Analiza chemiczna instrumentalna

Analiza chemiczna instrumentalna

Charakterystyka wartości metod

Zalety i wady

analizy instrumentalnej

• Szybkość

wykonania analizy

• Obiektywność pomiaru

• Łatwe do

automatyzacji i komputeryzacji

• Duża czułość

• Porównawczy

charakter oznaczenia

• Mniejsza dokładność

• Mniejsza precyzja oznaczenia

• Kosztowna aparatura

Podział metod instrumentalnych

Na podstawie:

- rodzaju obserwowanych zjawisk fizycznych lub fizykochemicznych;

- sposobu ich wywołania;

- rodzaju uzyskiwanej informacji pośredniej

• Metody optyczne

• Metody spektrochemiczne

• Metody elektrochemiczne

• Metody kinetyczne i metody rozdzielania

• Metody radiometryczne

Metody optyczne

Metody oparte na sprężystych oddziaływaniach promieniowania elektromagnetycznego z

próbką badaną.

Oddziaływania te nie powodują zmiany ilości energii promieniowania. Zmienia się jego

kierunek (fali, strumienia fotonów)

Techniki pomiaru intensywności zmętnienia

Badanie bezbarwnych substancji

nierozpuszczalnych.

Intensywność zmętnienia jest wprost proporcjonalna

do stężenia badanej

substancji.

1. Nefelometria

Obserwowane zjawisko -

Pomiar - natężenie wiązki światła rozproszonego

wychodzącego z kuwety pomiarowej (pod pewnym kątem w stosunku do światła wchodzącego.

Zastosowanie - analiza chemiczna i analiza namnożenia komórek w hodowli, stężenie substancji, badanie stopnia dyspersji koloidu.

2. Turbidymetria

Obserwowane zjawisko - rozproszenie (i absorpcja) promieniowania.

Pomiar - zmniejszenie natężenia wiązki światła po przejściu przez kuwetę z zawiesiną.

Zastosowanie - analiza chemiczna i analiza namnożenia

komórek w hodowli.

- Testy rozpuszczalności - Immunoprecypitacja

- Monitoring wzrostu bakterii i grzybów

- Badanie leków

- Oznaczanie masy

cząsteczkowej makromolekuł

Technika pomiaru współczynnika załamania światła

Ta sama substancja w różnych stężeniach oraz

różne substancje w tym samym stężeniu wykazują

różny współczynnik załamania światła

(refrakcji - n).

1. Refraktometria

Obserwowane zjawisko - załamanie światła.

Pomiar - współczynnik załamania światła padającego na powierzchnię próbki

Zastosowanie - oznaczanie stężenia substancji znanych, określenie składu mieszanin dwuskładnikowych o

różnych n, określanie cech budowy cząsteczek związku chemicznego (refrakcja molowa RM), identyfikacja

cieczy organicznych i minerałów, ocena jakości produktów.

2. Interferometria

Obserwowane zjawisko - załamanie dwóch wiązek światła z tego samego źródła w dwóch badanych środowiskach.

Pomiar - różnicy współczynników załamania światła w

dwóch badanych ośrodkach.

Technika pomiaru polaryzacji światła i skręcenia płaszczyzny polaryzacji

W wiązce światła spolaryzowanego drgania fali świetlnej są uporządkowane w jednej płaszczyźnie.

Kąt skręcenia

płaszczyzny

polaryzacji jest

proporcjonalny do

stężenia substancji

wywołującej skręcenie.

1. Polarymetria

Obserwowane zjawisko - zdolność substancji optycznie czynnej (nie posiadającej elementów symetrii) do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego.

Pomiar - kąt skręcenia polaryzacji światła (alfa) Aparatura - polarymetr.

Zastosowanie - identyfikacja i oznaczanie środków

leczniczych, badanie równowagi i mechanizmów

reakcji, ustalanie budowy przestrzennej związków

złożonych (dyspersja skręcalności).

Technika pomiaru odbicia wiązki światła.

