Jak měřit zakalení: Nephelometrie a turbidimetrie v analytické spektroskopii

Princip měření turbidity, tedy zakalení vzorku, je založen na změně polarizace světla, které prochází roztokem obsahujícím suspendované částice. Turbidimetrie a nephelometrie, dvě základní techniky pro kvantifikaci tohoto jevu, jsou využívány v řadě analytických aplikací, od zjišťování koncentrace suspendovaných částic po monitorování znečištění vody a vzduchu.

Tento přístroj je výhodný díky dvojitému uspořádání paprsku, které minimalizuje problémy s absorpcí částicemi roztoku, a může být použit jak pro jednotlivé vzorky, tak i jako on-line monitor pro monitorování průtoku vzorků. Du Pont model 430 je také méně citlivý na barvu rozpouštědel nebo částic, a to i na kolísání intenzity lampy. Nicméně, tento přístroj není vhodný pro roztoky obsahující opticky aktivní látky.

Nephelometrie, která je založena na měření rozptýleného světla, bývá často prováděna pomocí fluorimetrů nebo speciálních nephelometrických přístrojů. Nephelometr používá fotomultiplikátor, který je umístěn na otočném stole a může být nastaven na jakýkoli úhel od 0 do 180° vůči primárnímu paprsku. Pro většinu nephelometrických měření je fotodetektor obvykle umístěn pod úhlem 45° nebo 90° k primárnímu paprsku. Rozptýlené světlo je detekováno pomocí fotomultiplikátoru, což umožňuje měření velikosti a tvaru částic nebo molekulové hmotnosti v roztoku.

Tyto metody jsou zvláště užitečné v analytické chemii pro určování různých parametrů, včetně velikosti a tvaru částic, což je důležité v aplikacích jako je monitorování znečištění nebo analýza kolidujících částic v biologických vzorcích.

Turbidimetrie a nephelometrie mají široké uplatnění v mnoha oblastech. V analytické chemii se často používají pro měření koncentrace suspendovaných částic v roztocích, kde klasické metody, jako je filtrace, nejsou dostatečně efektivní. V anorganické analýze, například pro stanovení koncentrace síranu v různých typech materiálů (uhlí, ropa, plast, guma, atd.), mohou tyto metody nabídnout přesné a citlivé výsledky. Nejdůležitějšími aplikacemi jsou detekce síranu, uhličitanu, chloridu, fluoru, kyanidu, vápníku a zinku.

V potravinářství a nápojovém průmyslu se turbidimetrie aplikuje při analýze zakalení cukerných produktů nebo čirosti citrusových šťáv. Měření turbidity se používá i při detekci benzenu v alkoholu, což je užitečné pro kontrolu kvality nápojů.

V oblasti titrací mohou být turbidimetrické titrace prováděny podobně jako fotometrické titrace. Přitom měříme absorpci světla v závislosti na objemu titrantu přidaného do roztoku. Při zvýšení objemu titrantu se koncentrace sraženiny zvyšuje, což vede k nárůstu absorbance. Při dosažení bodu, kdy všechny látky reagovaly, se absorbance stabilizuje, což ukazuje na konec titrace.

Turbidimetrické titrace jsou používány pro analýzu různých látek, včetně fluoridů, bromidů, síranů a křemíku. Tyto titrace mohou být prováděny v širokém rozsahu koncentrací a s poměrně nízkou relativní chybou.

V oblasti chemie makromolekul je turbidity měření používáno k určení molekulových hmotností polymerů, což je klíčové pro studium jejich vlastností a chování.

Všechny tyto techniky umožňují detailní analýzu látek a složitých směsí, kde konvenční metody selhávají. Důležitým faktorem, který ovlivňuje spolehlivost měření, je správná kalibrace přístroje a správné nastavení detektoru, které zajistí přesné a reprodukovatelné výsledky.

Jak fungují масери a лазеры: Základy a aplikace

Masery

Masery, což je zkratka pro „microwave amplification by stimulated emission of radiation“ (amplifikace mikrovlnného záření stimulovanou emisí radiace), fungují na základě principu, který popisuje Einsteinova rovnice mezi spontánní a stimulovanou emisí. V mikrovlnném rozsahu je tento vztah velmi silný, protože přechody mezi vyššími a nižšími energetickými hladinami se dějí velmi efektivně. Klíčovým faktorem v dosažení funkčnosti maseru je tzv. inverze populace, což znamená stav, kdy je více částic v excitovaném stavu než v základním stavu, což je v rozporu s běžnou Boltzmannovou distribucí.

První maser byl vytvořen v roce 1954 Townesem a jeho týmem pomocí amoniaku. Tento maser funguje tak, že molekuly amoniaku s různými elektrickými vlastnostmi jsou rozptýleny v silném nehomogenním elektrickém poli. To způsobí, že molekuly ve vyšším energetickém stavu budou soustředěny podél osy systému, což vede k zesílení mikrovlnného záření.

