Metody analizy instrumentalnej – wykład I

1. Metoda analityczna – sposób wykrywania lub oznaczania składnika próbki.
2. Oznaczanie – określenie ilościowej zawartości danego składnika w badanej próbce.
3. Wykrywanie – postępowanie mające na celu stwierdzenie obecności lub nieobecności określonego jonu lub związku (jonów lub związków) w badanej próbce.
4. Wykrywalność ( granica wykrywalności, limit detekcji) – najmniejsze stężenie lub ilość wykrywanego składnika w badanej próbce, przy którym można go jeszcze wykryć daną metodą z określonym prawdopodobieństwem.
5. Oznaczalność ( granica oznaczalności )- najmniejsze stężenie lub ilość wykrywanego składnika przy którym można jeszcze ten składnik oznaczyć daną metodą.
6. Czułość metody analitycznej- stosunek przyrostu sygnału analitycznego do odpowiadającego mu przyrostu stężenia (lub zawartości ) oznaczonego składnika.
7. Próbka reprezentatywna – próbka, której struktura pod względem badanej cechy nie różni się istotnie od struktury populacji generalnej.
8. Próbka laboratoryjna – próbka przygotowana z próby przeznaczona do prowadzenia analiz.
9. Próbka analityczna – część produktu wydzielona z próbki laboratoryjnej przeznaczona w całości do jednego oznaczenia lub wykorzystana bezpośrednio do badania lub obserwacji.
10. Próba ślepa(zerowa) – próba wykonana w warunkach identycznych jak analiza badanej próbki, ale bez dodania substancji oznaczonej.

Błędy w analizie chemicznej.
Wielkości mierzone i wyniki analiz obarczone są błędami.

Błędy przypadkowe – są niewielkie, przyczyna ich występowania nie jest dokładnie znana. Powodowane są z reguły zakłóceniami, które w czasie procesu analitycznego oddziaływają na sygnał.
Błędy grube – powstają wskutek niedopatrzenia lub winy wykonawcy. Mogą być spowodowane złym pobieraniem próbki, nieodpowiednim doborem procedury oznaczeń czy błędami w obliczeniach.
Błędy systematyczne – mają charakter stały , powodują , zmianę sygnału zawsze w jednym kierunku i mają ściśle określoną przyczynę. Mogą być związane z metodami pomiaru, z błędami przyrządu, z zanieczyszczeniami odczynników. Przyczynę występowania tych błędów można ustalić przez odpowiednie postępowanie.

Metody niwelowania błędów analitycznych.
Błędy przypadkowe - wykonanie pomiarów w kilku powtórzeniach, stosowane w opracowywaniu wyników analiz metod statystycznych.
Błędy systematyczne – weryfikacja dokładności i czułości aparatury w oparciu o wzorce, weryfikacja metodyki, kontrola nastawów aparatów itp.
Błędy grube – całkowite wykonanie analiz i pomiarów od początku, przestrzeganie porządku, zmiana metodyki.





Metody analizy instrumentalnej – wykład II


Poziomy energetyczne badanego układu :
a. spektroskopia jądrowa – przemiany energetyczne i właściwości jąder atomowych
b. spektroskopia atomowa – badania dotyczą pomiarów energetycznych atomów
c. spektroskopia molekularna
d. spektroskopia kryształów

Forma wymiany energii między promieniowaniem a materią :
a. spektroskopia absorpcyjna – następuje zwiększenie energii układu w wyniku pochłaniania promieniowania
b. spektroskopia emisyjna – następuje zmniejszenie energii układu w wyniku wydzielania promieniowania
c. spektroskopia Ramana( rozproszenie) – cechą charakterystyczną jest zmiana częstości promieniowania rozproszonego w stosunku do części promieniowania padającego zgodnie z równaniem :
V_r = V_p ± V

V_r – częstość promieniowania rozproszonego
V_p – częstość promieniowania padającego
V- częstość przejść _, charakterystyczna dla układu rozproszonego


Zakres promieniowania elektromagnetycznego.
Podstawę podziału stanowi długość fali λ lub wartość V promieniowania elektromagnetycznego oddziaływującego z materią.

Widmo - w wyniku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez cząsteczki następuje wzbudzenie odpowiednich poziomów energii ( 4 x 10^-2 - 4 x 10 ^-3 kJ/mol ) a efektem jest widmo.
a. widmo rotacyjne
b. widmo oscylacyjne
c. widmo absorpcyjne

Prawo absorpcji światła

I = I_o x e^-kl

I_o – natężenie światła padającego
I – natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorpcyjny
K – współczynnik absorpcji
L – grubość warstwy
e – podstawa logarytmu naturalnego

Wiązka promieniowania monochromatycznego po przejściu przez jednorodny ośrodek absorpcyjny o grubości 1 ulega osłabieniu według równania :


ln $\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{I}}$ = kl = A ( a- właściwy współczynnik absorpcji a = 0,4343 K )
A = log $\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{o}}}{\mathbf{I}}$ = al A - zdolność pochłaniania promieniowania – absorbancja


I Prawo absorpcji
Absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, jeżeli wiązka przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący.


