Molekulová spektroskopie a environmentální analýza (UV-Vis, FTIR)

Široká nabídka přístrojů z oblasti molekulové spektroskopie už si vydobyla v portfoliu přístrojů Agilent Technologies své pevné místo. Agilent nabízí široký výběr v oblasti UV-Vis a UV-Vis-NIR přístrojů, ale také můžete vybírat z několika modelů FTIR spektrometrů anebo můžete sáhnout po fluorescenčním spektrometru.

CARY 60

Ráda bych, abyste se nejprve seznámili s osvědčeným a do jisté míry unikátním UV-Vis spektrofotometrem Cary 60. Jedná se o základní model, který je hlavně velmi robustní a výkonný, a také se pyšní dalšími velmi zajímavými vlastnostmi. Jedná se o jednopaprskový či dvoupaprskový spektrofotometr? Ani jedno označení není správné. V případě Cary 60 je to duální paprsek.

Spektrofotometr pomocí děliče paprsku rozdělí paprsek na dvě poloviny a jedna polovina pak směřuje na referenční detektor a druhá polovina na kyvetu se vzorkem a na detektor. Je tedy zaznamenáván referenční signál a můžete měřit spektra s korekcí na „baseline“ a výsledky jsou kvalitativně velmi podobné nebo i lepší, než je tomu u typických dvoupaprskových spektrofotometrů.

Další zajímavostí je i využití xenonové zábleskové lampy jako zdroje záření. Jelikož jde o zábleskovou lampu, tak lampa svítí pouze ve chvíli, kdy je proměřován vzorek. A lampa má pák dlouholetou životnost, většinou je to minimálně 10 let. Jedná se tedy o výraznou úsporu na provozních nákladech. Další výhodou, kterou Cary 60 poskytuje, je použití xenonové zábleskové lampy a také speciální elektroniky. Spektrofotometr má tzv. „Room Light Immunity“. Co to znamená? Měření není ovlivňováno okolním světlem a není tedy třeba vzorkovací prostor uzavírat, Cary 60 poskytuje stejné výsledky s otevřeným i uzavřeným vzorkovacím prostorem.

Altium: Obrázek 1. Schéma optického uspořádání Cary 60

Ráda bych ještě zmínila, že v neposlední řadě Cary 60 disponuje velmi fokusovaným paprskem, který umožňuje propojení s optickým vláknem. Toto propojení poskytuje další zajímavé možnosti měření pomocí sond pro měření kapalných vzorků či příslušenství pro měření difuzní reflektance u pevných vzorků.

Altium: Obrázek 2. Portfolio molekulové spektroskopie Agilent

CARY 60 – Analýza nitrátů ve vodách

Laboratoře zaměřené na environmentální analýzu zpracovávají tisíce vzorků vody za rok, aby stanovily koncentraci těžkých kovů a dalších iontů, jako jsou třeba nitráty, fosfáty a fluoridy. Optické vlákno může být skvělým nástrojem pro zvýšení průchodnosti vzorků a zvýšení efektivity laboratoře. Optické vlákno se speciální sondou umožňuje měření absorbance vzorků v takřka jakékoliv nádobě chcete, není třeba speciálních a drahých kyvet.

Uvedu příklad použití optického vlákna s křemennou sondou. Byla použita standardní analytická metoda. Byla připravena koncentrační škála od 0 do 7 mg NO3- a proměřena při 220 a 275 nm. Měření při dvou vlnových délkách umožňuje korekci pro rozhraní rozpuštěné organické látky kalkulací rozdílu mezi měřeními při jednotlivých vlnových délkách podle následující rovnice:

Rovnice 1: Abs(220) – 2 x Abs(275)

V softwaru Cary WinUV byl použit koncentrační modul, který vyhodnocuje výsledek výše uvedené rovnice dynamicky jako funkci koncentrace.

Pro měření bylo použito následující nastavení spektrofotometru:

• Uživatelský výsledek: = Read(220) – 2 x Read(275)
• Souřadnice: Abs
• Průměrovaný čas: 1,0000
• Replikace: 3
• Standard/Vzorek průměrovaný: vypnuto
• Váhová a objemová korekce: vypnuto
• Fit type: kvadratický
• Minimální R2: 0,95000
• Jednotky koncentrace: mg/L

Na Obrázku 3 vidíte dosaženou kalibrační křivku změřenou pomocí optického vlákna s křemennou sondou. Y-ová osa (Abs) vychází z výsledků z výše uvedené rovnice a x-ová osa znázorňuje koncentraci nitrátových standardů. Kvadratická funkce (rovnice 2) byla aplikována pro 6 standardů s výsledným korelačním koeficientem 0,99931. Surová data absorbance a statistika kalibračních standardů jsou vidět v Tabulce 1.

