Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus

Přínosy pro uživatele

• Ultravysokorychlostní sken UV-1900i Plus (Survey scan) rychle zachycuje kompletní spektrální profily.
• Survey scan přístroje UV-1900i Plus umožňuje uživatelům sledovat krátkodobé spektrální změny spojené s chemickými reakcemi.

Úvod

Spektrální analýza je nezbytná pro hodnocení chemických reakcí, které zahrnují změny barvy. Rychlé chemické reakce, jako je agregace kovových nanočástic po přidání alkalického roztoku nebo Belousovova – Žabotinského (BZ) reakce mezi kovovou solí a karboxylovou kyselinou katalyzovaná bromidovými ionty, však způsobují velmi rychlé změny barvy, které nelze zachytit běžnými metodami, a proto vyžadují vysokorychlostní spektrální měření.

Tato aplikační novinka popisuje použití ultravysokorychlostního skenu (Survey scan) nově vyvinutého UV-Vis spektrofotometru UV-1900i Plus, který má rychlost skenování přibližně 29 000 nm/min, pro sledování změn, ke kterým došlo po přidání alkalického roztoku roztoku k nanočásticím zlata, a krátkodobých změn probíhajících během BZ reakce.

Přehled přístroje

Pro zajištění plynulejšího provozu systému je nový UV-1900i Plus (obr. 1) vybaven novým CPU, které zdvojnásobuje odezvu ovládacího panelu ve srovnání s předchozím modelem. Mezi další nové uživatelsky přívětivé samostatné funkce patří validační funkce při spuštění (obr. 2), která provádí validaci při zapnutí přístroje, asistenční funkce (obr. 3), která uživatele provází procesem analýzy, funkce vypnutí (obr. 4), která automaticky přepne systém do režimu spánku v přednastaveném čase, a funkce probuzení (obr. 5), která automaticky probudí systém z režimu spánku ve stanoveném čase.

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 1. UV-1900i Plus.Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 2. Validační funkce při spuštění.Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 3. Asistenční funkce. *Tato funkce se používá pro korekci základní linie, automatickou korekci nuly a korekci slepého vzorku v kyvetě.Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 4. Funkce vypnutí.Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 5. Funkce probuzení.

Analýza nanočástic zlata

Komerčně dodávané nanočástice zlata s nominální velikostí částic 15, 30, 60 a 100 nm byly analyzovány za podmínek uvedených v tabulce 1 a výsledná absorpční spektra jsou znázorněna na obr. 6. V režimu Survey scan a za podmínek uvedených v tabulce 1 bylo kompletní absorpční spektrum celého rozsahu vlnových délek zaznamenáno přibližně za 6 sekund. Pro srovnání, v režimu vysokorychlostního skenování to trvá přibližně 30 sekund, v normálním režimu 90 sekund a v nízkorychlostním režimu 300 sekund.

Tabulka 1: Podmínky měření

• Přístroj: UV-1900i Plus
• Rozsah vlnových délek: 350 až 800 nm
• Datový interval: 1,0 nm
• Rychlost skenování: Ultravysoká (Survey)
• Šířka štěrbiny: 1,0 nm

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 6. Absorpční spektra nanočástic zlata různých velikostí.

Režim Survey scan rychle zachycuje dostatečně přesná absorpční spektra vzorků s absorbancí v rozmezí 0,2 až 1 Abs. Obr. 6 ukazuje, jak se absorpční maximum posouvá k delším vlnovým délkám s rostoucí velikostí nanočástic zlata, což je jev způsobený povrchovou plazmonovou rezonancí.

Spektrální vyhodnocení agregace nanočástic zlata

Do křemenné kyvety byly přidány 3 mL roztoku nanočástic zlata o velikosti 30 nm a vzorek byl udržován při teplotě 22 °C pomocí termoelektricky temperovaného držáku kyvet (TCC-100). Byl připraven alkalický roztok obsahující 500 μL vodného roztoku NaCl, který byl přidán za současného míchání roztoku nanočástic zlata magnetickým míchadlem. Funkce opakovaného měření byla použita ke sledování změn absorpčního spektra v intervalech 10 sekund před a po přidání roztoku za podmínek uvedených v tabulce 2.

