Clasificarea metodelor de analiză şi caracterizare a materialelor -Tehnici de analiză şi control a biomaterialelor-
Studente: Danu Valentina Dragomir Georgiana-Lavinia Mardale Andreea Grupa: 1021 B
Clasificarea metodelor de analiza si caracterizare a materialelor
De fiecare data cand un material este creat, dezvoltat sau produs, proprietatile acestuia reprezinta o preocupare centrala. Experienta arata faptul ca proprietatile si performanta asociate unui material sunt legate de compozitia si structura sa la toate nivelurile, incluzand pe cele la care atomii sunt prezenti și pe cele care ne arata dispunerea în material, și că această structură este rezultatul sintezei, prelucrarii și fabricarii. Materialul final trebuie să îndeplinească anumite cerinte și trebuie să facă acest lucru într-un mod economic și social acceptabil. Aceste elemente principale: • compoziția și structura, • proprietăți, • performanță și interdependențele dintre ele definesc principalele categorii de metode de caracterizare ale materialelor care urmează să fie aplicate acestor elemente. In contextul sau general, termenul „ masurarea materialelor” denota principii, tehnici si operatii care disting calitativ si cantitativ caracteristicile materialelor. Materiale pot fi de origine naturală sau sintetică, prelucrate și fabricate. In functie de natura lor chimica, acestea sunt grupate in linii mari, in mod traditional in materiale organice si anorganice. Structura lor fizică poate fi cristalină sau amorfă. Materialele compozite sunt combinatii de materiale asamblate impreuna pentru a obtine proprietati superioare celor formate dintr-un singur element. În funcție de proprietățile lor, materialele pot fi în linii mari clasificate în următoarele grupe: -Materiale structurale: materiale de inginerie cu proprietati specifice mecanice sau termice -Materiale functionale: materiale de inginerie cu proprietati electrice, magnetice sau optice specifice -Materiale inteligente: materiale de inginerie cu senzori intrinseci sau incorporati care sunt capabili sa reactioneze, ca raspuns la incarcare externa cu scopul de a optimiza comportamentul materialelor conform cerintelor pentru materialele de performanta. Pentru aplicatiile materialelor, calitatea, siguranța și fiabilitatea în calitate de componente ale produselor și componentelor și sistemelor de inginerie sunt de o importanță deosebită. Aceasta adaugă atribute de performanță la caracteristicile care urmează să fie stabilite de măsurarea și testarea materialelor. Toate materialele (însoțite de fluxul necesar de energie și informații) se deplasează în cicluri prin sistemul tehnico-economic: de la materii prime la materiale de inginerie și produse tehnice, și în cele din urmă, după terminarea sarcinii și performanței lor, la depunere sau reciclare. Din ciclul de materiale, care se aplică la toate ramurile de tehnologie, este evident că materialele și proprietățile lor care urmează a fi determinate prin măsurare și testare - sunt de o importanță crucială pentru realizarea de produse tehnice.
Metodele de caracterizare a materialelor cuprind analiza, masurarea, testarea , modelarea si simularea. Aceste metode sunt enumerate in paragrafele urmatoare: 1.metodele de analiză a compozitiei si structurii de materiale cu privire la compozitia chimică, arhitectură nanoscopica si microstructura suprafetelor si interfetelor Masuratori ale compozițiilor chimice ale materialelor și nivelurile de anumite substanțe din ele sunt vitale în momentul evaluării și îmbunătățirii sănătății publice, a siguranței și a mediului, sunt necesare pentru a asigura echitate comerțului, și sunt necesare atunci când monitorizează și îmbunătățirea produselor și serviciilor industriale. Măsurătorile chimice joacă un rol crucial în cele mai multe zone ale economiei, inclusiv asistența medicală, hrană și nutriție, agricultura, tehnologii de mediu, produse chimice și materiale, instrumente, electronice, criminalistica, energie și transport. 2.metodele de măsurare a proprietătilor mecanice, termice, electrice, magnetice si optice Metodele elaborate în acest capitol sunt importante în multe domenii ale științei și tehnologiei materialelor, deoarece diferite proprietăți fizice ale materialelor (mecanice, termice, electronice, optice, magnetice, dielectrice, biologice) depind de arhitectura lor geometrica, pe scări, de la atomică sau nanoscopica la semimicroscopica. Unele dintre proprietăți sunt guvernate doar de către un grup atomic elementar în ierarhia structurală în timp ce altele sunt cauzate de funcționarea de cooperare a mai multor faze sau structuri microscopice în diferite dimensiuni. 3.metodele de testare a performantelor unui material prin stabilirea unor mecanisme care sunt în detrimentul integritatii materialelor , cum ar fi coroziunea, uzura, biodegradarea Caracteristicile suprafetei materialelor sunt, de asemenea, de mare importanță. Ele sunt responsabile pentru aspectul materialelor și fenomenelor de suprafață, și acestea au o influență crucială asupra interacțiunilor materialelor cu gaze sau lichide, solide și interacțiunile materialelor cu mediul. 4.metode de modelare si simulare prin abordări matematice si computationale In urmatoarele paragrafe vom prezenta clasificarea materialelor in functie de criteriile evidentiate mai sus: 1.Mass Spectrometry- Spectrometria de masa 1.1 Tehnologia ICP-MS - Inductively coupled plasma mass spectrometry (Spectrometria de masa cu plasma cuplata inductiv) ICP-MS este un tip de spectrometrie de masa, extrem de sensibila prin care se poate masura o gama larga de metale si unele nemetale, la concentratii foarte mici, la nivel de 1-10 parti per trilion (ppt).Metoda ICP-MS se bazeaza pe combinarea plasmei cuplate inductiv, ca metoda de ionizare, cu spectrometria de masa, ca metoda de separare si detectie a ionilor. Metoda ICP-MS este o metoda puternica si versatila pentru analiza speciilor elementare, inclusiv a speciilor izotopice.
