Aplikácia moderných analytických metód pri identifikácii neznámych látok v teréne - Časť 6.

Ide o ďalšiu techniku využívajúcu charakteristické vibračné molekulové spektrum, s cieľom rýchlej identifikácie neznámych chemických látok.

Tentoraz sa nemeria absorbované vibračné molekulové spektrum, ako to bolo u klasickej infračervenej spektrometrie, ale takzvané rozptýlené Ramanovo spektrum. Ide teda o analytickú metódu využívajúcu Ramanov rozptyl. Už v roku 1928 profesor indického pôvodu C. V. Raman, pracujúci na univerzite v Kalkate, pozoroval nepružný rozptyl svetla na vzorke benzénu. Za tento objav mu bola v roku 1930 udelená Nobelova cena. Trvalo však ešte veľa rokov, kým technický pokrok umožnil vývoj účinných Ramanových systémov, ktoré bolo najprv možné aplikovať na stolných laboratórnych prístrojoch a zase ubehlo niekoľko rokov, kým bol vyrobený vhodný malý mobilný Ramanov spektrometer.

Podstatou Ramanovej spektrometrie je meranie rozptýleného žiarenia, ktoré vzniká interakciou fotónov monochromatického žiarenia s molekulami skúmanej látky. Pri tejto interakcii dochádza k zmene vibračno-rotačného stavu molekuly, ktorá je schopná pohltiť (absorbovať) iba časť dopadajúceho žiarenia. Zvyšok žiarenia sa rozptýli, ale s inou, zmenenou frekvenciou (vlnovou dĺžkou), ako bola frekvencia pôvodného dopadajúceho žiarenia. Tento jav sa nazýva Ramanov jav. Ako zdroj monochromatického žiarenia sa v súčasnosti používa laser.

Vibračné pohyby atómov a rotácia molekuly ako celku môžu zmeniť stav elektrónového obalu tak, že molekula je schopná absorbovať elektromagnetické žiarenie. Tomuto zodpovedajú potom tri energetické prechody molekuly – elektrónový, vibračný a rotačný. Všetky tieto tri druhy pohybu spolu súvisia. Pri zmene stavu elektrónového obalu sa mení aj vibračný a rotačný stav molekuly. Napriek tomu môžeme tieto pohyby považovať za nezávislé, pretože jadrá atómov sú ťažké a teda ich pohyb bude rádovo pomalší ako pohyb ľahkých elektrónov.

Ramanove spektrá odrážajú zmeny vo vibračno-rotačných energetických stavoch molekuly skúmanej látky pri jej ožiarení. Sú charakteristické výskytom troch druhov čiar, ktoré súvisia s pružnou alebo nepružnou zrážkou fotónu s molekulou látky.

Laserový zväzok môže s elektrónmi interagovať v podstate tromi základnými spôsobmi:

1. Najčastejšie laser excituje elektrón z jeho základného stavu do vyššieho energetického stavu, kde zotrvá veľmi krátku dobu a vráti sa späť do základného stavu. Pri prechode z vyššieho do nižšieho energetického stavu dôjde k vyžiareniu fotónu s rovnakou vlnovou dĺžkou, ako mal budiaci laser. Tento tzv. Rayleighov rozptyl nenesie žiadnu analytickú informáciu o meranom materiáli, pretože pri ňom nedochádza k zmene vlnovej dĺžky. To znamená, že látka nemá Ramanove spektrum.

2. Pokiaľ sa elektrón po excitácii vráti do vyššej energetickej hladiny, než z ktorej bol vybudený, dôjde k vyžiareniu fotónu s dlhšou vlnovou dĺžkou, ako má budiaci laser. Tieto fotóny sa nazývajú tzv. Stokesovými fotónmi a ich vlnová dĺžka priamo súvisí s meraným materiálom, z ktorého boli vybudené.

3. Naopak, pokiaľ sa elektrón pri prechodedostane do nižšej energetickej hladiny, z ktorej bol vybudený, dôjde k vyžiareniu fotónu s kratšou vlnovou dĺžkou. Takéto fotóny sa nazývajú anti-Stokesovské a ich vlnová dĺžka tiež priamo súvisí s daným meraným materiálom.

To znamená, že meraná látka nemá Ramanove spektrum, ak rozptýlené žiarenie má nezmenený vlnočet a vzniká tzv. Rayleighov rozptyl, popísaný prípad č. 1. Naopak, látka má Ramanove spektrum, ak rozptýlené žiarenie obsahuje ďalšie vyššie alebo nižšie vlnočty, vyššie uvedené prípady 2 a 3. Tieto prechody je možné zjavne vidieť na obrázku, kde je zobrazený Ramanov a Rayleighov rozptyl.

Vzhľadom k tomu, že prechod elektrónov do inej ako základnej hladiny je mnoho menej pravdepodobný, je spravidla Ramanov signál oveľa slabší ako neužitočný signál s Rayleighovo rozptylu.Napriek tomu je však možné s po užitím špičkových notch filtrov, ktoré filtrujú nežiaduce frekvencie signálu, požadovaný signál dostatočne vyfiltrovať a zaznamenať chemickú mapu vzorky s rozlíšením až 1 nm.

