1
Rozvojový projekt SESKUPIT
Masarykova Univerzita, Přírodovědecká fakulta
Soubor návodů k laboratorním úlohám:
Metody rozkladu vzorků: kryogenní mletí mikrovlnný rozklad
Roztoková analýza: ICP OES a ICP MS
Analytické metody založené na laserové ablaci LA-ICP-MS
Spektrometrie laserem buzeného plazmatu LIBS
K. Novotný, A. Hrdlička, V. Dillingerová, M. Tvrdoňová, E. Pospíšilová
2016
2
Metody rozkladu vzorků: kryogenní mletí
mikrovlnný rozklad
Roztoková analýza: ICP OES a ICP MS
3
Stanovení Cu v modrém tisku metodou ICP-OES
V praxi se běžně setkáváme s požadavky na kvantitativní stanovení prvků ve vzorcích
různého skupenství. Vzorky kapalné a plynné lze poměrně dobře přímo vnášet do analyticky
využívaných emisních zdrojů, mezi něž patří i velmi rozšířené indukčně vázané plazma
(ICP). Vnášení pevných vzorků do excitačního zdroje abrazí např. jiskrou nebo laserovou
ablací, je sice možné, avšak často je využíváno převedení takových vzorků do kapalného
skupenství. Pevné vzorky se rozkládají pomocí směsi kyselin anebo zásad (příp. s přídavky
dalších činidel) přičemž konkrétní správný postup závisí na druhu vzorku. Při rozkladu je
nutné zajistit, aby rozpuštění vzorku bylo úplné a pokud možno rychlé, a zároveň je nutné
zamezit ztrátám těkavých složek vzorku, případně kontaminaci během rozkladu. Účinnost a
rychlost rozkladu lze zvýšit zvýšením teploty s využitím kahanu, topné desky nebo
mikrovlnným rozkladným zařízením. Snáze se také rozloží rozemletý vzorek v podobě
jemných částic než vzorek kompaktní či složený z větších kusů. Pro přípravu takového
vzorku slouží odvrtávání, odbrušování a mletí. Mletí a homogenizace vzorku s využitím
různých typů mlýnů je také často nezbytným krokem předcházející lisování tablet pro
laserovou ablaci s ICP nebo rentgenovou analýzu.
Využití moderních postupů kryogenního mletí a mikrovlnného rozkladu pro přípravu pevného
vzorku a jeho následná analýza metodami ICP-OES/MS je náplní této úlohy. Papír potištěný
modrou barvou z běžné inkoustové tiskárny je vhodným vzorkem, na kterém lze
demonstrovat kryogenní mletí i mikrovlnný rozklad za účelem stanovení mědi v této barvě.
Příprava vzorku kryogenním mletím
Při kryogenním mletí se využívá podchlazení
vzorku tekutým dusíkem. V mlecí nádobce se
po dosažení kryogenní teploty provádí
mechanické mletí, které je zajištěno kmitáním
kovového tělíska v magnetickém poli. Tímto
způsobem je možné efektivní rozemletí
materiálů, za normální teploty měkkých a
elastických (termoplasty, textilie, rostlinné a
živočišné tkáně) nebo látky, které se za vyšší
teploty rozkládají. Kryogenní mletí je vhodné
hlavně pro látky, které jsou ohebné nebo
plastické při pokojové teplotě. Extrémně nízká
teplota při mletí vede ke zkřehnutí materiálu a
zamezení následného shlukování a scelování
částic.
Hlavními výhodami kryogenního mletí jsou
vyšší výtěžky částic v cílené velikosti a lepší
distribuce velikosti zrnek.
V úloze se bude používat kryogenní mlýn
SPEX 6775 Freezer/Mill (obr. 1) umožňující
umístění jedné mlecí nádobky.
Obr. 1 Kryogenní mlýn SPEX 6775 Freezer/Mill
4
Postup:
1) Příprava vzorku
Na papír se vytiskne na inkoustové tiskárně modrý čtverec o
celková ploše 10x10 cm. Tento čtverec se vystřihne a nastříhá na
malé čtverečky cca 1x1 cm a vloží se do mlecí nádobky (obr. 2)
spolu s mlecím tělískem (impaktorem).
Spolu se vzorkem je nutné také připravit blank, což je v tomto
případě nepotištěný list papíru o stejné ploše. Vzhledem k tomu,
že mletí jednoho vzorku trvá přibližně 25 minut, je vhodné blank
připravovat během mletí vzorku. Vzorek i blank musí být před
vložením do mlýna zvážen, aby mohl být po stanovení proveden
přepočet na plošný obsah Cu v potisku.
2) Mletí
Nádobka se vzorkem se umístí do mlýna do otvoru na nádobku.
Je nutné zkontrolovat množství tekutého dusíku v nádržce
(hladina dusíku v nádržce musí být cca 2 cm pod horní okraj).
Následně se mlýn uzavře a zajistí zacvaknutím gumové svorky.
Na obrazovce se spustí program pro mletí papíru. Parametry pro
mletí jsou uvedeny v tabulce 1.
3) Vyjmutí vzorku
Po skončení programu na mletí se kryogenní mlýn otevře a mlecí
nádobka se vytáhne pomocí magnetické tužky. Pozor, s nádobkou je
třeba zacházet opatrně, protože její kovové části jsou zmrzlé na
kryogenní teplotu. Nádobka se umístí do otevíracího zařízení (obr.
3) a vytáhne se zátka. Obsah nádobky se vysype na filtrační papír a
umístí do exsikátoru.
4) Mikrovlnný rozklad
Mikrovlnný rozklad se běžně používá k převedení
vzorků do roztoku pro stanovení prvků metodami
ICP-MS, ICP-OES nebo AAS. Výhodou
mikrovlnného rozkladu je zkrácení doby rozkladu,
snížení množství kyselin a rizika kontaminace či
rozklad obtížně rozložitelných vzorků. Mikrovlnný
rozklad může probíhat v otevřeném (za
atmosférického tlaku) nebo uzavřeném systému.
Teploty dosažené u otevřeného systému jsou
limitovány bodem varu kyseliny, uzavřený systém
umožňuje dosažení teplot až 250 °C. Pro rozklad
se používají různé minerální kyseliny (např. HCl,
HNO3, HF, H2SO4…) a peroxid vodíku. Nádobky
parametr hodnota
Předchlazení 15 min
Doba mletí 1,5 min
Chlazení 2 min
Počet cyklů 3
Četnost úderů (rate) 12 cps
Tab. 1 Parametry pro mletí
Obr. 2 Mlecí nádobky, spodní
uzávěr (vlevo), horní uzávěr
(vpravo) a impaktor
Obr. 3 Zařízení na otvírání
mlecích nádobek
Obr. 4 Mikrovlnné zařízení ETHOS ONE
5
na rozklad jsou vyrobeny z inertního materiálu (např. teflon) propustného pro mikrovlnné
záření. Zahřívání v mikrovlnném poli je silně ovlivněno typem vzorku, a proto je nutné
sledovat teploty jednotlivých vzorků. Rozklad bude probíhat v mikrovlnném rozkladném
zařízení ETHOS ONE (Millestone) (obr. 4).
