ÚVOD... 5 MIKROSKOPICKÉ METODY ANALÝZY MATERIÁLŮ A NANOMATERIÁLŮ PRAKTICKÁ ČÁST. Úvod... 46

Obsah ÚVOD ........................................................................................................................................ 5 MIKROSKOPICKÉ METODY ANALÝZY MATERIÁLŮ A NANOMATERIÁLŮ – PRAKTICKÁ ČÁST Úvod ........................................................................................................................................... 6 1. Charakterizace materiálů pomocí optické mikroskopie ...................................................... 7 1.1. 3D optická mikroskopie ................................................................................................ 10 2. Skenovací elektronová mikroskopie .................................................................................. 11 2.1. Doplňující aplikace skenovací elektronové mikroskopie .............................................. 14 3. Závěr .................................................................................................................................. 16 KRYSTALOVÁ STRUKTURA A RENTGENOVÁ DIFRAKCE - PRAKTICKÁ ČÁST Úvod ......................................................................................................................................... 17 1. Instrumentace ..................................................................................................................... 18 1.1. Softwarové vybavení počítače ...................................................................................... 19 1.2. Požadavky na vzorek pro práškovou rentgenovou difrakční analýzu ........................... 22 2. Experimentální část ........................................................................................................... 23 2.1. Mince ............................................................................................................................. 23 2.2. Knoflík a fragment ........................................................................................................ 25 3. Závěr .................................................................................................................................. 27 RENTGENOVÁ FLUORESCENČNÍ SPEKTROMETRIE - PRAKTICKÁ ČÁST Úvod ......................................................................................................................................... 28 1. Instrumentace ..................................................................................................................... 29 1.1. Buzení............................................................................................................................ 30 1.2. Detektor ......................................................................................................................... 30 1.3. Software ........................................................................................................................ 31 2. Vzorky ............................................................................................................................... 32 3. Experimentální část ........................................................................................................... 32 3.1. Olověná kulka velké ráže .............................................................................................. 33 3.2. Mince ............................................................................................................................. 34 3.3. Zlomek .......................................................................................................................... 37 3.4. Knoflík .......................................................................................................................... 38 4. Závěr .................................................................................................................................. 39 ANALÝZA VZORKŮ PŮDY NALEZENÉ NA PŘEDMĚTECH Z POZDNÍ DOBY BRONZOVÉ METODOU INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE Úvod ......................................................................................................................................... 40 1. Experimentální část ........................................................................................................... 41 1.1. Studované vzorky .......................................................................................................... 41 1.2. Použitá metoda – infračervená spektroskopie ............................................................... 41 1.3. Úpravy naměřených spekter .......................................................................................... 41 2. Výsledky a diskuze ............................................................................................................ 42 3. Závěr .................................................................................................................................. 45 VYUŽITÍ NMR PRO ANALÝZU MATERIÁLŮ ORGANICKÉ POVAHY

VYBRANÝCH

ARCHEOLOGICKÝCH

Úvod ......................................................................................................................................... 46 1. Základní princip NMR techniky ........................................................................................ 47 3

2. Analýza archeologických materiálů organické povahy pomocí NMR .............................. 49 2.1. Rostlinné výpotky ......................................................................................................... 49 2.1.1. Latexy ................................................................................................................ 49 2.1.2. Laky ................................................................................................................... 51 2.1.3. Jantar .................................................................................................................. 51 2.2. Tuky, oleje a vosky ....................................................................................................... 52 2.3. Kosti .............................................................................................................................. 53 2.4. Dřevo a papír ................................................................................................................. 54 2.5. Textil ............................................................................................................................. 55 3. Závěr .................................................................................................................................. 56 CHROMATOGRAFICKÉ METODY PRO CHARAKTERIZACI HISTORICKÝCH A JINÝCH MATERIÁLŮ Úvod ......................................................................................................................................... 57 1. Aplikace chromatografických metod v analýze historických předmětů............................ 60 2. Screeningová analýza kontaminace vnitřního prostředí .................................................... 62 3. Další aplikace se zaměřením na derivatizace vzorku ........................................................ 63 3.1. Derivatizace a analýza aminokyselin metodou GC/MS ................................................ 63 3.2. Analýza estrogenních látek a amidu kyseliny lysergové (LSD) ................................... 64 3.3. Analýza léčiv metodou GC, GC/MS ............................................................................. 65 3.4. Nesteroidní protizánětlivá léčiva ................................................................................... 66 3.5. Využití derivatizace v analýzách historických, uměleckých a archeologických předmětů ....................................................................................................................... 66 4. Závěr .................................................................................................................................. 66 VYUŽITÍ STRUKTURNÍCH ANALYTICKÝCH MODELOVÁNÍ NANOMATERIÁLŮ

DAT

PRO

MOLEKULÁRNÍ

Úvod a historie ......................................................................................................................... 68 1. Základní data pro modely materiálů a nanomateriálů ....................................................... 70 1.1. Rentgenová difrakční analýza a data rentgenové difrakční analýzy ............................. 70 1.2. Spektroskopické strukturní metody ............................................................................... 73 2. Molekulární modelování nanomateriálů ............................................................................ 76 2.1. Základy molekulárního modelování.............................................................................. 76 2.1.1. Teoretické základy molekulárního modelování................................................. 76 LITERATURA ....................................................................................................................... 83

4

ÚVOD Záměrem předložené monografie, která plynule navazuje na již dříve vydanou publikaci „Vybrané instrumentální metody analýzy materiálů a nanomateriálů“, je představit praktické příklady využití těchto metod při charakterizaci materiálů a nanomateriálů. Oproti původní publikaci jsou zde uvedeny další dvě analytické metody, rentgenová fluorescenční spektroskopie a plynová chromatografie, které doplňují elementární charakteristiku analýzy materiálů a nanomateriálů. Publikace byla zpracována s cílem poskytnout co nejširší veřejnosti primární přehled o přípravě a následných pracovních postupech k získání požadovaných experimentálních dat charakterizovaných materiálů a nanomateriálů. Současně jsou zde uvedeny základní principy vyhodnocování získaných výsledků. Jednotlivé kapitoly monografie jsou psány jako samostatné celky, charakterizující širokou škálu materiálů a nanomateriálů tvořených vzorky jak anorganické tak i organické povahy, jež byly získány převážně z historických artefaktů.

Tato publikace vznikla v rámci realizace projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0273 „Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů“. Tento projekt je podporován Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost, financovaného ze strukturálních fondů EU a státního rozpočtu ČR.

5

MIKROSKOPICKÉ METODY ANALÝZY MATERIÁLŮ A NANOMATERIÁLŮ – PRAKTICKÁ ČÁST Ing. Karla Čech Barabaszová, Ph.D.

Úvod Předkládaný studijní materiál poskytuje základní ukázky využití mikroskopických metod (optické a skenovací elektronové mikroskopii) pro strukturní a morfologickou charakterizaci materiálů. V obecné míře poukazuje na rozdíly v jednotlivých mikroskopických metodách založených mj. na rozdílné rozlišovací schopnosti přístrojů. Detailněji se věnuje skenovací elektronové mikroskopii jako metodě, která je v posledních letech nejčastěji využívána pro snadnou a rychlou charakterizaci materiálů různých typů/druhů, od práškových (resp. částicových systémů) po velkoobjemové materiály. V předkládané práci jsou využity příklady materiálů, které autorka připravuje a charakterizuje v rámci své experimentální činnosti. Současně jsou zde uvedeny ukázky charakterizace předmětů, které byly popisovány v rámci realizace dvou diplomových prací. Tyto práce čerpaly předměty z depotu Slezského zemského muzea v Opavě a depozitáře konzervátorského centra Ústavu historických věd, Filosoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě. Historické předměty z majoritní části pochází z období 19. a 20. století. Studijní materiály byl zpracován jako navazující praktická část k teoretickému učebnímu textu „Mikroskopické metody analýzy materiálů a nanomateriálů“, který byl vypracován v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0273 „Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů“.

6

1. Charakterizace materiálů pomocí optické mikroskopie K prvním postupům při charakterizaci velkoobjemových materiálů patří vizuální posouzení jejich současného stavu, tzn. optická charakterizace jejich poškození, degradace či korozního poškození povrchu. Toto posouzení je realizováno pomocí běžné fotodokumentační techniky, digitálním fotoaparátem (v tomto případě NIKON 2002). Na Obr. 1a) je uveden makrosnímek historického předmětu mosazné „lampy na věčné světlo“, jehož výška je přibližně 30 cm. Nevýhodou této metody charakterizace je nepřesnost při charakterizaci skutečné velikosti sledovaného objektu, ale rovněž nutnost vložení alespoň orientačního měřítka, např. ve formě pravítka [1]. Tuto skutečnost dokládá velikost stolního dřevěného krucifixu, jehož výška dosahuje 56 cm (Obr.1b) [2].

a) b) Obr. 1: Fotodokumentační snímek:a) lampy na věčné světlo, b) stolního dřevěného krucifixu [1,2]. Pro detailní studium povrchu předmětů/materiálů jsou pořizovány makrosnímky pomocí stereomikroskopu, nejčastěji s připojeným digitálním fotoaparátem. V následujícím případě stereomikroskopu OLYMPUS SZX7 s fotoaparátem NIKON D 90. Na Obr. 2a) je uveden makrosnímek části dřevěného „krucifixu“, který byl v historii povrchově upraven pomocí povrchového plátkového zlacení. Zde je patrné degradační poškození ve formě chybějících fragmentů/částí, popraskání plátkového kovu/zlaté vrstvy a povrchového korozního poškození způsobeného výkyvy relativní vlhkosti v místě jeho uložení. Tuto skutečnost je možné potvrdit rovněž z detailu (Obr. 2b), kde je mimo přítomnosti korozního povrchu/povlaku (korozní produkty způsobily ztmavnutí povrchu vlivem tvorby oxidických korozních produktů), patrná rovněž přítomnost jiných vrstev materiálů/plátkových kovů, vláken a prachových depozitů. Pouze na základě historické znalosti ošetření tohoto předmětu 7

je známo, že povrch je pokryt vrstvou šelaku (přírodní živice, získávaná z výměšků červce lakového). Jedná se o lak, který se používá jako konzervační prostředek dřeva.

a) b) Obr. 2: Makrosnímek dřevěného krucifixu a) a jeho odebrané části, detail b) [2]. Významným krokem pro charakterizaci povrchů materiálů je správné odebrání sledované reprezentativní vrstvy, které se nejčastěji provádí příčnými řezy pomocí železného skalpelu. Tento vzorek je následně zalit do forem s epoxidovou pryskyřicí (v tomto případě firmy KITTFORT, EPOXY1200) za studena. Po vytvrdnutí pryskyřice jsou vzorky broušeny (na brusných papírech od hrubosti 400 až k leštícím smirkovým papírům s označením jemnosti 2000) a leštěny na rotačních přístrojích (leštičkách) na kulečníkovém plátně. K dosažení vysokého jasu je v průběhu leštění používán vodný roztok hlinky (Al2O3). Uvedený pracovní postup bývá využíván rovněž pro zpracování kovových materiálů, např. čistých kovů nebo jejich slitin. Na Obr. 3 je uveden optický snímek příčného řezu vrstvy dřevěného „krucifixu“ a jeho vybraný detail (Obr. 3b). Oba snímky, byly pořízeny pomocí optického mikroskopu (OLYMPUS IX70), umožňují identifikaci přítomnosti jednotlivých typů podkladových vrstev, které se používají při technice plátkového zlacení. Z literatury [3-5] je známo, že jako podkladová vrstva bývá použita směs křídy a klihu, tzv. klihokřídová vrstva, která se nanáší přímo na podkladový materiál, v tomto případě na dřevo krucifixu. Tento typ podkladu se provádí u techniky zlacení na poliment – na lesk. Pod samotným plátkovým kovem je patrná odlišná jemnější struktura polimentového podkladu (Obr. 3b). Ta vznikla pravděpodobně vlivem působení adhesivního činidla při vytvrzování a vsakování do podkladu.

8

a) b) Obr. 3: Optický snímek příčného řezu vrstvy dřevěného krucifixu a), detail b) [2]. V případě kovových materiálů je do metalografického procesu broušení a leštění zakomponován rovněž proces leptání, který umožňuje detailněji charakterizovat mikrostrukturu studovaných materiálů. Dovoluje zvýraznění hranic zrn jednotlivých materiálů (jejich zrn či fází) a to díky přítomnosti specifických leptacích činidel. Pro účely charakterizace vnitřní struktury mosazné „lampy na věčné světlo“ bylo využito leptací činidlo složené z roztoku dichromanu draselného (K2Cr2O7), kyseliny sírové (H2SO4), chloridu sodného (NaCl) a vody (H2O) v poměru 1:1:2:2.

Obr. 4: Optický snímek neleptaného povrchu mosazné lampy na věčné světlo[1]. Na Obr. 4 je možné sledovat neleptaný povrch kovového materiálu (mosazné lampy na věčné světlo), který byl pořízen pomocí optického světelného mikroskopu OLYMPUS IX 70. Na snímku lze pozorovat základní materiál a nesouvislou pravděpodobně korozní povrchovou. Je patrný lesklý povrch tohoto materiálů s náznaky nejasně ohraničených zrn. Naleptáním (Obr. 5a) došlo ke zvýraznění mikrostruktury sledovaného materiálu, který je tvořen jasně ohraničenými zrny různé velikosti a tvaru. Na hranicích zrn jsou patrné stopy koroze (Obr. 5b). Hrubozrnná struktura, popř. přítomnost mechanických dvojčat anebo různorodá barevná škála zrn, může predikovat historii tepelného zpracování materiálu.

9

a) b) Obr. 5: Optický snímek leptaného povrchu mosazné lampy na věčné světlo a), detail vybrané oblasti b) [1]. 1.1. 3D optická mikroskopie Je nutné zdůraznit, že rozvoj světelné/optické mikroskopie se i nadále rozvíjí. Na tuzemský trh jsou distribuovány nové moderní optické mikroskopy. Jejich rozvoj je mj. podporován zvyšováním nároků spojených s digitálními technologiemi a tudíž neustálým rozvojem např. CCD digitálních kamer. Takové mikroskopy jsou označovány, jako digitální mikroskopy. Jedním z takových mikroskopů je digitální mikroskop VHX-600 (fa KEYENCE). Pomocí nějž byly pořízeny snímky uvedené na Obr. 6 a 7. Na obou těchto snímcích jsou patrná trojdimenzionální (3D) povrchová měření. Mj. umožňuje detailní charakterizaci výšky a šířky povrchových reliéfů a to včetně barevného rozlišení výškových rozdílů získaných na základně automatického výpočtu velikostního obrazu a 3D rotačního úhlu. Profilometrie, která je zaznamenána na Obr. 7, bývala doposud realizována pomocí mikroskopie atomárních sil.

Obr. 6: 3D digitální snímek mince.

10

Obr. 7: 3D digitální snímek povrchu solárního článku s vodivou metalizací na jeho přední straně. Profilometrie.

2. Skenovací elektronová mikroskopie Využití skenovací elektronové mikroskopie (Obr. 8a) vyžaduje na rozdíl od mikroskopie optické důkladnější přípravu charakterizovaných materiálů. Z důvodu omezeného prostoru ve vnitřní části mikroskopu - komoře, je nutno z velkoobjemových materiálů připravit reprezentativní vzorek, jehož velikost by neměla přesáhnout 0,5-1 cm. Častěji je však tato technika využívána pro charakterizaci materiálů v jednotkách mikronové velikosti, anebo desítek až stovek nanometrů. Využití skenovacího elektronového mikroskopu je trvale vázáno na jeho rozlišovací schopnost. Charakterizované materiály jsou vždy umístěny na terčík o průměru 1 cm, který je vložen do vnitřní části komory mikroskopu a následně odvakuován. V mikroskopu, který je uveden na Obr. 8a a je umístěn v laboratoři Centra nanotechnologií (VŠB-TU Ostrava) je možno v jednom cyklu odvakuování charakterizovat 7 vzorků.

11

c)

a)

b)

Obr. 8: Skenovací elektronový mikroskop PHILIPS XL SERIES 30 a), detail vnitřní komory b), Naprašovačka Polaron Range SC 7640 c). Podmínkou pro charakterizaci materiálů pomocí skenovací elektronové mikroskopie je jejich vodivý povrch, který je zajišťován dvěma způsoby. Prvním je využití uhlíkové pásky, která bývá nalepena na část povrchu sledovaného velkoobjemového vzorku nebo v případě práškových, resp. částicových materiálů, je charakterizovaný materiál nanesen v požadovaném množství na samotnou uhlíkovou pásku. Druhou možností, která je realizována častěji a v převážné míře u materiálů nekovového charakteru, je naprášení vrstvy slitiny zlata a paladia na jejich povrch. Tento proces je realizován ve speciální vakuové naprašovačce (Obr. 8c). V případě uváděného elektronového mikroskopu jako zdroj elektronů s wolframovým vláknem a Wehneltův nástavec s proměnlivou polohou vlákna zajišťují optimalizaci emisních podmínek v celém rozsahu urychlovacího napětí. Při dopadu elektronového svazku na sledovaný vzorek dochází k průniku elektronů do materiálu a k interakci elektronů s atomy přítomnými v materiálu vzorku. Dochází ke vzniku různých signálů, které všechny mohou být využity k charakterizaci vzorku či ke vzniku obrazu. K vytvoření obrazu využívá mikroskop signál detekovaných sekundárních (SE) nebo zpětně odražených elektronů (BSE). Interakce elektronového svazku se vzorkem je ovlivňována řadou parametrů, mj. energií elektronového svazku, materiálem a povrchovou topografií pozorovaného vzorku.

12

a) b) Obr. 9: SEM snímky: uhlíkatých a) a twaronových vláken b). Relativně nejméně časově náročnými materiály pro charakterizaci struktury/morfologie pomocí skenovací elektronové mikroskopie jsou vzorky kompaktní a neporézní. Jako příklad lze uvést různé typy vláken, mezi významné v současnosti patří vlákna uhlíkatá využívaná jako plniva do polymerních hmot (Obr. 9a) anebo vlákna twaronová aplikovaná (Obr. 9b) např. do bezpečnostních oděvů odolávajících vysokým teplotám. Nezanedbatelné jsou rovněž částicové matriály/systémy, které nalézají uplatnění v různých odvětvích průmyslu od stavebního, chemického, elektrotechnického až po průmysl potravinářský. Na Obr. 10 jsou uvedeny morfologicky rozdílné částice oxidu hlinitého, hořečnatého, měďnatého a nikelnatého. b)

a)

c)

d)

Obr. 10: SEM snímky definovaných částic oxidu hlinitého a) a hořečnatého b). Detailní SEM snímky částic oxidu měďnatého c) a nikelnatého d). V technologické praxi převládají materiály s nehomogenními tvary a strukturami. Jako příklad lze uvést např. porézní cordieritovou keramiku (Obr. 11). Její struktura je tvořena 13

různě orientovanými zrny cordieritové fáze a různě velkými póry, jejichž průměrná velikost se pohybuje od několika málo nanometrů až do jednotek mikrometrů.

a) b) Obr. 11: SEM snímky porézní mikrostruktury cordieritové keramiky: uhlíkatých a) a twaronových vláken b). Obr. 12a zobrazuje částice oxidu zinečnatého, které vytváří stabilní agregáty jeho částic. Na Obr. 12b jsou zobrazeny částice nanokompozitu oxidu zinečnatého vypěstované na vermikulitové matrici. Ze snímku je patrná vermikulitová matrice, na jejímž povrchu jsou „vypěstované“ jemné částice nehomogenního charakteru oxidu zinečnatého.

a) b) Obr. 12: SEM snímek:definovaných částic oxidů zinečnatého a) a částic nanokompozitního materiálu oxidu zinečnatého na vermikulitové matric b). 2.1. Doplňující aplikace skenovací elektronové mikroskopie Manuální obrazová analýza je metoda, při níž se pomocí manuálních softwarových nástrojů analyzují velikostní údaje sledovaných velmi často částicových materiálů. K analýzám lze využít komerční software příslušného elektronového mikroskopu. Program umožňuje manuální navolení dvou přímek, rovnoběžných s osou x a dvou přímek rovnoběžných s osou y (Obr. 13) mezi kterými lze měřit vzdálenost, resp. maximální Feretův průměr (𝑑𝐹,𝑚𝑎𝑥 ) částic. Maximální Feretův průměr lze použít k určení velikosti částice a k němu kolmý Feretův průměr (𝑑𝐹,𝑚𝑎𝑥 90 ) lze využít pro výpočet poměru stran (aspect ratio),

14

který lze využít jako tvarový faktor. Při tomto měření je důležité, aby byl zachován charakter náhodného natočení částic. Časová náročnost manuální obrazové analýzy je velká [6].

