Mennyiségi analízis- egy minta összetételének meghatározása, komponensek (analát) koncentrációjának meghatározása (mérés, meghatározás

Átírás

1 Kémiai elemzés- alapfogalmak Mennyiségi analízis- egy minta összetételének meghatározása, komponensek (analát) koncentrációjának meghatározása (mérés, meghatározás elemek, ionok: As-kutak, Cr-ércek, F-ivóvíz, nehézfémek- ipari hulladékok, stb. molekulák: glükóz-vérben, O 2 -gázkeverékek, stb. makromolekulák: fehérjék-vérből, stb. Minıségi analízis- komponensek azonosítása a mintában Kimutatás: a jelenlét igazolása

2 Jelentőség o Kémia o Biológia o Orvostudomány o Környezetvédelem o Geológia o Oceanográfia o Anyagtudományok o Archeológia o Sport o stb.

3 Mintavétel Átlagösszetétel Lokális összetétel Pillanatnyi összetétel Minta Mintavétel Reprezentatív! Analitikai laboratóriumi minta Könnyen kezelhetı/ kisebb /homogén Részminták

4 Az elemzés folyamata Vizsgálati anyag Analitikai minta Mintakészítés Jelképzés Analitikai minta Jel Analitikai mérés Utókövetkeztetés Mérési eredmény Felhasználói anyag a vizsgálati mintáról Jelértelmezés Analitikai mérés Mérési eredmény Kémiai információ

5 On vs. OFF line mérések Általában egy adott komponens vagy kisszámú komponens Gyors válasz gyors beavatkozás Folyamatos monitorálás Helyszíni mérés In-vivo mérés Számítógép Folyamat O 2 felesleg Mérés EC Injektor O 2 szenzor Hátsó O 2 szenzor O 2 hiány Szabályozás Motor Kipufogó gázok Katalizátor

6 Módszer kiválasztása Minıségi vagy mennyiségi? minta mennyisége (pl. állóvíz vagy vérminta) meghatározandó komponens mennyiségét és arányát a mintában (fıkomponens, nyomok) mintaszám minta mátrix (zavarások) analízis célja megkövetelt pontosságot megkövetelt analízis idı rendelkezésre álló eszközöket (mőszerek, reagensek, stb.) költségigény Klasszikus analitikai módszerek Mőszeres analitikai módszerek

7 Klasszikus analitikai módszerek Klasszikus analitikai módszerek Kémiai reakción alapuló módszerek amelyekhez mindössze a térfogat és tömeg pontos meghatározásához van szükség (térfogatos elemzés és gravimetria) Gravimetria Gravimetria a mérendı komponenst szelektív reagenssel választjuk le és a kapott csapadék vagy annak átalakításával nyert végtömeg mérésébıl határozzuk meg a komponens koncentrációját 1. A csapadék leválasztása 2. Csapadék szűrése és mosása 3. A csapadék hőkezelése 4. A csapadék mérése 5. A meghatározandó komponens mennyiségének/koncentrációjának meghatározása

8 Gravimetria helyett

9 Térfogatos elemzés Mérıoldat Büretta Teflon csap Analát Oxálsav (színtelen) Mérıoldat (lila) (színtelen) Egy csepp feleslegtıl az oldat lila színő lesz= végpont Egyenértékpont=sztöchiometrikus mennyiségben adagolt mérıoldat Erlenmayer flaska Mintaoldat keverı Mágneses keverı

10 Kritériumok és reakciók -Relatív gyors -Mennyiségi -Detektálható -Sztöchiometrikus Egyszerő és olcsó Nem kíván kalibrálást (kivéve a mérleg) Nagy pontosság/helyesség 1. sav-bázis 2. komplexometriás 3. redoxi 4. csapadékos fı komponens mérésére kiváló Idı és munkaigényes Kis érzékenység Szelektivitási problémák fı komponens meghatározás Hátrányai: lassú és munkaigényes, kicsi érzékenység, szelektivitása nem elég jó

11 Műszeres analitikai módszerek vizsgálandó anyagnak vagy a vizsgálandó anyag oldatának olyan fizikai vagy fizikai-kémiai sajátságát mérjük, amelynek mértéke a vizsgált anyag mennyiségével, koncentrációjával jól meghatározott függvénykapcsolatban van Elektroanalitika (potenciometria, polarográfia, vezetőképesség-mérés) Kromatográfia (GC, LC) módszerek Optikai módszerek (atomspektroszkopia) Termikus módszerek (TG, DTG, DTA) Kinetikai módszerek NMR

12 Szelektív vs. Nem-szelektív detektorok Minta Elválasztás A C B D Etc. B D analát interferensek A Jel C A D B Analizálás-egyenként C idı

13 Kalibráció, standard addíció Válaszjel Lineáris tartomány Érzékenység = ( válaszjel (d d koncentráció v.mennyiség ) ) Jel Koncentráció/mennyiség J x =S C x J a =S ( C+C x ) Ismeretlen koncentrációja Ismeretlen minta jele Az adagolt komponens konc.