Domenii de aplicatie -Toxicologia medicala si legala -Patologie: disfunctii metabolice, hepatice si renale, direct sau indirect asociatedezechilibrului ionilor metalici -Mediu: contaminarea cu metale a solului, apei, florei si faunei, ca si impactul poluarii asupra organismului uman 1.2 Glow discharge mass spectrometry -GDMS-(Spectrometria de masa cu descarcare luminiscenta) O descărcare luminiscentă este o plasmă formată prin trecerea curentului electric printr-un gaz de joasă presiune. Acesta este creat prin aplicarea unei tensiuni între doi electrozi metalici într-un tub de sticlă care contine gaz. Atunci când tensiunea depăseste o anumită valoare numită tensiune de cadere, gazul din tub ionizează, devenind o plasmă, si începe conducerea de energie electrică, făcându-l să strălucească cu o lumină colorată. Culoarea depinde de gazul utilizat. Descărcarea luminiscentă este utilizata pe scară largă ca o sursă de lumină în dispozitive precum lumini de neon, lampi fluorescente si televizoare cu plasmă. Analizând lumina produsa de spectroscopie poate dezvalui multe despre interactiunile atomice din gaz, deci descarcarea luminiscenta este utilizata în fizica plasmei si chimie analitică. Aceasta este, de asemenea, utilizat în tehnica de tratare a suprafetelor numita pulverizare.
2.Molecular Spectrometry 2.1 Traceability in UV/Visible Molecular Absorption Spectrometry (Spectrometria de absorbtie moleculară în ultraviolet si in regiunea spectrală vizibilă) Spectrometria de absorbtie moleculară în ultraviolet si in regiunea spectrală vizibilă, de multe ori cunoscută sub numele "UV / VIS," este unul dintre cele mai vechi si cele mai dezvoltate metode instrumentale de analiză chimică. Spectrele de absorbţie moleculară în domeniul vizibil şi UV se datoreaza tranziţiei unor electroni din orbitali moleculari de legătură sau nelegătură aflaţi în stare fundamentală, în orbitali moleculari de antilegătură care corespund unor stări excitate. Energiile electronilor din stările moleculare fundamentale şi stările excitate sunt determinate de structura moleculei.Aceasta tehnica este complementara spectroscopiei de fluorescenta, in care fluorescenta se ocupa cu tranzitiile de la starea excitata la starea fundamentala in timp ce UV-VIS masoara tranzitiile de la starea fundamentala la starea excitata. Spectroscopia UV-VIS este utilizata in mod curent in chimia analitica pentru determinarile cantitative a diferitelor substanțe de analizat, cum ar fi ionii metalelor de tranziție, compușii organici extrem de conjugați, și macromoleculele biologice.
2.2 Fluorescence/Phosphorescence Spectroscopy –FS-(Spectroscopia cu fluorescenta /fosforescenta ) Spectroscopia cu fluorescenta/fosforescenta utilizeaza fotoni de energie mai mari pentru a excita un eşantion, care apoi va emite fotoni de energie inferioara. Aceasta presupune deci utilizarea unui fascicul de lumină, de obicei, lumina ultravioletă, care excita electronii din molecule de anumiți compuși și le face să emită lumină; în mod tipic, dar nu în mod necesar, lumina vizibilă. O tehnică complementară este spectroscopia de absorbție.Tehnica FS a devenit populara pentru aplicatiile sale biochimice şi medicale şi poate fi utilizata pentru microscopie confocala, fluorescentă, rezonanţa energiei de transfer .
2.3 Raman Spectroscopy ( Spectroscopia Raman) Efectul Raman apare atunci când un esantion este iradiat cu lumină monocromatică intensă, de obicei, de la un laser. Spectroscopia Raman este o tehnica spectroscopica folosita pentru a observa vibratiile, rotatiile si alte moduri de frecventa joasa din sistem. Ea se bazează pe împrăștierea inelastică, sau imprastierea Raman, de lumină monocromatică, de obicei, de la un laser în vizibil, apropiat de o gama in infraroșu sau ultraviolet. Lumina laserului interacționează cu vibrații moleculare, fotoni sau alte excitații din sistem, rezultând mutarea in jos si in sus a energiei fotonilor din laser. Schimbarea de energie oferă informații despre modurile de vibrație din sistem. Spectroscopia Raman este frecvent utilizata în chimie, deoarece informațiile vibrationale sunt specifice pentru legăturile chimice și simetria moleculelor. Prin urmare, aceasta oferă o amprentă prin care molecula poate fi simplu identificata. In prezent, aceasta spectroscopie este utilizata în medicină pentru monitorizarea în timp real a amestecurilor anestezice și amestecurilor de gaze respiratorii in timpul interventiei chirurgicale.
2.4 Infrared Spectroscopy (Spectroscopia cu infrarosu) Spectroscopia cu infrarosu este spectroscopia care se ocupa cu regiunea spectrului ce se întinde de la aproximativ 750 nm până la 300 µm(lumina cu o lungime de undă mai mare și frecvență mai redusă decât lumina vizibilă). Aceasta acoperă o gamă largă de tehnici, cea mai mare parte bazate pe spectroscopia de absorbtie. Ca în cazul tuturor tehnicilor spectroscopice, aceasta poate fi utilizata pentru a identifica si studia chimicalele. Pentru o probă dată care poate fi solid, lichid, sau gazos, metoda sau tehnica de spectroscopie în infraroșu folosește un instrument numit un spectrometru în infraroșu (sau spectrofotometru) pentru a produce un spectru în infraroșu.
