validarea metodelor analitice- 9

402 CAPITOLUL 8 SPECTROMETRIA DE FLUORESCENTA CU RAZE X

8.2. Spectrul de fluorescenta XPentru a se intelege modul in care se produce fluorescenta, se consider^ un atom

izolat, supus actiunii unui foton incident, care trebuie sa aiba o energie mare. Are locexcitatia atomului prin transfer de energie cand se produce smulgerea unui electrondintr-un strat profund al atomului, de exemplu, de pe stratul K. In acest mod, are locpractic, o ionizare interna cu emisia unui ,,fotoelectron" (efect fotoelectric), iar energiafotoelectronului emis este egala cu diferenta dintre energia fotonului incident X sienergia nivelului ocupat initial de electronul emis. In f igura 8.2 este prezentata o schemaa catorva radiatii de fluorescenta produse de fotonii de mare energie.

NM

Kix K|3 La L|3 M«

Figura 8.2 Schema unor radiatii de fluorescenta produse de fotoni de mare energie

Pozijia radiatiilor nu este influentata sensibil de natura combinajiei in care se al laatomii excitati. De exemplu, radiatia Kcx, a S6+ de la 0,5348 nm se deplaseaza pentru S°

la 0,5350 nm.Atomul ionizat pr in emisia fotoeiectronului se stabilizeaza prin reemiterea

parfiala sau totala a energiei primite in faza de excitatie, cea ce duce la o reorganizare aelectronilor oclata cu revenirea atomului la starea fundamental*, intr-un timp foarte

scurt, denumai 10" s.

Daca se noteaza energia electronului initial cu E, si acea a electronului care-linlocuieste cu E2, se poate produce o tranzitie radiativa cu f recventa n (cu o probabilitatecuprinsa' intre 0 si 1) care se exprima prin diferenta dintre cele doua energii:

hv= £2-El (8.1)

Toate elementele, Tncepand cu li t iul (Z = 3), pot emite radiatii specifice, care sesupun unor reguli de selecjie, astfel ca fluorescenta apare in general intr-un domeniularg de energie, cuprins intre 40 keV si peste 100 keV, ceea ce corespunde domemuluispectral 31,0-0,012 nm.

CAPITOLUL 8 SPECTROMETRIA DE FLUORESCENTA CU RAZE X 403

Trebuie precizal ca benzile Ka sunt mai intense decat KP de cca. 6 ori, iarrearanjamentele in cascada se observa numai pentru elementele grele, cele usoareneputand avea tranzitii L sau M.

Spre exemplu, hidrogenul si l ie l iu l nu pot da spectre de fluorescenta, iar carbonul danumai o radiatie Ka la 4,47 nm (277 eV).

Simbolul FeKp2 se refera la pozitia ,,goluhii" de pe stratul K si reprezinta distanladintre starile de energie de plecare (a pentru l ) s i de sosire(P pentru 2) ale electronuluicare migreaza. De asemenea, simbolul mentionat se refera si la intensitatea relativa atranzitiei in seria considerata, 1 f i ind mai intensa decat 2. Aceste simboluri an fost datede Siegbahn, dar ele sunt explicite numai pentru nivelul (stratul) K, deoarece restulnivelurilor L, M, N etc., sunt atat de multiplicate (si formate din mai mult i orbitali), incatnotafiile lui Siegbahn nu mai sunt suficient de explicite. De aceea tranzitiilc sc clcsem-neaza intr-un mod mai riguros. Astfel, se tine scama de faptul ca energia u n u i foton esteegala cu E=hc/X. iar modul de inregistrare a spectrelor caracterizeaza radiatia (indiferentde Xexprimata in A sau nm). Prin urmare, radiatia se poate caracteriza prin lungimea sade unda 1 sau prin energia sa E exprimata in eV sau keV. existand doua relatii numericecare se pot converti una in aita (acestea fiind eel mai frecvent utilizate):

1240E(cV) '

12,4

E(keV)(8.2)

Pentru fluorescenta este necesara o sursa de radiatie X primara, cum sunltuburi lede raze X prevazute cu filtre de iesire sau radioizotopii care emit particule capabile saproduca excitatia. Se considera o incinta vidata (tub Crookes) in care electron!! de marevitcza, accclerati de un camp electric continuu de pana la 50 kV, lovesc un anticatod(adica un anod), confectionat dintr-un metal cu Z = 25-75. Electron!! sunt incetiniti petinta (anticatod) si emit o radiatie X, numita ,,de franare", sub forma unui spectrucontinuu (f igura 8.3, a); limita lungimilor de unde scurte a spectru lui, X0, se poate calculautilizand relatia de mai sus. Daca energia electronilor este suficienta, peste acest spectruse suprapun raze cu lungimi de unda caracteristice metalului anticatodului, utilizate inanaliza.

Aceste radia|ii caracteristice metalului anticatodului suntcti atat mai numeroase siau o energie cu atat mai mare, cu cat numarul atomic (Z) al metalului este mai mare.Alegerea unuia sau a altui metal depinde de aplicatiile care se doresc.

De reguia se u t i l izeaza anticatod/anod de rodiu pentru care radiatia Ka are A = 0,061nm si 20,3 keV si wolframul a cSrui radiatie Ka are X = 0,021 nm si 59 keV.

De remarcat ca, in cazul tuburilor de raze X foarte puternice, de 1-4 kW, estenecesara racirea cu apa.

In sfarsit, filtrele tuburilor an rolul de a micsora zgomotul de fond, prin eliminarearazelor X primare. In acelasi scop se poate produce o excitatie a unei a doua tinte, cu osursa primara, fluorescenta celei de a doua tinte o substituie pe aceea a prime! surse, deaceea pentru a doua radiatie lipseste radiatia de franare.

404 CAPITOLUL 8 SPECTROMETRIA DE FLUORESCENT* CU RAZE X

Figura 8.3 Spectrul continuu de emisie X al unui anticatod de radio (Rh) cu c3derede potential de 62 kV (a) si un tub de raze X (b)

O alta sursa de radiatii X si de fluorescenta o constituie radioizotopii, deoareceraclionuclidele sufera transformed prin ,,captura interna de electron! (CIE)", adica unu ldin cei doi electron! de pe starul K., de exemplu, este absorbit de nucleu 5! dispare, iargolul care apare pe nivelul K determina cmisia fluorescenta X, din noul nucleu Yformat, conform reacfiei generate:

E = atomul (elementul) care sufera CIE

In tabelul 8.1 stint date unele surse radioizotopice de raze X, care au perioaderelativ lungi pentru a putea fi utilizate in acest scop.

Tabelul 8.1 Unele surse radioizoto]

55Fe -> 55Mn5'Co _> 57pe

l09Cd->IOV242CmV42Pu

Perioada (ani)27

0,7

1,3

17,8

)ice pentru obtinerea razelor X

,,Raze" X

MnKcc

FeKa

AgKa

PuLa/Lg

X(nm)

0,21

0,19

0,056

0.09-0,07

E (keV)

5,9

6,4

2214-18

Activitatea acestor surse este de cateva mCi (miliCurie), ceea ce poate asigura unflux de 106-108 fotoni/s/steradian. Totusi exista tendinta de renuntare la aceste sursedeoarece ele, emiland continuu, impun adoptarea unor masuri de protccjie cat mai sign re.

In acest context, se inai poate utiliza ca sursa si" Am, cu perioada dc 430 ani, careemite particule a si o radiatie y de 60 keV, sau amestecul de Pm/Al (perioada 2,6 ani),care emite o radiatie de franare de 10-200 keV. in acest caz, p r imul metal emite o radiatieP, iar al doilea are rol de tinta, deci de anticatod, intr-un tub conventional de raze X.


Este posibila, de asemenea, excitalia in vederea producerii fluorescentei si cuajutorul unu i microscop electronic cu baleiaj, deoarece la i luminarea probe! de analizatcu un flux de electron! foarte energici (pentru a obtine imagini) se produce si o emisiede raze X, care este caracteristica pentru compozitia micii zone de proba care este supusabombardamentului cu electron! de mare energie, asa cum se poate observa din f igura 8.4.

0,2 - 2 nm

Figura 8.4 Schita interactiunii dintre un material si un flux de electron!

I - electron! primari; 2 - electron! secundari; 3 - electron! radiodifuzati; 4 - raze X;5 - emisie X caracteristica; 6 - emisie X continua; 7 - fluorescenta secundara.

Din interactiunea unui fascicul de electron! de mare energie cu un material rezullao emisie complexa in care se poate distinge originea diverselor radiatii componente. incaztil unei energii prea mari, razele X se formeaza in profunzimea matcrialului/probeisi deci detectarea diverselor radiatii este dificila.

Este important ca multe microscoape electronicc sunt echipate cu un colector alfraction!! de raze X fluorescence emise de tubul de raze X. Caraclerizarea majoritatiielementelor se poate face uti l izand un fascicul de electron! cu energie de 20 si 30 keVcare este suf icienta pentru acest scop, permitand aparitia razelor K si L. In acest caz estevorba de analiz.a aproape instantanee iiumita microanaliza X, in care este vorba de tinvolum de cca. 1 u.mj.

In sfarsit, este de subliniat faptul ca in fluorcscenja cu raze X se produce oautoabsorbtie datorata extinctiei optice a probei. Dupa traversarea unei grosimi dxdintr-un material care are coeficientul de absorbtie masica u. (cm" ), intensitatea P aradiatiei X scade cu dP, pentru un unghi de penetrare de 90°. Coeficientul de absorbtie(-1 se poate calcula pentru un material dat cu o compozitie cunoscuta, utilizand coef icientiide absorbfie masica a! elementelor componente luati dintr-un tabel. Odata determinat uncoeficient masic u,M (cm /g) al unu i material cercetat, se poate obtine coeficientul masicM. = |0.M • p, (p fiind exprimat in g/cm3).


Scaderea intensitatii radiatiei dP = -uJPdx este comparabila cu expresia similara

din calorimetrie P = Poe~^x.

Coeficientii de absorbtie tnasica (sau lineica) descresc exponen|ial cu scaderea

lungimii de unda, iar relatia P = P0e~tlx permite calcularea absorbtiei procentuale a iinuimaterial, dintr-o anumita radiatie.

De exemplu, un fir de aluminiu menajer cu o grosime de 12p.ni si p = 2,7 absoarbe 57%din intensitatea radiatiei TiKa (uM = 264) $i nunui 1% din radiatii AgKa (uM = 2,54).

Daca probele lichide nu trebuie supuse unei preparari (pretratament) prealabile.probele solide necesita un astfel de pretratament, mai ales daca matricea nu este binecunoscuta si insuficient de omogena, cazuri in care rezultatele sunt variabile (putinreproductibile). Pentru ,,prepararea" unor astfel de probe se poate face o mineralizare aunei mici cantitati de proba pulverizata cu tetraborat de litiu Li^B^ sau cu al(i aditivi,intr-un creuzet incalzit electric, cand se objine prin topire ,,o perla" transparenta, for-mata din elemente usoare. Se poate face de asemenea un pretratament prin ,,pastilare"hidraulica, proces in care este necesara si adaugarea unor polimeri organic! pentru aasigura coeziunea pastilelor.

Pentru determinarea spectrelor de fluorescenta X exista diferite aparate si nioduridiferite de abordare, asa cum se poate observa din figura 8.5. Exista spectrometre cudispersiedeenergie, de mici dimensiuni, pentru analizacalitativa si determinaride rutinacare includ un tub de raze X cu putere mica, pentru a evita constrangerile tot mai mariale legislatiei privind detinerea de surse radioactive (radioelemente).

sursa primara

de ra/e X

proba

ttuorescenta X

annliza siniuttana

k evdetector de

cnei-gieA^v^X,

1 cristal rotitor | 1 detector mobilf

;inali/.a sccvcutinli)

1 1 cristal 1 I 1 detector 1

1 cristal n I 1 detector n | I doznrc element n

1 cristal 2 I [

Figura 8.5 Schema unor abordari diferite pentru objinerea de spectre sau de rezultateprin fluorescent^ X


8.3. Detectoare de fluorescenta X

Pentru obtinerea unui spectru de fluorescenta X sunt necesare detectoare care potdetecta fiecare foton emis. Acest detector trebuie sa primeasca o parte din fluorescentaX, de aceea el este plasat aproape de proba, putand fi un contor proportional cu gazul(ne) sau un semiconductor de Si-Li, care este de fapt o dioda de siliciu dopat cu litiu, asacum se vede din figura 8.6.

raze X

'-200 V-zona N

Or o4 orificiu

-zona activn

zona P

VFET

dioda

racirc(cfcct Peltier)

Figura 8.6 Detector de Si-Li r§cit

S = sursa de raze X primare; Or = orificiu (scobitura)

Fiecare foton este convertit intr-o sarcina electrica proportionala cu energia sa(cca. 4 eV), compatibilizat cu un analizor multicanal (cca. 2048 canale) pentru a putearecepta impulsurile eliberate de fotoni a caror energie este cuprinsa in domeniul 0-20 keV.Primirea acestor impulsuri are loc pe toata durata masuratorii. Se obtine astfel spectrulde f luorescenja X, care este in fapt o histograma.

In afara de acest tip de spectrometru, mai exista spectrometre cu dispersie angu-lara, secventiale si multicanal. Aparatele cu dispersie angulara functioneaza astfel:

- razele X emise de proba sunt filtrate de un colimator stratificat;

- razele filtrate ating un analizor (cristal), care se alege in functie de partea studiataa spectrului (figura 8.7); cristalele sunt componente ale unor goniometre;

- pentru a se putea studia raciiatiilecu energie mica, se lucreaza subvid, iar cristal uisecomportaca un ansamblu deoglinzi suprapuse care reflects lumina, cu satisfa-cerea legii lu i Bragg.

