Spectrometric Methods - MC230P50

• Title: Spektrometrické metody (kata)
• Czech title: Spektrometrické metody (kata)
• Guaranteed by: Department of Analytical Chemistry (31-230)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2017 to 2023
• Semester: summer
• E-Credits: 4
• Examination process: summer s.:
• Hours per week, examination: summer s.:3/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Is provided by: MC230P04N
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: RNDr. Václav Červený, Ph.D.
• Teacher(s): RNDr. Václav Červený, Ph.D.; doc. RNDr. Juraj Dian, CSc.; RNDr. Jakub Hraníček, Ph.D.; RNDr. Petr Kozlík, Ph.D.; RNDr. Eliška Nováková, Ph.D.
• Incompatibility : MC230P04N, MC230P45
• Is incompatible with: MC230P04N

Annotation

English

Last update: RNDr. Václav Červený, Ph.D. (20.02.2018)

A basic overview in spectrometric methods used for chemical analyses. Principles of methods, interactions between the analyzed compounds and the electromagnetic radiation, instrumentation, typical measurement procedure and evaluation of results are explained in these lectures including listed examples of analytical applications.

Czech

Last update: RNDr. Václav Červený, Ph.D. (19.02.2024)

Základní přehled spektrometrických metod využívaných k chemické analýze. V jednotlivých přednáškách jsou vždy vysvětleny principy metod, průběh interakce záření s analyzovanou látkou, základy instrumentace, způsob měření a vyhodnocování výsledků a uvedeny příklady analytických aplikací.
Po dobu, kdy by nemohla probíhat prezenční výuka, by byl předmět vyučován interaktivním způsobem v on-line režimu např. pomocí Google Class Room, kde by byly ke každému tématu zveřejňovány materiály a na každou přednášku zvlášť v Google Meet nebo MS Teams by byl uveden odkaz, nezvolí-li vyučující jinou možnost (např. samostudium), o které včas informuje studenty.

Výstupy učení:
Student po absolvování kurzu...
... rozlišuje mechanismy interakcí elektromagnetického záření s atomy nebo molekulami v různých skupenstvích, ať už při nich dochází k výměně energie nebo nikoli, na základě těchto pochodů metody klasifikuje, rozpoznává a vysvětluje jejich principy.
... přepočítá energii excitace nebo deexcitace na klíčové vlastnosti absorbovaných / emitovaných fotonů (frekvenci, vlnovou délku, vlnočet, apod.) nebo naopak.
... vypočítá rychlost, popř. směr šíření elektromagnetického záření při přechodu z jednoho prostředí do druhého.
... porovná a klasifikuje klíčové vlastnosti fotonů (frekvenci, vlnovou délku, vlnočet, apod.).
... rozpoznává analytické spektrometrické metody podle experimentálního uspořádání (včetně dílčích možných variant) nebo pořízeného záznamu (např. spektra, difraktogramu apod.), popř. naprogramovaného průběhu řízené veličiny (teploty, tlaku, atd.).
... charakterizuje účel a vlastnosti klíčových součástí spektrometrických přístrojů (zdrojů elektromagnetického záření; disperzních a optických prvků; detektorů; nádob na vzorky a jejich roztoky nebo prostorů a zařízení, kterými jsou zaváděny do optické osy spektrometrů).
... vypočítá mřížkovou konstantu pro vlnovou délku a úhel difrakčních maxim pomocí Braggovy rovnice.
... použije základní vztah mezi přístrojem vyhodnocovanou veličinou (např. absorbancí, intenzitou emise / fluorescence apod.) a obsahem nebo koncentrací analytu, dále pak kalibraci vnějšími nebo vnitřními standardy (spikování / metodu přídavku standardu) k výpočtu obsahu nebo koncentrace analytu ve vzorku.
Rentgenová spektrometrie:
… vysvětlí vznik a charakter emisních rentgenových spekter.
… odvodí a rozliší základní vztahy v rentgenové spektrometrii.
… okomentuje metody využívající emise primárního rentgenového záření (EMA, PIXE) a sekundárního záření (rentgenová fluorescenční spektrometrie) a absorpce záření.
… popíše rentgenovou difrakci a její principy.
... vypočítá mřížkovou konstantu pro danou vlnovou délku a úhel difrakčních maxim pomocí Braggovy rovnice.
… navrhne experimentální uspořádání pro konkrétní analytickou situaci.
… okomentuje analytické aplikace jednotlivých metod rentgenové spektrometrie.

