Качественный и количественный анализ спектра

Качественный анализ - можно определять длины волн, которые взаимодействуют с атомами и молекулами. Поскольку спектры хим. веществ уникальны, одинаковые атомы и молекулы будут иметь один и тот же спектр. Т.о. в качественной спектроскопии определяются хим. вещества путём создания спектра и сравнения его с уже известными. Количественный анализ - можно измерять количество света, поглощённого или излученного на какой-либо определённой длине волны. Качественный анализ служит для того, чтобы определить из каких элементов состоит анализируемый образец. Необходимо получить спектр пробы, возбужденный в каком-либо источнике, и по обнаруженным спектральным линиям определить каким элементам они принадлежат. Так станет понятно, из чего состоит образец, поскольку у каждого вещества спектр поглощения индивидуален. Сложность качественного анализа – это большое количество спектральных линий на аналитической спектрограмме, расшифровка и идентификация которых слишком трудоемка и не точна. Чем чище соединение, тем более узкие, и хорошо разрешённые пики получаются, а наличие в пробе нескольких компонентов приводит к широким, плохо разрешённым полосам из-за слияния близко расположенных линий индивидуальных соединений. В основе количественного анализа лежит закон Ламберта-Бера (вопрос 21), то есть определение оптической плотности А при той длине волны, при которой исследуемое вещество поглощает свет. То есть задача этого метода – количественное определение вещества (его концентрации) в растворе. Как это делают на практике - см. вопрос 26. Закон Ламберта гласит, что поглощённое количество света не зависит от интенсивности источника излучения. Закон Бера указывает, что поглощение пропорционально числу поглощающих молекул. Отсюда можно вывести следующее отношение: log(I0/I) = ɛcd = А, где А – означает оптическую плотность и как логарифм частного от деления интенсивностей падающего I0 и выходящего I света не имеет размерности; d – величина, показывающая длину пути света, прошедшего через поглощающую пробу, то есть толщину слоя; ɛ – постоянная материала, которая, если используется концентрация c в моль/л и толщина слоя d в см, обозначается как молярный коэффициент поглощения, или молярный показатель поглощения с размерностью см/миллимоль. Эта величина отображает оптическую плотность одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.

2 3. Флуоресцентная микроскопия клеток. Микросферы с квантовыми точками. Впервые GFP (флуоресцентный белок) выделили из медузы 1962 г.. Флуоресцентная микроскопия — метод получения увеличенного изображения с использованием люминесценции возбуждённых атомов и молекул образца. Молекулы способны поглощать кванты света и переходить в электронно-возбужденные состояния. Возвращение молекулы в «обычное» (основное) состояние, сопровождающееся излучением света, называют флуоресценцией. Поглощение и флуоресценция обуславливаются строением энергетических уровней электронов молекулы и поэтому является специфическим, для каждого типа молекулы, свойством (см. подробнее в статье электронно-колебательная спектроскопия).Биологический материал, флуоресцирует крайне слабо, но благодаря применению ярких и разнообразных флуоресцентных молекул (флуорофоров), способных специфически окрашивать разные структуры тканей и клеток, метод оказался очень ценным для медико-биологических наук.Традиционные методы флуоресцентной микроскопии обладают существенно более низким разрешением по сравнению с электронной или атомно-силовой микроскопией. Однако оптическая микроскопия позволяет наблюдать за внутренней микроструктурой клеток и даже небольших организмов, причем не только фиксированных, но и живых. Благодаря этому флуоресцентная микроскопия оказалась наилучшим методом для изучения механизмов функционирования организмов на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Микросферы с квантовыми точками. Полимерные микросферы могут содержать визуализурующие метки, в частности квантовые точки, которые определяют их применение в различных видах анализа с визуальной или инструментальной детекцией результатов биоспецифических реакций.Квантовые точки (КТ) представляют собой полупроводниковые флуоресцентные нанокристаллы, размеры которых, как правило, находятся в диапазоне от 1 до 10 нм и состоят из атомов элементов, находящихся в II-VI (например, CdSe) или II-V (например, InP) группах периодической таблицы Д.И. Менделеева. Квантовые точки обладают фотостабильностью и высоким квантовым выходом и широко применяются в современных методах флуоресцентной визуализации и оптической диагностики, в частности для флуоресцентного анализа биологических образцов, исследования иммунохимических реакций, диагностики различных вирусных и инфекционных заболеваний и заболеваний сердечно-сосудистой системы, например, исследования кровеносного русла, состояния сосудов и капилляров.Из уровня техники известны различные способы получения полимерных микросфер, содержащих квантовые точки, направленные на включение квантовых точек либо в объем полимерных микросфер, либо на локализацию на их поверхности. Такие способы основаны на: 1) набухании полимерных микросфер в растворителе и введении квантовых точек; 2) послойном осаждении квантовых точек на поверхность микросфер; 3) электростатическом взаимодействии; 4) непосредственном ковалентном присоединении квантовых точек; 5) включении квантовых точек в процессе синтеза полимерных микросфер.