Cu cat lungimea de unda a analizortilui este mai mare, cu atat cristalul care se alegetrebuie sa aiba o distanta inter-reticulara mai mare.


Cristalul Plan (index Miller) d(A)

TopazFliiorura de l i t iu

Silicon

GrafitAcid oxalic

Mica

Stearat dc plumb

333

200

00100!

002

Lcgca BraggX=2dsin6

Figura 8.7 Schema de montare a cristalelor reflectante Ingoniometrele spectrometrelor dispersive

Spectrometrele de fluorescenta continand goniometre se numara printre cele maibune, mai performance, iar rezolutja lor poate fi de cateva zeci de eV. Exists doua t ipur ide astfel de aparate si anume:

1. Analizoare secventiale, al caror cristal detector efectueaza rotatii sincronizate sisimuliane, pentru a asigura reperarea (observarea) a 26 si 0, la I / I O O O grade de unghi.Trebuie subliniat faptul ca o mica fractiune din radiatja X primara este difuzata subforma unei radiatii a carei lungime de unda depinde de unghiul de observajie (Figura8.8A ), iar aceasta radiatie se adauga la spectrul de fluorescenta X (efect Compton).Abaterea dintre cele doua lungimi de unda, de excitatie si Compton, exprimata in A, estedata de relatia:

AX = 0,024 (I/cos a) (8.3)

CrKa

(a)

Unsjlli 26

(b)

Figura 8.8 Spectrometru de fluorescenta X, cu goniometru, pe baza de cristal, pentruanaliza secvenjiala (A) si spectrul obtinut pentru un aliaj de Cr-Co-Ni-Fe (B)

I . sursa de raze X; 2. proba; 3. cap dc citire (cristal fixat G); 4. colimator primar; 5. unghi 0 deconducere; 6. grilS de cristal; 7. colimator secundar; 8. detector; 9. conducere 26; 10. cap de citirefixat al detectorului (26) cristal de LiF 2-0-O.


In figura 8.8B este prezentat spectrul de fluorescenta X al unui aliaj de Cr-Co-Ni-Fe.

De regula sc utilizeaza un colimator Soller format din foite metal ice paralele. carecanalizeaza fasciculului de raze X primare, produse de o sursa puternica SRS 300Instrument (Siemens); in acest caz este vorba de un cristal de LiF (200). Spectrul esteobtinut cu un unghi de 26, dat In grade, pe abscisa, iar pe ordonata este data intensitateain cps [1 bit = 1 imitate (01), iar 8 bit i = 1 cps (caracter per secunda)]. S-a utilizat unSpectrometru X secvenfial Philips PW 2400.

2. Aparate eu canale fixe, care au mai multe detectoare, dispuse in juru i aceluiasicristal, sau inclucl mai multe ansambluri de detectoare- cristal preinstalate pentru masu-ratori simultane ale radiatii lor caracteristice elementelor cercetate; acestea au rezolutiid 3-40 eV pentru elemente cu Z > 7.

In sfarsit, exista aparate cu fil tre calibrate, monocanal, mai ales pentru controlulcontinuu al productiei industrial, respectiv pentru determinarea u n u i singur element.prezenl intr-un proces de fabricate. Masurarea prin aceasta tehnica are la baza relatiadintre concentratia elementului si diferenta dintre doua masuratori, filtrele f i ind plasaleilitre proba sau referinta si un contor Geiger-Miiller. Un f i l t ru , numi t filtru de transmisic,lasa sa treaca numai radiatia specifics e lementului de analizat, iar ai doilea filtru. numitde absorbtie, este opac pentru aceasta radiafie. Aceasta telinica. in care se utilizeazafiltre, este aplicabila in analiza cantitativa de rutina, deoarece si filtrele pot avea ofluorescenta proprie, care limiteaza aceasta metoda.

Pentru analiza cantilativa prin fluorescenta X trebuie sa se tina seama ca relaliadintre concentratia masica a unui element si intensitatea radiafiei caracteristice a acestuia.masurata cu un Spectrometru de fluorescenta X, este complexa. De aici imporlantaeiaborarii unor modcle pentru corelarea fluorescentei cu concentratia e lementului , maiales pentru concentratii foarte mici (urine). Laconceperea unor astfel de modele trebuiesa se faca numeroase corectii, determinate de efectele inter-elemente, de excitatiepreferentiala, de autoabsorbtie, de randamentul fluorescentei, deoarece atoniii grei sedezexcita mai ales prin conversie interna fara emisie de fotoni. Din aceste considerentesunt necesare probe de referinfa care sa aiba practic aceeasi structura si compozijieatomica pentru toate elementele prezente in proba de analizat. De aici deriva si d i f icul-tatea efectuarii unei analize cantitative pr in spectrometria de fluorescenta cu raze X.

Tinandu-se seama de toate cele cxpuse, s-a stabilit relatia dintre concentraliaatomica CA si intensitatea IA a picului ales A, intensitate detectata ca numar de ciocniri,pentru probe foarte subtiri; cele doua inarimi, CA si IA, sunt legate prin constanta kA alui Cliff-Lorimer:

CA = kA • IA (8.4)

Fiind vorba de probe foarte subtiri , sc intelege ca, 5n cazul unei probe solide,trebuie avut grija ca aceasta sa aiba o suprafata perfects, deoarece analiza se face pepr imul micrometru de pc suprafata probei, care trebuie sa fie foarte bine slefuita.


Analiza prin fluorescenta cu raze X are numeroase aplicatii in anali/a calitativa,pentru identificarea automata a razelor emisc de diversele eiemente, in controlul pro-ductiei de aliaje, utilizate inclusiv pentru producereaaparaturii farmaceutice, medicale,stomatologice etc., pentru industria ceramicii si a sticlei, pentru controlul materiilorprime ?i a unor ambalaje farmaceutice (fiole, flacoane pentru solutii medicamentoaseetc.) si controlul materialelor dentare, cum sunt cimenturile si lichicleie de prizS utilizatein protetica. In figura 8.9 sunt prezentate spectrele de fluorescenta X pentru proclusecontinand metale usoare si grele, cum sunt Cu, Bi, Pb, Ca, Sr etc.

15-

10

5 -

Q -

„ SrLo

•3"Hu

0(Ka)fcuLa

JjJ

PbMa Analizcm%Sr 32.0I'b 29,8Ca 29,6Cu 8.6

CaKa1 Incluzie

CuKa

15-

10-

5 -

0 -

1H5 SrLa

O(Ka) 1buLajj

jil

PbMa Anptlae in %

+• Cu 30,2BiMa Sr 22,8

Bi 22.2Ca 20.9Pb 3,8

CaKa Matrice

CuKa

VJ Ujtuo^w - j W>— _

hi 4 . 6 8 10- 0 2 4 (||) 6 ; 8 l

Energie keV

(c) »j

Figura 8.9 Spectre de fluorescenta X ale unui material ceramic policristalin supraconductor

(a) 3! (b) si micrografia (c) executatS la un microscop electronic, a acestui material, cugranule de oxid orientate (BiPbiSt^CajCi^O]!))

In acest caz este vorba de o asociere a microscopiei electronice cu baleiaj (MEB)cu analiza prin fluorescenta X. Spectrele de emisie (a) si (b) corespund matricei (b) siiinei incluziuni(a)decca. 5 M,m care seobscrva in imaginca(MEB)jos, indreapta(aceastareprezinta de fapt o cartografie a suprafetei materialului ceramic slefuit).

Prin aceasta tehnica se poate analiza orice fel de proba (material), intalnite inindustria semiconductor!lor pentru controlul impuritatilor din foije (cipuri) de siliciu,clar si esantioane supuse cercetarii toxicologice si de mecliu (mai ales pentru determinareacompozitiei unor deseuri de Pb, As. Cr, Cd, Hg etc.


8.4. Analizorul cu raze X cu energie dispersiva (EDX)

Acest tip de analizor a fost conceput pentru capacitatea sa de a solutiona o serie deprobleme ale microanalizei, iar eficacitatea lui de analiza depinde de posibilitatile decontrol a t impului real de obtinere a semnalului analitic, de controlul microscopului cuenergie dispersiva, precum si de largimea game! aplicatiilor programului disponibil .Legal de aceste aspecte, este important!, In pr imul rand, rapiditatea si usurinta cu careesteoferitaoperaterului analistsolutia rezoivarii problemei care-1 intereseaza. Un sistemEDX inalt performant trebuie sa corespunda unor cerinte si parametri prezentafi infigura 8.10.

multi-

obtineren razelor X \probe

donicniiil intcligibil

al raportului sAv

Figura 8.10 Cerinte si performante in EDX

Parametrii care intereseaza Tn analiza EDX sunt prezentati in tabelu! 8.2, careofera o imagine mai completa a intelegerii avantajelor de catre operatorul care efec-tueaza o microanaliza de acest fel, deoarece acesti parametri servesc la imbunatatireaeficientei si calitatii analizei, respectiv a preciziei acestei metode.

Tabelul 8.2 Parametrii si avantajele EDX

Nr.crt.

I .2.

3.

4.

5.

6.

7.

Masa - platforma

Rezolutia detectorului pentru Mn si FeRexohil ia deleclorukn la o vile/3 de 1 0.000 cpsViteza maxima de achizitieTimpul de achizijie pentru o viteza mare de cartografiere(ex.: a unei suprafete)Timpul de obtinere si procesare a analizei cantitativeTimp de realizare a analizei imagistice pe un singur campde vedere, pe o proba standard, combinand datele chimicecu cele morfoloaiceVileza unei operatii interactive in condi(ii multi-probe(incercari)

Avantaje

Sensibilitate analiticSECicientS analilica si precizieBficienta analitica si precizieEficien|a analitica ;i precizie

Eficienta analitica si preciz.ieEficien(a analitica si precizie

Eficienta analitica

412 CAPITOLUL 8 SPECTROMETRIA DE FLUORESCENTA CU RAZE X CAPITOLUL 8 SPECTROMETRIA DE FLUORESCENTA CU RAZE X 413

Fapt important este ca, de regula, computeruI care deserve?te un astfel de analizortrebuie sa aiba platforma sa in ansamblul celorlalte componente ale anal izorului . Instru-menlele componente ale unui astfel de sistern automatizat trebuie sa aiba platformeproprii care of era idea de performanta operatontlui analist. Exista, in aceasta pr iv infa ,o anumita metodologie de proiectare a unui astfel de sistem. Mai mult , arhitecturaconstructive a unui sistem EDX are o influenta niajora asupra performance! analitice.De regula, pot exista doua arhitecturi constructive si anumc una cuplata grupat (inchis)si alta cuplata izolat (la distanja), asa cum se poate observa in figura 8.11.

microscop

detector

de ra?.c X

* *hard pentru

achizitie+

proccsarecomputer

-< *pla t forma 1 calcul

de lucru ) off-line

(a)

microscop

detector

de raze X

* ->hard pcntm

achizitie

vitc/ii

SCSI

procesare computer

+

caicul off-line

(b)

Figura 8.11 Arhitecturi constructive pentru sisteme EDX

(a) cuplata grupat (inchis) avanlaj: timp de control interactiv;(b) cuplata izolat (la distanja) nu are avantaje directe

Asa cum se observa din cele doua scheme, diferenta esentiala dintre cele douamodele constructive consta Tn modul de legare a hardului de achizitie si prelucrareadatelor. In sistemul grupat, Tnchis (a) hardul de achizitie si procesarea, au un compart-ment comun, ceea ce este vital pentru obtinerea t impului real de control interactiv inEDX. In sistemul izolat (b) microscopul si detectorul de semnale alimenteaza un com-puter izolat de hardul de achizitie, pe care-l controleaza. Acesta este conectat la uncomputer de prelucrare printr-o interfata de mare viteza SCSI (Small Computer SystemInterface). Acest tip de interfata este conceput pentru un singur transfer al unui pachetmare de date, iar viteza de transfer este optimizata pentru aceasta operatic, ceea ce nueste intotdeauna convenabil pentru microanaliza cu raze X.

Trebuie subliniat ca, indiferent de prelucrarea computerizata a datelor, un sistemEDX este rapid numai daca el asigura un control sigur si exigent si daca are integral unmecanism optimizat de transfer a datelor obtinute in t impul microanalizei. De altfel,factor! i care trebuie luaji in considerare pentru EDX (da(i in figura 8.11) sunt urmatorii:

3. calitatea un i r a t i i de achizitie a datelor cu raze X;4. t impul real de control;5. automatizarea si integrarea;6. extinderea (largimea) aplicatii lor software;7. producerea datelor;8. transferul de date;9. domeniu! inteligibil al raportului S/W.

Pentru un sistem EDX este esentiala unitatea de obtinere a razelor X, iar sensibili-tatea sistemului depincle de rezolutia clelectorului, in sensul ca sensibilitatea este cu atatma! buna, cu cat rezolutia este mai buna. Spre exemplu. in cazul picuri lor suprapuse(interferente), o imbunatatire cu 10% a rezohijiei determina imbunatajirea limitciminime de detectie cu un factor egal cu trei. S-a observat ca un pic unic imbunatatestel imita de detectie in analiza calitativa. Specificitatea uni tat i i de achizitie, la o rezolutiede 1000 cps, nu este indestulatoare, dar la o viteza de achizitie de 10.000 cps, cletectiaeste mai buna (1 cps = caracter per secunda = 8 biti). In tehnica EDX se poate utiliza sio viteza mai mare de executie, de peste 20.000 cps.

