3. VYUŽITIE ELEKTROMAGNETICKÉHO ŽIARENIA V ANALYTICKEJ CHÉMII

Transcript

1 3. VYUŽITIE ELEKTROMAGNETICKÉHO ŽIARENIA V ANALYTICKEJ CHÉMII 3.1. ELEKTROMAGNETICKÉ ŽIARENIE A JEHO VLASTNOSTI Elektromagnetické žiarenie je druh energie, ktorá sa šíri priestorom postupným periodickým pohybom. Mnohé jeho vlastnosti sa opisujú pomocou klasického vlnového modelu, ktorý používa pojmy ako vlnová dĺžka, frekvencia, rýchlosť, amplitúda. Na rozdiel od iných vlnových javov, ako je zvuk, elektromagnetické žiarenie nevyžaduje na svoje šírenie nosné médium - šíri sa aj vo vákuu. Vlnový model zlyháva pri uvažovaní javov spojených s absorpciou alebo emisiou žiarivej energie. V týchto prípadoch sa elektromagnetické žiarenie považuje za prúd diskrétnych častíc - fotónov, ktorých energia je úmerná frekvencii žiarenia. Tieto duálne predstavy o žiarení sa navzájom nevylučujú, ale sú komplementárne a spolu tvoria základ vlnovej mechaniky. Kvantum energie prenášanej jedným fotónom je úmerné frekvencii ν E = hν (3.1) kde h je Planckova konštanta (6, J s). V spektroskopii sa energia fotónu (elektrónu, iónu) často vyjadruje v elektrónvoltoch (1 ev = 1, J). Množstvo žiarivej energie prenesené za jednotku času sa označuje ako žiarivý tok (Φ), ktorého hlavnou jednotkou je J s -1, t.j, W. (žiarivý tok teda zodpovedá výkonu). Žiarivá energia dopadajúca na jednotku plochy (napr. detektora) za jednotku času sa označuje ako intenzita žiarenia. V metódach röntgenovej a optickej spektroskopie sa žiarivá energia charakterizuje vlnovou dĺžkou (λ) alebo vlnočtom (ν = 1/λ), ktoré spolu s frekvenciou (ν) vyplývajú z vlnovej povahy žiarenia. Rýchlosť šírenia žiarenia je daná súčinom frekvencie a vlnovej dĺžky v i = ν λ i kde index i sa vzťahuje na dané prostredie. Vo vákuu je rýchlosť maximálna a označuje sa symbolom c (c = m s -1, rýchlosť vo vzduchu je asi o 0,03 % menšia). Aj pre vákuum platí, že (3.2) c = ν λ (3.3) V súlade s vlnovou mechanikou je vlnová dĺžka usporiadaného pohybu hmotných mikročastíc (najmä elektrónov a iónov) s hmotnosťou m a rýchlosťou v daná de Broglieho vzťahom h λ = (3.4) mv Rýchlosť šírenia sa žiarenia v inom prostredí než vo vákuu sa zmenšuje, pretože dochádza k interakcii elektromagnetického poľa s elektrónmi atómov a molekúl. Mierou tejto interakcie je absolútny index lomu e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

2 n = c (3.5) v i Dôležitý je poznatok, že frekvencia sa prechodom žiarenia cez rôzne prostredia na rozdiel od rýchlosti šírenia nemení. Pretože frekvencia žiarenia je konštantná, vlnová dĺžka sa musí pri prechode z vákua do daného prostredia zmenšovať, z čoho pri veľmi presných meraniach vyplýva potreba korigovať hodnoty vlnovej dĺžky (λ i ) a vlnočtu (ν ) namerané v prostredí s absolútnym indexom lomu n (napr. vo vzduchu) na hodnoty vo vákuu i i n ( 1) λ = λ + λ (3.6) Elektromagnetické žiarenie sa správa ako priečne vlnenie s dvoma silovými zložkami - elektrickou a magnetickou. Ich vektory sú navzájom vždy kolmé a kolmé sú aj na smer šírenia sa lúča. Pri opise preto stačí uvažovať iba jeden z nich. Žiarenie vysielané obvyklými zdrojmi býva nepolarizované, t.j. napr. elektrický vektor kmitá vo všetkých rovinách kolmých na šírenie sa lúča. Optickým zariadením, tzv. polarizátorom možno získať lineárne (rovinne) polarizované žiarenie, keď elektrický vektor kmitá iba v jednej rovine. Dvojrozmerným zobrazením lúča monochromatického a lineárne polarizovaného elektromagnetického žiarenia ako závislosti veľkosti vektora elektrickej zložky od dráhy v smere šírenia sa lúča je sínusoida. Tabuľka 3 Oblasti elektromagnetického spektra využívané v analytickej chémii Názov a skratka oblasti Frekvencia ν [Hz] Vlnová dĺžka λ Vlnočet ν [cm -1 ] Röntgenová, RTG až až 10 nm Ultrafialová, UV vákuová až až 200 nm blízka až 7, až 380 nm viditeľná, VIS 7, až 4, až 770 nm Infračervená, IR blízka 4, až 1, ,75 až 2,5 μm až 4000 stredná 1, až 6, ,5 až 50 μm 4000 až 200 vzdialená 6, až 1, až 100 μm 200 až 10 Mikrovlnná až až 1000 m 10 až 0,01 Rádiofrekvenčná 10 8 až až 1000 m Vzájomná interakcia dvoch alebo viacerých vlnení s časovo nepremenným fázovým posunom (koherentných vlnení) sa nazýva interferencia. Jej podstatou je vektorové sčítanie amplitúd elektrickej (aj magnetickej) zložky v uvažovanom mieste pozorovania. Ak sa dráhový rozdiel dvoch susedných lúčov s rovnakou vlnovou dĺžkou rovná celistvému násobku vlnovej dĺžky, interferencia sa pozoruje ako maximálne zosilnenie alebo zoslabenie svetelného toku, čo sa využíva napr. na monochromatizáciu žiarenia na mriežkach, pri konštrukcii interferenčných filtrov a iných interferometrov, alebo v interferometrii. Interferometria na mriežkach (aj na mriežkach kryštálov) sa nazýva difrakcia. e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

3 Elektromagnetické žiarenie využiteľné v analytickej chémii siaha od vysoko energetického žiarenia γ po rádiovlnné žiarenie s veľmi malou energiou. Tento rozsah žiarenia sa označuje ako elektromagnetické spektrum, ktorého približné členenie na jednotlivé oblasti (tab. 3) súvisí jednak s charakterom zdrojov žiarenia a povahou častíc tvoriacich lúč, jednak s vlastnosťami detektorov žiarenia ANALYTICKÝ SIGNÁL OPTICKÝCH METÓD Označenie "optické metódy" pôvodne prislúchalo využitiu viditeľnej (VIS) oblasti elektromagnetického žiarenia, pre ktoré sa potrebné prístroje konštruujú z tzv. optických prvkov (hranoly, mriežky, šošovky, zrkadlá a pod.). Neskôr sa tieto metódy rozšírili o využitie ultrafialovej (UV) a infračervenej (IR) oblasti spektra a dnes sa využíva prakticky celé elektromagnetické spektrum. Nositeľom analytickej informácie o zložení skúmanej látky môže byť buď elektromagnetické žiarenie, ktorého zdrojom je vzorka, alebo elektromagnetické žiarenie pozmenené v dôsledku interakcie so skúmanou látkou. Najviac informácií dávajú spektrálne metódy, pri ktorých analytickým signálom, ktorý vzniká interakciou medzi časticami vzorky a skúmadlom (žiarením alebo inou formou energie) je žiarenie určitých, pre dané častice charakteristických frekvencií. Ako spektrum daných častíc sa potom nazýva závislosť žiarivého toku alebo absolútnej či relatívnej intenzity žiarenia od energie (vlnovej dĺžky, vlnočtu, frekvencie) tohto sledovaného žiarenia. Pri interakcii elektromagnetického žiarenia s látkou dochádza k viacerým fyzikálnym aj chemickým dejom. Žiarenie sa sčasti absorbuje, mení svoj smer, vyvoláva chemické reakcie alebo reemisiu sekundárneho žiarenia a pod. Podľa javov, ktoré sa uplatňujú pri využití elektromagnetického žiarenia možno odvodiť najvýznamnejšie techniky merania, tvoriace základ príslušných analytických metód. Najvýznamnejšími javmi sú: a) Absorpcia žiarenia časticami vzorky (absorpčné metódy atómovej a molekulovej spektrometrie). b) Emisia žiarenia atómami, iónmi alebo molekulami po ich termickej excitácii (emisné spektrálne metódy). c) Emisia žiarenia časticami po ich excitácii elektromagnetickým žiarením (fluorescenčné a fosforescenčné metódy). d) Rozptyl žiarenia (turbidimetria, nefelometria, Ramanova spektrometria, elektrónová difrakčná spektrometria). e) Odraz žiarenia od povrchu skúmanej látky (mikroskopia, spektroskopia odrazeného žiarenia). f) Zmena smeru šírenia sa žiarenia pri prechode skúmaným prostredím (refraktometria). g) Otáčanie roviny polarizovaného žiarenia (polarimetria, spektropolarimetria). e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