Transmitancja
Dodatkowa wielkość stosowana do określania absorpcji promieniowania :

T = $\frac{\mathbf{I}}{\mathbf{I}_{\mathbf{\text{Io}}}}$ stąd A = log $\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{T}}$
Najmniejszą transmitancję podajemy w % :

T% = $\frac{\mathbf{I}}{\mathbf{I}_{\mathbf{o}}}$ x 100%


II Prawo absorpcji – Prawo Lamberta – Beera ( dotyczy absorpcji promieniowania przez roztwory )

Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika = 0, to wiązka promieniowania monochromatycznego po przejściu przez jednorodny roztwór substancji absorbującej o stężeniu C ulega osłabieniu według równania :

I = I_o x e^-kl
A = log $\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{o}}}{\mathbf{I}}$ = alc
A= alc

I_o – natężenie światła padającego
I – natężenie światła po przejściu przez ośrodek absorpcji
K – współczynnik absorpcji
a – właściwy współczynnik absorpcji a = 0,4343K (gdy c jest wyrażone w g/cm³)
l – grubość warstwy
c – stężenie

Definicja prawa Lamberta – Beera :

Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zero, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalny do stężenia roztworu C i do grubości warstwy absorbującej.


III prawo absorpcji – prawo addytywności absorpcji

Absorpcja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników :

A = A₁ + A₂ + A₃ + … + A_n

gdzie A₁ + A₂ + A₃ + … + A_n - absorbancja poszczególnych składników


Odchylania od praw absorpcji :
a. podstawowe ograniczenia praw absorpcji
b. czynniki chemiczne
c. czynniki aparaturowe

ad.a Prawa absorpcji są spełnione dla roztworów rozcieńczonych, stężenie <0,01mol/dm^3.
Zakłada się , że jedynym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z substancją rozproszoną jest absorpcja promieniowania według równania :

X ○ hv X*
X * x + ciepło

Jednak przejście wzbudzonej cząsteczki do stanu podstawowego możliwe jest z udziałem emisji kwantu – fluorescencji:

X * X + ciepło + hv

ad.b Czynniki chemiczne.
a. Odchylenie związane z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w analizowanym roztworze.
b. zmianie pH, zmianie stężenia roztworu mogą towarzyszyć takie reakcje jak : dysocjacja, polimeryzacja solwatacja czy reakcje kompleksowania.

ad.c Czynniki aparaturowe.
a. Brak monochromatyczności
b. występowanie promieniowania rozproszonego ( promieniowanie, które dochodzi do detektora poza głównym pasmem z pominięciem obiektu badanego )

Wpływ światła rozproszonego (S) na odchylenie od praw absorpcji :
a – S = 0%, b – S = 0,01%
c – S = 0,1% d –S = 1%


Podstawowe części składowe spektrofotometru :

Budowa :
źródło promieniowania monochrometr kuweta pomiarowa detektor wskaźnik i rejestrator

Źródło promieniowania :
Źródło promieniowania musi pokrywać cały zakres UV- Vis, zakres od 180 -800 nm.

Stosowane są lampy :
a. lampy deuterowe - w zakresie 180 -380nm
b. lampy wolframowo – halogenowe – powyżej 380nm, przez zakres widzialny i bliską podczerwień
c. wysokociśnieniowe łukowe lampy ksenonowe – są źródłem ciągłego promieniowania pokrywającego cały zakres UV – Vis


Monochrometr
Ma za zadanie wybrać z emitowanego przez źródło ciągłego promieniowania, wąskie promieniowanie o średniej długości fali i przepuścić je przez komórkę z badaną substancją.

Budowa :
a. szczelina wejścia
b. kolimator
c. element
d. szczelina wyjścia
Szczeliny : wejścia i wyjścia mają jednakowe szerokości.

Komórka pomiarowa :
Absorpcję gazów i cieczy bada się w kuwetach. Kuwety powinny :
a. zapewnić dokładnie znaną grubość absorbującej cieczy lub gazu
b. wykazywać odpowiednie działanie analizowanych substancji chemicznych
c. zapewnić w maksymalnym stopniu transmitancję promieniowania

W zakresie promieniowania poniżej 380nm stosuje się kuwety kwarcowe, krzemionkowe. W zakresie widzialnym – kuwety wykonane są ze szkła optycznego lub tworzywa sztucznego.

Detektory

Stosowane są detektory fotoelektryczne przetwarzające energię promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną.

Powinny charakteryzować się :
a. dużą czułością, niskim poziomem szumów własnych
b. szerokim zakresem możliwości wskazań czyli proporcjonalnością przetwarzania sygnałów optycznych na sygnał elektryczny

Detektory można podzielić na:

• detektory cząstek, np. detektor cząstek elementarnych;

• detektory promieniowania elektromagnetycznego, np. fotodioda, fototranzystor;

• detektory (czujniki) zmiany parametrów fizycznych, np. detektory zmian temperatury, detektor bimetaliczny;

• detektory (czujniki) zmian składu chemicznego, np. spektrofotometryczne, elektrochemiczne, konduktometryczne;

• detektory mechanicznych zmian w otoczeniu (ruchu, drgań).