Rovnice 2: Abs = -0,00017conc + 0,23364conc + 0,01705

Altium: Obrázek 3. Kalibrační křivka

Tabulka 1 Hodnoty nitrátových standardů pro kalibrační křivku

Std / Conc (mg/L) / Mean Abs / SD / %RSD / Raw Abs

• Std 1 / 0.103 / 0.0443 / 0.0036 / 8.03 /(0.0472; 0.0404; 0.0454)
• Std 2 / 0.205 / 0.0488 / 0.0002 / 0.37 /(0.0488; 0.0490; 0.0487)
• Std 3 / 0.616 / 0.1856 / 0.0011 / 0.57 /(0.1856; 0.1846; 0.1867)
• Std 4 / 1.027 / 0.2467 / 0.0030 / 1.22 /(0.2475; 0.2492; 0.2434)
• Std 5 / 1.541 / 0.3748 / 0.0006 / 0.17 /(0.3741; 0.3750; 0.3753)
• Std 6 / 6.162 / 1.4506 / 0.0011 / 0.07 /(1.4503; 1.4496; 1.4517)

Standardní metodikou byly připraveny vzorky vodovodní vody ze dvou různých zdrojů označené jako A a B. Byla změřena absorbance a byla vyhodnocena koncentrace dle kalibrační křivky. Výsledky jsou uvedeny v Tabulce 2.

Tabulka 2 Surová data a statistika vzorků vody

Std / Conc (mg/L) / Mean Abs / SD / %RSD / Raw Abs

• A / 0.145 / 0.0510 / 0.0009 / 1.78 /(0.0520; 0.0504; 0.0506)
• B / 0.709 / 0.1825 / 0.0025 / 1.36 /(0.1797; 0.1838; 0.1841)

Tři opakovaná měření vzorků i standardů uvedená v Tabulkách 1 a 2 jsou reprodukovatelná a demonstrují vysokou přesnost měření, kterou lze dosáhnout s použitím optického vlákna s křemennou sondou ve spojení s Cary 60. Vyskytl se pouze zanedbatelný přenos vzorku mezi měřeními s tím, že oplach sondy mezi měřeními byl prováděn pomocí destilované vody po dobu 5 vteřin. Celkový čas měření 24 roztoků šesti standardů a dvou vzorků, každý se třemi opakováními, byl přibližně 5 minut. V tomto čase je zahrnut oplach a osušení sondy mezi jednotlivými měřeními. Měření pomocí optického vlákna se sondou je tedy prokazatelně rychlejší a jednodušší než při použití klasických kyvet.

• SPADNS Colorimetric Method to Quantify Fluorides in Water (Aplikace | 2023)
• Nitrate Analysis of Water Using a Fiber Optics Dip Probe (Aplikace | 2021)

CARY 630

Dalším užitečným pomocníkem v oblasti environmentálních analýz je FTIR spektrometr Cary 630. Cary 630 je charakteristický tím, že je velmi univerzální inovativní a intuitivní. Cary 630 je univerzální především díky široké nabídce vzorkovacích rozhraní, která kdykoliv pořídíte a připojíte. Díky uživatelsky snadnému softwaru je zacházení a práce s Cary 630 velmi jednoduchá. Agilent přišel s inovativním kouskem pro Cary 630, je jím unikátní vzorkovací rozhraní pro měření transmise kapalných vzorků. Není již třeba klasických kyvet, jejichž plnění a zacházení vyžaduje dost času a zručnosti. Agilent nabízí unikátní řešení v podobě vzorkovacího rozhraní nazvaného DialPath (Obrázek 4).

Altium: Obrázek 4 Cary 630 DialPath

Pomocí tohoto příslušenství je měření transmise kapalných vzorků velmi snadné a rychlé. Měření provedete ve třech jednoduchých krocích, jak demonstruje Obrázek 5. Snadnější už to nemůže být.

Altium: Obrázek 5. Analýza pomocí DialPath příslušenství ve 3 krocích

Díky široké škále příslušenství se z Cary 630 stává skutečně velmi univerzální pomocník. Lze vybírat z následujících vzorkovacích modulů: diamantové ATR, germaniové ATR, transmisní modul, Dialpath a TumblIR pro měření transmise kapalin, modul pro difuzní reflektanci, 5-ti odrazové ATR, modul pro spekulární reflektanci (Obrázek 6). Lze tedy tak pokrýt široké spektrum aplikací a Cary 630 může být opravdu univerzálním přístrojem.

Altium: Obrázek 6. Příslušenství Cary 630 FTIR

A díky velmi intuitivnímu softwaru Microlab PC je práce s Cary 630 opravdu jednoduchá. Software Vás krok po kroku provede celým měřením (Obrázek 7). Je možné také lehce nastavit barevně odlišená hlášení při mezních hodnotách v procesu kontroly kvality. Microlab PC je také vhodný i pro farmaceutické firmy.