4 Absorpcia žiarenia Absorpciou žiarenia sa rozumie proces, pri ktorom chemické zložky transparentného prostredia žiarenie selektívne zoslabujú, t.j. znižujú intenzitu určitých frekvencií elektromagnetického žiarenia. Podľa kvantovej teórie každá mikročastica (atóm, ión, molekula) môže nadobúdať určitý rad energetických stavov, z ktorých najnižší je tzv. základný stav. Pri bežnej teplote je väčšina elementárnych častíc v ich základnom stave. Keď fotón žiarenia prechádza v blízkosti elementárnej častice, stáva sa absorpcia pravdepodobnou iba ak sa energia fotónu presne rovná rozdielu energie medzi základným stavom a niektorým z vyšších energetických stavov častice. Za týchto okolností sa energia fotónu prenesie na túto časticu (atóm, ión alebo molekulu), čím ju prevedie do vyššieho energetického stavu, ktorý sa označuje ako vzbudený (excitovaný) stav. Excitáciu častíc M na ich vzbudený stav M* možno opísať rovnicou M + hν = M* Po krátkom čase (10-6 až 10-9 s) excitovaná častica relaxuje na jej pôvodný alebo základný stav, pričom energia prechádza na iné atómy alebo molekuly v prostredí. Tento proces, pri ktorom sa zvýši teplota okolia možno vyjadriť rovnicou M* = M + teplo Relaxácia môže prebehnúť aj fotochemickým rozkladom M* za vzniku nových látok, alebo luminiscenčným reemitovaním žiarenia. (Doba života excitovaných častíc M* je taká krátka, že ich koncentrácia je zanedbateľná a navyše množstvo relaxáciou uvolnenej tepelnej energie je spravidla veľmi malé na to, aby bolo merateľné). Prednosťou sledovania absorpcie žiarenia je, že dochádza k minimálnemu narušeniu skúmaného systému. Využitie absorpčných metód v kvantitatívnej analýze je založené na meraní rozsahu absorpcie žiarenia vyjadreného veličinami, ako sú transmitancia a odvodené veličiny (absorbancia a absorptancia). V absorpčných metódach absorbujúce látky charakterizuje absorpčné spektrum, čo je závislosť niektorej funkcie miery zoslabenia žiarenia (napr. transmitancie, absorbancie alebo logaritmu absorbancie) od vlnovej dĺžky, frekvencie alebo vlnočtu. UV/VIS absorpčné spektrá sa získavajú obvykle pre vzorky plynné alebo pre ich zriedené roztoky v transparentnom rozpúšťadle. Emisia žiarenia Častice skúmanej látky (atómy, ióny, molekuly) možno excitovať na niektorú z vyšších energetických hladín niekoľkými spôsobmi, ako sú pôsobenie tepla chemického plameňa, vysoko-napäťovej elektrickej iskry, elektrického oblúka alebo viazanej plazmy, účinok primárneho elektromagnetického žiarenia alebo toku elektrónov či iných hmotných častíc. Vzbudený (excitovaný) stav častíc má krátku životnosť. Nadbytočná energia excitovaných častíc sa môže uvoľniť vo forme žiarenia, pričom dochádza k tzv. relaxácii na nižšiu energetickú hladinu alebo na základný stav M* = M + hν Emisia žiarenia môže nastať samovoľne (spontánna emisia), alebo môže byť vynútená vonkajším účinkom (stimulovaná, alebo tiež indukovaná emisia), na čom je založená funkcia tzv. kvantových generátorov (laserov). Emisia žiarenia je základom emisnej spektrálnej analýzy, kedy excitovanými časticami sú atómy alebo ióny, a luminiscenčných metód, kedy excitovanými časticami sú molekuly. e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

5 Žiarenie každého zdroja možno charakterizovať emisným spektrom, čo je grafické vyjadrenie relatívnej intenzity emitovaného žiarenia ako funkcie jeho vlnovej dĺžky alebo frekvencie. Rozoznávame tri druhy spektier: (a) Čiarové spektrum, ktoré pozostáva zo série ostrých, dobre definovaných píkov. Pozoruje sa vtedy, keď emitujúcimi časticami sú navzájom dostatočne izolované atomárne častice, ako je to v plynoch. Tieto častice sa môžu správať navzájom nezávisle a spektrum tvorí séria ostrých čiar o šírke poriadku 10-3 pm. Horizontálna čiara na obr. 29 označená ako E 0 zodpovedá základnému stavu. Horizontálne čiary E 1 a E 2 zodpovedajú dvom vyšším energetickým hladinám. Jediný elektrón na valenčnej hladine atómu sodíka v základnom stave sa nachádza na orbitále 3s. Hladina E 1 predstavuje energiu atómu, ktorého elektrón absorpciou energie (tepelnej, elektrickej alebo žiarivej) prešiel na energeticky vyšší orbitál 3p. Po asi 10-8 s sa atóm vráti do základného stavu, pričom vyžiari fotón, ktorého frekvencia a vlnová dĺžka sú podľa (3.1) a (3.3) ν 1 = (E 1 E 0 )/h, resp. λ 1 = hc/(e 1 E 0 ) Obr. 29 Časť diagramu energetických hladín atómu sodíka s uvedením prechodov, zodpovedajúcim spektrálnym čiaram pri 285 nm, 330 nm a 590 nm Prechodu z 3p na 3s zodpovedá emitované žiarenie s vlnovou dĺžkou 590 nm. Energeticky vyšší stav atómu sodíka vyjadruje čiara E 2, ktorá zodpovedá elektrónovému stavu 4p. Žiarenie zodpovedajúce prechodu z orbitálu 4p na 3s sa pozoruje pri kratšej hodnote vlnovej dĺžky (330 nm) a pri ešte kratšej vlnovej dĺžke (285 nm) sa pozoruje žiarenie zodpovedajúce prechodu z orbitálu 5p na 3s. Vlnová dĺžka emitovaného žiarenia je podľa tzv. Kirchhoffovho zákona totožná s vlnovou dĺžkou absorpčných píkov pár sodíka, pretože k prechodom dochádza medzi tými istými energetickými stavmi. (b) Pásové spektrum, ktoré pozostáva z niekoľkých skupín čiar, ktoré sú navzájom tak blízko, že nie sú rozlíšené. Zdrojmi pásov sú excitované molekuly alebo radikály. V emisnej spektroskopii sa často stretávame s pásovými spektrami spôsobenými prítomnosťou plynných radikálov alebo malých molekúl, napr. OH, MgOH, MgO. Pásy pozostávajú zo sérií navzájom blízkych spektrálnych čiar, ktoré použitý prístroj nedokáže rozlíšiť. Tieto čiary, tvoriace pásy, zodpovedajú početným kvantovaným vibračným energetickým hladinám, ktoré sú naložené na e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