Zásady práce s mikrovlnným rozkladným zařízením
 Nádobky na rozklad musí byt čisté a suché, proto se s nádobkami pracuje
v rukavicích.
 Jednotlivé nádobky a jejich uzávěry jsou očíslované, je potřeba sady vždy držet
spolu.
 Z mikrovlnného zařízení vede vývod do digestoře, která musí být během rozkladu
spuštěna.
 Nádobka číslo 1, referenční nádobka s teplotním čidlem, musí být vždy umístěna na
pozici číslo 1. V této nádobce je měřena teplota pomocí čidla, proto do této nádobky
vkládáme vzorek, ne blank.
Reagenty
6 ml HNO3 (65%), 2 ml H2O2 (30%)
Program
Krok Čas Energie T1
1 00:15:00 200 náběh
2
3
00:15:00
00:10:00
200
-
rozklad
chlazení
Tab. 2 Parametry pro teplotní program mikrovlnného rozkladu
Postup:
5) Příprava vzorku
Asi 0,1 g vzorku se naváží na skleněnou
lodičku, ta se vloží do rozkladné nádobky
(obr. 5) a vzorek se z ní spláchne kyselinou.
Stejným způsobem se naváží a převede
blank do další nádobky. Obě nádobky se
vzorky se uzavřou do ochranného krytu a
následně se poskládá celý segment (obr. 6.).
Pomocí momentového klíče se utáhne tlakový
závit, dokud nedocvakne. Takto připravené
segmenty se mohou rovnoměrně umístit do
mikrovlnného zařízení. Je nutné vkládat
alespoň tři nádobky, proto se do třetí nádobky přidá stejné množství chemikálií jako do
nádobek s blankem a vzorkem. Všechny tři segmenty se následně rovnoměrně rozmístí do
mikrovlnného zařízení.
Obr. 6 Kompletní segment pro rozklad
jednoho vzorku
Obr. 5 Nádobka
na mikrovlnný
rozklad
6
Výběrem čísla pozice na dotykové
obrazovce ovládání pozice vzorků
(obr. 7) se disk na umísťování
segmentů otočí danou pozicí dopředu.
Referenční nádobka se umísťuje na
pozici číslo 1 jako poslední. Po
umístění všech segmentů kromě
referenčního se na segmenty položí
vrchní zajišťovací disk, tak jak je
uvedeno na obrázku 8. Poté se na
pozici 1 umístí segment s referenční
nádobkou, do které se kabelem zapojí
teplotní čidlo. Poté se umístí horní disk
tak, aby zapadl na segmenty.
6) Nastavení programu pro mikrovlnný rozklad
Na úvodní obrazovce (obr. 9.) je nutné
zaškrtnout políčka, která jsou zaškrtnutá
na obrázku (obr. 9.). Zvláště důležité je
políčko TWIST, bez tohoto hrozí
ukroucení kabelu teplotního čidla.
Správnou rotaci rotoru lze ověřit
stisknutím ikony ventilátoru (obr. 10).
Obr. 7 Obrazovka rozmístění vzorků
Obr. 8 Segmenty s horním zajišťovacím diskem
Výstup pro teplotní čidlo
Horní zajišťovací disk
Segment se vzorkem
Spodní disk s pozicemi
Obr. 9 Úvodní obrazovka pro nastavení
Obr. 10 Tlačítko na spuštění
kontrolního otáčení
7
Teplotní program se nastaví v záložce
Method. Do tabulky na obrazovce (obr.
11.) se vyplní parametry pro teplotní
program mikrovlnného rozkladu podle
tabulky 2. Krok 1 udává čas postupného
ohřevu vzorku do dosažení požadované
teploty a krok 2 čas, po který je vzorek
udržován na požadované teplotě.
Teplotní profil programu je znázorněn
na grafu. Pomocí ikony diskety se
metoda uloží. Pokud je již metoda pro
rozklad vytvořena, je možné ji načíst
pomocí ikony záložky.
Samotný rozklad se spustí tlačítkem
Start, v záložce Run. Poté je možné
sledovat teplotní průběh, jakož i zbývající
čas rozkladu na obrazovce (obr. 12). Při
80 °C se dveře zařízení samy zamknou a
není možné je otevřít. Po uplynutí doby
rozkladu je nutné počkat, až se vzorky
ochladí na teplotu kolem 50 °C. Poté
je lze vyjmout a nádobky otevřít pomocí
momentového klíče. Následně se vzorky i
blank kvantitativně převedou do
odměrných baněk o objemu 25 ml.
Optická emisní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu (ICP-OES)
Metoda ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry) je založena na
detekci záření emitovaného excitovanými atomy a ionty. Vzorek je do ICP spektrometru
vnášen pomocí zmlžovače ve formě vlhkého aerosolu. V indukčně vázaném plazmatu
dochází k vysušení a odpaření aerosolu. Odpařený aerosol je poté atomizován a vzniklé
volné atomy jsou pak excitovány a ionizovány. Při deexcitaci atomů a iontů je emitováno
záření, které nese analytickou informaci a je měřeno detektorem. Atomy nebo ionty poskytují
emisní čárová spektra, která poskytují kvalitativní informace (vlnová délka) a kvantitativní
informace (intenzita čáry).
Atomizační a excitační zdroj
Jako atomizační a excitační zdroj se v ICP-OES využívá výboj v prostředí proudu argonu,
indukčně vázané plazma. Plazma je definováno jako „kvazineutrální plyn nabitých a
neutrálních částic vykazující kolektivní chování“. Jedná se tedy o částečně ionizovaný plyn
obsahující ionty, elektrony a neutrální částice v základním i excitovaném stavu a navenek se
Obr. 11 Obrazovka pro nastavení programu
Obr. 12 Obrazovka pro sledování průběhu rozkladu
8
jeví jako elektricky neutrální. Díky přítomnosti nabitých částic reaguje plazma na elektrická a
magnetická pole, a tak jimi může být ovlivňováno.
V praxi se pro plazma upřednostňují
vzácné plyny, které mají vysokou
ionizační energii, jednoduchá spektra a
netvoří stabilní sloučeniny. Vysoká
ionizační energie umožňuje účinnou
ionizaci většiny prvků. Pro ICP
spektrometrii se využívá argonového
plazmatu, které je schopno ionizovat
všechny prvky s výjimkou He, Ne a F.
V ICP dosahuje koncentrace elektronů
hodnot 1020
-1021
m-3
, z čehož vyplývá,
že stupeň ionizace je přibližně 0,1 %.
Důsledkem vysoké koncentrace
elektronů je významná intenzita pozadí,
která je způsobena zářivou rekombinací
argonu. Maximální intenzita tohoto
spojitého záření je při 450 nm, čímž je vysvětleno modrofialové zbarvení argonového
plazmatu.
