Analiza Instrumentalna
advertisement
Wyk 1 Chemia analityczna- samodzielna dyscyplina rozwijająca metody i narzędzia które pozwalają uzyskać informację o składzie i strukturze materii a także o dynamice przemian zachodzących w czasie i przestrzeni w badanych obiektach. Podstawowe pytanie na które chemia analityczna musi znaleźć odpowiedź: co- analiza jakościowa, ile- ilościowa, gdzie- rozmieszczeniowa, w jakiej postaci- specjacja, jaka struktura- analioza strukturalna. Tendencja do zastąpienia nazwy chemia analityczna ogólniejszym terminem analityka powoduje siłę podkreślenia, że dyscyplina nie jest ograniczona do wykrywania i oznaczania indywiduów chemicznych- atomów, jonów, związków chemicznych, rodników, ale obejmuje identyfikowanie i określenie ilościowe wszelkich form materii nieożywionej między innymi odmian fazowych tego samego związku chemicznego, czy minerału, a także np. oznaczenia w sposób ciągły zmian zawartości różnych składników (chemicznych, strukturalnych) podczas procesu badawczego, w procesie przemysłowym, w żywym organizmie. Analityka- Interdyscyplinarna nauka zajmująca się tworzeniem i praktycznym wykorzystaniem metod pozwalających na określenie ze znaną precyzją i dokładnością składnika chemicznego układów materialnych. Dzisiejsza chemia analityczna to nauka łącząca różne dziedziny chemii, fizyki, biologii, matematyki, teorii informacyjnej oraz wiele dziedzin techniki. Można ją generalnie podzielić na: Chemia analityczna- nauka o metodach analizy chemicznej (dyscyplina podstawowa, teoretyczna) Analiza chemiczna- nauka o praktycznym zastosowaniu i wykorzystaniu metod analizy chemicznej. Analiza -teoretyczna (opracowanie nowych metod i technik oznaczenia końcowego wraz z aparaturą oraz metodyka -stosowana *nauka badawcza (badania fizykochemiczna) *metoda biologiczna *kontrolno pomiarowa i procesowa *środowiskowa łącznie z monitoringiem Przedmiotem analityki jest opracowanie metodyki niezbędnej do uzyskania informacji o składzie badanej próbki -pozyskiwanie informacji o rodzaju i ilości składników włącznie z ich przestrzennym uporządkowaniem i rozmieszczeniem a także zmianami w czasie -wynikiem badań jest informacja uzyskiwana poprzez materialne lub energetyczne oddziaływania na badany obiekt. Chemia analityczna dostarcza informacji o: - składzie układów materialnych- analiza jakościowa i ilościowa substancji - strukturze cząsteczek i ciał stałych- informacje strukturalne dotyczące konfiguracji i konfirmacji cząsteczek a także zawierające dane o komórkach elementarnych kryształów - przemian zachodzących w czasie i/lub w przestrzeni w obrębie analizowanych cząsteczek- ten rodzaj analizy określa się mianem analizy procesowej lub dynamicznej i jest on stosowany do kontroli procesów biochemicznych i przemian chemicznych w środowisku oaz do kontroli procesów technologicznych Analizy rozmieszczenia - głównie informacje dotyczące niejednorodności ciał stałych. W tej dziedzinie powstały specjalne działy analizy chemicznej tj: analiza powierzchni i mikroobwodów. -Specjacja- głównie informacje dotyczące postaci chemicznej pierwiastków w środowisku. Analiza śladowa – oznaczanie składników próbki o zawartości poniżej 10-2%. W analizie śladowej wyróżnia się według zaleceń IUPAC -ślady 10-2-10-8% -mikroślady 10-8-10-11% -nanoślady 10-11-10-14% -pikoślady 10-14-10-17% Różne materiały wymagające oznaczenia zanieczyszczeń w różnym zakresie: -materiały półprzewodnikowe w zakresie 10-4-10-9% -materiały reaktorowe i paliwa jądrowe 10-4-10-7% -próbki biologiczne w zakresie 10-3-10-12 Analiza śladowa obejmuje zarówno pierwiastki metaliczne i niemeteliczne oraz różnego typu związki nieorganiczne i organiczne. Zastosowanie chemii analitycznej: - przemysł (chemiczny, potrochemiczny, spożywczy, farmaceutyczny i branże niechemiczne)- kontrola procesów technologicznych, wykonywanie specjalnych analiz surowców i produktów, analizowanie przyczyn awarii - ochrona środowiska- ocena stanu powietrza, wód i gleby w skali jednostkowej i kompleksowej (międzynarodowe sieci monitoringu) - medycyna i ochrona zdrowia- rutynowe oznaczenia kliniczne - rolnictwo- kontrola analityczna umożliwiająca racjonalne stosowanie nawozów sztucznych, pestycydów, regulatorów wzrostu zapewniając maksymalizację zbiorów przy minimalnym skażeniu środowiska Metoda analityczna- sposób wykrywania lub oznaczania składników próbki Technika analityczna- zespół metod analitycznych opartych na tej samej zasadzie fizycznej lub/i na stosowaniu aparatury działającej na tej samej zasadzie. Oznaczanie - określenie ilościowej zawartości danego składnika w badanej próbce. Wykrywanie - postępowanie mające na celu stwierdzenie obecności lub nieobecności określonego jonu lub związku w badanej próbce Wyk 2 Wykrywalność- najmniejsze stężenie lub ilość wykrywanego składnika w danej próbce przy którym można go jeszcze wykryć daną metodą z określonym prawdopodobieństwem. Używa się także terminu granica wykrywalności lub limit detekcji. Oznaczalność- najmniejsze stężenie lub ilość składnika w badanej próbce przy których można jeszcze ten składnik oznaczyć daną metodą. Używa się także terminu granica oznaczalności Czułość metody analitycznej: stosunek przyrostu sygnały analitycznego do odpowiadającego mu przyrostu stężenia lub zawartości oznaczanego składnika. Próbka- podzbiór populacji podlegających bezpośrednio badaniu ze względu na daną cechę w celu wyciągnięcia wniosku o kształtowaniu się wartości tej cechy w populacji Próbka reprezentatywna- próbka której struktura pod względem badanej cechy nie różni się istotnie od struktury populacji generalnej Próbka laboratoryjna- próbka przygotowana z próbki ogólnej reprezentująca właściwości partii produktu przeznaczonego do prowadzenia analiz. Próbka analityczna- część produktu wydzielona z próbki laboratoryjnej przeznaczona w całości do jednego oznaczenia lub wykorzystywana bezpośrednio do badań lub obserwacji Próbka ślepa (zerowa)- wykonana w warunkach identycznych jak analiza badanej próbki ale bez dodawania substancji oznaczanej. Selektywność metody- możliwość jej zastosowania do wykrywania lub oznaczania tylko pewnej niewielkiej liczby składnika Specyficzność metody- możliwość zastosowania metody w określonych warunkach do oznaczania lub wykrywania tylko jednego składnika Metody klasyczne a instrumentalne Metody klasyczne- miareczkowe (objętościowe) i wagowe- najstarsze metody analityczne, zachowały swe znaczenie z racji względnej łatwości wykonania oznaczenia, dostępności sprzętu, oraz dokładności i precyzji rzadko osiąganych w technikach instrumentalnych. Są niezastąpione w standaryzowaniu wzorców wykorzystywanych w analizach dokonywanych metodami pośrednimi. Metody instrumentalne- opierają się na pomiarze wielkości fizycznych określających właściwości substancji. Charakteryzują się często bardzo dużą czułością, łatwością i szybkością wykonania pomiaru jednakże czas oznaczenia może trwać dość długo, dłużej niż w metodach klasycznych. Zalety metod instrumentalnych -duża czułość, a tym samym