIBS. V řadě případů je obtížné najít vhodně reprezentativní rovinu pro řez vzorku, na které by bylo možno provést odpovídající mapování distribuce vybraných prvků. Využití 3D tomografie s odpovídajícím rozlišením umožní zmapování přesné struktury (archeologické nálezy, močové kameny apod.), a nalezení nejvhodnější roviny pro řez, která by jinak byla obtížně lokalizovatelná, nebo by toto hledání vedlo k značné destrukci vzorku. Další práce je věnována studiu nálezu prehistorického zubu medvěda hnědého (Ursus arctos) [XIII]. Stravě, sezonalitě a migraci fosilního medvěda na základě multiprvkové analýzy tohoto zubu metodou LIBS byl také věnován příspěvek v recenzovaném časopise Archeologického ústavu AV ČR - Přehled výzkumů [31]. Dlouhodobá spolupráce s tímto ústavem je zaměřena především na analýzu archeologických nálezů a interpretaci naměřených dat s ohledem na další informace získané o vzorku a případně zasazení do historických souvislostí. Také tato studie je příkladem tohoto přístupu 23

24 Komentář k referovaným pracím k archeologickému nálezu. Výsledky kombinace technik LIBS, LA-ICP-MS a izotopové analýzy vedly k závěru, že tento medvěd nalezený poblíž obydlí lovců mamutů v Dolních Věstonicích byl pravděpodobně uloven před návratem do svého zimoviště. Tyto závěry byly učiněny především na základě poměrů obsahu stroncia, barya a vápníku v sezónních přírůstových liniích dentinu, místě nálezu a dalších archeologických souvislostech. Oba předchozí příspěvky patří ke stěžejním pracím studentky Michaely Galiové v rámci doktorského studia pod autorovým vedením a výrazným způsobem zde byla zdokonalena metodika mapování distribuce prvků pomocí dvoupulzní techniky LIBS. Některé experimenty byly prováděny na Ústavu analytické chemie na Univerzitě v Malaze (Španělsko) ve spolupráci s J. Lasernou, výraznou přední světovou osobností v oblasti LIBS. Spolupráce s J. Lasernou se datuje již od roku Od té doby byla realizována řada pracovních návštěv na toto pracoviště a také celá řada studentů měla příležitost zde absolvovat své studijní pobyty. O intenzivní spolupráci svědčí i několik návštěv prof. Laserny u nás. Analýze biominerálů kalcifikovaných tkání je věnována i další práce, avšak jejím specifickým přínosem je využití systému pro dálkovou analýzu [XIV]. Jde o první generaci zařízení pro dálkovou spektrometrii vyvíjené na Ústavu fyzikálního inženýrství VUT v těsné spolupráci s naším pracovištěm. Účelem této práce je nejen představení vlastní instrumentace, ale i demonstrace dostatečné citlivosti pro sledování vybraných prvků (fosforu, hořčíku, sodíku, zinku či stroncia) v kostech na vzdálenost 6 metrů, s potenciálním využitím v archeologii během vykopávek. Vzhledem k rozměrům laboratoře, kde byly experimenty prováděny, nemohly být zatím testovány parametry detekce pro delší vzdálenosti. Pro sběr záření byla využita konstrukce Newtonova mimoosého teleskopu s primárním sférickým zrcadlem o průměru 350 mm a sekundárním planárním zrcadlem odrážející záření do optického vlákna. To přivádělo záření na vstupní štěrbinu monochromátoru v Czerny-Turner konfiguraci (LOT-Oriel) vybaveného ICCD detektorem istar Andor. Optika pro zaostření laseru do vzdálenosti 6 metrů využívala tříčočkového Galileova teleskopu, navrženého na základě počítačové simulace pro minimalizaci optické aberace. Získané výsledky demonstrují dostatečný signál pro detekci a shodu semikvantitativního stanovení výše uvedených prvků v kostech ve srovnání s analýzou provedenou technikou LA-ICP-MS. Dalšímu zdokonalování instrumentace i metodologii dálkové detekce byla věnována pozornost i nadále v souvislosti s využitím pro identifikaci materiálů během archeologických vykopávek (viz. dále). Další studie je věnována sledování distribuce olova a nutričních prvků v čerstvých a sušených listech papriky [XV]. Na základě předchozích zkušeností získaných při mapování rozložení toxických prvků v rostlinných materiálech byla pozornost zaměřena na kultivaci rostlin a především na vliv sušení, případně zmrazení vzorku. Stejně jako v předchozích případech bylo použito LA-ICP-MS jako srovnávací metody a bylo zjištěno, že olovo je přednostně akumulováno ve stoncích listů. Vlivu vlhkosti či obsahu vody na signál LIBS ve vzorcích hlavně biologického původu byla věnována pozornost nejen v souvislosti s rostlinným materiálem. Odpařená voda ovlivňuje podmínky mikroplazmatu především snížením teploty, což vede i k významnému snížení signálu. V přítomnosti 24