Masery se dnes používají především v satelitní komunikaci, radioastronomii a dalších oblastech, kde je třeba pracovat s mikrovlnnými frekvencemi. V chemii však mají jen omezené využití.

Lasery

Lasery, zkratka pro „light amplification by stimulated emission of radiation“ (amplifikace světla stimulovanou emisí radiace), jsou masery pracující v optickém spektru. Tento termín vznikl jako náhrada původního výrazu „optical maser“ a dnes je běžně používán v mnoha vědeckých a technologických aplikacích. K tomu, aby lasery fungovaly, je nezbytné, aby zařízení obsahovalo tři základní komponenty: (1) systém s vhodně nastavenými energetickými hladinami, (2) pumpovací systém, který dodává energii pro excitaci systému a (3) volitelnou rezonátorovou dutinu, která zajišťuje zesílení záření.

Nejprve byl vyvinut rubínový laser, který pracuje na principu optického pumpování. Při tomto typu laseru je syntetický safír (Al2O3) obohacen o malé množství oxidu chromitého (Cr2O3), což umožňuje vznik optických přechodů mezi specifickými energetickými hladinami. Zdrojem energie je vysokovýkonná xenonová lampa, která poskytuje excitační záření pro přechody mezi energetickými hladinami rubínového krystalu. Vytvořený stav populace inverze umožňuje generování laserového světla.

Dále existují lasery, které využívají jiné metody pro excitaci atomů nebo iontů. Například argon-iónový laser je vytvářen pomocí inelastických srážek mezi atomy argonu a energetickými elektrony, které excitují atomy argonu do vyšších energetických hladin. Jiným příkladem je helium-neonový laser, který je výsledkem inelastických srážek mezi helium-atomy a neonovými atomy. Tento typ lasery je známý svou stabilitou a širokým použitím v průmyslu, vědeckém výzkumu a lékařství.

Chemické lasery

Chemické lasery mají široké aplikace v průmyslových a vojenských technologiích, protože mohou generovat velmi intenzivní a energeticky bohaté paprsky.

Co je důležité si uvědomit

Při zkoumání maserů a laserů je klíčové porozumět, jak jednotlivé typy zařízení fungují a jaký je mezi nimi rozdíl. Masery a lasery nejsou jen technologickými zázraky, ale jsou základem mnoha současných vědeckých a technických oborů. Pochopení principu inverze populace a způsobu, jakým se energie dostává do požadovaného stavu, je zásadní pro jakékoli pokročilé využívání těchto zařízení. Důležité je také chápat, že pro efektivní využití maserů a laserů je nezbytné, aby systém byl správně optimalizován a stabilizován, což se v praxi často dosahuje pokročilými metodami pumpování a manipulace s energetickými hladinami.

Jaké jsou hlavní principy a aplikace optické aktivace a optického rotačního rozpadu?

Optická aktivita je vlastnost látek, která se projevuje jejich schopností otáčet rovinu polarizovaného světla. Tento jev byl poprvé popsaný v 19. století a od té doby se stal základem mnoha analytických metod v chemii, biochemii a farmaceutickém výzkumu. Optická rotace je měřitelná pomocí různých instrumentálních technik, z nichž každá má své specifické výhody a aplikační oblasti.

Pro přesnější měření a automatizaci se dnes používají fotoelektrické spektropolarimetry, kde světelný zdroj, obvykle xenonová oblouková lampa, vyzařuje kontinuální spektrum od 190 nm do 700 nm. Světlo je monochromatizováno a prochází vzorkem, přičemž změny v intenzitě jsou detekovány fotomultiplikátorem. Tyto přístroje se liší způsobem modifikace polarizačního úhlu. Mnohé moderní přístroje používají k modulaci polarizace elektromagnetické pole, které indukuje rotaci ve Faradayově bunce, což umožňuje elektrické řízení polohy analyzátoru bez mechanického pohybu.

Další technologií, která využívá optickou aktivitu, je měření cirkulárního dichroismu (CD), které je založeno na rozdílné absorpci levotočivého a pravotočivého světla opticky aktivním vzorkem. Tento jev se často využívá v biochemii k analýze struktury biomolekul, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny. Metoda zahrnuje použití elektro-optického modulatoru (EOM) k alternaci mezi levotočivým a pravotočivým polarizovaným světlem. Po průchodu vzorkem se z měření fotoproudů určuje cirkulární dichroismus, což je rozdíl v absorpci pro obě složky.

Optická rotace a cirkulární dichroismus mají široké spektrum aplikací, přičemž mezi nejvýznamnější patří kvantitativní analýza, určování absolutní konfigurace molekul, studium konformací a rovnovážné studie chemických reakcí. V oblasti kvantitativní analýzy se optická rotace používá k určení koncentrace známých látek, kde je specifická rotace výborným měřítkem. Také se využívá při studiu struktur přírodních produktů, kde je díky schopnosti rozlišovat mezi různými stereochemickými konfiguracemi zásadní pro určení jejich absolutní konfigurace. V tomto kontextu je použití známého vzorku s určenou konfigurací neocenitelné, protože umožňuje dedukci konfigurace jiného vzorku na základě porovnání jejich optických rotačních křivek.

