Plik 9

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 - 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, 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 uproszczony spektrofotometr.
Zastosowanie - oznaczanie
stężeń substancji barwnych na
podstawie krzywej
wzorcowej.
B. Techniki absorpcyjne atomów
1. Atomowa spektrometria
absorpcyjna (ASA)
Obserwowane zjawisko - absorpcja
promieniowania elektromagnetycznego 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.