Optika spektrálních přístrojů
Při deexcitaci částic v plazmatu je emitováno elektromagnetické záření, které se skládá
z analyticky využitelného záření atomů a iontů pocházejících ze vzorku a záření
nedisociovaných molekul (OH, CO, N2…), které společně se spojitým zářením plazmatu
nenese analytickou informaci a vytváří tak rušivé pozadíPro analytické účely je nutné rozdělit
toto polychromatické záření na jednotlivé složky (emisní čáry), které jsou charakteristické pro
dané prvky. K tomu slouží tzv. disperzní prvky, mezi které řadíme hranoly, mřížky, filtry... ,
které jsou jednou z nejdůležitějších součástí ICP optického spektrometru, protože jejich
kvalita ovlivňuje rozlišovací schopnost. Jako disperzní prvky se používají u ICP optických
spektrometrů výhradně mřížky na odraz, protože hranoly a filtry nedosahují dostačující
rozlišovací schopnosti. Podle typu zvolené mřížky jsou ICP-OES spektrometry děleny na 3
základní typy spektrometrů:
 spektrometr s rovinnou mřížkou konstrukce Czerny-Turner
 spektrometr s konkávní mřížkou konstrukce Paschen-Runge
 spektrometr s mřížkou typu Echelle a děličem spektrálních řádů
Obr. 13 Indukčně vázané plazma
9
Stanovení Cu na potištěném papíru
bude probíhat na ICP spektrometru
iCAP 6500 Duo (Thermo Scientific).
Tento spektrometr je vybaven
monochromátorem typu Echelle
s mřížkou 52,9 vrypů na milimetr.
Systém umožňuje simultánní měření
spektra v rozmezí cca 166 – 847 nm.
Postup:
7) Příprava vzorků a kalibračních roztoků
Kalibrační roztoky o koncentraci Cu2+
1 mg/l, 0,5 mg/l, 0,1 mg/l a 0 mg/l se připraví do
odměrných baněk 50 ml ze zásobního kalibračního roztoku Astasol (cCu = 1 g/l). Do
kalibračních roztoků se přidá ideálně stejné množství kyseliny, jaké zbude v roztoku vzorku
po rozkladu. To ovšem neznáme a nebudeme jej v této úloze zjišťovat. Proto přidáme do
každého roztoku standardu zhruba polovinu množství, které se přidalo ke vzorku před
rozkladem. Samotné vzorky již není třeba nijak upravovat.
8) Nastavení metody
Spektrometr se ovládá pomocí programu iTEVA (obr. 15). Na spodní liště se vybere ikona
zámku, pod kterou jsou zobrazené „Interlocks“, které uvádí aktuální stav spektrometru
(komunikaci s PC, odtah, …) včetně aktuální teploty detektoru (obr. 16). Pokud nesvítí žádný
Interlock červeně a teplota detektoru je -45°C, pak lze iniciovat plazma.
Obr. 14 ICP Spektrometr ICAP 6000 series
Obr. 15 Úvodní obrazovka programu iTEVA Obr. 16 Instrument status
10
Obr. 20 Záložky pro nastavení metody
Ikonou plazmové hlavice se otevře okno
s tabulkou „Plasma status“ (obr. 17),
kde se vybere ikona Plasma On. Na
úvodní obrazovce programu iTEVA se
na levé straně vybere záložka Analyst.
Nová metoda se vytvoří následně:
Method => New
Otevře se okno s periodickou tabulkou (obr. 18) kde se po vybrání měřeného prvku –
Cu, označí čáry mědi, které se budou měřit (obr. 19). Čáry jsou seřazeny podle
intenzity, avšak je nutné kontrolovat interference (pravá část).
Obr. 17 Plasma status
Obr. 18 Periodická tabulka pro výběr měřených prvků
Obr. 19 Označení měřených čar mědi
11
Na liště záložek pro nastavení
metody (obr. 20) se vybere
možnost Analysis Preferences
(obr. 21) a zvolí se axiální
pozorování, které se využívá pro
stanovení nízkých obsahů prvků u
vzorků s jednodušší matricí. Záření
se snímá čelně z osy výboje.
Radiální pozorování, které se též
velmi často využívá, znamená, že
záření je snímáno z boku
plazmatu.
Dále se přejde na Source Settings
(obr. 22), kde se nastaví
následující parametry:
Tab. 3 Parametry měření
V okně Standards (obr. 23) se
nastaví koncentrace pro jednotlivé
měřené standardy. V případě více
standardů lze další přidávat
pomocí ikony Add. Následně se
metoda uloží a vybere se záložka
Analyst.
9) Kalibrace a analýza
Obr. 24 Horní lišta s ikonami
Parametr Hodnota
Flush pump rate 75 rpm
Analysis pump rate 25 rpm
Pump stabilisation time 5 s
Nebuliser gas flow 0,65 L/min
Obr. 21 Analysis preferences
Obr. 22 Source settings
Obr. 23 Nastavení standardů
12
Obr. 26 Ikona Publisher
Výběrem ikony měření kalibračních roztoků
(fialová kádinka (obr. 24)) na horní liště se
otevře okno Calibration (obr. 25). Hadička pro
přívod vzorku do zmlžovače se ponoří do
baňky s kalibračním blankem a spustí se
pomocí tlačítka Run. Obdobně se postupuje i s
kalibračním standardem. Po proměření všech
kalibračních standardů se kalibrace dokončí
tlačítkem Done. Analýza samotného vzorku se
spustí ikonou se zelenou kádinkou (obr. 24).
Před koncem měření většího počtu vzorků je
vhodné změřit některý z kalibračních bodů jako
neznámý roztok pro zjištění udržení stability.
10) Export dat
Naměřená data lze exportovat do souboru přes ikonu Publisher (obr. 26), přímo pod ikonou
Analyst.
New report => Sample report => OK
Otevře se okno Sample query (obr. 27), kde se nastaví datum měření, popř. se vybere
metoda. Ze seznamu analyzovaných vzorků se vyberou ty, ke kterým se mají exportovat
data. Označíme vzorek a potvrdíme stisknutím OK.
Soubor dat se exportuje následně: Export => Excel => Save
Obr. 25 Měření kalibračních roztoků
Obr. 27 Výběr vzorků pro vypsání zprávy
13
Vyhodnoceni výsledků:
Získaná hodnota obsahu mědi se přepočítá na obsah mědi [µg] na původní plochu
potištěného papíru (100 cm2
) a následně se hodnota přepočítá na plošný obsah [µg.cm-2
]
(podle návodu k ICP MS).
Přesnost výsledků je ovlivněna vznikem náhodných chyb, které se vyskytují při každém
měření. Rozdělení náhodných chyb je možné vyjádřit graficky Gaussovou křivkou. Jako
odhad parametrů se používá aritmetický průměr a směrodatná odchylka. Avšak při malém
počtu stanovení n, kdy n < 10, se směrodatná odchylka odhaduje z rozpětí R.
𝑠 𝑅 = 𝑘 𝑛 ∙ 𝑅
Kde kn je Dean-Dixonův koeficient (k3 = 0,5908).
Interval spolehlivosti
Při měření neznámého vzorku neznáme skutečnou hodnotu, a proto se vymezuje oblast, kde
se s určitou pravděpodobností tato hodnota nachází. Tato oblast se nazývá interval
spolehlivosti a charakterizuje spolehlivost výsledků. Pro malé soubory byl Dean-Dixonem
navržen způsob, který využívá Lordovo rozdělení.