Obr. 13: Charakterizace velikosti komerčních částic zinku pomocí obrazové analýzy skenovacího elektronového mikroskopu [6]. V případě, že je skenovací elektronový mikroskop zkombinován s energiovědisperzním mikroanalyzátorem (EDAX), umožňuje lokální analýzu chemického složení materiálů v rozsahu prvků od uhlíku až po uran. Tato analýza je označována jako elektronová mikroanalýza a poskytuje informace jak o kvalitativním, tak o kvantitativním složení vzorku. Na Obr. 14 je uveden výsledek mikroanalýzy vzorku částice nanokompozitu oxidu zinečnatého vypěstovaného na vermikulitové matrici, viz. Obr. 12b. Tato analýza prokázala přítomnost zinku (Zn) a kyslíku (O) reprezentující oxid zinečnatý ve struktuře a současně přítomnost jiných prvky: Si, Al, Fe, Mg, Na a K. Tyto prvky odpovídají prvkovému složení vermikulitové matrice.

at. %

keV

Obr. 14: Prvková mikroanalýza pomocí SEM-EDAX částic nanokompozitního materiálu oxidu zinečnatého na vermikulitové matrici.

15

Přítomnost energiově-disperzního mikroanalyzátoru umožňuje rovněž realizaci liniové a plošné (často označované jako „mapping“) analýzy materiálu. Tyto analýzy jsou však časově náročné a nebývají tolik využívány, jako ty zde uváděné. Přesto mají nezastupitelné místo v oblasti analýzy materiálu.

3. Závěr Využívání optické a skenovací elektronové mikroskopie je v současnosti běžným a nepostradatelným prostředkem k charakterizaci široké škály materiálů. Rozvoj těchto pozorovacích metod jde neustále dopředu, čímž rozšiřuje a přináší nové možnosti využití pro různá technologická odvětví. Předkládaný materiál uvedl základní/primární a nejčastěji využívané postupy a možnosti využití optické, digitální a skenovací elektronové mikroskopie. Je nutné zdůraznit, že jejich pracovní možnosti jsou hlavně dány stářím a tudíž aktuálním optickým či softwarovým vybavením příslušného mikroskopu. Výběr a postupy analýz pomocí uváděných mikroskopických metod jsou voleny vždy v závislosti na typu charakterizovaného materiálu a předpokládaných, resp. očekávaných výsledcích.

Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektům Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0273 a IT4 Innovations Centre of Excellence, reg. č. CZ.1.05/1.1.00/02.0070.

16

KRYSTALOVÁ STRUKTURA A RENTGENOVÁ DIFRAKCE PRAKTICKÁ ČÁST Mgr. Kateřina Mamulová Kutláková, Ph.D.

Úvod Rentgenová difrakční analýza je technologicky vyspělá, nedestruktivní technika pro analýzu široké škály materiálů. Stala se tak napříč průmyslovými a výzkumnými institucemi nepostradatelnou metodou pro výzkum a charakterizaci nejrůznějších materiálů. Difraktometr D8 – Advance firmy Bruker AXS je jedním ze zástupců moderní přístrojové techniky, reprezentující oblast materiálové struktury a krystalového inženýrství. Přístroj je vybaven scintilačním a pozičně citlivým detektorem Vantec. Rentgenová trubice s uzemněnou anodou je napájena rentgenovým generátorem Kristalloflex K780. Zdrojem rentgenového záření je kobaltová lampa. Předložený materiál přinese ukázku využití práškové rentgenové difrakční analýzy v praxi na souboru kovových archeologických artefaktů. Praktická část navazuje na ucelený učební text „Krystalová struktura a rentgenová difrakce“, který byl vytvořen v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0273 „Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů“. Učební text seznamuje čtenáře se základními teoretickými znalostmi z oblasti rentgenové difrakční analýzy.

17

1. Instrumentace Běžný práškový difraktometr obsahuje součásti uvedené na obrázku 1, kde (a) zdroj rentgenového záření, (b) goniometr- mechanismus zajišťující pohyb detektoru, nebo vzorku a detektoru vzhledem k primárnímu svazku a (c) detektor. Při Braggově-Brentanově uspořádání leží zdroj záření, ozářená plocha rovinného vzorku i detektor na téže fokusační kružnici. Svazek RTG-záření emitovaný rentgenovou trubicí je směřován na materiál vzorku a jako difraktovaný je zaznamenán detektorem. Detektor difraktovaného záření se pohybuje podél kružnice dvojnásobnou úhlovou rychlostí než vzorek. Difrakční úhel 2θ proto odpovídá dvojnásobku úhlu dopadu θ. Takto sestavená jednotka je určena jak k horizontálnímu tak vertikálnímu použití a to především díky prstencovému uspořádání ramen přístroje. Kolem 98% energie elektronů se v rentgence mění v teplo, proto musí být zajištěno účinné chlazení (Obr. 2). Systém se dále skládá z počítače pro měření a vyhodnocování dat s databází práškových difrakčních záznamů.

Obr. 1: Funkční uspořádání difraktometr D8 – Advance firmy Bruker AXS.

Obr. 2: Chladící zařízení od firmy ANMAT TRADING spol. s.r.o. 18

1.1. Softwarové vybavení počítače D8tools Diagnose-Software Navazuje komunikaci práškového rentgenového difraktometru s počítačem a následně informuje uživatele o stavu, v jakém se difraktometr nalézá. Když není všechno v pořádku, rozsvítí se červeně alarm. Na obrázku 3 je zobrazeno pracovní okno D8tools DiagnoseSoftware. Program umožňuje například: - inicializaci přístroje, -

informuje, zdali jsou dveře difraktometru uzavřeny,

-

úhlové pozice ramena lampy a detektoru,

-

průtok chladící vody,

-

nastavení provozního napětí a proudu (žhavení rentgenové lampy) atd.

Obr. 3: Pracovní okno softwaru D8tools Diagnose-Software.

19

Diffrac plus XRD Commander Software, který umožňuje vlastní měření vzorků (získávání difrakčních dat). V pracovním okně Diffrac plus XRD Commander (Obr. 4) si uživatel nastavuje následující parametry: - název měřeného vzorku, -

nastavení měřícího napětí a proudu,

-

krok skenování (čas načítání pulsů v jednom kroku),

-

úhlová rychlost,

-

úhlový rozsah měření,

-

možnost nastavení rotace atd.

Obr. 4: Pracovní okno Diffrac plus XRD Commander. Diffrac plus EVA, databáze práškových difrakčních záznamů PDF-2 Software pro vyhodnocování dat s databází práškových difrakčních záznamů PDF-2 (Powder Diffraction File-2) obsahující cca 163 835 experimentálních a počítaných práškových karet. Hlavní využití nalézá tato databáze v kvalitativní a kvantitativní fázové 20

analýze látek. Vyhledávací software poskytuje celou škálu možností. Lze vyhledávat podle čísla záznamu, ale především logicky kombinovat různá kritéria. Je možné prohledávat celou databázi či jednotlivé podmnožiny (např. organické látky, anorganické látky, kovy a slitiny, minerály apod.). Jako kritérium lze zadat chemické či mineralogické jméno nebo přítomnost vybraných chemických prvků. EVA využívá kompletního difraktometrického záznamu pro identifikaci fází a používá nejvýkonnější search/match modul na trhu, hladce propojený s unikátními schopnostmi kvantitativní fázové analýzy. Pracovní okno Diffrac plus EVA je zobrazeno na obrázku 5.

Obr. 5: Pracovní okno Diffrac plus EVA. Program Diffrac plus EVA umožňuje: -

snadnou, rychlou a přesnou interpretaci difrakčních dat,

-

umožňuje odstranit pozadí,

-

umožňuje separaci vlnové délky Kα2,

-

určení polohy difrakčních maxim buď ve stupních 2θ nebo mezirovinné vzdálenosti,

-

určení integrální intenzity a integrální šířky FWHM atd.

21

1.2. Požadavky na vzorek pro práškovou rentgenovou difrakční analýzu Prášková rentgenová difrakční analýza umožňuje stanovení fází u krystalických látek. Umožňuje také rozlišení látek o stejném chemickém složení, ale s různou krystalovou strukturou (polymorfní modifikace téže chemické látky). Prostřednictvím práškové rentgenové difrakci lze měřit nejrůznější vzorky (Obr. 6): - práškové vzorky (jemně rozetřené, mineralogické vzorky), -

tenké vrstvy,

-

kompaktní vzorky ve formě různorodých nepravidelných tvarů (dráty, tablety, keramické střepy, automobilové součástky, archeologické nálezy atd.).

Obr. 6: Vzorky pro práškovou rentgenovou difrakční analýzu. K dispozici jsou držáky s hloubkou vybrání cca 2 mm a menší. Pokud je množství vzorku nedostatečné pro zaplnění vybrání držáku vzorku, tak se vzorek nanáší na monokrystalové destičky z křemíku, které působením rentgenového záření neposkytují difrakční obraz a minimalizují tak úroveň pozadí. Na destičce z křemíku se vytváří tenká vrstva rozprostřením vzorku a přidáním destilované vody či lihu. Na obrázku 7 jsou zobrazeny držáky vzorků pro práškovou rentgenovou difrakční analýzu.

Obr. 7: Držáky vzorků pro práškovou rentgenovou difrakční analýzu. 22

2. Experimentální část Experimentální část se zabývá využitím práškové rentgenové difrakční analýzy při komplexním konzervátorsko-restaurátorským zásahu na souboru kovových artefaktů. Soubor byl nalezen při detektorovém průzkumu na lokalitě Krnov-Zadní Cvilínský kopec [1]. Cílem práškové rentgenové difrakční analýzy bylo provedení kvalitativní fázové analýzy (tedy ověření materiálového složení mincí a jejich korozních produktů).

2.1. Mince Mince SU 02/12-E100/60 byla vyrobena ve Vídni (1858), za vlády Františka Josefa I. Její hodnota je 1 krejcar. Mince SU 02/12-C100/75 (její hodnota je 50 haléřů) a mince SU 02/12-B100/78 (její hodnota je 20 haléřů) byly vyrobeny v Československu (1927), podle návrhu Otakara Španiela. Mince SU 02/12-K100/86 byla zhotovena za vlády Františka Josefa I. (1897). Její hodnota jsou 2 haléře. Práškové difrakční záznamy výše uvedených mincí byly pořízeny pomocí rentgenového práškového difraktometru Bruker D8 Advance a jsou uvedeny na obrázku 12. Pro identifikaci přítomných fází byla použita databáze PDF-2 Release 2004. V tabulce 1 je uveden seznam měřených vzorků, jejich označení a fotodokumentace. Tab. 1: Seznam měřených vzorků, jejich označení a fotodokumentace. Vzorek

Inventární číslo

Číslo fotografie

1 krejcar

SU 02/12-E100/60

8

50 haléřů

SU 02/12-C100/75

9

20 haléřů

SU 02/12-B100/78

10

2 haléře

SU 02/12-K100/86

11

Obr. 8: Přední strana mince SU 02/12-E100/60. Vlevo před zásahem, vpravo po zásahu [1].

23

Obr. 9: Zadní strana mince SU 02/12-C100/75. Vlevo před zásahem, vpravo po zásahu [1].

Obr. 10: Zadní strana mince SU 02/12-B100/78. Vlevo před zásahem, vpravo po zásahu [1].

Obr. 11: Přední strana mince SU 02/12-K100/86. Vlevo před zásahem, vpravo po zásahu [1].

24

Obr. 12: XRPD spektra mincí (Cu- měď, C- kuprit, CuNi- slitina mědi a niklu). Na základě barvy korozních produktů a nemagnetičnosti artefaktů bylo usouzeno, že se pravděpodobně jedná o slitiny mědi [1]. Prášková rentgenová difrakční analýza potvrdila přítomnost mědi, případně jejich slitin (Cu-Ni). U všech mincí XRPD analýza rovněž prokázala přítomnost kupritu (Cu2O), jako korozního produktu. Porovnáním intenzit jednotlivých píku kupritu lze usuzovat, že nejvíce znehodnocena vlivem koroze byla mince SU 02/12-E100/60. 2.2. Knoflík a fragment Jako knoflík byl interpretován předmět SU 02/12-E100/61. Jde o druh spínadla, sloužící ke spojení částí oděvu, zároveň může být i ozdobou. Jako fragment (zlomek, jehož funkci nelze přesně vymezit) byl označen předmět SU 02/12-K100/100. Práškové difrakční záznamy výše uvedených předmětů byly pořízeny pomocí rentgenového práškového difraktometru Bruker D8 Advance a jsou uvedeny na obrázku 15. Pro identifikaci přítomných fází byla použita databáze PDF-2 Release 2004. V tabulce 2 je uveden seznam měřených vzorků, jejich označení a fotodokumentace. Tab. 2: Seznam měřených vzorků, jejich označení a fotodokumentace. Vzorek

Inventární číslo

Číslo fotografie

knoflík

SU 02/12-E100/61

13

fragment

SU 02/12-K100/100

14

25

Obr. 13: Zadní strana knoflíku SU 02/12-E100/61. Vlevo před zásahem, vpravo po zásahu [1].

Obr. 14: Přední strana fragmentu SU 02/12-K100/100. Vlevo před zásahem, vpravo po zásahu [1].

Obr. 15: XRPD spektra knoflíku a fragmentu (C- kuprit, CuNiZn- slitina mědi, niklu a zinku, CuSn- slitina mědi a cínu). 26

Na základě barvy korozních produktů a nemagnetičnosti artefaktů bylo usouzeno, že se pravděpodobně jedná o slitiny mědi [1]. Prášková rentgenová difrakční analýza tuto domněnku potvrdila (Cu-Ni-Zn a Cu-Sn). XRPD analýza rovněž prokázala přítomnost kupritu (Cu2O), jako korozního produktu.

3. Závěr Provedený průzkum vedený pomocí metodiky historických i přírodních věd (XRPD) poskytl dostatek informací o aktuálním stavu souboru kovových artefaktů pro stanovení adekvátního postupu konzervace. Metoda práškové rentgenové difrakční analýzy je metodou nedestruktivní, tzn., nezasahuje do archeologických předmětů a nenarušuje tak jejich autenticitu. Na základě výsledků práškové rentgenové difrakční analýzy byl proveden komplexní konzervátorsko-restaurátorský zásah na souboru kovových artefaktů [1]. Na závěr bych ráda podotkla, že metod a postupů v rentgenové práškové difrakci je velké množství a výběr těch nejvhodnějších je potřeba volit s ohledem na studovaný materiál a očekávané výsledky.

Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektům Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0273 a IT4 Innovations Centre of Excellence, reg. č. CZ.1.05/1.1.00/02.0070.

27

RENTGENOVÁ FLUORESCENČNÍ SPEKTROMETRIE - PRAKTICKÁ ČÁST Ing. Lucie Neuwirthová, Ph.D.

Úvod Rentgenová fluorescenční spektrometrie, patří mezi nejuniverzálnější metody anorganické analýzy. Je to nedestruktivní multiprvková technika, kterou lze používat pro analýzu téměř všech prvků (kromě několika nejlehčích) jak v pevných, tak i v kapalných vzorcích. Tento učební text obsahuje ukázku využití rentgenové fluorescenční spektrometrie v praxi na souboru archeologických předmětů, které byly získány při povrchovém sběru. Jedná se o předměty jako např. mince, jejichž předpokládané složení je Cu + Ni, možná i Cu + Zn, zdobený knoflík neznámého stáří a složení a velkou pozornost přináší velkorážní pravděpodobně olověná kulka. Tato praktická část navazuje na učební text „Rentgenová fluorescenční spektrometrie“, který byl rovněž vytvořen v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0273 „Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů“.

28

1. Instrumentace Princip rentgenofluorescenčního spektrometru spočívá v ozáření vzorku rentgenovým zářením z rentgenové lampy nebo radioaktivním zářením z radionuklidu. Tímto zářením dojde k vybuzení charakteristických spektrálních čar prvků vzorku. Takto vzniklé fluorescenční (sekundární) záření v sobě nese informaci o kvalitativním prvkovém složení vzorku (vlnové délky resp. energie spektrálních čar) a kvantitativním složení vzorku (četnost fotonů resp. intenzita daných spektrálních čar). Toto sekundární záření je dále zpracováno spektrometrem. Spektrometry rozdělujeme na:  vlnově disperzní, kde je rentgenové záření rozloženo na krystalové mřížce, a poté je analyzováno detektorem  energodisperzní, kdy sekundární záření vstupuje rovnou do polovodičového detektoru, který je schopen rozlišit energii jednotlivých fotonů. Přístroje pro rentgenovou fluorescenční analýzu jsou poměrně složitá zařízení a vyrábějí se v široké škále variant. Jejich vlastní konstrukce a vybavení souvisí s jejich použitím. Existují malé přenosné přístroje zpravidla jednoúčelové pro orientační stanovení několika prvků, ale i velké laboratorní přístroje, které jsou vybaveny řadou programů umožňující automatickou analýzu. Obvykle se skládají ze tří částí:  zdroj primárního záření  monochromátor (u WDS)  zařízení pro detekci fluorescenčního rtg záření Pro naše analýzy použijeme energodisperzní rtg fluorescenční spektrometr SPECTRO XEPOS (viz. Obr. 1).

Obr. 1: Energodisperzní přístroj SPECTRO XEPOS. Tento relativně malý přístroj je vysoce citlivý a přesný. Optimální buzení využívá polarizace spolu se sekundárními terčíky a je vybaven autosamplerem o osmi nebo dvanácti pozicích, a jeho inteligentní softwarové moduly přispívají k tomu, že SPECTRO XEPOS je vhodný univerzální analyzátor prvků.

29

1.1. Buzení Samotné buzení je první fází jakékoli rentgenové analýzy. Cílem je vybudit charakteristické záření prvků měřených ve vzorku. Pod pojmem buzení je skryta celá řada dílčích a mnohdy velmi složitých pochodů (vznik primárního záření v anodě rentgenky, přechod primárního záření do hmoty vzorku, výstup charakteristického záření ze vzorku), které jsou ovlivňovány konstrukcí přístroje, vzorkem a zvolenými podmínkami měření. Pro buzení vzorků SPECTRO XEPOS používá 50 W Pd rentgenku s koncovým okénkem (viz. Obr. 2). Budící záření je optimalizováno pro vybrané skupiny prvků použitím Braggových a Barkla polarizátorů a sekundárních terčíků.

Obr. 2: Schéma rentgenky s čelním výstupem (XEPOS má rentgenku chlazenou vzduchem). Výměník s až osmi polarizačními sekundárními terčíky nabízí mnoho různých budících podmínek, zajišťující optimální určení všech prvků od Na po U. Pomocí clonky, umožňující výměnu vzorku bez vypnutí rentgenky, se zvyšuje stabilita systému. V kombinaci s UPS zdrojem, který kompenzuje kolísání napětí je zajištěna dlouhodobá stabilita a konzistence výkonu rentgenky. Měření je prováděno v He atmosféře.

1.2. Detektor Detekcí záření se rozumí určení počtu fotonů (nebo změření intenzity) záření pro zvolenou vlnovou délku (energii). Úkolem detektoru je tedy absorbovat dopadající fotony rentgenového záření a jejich energii přeměnit na elektrický signál. Spektrometr SPECTRO XEPOS využívá nejmodernější polovodičový SDD (Silicon Drift Detector) detektor. Je použito elektrické chlazení detektoru (Peltiérův jev) místo konvenčního chlazení pomocí tekutého dusíku. Maximální počet zpracovávaných pulzů je 120000 cps.