25 Komentář k referovaným pracím vody bylo také pozorováno výrazné zhoršení reprodukovatelnosti i negativní vliv na tvar kráterů. Vysušení vzorku často není jednoduché a může vést u řady biologických vzorků k destrukci struktury. Vysušený materiál bývá křehký a laserový pulz může zapříčinit rozpad vzorku ve větším měřítku. Ablace zmrazeného materiálu přináší experimentální komplikace a nevede vždy k uspokojivým výsledkům. Je třeba říci, že tento problém nebyl do dnešní doby úspěšně vyřešen a komplikuje nejen analýzu biologických vzorků metodou LIBS, ale také technikou LA-ICP-MS, neboť obsah vody neovlivňuje jen podmínky mikroplazmatu, ale také množství odablatovaného materiálu. Nicméně v řadě případů lze při měření čerstvých vzorků dosáhnout uspokojivých výsledků, jak ukazuje i tato práce. Problematika studia distribuce prvků v močových kamenech se objevuje v dalších dvou pracích [XVI, XVII]. Přestože tyto práce nejsou primárně zaměřeny na techniku LIBS, ale LA-ICP-MS, byly do tohoto přehledu zahrnuty. Důvodem je fakt, že podobné experimenty se srovnatelnými výsledky byly současně prováděny technikou LIBS, do této chvíle ale nebyly publikovány (pouze formou bakalářské práce studentky K. Proksové). Dalším důvodem je perspektivní využití metody LIBS pro rutinní použití. Proto této problematice byla a je věnována na našem pracovišti zvláštní pozornost. Močové kameny jsou tvořeny anorganickými i organickými složkami a z mineralogického hlediska je lze rozdělit na šťavelany, fosforečnany, soli kyseliny močové a jejich kombinace. Pro strukturní analýzu se dnes využívá především infračervená spektroskopie, pro prvkovou analýzu roztokové metody s využitím atomové absorpční nebo emisní spektrometrie. Společným rysem používaných (rutinních) metod je skutečnost, že je analyzován homogenizovaný vzorek v pevném stavu nebo jako roztok a získá se tak pouze informace o průměrném prvkovém složení a zastoupení minerálů v močovém kameni. Pro porozumění vzniku a růstu močových kamenů je však důležitá znalost historie ukládání vrstev v čase. Na základě těchto znalostí lze lépe zjistit příčinu tvorby zárodečného centra i možný efekt léčby či projev dalších komplikací (zánět a podobně). Z tohoto důvodu je třeba doplnit údaje průměrného složení také informací o prostorovém rozložení prvků a minerálů [32]. Pro tyto účely se ukázaly techniky založené na laserové ablaci (LIBS, LA-ICP-MS) jako velice vhodné. Této problematice se dlouhodobě věnuje studentka K. Proksová (nyní Štěpánková) pracující pod autorovým vedením (bakalářská, magisterská a doktorská práce). V další práci se vrátíme k vývoji zařízení a metodice pro dálkovou analýzu [XVIII]. Jak již bylo naznačeno dříve, nabízí se aplikace tohoto zařízení v archeologii k rychlé identifikaci materiálů. Zde bylo použito zdokonalené instrumentace využívající ke sběru záření komerčně dostupného hvězdářského teleskopu Newtonova typu (Sky-Watcher, Synta). Na rozdíl od předchozího uspořádání byl součástí instrumentace spektrometr v Echelle konfiguraci (Andor, Mechelle 5000) s možností snímání spekter v širokém rozsahu vlnových délek ( nm). Zaostřovací optika laserového paprsku byla stejná jako v předchozím případě, jedná se o mimoosé uspořádání. Všechny experimenty byly prováděny v laboratoři s omezením vzdálenosti do šesti metrů. 25

26 Komentář k referovaným pracím Hlavním cílem byl vývoj rychlé metody pro identifikaci materiálů s využitím pokročilých metod pro vyhodnocení dat. V tomto případě šlo o kombinaci metody analýzy hlavních komponent (PCA) s následným využitím lineární diskriminační analýzy (LDA) nebo umělých neuronových sítí (ANN). Sada spekter různých materiálů (malta, půdní tablety, škeble, zuby, kosti, úlomky keramiky a cihly) byla tímto způsobem vyhodnocována za účelem vytvoření metody pro rychlou identifikaci materiálů k archeologickým účelům. Bylo ověřeno, že tímto postupem lze od sebe tyto materiály poměrně spolehlivě rozlišit. Při následném použití na testovacích vzorcích došlo u LDA pouze k jedné záměně zubu za kost a u ANN k jedné záměně půdy za keramiku, což jsou v obou případech podobné materiály. Této problematice je věnována velká pozornost i v současné době, především