14 Belső standard A mérendı komponens jelét egy másik komponens Jelével vetjük össze, amelyet ismert mennyiségben adtunk a mintához Jel o Válasz mindkét anyagra egyenesen arányos a koncentrációval o A két érzékenység mindegyik mintában azonos (a két komponens nem zavarja egymást és a kísérleti körülmények hatása azonos) Idı, min Jel( X) [ X] = F Jel(S) [S] F- a relatív érzékenység=s x /S s -mintavesztességek kompenzálása

15 Analititikai teljesítmény paraméterek Kimutatási határ a mért komponens legkisebb koncentrációja vagy Mennyisége, amely megbízhatóan elkülöníthető a vak mintától (a mérendő Komponenstől mentes minta) - A vakminta válaszjele tapasztalati szórásának háromszorosa Meghatározási határ az a legkisebb koncentrációja amely elfogadható megbízhatósággal határozható meg - Az alkalmazástól függ - Általában a vakminta válaszjele tapasztalati szórásának tízszerese Helyesség a valódi értéktől való eltérést jellemzi Precizitás - az azonos minták mérését jellemző véletlenszerű szórás nagyságával függ össze Megbízhatóság Helyesség és precizitás

16 Elektrokémia Elektrolízis Elektromos energia Kémiai energia Elektromos feszültség, töltés, áramerősség, ellenállás Kémiai reakciók Galváncella (akkumulátorok, elemek) Elektrokémia

17 Elektrokémia alkalmazásai Elektroszintézis Hall-Heroult folyamat 1886 Charles Hall (22 évesen) Elektrolitikus alumínium gyártás (Na 3 AlF 6 /Al 2 O 3 olvadékban elektrolitikus Al leválasztás) A (az USA elektromos energiájának 4.5 %-a) Bevonatok (Króm, nikkel, stb.) Elemek, akkumulátorok (-) Pb(s)/PbSO 4 (s),h 2 SO 4 (aq)//h 2 SO 4 (aq),pbo 2 (s)/pb(s) (+) Li-ion Elektrokromatikus kijelzık Elektroanalízis 17

18 Elektroanalitikai módszerek Határfelületi módszerek Oldat tömegi Módszerek Statikus módszerek I=0 Dinamikus módszerek I 0 Konduktometriás titrálás (V) Potenciometria (E) Potenciometriás titrálás (V) Konduktometria G=1/R Áram kontroll Coulombmetriás titrálás Q=It Elektrogravimmetria (m) Feszültség kontroll Voltammetria i=f(e) Amperometria E=konst (i) Amperometriás titrálás (V) 18

19 Potenciometria A potenciometria az elektródpotenciálok mérésén alapuló elektroanalitikai eljárás, amelynél a mérendő ion, komponens meghatározására a vizsgálandó oldatban elhelyezett indikátorelektródon kialakuló potenciáljelet (elektródpotenciált) használjuk. egy indikátor-, és az állandó potenciálú vonatkozási (összehasonlító) elektródot tartalmazó elektrokémiai cella (galváncella) feszültségét (e.m.e.-jét) mérjük, úgy, hogy a mérés során jelentős áram nem halad át a cellán. i=0 valójában na, pa, fa 19

20 Galváncellák Feszültség -mérı Átviteles és átvitel nélküli cellák A galváncella kétféle felépítéső lehet: átvitel nélküli cella: Ag AgCl ZnCl 2 (c 1 ) Zn Folyadék/elektród határfelület Anód Katód E cella =E ind. E von átviteles cella Ag AgCl KCl (c 2 ) ZnCl2 (c 1 ) Zn Sóhíd Folyadék/folyadék határfelület E cella =E ind. E von. + E diff Diffúziós potenciál Anód Katód 20

21 Diffúziós potenciál NaCl oldat Víz NaCl oldat Víz Diffúziós potenciál, 25 ºC Határfelület E D, mv Ion u (mozgékonyság) x 1E10 cm 2 mol/js Ca Na ' '' ' 2 ' zn u n (c n c n ) zn u n c n Li n RT E n D = ln 2 ' ' 2 ' K zn u n (c n c n ) F zn u n c n n n Mg NH H Cl ClO OAc NO OH 206.0