duża wykrywalność i oznaczalność w porównaniu z m. klasycznymi -metodą instrumentalną można oznaczyć zawartość składników rzędu 10-5%i mniejsze, a w m. klasycznej 10-1%(analiza objętościowa) i 10-2%(analiza wagowa) -duża szybkość wykonania analiz, jednakże w wielu metodach instrumentalnych łączny czas oznaczenia rozpoczynający się przygotowaniem próbki, a kończący na właściwym pomiarze może trwać dość długo -obiektywność – pomiar dokonywany jest za pomocą odpowiedniego miernika elektrycznego lub odczytu cyfrowego -można je dość łatwo automatyzować i komputeryzować- skrócenie czasu analizy oraz wzrost dokładności i precyzji wyników, dzięki eliminacji subiektywnych błędów przypadkowych. Automatyzacja zmniejsza koszty analiz seryjnych i umożliwia otrzymanie wyników w formie gotowych wydruków. Wady: -metody instrumentalne nie są metodami dokładnymi, a często także nie są precyzyjne. Im większa czułość danej metody tym mniejsza jej dokładność i większe wartości popełnianych błędów -precyzja oznaczeń wyrażona wartością odchylenia standardowego(w metodzie klasycznej wartość odchylenia stand. Jest rzędu 10 lub 00 części procenta, w instrumentalnej rzędu kilku procent) -względna dokładność i precyzja metod klasycznych jest o około rząd wielkości większa niż metod instrumentalnych -porównywalny charakter – nie otrzymuje się bezpośrednich danych o stężeniu analizowanego składnika, tylko wartości odpowiednich wielkości fizycznych lub fizykochemicznych -metody klasyczne są metodami bezwzględnymi. Nie wymagają przygotowywania roztworów -konieczność stosowania odpowiedniej, niekiedy bardzo drogiej aparatury. Metody instrumentalne są to metody, w których: -sygnał uzyskuje się za pomocą aparatury pomiarowej poprawne stosowanie metod instrumentalnych wymaga pełnego zrozumienia: zasady fizykochemicznej, na której oparta jest metoda instrumentalna, ograniczeń wynikających z zastosowania metody pomiarowej. Przy wyborze techniki instrumentalnej oprócz czynników merytorycznych powinny być uwzględnione: -koszt aparatury -koszt utrzymania aparatury i niezbędnego do pracy -wyposażenia dodatkowego (odczynniki, części zamienne, wzorce, itd.) -złożoność postępowania analitycznego -wymagania od obsługi zręczności technicznej i manualnej Rozwój chemii analitycznej -badana złota i srebra w Egipcie -twórca chemii analitycznej chemik i fizyk, brytyjczyk Robert Boyle (1627-1691) wprowadził pojęcie pierwiastka, jako składnika ciał złożonych, pojęcia związku chemicznego i reakcji chemicznej, wprowadził lakmus i inne barwniki roślinne do wykrywania kwasów i zasad -rozwój analizy ilościowej – Michaił Łomonosow (1711-1765) –prawo zachowania masy w reaktorach chemicznych(1748), -1779 – Antoine Lavoisiera - prawo zachowania masy w reaktorach chemicznych prace te doprowadziły do zastosowania wagi w badaniach chemicznych i pozwoliły na ustalenie ilościowego składu wielu ważnych związków -John Dalton – teoria atomistyczna, atom, budowa pierwiastków -Jonsa Jackob Berzelius oznaczył masy atomowe ok. 50 pierwiastków -Joseph Louis Gay-Luccas – objętościowe pomiary cieczy -Dimitrij Mendelejew – układ okresowy pierwiastków(1869) rozwój metod instrumentalnych -twórcy: P. Bouguer(1729), J.L. Lambert, A. Beer wyniki tych trzech baraczy stały się podstawą kolorymetrii, a następnie spekrtofotometrii absorpcyjnej -Bouguer (1729) określił ilość światła traconego przy przechodzeniu przez atmosferę -August Beer – prawo Lamberta i Beera jest wynikiem połączenia 2 praw optyki prawa Bouguera i Beera – ilość światła przechodzącego przez dany obiekt. Wyk 3 -Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) fizyk niemiecki i Gustaw Robert Kirchoff chemik w 1859 roku Bunsen i Kirchoff opracowali podstawy atomowej analizy spektralnej, co stało się podstawą rozwoju takich metod jak: spektrogafia, fotometria płomieniowa i emisyjna spektrometria atomowa -w latach 1953-55 A.Wolsh oraz C.T. Alkemode i J.M.Miltz wykorzystali te same zależności do zjawiska absorpcji promieniowania przez atomy pierwiastka oznaczonego w próbce, wprowadzonej we właściwy sposób do płomienia, stwarzając podstawy absorpcyjnej spektrometrii atomowej. Metody te należą dziś do jednych z najczęściej stosowanych w analizie chemicznej. Metody elektrochemiczne pojawiły się w 2 poł XIX w. -w 1864 r J.Willard Gibbs opracował metodę elektrolitycznego oznaczenia miedzi i niklu -w 1893 r. powstała praca Behrenda poświęcona miareczkowaniu potencjometrycznemu -w 1922 r. Jarosła Heynarski przedstawił podstawy polarografii, za której rozwój i późniejsze osiągnięcia dostał nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1959 -w 1895 r. W.K. Roentgen odkrył promieniowanie X, co zapoczątkowało rozwój rentgenowskich metod analizy -w 1898 r. Becguerel, Curie i Skłodowska odkryli zjawisko promieniotwórczości, za co otrzymali w 1903 r. Nagrodę Nobla. Odkrycie to stało się podstawą radiometrycznych metod analizy. Skłodowska w 1903 r. z fizyki, drugi raz z chemii w 1911 r. za wydzielenie czystego radu. Dalszy rozwój tych metod stał się możliwy dzięki otrzymaniu przez Irenę i Jeana Frediera Jolid-Curie sztucznych izotopów promieniotwórczości -w 1904 r. Michaił Cwiet opublikował pracę o rozdzieleniu barwników zawartych w roślinach na kolumnie wypełnionej węglanem wapnia, początkując tym powstanie metod chromatograficznych . Podział instrumentalnych metod analizy chemicznej Metody instrumentalne oparte zjawiskach fizycznych: absorpcja promieniowania -spektrometria absorpcyjna cząsteczkowa (vis, uv, ir) -absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA) -absorpcja promieni rentgenowskich -magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) -elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR, ESR) rozproszenie promieniowania -turbidymetria rozproszenie promieniowania -nefelometria -dyfrakcja promieni rentgenowskich odbicie światła -refraktoktometria załamanie światła -refraktometria -interferometria skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego -polarymetria emisja promieniowania -fotometria płomieniowa -spektrografia i spektrometria emisyjna -fluorescencja rentgenowska -fluorescencja atomowa -spektrofluorymetria strumień cząsteczek naładowanych w polu magnetycznym o różnym stosunku m/z -spektrometria mas strumień elektronów lub jonów o różnej energii -spektrometria elektronów i jonów efekty cieplne(bez zmiany masy) -termiczna analiza różnicowa (DTA) Metody instrumentalne oparte na zjawiskach fizykochemicznych wydzielanie elektrolityczne -elektrograwimetria -kulometria i miareczkowanie kulometryczne przepływ prądu między elektrolitami -polarografia -woltoamperografia -amperometria i miareczkowanie amperometryczne zmiana potencjału elektrody wskaźnikowej -potencjometria i miareczkowanie potencjometryczne przewodnictwo elektryczne roztworów -konduktometria i miareczkowanie konduktometryczne -oscylometria i miareczkowanie oscylometryczne promieniowanie alfa, beta, gamma powstające w wyniku reakcji jądrowych -metody radiometryczne zmiana masy ogrzewanej próbki -termograwimetria(TG) efekty cieplne(związane ze zmianą masy) -termiczna analiza różnicowa(DTA) Podział metod instrumentalnych metody optyczne – związane ze sprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na próbkę metody spektroskopowe – związane z niesprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na próbkę metody elektroanalityczne(elektrochemiczne) – związane z efektami towarzyszącymi przepływowi prądu elektrycznego przez badany roztwór lub spowodowane reakcjami zachodzącymi na elektrodach zanurzonych w badanym roztworze metody rozdzielcze – polega na przeprowadzeniu oznaczonego składnika mieszaniny lub substancji przeszkadzających do innej fazy metody radiometryczne – związane z efektami naturalnej lub sztucznej promieniotwórczości oraz efekt współdziałania promieniowania jądrowego z badaną próbką. Metoda optyczna Promieniowanie elektromagnetyczne – rodzaj energii, która może przybierać różne formy, z których najbardziej znane to światło i promieniowanie cieplne Promieniowanie elektromagnetyczn można traktować dwojako: - jako falę (model fali sinusoidalnej) - jako strumień fotonów (model korpuskularny) Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z próbką może być sprężyste i niesprężyste. W czasie oddziaływań sprężystych nie zachodzą zmiany ilości energii promieniowania, lecz wyłącznie zmiany jego kierunki (fali lub promieniowania korpuskularnego) Do metod opartych na sprężystych oddziaływaniach promieniowania z materią robią: -refraktometria(załamanie światła) -interferometria(interferencja światła) -polarymetria(polaryzacja światła i skręcanie płaszczyzny polaryzacji) -nefelometria(rozproszenie światła) -turbidymetria(rozproszenie światła) Metody spektroskopowe Podczas niesprężystego oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką zachodzi między nimi wymiana energii zgodnie z regułami kwantowooptycznymi. W wyniku oddziaływań niesprężystych można uzyskać dwa widma dwa rodzaje, które są podstawą metod spektroskopowych, absorpcyjnych i emisyjnych. W metodach spektroskopowych wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu 106(częstotliwość radiowa) do 1029 Hz (częstotliwość rentgenowska). Metody oparte na zjawisku absorpcji promieniowania przez cząsteczki badanego ośrodka: -spektrofotometria UV (zakres nadfioletu) -spektrofotometria VIS (zakres światła widzialnego) -spektrofotometria IR (zakres podczerwieni) -spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego NMR(zakres fal radiowych) -spektroskopia paramagnetycznego rezonansu elektronowego EPR lub ESR (zakres mikrofal) Metody oparte na zjawisku absorpcji promieniowania przez etapy próbki -atomowej spektrometrii absorpcyjnej AAS (zakres UV i VIS) -absorpcji rentgenowskiej Pochłonięta(zaabsorbowana) energia jest następnie tracona przez daną próbkę w wyniku emisji odpowiedniego kwantu promieniowania lub w wyniku przejść bezemisyjnych (rozproszenie cieplne). Wykł. 4 Metody spektroskopowe oparte na zjawisku wybudzania przez atomy badanego ośrodka, następnie emisji promieniowania przez cząsteczki badanego ośrodka: -fluorymetria (zakres UV i VIS) -spektroskopia ramanowska (zakres IR) -fluorescencja rentgenowska (wzbudzanie promieniami rentgenowskimi) -fluorescencja atomowa (wzbudzanie promieniowaniem UV i VIS) -fotometria płomieniowa (wzbudzanie termiczne w płomieniu palnika) -spektrografia i spektrometria emisyjna (wzbudzanie termiczne za pomocą np. łuku lub iskry elektrycznej) Do metod spektroskopowych zalicza się na ogół także spektrometrię masową, w której wykorzystuje się zjawisko jonizacji oznaczonych składników próbki i odchylanie powstałych jonów w polu magnetycznym proporcjonalnie do stosunku ich ładunku do masy(z/m). w efekcie powstaje widmo badanej próbki, które służy do oznaczenia jakościowego i ilościowego składników danej próbki. Metody elektroanalityczne metody potencjometryczne polegają na pomiarze potencjału elektrody wskaźnikowej zanurzonej w badanym roztworze, przy czym potencjał ten jest proporcjonalny do stężenia oznaczanego jonu. *potencjometria bezpośrednia *miareczkowanie potencjometryczne Metody elektrolityczne – polegają na przepływie prądu elektrycznego między elektrodami zanurzonymi w roztworze i wydzieleniu oznaczonego składnika na jednej z elektrod, a następnie jego zważeniu *elektrograwimetria (elektroliza) *elektroliza wewnętrzna Metody kulometryczne – polegają na pomiarze ładunku elektrycznego przepływającego przez badany roztwór elektrolitu, niezbędnego do przeprowadzenia reakcji elektroutleniania lub elektroredukcji oznaczonego składnika. Oznaczanie pośrednie – do badanego roztworu wprowadza się odpowiednio substancję, której produkt utleniania lub redukcji reaguje ilościowo z oznaczanym składnikiem. Rozróżnia się: -metody kulometryczne przy stałym potencjale -metody kulometryczne przy stałym natężeniu prądu Metody oparte na pomiarze przewodnictwa lub pojemności elektrycznej: -konduktometria -miareczkowanie konduktometryczne -oscylometria -miareczkowanie oscylometryczne Metody woltamperometryczne – polegają na pomiarze natężenia prądu elektrycznego płynącego w układzie 2 odpowiednich elektrod zanurzonych w badanym roztworze, pod wpływem napięcia przyłożonego do tych elektrod. *polarografia stałoprądowa *polarografia zmiennoprądowa *polarografia pulsowa *oscylopolarografia *woltamperometria *miareczkowanie amperometryczne z jedną lub dwiema elektrodami polaryzowanymi. Metody rozdzielcze metody rozdzielcze -chromatografia – wykorzystuje się zjawisko podziału składników mieszaniny między fazę nieruchomą(stacjonarną) i ruchomą układu chromatograficznego -ekstrakcja – wykorzystuje się selektywne przemieszczanie oddzielanego składnika z jednej fazy do drugiej -elektroforeza – wykorzystuje się zróżnicowaną szybkość poruszania się naładowanych cząsteczek badanej mieszaniny w polu elektrycznym. Metody radiometryczne – oparte na absorpcji i odbiciu promieniowania jądrowego Metody oznaczania naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w wyniku bezpośredniego promieniowania ich aktywności *metody aktywacyjne – polega na naświetleniu badanej próbki odpowiednim promieniowaniem (głównie neutronami i fotonami) -metoda aktywacji neutronami termicznymi (reaktorowa) -metoda aktywacji neutronami szybkimi (generatorowa) -metoda fotoaktywacja (betatronowa) *niedyspresyjna fluorescencja rentgenowska – polega na wzbudzeniu atomów poprzez naświetlenie ich promieniowaniem Y ze źródeł izotopowych. Wzbudzone atomy emitują następnie charakterystyczne promieniowanie fluorescencyjne. *metoda wskaźników promieniotwórczych – stosowana szczególnie w metodach rozdzielczych. METODY OPTYCZNE refraktometria Światło padające na powierzchnię oddzielającą od siebie dwa ośrodki przezroczyste częściowo ulega, na granicy tych ośrodków, odbiciu, a częściowo przechodzi do drugiego ośrodka zmieniając na powierzchni granicznej kierunek swego biegu. Jeżeli światło rozchodzi się w tych ośrodkach z różną prędkością, wtedy następuje zjawisko jego załamania(refrakcja) będącego wynikiem zmiany długości fali świetlnej. Zmiana odbicia i załamania światła zostały ujęte ilościowo w 1626 r. przez Snellina w postaci praw optyki geometrycznej. 