Tato měření jsou nejen technicky pokročilá, ale také nezbytná pro podrobné pochopení struktury a chování molekul. Tímto způsobem lze získat cenné informace o optických vlastnostech látek, jejich molekulární struktuře a reakcích, které se vyskytují na úrovni jednotlivých molekul.

Jak funguje nebulizátor v ICP spektrometrii a jaké faktory ovlivňují citlivost měření

V metodě ICP (Induktivně spojená plazma) je klíčovým krokem správné zavedení vzorku do plazmy, kde dochází k jeho atomizaci, excitaci a emisi charakteristických fotonů. Tento proces je zásadně ovlivněn použitým nebulizátorem, který přeměňuje kapalný vzorek na aerosol, jenž je následně veden do plazmy. Různé typy nebulizátorů se liší v účinnosti přenosu vzorku a v kontrole velikosti kapek aerosolu, což má přímý dopad na kvalitu a citlivost měření.

Nejčastěji používaným typem nebulizátoru v ICP spektrometrii je koncentriční skleněný nebulizátor Meinhard. Tento nebulizátor funguje na principu Venturiho efektu, kdy plyn argon procházející skleněným kapilárem vytváří podtlak, který nasává vzorek kapaliny do skleněného tělesa. Následně je kapalina atomizována a přeměněna na aerosol. Aby byla zajištěna vyšší přesnost a stabilita měření, je často používáno peristaltické čerpadlo pro přesnější kontrolu toku vzorku.

Další variantou je nebulizátor s křížovým průtokem, kde jsou dvě kapiláry orientovány pod úhlem 90°, což umožňuje efektivnější atomizaci vzorku. Tento design je obzvláště užitečný pro některé typy vzorků, které mohou mít specifické požadavky na přívod kapaliny nebo plynů.

Všechny tyto nebulizátory mají společnou vlastnost: generují aerosol s širokým rozsahem velikostí kapek, které mohou dosahovat velikosti od submikrometrů až po více než 100 mikrometrů v průměru. Příliš velké kapky mohou však ochlazovat plazmu nebo ji zcela zhasit, což negativně ovlivňuje výsledky analýzy. Proto je aerosol veden do spray komory, kde se odstraní větší kapky, čímž se zlepší homogennost a velikost kapek aerosolu, což má pozitivní vliv na citlivost měření.

Pro zlepšení efektivity přenosu vzorku a snížení vlivu rozpouštědel na plazmu je možné použít ultrazvukový nebulizátor. Tento zařízení využívá ultrazvukové vlny k vytvoření velmi jemného a homogenního aerosolu. Nicméně přítomnost vysokého množství rozpouštědel by mohla plazmu zhasit, proto je tento aerosol procházen vyhřívaným regionem, kde se rozpouštědlo odpaří, a následně se chladí na suchý aerosol, který je následně dopraven do plazmy. Díky této metodě je přenos vzorku až desetkrát účinnější než u běžných pneumatických nebulizátorů a zlepšuje limity detekce pro mnoho prvků.

Velkým problémem, který se může vyskytnout u ultrazvukových nebulizátorů, je takzvaný "memory effect", kdy se zbytky předchozích vzorků mohou přenést do následující analýzy. To může způsobit chyby ve výsledcích, a proto je třeba dbát na důkladnou čistotu mezi jednotlivými měřeními. Dalším omezením je fakt, že vysoký obsah rozpuštěných pevných látek může způsobit ucpání hořáku, což ovlivňuje stabilitu plazmy.

Při vstupu aerosolu do plazmy dochází k jeho odpaření, atomizaci a většinou i k ionizaci. Vytvořené volné atomy a ionty jsou následně excitovány na energeticky vyšší úrovně. Jakmile opustí plazmu, excitované částice se ochlazují a dekayují zpět na energeticky nižší stavy, přičemž emituje fotony v oblasti UV, viditelného a blízkého infračerveného spektra. Tyto fotony pak procházejí rozptylovým elementem, jako je mřížka nebo ekchelie grating, a jsou detekovány. Detekce těchto fotonů umožňuje získat informace o složení vzorku.

Využití spektrálních analytických metod v ICP spektrometrii je nesmírně široké. Avšak i při jejich značné citlivosti a přesnosti je třeba mít na paměti několik aspektů. Typ nebulizátoru může výrazně ovlivnit kvalitu vzorku a efektivitu detekce, přičemž každý typ má své specifické výhody a limity v závislosti na typu analyzovaných vzorků. Důležitá je nejen volba nebulizátoru, ale i správná kalibrace a údržba přístrojů, aby se minimalizoval vliv na výsledky analýz a zajišťovala co nejvyšší spolehlivost měření.