𝐿1,2 = 𝑥̅ ± 𝐾 𝛼 ∙ 𝑅
kde Kα je kritická hodnota Lordova rozdělení pro zvolenou hladinu významnosti α.
(pro α = 0,05 a 3 opakování měření K3 = 1,304)
Tento postup nezahrnuje chyby přípravy kalibračních roztoků a měření kalibrační závislosti,
vychází pouze z opakovaného měření intenzity dané čáry u vzorku. Obvykle se však
výsledek prezentuje tímto zjednodušeným způsobem bez větší újmy na spolehlivosti analýzy
ICP.
Limit detekce a limit kvantifikace
Limity detekce a kvantifikace se počítají ze směrodatné odchylky 𝜎̅ 𝐵 (také vypočítaná
z deseti opakovaných měření blanku) a ze směrnice kalibrační křivky S získané regresi
z nízkých koncentrací. Následně se hodnota limitu detekce vztáhne na plochu (stejnou jako u
ICP-MS, aby bylo možné hodnoty porovnat).
LoD =
3𝜎̅ 𝐵
𝑆
Testování shodnosti výsledků
Pro porovnání výsledků získaných různými metodami se testuje shodnost. Testování
shodnosti výsledků pro stejný počet paralelních stanovení v obou testovaných souborech
(nA = nB = n) se nejčastěji provádí podle zjednodušeného Studentova t-testu. Pro malé
soubory se používá Lordův test, který nevyžaduje žádné předpoklady o rozptylech.
𝑢 =
|𝑥̅ 𝐴 − 𝑥̅ 𝐵|
𝑅 𝐴 + 𝑅 𝐵
Je-li u větší než kritická hodnota Lordova testu na zvolené hladině významnosti α, potom je
rozdíl aritmetických průměrů statisticky významný a výsledky získané různými metodami
nelze považovat za shodné. (pro α = 0,05 uα = 0,636)
14
Zdroje:
www.spexsampleprep.com/6775FreezerMill
ETHOS ONE Operator manual MA133
SK-10 and SK-12 Segmented Rotors & operator manual MA127
Holá M., Vaculovič T., 7. kurz ICP spektrometrie, 2013, JMMSS
15
Analytické metody založené na laserové ablaci
LA-ICP-MS
16
Mapování distribuce Cu v modrém tisku metodou LA-ICP-MS
V nedávné době zaznamenala v analytické chemii laserová ablace velký rozvoj. Metoda
laserové ablace s indukčně vázaným plazmatem a hmotnostní spektrometrií (LA-ICP-MS) je
používána pro povrchovou analýzu pevných látek v oblasti geologie, archeologie, biologie
apod. V posledních letech zájem o studium distribuce zejména stopových prvků roste.
Princip
Ablační systém je připojen k citlivému ICP-MS spektrometru. Zaostřený laserový paprsek
interaguje s povrchem vzorku a ablatovaný a částečně ionizovaný materiál je následně
nosným plynem (He) transportován ve formě suchého aerosolu do ICP, kde je atomizován,
ionizován a excitován. Ionty pak vstupují do hmotnostního spektrometru, v němž jsou od
sebe odděleny dle jejich poměru hmotnosti a náboje (m/z) a detekovány detekčním
systémem hmotnostního spektrometru.
Laserová ablace
Při interakci laseru s povrchem vzorku dochází k několika dějům. Materiál vzorku je prudce
zahřát a to i do určité hloubky pod povrch vzorku. Prudký nárůst tlaku uvnitř vzorku vyvolá
explozi a tříštění povrchové vrstvy (obr. 1) a odpařený a atomizovaný materiál spolu s
ionizovaným okolním plynem dále absorbuje záření laseru. Vytváří se tzv. laserem
indukované plazma, v němž jsou atomy i ionty vzorku excitovány. Jedním z hlavních
parametrů pro tvorbu velikosti částic jsou vlnové délky laserů. Velikost částic je variabilní a
pohybuje se v rozmezí od jednotek nm až po tzv. aglomeráty o velikosti i 2 μm, které pak ale
mohou vést ke změnám v intenzitě signálu.
Indukčně vázané plazma
Vzorek v plynné formě z laserové ablace je
pomocí nosného plynu veden do plasmové
hlavice, kde se nachází ve
vysokofrekvenčním elektromagnetickém poli
argonové plazma. Jeho teplota se pohybuje v
rozsahu mezi 6 000 až 10 000 K v závislosti
na oblasti plazmatu. Zde dochází k ionizaci
nejčastěji do prvního stupně.
Obr. 1 interakce laseru s povrchem vzorku (http://blogs.maryville.edu/aas/files/2013/06/ablation_diagram.jpg)
Hmotnostní spektrometr
Ionty z iontového zdroje (ICP) jsou transportovány přes rozhraní (interface) do hmotnostního
spektrometru. Rozhraní je tvořeno dvěma kónusy (sampler a skimmer) a dochází zde k
efektivnímu oddělení toku argonu od středního toku atomů a iontů. Velikost průměrů kónusů
je přibližně 1 mm a prostor mezi jednotlivými kónusy se nazývá „předvakuum“ s tlakem
okolo 500 Pa. Část plazmového paprsku tedy vstupuje otvorem přes skimmer do
hmotnostního analyzátoru. Ještě před tím jsou ale systémem iontové optiky odděleny
nepotřebné atomy od iontů. V analyzátoru jsou ionty separovány dle zvoleného poměru m/z
(kvadrupólový analyzátor). Pro potlačení interferencí je zde také umístěna kolizně-reakční
cela. Následně ionty dopadají na detektor, ten převede proud iontů na signál, který je
vyhodnocen PC.
17
d)
Obr. 2: Schéma uspořádání laserové ablace s indukčně vázaným plazmatem a hmotnostní spektrometrií (LA-ICPMS).
(D. Günther, B. Hattendorf, TrAC (2005), 24(3), 255-265).
Zapnutí přístroje:
Pod dohledem vyučujícího otočte ventilem (k sobě) pro spuštění argonu (tvorba plazmatu) a
helia (nosný plyn pro LA) (obr. 3a), dále zapněte chlazení (obr. 3b), otevřete ventil u tlakové
lahve s heliem (do kolizní cely pro potlačení interferencí, obr. 3c), zapněte laser (otočením
klíčku a tlačítkem zezadu laseru, obr. 3d,e), zapněte počítač.
Na ploše otevřete ikonu Configuration, kde v části Type zvolíte Laser Ablation. Dále otevřete
v PC programy ICP-MS-Top a New Wave Research - Laser Ablation System, a následně v
ovládání průtokoměru (pozor, musí být zapojen v zásuvce) zvolte file → open → vyberte
číslo sériové číslo průtokoměru → OK. Ve full scale se objeví průtok 2,00 l/min.
a) c) e)b) d)
Obr. 3: Zapnutí jednotlivých částí přístroje LA-ICP-MS, a) argon, helium, b) chlazení, c) helium do kolizní cely, d) a
e) zapnutí laseru.
