Jeśli interesują was metody badania wspomnianie w czasie rozmów z Narayanem Khandekarem i Mirosławem Wachowiakiem mam dla was niespodziankę, której nie ma w książce.  Chemik, Marcin Kowalczyk w bardzo przystępny sposób wytłumaczy wam o co w tym chodzi.

XRF, EDX, Raman i FTIR – o co chodzi?

Jeśli to czytacie, znaczy to, że chcecie poznać bardziej metody identyfikacji wspomniane w rozdziale 2 przez profesora Wachowiaka. W tym celu drugi raz zaprosiłam do rozmowy Marcina Kowalczyka (opowiada w rozdziale 4 o grzybach i gazach), który w bardzo dużym skrócie i na poziomie szkoły podstawowej zapozna was z atomową magią. Osoby bojące się chemii, mogą spokojnie czytać!

Na czym polega spektroskopia molekularna?

Jest to nauka o traktowaniu substancji różnymi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego i rejestrowaniu wyników. Czyli patrzymy co się dzieje, czy substancja wchłania, emituje czy rozprasza owo promieniowanie a wyniki rejestrujemy w postaci widm.

Zanim przejdziemy do badań o tych wszystkich dziwnych nazwach porozmawiajmy o budowie i zachowaniu atomów. Opowiedz czytelnikom o modelu planetarnym atomu (niektórzy mogą znać go pod nazwą modelu Bohra).

Moja opowieść będzie bardzo uproszczona, ale wystarczająca do zrozumienia wielu rzeczy związanych z badaniem pierwiastków. W środku każdego atomu jest dodatnio naładowane duże jądro. W jądrze znajdują się dodatnio naładowane protony i cząsteczki bez ładunku zwane neutronami. Wokół tego jądra po orbitach kołowych, jak planety wokół Słońca krążą ujemnie naładowane elektrony. Jeżeli taki elektron krąży po swojej orbicie, nie emituje ani nie pochłania energii. Jednak zmieniając swoje miejsce, będzie musiał coś z energią zrobić. Jeśli będzie przeskakiwał na orbitę o wyższej energii, będzie musiał energię absorbować, natomiast jeśli znajdzie się na orbicie o niższej energii – odda jej nadmiar.

Na rysunku widać, że jeśli elektron chce być dalej od jądra musi pobrać energię z otoczenia, a jeśli bliżej jej nadmiar emituje do otoczenia. To bardzo duże uproszenie, ale wystarczające by zrozumieć, jak działają niektóre metody badawcze.
Każdy pierwiastek ma ściśle określoną liczbę protonów i równoważących ich ładunek elektronów. Ilość jego energii zależy od liczby atomowej, czyli tego co ma w jądrze. I na tym zakończymy wykład o atomach, ponieważ czytelnikom nie trzeba więcej teorii, aby porozmawiać o metodach badań, które określają na jaki pierwiastek patrzymy.

Zacznijmy od najpopularniejszej metody badania składu pierwiastkowego, czyli spektroskopii XRF. Co to jest i jak działa?

XRF, to skrót od angielskiej nazwy metody X-ray fluorescence, w której pierwiastki chemiczne traktuje się promieniami rentgena. Pamiętajcie, że oficjalna nazwa jest dłuższa i brzmi: fluorescencja rentgenowska z dyspersją energii (EDXRF), ale nazwa potoczna XRF jest bardzo często stosowana.
Aby wyjaśnić jak działa, musimy wejść do świata atomów. Wyobraźcie sobie, że jesteście uporządkowanym atomem, wasze elektrony krążą sobie po orbitach i nic nie zakłóca im spokoju.

Atomowe Zen. Do czasu…

Do czasu, aż niespodziewanie w elektron najbliżej jądra uderza cząstka zwana fotonem. Foton nie posiada ładunku, ma za to dużą energię i wchodzi w skład promieniowania rentgena. Jego energia jest tak ogromna, że wybija elektron z orbity i wyrzuca go poza atom. Atom po stracie elektronu staje się niestabilny, ale próbuje coś z tym zrobić. Elektron z powłoki znajdującej się nieco dalej od jądra zajmuje miejsce wybitego.

Tak jak opowiadałeś w pytaniu pierwszym. I wtedy taki przeskok powoduje, że elektron emituje do otoczenia energię. Ale co to ma wspólnego z XRF?

