Identifikace barviv pomocí Ramanovy spektrometrie

Identifikace barviv pomocí Ramanovy spektrometrie
V kriminalistických laboratořích se provádí technická expertíza písemností, která se mimo jiné
zabývá zkoumáním použitých psacích prostředků: tiskových inkoustů, propisek, centropenů,
razítek, atd. Analýza tohoto typu pomáhá zodpovědět následující otázky:
• Zda byly dokumenty napsané stejným psacím prostředkem?
• Zda jsou dokumenty pravé?
• Zda byly dokumenty vytvořené ve stejnou dobu, nebo
• Jak starý je zkoumaný text?
Každý zpochybněný dokument je nejdříve zkoumán vizuálními metodami. Objekt se posuzuje
pouhým zrakem nebo s pomocí lupy za denního nebo umělého osvětlení, případně v různém
barevném osvětlení. Při expertíze je potřeba pracovat v gumových rukavicích, aby nedošlo ke
kontaminaci nebo poškození dalších případných stop. Když výše uvedené metody nedávají
jednoznačné odpovědi, je nutné použit další techniku.
Tabulka 1: Analytické metody využívané v analýze inkoustů.
Metoda
Optická mikroskopie
v polarizovaném světle – Polarized
Light Microscopy (PLM)
Chromatografie na tenké vrstvěThin Layer Chromatography (TLC)
Infračervená spektroskopie
a mikrospektrofotometrie
Ramanova spektroskopie
Destruktivní?
ne
ano
ne
ne
Rentgenová analýza
ne
Hmotnostní spektrometrie – Mass
Spectrometry (MS)
Hmotnostní spektrometrie indukčně
vázaného plazmatu ICP-MS
Hmotnostní spektrometrie indukčně
vázaného plazmatu
s laserovou ablací (LA-ICP-MS)
Pyrolyza GC/GC-MS
Závisí na zkoumaném vzorku
a způsobu ionizaci
ano
Využiti
Charakteristika barviv, určení pořadí
nanesených barviv, makroskopická
analýza.
Srovnávací analýza pigmentů
a barviv.
Charakteristika barviv
a polymerů, srovnávací analýza
zkoumaných objektů.
Charakteristika anorganických
barviv, komplexní expertiza při
určování fází pigmentů uměleckých
předmětů (obrazů, soch, plastik
apod.), automobilových laků.
Charakteristika organických složek
badaného objektu.
Charakteristika barviv.
Charakteristika barviv.
Ne/minimálně
ano
Charakteristika pryskyřic.
Kriminalistické laboratoře upřednostňují spektroskopické metody, a to z důvodu, že tyto metody
nepotřebují speciální předúpravy vzorku a navíc jsou nedestruktivní.
Při analýze inkoustů musíme pamatovat, že se jedná o směs látek (filmotvorné látky, aditiva,
rozpouštědla, konzervační prostředky, barviva). Mezi hlavní složky inkoustů patří pojivo,
konzervační a barvonosné látky. Typické složení inkoustu v kuličkovém peru je: 50 %
rozpouštědla, 25 % barviva, 25 % jiné látky, ale konkrétní chemické a množstevní složení
inkoustů je u všech výrobců výrobním tajemstvím.
Chemické a fyzikální vlastnosti psacích prostředků závisí na jejich podobě a to zejména na
původní podobě, kdy se jedná o nádobky s inkousty, tušemi, různými druhy tužek a popisovačů,
nebo v podobě po jejich aplikaci na zkoumaný objekt (otisky razítek, vytvořený tisk, psací tahy
různých psacích prostředků). Původní podoba vzorků přináší méně informací a z hlediska
interpretace výsledků je jednodušší. V případě aplikování inkoustů na objekt (nejčastěji papír) se
mění jejich vlastnosti z úvahy na probíhající změny (odpařování rozpouštědel, polymerace,
oxidace nebo jiné chemické reakce).
Ramanova spektrometrie
Ramanova spektrometrie je perspektivní, nedestruktivní metodou umožňující analýzu in-situ.
Nejčastěji je využívána pro identifikaci zakázaných drog, analýzu vláken, inkoustů, výbušnin,
padělaných výrobků a peněz. Ramanova spektroskopie podobně jak infračervená spektrometrie
(IČ) měří vibrační pohyby molekuly, observovaný fyzikální jev je však rozdílný. Ramanova
spektrometrie měří rozptyl světla, zatímco IČ je založena na absorbci fotonů.
Ramanovo spektrum je závislostí intenzity rozptýleného záření na Ramanově posunu ∆ν
(cm-1), což je rozdíl energie mezi laserovým paprskem a rozptýleným zářením. Intenzita
Ramanových čar je dána změnami polarizovatelnosti molekuly během vibračního pohybu.
Absorpční pásy mající vrcholy v intervalu 4000–1500 cm-1, jsou vhodné pro identifikaci
funkčních skupin (např. –OH, C=O, N–H, CH3 aj.). Pásy v oblasti 1500–400 cm-1 se nazývají
oblastmi „otisku palce“ (fingerprint region). Změřená Ramanova spektra neznámých vzorků jsou
srovnávána s referenční knihovnou spekter, čímž se metodou otisku prstu identifikují neznámé
molekuly.
