Analitikai spektroszkópia

1. Analitikai spektroszkópia Molekulaspektroszkópia – I. rész Dr. Berkesi Ottó SZTE Fizikai Kémia Tanszék

2. Molekulaspektroszkópia • a minta fizikai állapota lehet: • gáz • folyadék • szilárd • A mérési tartomány lehet: • mikrohullámú – forgási átmenetek • infravörös – távoli, közép és közeli – forgási, rezgési és elektronátmenetek • ibolyántúli (UV) és látható - elektronátmenetek

3. Következmények • Sokféle mintakezelési eljárás. • Többféle mért intenzitás. • Tartományonként eltérnek a sugárforrások, a detektorok és az optikai elemek anyagai.

4. Optikai spektrométerek: • a mérési elv – diszperziós/interferometrikus • a monokromátor vagy az interferométer típusa • a minta és a háttér mérésének térbeli és időbeli módja • a minta és a háttér összehasonlításának fizikai módja

5. Diszperziós berendezések: sugárforrás • a rés miatt a fény igen kis hányada jut a detektorra • a résprogram miatt a szín-kép mentén változik az optikai felbontás • a detektorjel szimplex • az időbeli felbontás csak a detektor válaszidejétől függ minta diszperziós egység (monokromátor) rés detektor

6. minta detektor szűrő Monokromátor típusok: • szűrő Egyetlen hullámhosszon,pl. egyetlen komponens mennyiségi meghatározására.

7. detektor (ok) dioda lézer vagy több hullámhosszon! minta Monokromátor típusok: • monokromátor nélküli, pl. LED-es berendezések Egy hullámhosszon,

8. minta rés detektor prizma Monokromátor típusok: • prizma q ¥ l Hullámhossz szerint lineáris!

9. detektor rés rács minta Monokromátor típusok: • rács q ¥ n*, l = 2d sin q Hullámszám szerint lineáris!

10. optikai közegpl.: TeO2 d monokromatikus fény l = 2d sin q piezo-elektromoskristály pl.: LiNbO3 rádiófrekvenciás jel: 30-70 Hz Monokromátor típusok: • speciális monokromátorok, pl. opto-akusztikus monokromátor

11. Regisztráló spektrométerek • egysugaras: a minta és a háttér színképé-nek felvétele ugyan-azon fényútban törté-nik • kétsugaras: a minta és a háttér színképé-nek felvétele más-más fényútban történik

12. írószerkezet szinkronmotor detektor fénygyengítő rés I forgó szektor sf. rács t Kétsugaras spektrométerek • “optical null” spektrométerek A detektort folyamatosan fény éri, „csúszik”, tehetetlenség az írónál!

13. forgó szektorok rés 2x 1x detektor sf. rács I Kétsugaras spektrométerek • “ratio recording” spektrométerek A detektor minden második negyedperiódusban„megpihen”, az intenzitások elektronikusan is mérhetők, nincs tehetetlensége az írónak! t

14. speciálisholografikusrács rés sugárforrás detektorsor Egysugaras spektrométerek diódasoros spektrométerek - viszonylag alacsony felbontású Rögzített – a detektorok számától függő - felbontású. Nagyon gyors, néhány μs alatt kiolvasható – kinetikai vizsgálatok!

15. UV-VIS spektrométerek • a feladat és a rendelkezésre álló pénzösszeg ismerete a meghatározó a választásnál, de - lehetőleg ne vegyünk prizmás készüléket - a holografikus rácsot részesítsük előnyben - a regisztráló spektrométerek közül a ratio re- cording alkalmas csak mennyiségi analízisre - a detektorsoros ugyan a legmodernebb, de nem mindig felel meg a felbontása a céloknak

16. Interferometrikus berendezés: • a rés hiánya miatt a min-táról érkező teljes fény-mennyiség a detektorra jut • az optikai felbontás a ma-ximális útkülönbségtől függ • a detektorjel multiplex • az időbeli felbontás a de-tektor válaszideje mellett az optikai felbontástól is függ

17. Interferométer típusok Michelson-interferométer

18. Interferométer típusok Genzel-interferométer

19. Interferométer típusok Wish-boneinterferométer

20. Interferométer típusok polarizátor: +45° analizátor: -45° sugárforrás detektor álló kvarcék mozgó kvarcék Kvarcékes-interferométer -modulált fényút