6 energetickú hladinu základného stavu elektrónov danej molekuly. Dôsledkom rozdielu v dobe životnosti vyšších vibračných stavov (10-15 s) a excitovaných elektrónových stavov (10-8 s) je, že keď elektrón je excitovaný na jednu z vyšších vibračných hladín elektrónového stavu, pred tým, než môže nastať prechod elektrónu do základného stavu, nastane relaxácia na najnižšiu vibračnú hladinu vzbudeného stavu. Žiarenie produkované elektrickou alebo termickou excitáciou viac atómových častíc tak temer vždy zodpovedá prechodu z najnižšej vibračnej hladiny excitovaného elektrónového stavu na niektorú z vibračných hladín základného stavu. Mechanizmus, ktorým dochádza k relaxácii vibračných stavov excitovaných častíc na najbližší elektrónový stav spočíva v prenose nadbytočnej energie sériou kolízií na iné atómy v systéme. Tento proces prebieha veľkou rýchlosťou. Kolíziami dochádza aj k relaxácii vyššieho elektrónového stavu na nižší, ale tento proces prenosu energie je dostatočne pomalý na to, aby sa uprednostnilo aj uvoľnenie fotónu, t.j. žiarivá dezaktivácia vzbudeného elektrónového stavu. Na každú vibračnú hladinu sú navyše naložené početné rotačné stavy molekúl, pričom rozdiely energií rotačných stavov sú poriadkovo menšie, než vibračných hladín. (c) Spojité spektrum, ktoré je príčinou zvýšenia pozadia prejavujúceho sa najmä nad asi 350 nm. Čiarové aj pásové spektrá sú potom superponované na tomto spojitom pozadí. Spojité žiarenie vzniká pri zahrievaní tuhých telies do žiaru. Tepelné žiarenie tohto druhu, označované ako vyžarovanie čierneho telesa, väčšmi závisí od teploty telesa, než od materiálu jeho povrchu a je spôsobené nespočetnými osciláciami atómov a molekúl tuhej fázy, excitovaných tepelnou energiou. Čím je teplota vyššia, tým kratšie vlnové dĺžky dosahuje emitované spojité žiarenie. Zahrievané tuhé telesá sú dôležitým zdrojom žiarenia v analytických prístrojoch pre spektroskopiu v IR, VIS a dlhovlnnej UV oblasti (aby však podstatná časť emitovaného žiarenia spadala do UV oblasti, tepelne excitovaný zdroj musí mať veľmi vysokú energiu). Na vzniku spojitého žiarenia plazmových zdrojov sa podieľajú tiež rekombinácie iónov a radikálov, ako aj nerozlíšené molekulové pásy METÓDY OPTICKEJ ATÓMOVEJ SPEKTROMETRIE Atómové elektrónové spektrá Atómové spektrá zodpovedajú radiačným prechodom medzi excitovanými stavmi energetických hladín atómov alebo iónov prvkov. Energie fotónov hν sú v súhlase so zákonom o zachovaní energie dané rozdielmi energií medzi dvoma hladinami, označenými k a i, t.j. hν = E k E i (3.7) Pretože energia jednotlivých stavov v atóme závisí od vzájomného pôsobenia elektricky kladne nabitého jadra a od konfigurácie záporne nabitého elektrónového obalu, ktorá je pre daný prvok charakteristická, sú rozdiely energií medzi rôznymi stavmi funkciou atómového čísla uvažovaného prvku. Pravdepodobnosť elektrónových prechodov medzi jednotlivými hladinami je pritom obmedzená tzv. výberovými pravidlami. Frekvencie diskrétnych monochromatických e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

7 zložiek žiarenia emitovaného atómami určitého prvku možno využiť na kvalitatívny dôkaz jeho prítomnosti v zdroji žiarenia. Ak sú v žiarení, ktoré interaguje s látkou v atomizovanom stave prítomné fotóny požadovanej energie, môže sa časť z nich absorbovať, pričom atóm prejde z nižšieho stavu do vyššieho. Rozdiel energií pri absorpcii a emisii fotónu atómom je rovnako veľký, a teda atóm (a podobne ión, molekula, alebo radikál) je schopný vyžarovať a absorbovať tú istú energiu. Táto vlastnosť je kvalitatívnym základom Kirchhoffovho zákona a znamená to, že aj absorpciu elektromagnetického žiarenia možno využiť na kvalitatívnu charakterizáciu prostredia, v ktorom sa žiarenie šíri. Z hľadiska kvantitatívneho využitia atómovej spektroskopie si treba uvedomiť, že emitovaná energia bude tým väčšia, čím väčší podiel atómov bude vo vyššom energetickom stave k. Naopak, pri danej hustote fotónov žiarenia sa bude absorbovať tým viac energie, čím väčší podiel atómov bude v nižšom energetickom stave i. V podmienkach termodynamickej rovnováhy sa obsadzovanie energetických hladín elektrónov riadi Boltzmannovým rozdeľovacím zákonom, ktorého bežné vyjadrenie sa vzťahuje na obsadzovanie dvoch susedných energetických hladín elektrónmi. Na vyjadrenie podielu excitovaných atómov z celkového počtu prítomných atómov daného prvku však treba uvažovať počet N k atómov nachádzajúcich sa na energetickej hladine k a celkový počet atómov nachádzajúcich sa na všetkých ostatných energetických hladinách, ktorý je daný súčtom a j j j ( ) Z = g exp E / kt (3.8) kde g j je štatistická váha a E j energia j - tého stavu, k je Boltzmannova konštanta a T teplota. Súčet po stavoch Z a je partičná (rozdeľovačia) funkcia. Za týchto podmienok je N N k a g exp k = -E k /kt Za ( ) (3.9) kde N a je celkový počet atómov daného prvku v systéme, g k je štatistická váha a E k je energia stavu k. Celkový počet častíc daného prvku, ktorý určuje jeho koncentráciu v emitujúcom alebo absorbujúcom prostredí môže byť zmenšený o ionizované častice, ktoré neemitujú (ani neabsorbujú) frekvencie atómových spektrálnych čiar. Podiel neionizovaných atómov uvažovaného prvku v danej sústave možno zvýšiť pridaním dobre ionizovateľného prvku (napr. Cs) k vzorke. Celková energia vyžiarená sústavou excitovaných atómov (iónov) sa rozdelí na jednotlivé spektrálne čiary podľa pravdepodobností zodpovedajúcich energetických prechodov, pričom táto celková energia nemôže byť väčšia, než celková energia vyžiarená absolútne čiernym telesom pri tej istej teplote. Za obvyklých podmienok atomizácie je (v súhlase s Boltzmannovým zákonom) väčšina atómov v základnom energetickom stave (E = 0) a najčastejšími prechodmi pri absorpcii žiarenia sú elektrónové prechody z tohto základného stavu na niektorý vyšší. Tieto elektrónové prechody, rovnako ako emisné procesy končiace na základnom elektrónovom energetickom stave (a im zodpovedajúce spektrálne čiary) sa nazývajú rezonančnými. Keď sú atómy v plynnom stave vystavené žiareniu s presne takou vlnovou dĺžkou akú absorbujú (alebo emitujú), relaxácia excitovaného stavu sa prejaví fluorescenčnou reemisiou. Fluorescencia, pri ktorej excitačné aj emitované žiarenie majú rovnakú vlnovú dĺžku, sa nazýva rezonančná fluorescencia. Atómy však môžu vykazovať aj nerezonančnú fluorescenciu a to vtedy, keď najprv dochádza v dôsledku kolízií s inými časticami systému k neradiačnej relaxácii e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

