METODY BEZ VÝMĚNY ENERGIE MEZI ZÁŘENÍM A VZORKEM REFRAKTOMETRIE POLARIMETRIE SPEKTROMETRIE VYUŽÍVAJÍCÍ ROZPTYL MĚŘENÍ VELIKOSTI ČÁSTIC
(c) David MILDE, 2006-2012
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. n
v2 v1
n
sin sin
n závisí na a teplotě (nutnost temperace). Měření n je založeno na určování mezního úhlu m = úhel lomu při úhlu dopadu = 90°, do prostoru za m se paprsky už nedostanou černé prostředí (rozhraní světla a stínu). sin m
n1 n2
David MILDE, 2006
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.
David MILDE, 2006
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 David MILDE, 2006
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 l c 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 Mr:
M t
M r t
100
David MILDE, 2006
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
David MILDE, 2006
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.
David MILDE, 2012
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 cirkulární dichroismus).
David MILDE, 2012
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. David MILDE, 2012
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
David MILDE, 2006
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 (IT) nebo rozptýleného (IS) 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): log T kbc kde T
IT (I0 int enzita při průchodu blanku) I0
ANALYTICKÉ APLIKACE: stanovení tuhých částic v plynech či kapalinách (zákal vody); farmakologické laboratoře – velikost a tvar suspendovaných částic. David MILDE, 2006
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) David MILDE, 2012
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
David MILDE, 2012
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 něm způsobuje 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 David MILDE, 2012
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 100 nm do 5 μm. Měří se změna 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. David MILDE, 2012
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.
David MILDE, 2012
8