18
Obr. 4: Ablační komora. Obr. 5: Držák se vzorkem.
Postup:
1. Příprava vzorku
Pomocí nůžek vystřihneme
natisknutý vzorek (tak, aby plocha
papíru byla 10 x 10 mm) a s využitím
oboustranné lepicí pásky připevníme
na podložní sklíčko a následně na
držák, který poté vložíme do ablační
komory.
2. Nastavení LA-ICP-MS pro měření
a) Promývání ablační komory
Aby v ablační komoře nebyl přítomný vzduch, je třeba ji
propláchnout He. V programu New Wave Research - Laser
Ablation System přepneme z módu bypass na (vlevo
nahoře) Purge (obr. 5) a následně zvýšíme průtok He na 50
% (1,00 l/min). Takto ablační komoru promýváme přibližně 1
min a těsně před tím, než se ablační komora dostane do
online modu, snížíme průtok He na 1 %.
b) Start ICP
V programu ICP-MS-Top klikneme na ikonu vlevo nahoře
→ plazma (obr. 7a)→ on. Po zapálení plazmatu (obr. 6) je
třeba počkat 45 min, než je možné měřit. Během této doby je
vhodné nastavit metodu.
c) Nastavení podmínek analýzy
Ve složce data a methods si vytvoříme vlastní složku s datem analýzy. Dále je nutné
nastavit podmínky měření v programu ICP-MS-Top:
Zvolíme v horní liště Methods (obr. 7a) → Edit entire methods → Zvolíme Method
information a Aquisition → ok → do prázdného pole stručně popíšeme analýzu (např.
zobrazení mědi v tiskařské barvě) → Time Resolved Analysis → ok → periodic table (obr.
7b) zde vybereme 63
Cu (obr, 7c)→ integrační čas (obr. 7d) 63
Cu zvolíme 0,1 s → následně
v Real Time Plot (obr. 7e) zvolíme extrakt → Time window → 500 s (délka zobrazení okna)
→ OK → Aquisition (obr. 7f) → 2000 s (přibližná délka analýzy) → OK.
Nyní vybereme (v horní liště) DataAnalysis (obr. 7g) → Main panel → spustí se program
Online ICP-MS Data Analysis.
Obr. 6: Plazma
Obr. 5: Přepnutí módů.
19
b)
a)
ICP-MS Data Analysis
Zde zvolíme ikonu se značkou plus (obr. 8a, zde se budou ukládat výsledky) → data →
vyberete název Vaší složky → create (obr. 8b). Nyní je potřeba načíst prvky, které
budou měřeny → DA Method (obr. 8c) → edit → Analys. Mode → zvolíme Timechard →
zvolíme ikonu zelená šipka (obr. 8e) → 3. Ikona zprava (Load List) → methods → název
Vaší složky → zobrazí se prvky → Return to Batch-at-a-Grance → yes.
V programu New Wave Research - Laser Ablation System (obr. 9) → frekventce (a)
10 Hz → velikost laserového paprsku (b) 65 µm → fluence (c) 8 J/cm2
(zavřeme
záklopku (d) následně spustíme laser (e) a přidáváme energii % (f) dokud nedosáhneme
požadované hodnoty fluence) → Tools (g) → nastavíme linii → vzorek doostříme (h).
e)
f)
c)
g)
d)
g)
Obr. 7: Nastavení podmínek v programu ICP-MS-Top
a) c)
d)
e)
Obr. 8: Nastavení podmínek v programu ICP-MS Data Analysis.
20
d)e)c)
a) b) f)
g)
h)
Obr. 9: Nastavení parametrů v programu New Wave Research - Laser Ablation System.
Nyní vytvoříme linii dlouhou tak, aby zasahovala od začátku po konec vzorku. V nabídce
Properties…(obr. 10a) nastavíme parametry analýz – Scan Speed 70 µm/s, Output dle
energie laseru, Rep Rate 10 Hz a Spot Size 100 µm (obr. 11a, 11b, 11c 11d). V případě, že
bude nutné změnit délku linie, zvolíme Edit Endpoints…(obr. 10b).
Dle velikosti vzorku a posunu mezi jednotlivými liniemi vypočítáme počet linií
potřebných na ablaci (obr. 12), následně pak pomocí Duplicate Scans… (obr. 10c)
nastavíme potřebný počet linií (obr. 13a) a posunutí (obr. 13b).
Obr. 10: Parametry analýzy a) Properties
b) Edit Endpoints
Obr. 11: Nastavení parametrů linie a) Scan Speed b)
Output c) Rep Rate d) Spot Size
A
6 cm
6cm
0,150 cm
Obr. 12: Způsob ablace písmena
a
b
a)
b)
a)
d)
c)b)
c)
Obr. 13: Duplikace linií.
b)
a)
21
a)
b)
c)
a)
Nyní v programu ICP-MS-Top
spustíme měření → Method → Run
→ nastavte, kde se budou výsledky
ukládat (obr. 14 a) → OK →
pojmenujeme měření (pouze 7
písmen) → Run Method → následně
v programu New Wave Research Laser
Ablation Systém zahájíme
ablaci → Run Experiment→ Enable
Laser During Scans (Obr. 15a) →
Laser Warmup Time (Obr. 15b) →
5s → Run (Obr. 15c).
Nyní můžeme v programu ICP-MS-Top pozorovat měřený signál (obr. 16).
Obr. 15: Spuštění ablaceObr. 14: Spuštění měření v programu
ICP-MS-Top
Obr. 16: Graf měřených intenzit mědi v závislosti na čase.
a)
22
Obr. 17: Tvorba csv souboru z naměřených dat.
Obr. 18: Naměřená data ve formátu csv.
Měření ukončíme kliknutím na Stop Run (obr. 16 a).
V programu ICP-MS Data Analysis importujeme výsledky → File (obr. 17 a) → Import
Samples → vyberete Vaši složku → ok. Pro získání csv souboru dat klikneme do spodní
části s grafem pravým tlačítkem myši → Table Chart (obr. 17 b) → csv Data. Nyní se nám
vytvoří po pár minutách soubor s naměřenými daty (obr. 18).
a)
b)
23
a)
b)
c)
Obr. 20: Volba synchronizačního prvku v programu Laser Ablation Tool.
Vypnutí přístroje:
V programu ICP-MS-Top klikneme na ikonu vlevo nahoře (obr. 7a) → plazma → off, dále
zavřeme všechny programy, vypneme počítač, chlazení, plyny, laser.
Vyhodnocení naměřených dat:
Pro zpracování naměřených dat nám poslouží program Laser Ablation Tool. Nejprve
načteme naše data (obr. 19a a následně 19b) → Load Data from Select File (obr. 19c) →
Next (obr.19d).
Nyní vybereme synchronizační prvek (měříme pouze jeden prvek, synchronizačním prvkem
tedy bude Cu, obr. 20a). Dále nastavíme hranici pozadí (obr. 20b) a zvolíme Next (obr. 20c).
a)
b)
c)
d)
Obr. 19: Načtení naměřených dat v programu Laser Ablation Tool.