30

1.3. Software Software (programové vybavení) – SW X-LAB Pro na bázi menu, má jasně uspořádané a jednoduše použitelné ovládání přístroje (viz. Obr. 3). Měření začíná po výběru metody a vložení informace o identifikaci vzorku (viz. Obr. 4). Pro snadnou analýzu neznámých vzorků může být použita metoda fundamentálních parametrů – pracující bez standardů nebo vyvinutá metoda SPECTRO Turboquant (zohledňující i neznámou matrici neznámého vzorku).

Obr. 3: X-Lab Routine Dialog pro jednoduché nastavení a ovládání přístroje.

Obr. 4: Job Manager: archív pro výsledky analýz a naměřená spektra, a edit sample pro vložení informace o identifikaci vzorku. 31

2. Vzorky Přesnost talíře se vzorky a zásobník přispívá významně ke snížení ovlivnění mechanických změn a zlepšení analytických výsledků. Vzorky mohou být o průměru 32 nebo 40 mm pro umístění do autosampleru, nebo kusové, alespoň s jednou rovnou plochou, jejichž rozměry dovolují umístění ve vzorkové komoře. Pomocí SPECTRO XEPOS lze analyzovat chemické složení kapalných, kovových i nekovových materiálů, a to jak pevné, sypké i kapalné materiály (viz. Obr. 5), lze provádět analýzu paliv, odpadů, půd, cementu, strusek, žáruvzdorných hmot, elektronických součástí, aj.

Obr. 5: Ukázka vzorků a možností měření: a) pevné vzorky ve formě perel, b) pevné vzorky ve formě pelet, c) kapalný vzorek v kyvetě, d) práškový vzorek v kyvetě, e) kusový vzorek. Vzorky měříme, jak již bylo podrobněji uvedeno v učebním textu „Rentgenová fluorescenční spektrometrie“, ve formě perel, pelet, v kyvetách nebo jako kusové (viz. Obr. 5).

3. Experimentální část Experimentální část se zabývá využitím rentgenové fluorescenční spektrometrie pro stanovení chemického složení při komplexní konzervátorsko-restaurátorském zásahu na soubor kovových archeologických artefaktů z lokality Krnov – Zadní cvilínský kopec, sektory A + F + J + H. Jedná se o soubor archeologických předmětů z výzkumu SU02/12. Z jednotlivých sektorů byly předměty získány při povrchovém sběru. Samotný výzkum probíhal v Krnově konkrétně v lokaci Zadního cvilínského kopce (Šelemburku) ve dnech 5. – 7. 4. 2012.

32

Všechny předměty byly před měřením očištěny jemně z nejhrubší špíny (pravděpodobně zeminy), a to pomocí pasty Al2O3, aby nebyly poškozeny reliéfy a struktury mincí. Ideální by bylo samozřejmě provést výbrus, jelikož i po tomto zevrubném čištění se zde nacházely znečišťující prvky (Mg, Al, Si, P, …). Vůbec nejvhodnější by bylo analyzovat vzorky až po důkladném vyčištění. 3.1. Olověná kulka velké ráže Označení: SU02/12-F100/17 Olověná kulka (viz. Obr. 6), která je potažena korozí a váží 41,46 g. Byla jemně očištěna stejně jako ostatní předměty. A měřena byla ve dvou plochách I a II. Hmotnostní procenta majoritních prvků jsou uvedeny v tabulce č. 1.

Obr. 6: Olověná kulka velké ráže SU02/12-F100/17. Tab. 1: Výsledky analýzy rtg fluorescenční spektrometrie v hm%. SU02/12-F100/17 I a druhého měření SU02/12-F100/17 II. Prvek Mg Al Si P S Ca Fe Ni Cu Zn Ag Cd Sn Sb Tl Pb

SU02/12-F100/17 I 1,539 1,718 <0,001 1,364 <0,004 0,309 0,209 <0,001 0,057 <0,001 0,034 0,037 0,187 0,484 0,218 92,46 33

SU02/12-F100/17 II 2,083 2,304 <0,001 1,711 <0,004 0,296 0,398 <0,001 0,066 <0,001 0,034 0,028 0,165 0,439 0,198 90,85

Podle tabulky č. 1, lze říct, že kulka je složena z olova a doprovodných prvků (Sb, Tl, Sn, Cd, Ag, Cu, Fe), zbytek prvků jsou nečistoty pocházející ze zeminy. 3.2. Mince Označení: SU02/12-H100/51 Tato mince má datování 1925 a její hodnota je 20h, jedná se o velmi vzácný ročník (4244ks). Váha této mince je 2g. Průměr mince je 20 mm a byla ražena v mincovně v Kremnici. Její předpokládané složení je Cu+Ni, některé prameny mluví o Cu+Zn. Prameny jsou zmatečné u tohoto ročníku ve složení prvků i v % zastoupení prvků. Minci jsme změřili ze dvou stran (viz. Obr. 7). Získané hodnoty majoritních prvků jsou uvedeny v tabulce č. 2.

Obr. 7: Mince SU02/12-H100/51 O je mince ze strany orla, SU02/12-H100/51 P je mince ze strany panny. Tab. 2: Výsledky analýzy rtg fluorescenční spektrometrie v hm%. SU02/12-H100/51 O je mince ze strany orla, SU02/12-H100/51 P je mince ze strany panny. Prvek Mg Al Si P S Ca Fe Ni Cu Zn Cd Sn Pb

SU02/12-H100/51 O 0,079 1,655 <0,010 1,048 <0,004 0,088 <0,003 <0,001 91,68 3,981 0,175 0,063 0,039

34

SU02/12-H100/51 P 0,534 2,108 5,401 2,469 <0,004 0,229 0,039 <0,001 84,65 3,200 0,150 0,053 0,015

Podle tabulky č. 2, lze jednoznačně říct, že mince je ze slitiny Cu a Zn. Prvky jako Si, Al a P jsou zde z nečistot, které se na minci nacházejí (pravděpodobně zemina). P a Al zde mohou být i z legur. Mince ze strany panny obsahuje více zbylých nečistot, což je vidět i z Obr. 7. Označení: SU02/12-F100/6 Tato mince má datování 1881 a jedná se o Rakousko-uherskou minci v nominální hodnotě 1 krejcaru o průměru 19 mm. Její váha je 3,09g. Na lícové straně je popis K. K. OESTERREICHISHE SCHEIDEMÜNZE. Předpokládané složení je Cu, o příměsích se v pramenech nemluví. Minci jsme změřili ze dvou stran (viz. Obr. 8). Získané hodnoty majoritních prvků jsou uvedeny v tabulce č. 3.

Obr. 8: Mince SU02/12-F100/6 O je mince ze strany orla, SU02/12-F100/6 P je mince ze strany panny. Tab. 3: Výsledky analýzy rtg fluorescenční spektrometrie v hm%. SU02/12-F100/6 O je mince ze strany orla, SU02/12-F100/6 P je mince ze strany panny. Prvek Mg Al Si P S Ca Fe Ni Cu Zn As Cd Sn Sb Pb

SU02/12-F100/6 O 0,460 3,816 8,954 1,661 <0,004 0,182 0,148 0,030 81,79 0,558 0,176 0,016 0,204 0,154 0,303 35

SU02/12-F100/6 P 1,028 2,236 4,679 0,950 <0,004 0,093 0,042 0,054 88,13 0,712 0,130 0,012 0,188 0,154 0,293

Podle tabulky č. 3, lze jednoznačně říct, že mince je ze slitiny Cu(Zn). Prvky jako Si, Al a P jsou zde z nečistot, které se na minci nacházejí (pravděpodobně zemina). Mince ze strany orla obsahuje více nečistot, což způsobuje nižší obsah Cu. Bylo by vhodné nejprve mince řádně a odborně vyčistit a teprve poté provést analýzu. Označení: SU02/12-H100/47 Tato mince má datování z roku 1931a je silně napadena korozními produkty. Její hodnota je 10h. Ražena byla v mincovně v Kremnici a její předpokládané složení je Cu+Zn. Váha této mince je 1,87g. Minci jsme změřili ze dvou stran (viz. Obr. 9). Získané hodnoty majoritních prvků jsou uvedeny v tabulce č. 4.

Obr. 9: Mince SU02/12-H100/47 O je mince ze strany orla, SU02/12-H100/47 P je mince ze strany panny.

Tab. 4: Výsledky analýzy rtg fluorescenční spektrometrie v hm%. SU02/12-H100/47 O je mince ze strany orla, SU02/12-H100/47 P je mince ze strany panny. Prvek Mg Al Si P S Ca Fe Ni Cu Zn Cd Sn

SU02/12-H100/47 O 0,247 1,405 <0,01 1,537 <0,004 0,126 0,029 <0,001 93,02 2,413 0,019 0,058

36

SU02/12-H100/47 P 0,652 2,990 8,452 2,205 <0,004 0,254 0,143 <0,001 81,63 2,456 0,020 0,047

Podle tabulky č. 4, lze jednoznačně říct, že mince je ze slitiny Cu a Zn. Prvky jako Si, Al a P jsou zde z nečistot, které se na minci nacházejí (pravděpodobně hlína). Mince ze strany panny obsahuje více nečistot, což způsobuje nižší obsah Cu. Jak už bylo řečeno, bylo by vhodné nejprve mince řádně a odborně vyčistit a teprve poté provést analýzu. 3.3. Zlomek Označení: SU02/12-H100/52 Jedná se o zlomek blíže neurčeného předmětu, jehož hmotnost je 10,76 g. Předpokládá se, že se jedná o slitinu se Zn. Zlomek jsme změřili ve třech různých bodech (viz. Obr. 10). Získané hodnoty majoritních prvků jsou uvedeny v tabulce č. 5.

Obr. 10: Zlomek SU02/12-H100/52 měřený ve třech místech a), b) a c). Tab. 5: Výsledky analýzy rtg fluorescenční spektrometrie v hm%. SU02/12-H100/52 zlomku, měřeného ve třech různých bodech a), b) a c). Prvek Mg Al Si P S Ca Fe Ni Cu Zn Cd Sn Sb Pb

SU02/12-H100/52 a) <0,01 <0,002 <0,01 3,472 <0,004 1,251 0,260 <0,001 <0,001 85,54 0,188 3,752 0,011 4,027

SU02/12-H100/52 b) 1,762 5,479 9,007 4,104 <0,004 2,313 0,714 <0,001 0,114 42,36 0,168 7,418 0,019 24,74

37

SU02/12-H100/52 c) 1,485 2,657 <0,01 2,298 <0,004 2,240 0,621 <0,001 0,110 36,61 0,145 17,02 0,046 36,54

Podle tabulky č. 5, lze jednoznačně říct, že zlomek je tvořen slitinou Zn s různým obsahem Pb a Sn. Prvky jako Si, Al a P jsou zde z nečistot, které se na úlomku nacházejí (pravděpodobně zemina). Zlomek byl měřen ve třech různých místech (viz. obr. 10), a už na pohled z obrázku je vidět, že složení ve všech místech nebude zcela stejné. Stejně jako u předchozích vzorků by bylo vhodné prvotní vyčištění. 3.4. Knoflík Označení: SU02/12-J100/34 Jedná se o zdobený knoflík bez oka neznámého stáří i složení. Předpokládá se, že se jedná o slitinu mědi. Knoflík jsme změřili ve dvou různých bodech (viz. Obr. 11). Získané hodnoty koncentrací majoritních prvků jsou uvedeny v tabulce č. 6.

Obr. 11: Knoflík SU02/12-J100/34 měřený ve dvou různých bodech. Tab. 6: Výsledky analýzy rtg fluorescenční spektrometrie v hm%. SU02/12-J100/34 měřeného ve dvou různých bodech. Prvek Mg Al Si P S Ca Fe Ni Cu Zn Cd Sn Sb Pb

SU02/12-J100/34 I 0,904 3,819 9,148 0,763 <0,004 1,858 1,270 <0,001 0,109 0,235 0,118 76,20 0,120 0,005 38

SU02/12-J100/34 II 0,903 4,013 9,203 0,801 <0,004 1,825 1,366 <0,001 0,107 0,220 0,012 75,85 0,112 0,005

Podle tabulky č. 6, lze jednoznačně říct, že knoflík je z Sn. Prvky jako Si a Al jsou zde z nečistot, které se na úlomku nacházejí (pravděpodobně hlína). Al zde může být i jako legura stejně jako např. Fe. Knoflík byl měřen ve dvou místech, ale pouze z vrchní strany, ze spodní strany to povrch vzorku (odlomené očko) nedovoloval. Z vrchní strany má knoflík složení v obou místech téměř stejné, jak ukazuje tabulka č. 6.

4. Závěr Provedené analýzy pomocí rtg fluorescenční spektrometrie nám nedestruktivně stanovily složení jednotlivých historických předmětů (mince, knoflík, kulka a zlomek). Na analýzu byl použit univerzální XRF spektrometr SPECTRO XEPOS. Při analýzách byly stanoveny především majoritní prvky (především o jakou slitinu se jedná). Problém u vzorků byl se silným znečištěním. Jednotlivé předměty byly tedy šetrně a jemně povrchově očištěny, aniž by došlo k poničení jejich reliéfu. Byly pouze omyty pastou z Al2O3 a následně opláchnuty lihem a osušeny. Al2O3 může způsobit i mírný nárůst této koncentrace (cca 2%) v jednotlivých analýzách. Ale prvky jako Si, Mg a P jsou zde především z nedokonale očištěných povrchových nečistot (pravděpodobně z hlíny). Nejvhodnější by bylo důkladné a odborné očištění těchto předmětů a teprve potom následná analýza pomocí XRFS. Na základě uvedených výsledků lze konstatovat, že použitá metoda je vhodná pro analýzu chemického složení historických předmětů. Pro daný účel je zvláště cenné, že metoda je nedestruktivní, nedochází tedy k poškození nebo znehodnocení předmětů. Kvalitní kvantitativní analýza však vyžaduje rovnou plochu (výbrus), dokonale zbavenou nečistot, což u historických předmětů není většinou možné dosáhnout. Také rozměry, případně značné heterogenity, omezují možnosti použitého rtg spektrometru. Ideální pro daný účel by bylo použití rtg spektrometru s fokusovaným rtg svazkem, umožňujícím analyzovat vybraná místa na povrchu vzorků o průměru v desítkách µm. Další metodou, vhodnou pro daný účel, je řádkovací (skenovací) elektronová mikroskopie (SEM) s rentgenovým spektrometrem (EDX), která umožňuje provádět kvantitativní prvkovou analýzu z vybraných bodů nebo ploch na povrchu vzorků.

Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektu Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

39

ANALÝZA VZORKŮ PŮDY NALEZENÉ NA PŘEDMĚTECH Z POZDNÍ DOBY BRONZOVÉ METODOU INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE doc. Ing. Michal Ritz, Ph.D.

Úvod Infračervená spektroskopie je poměrně rozšířenou spektrální metodou pomocí níž je možné studovat a popisovat strukturu analyzovaných vzorků. Metodou lze poměrně precizně a podrobně popsat chemické vazby nacházející se v analyzovaném vzorku. Z přítomných chemických vazeb je následně možno odvodit strukturu vzorku, či provést charakterizaci nebo dokonce identifikaci vzorku. Detailní informace o principech, instrumentaci a aplikacích infračervené spektroskopie lze získat z mnoha literárních pramenů, např. [1-3]. Jak je popsáno dále, byla infračervená spektroskopie použita pro charakterizaci vzorků půdy nalezené na povrchu předmětů z pozdní doby bronzové. Tento text byl zpracován v návaznosti na výukový materiál „Základy vibrační spektroskopie“, který byl vytvořen v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0273 „Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů“.

40

1. Experimentální část 1.1. Studované vzorky Bylo analyzováno šest vzorků půdy. Jednalo o zeminu nacházející se na povrchu předmětů ze starší doby bronzové. Tyto předměty byly nalezeny amatérským hledačem pomocí detektoru kovů [4, 5] v katastru obce Omice (okr. Brno – venkov). Nález byl v květnu 2012 nahlášen pracovníkům Archeologického ústavu Akademie věd ČR. Nalezené předměty pocházely ze starší doby bronzové a jejich původ je datován do období 1000 – 900 let př. n. l. Analyzované vzorky půdy byly odebrány z následujících předmětů: sekery, spona, jehlice a svorka. Jednotlivé vzorky půdy jsou pro přehlednost vypsány v následující tabulce (Tab. 1). Po odběru byly vzorky uloženy do PE odběrových sáčků a neprodleně převezeny k analýze. Tab. 1: Seznam analyzovaných vzorků půdy. Číslo vzorku Původní označení vzorku Předmět, z jehož povrchu byl vzorek odebrán IRa-13-076 1 sekera IRa-13-077 2 sekera IRa-13-078 13 nákrčník IRa-13-079 14 nákrčník IRa-13-080 17 jehlice IRa-13-081 20 spona 1.2. Použitá metoda – infračervená spektroskopie Pro naměření IR spekter byla použita technika bromidových pelet. Při přípravě bromidových pelet bylo 2-3 mg vzorku naváženo na analytických vahách. Toto množství vzorku bylo pomleto a homogenizováno s přibližně 200 mg čerstvě vyžíhaného bromidu draselného na vibračním kovovém mlýnku po dobu cca 15 s. Ze vzniklé směsi byla ihned vylisována tableta o průměru 13 mm. Tablety byly lisovány za vakua po dobu 30 s. Spolu se vzorky byla obdobným postupem připravena tableta čistého bromidu draselného. Spektra bromidových pelet byla naměřena na FTIR spektrometru Nexus 470 (ThermoScientific, USA). Při měření byly použity následující parametry: spektrální oblast 4000-400 cm-1, spektrální rozlišení 8 cm-1, počet skenů 64, apodizace interferogramu metodou Happ-Genzel. 1.3. Úpravy naměřených spekter Naměřená spektra byla následně podrobena spektrálním úpravám. Nejprve bylo ode všech spekter půdy odečteno spektrum čisté bromidové pelety. Tento odečet byl prováděn za účelem odstranění vlhkosti obsažené v použitém bromidu draselném. Následně byla provedena automatická korekce základní linie spekter. Poslední spektrální úpravou byl přepočet upravených spekter na jednotnou navážku (jako vztažná byla

41

použita hodnota 3 mg). Tato úprava byla provedena za účelem sjednocení spekter a možného následného porovnávání intenzit přítomných spektrálních pásů.

2. Výsledky a diskuze Spektrální pásy nalezené v infračervených spektrech všech analyzovaných vzorků jsou totožné; jednotlivá spektra se liší toliko intenzitou některých spektrálních pásů. Přiřazení spektrálních pásů bylo provedeno dle [6-8]. Vzorky IRa-13-076 a IRa-13-077 (půda odebraná z povrchu sekery) Upravená infračervená spektra analyzovaných vzorků půdy (IRa-13-076 a IRa-13077)odebrané z povrchu sekery jsou uvedena na Obr. 1.

