5. UV-Vis-IR spektroskopické metody Analýza pevných látek. L5-spektroskopie.doc Pro měření spektrálních vlastností pevných látek je hlavním limitem problém, že pevný vzorek se skládá z konečně velkých krystalů. Absorpční a rozptylové koeficienty (včetně např. barevnosti, tj. odstínu a kryvosti) jsou ovlivněny velikostí a tvarem částic a způsobem jejich uspořádání ve vzorku. V ideálním případě bychom měli vždy porovnávat spektra vzorků a referenčních látek při stejné velikosti a uspořádání částic. Základní experimentální uspořádání Transmisní uspořádání - používá se jen v IR spektroskopii při metodě s KBr tabletami a při analýze velmi tenkých vzorků, např. mikrotomových řezů nebo rozplácnutých polotuhých vzorků. Fyzikálním limitem je tloušťka vzorku ve srovnání s optickou hustotou a citlivostí detektoru (v IR mikroskopii cca mikrometry) a velikost částic (vzorku nebo KBr) ve srovnání s λ. Korektní reflexní uspořádání je dobrý cíl. Většinou ale při měření docílíme nějaké kombinace spekulární (zrcadlové) reflexe a difúzní reflexe (DRS, nesměrový odraz, rozptyl), do nichž je namíchaný jistý podíl absorpce. Fyzikálními limity jsou nekonečně tlustý vzorek (mm až cm při UV-Vis spektroskopii) a dostatečně malé krystaly. Spekulárně odráží jen krystaly s velikostí krystalových ploch větší než λ nebo dokonale urovnané krystaly. Difúzní odraznost prudce klesá s rostoucí λ (IR se rozptyluje špatně).
Přibližné reflexní uspořádání - Velmi perspektivní verzí neinvazivní reflexní spektrální analýzy je použití optických vláken. Měří se svazkem vláken s primárním paprskem a sběrnými vlákny. Limitem bývá optická propustnost vláken. Je třeba kontrolovat vzdálenost a sklon sondy vzhledem ke vzorku. Jinou metodou je měření přenosnými detektory nebo snímání kamerami (vzorek, např. terén, profil, atd. je osvětlen bílým světlem) nebo použití skeneru. Spektra mají horší rozlišení nebo jsou redukována na barevné souřadnice. Důležité veličiny a definice Reflektance R - zlomek odraženého světla (často se udává v %) Absorbance A - log(1/r), používá se v IR, je to analogie vztahu pro roztoky Absorbance podle Schustera-Kubelky-Munka - KM=(1-R ) 2 /(2R), platí cca pro KM < 3.5 Rozptylový a absorpční koeficient, S a K, KM=ΣK i /ΣS i, kde K i S jsou funkce λ ale i velikosti částic (extrémní příklad: sklo kusové je průhledné a sklo práškové je vysoce odrazivé bílé). Lambert-Beerův zákon pro směsi pevných látek neplatí Rayleighův rozptyl (všesměrový rozptyl) nastává na částicích menších než λ. Elektronová spektroskopie čili (UV-)Vis(-nr IR) spektroskopie UV ~250 až 400 nm (40 000 až 25000 cm -1 ), Vis 400 až ~700 nm (25000 až ~14000 cm -1 ), některé přechody zasahují cca do ~1400 nm (7000 cm -1 ), tj. do části nr IR. Absorpce nastává v atomových nebo molekulových orbitalech, a to nejčastěji v konjugovaných dvojných vazbách organických sloučenin, takže spektra se týkají molekulových struktur v d a f orbitalech kovů, tj. v krystalovém nebo ligandovém poli, takže spektra mohou odrážet minerální složení, koordinaci kovových iontů, jejich mocenství. Přechody jsou zakázané, takže jejich intenzita není příliš vysoká (mez detekce ~1%) a je často velmi citlivou funkcí struktury, např. v případě EPT v oktaedrálně koordinovaných oxidů (mez detekce ~0.1%) při přenosu náboje mezi dvěma atomy, např. mezi dvěma kovovými ionty při párové změně valence (IVCT) + Fe 2+ Fe 2+ + nebo mezi kovem a ligandem (LMCT) např. v MnO - 4 (Vis), CrO 2-4 (Vis), Fe-O (UV), Ti-O (UV) Přechody jsou povolené a tedy velmi intenzivní (mez detekce ~0.01%), ale jsou většinou v oblasti UV kde absorbuje mnoho dalších látek, takže jejich specificita je malá.
