Transcript A. Παππα 3-10-14-γενικη εισαγωγη-

ΕΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ
(ΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ, ΦΜΑ)
ΙΝSTRUMENTAL METHODS OF CHEMICAL
ANALYSIS
Περιεχόμενα
Ι. Τι είναι η ενόργανη χημική ανάλυση
• Ενόργανη χημική ανάλυση/κλασική αναλυτική χημεία
• Σχέση της ενόργανης χημικής ανάλυσης με τις άλλες επιστήμες
• Ταξινόμηση των ενοργάνων αναλυτικών μεθόδων
• Ιστορική αναδρομή
• Αναλυτικά όργανα
• Οργανα πεδίου
• Γενικός τρόπος λειτουργίας των αναλυτικών οργάνων
• Μορφή διαγραμμάτων (outputs) οργάνων
ΙΙ. Φάκελλος μαθήματος
Ορισμός
Eνόργανη Χημική Ανάλυση είναι κλάδος της αναλυτικής
χημείας που βασίζεται σε φυσικοχημικές μετρήσεις που
αποκτούνται με ποικιλία οργάνων
Κλάδοι Αναλυτικής Χημείας
Ι. Kλασική Αναλυτική Χημεία
(σταθμική και τιτλομετρική ανάλυση)
ΙΙ. Ενόργανη Χημική Ανάλυση (Φυσικές Μέθοδοι
Ανάλυσης)
ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ
ΑΝΑΛΥΣΗΣ
Aνάπτυξη και εφαρμογή νέων μεθοδολογιών με στόχο
εξαγωγή πληροφοριών για τη φύση και τη σύσταση του
υλικού.
Προσδιορισμός δομής της ύλης
Ο όρος χημεία υπενθυμίζει ότι πρόκειται για ανάλυση
στοιχείων και χημικών ενώσεων.
Πίνακας 1. Φυσικές ιδιότητες που μετρούνται στην ενόργανη χημική Ανάλυσης
Μετρούμενη φυσική
ιδιότητα
Απορρόφηση ακτινοβολίας
Εκπομπή ακτινοβολίας
Σκεδασμός ακτινοβολίας
Διάθλαση της ακτινοβολίας
Περίθλαση της ακτινοβολίας
Hλεκτρικό δυναμικό
Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Ηλεκτρικό ρεύμα
Ποσότητα ηλεκτρισμού
Σχέση μάζας με φορτίο
Θερμικές ιδιότητες
Ενόργανη μέθοδος βασισμένη
στη Μετρούμενη φυσική
ιδιότητα
Φασματομετρία (X, UV,
IR,FT-IR)
Χρωματομετρία, ΑAS, NMR,
electron spin resonance,
Φασματομετρία
εκπομπής(XRF, ICP,
φλογοφωτομετρία,SEM,
ραδιοχημικές μέθοδοι
Θολωσιμετρία, νεφελομετρία,
Raman
Refractometry, interferometry
XRD, electron diffraction
methods
Δυναμομετρία,
χρονοποτενσιομετρία
Αγωγιμομετρία
Πολαρογραφία,
αμπερομετρικές τιτλοδοτήσεις
Κουλομετρία
Φασματομετρία μάζας
TG, DTA, DSC
Ταξινόμηση αναλυτικών μεθόδων
1.Φασματομετρικές μέθοδοι (AAS, UV-Vis, ICP, XRD, XRF, NMR
2. Θερμικές (TGA, DSC, DTA)
3. Χρωματογραφικές (HPLC, GC)
4. Ηλεκτρομετρικές (Πολαρογραφία)
5. Αλλες (MS, SEM)
6. Συνδυασμένες τεχνικές (Hyphenated techniques)
1. Συνεχείς/Ασυνεχείς
2. Καταστρεπτικές/ Μη καταστρεπτικές
Η ενόργανη χημική ανάλυση σε σχέση με άλλες επιστήμες
Η ενόργανη χημική ανάλυση έχει καταστεί πολύ σημαντική και σε
πολλούς άλλους κλάδους, όπως
στην ιατρική
 στην βιοχημεία,
στην χημεία τροφίμων,
στις περιβαλλοντικές επιστήμες
και σε πολλά βιομηχανικά πεδία
Η ενόργανη χημική ανάλυση απαιτεί γνώσεις από διαφορετικές
περιοχές.
Ενόργανη Ανάλυση σε σχέση με την κλασική
αναλυτική χημεία
Οι υγροχημικές μέθοδοι στις οποίες αναφερόμαστε με τον όρο
κλασική αναλυτική χημεία, έχουν γίνει λιγότερο σημαντικές
επειδή είναι χρονοβόρες, η ακρίβεια τους αλλάζει όταν τα
αντιδραστήρια δεν είναι καθαρά και η ευαισθησία τους είναι
μικρή.