Taką zmianę energii możemy zarejestrować. Każdy pierwiastek ma określoną liczbę elektronów na powłokach zależną od tego co ma jądrze (plus jądra i minus elektronów w dużym uproszczeniu się równoważą), jeżeli powiążemy to z energią, to okaże się, że każdy z nich ma inną energię. Skoro ma inną energię, to będzie miał inne charakterystyczne tylko dla siebie widmo.
Jeżeli dany pierwiastek jest w próbce to wyemituje on charakterystyczną wartość energii (widmo) o różnym natężeniu zależnym od ilości. A to można przedstawić w postaci wykresu matematycznego. Na osi X będzie wartość energii – czyli powie nam ona, co to za pierwiastek, a na osi Y jej natężenie czyli ile jego jest. Metoda XRF jest dokładną metodą.

Przejdźmy do analizy EDX (spektroskopia rentgenowska z dyspersją energetyczną), którą można spotkać również pod nazwami EDS czy EDXS. Co ciekawe EDX jest popularna w Europie, a EDS w Stanach Zjednoczonych. Opowiedz, jak działa.

Musimy znów powrócić do naszych skaczących po orbitach elektronów. W czasie zmiany miejsca emitują energię. Jeśli elektron przeskoczy bliżej jądra, to wyeliminuje foton o ściśle określonej energii, co łatwo wykryć. Naukowcy postanowili sprawdzić, co stanie się, gdy atom potraktujemy wiązką elektronów. Bombardowanie elektronami powoduje, że macierzyste elektrony atomu się przemieszczają, a co za tym idzie, z atomu wydobywają się fotony. Czyli po prostu atom zacznie emitować promieniowanie rentgenowskie. To promieniowanie jest charakterystyczne dla danego pierwiastka. Pozostaje je zarejestrować i przenieść wyniki na wykres. I już wiemy z jakich pierwiastków składa się próbka.

Jak w takim razie działa FTIR, czyli spektroskopia fourierowska w podczerwieni (Fourier-transform infrared spectroscopy) i spektroskopia Ramana? Co tym razem atakujemy jakim sprzętem?

Jeżeli daną cząsteczkę potraktujemy jakimś promieniowaniem (energią), to może ona je wchłonąć (zabsorbować). Próbowaliśmy już traktować atomy promieniowaniem rentgena. Ale nie tylko takie promieniowanie istnieje. W zależności od długości fali i jej częstotliwości wyróżnia się np. fale radiowe, mikrofale, podczerwień i wiele innych.
Na potrzeby lepszego wytłumaczenia badania posłużmy się wymyślonymi pierwiastkami: Zielonu i Melonu. Potraktujmy je wiązką promieniowania o długości fal odpowiadającym literom ABCD. Załóżmy, że Zielon pochłania długość fali B. Potraktujemy go zatem wiązką takiego promieniowania. Detektor (którego zadaniem jest rozpoznawanie jaka wiązka wychodzi z próbki) zarejestruje ACD i pokaże to na wykresie.
Melon pochłania D, więc?

Detektor zarejestruje ABC. I znajdzie się to na wykresie. Jeśli wynik da nam ABS, to mamy do czynienia z Melonem, a jeśli ACD, to mamy Zielona?

Tak, ale pamiętajcie, że to duże uproszczenie.
Jeśli teraz nasz przykład odniesiemy do podczerwieni, to możemy powiedzieć, że niektóre cząsteczki pochłaniają pewną jej część. I to pochłanianie jest charakterystyczne dla konkretnych cząstek. Zatem na podstawie tego odcisku palca możemy zidentyfikować z jakim delikwentem mamy do czynienia. Wystarczy porównać wiązkę podczerwieni przed przepuszczeniem przez próbkę, z ta która z niej wyszła.
Dopiero teraz możemy porozmawiać o danych technikach badań.

Tak, ale pamiętajcie, że to duże uproszczenie.
Jeśli teraz nasz przykład odniesiemy do podczerwieni, to możemy powiedzieć, że niektóre cząsteczki pochłaniają pewną jej część. I to pochłanianie jest charakterystyczne dla konkretnych cząstek. Zatem na podstawie tego odcisku palca możemy zidentyfikować z jakim delikwentem mamy do czynienia. Wystarczy porównać wiązkę podczerwieni przed przepuszczeniem przez próbkę, z ta która z niej wyszła.
Dopiero teraz możemy porozmawiać o danych technikach badań.