Reflektometria

służy głównie do pomiarów długości i tłumienności przewodów miedzianych, a

także włókien światłowodowych,

stosowanych w torach telekomunikacyjnych.

Metody spektroskopowe

Dotyczą pomiaru zjawisk związanych z niesprężystym oddziaływaniem

promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką.

Podczas tego oddziaływania zachodzi wymiana energii zgodnie z regułami

kwantowo – optycznymi.

Oparte są na technikach: absorpcyjnej i

emisyjnej. W wyniku pomiarów powstają

widma absorpcyjne lub widma emisyjne.

Techniki absorpcyjne

Wykorzystują fakt zdolności niektórych substancji do pochłaniania światła.

Substancje takie pochłaniają zwykle fale świetlne o określonych długościach w sposób

charakterystyczny, zależny od budowy.

Jeśli nawet pochłanianie zachodzi w tym samym

zakresie długości fal, charakterystyczna pozostaje

zwykle intensywność pochłaniania. W technikach

tych stosuje się pomiar absorbancji (A), natężenia

światła (I) oraz transmitancji (T).

A. Techniki absorpcyjne cząsteczek spektrofotometria, absorpcjometria

Są zbiorem technik spektrofotometrii absorpcyjnej. W wyniku użycia aparatów zwanych spektrofotometrami uzyskuje się

widma absorpcyjne, charakterystyczne dla badanej substancji.

Przez badaną próbkę przechodzą kolejno wiązki światła monochromatycznego.

Podział metod spektrofotometrycznych związany jest z określonym przedziałem długości fal świetlnych stosowanych i z różnorodnością ich oddziaływań

niesprężystych z substancją badaną.

Różne są również źródła promieniowania elektromagnetycznego.

1. Spektrometria UV/VIS

Obserwowane zjawisko - absorpcja promieniowania

ultrafioletowego i widzialnego w zakresach 200 – 400 nm i 400 – 750 nm związana ze zmiana stanów elektronowych oraz energii oscylacyjnej i rotacyjnej badanej cząsteczki.

Efekt - widmo elektronowe (elektronowo – oscylacyjno – rotacyjne) z charakterystycznymi pasmami absorpcji.

Źródło promieniowania - lampy żarowe, deuterowe, rtęciowe.

Aparat - spektrofotometr UV – VIS

Zastosowanie - analiza ilościowa, badanie mechanizmu i kinetyki reakcji chemicznych, identyfikacja związków

bezbarwnych (aromatycznych, ketonów, estrów) w zakresie UV oraz barwnych w zakresie VIS.

2. Spektroskopia w podczerwieni (IR)

•Obserwowane zjawisko - absorpcja promieniowania podczerwonego przez oscylujące cząsteczki w zakresie długości fal 0,2 – 30 mm.

Grupy funkcyjne i charakterystyczne ugrupowania atomów absorbują specyficznie promieniowanie w wąskich przedziałach długości fal IR.

bliska podczerwień (ang. near infrared, NIR) to zakres0,8−2,5 µm średnia podczerwień (ang. mid infrared, MIR) to zakres 2,5−25 μm daleka podczerwień (ang. far infrared, FIR) to zakres 25−1000 μm

Efekt - widmo absorpcyjne o charakterystycznych dla obecnych ugrupowań liczbach falowych absorpcji.

Aparat - spektrofotometr Fouriera (FTIR, NIR).

Źródło promieniowania - włókno Nernsta (z tlenku cyrkonu) lub globar (z węglika krzemu) rozgrzane do temperatury 1000 – 1800oC.

Zastosowanie - jedna z najlepszych metod identyfikacji struktur.

Widmo w zakresie fal długich stanowi tzw. obszar daktyloskopowy.

Spektrometr NIR

3. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)

Obserwowane zjawisko - absorpcja promieniowania w zakresie fal radiowych 1 – 3000 m przez jądra

atomów cząsteczki w polu magnetycznym o dużym natężeniu.

Efekt - widmo sygnałów rezonansowych próbki na skali przesunięć chemicznych.

Aparat - spektrometr NMR.

Źródło promieniowania - obwody elektroniczne, kryształy.