2.5 Nuclear magnetic resonance spectroscopy -NMR-(Spectroscopia de rezonanta magnetica nucleara ) Spectroscopia de rezonantă magnetică nucleară (RMN) este o tehnică de cercetare care exploateaza proprietătile magnetice ale unor nuclee atomice. Se determină proprietătile fizice si chimice ale atomilor sau moleculelor în care sunt continute. Ea se bazează pe fenomenul de rezonantă magnetică nucleară si poate oferi informatii detaliate cu privire la structura, dinamica, starea de reactie si mediul chimic al moleculelor. Câmpul magnetic intramolecular din jurul unui atom dintr-o moleculă modifică frecventa de rezonantă, oferind astfel acces la detalii ale structurii electronice a unei molecule. Spectroscopia RMN are aplicatii in sisteme biomoleculare si joaca un rol important in biologia structurala. Impreuna cu cristalografia cu raze X, spectroscopia RMN ste una dintre cele două tehnologii de varf pentru determinarea structurii biomacromoleculara la rezolutie atomica.
3.Atomic Spectrometry 3.1 Atomic Absorption Spectrometry -AAS-(Spectrometria de absorbie atomica) Spectroscopia de absorbtie atomică (AAS) este o procedură spectroanalitică pentru determinarea cantitativă a elementelor chimice care folosesc absorbtia radiatiei optice (lumină) de atomi liberi în stare gazoasă. În chimia analitică tehnica este utilizată pentru determinarea concentratiei unui anumit element într-o probă de analizat. AAS poate fi folosita pentru a determina peste 70 de elemente diferite în solutie sau direct din probe solide utilizate în farmacologie, biofizică si cercetare toxicologica.
3.2 Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy -ICP-AES-(Spectroscopia de emisie a atomilor cu plasma cuplata inductiv) Plasma cuplata inductiv-Spectroscopia de emisie a atomilor numita si plasmă cuplată inductiv ca spectrometrie de emisie optică (ICP-OES), este o tehnică de analiză utilizată pentru detectarea urmelor de metale. Acesta este un tip de spectroscopie de emisie care utilizează plasma cuplată inductiv pentru a produce atomilor si ionilor excitatii care emit radiatii electromagnetice la lungimi de undă caracteristice unui anumit element.
3.3 Spark Optical Emission Spectrometry -Spark OES –(Spectrometria de emisie optica luminoasa) Spectrometria de emisie optică implică aplicarea de energie electrică sub formă de scânteie generată între un electrod si un esantion de metal, prin care atomii vaporizati sunt adusi la o stare de energie ridicată într-un punct asa-numit " descărcare de plasma".
3.4 Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy -GD-OES-(Spectrometrie de emisie optica cu descarcare luminiscenta) Spectrometria de emisie optica cu descarcare luminiscenta este rapida, o procedura analitica usor de utilizat care poate produce informatii detaliate cu privire la cele doua straturi (conductor si neconductor) fiind mai rapida decat metodele chimice umede si la un cost mai mic decat alte analiza de suprafata.
3.5 X-Ray Fluorescence -XRF-(Fluorescenta de Raze X) Fluorescenta de raze X (XRF) este emisia de raze X "secundare" (sau fluorescente) caracteristice dintr-un material care a fost excitat de bombardarea cu raze X de înaltă energie sau raze gamma. Fenomenul este utilizat pe scară largă pentru analiza elementară si analize chimice, în special în cadrul investigatiei de metale, sticlă, ceramică si materiale de constructii si pentru cercetare în geochimie, criminalistică si arheologie.
4.Surface Chemical Analysis Principalele metode de analiză chimică de suprafată sunt spectroscopia de electroni Auger (AES), Razele X ,spectroscopia fotoelectronica (XPS) si spectrometria de masă cu ioni secundari (SIMS).Aceste trei metode ofera analize ale straturilor atomice ultraperiferice la o suprafată solidă, dar fiecare are atribute distincte care conduc la o pozitie dominantă în diferite sectoare de analiză. 4.1 Auger Electron Spectroscopy –AES- (Spectroscopia cu electroni Auger) Spectroscopia electronica Auger este o metoda analitica utilizata in special in studiul suprafetelor si in stiinta materialelor.La baza tehnicii spectroscopice este efectul Auger, asa cum a ajuns să fie numit, care se bazează pe analiza electronilor energetici emisi de un atom excitat după o serie de evenimente de relaxare interne.Până la începutul anilor 1950 tranzitiile Auger au fost considerate efecte de poluare de catre spectroscopisti, care nu contin prea multe informatii relevante, dar s-au studiat pentru a explica anomalii în datele de spectroscopie de raze x. Din 1953, AES a devenit o tehnică practică si simplă si de caracterizare pentru sondarea mediilor chimice si compozitionale si si-a găsit aplicatii în metalurgie si toată industria microelectronica.
4.2 X-Ray Photoelectron Spectroscopy-XPS- (Spectroscopia de fotoelectroni cu raze x) XPS foloseste raze X caracteristice pentru a excita electronii ai caror energii sunt analizate de acelasi spectrometru care este utilizat pentru analiza inaltei energii pentru AES.Spectroscopia de fotoelectroni cu raze X (XPS) este o tehnica spectroscopica cantitativ
sensibila la suprafată, care măsoară compozitia elementară în părti la mie, formula empirică, starea chimică si starea electronica a elementelor care există în cadrul unui material.