v souvislosti s budováním mobilní aparatury k dálkové detekci. Dá se předpokládat, že jejím hlavním potenciálním využitím bude právě rychlá identifikace a klasifikace materiálů. Pro tyto účely bude důležitým úkolem vybudovat příslušné databáze spekter, které bude možno neustále doplňovat a tím dále rozšiřovat možnosti identifikace o další materiály. V současné době se například pracuje na tvorbě databáze spekter cihel, která by měla umožnit jejich klasifikaci podle původu či použitého postupu při výrobě (teplota výpalu). Této problematice se v současné době věnuje studentka G. Vítková, která vypracovává svou doktorskou práci pod autorovým vedením. V další referované práci je popisována problematika analýzy biologických materiálů, a sice řas [XIX]. Tato práce je specifická ze dvou důvodů, kapalným skupenstvím a přípravou vzorku kultivací řas. Pro tyto účely bylo zkonstruováno zařízení umožňující aplikaci dvoupulzní techniky LIBS pro tři různé typy vzorků: biofilm, vodnou suspenzi řas proudící laminární tryskou a stacionární suspenzi měření z hladiny. Tyto techniky jsou vyvíjené především pro průmyslové využití, pro monitoring při kultivaci řas ve velkém měřítku v bioreaktorech. Je třeba zmínit, že možnost využití řas jako krmiva, potraviny nebo alternativního biopaliva je intenzivně zkoumána v řadě zemí. Nutnost odpovídajícího sledování obsahu nutričních, stopových či toxických prvků během kultivace je proto nasnadě. V souvislosti s toxickými prvky se také nabízí využití řas jako bioakumulátorů těžkých kovů využitelných např. při bioremediaci. V uvedené práci je demonstrována možnost rychlé analýzy biofilmu či suspenze z pohledu nejen nutričních prvků jako je vápník, hořčík, draslík či sodík, ale také kovů jako je měď. Tato analýza může být provedena v krátkém čase řádově několika sekund a nabízí tedy techniku pro on-line monitoring během kultivačního procesu. V kombinaci např. s Ramanovou spektrometrií [33] může poskytnout komplexní informaci také při výběru vhodných kandidátů kmenů řas pro konkrétní použití. Tomuto tématu se v současné době intenzivně věnuje studentka P. Kučerová pracující na doktorské práci pod autorovým vedením. Práce na této problematice se neobejde bez těsné spolupráce s Ústavem fyzikálního inženýrství VUT, kde byla vyvinuta i výše zmíněná instrumentace, a Ústavem přístrojové techniky AV ČR, případně dalšími pracovišti věnujícími se kultivaci řas. Další referovanou prací je přehledový článek zabývající se biologickými aplikacemi metody LIBS obecně [XX]. Účelem tohoto review je především shrnutí historie a dokumentace současného stavu využití techniky LIBS pro širokou škálu biologických vzorků od analýzy buněk a mikroorganismů (včetně patogenních) přes analýzu rostlinných a živočišných tkání (včetně nádorových) až po analýzu 26

27 Komentář k referovaným pracím biominerálů nebo výrobků z bilogických materiálů (papír, kůže). Zmíněna je zde dvoupulzní technika, mikroanalýza či prvkové mapování. Práce obsahuje přes 80 odkazů na odborné publikace, jež představují velice pestrou mozaiku možnosti využití LIBS pro různé účely a v různých oborech. Tato práce názornou formou doplňuje řadu přehledových článků publikovaných v poslední době o informace z oblasti biologických aplikací a poskytuje čtenáři komplexní náhled do problematiky. Potencionálnímu uživateli metody LIBS pomůže rychle se zorientovat v možnostech a limitech této techniky i nárocích na instrumentaci. Práce vznikala na základě spolupráce několika pracovišť (Ústav chemie MU, Ústav fyzikálního inženýrství VUT, Ústav chemie a biochemie MENDELU) včetně prestižního zahraničního pracoviště (Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, USA). Komplikovanou problematiku kalibrace, která byla s větším či menším úspěchem řešena i v řadě předchozích studií lze demonstrovat na další referované práci [XXI]. Předně je třeba říci, že při kalibraci vedoucí k uspokojivému kvantitativnímu (anebo alespoň semikvantitativnímu) stanovení se neobejdeme bez standardů se známým obsahem stanovovaného prvku nebo bez vzorků se známým složením. Ty by měly pokrývat zamýšlený rozsah obsahů a složení matrice by mělo být stejné jako u analyzovaného vzorku. To je v praxi často těžko dosažitelné, a proto se snažíme najít alespoň materiály co nejpodobnější neznámému vzorku. Výjimkou není ani