8 na energetickú hladinu E 1 a potom k radiačnej relaxácii na základný stav. (Rezonančná fluorescencia sa pri atómoch pozoruje bežne, pri molekulách v oveľa menšej miere). Tabuľka 4 Klasifikácia techník atómovej spektroskopie podľa spôsobu atomizácie Atomizácia Teplota atomizácie [ C] Technika plameňová atómová absorpčná spektroskopia, AAS atómová emisná spektroskopia, AES atómová fluorescenčná spektroskopia, AFS elektrotermická elektrotermická AAS elektrotermická AFS indukčne viazaná argónová plazma ICP AES (inductively coupled plasma spectroscopy) jednosmerná argónová plazma DCP AES (direct current plasma spectroscopy) elektrický oblúk (plazma vedie prúd) emisná spektroskopia s oblúkovým zdrojom elektrická iskra (krátkodobý silnoprúdový výboj) SSES (spark-source emission spectroscopy) žiarenie (lasery) AES, AFS Využitie absorpcie žiarenia na kvantitatívnu analýzu je založené na skutočnosti, že relatívne zníženie žiarivého toku špecifickou absorpciou energie je úmerné počtu absorbujúcich atómov (všeobecne častíc) na nižšej energetickej úrovni, ktorý je pri konštantnej teplote úmerný koncentrácii c sledovaného prvku (čo je vyjadrením Beerovho zákona) a dráhe b, ktorú lúč prechádza v absorbujúcom prostredí (Bouguerov-Lambertov zákon). Spojením sa získa známe vyjadrenie Bouguerovho-Lambertovho-Beerovho zákona A I I 0 = log = ε b c (3.10) ktorý vyjadruje, že absorbancia A je úmerná hrúbke absorbujúcej vrstvy a koncentrácii. Konštanta úmernosti ε (absorptivita) je pri danej vlnovej dĺžke a teplote charakteristickou pre absorbujúcu látku, ale jej hodnota závisí od spôsobu vyjadrenia koncentrácie a hrúbky vrstvy. I 0 je intenzita žiarenia vstupujúceho do absorbujúcej vrstvy a l je intenzita žiarenia po prechode vrstvou. e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

9 V súhlase s Heisenbergovým princípom neurčitosti čím presnejšie je definovaný čas trvania energetického stavu, tým menej presne môžeme definovať jeho energiu (teda aj frekvenciu fotónu). Energetické hladiny nie sú ostré, ale predstavujú energetické pásy. Obmedzenie doby trvania stavu má za následok obmedzenie monochromatickosti príslušného žiarenia - prechod medzi dvoma hladinami v skutočnosti zodpovedá úzkemu pásmu frekvencií alebo vlnových dĺžok. Energetické stavy s krátkou dobou existencie emitujú alebo absorbujú energiu v širšom frekvenčnom pásme, než stavy s dlhšou dobou života (napr. v prípade tzv. zakázaných prechodov). Závislosť žiarivého toku od vlnovej dĺžky v rozsahu tohto pásu je tzv. profil spektrálnej čiary, ktorého priebeh a tzv. vlastná (prirodzená) šírka závisí od podmienok v zdroji žiarenia alebo v absorbujúcom prostredí. V reálnych sústavách obsahujúcich voľné atómy a ióny však dochádza aj z iných príčin k rozšíreniu elektrónových energetických pásov, voči ktorému je ich prirodzené rozšírenie zanedbateľné. V praxi sa rozšírenie spektrálnej čiary charakterizuje jej polšírkou, ktorá je definovaná ako interval frekvencií alebo vlnových dĺžok pri polovičnej hodnote maxima profilu čiary. Rozšírenie spektrálnych čiar má osobitne dôležitú úlohu pri určovaní ich spektrálnych intenzít alebo absorpcie meraním v úzkom intervale vlnových dĺžok, pretože očakávanú úmernosť nameraných hodnôt koncentrácii analytu ovplyvňujú príčiny rozšírenia čiary Inštrumentácia v optickej atómovej spektroskopii Základné zložky analytických prístrojov na emisnú, absorpčnú a fluorescenčnú spektroskopiu sú vzhľadom na funkciu a požadované vlastnosti v podstate zhodné. Väčšina spektroskopických prístrojov sa skladá z piatich zložiek, ktorými sú: 1. Stabilný zdroj žiarivej energie. 2. Zariadenie na prevedenie vzorky do atomizovaného plynného stavu. 3. Zariadenie na vyčlenenie určitej oblasti vlnovej dĺžky. 4. Detektor žiarenia, alebo prevodník, ktorý mení žiarivú energiu na merateľný, spravidla elektrický signál. 5. Zariadenie na spracovanie, registráciu a meranie signálu. Na obr. 30 je znázornené usporiadanie týchto zložiek v prístrojoch pre emisnú, absorpčnú a fluorescenčnú spektrometriu. Konfigurácia zložiek 3 až 5 je rovnaká pre všetky tri typy prístrojov. Emisné prístroje sa od ďalších dvoch typov líšia tým, že zložky 1 a 2 sú spojené, t.j. kontajnerom vzorky je plameň alebo plazma, v ktorých sa vzorka nachádza a ktoré súčasne spôsobujú emisiu charakteristického žiarenie. Oproti tomu, absorpčná a fluorescenčná spektroskopia vyžaduje externý zdroj žiarivej energie a zariadenie (napr. kyvetu) na umiestnenie vzorky. Pri absorpčných meraniach prechádza lúč zo zdroja vzorkou (pri niektorých prístrojoch pred tým, pri iných potom prechádza disperzným zariadením). V prípade fluorescencie zdroj spôsobuje, že vzorka emituje charakteristické žiarenie, ktoré sa spravidla meria pod uhlom 90 vzhľadom na lúč zo zdroja. Okrem uvedených súčastí každý optický systém obsahuje pomocné optické prvky (šošovky, zrkadlá, štrbiny), ktorých materiál a konštrukcia závisí najmä od oblasti elektromagnetického žiarenia, pre ktoré sú určené. e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

10 Externé spektroskopické zdroje Absorpčná a fluorescenčná spektroskopia vyžadujú externý zdroj primárneho žiarenia, ktorý má dodávať vysokú žiarivú energiu sústredenú do úzkeho spektrálneho intervalu, má mať dlhodobú stabilitu, dlhú životnosť, dobrú ovládateľnosť a má byť cenovo dostupný. Problém stability zdroja sa niekedy obchádza rozdelením výstupu zo zdroja na dva lúče, z ktorých jeden prechádza vzorkou a druhý porovnávacím prostredím. Detektor sa potom ožaruje striedavo a pomer intenzít oboch lúčov tvorí analytický signál, ktorý je zväčša nezávislý od fluktuácií zdroja žiarenia. Veľkosť žiarivej energie primárneho zdroja ovplyvňuje pomer signál/šum, t.j. aj medzu stanoviteľnosti. (Absorbancia však od intenzity primárneho zdroja nezávisí). Obr. 30 Blokové schémy zariadení základných spektroskopických techník Vodíkové a deutériové výbojky sa používajú najmä pri korekciách pozadia v AAS. Elektrickou excitáciou deutéria alebo vodíka pri nízkom tlaku vzniká spojité žiarenie v UV oblasti. Absorpciou elektrickej energie vznikajú excitované molekuly D 2 * alebo H 2 *, ktoré disociujú na dva zodpovedajúce atómy a UV fotón H + E H H + H + hν * 2 c 2 kde E c je elektrická energia absorbovaná molekulou, ktorá sa v procese rozdelí na jednotlivé zložky: E E + E + E + hν H c * H H 2 e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

