EMISIONE OPTIČKE METODE dr Dragan Manojlović, dr Tatjana Verbić, Hemijski fakultet Beograd

Emisione metode se zasnivaju na ispitivanju svetlosti koju emituje analizirana supstanca Kvalitativna analiza kod ovih metoda se zasniva na činjenici da je talasna dužina emitovanog zračenja određena strukturom atomskog omotača koji je karakterističan za svaki element Kvantitativna analiza se zasniva na vezi između intenziteta emitovane svetlosti i broja čestica koje je emituju

Emisione metode se u principu mogu koristiti za identifikaciju i određivanje svih elemenata u periodnom sistemu   U praksi se emisione metode koriste za određivane sedamdesetak elemenata (metala i nemetala), a uzorci mogu biti čvrsti, tečni i gasoviti Količina uzorka je mala, obično nekoliko miligrama, a ponekad i manja od miligrama

Uzorci se najčešće direktno analiziraju, bez prethodne obrade i razdvajanja Emisione metode imaju i neke nedostatke: skupi aparati, relativno mala preciznost i tačnost oko 5%, mogu se odrediti samo elementi koji ulaze u sastav uzorka a ne i jedinjenja, uzorak se u toku analize razara Spektralni aparati koji se koriste kod emisionih optičkih metoda moraju da sadrže neke osnovne delove bez obzira koja je metoda u pitanju

Izvor svetlosti, odnosno izvor pobuđivanja i kod ovih metoda je uzorak kome je dovedena potrebna količina energije za pobuđivanje njegovih atoma (plamen, luk, varnica, ICP, lampa sa šupljom katodom, itd)   Optički delovi imaju ulogu da usmere optički snop i da mu daju željeni pravac

To su razna sočiva, ogledala, a izbor materijala zavisi od spektralne oblasti   Kao disperzioni elemenat danas se, uglavnom, koristi difrakciona rešetka Kod jednostavnijih aparata (plameni fotometar) još se koriste filtri Kao detektor zračenja koristi se fotografska ploča ili fotoelektrična detekcija, fotoćelija i fotomultiplikator

PLAMENOFOTOMETRIJSKA ANALIZA

Plamena fotometrija je emisiona metoda analize kod koje se kao sredstvo pobuđivanja koristi plamen dobijen oksidacijom gorivnog gasa (butan, acetilen, vodonik,..) kiseonikom ili vazduhom U plamenu se mogu pobuditi atomi alkalnih i zemnoalkalnih metala, In, Cr, Mn, Co, Cu, Ag i neki drugi elementi čija je energija ekscitacije mala - ukupno oko 40 elemenata Tačnost plamenofotometrijskih određivanja iznosi 2-4%

Rastvor supstance koja se određuje raspršuje se u plamenu pomoću posebnog sistema raspršivača u vidu fine magle (aerosola)   Od trenutka raspršivanja do momenta emitovanja elektromagnetnog zračenja rastvora, odigrava se niz procesa Isparavanjem rastvarača zaostaje fini prah čvrste supstance koja zatim prelazi u gasovito stanje

Nakon toga sledi proces disocijaciije, pri čemu nastaju neutralni atomi koji apsorpcijom zračenja odgovarajuće talasne dužine prelaze u pobuđeno stanje Vraćanjem u osnovno stanje emituje se zračenje karakteristično za atome koji ga emituju

U plamenu dolazi i do pobuđivanja nedisosovanih molekula zbog čega se emisija plamena osim linijskog (atoma i jona) sastoji i od trakastog (molekulskog) spektra   Na rezultate plamenofotometrijske analize utiče veći broj faktora koji dovode do sistematskih grešaka pa o njima moramo voditi računa prilikom analize Na proces isparavanja prvenstveno utiče gustina i površinski napon analiziranog rastvora

Ove veličine zavise od sastava rastvora i temperature pa se povećavanjem temperature za 10 do 20oC povećava intenzitet emitovanog zračenja. U prisustvu površinski aktivnih supstanci koje smanjuju površinski napon, obezbeđuje se efikasnije raspršivanje a samim tim se povećava i intenzitet emitovane svetlosti   Suprotan efekat se javlja u prisustvu tečnosti koje povećavaju površinski napon (glicerin, šećer, proteini itd.)

U plamenu je moguće i odigravanje procesa jonizacije   Ovaj proces zavisi od temperature plamena i utiče na intenzitet emitovane svetlosti Većina elemenata se plamenofotometrijski određuje pomoću spektralnih linija koje potiču od neutralnih atoma Proces jonizacije ispitivanog elementa dovodi do smanjenja intenziteta spektralnih linija

Ukoliko je u plazmi prisutno više elemenata proces jonizacije može dovesti do povećanja intenziteta spektralnih linija analiziranog elementa   Ukoliko su u plazmi prisutna dva elementa, koji mogu da se jonizuju: M1  M1+ + e- M2  M2+ + e- Ukupna koncentracija elektrona u plazmi plamena biće:   e- = M1+ + M2+

Povećanje broja elektrona u plamenu dovodi do pomeranja ravnoteže u pravcu stvaranja neutralnih atoma Efekat suzbijanja jonizacije objašnjava pojačivačko dejstvo alkalnih metala Intenzitet emitovane svetlosti karakteristične za Rb u prisustvu K biće veći zbog povećanog broja elektrona koji suzbijaju jonizaciju Rb, odnosno povećavaju broj neutralnih atoma Rb