použití různých modelových vzorků připravených laboratorně, příprava kalibračních tablet, ať už lisovaných nebo tavených a podobně. To je případ této práce, kde byla kalibrace řešena přípravou lisovaných kalibračních tablet, které byly vyrobeny z rozemletých močových kamenů o známém složení zjištěném roztokovou analýzou pomoci ICP spektrometrie. Tyto tablety reprezentovaly nejen vzorky s fosfátovou matricí, ale i vzorky s matricí smíšenou (fosfát, oxalát, kys. močová). Z prvků byla pozornost zaměřena na vápník, hořčík, sodík, baryum a stroncium. Mimořádně zde byla použita široká škála metod založených na laserové ablaci pro demonstraci podobností i rozdílů jednotlivých technik. Laserová ablace ve spojení s ICP-MS spektrometrií zde reprezentuje již víceméně rutinní techniku s využitím komerčně dostupného zařízení. Instrumentace vyvinutá na našem pracovišti dovolující simultánní měření technikou LIBS a LA-ICP-OES dává příležitost pro porovnání signálů obou technik s přihlédnutím na vliv homogenity vzorku, transportu aerosolu do ICP nebo matričních efektů v mikroplazmatu v případě metody LIBS. Zařízení pro techniku LA-LIBS skládající se ze dvou komor (ablační a excitační) pak představuje netradiční přístup. Laserová ablace a proces excitace je zde úplně oddělen, podobně jako u techniky LA-ICP-OES/MS, avšak ablatovaný aerosol je excitován dalším laserem, jde tedy o modifikaci metody LIBS. V práci jsou diskutovány kalibrační funkce jednotlivých metod, vzájemná korelace signálů, vliv mineralogického složení tablet či možnosti použití porovnávacího prvku. V souvislosti s touto prací je třeba zmínit mnohaletou spolupráci se světově uznávaným odborníkem D. Hahnem (University of Florida), se kterým v rámci již zmíněného společného projektu kontakt ME08002 byla řešena i tato problematika kalibrace. V rámci projektu byla také vyvíjena instrumentace simultánního systému dvoupulzní techniky LIBS a LA-ICP-OES, která byla zdokonalována v průběhu celé doby řešení. Podařilo se definitivně odstranit problémy se snímáním emise mikroplazmatu i transportu ablatovaného aerosolu do ICP-OES spektrometru. Díky speciální komoře, která byla vyvinuta ve spolupráci s Ústavem přesné mechaniky a optiky VUT v Brně, je 27

28 Komentář k referovaným pracím možné využít Nd:YAG laseru UP 266 MACRO (New Wave) pro ablaci vzorku a zároveň přivést do vzniklého mikroplazmatu v ortogonálním uspořádání pulz druhého laseru Nd:YAG Brilliant (Quantel). Tento druhý pulz vede nejen ke zvýšení LIBS signálu, ale také k modifikaci generovaného aerosolu, který lze následně transportován do ICP-OES spektrometru. Experimenty prokázaly univerzálnost celého zařízení, kdy lze kombinovat dvoupulzní i jednopulzní techniku (s možností různé kombinace obou laserů), možnost detekce laserem buzeného mikroplazmatu ICCD detektorem nebo klíčovaným fotonásobičem, možnost využití směsi nosných plynů (např. Ar, He při kombinaci dvou mass-flow controlerů Brooks), sledování vlivu nastavení geometrie a časování obou paprsků apod. Zařízení bylo použito pro řešení problematiky kalibrace při mapování prostorového rozložení prvků v biominerálech a archeologických vzorcích (močové kameny, zuby, kosti) i pro sledování fundamentalních procesů při ablaci. V současné době se provádějí experimenty také při propojení ablační komory s nově nainstalovaným ICP spektrometrem icap 6500 Duo (Thermo). Jedním z příkladů použití tohoto zařízení v praxi je další referovaná práce zaměřená na určení provenience vulkanických skel [XXII]. V tomto případě šlo dvoupulzní techniku LIBS v atmosféře vzduchu bez použití ablační komory. Zkoumané vzorky obsidiánů, tachylitů a smolků patří do skupiny vulkanických skel, které sloužily v minulosti k výrobě nástrojů a zbraní, a jako strategická surovina byly předmětem čilého obchodu. Tyto materiály jsou rozptýleny po celém světě a jsou předmětem intenzivního výzkumu archeologů, neboť napomáhají k objasnění migrace obyvatel i k vysledování obchodních tras v minulosti. Dvanáct vzorků vulkanických skel (minerály nebo archeologické artefakty) pocházely z různých lokalit v České republice, Slovensku, Německu, Maďarsku, Řecku, Turecku a na Ukrajině. Vzorky byly podrobeny LIBS analýze především se zaměřením na sledování emisních čar křemíku, hořčíku, vápníku, sodíku, hliníku, železa, titanu, stroncia, barya a