Atomová emisní spektrometrie (emisní spektrální analýza):
… vysvětlí vznik a zákonitosti emisních atomových spekter.
… identifikuje charakter spektrálních čar a základní vztahy v atomové emisní spektrometrii.
… rozliší metody plamenové fotometrie, AES-ICP a ICP-MS v rámci emisní spektrální analýzy.
… popíše experimentální uspořádání pro atomovou emisní spektrometrii, zahrnující budicí zdroje, optické části spektrálních přístrojů, detekci záření a registraci signálu.
… vyjmenuje analytické aplikace plamenové fotometrie, AES-ICP a ICP-MS v oblasti analýzy prvků v různých typech vzorků, včetně průmyslových, environmentálních a biologických materiálů
... použije základní vztah mezi přístrojem vyhodnocovanou veličinou (intenzitou emise), kalibraci vnějšími nebo vnitřními standardy (spikování / metodu přídavku standardu) a obsahem nebo koncentrací analytu k výpočtu obsahu nebo koncentrace analytu ve vzorku; diskutuje změnu přístupu v případě možných interferencí, popř. ověření, že k nim nedochází.

Atomová absorpční a fluorescenční spektrometrie:
... pozná schéma experimentálního uspořádání atomového absorpčního spektrometru s atomizací plamenem, elektrotermicky nebo s generováním hydridů.
... pozná schéma experimentálního uspořádání atomového fluorescenčního spektrometru.
... charakterizuje a vzájemně porovná různé zdroje primárního elektromagnetického záření, disperzní systémy, atomizátory a používané detektory.
... použije základní vztah mezi přístrojem vyhodnocovanou veličinou (absorbancí, intenzitou fluorescence) a obsahem nebo koncentrací analytu, kalibraci vnějšími nebo vnitřními standardy (spikování / metodu přídavku standardu) k výpočtu obsahu nebo koncentrace analytu ve vzorku.
... porovná citlivosti, meze detekce, výskyt interferencí a aplikace pro různé způsoby atomizace navzájem.

Molekulová absorpční spektrometrie v ultrafialové a viditelné oblasti záření:
... vysvětlí vznik absorpčních pásů ve spektru za pomoci intramolekulárních i intermolekulárních přechodů elektronů.
... identifikuje schéma a různá experimentální uspořádání UV/VIS absorpčního spektrometru včetně různých přístupů k zavádění vzorků a jejich roztoků (jednopaprskové a dvoupaprskové registrační přístroje vs. „diod-array“ spektrometry; měření v ustáleném stavu, průtoková injekční analýza, sekvenční injekční analýza).
... použije základní vztah mezi přístrojem vyhodnocovanou veličinou (absorbancí) a obsahem nebo koncentrací látky, kalibraci vnějšími nebo vnitřními standardy (spikování / metodu přídavku standardu) k výpočtu obsahu nebo koncentrace analytu ve vzorku.

Molekulová luminiscenční spektrometrie:
… vysvětlí teoretické základy fotoluminiscenčních procesů.
… rozlišuje elektrické dipólové přechody od jiných typů přechodů a rozumí souvislosti mezi optickou emisí a absorpcí.
… rozlišuje různé formy luminiscenčních procesů, jako jsou fluorescence, fosforescence a chemiluminiscence.
… interpretuje základní fotoluminiscenční charakteristiky, včetně optického spektra, doby života, kvantového výtěžku a polarizace, rozlišuje emisní a excitační luminiscenční spektrum
… pozná experimentální uspořádání pro měření fotoluminiscenčních spekter, doby života fotoluminiscence a kvantového výtěžku fotoluminiscence, ten umí i definovat.
… podle struktury látek odhadne typ luminiscence, vysvětlí vliv rozpouštědla a pH roztoku, stejně jako vliv těžkých atomů na luminiscenční procesy.
… vyjmenuje analytické aplikace molekulové luminiscenční spektrometrie.

Molekulová absorpční spektrometrie v infračervené oblasti záření:
… vysvětlí teoretické základy absorpční spektrometrie v infračervené oblasti záření, včetně výběrového pravidla pro změnu přechodového elektrického dipólového momentu.
… rozlišuje experimentální uspořádání disperzních spektrometrů a interferometrů a posoudí vliv potlačení šumu v těchto uspořádáních.
… vyjmenuje a popíše vhodné zdroje záření a detektory pro infračervené spektrometrické experimenty.
… rozumí transmisním a odrazovým měřením, a experimentálním uspořádáním měření infračervených absorpčních spekter podle skupenství vzorků.
… aplikuje znalosti absorpční spektrometrie v infračervené oblasti na kvalitativní a kvantitativní analýzu zejména organických látek.