Οι περισσότερες ενόργανες μέθοδοι είναι περισσότερο
ευαίσθητες από τις κλασικές και πιο εξειδικευμένες.
Η Ενόργανη Χημική Ανάλυση σήμερα
Η Ενόργανη Χημική Ανάλυση έχει απομακρυνθεί από την παραδοσιακή
περιγραφική χημεία.
Απέραντο οπλοστάσιο από μεθόδους ενόργανης ανάλυσης
Πολλές αναλύσεις γίνονται σε μη ειδικούς χώρους, όπως είναι οι εργασιακοί
χώροι ή η ανάλυση επί τόπου (Field Analysis)
Συνδυασμένες τεχνικές και μη καταστρεπτικές μέθοδοι.
Οι χρήστες χρειάζονται όργανα που έχουν υψηλή ποιότητα και ακρίβεια για
την πιστοποίηση.
Το πρόβλημα της ανάλυσης πρέπει να επιλύεται με μεθοδικότητα. Η
επιστήμη που καλείται χημειομετρία, βοηθά να βρεθεί λύση σε ένα αναλυτικό
πρόβλημα με τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις:μεθοδολογία, επεξεργασία
δεδομένων ερμηνεία αποτελεσμάτων.
Ιστορική αναδρομή (1)
Η πρώτη μη καταστρεπτική αξιόπιστη αναλυτική
τεχνική είναι η εύρεση της νοθείας του χρυσού
στέμματος του τυράννου των Συρακουσών από τον
Αρχιμήδη χρησιμοποιώντας την αρχή της άνωσης.
Ιστορική αναδρομή (2)
Φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης
1747 Margraff : αντιστοιχία χρωμάτων που παίρνει μια φλόγα όταν
καίγονται ορισμένα στοιχεία. (αρχή των φασματομετρικών μεθόδων)
το 1814 ο Frauenchoefer και ο Τalbot το 1825 επεξηγούν τμήματα
των γραμμικών φασμάτων.
1859 οι Bunsen και Κirchoff κατασκευάζουν τελικά το πρώτο
φασματοσκόπιο για την ταυτοποίηση στοιχείων, τροποποιώντας ένα
τηλεσκόπιο και χρησιμοποιώντας φλόγα για την διέγερση των
ατόμων.
1929 ο Lundegardh κατασκευάζει το πρώτο φλογοφωτόμετρο με
ατομοποιητή
1955 ο Walsh περιγράφει το πρώτο φασματόμετρο ατομικής
απορρόφησης
1960 οι L vov (1960) και ο Massman ανακαλύπτουν το φούρνο
θερμαινόμενου γραφίτη.
Ιστορική αναδρομή (3)
Ηλεκτροαναλυτικές μέθοδοι
Αναπτύχθηκαν μετά την ανακάλυψη του βολταικού στοιχείου
παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από τον Volta. Πρώτα
αναπτύχθηκαν οι ηλεκτροσταθμικές μέθοδοι (Cu, 1864) και στη
συνέχεια οι γενικότερες μέθοδοι της ηλεκτροανάλυσης , όπως η
βολταμμετρία, η πεχαμετρία, η ποτενσιομετρία, η
αγωγιμομετρία και τα εκλεκτικά ηλεκτρόδια, εφαρμόζοντας
πάντοτε τους νόμους των Faraday, Nerst, Coulomb, Ohm.
Ιστορική αναδρομή (4)
Xρωματογραφικές μέθοδοι
19 ος αιώνας: οι αρχές των χρωματογραφικών μεθόδων
βρίσκονται στις τεχνικές διαχωρισμού διαλυμένων ουσιών και
διαλυτών, που χρονολογούνται ήδη από τα μέσα του 19ου αιώνα.
1903 : Tswett ανακάλυψη της χρωματογραφίας στήλης
Adams, Holmes ανακάλυψη των ιοεναλλακτικών ρητινών
Martin Synge 1941 με την ανακάλυψη της χρωματογραφίας
κατανομής και τους Martin Gordon με την ανακάλυψη της αέριας
χρωματογραφίας το 1952
Αναλυτικά όργανα
AAS
ΝΜR
ICP
XRF
Οργανα πάγκου
2.
1.
3.
1.TDU-GC-MS
2. Thermal Desorption Unit
3. Regenerator of sorbent tubes
Ανάλυση πεδίου (Field
Analysis)
Φορητά όργανα για χημική ανάλυση
CO/CO2
αισθητήρας
Αισθητήρας NH3
Φορητά όργανα για χημική ανάλυση
Gas Chromatograph-Ion Mobility Spectrometer
2.