Metódu Ramanovej spektrometrie je možné použiť na meranie vzoriek plynných (v plynových kyvetách), kvapalných (vo vialkách) a aj pevných priamo. Môžu to byť roztoky, suspenzie, gély, tenké vrstvy, vlákna alebo monokryštalické, či amorfné vzorky. Ramanove spektrá sa uplatňujú hlavne pri identifikácii zložiek analyzovanej sústavy, určovaní štruktúry molekúl a možno ich využiť aj pri kvantitatívnej analýze. Nie je tak citlivá ako infračervená spektrometria a najnižšia koncentrácia, ktorú možno pomocou Ramanových spektier zisťovať, je okolo 1 %.

Technická špecifikácia PROGENY ResQ 1064 Raman Analyzer je nasledujúca:

• 1 064 nm laser – plynule nastaviteľný výkon 30 – 490 mW s krokom 5 mW – umožňuje bezpečné meranie chemických látok bez rizika teplotnej deštrukcie či zahorení.
• Plynule nastaviteľný čas budenia laseru od 5 ms do 30 s, s možnosťou automatickej optimalizácie doby expozície.
• Prístroj je možné ovládať jednou rukou i v rukaviciach, či v ochrannom obleku.
• Rozsiahla továrenská knižnica s viacej ako 12 900 látkami (látky sú validované a získané na identickom systému s 1 064 nm,vrátane krátkej informácie o nebezpečnej látke, ako je CAS, NFPA, to znamená s chemickými vzorcami. Knižnica je pravidelne,v mesačných intervaloch, zdarma aktualizovaná a rozširovaná výrobcom ResQ, obsahuje tiež látky typu CWA, TIC/TIM, výbušniny, narkotiká a ďalšie skupiny materiálov.
• Nízka hmotnosť – 1,6 kg
• Ochrana podľa IP 68 – prístroj je celkom hermeticky uzavretý, nemá žiadne otvory, je ho možné ľahko dekontaminovať.
• Výdrž LI-on batérie je viac ako 5 hodín merania.
• Má užívateľské nastavenie fokusácie pre uľahčenie meraní v hrubostenných nádobách a obaloch.
• Spektrálny rozsah 200 – 2500 cm⁻¹
• Rozlíšenie 8 – 11 cm⁻¹
• Má tzv. transmisnú VPG (Volume phase Grating), ktorá eliminuje potrebu použitia vyššieho výkonu laseru.
• Obsahuje detektor s vysokou citlivosťou TE cooled InGaAs novej generácie s vynikajúcim pomerom signál/šum.
• Má zabudovaný integrovaný počítač, pripojiteľný na USB port.
• Obsahuje nabíjacie LiON batérie s nabíjačkou.
• Obsahuje transportný vodotesný kufor so zvýšenou mechanickou odolnosťou.
• Má vstavanú kameru pre identifikáciu ID vzoriek a čítanie čiarových a maticových kódov.
• Rozsah prevádzkových teplôt -20 až +50 °C
• Prevedenie prístroja zabezpečuje bezpečné použitie z hľadiska laseru, pri meraní s otvoreným lúčom nie je nutné použitie ochranných okuliarov a to i pri bezkontaktnom meraní a meraní cez priesvitné obaly.
• Súčasťou dodávky je tiež uzatvárateľný držiak vialok (do 4 ml).

Ramanovým spektrometrom sa dajú priamo merať chemické látky aj cez obaly, ktoré však musia byť do určitej miery transparentné (priehľadné). Vedľa vibrácií a rotácií je obmedzujúcim javom aj ďalší efekt a to je fluorescencia. Je potrebné si uvedomiť, že ako pri Ramanovom rozptyle, tak aj pri fluorescencii vzniká svetelné kvantum, ktoré má frekvenciu odlišnú od frekvencie kvanta dopadajúceho žiarenia. V prípade fluorescencie však sústava najskôr svetelné kvantum absorbuje a až potom určité kvantum vyžiari. Takže dopadajúce svetlo musí mať takú frekvenciu, aby ho sústava mohla absorbovať. Fluorescencia potom môže významne skresliť, alebo až prekryť Ramanove spektrum. Preto sa v súčasnosti začali častejšie používať spektrometre s vyššou vlnovou dĺžkou (energiou) napr. 1 064 nm oproti starším Ramanom s vlnovou dĺžkou laseru 785 nm. Pri meraní je potrebné dbať ešte na jednu skutočnosť. Vzhľadom k tomu, že ako zväzok monochromatického žiarenia sa používa laser, je treba brať ohľad na to, že môže aj nejakú nestabilnú látku, najmä výbušninu inicializovať a môže dôjsť k jej zapáleniu, alebo aj k výbuchu. Preto u moderných prístrojov je možné nastaviť merania od najnižšej energie laseru (cca od 30 mW) a postupne ho zvyšovať.Pre tieto prípady je možné nastaviť aj merania s potrebným oneskorením, aby pri tomto riziku nebola obsluha prístroja vo veľmi tesnej blízkosti meranej nebezpečnej látky. Tiež je možné cez diaľkové ovládanie bluetooth pripojiť vzdialený počítač alebo inteligentný mobil a tak ovládať samotné meranie. Takýto moderný Ramanov spektrometer má vo svojej výbave aj KCHL CO v Jasove od japonskej firmy Progeny (pozri Technickú špecifikáciu PROGENY ResQ 1064 Raman Analyzer).

Pokračovanie v budúcom čísle časopisu.