Elektronová mikroskopie

Transkript

1 Elektronová mikroskopie

2 Princip elektronové mikroskopie Optické přístroje podobně jako světelné mikroskopy. Místo světelného svazku používají elektrickým polem urychlené elektrony. Místo skleněných čoček jsou použity elektromagnetické cívky (cívka vytvářející magnetické pole). Pozorovaný vzorek i svazek elektronů umístěn ve vakuu. Rozlišovací schopnost je výrazně vyšší než u svět. mikroskopu, až 0,5nm (díky kratší vlnové délce elektronů), efektivní zvětšení je až x.

3 Srovnání velikosti objektů pozorovatelných světelným a elektronovým mikroskopem

4 Vznik různých signálů při dopadu elektronů na vzorek

5 SEM scanning electron microscope Řádkovací elektronový mikroskop, rastrovací elektronový mikroskop. Byl zkonstruován V.K. Zworykinem a kol. v roce Na povrch vzorku dopadá svazek elektronů, jejich interakce s povrchem vyvolává emisi sekundárních a/nebo zpětně odražených elektronů, příp. RTG záření. Počítačovým zpracováním emitovaných elektronů vzniká obraz povrchu. Pro zjištění chemického složení vzorků je třeba detekovat charakteristické RTG záření. Využívají se pro zobrazení a analýzu povrchů téměř libovolně velkých vzorků (morfologie povrchových krust, depozice konzervačních látek, degradace povrchu).

6 TEM transmission electron microscope Vyvinul v roce 1931 německý vědec Ernest Ruska (1986 Nobelova cena za fyziku). Umožňuje zobrazení vnitřní struktury vzorku pomocí prošlých elektronů. Na povrch vzorku dopadá svazek elektronů, ze kterého část prochází skrz, prošlé elektrony jsou detekovány a PC zpracováním vzniká obraz. Vzorek musí být velmi tenký ( nm) aby jím prošel svazek elektronů. Využití při pozorování a analýze vnitřní struktury vzorku, poruch krystalové struktury a pro zobrazení jednotlivých atomů.

7 Srovnání pozorování optický mikroskop skenovací elektronový mikroskop

8 Klíčící spory hub zvětšeny pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM)

9 Rentgenová analýza

10 Rentgenová analýza Rentgenové záření má vlnovou délku v rozsahu 0,01 10 nm. RTG záření vzniká v rentgence dutá trubice s katodou (z ní žhavením vyletují elektrony) a anodou z W (díky vloženému napětí na ni elektrony dopadají velkou rychlostí a tím způsobují RTG záření). Typy rentgenového záření: o brzdné rychle letící elektrony se dopadem na anodu zbrzdí a vydají energii, ta se udává v ev (využití v lékařsví, defektoskopii). o charakteristické dopadem elektronu na anodu dojde k vyzáření fotonu charakteristického RTG záření (char. pro konkrétní prvek využití při kvalitativní analýze).

11 Rentgenová absorpční spektroskopie Absorpce (pohlcení) RTG záření závisí na druhu (vlastnostech) a množství daného atomu. V důsledku různé absorpce RTG záření různými látkami poskytuje informace o fyzikální struktuře materiálu. Využití při defektoskopii. Při zkoumání památek rozlišení jednotlivých vrstev pigmentů na obrazech s různým obsahem Pb, určení tvaru železných předmětů pokrytých koroznímu vrstvami, cínování, doplňky... RTG tomografie umožňuje studium 3D předmětů v různě orientovaných řezech.

12 Nálezový stav předmětu

13 RTG snímek předmětu

14 Rentgenová fluorescenční spektrometrie (XRF X-Ray Fluorescence spektrometry) Principem je sledování charakteristické (sekundární) emise RTG záření vzorkem (viz dříve) U přenosných XRF přístrojů je rentgenka nahrazena radionuklidem 55 Fe, 57 Co. Lze analyzovat vzorky kapalné, práškové (slisované do tablety) a pevné. Předpokladem pro analýzu je dokonale čistý a rovný povrch, proto předchází broušení, leptání, leštění. Podává kvalitativní (až semikvantitativní) informaci o prvkovém složení materiálu.