1.
3.
1. PM2.5 monitoring
2. Air sampling (2L) with sorbent tubes
3. CO monitoring
Μετρήσεις πεδίου
Δειγματοληψία ( sorbent tubes) για TDU-GC-MS
Ανάλυση νερού στο πεδίο
Σχηματική παρουσίαση μιας ενόργανης μεθόδου
χημικής ανάλυσης
Γενικό διάγραμμα ενός φθορισμομέτρου
ΟΡΙΣΜΟΙ
Πορεία (procedure): Γενική περιγραφή των
σταδίων για την εκτέλεση της μεθόδου.
Πρωτόκολλο (protocol): Λεπτομερής
περιγραφή της πορείας ενός συγκεκριμένου
προσδιορισμού που περιλαμβάνει ποσότητες
αντιδραστηρίων και δείγματος, χρόνους
εκτελέσεως διαφόρων σταδίων, πειραματικές
συνθήκες, κλπ.
ΟΡΙΣΜΟΙ
Αναλυτικό πρόβλημα (analytical problem):
Ερωτήματα που απευθύνονται προς το
Εργαστήριο Ελέγχου (έλεγχος ταυτότητας,
έλεγχος καθαρότητας, έλεγχος ορίων, ποσοτικός
προσδιορισμός).
Ανάλυση (analysis): Εφαρμογή μιας ή
περισσοτέρων αναλυτικών μεθόδων ή/και
δοκιμασιών (δοκιμών) (testing, tests) σε ένα
συγκεκριμένο δείγμα για την απάντηση / επίλυση
ενός αναλυτικού προβλήματος.
ΟΡΙΣΜΟΙ
Προσοχή: Οι όροι «ανάλυση» και «αναλύεται»
αναφέρεται μόνο στο δείγμα και ποτέ στις
ουσίες. Το δείγμα αναλύεται και οι ουσίες
προσδιορίζονται.
Όμως ο αγγλικός όρος «analyte», αποδίδεται
και ως «αναλύτης» αντί της «προσδιοριζόμενης
ή υπό προσδιορισμό ουσίας». Προσοχή επίσης
στους όρους: analyst (αναλυτής / αναλυτικός
επιστήμονας) και analyzer (αναλυτής /
αυτοματοποιημένο αναλυτικό όργανο).
ΟΡΙΣΜΟΙ
Προσδιορισμός (determination): αναφέρεται
στις ουσίες του δείγματος.
Μπορεί να είναι:
Ποιοτικός (ταυτοποίηση) (identification)
Ποσοτικός (assay)
Έλεγχος ορίου (limit test)
ΟΡΙΣΜΟΙ
Μέτρηση (measurement): Εισαγωγή του διαλύματος
εργασίας του δείγματος στο αναλυτικό σύστημα και
ανάγνωση / λήψη της προκαλούμενης τιμής του
αναλυτικού σήματος. Δεν περιλαμβάνει το στάδιο
προετοιμασίας του δείγματος.
Ανταποκρίνεται ακριβώς στην έννοια του αγγλικού
όρου «run».
Εάν περιλαμβάνεται και το στάδιο προετοιμασίας του
δείγματος χρησιμοποιείται ο όρος «προσδιορισμός».
Επαναλαμβανόμενες μετρήσεις ή προσδιορισμοί
αναφέρονται με τον αγγλικό όρο “replicates”.
ΟΡΙΣΜΟΙ
Αναλυτική παράμετρος ή σήμα: η μετρούμενη
φυσικοχημική ποσότητα που σχετίζεται με τη
συγκέντρωση ή ποσότητα του αναλύτη.
Παραδείγματα
Απορρόφηση (A = ε b c)
Εμβαδόν χρωματογραφικής κορυφής
(A = k c)
Δυναμικό (E = E’ + S log C)
Ισχύς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (P = k c)
Μορφή διαγραμμάτων (outputs) οργάνων ΦΜΑ
Μορφή διαγραμμάτων (outputs) οργάνων ΦΜΑ
Μετατροπή του σήματος σε συγκέντρωση
(Ποσοτική ανάλυση
Βαθμονόμηση αναλυτικής μεθόδου)
Στις ενόργανες μεθόδους γίνεται έμμεσα ο προσδιορισμός της
συγκέντρωσης, μέσω μιας μαθηματικής σχέσης-συνήθως
γραμμικής- που συνδέει μια ιδιότητα της ουσίας (σήμα του
οργάνου) με την συγκέντρωση της ουσίας.