Obr. 1: Infračervená spektra vzorků půdy odebrané z povrchu sekery. Štíhlé pásy při 3694 cm-1 a 3618 cm-1 lze přiřadit deformačním vibracím vazby vnitřních strukturních O-H skupin. Tyto pásy se nacházejí ve spektrech některých jílových minerálů skupiny kaolinu-serpentinu (konkrétně ve spektrech kaolinitu nebo halloysitu). Široký pás s maximem při 3420 cm-1 bývá přiřazován deformačním vibracím vazby O-H ve vodě. K vibračním pásům vody (potažmo vlhkosti) lze rovněž přiřadit měně intenzivní pás při 1635 cm-1; jedná se o spektrální pás deformačních vibrací vazby O-H ve vodě. Nejintenzivnější pás ve spektru se nachází těsně nad 1000 cm-1. V podstatě se jedná o spektrální dublet s maximy při 1030 cm-1 a 1012 cm-1. Oba pásy lze přiřadit antisymetrickému a symetrickému módu rovinné valenční vibrace vazby Si-O. Pásy těchto vlnočtů lze nalézt ve spektrech jílových minerálů; zejména ve spektrech kaolinitu či halloysitu. Na stravě vyšších vlnočtů lze na nejintenzivnějším páse dvě slabá ramínka. Jedno při 1159 cm-1 a druhé při 1092 cm-1. Obě tato ramínka lze přiřadit rovinné valenční vibraci vazby Si-O v křemeni (antisymetrickému a symetrickému módu). Na téže straně nejintenzivnějšího pásu (při jeho patě) lze nalézt ramínko s maximem při 1393 cm-1. Přiřazení tohoto pásu je poněkud komplikované, ale s největší pravděpodobností se jedná o vibrační pás skupiny NO3 42

-

v anorganických dusičnanech. Na straně nižších vlnočtů nejintenzivnějšího pásu se nachází ramínko při 914 cm-1. Jedná se o pás deformačních vibrací vnitřních strukturních O-H skupin kaolinitu či halloysitu. Vedle nejintenzivnějšího pásu spektra se nachází série málo intenzivních pásů. Jedná se o dublet při 780 cm-1 a 760 cm-1; dále pak o pás při 695 cm-1 a pás při 645 cm-1. Dublet při 780 cm-1 a 760 cm-1 lze přiřadit antisymetrickéhu a symetrickému módu deformační vibrace vazby Si-O v křemeni. Pás při 695 cm-1 bývá přiřazován vzájemně kolmým deformačním vibracím vazby Si-O v silikátových minerálech; pás při 645 cm-1 náleží rovněž vibracím vazby Si-O. Poslední tří poměrně intenzivní a štíhlé pásy při 533 cm-1, 468 cm-1 a 433 cm-1patří deformačním vibracím vazby Si-O či Al-O v jílových minerálech (zejména v kaolinitu a halloysitu). Pás při 533 cm-1 náleží deformačním vibracím vazby Al-OSi. Pás při 468 cm-1 bývá přiřazován deformačním vibracím vazby Si-O-Si a pás při 433 cm-1 deformačním vibracím vazby Si-O. Z výše uvedených pásů lze předpokládat, že analyzované vzorky půdy jsou majoritně tvořeny jílovými minerály skupiny kaolinu-serpentinu. S poměrně vysokou mírou pravděpodobnosti lze říci, že se jedná o minerály kaolinit či halloysit. Minoritní část analyzovaného vzorku půdy je tvořena křemen. Ve vzorku se nachází i příměsi anorganických dusičnanů (pravděpodobně jako pozůstatku průmyslových dusičnanových hnojiv přítomných v okolí místa nálezu). Vzorky IRa-13-078 a IRa-13-079 (půda odebraná z povrchu nákrčníku) Upravená infračervená spektra analyzovaných vzorků půdy odebrané z povrchu nákrčníku (IRa-13-078 a IRa-13-079) jsou uvedena na Obr. 2. Spektrální pásy přítomné v obou uvedených spektrech jsou totožná s výše popsanými pásy (viz vzorky IRa-13-078 a IRa-13-079). Velmi podobné jsou i intenzity spektrálních pásů.

Obr. 2:Infračervená spektra vzorků půdy odebrané z povrchu nákrčníku. Lze tedy vyvozovat, že i tyto vzorky jsou majoritně tvořeny kaolinitem či halloysitem. Minoritně je ve vzorcích přítomen křemen. Malou příměsí ve vzorcích je pravděpodobně i průmyslové dusičnanové hnojivo. 43

Vzorek IRa-13-080 (půda odebraná z povrchu jehlice) Upravená infračervená spektra vzorku půdy odebrané z povrchu jehlice (IRa-13-080) jsou uvedena na Obr. 3.

Obr. 3:Infračervené spektrum vzorku půdy odebrané z povrchu jehlice. Spektrální pásy přítomné ve spektru jsou rovněž stejné jako u výše popsaných spekter. Podobné jsou taktéž i intenzity spektrálních pásů. Výjimku tvoří intenzita pásu při 1393 cm -1 -

náležící vibracím skupiny NO3 v anorganických dusičnanech. Intenzita tohoto pásu je oproti výše popsaným spektrům poměrně větší; pás nemá podobu ramínka, ale samostatného pásu (byť s relativně slabou intenzitou). Ve spektru vzorku IRa-13-080 jsou navíc velmi slabě patrné pásy deformačních vibrací vazby C-H patřící alifatickým uhlovodíkům. Jedná se o pásy při 2964 cm-1 (antisymetrická deformační vibrace skupiny CH3), při 2930cm-1 (antisymetrická deformační vibrace skupiny CH2) a při 2857 cm-1 (symetrická deformační vibrace skupiny CH2). Z infračerveného spektra lze identifikovat, že vzorek půdu je majoritně tvořen kaolinitem či halloysitem. Minoritně je ve vzorcích přítomen křemen. Příměsí ve vzorcích je pravděpodobně i průmyslové dusičnanové hnojivo (jeho množství je však větší než u výše popsaných vzorků). Ve vzorku se rovněž nachází malá příměs organických látek. Vzorek IRa-13-081 (půda odebraná z povrchu spony) Upravená infračervená spektra vzorku půdy odebrané z povrchu spony (IRa-13-081) jsou uvedena na Obr. 4.

44

Obr. 4:Infračervené spektrum vzorku půdy odebrané z povrchu spony. Spektrální pásy přítomné v tomto spektru jsou opět stejné jako u výše popsaných spekter. Podobné jsou taktéž i intenzity spektrálních pásů. Jako u předchozího vzorku je -

výraznější intenzita pásu při 1393 cm-1 náležící vibracím skupiny NO3 v anorganických dusičnanech. Spektrum vzorku IRa-13-081 se od ostatních spekter liší o oblasti valenčních vibrací vazby O-H. Ve spektru je poměrně hodně intenzivní široký pás s maximem při 3420 cm-1 náležící deformačním vibracím vazby O-H ve vodě. Tento pás je natolik intenzivní, že téměř překrývá oba štíhlé pásy při 3694 cm-1 a 3618 cm-1 deformačních vibrací vazby vnitřních strukturních O-H skupin kaolinitu či halloysitu. Z infračerveného spektra lze identifikovat, že vzorek půdu je majoritně tvořen kaolinitem či halloysitem. Ve vzorku je v mnohem větší míře (než u ostatních vzorků) přítomna vlhkost. Minoritně je ve vzorcích přítomen křemen. Příměsí ve vzorcích je pravděpodobně i průmyslové dusičnanové hnojivo (jeho množství je opět větší než u prvních čtyřech popsaných vzorků).

3. Závěr Bylo analyzováno 6 vzorků půdy odebrané z povrchu předmětů z pozdní doby bronzové nalezených v katastru obce Omice. Ze získaných infračervených spekter lze usoudit, že analyzované vzorky jsou po strukturní stránce velmi podobné. S poměrně vysokou mírou pravděpodobnosti je možné říci, že vzorky jsou majoritně tvořeny jílovými minerály skupiny kaolinu-serpentinu (nejspíše kaolinitem či halloysitem). Minoritní složkou vzorků je křemen. Všechny vzorky obsahují i příměs průmyslového dusičnanového hnojiva (u vzorků IRa-13-080 a IRa-13-081 je obsah dusičnanů větší než u ostatních vzorků). Vzorek IRa-13-080 obsahuje i příměs organické hmoty. Všechny vzorky obsahují vlhkost; nejvíce vzorek IRA-13-081. Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektu Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28. 45

VYUŽITÍ NMR PRO ANALÝZU VYBRANÝCH ARCHEOLOGICKÝCH MATERIÁLŮ ORGANICKÉ POVAHY Ing. Sylva Holešová, Ph.D.

Úvod Stejně tak jako se za posledních 50 let vyvíjely veškeré analytické metody používané v archeologii, vyvíjela se také technika nukleární magnetické rezonance (NMR). Z počátku nebyla tato technika pro archeologický výzkum běžně využívána a to ze dvou důvodů. Prvním byl fakt, že v počátečních dobách existence NMR, bylo možné měřit pouze vzorky v kapalné fázi. Pokud nebyl vzorek sám o sobě kapalinou, bylo nutné jej rozpustit ve vhodném rozpouštědle, což u archeologických nálezů typu papír, dřevo, kámen, keramika, sklo či kov znamenalo definitivní změnu či úplné zničení molekulové struktury. Druhým důvodem bylo to, že v prvních dekádách existence NMR bylo možné měřit pouze jádra 1H. Až na konci šedesátých let minulého století, s objevem pulzní Fourierovy transformace, se mohli vědci zaměřit na jádra 13C. Díky své citlivosti a rozlišení jsou tyto dvě jádra velmi významné pro oblast organické chemie, avšak archeologické materiály obsahují vodík a uhlík jen velice zřídka. Kámen, keramika či sklo jsou převážně složeny ze silikátů a aluminosilikátů, kovové materiály jsou stejně tak chudé na vodík a uhlík[1-3]. Tuto situaci změnily tři základní objevy či vývoje, dva v oblasti NMR a jeden v oblasti archeologie. Za prvé se během sedmdesátých let minulého století velice rozvinula technika s vysokým rozlišením, pomocí níž bylo možné začít měřit také pevné látky, obzvláště se využívala a využívá pro studium jader 13C. Soubor nových metod obsahoval vysoce výkonný dekapling, zvýšení citlivosti signálu uhlíku pomocí křížové polarizace (angl. cross polarization, CP), kdy se navyšuje intenzita řídce se vyskytujících jader pomocí přenosu polarizace z jader 1H. A v neposlední řadě to byl velmi rychlý spinning vzorku pod takovým úhlem, aby docházelo k odstranění anizotropií, které v případě pevného vzorku významně ovlivňovaly kvalitu a čitelnost spektra. Tento úhel se nazývá „magický úhel rotace“ (angl. magic angle spinning, MAS). Za druhé došlo k rozšíření použití NMR spektroskopie na celou periodickou tabulku. Analýza méně citlivých prvků jako jsou křemík či hliník se stala běžnou rutinou. A za třetí, archeologie začala zahrnovat také organické látky, které mohly být analyzovány tradičními 1H a 13C NMR metodami. Archeologové zahrnuli do svého výzkumu pryskyřice, dehty a další podobné sloučeniny, které existují spíše jako zbytky jiných materiálů. A tak se pole působnosti NMR a archeologie přibližovaly v tom smyslu, že byly objeveny a vyvíjeny techniky NMR pro analýzu pevných látek a jader jiných než vodík a uhlík a na druhé straně se archeologie začala více zajímat o organické materiály [1-3]. Tento rešeršní text přibližující využití techniky NMR pro analýzu archeologických materiálů organické povahy navazuje na výukový materiál „Základy nukleární magnetické rezonance“, který byl vytvořen v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0273 „Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů“.

46

1. Základní princip NMR techniky Základním principem NMR je absorpce a emise elektromagnetického záření pomocí jader určitého atomu, jestliže toto jádro je umístěno v magnetickém poli. Jinými slovy se jedná o fyzikálně-chemickou analytickou metodu studující strukturu molekul měřením interakce oscilujícího radiofrekvenčního elektromagnetického pole s jádry s nenulovým magnetickým momentem v silném vnějším elektromagnetickém poli. Většina prvků periodické soustavy má alespoň jeden izotop měřitelný NMR technikou, na druhou stranu mnoho běžných izotopů jako jsou 12C, 16O a 32S nenesou tyto magnetické vlastnosti. Mezi nejběžnější izotopy měřitelné pomocí NMR spektroskopie patří zejména 1H, 13C, 19F, 23Na, 27 Al, 29Si a 31P. Jejich přirozené zastoupení a citlivost a některých dalších izotopů jsou uvedeny v Tabulce 1. Tab. 1: Přirozené zastoupení a citlivost běžných jader měřitelných pomocí NMR.

H

Přirozené zastoupení (%) 99,98

Citlivost (%) 100

Li

92,58

27

Izotop 1 7

11

B

80,42

13

13

C

1,108

0,018

15

N

0,37

0,0003

17

O

0,04

0,001

F

100

83

Na

100

9,25

100

21

4,7

0,03

100

6,6

19 23

27

Al

29

Si

31

P

Pro NMR jsou tedy aktivní ta jádra, která mají nenulové spinové kvantové číslo. Pokud je jádro s nenulovým spinovým číslem v magnetickém poli, vzniknou nové energetické hladiny. Soustředíme-li se na nejčastěji měřená jádra se spinovým číslem I = 1/2, pozorujeme v magnetickém poli o indukci B0 vznik dvou hladin energie, kdy mezi souhlasně a nesouhlasně orientovanými jadernými magnetickými momenty je energetický rozdíl (Obr. 1).

47

Obr. 1: Energie spinových stavů jádra s I = 1/2 ve vnějším magnetickým polem B0. Rozdíl energie mezi těmito dvěma stavy záleží na tzv. gyromagnetickém poměru γ, což je konstanta daná magnetickými vlastnostmi jádra a je pro každé jádro charakteristická a dále na síle externího magnetického pole B0. Rezonanční frekvence (), frekvence záření potřebná k přechodu mezi dvěma energetickými stavy je dána následující rovnicí:

ν=

𝛾.B 0

(1)

2π

Než jádro absorbuje foton, musí oscilovat v jednoduchém periodickém pohybu. Tento pohyb se nazývá precesní, vykonávají ho jádra ponořená do magnetického pole (Obr. 2) a je výsledkem síly, která se snaží přimět vektor magnetického momentu 𝜇 k souhlasné nebo nesouhlasné orientaci s vektorem B0 a síly udržující jej v rotaci[4-6].

Obr. 2:Precesní pohyb jádra [7]. Frekvence tohoto pohybu se jmenuje Larmorova frekvence  a je rovna rezonanční frekvenci příslušného jádra . ω = 𝛾. B0 ν=

𝛾.B 0 2π

=

(2) ω

(3)

2π

rezonanční podmínka 48

Jádra mohou absorbovat energii jen, je-li tato podmínka splněna, toho lze dosáhnout buď změnou vloženého magnetického pole, nebo změnou frekvence radiofrekvenčního záření [4-6].

2. Analýza archeologických materiálů organické povahy pomocí NMR Analytická technika NMR se využívá ke zkoumání archeologických artefaktů či jejich pozůstatků, poskytuje informaci o jejich původu a určuje jejich povahu a stupeň degradace. Dále lze z této analýzy provést jakousi inventuru typů jader obsažených ve směsi sloučenin, jak organických, tak i anorganických. Nejčastěji zkoumaná jádra pro tyto účely jsou 1H a 13C u organických molekul, 31P při analýze kostí, 29Si pro analýzu silikátů, atd. V momentě, kdy máme extrémně malé množství vzorku, je nejvhodnější technikou plynová či kapalinová chromatografie ve spojení s hmotnostní spektrometrií (MS), jelikož ve srovnání s MS je NMR relativně málo citlivá metoda. Problém však nastává, když je vzorek netěkavý, což je obvyklý případ archeologických materiálů. V tento moment přichází na řadu právě NMR spektroskopie. Navíc v některých případech složitých směsí organických sloučenin je často lepší je charakterizovat jako celek než je separovat na jednotlivé složky. V dalších kapitolách jsou popsány příklady využití techniky NMR při analýze konkrétních vybraných archeologických materiálů organické povahy. 2.1. Rostlinné výpotky Rostlinné výpotky zahrnující různé druhy pryskyřice, gumy či laků byly v minulosti velmi používaným materiálem, proto mají pro kulturní dědictví velkou uměleckou, ale i historickou hodnotu. Tyto materiály byly používány při výrobě šperků, náboženských předmětů, jako konstrukční materiál, pro dodání lesku papíru a textilu, atd. 2.1.1. Latexy Pokud jednoduchou molekulu isoprenu podrobíme procesu polymerace, vytváří makromolekulární sloučeninu polyisopren (Obr. 3). Latexy jsou velice snadno identifikovatelné právě pomocí jejich charakteristického uhlíkového NMR spektra polyisoprenu.

Obr. 3:Obecné schéma polymerace isoprenu [8]. Strom čeledi Castillaelatica pocházející ze Střední Ameriky produkuje lepkavou bílou hmotu, jež obsahuje polymer uvedený na Obr. 3. Obyvatelstvo této části země již po staletí zpracovávalo tuto hmotu na různé produkty. Jedním z nejčastěji vyráběných artefaktů z tohoto 49

materiálu byl balón využívaný při hrách pelota, jež měly jak náboženský tak i sportovní charakter. Soubor dvanácti takovýchto balónů byl nalezen v olméckém Manatí v mexickém státě Veracruz a byl datován do doby 1600-1200 př. n. l. Tento materiál se jevil obzvláště vhodný pro analýzu pomocí NMR. Jako organická sloučenina totiž obsahuje vhodná jádra 1H a 13C. Jako polymer je špatně rozpustný a netěkavý, což neumožňuje použití metody GC/MS, proto je vhodnou technikou NMR v pevné fázi. Navíc se jedná v podstatě o jednoduchou sloučeninu, proto i výsledné spektrum je velmi jednoduché. Nezpracovaný či neupravený polymer tohoto typu je velice křehký, proto z něj nelze vyrobit předmět s požadovanými plastickými vlastnostmi. Dlouhodobým průzkumem bylo zjištěno, že staří Olmékové prováděli jistou chemickou úpravu polymeru smícháním se šťávou z rostliny Ipomoea alba (svlačec), čímž dosáhli dlouhodobých plastických vlastností. Tuto úpravu zkoumali Hosler a kol. [9] pomocí CP/MAS 13C NMR. Nejprve se domnívali, že šťáva z této rostliny způsobuje propojení (angl.cross-linking) s polymerem pomocí dvojné vazby, což ale pomocí NMR potvrzeno nebylo. Na Obr. 4 jsou uvedena spektra čistého současného polymeru (a), upraveného současného polymer (b) a starověkého polymeru z Manatí (c). Spektrum čistého neupraveného současného polymeru (Obr. 4a) obsahuje stejné píky jako další dvě spektra (Obr. 4b,c) s výjimkou širokého píku s chemickým posunem δ 173 ppm. Ten napovídá tomu, že další úprava polymeru zahrnuje i jisté čištění. Hosler a kol. [9] popisují, že šťáva ze svlačce sloužila ke srážení polymeru, čímž došlo k oddělení organických složek od ve vodě rozpustných materiálů, jako jsou proteiny (ty dávají rezonanci s posunem 173 ppm). Závěrem tedy bylo, že se potvrdila identita starověkého polymeru se současným upraveným polymerem.

Obr. 4: CP/MAS 13C NMR spektra (a) čistého současného polymeru; (b) upraveného současného polymeru;(c) starověkého upraveného polymeru; (*) vedlejší píky způsobené rotací vzorku; (§) chyba spektrometru.

50

2.1.2. Laky Analýza orientálních laků je skvělým příkladem výhod použití NMR v pevné fázi. Míza z křovinatého stromu Rhus vernificier vulkanizuje skrz oxidativní polymeraci. Výsledný produkt je velice tvrdý, snadno leštitelný a téměř nerozpustný ve všech rozpouštědlech. Tento lak byl používán v Číně za vlády dynastie Shang (cca 1800 př. n. l.) a od 9. století n. l. také v Japonsku. Jelikož má tento lak velmi nízkou rozpustnost, je vyloučeno použít k jeho charakterizaci analytických metod vyžadujících rozpuštění vzorku. Čistý lak je z 65 – 70% složen z urushiolu, který je složen z katecholů, což jsou ortho-dihydroxybenzeny. Ty jsou substituované postranním řetězcem tvořeným 15 uhlíky, jež obsahuje od nuly do tří dvojných vazeb (sloučenina A, Obr. 5). Kumanotami [10] navrhnul mechanismus vulkanizace sloučeniny A skrz oxidativní polymeraci na sloučeninu typu B (Obr. 5).

