Jaké metody excitace jsou nejvhodnější pro analýzu vzorků pomocí emisní spektroskopie?

Vaporace vzorku probíhá zahřátím, které je způsobeno průchodem elektrického proudu. Emisní spektra, která jsou primárně tvořena liniemi neutrálních atomů, však mohou být ovlivněna nestabilitou oblouku. Tento oblouk, který má tendenci k pulzování nebo pohybu, způsobuje nerovnoměrné odběr vzorku z povrchu. Vzhledem k tomu, že se do ovzduší uvolňuje relativně velké množství materiálu, je oblouk s proudem stejnosměrným (DC) velmi citlivý a může být využit k určení materiálů v nepatrných stopových koncentracích. Na druhé straně oblouk střídavý (AC) využívá napětí 1000 V nebo více a je stabilnější a opakovatelnost výsledků je lepší než u stejnosměrného oblouku. Pro dosažení reprodukovatelných výsledků je kladeno důraz na pečlivé řízení vzdálenosti elektrod, napětí a proudu.

Laserové paprsky, které lze soustředit na velmi malou oblast vzorku, umožňují vaporaci i velmi tvrdých materiálů. Tyto metody jsou využívány jako zdroje vysoké energie. Pokud není pára dostatečně excitována tepelně při evaporačním procesu, může být přidán elektrický výboj, který způsobí požadovanou emisi. Tento přístup nevyžaduje žádnou přípravu vzorku a paprsek může být zaměřen na oblast o průměru až 50 μm, což umožňuje studium velmi malých ploch. Díky této malé ploše však lasery nejsou ideální pro analýzu makroskopických vzorků, pokud vzorek není dokonale homogenní.

Plazma induktivně spojená (ICP) je dalším příkladem pokročilého excitace, který získává stále více pozornosti. Tato metoda využívá plazmový hořák, což je skleněná trubice s jedním otevřeným koncem, ve které je plyn dodáván z druhé strany. Proudy radiofrekvenční energie jsou dodávány pomocí cívky, která je okolo trubice. Indukce plazmy může být iniciována například obloukem nebo zahřátím grafitové tyče. Gase jako argon nebo směsi argonu s kyslíkem, vodíkem nebo heliem se používají k podpoře plazmy. Roztoky vzorků jsou nebulizovány do plazmy, což umožňuje detekci koncentrací v mg/ml rozsahu a snadnou adaptaci na simultánní analýzu více prvků.

Existuje několik způsobů, jak se k vzorku dostat – například roztoky mohou být (a) odpařeny po umístění do elektrody z grafitu, nebo (b) smíšené s práškovým grafitem, umístěné do kelímku a vysušeny, či (c) elektroda z porézního grafitu může být ponořena do roztoku a vysušena před excitací. Kapalné vzorky jsou většinou analyzovány ve vodních roztocích kvůli hořlavým a těkavým vlastnostem organických rozpouštědel.

Při analýze je také nezbytné správně navrhnout a použít štěrbiny ve spektrografu. Vstupní štěrbiny zabraňují vnikání zbytečného světla a umožňují do optické dráhy vstup pouze kolimovaného světla emitovaného ze vzorku. Štěrbiny jsou nastavitelné a jejich šířka může ovlivnit rozlišení a citlivost přístroje. Úzké štěrbiny zlepšují rozlišení spektrálních linií, ale mohou vést k poklesu intenzity záření, což snižuje citlivost. To vše vyžaduje pečlivé vyvážení mezi rozlišením a citlivostí přístroje.

Pokud jde o disperzní prvky, jakými jsou mřížky nebo hranoly v monochromátorech, jejich úkolem je rozdělit polychromatické záření na jednotlivé spektrální čáry. Čím vyšší je disperze, tím lepší bude schopnost oddělit spektrální čáry a tím vyšší bude rozlišovací schopnost přístroje. Disperze závisí na počtu drážek na palec a na pořadí vlnových délek, což určuje jak dobře dokáže analyzátor oddělit jednotlivé spektrální složky.

Jaký je význam флуориметрии в аналитической химии и её применения?

Fluorimetrie je jednou z nejdůležitějších analytických technik, která umožňuje vysoce citlivé a specifické měření koncentrací různých látek na základě jejich fluorescence. Ačkoliv se její použití etablovalo v mnoha oblastech, její potenciál zůstává stále široce využíván v různých průmyslových i výzkumných sektorech. Tento článek popisuje některé z nejzajímavějších aplikací fluorimetrie, přičemž se zaměřuje na analýzu anorganických i organických látek, stejně jako na využití fluorimetrických metod v biochemických a klinických studiích.