15 Zastoupení prvku [%] Rentgenfluorescenční analýza - rozdíl ve složení bronzu a koroze Koroze Bronz - kov Koroze Bronz - kov 0 Cu Sn Pb Fe Zn Ti Prvek dle T. Čechák-L. Musílek-T. Trojek-I. Kopecká: Aplikace rentgenfluorescenční analýzy pro studium památek

16 Rentgenová difrakce (RTG-D, XRD) Na vzorek je směřováno RTG záření pod různými úhly, jehož vlnová délka je srovnatelná s velikostí krystalové mřížky, pod některými úhly dochází k odrazu záření a to je detekováno. Úhel odrazu je charakteristický pro určitý druh krystalové mřížky a tím pro určitý materiál. Je možno analyzovat vzorky ve formě krystalu nebo prášku. Metoda je vhodná pro analýzy krystalických materiálů, petrografii, analýzu silikátů, korozních produktů a krust.

17 Rentgenová difrakce - Rtg mikrodifrakční záznam (analyzovaný bod s průměrem cca 0,1 mm) barevné vrstvy olejomalby z první poloviny 19. století. Vedle neobvyklého žlutého pigmentu (oxid Pb-Sb-Sn) jsou přítomny i nečistoty (PbSb 2 O 6 a Pb 2 (O)SO 4 ), odhalující technologii přípravy pigmentu žíháním oxidů Pb a Sn se sulfidem antimonu. (

18 Atomová spektrometrie

19 Atomová emisní spektrometrie (AES) Metoda je založena na schopnosti atomu po dodání vhodné energie (dostatečné k ionizaci vzorku a přechodu elektronu na vyšší elektronovou hladinu) emitovat charakteristické záření. Ionizace a excitace je prováděna pomocí obloukového výboje nebo plazmy. Je možno analyzovat pevné i kapalné vzorky a všechny přítomné prvky současně. Spektrum se jeví jako zářící čáry na černém pozadí. Metoda je využívaná pro kvantitativní prvkovou analýzu, kvalitativní analýzu anorganických materiálů, pigmentů, keramiky, barevných vrstev.

20 Atomová absorpční spektrometrie (AAS) Metoda je založena na schopnosti atomu absorbovat záření UV-VIS oblasti o stejné vlnové délce, jakou by při excitaci sám emitoval. Zdrojem záření je katoda z prvku, který analyzujeme, záření prochází vzorkem (v atomizovaném-plynném stavu) a jsou z něj pohlceny pro prvek charakteristické vlnové délky. Spektrum se jeví jako černé čáry na světlém pozadí. Je možné analyzovat vždy jen jeden prvek kvalitativně (knihovna spekter) a kvantitativně (intenzita čar). Metodou je možno analyzovat 70 prvků-kovů, je rychlá a velmi citlivá, ale vzorek je třeba před analýzou rozpustit.

21 Molekulová spektrometrie

22 Molekulová spektrometrie Metody molekulové spektroskopie jsou založeny na interakci molekul s elektromagnetickým zářením o různých vlnových délkách. Zaměřuje se především na analýzu organických látek (pojiva, laky, barviva, ). Výsledná spektra se nazývají molekulová a mají pásový charakter sestávají z mnoha čar, které splývají v pásy.

23 Oblasti elektromagnetického spektra

24 Ultrafialová a viditelná spektrometrie Jde o metodu, která se zabývá specifickou absorpcí v oblasti UV (10-380nm - bezbarvé) a viditelného ( nm - barevné) záření vzorky organických molekul. Absorpcí záření dochází k excitaci valenčních elektronů na vyšší energetické hladiny. Schopnost absorbovat záření v oblasti UV-VIS mají molekuly obsahující skupiny zvané chromofory. Vzorek je analyzován ve formě roztoku. Metoda je kvalitativní i kvantitativní. Nejčastěji se používá pro rozlišení jednotlivých barevných odstínů (laky, nátěry).

25 Infračervená spektrometrie (IČ, IR) Studuje interakci záření z IR oblasti spektra (800nm- 1000μm) se vzorkem (většinou organickým). Absorpcí IR záření se mění rotační a vibrační stavy molekuly, určité vlnové délky jsou charakteristické pro určité druhy chemických vazeb. IR záření prochází vzorkem a za ním je detekována část paprsku, která nebyla pohlcena. Vzorek lze analyzovat pevný, práškový, fólii, nebo rozpuštěný. Identifikace je prováděna srovnáním získaného spektra s knihovnou spekter. Je vhodná pro analýzu organických sloučenin, především pro základní orientaci ve složení vzorku.