Trebuie subliniat ca, daca detectorul are o rezolutie slaba sau daca rezolutiavariaza cu viteza de masurare, au loc erori importante in determinarea (si mascarea)contributiilor erorilor provenite din factori de corectie a matricei, a caror acuratete esiemica, daca cele mai semnificative erori ale exactitatii finale a rezultatelor sunt datoratespectrului original.

Tehnica EDX poate fi utilizata si in analiza cantitativa care implica obtinereaspectrului (in timp real de 2 min) si procesarea (prelucrarea) datelor, respectiv a rezulia-teloranalitice(catevasecunde). Aceasta tehnica este titiiizata in analiza imagistica pentrusuprafete metalice (inclusiv de protezare), cand se face o cartografiere a imagini i , si seobtine o harta cu raze X in cca. 16 secunde.

Dar aceasta tehnica se poate utiliza sj in cazul unor probe biologice si. in general,in stabilirea unor diagnostice (ex.: in infarctul cerebral). In astfel de cazuri, t impii realide obtinere a hartilor itnagistice sunt lungi (pana la 2 ore sau chiar mai mult), ceea cepoate crea probleme deosebite datorita abaterii perioadei de achizitie si distrugereaposibila a integritatii datelor pr in patarea ha r t i i . Pentru a evita asemcnea neajunsuri,t impul real de luareaprobei si compensarca abaterii se face automat. In figura 8.12 esteprezentata corecfia traseului radiatiei si abaterea posibila in cartografierea de inaltarezolutie.

414CAPITOLUL 8 SPECTROMETRIA DE FLUORESCENT* CU RAZE X

Figura 8.12 Corecfia fluxului radiatiei

(a) modul de intrare;(b) abaterea fluxului radiatiei;(c) corectia f luxului radiatiei.

in sffirsit, trebuie mentionat ca exista programe cantitative pentru probe subtirianorganice (metalice sau combinatii solide), brute, lustruite, dar s, pentru probe biologi-

ce, inclusiv pentru studii si cercetari judiciare.

CAPITOLUL 9 SPECTRE DE MICROUNDE 415

CAPITOLUL 9

DE MICROUNDE

A§a cum s-a mai aratat in aceasta lucrare, spectroscopia optica si mai alesspectroscopia in infrarosu este frecvent utilizata in analiza func}ionala a substantelororganice si implicit in analiza si controlul medicamentelor. Spectrele IR corespundvariatiei simultane a energiilor de vibratie si de rotatie, dar este necesara ,,cunoastereamodificarilor energeticc datorate numai rotatiei pure", deoarece spectrele de rotafie facposibil accesul ladimensiunile molecularc. Acest fapt este deosebit de important deoarececunoasrerea disrantelor interatomice este de interes major pentru studiile relatiilor dintrestructure ?i activitatea farmacodiiiamica.

9.1. Studiul cantitativ al energiei de rotatie

Se stie ca o molecula se roteste in ju ru l uhei axe care trece prin centrul sau degravitatie. Asa de exemplu, m cazul unei molecule biatomice, axa de rotatie esteperpendiculara pe legatura dintre cei doi atomi, figura9.1.

Figura 9.1 Schema centrului de gravitatie sidistan{ele dintre atomi si acesta

G = cent™ de gravitajie;AG - distanfa dintre G si centru atomului A = r ] jBG = distanta dintre G si centru atomului B = r->;AB = distanta dintre centrele celor doi atomi r = r j +ni[ §i n\2 sunt masle celor doi atomi.

G

<V

V

3

B

Gv^r ,,

m2

r, r.

416CAPITOLUL9 SPECTRE DE MICROUNDE

CAPITOLUL 9 SPECTRE DE MICROUNOE 417

Studiul cantitativ menf ional are ca scop stabilirea valorilor permise pentru energiamolecule!, cu precizarea ca in miscarea de rotajie exista numai energie cinetica a carci

valoare este data de relatia:

Sau altfel scris:

E=1/2mV (9.1)

uncle: v = viteza de rotatie, m - masa

Din aceasta relatie se deduce ca exista numai cateva valori ale energiei care cores-pund cuantificarii ; deci sunt permise numai cateva viteze de rotatie, f i ind supus dc faptcuantificSrii numai ,,momentul cantitatii de miscarc" (sau momentul cinctic de rotatie)(pentru molecule biatomice). Calcularea momentului cinetic se face prin mijloacele meca-nicii clasice, iar valorile permise pentru acesta se cletermina potrivit mecanicii cuantice.

Dintre diversele valori ale energiei moleculare, energia de rotatie f i ind mai micami produce modificari ale altor tipuri de energie. De aceea se poate utiliza metoda de,,separare a energiei" a lui Born-Oppenheimer, admitand ca molecula nu vibreaza, ceeace inseamna ca distanta dintre doi atomi (de exemplu, ai unei molecule biatomice AB)nu variaza. Prin urmare, molecula biatomica este considerata asemanatoare unui sistemde doua mase considerate punctuate, care sunt unite prirtr-o legatura rigida. ca in figura

anterioara.In acest mod sc ajunge la conceptul de ,.rotor rigid". Conform def in i f ie i centrului

de greutate G, produsele dintre masele celor doi atomi, ni| si m-,, si distantele i'i si r2 dintre

G si centrele celor doi atomi sunt egale:

= ni2r2

Se pot scrie de asemenea relaliile:

r i _ i'2 i

(9.2)

(9.3)

Totusi, aceasta problema este mai complicate decat pare la prima vedere, deoareceo aslfel de abordare este valabila numai in cazul unei mase unice care se roteste in ju ru lunui punct fix. avand raza r. Pentru ca rotorul sa poata fi asemuit unui astfel de sistemsimplu (eel mai simplu posibil), trebuie sa se determine ,,masa redusa" pe care ar avea-oacest sistem. ceea ce necesita cunoasterea razei de rotatie. Masa redusa si raza de rotatiesunt incluse in momentul de inertie I care este egal cu produsul dintre masa si patratulrazei de rotatie. Momentul de inertie total al unui rotator rigid este egal cu sumamomentelor de inertie ale f iecarei mase si se calculeaza pentru un sistem biatomic astfel:

I = niii'f + ni2i'2 (9.4)

Asa cum arata ecuatia (9.2), termenul irbr-, este egal cu m^i , deci se poate inlocui

in rela^ia (9.4) cu acesta, rezultand ecuatia:(9.5)

r2) (9.6)

(9.7)

Din ecuafia (9.5) se poate scoate valoarea lui r, si apoi inlogui in relatia momen-tului de inertie, cancl se obtine:

rl = =r-ni? . m i m - j r

^- si I =1117 1119

(9,f

In relatia momentului de inertie, termenulm,m,,

are dimensiunea unei masem t + m,

111111-,, - ,care corespunde masei reduse cautate, care se poate nota cu mrr1 = - — , astfel cam, +m,momentul de inertie devine egal cu:

I = iiird-i"~ (9.9)

In acest context este posibil sa se calculeze si momentul cinetic de rotatie pentrusistemul cu masa redusa mr(1, care se roteste in jurul unui punct fix (momentul cinetic de

rotatie a = m r ( J-v-r , v f i ind viteza miscarii de rotatie), se pot trata conditiile de cuantifi-care si se poate calcula energia de rotatie. Pentru a putea utiliza spectrele de microundein scop analitic, sunt importante alte cateva precizari:

- numarul cuantic de rotatie J (in mecanica clasica) trebuie inlocuit, in mecanicaondulatorie, cu J(J+1), deoarece diversele nivele de energie sunt proportionatecu numarul cuantic de rotajie J(J+1);

- J poate avca numai valori Tntregi si anume 1,2,3,4,5. astfd ca progresia ni velelorde energie este proporfionala cu 2, 6, 12, 20. 30 etc. De aici rezulta ca nivelele

energiei de rotalie er = h~/8Jt I x J(J + 1) nu sunt echidistante;

- si in acest caz este necesarsaseapliceoreguiadeselectie(ca si in cazul spectreloratomice), potrivit careia sunt posibile numai tranzitiile pentru care variatianumarulu i cuantic de rotatie este egala cu o imitate, adica:

AJ=±1 (9.10)

- razele spectrului corespund unei tranzi|ii, iar variatia numaru lu i cuantic AJ=1 inrealitate, deci ea este o variatie pozitiva datorita castigului de energie care faceposibila tranzitia, ca urmare a absorbtiei de energie; de aceea in astfel de cazurieste vorba de spectre de absorbtie;

- deoarece distantele dintre diversele nivele de energie nu sunt egale, f iecarei tran-zitii ii corespunde o raza diferita de celelalte, de aceea spectrele de rotatie suntformate din benzi alcauiite din mai multe raze;

-«—

418 CAPITOLUL 9 SPECTRE DE MICROUNDE CAPITOLUL 9 SPECTRE DE MICROUNDE 419

- se poate calcula numarul de unda ai unei raze, tinand seamade faptul ca absorbjiaunei cuante de energie determina tranzitia de pe nivelul energetic Ej pe nivelulE.I+I; in acest caz numarul de unda este egal cu diferen|a dintre doi termenispectral), putandu-se scrie:

he he(9.11)

h - constanta Planck; c = viteza luminii

Tntrucat energia de rotatie este egala cu:

Er =87t2I

(9.12)

prin substitutii corespunzatoare in relatia (9.11) se objine pentru numarul de undarelatia:

!,2 1

(9.13)871

dc unde:

8ltt(9.14)

- in cazul unei tranzijii de pe nivelul Ej+i pe nivelul E.i+2 se obtine pentru numarulde unda o relafie similara:

v'J+I=-^--(J + 2) (9.15)2irlc

iar pentru distanta dintre doua raze Tnvecinate este valabila relatia (9.16):

hAv' = - (9.16)47i2Ic

dar trebuie precizat ca aceasta diferenta nu depincie de valoarea numaruluicuantic de rotatie (J) fund deci identica pentru toate razele pentru scala deexprimare in numar de unda;

- diferenta Av' are valori de la 1-20 cm" , de aceea vaioarea numarului de-unda 'este foarte mic; lungimile de unda stint mari (de ordinul mm), astfel ca spectrelede microunde nu pot f i detectate cu spectrometre IR obisnuite (clasice);

- prin inasiirarea distantei dintre doua raze se poate calcula momentul de inertieastfel:

h

47t~cAv'(9.17)

r = X Ulrd (9.18)

Spectroscopia cu microunde se poate aplica tuturor moleculelor poliatomice careau mase M < 350 u.a.m., daca acestea se pot volatiliza la presiune mica, putandu-se aplicala studii structurale prin determinarea distanfelor interatomice si a unghiuri lor devalenta.

Se pot de asemenea stabili cu certitudine pozitiile atomilor de hidrogen mobili.prin iniocuirea lor cu atom! de deuteriu si prin compararea spectrelor moleculelordeuterate. Acest procedeu este util mai ales in cazul cantitatilor foarte mici de substantade analizat, caz in care nu se poate utiliza rezonanta magnetica protonica.

In sfarsit, spectroscopia cu microunde se poate aplica ^i la determinarea urmelorde poluanti atmosferici si implicit a iinor contaminanti din aer.

si implicit si distanta interatomica, daca se cunoaste masa celor doi atomi:

420 CAPITOLUL 10 WETODE OPTICE NESPECTRALE CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE 421

CAPITOLUL 10

10.1. Polarimetria

10.1.1. Notiuni generate

Aceasta metoda se bazeaza pe insusirea izomerilor optici (enantiomeri) de a rotiplanul l u m i n i i polarizate, datorita asimetriei unor atomi de carbon din moleculele subs-tantelor optic active (care prezinta izomevie optica).

10.1.1.1. Lumina polarizata

Lumina este o forma de energie, sub forma unei oscila(ii electromagnctice trans-versale, in care vectorul electric oscileaza perpendicular pe directia de propagare si pevectoru! magnetic. De remarcat ca majoritatea efectelor lumin i i sunt datorate vectoruluielectric. In lumina naturala, vectorul electric oscileaza intr-un numar practic infinit deplanuri ce cuprind directia de propagare, asa cum se poate vedea din figura 10.1 a.

(a) (b) (c)Figura 10.1 Oscilatia vectorului electric in lumina naturala (a) si Tn lumina

polarizata (b); c = nicol

In lumina plan sau linear polarizata, vectorul electric oscileaza intr-un singur plan,numit planul l umin i i polarizate.

Lumina polarizata se poate obfine prin reflexie sau prin trecerea lumini i naturale(albe) prinlr-un nicol polarizator, format dintr-un cristal de Spat de Islanda (o varietatefoarte pura si transparcnta de calcita, CaCO3) care se taie oblic, oblicitatea avancl oinclinatie mare. Taierea este urmata de o lipire cu balsam de Canada. Spatul de Islandaare proprietatea de biref ringenta.

O raza de lumina care trece printr-un nicol se descompune in doua componente,fapt datorita caruia intensitatea lumin i i scacle teoretic la jumatate.

Se poate considera ca lumina polarizata (rectilinie) corespunde unei radiatiimonocromatice, care este compusa din doua vibratii circulate, ED si E|, a caror rezul-tanta se noteaza cu E si care se gaseste intotdeauna in acelasi plan, daca l u m i n a nutraverseaza medii izotrope, figura 10.2.