Tabulka 2: Podmínky měření

• Přístroj: UV-1900i Plus, TCC-100 (s míchadlem)
• Rozsah vlnových délek: 350 až 1 100 nm
• Datový interval: 1,0 nm
• Rychlost skenování: Survey
• Šířka štěrbiny: 1,0 nm

Výsledná absorpční spektra jsou překryta na obr. 7. Spektra ukazují, že přidání roztoku NaCl k roztoku nanočástic zlata vedlo ke snížení intenzity maxima přibližně při 520 nm a současně ke vzniku nového maxima kolem 700 nm, které se postupně posouvalo až k 800 nm a po dobu přibližně 5 minut rostlo na intenzitě, než začalo klesat.

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 7. Absorpční spektra nanočástic zlata (30 nm) po přidání roztoku NaCl.

Obr. 8 je xy chromatický diagram vytvořený na základě spekter z obr. 7. Obrázky v pravém horním rohu obr. 8 znázorňují barvu vzorku před a po přidání roztoku NaCl. Roztok měl načervenalou barvu, avšak po přidání roztoku NaCl se během 10 minut změnil na achromatickou šedou. Diagram poskytuje kvantitativní vizuální znázornění parametrů souvisejících s barvou (odstín a sytost).

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 8. Barevné hodnoty nanočástic zlata (30 nm) po přidání roztoku NaCl (xy chromatický diagram).

Spektrální vyhodnocení BZ reakce

700 μL roztoku bromičnanu sodného, roztoku bromidu sodného, kyseliny malonové a kyseliny sírové bylo smícháno v křemenné kyvetě (1), vzorek byl udržován při teplotě 24 °C pomocí termoelektricky temperovaného držáku kyvet (TCC-100) a reakce probíhala za současného míchání míchadlem.
Poté, co se reakční roztok změnil ze žluté na čirý, bylo do směsi přidáno 700 μL roztoku ferroinu a funkce opakovaného měření byla použita k záznamu absorpčního spektra každých 10 sekund za podmínek uvedených v tabulce 3.

Tabulka 3: Podmínky měření

• Přístroj: UV-1900i Plus, TCC-100 (s míchadlem)
• Rozsah vlnových délek: 350 až 800 nm
• Datový interval: 1,0 nm
• Rychlost skenování: Survey
• Šířka štěrbiny: 1,0 nm

Výsledná absorpční spektra jsou překryta na obr. 9. Spektra vykazovala maximum přibližně při 510 nm. Toto maximum zmizelo 3 minuty a 10 sekund po přidání roztoku ferroinu. O 10 sekund později se znovu objevilo, po 40 sekundách opět zmizelo a následně se po dalších 10 sekundách znovu objevilo. Tento jev byl způsoben cyklickou oxidačně-redukční reakcí, při níž bromičnanové ionty působily jako oxidační činidlo a bromidové ionty jako redukční činidlo ve vztahu k ferroinu.

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 9. Absorpční spektra BZ reakce.Obr. 10 je xy chromatický diagram vytvořený na základě spekter na obr. 9. Ukazuje, jak cyklické mizení a opětovné objevování maxima při 510 nm rovněž způsobovalo cyklické změny barvy reakčního roztoku.

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 10. Barevné hodnoty BZ reakce (xy chromatický diagram).Intenzita absorpčního maxima přibližně při 510 nm byla rovněž měřena v čase. Výsledky jsou uvedeny na obr. 11.

Shimadzu: Vysokorychlostní spektrální analýza vzorků měnících se v čase — pomocí ultravysokorychlostního skenu UV-1900i Plus: Obrázek 11. Absorbance maxima při 510 nm měřená v čase.Obr. 11 rovněž znázorňuje cyklické mizení a opětovné objevování absorpčního maxima.

Závěr

Ultravysokorychlostní sken (Survey scan) UV-Vis spektrofotometru UV-1900i Plus byl použit ke sledování agregace nanočástic zlata po přidání alkalického roztoku a rychlých barevných změn reakčního roztoku během BZ reakce. Experiment prokázal, že je možné velmi rychle zaznamenávat absorpční spektra, což uživatelům umožňuje přesně monitorovat výše popsané změny.

Související aplikační novinky:

• Vyhodnocení chromotropie pomocí spektrofotometru: Solvatochromismus a termochromismus