Nastajanje teško rastvornih soli ili slabo disosovanih jedinjenja u plamenu takođe, dovodi do smanjenja intenziteta emitovane svetlosti   U plamenu se stvaraju stabilni oksidi i hidroksidi metala Najstabilniji su oksidi zemnoalkalnih metala-stepen termičke disocijacije CaO iznosi svega 4,7% i ovi elementi se često određuju preko molekulskih traka njihovih oksida

Intenzitet emitovane svetlosti bitno zavisi i od anjonskog sastava rastvora. U većini slučajeva (izuzimajući anjone organskih kiselina) prisustvo anjona dovodi do smanjenja intenziteta emitovane svetlosti odnosno anjonskog efekta Najjači efekat je u prisustvu sulfatnog i fosfatnog jona

Suština uticaja anjona je veoma složena, ali je sigurno da njihovo prisustvo onemogućava proces isparavanja čvrste supstance, što izaziva opadanje broja neutralnih atoma u plamenu   U prisustvu sumporne i fosforne kiseline onemogućeno je određivanje kalcijuma u rastvoru zbog stvaranja stabilnih, teško rastvornih jedinjenja Sličan efekat pokazuju i neki katjoni kao što je aluminijum, koji ometa plamenofotometrijsko određivanje kalcijuma i stroncijuma usled stvaranja kalcijum i stroncijum aluminata

Kvalitativna analiza   Plamenofotometrijski se može izvesti i kvalitativna analiza uzorka jer je svetlost koja se emituje karakteristična za svaki element koji se nalazi u uzorku Sa aparatima koji poseduju disperzioni elemenat može se izvesti kvalitativna analiza veoma složenih uzoraka, dok se kod aparata sa filtrima može odrediti samo manji broj elemenata

Princip se sastoji u tome da se prvo očitava fotostruja za slepu probu pri čemu se svetlosni snop propušta kroz odgovarajuće filtre karakteristične za određeni element Zatim se na isti način očitava fotostruja za ispitivani rastvor

Kvantitativna analiza   Intenzitet spektralnih linija nekog elementa srazmeran je njegovoj koncentraciji U manjem intervalu koncentracija, zavisnost intenziteta od koncentracije je linearna Do odstupanja od linearnosti dolazi u sledećim slučajevima: Pri niskim koncentracijama ispitivanog elementa, zbog nedovoljne osetljivosti određivanja

Pri visokim temperaturama plamena, zbog procesa jonizacije   Pri visokim koncentracijama ispitivanog elementa, zbog pojave samoapsorpcije Zbog niza ometajućih faktora koncentracija neke ispitivane vrste se ne može izmeriti direktno merenjem fotostruje

Neophodno je imati odgovarajuće standardne rastvore, koji sadrže sve komponente kao i ispitivani rastvor i samo se razlikuju po sadržaju ispitivanog elementa   Kada se raspolaže ovakvim rastvorima onda se koncentracija ispitivanog elementa može veoma jednostavno odrediti metodom kalibracione prave

Metoda standardnog dodatka Suština metode standardnog dodatka se sastoji u tome da se analizirani rastvor podeli u tri dela. U dva dela se dodaju određena zapremine (V1 i V2) rastvora sa poznatom koncentracijom ispitivanog elementa Zatim se dodavanjem destilovane vode podesi da sva tri rastvora imaju istu zapreminu i nakon očitavanja foto struje se crta grafik

AFS (ATOMSKA FLUORESCENTNA SPEKTROSKOPIJA)

Fluorescence Spectroscopy Principles of Fluorescence Spectroscopy Third Edition Joseph R. Lakowicz University of Maryland School of Medicine Baltimore, Maryland, USA

Fluorescence is now a dominant methodology used extensively in biotechnology, flow cytometry, medical diagnostics, DNA sequencing, forensics, and genetic analysis, to name a few. Fluorescence detection is highly sensitive, and there is no longer the need for the expense and difficulties of handling radioactive tracers for most biochemical measurements. There has been dramatic growth in the use of fluorescence for cellular and molecular imaging. Fluorescence imaging can reveal the localization and measurements of intracellular molecules, sometimes at the level of single-molecule detection. Fluorescence technology is used by scientists from many disciplines.

The first observation of fluorescence from a quinine solution in sunlight was reported by Sir John Frederick William Herschel in 1845.

Emisija fluorescentnog zračenja je posledica apsorpcije fotona od strane molekula (prelaz sa S0 na S1 elektronski nivo). Deo apsorbovanog zračenja se gubi kroz brzu relaksaciju, prelazak iz singletnog u tripletno stanje (S1 u T1), ili u nekim neradijativnim procesima (sudaranje molekula među sobom ili sa zidovima suda),

Energetski dijagram nastajanja fluorescentnog zračenja

Većina molekula nema sposobnost emitovanja fluorescentnog zračenja Manje fleksibilni molekuli imaju veću verovatnoću da deo apsorbovanog zračenja emituju kroz fluorescenciju.

Emisioni spektar molekula – slika u ogledalu apsorpcionog spektra Razlika u talasnim dužinama maksimuma emisije i apsorpcije naziva se Stoksov pomeraj.

Blok shema spektrofluorimetra

Kao izvor zračenja kod spektrofluorimetra se koriste kontinualni izvori, kao što je ksenon (Xe) varnična lampa. Monohromator - difrakciona rešetka. Detektor - fotomultiplikator. Intenzitet fluorescentnog zračenja proporcionalan je koncentraciji, u slučaju kada je apsorbancija rastvora vrlo mala (manja od 0,05). Velika prednost fluorescentne spektroskopije u odnosu na klasičnu UV/Vis apsorpcionu spektroskopiju je mnogo veća osetljivost (102-103 puta), uz širok linearni opseg odgovora.