METODY BEZ VÝMĚNY ENERGIE MEZI ZÁŘENÍM A VZORKEM REFRAKTOMETRIE POLARIMETRIE SPEKTROMETRIE VYUŽÍVAJÍCÍ ROZPTYL MĚŘENÍ VELIKOSTI ČÁSTIC (c) -2012 REFRAKTOMETRIE Metoda založená na měření indexu lomu látek (n). Prochází-li paprsek monochromatického záření rozhraním 2 transparentních prostředí, mění se jeho rychlost (v) a směr, paprsek se láme. v n v 1 n 2 sin sin n závisí na ateplotě (nutnost temperace). Měření n je založeno na určování mezního úhlu m = úhel lomu při úhlu dopadu =90,doprostoruza m se paprsky už nedostanou černé prostředí (rozhraní světla a stínu). sin n m n 1 2 1
REFRAKTOMETRIE Refraktometr (Abbeův): vzorek se kápne mezi 2 hranoly, zdroj záření: Na výbojka. Analytické aplikace: ověřování čistoty chemikálií v kapalné a pevné fázi (obsah vody v mléce; naftový průmysl, gumárenství (stanovení síry), detektory v HPLC. POLARIMETRIE Využívá se schopnosti opticky aktivních látek stáčet rovinu procházejícího polarizovaného světla doprava (pravotočivé +) nebo doleva (levotočivé -). Nejčastější příčinou je přítomnost asymetrického uhlíku v organických sloučeninách. Lineárně polarizované světlo (= elektrický vektor záření leží v jedné rovině) vzniká z nepolarizovaného záření v polarizátoru: polarizace odrazem, dvojlomem, speciálním filtrem polaroidem. Elektrický vektor elmag. z. Nepolarizované záření Rovinně polarizované záření 2
POLARIMETRIE Jestliže rychlost šíření pravotočivé a levotočivé složky v látce je různá, dojde k otáčení roviny polarizovaného záření. K tomu dochází u opticky aktivních látek. Úhel otočení roviny polarizovaného světla: t t lc kde...měrná otáčivost [] t závisí na vlnové délce a teplotě: t 20 ) k( t 20 Molární otáčivost slouží ke srovnání optické otáčivosti látek s různou M r : M t t Mr 100 POLARIMETRIE INSTRUMENTACE: zdroj obvykle Na výbojka nebo žárovka s interferenčním filtrem; polarizátor a analyzátor bývá hranol z dvojlomného islandského vápence (nikol); vystupující záření se pozoruje dalekohledem. V přítomnosti opticky aktivní látky dojde k pootočení roviny polarizovaného záření a poklesu intenzity. Analytické aplikace: stanovení obsahu cukru (sacharimetry) stanovení bílkovin v moči 3
OPTICKÁ ROTAČNÍ DISPERZE Velikost optické aktivity (otáčivosti) závisí na jev se nazývá optická rotační disperze (ORD): opticky aktivní látka neabsorbuje monotónní křivky, opticky aktivní látka absorbuje křivky mají max., min. a inflexní bod (odpovídá nulové otáčivosti). Používá se ke kvantifikaci chirálních látek, dnes obvykle jako zdroj Na výbojka (589 nm). Fresnel: paprsek lineárně polarizovaného světla lze vyjádřit jako 2 lineárně polarizované paprsky (pravo a levotočivý). Chirálním prostředím prostupují různou rychlostí kvůli odlišným indexům lomu. Po průchodu se skládají v různých fázích a vystupující paprsek má odlišnou orientaci od vstupujícího. CIRKULÁRNÍ DICHROISMUS Je-li absorpce pravotočivé a levotočivé kruhově polarizované složky záření látkou různá = cirkulární dichroismus (CD). Elektrický vektor elektromagnetického záření má stejnou velikost, ale obíhá kruh. Principiálně lze CD měřit v jakékoliv spektrální oblasti. Standardně se využívá UV/Vis pro elektronické přechody a IR pro vibrační přechody (VCD vibrační cirkulárnídichroismus). 4