4.3 Secondary Ion Mass Spectrometry-SIMS-(Spectroscopia de masă a ionilor secundari) În spectrometria de masă cu ioni secundari, atomii si moleculele din straturile de suprafata sunt analizate prin îndepărtarea lor folosind pulverizarea si analiza masei ulterioară într-un spectrometru de masă . Rapoartele masă / sarcină ale acestor ioni secundari sunt măsurate cu un spectrometru de masă pentru a determina compozitia elementară, izotopică sau moleculară a suprafetei la o adâncime de 1 până la 2 nm.
5.Surface Topography Analysis 5.1 Scanning electron microscope-SEM-(Microscopia electronica de baleiaj) Un microscop electronic de baleiaj (SEM) este un tip de microscop electronic care produce imagini ale unui eșantion prin scanarea cu un fascicul focalizat de electroni. Electronii interacționează cu atomii din eșantion, producand diverse semnale care pot fi detectate și care conțin informații despre topografia de suprafață a eșantionului și compoziție.
6. Optical Techniques 6.1 Confocal Microscopy (Microscopia confocala) Microscopia confocală este o tehnică optică bazată pe principiul de detectare a focalizarii. Microscopia confocală este o tehnică optică bazată pe principiul de detectare a focalizareii. Se aplică în mod obișnuit în domeniul științelor biologice, în cazul în care probele biologice relativ groase, cum ar fi celulele din tesut, sunt investigate cu ajutorul fluorescenței. Dar este de asemenea potrivita pentru evaluarea topografiei 3-D, atunci când lumina reflectată este detectată și nu fluorescența emisă.
7.Scanning Probe Microscopy 7.1 Atomic force microscopy-AFM-(Microscopia de forță atomică) Microscopia de forță atomică (AFM) a fost dezvoltata atunci când oamenii au încercat să extindă tehnica STM pentru a investiga materialele non-conductoare, cum ar fi proteinele Microscopul de forta atomica (AFM) este un tip de microscop cu sondă de scanare (SPM). SPMS sunt concepute pentru a masura proprietatile locale, cum ar fi înălțimea, frecarea, magnetismul, cu o sondă. Pentru a dobândi o imagine, SPM scanează sonda pe o suprafață mică a eșantionului, măsurand proprietateile locale simultan.
8.Metode analitice nucleare 8.1 Analiza activării neutronilor (NAA) Analiza activării neutronilor reprezinta o metodă izotop-specifică , multielementală și analitică ce determină conținutul elemental total a aproximativ 40 de elemente din majoritatea materialelor. Metoda se bazează pe iradierea unei probe într-un camp de neutron cu ajutorul radiaților gamma și măsurarea radioactivității emise de către rezultatele produse. Deși aproximativ 75 elemente îndeplinesc acest criteriu, de la elementul 30 până la 45 pot fi cuantificate și analizate instrumental în majoritatea probelor. 8.2 Analiza promptă activării Gamma ( PGAA) Energia de legătură eliberată atunci când un neutron este capturat de un nucleu atomic este în general emisă în forma instantanee a razelor gamma. Măsurarea energiilor caracteristice acestor raze gamma permit identificarea calitativă a elementelor din eșantion, iar analiza cantitativă este realizată prin măsurarea intensității lor. Sursa de neutroni poate fi un reactor de cercetare, un accelerator bazat pe un generator de neutroni sau o sursă izotopică. Analizele cele mai sensibile și precise ale unei probe se fac cu ajutorul fasciculelor de neutroni de înaltă rezoluție, iar spectrul de raze gamma este măsurat în timpul iradierii care poate avea o durată de timp variabilă. 8.3 Descriera amănunțită a unui neutron (NDP) Descrierea amănunțită a unui neutron este o metodă a suprafeței de analiză pentru izotopii care sunt supuși unei valor pozitive induse Q (exotermic). NDP combină fizica nucleară cu fizica atomică pentru a furniza informații despre concentrații de suprafață ale anumitor elemente (Li, B, N) etc. Particula încărcată are protoni sau particule alpha și un nucleu asociat. Energiile particulelor sunt determinate de conservarea masei de energie și sunt predeterminate pentru fiecare reacție (pentru neuronii termici energia adusă de neutroni este neglijabilă). 8.4 Analiza emisiei de fotoni (PAA) Analiza emisiei de fotoni reprezintă o metodă unde fotonii sunt folosiți pentru activarea particulelor. Reacțiile nucleare depind de numărul atomic și de energia fotonilor folosiți pentru radiații. Metoda PAA este asemănătoare metodei NAA în care fotonii pot străbate complet probele, iar procedurile și calculele sunt asemănătoare cu cele folosite în metoda NAA. 8.5 Tehnica particulei încărcate (CPAA) CPAA poate fi privită ca un complement pentru NAA deoarece elementele măsurate sunt diferite față de cele determinate cu ajutorul metodei de analiză a activării neutronilor. Tipul reacției nucleare indusă de nucleii din eșantion depinde de identitatea și energia particulei încărcate. Protonii sunt cei mai des selectați în majoritatea cazurilor deoarece ei își pot schimba ușor viteza.