Zastosowanie - badanie struktur cząsteczek.

Spektrometr NMR

4. Spektroskopia paramagnetycznego rezonansu elektronowego (EPR)

Obserwowane zjawisko

-absorpcja promieniowania mikrofalowego przez

rotujące cząsteczki. Długość fali promieniowania 3 – 300 mm.

Efekt - widmo rezonansowe.

Aparat - spektrometr EPR.

Źródło promieniowania - klistron, magnetron.

Zastosowanie - identyfikacja struktur.

5. Absorpcjometria – kolorymetria

Obserwowane zjawisko -

absorpcja światła w zakresie widzialnym przez substancje barwne z pomiarem absorpcji lub intensywności

zabarwienia.

Pomiar - absorbancja (A).

Aparat - kolorymetr to upro- szczony spektrofotometr.

Zastosowanie - oznaczanie

stężeń substancji barwnych na podstawie krzywej

wzorcowej.

B. Techniki absorpcyjne atomów

1. Atomowa spektrometria absorpcyjna (ASA)

Obserwowane zjawisko - absorpcja promieniowania elektromagne- tycznego przez atomy cząsteczek w stanie pary wolnych atomów.

Pomiar - absorbancja – wprost

proporcjonalna do liczby atomów w środowisku obserwowanym.

Zakres promieniowania

absorbowanego określa rodzaj pierwiastka.

Źródło promieniowania - lampy z katodą wnękową, lampy

bezelektrodowe.

Zastosowanie - identyfikacja atomów 70 różnych pierwiastków.

2. Absorpcja rentgenowska

Obserwowane zjawisko - absorpcja promieniowania w zakresie rentgenowskim. Długość fali 0,03 – 30 nm, przez atomy

cząsteczki charakterystycznie dla ich rodzaju i niezależnie od budowy cząsteczki, w której się znajdują. Zjawisko związane jest z wybijaniem elektronu z powłoki wewnętrznej atomu, który ulega jonizacji.

Pomiar - absorbancja.

Źródło promieniowania - lampa rentgenowska.

Aparat - fotometr absorpcji rentgenowskiej.

Zastosowanie - oznaczanie atomów pierwiastków ciężkich w próbce.

Techniki emisyjne

Pojedyncze atomy, cząsteczki pierwiastków oraz związków chemicznych obdarzone są pewnym zasobem energii

wewnętrznej, której ilość ulega zmianie.

Stany podwyższonej energii są nietrwałe.

Następuje emisja nadmiaru energii aż do stanu minimalnej dla danych warunków wartości.

Atomy poddane wzbudzeniu emitują widmo liniowe (wybrane długości fal promieniowania). Emisja promieniowania następuje

przy przejściu ze stanu wzbudzonego na niższy poziom energii.

Techniki emisyjne dzieli się w zależności od rodzaju wzbudzenia, od którego zależy ilość pochłoniętej energii i

stopień wzbudzenia.

Inny podział dotyczy rodzaju źródła emisji.

A. Techniki emisyjne atomowe

1. Fotometria płomieniowa

Obserwowane zjawisko - emisja promieniowania przez atomy próbki po atomizacji i

wzbudzeniu w strumieniu energii.

Źródło energii - płomień palnika temperatura do 3.500 K.

Aparat - fotometr płomieniowy Zastosowanie - badanie

zawartości pierwiastków łatwo wzbudzanych (sód, potas), składu wody, płynów ustrojowych i ekstraktów

roślinnych.

2. Spektrometria emisyjna

Obserwowane zjawisko - emisja promieniowania UV - VIS Źródło energii - plazma

(zjonizowany gaz obojętny elektrycznie) 4000–10000 K.

Aparat - spektrometr emisyjny.

Pomiar - bezpośredni pomiar natężenia emitowanego promieniowania

Zastosowanie - badania

pierwiastków śladowych.

Aparatura bardzo droga, tylko do oznaczeń seryjnych.