Jedním z nejzajímavějších příkladů je využití fluorimetrie při určování uranu v solích. Tato metoda je klíčová pro nukleární výzkum. Vzorek uranu se nejprve odpaří s kyselinou dusičnou, což způsobí oxidaci, a následně je smísen s fluorem sodíku, což vytvoří sklovitou hmotu obsahující fluorydy sodíku a uranu. Po ochlazení se tato sklovina zkoumá ve speciálním fluorimetru, což umožňuje detekci uranu v množství až 5 x 10⁻⁹ g na 1 g vzorku.

Další oblastí, kde fluorimetrie nachází široké uplatnění, je analýza přechodných kovů, zejména v případech, kdy anorganické ionty, které běžně nefluoreskují, tvoří chelátové komplexy s organickými molekulami. Příkladem může být stanovení ruthenia v přítomnosti jiných platiny podobných kovů. S pomocí 5-methyl-1,10-fenantrolinu se vytváří komplex ruthenia, který silně fluoreskuje při pH 6, což umožňuje stanovení ruthenia v koncentracích od 0,3 do 2,0 µg/ml v přítomnosti interferujících prvků až do 30 µg/ml.

Dalším příkladem je určování hliníku v slitinách, kde hliník (III) tvoří fluoreskující komplex s barvivem Pontachrome Blue-black RM při pH 4,8. Tato metoda umožňuje velmi citlivé stanovení hliníku v koncentracích od 0,2 do 25 µg na 50 ml vzorku s citlivostí až 1 díl v 10⁸.

Fluorimetrie je také vysoce efektivní při měření stopových množství boru v oceli. Tento proces zahrnuje převedení boru na kyselinu boritou a následnou destilaci, po které se vytvoří fluorescentní roztok při použití benzoínu. Tento způsob stanovení boru je rychlý a citlivý, což činí tuto metodu nadřazenou starším technikám.

Kromě toho fluorimetrie nachází uplatnění při analýze organických sloučenin, zejména aromatických látek, přítomných ve cigaretovém kouři, znečištění ovzduší nebo automobilech výfukových plynech. Zajímavým příkladem je detekce benzopyrenu v rozsahu nanogramů, což je často náročné pro jiné analytické metody.

Fluorimetrie se také běžně používá v potravinářství, farmacii, klinických vzorcích a výzkumu přírodních produktů. Její vysoká citlivost a selektivita ji činí nezbytnou v těchto oblastech, kde je důležité odhalit i velmi malé koncentrace analytů.

V oblasti studia proteinů umožňuje fluorimetrie sledovat konformační změny v proteinech, což může být použito k určení struktury, denaturace a agregace proteinů. Proteiny, které obsahují fluorescentní chromofory, jako je tryptofan a FAD, mohou být zkoumány pomocí spektrofluorimetrie, přičemž změny v jejich fluorescenčních spektrálních charakteristikách poskytují informace o interakcích s ligandy, koenzymy nebo inhibitory.

Fluorimetrie je také využívána ve spojení s fosforimetrickými metodami pro analýzu biologických vzorců, jako jsou například detekce aspirinu v séru nebo jeho metabolitů. Tyto metody mohou poskytovat vysokou citlivost při analýze i při velmi nízkých koncentracích látek, což je nezbytné pro biochemické a klinické analýzy.

Fluorimetrie se tedy ukazuje jako nesmírně flexibilní a silná technika s širokým spektrem aplikací, která pokrývá jak základní vědecký výzkum, tak i konkrétní potřeby v různých průmyslových a klinických oblastech. Její význam roste nejen v oblasti analýzy anorganických a organických látek, ale také v biochemických, biomedicínských a environmentálních studiích, kde poskytuje cenné a vysoce citlivé metody pro detekci a kvantifikaci analytů na velmi nízkých úrovních koncentrace.

Jaké jsou klíčové faktory pro efektivní využívání rentgenových trubic a detekce záření?

Díky specifickému tvaru křivek absorpce rentgenového záření lze jednotlivé radioizotopy využít pro excitační fluorescenci nebo absorpční studie pro různé prvky. Například zdroj, který generuje čáru v oblasti mezi 0,3 a 0,47 Å, je vhodný pro fluorescenční nebo absorpční studium spojené s K-absorpcí stříbra. Citlivost se samozřejmě zlepší, pokud vlnová délka zdrojové čáry přiblíží absorpčnímu okraji. I-125 s čárou na 0,46 Å je v tomto ohledu ideální volbou.

V některých aplikacích může být fluorescence prvku, který byl excitován rentgenovým zářením z rentgenové trubice, použita jako sekundární zdroj pro absorpční nebo fluorescenční studie. Tento způsob má výhodu v eliminaci kontinuálního komponentu emitovaného primárním zdrojem. Například rentgenová trubice s wolframovým terčem může být použita k excitaci Kα a Kβ čar molybdenu.