8.6 Activation Analysis with Accelerator-Produced Neutron Această metodă analitică nucleară este bazată pe mici acceleratori cu un voltaj scăzut (≈105 kV to 200 kV) ce produc neutroni 2H(d,n)3He și 3H(d,n)4He. Procedurile NAA urmăresc aceleși principiu ca și la cele cu neutronii termici. Cea mai mare energie a neutronilor poate fi folosită pentru a interacționa direct cu nuclizii țintă în activarea rapidă a analizei neutronilor (FNAA) sau sunt moderați de energiile termice înainte de a interacționa cu proba. 9. Metodele Cromatografice 9.1 Cromatografia în stare gazoasă (GC) Cromatografia în stare gazoasă poate fi folosită pentru a separa compuși organici volatili. Un cromatograf gaz constă dintr-o fază mobilă care curge (de obicei He sau H), un injector și un detector. În cromatografie de gaze capilare, faza staționară este acoperită pe pereții interiori ai unei stive de obicei compusă din siliciu topit, iar analiții sunt repartizați între faza mobilă (gazul inert) și faza staționară. Metoda se folosește pentru separarea amestecurilor complexe sau a componentelor ce sunt strâns înrudite chimic și fizic. 9.2 Cromatografia lichidă (LC) Cromatografia lichidă (LC) este o metodă care este folosită pentru separarea compușilor organici și anorganici din soluție. Tehnica este aplicabilă în general compușilor ionici,aromatici, alifatici sau cu câteva restricții. Procesul este format de obicei dintr-o pompă, un dispozitiv de probă, o stivă cromatografică și un detector. Flexibilitatea tehnicii rezultă din disponibilitatea stivei cromatografice să se potrivească cu problemele specifice de separare și a răspunsurilor sensibile ale detectorului. Scopul metodei este separarea compușilor din interferențe pentru a obține un răspuns instrumental proporțional cu nivelul analit. 9.3 Electroforeză capilară (CE) Electroforeza capilară se referă la o varietate de tehnici ce sunt bazate pe deplasarea către catod a particulelor dintr-o soluție coloidală sub acțiunea curentului electric. Când un voltaj este aplicat unui sistem, specia încărcată pozitiv se mișcă către electrodul încărcat negativ (catodul) în timp ce specia încărcată pozitiv migrează către electrodul încărcat pozitiv (anodul). CE este aplicabilă unei game largi de analize farmaceutice, bioanalitice și de mediu. Diferite moduri de CE sunt folosite în funcție de tipul de analit și de mecanismul de separare.
9.4 Cromatografia lichidă/ Spectrometria de masă (LC/MS) Combinația dintre cromatografia lichidă și spectrometria de masă este o unealtă puternică pentru determinarea speciei organice sau organometalice într-o matrice complexă. În timp ce LC este câteodata combinată cu ICP-MS (plasmă cuplată inductiv-spectrometru de masă)
pentru analiza elementară, această secție se va concentra pe combinarea LC cu MS folosind fie ionizarea electrospray (ESI) , fie ionizarea chimică a presiunii atmosferice (APCI) pentru determinarea speciilor organice. De obicei, în faza inversă a LC se folosesc solvenți volatili și aditivi ce reprezint combinația dintre un spectrometru de masă și o sursă APCI. ESI reprezintă abordarea preferată pentru speciile ionice și polare, în timp ce APCI este preferat de speciile mai puțin polare. Dacă spectrometrul de masă are capacitatea de a efectua spectrometrie (MS/MS) folosind disocieri de coliziune indusă, analiza ionilor va adăuga o specificacitate suplimentară procesului
10.Microanalytical Chemical Characterization 10.1 Microscopia analitica a electronului (AEM) Cand un microscop transmisie-electron (TEM) este echipat cu un spectrometru pentru analizele chimice,se face referire la TEM. Cele mai comune 2 tehnici de analiza chimica folosite sunt: Spectroscopia Energiei dispersive a razelor X (XEDS), Spectroscopia de pierdere a energiei electronilor (EELS). O sursa de electron cu emisie este folosita pentru a genera o raza monocromatica de electroni. Apoi electronii sunt accelerati cu o energie stabilita manual, intre 100-400 keV, si focusata pe proba folosind o serie de lentile magnetice care au un rol important pentru lentila de condensare intr-un microscop compact mediu. Dupa ce interactioneaza cu proba, electronii transmisi formeaza o imagine reala folosind o lentila cu obiectiv magnetic. Aceasta imagine este marita in continuare de o serie de lentile intermediare magnetice si proiectoare, si sunt inregistrate folosind o camera cu dispozitiv incarcat cuplat (CCD). In multe feluri, EELS si XEDS sunt tehnici complementare. XEDS incep sa intampine dificultati cu elementele mai usoare precum sodiul si este dificil sau imposibil sa fie folosit pentru elemente mai jos de carbon. De asemenea, EELS sunt eficiente in detectarea elementelor usoare. Pentru EELS, probele trebuie sa fie foare subtiri in comparatie cu XEDS. Pentru XEDS, in majoritatea cazurilor, proba trebuie sa fie aproximativ mai subtiri de 500nm. Pentru EELS, proba trebuie sa fie mult mai subtire, cateva zeci de nanometri grosime. 10.2 Microanaliza probei X-ray a electronului Microanalizatorul de probe X-ray pentru electroni (EPMA) este un instrument analitic bazat pe microscopul pentru scanare de electroni (SEM),ce foloseste o raza de electron, bine precizata/focusata pe proba pentru emiterea razelor X caracteristice. EPMA/SEM sunt capabile sa analizeze cantitativ constituenti elementari, cu exceptia H, He, si Li, la concentratii mici la nivelul masei de 10-5. SEM permite aplicarea tehnicilor unor cazuri speciale precum: suprafete dure, particule, fasii subtiri de substrat. De asemenea, SEM ofera o gama larga de imagini morfologice si cristalografice structurale care permit caracterizarea topografiei, straturilor de suprafata, campuri magnetice si electrice asupra micrometrului pana la scara nanometrica. Doua tipuri diferite de raze X din cadrul spectrometrului sunt folosite mai des, spectrometrul de dispersie a energiei (EDS) si spectometrul de difractie cristalina (WDS).