11 kde E(H 2 *) je diskrétna kvantovaná energia excitovaných molekúl H 2 *, E(H ) a E(H ) sú kinetické energie dvoch atómov vodíka. Súčet týchto dvoch energií sa môže meniť od nuly po E(H 2 *) a teda v tomto rozsahu sa môže meniť aj energia (a zodpovedajúca frekvencia) fotónov. Dôsledkom je spojité spektrum v oblasti od asi 160 nm do začiatku VIS oblasti. Väčšina moderných zdrojov UV žiarenia sú nízkonapäťové deutériové výbojky, v ktorých sa tvorí oblúk medzi oxidmi pokrytým vyhrievaným vláknom a kovovou elektródou. Vyhrievané vlákno poskytuje elektróny na udržiavanie jednosmerného prúdu pri napätí asi 40 V. Na konštantnú intenzitu treba regulovaný zdroj napätia. Pri väčších vlnových dĺžkach (> 360 nm) sa nachádza čiarové spektrum, ktoré možno využiť na kalibráciu stupnice vlnových dĺžok absorpčného prístroja. Tabuľka 5 Externé zdroje žiarenia v atómovej spektrometrii Zdroje spojitého žiarenia vodíkové(h 2 ) a deutériové výbojky (D 2 ) xenónové výbojky Oblasť vlnových dĺžok nm nm Čiarové zdroje žiarenia výbojky s dutou katódou (HCL) bezelektródové výbojky (EDL) lasery Oblasť vlnových dĺžok UV - VIS UV - VIS nm Vysokotlakové xenónové výbojky sa v ostatnom čase zavedením účinných tzv. echellette monochromátorov stali aktuálnymi aj ako zdroje žiarenia pre AAS a APS. Výbojky s dutou katódou (HCL, Hollow-Cathode Lamps) sú najvýznamnejší zdroj pre AAS. Produkujú čiarové spektrá (s typickou polšírkou čiar do 0,002 nm), ktoré závisia od materiálu katódy. Výbojky sú plnené jednoatómovým plynom (Ne, Ar) s tlakom asi 0,5 kpa. Napätie (200 až 600 V) vkladané na elektródy spôsobí nízkotlakový tlejivý výboj, pri ktorom ionizáciou vzniknuté kladné ióny (Ne +, Ar + ) po dopade na katódu katodickým rozprašovaním a prípadne aj vyparovaním uvoľňujú atómy príslušného prvku. Uvoľnené atómy sa kolíziami s iónmi a elektrónmi plazmy excitujú a následne dochádza k emisii pre daný prvok špecifického žiarenia, pričom sa atómy vracajú do základného stavu. Uvoľňovanie atómov závisí od kinetickej energie (hmotnosti a rýchlosti) iónov plynu. Pre väčšinu prvkov je preto výhodnejší Ne, pre ľahké prvky (Al, Mg) sa používa náplň Ar. Prednosťou Ne je aj to, že má chudobnejšie emisné spektrum, takže sa v menšej miere uplatňujú rušivé spektrálne vplyvy. Spektrum výbojky však okrem spektrálnych čiar plynu môže obsahovať aj "cudzie" čiary, prislúchajúce iným zložkám nosnej katódy a nečistotám. Zdroj prúdu pre napájanie výbojok musí byť stabilný s možnosťou nastavenia prúdu. Pri použití mechanickej modulácie primárneho žiarenia môže byť napájanie jednosmerným prúdom. Pri elektronickej modulácii sú výbojky napájané pulzovým prúdom s frekvenciou 50 až 600 Hz (pre sledovanie rýchlych dejov v elektrotermických atomizátoroch je výhodnejšia vyššia frekvencia). Závislosť produkovaného žiarivého toku od napájacieho prúdu I vyjadruje empirický vzťah Φ = a l b, kde a je konštanta (ak sa neuplatňuje samoabsorpcia) a exponent b závisí od druhu prvku. Pretože zvýšenie napájacieho prúdu má e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

12 za následok zväčšenie polšírky čiary, väčšie uplatnenie sa samoabsorpcie a skrátenie životnosti výbojky, spravidla sa používajú prúdy do 40 ma. Bezelektródové výbojky (EDL, Electrodeless Discharge Lamps) sú konštruované ako valcové banky, plnené vzácnym plynom (He, Ne, Ar) pod tlakom 100 až 200 Pa, príslušným prvkom (najčastejšie As, Se, Pb, P) a jeho prchavou zlúčeninou. Napájajú sa rádiofrekvenčným (20 až 50 MHz), alebo mikrovlnným (typicky 2450 MHz) zdrojom. Pri rádiofrekvenčnom budení dochádza k výboju, ktorý je sústredený pozdĺž stien banky a preto sa samoabsorpcia uplatňuje iba minimálne. Intenzita primárneho žiarenia býva v porovnaní s výbojkami s dutou katódou až o poriadok väčšia. Prednosťou laserov je prísne monochromatické a koherentné žiarenie s vysokou hustotou žiarivého toku. Možnosť sústrediť vysokú žiarivú energiu do rezonančných čiar robí z laserov najúčinnejší excitačný zdroj pre atómovú fluorescenčnú spektrometriu. Ich nevýhodou je obmedzenosť na produkovanie žiarenia v oblasti 300 až 400 nm, pre oblasť emisie menších vlnových dĺžok chýbajú vhodné farbivá. Zariadenia na izoláciu pásu vlnových dĺžok Spektroskopické prístroje sú spravidla vystrojené zariadením (monochromátorom alebo filtrom), ktoré vymedzuje úzku oblasť vlnových dĺžok žiarenia, ktoré sa vzorkou absorbuje alebo emituje. Tým sa zväčšuje selektivita aj citlivosť prístroja a pri absorpčných meraniach sa zväčšuje pravdepodobnosť, že budú splnené podmienky platnosti Lambert-Beerovho zákona. Žiadne zariadenie neumožňuje získať z polychromatického žiarenia určitú jedinú vlnovú dĺžku, ale výstup z neho vždy predstavuje spojitú oblasť - pás - vlnových dĺžok, ktoré sú viac či menej symetricky rozložené okolo strednej nominálnej vlnovej dĺžky. Optické prvky, ktoré a nachádzajú vo všetkých monochromátoroch sú: 1. vstupná štrbina, 2. kolimátor (šošovky alebo zrkadlá) produkujúci zväzok paralelných lúčov, 3. hranol alebo mriežka, ktoré zabezpečujú disperziu žiarenia na jeho zložky podľa vlnových dĺžok, 4. zaostrovacie prvky, ktoré zabezpečujú projekciu pravouhlých obrazov vstupnej štrbiny do ohniskovej roviny. Väčšina monochromátorov má aj vstupné a výstupné okienka na ochranu jednotlivých zložiek pred prachom a korozívnymi laboratórnymi dymami. Spojité premenné vlnové dĺžky možno získať pomocou monochromátorov tvorených disperznými prvkami, ktorými sú hranoly a mriežky. Diskrétne pásy vlnových dĺžok dávajú interferenčné alebo absorpčné filtre. Materiály, z ktorých sú tieto zložky zhotovené, musia byť vhodné, najmä priepustné pre dané žiarenie. Atómová emisná spekrometria vyžaduje izolovať veľmi úzky spektrálny interval. V atómovej absorpčnej analýze funkciu monochromátora zastupuje už zdroj a na izoláciu sledovanej, spravidla rezonančnej čiary stačí monochromátor strednej kvality. V atómovej fluorescenčnej spektrometrii často stačia aj filtre. Kritériami na vyjadrenie kvality monochromátora sú: a) uhlová disperzia dθ dλ (3.11) e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