24. Состав и принцип действия установки для исследования оптического спектра (ультрафиолет/видимый/ближний ИК). Ультрафиолетовая спектроскопия включает получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в ультрафиолетовой области, т. е. в диапазоне длин волн 10-400 нм.Спектрофотометрическое исследование спектров молекул в видимой и УФ областях позволяет установить вид электронных переходов и структуру молекул. При этом часто исследуют влияние различных типов замещения в молекулах, изменения растворителей, температуры и других физико-химических факторов. Инфракрасная спектроскопия ­ в диапазоне длин волн от 10^—6 до 10^—3 м. В ИК области проявляются переходы между колебательными и вращательными уровнями.Инфракрасная спектроскопия полезна при изучении связей между атомами веществ органических соединений (C, H. O, N). Также ИК спектры указывают на наличие определённых структур в неизвестных органических соединениях и используются для идентификации веществ (качественного анализа, см. вопрос 22)Спектроскопия видимого диапазона применяется для изучения некоторых типов орг. соединений и элементов с электронами в d-орбиталях, например, переходных металлов.Ультрафиолетовая спектроскопия полезна при изучении орг. соединений, доминирующих в биологических средах (белки, ДНК, продукты биохимических реакций, клинические анализы плазмы крови и мочи). Метод UV/VIS (ультрафиолетовой и видимой) спектроскопии основан на поглощении света неизвестными веществом или образцом. Образец облучается электромагнитными лучами разных длин волн в видимом и смежных диапазонах (УФ и ближнем ИК спектрах). Возможно изучение как жидких, так и твёрдых материалов. UV/VIS спектрофотометр измеряет интенсивность света, проходящего сквозь раствор образца в кювете, и сравнивает его с интенсивностью света до его прохождения сквозь образец.Основные компоненты:  источник света, держатель образца, устройство рассеяния для разделения света с разными длинами волн (монохроматор   соответствующий детектор.Для измерения начальной интенсивности исследуют растворитель: его добавляют в кювету, через которую пропускают свет и записывают данные об интенсивности прошедшего света с разными длинами волн с помощью детектора, это называют холостым раствором.Для определения образца его вместе с растворителем помещают в кювету, облучают, часть света поглощается образцом, прошедший свет улавливается детектором и рассчитывается изменение интенсивности на разных длинах волн, по сравнению с холостым раствором.

25. Типы монохроматоров. Монохроматор представляет собой спектральный оптико-механический прибор, предназначением которого является выделение монохроматического излучения. Монохроматическим называется электромагнитное излучение с очень маленьким разбросом частот, а в идеале оно обладает одной частотой (длиной волны). Монохроматор выделяет узкие интервалы длин волн из спектра оптического излучения. Основа принципа работы монохроматора – дисперсия света.В качестве диспергирующего элемента используется дисперсионные призмы или дифракционные решетки. Монохроматор схемы Литтрова Призменный монохроматор однолучевого спектра, в котором коллиматорным объективов служит внеосевое параболическое зеркало (а). Плоское отражающее зеркало M4 сзади призмы, предназначено для удвоения дисперсии за счет двукратного прохождения.Схема Уолша (б). Имеет два дополнительных зеркала М8 и М9 и промежуточный модулятор С2. При таком оптическом пути пучок через призму проходит 4 раза. Часть спектра от первого прохождения попадает на приемник излучения вместе с излучением, прошедшим спектрометр дважды и имеющим иной спектр. Однако, усилитель реагирует только на модулированный состав сигнала, который прошел монохроматор дважды. Аналогичная схема использыется и в случае дифракционной решетки. Решетка устанавливается вместо зеркала Литтрова, а призма удаляется. Внеосевую параболу следует Монохроматор Черни-Тернера