22 Mérőcella Referencia elektród E ref =konst Referencia elektród EMF Indikátor elektród Belső oldat Mintaoldat Conc ion =konst. Conc ion konst. Ag/AgCl Ag/AgCl Belsı oldat Diafragma Belsı oldat IE Minta Sóhíd Ionszelektív membrán Mintaoldat 22

23 Referencia elektródok o Hg/Hg 2 Cl 2, KCl (x M) (80 ºC alatt) o Ag/AgCl, KCl (x M) (275 ºC-ig) 23

24 Ionszelektív elektródok Referencia elektród (E ref =konst) Feszültségmérő mv Indikátor elektród Referencia elektród Mintaoldat

25 Üvegelektród felépítése Belsı oldat Mintaoldat változó Hidratált gél réteg Száraz üveg Hidratált gél réteg Ioncserélıhelyek Na + és H + Ioncserélıhelyek Na + Ioncserélıhelyek Na + és H +

26 Működési elv IONCSERE EGYENSÚLY Si O H-Na Üveg Belsı oldat Minta- oldat 0.01 M H + Negatív töltés δ M H+ (SiO 2-3 ) δ M H M H + Na + RT A ( aq,m) E ln H + RT A ( aq,bo) 1 E ln H + nf A + ( ü) 2 nf A ( ü) H E = konst + RT nf A ln A H + H + E=E konst lg AH +( aq, m ) ( aq,m) ( aq,bo) E=E konst β ph H + 26

27 Elsődleges standardok (National Bureau of Standards) 27

28 Kalibrálás Izopotenciál pont az a ph-e pont ahol E f(t) E 0 mv A gyártók általában úgy állítják be az elektródokat, hogy az izopotenciál pont a mérési tartomány közepére kerüljön. Üvegelektródoknál ez ph=7. ± 0.01 ph 0.6 mv rutin ph mérı ± ph 0.1 mv 1 mv 4% 60 ºC 66.1 K w =f(t), 25ºC K w = Semleges ph [H + ]=[OH - ]= ph= ºC Izopotenciál pont ºC 54.2 ph=7.43 Semleges ph ph=6.13 ph=0 ph=7 ph=14 28

29 ph mérés hibái 1. A ph meghatározás nem lehet pontosabb mint a kalibráláshoz használt standard oldatok (tipikusan 0.01 ph egység) 2. A diffúziós potenciál függ az oldat összetételétől és abban az esetben is ha két oldat ph-ja ugyanaz a diffúziós potenciál lehet különböző. (~0.01) 3. Amikor a H + aktivitás nagyon kicsi és a Na + koncentráció magas alkáli hiba lép fel, azaz kisebb ph-t mérünk mint amennyi valós. 4. Nagyon savas oldatokban a mért ph nagyobb mint a valós. Ennek a jelenségnek az oka nem teljesen tisztázott. 5. Időt kell hagyni, hogy az elektród egyensúlyba kerüljön a mintaoldattal. Pufferolt oldatok esetében ez pár másodperc, nem pufferolt/kis ionerősségű oldatok esetében ez több percet is igénybe vesz. 6. Kiszáradt elektródokat több óráig kell áztatni amíg megfelelően válaszol a ph-ra. (Nem szabad ph elektródokat szárazon vagy nem vizes oldatba tárolni. 7. A ph mérőt (ph elektródot) ugyanazon a hőmérsékleten kell kalibrálni mint amelyen a ph mérés történik. 8. Nem szabad az üvegelektródot megtörölni, csak leitatni a mérés előtt. Ez ugyanis elektrosztatikusan feltöltheti az üveget. 29

30 Kombinált üvegelektród ph mérı nyílás Belsı oldat Ag KCl oldat (AgCl) AgCl paszta üvegmembrán Mintaoldat Porózus Kerámia Folyadék/ folyadék 0,1 M HCl (AgCl) 30

31 Fluoridion-szelektív elektród 1960 Ross Ag/AgCl NaF, KCl E LaF 3 kristály = konstans β( ) pf TISAB Iminta << ITISAB I=Iminta + ITISAB= ITISAB F - La 3+ Eu 2+ lgγ = A=γ c z I 1 + α I /