Pozorované typy čar v Ramanově spektru:
→Rayleighův čáry - když se molekula po interakci se zářením vrátí do stejného energetického
stavu. Při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu dojde k vyzáření fotonu se stejnou
vlnovou délkou, jako měl budící laser.
→ anti-Stokesovy čáry - v oblasti vyšších frekvencí. Pokud se elektron při přechodu dostane do
nižší energetické hladiny, než ze které byl vybuzen, dojde k vyzáření fotonu s kratší vlnovou
délkou.
→ Stokesovy čáry - u nižších frekvencí Ramanova spektra. Molekula po interakci se zářením se
přenáší do vyššího energetického stavu. Elektron se po excitaci vrátí na vyšší energetickou
hladinu, než ze které byl vybuzen, tak dojde k vyzáření fotonu s delší vlnovou délkou než má
budící laser.
Všechny typy čar jsou schematicky znázorněny na Obr. 1.
Obr.1. Ramanův rozptyl a Stokesovy a anti-Stokesovy linie.
Experimentalní uspořadaní
Zdroj monochromatického záření z UV/VIS oblasti: rtuťová výbojka (dříve), lasery (plynové
nebo pevnolátkové; oblast VIS nebo blízká IČ)
Vzorek: plynný, kapalný, pevný
Kyvety skleněné nebo nefluoreskující křemenné; vyhřívané, chlazené, rotující
Rozpouštědla: vodná, organická se slabými Ramanovými pásy
Detektory: dříve fotografická deska, dnes fotonásobič, event. diodové pole
Obr. 2 – Schéma Ramanova spektrometru [5].
Častým problémem, který se vyskytuje při analýze inkoustů Ramanovou spektroskopií, je
fluorescence. K eliminaci tohoto problému se využívá buď concave baseline correction nebo
metoda povrchem zesíleného Ramanova rozptylu (SERS). SERS využívá skutečnost, že
Ramanův signál z molekuly adsorbované na povrchu některých kovů (např. Ag, Au) může být
výrazně silnější než Ramanův signál z té samé molekuly (může být řádově až 105-106).
Úkol: Porovnejte inkousty ze dvou částí dokumentů. Zjištěte zda byl dokument padělán.
Pomůcky a chemikálie: Roztok Ag nanočástic o koncentraci 5M, pipety, kádinky, viálky na
vzorky, propisky, nůžky
Postup:
1. Proveďte odběr vzorků z dokumentu a z dostupného srovnávacího materiálu (různé
propisky)
2. Proveďte extrakci do methanolu – rozpusťte odebraný vzorek v 500 µl methanolu,
umístěte do ultrazvukové lázně na 5 minut
3. Proveďte SERS experiment, z důvodu zesílení signálu a redukce možné fluorescence –
k 1 ml Ag nanočástic přidejte 10 µl roztoku NaCl a 10µl vzroku Podle pokynů vedoucího
cvičení proveďte měření pomocí Ramanovy spektroskopie
4. Proveďte vyhodnocení spekter a srovnejte naměřená data
Tabulka 2: Parametry měření pro Ramanovu spetrometrii
Ramanův spektrometr (Nicolet)
Laser
Nd:YAG (1064 nm)
Rozsah vlnočtů
4000-500 cm-1
Rozlišení
4 cm-1
Počet skenů
64
iRaman Plus spektrometr
Laser
532 nm
Rozsah vlnočtů
4000-200 cm-1
Rozlišení
4 cm-1
Integrační čas
2000 ms
Dělič paprsků
Detektor
Opakování
Výkon laseru
CaF2
InGaAs
10
100 %
Doplňující otázky:
1. Které další analytické metody, by bylo možné použít pro analýzu inkoustů a barviv?
2. Navrhněte metodu pro odhalení padělání úředních razítek.
Použitá literatura:
1. J. Straus, J. Suchánek, V. Porada „Kriminalistické stopy obsahující informaci
o vlastnostech vnitřní stavby (struktury) nebo vnitřního složení objektu”, Soudní
inženýrství ročník 15, 2004.
2. I. Doležal: Svět tisku-Padělání tiskovin.
http://www.svettisku.cz/buxus/generate_page.php?page_id=7003&buxus_svettisku=
(20.10.2014).
3. S. Bell: Forensic Chemistry, Parentice Hall, 2005.
4. P. Matějka: „Ramanova spektroskopie“ v Návody pro laboratorní cvičení z analytické
chemie III, (Matějka P. a kol.), VŠCHT Praha 2002, vydání první.
5. V. Milata a kol. Aplikovaná molekulová spektroskopia 1. vyd. Bratislava: Slovenská
technická univerzita v Bratislavě. 2008. 602 s.
6. J.M. Chalmers, H.G.M. Edwards, M.D. Hargreaves, by John Wiley & Sons, Ltd., 2012.
Infrared and Raman Spectroscopy in Forensic Science, chapter: A. Guedes, A.C. Prieto,
Raman Spectroscopy for the Characterizations of Inks on Written documents.
Příloha 1: Charakteristické vlnočty absorpce pro Ramanovu spektrometrii