Znalost absorpčních okrajů pro různé elementární přechody může být využita k výběru rentgenového filtru. Když jsou energie dvou spektrálních čar primárního paprsku velmi blízko sebe, nižší energie (delší vlnová délka) může být redukována procházením primárního spektra tenkou fólií jiného prvku, který má absorpční okraj odpovídající energii, která je mezi emisními vlnovými délkami dvou primárních čar. Například záření z měděného terče je primárně Kα na 1,541 Å a Kβ na 1,392 Å. Pokud toto záření projde niklovým filtrem, jehož K-absorpcní okraj je 1,487 Å, Kβ čáry budou odstraněny. Tento normální absorpční proces také sníží intenzitu měděných Kα čar a intenzitu pozadí.

Rentgenová záření, která jsou emitována z terče, tvoří polokouli s terčem ve středu. Úhel, pod kterým paprsky vycházejí z trubice, je omezen interní štěrbinou, což ale obvykle nestačí pro dosažení potřebné úpravy směru. Pro získání paralelního záření na vzorku je nutné použít externí kolimátory. Kolimátory mohou být tvořeny tenkými paralelními deskami, které jsou podélně odděleny úzkou mezerou, nebo mohou být konstruovány jako svazek malých trubek. Při použití kolimátorů se zvyšuje rozlišení, ale intenzita paprsku se sníží.

Jak interpretovat hmotnostní spektrum a fragmentaci molekul?

Fragmentace molekul při hmotnostní spektrometrii je proces, při kterém dochází k rozpadu molekul na menší fragmenty. Tento proces poskytuje cenné informace o struktuře analyzovaného vzorku. Fragmenty, které vznikají při těchto reakcích, mohou být detekovány jako vrcholy v hmotnostním spektru. Význam fragmentace a způsob, jakým molekuly reagují, závisí na jejich struktuře a složení, což je klíčové pro pochopení interpretace hmotnostních spekter.

V molekulách obsahujících dvojnou vazbu je pravděpodobnější, že dojde k rozpadu vazeb na větvích řetězce. Největší substituent na větvi je obvykle eliminován jako radikál. U nasycených kruhů s postranními řetězci dochází k rozpadu na ot-vazbě, přičemž pozitivní náboj zůstává na fragmentu kruhu. U alkyl-substituovaných aromatických sloučenin se rozpady dějí na 0-vazbě, přičemž se objevuje výrazný vrchol na m/z 91, který odpovídá tropylovému iontu (C7H7+). Tato pravidla fragmentace jsou užitečná pro analýzu a identifikaci chemických sloučenin.

Přítomnost heteroatomů, jako je dusík, kyslík nebo síra, podporuje štěpení sousední jedné vazby C-C tím, že vytvoří ion, ve kterém se lone-pair elektrony podílejí na rezonanci, což stabilizuje molekulu. Tato interakce vede k vytváření výrazných vrcholů na m/z 43, 57, 71 a dalších, což odhaluje typy fragmentů a chemické vazby, které jsou přítomny v molekule.

Někdy může fragmentace vést k vrcholům, jejichž hmotnosti jsou na první pohled nepatřičné k původní molekule. Takové jevy jsou časté u molekul, které podléhají rearrangementům, jež vedou k eliminaci neutrálních molekul. To je běžné i u molekul, kde dochází k migraci vodíkových atomů, zejména pokud obsahují heteroatomy. Fragmenty vzniklé tímto způsobem mohou mít masy, které vypadají, jako by nebyly přímo spojeny s původní molekulou.

Rovněž existuje pravidlo pro určení počtu dusíkových atomů v organických sloučeninách na základě celkové hmotnosti molekuly. Pokud má molekula sudou hmotnost, musí obsahovat buď žádný, nebo sudý počet atomů dusíku, zatímco molekula s lichou hmotností musí obsahovat lichý počet atomů dusíku. Tento princip vychází z rozložení izotopů prvků a chemických požadavků na kovalentní vazby v organických molekulách.

Quantitativní analýza pomocí hmotnostní spektrometrie se opírá o podobné principy jako kvantitativní analýza pomocí jiných spektroskopických technik, jako jsou UV, viditelné nebo infračervené absorpční techniky. Intenzity vrcholů v hmotnostním spektru jsou aditivní, což znamená, že je možné použít metody pro určení koncentrace jednotlivých složek v směsi. Pro analýzu směsi je nezbytné provést výběr analytického vrcholu, který má maximální citlivost a minimální interferenci.

V konečném důsledku fragmentace a interpretace hmotnostního spektra nejsou jen o odhalení fragmentů, ale také o pochopení chemických reakcí a interakcí, které vedou k těmto fragmentům. Každé spektrum poskytuje klíčové informace, které umožňují detailní analýzu struktury a složení molekul, a to nejen pro jednoduché, ale i pro složité organické sloučeniny.