Figura 10.2 Vibratiiie circulare ale celor doi enantiomeri dextrogir (ED) si levogid (EL)

Atunci cand fasciculul de lumina polarizata traverseaza un mediu optic activ (cumeste solutia unui enantiomer), vibratiile ED si EL an viteze diferite (v) care sunt egale curaportul dintre viteza lumin i i (c) si indicele de refractie (n) in vid:

cv — —

n(10.1)

Desigur ca un astfel de mediu are doi indici de recfractie, nD si n , , cu valoridiferite, de aceea una dintre cele doua vibratii, ED si E,, f i ind intarziata fata dc cealalta.ceea ce are ca efect o deviatie a planutui in care are loc vibratia campului electricrezultant E: cu un unghi ,,a", fata de directia initials. Acest fenomen se numeste ..rotatia

planului luminii polarizate", iar unghiul a se numeste „unghi de rotate" sau ..putererotatorie" si se masoara in grade.

Unghiuri le de rotatie ale enantiomeri lor unui compus optic activ (care are un atomde carbon asimetric) sunt egale, cleci otL = aD (figura 10.3).

422CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE

CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE 423

Figura 10.3 Unghiurilederotafiealeplanului *luminii polarizate de c§tre doi enantiomeri "

ai unei substante optic active L(-)

L(-) = levogir;D(+) = dextrogir ''

Unghiul de rotafie se poate calculacu ajutorul urmatoarei ecuatii (el se exprima,conform Farmacopeii Franceze, in radiani; radianul este egal cu unghiul care, avandvarfui in ccntrul unui cere, subintinde un arc a carui lungime este egala cu raza cercukli:

l r ad = 57°17'45"):oc = T|V-nD\l (10.2)

k\ Jin care:nL si no sunt indicii de refractie ai celor doi enantiomeri (DL $i npsunt, de regula,

greu accesibili);

A, - lungimea de unda a luminii utilizate;1 = grosimea stratului de solutie (mediului) care confine substanfa activa 5! care

este traversata de lumina polarizata .

10.1.2. Stereoizomerie, enantiomeriDomeniul care se ocupa cu structura spafiala, respectiv cu aranjamentul spatial al

atomilor intr-o molecula organica, se numeste ,,stereochimie", iar izomerii spafiali aiunei substante se numesc ,,stereoizomeri". Exista doua tipuri de stereoizomeri si anume

de configurafie si de conformatie.Izomerii de configurafie au aranjari spatiale statice, caracterizate printr-un mod

diferit de orientare a atomilor fata de un element structura! rigid sau un plan rigid, cumeste, de exemplu, planul dublei legaturi /Cv=CXsau planul unui ciclu saturat (ex.: ciclo-hexanul) care nu permite libera rotatie a atomilor de carbon.

Prin urmare, izomerii cis-trans ai alchenelor si cicloalcanilor si ai unor devivati desubstitute ai acestora sunt izomeri de configurafie, asa cum rezulta din figura 10.4.

H H

c\^ ci1,2-cis-dicloretena

H Cl;c-cCC\/ H

1,2-trans-dicloretena

Figura 10.4 Structurile cis si trans ale 1,2-dicloretenei

De remarcat ca izomerii geometrici cis-trans au unele proprietati fizice (p.t., p.f.,spectre etc.) si unele proprietaji chimice diferite.

Izomerii de conformatie au aranjari spatiale dinamice, putandu-se interconvertiprin simpla rotatie a atomilor de carbon, concomitent cu substitucntii lor (si unii izomeride configurafie pot prezenta mai multe confonnafii).

Atornul de carbon asimetric. Activitatea optica. adica insusirea de a roti planulluminii polarizate, este determinate mai ales de existcnfa in molecula unei substante aunui atom de carbon asimetric dc care se leaga patru substituenti diferiti, dupa colturileunui tetraedru regulat (atomul de carbon are structura tetraedrica, iar valentele atomuluide carbon hibridizatsp" sunt orientate spre colturile acestui tetraedru, (figura 10.5).

a iFigura 10.5 Reprezentarea unei perechi de i I

enantiomeri sau izomeri optici ^Q-^ 'c \ d I d

C* = atom de carbon asimetric . ^ ' b

iplan desi metric

Prin urmare,-o molecula care confine un atom de carbon asimetric (notat C* sauCasim) este asimetrica si prezinta o pereche de izomeri optici.

Trebuie menfionat faptul ca exista si substante organice optic active cu moleculeasimetrice, care nu conf in atomi de carbon asimetrici, cum sunt alenele. iar dintre acestease poate da ca exemplu alena, in care cci patru atomi de hidrogen sunt inlocuiti cu patrusubstituenti diferif i .

CH2=C=CH2

afena alena tetrasubstftuita

Substituentii ab si cd sunt situati in planuri perpendiculare, ceea ce poate produceizomerie optica, desi molecula nu confine un atom de carbon asimetric. Mai mult chiar,pentru producerea izomeriei optice sunt suficienti numai doi substituenfi diferifi , asacum este cazul difenil-dinaftil-alenei:

Cf,H5 ,Cf,Hg

r=c— c\

Pe de alta parte, trebuie aralat ca exista si substanfe optic inactive, desi ele continatomi de carbon asimetrici.

424 CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE 425

Din considerentele menlionate rezulta ca o clasificare mai corecta astereoizomer-iior se poate face tinancl seama de chiralitatea moleculelor. Conceptul de ,,chiraiitate"desemneaza stereoizomerii nesupcrpozabili cu imaginea lor in oglinda, p r in miscari derotatie si de translate in plan, asa cum mana dreaptS nu este superpozabila cu manastanga. Prin urmare, stereoizomerii unei molecule chirale se mini esc ,,enantiomeri" sau,,chiromeri".

Exista o „chiraiitate planara" datorata unui plan de chiraiitate si o ,,chiralitateelicoi-dala" datorata formei de el ice a scheletului unei molecule (as.a cum se intampla in cazulproteinelor), care se poate asemui cu o pereche de fileturi, unui spre dreapta, iar altulspre stanga.

Fiecare molecula chirala roteste planul l u m i n i i polarizate cu un unghi constant, deaceea acest unghi se noteaza cu a §i se mai numeste putere rotatorie. el f i ind deci unparametru caracteristic substantelor chirale. Acest unghi depinde de numarul de mole-cule de acelasi tip, adica de aceeasi chiraiitate, deci depinde de concentratia acesteia insolulie s.i de grosimea stratului de solutie, strabatut de lumina polarizata.

Unghiul de rotatie a variaza putin cu temperatura, dar depinde mult de lungimeade unda a lumin i i emise de sursa si este direct proportional cu densitatea lichidelor pure,care depinde. la randul ei, de concentrate. Pentru diminuarea acestor influente (mai alesdatorate densitatii), se poate calcula ,,rotap!a specifics" pentru lichide pure (10.3) si pentrusolutii (10.4 si 10.5):

[al??= — " (10.3)

sau:1000-oc ..

s/L

(10.4)

(10.5)

1 = lungimea stratului de lichid in dm;d = densitatea l ichidului ;c " concentratia solutiei in substantS activa in g/100 niL sau g/L. '

Din relatia (10.4), mai uzuala, se poate deduce concentratia, deoarece rotatiaspecifica este Constanta in condifii experimentale standardizate:

c=-^ ' 00.6)H<43

Ind ic i i care insotesc rotatia specifica se refers la temperatura standard de 25°C sila lungimea de unda a l i n i e i D a sodiului, care este egala cu AD = 589,8 nm (sau 5898 A).

Din punct de vedere analitic, puterea rotatorie este important^ deoarece ea servestedrept ,,criteriu de puritate" (ex.: pentru medicamente forma L) si ca parametru cantitativpentru determinarea anal i t i lor optic activi, deoarece, asa cum s-a aratat mai sus. a esteproportional cu concentratia:

a=[a]£-l-c (10.7)

Din aceasta relatie generala se observa ca puterea rotatorie specifica depinde de

lungimea de unda prin relatia [a] = k/?i2, de unde rezulta ca masurarea puterii rotatoriiA

se face la o lungime de unda cat mai mica. Intr-un astfel de caz, precizia masuratorii estemai buna, de aceea se utilizeaza raza D a sodiului, determinarile facandu-se cu o lampacu vapori de mercur, care permite sa se lucreze si in domeniul ultraviolet.

As.a cum se observa din ecuatia (10. 3), rotatia specifica nu depinde deconcentratiesi dc natura solventului, daca nu exista interactiuni intre moleculele substantei opticactive si dizolvant. De regula, in solutii exista astfel de interactiuni, precum si interacti-uni intre moleculele substantei optic active (ex.: asociatie, soJvatare, ionizare etc.), deaceea, in majoritatea cazurilor. rotatia specifica depinde de concentratie si de naturasolventului.

Pentru a putea compara rotatiile optice ale diferitelor substante, se calculeaza,, rotatia moleculara":

100-l-ddo.8)

M ~ masa moleculara

10.1.3. Polarimetrul

Pentru determinarea practica a rotatiei specifice si implicit a puterii rotatorii seutilizeaza polarimetrul, a carui schema constructiva este data in figura 10.6.

sursa dc

luminacolimator polarizer cuva. anaUzor

Figura 10.6 Schema constructiva a unu i poiarimetru

426CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE


Colimatorul are rolul de a transforma fasciculele de radiatii convergente saudivergente in radiajii paralele cu directia de propagare a luminii. Radiatiile paralele suntapoi polarizate, trecand prin cuva cu solu{ia substantei optic active cu lungimea I, dincare tree in analizor, care are asocial un tambur gradat de la -180° la +180° (diviziunilede grad se citesc pe un vernier).

Observatii. Potrivit Farmacopeii Franceze, puterea rotatorie specifics se noteaza

cu [a]^ si ea reprezinta rotatia, exprimata in radiani (rad), masurata la temperatura t si

la o lungime de unda A,, data de un strat de lichid de un metru sau de o solutie care confine1 kg de substanta optic activa pe metru cub de solutie. Inlrucat o astf el de exprimare este

greoaie in practica, puterea rotatorie se noteaza cu [cxm]^ ?i se exprima in miliradianix

metri patrati / kilogram (mrad-m'-kg" ).

Potrivit unui sistem conventional adoptat de Fannacopeea Franceza (FF). puterearotatorie specif ica se exprima in grade • mL / dm / g, adica (°)-mL-dm~ -g .

Factorul de conversie al sistemului international cu eel al FF este urmatorul:

[am]lx = [0-4-0,1745 t10-9)

De asemenea este de retinut ca, potrivit FF, masurarea ungliiului de rotatie se facela 20°C, cu mentiunea ca operatia aceasta se poate face si la alte temperaturi si la altelungimi de unda. De asemcnea, se face precizarea ca polarimetrul utilizat trebuie sapermits citiri cu o precizie de 0,01°.

In ceea ce priveste modul de lucru, FF recomandS urmatoarele:

- se determina punctul de zero al polarimetrului;- se detennina unghiul de rotatie al lumini i polarizate la lungimea de unda a razei

D a sodiului, cu XD = 589,3 nm si la 20 ±0,5°C; nu se fac masuratori la o altatemperatura decat daca monograf ia face o altfel de recomandare;

- se stabileste punctul de zero al aparatului cu tubul inchis si go! pentru substantelelichide si plin cu solventul utilizat pentru substantele solide;

- se executa eel putin 5 citiri si se calculeaza media lor;- se calculeaza puterea rotatorie specifics utilizand urmatoarele formule, puterea

dextrogira notandu-se cu +, iar cea levogira cu • •

- pentru substante lichide: [a]5 =

,20- pentru substante solide: [a.]^ =

•P20100-a

(10.10)

(10.11)

- se calculeaza concentratia In g/l (c) sau in procente m/m a substantei dizolvate

(c'):

100-ac = ™ sail c =100-a

1-MD-P20(10.12)

p20 = 998,202-d^ sau d?0 = I,001-80-10~3-p20

a = unghiul de rotatie, in grade citite la 20 ±0,5°C;I = lungimea tubului polarimetrului, in dm;

P20 = masa volumica la 20°C, in grame/cmj (daca farmacopeea recomanda, se poateinlocui masa volumica cu densitatea relativa);

c = concentratia substantei, in g/L;c' = concentrafia substantei in procente de m/m.

Densitatea relativa, notata cu d~ , a unei substante reprezinta raportul dintre masa

unui anumit volum din substanta la 20°C si masa unui volum egal de apS la aceeasitemperatura.

In mod curent sunt utilizate si alte definitii si exprimari si anume:

- densitatea relative dj , care este raportul dintre masa unui anumit volum dc subs-tanta la 20°C si masa aceluiasi volum de apa la 4°C;

- masa volumica a unei substante p2Q este continutul masei sale/volumul sau la 20°C

si se exprima in kg/mj (1 kg-m = 10 g-cm );

- intre densitatea relativa si masa volumica in kg/mJ exista urmatoarele relatii:

p20 = 998,202-d

p20 = 999,972-df sau

d

Dozarile polarimetrice se fac cu ajutorul unui polarimetru. Lumina polarizalarectilinie si paralcla este data de o lampa cu hidrogen sau cu vapori de sodiu, folosindu-selumina (raza) cu Xp = 589,8 nm, care este polarizata de un Nicol sau de un Polaroid.

Lumina polarizata traverseaza apoi o diafragma, din care o juinatate este acoperita de olamS de cuarj cu rolul de a crea doua zone luminoase distincte, pe care analistul lecompara manevrand prin retire un disc, pana cand cele doua zone semicirculare suntluminate in mod egal (desigur dupa traversarea probei de catre lumina polarizata).Unghiul de rotatie se citeste in acest moment pe discul gradat.