24
V dalším okně je třeba určit hranice mezi jednotlivými liniemi. Modrá čára (obr. 21a) určuje
konec linie (tuto hodnotu vepíšeme do pole time of first falling edge, obr 21b). Červená čára
určuje začátek linie (odečteme tuto hodnotu (obr. 21c) od hodnoty konce linie a zapíšeme do
pole period of signal (obr 21b)). Nyní do pole rising a falling edge minimal step (obr. 21d)
zapíšeme takovou hodnotu, aby se jednotlivé linie po kliknutí na Recount (obr. 21e) zbarvily
do šeda (typicky hodnotu 0,3) a klikneme na políčko Next (obr. 21f).
Dále zapíšeme rychlost posunu vzorku (obr. 22a) a vzdálenost mezi jednotlivými liniemi (obr.
22b) a klikneme na políčko Finish (obr. 22c).
a)c)
b)
d) e)
f)
Obr. 21: Výběr intervalů synchronizačního času.
Obr. 22: Nastavení parametrů laseru.
a)
b)
c)
25
a)
b)
Obr. 24: Tvorba mapy.
b)
c)
d)
a)
e)
Pro uložení zpracovaných dat klikneme na ikonu XLS (obr. 23a), soubor pojmenujeme a
uložíme (obr. 23b).
Nyní vytvoříme v programu excel barevnou mapu. Soubor uložený z programu Laser
Ablation Tool otevřeme. Matici dat označíme (obr. 24a) → vložení (obr. 24b) → grafy (obr.
24c) → šablony (obr.24d) → vybereme vhodnou šablonu (obr. 24e) → ok.
Obr. 23: Uložení zpracovaných dat.
26
a)
b)
c)
d)
e)
Takto vytvořený graf přesuneme do nového listu (obr. 25) → klikneme pravým tlačítkem myši
→ přesunout graf → nový list → pojmenujeme např. Cu graf.
Nyní je třeba upravit škálu zobrazení → klikneme pravým tlačítkem myši na okraj grafu (obr.
26a) → zvolíme formát osy → možnosti osy (obr. 26b)→ minimum 0 (obr. 26c) → maximum
(přibližná maximální hodnota intenzity Cu – obr. 26d) → hlavní jednotka (o jeden řád nižší,
než maximální hodnota – obr. 26e).
Obr. 25: Přesun grafu do nového listu.
Obr. 26: Zvolení vhodných parametrů osy grafu.
27
Z takto vytvořeného grafu vystřihneme obrázek → výstřižky → nový → označíme plochu
obrázku → uložit. Obrázek otevřeme v programu XnView a upravíme poměry stran (zjistíme
v excelovském souboru) → obrázek → rozměry → zapíšeme hodnoty (obr. 27a) → obrázek
také přetočíme o 180 º (obr. 27b) → a uložíme.
K obrázku přiložíme škálu → obrázek → panorama → přidat (obr. 28a) → vybereme náš
obrázek s upravenými poměry stran → přidat (obr. 28b) → dále vybereme již předem
vytvořenou škálu → přidat → ok (obr. 28c) → vytvořit (obr. 28d).
a)
b)
Obr. 27: Úprava rozměrů stran.
Obr. 28: Vytvoření panoramatického obrázku.
b)
c)
a)
d)
28
Nakonec vložíme popisky (jednotky, hodnoty intenzit atd.) → obrázek → přidat text →
napíšeme text (obr. 29) → ok → myší text umístíme do obrázku → obrázek uložíme.
Vyhodnocení výsledků:
Pro srovnání obou laserových technik (LIBS a LA-ICP-MS) jsou důležité 3 parametry - limit
detekce, relativní rozšíření vytištěné linie a doba analýzy. Jelikož doba analýzy je přibližně
stejná, porovnejte následující dva parametry a zhodnoťte, která z metod má lepší citlivost
(dle LOD) a laterární rozlišení (dle ΔWrel).
 Výpočet limitu detekce (LOD):
𝐿𝑂𝐷 =
3 ∙ 𝑆𝐷 ∙ 𝑚 𝐶𝑢
𝐼 𝐶𝑢
Kde:
SD směrodatná odchylka pozadí (bráno z min. 10 hodnot pozadí – intenzita mědi ve
chvíli, kdy nedochází k ablaci).
ICu průměrná intenzita Cu alespoň z 5 hodnot na modrém potisku (viz. obr. 30)
mCu hmotnost mědi na ploše kráteru o průměru 100 µm [fg]
Obr. 29: Vytvoření panoramatického obrázku.
29
Obr. 31: Stanovení zdánlivé šířky.
a
b
c dΔl
Pro výpočet hmotnosti mědi vztaženou na plochu kráteru budeme postupovat
následovně:
Z roztokové analýzy známe stanovený obsah Cu (mcelk) v celé ploše (Scelk) natisknutého
papíru, kterou si vztáhneme na plochu kráteru vypočítanou z průměru laserového paprsku
100 µm (plocha kráteru je ve skutečnosti větší, než plocha laserového paprsku Sp, ale pro
první přiblížení budeme předpokládat, že se tyto hodnoty rovnají).
𝑆 𝑝 = 𝜋𝑟2
= 3,14 ∙ 502
= 7854 𝜇𝑚2
𝑚 𝐶𝑢 =
𝑆 𝑝 ∙ 𝑚 𝑐𝑒𝑙𝑘
𝑆𝑐𝑒𝑙𝑘
Výsledný limit detekce vztažený na plochu kráteru [fg] pak následně vztáhneme na
jednotkovou plochu [µm2
].
∆𝑊𝑟𝑒𝑙 =
∆𝑙− 𝑙 𝑟
𝑙 𝑟
∙ 100Relativní rozšíření vytištěné linie (ΔWrel):
Kde:
Δl zdánlivá šířka vytištěné linie z obdržené mapy [mm]
lr reálná šířka linie [mm] – hodnotu zjistíme změřením pod mikroskopem v programu
New Wave Research - Laser Ablation System).
100mm
100 mm
Scelk
A
Sp
Obr. 30: Parametry pro výpočet LOD.
lr
30
Pro zjištění relativního rozšíření ablatované vytištěné linie - ΔWrel [%] sledujeme signál
63
Cu. Měď je přítomna jen v natištěném písmenu, nikoli v čistém papíře, případně je zde jen
minimální množství. Z obrázků č. 31 je patrný záznam ablatované linie při dané rychlosti
posunu vzorku. Zdánlivá šířka je vzdálenost mezi nástupem signálu získaného z LA-ICP-MS
a koncem jeho poklesu, kdy laserový bod projde přes inkoustové linie. Počáteční a koncové
body získáme jako průsečíky spojnic c,b, a a,d, v tomto pořadí (obr.č. 31). Linie c a d
získáme z lineární regrese v oblastech signálu zaznamenaného v prostoru mimo inkoust,
zatímco linie a a b získáme lineární regresí v oblastech vzestupu a poklesu signálu. Míra
laterárního rozlišení zobrazování je tedy kvantifikována jako relativní rozšíření (ΔWrel )
ablatované tloušťky natisknutého písmena (lr).