draslíku. Vícerozměrná statistická analýza dat ukázala, že je možné rozlišení skupin nebo jednotlivých vzorků podle původu. Předposlední referovaná práce [XXIII] se poněkud vymyká svým obsahem tomuto souboru prací a to ze dvou důvodů. Jednak byla kompletně realizována na zahraničním pracovišti během tříměsíčního pracovního pobytu autora na Univerzitě v Malaze a jednak je zaměřena na dálkovou detekci výbušnin Ramanovou spektrometrií. Její zařazení do tohoto přehledu však je třeba vidět ze širšího kontextu. Předně je dálková detekce nebezpečných materiálů a především výbušnin metodou LIBS dlouholetým předmětem zájmu v souvislosti s vývojem zařízení pro dálkovou analýzu. Ramanova spektroskopie se potom nabízí jako doplňková metoda zpřesňující identifikaci a bylo zde využito zařízení, které umožňuje obě techniky kombinovat. Jde tedy o práci, která s technikou LIBS úzce souvisí [21,22]. Dálková detekce výbušnin metodou LIBS je limitována především podstatou metody samotné, neboť většina výbušnin patří mezi organické látky (nitrosloučeniny, peroxidy). Identifikace organických sloučenin metodou LIBS je výrazně omezená, neboť jde o techniku založenou na atomové spektroskopii. Zůstává tedy možnost sledování čar základních komponent organických látek jako vodíku, uhlíku, dusíku a kyslíku případně C 2 a CN pásů ve spektru, vyhodnocení poměru intenzit 28

29 Komentář k referovaným pracím jednotlivých čar a případně identifikace dalších příměsí. Situaci dále komplikuje fakt, že jde často o stopová množství na různých podkladech, jejichž signál se ve spektru dále negativně projevuje a znesnadňuje identifikaci. Zpracování spekter tedy vyžaduje sofistikované chemometrické postupy, které jsou schopny na základě komplexního vyhodnocení emisních signálů jednotlivých prvků jednoznačně identifikovat výbušninu (často na základě databáze spekter). Aby byla tato metoda použitelná v praxi, musí být tato identifikace jednoznačná a spolehlivá, neboť omyl může v tomto případě vést k nedozírným následkům. V poslední době se proto začíná prosazovat k těmto účelům i Ramanova spektrometrie, jejíž použití při rychlé identifikaci (nejen) organických materiálů nabývá na významu i v případě různých přenosných zařízení. Instrumentace pro dálkovou detekci může vycházet ze zařízení LIBS a vyžaduje minimální úpravy (použití filtru k eliminaci Rayleighova rozptylu, detekce při kratším času zpoždění). I když signál Ramanova rozptylu je méně intenzivní, vzhledem k tomu, že jde o plně nedestruktivní techniku (vyjma nestabilních látek kde po ozáření excitačním pulzem může dojít k fotodegradaci) lze naakumulovat signál z většího množství pulzů a tím docílit značného zvýšení citlivosti. Ramanovo spektrum poskytuje informaci o struktuře sledované látky v daleko větším měřítku než technika LIBS a detekce výbušnin může být daleko spolehlivější. Kombinace obou technik pak výrazně rozšiřuje možnosti takového zařízení. Samotná práce se zabývá především fundamentálními aspekty dálkové detekce výbušnin Ramanovou spektroskopií. Studován byl vliv vzdálenosti vzorku, energie excitačního pulzu laseru a počet akumulovaných pulzů na signál a meze detekce. Zpracovávány byly především signály symetrických vibrací, které patří ve spektrech k nejintenzivnějším. Studovány byly výbušniny ve formě lisovaných tablet (PETN, RDX, C4, Dynamit, DNT, NH 4 NO 3, KClO 3, NaClO 3 ) Poslední referovaná práce je vyvrcholením snahy o zdokonalení metodiky pro sledování prostorové distribuce kovů v rostlinných materiálech [XXIV]. Asi 15 cm dlouhé roční výhonky Smrku ztepilého (Picea abies) byly kultivovány v roztocích o různé koncentraci CuCl 2 za účelem studia transportu mědi stonkem. Kultivace byla prováděna 4, 8, 16 a 24 hodin a následně byly provedeny řezy stonků na předem zvolených místech (ve vzdálenostech po 2 cm). V těchto místech byly připraveny tenké řezy pro sledování fluorescenční mikroskopií a pro mapování distribuce na řezu pomocí techniky LIBS. Větší kus byl potom odebrán pro provedení celkového rozkladu a roztokovou analýzu metodou ICP-MS. Porovnáním výsledků všech těchto metod bylo možno zmapovat transport mědi stonkem v čase za různých podmínek. Fluorescenční mikroskopie společně s metodou LIBS poskytla především prostorovou informaci o transportu mědi v daném řezu, roztoková analýza potom přesnou kvantitativní informaci. Na základě těchto údajů byly zmapovány koncentrační profily mědi ve stoncích a zjištěno celkové množství mědi prošlé jednotlivými řezy. Tyto výsledky ukazují na tři různé mechanismy transportu mědi rostlinou přirozené čerpání rostlinou, dále snížení čerpání zapojením obranných mechanismů rostliny a konečně prostá difuze po kolapsu metabolismu rostliny. Tomuto tématu se ve spolupráci s Ústavem experimentální biologie dále věnuje studentka L. Krajcarová, která vypracovává svou doktorskou práci pod autorovým vedením především v souvislosti se sledováním šíření toxických prvků v dalších rostlinách. 29