Obr. 5: Obecný vzorec urushiolu (sloučenina A) a produktu oxidativní polymerace (sloučenina B). V práci amerických autorů [11] jsou uvedena CP/MAS 13C NMR spektra orientálních laků pocházejících z Japonska a Číny. Píky úzce odráží strukturu sloučeniny B (Obr. 5). Postranní řetězce složené z CH2 a CH3 skupin tvoří píky v oblasti δ 20 – 50 ppm. Oblast δ 100 – 160 ppm je tvořena píky charakterizujícími aromatické a alkenické uhlíky, z nichž ty, které jsou vázané přes atom kyslíku, se vyskytují v oblasti vyšších chemických posunů. Malý pík s posunem δ 175 ppm náleží karboxylové skupině, jež je buď produktem oxidace, nebo byla do vzorku vnesena ve formě nějakého aditiva. Klíčovou je rezonance s δ 75 ppm, jež náleží vazbě C-O, kterou obsahuje pouze molekula B (Obr. 5). Rozdíl ve velikostech píku δ 75 ppm ve vzorcích Japonských a Čínských laků zřejmě souvisí se stupněm polymerace. 2.1.3. Jantar Jantar je fosilní forma terpenoidové (izoprenové) pryskyřice nalezená v mnoha částech celého světa, jež po mnoha staletí sloužila různým kulturám jako surový materiál pro výrobu různých dekorativních předmětů. Chemická povaha jantaru závisí jednak na biologickém, ale také na geologickém původu. Díky nekrystalické podobě a nízké rozpustnosti jantaru ve většině rozpouštědel se zúžilo pole analytických metod použitelných pro jeho charakterizaci. V roce 1982 popsali Lambert a Frye [12] CP/MAS 13C NMR spektrum Baltického jantaru a přiřadili jednotlivým uhlíkům funkčnost. Spektrum zobrazovalo signály v oblasti alifatických, olefinických a karbonylových uhlíků. Spektra vzorků Baltických jantarů byla v podstatě identická, charakterizovaná třemi slabými píky v karbonylové oblasti (karboxylový 51

ion, karboxylová kyselina a ester této kyseliny), dále rezonancemi exo-methylenové skupiny s δ 110 a 150 ppm, di a tri-substituovanými alkeny s δ 128 a 140 ppm a v neposlední řadě také uhlíky vázanými přes atom O v oblasti δ 60 a 70 ppm. Bylo analyzováno velké množství Evropských jantarů [13], které zahrnovalo vzorky náležící do dvou skupin. První z nich tvořily vzorky jantaru ze severní části Evropy, obsahující také Baltické jantary a druhou skupinu tvořily jantary z Evropy jižní. Ty druhé zmíněné obsahovaly ve svých spektrech slabé píky charakteristické pro karboxylové rezonance s δ 127 a 138 ppm. Na rozdíl od první skupiny neobsahovaly spektra těchto jantarů píky náležící exo-methylenové skupině. Lambert a kol. popsali ve svých dalších pracích [14-17] CP/MAS13C NMR spektra vzorků jantarů téměř z celého světa, konkrétně z Evropy, Dominikánské Republiky, Mexika, Severní a Jižní Ameriky, Austrálie, Nového Zélandu, Afriky, Severovýchodní a Východní Asie a Grónska. 2.2. Tuky, oleje a vosky Tuky a oleje jsou chemicky triestery glycerolu s dlouhým řetězcem tvořeným z tzv. mastných kyselin, které jsou rozmanitou skupinou, a ve struktuře triesteru glycerolu je znázorňuje na Obr. 6 skupina obecně označená R.

Obr. 6: Obecný vzorec triesteru glycerolu. Jediným rozdílem mezi tuky a oleji je, že první jsou pevné a druhé kapalné sloučeniny. Vosky jsou často spojovány s těmito sloučeninami, ale obecně obsahují několik chemických odlišností. Obvykle jsou tyto skupiny látek separovány pomocí plynové chromatografie (GC) nebo je můžeme analyzovat jako celek pomocí NMR. Beck a kol. [18], v jedné z prvních zmínek o využití NMR pro archeologické účely, popsali obsah skleněných nádob poskytnutých Corningským muzeem skla. Pomocí 1H NMR spektroskopie bylo potvrzeno, že jedna ze skleněných lahviček datovaných do 6 – 4 století př. n. l. obsahovala z velké části kyselinu olejovou nebo její soli. Autoři se domnívali, že kyselina olejová byla tou mastnou kyselinou, připojenou na triester glycerolu, jež následně hydrolyzoval. Jelikož ve spektru nebylo známky po glycerolu, byl zřejmě vymyt či rozložen. Autoři vyvodili takový závěr, že v lahvičce byl původně olivový olej, protože obsahuje až 85% kyseliny olejové jako postranní řetězec triesteru.

52

Podobná analýza pevného zbytku v poutní nádobě z Porýní datované do 3. století n. l. vedla k identifikaci kyseliny myristinové (tetradekanové) a palmitové (hexadekanové) [18], jež jsou součástí živočišných tuků. Cassar a kol. [19] zkoumali pomocí 13C NMR několik britských královských pečetních vosků použitých pro zapečetění státních dokumentů. Z výsledků bylo zřejmé, že pečetní vosky používané králem Štěpánem a králem Janem Bezzemkem ve 12. století, dávaly spektra odpovídající spektrům současných včelích vosků. Toto měření tudíž nejen že odhalilo chemickou povahu materiálu, ale také prokázalo dlouho trvající odolnost materiálu k chemické či mikrobiální degradaci. 2.3. Kosti Kosti a zubovina jsou kompozitní materiály tvořené anorganickými a organickými sloučeninami. Konkrétně zubovina je kalcifikovaná tkáň, která spolu se sklovinou, zubním cementem a dření tvoří základní stavební jednotku zubů. Organická část se skládá z bílkovin (zejména kolagenu) a tuků, zatímco anorganickou část tvoří především hydroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2. Již v minulosti se mnoho vědců zabývalo výzkumem a analýzou anorganické části kostí či zubů, nicméně velmi málo je toho známo o minerální povaze archeologických nálezů kostí a zubů a dále také o chemických a fyzikálních změnách (tzv. diagenezi), jež nastávají posmrtně. NMR v pevné fázi je užitečným doplňkem k dalším metodám (např. XRD) obvykle využívaných pro zjišťování stupně diageneze. Touto metodou je možno zjistit chemické okolí atomů uhlíku či fosforu přímo ve vzorku a to jak v krystalické, tak i v amorfní formě. Jednu z prvních studií archeologických nálezů pomocí 13C NMR v pevné fázi provedli Lee a kol. [20], kdy tyto výsledky porovnávali s výsledky XRD analýz. Předmětem jejich zájmu byly vzorky hovězího kolena starého okolo 15 000 let, nalezeného v jeskyni La Riera v Asturiasu (Španělsko). Z XRD experimentů bylo zřejmé, že vzorky obsahují kromě hydroxyapatitu s obsahem 0,5% uhličitanového iontu (obsah u kostí ze současnosti je okolo 35%) ještě hydrát fosforečnanu vápenatého (Ca3(PO4)2.(H2O)x) a kalcit (krystalická forma uhličitanu vápenatého CaCO3). Znalost obsahu uhličitanové složky je velice zajímavá, jelikož toho lze využít pro datování pomocí 14C a dále také pro nutriční analýzu vycházející z poměru izotopů uhlíku. CP/MAS13C NMR spektrum obsahovalo silný signál s posunem δ 168 ppm charakterizující kalcit. V tomto spektru se však nevyskytoval žádný zřetelný signál normálního uhličitanu (ne kalcitového typu) pocházející z hydroxyapatitové matrice, jenž by byl v souladu s malým množstvím prokázaným XRD analýzou. Na druhou stranu zde byly v oblasti 0-50 ppm nalezeny signály napovídající obsahu organické hmoty. Kombinací těchto dvou technik bylo tedy zjištěno, že proces diageneze zahrnuje vznik kalcitu a hydrátu fosforečnanu vápenatého, naopak obsah normálního kostního uhličitanu se tímto procesem zmenšuje. Pozdější studie zabývající se diagenetickou změnou archeologických nálezů kostí [21] v sobě spojovala spektroskopické metody, jako jsou 1H a 13C NMR v pevné fázi, IR spektroskopie a XRD analýza. Byly zkoumány vzorky lidských kostí nalezené v Poseidonově chrámu (Paestum, Itálie). Před analýzou byl povrch vzorků očištěn od zbytků minerálů, vysušen z důvodu odstranění povrchově vázané vody a upraven reakcí s kyselinou octovou 53

pro zjištění stupně diageneze. 1H MAS NMR spektrum vzorků po mechanickém čištění obsahovalo širší signál s δ 5 ppm náležící značnému množství vlhkosti. Po vysušení vzorku tento signál zmizel a naopak se vykreslil intenzivní signál s δ 4,8 ppm typický pro CaCO3.nH2O a NaHCO3. Po úpravě vzorku kyselinou octovou tento signál ze spektra zmizel, což potvrzuje eliminaci adsorbovaných karbonátů a bikarbonátů pomocí acidifikace (Obr. 7).

Obr. 7:1H MAS NMR spektrum vzorku kostí a) po mechanickém čištění; b) po odstranění vlhkosti; c) po úpravě kyselinou octovou. 13 CP/MAS C NMR spektrum obsahuje signály v oblasti 0-70 ppm náležící pozůstatkům amino kyselin pocházejících z kolagenu a dna signály s δ 170 a 174 ppm. Signál s δ 170 ppm po úpravě vzorku kyselinou octovou zmizne a tento signál tedy naznačuje přítomnost adsorbovaného kalcitu, zatímco signál s δ 174 ppm pochází ze strukturních CO2− 3 a organických karbonylů (Obr. 8).

Obr. 8:CP/MAS13C NMR spektrum vzorku kostí a) před a b) po úpravě kyselinou octovou. 2.4. Dřevo a papír Dřevo je komplexní přírodní kompozitní materiál skládající se z celulózy, hemicelulózy, ligninu a vody. Celulóza je především přítomna ve druhé vrstvě buněčné stěny ve formě mikrovláken, hemicelulóza je přítomna ve všech vrstvách buněčných stěn, zatímco 54

lignin se primárně nachází na rozích buněčných stěn. Hemicelulóza a lignin interagují s mikrovlákny celulózy za vzniku rigidní struktury s řadou chemických a anatomických vlastností, které jsou velmi proměnné a silně závisí na druhu rostliny a jejím věku. Degradace některé ze složek dřeva zapříčiňuje snížení mechanické odolnosti a pozměňuje morfologii. Právě posouzení stupně degradace či zhoršení kvality dřeva dané jeho morfologií, chemickými a fyzikálními vlastnostmi, je důležité pro výběr vhodné metody konzervace. Užitečným nástrojem pro studium strukturních změn dřeva je CP/MAS13C NMR spektroskopie. Tato problematika je natolik obsáhlá, protože zahrnuje velmi mnoho typů experimentů, že by jejich popis vystačil na samostatnou práci. Existuje komplexní publikace [22] shrnující a popisující tyto experimenty pro objasnění struktury archeologických nálezů dřeva pomocí 13C NMR spektroskopie v pevné fázi. Papír je jeden z nejstarších a v některých případech i vzácný uměle připravovaný materiál. Po mnoho století byl papír nástrojem pro zaznamenání událostí na celém světě. Historický papír se v mnoha směrech liší od papíru současného. Kvalita starověkého papíru byla obzvláště dobrá, pokud byl vyráběn z pečlivě vybraných kusů bavlněných hadrů bez známky nečistot. Následkem industrializace procesu výroby papíru se po roce 1850 jeho kvalita zhoršila. Nízká kvalita papíru pramenila z kmenů dřeva či jeho drtí, krom toho z celulózy, jež obsahovala značné množství hemicelulózy, ligninu a dalších nevláknitých složek. Množství těchto komponent se měnilo v souvislosti s daným procesem výroby papíru, typem vyráběného papíru a době, ve které byl vyráběn. Degradace papíru je velmi komplexní jev, zahrnující především vlivy chemické, fyzikální a biologické. Existuje opět spousta prací zabývajících se studiem složení či degradace jednotlivých složek papíru pomocí NMR spektroskopie. Např. práce italských vědců [23] popisuje pomocí CP/MAS13C a 1H NMR relaxací celulózní komponenty papíru, přítomnost amorfních nečistot a obsah vody. 2.5. Textil Historické oděvy či textil reprezentují zdroj informací o historii a vývoji vědy a technologií. Textilní látky vyráběné z přírodních vláken a rostlinných či živočišných barviv mají tendenci snadno degradovat. Metodou CP/MAS13C NMR spektroskopie byly zkoumány tři hedvábné vzorky pocházející ze severovýchodního Japonska ze tří rakví datovaných do 12. století [24]. Analýza byla zaměřena především na rezonance karbonylové skupiny s δ 170-174 ppm (Obr. 9), odpovídající karbonylům peptidických vazeb v molekule fibroinu (bílkovina vytvářená larvami Bource morušového, která je jednou ze složek hedvábí) a přisuzované rozdílům ve složení zbytků amino kyselin, jako jsou alanin a glycin. Z intenzity píků byl spočítán obsah glycinu, jež byl důležitý pro další část výzkum zabývající se kvalitou těchto hedvábných vzorků v závislosti na klimatických podmínkách. Bylo zjištěno, že při vyšších teplotách bylo produkováno hedvábí s nižším obsahem glycinu.

55

Obr. 9:CP/MAS13C NMR spektrum vzorku hedvábí z rakví tří japonských panovníků a) Kiyohira; b) Motohira; c) Hidehira.

3. Závěr Existuje mnoho aplikací různých metod NMR spektroskopie ke sledování, charakterizaci a výzkum archeologických předmětů či pozůstatků. Tento rozmanitý soubor publikací jasně ukazuje, že se technika NMR netýká pouze specifických aplikací, ale může být úspěšně aplikována na širokou škálu řešení problémů v rámci předmětů kulturního dědictví. Pomocí NMR můžou archeologové identifikovat zdroje surových materiálů, ověřovat pravost artefaktů či popsat starověké technologie. Získané údaje mohou také poskytnout hodnotné informace konzervátorům.

Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektům Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0273 a IT4 Innovations Centre of Excellence, reg. č. CZ.1.05/1.1.00/02.0070.

56

CHROMATOGRAFICKÉ METODY PRO CHARAKTERIZACI HISTORICKÝCH A JINÝCH MATERIÁLŮ doc. Ing. Daniela Plachá, Ph.D.

Úvod Chromatografické metody patří mezi nejpoužívanější analytické metody v analýze organických látek v řadě průmyslových, klinických a environmentálních aplikací. Používají se zejména k charakterizaci produktů z hlediska zastoupení a obsahu organických látek, ke stanovení čistoty průmyslových produktů a případně ke stanovení obsahu nečistot, k zjištění výskytu a množství určitých organických látek v různých složkách životního prostředí a v odpadních materiálech, ke stanovení látek významných z toxikologického hlediska v soudním lékařství a forenzní analýze a rovněž mají velký význam pro aplikace ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu a v zemědělství. Analýza historických a uměleckých materiálů a archeologických předmětů je další zajímavou aplikací chromatografických metod umožňující identifikaci přírodních, ale v současné době už i syntetických materiálů, a jejich degradačních produktů, které byly použity pro výrobu předmětu, např. pojiva barev nebo adhesiva či voděodolná činidla apod. Pomocí chromatografie lze rovněž identifikovat organické zbytky, obsažené v nádobách, vypovídající o životě minulých generací. V analýze materiálů, a rovněž nanomateriálů, má chromatografie význam především v testování jejich vlastností. Například se používá pro testování účinnosti nanostrukturovaných sorbentů a účinnosti katalyzátorů, pro zjišťování interakcí mezi organickými molekulami a nanostrukturovanými nosiči, např. při kotvení biologicky aktivních látek na nanostrukturované uhlíkaté materiály nebo anorganické materiály jako jsou zeolity, jílové minerály, hydrotalcity apod., nebo v oblasti systémů pro kotvení léčiv a jejich transport v organismech. Nanočástice organických látek mají velký potenciál ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu, v tomto případě je chromatografie využívána pro jejich identifikaci a kvantitativní stanovení, a rovněž pro stanovení jejich průchodu umělými membránami. Chromatografické metody patří k separačním metodám umožňujícím rozdělení různě složitých směsi látek na jednotlivé složky a poskytujícím informaci o kvalitativním i kvantitativním stanovení obsahu látek ve vzorku. Využití má zejména v oblasti analýzy organických látek, ale umožňuje stanovení i některých anorganických látek, např. anorganických iontů nebo plynů (CO, CO2, H2 apod.) [1]. Princip chromatografických metod spočívá v distribuci složek analyzovaného vzorku mezi dvě vzájemně nemísitelné fáze, z nichž jedna je mobilní a druhá je stacionární. Pohyblivá mobilní fáze, kterou tvoří plyn, kapalina nebo tekutina v nadkritickém stavu (plynová, kapalinová a superkritická chromatografie) proudí v chromatografickém systému a unáší jednotlivé složky vzorku přes/nebo podél stacionární fáze.

57

Stacionární fáze je nepohyblivou složkou systému a jedná se o kapalnou nebo pevnou látku, která je ukotvena na pevném nosiči. Směs látek je nanesena na začátek stacionární fáze a mobilní fází je unášena chromatografickou soustavou. Jednotlivé látky ve směsi interagují se stacionární fází a při průchodu soustavou dochází k mnohonásobnému opakovanému vytváření rovnovážných stavů mezi oběma fázemi na základě různých fyzikálně-chemických vlastností jednotlivých látek. Během tohoto jevu dochází k postupné separaci látek. Látka, která nejméně interaguje se stacionární fází, vychází z chromatografické soustavy jako první [1]. V případě přístrojové analýzy separované složky vstupují do detektoru. Detektor reaguje na změny složení mobilní fáze protékající detektorem, které převádí na elektricky měřitelné veličiny. Signál detektoru je funkcí koncentrace složky, která vstupuje do detektoru nebo je funkcí množství složky vstupující do detektoru. V současné době mají největší význam hmotnostní detektory, které se vyznačují vysokou citlivostí a umožňují identifikaci látek nejen s pomocí analýzy standardů, ale především na základě porovnání zjištěného hmotnostního spektra analyzované látky se spektry standardů dostupných v komerčně dodávaných nebo analytikem naměřených databázích hmotnostních spekter [1]. Velmi důležitým bodem v chromatografické analýze je úprava vzorku před vlastní analýzou. Původní vzorky, které mohou použity pro analýzu, mohou být v jakémkoliv skupenství. Mohou to být pevné látky (půda, odpad, farmaceutický produkt, potravinářská substance, průmyslový materiál, sorbent, historický předmět apod.), kapalné látky (průmyslové produkty, odpadní, podzemní, povrchové a pitné vody, tělní tekutiny) nebo plynné látky (vzduch, půdní plyn, odpadní plyn, pyrolyzní plyn apod.). Před chromatografickou analýzou je nutno ve většině případů analyzované látky z původního vzorku vhodným způsobem izolovat, zpravidla se využívá některá z extrakčních metod, při kterých je látka převedena za určitých podmínek do vhodného organického rozpouštědla (hexan, heptan, toluen, dichlormethan, isooktan). Pouze některé vzorky lze analyzovat přímo, například vzorky různých plynů nebo ovzduší, nebo vzorky určené pro pyrolýzní chromatografii, případně iontovou chromatografii apod. V některých případech lze organické látky chromatograficky analyzovat obtížně, například v plynové chromatografii z důvodu přítomnosti polárních funkčních skupin, které snižují těkavost látek, zvyšují jejich tepelnou nestabilitu nebo u látek, které mohou být adsorbovány v nástřikovém prostoru chromatografu nebo mohou interagovat se stacionární fází. Výsledkem takových analýz jsou nereprodukovatelné plochy a výšky chromatografických píků vedoucí k obtížně interpretovatelným výsledkům. Řešením takovéto analýzy je derivatizace analyzovaných látek. Derivatizace může být rovněž prováděna z důvodu nízké odezvy analyzované látky na určitém typu detektoru. Pokud není laboratoř vybavena jiným vhodným detektorem, je derivatizační metoda možným způsobem, jak zvýšit citlivost stanovení a dosáhnout nižších mezí stanovitelnosti a detekce [2-7]. Derivatizační metody obecně přispívají ke zlepšení chromatografických vlastností analyzovaných látek. Zásadním krokem je pro danou látku a použitou metodu vybrat vhodný derivát a vhodné derivatizační činidlo. Výběr derivatizačního činidla je dán funkční skupinou, která má být derivatizována, přítomností dalších funkčních skupin v molekule analyzované látky, a zároveň účelem, za kterým je látka derivatizována [2-7]. Na druhé straně může derivatizace přispívat k řadě analytických problémů, např. zvýšení nejistoty měření při 58

analýze, prodloužení doby analýzy, kontaminaci systému apod. Proto by s derivatizačními technikami měl vždy pracovat zkušený analytik s odpovídající praxí v analýze organických látek. Předložený text však vychází z předpokladu, že čtenář již zná principy chromatografických metod, jejich rozdělení a využití, včetně úpravy vzorků před chromatografickou analýzou a má za cíl pouze ukázat některé aplikační možnosti chromatografických metod na vybraných příkladech, týkajících se analýz historických předmětů, screeningové analýzy prachu odebraného v prostorách budovy a stručného vyjmenování některých možností aplikace derivatizačních postupů.