3. Fluorescencja rentgenowska

Obserwowane zjawisko - emisja promieniowania

rentgenowskiego przez elektron przechodzący z powłoki zewnętrznej na miejsce wybitego -

„promieniowania fluorescencyjnego”

Źródło energii - lampa rentgenowska.

Aparat - fluorescencyjny

spektrometr rentgenowski.

Efekt - widmo fluorescencyjne niezależne od rodzaju związku.

Zastosowanie - Analiza śladowa

B. Techniki emisyjne cząsteczkowe

Substancje chemiczne podlegające napromieniowaniu ulegają wzbudzeniu, a następnie emitują pochłoniętą energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego lub w postaci ciepła.

Substancje te często powodują emisję światła w zakresie

widzialnym. Mechanizm przejść elektronowych decyduje o tym czy jest to fluorescencja czy fosforescencja. Oba zjawiska

nazywane są ogólnie luminescencją.

Rodzaje luminescencji

•fotoluminescencja – cząsteczki wzbudzone promieniowaniem elektromagnetycznym

•chemiluminescencja – cząsteczki wzbudzone w czasie reakcji chemicznej

•bioluminescencja – wzbudzenie cząsteczek w przebiegu procesów biologicznych

•elektroluminescencja – wzbudzenie strumieniem elektronów.

1. Fluorymetria

Obserwowane zjawisko -

emisja promieniowania UV i VIS cząsteczek

wzbudzonych związana z przejściem elektronów na poziom podstawowy.

Pomiar - natężenie (I) promieniowania

proporcjonalne do stężenia badanej substancji.

Aparat - fluorymetr.

Zastosowanie - związki biologicznie czynne, wielopierścieniowe

węglowodory aromatyczne, jony metali.

Metody elektrochemiczne

Wykorzystują one zjawiska związane z przepływem prądu elektrycznego przez

roztwory elektrolitów i reakcje zachodzące na elektrodach zanurzonych w roztworach

elektrolitów.

A. Metody potencjometryczne

Oparte na pomiarze różnicy potencjałów elektrochemicznych między elektrodami

zanurzonymi w analizowanych roztworach (elektroda wskaźnikowa i elektroda odniesienia).

Potencjał elektrody wskaźnikowej zależy od stężenia badanej substancji.

Potencjometria bezpośrednia

Różnica potencjałów między elektrodami zależy

wprost od stężenia substancji badanej.

1. Pehametria

Pomiar - pH środowiska próbki Aparat - pehametr

Pehametria bezpośrednia – bezpośredni pomiar pH bez wzorcowych roztworów buforowych

Elektrody - wodorowa, chinhydronowa, antymonowa, bizmutowa

Pehametria pośrednia – do pomiaru pH stosuje się roztwory buforów wzorcowych. Metoda jest częściej stosowana, ma największą

dokładność.

Elektroda - szklana.

2. Miareczkowanie potencjometryczne

Pomiar - zmiana potencjału w zależności od objętości zużytego odczynnika miareczkującego, określenie punktu końcowego miareczkowania.

Miareczkowanie pehametryczne

Elektrody - szklana, chinhydronowa, wodorowa Miareczkowanie redoksymetryczne

Elektrody - wskaźnikowa – platynowa; odniesienia – NEK (nasycona elektroda kalomelowa)

Miareczkowanie precypitometryczne

Elektrody - z metali biorących udział w oznaczeniu Miareczkowanie kompleksometryczne

Elektrody - jonoselektywna, rtęciowa

B. Metody elektrolityczne

Polegają na pomiarze (ważeniu) wydzielonego, oznaczanego składnika roztworu, na

elektrodzie podczas przepływu prądu

elektrycznego pomiędzy elektrodami w nim zanurzonymi.

Obserwowane zjawisko - elektroliza w całej masie

Pomiar - masa substancji wydzielonej na

elektrodzie.

1. Elektrograwimetria (elektroliza)

Elektroda - katoda platynowa

Zastosowanie - do oznaczania ilościowego pojedynczych substancji (metali)

2. Elektroliza wewnętrzna

Elektroda - ogniwo galwaniczne (elektrody platynowa i cynkowa połączone przewodem) Na elektrodzie

platynowej wydziela się metal znajdujący się w

roztworze, do roztworu przechodzi zaś ilościowo

cynk z drugiej elektrody.