W takim razie raz jeszcze, na czym polega FTIR i Raman? W takim dużym uproszczeniu, aby czytelnicy mieli jakieś pojęcie o tej metodzie.

To metoda w której poddaje się obróbce wiązkę wychodzącą z próbki. Dzięki temu szybciej otrzymujemy wyniki w postaci interferogramu widocznego poniżej. Taki interferogram zawiera takie same informacje co widmo, ale trzeba pamiętać, że jest wynik obrobiony matematycznie. Maszyna ma oprogramowanie, które za nas to robi. Wynik dostajemy w postaci jaki widać poniżej. Na osi Y absorpcje a na osi X długość fali. Te linie to widmo charakterystyczne dla danej substancji. Wystarczy porównać je teraz z bazą danych, gdzie są przechowywane widma wzorcowe i będziemy wiedzieć co mamy w próbce.

Natomiast wspomniany Raman to badanie fotonów, które uległy rozproszeniu gdy naświetlamy próbkę monochromatycznym światłem (światłem którego fale mają ściśle określoną częstotliwość – np. laser). Część tych cząsteczek uderzając o próbkę, nie wchodzi w nią tylko leci na boki. I jeżeli znowu wspomnę, że jest to charakterystyczne dla danych substancji i można to przedstawić na wykresie – to resztę znasz – powstaje widmo. Poniżej mamy wynik w postaci – widma.

Widmo Ramana zawiera określone „pasma” lub sygnały. Są one unikalne dla niektórych substancji. Dostarczają informacji o składzie chemicznym substancji. Na wykresie poniżej widzimy takie sygnały, wystarczy je porównać z bazą danych.

A jeśli chodzi o chromatografię, to na czym ona polega?

Chodzi rozdzielanie substancji. Wyobraźcie sobie szklankę w której zmieszano substancje A, B i C.
Musimy je rozdzielić. Bierzecie długą szklaną rurę z piaskiem i wlewacie tam ciecz. Substancja A jest najszybsza i pierwsza pojawia się u dołu rury. Patrzycie jak cieknie do naczynia podstawionego. Substancja B jest niebieska i ma średnią prędkość przechodzenia przez rurę. Wypłynie jako druga. Substancja C w ogóle nie chce przejść przez piasek i zostaje na górze. Zadanie wykonane i rozdzieliliście mieszaninę na trzy składowe substancje, teraz możesz je zbadać i opisać. Na takim właśnie rozdzielaniu mieszanin na pojedyncze związki a później ich rozpoznawanie polega chromatografia.

Czyli spektroskopia molekularna bada pojedynczy pierwiastek, a dzięki chromatografii jesteśmy w stanie badać związki?

Nie… Spektroskopia molekularna to nauka o oddziaływaniu wszelkiego rodzajów promieniowania na materie. Czyli zbiorowiska atomów i cząsteczek. Owszem można powiedzieć, że za pomocą spektroskopii można wykryć pojedyncze pierwiastki. Natomiast chromatografia służy na ogół do oznaczania związków chemicznych. Choć trzeba pamiętać, że metody oznaczania się łączy. Często to co zostało rozdzielone za pomocą chromatografii poddaje się dalszej obróbce za pomocą innych metod.

Czy są jeszcze jakieś metody wykrywania konkretnych pierwiastków, o których warto wspomnieć na zakończenie?

Tych metod jest naprawdę wiele. Tylko nie zawsze dana metoda może mieć zastosowanie w konkretnym przypadku. Są metody inwazyjne gdzie przy pobraniu próbki dochodzi do fizycznego uszkodzenia badanego przedmiotu np. wykrywanie pierwiastków za pomocą obserwacji barwy płomienia palnika gazowego. Wyobraźcie sobie, że odcinacie w muzeum kawałek obrazu i go sobie spokojnie palicie próbując wykryć pojedynczy pierwiastek. Nie do pomyślenia. Tutaj musimy użyć metody nieinwazyjnej. Tak naprawdę, jeżeli do dobrego laboratorium przyjedziecie z konkretnym zleceniem, oni dobiorą metodę, tak żeby obie strony były zadowolone. Wcześniej omówiliśmy chyba najlepsze.