Do protokolu uvedeme:
 Obrázek distribuce mědi v písmenu A analyzovaný pomocí LA-ICP-MS a LIBS.
 Výpočty relativního rozšíření vytištěné a limitů detekce.
 Na základě těchto parametrů porovnejte tyto dvě metody z hlediska citlivosti a
laterárního rozlišení (tabulka pro porovnání).
 Následně dle vypočítaných LOD vztažených na plochu porovnáme metody roztokové
analýzy (ICP-MS a ICP-OES) a metody zobrazování (LIBS a LA-ICP-MS) – tabulka
pro porovnání, výsledky převeďte pro porovnání na stejné jednotky.
31
Spektrometrie laserem buzeného plazmatu
LIBS
32
Mapování distribuce Cu v modrém tisku metodou LIBS
Princip
Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS = Laser Induced Breakdown
Spectroscopy) je metoda atomové emisní spektrometrie, která využívá záření
mikroplazmatu, vznikajícího po interakci fokusovaného laserového svazku se vzorkem.
Laserový pulz dopadající na povrch vzorku způsobí prudké zahřátí materiálu a následnou
ablaci, při které dochází k uvolnění malého množství materiálu (řádově desítky až stovky ng)
a ke vzniku mikroplazmatu jehož záření je následně snímáno a spektrometricky
vyhodnoceno. Po skončení laserového pulzu dochází k rozpínání mikroplazmatu a emisi
kontinuálního brzdného záření. Po době řádově několika set nanosekund se začne
mikroplazma významně ochlazovat, intenzita brzdného záření klesá a ve spektru zůstanou
již pouze charakteristické emisní čáry iontů nebo atomů. Na základě přiřazení čar
jednotlivým prvkům je možné stanovit chemické složení vzorku (obr. 1).
Obr. 1 Schéma procesů ve spektroskopii laserem buzeného plazmatu [1]
Metoda nevyžaduje prakticky žádnou přípravu vzorku a je možné ji používat na vzduchu při
atmosférickém tlaku. S výhodou lze používat i dálkové formy, tzv. remote LIBS využívající
optického vlákna nebo stand-off LIBS s teleskopem. Metoda je mikrodestruktivní, a lze ji tedy
využít v případech, kdy při použití jiných technik dochází ke znehodnocení vzorků v průběhu
analýzy.
Vzhledem k prostorovému rozlišení lze pomocí LIBS také vytvářet hloubkové profily (obr. 2),
či povrchové mapy (obr. 3) a sledovat tak 2D nebo 3D rozložení prvků. V případě
hloubkového profilu je laserový pulz vysílán opakovaně do jednoho místa. Pro každý pulz je
snímáno spektrum a následně je sledována závislost intenzity záření na pořadí pulzu pro
daný prvek. Hloubkové profilování je vhodné například pro rozlišení jednotlivých vrstev u
vrstevnatých vzorků. Při povrchovém mapování je provedena analýza v předem určeném
rastru bodů v ploše, přičemž do každého bodu rastru je vyslán jeden pulz a snímáno
spektrum. Jednotlivé prvky přítomné na mapovaném povrchu lze odlišit barevně a vytvořit
tak přehledné mapy jejich rozložení.
Obr. 2 Ukázka hloubkového profilu třívrstvého vzorku Obr. 3 Ukázka povrchové mapy
33
Instrumentace
Modifikovaný ablační systém New Wawe UP-266 MACRO (Obr. 4) je vybaven
pevnolátkovým Nd:YAG laserem pracujícím na čtvrté harmonické frekvenci (~ 266 nm).
Vzorek je snímán kamerou a držákem vzorku je možno pomocí softwaru pohybovat v osách
x a y, což umožňuje skenování povrchu zkoumaného materiálu. Nevyužívá – li se ablační
cely, probíhá měření vzorků na vzduchu pod atmosférickým tlakem. Emise mikroplazmatu je
pomocí optického vlákna snímána a přenášena do monochromátoru typu Czerny-Turner
(Jobin Yvon, TRIAX 320, Francie) a detekována pomocí detektoru s intenzifikovanou CCD
(iCCD) kamerou (PI-MAX 3, Princeton Instruments, USA). Signál je následně vyhodnocen
jako závislost intenzity záření na vlnové délce a lze jej dále zpracovávat pomocí dalšího
software.
Obr. 4 New Wawe UP-266 MACRO
Zapnutí přístroje:
1) Otočte klíčkem power supply laserového systému UP-266 MACRO
2) Zapněte laser UP-266 MACRO spínačem 0/I na zadní straně laseru
3) Zapněte počítač Dell (černý)
4) Spusťte program MEO laser
1) 3)
2)
4)
34
5) Zapněte oba delay generátory spínačem POWER do polohy ON
6) Zapněte generátor a děličku pulzů, obě hodnoty jsou předem nastaveny na 005 (~ 2 Hz)
7) Zapněte zdroj a řídící jednotku detektoru spínačem 0/I na zadní straně zdroje
8) Zapněte druhý počítač (šedý HP)
9) Spusťte program Winspec. Zvolte Restore to last setting.
10) Zapněte ICCD kameru spínačem ON/OFF na zadní straně detektoru
5)
6)
7)
35
Postup analýzy
1) Příprava vzorku
Nůžkami vystřihněte natisknutý vzorek. Pomocí oboustranné lepicí pásky upevněte vzorek
k podkladové destičce, destičku následně vložte na držák. Vzorek srovnejte na střed a
rovnoběžně podle os v počítačovém programu.
Rozsviťte světlo nad držákem vzorku v režimu Ring
Zaostřete vzorek pomocí šroubu mikroposuvu.
Ovládání držáku vzorku:
36
2) Nastavení experimentu
Nejdříve si na druhém počítači nastavíme spektrometr a detektor. Charakteristické čáry mědi
se nacházejí na vlnové délce 324,7 nm a 327,4 nm. V programu Winspec proto nastavte
vlnovou délku na 327 nm. Zvolte Spectrograph → Move…→ Move to: 327 nm. Předem je již
nastavena mřížka (grating) č. 2 (2400) a štěrbina (slit) 0,6
Zvolte modré tlačítko Pulse a nastavte Gate Width na 5 µs a Gate Delay na 0,5 µs. Stiskněte
Apply.
37
Zvolte Acquisition → Experiment Setup… → záložka Main → nastavte Number of Spectra na
1800.
…→ záložka Data File → nastavte Name: SESKUPIT ve
složce C:\Program Files\Princeton Instruments\Winspec\Cviceni SESKUPIT
Nyní na prvním počítači v programu MEO laser nastavte velikost průměru kráteru na 780 µm.
Energii laseru nastavte na 80 %
38
V programu MEO laser zvolte File → Open Experiment… → otevřete rastr 30x30
seskupit.LAE
Zvolte Properties a zkontrolujte nastavení parametrů podle tabulky
Zde nastavená hodnota nemá na frekvenci
vliv, laser je napojen na děličku pulzů
39
Polohu červeného osového kříže nastavte přibližně podle obrázku. Zvolte Options → Move
Scans to Crosshairs. Zkontrolujte, že je vzorek přibližně ve středu rastru
40
3) Vlastní měření
V programu Winspec stiskněte zelené tlačítko ACQ (Acquire)
Rozostřete vzorek pomocí otočného šroubu.