Acesta este un polarimetru vizual care utilizcaza aprecierea de catre analisl aegalitatii luminoase a celor doua zone, dar in prezent polarimetrul cu extinctie nu maipoate fi utilizat in determinari de precizie).

In schimb, se mai utilizeaza polarimetrul Laurent cu penumbra, bazat pe luminareaegala a celor doua zone. Tuburile polarimetrice de 10 cm sau de 20 cm pot fi termostatatepentru evitarea influentei variatiei temperaturii asupra masurarii puterii rotatorii. Disculpolarimetrului de acest tip este gradat in grade sexazecimale (1 grad sexazecimal esteegal cu unghiul egal cu a 90-a parte dintr-un unghi drept) sau in grade xaharimetrice.

= 1 ,000- 0,3 • 1 0~3

df = 0,998-230-d^

428CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE 429

Exista in prezent polarimetre electronice care se bazeaza pe acelasi principal ca sipolarimetrul vizual, in care aprecierea egalitatii luminoase a celor dona zone se face cuun tub fotomultiplicator. Masurarea unghiulu i de rotatie se face en o precizie de 0,01°.Acest polarimetrn este dotat cu o lampa en vapori de sodiu, fiind posibila si utilizareannei lampi cu vapori de mercur care permite selectionarea mai multor iungimi de uncla:405,435, 546 si 577 nm, ce se pot izola cu ajutorul unor fil tre interferentiale. Rezultatnlmasuratorii este afisat en ajutorul unor diode, f i ind exprimat prin numere cu 6 sau 7 cif re.De asemenea, polarimetrul se poate cnpla cu o imprimanta, ceea ce permite exprimareaungh iu lu i , respcctiv a puterii rotatorii, in grade si in procente de substanta optic activasau chiar in grade intemationale de zaliar.

O substanta formats dintr-un singur enantiomer se numeste ,,optic pura", iaramestecul echimoleculelor a doi enantiomeri ai nnei snbstante se numeste ,,racemic" sieste optic inactiv prin compensare intermoleculara, avand puritatea optica egala cu zero.

intr-o intelegere mai generala, ,,puritatea optica a unei substante exprima cxcesul..-• : 5., „„„„„* „„ ,,„! ,]„ ,,] Hnilpa"

LI I H W I I I f — , -•£.,— - _ O - ' ' '"*

unuia dintre enantioraeri in raport cu eel de al doilea"Asa de excmplu, un amestcc care contine 60% enantiomer D( + ) si 40% enant iomerL(-) are o pur i t a te opticJ egala cu 20%, dcoarece cate 40% din cei doi izomeri formeazaracemicul optic inact iv.Daca o molecuia optic activa contine ,.n" atomi de carbon asimetrici, numarul

enantiomeri lor este egal cu 2". Asa de exemplu, in cazul 2,3-diclorpentanului care are doiatomi de carbon asimetrici, exista 211 = 2~ = 4 enantiomeri, perechi:

CH3

H— C— Cl

Cl— C-H1C2H5

A

CH3

1 Cl— C-H1j H-C— Cl

C2H5i

B

CH3

Cl— C-H____ j ___~C1— C-H

C

CH3

H-C-C1

H-C—Cl

C,H5

D

Eritro

Enantiomerii A si Bsunt optic aclivi si se mai numesc ,,izomeri tree", iar amestecullor echimolecular este racemic, deci optic inactiv.

Enantiomerii C si D sunt identici si se numesc ,,eritro", fiind optic inactivi princompensatie intramolecular a, avand un plan de simetrie (lima punctata orizontala) si nu

se pot separa.Enantiomerii treo si eritro se numesc ,,diastereoizomeri" sau forme mezo.

De regula, enantiomerii optic activi an molecule asimetrice, nesuperpozabile si

cristalizeaza in forme asimetrice.

Din punct de vedere analitic, trebuie precizat ca separarea enantiomerilor chiralieste una dintre problemele dificile ale analizei. Totusi, prima separare a unor enanliomeridintr-un racemic a fost realizata de Louis Pasteur, prin cristalizare. Acesta a separat ceidoi enantiomeri ai tartratului dublu de sodiu si amoniu, care formeaza dona tipuri decristale distincte din punct de vedere morfologic, fiecare tip de cristal conlinand unsingur enantiomer.

In prezent exista numeroase tehnici cromatografice de separare chirala a enan-tiomerilor in faza lichida sau gazoasa, pe coloana sau pe strat subtire, cu faze stationarechirale, sau cu faze mobile in care se adauga modificatori chirali.

De asemenea este important de stiut ca exista si procedee de enantiosinteza, careau aplicatii utile in sinteza farmaceutica, stiut f i ind ca numai enantiomerii levogiri suntbiologic activi.

10.2. Dispersia rotatorie

Daca se trece printr-o substanfa optic activa un fascicul de lumina alba (in loc delumina monocromatica), se observa la iesire o lumina polarizata rectiliniu, analoga unuispectra, ungh iu l de rotatie f i ind egal cu:

a = \\-c (10.13)X2

Evident ca unghiul de rotatie este diferit pentru fiecare radiatie monocromatica,deci pentru fiecare lungime de unda X. Atunci cancl substanta activa nu absoarbe radiatialuminoasa, se poate inregistra curba de dispersie rotatorie (Figura 10.7). a carei ecuatieeste urmatoarea:

[o],=f(X) (10.14)

Figura 10.7 Exemplu de curba de dispersierotatorie

Daca insa are loc o absorbtie a lumini i . aceasta variaza in functie de lungimea deunda (A,), f i ind diferita, potrivit celor doua vibratii circulare componente. Consecintaacestui fapt asupra unghiului dc rotatie si implicit asupra puterii rotator ii se poate observain figura 10.8.


Figura 10.8 Unghiul de rotatie si puterea rotatorie atunci cand se produce o absorbtiea luminii

Atunci cand exists o absorbtie diferita, exista si o variatie de amptitudine diferitaa fiecarui vector al campului electric. De aceea nu se observa o deviatie a, a unghiuluide rotatie corespunzator unei absorbtii egale a celor doua vibraî circulare sau lipseiabsorbjiei, dar se constata existenta unui unglii a2 a, (cc2 diferit de a,). In consecinta,

unghiul a2 si campul electric rezultant E variaza in cursul unei rotatii, ceea ce are drepturmare faptul ca nu se mai produce o polarizatie rectilinie, ci o polarizatie eliptica. Inplus, axa mare a elipsei, care permite sa se ob|ina o valoare medie a unghiului de rotatie,nu concorda cu planul de polarizare corespunzator lipsei absorbtiei.

Cu alte cuvinte, se produce o ,,variatie anormala" a puterii rotatorii specifice infuncfie de lungimea de unda (X.), iar acest fenomen este cunoscut sub numele de ,,efectCotton". De regula, se poate observa un maxim accentual, care este precedat, sau urmatde un minim, care corespunde unei scaderi bruste a puterii rotatorii. De aceea poate existaun efect Cotton pozitiv, cand maximul este situat la o lungime de unda mai mare decatlungimea de unda a minimului (Xmax > >4llin) si un efect Cotton negativ, cand lungimea deunda a maximului (Xmax) este mai mica decat lungimea de unda a minimului (Xmill), decicand ?v.nm < X,™,,, asa cum se poate observa in figura 10.9.

Exista si un efect Cotton multiplu, care se produce in cazurilc spectrelor deabsorbtie, in care este implicate fiecare din cele doua vibratii circulare (este cazulspectrelor de absorbfie in care apar mai multe benzi).

10.3. Dtcroismul circular

In cazurile anterioare (referitoare la spectrometria in VIS) s-aaratat ca o substantacare absoarbc o anumita radiatie devine colorata sau isi schimba culoarea deoarece apareradiatia/lumina complementara.

In schimb, in cazul luminii polarizate, absorbtia decurge diferit, datorita celordoua vibratii circulare mentionate mai sus, ceea ce determina aparitia unei diferente deculoare. O substanta care produce un astfel de fenomen devine ,,dicroica", adica bicolora.de unde si denumirea de dicroism circular.

Prin ,,dicroism circular" se intelege proprietatea unor substance birefringente (iaramestecul de enantiomeri are o astfe! de proprietate) de a absorbi selectiv si inegal celedoua raze refractate, respectiv cele doua vibratii circulare. Este important faptul ca sepot determina experimental absorbantele corespunzatoare celor doua vibratii, respectivcelor doi enantiomeri, absorbanê care se noteaza cu Ar, si AL (numite si coeficienti deextinctie .£D si eL) si se poate calcula diferenta dintre ele, notata cu AA. Daca se

inregistreaza grafic variatia diferentei AA in functie de lungimea de unda, se obtine unspectru de absorbtie similar unui spectru clasic (in care se inregistreaza variatia absor-bantei in functie de lungimea de unda).

Aceste doua fenomene sunt strans legate intre ele deoarece nu se pot obtine valorisuficiente pentru diferenta AA, decat in regiunile spectrale in care absorb cromoforiisubstantelor.

Cu toate acestea, exista o diferenta semnificativa intre dicroismul circular îabsorbanta clasica si anume aceea ca dicroismul circular poate prezenta valori pozitivesi negative, in timp ce absorbanta clasica este intotdeauna pozitiva. in figura 10.10 suntprezentate spectrele de dicroism circular a doi steroizi izomeri si structurile lor.

Dispersia rotatorie si mai ales dicroismul circular prezinta o insemnatate apartepentru cercctarea si determinarea ,,str«ctiirilor chirale absolute1', de aceea dicroismulcircular are aplicatii deosebite in analiza §i controlul substanjelor medicamentoasesteroidice.

(a) (b)

Figura 10.9 Efect Cotton pozitiv (a) ?i negativ (b)

432 CAPITOLUL 10 METOD6 OPTICE NESPECTRALE

AA+1

O.

(nm)

(a)(b)

Figura 10.10 Spectrele de dicroism circular a doi steroizi izomeri (a) si structurileacestora (b)

10.4. Refractornetria

Refractometria este o metoda optica nespectrala care se bazeaza pe determinareaindicelui de refractie n^ a unei raze de lumina care trece dintr-un mediu cu densitatea d t

intr-un alt mediu cu densitatea d2, diferita de d j (d] ^d2).

Viteza de propagare a luminii in vid este egala cu c0 = 300.000 km/sec (sau 3-105 km/s).La trecerea prin orice mediu transparent (aer, solventi, sticla etc.). viteza de propagarea l u m i n i i scade, dar ramane totusi de acelasi ordin de marime. Ca urmare, la intrarea uneiraze de lumina, care vine dintr-un mediu mai putin dens, intr-un mediu mai dens, are loco modif icare a directiei de propagare a lumin i i cu un unghi ,,r", numit unghi de refractiesi se apropie de nonnala (linia punctata pe suprafata de separare a celor doua medii), asacum se observa din figura I O.I I . Aceasta abatere a razei de lumina incidenta de la directiainitialade propagare sedatoreazadiferenfei dintre vitezeleli-miniic! in mediul mai putindens din care vine raza incidenta si c, in mediul mai dens in care intra raza de lumina.Prin urmare, in mediul mai dens (cu d,). viteza c-> a luminii este mai mica decat viteza c,a razei incidente (ct > c2).

La iesirea razei de lumina din mediul mai dens (d2) si intrarea in mediul mai putindens (d]), unghiul de refractie se mareste, raza departandu-se de nonnala (Figura 10.11 b).


C,

C,

C , > C 2 C, >C2

(a) (b)

Figura 10.11 Refractia unei raze de lumina la trecerea ei dintr-un mediu mai putindens intr-unul mai dens (a) si invers (b)

In conformitate cu legile refractiei, raza incidenta, raza refractata si nonnala segasesc Tn acelasi plan, deci sunt coplanare.

Pentru evaluarea refractiei se ulilizeaza si se calculeaza indicele de refractie ,.n"care se exprima prin raportul dintre sinusurile unghiurilor de incidenta si de refraclie:

sin rCQ

(10.15)

- GO = viteza luminii in vid;- C] = viteza luminii Tntr-un mediu anumit;-Co>c,;

iar pentru cazul in care sunt implicate dona medii diferite de vid:

-r— = —sin r c7

pentru cazul (a) figura 10.11

n = —— = — pentru cazul (b) figura 1 0 . 1 ]

sin r C|

(10.16)

(10.17)

Consideratiile de mai sus sunt valabile numai pentru cazurile in care raza incidentacade oblic pe interfata dintre cele doua medii. Daca raza incidenta cade perpendicularpe interfala de separare dintre cele doua medii, unghiur i le de incidenta si de refractiesunt egale cu zero, iar raportul lor este de asemenea egal cu zero, f i ind vorba deci de onedetenninare care nu ofera nici o informatie referitoare la indicele de refractie. Maimult chiar, indicele de refractie nu se poate determina nici pentru unghiur i foarte mici.Asa de exemplu. pentru un unglii de incidenta apropiat de 90°, i = 90°, raza incidenta intrain mediul mai dens aproape tangent la suprafata de separare a celor doua medii, ca infigura 10.12 a; in acest caz, unghiul cle refractie atinge o valoare maxima, se noteaza cu

434 CAPITOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE

I, si se numeste ,,unghi limita". La unghiuri de incidents mai mari decat cele carecorespwid unghiurilor limits de refractie, raza incidents nu poate pSrasi medinl mai denssi deci nu poate intra in rnediul mai putin dens si se reflects in mediul mai dens lasuprafata de separare a celor doua medii (deci revine in mediul mai dens), ca in figura10.12b.

c,

I >r,

i =90" d,<d2 'Or, d,<d.