Ramanova spektrometrie:
… vysvětlí teoretické základy Ramanovy spektrometrie, včetně pojmu neelastického rozptylu záření a výběrového pravidla pro změnu polarizovatelnosti při Ramanových přechodech.
… identifikuje experimentální uspořádání pro Ramanovy spektrometrické experimenty, rozliší disperzní a FT-Ramanovy přístroje.
… pozná Ramanova spektra pro získání informací o struktuře molekul.

Nukleární magnetická rezonance (NMR) a elektronová paramagnetická rezonance (EPR):
… popíše NMR a EPR jev, tedy vliv magnetického pole na částici (jádro, elektron) s nenulovým spinem.
… zapíše vztah pro rezonanční podmínku pro jídra a pro elektron a vypočítá na základě zadání frekvenci nebo energii záření.
... vysvětlí, které základní podmínky musí být splněny pro měření NMR a EPR spekter a jak je jejich splnění dosaženo (instrumentace, skupenství a rozpouštědlo vzorku).
… vysvětlí pojmy chemický posun, g-faktor, nepřímá spin-spinová interakce, hyperjemné štěpení a přiřadí je ke správné spektrometrické metodě.
… pozná z obrázku, zda se jedná o NMR nebo EPR spektrum a zdůvodní, na čem je jeho závěr založen.
… pozná ze schématu instrumentace, zda se jedná o NMR nebo EPR přístroj a zdůvodní, na čem je jeho závěr založen.

Hmotnostní spektrometrie:
... vypíše používané způsoby ionizace, definuje molekulový ion a obecně vysvětlí vznik molekulových fragmentů.
... pozná hmotnostní spektrum jednoduché látky.
... pozná experimentální uspořádání hmotnostních spektrometrů včetně rozličných hmotnostních analyzátorů a detektorů.

Refraktometrie a interferometrie:
... definuje index lomu, molární refrakci, jejich vzájemné vztahy a souvislosti s dalšími charakteristikami látek.
... vysvětlí principy, načrtne a popíše experimentální uspořádání refraktometrie a interferometrie.
... uvede alespoň některé příklady použití refraktometrie a interferometrie v chemické analýze.

Polarimetrie, spektropolarimetrie:
... vysvětlí vznik polarizovaného elektromagnetického záření a odůvodní stáčení roviny jeho polarizace opticky aktivními látkami.
... definuje chiralitu, chirální centra, vysvětlí skládání jejich účinků, racemizaci.
... pozná křivku optické rotační disperze a cirkulárního dichroismu.
... uvede příklady použití polarimetrie, spektropolarimetrie a cirkulárního dichroismu v chemické analýze.

Turbidimetrie a nefelometrie:
... pozná experimentální uspořádání a rozlišuje mezi turbidimetrií a nefelometrií.
... uvede příklady použití turbidimetrie a nefelometrie v chemické analýze.

Literature

English

Last update: RNDr. Václav Červený, Ph.D. (19.02.2024)

I.Němcová, L.Čermáková, P.Rychlovský: Spektrometrické analytické metody I., Karolinum, Praha 2004 (1997).
I.Němcová, P.Engst, I.Jelínek, J.Sejbal, P.Rychlovský: Spektrometrické analytické metody II., Karolinum, Praha 1998.
E.D.Olsen: Modern Optical Methods of Analysis, McGraw-Hill, N.Y. 1975.
J.M.Hollas: Modern Spectroscopy, 4th Ed., J.Wiley, Chichester 2004.
P. Atkins, J. De Paula, J. Keeler, Atkins' Physical Chemistry, 12th Ed., Oxford University Press, Oxford 2023.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Fundamentals of Physics, 12th Ed., J. Wiley,  2022.

Czech

Last update: RNDr. Václav Červený, Ph.D. (19.02.2024)

I.Němcová, L.Čermáková, P.Rychlovský: Spektrometrické analytické metody I., Karolinum, Praha 2004 (1997).
I.Němcová, P.Engst, I.Jelínek, J.Sejbal, P.Rychlovský: Spektrometrické analytické metody II., Karolinum, Praha 1998.
E.D.Olsen: Modern Optical Methods of Analysis, McGraw-Hill, N.Y. 1975.
J.M.Hollas: Modern Spectroscopy, 4th Ed., J.Wiley, Chichester 2004.
P. Atkins, J. De Paula, Fyzikální chemie, VŠCHT Praha 2013.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Fyzika, VUTIUM Brno, 2013.

Requirements to the exam

English

Last update: doc. RNDr. Karel Nesměrák, Ph.D. (28.10.2019)

Everything that was taught is tested. Written exam - answering questions.