30 Použité odkazy Použité odkazy 1. D. A. Cremers and L. J. Radziemski, Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy, John Wiley & Sons, Chichester, S. N. Thakur and J. P. Singh, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, R. Nol, Laser-Induced breakdown Spectroscopy., Springer, Heidelberg, A. W. Miziolek, V. Palleschi and I. Schechter, Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) : fundamentals and applications, Cambridge University Press, Cambridge, UK; L. J. Radziemski, Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy, 2002, 57, J. D. Winefordner, I. B. Gornushkin, T. Correll, E. Gibb, B. W. Smith and N. Omenetto, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2004, 19, E. Tognoni, V. Palleschi, M. Corsi and G. Cristoforetti, Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy, 2002, 57, R. Fantoni, L. Caneve, F. Colao, L. Fornarini, V. Lazic and V. Spizzichino, Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy, 2008, 63, M. T. Taschuk, Y. Godwal, Y. Y. Tsui, R. Fedosejevs, M. Tripathi and B. Kearton, Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy, 2008, 63, H. Bette, R. Noll, G. Muller, H. W. Jansen, C. Nazikkol and H. Mittelstadt, Journal of Laser Applications, 2005, 17, V. I. Babushok, F. C. DeLucia, J. L. Gottfried, C. A. Munson and A. W. Miziolek, Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy, 2006, 61, A. De Giacomo, M. Dell'Aglio, O. De Pascale and M. Capitelli, Spectrochimica Acta Part B- Atomic Spectroscopy, 2007, 62, J. M. Vadillo, C. C. Garcia, S. Palanco and J. J. Laserna, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1998, 13, T. Ctvrtnickova, F. J. Fortes, L. M. Cabalin, V. Kanicky and J. J. Laserna, Surface and Interface Analysis, 2009, 41, V. Pinon, M. P. Mateo and G. Nicolas, Applied Spectroscopy Reviews, 2013, 48, G. Nicolas, M. P. Mateo and V. Pinon, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2007, 22, R. E. Russo, X. L. Mao, H. C. Liu, J. Gonzalez and S. S. Mao, Talanta, 2002, 57, L. R. Bissonnette and D. L. Hutt, Applied Optics, 1995, 34, U. Kempfer, W. Carnuth, R. Lotz and T. Trickl, Review of Scientific Instruments, 1994, 65,

31 Použité odkazy 20. S. Guirado, F. J. Fortes, V. Lazic and J. J. Laserna, Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy, 2012, 74-75, J. Moros, J. A. Lorenzo, P. Lucena, L. M. Tobaria and J. J. Laserna, Analytical Chemistry, 2010, 82, S. Wallin, A. Pettersson, H. Ostmark and A. Hobro, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2009, 395, F. C. De Lucia, R. S. Harmon, K. L. McNesby, R. J. Winkel and A. W. Miziolek, Applied Optics, 2003, 42, I. Gaona, P. Lucena, J. Moros, F. J. Fortes, S. Guirado, J. Serrano and J. J. Laserna, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2013, 28, U. Panne, R. E. Neuhauser, C. Haisch, H. Fink and R. Niessner, Applied Spectroscopy, 2002, 56, A. Hrdlicka, V. Otruba, K. Novotny, D. Gunther and V. Kanicky, Spectrochimica Acta Part B- Atomic Spectroscopy, 2005, 60, J. Mikolas, P. Musil, V. Stuchlikova, K. Novotny, V. Otruba and V. Kanicky, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2002, 374, J. Kaiser, L. Reale, A. Ritucci, G. Tomassetti, A. Poma, L. Spano, A. Tucci, F. Flora, A. Lai, A. Faenov, T. Pikuz, L. Mancini, G. Tromba and F. Zanini, European Physical Journal D, 2005, 32, J. Kaiser, O. Samek, L. Reale, M. Liska, R. Malina, A. Ritucci, A. Poma, A. Tucci, F. Flora, A. Lai, L. Mancini, G. Tromba, F. Zanini, A. Faenov, T. Pikuz and G. Cinque, Microscopy Research and Technique, 2007, 70, D. A. Cremers, A. Beddingfield, R. Smithwick, R. C. Chinni, C. R. Jones, B. Beardsley and L. Karch, Applied Spectroscopy, 2012, 66, M. Nývltová Fišáková, M. Galiová, J. Kaiser, F. J. Fortes, K. Novotný, R. Malina, L. Prokeš, A. Hrdlička, T. Vaculovič and J. J. Laserna, Bear diet, seasonality and migration based on chemical multielemental teeth analysis, Přehled výzkumů 50, Archeologický ústav Akademie věd České republiky v Brně, Brno, J. Kaiser, M. Hola, M. Galiova, K. Novotny, V. Kanicky, P. Martinec, J. Scucka, F. Brun, N. Sodini, G. Tromba, L. Mancini and T. Koristkova, Urological Research, 2011, 39, Z. Pilat, S. Bernatova, J. Jezek, M. Sery, O. Samek, P. Zemanek, L. Nedbal and M. Trtilek, Journal of Applied Phycology, 2012, 24,