(a)

Figura 10.12 Unghiul limita de refractie (a) si reflexia totala (b)

(10.18)

In cazul a dou5 medii cu densitati diferite, se poate deduce o relatie de calcul aindicelui de refractie pentru un anumit mediu, plecand de la relajia urmatoare:

sin 90° _ Cj _ C I - C QSill I'] C2 C-y-CQ

in care:

GO = viteza lumini i in vid;C j si C2 sunt vitezele lumini i in cele doua medii considerate;FI = unghiul limita de refractie

(sin 90° se refera la unghiul de incidents egal cu 90°).

Avand in vedere cS c0/c2 = n-i, iar C| /c0 = l/n : , se poate scrie:

sin i(10.19)

(10.20)

j si n2 sunt indicii de refractie a luminii in cele doua medii.

Prin urmare, se poate calcula indicate de refractie n/ inir-tm anumit mediu, masu-rdndu-se unghiul limita de refractie, ceea ce confera o precizie maxima in delerminareahii.

Valoarea indicelui de refractie depinde de natura mediului, respectiv a substanteicare se afla in acest mediu, crescand odata cu cresterea densitatii si implicit a concen-tratiei.


Substantele pentru care indicele de refractie este independent de direclia depropagare a luminii se numesc,,optic izotrope", iar cele pentru care indicele de refractieeste dependent de directia de propagare se numesc ,,optk anizotrope".

Fiecare substanta se caracterizeaza prin ,,refractia sa specifics" care este o marlineconstants §i care se poate calcula astfel:

rs = 11 - (10.21)

d = densitatea substantei analizate.

In cazul amestecurilor de doua sau mai multe substante, refractia specifica este omSrime aditiva, dependents de fractiile de masa ale componen|:ilor. Refractia specificaeste influentata de variatiile de temperatura. dar ea devine independents de temperaturasi deci este constants daca se calculeaza cu ajutorul ecuatici urmatoare (a lui Eyckmann):

n2-! 1n + 0,4 d

(10.22)

Prin inmulfirea refractiei specifice cu masa molecuiara a unei substante date seobtine,,refractia molecular^', R=rs'M, care se poate calcula cu ajutorul relatiei urmatoare

(utilizata'mai frecvent): 2R = r,M = lM (10.23)

n + 2 d

De remarcat cS refractia molecuiara este egalS cu polarizatia electronica dedeplasare in vizibil si/sau cu polarizatia molecuiara de deplasare, determinate la randulel de porarizatia atomica de deplasare insumata cu polarizajia electronica de deplasarein infrarosu.

Refractia molecuiara este o functie liniara a compozitiei solutiilor. care seexprima in fractii molare.

Deosebit de important este faptul ca indicele de refractie variaza cu iungimea deunda a radiatiei incidente monocromatice, care se inscrie ca indice sub forma unei lite re.Asa de exemplu, indicele de refractie se determine de regulS la 20°C, in functie de iiniaD a sodiului care are A.D = 589,3 nm, de aceea indicele de refractie se reprezinta prinsimbolul ,,nt/". In tabelul 10.1 sunt date cateva linii caracteristice reprezentand raze

Dmonocromatice emise de divers! atomi.

Tabelul 10.1 Lungimi de unda mai importante pentru determinarea lui n

Elementul

Lunsimea de unda, nm

Simbolul l iniei

Culoarea

K768,2

A'

H665,3

Crosie

Na589,3

D

He587,6

dgalbena

Hq546,1

everde

H486,1

F

Hq435,8

g

H434,0

G'albastra

Hq

404J

h

Ca396,8

Hvioleta

Nota: A' reprezinta mijlocul liniei duble


De subliniat ca variatia indicelui de refractie cu lungimea de uncla sc numeste,,dispersia radiafiei", iar cresterea lui cu descresterea lungimii de unda a radiatieimonocTomatice (cresterea frecventei) se nuineste ,,dispersie normala". Se cunoaste si o,,dispersie anormala" care se traduce printr-o crcstere a valorii indicelui de refractieodata cu cresterea lungimii de unda, deci cu descresterea frecven{ei. Aceasta clispersieanormala se produce invers fata de dispersia normala; de regula, acest fenomen seproduce in apropierea benzilor de absorbtie.

Diferenfa dintre valorile indicilor de refractie la dona lungimi de unda, nx si n^,

se nuineste ,,dispersie partiala", iarcazul particular al l in i i lorCsi F(din regiunea centralsa spectrului vizibil) se numeste ,,dispersie medie" (egala cu iip - nc).

Tabelul 10.2 Valorile nD ale unor solvenji

Substanta

Acid acetic

Alcool etilic

Acelat de etil

n-Hexan

Cicloliexan

20no

1. 37 182

1,36232

1,372751,37486

1 .42623

Substanta

Clorbenzen

Anilina

BrombenzenN itrobenzen

Anilina

n2D°

1,52479

1,55977

1.50110

1,55319

1,58629

Pentru determinarea practica a indicelui de refractie se utilizeaza refractometrul,pentru care se da, Tn figura 10.13, o schema constructiva de principal.

proba

oglindn | j

sursa doA inrcgismilor

njiistarc/cro optic

Figura 10.13 Schema de principiu a unui refractometru

Cel mai utilizat tip de refractometru este eel conceput de Abbe, numit ,,refracto-metru Abbe", care poate fi utilizat in toate tipurile de masuratori. In figura 10.14 esteprezentata o schema constructiva a acestui aparat, care trebuie sa fie etalonat inainteau t i l i za r i i lui astfel:

- cu soluti i etalon cu indice de refractie cunoscut, cum sunt toluenul, tetraclorura

de carbon, nionobromnaftalina, lip =1,6588 sau apa pura cu 11 =1,333;


- etaloiTarea trebuie sa fie facuta pentru fiecare produs inscris in farmacopei, cuetalonul dat Tn monografie;

- etalonarea se face de regula cu o precizie aproape de a patra zecimala, de aceeaetalonarea este o operatic esentiala;

- uneori este greu sa se gSseasca un etalon (substanta de referinta), care sa aibaindice de refractie apropiat de acela al substantei de analizat;

^ masuratoarea propriu-zisa se face numai dupa curatirea atenta (ingrijita siminutioasa) a prismei, utilizand o tesatura curata si uscata (ex.: sifon), care poatef i umectata intr-un colt cu o picatura de lichid potrivit; aceasta tesatura nu trebuiesa lase scame pe prisma;

- trebuie sa se tina seama de faptul ca o curatire incorecta si insuficienta (inclusivdupa etalonare), ca si reglajul defectuos al temperaturii. conduce la dateexperimentale false, compromitand analiza.

Figura 10.14 Refractometrul Abbe - schema constructiva

Pentru determinarea unor diferente ale indicilor de refractie se ulilizeaza ,,inter-ferometrul" a carui precizie de masurare este de 103 ori mai mare decat precizia unuirefractometru (figura 10.15). Interferometrul utilizeaza doua raze de lumina coerente,care provin de la aceeasi sursa punctiforma si care strabat doua tuburi cu grosimea depana la un metru, in care se introduc cele doua substante care sunt de regula gazoase.Principal! consta in aceea ca diferentele foarte mici dintre indicii de refractie detenninaviteze de propagare a lumini i diferite ^i, in consecinta, raza care traverseaza mediul maidens, deci cu indice de refracffe mai mare, sose^te la detector (observator) cu intarzierede o fractiune de lungime de unda. Acest decalaj conduce la o deplasare a pozitieifranjurilor de interferenta pe care le dan cele doua raze (Figura 10.15 F), fata de pozitiapentru care cele doua medii dau franjuri perfect identice.


V'0 \

4 \ ^V,»*r0'

Figura 10.15 Schema unui interferometru

S - sursa; O - oglinzi; C - cuve de gaz; E - ecran;F - franjuri de interferenta obfinute pe ecran

Practic, se mascara deci diferenta pozitiei franjurilor de interferenta prin care sepot detecta diferenfe extrem de mici Tntre indicii de refractie, pana la a 7-a sau a 8-azecimala.

Pe un principiu similar se bazeaza si ,,refractometrul diferential" care utilizeaza deasemenea doua cuve in care se introduc doua lichide (deosebire de ref ractometru), princare se tree de asemenea doua raze care provin de la aceeasi sursa punctiforma. cginpa-rand datele, deoarece in vizor apar doua l i n i i de demarcate foarte apropiate (de aceease priveste cu o lunctS sau cu un obiectiv). Aparatul permite citirea si masurarea distanteidintre cele doua linii observate.

Refractometria are in prezent aplicafii mai restranse decat in trecut, in studiul sianaliza substantelor organice, iar dintre acestea se pot mentiona cateva:

- identificarea unui lichid pur. cum este, de exemplu, uleiul de masline, care areirx=l,47;

- verificarea puritatii uleiur i lor sj a uleiurilor esentiale, precum sj a altor lichide;

- determinarea structurii moleculare, tinandu-se seama de faptul ca refractiamoleculara este o marime aditiva, fiind egala cu suma refractiilor atomice alecomponentilor molecule!;

- diferentierea izomerilor cis-trans ai unci molecule, de exemplu izomerul cis aldioxolanilor (a) este termodinamic mai stabil si are un indice de refractie maimic decat izomerul trans (b), care este termodinamic mai putin stabil:

R' R'

R

O

\0

(a)

R--

11??= 1,3940

O

\0(b)

' = 1,3960


- in ambele cazuri R = R' = CH3

- cu ajutorul refractometrelor moderne se pot determina indicii de refractie cu oprecizie de cinci zecimale intre 1,3 si 1,7, asa cum rezulta din tabelul 10.2;

- determinarea compozitiei unor sisteme binare si ternare;

- detectarea unor compusi separati prin HPLC, asa cum rezulta din figura 10.16,in care este data separarea cromatografica unui amestec de aniline detectaterefractometric (1) si spectrofotometric (2).

34 5T

Voluni colectat Jnil]

(1)

T T

fill l«l)

Volum colectat |ml

(2)

Figura 10.16 Separarea cromatografica unor aniline si detectia lor refractometrica (1)si acetonitril 80% si spectrofotometric (2) si acetonitril 70%

a = 2.6-dicloro-4-nitroanilina; b = o-nitroanilina; c = 4-metil-2-nitroaniIina;d = N,N-dimetil-p-nitroanilina; e = p-nitroanilina

- efectuarea de titrari refractometrice, urmarind variatia indicelui de ref rac^ie intimpul unei titrari, ca urmare a modif icarii concentratiilor si implicit a densitatiisolutiilor;

- efectuarea de analize microscopice cristalograf ice, care se fac in lamina polari-zata, prin masurarea indicilor de refractie, cu aplicatii _in analiza si controlulmedicamentelor, prin determinarea unor caracteristici ale cristalelor unui princi-piu activ, (inand seama de urmatoarele aspecte:

- unele cristale an o structure morfologica regulata perfecta, cum sunt celecare cristalizeaza in sistemul cubic; de aceea ,,aparenta optica" este aceeasiin toate directiile, dovada a constantei indicelui de refractie si implicit apuritatii chimice a substantelor. as.a cum este cazul NaCl;

- cea mai mare parte a cristalelor transmit o anumita culoare, reflectand oalta culoare, asa cum este cazul fucsinei;

- majoritatea cristalelor arata culori diferite in functie de incidenta l u m i n i ipolarizate, fenomen care se nume;te ,,anizotropie", sprc deosebire de crista-lele cubice care sunt ,,izotropc"; acest fenomen demonstreaza ca unghiul derefracfie (r) variaza dupa unghiul de incidents (i) al luminii polarizate.datorita organizarii interne a cristalelor; cu cat un cristal este mai organizat,


cu atat el tinde spve izotropie, astfel ca, in cazul NaCl, perfect cubic, indicclede refractie este acelasi Tn toate direcfii le spaliului; rczulta ca un cristalizotrop are un singur inclice de refractie, in t imp ce un cristal anizotrop aremai mul f i indici de refracjie;

- efectuarea de determinari cantitative, deoarece determinarea indicelui derefractie pennite controlul concentratiei, ,,n" crescand cti aceasta, respectiv cudensitatea; asa se pot doza proteinele din sange;

- detectia si dozarea zaharurilor si a alter substante necromofore. separate prinHPLC, detectia se face cu un ref ractometru diferential termostatat, ut i l izand celecloua celule (una de masurare M si alta de referinta R, in care eluent'ul se inlo-cuieste regulat); ambele cuve paralele sunt Humiliate cu aceeasi raza data cle sursa:

- in absenta unui analit, indicele de refractie este identic pentru cele clouacelule, figura I0.l7a, deoarece lumina este transmisa integral:

- in prezenta unui analit indicii de refractie sunt diferiti, figura I0.17b.i

Figura 10.17 Traiectul radiatiei prin cele doua celule, de masurare (M) side referinta (R), In absenta analitului (a) si in prezenta lui (b)

Din figura 10.17 (b) se observa ca, atunci cand analitul se afla in efluent, indicelede refractie din celula cle masurare este diferit cle acela al referintei, datorita cresteriiconcentraliei, indicele cle refracjie fi ind proportional cu aceasta.

10.5. Turbidimetria si nefelometria

Aceste metode de analiza se bazeaza pe proprietatea particulelor solide de disper-sie (imprastiere = difuzie) a lumini i ce strabate un mcdiu heterogcn care include analitulsub forma tinor particule fine.

Mecanismul dispersiei luminii implica lungimea de unda a radiatiei incidente,marimea si forma particulelor care alcatuiesc suspensia anali tului , ce produce dispersia,ca si dispunerea si aranjamentul spatial al particulelor.

