Aplikácia moderných analytických metód pri identifikácii neznámych látok v teréne - Časť 4.

Tak, ako som už spomenul v predchádzajúcom čísle, metóda infračervenej spektrometrie je najviac využívaná v analytickej praxi na identifikáciu neznámych látok, pretože každá funkčná skupina organickej látky, alebo aj anorganickej látky má charakteristický absopčný pás v infračervenej oblasti. Samotná metóda merania je rýchla a za použitia Fourierovej transformácie (FTIR – Fourier Trasform Infrared Spectroscopy) sa jej aplikácia v praxi veľmi rozšírila.

Trocha teórie z fyziky, ktorá nikdy nezaškodí pre lepšie pochopenie:

Elektromagnetické žiarenie je tvorené magnetickou a elektrickou zložkou (pozri obr.). Tieto zložky sa pohybujú priestorom ako vlny s frekvenciou f, s energiou E = h · f, kde h je Planckova konštanta (h=6,63.10⁻³⁴ J.s). Pri interakcii infračerveného žiarenia s hmotou dochádza k pohlteniu kvanta energie elektrickej zložky a zoslabeniu jeho intenzity (absorpcii), čo môžeme vyjadriť Lambert-Beerovým zákonom: I(f) = ε · l · c, kde I(f) je optická hustota, ε je dekadický extinkčný koeficient, l je hrúbka vrstvy a c je koncentrácia meranej látky.

Revue CO: Elektromagnetické žiarenie – plošné polarizované

Absorpčné spektrum je pre každú chemickú látku vysoko špecifické. Neexistujú dve chemické látky majúce totožné spektrum. Na základe porovnania nameraného spektra neznámej látky a spektra charakteristického pre čistú látku môžeme neznámu látku identifikovať. To platí najmä pre jednoduché anorganické molekuly. Možnosť pozorovať absopčné prechody je limitovaná rozlišovacími schopnosťami spektrometra a Dopplerovým javom. Pološírku línie absorpčného pásu f1/2, ktorá sa vďaka tomuto javu blíži Gaussovému rozloženiu, je možné charakterizovať rovnicou:

, kde m je hmotnosť molekuly, k – Boltzmanova konštanta (k= 10⁻²³ J/K) a Ts – termodynamická teplota.

Mriežkové prístroje dovoľujú rozlíšenie do približne 0,02cm-1, zatiaľ čo technikami laser-diodovej spektrometrie a spektrometrie s Fourierovou transformáciou sme schopní zmerať spektrum s rozlíšením radovo v tisícinách cm⁻¹.

Revue CO: Rotácia funkčnej skupiny, elektromagnetické žiarenie, šíriace sa pozdĺž osi x molekuly okolo osi x, y, z – vibrácie

Rozlíšenie spektier v infračervenej spektrometrii u jednoduchých molekúl nie také zložité, ale u polyatómových molekúl je to už problém. Na určité jadrá pôsobia sily z viacerých smerov, niektoré jadrá sú účastníkmi viacerých väzieb a obecne platí, že každé jadro môže pôsobiť na ostatné jadrá. Pokiaľ sa na vibrujúcu molekulu nepozeráme z kvantovo-mechanického pohľadu (popis pomocou vlnovej funkcie), ale z pohľadu klasickej fyziky (popis pomocou jadier vibrujúcich okolo rovnovážnych polôh), môžeme vibrácie popisovať ako zmeny dĺžok, či uhlov väzieb.

Ak sa mení pri vibrácii dĺžka väzby, hovoríme o vibrácii valenčnej, ktorá sa ďalej ešte klasifikuje ako symetrická a antisymetrická. Pri zmene uhlov ide o vibrácie deformačné, ktoré ďalej delíme na vibrácie v rovine alebo mimo rovinu (pokiaľ atóm vibruje mimo rovinu ostatných atómov). Názvy jednotlivých druhov deformačných vibrácií boli zvolené podľa spôsobu vykonávania vibračného pohybu z pohľadu klasickej fyziky. Rozoznávame teda rovinné deformačné vibrácie tzv. nožnicové a kyvadlové a vibrácie mimo rovinu, tzv. deformačné vibrácie – vejárové a krútivé.

Frekvencie valenčných vibrácií sú vždy vyššie, ako frekvencie zodpovedajúcich deformačných vibrácií danej funkčnej skupiny, čo súvisí so skutočnosťou, že na natiahnutie väzby je potrebné viac energie, ako na jej ohnutie.

Revue CO: Znázornenie niektorých vibračných pohybov molekuly z pohľadu klasickej fyziky

Oblasti absorpcie označujeme ako absorpčné pásy, ktoré obyčajne charakterizujeme polohou (vlnočtom) maxima resp. minima a relatívnou intenzitou (pozri obr. Infračervené spektrum polystyrénu). Použitie zobrazenia transmitácie (prevrátená hodnota vlnočtu), je vhodné pre kvalitatívnu interpretáciu spektier, lebo sú dobre viditeľné i slabé pásy, zatiaľ čo meradlo absorbancie je nutné použiť pri vyhodnocovaní kvantity (koncentrácie) meranej látky.

Revue CO: Infračervené spektrum polystyrénu

Chemik je často spokojný s kvalitatívnou analýzou spektra, čo znamená odpoveď na otázku, ktoré funkčné skupiny sú v molekule skúmanej látky obsiahnuté, alebo o akú zlúčeninu ide. Pre identifikáciu funkčných skupín v molekule sú potrebné tabuľky vlnočtov charakteristických vibrácií. V tabuľkách sú pre každú funkčnú skupinu na základe empirickej skúsenosti uvedené intervaly vlnočtov, v ktorých sa daná funkčná skupina musí prejaviť absorpciou a tiež relatívnou intenzitou príslušného absorpčného pásu. Niektoré skupiny sú charakterizované niekoľkými absorpčnými pásmi, iné jedným pásom. Ak má byť daná funkčná skupina v molekule analyticky dokázaná, musia byť nájdené všetky absorpčné pásy, ktoré ju charakterizujú. Naopak, z neprítomnosti pásov v určitých oblastiach je možné prítomnosť niektorých funkčných skupín alebo väzieb vylúčiť. Pri meraní na infračervenom spektrometri môžeme kvalitu spektra a tiež informácie, ktoré nám toto spektrum poskytne, veľmi významne ovplyvniť ako vonkajšími podmienkami, za ktorých spektrum meriame, tak i nastavenými parametrami prístroja. Pri zle upravenej vzorke alebo chybne zvolenom nastavení prístroja (čo je častejší prípad, ak zvolíme napr. iné rozmedzie vlnočtu meranej vzorky ako máme referenčný štandard), môže byť výsledné spektrum celkom iné. V praxi to znamená, vedieť čítať spektrá, čiže aspoň približné umiestnenie jednotlivých funkčných skupín tak, aby pri programovom vyhodnocovaní spektier (porovnávanie nameraného spektrá s referenčným spektrom uloženým v knižnici) nedošlo k omylu. Preto je dobré pri vyhodnocovaní nameraného spektra si na obrazovke počítača manuálne zobraziť namerané spektrum s referenčným a farebne opticky zhodnotiť prekrytie jednotlivých pásov. Ako som už v úvode spomenul, táto analytická metóda má svoju krásu v rýchlej detekcii, ale jej nevýhoda je to, že ak máme pomerne zložité zmesi a chceme ich identifikovať, môžeme mať problém.

Pokračovanie v budúcom čísle časopisu.