1. promień padający, odbity, załamany oraz prosta prostopadła do płaszczyzny rozgraniczającej obydwa ośrodki w punkcie padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie. 2. kąt padania = kąt odbicia 3. stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla danych dwóch ośrodków wielkością stałą, zwaną względnym współczynnikiem załamania lub współczynnikiem refrakcji n21 (ośrodka pierwszego względem drugiego) n21 = sin alfa / sin beta alfa - kąt padania; beta – kąt załamania Jeżeli kąt padania alfa jest większy od kąta załamania beta to ośrodek 1 jest optycznie rzadszy niż ośrodek 2 i odwrotnie. Ośrodek optycznie rzadszy – to ośrodek o mniejszym współczynniku załamania. Jeżeli kąt padania alfa zwiększy się do 90º, wówczas kąt załamania beta również zwiększy się i osiągnie maksymalną wartość, zwaną kątem granicznym (beta graniczne) Jeżeli kąt padania będzie większy niż 48,6° promień nie będzie załamywany, ale całkowicie odbijany. Jest to zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Najmniejszy kąt padania n21 = sin 90°/ sin beta gran. Pomiar kąta granicznego beta gran. umożliwia obliczenie wartości współczynnika załamania światła w danym ośrodku. Wartość współczynnika załamania światła dla danych dwóch ośrodków zależy między innymi od długości fali i temperatury. Rośnie ona w miarę stosowania coraz krótszych długości fali użytego światła. W celu zwiększenia dokładności pomiarów laboratoryjnych używa się światła monochromatycznego o długości fali linii. Refraktometria – polega na wyznaczaniu współczynnika refrakcji n, wielkości zależnej od rodzaju substancji lub w przypadku mieszanin od składu i stężenia roztworu. Pomiar współczynnika refrakcji polega na wyznaczeniu kąta granicznego za pomocą refraktometrii. Pomiary współczynnika załamania światła wykonuje się na refraktometrze Abbego. Promień świetlny pada po odbiciu od lustra na pryzmat, załamuje się w warstwie cieczy badanej i następnie przechodzi przez drugi pryzmat, system optyczny, skrzyżowanie nitki, wpada do okularu, w którym widzimy skrzyżowanie nitki. Przez obrót pryzmatów zmieniamy kąt padania do momentu kiedy na skrzyżowaniu nitek, obserwowanych w okularze, pojawi się granica cienia. Zachodzi to dla kąta padania równego kątowi granicznemu. Wtedy przez lupę sprzęgniętą na stałe z lunetą główną odczytujemy na skali wartości współczynnika n. Wyk 5 Zastosowanie refraktometrii Współczynnik załamania światła jest wielkością charakterystyczną dla substancji. Jego prawidłowe wyznaczenie w stałej temperaturze i przy zastosowaniu znormalizowanego światła, pozwala na identyfikację badanego związku chemicznego. Dużą zaletą metody refraktometrycznej jest szybkość pomiaru i małe zużycie badanej substancji. Refraktometria umożliwia identyfikację substancji oraz oznaczenia ilościowego. Zastosowanie : -przemysł rolno-spożywczy (oznaczanie zawartości tłuszczów, cukru, alkoholu np. w maśle, margarynie, mleku, oleju, miodzie, syropu, piwie, winie) -przemysł farmaceutyczny i kosmetyczny – oznaczanie stężenia substancji czynnych, olejków eterycznych, soli nieorganicznych, kwasów i zasad rozpuszczalników organicznych -przemysł paliwowy – wyznaczanie składu frakcji destylacyjnych w przetwórstwie ropy naftowej -przemysł odlewniczy, obróbka -medycyna -biotechnologia -biochemia Podział użytkowe refraktometrów: refraktometry kliniczne i weterynaryjne – zastosowanie w badaniach ciążowych, właściwego moczu, koncentracji białka w osoczu i surowicy krwi, całkowitej zawartości substancji stałych w roztworach wodnych laboratoryjne – wykorzystywane w laboratoriach klinicznych, przemysłowych, stosowane przy produkcji farmaceutyków, kosmetyków, żywności, napojów, paliw, biopaliw, produktów rafineryjnych, smarów, emulsji przemysłowych, środków chemicznych. Wykorzystywane do kontroli jakości oraz próbek analizy tzw. „próbek wymagających” – atramenty, tusze, koncentraty z owoców ciemnych. refraktometry dla branży spożywczej – pomiar i kontrola zawartości cukrów, stężenia syropów, kontrola procesu produkcji zalew, olejów roślinnych, przypraw, koncentratów, jakości produktów i płodów rolnych. Dla przemysłu – wyznaczanie stosunków ilościowych oraz stopień koncentracji rozpuszczalnych w wodzie płynów przemysłowych, emulsji, smarów syntetycznych, olejów chłodząco-smarujących. Samochodowe – pomiar płynów do chłodnic samochodowych, płynów hamulcowych, sprawdzanie naładowania baterii. Polarymetria Polarymetria to technika, która wykorzystuje zjawisko skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego do wykrywania lub oznaczania stężenia substancji optycznie czynnej np. w analizie środków leczniczych. Przyrządem służącym do oznaczania kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego jest polarymetr. Wiązkę światła liniowo spolaryzowanego otrzymuje się po przepuszczeniu wiązki światła monochromatycznego (lampy sodowej) przez pryzmat Nicola (nikol) Pryzmat Nicola to dwójłomny kryształ szpatu islandzkiego, który szlifuje się pod kątem 68*, przecina wzdłuż przekątnej po czym obie połówki sklej balsamem kanadyjskim (ekstrakt z żywicy jodły balsamicznej) o współczynniku załamania równym 1,54 (identyczny lub bardzo zbliżony do współczynnika dla wielu rodzajów szkła). Główny przekrój jest płaszczyzną polaryzacji pryzmatu. Wchodzący do pryzmatu Nicola promień światła rozszczepia się na dwa promienie: zwyczajny o nadzwyczajny. Promień zwyczajny – pada na warstwę balsamu kanadyjskiego pod kątem większym od granicznego, dlatego ulega odbiciu i wygaszaniu. Promień nadzwyczajny – zaś pod kątem mniejszym od granicznego, dlatego przechodzi bez zmian. Spolaryzowane promienie nadzwyczajne po opuszczeniu pryzmatu Nicola biegną dalej w tym samym kierunku, co promienie padające na ten pryzmat. Zatem pryzmat Nicola przepuszcza drgania fali elektromagnetycznej tylko w jednej płaszczyźnie, natomiast wygasza drgania w innych płaszczyznach. Po przepuszczeniu światła monochromatycznego przez dwa pryzmaty Nicola, ustawione jeden na drugim, natężenie światła spolaryzowanego zależy od ustawienia drugiego. Światło spolaryzowane wykazuje maksymalne natężenie, gdy płaszczyzny polaryzacji obu pryzmatów Nicola są do siebie ustawione równolegle. W przypadku gdy jeden zostanie odwrócony wokół swej osi można zaobserwować coraz większe zacienienie w polu widzenia, t.j. wygaszanie światła wychodzącego z polarymetru. Maksymalne zacienienie, czyli wygaszenie światła ma miejsce gdy kąt obrotu pryzmatu Nicola osiągnie 90°, wówczas płaszczyzny polaryzacji(główne przekroje) obu pryzmatów są do siebie prostopadłe (skrzyżowane). W takim ułożeniu drugi pryzmat Nicola nie przepuszcza wiązki światła spolaryzowanego wychodzącego z pierwszego. Wiązka odbija się od warstwy balsamu w drugim pryzmacie i dalej biegnie jako wiązka promieni zwyczajnych. Schemat udowy polarymetru: -źródło światła -filtr żółty dający światło monochromatyczne -soczewka dająca wiązkę promieni równoległych -polaryzator -płytka kwarcowa -rurka polarymetru -analizator -okular W polarymetrach pierwszy pryzmat Nicola jest nieruchomy i nosi nazwę polaryzatora, ponieważ służy do wytwarzania wiązki światła spolaryzowanego. Drugi to analizator, który jest ruchomy wokół osi optycznej i sprzężony ze skalą kątową, służącą do odczytu wektorów kąta skręcania. Zasada działania polarymetru: Jeśli między pryzmatami Nicola(skrzyżowane) umieści się substancję optycznie czynną, która skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego o kąt alfa, pole widzenia w okularze rozjaśni się proporcjonalnie do stężenia tego związku. Jeśli w rurce polarymetrycznej umieści się substancję optycznie czynną lewoskrętną, wówczas pojawi się pasek jasny w środkowej części pola widzenia, któremu towarzyszą po bokach pola ciemne. Jeżeli w rurce polarymetrycznej umieści się substancję prawoskrętną wówczas pojawi się pasek ciemny w środkowej części pola widzenia, któremu towarzyszą po bokach pola jasne. wykł 6 Podstawą polarymetri jest zależność wyrażona wzorem a= [alfa]D · c·l a-zamierzony kąt skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego alfa – skęcalność właściwa c- stężenie związku amonowego l- grubość warstw roztworu Wartość mierzenia kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego przez związek optycznie czynny, zależy od stężenia substancji, grubości warstwy, od samej budowy chemicznej tej substancji, rodzaju substancji, jej budowy, ilości, i rozmieszczenia ich centrów, chiralności. Zastosowanie polarymetrii: - Przemysł żywieniowy- kontrola jakości wstępnej pośredniej finalnego produktu, uwzględniając stężenie i kontrolę czystości - Przemysł cukrowniczy, mleczarski, winiarski, napoi, owoców, dodatki do żywności - p. farmaceutyczne- kontrola czystości i uzależnienie stężenia substancji od wymogów europejskich, amerykańskich lub innej formakopeii - medycyna- analiza cukru i albumin w moczu, hormonu wzrostu, enzymologia i toksykologia - p. kosmetyczny- kontrola czystości i identyczności aktywnych optycznie olei i esencji chemiczny- kontrola czystości i uzależnienie stężenia pyłów organicznych i nieorganicznych jonów badania chemiczne- analiza optycznej aktywności komponentów i analiza strukturalna Turbidymetria i nefelometria : - często się zdarza że jakaś substancja występująca w śladowych ilościach w analizowanej próbce musi być szybko i równocześnie dokładnie oznaczona ilościowo, jednak nie można jej przeprowadzić w kompleksowych przyrządach do analizy spektrofotometrycznej. Stosunkowo łatwo można tą substancję wytrącić w postaci bardzo rozdrobnionej koloidalej zawiesiny w jakimś rozpuszczalniku. Zjawisko rozproszenia światła przez zawiesiny i inne mętne próbki jest przeszkodą w absorpcji i fluorescencji lecz sama jest wykorzystywana w badaniach min. zawiesin komórek. O ile ta zawiesina jest bezbarwna , a poszczególne jej cząstki są prawie naddyspersyjne, jednakowego kształtu, jednakowych rozmiarów, jeżeli ponadto ta zawiesina jest trwała (nie ulega koagulacji) i dostatecznie w długim przedziale czasu właściwości optyczne nie ulegają zmianie, dobrą metodą analityczną okazuje się turb i nefr. - Te metody polegają na pomiarze wielkości zwanej zmętnieniem…. - - - Jeżeli przez roztwór koloidalny przepuści się wiązkę światła to w skutek uginania się promieni na cząsteczkach fazy rozproszonej, światło staje się widoczne w postaci tzw. stożka Tyndalla. Światło ugina się na cząsteczkach o wymiarach mniejszych od połowy długości fali. Ze źródła światła promień świetlny pada na kuwetę z roztworem koloidalnym. W wyniku rozproszenia światła na cząsteczkach tego roztworu tworzy się stożek światła. Pomiar nefelometryczny to pomiar światła rozproszonego zaś pomiar turbidymetryczny to pomiar światła przepuszczonego przez próbkę. Turbidymetria - nie różnią się w zasadzie od absorpcjometrii i do celów turbidymetrycznych można z powodzeniem stosować zwykły absorpcjometr i spektrofotometr. Do celów nefelometrycznych, używa się natomiast przyrządów o nieco innej konstrukcji pozwalającej mierzyć natężenie światła rozproszonego pod kątem 90 stopni zwanych nefrometrami - Do dużych pomiarów zmętnień mogą być stosowane obie metody(równorzędne) Do małych stężeń lepiej nadaje się metoda nefelometryczna( jest czulsza) Zaznaczyć zależy ze obie metody należą do klasy najczulszych metod analitycznych. Wykrywalność metody nefelometrycznej sięga niekiedy 1/300ppm jak w przypadku oznaczenia fosforu wytrąconego od czynnika strychniomolibdenianowym , w przypadku oznaczenia amoniaku za pomocą odczynnika Nesslera, wykrywalność sięga 1/160ppm Zastosowanie turbinymetrii i neflorymetrii: - oznaczenie siarki i siarczanów, w postaci siarczanu borowego, halogenków w postaci halogenków srebra, ołowiu w postaci siarczanu ołowiu - oznaczenie zanieczyszczeń w powietrzu: dymy, aerozole, gazy bojowe, niektóre bakterie - oznaczenie fazy rozproszonej w emulsjach koloidalnych np. mleku - określenie efektywności procesu filtracyjnego - dla różnych analiz biochemicznych ( mocz, krew) - do oznaczania białek i innych. Spektrofotometria: - dział nauki zajmujący się oddziaływaniem promieniowania elektrycznego z materią we wszystkich jej makro i mikropozycyjnych formach??? - Oddziaływanie to charakteryzuje się tym, że energia jest pochłaniana (absorbowana) lub wysyłana (emitowana przez materię w skończonych porcjach- kwantach energii. - Badając długość fali lub częstość absorbowanego lub emitowanego promieniowania możemy wyznaczyć wartość zmian energii w procesie oddziaływania promieniowania z energią a tym samym określić poziomy energetyczne badanego układu. - Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać jako falę i jako strumień fotonu - Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni i czasie wspólne drgania pól elektrycznego i magnetycznego. - Fali elektrycznej można przyporządkować długość i częstość. λ = c/v λ – długość fali v - częstość ( liczba cykli na jednostkę czasu Hz) c - jest to prędkość rozchodzenia się światła w próżni prędkość rozchodzenia się promieniowania elektromagnetycznego w ośrodku naturalnym n nazwano bezwzględnym czynnikiem załamania n n = c/w zakres długości fali obejmujące promieniowanie magnetyczne od bardzo krótkich fal promieniowani kosmicznego ( 10 –14) do bardzo długich fal radiowych (10-6) wykł.7 Spektroskopia: inny sposób opisania promieniowania elektromagnetyczneego , polega na traktowaniu go jako strumienia cząsteczek fotonu. - Fotony niosą ze sobą ściśle określoną energię, która wyraża zależność Plankca : E = hv E – energia promieniowania h – stała Plankca v- częstość - Równanie foftoelektryczne: - Planck Ef = hv (h- stała plankca) - Einstein hf = w+½mcv2 hf- energia padającego fotonu w- praca wyjścia elektronu z metalu v- energia kinetyczna elektronu max. Spektroskopia malekularna : - zajmuje się oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z cząsteczkami . zmiana stanów energetycznych cząsteczkioddziałującej z promieniowaniem