Prin urmare, principiul acestor metode de analiza se bazeaza pe o reactie de trans-formare a unui analit, intr-o combinatie greu solubila, care se formeaza treptat, precipi-tatul avand forma unei suspensii fine, uniform dispersata in masasau mediul cliiniic incare se formeaza.

Particuleleinsiispensieauproprietateadeadifuza(dispersa) luinina incidents datade o sursa. In cazul particulelor foarte mici si sferice, pentru care diametral este mai inicdecat raportul A/10 (A. fi ind radiatia l u m i n i i incidente), intensitatea l u m i n i i difuzale incursul unei determinari analitice se poate calcula utilizand ecuatia lui Rayleigh:

•>N-v"

iV

- I0 = intensitatea lumin i i incidente;- N = numarul de particule in unitatea de volum;- V = voluniul unei particule;- A. = lungimea de unda;- r = distanta pana la observator (analist).

Constanta K se poate calcula utilizand relatia:.,2

f 1 + cosz I

(10.24)

(10.25)

- n si n| sunt indicii de refractie ai particulei dispersate (suspendale), respectiv almediului;

- 6 este unghiul dintre directia de propagare a radiatiei incidente si directia rad'ialieidifuzate, el f i ind constant in conditiile executarii practice a analizei.

Relatia lui Rayleigh poate fi utilizata pentru calcularea valorilor lui N si v, dacase ctinosc ceilalti parametri si dacase face o verificare continua a aparatelor cu etaloanepotrivite.

Seadmiteca sefaceotitrareaionului Ba"^cu osoluf iede SO:j", cand se formeaza

BaSCX|. precipitat greu solubil, sub forma unor particule cristaline fine, suspendate inmediul de reactie. La inceput solutia de analizat este limpede si transparenta, dar odatacu adaugarea solujiei de ion sulfat, solujia incepe sa se tulbure progresiv. proces caredureaza pana la echivalenta. Particulele fine de sulfat de bariu difuzeaza (disperseaza)lumina. Dupa echivalenja, cand nit se mai formeaza sulfat de bariu. tulbureala ramaneconstanta.

Procesul de difuzie a luminii depinde cle numarul particulelor, deci de marimealor (pentru o mas3 data a precipitatului ce se formeaza), de aceea determinarile bazatepe astfel de reactii trebuie sa se execute in conclitii de reproductibilitate a mar imi i siformei particulelor, pentru a obtine rezultate precise, de incredere. Pentru stabilizareasuspensiei ce o formeaza precipitatul dc sulfat de bariu, care trebuie sa se mentina instare de dispersie oniogena in mediul de reacjie, trebuie sa se lucreze in mediu vascos deglicerina - alcool, sau sa se utilizeze un coloid protector, ce se alege in functie dc naturaparticulelor.


Pentru majoritatea tipurilor de suspensii si deci de particule este caracteristicadifuzia Tyndall, dar pentru alte tipuri de particule este caracteristic efectul Raman (careconstS in schimbarea frecventei de difuzie).

Turbiditatea sau tulbureala suspensiilor se datoreaza proprietatilor particulare aledispersiei, putandu-se exprima prin raportul dintre lumina reflectatS si lumina incidents,pe faza dispersata. deci care cade pe particulele de precipitat aflat in stare de suspensie.Jntensitatea lumini i reflectate de catre o suspensie este o functie a concentratiei, daca altecondifii sunt constante.

In practica se intalnesc si se pot face trei tipuri de mSsuratori turbidimetrice sianume:

- masurarea raportului dintre intensitatea lumin i i difuzate si intensitatea l u m i n i iincidente;

- masurarea raportului dintre intensitatea lumini i transmise si intensitatea lumini iincidente;

- masurarea efectului de extinctie (absorbanfa), prin siabirea intensitatii lumini idifuzate, determinatS de stratul tulbure al mediului de reactie.

In practica analiticS sunt utilizate doua tehnici bazate pe difuzia lumin i i si anumeturbidimetrica si nefelometrica.

In turbidimetrie se masoara transmitanta lumini i prin suspensia de precipitat, carese traduce prin scaderea intensitatii fasciculului transmis in directia propagarii. Acestefect de slabire (scaderc) are loc in timpul t i trarii turbidimetrice, scazand pana la echiva-lenta, dupa care inceteaza sa se mai moclifice. In turbidimetrie se masoara fractiunea delumina difuzata (transmitanta) care nu depindede intensitatea lumin i i furnizata de sursa.

Turbiditatea (tulbureala sau opalescenta) este direct proportionals cu concentrafiasi cu grosimea stratului opalescent, depinzand si de culoarea suspensiei si a mediului .Pentru cele mai mici dintre particulele de suspensie (Tyndall), raportul dintre intensitatealumini i difuzate si intensitatea lumini i incidente este proportional cu puterea a treia(cubul) a mariinii particulelor si invers proportional cu puterea a patra a lung imi i deunda. Turbiditatea/opalescenta produsS de o suspensie se poate calcula utilizand ur-matoarea relatie: 3

S = logY=K'b'C'd, (10.26)

in care:

S = turbiditatea :sau opaiescenta;I 0 = intensitatea luminii incidente;1 = intensitatea lumin i i transmise.(difuzate):A, = lungimea de unda;c = concentrafia;b = grosimea stratului opalescent;d = diametrul particulelor;K = constants (de altfel si d este constant).

CAPiTOLUL 10 METODE OPTICE NESPECTRALE 443

Aceasta expresie a ecuatiei anterioare este valabila si se poate extinde la solutiidiluate. Deoarece, pentru radiatii monocromatice, parametrii a, K, d si \ sunt constant!,relatia de mai sus se simplifica si se poate scrie sub forma unei relatii simitare cu expresialegii Lambert-Beer:

S = k - b - c (10.27)

In nefelotnetrie se masoara lumina difuzata la 90° (sau chiar la 45°) fata de razaincidents, de catre particulele de precipitat ce alcatuiesc suspensia. Desigur ca Tn acestcaz difuzia luminii (intensitatea acesteia) creste pana laechivalenta din cauza particulelorsolide ce se formeaza continuu pana la transformarea completa a analitului. Dupaechivalenta, difuzia ramane constants.

Prin urmare, Tn nefelometrie se masoara intensitatea absoluta a lumin i i difuzate,intensitate ce poate creste odata cu cresterea intensitajii luminii incidente. De aceeasensibilitatea nefelometriei poate fi marita prin cresterea intensitatii l umin i i data desursa sau prin utilizarea unui detector mai sensibil.

Nefelometria este mai pufin utilizata, aplicandu-se mai ales pentru cercetarea unorcompusi anorganic!. Aceasta tehnica necesita tin detector in unghi drept, iar sursa delumina este si ea diferita de aceea utilizata in turbidimetrie.

t>

Modul in care se realizeaza practic determinarile turbidimetrice si nefelometriese poate reprezenta in figura 10.18.

90"\/ lumina difuza

ncfelometrie

Figura 10.18 Schema proceselor ce stau la baza determinarilor turbidimetricesi nefelometrice

Trebuie subliniat faptul ca precipitatele in suspensie trebuie sa fie foarte greusolubile, iar pentru mentinerea lor in stare de suspensie uniforms este recomandabilautilizarea unui coloid protector, cum este gelatina sau alte geluri.

De asemenea, trebuie precizat ca titrarile turbidimetrice si nefelometrice nu suntfoarte precise, deoarece punctul de echivalenfa depinde de marimea particulelor deprecipitat care se formeaza In timpul determinarii, marime care nu este riguros repro-ductibila, dar sensibilitatea acestor tehnici este foarte buna. Asa de exemplu, bariul sausulfatul se pot determina prin aceste tehnici pana la nivel de ppm in BaSO4.


Pentru determinarea punctului de echivalenta, in titrarea turbidimetrica se u t i l i -zeaza curbele de titrare care se obfin prin reprezentarea grafica a absorbantei l u m i n i idifuzate in functie de volumul de titrant adaugat. In figura 10.20 sunt date astfel de curbede titrare.

ml titrnnt

Figura 10.19 Curbe de titrare turbidimetrica

Volumul de echivalenta corespunde absorbantei maxime, care se obtine princoborarea ordonatei din punctul de intretaiere a prelungirilor celor dotia drepte alecurbei de titrare.

Daca suspensia pe care o formeaza precipitatui este densa, clcci pentru concentrat i imari in analit se utilizeaza titrarea turbidimetrica, iar in cazul concentratiilor mai micisi pentru solutii colorate ale analitilor se utilizeaza titrarea nefelometrica (mai putininfiuentata de variaji i le culorii).

Titrarea turbidimetrica se aplica in numeroase cazuri, printre care:

- determinarea Ba"+ si a SOj" ca BaS04;

- determinarea F ca si CaF^\- determinarea Al T ca oxinat, AlO\3;- determinareaNi caNiDim2(dimetilglioxinat);- dozarea su l fu lu i si a s u l f u r i i ca Ag^S;- analiza granulometrica a precipilatelor;- determinarea masei moleculare a unor polimeri;- controlul dezvoltarii culturilor de bacterii in medii lichide nutritive;- controlul claritatii •/ l impezimii apelor potabile sj industriale;- dozarea halogenurilor ca AgX (X = Cl, Br, I);- controlul unor aerosoli;- cercetarea unor emulsii si, in general, a unor sisleme lichide nemiscibilc

(ex.: amestecurile de apa si solventi organic!, ca benzen - apa).

Intrucat conditiile tehnice de analiza se pot optimiza continuu, aceste tehnici deanaliza pot fi imbunatatite, ceea ce permite cres.terea performanfelor lor si implicit arezultatelor pe care le pot furniza.

CAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASA 445

»PECTROMETRIA DE MASA

11.1. Notiuni generate

Spectrometria de masa este o metoda de analiza care se bazeaza pe f ragmentareamoleculelor de substante organice, sub acjiunea unor energii mari de pana la 100 eV, iardin numarul, sarcina si masa f ragmenteior rezultate se obtin informatii asupra structuriisi identitatii substantelor cercetate.

F ragmentarea moleculelor este determinate de acumularea de energie care pro-duce ruperea unor legaturi interatomice, proces din care rezulta mai ales ioni pozitivi(rar negativi), radical!, ioni radical! si molecule neutre. Aceste fragmente constituie,,piese" importante de reconstituire a molecule!, adica a structurii moleculare.

Deoarece fragmentarea produce mai ales ioni pozitivi, fragmentele sunt purta-toare de sarcina, an o masa determinate si se pot caracteriza prin raportul clintre masa sisarcina, m/z. Pentru a se putea produce fragmentarea moleculelor, substanja care trebuieanalizata se aduce in stare gazoasa, se introduce intr-o camera de ionizare in care seproduce fragmentarea, iar fragmentele sunt accelerate de un camp electric si supuse unu iproces de separare in funcfie de valoarea raportului m/z si concentrate pe un colector,inregistrandu-se abundcnta lor relativa. Toate operatiunile se fac in vid inaintat.

Prin urmare, in analiza prin spectrometrie de masa se parcurg cateva etape sianume:

1) introducerea probei si aclucerea analit i lor in stare de vapori;

2) ionizarea moleculelor in stare gazoasa cu formarea unui amestec statistic deioni proveniti din fragmentarea moleculelor;

3) accelerarea ionilor s.i focalizarea lor in functie de raportul m/z, prin utilizareaunor lentile electronice, pentru marirea energiei lor cinetice;

446 CAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASACAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASA 447

4) separareafasciculelor de ioni cu acelasi raport m/zprin ,,filtrare" in analizorulde masa, aparaturaautomatizata putand confine mai multe t ipur i de analizoarelegate in serie;

5) detectia ionilor separati de catre un detector care cuantif ica sarcinile electrice,prin masurarea curentilor ionici dafi de fluxurile separate care au acelasi m/zsi care sunt proportionate cu abundenfa (concentratia) lor;

6) inregistrarea spectrului de masa, respectiv a abundenjei ionilor, in funcfie dem/z; prin urmare, este vorba de intensitatea fiecarui curent ionic care estefunctie de m/z.

11.2. Aparatura. Spectrometrul de masa

In figura 11.1 este prezentata o schema de principal a unui spectrometru de masa,iar in figura 11.2 este prezentat un detaliu al camerei de ionizare.

receptoramplillcator

ordinator

t . l l lspectrul dc masa

Figura 11.1 Schema de principiu a unui spectrometru de masa"

< *

surs

dc io

sisttmdc subst v

injectie )

ID

••

a captor dc

ni electron! Pipptro-/i HP

accelerarcn nf ioni/nrc \ U U

jpori /IVftegme

MB

tensiunea /^s^

camerei I1

1 ri i ixdcioni / analizorn!7 n n</ []<-, ||H

P filament

dc Re sou W

I

Objinerea spectrelor de masa se poate face prin reprezentarea abundenfei ionilorin dona moduri si anume:

- sub forma unui spectru continuu, in care semnalele apar sub forma de picuri culargimi care depind de tipul de aparat;

- sub forma unui spectru de fragmentare, numit si spectru de bare, acaror intensi-tate se exprima in procente in raport cu picul eel mai intens, care se numeste picde baza si care corespunde ionului molecular cu cea mai mare abundenfa, numition de baza,.

In figura 11.3 sunt prezentate doua astfel de spectre pentru doua substante diferite.