13 ktorá vyjadruje veľkosť uhla Θ medzi dvoma ešte rozlíšenými čiarami, ktorých vlnové dĺžky sa líšia o dλ, b) recipročná lineárna disperzia 1 dλ = (3.12) D dx ktorá vyjadruje vzdialenosť dvoch spektrálnych čiar, ktoré sa v rovine výstupnej štrbiny monochromátora nachádzajú vo vzdialenosti dx (t.j., vyjadruje napr. šírku spektrálneho intervalu v nm pripadajúcu na 1 mm šírky výstupnej štrbiny), a c) rozlišovacia schopnosť R = λ d λ (3.13) vyjadrujúca minimálny rozdiel vlnových dĺžok dvoch čiar, ktoré je pri danej vlnovej dĺžke možno rozlíšiť. Účinnosť vymedzenia spektrálneho intervalu filtrami sa vyjadruje pološírkou vymedzeného intervalu vlnových dĺžok, ktorá sa môže pohybovať od desatín do stoviek nm. Obr. 31 Optická schéma jednoduchého hranolového spektrografu 1 - zdroj žiarenia, 2 - kondenzátor, 3 - štrbina, 4 - clona kolimačného objektívu, 5 - kolimátor, 6 - hranol, 7 - kamerový objektív, 8 - zobrazovacia (fokálna) rovina spektra Hranoly Hranoly (obr. 31) sú disperzné prvky, ktoré sa používajú na rozklad polychromatického žiarenia v UV až IR oblasti na základe závislosti indexu lomu od vlnovej dĺžky žiarenia. Materiál hranola je charakterizovaný jeho indexom lomu, disperziou indexu lomu (dn/dλ), ktorá má byť čo najväčšia, a rozsahom vlnových dĺžok, v ktorom je materiál dostatočne transparentný. Pre UV žiarenia sa používajú hranoly kremenné, pre viditeľnú oblasť sklené a pre IR oblasť napr. z NaCl, Csl a pod. Ak hranolom s pôdorysom tvaru rovnoramenného trojuholníka prechádza lúč za podmienky minimálnej deviácie, je uhlová disperzia daná vzťahom dθ 2sin( α /2) = dλ α n sin ( /2) dn dλ (3.14) e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

14 a rozlišovacia schopnosť vzťahom λ dn R = = b dλ dλ (3.15) kde n je index lomu, α je lámavý uhol a b je dĺžka základne hranola. (Minimálnu deviáciu, t.j. odchýlku Θ v porovnaní s ostatnými vlnovými dĺžkami má ten lúč, ktorý prechádza hranolom rovnobežne so základňou). Odrazové mriežky Mriežky sú disperzné prvky pracujúce na základe difrakcie a následnej interferencie žiarenia. Reflexné mriežky (mriežky na odraz) sú tvorené sériou paralelných vrypov do materiálov, ktoré dobre odrážajú žiarenie vo zvolenej oblasti spektra. Pre UV až IR oblasť to býva na skle naparený hliník. Počet vrypov na 1 mm býva pre UV a VIS 300 až 2000, najčastejšie 1200 až 1400 vrypov na milimeter. Pre IR oblasť sa používa 30 až 300 vrypov na milimeter. Dnes sa používajú prevažne tzv. echellette mriežky, ktorých vrypy majú konštantný sklon k rovine mriežky. Na širších plochách vrypov dochádza k odrazu, úzke sú nevyužité. Hĺbka vrypov je 0,5 až 5 násobok vlnovej dĺžky. Táto geometria poskytuje vysokoúčinnú difrakciu. Každá odrazová plocha sa môže považovať za bodový zdroj žiarenia, poskytujúci odrazené lúče, ktoré navzájom interferujú. Na obr. 32 je znázornený zväzok rovnobežných lúčov, ktoré na mriežku dopadajú pod uhlom α (vzhľadom na normálu mriežky). Je zrejmé, že lúč II prechádza väčšiu vzdialenosť než lúč I a tento rozdiel sa rovná CB - AB. Aby nastala konštruktívna interferencia, tento rozdiel musí byť CB - AB = kλ (3.16a) kde k je malé celé číslo, nazývané poriadok difrakcie. Z geometrickej konštrukcie dvoch pravouhlých trojuholníkov ACB a ADB je zrejmé, že uhol CAB sa rovná uhlu α a že uhol ABD je totožný s uhlom Θ. Obr. 32 Znázornenie funkcie echelette mriežky e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

15 CB Pretože = sin α, AB = d, je úsečka CB = d sinα. AB AD Podobne, pretože = sinθ, platí, že AB = d sinθ. AB Z trigonometrie teda vyplýva, že CB - AD = d sinα sinθ ( ) (3.16b) kde d je vzdialenosť medzi odrážajúcimi povrchmi. Podľa konvencie, ak uhol odrazu Θ leží na opačnej strane voči normále mriežky oproti uhlu α, jeho znamienko je záporné. (Uhol Θ je kladný, keď je na tej istej strane, ako α). Preto v tomto prípade dosadením (3.16b) do (3.16a) dostaneme ako podmienku konštruktívnej interferencie k λ = d(sinα - sinθ) (3.17) Podľa tejto rovnice pre daný uhol difrakcie Θ existuje niekoľko hodnôt vlnových dĺžok. Ak sa pri Θ pozoruje čiara prvého poriadku (k = 1) pri 900 nm, pozorujú sa pre tento uhol tiež čiary druhého (pri 450 nm) a tretieho (pri 300 nm) poriadku. Čiara prvého poriadku je spravidla najintenzívnejšia - mriežku možno konštruovať tak, aby sa až 90 % dopadajúcej intenzity koncentrovalo v tomto poriadku. Čiary vyšších poriadkov vo všeobecnosti možno odstrániť filtrami. Napr. sklo, ktoré absorbuje žiarenie pod 350 nm eliminuje spektrá vyššieho poriadku spojené so žiarením prvého poriadku vo väčšine viditeľnej oblasti. Diferencovaním rovnice (3.17) sa získa uhlová disperzia dθ k d λ = d cosθ (3.18) Obr. 33 Schéma usporiadania mriežkového monochromátora podľa Eberta: 1 - vstupná štrbina, 2 - zrkadlo, 3 - kolimátor (parabolické zrkadlo), 4 - mriežka, 5 - objekíív (parabolické zrkadlo), 6 - zobrazovacia (fokálna) rovina spektra e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

16 Rozlišovacia schopnosť a disperzia pri mriežkach na rozdiel od hranola je prakticky konštantná v celom rozsahu vlnových dĺžok, pretože rozsah uhlov zrkadlového odlesku Θ od plochy vrypov (blaze efekt) je spravidla malý a mriežka rozptyľuje žiarenie lineárne po fokálnej rovine monochromátora, čo značne zjednodušuje jeho konštrukciu. Častejšie používanú recipročnú lineárnu disperziu možno vyjadriť pomocou uhlovej disperzie a ohniskovej vzdialenosti f spektrometra vzťahom 1 dλ f dθ (3.19) S výnimkou echellette mriežok je táto veličina prakticky konštantná v celom použiteľnom spektrálnom rozsahu. Teoretická rozlišovacia schopnosť mriežok je daná vzťahom R = m k, kde m je celkový počet osvetlených vrypov. Po dosadení za k z rovnice (3.17) dostaneme R ( sinα ± Θ ) W = (3.20) λ kde W je šírka plochy s vrypmi (W = m d), podľa čoho je rozlišovacia schopnosť určitej čiary tým väčšia, čím väčšiu plochu má mriežka a tiež výhodnejšie je usporiadanie s čo najväčšími uhlami dopadu a difrakcie. Usporiadanie bežne používaných mriežkových monochromátorov je znázornené na obr. 33 a obr. 34. Ako tzv. echellette mriežky sa označujú mriežky, na ktorých dochádza k difrakcii po dopade a odraze žiarenia z užších plôch vrypov, ktorých hĺbka sa rovná 10 až násobku vlnovej dĺžky. (Dopadajúci a odrazený lúč sú takmer paralelné s rovinou širších plôch vrypov). Tieto mriežky majú väčšiu účinnosť pri vyšších poriadkoch difrakcie a dávajú vysoké rozlíšenie. Obr. 34 Schéma usporiadania mriežkového monochromátora podľa Czernyho a Turnera: S1, S2 - vstupná a výstupná štrbina, M - mriežka, Z - duté zrkadlo Interferenčné filtre Interferenčný filter sa skladá z veľmi tenkého transparentného materiálu (napr. fluoridu vápenatého alebo horečnatého), ktorý je na oboch stranách pokrytý vrstvičkou kovu, ktorej hrúbka zabezpečuje, že asi polovica dopadajúceho žiarenia vrstvičkou prechádza a druhá e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