Dichograf/spektropolarimetr Vznik kruhově polarizovaného záření Obvykle jednopaprskové přístroje L výkonná Xe výbojka F fotonásobič C umožňuje modulaci signálu Použití ORD a CD křivek: studium struktury chirálních sloučenin. Metody studia optické aktivity (ORD a CD) se označují jako chirooptické metody a: jsou schopné přímo rozlišovat enantiomery, poskytují vodítko pro stanovení absolutní konfigurace, jsou velmi citlivé na změny prostorového uspořádání molekul, umožňují stanovit optickou otáčivost chirooptický údaj, Umožňují studovat makromolekuly změny v konformaci. TURBIDIMETRIE a NEFELOMETRIE Obě analytické techniky jsou založeny na sledování rozptylu záření částicemi suspendovanými v kapalině (sraženinami či koloidními částicemi). Rozdíl je ve způsobu měření: Turbidimetrie: měří se intenzita záření prošlého vzorkem (nerozptýlené záření). A Nefelometrie: měří se intenzita záření rozptýleného částicemi, detekujeme kolmo od zdroje. B 5
Turbidimetrie vs. Nefelometrie Slouží k určování koncentrace suspendované látky. Ke stanovení se soužívá metoda kalibrační křivky. Volbu mezi metodami ovlivňují 2 faktory: Intenzita prošlého (I T ) nebo rozptýleného (I S )záření ve vztahu k záření zdroje. Nefelometrie je vhodnější pro vzorky s malou c rozptylujících částic, a naopak turbidimetrie je vhodná pro vzorky s jejich vysokou c. Velikost částic má malý vliv pro turbidimetrii. Pro nefelometrii se zdrojem záření v UV/Vis by velikost měla být 0,1-1 µm. Určení c u turbidimetrie (obdoba Lambert-Beerova zákona): I T log T kbc kde T (I0 int enzita připrůchodu blanku) I0 ANALYTICKÉ APLIKACE: stanovení tuhých částic v plynech či kapalinách (zákal vody); farmakologické laboratoře velikost a tvar suspendovaných částic. MĚŘENÍ VELIKOSTI ČÁSTIC Velikost částic a jejich distribuce = důležitý parametr v celé řadě aplikací: částice inkoustů do tiskáren, uhelný prach, růst krystalů, kapky paliva vstřikované do motorů, částice do kosmetiky, barviv, velikost katalyzátorů, farmacie: velikost částic léčiv, radioaktivních tracerů, Problém určení velikosti: sférické častice snadné, ostatní obtížné (který parametr ve 3D použijeme). Velké množství metod: molekulární síta, elektrická vodivost, mikroskopie, SPEKTRÁLNÍ METODY: Laserová difrakce (low-angle laser light scattering) Dynamický rozptyl světla (dynamic light scattering DLS) 6
Laserová difrakce Jednoduchá instrumentace, komplikované teoretické modely popisující rozptyl záření, široký rozsah velikostí 0,1-2000 μm. Instrumentace: Laser obvykle He-Ne Detektorové pole hodnotící zatemnění v určitých místech Vzorkovací techniky: aerosol, suspenze, suchý prášek Laserová difrakce teoretické modely Fraunhoferova difrakční teorie: předpokládá, že častice je sférická, transparentní a větší než λ z laseru. Částice se pak chová jako kruhový otvor a rozptyl na němzpůsobuje difrakční vzor. Teorie Mieho rozptylu: poskytuje řešení rozptylu světla na kouli včetně vlivu prošlého a absorbovaného záření. Částice různých velikostí ohýbají záření pod různými úhly: Rayleighův rozptyl d < 0,05 λ Debeyův rozptyl 0,05 λ <d<λ Mieho rozptyl d > λ 7
Dynamický rozptyl světla DLS někdy označován jako foton korelační spektrometrie, protože se velikost částic vyhodnocuje na základě korelační analýzy počtu fotonů dopadajících na detektor. Rychlá metoda pro částice od 10 0 nm do 5 μm. Měří sezměna šířky čáry Rayleighova rozptýleného záření v důsledku Brownova tepelného pohybu částic. Vzorek musí být dokonale rozptýlený v médiu a je umístěn do kyvety o konstantní teplotě. Dynamický rozptyl světla Instrumentace: Laser: He-Ne (632,8 nm) nebo Ar + (488, 0 nm) Termostatovaná kyveta, studované částice bývají suspendované v kapalině. Rozptýlené záření měřeno pod úhlem 90 Detektor: fotonásobič pracující v modu čítače fotonů. Používají se i fotodiody. 8