15 nontronit NAu-1 (Fe-bohatý smektit) CT Fe-O absorbance / KM 10 5 okta IVCT Fe 2+ - okta, EPT oxidů Fe3+ tetra 0 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 vlnočet / cm -1 Požadavky na vzorek - korektní měření DRS vyžaduje jemný prášek cca 0.5 až 2 cm 3, vzorek se nespotřebuje. V současnosti se zvolna rozšiřují přístroje s vláknovou optikou pro měření vzorků o rozměru cca 1 cm. Použití - DRS je použitelná k analýze všech barevných látek. Měření s bílou integrační koulí nebo sférickým zrcadlem je celkem korektní, při použití KM je spektra možné okamžitě dále zpracovávat. Ve Vis je barva často docela specifická pro iont nebo strukturu. V nejjednodušším případě (směs pigmentu a bílé složky) lze provádět kvantitativní analýzu metodou kalibrační křivky. V žádném případě nelze očekávat lineární kalibrační křivky, takže pokud se to stane, je to fakt jen náhoda. V případě směsí lze odhadnout poměry složek srovnáváním relativních hodnot absorpcí při vybraných vlnových délkách. Velmi dobře se osvědčuje ke speciaci iontů/sloučenin/minerálů přechodných kovů (Cr, Fe, Co, Ni). Analytické využití elektronové absorbce Metoda prvních principů je založena na přesném popisu spektra vzorku a analýze absorbčních pásů. Typickým rysem spekter jsou široké překrývající se pásy (FWHM~2000-4000 cm -1 ). Většinou je proto třeba začít vyhlazením dat (FFT, polynomiální vyhlazení), prováděním 1. nebo 2. derivace, kalibrací (nutno použít identické složky jako v analyzované směsi a taky se stejnými velikostmi částic a jejich uspořádáním), případně dekonvolucí spekter do složek (např. Gaussiány ve spektrech absorpce v KM vs. vlnočet v cm -1 ). Redukce spektra a barevné souřadnice. Vis spektra se někdy redukují do indexů barevnosti, příbuzným koloristickým parametrům a určování polohy v barevném prostoru (Munsellova stupnice barevnosti). Tato metoda se používá např. při hodnocení kvality pigmentů a barev nebo při hodnocení barvy půd a sedimentů a jejich interpretaci vzhledem k obsahu oxidů Fe a bílých složek. Imaging a terénní měření. Digitální fotografie a spektrální interpretace může poskytovat např. mapy koncentrace minerálů nebo složení sedimentů. Tohoto přístupu lze například použít na zpracování digitálních snímků výchozů, profilů nebo vrtů. Dnes se například při paleoklimatických studiích často využívají scannery k analýze celkové odraznosti nebo barevnosti vrtných jader z měkkých sedimentů přímo na lodi, kde se provedl odběr, a to bez potřeby vzorkování a laboratorních analýz.
Rotačně vibrační neboli molekulová neboli IR spektroskopie Absorpce nastává změnou geometrie kovalentních vazeb v molekulách i krystalových strukturách (jsou-li v nich alespoň částečně kovalentně vázané fragmenty). Molekulové vibrace lze v principu měřit v pevném stavu, v roztoku nebo kapalném stavu, ačkoli stav ovlivňuje vazebné poměry. Pevné látky ale často mají vibrace specifické pro tuhou fázi, např. intenzita mřížkových vibrací závisí na krystalové symetrii, pravidelnosti uspořádání sousedních iontů v nestechiometrických minerálech. 0.8 guaifenesin kofein paracetamol ataralgin absorbance / log(1/r) 0.6 0.4 0.2 500 600 700 800 900 vlnočet / cm -1 Problémy Měření IR spekter pevných látek není tak triviální záležitostí jako v elektronové spektroskopii. Spektra vzorku získaná různými metodami (transmise např. v KBr; DRIFTS; transmise tenkého vzorku) se liší tvarem. Řešení: analyzovaný vzorek a kalibrační vzorky se měří ve zcela stejném režimu. Spektra jsou často deformovaná (restrahlen, Christiansenovy jevy, inverzní pásy), a to při měření velkých hladkých povrchů, krystalů s velikostí ~λ, látek s velmi intenzivními absorpčními pásy. Řešení: Někdy lze spektrální deformace odstranit Kramers-Kronigovou transformací. Inverzní pásy se ale takto korigovat nedají a prostě je třeba je brát jako inverzní pásy. Každá látka poskytuje velké množství nezávislých poměrně ostrých pásů (FWHM~10 0 až 10 2 cm -1 ), jejichž poloha ale kolísá podle aktuálního stavu analytu (strukturní odlišnosti, stechiometrie). Spektrum jako fingerprint na pohybující se ruce. Příklad: přírodní látky (např. proteiny, vysýchavé oleje a pryskyřice používané jako materiály uměleckých děl) jsou směsi jednotek až desítek blízkých chemických individuí nebo makromolekul se značnou variabilitou strukturních motivů. Řešení: Je třeba zvážit, zda stačí být opatrný v interpretaci (a říct protein místo klih ) nebo se pustit do exaktní analytiky, separace, MS a dalších dobrodružství. Metoda search/match je proto v IR spektroskopii nesrovnatelně méně robustní než u XRD, či spíše je nemožná. Databáze IR spekter jsou podstatně menší než PDF. Obzvlášť komplikovaná je analýza směsí. Kvantitativní analýza má velmi omezené možnosti, v článcích v odborných časopisech se lze setkat i s velmi neseriózními postupy.
Požadavky na vzorek - ~1 mg prášku (KBr tableta), cca 0.1 cm 3 prášku (DRIFTS), alespoň ~0.1 mm velký vzorek (mikroskopie), nebo alespoň 1 cm velký vzorek (vláknová optika). Použití Jde o nejlepší existující nedestruktivní a často neinvazivní analýzu pevných organických látek. Nejlepších výsledků se dosahuje při transmisním měření tenké vrstvy nebo vzorku dispergovaného v KBr (NaCl...) tabletě. IR mikroskopie má prostorové rozlišení srovnatelné s vlnovou délkou záření (reálně od ~10 1 μm), takže je možné provádět analýzu mikrostruktur a stratigrafie. Kvalita spekter je poměrně špatná, šum vysoký. V současnosti se používá například k identifikaci lokálních poškození materiálů a výrobků, heterogenit, defektů v plastech. Spektroskopie v blízké IR oblasti (prostor mezi IR a Vis, 4000 až ~10000 cm -1 tj. 1000 nm, tj. v oblasti vyšších harmonických některých nejintenzivnějších IR pásů) je použitelná k imagingu a terénním měřením, protože v této oblasti je poměrně volno. V posledních letech se začíná používat při analýze léčiv (je uvedena i v posledním Českém lékopise).