Czech

Last update: doc. RNDr. Petr Rychlovský, CSc. (06.12.2011)

Zkouší se vše co bylo odpřednášeno. Písemná zkouška - odpovědní otázky.

Syllabus

English

Last update: RNDr. Václav Červený, Ph.D. (19.02.2024)

Principle and scope of spectrometric methods: Properties of electromagnetic radiation. Energy states of atoms and molecules. Division of methods (interaction of radiation and matter with and without energy exchange).

Basic components of spectrometric instruments: Radiation sources. Dispersion system and auxiliary optics. Radiation detectors.

Analytical determinations using spectrometric methods: Determination of analyte concentration. Evaluation and errors of spectrometric measurements.

X-ray spectrometry: Theoretical principles (origin and characteristics of X-ray emission spectra, basic relationships). Methods using primary X-ray emission (EMA, PIXE), secondary radiation (X-ray fluorescence spectrometry) and radiation absorption. X-ray diffraction. Experimental arrangements and analytical applications of individual methods.

Atomic emission spectrometry (emission spectral analysis): Theoretical principles (formation and regularities of atomic emission spectra, spectral lines characteristic, basic relationships). Flame photometry, AES-ICP. ICP-MS. Experimental arrangement (excitation sources, optical parts of spectral instruments, radiation detection and signal registration) and analytical applications of all methods.

Atomic absorption and fluorescence spectrometry: Theoretical basis (principle of methods, basic relationships). Experimental setup (primary radiation sources, absorption medium, dispersion system, radiation detection and signal registration, background compensation). Analytical applications, interference in the AAS method. Comparison of the most used atomic spectrometric methods.

Molecular absorption spectrometry in the ultraviolet and visible range of radiation: Theoretical principles (transitions of electrons in inorganic and organic substances, metal complexes, CT - transitions). Experimental setup. Static measurement methods (colorimetry, photometry, spectrophotometry), dynamic methods (kinetic measurements, flow-through methods). Extraction spectrophotometry. Analytical applications.

Molecular luminescence spectrometry: Theoretical foundations of photoluminescence processes, electric dipole transitions, context of optical emission and absorption. Fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence. Basic photoluminescence characteristics – optical spectrum, lifetime, quantum yield and polarization. Emission and excitation luminescence spectrum. Influence of the structure of substances on the type of luminescence. Effect of solvent and solution pH, effect of heavy atoms. Experimental setup for measuring luminescence characteristics. Analytical applications.

Molecular absorption spectrometry in the infrared range of radiation: Theoretical principles (vibration of molecules, rotation of molecules, vibrational-rotational changes). Experimental arrangement - dispersion spectrometers (radiation sources, dispersion system, radiation detection) and interferometers (instruments with Fourier transformation). Transmission and reflection measurements, measurement techniques according to the state of the samples. Analytical applications - structure analysis, quantitative analysis.

Raman spectrometry: Theoretical principles (inelastic scattering of radiation, formation and regularities of Raman spectra, basic relationships). Experimental setup - dispersion devices, FT - Raman spectrometry. Analytical applications.

Nuclear magnetic resonance (NMR): Theoretical principles (magnetic moments of the nuclei, effect of magnetic field, basic relationships; chemical shift, spin interactions). Experimental arrangement - continuous measurement, FT - NMR. Analytical applications.

Electron paramagnetic (spin) resonance (EPR): Theoretical principles (systems with unpaired electrons, basic relationships; g-factor, hyperfine splitting). Experimental design, analytical applications.

Mass spectrometry: Theoretical basis (ionization, molecular ion formation, basic mechanisms of fragmentation, mass spectrum). Experimental arrangement (ion sources, mass analyzers, detectors). Connection of MS with separation methods. Analytical applications.

Refractometry and interferometry: Theoretical principles (refractive index, molar refraction). Refractometry - principle of the method, experimental arrangement. Interferometry - principle of the method, experimental arrangement. Analytical applications.

Polarimetry, spectropolarimetry: Theoretical basis (radiation polarization, optically active chiral substances, specific rotation). Optical rotational dispersion, circular dichroism. Experimental setup. Analytical applications.

Turbidimetry and nephelometry: Theoretical principles (elastic scattering of radiation in cloudy samples). Experimental setup, analytical applications.

Czech

Last update: RNDr. Václav Červený, Ph.D. (19.02.2024)

Princip a rozdělení spektrometrických metod: Vlastnosti elektromagnetického záření. Energetické stavy atomů a molekul. Rozdělení metod (interakce záření a hmoty s výměnou a bez výměny energie).