59

1. Aplikace chromatografických metod v analýze historických předmětů Chromatografické metody, zejména ve spojení s hmotnostní spektrometrií, mají pro obory zabývající se historickými a uměleckými předměty velký význam. Od nepaměti člověk využíval přírodní materiály k vytváření různých předmětů, které sloužily k jeho životu i k potěšení. Od minulého století k těmto přírodním materiálům přibyly i materiály syntetické. Historické a umělecké předměty zahrnují zejména textilie, knihy, sochy, obrazy, archeologické předměty, nábytek [7]. Z vědeckého hlediska má chromatografie přínos i v analýze organických zbytků ulpívajících na zkoumaných předmětech, například nádobách, které umožňují určit například druh potravy v daném období. Identifikace látek je velmi náročná, protože organické látky podléhají v průběhu času degradačním procesům. Proto je nutné pro správnou identifikaci původního materiálu znát nejen výchozí látky, ale i jejich degradační produkty. Chromatografické metody lze použít pro stanovení [7]:  proteinů pocházejících z mléka, bílku, želatiny a klihu, hedvábí a vlny, z rostlinných produktů, ale i z živočišných organismů, které jsou součástí pojiv v malbách, adhesiv, textilií, pergamenů apod.,  glycerolipidů vyskytujících se v živočišných a rostlinných olejích, tvořících součást pojiv v malbách, laků, kosmetických a léčebných přípravků,  vosků, vyskytujících se v kosmetických a léčebných přípravcích, v přípravcích na ochranu povrchů, v pojivech, v tmelech apod.,  přírodních rostlinných a živočišných pryskyřic, zahrnujících i dehtové a smolné pryskyřice vznikající tepelným zpracováním dřeva nebo rostlinných pryskyřic,  polysacharidů, např. škrobu, celulózy, rostlinných gum v pojivech a adhesivech a v papíru,  organických barviv používaných pro malby a textilie,  syntetických polymerů, vyskytujících se v materiálech a předmětech moderní historie. Při analýze těchto látek se používá pro detekci s výhodou hmotnostní spektrometr, protože obvykle se jedná o identifikaci látek ve složité matrici vzorku. Tyto analýzy mohu být vedeny buď s cílem zjistit látky, které se ve vzorku nachází, tzv. screeningové analýzy, nebo to mohou být analýzy cílené na určité látky, tzv. metoda SIM (z angl. Single Ion Monitoring) nebo v současnosti nejmodernější metody SRM (z angl. Selected Reaction Monitoring) s využitím plynové chromatografie s tandemovou hmotnostní spektrometrii. Příkladem screeningové analýzy je analýza historických předmětů, které byly označeny: č.3 stolní dřevěný polychromovaný krucifix s výjevem kavalérie, se zdobným podstavcem, č.5 část plastické výzdoby rámu obrazu Venkovský dvůr, aut. Kurt Geabuer, č. 6 fragment plastické výzdoby a předmět č. 7 fragment části plastické výzdoby rámu obrazu Umučení Krista, které byly analyzovány v laboratoři organické analýzy Centra nanotechnologií VŠB-TUO v rámci diplomové práce [8]. Soubor předmětů byl získán z depotu Slezského zemského muzea v Opavě a z depozitáře konzervátorského centra Ústavu historických věd, filosoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě. Hlavním cílem zmíněné diplomové práce byl průzkum složení povrchových úprav zhotovených technikou plátkového zlacení a technikami zlacení 60

práškovými kovy na souboru historických předmětů, pozornost byla zaměřena především na části obrazových rámů a jejich rekonstruované části z plastických hmot. Chromatografická metoda (plynová chromatografie s hmotnostní detekcí – GC/MS) v této práci byla použita pro analýzu složení pojiv a podkladových vrstev [8]. Soubor předmětů byl podroben nejdříve analýzám s využitím infračervené spektroskopie, kterou byla ve vybraných vzorcích potvrzena převažující přítomnost dihydrátu síranu vápenatého a kalcitu, avšak byly zaznamenány i stopy alifatických nenasycených uhlovodíků. Z toho důvodu byla následně provedena screeningová analýza vzorků metodou GC/MS s cílem zjistit, o jaké látky se jedná [8]. Vzorky byly z předmětů odebrány železným skalpelem a železnou lupínkovou pilkou, následně byly nadrceny v achátové třecí misce na prášek. Prášek byl následně extrahován velmi jednoduchým způsobem dichlormethanem v ultrazvukové lázni po dobu 20 min, poté byla dichlormethanová frakce odebrána, přefiltrována, zakoncentrována v proudu dusíku na objem 500 µl a analyzována metodou GC/MS s využitím přístroje ThermoScientific TRACE GC Ultra; TSQ Quantum XLS. Jako stacionární fáze byla použita TG-5 SIL MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm), nosný plyn hélium. Jednotlivé látky byly identifikovány v rozsahu m/z 80 – 500amu, identifikace látek byla provedena s využitím databáze spekter NIST11, spektrum bylo spolehlivě identifikováno, byla-li pravděpodobnost shody spektra analyzované látky s látkou v databázi 85% a výše. Ze souhrnného overlay chromatografických záznamů jednotlivých vzorků (Obr. 1.) je patrné, že vzorky (č. 3,5,6) obsahují stopy organických látek podobného složení. c:\data gc\2014_4_16\dcm

4/16/2014 9:09:04 AM

RT: 0.00 - 56.50 NL: 5.00E8

100

T IC MS vz_3

32.93

95

NL: 5.00E8

90

T IC MS vz_5

85

NL: 5.00E8 T IC MS vz_6

80

NL: 5.00E8

75

T IC MS vz_7

70

NL: 5.00E8

65

T IC MS dcm

Relative Abundance

60 55 50

32.20 32.79

45 33.58

25.52

40 35 30

31.12 29.79

25 24.81 20

32.13 28.99

32.72

15 31.07

33.46

24.48

10

9.74

5 6.14 0 0

5

7.21 8.81 8.32 9.75 8.82

10.99 10

29.97 31.04 28.22

23.98

15.21 15

18.10 18.86 20

22.76 23.48

26.11 25

27.75

31.02 31.46 33.46

30 Tim e (m in)

35.77

34.30

35.71 37.25

36.80 35

41.36

40

43.88 45.61 46.28 48.89 51.37 45.55 47.43 45

50

55.54 55

Obr. 1: Overlay chromatografických záznamů analyzovaných předmětů (autor: D. Plachá, R. Němec)8. Obecně byla ve všech analyzovaných vzorcích zjištěna přítomnost mnoha organických látek, jejichž identifikace za použití zvolené metody byla obtížná, v dalším kroku by bylo vhodné extrakt přečistit, případně použít derivatizační metody apod. V daném případě šlo pouze o zjednodušenou analýzu.

61

Spolehlivě identifikovanou složkou všech analyzovaných vzorků byla skupina kyselin: kyselina palustrová, primarová a abietová, které byly přítomny ve všech analyzovaných vzorcích (pravděpodobnost shody spekter byla vyšší než 90%). Kromě těchto kyselin byly ve vzorcích identifikovány těkavé i netěkavé terpenoidní látky a fenolické doprovodné sloučeniny charakteristické pro rostlinné pryskyřice. Rostlinné pryskyřice byly v minulých dobách používány jako pojiva, repelenty a ochranné nátěry. Na základě přítomnosti di- a triterpenoidních látek ve vzorcích lze odvodit, že analyzované vzorky obsahují stopy přírodních pryskyřic [8]. Kyselina palustrová, levopimarová, abietová, isopimarová, pimarová patří k diterpenoidním kyselinám. Tyto kyseliny pocházejí z jehličnatých stromů, zejména borovic a jsou součástí kalafuny, což je diterpenoidní pryskyřice získávaná jako pevný zbytek po odparu terpentýnové silice z balzámů borovicovitých stromů. Diterpenové kyseliny a jejich soli, např. abietany a pimaranyjsou charakteristické pro přítomnost borovicových pryskyřic (Pinaceaeresins) v historických předmětech [7,8]. Kyselina abietová je v rozdílném množství téměř vždy přítomna ve všech typech přírodních rostlinných pryskyřic, kyselina palustrová je rovněž typem abietových kyselin. Z uvedeného vyplývá, že identifikované látky jsou produkty polymerace při tuhnutí pojiv a olejů rostlinného původu. Vzorky pravděpodobně obsahovaly kalafunu, což je nejběžnější typ pojiva používaného při přípravě plastické hmoty, tzv. vařené pozlacovačské masy [8]. Ve vzorku č. 7 nebyly tyto kyseliny identifikovány, pravděpodobně v tomto případě bylo použito jiného typu pojiva na přírodní bázi. Pro upřesňující informace o dalších obsažených látkách je nutné zavést vhodné analytické metody pro izolaci a stanovení jednotlivých složek.

2. Screeningová analýza kontaminace vnitřního prostředí Významné využití chromatografických metod je v oblasti environmentálních analýz, protože mnoho organických látek antropogenního původu patří mezi závažné kontaminanty životního prostředí negativně ovlivňující zdraví lidských a živočišných organismů. K této problematice se řadí i znečištění vnitřního prostředí, které je lokalizováno uvnitř budov. Vzhledem k tomu, že v muzejních depozitářích jsou uchovávány obsáhlé sbírky předmětů nejrůznějšího původu a charakteru a tyto sbírky musí být uchovávány a chráněny před možným poškozením pro další generace, jsou jednotlivé exponáty ošetřovány mnoha přípravky, které mohou mít negativní dopad na zdraví člověka i na kontaminaci okolního prostředí. V minulosti byly často využívány látky jako DDT, pentachlorfenol, organocíničité sloučeniny, arsen a jeho sloučeniny, rtuť a její sloučeniny atd. Z tohoto důvodu byly provedeny screeningové analýzy prachu pocházejícího z vybraných prostorů depozitáře Slezského zemského muzea v Opavě s cílem zjistit, zda-li se v prachu vyskytují závadné organické látky výše uvedeného charakteru. Prach pro analytické účely byl odebrán pomocí štětečku z podlahy, z povrchu nábytku a z dveřních rámů. Rovněž byl odebrán vzorek z vysavače, používaného v těchto prostorách. Vzorky pocházející z depozitáře dřevěných truhlic a z depozitáře zoologických preparátů byly odebrány do čistých tmavých vzorkovnic a odeslány do laboratoří Centra nanotechnologií VŠB-TUO, kde byly neprodleně analyzovány. 62

Vzorky prachu byly v laboratoři zbaveny větších částic, úlomků dřeva, nežádoucích příměsí, prosety na frakci pod 200 µm a extrahovány metodou tlakové extrakce směsí hexan:aceton (1:1) ve třech cyklech (3x15 ml) při teplotě 100°C a tlaku 100 bar. Pro tlakovou extrakci byl použit přístroj firmy Büchi E-916.Získaný extrakt byl zakoncentrován na cca 2 ml pod proudem dusíku a následně přečištěn na koloně obsahující síran sodný bezvodý a silikagel (v množství 2g každého). Pro eluci látek byl použit hexan. Přečištěný extrakt po zakoncentrování na objem 500µl byl analyzován metodou GC/MS s využitím přístroje Agilent Technologies 7890 s hmotnostním detektorem 5975C Inert XL MSD, Triple Axis Detector. K analýze byla použita kolona DB XLB 30m x 0,25mm x 0,25µm. Analýza probíhala ve scan modu, v rozsahu 45-550 amu. K identifikaci látek byla použita databáze spekter NIST11 [9]. V obou analyzovaných vzorcích prachu bylo identifikováno cca 200 organických látek, z toho bylo spolehlivě identifikováno pouze několik desítek (pravděpodobnost shody spektra analyzované látky se spektrem této látky v databázi spekter byla vyšší než 85%). Vzorek prachu z depozitáře zoologických preparátů vykazoval mnohem vyšší zastoupení identifikovaných látek než vzorek prachu. V obou vzorcích mezi identifikovanými látkami převažovaly alifatické rozvětvené a nerozvětvené uhlovodíky s delšími uhlíkatými řetězci, polycyklické aromatické uhlovodíky a jejich alkylderiváty [9]. V případě vzorku z depozitáře byly identifikovány rovněž látky pocházející z přírodních pryskyřic jako bornylacetát a kafr a rovněž všudypřítomné ftaláty, které zde byly identifikovány ve větším množství, než se obvykle v prostředí vyskytují. Přítomnost uhlovodíků jednoznačně prokázala ošetřování sbírky přípravky na bázi olejů. Ve vzorcích zároveň byla prokázána přítomnost dichlorbenzenů a naftalenu, které se používají jako insekticidy. Naftalen může pocházet z okolního vnějšího prostředí [9]. V případě vzorku prachu pocházejícího ze zoologického depozitáře byly identifikovány rovněž alifatické, cyklické a polycyklické aromatické uhlovodíky a jejich alkylderiváty, avšak v daleko vyšším zastoupení. Mimo uvedené skupiny látek byly ve vzorcích identifikovány kafr a permethrin. Permethrin je široce užívaný insekticid, kterým byly zdejší exponáty pravděpodobně ošetřeny. Analýza obou vzorků ukázala, že chromatografie může poskytnout velmi důležité informace o možné kontaminaci prostředí. V daném případě se jednalo pouze o rychlé kvalitativní vyhodnocení situace. Následné monitorování vyžaduje přípravu vhodných analytických metod pro odběr vzorků, pro extrakce i vlastní chromatografickou analýzu.

3. Další aplikace se zaměřením na derivatizace vzorku Vzhledem k významu derivatizačních metod v oblasti analýz organických látek v historických materiálech, v potravinářských a farmaceutických materiálech a v soudním lékařství je dále uvedeno několik příkladů analýz, které tento způsob využívají. 3.1. Derivatizace a analýza aminokyselin metodou GC/MS [6] Aminokyseliny obsahují karboxylovou skupinu -COOH, aminoskupinu-NH2, případně hydroxylovou -OH, nebo thiolovou -SH skupinu. Tyto skupiny dávají aminokyselinám 63

vysoce polární charakter, a před analýzou metodou plynovou chromatografií GC a GC/MS musí být derivatizovány. Při derivatizaci jsou převedeny na mnohem těkavější deriváty, které jsou méně reaktivní, a tím je zlepšeno jejich chování v průběhu chromatografické separace. Silylačním činidlem může být například N-tert-butyldimethylsilyl- N-methyltrifluoracetamid (MTBSTFA), viz Obr. 2. Vzniklé tert-butyldimethylsilylderiváty (TBDMS) jsou stabilnější a odolnější vůči působení vlhkosti. Postup derivatizace může být následující: 50μl směsi obsahující L-aminokyseliny (91 μg/ml) v 0.1M HCl bylo vysušeno. Ke směsi bylo přidáno 100μl MTBSTFA a 100μl acetonitrilu. Směs byla zahřívána po dobu 4 hod při 100 °C, po neutralizaci směsi roztokem uhličitanu sodného byla provedena analýza metodou GC/MS na chromatografické koloně se stacionární fází 5%fenyl-95%methylpolysiloxan. Při detekci byla využita metoda SIM pro charakteristické fragmenty silylderivátů [6].

Obr. 2: Derivatizace karboxylové kyseliny činidlem MTBSTFA [6]. 3.2. Analýza estrogenních látek a amidu kyseliny lysergové (LSD) [6] Estrogenní látky (17-α-estradiol, 17-β-estradiol, estron, estriol), ale také LSD, vykazují bez derivatizace (Obr. 3) při použití plynové chromatografie velmi nízkou nebo téměř žádnou odezvu. Přidáním trimethylsilylových skupin (TMS) do jejich molekul vzniká velmi výrazná a ostrá odezva. Při přípravě metody je nutno optimalizovat čas derivatizace. Bylo zjištěno, že tři estrogenní látky ze čtyř byly derivatizovány během 30 min při 75°C. Pouze estriol vyžadoval delší dobu derivatizace. Reakční doba byla zvýšena na 45 min, poté byla směs ponechána přes noc při pokojové teplotě. Analýza GC/MS potvrdila plně dokončenou derivatizaci [6]. LSD byl derivatizovánobdobným způsobem. Následně bylo zjištěno, že při teplotě 68 °C po 5 hodinách bylo derivatizováno pouze 60 % LSD, při 75 °C byla derivatizace provedena z 95%. Z uvedeného vyplývá, že čas a teplota, při které derivatizační reakce probíhá, mají velký význam pro zdařilý průběh reakce. Každá analýza, využívající derivatizaci analyzovaných látek, musí být pečlivě optimalizována [6]. Významným faktorem je i koncentrace derivatizačního činidla, které se často používá v přebytku.

64

Obr. 3: Methylamid kyseliny lysergové. 3.3. Analýza léčiv metodou GC, GC/MS [6] Pro analýzu léčiv lze využít řadu derivatizačních činidel: silylační a fluorovaná činidla, např. anhydrid kyseliny trifluoroctové (TFAA), anhydrid kyseliny pentafluorpropanové (PFAA) nebo kombinacisilylačních činidel N,Obis(trimethylsilyl)trifluoroacetamid/trimethylchlorosilan (BSTFA/TMCS). Činidla jsou korozivní a mohou snadno poškodit stacionární fázi v chromatografické koloně. Velký význam má silylační činidlo 2,2,2-trifluoro-N-methyl-N-(trimethylsilyl)acetamid (MSTFA). Při této silylaci je N-methyltrifluoracetamid, který je mnohem těkavější, než např. N,Obis(trimethylsilyl)acetamid (BSA) a BSTFA a umožňuje stanovit látky, které jsou plynovou chromatografií obtížně stanovitelné. Navíc nevykazuje korozivní účinky na stacionární fázi. Účinek činidla může být navíc zvýšen použitím katalyzátorů nebo aditiv, které vychytávají vznikající vedlejší produkty. MSTFA reaguje s jodidem amonným za vzniku trimethyljodsilanu (TMSI), který je mnohem výraznějším derivatizačním činidlem. V tabulce 1 jsou uvedena léčiva a vhodná derivatizační činidla k analýze [6]. Tab. 1: Léčiva a vhodná derivatizační činidla [6]. Skupina léčiv

Derivatizační činidla

Amfetaminy

MSTFA + 1% TMCS TFAA BSTFA BSTFA

Barbituráty Marihuana

LSD

Opiáty

BSTFA + 1% TMCS BSTFA MSTFA MSTFA + 1% TMCS BSA BSTFA MSTFA TFAA BSTFA + 1% TMCS TFAA BS

65

3.4. Nesteroidní protizánětlivá léčiva [6] Analýzu nesteroidních protizánětlivých léčiv (acetylsalicylová kyselina, ibuprofen, indomethacin, sodná sůl diclofenaku, fenylbutazonu apod.) ve vodě lze provést metodou GC/MS po silylační derivatizaci. Mezi nejdůležitější silylační činidla v této analýze patří MSTFA, s přídavkem katalyzátoru nebo aditiva interagujícího s vedlejšími produkty silylační derivatizace. Reakcí s jodidem amonným vzniká TMSI, který je účinnějším derivatizačním činidlem. K derivatizaci se používají směsi silylačních činidel nebo MSTFA či BSTFA. 3.5. Využití derivatizace v analýzách historických, uměleckých a archeologických předmětů [7] Typickým příkladem je analýza lipidů, které mohou pocházet v historických předmětech z různých zdrojů, např. z rostlinných olejů, živočišných tuků a vosků apod. Materiály na bázi lipidů byly od dávných dob využívány jako potravina, barviva, impregnující činidla, pojiva a ingredience v léčivech, kosmetických prostředcích a balzámech. Hlavní podskupinou lipidů jsou tuky a oleje. Jejich analýza se skládá z několika kroků, kdy v první fázi je nutné extrahovat nebo rozpustit vysokomolekulární lipidické složky na nižší molekuly (mastné kyseliny a alkoholy) včetně rozštěpení esterických vazeb, eliminovat z extraktu nežádoucí příměsi vhodnou čistící metodou a následně převést mastné kyseliny a ostatní polární molekuly na těkavé deriváty vhodnou derivatizační metodou. Karboxylové funkční skupiny jsou obvykle převáděny na propyl- a methyl-estery, deriváty ethylchlorformiátu, tert-butyldimethylsilylestery nebo trimethylsilylestery. K derivatizacím se používají činidla: CH3OH v HCl, diazomethan, N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoracetamid (BSTFA) s nebo bez 1% trimethylchlorsilanu (TMCS) [7]. Derivatizace se rovněž využívá při analýze pryskyřičných materiálů, terpenů apod. Analýza opět probíhá v několika krocích: nejdříve je prováděna extrakce organickými rozpouštědly, dále probíhá alkalická hydrolýza, a derivatizační metody s využitím trimethylsilylačních činidel (TMS), BSTFA, diazomethanu nebo kombinace TMS a diazomethanu [7]. Jak bylo uvedeno výše, derivatizace rovněž přispívá významně k analýze proteinů a aminokyselin, například v pojivech barviv na bázi proteinů. Derivatizačními činidly, která se využívají v této oblasti, jsou TFAA v methanolu, TFAA v isopropanolu nebo butanolu, N,Obis(trimethylsilyl)acetamid, N-tert-butyldimethylsilyl-N-methyltrifluoracetamid, methylchlorformiát nebo ethylchlorformiát.