elektromagnetycznynym ma charakter złożony, gdyż na całkowitą energię cząsteczki skłądja się energie związane z róznymi formami ruchu. W cząstecze wieloatomowej można wyróżnić: - energia translacji - wynik swobodnego ruchu cząsteczek w przestrzeni - energia rotacji - związana z obrotem cząsteczki wokół osi przez jej ośrodek masy - energia oscylacji - związana z drganiami atomów wokół położenia równowagi, analogicznie do oscylacji sprężyście położonych kulek - energia elektronowa - obejmująca energię kinetyczną elektronów w cząsteczce i energię potencjalną związana z przyciąganiem elektronów przez jądro i odpychaniem przez sąsiednie elektrony Spektrofotoetria UV- VIS: - spektrofotometria w zakresie nadfioletu(UV) - promieniowania widzialnego(WIS)- czyli spektrofotometria UV-WIS jest jedną z najstarszych metod instrumentalnych w analizie chemicznej - spektrofotometry UV-WIS przyrządy do badania absorpcji, promieniowanie elektromagnetycznego w nadfiolecie i w zakresie widzialnym widma 400-700mm. Początki metody sięgają kolorymetrii a pierwszymi przyrządami były wizualne kolorymetry. Pomiar absorpcji promieniowania odbywał się przez porównanie intensywności zabarwienia 2 roztworów, z których 1 był roztworem a drugi roztworem badanym Kolorymetr- zalecany do obiektywnych pomiarów barwy, niejednolitych powierzchni jak : drewno, kamienie, cegły, tynki, proszki, mętne ciecze, pasty, mięso, owoce, ziarno zbóż, ziarno koniczyny polnej i kawy mielonej Fotokolorymetr - następcy kolorymetrów wizualnych, w których wizualną ocenę zabarwienia zastąpioną pomiarem fotometrycznym . Spektrofotometr- aparat umożliwiający jednoczesną analizę spektralną światła i pomiaru promienia świetlnego. Stosowany jest min. absorpcyjnej analizie spektralnej do pomiaru przepuszczalności lub absorpcji promieniowania w …… długości fali. Ze względu na konstrukcję wyróżnia się : - spektrofotometry + jednowiązkowe + dwuwiązkowe Ze względu na zakres pomiaru - na nadfiolet (spektrofotometr UV) - na światło widzialne spektrofotometr VIS - na podczerwień IR Składowe typowego spektrofotometru VIS: - źródło promieniowania np., lampy: wodorowa lub deuterowa dla zakresu UV, wolframowa lub halogenowa dla zakresu VIS Monochromator -jego zadaniem jest rozszczepienie promieniowania polichromatycznego emitowanego przez źródło promieniowania i wyodrębnienie wąskiego zakresu długości fali. Zbudowany jest z kolimatorów (układów przesłon służących do uzyskania równoległej wiązki promieniowania) na wejściu i wyjściu oraz pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej zastosowanych do rozszczepiania światła. Po przejściu przez monochromator promieniowanie pada na odpowiednio wąską szczelinę wyodrębniającą pożądany zakres promieniowania. Kuweta pomiarowa -specjalne naczynie zawierające roztwór lub odnośnik. W zależności od warunków pomiarowych może być szklana (zakres fal o dł. 340-900nm), kwarcowa (fala 190-1100nm) lub z tworzyw sztucznych (zakres Vis). Długość drogi optycznej waha się zwykle od 5 do 100nm (dla zakresu Vis 10-20mm) Detektor -przetwarza energię padającego promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną. (sygnał elektryczny jest proporcjonalny do odbieranego sygnału optycznego) Funkcję tę spełnia fotokomórka, fotopowielacz, fotoopornik lub fotodioda. Układ pomiarowy(rejestrator)-galwanomert lub mikroprocesor -obecnie jest to zazwyczaj mikroprocesor. Komputery pozwalające na rejestrację i matematyczną obróbkę danych wymagają specjalnego oprogramowania. Analiza ilościowa metody spekrtofotometrycznej Oparta na pomiarze absorbancji Aλ badanego roztworu przy określonej długości fali λ i wykorzystaniu zależności Lamberta-Beera. A λ = ɛλc b Metodą spektrofotometrii UV-VIS można oznaczać substancje absorbujące promieniowanie w tym zakresie widma: -bezbarwne substancje organiczne i nieorganiczne wykazujące absorpcję w UV. Absorpcja w nadfiolecie – wiele związków organicznych mają wiązania π lub elektrony n, czyli węglowodory aromatyczne, a także aldehydy, ketony, kwasy i aminy. Spośród związków nieorganicznych spektrofotometria UV znalazła zastosowanie np. do oznaczania pierwiastków ziem rzadkich, które charakteryzują się selektywną absorpcją promieniowania w tym zakresie, ozonu, SO2. Barwne związki organiczne(barwniki) i barwne sole metali(np. KMnO4, CuSO4), które absorbują promieniowanie w zakresie widzialnym. Substancje, których formy absorbujące promieniowanie uzyskuje się na drodze przemian chemicznych. Dobór optymalnych warunków oznaczania: -dobór odpowiedniego przyrządu, kontrola jego sprawności i kwalifikacji zgodnie z instrukcją obsługi -przygotowanie próbek do pomiaru -analizowany roztwór musi być jednorodny. Substancje koloidalne i nie rozpuszczone należy rozpuścić lub usunąć z analizowanej próbki -dobrać odpowiedni rozpuszczalnik, który nie może absorbować promieniowana w badanym zakresie widma -zapewnić trwałość analizowanej próbki w czasie pomiaru -ustalić optymalne pH analizowanego roztworu. Wykl 8 Dobrać odczynnik kompleksujący aby: -zarówno odczynnik jak i wytworzony chelat były trwałe w czasie i dobrze rozpuszczone w stosowanym rozpuszczalniku. -pasmo absorpcji odczynnika nie pokrywało się z pasmem absorpcji kompleksu -reakcja kompleksowania była szybka o odtwarzalna -reakcja kompleksowania była selektywna, a nawet specyficzna względem analizowanego metalu -powstały barwny chelat spełniał prawo Beera -powstały kompleks charakteryzował się dużą wartością molowego współczynnika absorpcji E(epsilon) spektrofotometria UV-VIS zalety metody: -duża czułość -duża precyzja oznaczeń błąd nie przekracza +- 0,2% -selektywność oznaczeń Przykłady zastosowań: -w analizie ilościowej kationów metali – kationy metali oznacza się najczęściej w postaci barwnych kompleksów chelatowych z odczynnikami organicznymi, barwnych kompleksów par jonowych oraz barwnych kompleksów z prostmi ligandami nieorganicznymi np. z tiocyjankami(Fe3+, CO3+, Nb5+, MO6+, Re7+, W6+), jodkami (Pd2+, Bi3+, Sb3+, Pt4+) lub nadtlenki(Ti4+) -w ilościowej analizie anionów nieorganicznych (azotany V i III, fosforany, fluorki i krzemiany -w analizie ilościowej związków organicznych -do badań równowagi reakcji chemicznych *wyznaczanie stałych dysocjacji kwasów i zasad *ustalanie składu i stałych trwałości związków kompleksowych. Metody spektroskopowe Spektrometria w podczerwieni (IR) Spektrofotometria w podczerwieni (IR) -spektrometria w podczerwieni – metoda wykorzystująca absorpcję promieniowania podczerwonego przez oscylujące cząsteczki *promieniowanie podczerwone można podzielić na 3 zakresy: -bliska podczerwień (NIR) -podstawowa podczerwień (MIR) -daleka podczerwień (FIR) Spektrofotometry IR dzielą się na: klasyczne spektrofotometry spektrofotometry IR z transformacją fourierowską Źródło promieniowania: -żażące się ciała stałe, takie jak włókno Nersta i globar włókno Nersta – pręt ceramiczny o długości kilku cm i średnicy kilku mm, wykonany z mieszaniny tlenków, ceru, cyrkonu, toru i itru. Globar – pręt silitowy z S i C, obydwa źródła