Altium: Obrázek 7. Software Microlab PC

Cary 630 – stanovení ropných látek ve vodách (NEL)

Jedním z typických příkladů využití infračervené spektroskopie v environmentální analýze je stanovení ropných látek ve vodách, které se stanovují jako nepolární extrahovatelné látky (NEL). Infračervená spektroskopie je již přes 50 let jednou z nejrychlejších a nejsnazších metod pro analýzu uhlovodíků ve vodách. Výsledkem metody je celková suma uhlovodíků. V případě překročení limitní hodnoty je třeba reanalyzovat vzorek pomocí plynové chromatografie pro stanovení délky uhlovodíkového řetězce (metoda C10C40).

Pro extrakci je na výběr mnoho normovaných metod. V následujícím konkrétním experimentu byla použita metoda extrakce pomocí cyklohexanu. Konkrétně 500 ml vzorku vody bylo okyseleno kyselinou chlorovodíkovou a extrahováno 15 ml cyklohexanu (99,9 % pro spektroskopické použití). Poté jsou odebrány 3 alikvoty rozpouštědla do 50 ml zkumavek a odpařeny pomocí proudu dusíku na konečný objem 0,5 ml. Zakoncentrovaný vzorek byl pak změřen pomocí příslušenství DialPath s délkou optické dráhy 1000 um (ve třech jednoduchých krocích viz Obrázek 5). Pozadí bylo změřeno proti čistému cyklohexanu. Parametry měření jsou uvedeny v Tabulce 3.

Tabulka 3 Parametry měření

Parameter / Values

• Instrument / Agilent Cary 630
• Source / Ceramic
• Sampling / 1 000 µm DialPath TM
• Optics / ZnSe
• Detector / DTGS
• Scans / 128
• Resolution / 4 cm¯¹

Sada standardů připravená z roztoku hexadekanu a izooktanu s koncentracemi uvedenými v Tabulce 4 byla změřena za stejných instrumentálních podmínek. Vyjádřené koncentrace se vztahují přímo ke koncentraci uhlovodíků v 500 ml vzorku vody.

Spektra všech standardů jsou shrnuta v Obrázku 8. Pík při 1380 cm-1 odpovídá methylové skupině a přímo koreluje s koncentrací uhlovodíků. Vzhledem k cyklické struktuře cyklohexanu a nepřítomnosti methylové skupiny není tento pík rozpouštědlem nijak ovlivněn. Plocha píku byla měřena mezi 1372 a 1386 cm-1 a baseline mezi 1352 a 1412 cm-1, jak je vidět na Obrázku 9.

• Agilent MicroLab Quant Calibration Software: Measure Oil in Water using Method IP 426 (Aplikace | 2015)
• Fast and Simple Material Identification of Plastic Debris Using FTIR Spectrometry (Aplikace | 2023)
• ANALYSIS OF OIL IN WATER USING THE AGILENT CARY 630 FTIR (Aplikace | 2014)
• In-Situ 13C/12C Ratio Analysis in Water Carbonates using FTIR (Aplikace | 2017)

Reálné vzorky pak byly měřeny, jak bylo popsáno výše, a hodnoty byly odečítány z kalibrační křivky. Výsledkem byla celková suma uhlovodíků, olejů a maziv, pokud jsou přítomné. Pokud je třeba stanovit pouze samotné uhlovodíky, pak je nutné extrahovaný vzorek přečistit na fluorosilové koloně.

Tabulka 4 Koncentrace standardů uhlovodíků

Name / Total HC ppb

• F2std / 165.000
• Astd / 13200.000
• Bstd / 6600.000
• Cstd / 3300.000
• Dstd / 1320.000
• Estd / 660.000
• Fstd / 330.000
• a std / 13200.000
• b std / 6600.000
• c std / 3300.000
• d std / 1320.000
• e std / 660.000
• f std / 330.000
• f2 std / 165.000
• zero std / 0.000

Altium: Obrázek 8. Integrační parametry methylové skupiny

Altium: Obrázek 9. Methylový pík všech standardů

Tedy použitím tohoto postupu a Cary 630 DialPath můžete velmi rychle a snadno obdržet výsledky analýzy uhlovodíků ve vodách. Tento přístup vykazuje srovnatelnou citlivost jako klasické FTIR metody používající chlorovaná a fluorovaná rozpouštědla. Vzhledem k nižší hustotě cyklohexanu v porovnání s vodou je možné provádět extrakci přímo ve vzorkovací nádobě a není třeba extrakčních nálevek a je i dosaženo lepší opakovatelnosti, kdy RSD se pohybuje pod hodnotou 3 %.