32 Folyadékmembrán ionszelektív elektródok 60 különböző komponens (ionofórok-szelektív komplexképző) Kimutatási határ M (újabban akár M) Vérgáz analizátorok (1 milliárd $) *1980- a klinikai laboratóriumok 22%-ába végeztek potenciometriás K + /Na + meghatározást **1991, a klinikai laboratóriumok 96%-ba végeztek potenciometriás Na + meghatározást USA-ban évente 200 millió klinikai K + analízist végeznek Világszinten évente több mint 1 milliárd meghatározást végeznek * College of American Pathologists **Chemistry Survey

33 Folyadékmembrán elektródok Membrán mátrix: esetek döntı többségében lágyított PVC HIDROFÓB (vízzel nem elegyedı fázis) Tipikus összetétel: PVC:Lágyító=1:3 Folyadék? T>Tg (üvegedési hımérséklet viszkózus folyadék) O O O O Aktív komponens: ioncserélı vagy ionofor (szelektív komplexképzı) Lipofil anion vagy kation 33

34 Kation-szelektív membrán o 1% Ionofor o 50% (mol) lipofil anion o PVC (33%) o Lágyító (66%) Szelektív komplexképzés Permszelektivitás Membrán mátrix CF 3 CF 3 CF 3 B CF 3 K + Anion-szelektív membránoknál (lipofil kation) CF 3 CF 3 CF 3 CF 3 KTFPB 34

35 Membrán Mintaoldat Ionofor-Kation (p) Kation (p) C + Ionofor + Kation (p) Kation (i) D + Szelektivitási tényező R - Anion 35

36 Folyadékmembrán elektródok z+ z+ CF 3 CF 3 B CF 3 CF 3 Belső oldat CF 3 CF 3 CF 3 CF 3 H N O O N H Mintaoldat O O O O O NO 2 O O O 2 N O O O O O + O O O O O NO 2 NH O 2 N HN O O O O O O O O O

37 Mikrofabrikált elektrokémiai szenzorok referencia elektród Szitanyomtatott ISE Pt/membrán (bevont huzal) Pt/PPY/Fe(CN)/membrán Ag/AgCl/p-HEMA(KCl)/membrán Zig-zag csatorna Microfabricated ISEs: critical comparison of inherently conducting polymer and hydrogel based inner contacts Talanta 63,

38 Planáris szenzorok 38

39 In-vivo monitoring 39

40 CO 2 elektród HCl Ag/AgCl Ag/AgCl Belsı elektródtest O győrő Ag/AgCl Elektrolit 0,1 M KCl kis kapacitású bikarbonát pufferben Belsı referencia elektród Üvegelektród Távtartó Gázáteresztı membrán Üvegmembrán Külsı elektródtest Gázáteresztı membrán Belsı oldat Pufferolt elektrolit 40

41 Voltammetria Elektrolízis (mikroelektrolízis) Fe 3+ Anyagtranszport Fe 3+ e - Egyensúlyban Fe 2+ Fe 2+ Fe 3+ aq+ e - m Fe 2+ aq Fe 2+ aq e - m + Fe 3+ aq i=afj J fluxus [mol/cm 2 s ] J =k 0 [Fe 3+ ] Redukció Oxidáció 41

42 Anyagtranszport Diffúzió Nernst-Planck egyenlet Koncentráció gradiens Migráció Elektromos potenciál gradiens Konvekció V(x,t) hidrodinamikai sebesség 42

43 Polarográfia o Csepegı higanyelektród o 1920-as évek Heyrovsky (Nobel díj 1959) 43

44 44

45 Modern polarográfok Princeton Applied Research Bioanalytical Systems Metrohm 45

46 Potenciál program E v S R Polarizációs sebesség de/dt=2-10 mv/s i M E k E - A potenciál kontrollált változtatását szimultán áramméréssel egybekötve a potenciosztát végzi -Polarográfiában polarográf + polarográfiás állvány (csepegı Hg elektród/kontroll funkciók) - Áramfelbontás (akár fa tartományba - 1 fa = A) - Feszültségtartomány (-10:+10 V) (kompenzációs feszültség) - Polarizációs sebesség (akár millió volt per szekundum) - Válaszidı (µs) 46

47 Hg elektród Oxigén mentesített KCl oldat K + +e - K (Hg) V Katódos áram Anódos tartomány H + + e - ½ H 2 Nagy túlfeszültség +E -E -2.3 V Maradék áram (i Fszennyezık + i kapacitív ) Anódos áram Hg oxidációja 47