4. Závěr Chromatografické metody mají nejvýznamnější zastoupení v analýze organických látek. Vzhledem k jejich možnostem, široké aplikační oblasti a zejména citlivosti lze předpokládat jejich další rozvoj v blízké budoucnosti, i když současné přístroje již splňují požadavky na velmi náročné aplikace. Jsou však doprovázeny řadou nevýhod, které analytik musí vzít v potaz. Nejen zvážení vysokých nákladů na provedení analýzy, ale především nutnost dodržování správné laboratorní praxe při vlastní analýze a zejména při přípravě

66

vzorků, pravidelná údržba chromatografického systému, používání chemikálií a rozpouštědel o vysoké čistotě apod. jsou nezbytným pravidlem pro zajištění kvalitních výsledků.

Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektům Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0273 a IT4 Innovations Centre of Excellence, reg. č. CZ.1.05/1.1.00/02.0070.

67

VYUŽITÍ STRUKTURNÍCH ANALYTICKÝCH DAT PRO MOLEKULÁRNÍ MODELOVÁNÍ NANOMATERIÁLŮ doc. Ing. Gražyna Simha Martynková, Ph.D.

Úvod a historie Historie modelování a molekulárního modelování v chemii a materiálových vědách sahá do období před čtyřmi stoletími. Od dob 17. století, kdy J. Kepler přemýšlel nad symetrií sněhové vločky a také nad těsným uspořádáním sférických objektů (tento problém zůstal nevyřešen až do nedávné doby), můžeme považovat historii modelování jako započatou. Symetrické uspořádání těsně uspořádaných koulí zahrnuje teorie molekulární struktury z konce 19. století. Dalton si představoval sloučeniny jako seskupení kruhových atomů. Zpřesnění symboliky se objevuje v představách německého chemika českého původu F. A. Kekulého a skotského chemika A. S. Coupera, kteří poprvé operují s mocenstvím prvku souvisejícím s počtem atomů vodíku (jednovazného), které může atom prvku vázat. Podle Kekulého je atom uhlíku čtyřvazný, může tedy vázat čtyři atomy vodíku. Couper vytvořil základy grafické formy psaní strukturních vzorců se spojovacími čárkami (později označovanými jako valenční čárky). Dva atomy kyslíku v molekule vyplývají z použití nesprávné hodnoty jeho atomové hmotnosti - 8. V roce 1865 navrhl Kekulé grafický způsob znázornění vzorců, které měly být modelem atomů, promítnutých do roviny papíru. Původní grafický symbol molekuly benzenu nebyl dostatečně názorný. V témže roce Kekulé navrhl pro molekulu benzenu známý vzorec v podobě šestiúhelníku s pravidelně se střídajícími jednoduchými a násobnými vazbami. Po něm navrhli vzorce pro benzen i jiní autoři. Kekulého vzorec molekuly benzenu se ukázal být nejvhodnější. Současná symbolika organických sloučenin vychází ze strukturní teorie, jejímž autorem je ruský chemik A. M. Butlerov a německý chemik F. A. Kekulé. Podle nich vlastnosti sloučenin souvisí s jejich strukturou. Na vědecký základ byla strukturní teorie postavena na začátku 20. století aplikací tzv. elektronové teorie (Stark 1906) uplatnění valenčních elektronů při utváření vazby mezi atomy. Loschmidt nevytvořil fyzikální model, ale jeho diagramy založené na kruzích jsou dvojrozměrné analogie pozdějších modelů. Hofmann vytvořil první fyzikální molekulární model kolem roku 1860. J. H. van't Hoff (nositel 1. Nobelovy ceny za chemií) a J. le Bel představili koncept chemie v prostoru - stereochemie ve třech rozměrech. Van't Hoff sestavil čtyřstěnné molekuly představující trojrozměrné vlastnosti uhlíku. 60. léta 20. století přichází s molekulární grafikou díky rozvoji počítačové techniky. Význam molekulárního modelování při výzkumu a inovacích v oblasti materiálových věd by se dal definovat následujícími body. Urychlení inovací: Modelování poskytuje vědcům v oblasti materiálového inženýrství a výzkumným týmům vyvinutí nových a cenově atraktivnějších materiálů s lepšími parametry a to rychleji a efektivněji než metodami testování a experimentování samostatně. Umožní konfrontaci analytického výstupu a modelu pro daný testovaný materiál.

68

Snížení nákladů: Modelování dokáže snížit až 10 krát náklady na experimenty nezbytné k zavedení nového produktu. Vytváření molekulárních modelu je úzce závislé na experimentálním postupu a výsledcích. Data z experimentálních výstupů, analytická měření a další statistické podklady jsou vstupními parametry pro modely. Typ požadovaných vstupních parametru pro model závisí na charakteristikách studovaného materiálu. Krystalické látky, pro které je charakteristická uspořádanost materiálu, poskytují mnohem více parametru pro tvorbu modelu než látky polykrystalické a amorfní, které jsou málo uspořádané nebo mají uspořádání na tzv. velkou vzdálenost. Požadavky na vytvoření věrohodného modelu jsou dány i metodou přípravy testovaného materiálu. Zejména pro dynamické modely je důležité znát podmínky přípravy, jakými jsou teplota, tlak, počet částic v reakci nebo rychlost reakce [1].

69

1. Základní data pro modely materiálů a nanomateriálů Pro tvorbu modelových výstupů pro materiálové vědy jsou důležitá vstupní data, která jsou ve většině případů tvořena výstupy strukturních analytických metod. 1.1. Rentgenová difrakční analýza a data rentgenové difrakční analýzy Strukturní data jsou získávány s využitím rentgenové difrakční analýzy Obr. 1. Metoda rentgenové difrakční analýzy poskytuje informace o složení zkoumaného materiálu po stránce fázové, strukturní - analýzou profilu píku a informace o krystalinitě získáme výpočtem. Je možno hodnotit parametry textury, polytypy nebo poruchy ve struktuře materiálu.

Obr. 1: Schéma difraktometru a jeho možností aplikací. Difraktogramy (difrakční záznamy Obr. 2) poskytují strukturní informace o materiálech. Mikro-a nano-struktura materiálu je dána fundamentálními vlastnostmi, jako: a) velikost krystalitů, b) distribuce velikosti částic, c) struktura defektu, d) textura, e) mikro a makro deformace, atd. Výsledky rentgenové difrakce jsou v průměru z velkého objemu vzorku, což umožňuje celkový pohled na nanostruktury a nanočástice.

70

Obr. 2: Difrakční záznam rentgenové analýzy prekompozitu jíl-polyvinyl acetát s vyznačenými mezirovinnými vzdálenostmi jednotlivých píků. Tudíž využití dat rentgenové difrakční analýzy je dvojího druhu: 1. Určení konkrétní fáze materiálu, konkrétního krystalografického uspořádání; 2. Určení stupně krystalinity materiálu studiem profilu difrakčního píku. Metoda je schopná poskytnout informace o materiálech v rozsahu od polymerů po skleněné keramiky. Detailní informace o krystalinitě může být získána vypřesněním parametrů krystalové struktury jako základní informace pro strukturu a vztahů vlastnosti, např. ve vztahu k tvorbě pevných roztoků daného materiálu. Další možností využití dat rentgenové difrakční metody je určení elektronové hustoty. Elektronové hustoty ukazují umístění elektronů ve studovaném systému Obr. 3. V případě velkých hodnot hustoty se nejprve určí atomové polohy (experiment rentgenové difrakce) a poté chemické vazby, zatímco menší hodnoty označují přímo celkovou velikost molekuly. Na rozdíl od konvenčních modelů struktury, elektronové hustoty nepředpokládají žádné předchozí znalosti o vazbě a proto mohou být použity k objasnění vazby přímo z modelu. Například elektronová hustota diboranu nevykazuje žádné evidence bor-bor vazby.

71

Obr. 3: Model elektronové hustoty molekuly formamidu (červeně - kyslík, šedě – uhlík, modře – dusík, bíle – vodík). Elektronové hustoty umožňují popis vazby přechodových stavů, kde nelze přímo získat informace z experimentu (Obr. 2). Například elektronová hustota v přechodovém stavu pro pyrolýzu ethylformamid, vedoucí na kyselinu mravenčí a ethenu, ukazuje, že CO vazba je téměř úplně štěpí a že vodík je uprostřed mezi uhlíkem a kyslíkem elektrostatických potenciálů. Elektrostatický potenciál je energie interakce bodového kladného náboje (elektrofilu) s jádrem a elektrony molekuly. Negativní elektrostatické potenciály označují oblasti, které jsou náchylné k elektrofilní útok. Například, negativní elektrostatický potenciál benzenu ukazuje, že k elektrofilnímu toku by mělo dojít do π systému, nad a pod rovinou kruhu, zatímco odpovídající elektrostatický potenciál pro pyridin ukazuje, že by mělo napadnout elektrofilní dusíku v σ rovině, a nikoli π systém kruhu. "Elektrofilní chemie" z těchto dvou zdánlivě podobných molekul je velmi odlišná.

Obr. 4: Elektrostatická potenciálová mapa formamidu.

72

Elektrostatické potenciálové mapy (Obr. 4) jsou kombinací elektronové hustoty a potenciálu. Dostatečně malá hodnota elektronové hustoty pokrývá celkovou molekulovou velikost a tvar (jak je uvedeno konvenční prostor-vyplňování nebo CPK modelu). Elektrostatický potenciál pak muže být mapován z ohledu na elektronové hustoty pomocí barvy, které reprezentují hodnoty potenciálu. Výsledný model současně zobrazuje molekulární velikost a tvar a elektrostatické potenciální hodnoty. Barvy směrem k "červené", ukazují záporné hodnoty elektrostatických potenciálů, zatímco barvy směrem k "modré" ukazují pozitivní hodnoty potenciálu. Elektrostatická potenciálová mapa předává informace o distribuci náboje v molekule. Elektrostatická potenciálová mapa také poskytuje informace o delokalizaci náboje. Molekulární orbitaly, jako řešení přibližných quantově-mechanických rovnic elektronových pohybů, jsou tvořeny ze sum a rozdílů atomových řešení (atomových orbitalů), stejně jako molekul jsou tvořeny kombinací atomů. Molekulární orbitaly pro velmi jednoduché molekuly mohou být často interpretována v podmínkách dobře známých chemických vazeb.

Obr. 5: Hygroskopický obal organické molekuly. 1.2. Spektroskopické strukturní metody Nejpočetnější skupinou analytických metod používaných při tvorbě modelu jsou spektroskopické analytické metody poskytující informace o struktuře materiálu, tzv. strukturní data. Spektroskopie je vědním oborem, který se zabývá měřeními emise a absorpce různých vlnových délek. Tato metoda poskytuje informace o materiálu na základě principu emise nebo absorpce spektra. Zařízení pro spektrální měření jsou spektrometry, spektrofotometry, spektrografy nebo spektrálních analyzátorů.

73

Obr. 6: Spektrum Ramanovy spektroskopie.

1 24 8

1 45 7

1 60 4

11 3 0

75 6

87 6

O

82 7

17 1 6

28 5 0

30 6 6

29 2 2

Absorbance [a.u.]

1681

14 3 7

Jedním z hlavních pojmů spektroskopie je rezonance a její odpovídající rezonanční frekvence. Rezonance byla nejprve charakterizována v mechanických systémech, jako kyvadlo. Mechanické systémy, které vibrují, nebo oscilují, zaznamenají velké amplitudy oscilací, když jsou vybuzena na jejich rezonančních frekvencích.

P

Q

R 300 0

250 0

200 0

180 0

160 0

140 0

120 0

100 0

800

W av enu mbe rs ( c m- 1)

Obr. 7: Spektrum infračervené spektroskopie. Spektra atomů a molekul se často skládají z řady spektrálních čar, každý představuje jednu rezonanci mezi dvěma různými kvantovými stavy. Vysvětlení těchto řad, a spektrálních vzorů s nimi spojených, vedlo k rozvoji a přijetí kvantové mechaniky. Ramanova spektroskopie je založena na měření spektra elektromagnetického záření rozptýleného díky Ramanově jevu (neelastický rozptyl), který způsobuje, že rozptýlené záření má mírně odlišnou vlnovou délku od dopadajícího záření kvůli předání části energie na 74

vibračních přechodech molekuly. Tato spektroskopická technika poskytuje informace o struktuře a prostorovém uspořádání molekuly. Spektrometrie s Fourierovou transformací je založena na matematické transformaci interferogramu (závislosti intenzity signálu na dráhovém rozdílu paprsků) získaného detekcí signálu vystupujícího z interferometru. Interferující paprsky putují přes kyvetu se vzorkem. Spektrometry Fourierova typu jsou v současné době poměrně hodně rozšířeny. Podle vžité konvence infračervenou spektroskopii z praktických důvodů dělíme podle vlnových délek záření na dalekou (FIR z angl. far infrared), střední (MIR z angl. Middle infrared) a blízkou (NIR z angl. near infrared). Pro identifikaci a určování chemické struktury má největší význam MIR. Vibrace je Ramanově spektru aktivní, v případě, že molekulová polarizovatelnost se změní během vibrací. Pro další určení intenzit vibračního pásu, je potřeba podrobné informace o rozsahu přechodu moment. Ne všechny vibrace vykazují charakteristické frekvence. Například, vibrační frekvence různých vazeb C-C v uhlíkovém řetězci alifatických molekul jsou velmi spojený navzájem (tzv. kostra režimu), a jsou závislé ve značné míře na chemických skupinách spojených s alifatickým řetězcem. Toto chování může být také použit pro spektrální interpretaci [13]. Ramanova spektroskopie je do značné míry doplňkovou metodou k infračervené spektroskopii. Je skoro pravidlem, že pásy intenzivní v Ramanových spektrech jsou v infračervených spektrech slabé a naopak, protože:  Vibrace, u kterých se vibrací mění polarizovatelnost, mají pásy v Ramanových spektrech. 

Vibrace, které mění dipól molekuly, mají pásy v infračervených spektrech.

V průběhu posledních padesát let nukleární magnetická resonanční spektroskopie, označuje se jako NMR, se stala nejpřednější technikou pro určování struktury organických sloučenin. Ze všech spektroskopických metod, jedna pro níž je obvykle, že kompletní analýza a interpretace celého spektra je dána jednou analýzou. I když je zapotřebí většího množství vzorku než u hmotnostní spektroskopie, NMR je nedestruktivní, a s moderními přístroji poskytuje dobré údaje ze vzorků o hmotnosti méně než miligram Obr. 8.

Obr. 8: Spektrum nukleární magnetické rezonance. 75

2. Molekulární modelování nanomateriálů Molekulární modelování představuje techniku pro vytváření modelů materiálů a jejich vlastností, sledování interakcí složek, předvídaní sledu reakce a charakteru produktu, ale také umožňuje simulovat výstupy analytických metod jako rentgenové difrakční záznamy a vlastností infračervených vibračních spekter. Modelování představuje ucelenou řadu simulací od kvantových, atomistických a mezoškálových modelů doplněnou statistickými, analytickými a krystalizačními moduly. Pomocí simulací je možné učit mechanické vlastnosti, difuzivitu, lokální strukturu, hustou kohesivní energie, vytvořit fázové diagramy kapalina-kapalina, polymer-polymer, polymer-aditivum, vyhledat adsopční centra struktury s nejnižší energií, studovat sorpční izotermy a určit Henryho konstantu. Molekulární modelování jde úspěšně využít v celé řadě oborů: chemie a fyzika pevných látek, polymerní materiály, plyny, kovy a slitiny, oxidy, karbidy, keramika, jíly, sorbenty a katalyzátory, nanočástice a nanokompozity, bionanotechnologie (Obr. 9) a mnoho dalších.