podgrzane do temperatury powyżej 1000*C emitują promieniowanie podczerwone. Przykłady zastosowania spektrofotometrii IR - identyfikacja związków organicznych *pozwala na ustalenie nie tylko grup funkcyjnych, ale także na wyciągnięcie wniosków dotyczących struktury badanego związku *dogodna metoda badań oddziaływań międzycząsteczkowych - zastosowanie w biologii *w badaniach białek, polipeptydów, aminokwasów > ustalenie konformacji łańcucha polipeptydowego polimerów i kopolimerów aminokwasowych *ustalenie sposobu orientacji cząsteczek w strukturach wyższego rzędu, np. włóknach białkowych *badanie oddziaływania białek ze związkami niskocząsteczkowymi, np. koenzymy *badanie procesów hydratacji łańcuchów polipeptydowych *badanie: kwasów nukleinowych, cukrów, błon biologicznych i ich składników *zastosowanie biomedyczne, w tym badanie tkanek(mięśni, włókien nerwowych), krwi *identyfikacja zawartości gazów ustrojowych np. N2O w tkance mózgowej lub CO w hemoglobinie krwi - zastosowanie w chemii związków nieogranicznych *oznaczanie śladowych ilości wody w różnych układach, a także grup OH obecnych na powierzchniach sorbentów i katalizatorów *badanie kompleksów kationów metali z ligandami organicznymi. Wykł. 9 Absorpcyjna spektrometria atomowa -metoda analityczna oparta na zjawisku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez swobodne atomy -absorpcję wykryto na początku XIXw, kiedy to w widmie ciągłym światła słonecznego zaobserwowano ciemne linie zwane liniami Fraunhofera. W 1814 r Fraunhofer niezależnie odkrył linie za pomocą pryzmatu, zaczął ich systematyczną analizę oraz ostrożne mierzenie długości fali im odpowiadających. Stwierdził w sumie ponad 750 linii, nazwał podstawowe linie literami alfabetu od A do K, zaś słabe pozostałymi, -dopiero w latach 1859-1861 Kirchoff i Bussen wyjaśnili mechanizm powstawania linii Fraunhofera. -odkryli, że każdy pierwiastek chemiczny jest związany z danym zestawem linii spektralnych, stwierdzając że ciemne linie w widmie słońca były wytworzone przez te pierwiastki, które znajdowały się w wyższych warstwach słońca. Ale niektóre z zaobserwowanych struktur były wynikiem absorpcji przez tlen cząsteczkowy w atmosferze ziemskiej. -linia spektralna – ciemna lub jasna linia w jednolitym, ciągłym widmie, powstająca w skutek nadmiaru lub deficytu fotonów w wąskim zakresie częstotliwości. -linie Fraunhofera powstają więc na skutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej długości fali przez swobodne atomy występujące w zewnętrznej, chłodniejszej warstwie atmosfery słonecznej -do celów analitycznych zjawisko to wykorzystał jako pierwszy Walsh (1955) -podstawę metody stanowią ustalenia Kirchoffa i Bussena -źródłem linii absorpcyjnych w widmie są swobodne atomy, a nie ich związki -swobodne atomy mogą absorbować promieniowanie o długościach fali, które mogą emotować -otrzymane widmo absorpcyjne jest charakterystyczne dla danego rodzaju atomów. W metodzie ASA wykorzystuje się zjawisko absorpcji przez swobodne atomy, znajdujące się w palzmie termicznej wytworzonej w atomizerze, charakterystycznych dla danego pierwiastka linii rezonansowych, emitowanych przez źródło promieniowania. Warunkiem zajścia absorpcji jest, aby różnica energii pomiędzy stanem podstawowym, a wzbudzonym była równa energii padającego kwantu promieniowania E1-E0 = hv Oczywiście stan wzbudzony atomu jest niekorzystny energetycznie i po czasie ok. 10-8s atom powróci do stanu podstawowego emitując energię w postaci kwantu promieniowania o tej samej energii co kwant zaabsorbowany. Spektrometr absorpcji atomowej składa się z: -źródło promieniowania -atomizer -monochromator -detektor -wzmacniacz -wskaźnik (rejestrator, komputer) Spektrometry ASA mogą być jednowiązkowe lub dwuwiązkowe. Źródła promieniowania: -powinny emitować linie rezonansowe oznaczanego pierwiastka, charakteryzujące się: stabilnością, małą szerokością połówkową linii i dużym natężeniem -lampy z katodą wnękową jedno i wielopierwiastkowe (HCl) -bezelektrodowe lampy wyładowcze z generatorem częstości radiowej (EDL) Atomizery -ich zadaniem jest wytworzenie z próbki analitycznej swobodnych atomów oznaczanego pierwiastka. Musi spełniać 2 wymagania: 1. zapewnić dobrą wydajność swobodnych atomów z analizowanej próbki 2. zapewnić występowanie prostej zależności między stężeniem oznaczanego pierwiastka w próbce a stężeniem tego pierwiastka w plazmie absorbującej promieniowanie. Typy atomizerów: -płomieniowe -elektrotermiczne -wodorkowe -wykorzystujące zimne pary rtęci -atomizery dla substancji stałych z atomizacją w plazmie laserowej. Monochromator -zadaniem jest rozszczepienie promieniowania elektromagnetycznego, które przeszło przez atomizer -musi przepuścić przez szczelinę wyjściową do detektora tylko linię rezonansową, która jest absorbowana przez atomy w atomizerze Detektor -wytworzony w fotopowielaczu sygnał elektryczny jest wzmacniany i w postaci analogowej lub po przetworzeniu do postaci cyfrowej, jest przekazywany do miernika. Rejestratory i komputery -spektrometry mają wbudowany układ mikrokomputerowy lub są sprzężone z komputerem. Funkcji komputerów: -steruje pomiarem, dobierając optymalne parametry -obliczają, rejestrują wyniki pomiaru -magazynują dane w pamięci -mają zaprogramowane w pamięci procedury oznaczeń wszystkich atomów analizowanych metodą ASA. Metodyka pomiarów ASA Metoda wymaga kalibracji, czyli przygotowania serii roztworów wzorcowych o znanym stężeniu analitu, przeprowadzenia pomiaru, absorbancji dla tych roztworów i wykreślenia krzywej kalibracyjnej A = f(c) Podstawowe ograniczenia ASA: -konieczność wymiany lampy przy zmianie oznaczanego pierwiastka -konieczność stosowania roztworów -stężenie całkowite soli w technice płomieniowej nie może przekroczyć 2% -wystąpienie interferencji Zalety metody ASA: -uniwersalność -selektywność -dokładność i precyzja -łatwość automatyzacji -dobrze zdefiniowane interferencje i sposoby ich eliminacji. Metoda absorpcyjnej spektrometrii atomowej jak i inne metody instrumentalne ograniczona jest zakłóceniami spowodowanymi obecnością w analizowanym roztworze substancji towarzyszących. Mogą być one przyczyną wielu błędów. Zakłócenia te (zwane interferencjami) można podzielić na 3 grupy: zakłócenia wynikające z nakładania się linii emisyjnych i absorpcyjnych analizowanych pierwiastków zakłócenia chemiczne zakłócenia wynikające z fizycznych właściwości roztworów Interferencje : fizyczne – wynikają z właściwości fizycznych próbki, tj. lepkości, gęstości czy napięcia powierzchniowego. Istota leży w konieczności wzorcowania jeśli roztwory wzorca mają inne właściwości fizyczne niż badana próbka Interferencje te mają znaczenie jedynie w technice płomieniowej. W technice elektrotermicznej procesy prowadzące do atomizacji próbki są rozdzielone w czasie. Odparowanie rozpuszczalnika nie wpływa więc bezpośrednio na procesy atomizacji. chemiczne dzieli się na : - interferencje chemiczne w formie gazowej - interferencje chemiczne w formie stałej w formie gazowej – to jonizacja