Podział spektrofotometrów :

Ze względu na konstrukcję rozróżnia się spektrofotometry:

• jednowiązkowe

• dwuwiązkowe

Ze względu na zakres pomiaru:

• na ultrafiolet (spektrofotometry UV)

• na światło widzialne (spektrofotometry VIS)

• na podczerwień (spektrofotometry IR)

Za względu na sposób rejestracji:

• punktowe

• samorejestrujące

Analiza ilościowa.
Oparta jest na pomiarze absorbancji badanego roztworu przy określonej długości fali λ przy wykorzystaniu prawa Lamberta – Beera.

Metodą spektrofotometrii UV-ViS można oznaczyć związki absorbujące promieniowanie w tym zakresie widmo :
a. bezbarwne substancje organiczne i nieorganiczne, które wykazują absorbancji w zakresie UV : związki organiczne posiadające wiązania ∏ lub elektrony n, węglowodory aromatyczne, aldehydy, kwasy, aminy ; związki nieorganiczne pierwiastków rzadkich charakteryzujące się selektywnym promieniowaniem w tym zakresie, ozonu, SO₂.
b. barwne związki organiczne (barwniki), nieorganiczne (barwne sole metali KMnO₄, CuSO₄ absorbujące promieniowanie w zakresie ViS
c. substancje, których formy absorbujące promieniowanie otrzymuje się w wyniku przemian chemicznych.

Dobór optymalnych warunków oznaczania:
a. dobór odpowiedniego przyrządu, kalibracji, kontroli jego sprawności
b. przygotowanie próbek do pomiaru ( 1. roztwór analizowany powinien być , substancje koloidalne 2. Dobieramy odpowiedni rozpuszczalnik, nie może on absorbować promieniowania w określonym zakresie, środowisko powinno zapewnić trwałość analizowanej próbki 3. Ustalić odpowiednie pH roztworu 4. dobrać odczynnik kontrolny gdy oznaczane są jony metali w postaci barwnych związków chemicznych : odczynniki jak i wytworzony chelat powinny być trwałe i dobrze rozpuszczone w stosowanym rozpuszczalniku. Pasmo absorpcji odczynnika nie może pokrywać się z pomiarem absorpcji kompleksu. Spełnione jest prawo Lamberta – Beera. Reakcja kompleksowania powinna być szybka i odtwarzalna, selektywna względem analizowanego metalu.
c. wybór analitycznej długości fali.
Długość fali, przy której mierzy się absorbancji w oznaczeniach ilościowych danego składnika. Najczęściej do oznaczeń ilościowych wybiera się długość fali odpowiadającej najwyższej absorpcji.

Oznaczanie pojedynczego składnika. Spektrofotometria UV-ViS są metody porównawcze . Wykonuje się serie wzorców na podstawie których sporządza się krzywą wzorcową.

Analiza jakościowa.
Elektronowe widmo absorpcyjne jest cechą charakterystyczną związku chemicznego i określa jednoznacznie związek jednorodny. Na jej przebieg wpływa wiele czynników, tj. pH roztworu, warunki pomiaru, zdolność rozdzielcza aparatu, temperatura powietrza.

Spektrofotometria UV- ViS – zastosowanie :
- analiza ilościowa kationów
- analiza ilościowa anionów nieorganicznych NO₃^-, NO₂^-, NH₄⁺, PO₄^3-
- analiza ilościowa związków organicznych ( tylko barwnych w zakresie ViS )
- do badań równowag reakcji : wyznaczanie stałych dysocjacji, wyznaczanie składu stałych trwałości związków kompleksowych

Chromatografia
Jest metodą rozdziału mieszaniny, w której rozdzielane składniki ulegają podziałowi między dwie formy : formę stacjonarną (nieruchomą) i drugą formę – ruchomą.
Forma stacjonarną może być ciało stałe, a formą ruchomą - gaz, ciecz i gaz lub ciecz w stanie nadkrytycznym.

a. chromatografia adsorpcyjna – podział mieszanin jest uwarunkowany różnym powinowactwem
b. chromatografia podziałowa – rozdział mieszanin jest oparty na różnicach w wartości współczynnika podziału
c. chromatografia jonowymienna – podstawę rozdziału stanowią reakcje wymiany między jonami z roztworu (r) a jonami związanymi z fazą stacjonarną, którą stanowią jonity (nierozpuszczalne substancje wielkocząsteczkowe o budowie jonowej zdolne do wymiany jonów)
d. chromatografia sitowa – sączenie molekularne – chromatografia żelowa). W chromatografii żelowej o rozdziale substancji decydują rozmiary cząsteczek.