Obr. 9: Uhlíkatá nanotrubička mnohostěnná a nasorbovaný naftalén. 2.1. Základy molekulárního modelování 2.1.1. Teoretické základy molekulárního modelování Pro pochopení teorie, která je potřebná pro tvorbu modelu v molekulárním modelování, jsou v následujícím textu stručně popsány základy matematické, statistické a fyzikální. Kompletní matematický popis molekuly, a to kvantově mechanických a relativistických efektů, je velkou výzvou, vzhledem k spojení malých hmotností a velkých rychlostí. Proto v následujících diskusích, jsou ignorovány tyto spletitosti. Místo toho, důraz je kladen na obecné koncepty. Toto je možné, protože molekulová mechanika a dynamika jsou založeny na empirických údajích, které implicitně obsahují všechny relativistické a kvantové efekty. Vzhledem k tomu, žádná kompletní relativistická kvantově mechanické teorie není vhodný pro popis molekul, uvede časově nezávislou formu popisu Schrödinger rovnice:

76

HΨ(R,r)=E Ψ(R,r)

(1)

kde H je hamiltonián pro systém, Ψ je vlnová funkce, a E je energie. Obecně lze říci, Ψ je funkce souřadnic jader (R), a elektronů (r). Přestože Schrödingerová rovnice je poměrně obecná, je příliš složité definovat jakéhokoliv praktické využití, a proto jsou vždy přibližné. Je třeba poznamenat, že elektrony jsou několik tisíc krát lehčí než jádra, a proto se mohou pohybovat mnohem rychleji, Born a Oppenheimer v roce 1927 navrhli následující aproximace[20]: pohyb elektronů lze oddělit od jader, a popsat dvěma samostatnými rovnicemi. První z těchto rovnic popisuje elektronový pohyb: HΨ(r, R) = E Ψ(r, R)

(2)

a závisí pouze parametricky na pozicích jader. Tato rovnice definuje energie E (R), což je funkce souřadnic jader pouze. Tato energie se obvykle nazývá povrchová potenciální energie. Druhá rovnice popisuje pohyb jader na této potenciální energií E povrchu (R): HΦ (R) = EΦ (R)

(3)

Řešení rovnice 3 je důležité, pokud máte zájem o strukturu a času vývoje modelu. Rovnice 3 je Schrödingerova rovnice pro pohyb jader na povrchu potenciální energie. V zásadě, (2) by mohla být vyřešena pro potenciální energie E, a pak se rovnice 3 by mohla být také vyřešena. Nicméně úsilí nutné k řešení rovnice. 2 je extrémně velké, takže zpravidla jsou použité empiricky vhodné k povrchu potenciální energie, obecně nazvané silová pole (V). Jednou ze základních procedur v molekulárním modelování je modelování periodických systémů. Termín „ periodický hraniční podmínky“ se vztahuje k simulaci struktury sestávající se z periodické mřížky identických podjednotek. Při použití periodické hranice simulací, může být ovlivněna například, zahrnutím objemu rozpouštědla nebo krystalinity prostředí se zlepší přesnost a reálnost struktury [21]. Souřadnice konstrukce v kombinaci se silovými poli vytvoření energetického projevu modelu. Tento energetický projev je rovnice, která popisuje potenciální energii povrchu konkrétní struktury jako funkci svých atomových souřadnic. Potenciální energie systému může být vyjádřena jako součet valenčních (nebo vazeb), přechodových, a nevazebných interakcí: Ecelková = Evalenční + Epřechodová + Enevazební

77

(5)

Valenční interakce Energie interakcí valenčních je obecně řazena k diagonálním termínům:  vazebné napětí (vazba);  valenční úhel ohybu (úhel);  vzepětí úhlu torze (kroucení);  inverze, také nazývané out-of-plane interakční (oop) podmínky, které jsou součástí téměř všech silových polí pro kovalentní systémy;  Urey-Bradley (UB) podmínky jsou brány pro úvahu jako interakce mezi atomy párů zapojených do 1-3 konfigurací (tj. atomy jsou vázány ke společnému atomu): Evalenční = Evazby + Eúhlu + Ekroucení + Eoop + EUB

(6)

Energie interakcí mezi nevazebnými atomy připadá na:   

van der Waalsovy (VDW); elektrostatické (Coulombové); vodíková vazba (hbond) v některých starších silových polích;

Enevazebná = EvdW + ECoulombova + EH-vazeb

(7)

Výpočet nevazebných podmínek může být výpočetně náročné. Aby se zabránilo výraznému zvýšení výpočtových časů, využívá se aproximačních schémat. Výběrem nejlepší metody pro konkrétní konstrukce lze ušetřit výpočetní čas bez snížení přesnosti. Kromě toho, budete mít nějakou přímou kontrolu nad funkčními podmínkami pro nevazebné interakce. Obvykle jsou obě van der Waalsovy a Coulombické interakce vypočítávány stejným způsobem a se stejným nevazebným seznamem sil. Van der Waalsovy interakce potenciálů mají relativně krátký dosah. Takže, na vzdálenost 8-10 Å, energie a síly jsou poměrně malé. Proto přerušením je možné přivést van der Waalsovy sílový potenciál k nule. U Coulombické interakce vzdálenost energické interakce není zanedbatelná. Nicméně, přesná povaha variace v elektrostatické interakci energie se vzdáleností závisí na struktuře. To je proto, že na rozdíl od několika formálně nabitých skupin, většina molekul je složena z neutrálních fragmentů s dipóly a quadrupoly. V důsledku toho ve většině modelů hlavní součásti elektrostatické interakce mezi molekulami nebo částí molekul je dipól-dipól interakce. Aritmetický průměr dává nepatrně lepší rovnovážné vzdálenosti pro interakce van der Waalsových sil, než geometrický (Halgren, 1992) [23]. Elektrostatický potenciál je vypočítán z dílčích atomových nábojů spojených se strukturou. Dielektrická konstanta odráží polarizovatelnost rozpouštědla molekul. Polarizovatelné rozpouštědla, jako je voda má větší dielektrickou konstantu ve srovnání s jinými polárními kapalinami. Elektrostatické interakce v polarizovatelných rozpouštědlech s vysokou dielektrickou konstantou jsou velmi utlumeny. Poměrně velké dielektrické konstanty mohou být použity pro simulaci vodného prostředí malých systémů. Dipólový moment je definován jako velikosti dipólu vektoru. Výpočet vibrační frekvence harmonické

78

vibrační frekvence může být uskutečněn z matice pravoúhlých druhých derivací (Wilson et al., 1955) [22]. Simulovat a analyzovat rentgenové, elektronové, a data neutronové difrakce je rovněž velmi žádané. Simulace poskytuje všechny nástroje potřebné k získání maximálního množství informací z difrakcí organických, anorganických, organokovových a biologických krystalů. Kromě tradičního Rietveldova (Obr. 12) vypřesnění [19], kde je krystalická struktura optimalizována pro nejlepší shodu mezi simulovanými a experimentálními práškovými záznamy, může se vzít v úvahu energie krystalu. V tomto novém přístupu [24], je podobnost mezi experimentálním a simulovaným záznamem společně optimalizována s potenciální energií, aby se vytvořila krystalová struktura, která nejen odpovídá experimentálnímu záznamu, ale také má potenciální energii blízko minima.

Obr. 12: Difrakční záznam optimalizován Rietveldovym vypřesněním (křížky) (vytvořeno v softwaru MS Accelrys, Reflex). Molekulární modelování představuje techniku pro vytváření modelů materiálů a jejich vlastností, sledování interakcí složek, předvídaní sledu reakce a charakteru produktu, ale také umožňuje simulovat výstupy analytických metod jako rentgenové difrakční záznamy a vlastností infračervených vibračních spekter. Modelování představuje ucelenou řadu simulací od kvantových, atomistických a mezoškálových modelů doplněnou statistickými, analytickými a krystalizačními moduly. Studium molekulární mechaniky poskytuje 2 užitečné poznatky o materiálu:  Minimální hodnota energie pnutí  Struktura spojená s touto minimální hodnotou Souhlas mezi strukturou s minimální energií a experimentální strukturou základní potvrzení dobře zvolených silových polí anebo pokyn pro další vylepšení.

79

Obr. 13: Model interkalované struktury fylosilikátu. Požadavky pro modely Molekulární modely úzce souvisí s experimentálními daty a postupy:  Experimentální podmínky, 

Analytická data z měření,



Statistická data,



Další pomocné výpočty (krystalinita, počet částic, hustota a velikost povrchu…)



Dynamické podmínky procesu (T, p, V, n)

Obr. 14: Model silikátové vrstvy modifikované glycerolem.

80

Určování vlastností a parametrů materiálu (Tabulka 1)  Mechanické vlastností (modul pružnosti a pevnosti, stlačitelnost); 

Difuzivita, lokální struktura;



Hustota kohezní energie;



Fázové diagramy (kapalina - kapalina, polymer - polymer, polymer – aditivum);



Vyhledání adsorpčních center, studium sorpčních izoterm a určení Henryho konstanty;



struktury s nejnižší energií

Tab. 1: Srovnání parametrů molekulární dynamiky kovových organovermikulitů. CoHDTMA-VMT

CoDDA-VMT

Cell parameter c [nm]

2,96

2,23

Interlayer space – model d001 [nm]

3,12

1,705

Interlayer space – experiment d001 [nm]

3,11

1,71

Volume [nm3]

2453

1432

Density [g.cm−3]

1,25

2,031

Enon-bond [Mcal.mol−1]

−144,6

−146,4

EvdW [Mcal.mol−1]

0,91

0,73

Eel-stat [Mcal.mol−1]

−145,5

−147,1

Obr. 15: Výpočet úhlů mezi molekulami methylenové červeně.

81

•

Me- makromolekula systém = predikce délky vazeb jejich četnost

•

Izomerní molekuly = určení typu symetrie

•

Polymerizace = stabilita – mérů

•

Senzory nanouhlíků = určení porozity a chemizmu nanotrubiček, fullerenů a schwartzitu

Poděkování Autor kapitoly děkuje za podporu projektům Zkvalitnění výuky muzejní konzervace a restaurování a průzkumu historických materiálů, reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0273 a IT4 Innovations Centre of Excellence, reg. č. CZ.1.05/1.1.00/02.0070.

82

LITERATURA Mikroskopické metody analýzy materiálů a nanomateriálů – Praktická část [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Králová, L. Studium kovových historických materiálů. Diplomová práce, Ostrava 2014, 54 s. Němec, R. Studium povrchově upravovaných historických materiálů. Diplomová práce, Ostrava 2014, 70 s. Michalski, S. Crack Mechanisms in Gilding. In Gildedwood, Conservation and History. 1991, p. 171–181. Mactaggart, P. and Mactaggart, A. Practical guilding. 1984. ISBN 1-873132-83-2, p. 860. Ostrá, V. Atlas korozního napadení a povrchových úprav. Atlas, ČVUT, 2011, 289 s. Kalivoda, P. Nesférické submikronové a nanometrické částice. Bakalářská práce, Ostrava 2012, 54 s.

Krystalová struktura a rentgenová difrakce - Praktická část [1]

Dočkalová, V. Konzervace souboru kovových archeologických artefaktů z lokality Krnov-Zadní Cvilínský kopec-sektory B, C, D, E, K. Bakalářská práce, Opava 2013, 142 s.

Analýza vzorků půdy nalezené na předmětech z pozdní doby bronzové metodou infračervené spektroskopie [1]

Horák, M., Papoušek D. a kol. Infračervená spektra a struktura molekul. Akademia, Praha 1976.

[2]

Strauch B. Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací. Nové směry v analytické chemii, ed. J. Zíka, sv. IV. SNTL, Praha 1994.

[3]

Horák, M., Vítek, A. Zpracování a interpretace vibračních spekter. SNTL, Praha 1980.

[4]

Salaš M., (2005), Bronzové depoty střední až pozdní doby bronzové na Moravě a ve Slezsku, 9, 220, 462 – 463, 468 – 470. Doležel, J., (2012), Předběžná nálezová zpráva – Depot bronzových artefaktů z pozdní doby bronzové, 1 – 3. Madejová J., Komandel P.: Baseline Studies of the Clay Minerals Society Source Clays: Infrared Methods. Clays and Clay Minerals, 49, 5, 2001, 410-432.

[5] [6] [7]

Madejová J.: FTIR Techniques in Clay Mineral Studies. Vibrational Spectroscopy, 31, 2003, 1-10.

[8]

Vaculíková L.: Nové možnosti identifikace jílových minerálů a slíd v sedimentárních horninách metodou infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací. Závěrečná zpráva k postdoktorskému grantovému projektu GAČR 105/03/D079, Ostrava, 2006.

83

Využití NMR pro analýzu vybraných archeologických materiálů organické povahy [1] [2]

[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

[12] [13] [14] [15]

[16] [17] [18] [19]

[20]

J. B. Lambert, C. E Shawl and J. A. Stearns, Nuclear magnetic resonance in archaeology, Chem. Soc. Rev. 29 (2000) 175-182. E. L. Ghisalberti and I. M. Godfrey, Application of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy to the Analysis of Organic Archaeological Materials, Studies in Conservation 43 (1998) 215-230. D. Capitani, V. di Tullio and N. Proetti, Nuclear Magnetic Resonance to characterize and monitor Cultural Heritage, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 64 (2012) 29-69. Vyhledávání: Electromagnetic wave. Google [online]. [cit. 2013-25-10]. Dostupné z: http://www.chem.sci.ubu.ac.th/inmr/spectroscopy/em_radiation.htm Vyhledávání: NMR UPCE. Google [online]. [cit. 2013-25-10]. Dostupné z: http://holcapek.upce.cz/teaching/Mol_spek_2012/Mol_spek_prednaska56_NMR.pdf M. Balci, Basic 1H- and 13C-NMR spectroscopy. Elsevier Science Ltd. Oxford 2005, 430 p. Vyhledávání: Nuclear spin. Google [online]. [cit. 2013-30-10]. Dostupné z: http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/NMR/NMR-2.jpg Vyhledávání: Polymerization of isoprene. Google [online].[cit. 2013-06-11]. Dostupné z: http://escola.britannica.com.br/article/41720/hydrocarbon D. Hosler, S. L. Burkett, M. J. Markanian, Prehistoric Polymers: Rubber Processing in Ancient Mesoamerica, Science 284 (1999) 1988-1991. J. Kumanotani, Laccase-catalyzed polymerization of urushiol in precisely confined Japanese lacquer system, Makromo. Chem. 179 (1978) 47-61. J. B. Lambert, J. S. Frye and G. W. Carriveau, The Structure of Oriental Lacquers by Solid State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Archaeometry 33 (1991) 8793. J. B. Lambert and J. S. Frye, Carbon functionalities in amber, Science 217 (1982) 5557. J. B. Lambert, C. W. Beck and J. S. Frye, Analysis of European amber by carbon-13 nuclear magnetic resonance spectroscopy, Archaeometry 30 (1988) 248-263. J. B. Lambert, J. S. Frye and G. O. Poinar, Amber from Dominican republic: analysis by nuclear magnetic resonance spectroscopy, Archaeometry 27 (1985) 43-51. J. B. Lambert, J. S. Frye, T. A. Lee, C. J. Welch and G. O. Poinar, Analysis of Mexican amber by carbon-13 NMR spectroscopy, in: Archaeological Chemistry, in: R. Allen (Ed.), Advances in Chemistry Ser. 220, vol. IV, American Chemical Society, Washington, DC, 1989, pp. 381-388. J. B. Lambert, J. S. Frye and G. O. Poinar, Analysis of North American amber by carbon-13 NMR spectroscopy, Geoarchaeology 5 (1990) 43-52. J. B. Lambert, S. C. Johnson and G. O. Poinar, Recent and fossil resins from New Zealand and Australia, Geoarchaeology 8 (1993) 141-155. C. W. Beck, C. A. Fellows and E. MacKennan, in Archaeological Chemistry, C. W. Beck, Ed., Adv. Chem. 138, American Chemical Society, Washington, DC, 1975. M. Cassar, G. V. Robins, R. A. Fletton and A. Alstin, Organic components in historic non-metallic seals identified using 13C-NMR spectroscopy, Nature 303 (1983) 238239. A. P. Lee and J. Klinowski, Application of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy to Bone Diagenesis, J. Archaeol. Sci. 22 (1995) 257-262.

84

[21]

[22]

[23] [24]

D. Alfano, A. R. Albunia, O. Motta and A. Proto, Detection of Diagenetic Alterations by Spectroscopic Analysis on Archaeological Bones from the Necropolis of Poseidonia (Paestum): A case study, J. Cult. Herit. 10 (2009) 509-513. M. Bardet, G. Gerbaud, M. Giffard, C. Doan, S. Hediger and L. Le Pape, 13C highresolution solid-state NMR for structural elucidation of archaeological woods, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 55 (2009) 199-214. M. Paci, C. Federici, D. Capitani, N. Perenze and A. L. Segre, NMR study of paper, Carbohydr. Polym. 26 (1995) 289-297. R. Chûjô, A. Shimaoka, K. Nagaoka, A. Kurata and M. Inoue, Primary structure of archaeological silk and ancient climate, Polymer 37 (1996) 3693-3696.

Chromatografické metody pro charakterizaci historických a jiných materiálů [1] [2] [3] [4] [5]

[6] [7] [8] [9]

Plachá, D. 2012. Chemická a strukturní analýza organických látek (organická analýza). Výukový materiál, VŠB-TUO.51 s. Plachá, D. 2013. Derivatizační techniky v chromatografii organických látek. Výukový materiál, VŠB-TUO. 17 s. Guide to derivatization reagens for GC. 2003. Bulletin 909A. Sigma Aldrich/Supelco. Available on http:// www.sigmaaldrich.com/, cited [2013-10-15]. Derivatization. Available on http://www.chromatographyonline.org/topics/derivatization.html, cited [2013-10-15]. Danielson, N. D., Gallagher, P. A., Bao, J. J.2000. Chemical Reagents and Derivatization Procedures in Drug Analysis. In Meyers R. A. (Ed.) Encyclopedia of Analytical Chemistry. Wiley and sons, Chichester, pp. 7042–7076. Derivatization reagents. 2011. Sigma Aldrich/Supelco. Available on http:// www.sigmaaldrich.com/, cited [2013-11-15]. Colombini, M. P., Modugno, F. (Eds.). 2009. Organic Mass Spectrometry in Art a Archaeology. Willey and sons, Chichester, pp. 492. Němec, R. 2014. Studium povrchově upravovaných historických materiálů. Diplomová práce, VŠB-TUO. 70 s. Kučerová, P. 2013. Kontaminace vnitřního prostředí konzervátorskými přípravky v depozitáři. Bakalářská práce. VŠB-TUO. 55 s.

Využití strukturních analytických dat pro molekulární modelování nanomateriálů [1]

Comba, P., Trevor W. H., Bodo M. Molecular Modeling of Inorganic Compounds, Third Edition; Molecular Modeling of Inorganic Compounds. Weinheim: Wiley-VCH, 2008.

[2]

Simha Martynková G. X-ray diffraction methods for nanomaterials evaluation, Journal of nanocomposites and nanoceramics, 2010, 1, 2, 51-56.

[3]

Feigin L.A., Svergun, D.I. Structure analysis by small-angle X-ray and neutron scattering, G.W. Taylor ed., 1987.

[4]

Fernández-Saavedra, R., Aranda, P. , Carrado, K A. Sandí, G, Seifert, S, Ruiz-Hitzky, E. Template Synthesis of Nanostructured Carbonaceous Materials for Application in Electrochemical Devices, Current Nanoscience, 2009, 5, 506-513, 35.

[5]

Leng , Y, Materials Characterization: Introduction to Microscopic and Spectroscopic Methods, John Wiley & Sons, 2010.

85

[6]

Ultraviolet-Visible (UV-Vis) Spectroscopy – Principle, [cit 2012-09-09] Dostupné z internetu: http://pharmaxchange.info/press/2011/12/ultraviolet-visible-uv-visspectroscopy-principle/.

[7]

R. Novotná, T. Šihla, Z. Trávniček, Spektrální metody studia chemických látek, http://agch.upol.cz/userfiles/file/pdf/Spektralni_metody.pdf.

[8]

Gauglitz, Guenter; Vo-Dinh, Tuan Handbook of Spectroscopy; Handbook of Spectroscopy. Wiley, 2003.

[9]

Bruker AXS, [cit 2012-09-01] http://www.brukeraxs.com/fileadmin/user_upload/PDF_2010/NANOSTAR_DOC-B88-EXS011_low.pdf.

[10]

Synchrotron [cit 2012-09-02] Dostupné z internetu: http://www.synchrotron.org.au/index.php/aussyncbeamlines/saxswaxs/saxs-specifications.

[11]

Pananalytical, [cit 2012-09-02] http://www.panalytical.com/index.cfm?pid=152.

[12]

Rigaku [cit 2012-09-02] Dostupné z internetu http://www.rigaku.com/applications.

[13]

Wartewig, Siegfried, IR and Raman Spectroscopy; IR and Raman Spectroscopy: Fundamental Processing. Wiley, 2003.

[14]

Dunitz, Jack D. X-Ray Analysis and the Structure of Organic Molecules. 2nd corrected reprint. Basel: Verlag Helvetica Chimica Acta, 1995.

[15]

Lifshin, Eric, X-Ray Characterization of Materials; . X-Ray Characterization of Materials. Weinheim: Wiley-VCH, 1999.

[16]

[Niemantsverdriet, J. W. Spectroscopy in Catalysis; Spectroscopy in Catalysis An Introduction. 3rd completely rev. and enl. ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2007.

[17]

Kauppinen, J, Jari Partanen,. Fourier Transforms in Spectroscopy. Wiley Inter Science. Berlin: Wiley-VCH, 2002. 36.

[18]

Alexander, L.E. X-ray Diffraction Methods in Polymer Science, Robert E. Kreiger Publishing Company (1985).

[19]

Rietveld, H.M. "A Profile Refinement Method for Nuclear and Magnetic Structures", J. Appl. Cryst., 2, 65-71 (1969).

[20]

Max Born & Robert Oppenheimer, Zur Quantentheorie der Molekeln [On the Quantum Theory of Molecules]. Leipzig: 1927. 1st edition. Published in the Annalen der Physik,IV/ vol 84, in 1927.

[21]

Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Comput. Simul. Liquids, Clarendon Press/Oxford Science Publications: London (1987).

[22]

Wilson, A.J.C. Mathematical theory of X-ray powder diffraction, Philips Technical Library: Eindhoven (1963).

[23]

Halgren, T. J., J. Am. Chem. Soc.., 114, 7827-7843 (1992).

[24]

Pawley, G.S. Unit-cell refinement from powder diffraction scans J Appl.Cryst.14, 357, (1981).

86

Dostupné

z

internetu: