podział i charakterystyka metod instrumentalnych analizy chemicznej
advertisement
PODZIAŁ I CHARAKTERYSTYKA METOD INSTRUMENTALNYCH ANALIZY CHEMICZNEJ 1. CHARAKTERYSTYKA ANALIZY INSTRUMENTALNEJ Analiza instrumentalna, stanowiąca niezwykle obszerny zbiór metod i technik badawczych, zyskuje coraz większe znaczenie we współczesnym świecie. Prostota stosowanych procedur, związana z rosnącą automatyzacją w tej dziedzinie, powoduje znaczną dostępność szybkich oznaczeń z wykorzystaniem minimalnych ilości próbek. Pozwala również na wykonywanie oznaczeń seryjnych z dużą powtarzalnością wyników. Komputeryzacja stosowanego sprzętu ułatwia zaś pozyskiwanie dużej ilości interesujących danych, wyświetlanych automatycznie bez konieczności dodatkowych przeliczeń, również przetwarzanych i archiwizowanych. Jak każda grupa metod, analiza instrumentalna posiada zarówno zalety jak i wady. Zalety analizy instrumentalnej Metody instrumentalne pozwalają na oznaczane badanych składników w bardzo małych ilościach, rzędu 10-5%. Oznacza to dużą czułość tych metod. Wykonanie analizy zajmuje zwykle około kilku minut (nie licząc czasu potrzebnego do przygotowania próbki). Obiektywny pomiar wykonywany jest za pomocą odpowiedniego miernika elektrycznego lub odczytu cyfrowego. Automatyzacja i komputeryzacja oznaczeń instrumentalnych zmniejsza koszt analiz seryjnych. Wyniki otrzymywane są w postaci gotowych wydruków danych. Wady analizy instrumentalnej Metody te wymagają zwykle kalibracji i przygotowania wzorców ze względu na porównawczy charakter oznaczenia. Mniejsza jest dokładność oraz precyzja oznaczenia. Znaczną wadą jest konieczność stosowania kosztownej aparatury. Można jednak stwierdzić, że ze względu na liczne wady i zalety obu grup metod – klasycznych i instrumentalnych – będą się one uzupełniały na równych prawach jeszcze przez długi czas. Sztuką jest jednak dokonanie prawidłowego wyboru najlepszej dla potrzeb oznaczenia metody. 2. PODZIAŁ METOD INSTRUMENTALNYCH Podział metod analitycznych w zakresie analizy instrumentalnej nie jest jednolity i zależy od przyjmowanych w tym celu kryteriów. Najczęściej stosowanym kryterium podziału jest rodzaj obserwowanych zjawisk fizycznych lub fizykochemicznych i sposób ich wywołania. Od tych czynników zależy też rodzaj uzyskiwanej informacji pośredniej, która posłuży do określenia ilościowego lub jakościowego badanych indywiduów chemicznych. Metody optyczne Metody te oparte są na sprężystych oddziaływaniach promieniowania elektromagnetycznego z próbką badaną. Należą do nich: rozproszenie, załamanie i skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła. Oddziaływania te nie powodują zmiany ilości energii promieniowania. W metodzie tej stosowane są różne techniki pomiaru. 1. Technika pomiaru intensywności zmętnienia Umożliwiają oznaczanie związków chemicznych i pierwiastków nie tworzących połączeń barwnych, lecz tworzących pochodne nierozpuszczalne. Powstające w przebiegu reakcji chemicznych analitu związki nierozpuszczalne w odpowiednio małych stężeniach są subtelną zawiesiną lub roztworem koloidalnym. W pewnych granicach stężeń intensywność powstającego zmętnienia jest wprost proporcjonalna do stężenia badanej substancji. Nefelometria Obserwowane zjawisko – rozproszenie promieniowania. 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. Turbidymetria Obserwowane zjawisko – rozproszenie promieniowania. Pomiar – zmniejszenie natężenia wiązki światła po przejściu przez kuwetę z zawiesiną. Zastosowanie – analiza chemiczna i analiza namnożenia komórek w hodowli. 2. 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). 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). 3. 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. Polarymetria Obserwowane zjawisko - zdolność substancji optycznie czynnej (nie posiadającej elementów symetrii) do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Pomiar – kąt skręcenia polaryzacji światła () Aparatura – polarymetr. Zastosowanie – identyfikacja i oznaczanie środków leczniczych, badanie równowagi i mechanizmów reakcji, ustalanie budowy przestrzennej związków złożonych (dyspersja skręcalności). Metody spektroskopowe Dotyczą one pomiaru zjawisk związanych z niesprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką. Oparte są one na technikach: absorpcyjnej i emisyjnej. W wyniku pomiarów powstają widma absorpcyjne lub widma emisyjne. 1. 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). 