Metody kulometryczne

W przebiegu oznaczenia zachodzi zjawisko elektrolizy w całej masie badanej próbki

Pomiar - ładunku elektrycznego (C) przepływającego przez badany roztwór elektrolitu, niezbędnego do reakcji

elektroutlenienia i elektroredukcji oznaczanej substancji.

Wartość ładunku zmierzonego jest proporcjonalna do zawartości.

1. Analiza kulometryczna bezpośrednia

Substancja badana podlega reakcji bezpośredniej na elektrodzie.

2. Analiza kulometryczna pośrednia

Substancja reaguje z inną, wytwarzaną na elektrodzie

Metody z pomiarem przewodnictwa lub pojemności elektrycznej

1. Konduktometria

Obserwowane zjawisko - przewodnictwo (konduktancja –

mierzona w simensach S) roztworów elektrolitów, zależna od stężenia, ładunku i rozmiaru jonów.

Pomiar - przewodność elektrolitu Aparatura - konduktometr

2. Oscylometria z miareczkowaniem oscylometrycznym

Obserwowane zjawisko - przewodnictwo roztworów

elektrolitów, zależna od stężenia, ładunku i rozmiaru jonów.

Pomiar - przewodność pozorna (admitancja), jako odwrotność pozornej rezystancji (impedancji). Pomiar bezprzewodowy z wykorzystaniem prądu o dużych częstotliwościach

Aparatura - oscylometr pojemnościowy, oscylometr indukcyjny.

Metody woltamperometryczne

Oparte są na pomiarze natężenia prądu elektrycznego

przepływającego w układzie elektrod w roztworze badanym pod wpływem przyłożonego napięcia. Pomiar dokonywany jest z

użyciem rtęciowej elektrody kroplowej.

1.Polarografia

Rodzaje – stało-; zmiennoprądowa; pulsowa; oscylopolarografia.

Obserwowane zjawisko - elektroliza warstwy dyfuzyjnej.

Pomiar - natężenie prądu, jako funkcja przyłożonego napięcia, proporcjonalnego do stężenia

Aparatura - polarograf.

2. Woltamperometria

Pomiar - zależność natężenia prądu od napięcia przyłożonego do elektrod.

Zastosowanie - analiza śladowa, materiałów roślinnych, preparatów farmaceutycznych

Metody rozdzielcze

Służące wyizolowaniu substancji, jej identyfikacji i oznaczaniu, dzięki zróżnicowanej odpowiedzi specyficznych substancji na

warunki rozdziału.

1.Elektroforeza

Zjawisko - zróżnicowana szybkość poruszania się naładowanych cząstek mieszaniny w polu elektrycznym.

Parametr podziału - ruchliwość elektroforetyczna m

Rodzaje - swobodna; w nośnikach; na bibule; na żelach; kapilarna.

Zastosowanie - bardzo szerokie w analityce medycznej.

2.

Chromatografia

Zjawisko - podział składników mieszaniny pomiędzy fazę stacjonarną i ruchomą układu

parametry podziału - współczynnik retencji (k); ułamek czasu migracji

substancji (Rf) – czynnik zatrzymania lub ułamek prędkości; RM – log k Rodzaje - ch. Gazowa; cieczowa, kolumnowa; cienkowarstwowa.

Chromatograf HPLC i GC-MS

Metody radiometryczne

Polegają na pomiarze promieniowania jądrowego emitowanego przez naturalne i sztuczne izotopy

promieniotwórcze. Również efekty naświetlania badanej próbki promieniowaniem jądrowym.

• Metody oparte na absorpcji i odbiciu promieniowania jądrowego.

• Metody oparte na pomiarze aktywności naturalnych pierwiastków promieniotwórczych.

• Metody aktywacji.

• Metody polegające na wzbudzeniu atomów przez naświetlanie promieniowaniem g ze źródeł izotopowych.

• Metody wskaźników promieniotwórczych.