100

.2: 75-_«"o

g" 50"g

,a

2J

CH2OH+

""J

CHO

fU^M^

, 1

5

M

CH3OH+

^2

0 *~ ' • "T- — ~ -

0 10 20 30

(a)

Figura 11.2 Detaliu longitudinal al camerei de ionizare

(b)

Figura 11.3 Spectrul de bare al metanolului (a) si spectrul de masa continuu al uneisubstante organice oarecare (b)

Trebuie precizat ca la inceput, detecjia cu aparatele utilizate s-a facut prin foto-grafiere, de aceea aceste aparate s-au numit spectrografe de masa. In prezent, delecfia seface prin masurarea curentului electric produs, adica a curentului ionic, iar aparateleutilizate acum se numesc spectrometre de masa. Mai trebuie precizat ca, desi aceastametoda se numeste spectrometrie de masa, ea nu este o metoda optica.

Pentru marirea eficientei si pentru largirea aplicatiilor spectrometriei de masa invederea determinarii compozitiei, a structurii si a maselor moleculare ale diferiti lorQompusi, metoda este frecvent utilizata ca ..detector" in cuplajele HPLC-MS si GC-MS.Aceasta asociere se face pentru cuplarea marii puteri de separare a metoclelor cromato-grafice cu sensibilitatea si selectivitatea de exceptie a spectrometriei de masa. Asa seexplica utilizarea acestor cuplaje in studiile de biodisponibilitate, farmacocinetica si incele de metabolizare a medicamentelor. Mai mult chiar, frecvent se utilizeaza cuplajeGC/MS-MS pentru studiul si analiza compusilor nevolatili, polari si termolabili continutiin substantele (extractele) naturale si intalniti frecvent in medii biologice, care continozide, peptide si alte substance.

448 CAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASA CAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASA 449

Este important de subliniat ca spectrometria de masa asociata cu plasma cuplatainductiv (ICP-MS) se utilizeaza si in analiza compozitiei elementale a unor mediianorganice.

11.3. Procedee de fragmentare a moleculelor

Spectrometria de masa se bazeaza pe ionizarea si fragmentarea moleculelor prinacumularea de energie pana la un nivel la care se produce ruperea unor legaturi intera-tomice, concomitent cu formarea unor fragmente, caracterizate prin raportul dintre masasi sarcina lor, m/z. De faptse formeaza un amestec de ioni pozitivi (care au cea mai mareabundenp), ioni negativi (mai rar si cu abundenta mai mica) si radical! neutri din punctde vedere electric (pot sa existe si radical! ionici).

Procesul de ionizare se produce in camera de ionizare, putandu-se utiliza mai imilleprocedee de fragmentare a moleculelor gazoase: prin impact electronic sau chimic, prinbombardare cu atom! rapizi, prin impactul cu impulsuri laser de scurta clurata etc.

linpactul electronic. Moleculele intra in camera de ionizare (prin injectarea probeisau prin partea terminals a capilarei cromatografice), in care exista un vid inaintat decca. 10"6 torri (1 torr = 1 mm Hg). Moleculele de analit se ciocnesc cu un flux ingust deelectron!, perpendicular pe directia de zbor a moleculelor analizate si care este generalde un filament de Re sau W incalzit in vid de un curent de 50-200 mA. Electron!! suntaccelerati de o diferenta de potential de 10-100 eV, astfel ca in momentul impactukiienergia lor este de cca. 70 eV. Prin coliziunea unei molecule cu un electron se produceun ion molecular astfel:

M + e" ^ Mt + 2e~

"Numarul ionilor si natura tuturor fragmentelor sunt caracteristice fiecarei sub-stante in conditii experimentale standard, reproductibile. Pentru exemplificare, se prez-inta modul de fragmentare al metanolului.

CH3—OHt + 2c- ; m/z = 32

CH2-OH+ + H- ; m/z = 31

CH.—Ol-f

CH3 -i- OH-

CHO"" -i H2

m/z= 15

m/z - 29

Daca se admite ca o molecula este format! din patru atom! A, B, C si D,fragmentarea prin ionizare se poate reprezenta astfel (Figura 11.4):

IONIZAREA

molccula

ion molecular

ETAPAI DE

FRAGMENTARE

molecule radical

ncutra cation

ETAPAAII-ADE

FKAGMENTARE

molecula neutra

"t radical cation

radical

ncutrucation

cation

molecula neutra

Figura 11.4 Schema generala de fragmentare - ionizare prin impact electronic a unuicompus format din patru tipuri de atomi: A, B, C ?i D

Ionizarea chimica este mai blanda, necesitand energii mai mici. In acest caz,moleculele gazoase de substanta analizata se introduc in camera de ionizare impreunacu un gaz reactiv, cum sunt metanul, izobutanul, amoniacul etc. Gazul reactiv se introducein cantitate mai mare in raport cu substanta de analizat, fapt dovedit prin presiunile lorrelative, egale cu cca. 10" torri pentru proba analizata si cu 0,3-3 torri pentru gazulreactiv.

Acest amestec este bombardat cu un flux de electron!, care produce numaifragmentarea moleculelor de gaz reactiv, care se afla in amestec, in proportie mult maimare decat proba. lonii rezultati din gazul reactiv reactioneaza cu moleculele neionizateale acestui gaz, dancl o plasma care contine numerosi ioni reactivi. In cazul uti l izari imetanului ca gaz reactiv, rezulta:

nCH4

I+C1I4 '

CH5'' + CH3'

47 %

T + C H 4

C2H5" + H2 (

41 % 1T +

H:

lonii format! ai gazul ui reactivi sunt acizi Bronsted si ataca moleculele de analizatpe care le ionizeaza, formandu-se ioni pseudomoleculari, trecandu-se mai intai prin fazade aduct. Are loc suita urmatoarc de reactii:

450 CAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASACAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MAS A 451

M RH+

aduct

—> MH"

ionpseudomolecular

R

- daca RH = CHj, iar molecula M are o af initate pentru protoni mai mare deceitCH4, are loc reacfia:

M + CHs — > M ... H"'~ ... CH4 — > MH" + CH4

aduct

- in acest caz ionul CH^ se comporta ca un acid Bronsted, iar metanul este o baz3

Bronsted mai slaba decat molecula M. Molecula M poate sa piarda protoni,comportandu-se ca un acid Bronsted:

CHs + M — > CH4 + H2 + (M-H)+

C2H5 + M — > C2H4 + (M-H)+

- in spectrele de masa se pot observa si picuri mai putin intense, care corespundformariiunorcompusideaditie a ionilor gazelor reactive la moleculelecleanalit:

M + CaHj — > MC2Hj (in + 29)

M — >

- aceste reactii sunt valabile si in cazul utilizarii metaniilui ca si gaz reactiv.

Daca analitul interactioneaza cu izobutanul sail cu amoniacul, sunt posibile ur-matoarele reactii:

M + CsH? — > MC3Hy (m+43)

M + C4Hg — » MC4H9 (m + 57)

M + NHj — > MNHj (m+18)

Experimental, se constata ca ionizarea prin impact electronic, mai energica,conduce la spectre mai bogate In benzi / picuri si impl ic i t mai greu de interpretat, spredeosebire de ionizarea chimica, mai blanda. care furnizeaza spectre mai simple si maiusor de interpretat Adesea cele dona spectre sunt complementare si, prin analizarea sicompararea lor, se pot obtine informatii mai complete si mai sigure in benef iciul analizei.

Pentru identificarea compusilor molecular! analizati prin spectrometria dc masase poate proceda Tn dona moduri:

a) prin reconstruirea structurii molecule! compusului din fragmentele rezultateprin ionizare, lucru adesea dif icil din cauza f ragmentarilor succesive a ionilor,care sunt procese complexe si anume cu atat mai compiexe, cu cat masacompusului este mai mare;

b) prin compararea spectrului obfinut experimental cu spectral compusului anali-zat existent intr-o biblioteca de spectre.

Bombardarea cu atomi rapizi. Bombardarea cu atom! rapizi (fast atomic bom-bardment, FAB) este un procedeu de ionizare Tn care molecula de compus organic estesupusa unui impact cu atomi neutri sau grei, cum sunt atomii de Ar sau de Xe, de mareviteza. Moleculele gazoase, de exemplu de argon, sunt ionizate prin impact electronic,iar ionii de argon format! sunt condusi Tn camera de coliziune, Tn care ciocnesc alti atomineutri de argon pe care-i trimit catre proba de analizat, care este o dispersie a acestuia Tnglicerina sau dietanolamina (lichide pu|in volatile), depusa la extremitatea unui suportintrodus Tn sursa. Ionii format! init ial sunt eliminati din fascicul prin efectul deflectoral unui camp electric. Acest tip de ionizare este mult Tntrebuintat, desi are un zgomot defond mare, mai ales pentru compusii care nu pot fi adusi Tn stare gazoasa.

Formarea ionilor rapizi de xenon si a celor de argon este prezentata Tn f igura 11.5

(a), respectiv (b).

Argon

r*

i

JSc- 1©

Xc >

N

CVXc+

J

Colector

• © @ f

e"

Filament / *

HC

n

6 J

a

ursa

||

f

\

Camera dc Deflectcoliziune ioni rcz

• Oo•o'

o"BiBMI

'.MOI

+

2 "

<^@) ^

Xc+ + Xc^

or dcduali

~<^

Accelerator I T 1 lw«siEHasa

1 I— -tr—

3Suport

prohii

Argon Lentilc dc accclerarc

Atom ncutru dc argon

Atom ioni/atdc nrgon

Figura 11.5 Schema formarii fasciculelor de atomi rapizi de xenon (a) si de argon (b),pentru tehnica FAB

452 CAPITOLUL 11 SPECTROMETRIA DE MASA CAPITOLU L 11 SPECTROMETRIA DE MASA 453

lonizarea laser. Acest tip de ionizare se numeste ionizare laser prin desorbtiedintr-o matrice (notata prescurtat MALDI, adica Matrix Assisted Laser Desorptionlonisation). In acest caz, compusul de analizat este amestecat cu acid dihiclroxibenzoic(este dec! vorba de o matrice solida), iar o cantitate mica din proba pregatita in acest felse depune pe o extremitate a unui suport, in sursa instrumentului. Proba se supuneimpactului cu un impuls laser de scurta durata, de exemplu de 5 nanosecunde pentrulaserul UV de N2 cu A. = 337 nm. Rezulta o plasma pe suprafala tintci care are numaicatevazecimidemm . Matriceadeaciddihidroxibenzoicusureazadesorbj:iamoleculelormari si fotoionizarea lor. Acest tip de ionizare mi provoaca fragmentarea moleculeloranalizate, iar ionii se formeaza la fiecare einisie de lumina a laserului, fenomen care esteadaptat bine la aparatele cu timp de zbor; de fapt este vorba de analizoare cu timp de zbor(TOP), figure 11.6.

con anali/or /

Laser1

IH [M

>

>

-o-ooo-o — >•

Figura 11.6 Schema procesului de ionizare laser printr-o desorbtie dintr-o matrice (MALDI)

PL - pulsuri laser

Exists si procedee de ionizare la presume atmosferica (API), care se aplica ladeterminarea elementelor sau a unor biomolecule cu M > 2000 Da (daltoni), polare siputin stabile.

O astfel de ionizare se realizeaza cu plasma de argon, care a fost descrisa laspectrometria dc cmisie optica. Pentru dozarea unor elemente, se tree atomii acestora subforma de cationi, obtinandu-se raze ionice, de aceea plasma de argon poate fi utilizataca mediu de ionizare in spectrometria de masa. Pentru aceasta, conducerea ionilor catreanalizorul de masa se face printr-un foarte mic orificiu. practical intr-un con metalicracit (f igura 11.7), printr-o aspirare determinata de vidul existent in aparat. Plasma deargon poate fi alimentata cu solufia apoasa a probei sau plasma sc plaseaza la iesjrea dincoloana GC (in cazul analizei unor compusi organic! nemetalici prin GC/ICP-MS). Prinacest procecleu dur se distrugtoate legaturile chimice din compusi, de acea sunt analizati/ determinati atomii elementelor componentc. In cazul probclor solide se utilizeazapentru volatilizare un laser inaintea introducerii analitului in plasma.

HPUC sau HPCE

!ji punct HT (x) molccula <lc solvent \.M*) ion pscudomolrcular

Figura 11.7 Schema de ionizare la presiune atmosferica

Solufia de analit se pulverizeazS in zona de incalzire (I); moleculele in faza solidaprezente (2) sunt mai ales in stare ionizata si formeaza cu analitii cluster! (rnanunchiuri)(3) care se distrug in ctirent de azot, conducand la molecule de analit incarcate. APCI -ionizare chimica la presiune atmosferica.

Tot la presiune atmosferica se poate face ionizarea unor molecule prin intennediulunorsprayuri(pulverizari). Acest procedeu se aplica la iesireacomponentilor din coloanacapilara HPLC, cand se produce o ceata salina fonnata dintr-un electrolit continand ionide amonki, numita ,,termospray" sau se produce o ,,ploaie flna" incarcata cu sarcini elec-trice, de unde si denumirea de ,,electrospray sau ion-spray", f igura 11.8.

contra electron"

1 + 5000V //

con anali/or /

separator

N2 I i l l O O U P a 100 Pa O.OOlPa

Figura 11.8 Schema de ionizare electrospray

La iesirea din analizorul conic se formeaza picaturi fine incarcate (I), care se evapora,marindu-se clensitatea de sarcini (2), urmata de explozie coulombica (2) cu fermareaprobabila a unor ioni molecular! multisarcini (3); pentru accelerarea evaporarii seutilizeaza un invelis de azot (4)

validarea metodelor analitice- 9

Documents

Transcript of validarea metodelor analitice- 9