1.1. Techniki absorpcyjne cząsteczek. W wyniku stosowania 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 oraz z różnorodnością ich oddziaływań niesprężystych z substancją badaną. Różne są również źródła promieniowania elektromagnetycznego. Spektrofotometria UV-VIS Obserwowane zjawisko – absorpcja promieniowania ultrafioletowego i widzialnego w zakresach 200 – 400 nm i 400 – 750 nm związana ze zmianą 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. Spektroskopia w podczerwieni IR Obserwowane zjawisko – absorpcja promieniowania podczerwonego przez oscylujące cząsteczki w zakresie długości fal 0,2 – 30 m. Grupy funkcyjne i charakterystyczne ugrupowania atomów absorbują specyficznie promieniowanie w wąskich przedziałach długości fal IR. Efekt – widmo absorpcyjne. Grupy funkcyjne obecne w strukturze analitu absorbują promieniowanie podczerwone w charakterystycznych zakresach liczb falowych absorpcji. Aparat – spektrofotometr Fouriera (IR). 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 (niepowtarzalny dla różnych związków). 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. 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. Absorpcjometria (kolorymetria) Obserwowane zjawisko – absorpcja światła w zakresie widzialnym przez substancje barwne z pomiarem absorpcji lub intensywności zabarwienia. Pomiar – absorpcji (A). Aparat – kolorymetr – uproszczony spektrofotometr. Zastosowanie – oznaczanie stężeń substancji barwnych. 1.2. Techniki absorpcyjne atomów. Atomowa spektrometria absorpcyjna ASA Obserwowane zjawisko – absorpcja promieniowania elektromagnetycznego przez atomy cząsteczek poddanych uprzednio atomizacji i przeprowadzone w stan pary wolnych atomów. Absorbujące atomy znajdują się w stanie podstawowym. Absorpcja odbywa się tylko w zakresie długości fal charakterystycznych dla pierwiastków. Pomiar – absorpcji – wprost proporcjonalna do liczby atomów w środowisku obserwowanym. Zakres promieniowania absorbowanego określa rodzaj pierwiastka. Źródło promieniowania – lampy z katodą wnękową, lampy bezelektrodowe. Zastosowanie – selektywna i dokładna identyfikacja atomów 70 różnych pierwiastków. 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 – absorpcji Źródło promieniowania – lampa rentgenowska. Aparat – fotometr absorpcji rentgenowskiej. Zastosowanie – oznaczanie atomów pierwiastków ciężkich w próbce. 2. Techniki emisyjne. Pojedyncze atomy, cząsteczki pierwiastków oraz związków chemicznych obdarzone są pewnym zasobem energii wewnętrznej, której ilość ulega zmianie. Stany podwyższonej energii są nietrwałe. Atom emituje nadmiar energii aż do stanu minimalnej dla danych warunków wartości. Atomy emitują promieniowanie tylko w stanie wzbudzonym. 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. 2.1. Techniki emisyjne atomowe Fotometria płomieniowa (najprostsza metoda oparta na emisji atomowej) Obserwowane zjawisko – emisja promieniowania przez atomy próbki po atomizacji i wzbudzeniu w strumieniu energii. Źródło energii – płomień palnika (spalający się gaz w obecności powietrza) temperatura do 3.500 K. Aparat – fotometr płomieniowy Zastosowanie – badanie zawartości pierwiastków łatwo wzbudzanych (sód, potas), analiza wody, płynów ustrojowych i ekstraktów roślinnych. Spektrografia emisyjna Obserwowane zjawisko – emisja promieniowania UV - VIS przez atomy próbki wzbudzonej. Źródło energii – łuk elektryczny, iskra elektryczna (6.000 lub 15.000 K). Efekt – widmo emisyjne o charakterystycznych pasmach promieniowania emitowanego. Stopień zaciemnienia świadczy o stężeniu. Aparat – spektrograf emisyjny. Zastosowanie – badanie składu powierzchni stopów metali i minerałów. Fluorescencja rentgenowska Obserwowane zjawisko – emisja promieniowania rentgenowskiego przez elektron. Atomy wzbudzone promieniami Roentgena stają się źródłem „promieniowania fluorescencyjnego” Źródło energii – lampa rentgenowska. Aparat – fluorescencyjny spektrometr rentgenowski. Efekt – widmo fluorescencyjne, charakterystyczne dla danego pierwiastka i niezależne od rodzaju związku, w którym pierwiastek występuje. Zastosowanie – analiza ilościowa (natężenia promieniowania) i jakościowa (długość fali). Analiza śladowa. Fluorescencja atomowa Zastosowanie – jak w ASA lecz bardziej czułe. 2.2.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 emisje światła w zakresie widzialnym. Mechanizm przejść elektronowych decyduje o tym, czy jest to fluorescencja czy fosforescencja. Oba zjawiska nazywane są ogólnie fotoluminescencją. Rodzaje luminescencji 1. fotoluminescencja – cząsteczki wzbudzone promieniowaniem elektromagnetycznym 2. chemiluminescencja – cząsteczki wzbudzone w czasie reakcji chemicznej 3. bioluminescencja – wzbudzenie cząsteczek w przebiegu procesów biologicznych 4. elektroluminescencja – wzbudzenie strumieniem elektronów. 