21. Variációk a Michelson-féle interferométerre • tükörmozgatás: - mechanikus - légpárnás • tükörgeometria: - parabola - cube corner • speciális stabilitásnövelő eljárás: - dynamic alignment

22. Tükörmozgatás - mechanikus tükörtest rubin speciális üveg optikai pad

23. Tükörmozgatás - légpárnás fúvóka tükörtest légpárna optikai pad

24. Tükörgeometria - parabola • egyenletes, nagy fény-erő • pontos hangolást igé-nyel • rezgésekre érzékeny, igen jó mozgatóme-chanizmust igényel

25. Tükörgeometria - cube corner • gyenge fényerő az op-tikai tengelyben • nem érzékeny a rezgé-sekre, durvább moz-gatómechanizmus is megfelelő

26. Dynamic alignment piezokristályok HeNe-lézer elektronika lézerdetektorok

27. Infravörös spektrométerek • diszperziós készüléket csak rendkívül speciális esetben vásároljunk! • a kis cégeket kerüljük el, bármennyire is olcsó az ajánlatuk, • ragaszkodjunk a vásárlandóval azonos/hasonló konfiguráció kipróbálásához, • a szoftver kiépítettsége nagyon fontos, ne eléged-jünk meg csökkentett képességű verziókkal,

28. Gáz minták • alap: 10 cm-es transzmissziós gázcella • speciális kistérfogatú gázcellák: 0,5-5m • multipath gázcellák: 10 - 400 m • fotoakusztikus (PAS) gázcella • open-path spektrométerek: 100 - 2000 m • GC - FTIR • TG-FTIR

29. Transzmissziós gázcella 10 cm

30. Kis térfogatú gázcella

31. Multipath cellák

32. Open-path spektroszkópia Multipath cella nyitott falakkal!

33. minta 2-2000 m Open-path spektroszkópia optika spektrométer sugárforrás Mindkét helyen kell áramot szolgáltatni – terepen!

34. sugárforrásésspektrométer optika tükör minta Open-path spektroszkópia Áramot már csak egy helyen kell bizto- sítani, de még mindig két optika kell!

35. fényosztó minta sf. detektor macskaszemtükör Open-path spektroszkópia optika spektrométer Csak egy optika kell, de az energia ¾-része elveszik!

36. Io I I Io szél szél Open-path spektroszkópia • A háttér problémája! – Io H2O and, CO2

37. GC – FT-IR detektor lightpipe GC FT-IR

38. mozgó ZnSe ablak GC – FT-IR Liq. N2 hűtöttvákuumkamra detektor GC FT-IR

39. GC-FTIR - kriosztát vákuum pumpa kolonnáról vezérelhetõ ZnSe ablak kriosztát

40. TG – FT-IR detektor lightpipe TG FT-IR

41. Szilárd minták • pasztilla • mull • diffúz reflexió • ATR-cellák • gyémántcella • fotoakusztikus (PAS) cella

42. Pasztilla • pasztilla - KBr/CsI-dal együtt őrölve, préselve • bomlás, módosulatváltás a nyomás hatására • ioncsere vagy reakció a pasztilla anyagávalpl.: 2Cu2+ + 2Br - = 2Cu+ + Br2 • alapos őrlést és keverést igényel

43. Mull - szuszpenzió • A megőrölt mintát szuszpendálják • Nuyol - paraffinolaj - CH rezgések tartományán kívül jó • Fluorolube - perfluorozott epoxi polimer 1450 cm-1 felett jó • alapos őrlést és keverést igényel • az ablakkal való reakció, ioncsere nem kizárt

44. Diffúz reflexió a minta szilárd oldata

45. Diffúz reflexió

46. Diffúz reflexió • jelentős őrlést és homogenizálást igényel • méretfüggő színkép • a szilárd oldószerrel való reakció vagy ioncsere lehetséges • a fázis tömörsége, felülete alapvetően befolyásolja a szórást - nem valós sávok megjelenése

47. Diffúz reflexió • az intenzitás paraméter a diffúz reflexiós spektroszkópiában • reflektancia R= I/Io • Kubelka-Munk egység - abszorbancia analóg - K.M.= (1-R)2/2R

48. Gyémántcella

49. Gyémántcella • gyors és igen kis mennyiségű és nagyszámú minta vizsgálható, • a nyomás hatása elkerülhetetlen, • költséges, • érzékeny a mechanikai hibákra

50. ATR spektroszkópia • Attenuated - gyengített • Total - teljes • Reflectance - reflexió