17 polovica sa odráža. Z vonkajších strán je kovová vrstvička chránená pred účinkami atmosféry sklenými platničkami. Pri kolmom dopade žiarenia asi polovica prenikne prvou vrstvičkou kovu a druhá sa odrazí. Prechádzajúce žiarenie sa podobne rozdelí pri dopade na druhú kovovú vrstvičku. Ak žiarenie odrazené od druhej vrstvičky má vhodnú vlnovú dĺžku, sčasti sa odráža od vnútornej strany prvej kovovej vrstvičky vo fáze so vstupným žiarením tej istej vlnovej dĺžky. Výsledkom je konštruktívna interferencia žiarenia tejto vlnovej dĺžky a ostatné vlnové dĺžky sa deštruktívnou interferenciou zoslabia. Nominálna vlnová dĺžka interferenčného filtra je λ = max 2 t n k kde t je hrúbka strednej vrstvy (fluoridu), n je jej index lomu a k je celé číslo, vyjadrujúce poriadok interferencie. (Navyše, sklené ochranné vrstvy sa často volia tak, aby absorbovali ostatné vlnové dĺžky okrem tej, ktorá prechádza strednou vrstvou, čím sa dosiahne, že filter prepúšťa iba interferenčné žiarenie prvého poriadku). Interferenčné filtre umožňujú izolovať pomerne úzke pásy žiarenia (s polšírkou 1,5 až 0,15 % nominálnej vlnovej dĺžky) a konštruujú sa pre UV a VIS oblasti žiarenia a tiež pre IR žiarenie do asi 14 μm. Absorpčné filtre Použitie absorpčných filtrov, ktoré sú lacnejšie a mohutnejšie než interferenčné, je obmedzené na viditeľnú oblasť. Spravidla pozostávajú zo sfarbených sklených platničiek, ktoré časť dopadajúceho žiarenia absorbujú. Ich efektívna šírka pásu býva 30 až 250 nm. Filtre s najužším efektívnym pásom tiež absorbujú významnú časť žiadaného žiarenia a ich maximálna transmitancia môže byť 1 % a menej. Dôležitú úlohu pri určovaní akosti prístroja majú štrbiny monochromátora. Ich hrany musia byť ostré, rovnobežné a musia sa nachádzať v tej istej rovine. Efektívna šírka pása monochromátora závisí od disperzie hranola (alebo mriežky) aj od šírky vstupnej alebo výstupnej štrbiny. Väčšina monochromátorov má premenné šírky štrbiny, takže efektívnu šírku pásov možno meniť. Úzke štrbiny a teda úzke pásy vedú k väčšiemu rozlíšeniu prístroja, čo je želateľné, pretože za týchto podmienok možno pozorovať väčšie detaily spektra. Keďže energia žiarivého toku vystupujúceho z monochromátora so zužovaním štrbiny rýchlo klesá, rozlíšenie, s ktorým monochromátor môže pracovať je vo všeobecnosti určované citlivosťou detektora žiarenia. Detektory žiarenia a prevodníky Detektor je zariadenie, ktoré indikuje existenciu určitého fyzikálneho javu. Známe príklady detektorov sú fotografický film na indikáciu prítomnosti elektromagnetického alebo rádioaktívneho žiarenia, ručička váh ukazujúca rozdiel hmotností, hladina ortuti v teplomeri, indikujúca teplotné zmeny. Aj ľudské oko je detektor - mení viditeľné žiarenie na elektrický signál, ktorý prechádza do mozgu reťazou neurónov v optickom nerve. Prevodník konvertuje signály, ako sú intenzita žiarenia, ph, hmotnosť, teplota na elektrické signály, ktoré následne možno zosilniť, spracovať a nakoniec konvertovať na čísla, reprezentujúce veľkosť pôvodného signálu. Ideálny prevodník elektromagnetického žiarenia vykazuje v širokom rozsahu vlnových dĺžok rýchlu odozvu na nízke úrovne žiarivej energie. Navyše produkuje elektrický signál, ktorý e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

18 sa ľahko zosilňuje a má pomerne nízku úroveň šumu. Podstatné je, aby prevodníkom produkovaný elektrický signál bol priamo úmerný intenzite ožiarenia detektora E e Y = S E e +Y kde Y je elektrická odozva detektora v jednotkách prúdu, odporu, alebo potenciálu. Konštanta úmernosti S je mierou citlivosti detektora; vyjadruje veľkosť elektrickej odozvy, ktorá pripadá na jednotku intenzity ožiarenia. Mnohé detektory vykazujú malú konštantnú odozvu, známu ako tmavý prúd Y aj vtedy, keď na ich povrch nedopadá žiadne žiarenie. Prístroje s detektormi vykazujúcimi značný tmavý prúd sú spravidla vybavené zariadením na jeho kompenzáciu, aby sa Y redukoval na nulu. Vtedy, za obvyklých podmienok platí: Y = S E e Elektrický signál z detektora sa pred jeho meraním musí spracovať buď analógovými alebo digitálnymi elektronickými obvodmi. Väčšina moderných spektrometrov je pripojená na vhodné počítače, ktoré riadia pracovné podmienky, zber a spracovanie dát, vrátane korekcií na spektrálne interferencie a pozadie. Existujú dva základné typy detektorov žiarenia. Jeden vykazuje odozvu na fotóny, druhý na teplo. Všetky detektory fotónov sú založené na interakcii žiarenia s reaktívnym povrchom detektora za uvoľnenia elektrónov (fotoemisia) alebo na prechode elektrónov na energeticky vyšší stav, v ktorom môžu viesť elektrický prúd (fotokondukcia). Na vyvolanie týchto procesov má dostatočne veľkú energiu iba žiarenie v UV, VIS a blízkej IR oblasti. Fotónové detektory sú preto obmedzené na vlnové dĺžky kratšie než 2 μm. Veľmi dôležitú úlohu v rozvoji atómovej emisnej spektroskopie mala fotografická doska. Po mnohé desaťročia fotografická emulzia slúžila súčasne ako detektor, prevodník, zosilňovač a registrátor žiarenia rozloženého pozdĺž ohniskovej roviny spektrografu. Jej hlavné prednosti - multiradiačnú detekciu a trvalosť záznamu - neprekonali ani moderné detektory. Hlavné obmedzenia fotografickej emulzie sú malý dynamický rozsah (ktorý je typicky obmedzený na asi dva koncentračné poriadky) a rýchlosť analýzy. Najčastejšie používané detektory v súčasnej AOS sú fotonásobiče a tzv. detektory televízneho typu. Fotonásobiče Činnosť fotonásobiča je v princípe obdobná ako činnosť vákuového fotočlánku. Za určitých podmienok energia absorbovaného fotónu spôsobuje uvoľnenie elektrónu z katódy. Ak sa uvoľnený elektrón vplyvom vloženého napätia pohybuje od katódy k anóde, vzniknutý prúd je úmerný intenzite dopadajúceho žiarenia. Na emisiu elektrónov z katódy fotočlánku normálne treba len minimálnu energiu. Citlivosť fotočlánku sa zvyšuje 10 6 až krát urýchlením elektrónov od katódy sériou elektród, nazývaných dynódy, na ktorých dochádza k sekundárnej emisii elektrónov. Vo fotonásobičoch, ktoré pracujú typicky pri napätí 700 až 2000 V, sa používa 7 aj viac dynód. Odozva fotonásobiča je poriadku nanosekúnd. Materiál fotokatódy a okienka sa volí podľa spektrálnej oblasti, pre ktorú je fotonásobič určený. Kvantová účinnosť fotonásobiča sa pohybuje podľa druhu a v závislosti od vlnovej dĺžky žiarenia od 1 do 40 %. Pretože fotonásobiče majú značnú výstupnú impedanciu, výstupný prúd sa ľahko zosilňuje a transformuje na napäťový signál, ktorý sa meria. Ak fotonásobič nie je osvetlený, vykazuje tmavý prúd typicky okolo 5 ma. Jeho základnou príčinou je termická emisia elektrónov z fotokatódy a dynód, ktorú možno významne znížiť chladením fotonásobiča na asi - 40 C. e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