Základní části přístrojů: Zdroje záření. Disperzní systém a pomocná optika. Detektory záření.

Analytická stanovení využívající spektrometrických metod: Stanovení koncentrace analytu. Hodnocení a chyby spektrometrických měření.

Rentgenová spektrometrie: Teoretický základ (vznik a charakter emisních rentgenových spekter, základní vztahy). Metody využívající emise primárního rentgenového záření (EMA, PIXE), sekundárního záření (rentgenová fluorescenční spektrometrie) a absorpce záření. Rentgenová difrakce. Experimentální uspořádání a analytické aplikace jednotlivých metod.

Atomová emisní spektrometrie (emisní spektrální analýza): Teoretický základ (vznik a zákonitosti emisních atomových spekter, charakter spektrálních čar, základní vztahy). Plamenová fotometrie, AES-ICP. ICP-MS. Experimentální uspořádání (budicí zdroje, optické části spektrálních přístrojů, detekce záření a registrace signálu) a analytické aplikace všech metod.

Atomová absorpční a fluorescenční spektrometrie: Teoretický základ (princip metod, základní vztahy). Experimentální uspořádání (zdroje primárního záření, absorpční prostředí, disperzní systém, detekce záření a registrace signálu, kompenzace pozadí). Analytické aplikace, interference v metodě AAS. Srovnání nejpoužívanějších atomových spektrometrických metod.

Molekulová absorpční spektrometrie v ultrafialové a viditelné oblasti záření: Teoretický základ (elektronové přechody v anorganických a organických látkách, v komplexech kovů, CT - přechody). Experimentální uspořádání. Statické způsoby měření (kolorimetrie, fotometrie, spektrofotometrie), dynamické způsoby (kinetické metody, průtokové metody). Extrakční spektrofotometrie. Analytické aplikace.

Molekulová luminiscenční spektrometrie: Teoretické základy fotoluminiscenčních procesů, elektrické dipólové přechody, souvislost optické emise a absorpce. Fluorescence, fosforescence, chemiluminiscence. Základní fotoluminiscenční charakteristiky – optické spektrum, doba života, kvantový výtěžek a polarizace. Emisní a excitační luminiscenční spektrum. Vliv struktury látek na typ luminiscence. Vliv rozpouštědla a pH roztoku, vliv těžkých atomů. Experimentální uspořádání pro měření luminiscenčních charakteristik. Analytické aplikace.

Molekulová absorpční spektrometrie v infračervené oblasti záření: Teoretický základ (vibrace molekul, rotace molekul, vibračně rotační změny). Experimentální uspořádání - disperzní spektrometry (zdroje záření, disperzní systém, detekce záření) a interferometry (přístroje s Fourierovou transformací). Transmisní a odrazová měření, techniky měření podle skupenství vzorků. Analytické aplikace - strukturní analýza, kvantitativní analýza.

Ramanova spektrometrie: Teoretický základ (neelastický rozptyl záření, vznik a zákonitosti Ramanových spekter, základní vztahy). Experimentální uspořádání - přístroje disperzní, FT – Ramanova spektrometrie. Analytické aplikace.

Nukleární magnetická rezonance: Teoretický základ (jádra s magnetickým momentem, vliv magnetického pole, základní vztahy; chemický posun, spinové interakce). Experimentální uspořádání - kontinuální měření, FT - NMR. Analytické aplikace.

Elektronová paramagnetická (spinová) resonance: Teoretický základ (systémy s nepárovými elektrony, základní vztahy; g-faktor, hyperjemné štěpení). Experimentální uspořádání, aplikace.

Hmotnostní spektrometrie: Teoretický základ (ionizace, vznik molekulového iontu, základní mechanismy fragmentace, hmotnostní spektrum). Experimentální uspořádání (iontové zdroje, hmotnostní analyzátory, detektory). Spojení MS se separačními metodami. Analytické aplikace.

Refraktometrie a interferometrie: Teoretický základ (index lomu, molární refrakce). Refraktometrie - princip metody, experimentální uspořádání. Interferometrie - princip metody, experimentální uspořádání. Analytické aplikace.

Polarimetrie, spektropolarimetrie: Teoretický základ (polarizace záření, opticky aktivní chirální látky, specifická rotace). Optická rotační disperze, cirkulární dichroismus. Experimentální uspořádání. Analytické aplikace.

Turbidimetrie a nefelometrie: Teoretický základ (elastický rozptyl záření v zakalených vzorcích). Experimentální uspořádání, analytické aplikace.