26 Identifikace železité žluti a kaolinitu v temperou pojené barevné vrstvě IČ spektroskopií konvenční kvality (oranžová čára) a IČ mikroskopem (modrá a zelená čára).

27 IR s Fourierovou transformací (IR-FTIR) Nedestruktivní metoda. Využívána v kombinaci s mikroskopií- tzv. Infračervená mikrospektroskopie. Analyzovat lze v procházejícím i odraženém světle. Reflektanční spektra je možno snímat z povrchu vzorku, řezu, nábrusu do hloubky asi 20 μm. Využití pro určení typu vláken, pojiv, složení jednotlivých vrstev obrazů, dále pryskyřic, syntetických materiálů, pigmentů, papírů, inkoustů.

28 Ramanova spektrometrie Studuje tzv. Ramanův rozptyl. Vzorek je ozařován paprsky z VIS oblasti spektra a interakcí s vibrující molekulou dochází k odrazu části paprsků, které mají díky interakci změněnou energii. Vyhodnocuje se odražený paprsek (metoda je nedestruktivní), ve spojení s mikroskopem. Vzorek může být jakéhokoliv skupenství, není třeba jej pro analýzu připravovat. Využívá se pro kvalitativní analýzu organických i anorganických materiálů, vhodná pro studium iluminovaných rukopisů.

29 Pozorování artefaktu v různém záření v normálním světle IČ reflektografií rentgenografií

30 Hmotnostní spektrometrie (MS) Metoda je založena na separaci nabitých částic (vzniklých ionizací vzorku) v elektrickém poli podle poměru jejich hmotnosti a elektrického náboje. Metoda je vysoce citlivá, ale její spektra je obtížné interpretovat. Využívá se pro strukturní analýzu organických materiálů, jako metoda pro analýzu produktů chromatografického dělení.

31 Rozdělovací analytické metody Chromatografie

32 Chromatografie Metoda se používá pro dělení složitých směsí organických látek, aby mohly být látky detekovány samostatně. Během chromatografie se složky rozdělují mezi nepohyblivou (stacionární) a pohyblivou (mobilní) fázi, podle toho jak pevně se s fázemi vážou jsou rozděleny (složka, která se váže s mob. fází bude prostředí opouštět dříve, než složka vážící se k stac. fázi). Na výstupu jsou separované složky analyzovány jinou analytickou metodou, např. UV-VIS, IR, MS, Chromatografické metody se dělí podle typu stacionární a mobilní fáze.

33 Princip chromatografie

34 Typy chromatografických metod Tenkovrstvá chromatografie (TLC) stacionární fází je sorbent nanesený na desce, mobilní fázi je organické rozpouštědlo. o Rozpuštěný vzorek je unášen vzlínajícím rozpouštědlem po desce. o Využití pro orientační stanovení bílkovin, cukrů, vosků, barviv, pryskyřic. Kapalinová chromatografie (LC, HPLC) Sorbent který je naplněný v koloně je stac. fází, mob. fází je rozpouštědlo. o Vzorek je unášen skrz kolonu rozpouštědlem. o Využití pro analýzu olejů a pryskyřic, barevné směsi.

35 Typy chromatografických metod Plynová chromatografie (GC) mobilní fází je plyn (inertní aby nereagoval se vzorkem), stacionární fází je sorbentem naplněná kolona. o Vzorek je unášen plynem skrz kolonu. o Využití pro analýzu těkavých látek.

36 TLC

37 Použitá literatura KOPECKÁ, Ivana. Průzkum historických materiálů : analytické metody pro restaurování a památkovou péči /. Praha : Grada Publishing, s. ISBN (brož.). NOVOTNÁ, Miroslava. Metody instrumentální analýzy při průzkumu památek /. Praha : STOP, s. ISBN (brož.). KLOUDA, Pavel. Moderní analytické metody/.ostrava: Pavel Klouda, s. ISBN (brož.).