19 Zostávajúci tmavý prúd môže byť tiež dôsledkom prítomnosti rádioaktívnych látok. Signál fotonásobiča ovplyvňujú rôzne zdroje šumu, ktorý sa uplatňuje najmä pri nízkych hodnotách intenzity žiarenia. Televízne typy detektorov (TTD, Television-Type Detectors) Fotodiódové polia (PDA, Photodiode Arrays) Komerčne dostupné sú polia s 256, 512, 1024, 2048 alebo 4096 lineárne usporiadanými fotosenzitívnymi prvkami, najpoužívanejšími sú prvkové. Hustota diód je asi 40 diód na milimeter. Výška poľa je asi 2,5 mm. Pole prvkov je pokryté vrstvou SiO 2. Diódové polia s tenšími vrstvami (hrúbky okolo 0,4 μm) sú pri použití v ďalekej ultrafialovej oblasti citlivejšie, než polia s hrubšími vrstvami (okolo 3 μm). PDA sa umiestňuje do zaostrenej roviny spektrometra a vhodným elektronickým usporiadaním sa meria signál jednotlivých prvkov. Spravidla sa používa integrovaný obvod, v ktorom každá fotodióda s paralelne zapojenou kapacitou pracuje v nabíjacom režime a je tak integračný typ detektora. Na účinné využitie PDA zber dát riadi počítač. Aby sa znížil tmavý prúd diódové pole treba chladiť. Hlavnou prednosťou PDA pred fotonásobičmi je, že PDA umožňuje merať celé spektrum prakticky naraz. Nevýhodou je obmedzený dynamický rozsah a v AES aj značná neurčitosť (20 až 30 %) pri meraní intenzity a polohy píkov. Aby sa táto neurčitosť eliminovala, používajú sa náročnejšie spôsoby získavania a spracovania dát. Vidiconové detektory Vidicon je polovodičový fotocitlivý detektor, ktorý pracuje podobne ako fotodiódové pole. Podstatný rozdiel je v tom, že oproti lineárnemu usporiadaniu jednotlivých senzorov PDA sú jednotlivé prvky vidiconu usporiadané v dvojrozmernom poli, napr. 512 x 512 senzorov na ploche 12,5 cm 2. Dvojrozmerné usporiadanie umožňuje použitím viacerých vstupných štrbín vidiconu vykonávať simultánnu multiprvkovú analýzu. Na rozdiel od PDA jednotlivé prvky nie sú pripojené vodičmi, ale prístup k ním zabezpečuje rastrujúci elektrónový lúč. Podobne, ako PDA, vidicony sú integračné detektory. Potrebná elektronika je však značne zložitejšia než v prípade PDA. Vidicony majú tiež značne pomalšiu odozvu. Detektory s prenosom náboja (CTD, Charge Transfer Devices) CTD predstavujú novú triedu detektorov, ktorých citlivosť a možnosti dynamického rozsahu prevyšujú všetky ostatné typy detektorov svetla, ktoré sa používajú v oblasti analytickej spektroskopie. CTD sú mnohokanálové fotón-integračné detektory, ktoré akumulujú informačný signál o dopade svetla podobne, ako fotografický film. Najrozšírenejšie CTD sú založené na technológii kremíkových polovodičov. Viaceré sú svojimi rozmermi vhodné na použitie v spektrometroch. Aby sa znížil tmavý prúd, musia sa chladiť. Na obr. 35a je schematicky znázornený prierez n-dopovaným kremíkovým článkom. Keď sú elektródy nabité záporne oproti kremíku a jedna z elektród má zápornejší potenciál ako druhá, pod elektródou sa vytvára oblasť inverzie náboja. V tomto n-dopovanom kremíkovom článku sú hlavným nositeľom prúdu elektróny a vedľajším nositeľom sú "diery". Absorpcia fotónu vytvára mobilnú "dieru", ktorá migruje k inverznej zóne, kde sa akumuluje. Náboj sa akumuluje pod elektródou s negatívnejším potenciálom. Množstvo náboja generovaného v CTD sa môže merať dvoma elektronickými systémami. e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,

20 Detektory CCD možno považovať za veľký počet fotodetegujúcich analógov posuvných registrov. Po uložení fotónmi generovaných nábojov sa tieto čítajú horizontálne, riadok po riadku, cez vysoko rýchly posuvný register do predzosilňovača. Výsledný signál sa uchováva počítačom. V prípade detektorov CID (obr. 35b) svetlo dopadá na diskrétne fotocitlivé pixely usporiadané v štruktúre riadkov a stĺpcov. Každá pixela pozostáva z dvojice MOS - kondenzátorov kremíkového typu. Fotónmi generovaný náboj, uchovávaný jedným kondenzátorom môže byť počas čítania z každej pixely prenesený na iný kondenzátor, čo umožňuje nedeštruktívne odčítanie. Pri deštruktívnom odčítaní sa uchovávaný náboj injektuje do substrátu. Zmiešaním deštruktívneho a nedeštruktívneho odčítania sa môže eliminovať vplyv preožiarenia, čo je významné najmä pri monitorovaní zložitých spektier. Z týchto dvoch druhov detektorov, CCD majú väčšie kvantové výťažky a veľmi malú úroveň šumu. Výhodou CID oproti CCD je, že fotónmi generovaný náboj možno merať opakovane, pretože náboj pri meraní ostáva v elementoch detektora. Navyše, náboje akumulované v jednej časti poľa možno merať, zatiaľ čo v inej oblasti môže pokračovať integrácia náboja. Obr. 35 (a) Rez prvkom hypotetického CTD detektora pred integráciou náboja, (b) Usporiadanie fotocitlivých prvkov CID detektora 3.4. ATÓMOVÁ EMISNÁ SPEKTROMETRIA Spektrá atómov alebo iónov (ako napr. Mg + ) v UV/VIS oblasti možno získať iba v plynnej fáze, kedy sú jednotlivé atómy alebo ióny navzájom dostatočne vzdialené. V dôsledku toho je prvým krokom postupu získavania spektier atomizácia, čo je proces, ktorým sa vzorka splyňuje a potom rozkladá na atómový plyn. Účinnosť a reprodukovateľnosť atomizácie vo veľkej miere e-analytická chémia, Ústav analytickej chémie STU,