Elektronová mikroskopie
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 1 000 000x.
Srovnání velikosti objektů pozorovatelných světelným a elektronovým mikroskopem
Vznik různých signálů při dopadu elektronů na vzorek
SEM – scanning electron microscope • Řádkovací elektronový mikroskop, rastrovací elektronový mikroskop. • Byl zkonstruován V.K. Zworykinem a kol. v roce 1942. • 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).
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 (10-500 nm) aby jím prošel svazek elektronů. • Využití při pozorování a analýze vnitřní struktury vzorku, poruch krystalové struktury a pro zobrazení jednotlivých atomů.
Srovnání pozorování optický mikroskop
skenovací elektronový mikroskop
Klíčící spory hub zvětšeny pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM)
Rentgenová analýza
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).
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.
Nálezový stav předmětu
RTG snímek předmětu
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 – 55Fe, 57Co. • 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.
Rentgenfluorescenční analýza - rozdíl ve složení bronzu a koroze Koroze
90
Zastoupení prvku [%]
80
Bronz - kov
Koroze
70 60 50 40 30 20 10
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
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.
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 (PbSb2O6 a Pb2(O)SO4), odhalující technologii přípravy pigmentu žíháním oxidů Pb a Sn se sulfidem antimonu. (http://www.techartis.cz/TA_2006/5_Grygar/5_Grygar.htm)
Atomová spektrometrie
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.
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.
Molekulová spektrometrie
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.
Oblasti elektromagnetického spektra
Ultrafialová a viditelná spektrometrie • Jde o metodu, která se zabývá specifickou absorpcí v oblasti UV (10-380nm - bezbarvé) a viditelného (380700nm - 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).
Infračervená spektrometrie (IČ, IR) • Studuje interakci záření z IR oblasti spektra (800nm1000μm) 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.
Identifikace železité žluti a kaolinitu v temperou pojené barevné vrstvě IČ spektroskopií konvenční kvality (oranžová čára) a IČ mikroskopem (modrá a zelená čára).
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.
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.
Pozorování artefaktu v různém záření v normálním světle
IČ reflektografií
rentgenografií
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.
Rozdělovací analytické metody Chromatografie
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.
Princip chromatografie
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.
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.
TLC
Použitá literatura • KOPECKÁ, Ivana. Průzkum historických materiálů : analytické metody pro restaurování a památkovou péči /. Praha : Grada Publishing, 2005. 101 s. ISBN 80-247-1060-9 (brož.). • NOVOTNÁ, Miroslava. Metody instrumentální analýzy při průzkumu památek /. Praha : STOP, 2001. 107 s. ISBN 80-902668-7-8 (brož.). • KLOUDA, Pavel. Moderní analytické metody/.Ostrava: Pavel Klouda, 2003. 132s. ISBN 80-86369-07-2(brož.).