32 Splnění cílů habilitační práce Splnění cílů habilitační práce Jedním z hlavních úkolů habilitační práce byl vývoj instrumentace spektrometrie laserem buzeného plazmatu LIBS, který lze rozdělit do několika vývojových etap. První fáze se vyznačovala konstrukcí relativně jednoduchého systému s klíčovaným fotonásobičem použitým jako detektor. Za pomoci Nd:YAG laseru Quantel (Brilliant) při základní vlnové délce (1064 nm) případně druhé či čtvrté harmonické frekvenci (532 a 266 nm) bylo možno provádět časově rozlišenou sekvenční spektrometrii laserem buzeného plazmatu, které bylo generováno na povrchu pevných vzorků. Pro účely sledování vlivu atmosféry bylo pak zkonstruováno několik typů ablačních komor v různém geometrickém uspořádání, které navíc umožňovaly transport aerosolu do optického spektrometru s indukčně vázaným plazmatem. Toto uspořádání bylo použito například při studiu laserové ablace ocelí, půdních tablet, skel či při studiu hloubkových profilů pozinkovaných plechů. Možnost sledování časového průběhu signálu pouze pro jednu vlnovou délku však využití tohoto sekvenčního zařízení silně omezovalo. Je třeba však podotknout, že zařízení se podařilo sestavit v době, kdy zkušenosti s technikou LIBS v České republice byly minimální. Jediný pracovník, který se této problematice u nás systematicky věnoval, byl Dr. O. Samek z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, který v té době působil na pracovišti ve Velké Británii (Ústav fyziky, Univerzita Swansea). Žádná podobná zařízení u nás nebyla v provozu ani komerční zařízení pro techniku LIBS nebyla v té době dostupná. Výrazným posunem bylo v další etapě vybavení spektroskopu intenzifikovaným CCD detektorem. Vzhledem ke konfiguraci spektrometru (Czerny-Turner s možností výběru ze tří difrakčních mřížek) bylo umožněno snímání vybrané oblasti spektra s odpovídajícím spektrálním i časovým rozlišením. Omezení vyplývající ze sekvenčního uspořádání bylo tedy odstraněno, přesto byla možnost použití fotonásobiče pro sledování časového průběhu signálu při dané vlnové délce zachována. Vzniklo tak unikátní uspořádání umožňující měření při kombinaci obou detektorů, přičemž byla zachována značná flexibilita, co se týče velikosti či tvaru vzorků případně možnosti spojení s ICP- OES spektrometrií. Limitace tohoto zařízení pak byla dána především použitím mikroposuvů (Galil) s omezenou možností programování pohybu vzorku, absencí optiky pro pozorování povrchu i softwaru umožňujícího celkové ovládání zařízení. Tyto nedostatky byly odstraněny následným zakomponováním ablačního systému UP-266 Macro (New Wave) do kombinované instrumentace. Ta v konečném důsledku umožnila i sestavení dvoupulzního orthogonálního uspořádání s možností plného využití ovládacího softwaru systému UP-266 Macro. V této souvislosti je třeba zdůraznit, že ačkoliv jednotlivé části nynějšího zařízení jsou komerčně dostupné (spektrometr, lasery, delay generátory), sestava se neobešla bez různých konstrukčních úprav. Za zmínku stojí například konstrukce speciální ablační komory umožňující vstup paprsků obou laserů, snímání emise mikroplazmatu i vstup a výstup nosného plynu s odpovídající geometrií proudění. Komora dále 32