10.3 Scanarea microscopiei electronice Auger Scanarea microscopiei electronice Auger este o raza de electron analitica bazata pe microscopul ce scaneaza electronii. O raza de electroni primara care interactioneaza cu o proba, inlatura un electron central, creand o lipsa de nivel central. In timp ce un electron cu o energie mai mare isi schimba locul pentru a umple lipsa centrala. O energie sub forma de electron Auger apare, cu energia corespunzatoare diferentei dintre cele doua nivele. Acest proces este specific spectroscopiei electronice Auger (AES). Exista doua tipuri de spectrometre, analizatorul oglinzii cilindrice (CMA) si analizatorul hemisferei (HSA). CMA are un randament mai mare datorita unghiului solid favorabil. HSA are cea mai mare rezolutie energetica.
10.4 Microscopul cu electroni cu scanare de mediu Microscopul cu electroni cu scanare de mediu (ESEM) este o modificare unica a microscopului electronic de scanare (SEM). Capabilitatea de a oferi analize morfologice si compozitionale a probelor hidratate i-au permis ESM sa beneficieze de un numar de campuri experimentale, din cadrul stiintei materialelor si pana la biologie. EDS in ESEM este considerata o metoda calitativa a analizei compozitionale.
10.5 Microanaliza infra-rosu si Raman Analizele probelor de acest tip sunt folosite in determinarea corelatiilor dintre proprietatile performantelor microscopice ( ca si stabilitatea mecanica sau chimica, dar si biocompatibilitatea) si microstructura materialelor. Se foloseste pentru design-ul materialelor avand o calitate superioara. Un microscop Raman contine o sursa de excitare laser, un microscop usor care opereaza intrun modul de reflectie si un spectrometru. Un sistem microscopic IR opereaza in ambele moduri: reflectie si transmisie. Microanalizele Raman si IR au tehnici ce se completeaza, aplicabile in mare parte : solidelor, particulelor, chiar si acelor materiale din mediile lichide. Probele in cazul Raman nu necesita acuratete; suprafetele materialelor solide sunt examinate cu usurinta, luandu-se in calcul si transparenta materialului. Microscopiile IR si Raman sunt importante in analizarea calitativa ale probelor microscopice.
. 11. Metode chimice clasice 11.1 Gravimetria Gravimetria reprezintă determinarea unui analit ( element sau specie) prin măsurarea de masă a unui produs definit și bine caracterizat de o reacție chimică stoichiometrică. Produsul este de obicei un solid insolubil deși acesta poate fi și un gaz degajat. De obicei solidul este precipitat din soluție și separat prin filtrare. Determinările gravimetrice necesită corecții pentru orice urmă de reziduu sau de impurități rămase din proba matricei. Existând o gamă largă de erori, metoda poate fi folosită pentru determinarea corecțiilor și pentru îmbunătățirea preciziei de măsurare și pentru reproducerea generala a analizei gravimetrice fără a mai ține cont de erori deoarece acestea nu afectează valoarea finală.
11.2 Titrimetria Ideea de bază a titrimetriei este stoichiometria reacțiilor chimice ce formează baza pentru titrarea dată. Analitul reacționează cu titrantul potrivit raportului stoichiometric definit de ecuația chimică corespunzătoare. Punctul de echivalență corespunde punctului în care raportul de titrant adăugat la analitul prezent inițial (fiecare exprimat cu o cantitate de substanță) este egal cu raportul stoichiometric de titrant al analitului definit prin ecuația chimică. Obiectivul (determinarea practică al punctului de echivalență) este obținut cu ajutorul indicatorilor vizuali. Aceștia reacționează cu titrantul adăugat la punctul final obținându-se un produs de culoare diferită. Alte tehnici folosite sunt: amperometria,nefelometria, spectrofotometria etc. 11.3 Culometria Culometria este bazată pe legile de electroliza Faraday care se referă la sarcina ce trece printr-un electrod ce acționează cu cantitea de analit. Cantitatea de substanță ce o conține analitul este calculată direct de la curentul I ce trece prin electrod. Curentul controlat culometric reprezintă o metodă ce este de o precizie extremă și de o incertitudine scăzută. Cele mai multe dintre titrările acidimetrice, oxido-reducătoare și compleximetrice utilizate în titrimetrie pot fi efectuate cu ajutorul curentului controlat culometric. Acesta are avantajul că imediat dupa ce este generată titrarea va fi și utilizată. Această caracteristică evită schimbările în concentrația pe timpul dezvoltării și utilizării titrantului care poate apărea convențional în titrimetrie. Comparativ cu titrimetria ambele tehnici au un randament mai scăzut. O singură precizie în titrarea cu ajutorul curentului controlat culometric are nevoie de aproximativ 1h pentru a o finaliza folosind probele necesare și curenții specifici.
11.4 Microscopia cu transmisie de electroni (TEM) Un aspect cheie pentru TEM este modul de a pregăti probe sufficient de subțiri pentru observare. Cea mai folosită metodă este subțierea chimică cu ajutorul unui acid efectuând în prealabil o subțiere mecanică. Apariția metodei de șlefuire utilizează un fascicule de ioni de Ga pentru pulverizare cu toate că acestea au eliberat dificultatea de a prepara proba și astfel se lărgește gama de materiale ce poate fi studiată cu ajutorul TEM. Marele avantaj al TEM față de alte tehnici microscopice este capacitatea de a comuta modurile de difracții și imagini foarte ușor și astfel proprietățile cristalografice ale unei probe pot fi observate doar din imagine.