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 elektroanalityczne Wykorzystują one zjawiska związane z przepływem prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów i reakcje zachodzące na elektrodach zanurzonych w roztworach elektrolitów. 1. 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. 1.1. Potencjometria bezpośrednia Różnica potencjałów między elektrodami zależy wprost od stężenia substancji badanej. Pehametria Pomiar – pH środowiska próbki Aparat – pehametr 1. Pehametria bezpośrednia – bezpośredni pomiar pH bez wzorcowych roztworów buforowych. Elektrody – wodorowa, chinhydronowa, antymonowa, bizmutowa 2. Pehametria pośrednia – do pomiaru pH stosuje się roztwory buforów wzorcowych. Metoda jest częściej stosowana, ma największą dokładność. Elektroda – szklana Miareczkowanie potencjometryczne Pomiar – zmiana potencjału w zależności od objętości zużytego odczynnika miareczkującego, określenie punktu końcowego miareczkowania. 1. Miareczkowanie pehametryczne Elektrody – szklana, chinhydronowa, wodorowa 2. Miareczkowanie redoksymetryczne Elektrody - wskaźnikowa – platynowa; odniesienia – NEK (nasycona elektroda kalomelowa) 3. Miareczkowanie precypitometryczne Elektrody – z metali biorących udział w oznaczeniu 4. Miareczkowanie kompleksometryczne Elektrody – jonoselektywna, rtęciowa 2. 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. Elektrograwimetria (elektroliza) Elektroda – katoda platynowa Zastosowanie – do oznaczania ilościowego pojedynczych substancji (metali) 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. 3. 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. Analiza kulometryczna bezpośrednia Substancja badana podlega reakcji bezpośredniej na elektrodzie. Analiza kulometryczna pośrednia Substancja reaguje z inną, wytwarzaną na elektrodzie. Aparatura kulometryczna: Kulometry wagowe, Kulometr miareczkowy, Kulometry gazowe, Kulometry kolorymetryczne. 4. Metody z pomiarem przewodnictwa lub pojemności elektrycznej Głównym zastosowaniem tych metod jest badanie czystości wody, powietrza, wilgotności gleby i czystości paliw. Konduktometria Obserwowane zjawisko – przewodnictwo (konduktancja – mierzona w simensach S) roztworów elektrolitów, zależna od stężenia, ładunku i rozmiaru jonów. Pomiar - przewodność elektrolitu Aparatura – konduktometr 5. Metody woltoamperometryczne 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. Polarografia Rodzaje – stałoprądowa; zmiennoprądowa; pulsowa; oscylopolarografia. Obserwowane zjawisko – elektroliza warstwy dyfuzyjnej. Pomiar – natężenie prądu, jako funkcja przyłożonego napięcia, proporcjonalnego do stężenia Aparatura - polarograf. Woltoamperometria Pomiar – zależność natężenia prądu od napięcia przyłożonego do elektrod. Rodzaje – woltoamperometria z liniowo zmieniającym się potencjałem; cykliczna; inwersyjna Zastosowanie – analiza śladowa, materiałów roślinnych, preparatów farmaceutycznych Metody rozdzielcze Służące wyizolowaniu substancji, jej identyfikacji i oznaczaniu, dzięki zróżnicowanej odpowiedzi specyficznych substancji na warunki rozdziału. Chromatografia Obserwowane 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 – chromatografia gazowa; cieczowa, kolumnowa; cienkowarstwowa. Ekstrakcja Wykorzystane zjawisko – selektywne przemieszczanie oddzielanego składnika z jednej fazy do drugiej. Parametry podziału – współczynnik ekstrakcji D, procent ekstrakcji %E. Rodzaje ekstrakcji – ciecz–ciecz; ciało stałe–ciecz; ciecz–ciało stałe (SPE). Aparaty – ekstraktor ciągły; aparat Soxhleta; kolumna SPE. Zastosowanie – ekstrakcja substancji z surowców roślinnych, rozdział mieszanin produktów. Elektroforeza Wykorzystane zjawisko – zróżnicowana szybkość poruszania się naładowanych cząstek mieszaniny w polu elektrycznym. Parametr podziału – ruchliwość elektroforetyczna Rodzaje – swobodna; w nośnikach; na bibule; na żelach; kapilarna. Zastosowanie – bardzo szerokie w analityce medycznej. Metody radiometryczne Polegają na pomiarze promieniowania jądrowego emitowanego przez naturalne i sztuczne izotopy promieniotwórcze. Również efekty naświetlania badanej próbki promieniowaniem jądrowym. 1. Metody oparte na absorpcji i odbiciu promieniowania jądrowego. 2. Metody oparte na pomiarze aktywności naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. 3. Metody polegające na wzbudzeniu atomów przez naświetlanie promieniowaniem ze źródeł izotopowych. Wzbudzone atomy emitują charakterystyczne promieniowanie fluorescencyjne. 4. Metody wskaźników promieniotwórczych.