33 Splnění cílů habilitační práce umožňuje přesné nastavení polohy vzorku vůči oběma paprskům a optickému vláknu. Elektrické zapojení a synchronizace všech komponent pak byla vyřešena tak, aby bylo ovládání co nejjednodušší, avšak se zachováním flexibility celého systému a možnostmi nastavení různých parametrů. Toto zařízení představuje v současnosti unikátní systém umožňující simultánní měření metodou dvoupulzní LIBS a laserové ablace ve spojení s optickou emisní spektrometrií indukčně vázaného plazmatu. I v mezinárodním srovnání je kvalita této sestavy výjimečná především svou flexibilitou při zachování možnosti kombinace různých technik. Posledním vylepšením bylo vybavení spektrometru rychlým detektorem PI MAX 3 (Princeton) umožňujícím plné využití maximální opakovací frekvence obou laserů. Vývoj analytických metod s využitím tohoto zařízení (i jeho předchozích verzí) bylo demonstrováno jak v řadě článků v recenzovaných časopisech, tak v mnoha příspěvcích na konferencích. Na základě mnohaletých zkušeností se podařilo vyvinout řadu technik využitelných k řešení praktických problémů při analýze široké škály materiálů. Předně je třeba poznamenat, že byla vyvinuta metodika pro sledování prostorové distribuce prvků (a to i v biominerálech či biologických materiálech), která je v současné době dále zdokonalována. Podařilo se docílit vysokého prostorového rozlišení a nízkých mezí detekce v řadě případů srovnatelných s technikou LA-ICP-MS. Tyto vynikající analytické parametry výrazně rozšiřují možnosti využití instrumentace v praxi. Taktéž zkušenosti s nalezením vhodných postupů pro kalibraci (např. lisování tablet) či úpravy vzorků (využití rentgenové mikrotomografie) umožnilo vývoj metodologie pro kvantitativní analýzu a postupů pro určení prostorového složení vzorků. Na závěr lze konstatovat, že vytyčených cílů habilitační práce bylo plně dosaženo. Během několika let se podařilo vybudovat mezinárodní renomé mezi pracovišti věnujícím se technice LIBS a zařadit pracoviště Ústavu chemie mezi významné instituce v tomto oboru. 33

34 Obrazová příloha Obrazová příloha Obr. 1 První verze zařízení LIBS zkonstruovaná v rámci řešení postdoktorandského projektu GAČR Studium interakce laserového záření s pevnými materiály pomocí metod plazmové spektrometrie. Na prvním snímku je možno vidět čočku pro zaostření laserového paprsku, vzorek umístěný v držáku na mikroposuvech Galil a držák optického vlákna s objektivem snímajícím emisi mikroplazmatu. Na druhém snímku je spektrometr Jobin-Yvon Triax 320 s fotonásobičem v klíčovací patici (Hamamatsu), řídící elektronika vlastní konstrukce a digitální osciloskop Tektronix TDS Obr. 2 Pohled zboku a shora na ablační komoru zkonstruovanou v rámci stejného postdoktorandského projektu. Paprsek dopadá v tomto případě na vzorek šikmo. Byla zkonstruována i verze s kolmým dopadem paprsku. Do komory je zasazen objektiv s optickým vláknem pro snímání emise mikroplazmatu, a část komory se vzorkem je uchycena k mikroposuvům Galil. Zařízení umožňovalo jak studium vlivu okolního plynu na signál LIBS, tak transport ablatovaného materiálu do ICP-OES spektrometru. 34

35 Obrazová příloha Obr. 3 První experimenty při využití ablačního systému UP-266 Macro (New Wave). Ze zařízení byla odstraněna ablační komora a byl zkonstruován jednoduchý držák vzorků s mikroposuvem pro nastavení výšky. Pro zvýšení signálu bylo využito dvoupulzní techniky v orthogonálním uspořádání s využitím původního laseru Brilliant. Emise záření byla snímána optickým kabelem, jehož konec byl umístěn co nejblíže vzorku. Celkové schéma zařízení je na obrázku vpravo. Obr. 4 Návrh (nahoře) a realizace (dole) speciální ablační komory umožňující provádět dvoupulzní techniku LIBS současně s laserovou ablací ve spojení s ICP-OES spektrometrií. Komora umožňuje nastavení polohy vzorku, vstup paprsků obou laserů, snímání emise mikroplazmatu i vstup a výstup nosného plynu. 35

36 Obrazová příloha Obr. 5 Mikroplazma generované v ablační komoře na měděném terčíku laserem New Wave 266 Macro. V tomto případě jde o jednopulzní režim kdy paprsek dopadá na povrch vzorku kolmo shora. Celý povrch měděného terčíku o průměru 21 mm může být ablatován aniž by snímání emise mikroplazmatu přes okénko ablační komory bylo jakkoliv omezeno. Obr. 6 Schéma simultánního systému double pulse LIBS - LA ICP OES s upraveným ablačním systémem NewWave UP-266 (pohled shora i z boku), speciální ablační komora a celkový pohled na zařízení. 36

37 Obrazová příloha Obr. 7 Schéma zapojení simultánního systému double pulse LIBS - LA ICP OES Obr. 8 Aktuální verze simultánního dvoupulzního systému LIBS - LA ICP OES: celkový pohled na zařízení. V levé části obrázku je možno vidět upravený systém UP-266 Macro vybavený speciální ablační komorou a optikou pro snímání emise laserem buzeného plazmatu. Paprsek druhého laseru Brilliant (vpravo) je naznačen červenou barvou. 37