48 Oxigén-zavarás I H 2 O 2 + 2H + + 2e - 2 H 2 O O 2 + 2H + + 2e - H 2 O 2 +E -E Oxigén mentesítés N 2 átbuborékoltatásával 48

49 Alkalmazás Polarográfiával közvetlenül meghatározható elemek Stripping voltammetria 49

50 Alkalmazások Funkciós csoport E 1/2, V Szerves vegyületek Anionok 50

51 Normál polarográfia (DC polarography) o Csepegı Hg elektród o Kimutatási határ 10-5 M o Nem alkalmazzák 51

52 Polarogramm Féllépcsı potenciál Diffúziós határáram Maradékáram 52

53 Diffúziós áram o Elektronátlépés sebessége >> Anyagtranszport o Anyagtranszport csak diffúzióval történik Fick elsı törvénye o Migráció kiküszöbölése (vezetı sóval) o Konvekció kiküszöbölése (keveredés, vibráció és egyéb mechanikai hatások megszüntetése) Fick második törvénye 53

54 Migráció kiküszöbölése vezetősó hozzáadásával 1 mm Pb 2+ Vezetısó koncentrációja (KNO 3 ), M Áram (µa) Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ - Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ Pb 2+ Pb Pb (5x) (100x) (1000x) 8.45 Pb 2+ K + K+ K + K + Pb 2+ K + K + - K + K + K + K + Pb 2+ K + K + K + K + Pb 2+ K + K + K + K + Pb 2+ Pb2+ Pb 2+ K + K + K + K + K + 54

55 Cottrell egyenlet t Koncentráció Növekvı idı x, cm t 55

56 Faraday áram (töltés átmenet) Leesik a csepp Ilkovic egyenlet 2-4 s 56

57 Elektromos kettősréteg Polarizációs sebesség Felületváltozás sebessége Adszorpciós folyamatok

58 DPP vs. DC 10-5 M Klóramfenikol E p i p felbontás 58

59 Stripping voltammetria Anódos stripping voltammetria Dúsítás!!! Dúsítás Elektrolitikus kioldás Hg csepp elektród Idı Áram Hg film elektród 59

60 Stripping voltammetriás görbék Hg-film Leválasztási feszültség M Hg-csepp E 60

61 Amperometria Konstans feszültség mellet mérjük az áramot Cottrell egyenlet szerint I=f(1/t 1/2 ) Az áram egyszerre idı és koncentráció függı -áramló oldatos módszerek (kromatográfiás detektor) -keverés (pl. amperometriás titrálás) -mikroelektródok alkalmazása (r<25 µm) -membránok alkalmazása (oxigén elektród, módosított elektródok) I ss =4nFDCr I ss = N j= 1 i ss 10 µm

62 Oxigén elektród/ Oxigén szenzor Dr. Leland C. Clark, Jr ( Pt -0,6 V) 2e - + ½ O 2 + H 2 O 2 OH - 62

63 Felépítés Nitrocellulóz membrán Teflon membrán Pt O győrő Ag befogó 63

64 Keverésérzékenység A membránon keresztüli diffúzió a transzport meghatározó tényezı I 100 % 0.1 ppm Az oldatból történı diffúzió a transzport meghatározó 0 % Pt E M Mintaoldat Pt E M Mintaoldat 64

65 Vércukormérés-glükóz bioszenzor HO HO O OH OH OH GOX HO O O + O ,6 V HO OH OH H 2 O 2 +0,6 V glükóz glükonolakton FADH 2 FAD Glükóz + GOX FAD Glükonolakton + GOX FADH2 O 2 + GOX FADH2 GOX FAD + H2O2

66 Glükóz szenzor Minta Elektrokémiai jelátalakító Jelfeldolgozás Védıréteg Permszelektív membrán Biológiai eredető komponens Elsıdleges analát (glükóz) Másodlagos analát ( H 2 O 2 ) Elektrokémiai interferensek (pld. AA, PAAP) Biológiai eredető interferensek

67 R W C W R R W a b c 2.5 mm Külsı réteg (PU) Enzim réteg (GOx) Méretkizárásos réteg (GOx) Pt Au Cr Kapton (PI) 67

68 Redoxirendszer Redoxirendszer Ru FAD GOX FADH GOX Ru FADH 2 GOX Glükonolakton FAD GOX Glükóz + + ELEKTRÓD Ru Ru Ru Ru Ru Ru Ru Ru Glükóz Glükóz Glükóz Glükóz Glükóz Glükóz Glükóz Glükóz Glükonolakton Glükonolakton Glükonolakton Glükonolakton e -