V programu MEO laser zvolte Run Scans → zaškrtněte Manually Control Valves a Enable
Laser During Scans
!!!PŘED ZAPNUTÍM LASERU SI VŽDY NASAĎTE OCHRANNÉ BRÝLE!!!
Zvolte Run
Doba měření ~ 25 minut
41
Obr. 5 Rastr použitý pro mapování povrchu – v jedné linii je vždy 30 bodů o průměru cca 100 µm, šipky
znázorňují směr měření jednotlivých bodů v rastru
42
4) Export dat
V programu Winspec zvolte záložku Tools → Convert To ASCII
Zvolte Choose Files → Oblast hledání: C:\Program Files\Princeton
Instruments\Winspec\Cviceni SESKUPIT → Vyberte a otevřete poslední soubor.
Zvolte Choose Output Directory → C:\Program Files\Princeton Instruments\Winspec\Cviceni
SESKUPIT
43
Pro vybrané soubory zvolte Convert To ASCII. Ve složce C:\Program Files\Princeton
Instruments\Winspec\Cviceni SESKUPIT zkontrolujte vytvoření souboru SESKUPIT.txt
5) Zpracování dat
Zkopírujte soubor SESKUPIT.txt na plochu. Na ploše otevřete příslušný excelový soubor
SESKUPIT.xlsx → zvolte list Original data → zvolte záložku Data → v prvním oddíle Načíst
externí data zvolte Z textu → z plochy importujte soubor SESKUPIT.txt
44
V okně Průvodce importem textu (1/3) a (2/3) neprovádějte žádné změny a zvolte Další →
v okně Průvodce importem textu (3/3) neprovádějte žádné změny a zvolte Dokončit →
v tabulce Importovat data zkontrolujte umístění dat dle obrázku a zvolte OK
45
Přístroj do datového souboru mezi naměřené hodnoty vkládá, vždy jako sudý, řádek bez
informace, tyto sudé řádky je tedy třeba odstranit. Klikněte na pole A1 v listu Original data a
zvolte Ctrl+Shift+S. Data z lichých řádků budou překopírována do listu 1. smazání řádků.
Z datového souboru vykopírujte sloupec s vlnovou délkou 324,7 nm, při které intenzita
signálů dosahuje maximálních hodnot, do listu 2. rozdělení řádků.
Vzhledem k průběhu měření rastru je potřeba vždy 30 hodnot ze sloupce transponovat do
řádku přičemž dalších 30 hodnot je nutno transponovat do řádku a zároveň obrátit pořadí
hodnot (změna směru pohybu v rastru na každém druhém řádku).
Klikněte na pole A3 a zvolte Ctrl+Shift+L pro transponování lichých řádků. Následně
analogicky zvolte Ctrl+Shift+P pro obrácení a transponování sudých řádků. Výstupní data
pro tvorbu prvkové mapy se zobrazí na listu Finální tabulka
46
Vyberte všechny hodnoty v tabulce → zvolte kartu Vložení → Grafy → Šablony → vyberte
šablonu dle obrázku
Upravte svislou osu prvkové mapy tak, aby maximální hodnota na ose přibližně odpovídala
maximální hodnotě naměřených intenzit.
47
V programu MWSnap (ikonka fotoaparátu na liště) zvolte Libovolný úhelník a vyberte pečlivě
oblast mapy → obrázek uložte na Plochu → otevřete v programu XnView
V programu XnView zvolte záložku Nástroje → vyberte Panorama…
48
V okně Panoramatický obrázek zvolte Přidat… → v okně Zvolte soubory vyberte vámi
uloženou mapu a zvolte Přidat, následně vyberte obrázek škála 1 a zvolte Přidat → zvolte
OK → zpět v okně Panoramatický obrázek se přidají vybrané soubory, poté klikněte na
Vytvořit…
Zvolte záložku Obrázek → Přidat text → přidejte popisky dle obrázku → výslednou mapu
zkopírujte do protokolu
49
VYHODNOCENÍ:
Prvkové mapy získané pomocí obou technik (LIBS a LA-ICP-MS) vizuálně porovnejte a
popište rozdíly.
Pro další srovnání obou technik vypočítejte limit detekce (LOD) a laterální rozlišení (dle
Δwrel).
Výpočet limitu detekce:
𝐿𝑂𝐷 =
3 ∙ 𝑆𝐷 ∙ 𝑚 𝐶𝑢
𝐼 𝐶𝑢
Kde:
SD směrodatná odchylka pozadí (naměřeno na bílém papíře mimo potisk)
ICu průměrná intenzita Cu alespoň z 5 hodnot na modrém potisku (viz. LA-ICP-MS)
mCu hmotnost mědi v fg na ploše kráteru o průměru 100 µm (roztoková analýza)
Pro výpočet hmotnosti mědi vztažené na plochu kráteru budeme postupovat následovně:
Z roztokové analýzy známe stanovený obsah Cu (mcelk) v celé ploše (Scelk) potištěného
papíru, kterou si vztáhneme na plochu kráteru vypočítanou z průměru laserového paprsku
100 µm (plocha kráteru je ve skutečnosti větší, než průměr laserového paprsku Sp, ale pro
první přiblížení budeme předpokládat, že se tyto hodnoty rovnají).
𝑆 𝑝 = 𝜋𝑟2
= 3,14 ∙ 502
= 7854 𝜇𝑚2
𝑚 𝐶𝑢 =
𝑆 𝑝 ∙ 𝑚 𝑐𝑒𝑙𝑘
𝑆𝑐𝑒𝑙𝑘
Výsledný limit detekce vztažený na plochu kráteru [fg] následně vztáhneme na jednotkovou
plochu [µm2
].
Relativní rozšíření vytištěné linie (ΔWrel):
𝛥𝑤𝑟𝑒𝑙 =
𝛥𝑙 − 𝑙 𝑟
𝑙 𝑟
∙ 100
Kde:
Δl zdánlivá šířka vytištěné linie z obdržené mapy [mm]
lr reálná šířka linie (změřte pod mikroskopem v programu MEO laser)
50
Obr. 6 Odvození zdánlivé šířky čáry z grafu
Postup pro výpočet relativního rozšíření ablatované wrel čáry viz návod pro „Zobrazování
pomocí
LA-ICP-MS“ na základě grafu (obr. 6).
Do protokolu uvedeme:
 Obrázky distribuce mědi v písmenu A analyzovaný pomocí LA-ICP-MS a LIBS
 Výpočty relativního rozšíření vytištěné linie a limitů detekce
 Na základě těchto parametrů porovnejte tyto dvě metody z hlediska citlivosti a
laterárního rozlišení
 Následně dle vypočítaných LOD vztažených na plochu porovnejte metody roztokové
analýzy (ICP-OES a ICP-MS) a zobrazovací metody (LA-ICP-MS a LIBS)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
126.5 127 127.5 128 128.5 129 129.5 130 130.5 131 131.5 132
I[A.U.]
l [mm]
ab
c d
l