oznaczanego pierwiastka. Widmo absorpcyjne jonu jest inne niż widmo absorpcyjne atomu w formie stałej – to wszystkie reakcje, które obniżają stężenie atomów oznaczanego pierwiastka w obszarze absorpcji poprzez tworzenie trudno dysocjujących połączeń. Najczęściej są to tlenki i wodorotlenki, a także fosforany, siarczany i krzemiany analitu. Skutek jest taki jak w przypadku interferencji chemicznych w formie gazowej – metoda ASA nie „widzi” oznaczanego pierwiastka, jeśli jest on w postaci jonu lub cząsteczek związku chemicznego. Interferencje spektralne – mają miejsce, gdy rozkładają się linie absorpcji pierwiastka oznaczanego z innym obecnym w próbce. Dlatego przyrządy wyposażone są w wysokiej klasy monochromatory i lampy emitujące promienie charakterystyczne z dużą intensywnością. Wykł.10 Spektrometria Emisyjna spektrometria atomowa dzieli się na 3 działy 1. fotometria płomieniowa 2. spektrografia klasyczna 3. plazmowa emisyjna spektrometria atomowa Fotometria płomieniowa- w metodzie tej pierwiastki wzbudzane są w płomieniu palnika, wykorzystywana głównie do oznaczania litowców i berlowców. Roztwór analizowanej próbki wprowadzamy najczęściej do płomienia acetylenowo tlenowego, w którym pierwiastki ulegają wzbudzeniu i emitują linie widmowe. Promieniowanie po przejściu przez monochromator pada na detektor i przechodzi do rejestratora. Wyróżnia się 3 techniki wzbudzania plazmowego 1. metoda z indukcyjnie sprzężoną plazmą 2. metoda z plazmą indukowaną mikrofalami 3. metoda z plazmą prądu stałego W metodzie plazmowej źródłem wzbudzania jest plazma argonowa i mechanizm powstawania plazmy polega na tym, że gazowy argon o czystości 99,995% przepływa przez rurę kwarcową, która w części górnej otoczona jest przez cewkę indukcyjną połączoną z generatorem części radiowej. Na początku po włączeniu generatora nic się nie dzieje, ponieważ czysty argon nie jest przewodnikiem, dlatego do utworzenia plazmy są konieczne w obszarze cewki generatora tzw. elektrony zaszczepiające, które wytwarza się przez krótkotrwałe wyładowania. Następnie prądy o wysokiej częstotliwości przepływające w cewce indukcyjnej generują pole magnetyczne, którego linię biegną osiowo wewnątrz kwarcowej rury i tworzą zamknięte elipsy powstałe na zewnątrz cewki. W celu osiągnięcia stanu równowagi przez różne zachodzące w plazmie procesy należy uzyskać stały niezmienny w czasie sygnał. Dlatego próbkę wprowadza się do plazmy przez określony czas. W przypadku plazmowej emisyjnej spektrometrii atomowej przez około 90s. Zadaniem układu wprowadzania próbki jest przekształcenie ciekłej próbki w aerozol i dostarczenie do palnika plazmowego. Najważniejszą częścią układu wprowadzania próbki jest nebulizer zwany rozpylaczem. Przekształca on strumienie cieczy w kropelki zawieszone w gazie czyli aerozol. Najczęściej stosuje się nebulizer pneumatyczny, w którym ciekła próbka przepływa przez szklaną kapilarę otoczoną rurką szklaną o większej średnicy przez którą płynie gaz. Gaz wypływający z rurki o małej średnicy do dużej powierzchni rozpręża się tworząc dużą różnicę ciśnień przez co rozrywa strumień cieczy tworząc kropelki wielkości od 1 do 20 mikrometra. Utworzony aerozol jest polidyspersyjny tzn. znajdują się z nim krople o różnych wymiarach. W tej metodzie bardzo ważna jest aby z utworzonego aerozolu wyeliminować krople o średnicy większej niż 10 mikrometrów, ponieważ te większe krople obniżają energię plazmy przez co zmniejszają liczbę atomów lub jonów w stanie wzbudzonym, w wyniku czego obniżają intensywność emitowanego promieniowania. Dlatego też aerozol wprowadzany jest do komory rozpylającej, która najczęściej ma kształt cylindryczny o średnicy 3 cm i długości 11cm. Wylot z komory rozpylającej bezpośrednio wprowadza aerozol do palnika plazmowego. Często w komorze rozpylającej umieszcza się dodatkowe przeszkody w celu wyeliminowania dużych kropli z aerozolu. Przeszkodami są najczęściej równoległe płytki umieszczone prostopadle do osi komory rozpylającej. Duże krople uderzają w przeszkodę, tracąc pęd i ulegają eliminacji, natomiast mniejsze omijają przeszkody. Przyjmuje się, że cały system wprowadzania roztworu jest w stanie zamienić około 5% wprowadzanego roztworu na aerozol o pożądanych wymiarach, które następnie wprowadzamy do palnika plazmowego. Zastosowanie plazmowej emisyjnej spektrometrii atomowej Analiza zawartości pierwiastków, przede wszystkim metali w próbkach wód, w ekstraktach glebowych, w produktach żywnościowych i wodach. Zalety: - Umożliwia zarówno analizę jednego pierwiastka jak i wielu pierwiastków. - Wysoka temperatura plazmy umożliwia zastosowanie pierwiastków o wysokich potencjałach wzbudzenia - Zachowuje ją duży zakres prostolinijności wskazań, obejmujący nawet od 4 do 5 rzędów wielkości w stężeniu. Tak szeroki liniowy zakres wskazań pozwala oznaczyć w tej samej próbce zarówno składniki główne jak i pierwiastki śladowe. - Granica wykrywalności jest niska, dla większości pierwiastków mieści się w zakresie 0,1-10ppb - Duża precyzja i dokładność - Użycie polichromatora umożliwia oznaczanie około 60 pierwiastków w ciągu kilku minut. - W porównaniu di ASA spektrometria plazmowa nie daje tylu interferencji. Chromatografia – jest metodą rozdzielania mieszanin, w której rozdzielone składniki ulegają podziałowi między dwie fazy, z których jedna jest fazą nieruchomą (stacjonarna), a druga ruchoma (mobilna). Fazą stacjonarną może być ciało stałe, ciecz na nośniku lub żel. Natomiast fazą ruchomą gaz, ciecz i gaz, lub ciecz w stanie nadkrytycznym (fluid). Wykorzystywana jest szczególnie do analizy skomplikowanych mieszanin związków organicznych. Ze względu na stan skupienia fazy ruchomej wyróżniamy: - chromatografia gazowa - cieczowa - fluidalna Ze względu na stan skupienia fazy stacjonarnej wyróżniamy: - gaz-ciecz - ciecz-ciecz - ciecz-ciało stałe gaz-ciało stałe, gdzie ciałem stałym może być absorbant, sito molekularne, wymieniacz jonowy W chromatografii wykorzystywane są zjawiska: - adsorpcja - podział substancji między dwie niemieszające się ciecze - wymiana jonowa - powinowactwo chemiczne - efekty sitowe Ze względu na naturę zjawisk wykorzystywanych w chromatografii: - chromatografia adsorpcyjna - chromatografia podziałowa - chromatografia jonowymienna - chromatografia sitowa Zastosowania chromatografii gazowej: - identyfikacja związku - ilościowe oznaczenia składników w próbce - kontrola procesów technologicznych - wyznaczane niektórych stałych fizykochemicznych - badanie kinetyki reakcji katalitycznych - analiza lotnych związków organicznych, których temperatura wrzenia nie przekracza 400 o C - analiza związków trudnolotnych bądź nielotnych Zastosowanie wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej: - analiza związków biologicznie czynnych czyli białek, polipeptydów, aminokwasów, polisacharydów, witamin, sterydów, preparatów farmaceutycznych, anionów nieorganicznych, związków kompleksowych, pestycydów, środków ochrony roślin, węglowodorów policyklicznych, mieszanin związków organicznych i nieorganicznych.