26. Правила определения концентрации по известным спектрам. При фиксированной длине пути можно использовать UV/VIS спектроскопию для определения концентрации поглощающего вещества в растворе. Однако необходимо знать, насколько меняется поглощение с концентрацией. Эти данные можно найти в литературе (таблицы коэффициентов экстинкции) или определить по калибровочной кривой.Первый шаг – выбор подходящей длины волны. Обычно выбирают длину волны максимума пика, то есть соответствующую пику диапазона поглощения, потому что в этом случае изменение поглощения для заданной концентрации будет максимальным и обеспечит большую чувствительность и точность измерений. Относительный эффект других веществ и примесей будет при этом меньше. Кроме того, меньше будет и скорость изменения поглощения с длиной волны, и измерение не будет так сильно зависеть от небольших ошибок в установке длины волны. Следующий шаг – измерение в известных эталонах на выбранной длине волны. Затем коэффициент поглощения эталонов отмечают на графике в зависимости от концентрации. Калибровочная кривая спектрофотометрического анализа должна как можно точнее аппроксимировать образец и охватывать подходящий диапазон концентраций вещества. Лучше всего отметить три разные концентрации вещества, хотя можно обойтись и одной. На практике наиболее точная калибровочная кривая строится по пяти разным концентрациям. Коэффициент поглощения имеет линейную связь с концентрацией, и по точкам данных можно построить кривую спада первого порядка.Затем по калибровочной кривой можно определить образец неизвестной.

27. Характеристики и состав приборов рентгеновской микротомографии.

 Для проведения рентгеновской микротомографии необходимы функциональные блоки:

-блок питания

-блок управления

-источник излучения

-система позиционирования(предметный столик)

-приемник излучения

Источник рентгеновского излучения 50 кВ, не требующий обслуживания;

охлаждаемая 1,3-мегапиксельная рентгеновская камера;

трехмерное пространственное разрешение до 6 мкм;

сканирование в процессе компрессии, растяжения, охлаждения;

двумерный и трехмерный анализ изображений и реалистичная визуализация.

РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОТОМОГРАФ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ SkyScan 1272

Экспериментальная установка

Источник излучения – откачиваемая рентгеновская трубка с воздушным охлаждением.

Напряжение на рентгеновской трубке: 20-50 кВ, сила тока: 0-800 мкА.

Детектор излучения: 1304-1024 14 бит цифровая камера.

Номинальное пространственное разрешение: от 6 мкм.

Алгоритм реконструкции: многопоточный модифицированный алгоритм Фельдкампа.

Размеры сканирования: до 32 мм в диаметре, полная длина: до 88 мм.

Время сканирования: как правило, 20-120 мин для 1304х1024 пиксель.

Защита от излучения: 1 мк³в/ч в любой точке на поверхности прибора.

— первый в мире микротомограф с реконструкцией более чем 200 мегапикселей в одном сечении.

Широкоформатный 16 или 11Мп охлаждаемый 14 битный рентгеновский детектор за одно, два или три смещения позволяет сканировать образцы диаметром до 75 мм и снимать до 14456 х 3240 пикселей в каждой проекции, с последующей реконструкцией в виде 209 Мп сечений, создавая после одного сканирования до 2600 таких сечений.

Новый рентгеновский источник, не требующий обслуживания, с регулировкой пиковой энергии в пределах 20-100 кВ и 6-позиционным автоматическим чейнджер фильтров поможет подобрать наилучшие условия сканирования для любого вида образца.

Кроме того, система может автоматически выбрать наилучшее сочетание мощности излучения и фильтра для любого материала.

Изотропное разрешение деталей до 0,35 мкм с высоким фазовым контрастом субмикронных деталей сделали ранее невидимые особенности образца хорошо узнаваемыми и измеримыми.

Автоматически изменяемая геометрия съемки со смещением образца и детектора для ускорения сканирования, сокращает время цикла сканирования для большинства увеличений в 2-5 раз по сравнению с другими сканерами.

Система поставляется с уникальным мощным программным пакетом для анализа 2D/3D изображений и визуализации. Есть возможность экспортировать данные в CAD и 3D принтеры.

Столик для микропозиционирования позволяет легко и точно найти оптимальное размещение образца при механических и температурных испытаниях.

Сканер может автоматически выбирать увеличение и параметры съемки для каждого конкретного образца. Образцы, находящиеся в очереди на измерение, можно заменить в любое время, при этом текущий процесс сканирования не прерывается.

Принцип действия такого оборудования заключается в многократной фотосъемке исследуемых областей какого-либо образца под воздействием рентгеновского излучения. Съемка производится через заданные промежутки времени и с различных ракурсов, полученные изображения сохраняются и обрабатываются. Для получения более качественных и детализированных снимков используется увеличение.

Особенности: устройства автоматической подачи образцов;

· микропозиционный столик;

· различные режимы (растяжение/сжатие, нагревание/охлаждение);

· большое количество срезов;

· автоматический подбор фильтра;

· защита от излучений;

· ЖК-мониторы.