11.5 Topografia Razelor X ( XRT) Ca și în microscopia electronică de transmisie difracția razelor X poate fi folosită pentru a reprezenta cristalografic neomogenități în probele cristaline. O diferență semnificativă de la TEM ar fi lipsa de lentil pentru razele X și astfel imaginile nu pot fi ușor mărite ca în OM și TEM. Cea mai bună rezoluție este determinată de dimensiunea particulei în emulsia în film cu raze X, de obicei în jur de 2-3μm care poate fi redusă la ≈1μm. Imaginile XRT sunt obținute prin înregistrarea fasciculelor difractate de un anumit vector g, echivalent cu imaginile câmpului întunecat din TEM. Un avantaj al XRT față de TEM este că putem examina probele voluminoase într-o atmosferă gazoasă. Datorită acestui fapt XRT este cel mai potrivit pentru studii de fenomene în care starea de tensiune are o maximă importanță.
11.6 High-Angle Annular Dark-Field STEM (HAADF-STEM) În microscopie electronică de transmisie (STEM) , un fascicul de electroni concentrat la o dimensiune mică este scanat în paralel pe o suprafață de probă, iar un un detector captivează un semnal care rezultă din interacțiunea electronilor cu proba solidul. Intensitatea semnalului, care poate varia pe poziția eșantionului în funcție de structura, orientarea și compoziția cristalului este utilizat pentru a construi două hărți dimensionale ale proprietăților materialului în fiecare pixel. Rezoluția spațială a STEM este limitată în funcție de dimensiunea fascicului de sondă concentrat. Avantajul STEM este că nu are nevoie de lentile de imagini care în mod inevitabil au unele erori cromatice sau o rezoluție limitată de imagini TEM, iar grosimea eșantionului poate fi relativ medie în comparație cu probele TEM. O penalizare STEM este viteza mai mica de imagine (secunde până la minute pentru o singură imagine) datorate înregistrării de serie a semnalului. 11.7 Analiza arhitecturală moleculară Materialele din domeniul de aplicare a prezentei secțiuni includ molecule simple, polimeri, macromolecule (supermolecules) precum și biomolecule cum ar fi proteinele. Această secțiune se referă în principal la rezonanța magnetică nucleară (RMN), un detaliu considerabil pentru puterea sa unică în analiza arhitecturii macromoleculelor.
Moleculele pot fi pretratate prin tehnici cromatografice pentru a separa sau a le descompune în fragmente mai mici, ce pot fi analizate prin metode mai simple. Mai apoi, fragmentele pot fi supuse analizei standard, cum ar fi FT-IR, Raman împrăștiere, și spectroscopie de fluorescență pentru identificarea bazelor constitutive. Vor fi menționate numai tehnici optice ( bazate pe dicroism circular, transferul de energie fluorescenta de rezonanță (FRET) ), ce prevad informații cu privire la apropierea a doua molecule colorate. 11.8 Determinarea structurala prin difracție de raze X Principiul analizei structurale prin difracție de raze X în macromolecule este în esență aceeași cu cea a difracției unui cristal și de difracție a pulberii. Pentru creșterea cristalelor moleculare, sinteza moleculelor de material este necesară. Mulțumită progesului ingineresc in genetică, apare tehnica de reacție în lanț a polimerazei (PCR). Astfel, chiar și biomolecule mari, cum ar fi proteinele pot fi sintetizați în cantități suficiente.
11.9 Analiza de rezonanță magnetică nucleară (RMN) Analiza structurală standard cu privire la RMN este urmatoarea: (1) pregătirea probelor, (2) măsurătorile spectrelor RMN, (3) analiza spectrală de distribuire a semnalelor RMN nucleelor responsabile și de a găsi conectivitatea nucleelor prin legaturi și spațiu, și, în final (4) deducerea modelelor structurale utilizând cunoștințele obținute în (3), precum și informații de la alte analize chimice ca o constrângere în procedura de montare a modelului ce urmeaza a fi analizat. Pasul final (4) presupune formarea unui lanț de inele metalice de diferite forme (de exemplu, resturile de aminoacizi din proteine) Acest lant se afla pe un cadru având noduri în unele zone, noduri legate de alte noduri pe alt lanț. Din acest motiv, în special pentru macromolecule cum ar fi proteinele, este dificil să se determine o structura moleculară completă dintr-o singură analiză RMN. Este indicat sa se faca referire la modele in defavoarea structurilor. Cu toate acestea, comparativ cu metodele de difracție a razelor X, RMN-ul are diverse avantaje: 1.nu sunt necesare probe cristaline unice. Probele pot fi amorfe sau în soluție. 2. Efectele interactiunii intermoleculare, care își pot modifică structura moleculară, pot fi evitate dacă probele sunt dispersate în soluție. 3. Pot fi detectate mișcări dinamice de molecule. 4. O structură locală poate fi investigată în mod selectiv, fără a fi cunoscută întreaga structură. 5. Daunele fatale din cauza iradierii cu raze X, cel mai probabil în cadrul moleculelor organice, poate fi evitate.
11.10 Analiza fizico-chimică Cromatografia Cromatografia presupune separarea amestecurilor complexe în mai multe componente, ce sunt distribuite la o fază mobilă și o fază staționară. Metodele se bazează pe filtrarea fazei mobile prin faza solida.Faza mobilă este gazoasă în cromatografia gazoasă (GC) și este lichidă în cromatografia lichidă (CL). Există diferite scheme pentru cromatografie în funcție de tipul de fază staționară (solid sau lichid) și, prin urmare, pe principiul de separare moleculară (de schimb ionic, de diferență de afinitate, de filtrare a gelului, interacțiune hidrofobă, etc.). Circular Dichroism (CD) Dicroismul circular (CD) provine din helicitate sau chiralitatea moleculelor ce prezintă absorbție optică datorită stimulării electronice de la ultraviolete la lungimi de undă vizibile. Spectrele de proteine chirale, peptide și acizi nucleici au structuri distincte și sunt sensibile la modificări conformaționale. Transferul de energie fluorescentă de rezonanță (FRET) Transferul de energie fluorescentă de rezonanță (FRET), are loc atunci când distanța dintre un donator de moleculă colorantă fluorescentă și un acceptor de moleculă de absorbție colorantă este suficient de aproape pentru energia stimulată electronic al moleculei donator care urmează a fi transferată la molecula acceptor fara radiație. Este important a determina distanța dintre două molecule de aproximativ 1-10 nm, deoarece are o importanță deosebită în cadrul macromoleculor biologice. Pentru ca FRET să aibă loc, spectrul de fluorescență a donatorului și spectrul de absorbție al acceptorului trebuie să se suprapună. Pe baza acestei tehnici, se poate studia modificarea conformației unei singure molecule prin detectarea FRET sub actiunea laserului microscop confocal (LCSM) sau a unui microscop fluorescent intern de reflectie totală (TIRFM).
11.11 Texturi, faza distribuirii și Structuri finite de analiză Această secțiune se referă la materialele care sunt neomogene pe o scară relativ mare în ceea ce privește compoziția lor, structura și proprietățile fizice.
11.12 Analiza texturii Texturile evoluează prin diferite mecanisme. Analiza structurii de difractie a razelor X Cea mai bună tehnică folosită pentru evaluarea texturilor este cea de difracție a razelor X. În difracția pulberii, fiecare inel de difracție formează pete fine ce corespund structurilor cristaline cu diferite orientări. Dacă structurile cristaline sunt orientate aleatoriu, petele sau intensitatea de difracție este distribuită uniform în jurul cercului, Chiar dacă texturile sunt
prezente, se poate observa o distribuție neomogenă de pete de difracție sau de arce de difracție. Analiza texturii de SEM Canalizarea probei de electroni (ECP) Dezavantajul tehnicii de difracție pentru analiza texturii reprezintă lipsa de informare directa cu privire la dimensiunea granulei. Orientarea locală a cristalului poate fi determinata prin tehnici microscopice care dezvăluie, de asemenea, dimensiunea imediată a fiecarui bob/granulă. TEM este o metodă de rutină pentru a efectua astfel de măsurători, dar probele sunt limitate la filme subțiri. Canalizarea probei de electroni (ECP), care poate fi obținută prin microscopie electronică de baleiaj (SEM), este o abordare mai convenabila pentru studii de textură folosind probele globale.
11.13 Microanaliza elementelor si ale fazelor Imaginile TEM cu microanaliză de elemente si faze de câmp întunecat Imaginile TEM cu câmp întunecat sunt formate dintr-un fascicul difractat de un vector de difracție specific ce furnizează o tehnică standardizată pentru analiza microscopică a fazelor multiple. Microanaliza probei de electroni (EPMA) O altă metodă pentru a investiga distribuirea elementelor din cadrul materialelor solide e aceea de scanare de catre microscopia electronilor in modul de fluorescență de raze X, de obicei facandu-se referire microanalizatorul probelor cu electroni (EPMA). Analiza Pierderii de energie TEM de filtrare de energie (EFTEM) este un TEM sau STEM echipat cu un filtru de energie ce trece doar peste electronii cu o anumită energie, utilizate pentru a construi o imagine de distribuție spațială ale elementelor ce le corespund. Micro-Raman de dispersie Măsurătorile Raman de dispersie poate fi cuplate cu microscoape optice pentru a investiga distribuția locală a anumitor faze, cu o rezoluție spațială de ≈ 1 pm. Limita de difracție de OM este acum depășită prin utilizarea microscopiei de scanare a câmpului apropiat optic (SNOM). Scanarea Nano-Indenter Materialele întâlnite adesea pot fi sub formă de filme subțiri sau complexe nanometrice de faze multiple. 11.14 Analiza de difracție a structurilor fine Mici obiecte, cum ar fi precipitate, structuri cristaline, și particule fine mai mici decât ≈ 100 nm poate fi examinate microscopic, dar si prin tehnici de difractie si spectometrie. Unghiul Mic de Analiza de dispersie ale micilor faze
Zona Guinier-Preston (GP), un precipitat extrem de mic, cu o grosime de doar un strat atomic și dimensiunea laterală a mai multor distanțe atomice, se poate observa direct prin HRTEM în prezent; a fost descoperit inițial în difracție de raze X ca sursă de dispersie difuză. Extinderea Liniei de Analiză ale Dimensiunilor cristalitelor Extinderea fasciculelor de raze X se produce nu numai în fasciculul primar, dar și în fasciculele difractate când cristalitele sunt mici. Analiza de dispersie a luminii Dispersia de forma unor particule Aspectul de latex și polimer solid reflectă o structură eterogenă, cu două faze. 11.15 Analiza cantitativă Stereology Odata cu imbunatatirea calculatoarelor a fost posibilă procesarea unui volumul imens de date necesare pentru reconstrucția tridimensională a unei structuri de probă. Stereograma Două micrografiilor sunt achiziționate pentru un eșantion care este înclinat ± 1-10◦ în mod eucentric în jurul unei axe de basculare. În cazul în care se intalnesc doua astfel de imagini puse se obține Vizualizarea Stereo tridimensională a obiectului. Tomografe stivuite Laser de scanare Microscopia confocală (LCSM). Rezoluția mare a LCSM permite reconstrucția de imagini 3D din imagini optice. Tomografie computerizata cu raze X (XCT). Tomografia (XCT) utilizează o radiografie pentru fasciculul de sursă, dar pot fi utilizate și pentru analiza materialelor.
Imagistica prin rezonanta magnetica (IRM). Imagistica prin rezonanta magnetica (IRM) sau RMN-CT este, de asemenea, folosit pentru diagnosticul clinic.
