Kémiai elemzéselemzés- 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, O2-gázkeverékek, stb. makromolekulák: fehérjék-vérből, stb. Minıségi analízis- komponensek azonosítása a mintában Kimutatás: a jelenlét igazolása
Jelentőség o o o o o o o o o o
Kémia Biológia Orvostudomány Környezetvédelem Geológia Oceanográfia Anyagtudományok Archeológia Sport stb.
Mintavétel Átlagösszetétel Lokális összetétel Pillanatnyi összetétel
Minta Reprezentatív !
Analitikai laboratóriumi minta Könnyen kezelhetı/ kisebb /homogén
Részminták
Mintavétel
Az elemz elemzés folyamat folyamata Analitikai minta
Vizsgálati anyag
Mintakészítés készítés
Jelképzés
Analitikai minta
Analitikai mérés Mérési eredmény
Jel Jelértelmezés
Analitikai mérés
Utókövetkeztetés Felhasználói anyag a vizsgálati mintáról
Mérési eredmény Kémiai információ
On vs. OFF –line mérések • • • • •
Általában egy adott komponens vagy kisszámú komponens Gyors válasz – gyors beavatkozás Folyamatos monitorálás Helyszíni mérés In-vivo mérés Folyamat Számítógép
Mérés O2 felesleg
EC Injektor O2 szenzor
Kipufogó
Motor gázok
Hátsó O2 szenzor
Katalizátor
O2 hiány
Szabályozás
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
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
Gravimetria
helyett
Térfogatos elemzés
Mérıoldat
Analát Oxálsav (színtelen)
Büretta
Mérıoldat (lila)
(színtelen)
Egy csepp feleslegtıl az oldat lila színő lesz= végpont Teflon csap
Egyenértékpont=sztöchiometrikus mennyiségben adagolt mérıoldat Erlenmayer flaska
Mintaoldat keverı
Mágneses keverı
Kritériumok és reakciók -Relatív gyors -Mennyiségi -Detektálható -Sztöchiometrikus
1. 2. 3. 4.
sav-bázis komplexometriás redoxi csapadékos
Egyszerő és olcsó Nem kíván kalibrálást (kivéve a mérleg) Nagy pontosság/helyesség
Idı és munkaigényes Kis érzékenység Szelektivitási problémák
fı Hátrányai: komponens meghatározás lassú és munkaigényes, kicsi érzékenység, szelektivitása nem elég jó
fı komponens mérésére kiváló
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
Szelektív vs. NemNem-szelektív detektorok Minta Elválasztás B A
B D C D
Etc.
A analát Jel
interferensek D
C
Analizálás-egyenként A
B idı
C
Kalibráció, standard addíció Válaszjel
(
)
g é s i y n n e m . v ó i c á r t n e c n o k d
g é s y n e k é z r É = (
l e j z s a l á v d
Lineáris tartomány
)
Jel
Koncentráció/mennyiség Jx=S × Cx Ja=S × (∆C+Cx)
Ismeretlen koncentrációja
Ismeretlen minta jele
Az adagolt komponens konc.
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)
Jel( X ) Jel( S ) = F [X] [S] Idı, min
F- a relatív érzékenység=Sx/Ss -mintavesztességek kompenzálása
Analititikai teljes teljesítmény ítmény 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
Elektrokémia Elektrolízis
Elektromos energia
Kémiai energia
Elektromos feszültség, töltés, áramerősség, ellenállás
Kémiai reakciók
Galváncella (akkumulátorok, elemek) Elektrokémia
Elektrokémia alkalmazásai •
• •
• •
Elektroszintézis Hall-Heroult folyamat 1886 Charles Hall (22 évesen) Elektrolitikus alumínium gyártás (Na3AlF6/Al2O3 olvadékban elektrolitikus Al leválasztás) 2.5 × 105 A (az USA elektromos energiájának 4.5 %-a) Bevonatok (Króm, nikkel, stb.) Elemek, akkumulátorok (-) Pb(s)/PbSO4(s),H2SO4(aq)//H2SO4(aq),PbO2(s)/Pb(s) (+) Li-ion Elektrokromatikus kijelzık Elektroanalízis
17
Elektroanalitikai módszerek „Oldat tömegi” Módszerek
„Határfelületi” módszerek
Statikus módszerek I=0
Dinamikus módszerek I≠0
Konduktometria G=1/R
Potenciometria (E) Potenciometriás titrálás (V)
Áram kontroll Coulombmetriás titrálás Q=It Elektrogravimmetria (m)
Konduktometriás titrálás (V)
Feszültség kontroll Voltammetria i=f(E) Amperometria E=konst (i)
Amperometriás titrálás (V) 18
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
Galváncellák Feszültség -mérı
Átviteles és átvitel nélküli cellák A galváncella kétféle felépítéső lehet: átvitel nélküli cella: Ag | AgCl | ZnCl2 (c1) | Zn Ecella =Eind. – Evon
Anód
Katód
Folyadék/elektród határfelület
Sóhíd
átviteles cella Ag | AgCl | KCl (c2) || ZnCl2 (c1) | Zn Folyadék/folyadék határfelület
Ecella =Eind. – Evon. + Ediff
Diffúziós potenciál
Anód
Katód 20
Diffúziós potenciál Diffúziós potenciál, 25 ºC NaCl oldat
Ion
NaCl oldat
Víz
Víz
Határfelület
ED, mV
u (mozgékonyság) x 1E10 cm2mol/Js
Ca
32.20
Na
54.70
Li
42.40
K
80.00
Mg
29.00
NH4
80.00
H
376.00
Cl
81.10
ClO4
79.40
OAc
43.80
NO3
75.80
OH
206.0
− ∑ z n u n ( c 'n − c 'n' ) ED =
n
∑ z n 2 u n ( c 'n − c 'n' ) n
∑ zn
×
2
u n c 'n
RT ln n 2 F ∑ z n u n c 'n' n
Mérőcella Referencia elektród Eref=konst
Referencia elektród
EMF
Belső oldat
Indikátor elektród
Concion=konst. Ag/AgCl
Mintaoldat Concion≠konst.
Ag/AgCl
Belsı oldat Belsı oldat Diafragma
IE
Minta
Ionszelektív membrán
Sóhíd Mintaoldat
22
Referencia elektródok o o
Hg/Hg2Cl2, KCl (x M) (80 ºC alatt) Ag/AgCl, KCl (x M) (275 ºC-ig)
23
Ionszelektív Ionszelekt ív elektródok Referencia elektród (Eref=konst)
Feszültségmérő
120.0 mV
Indikátor elektród Referencia elektród Mintaoldat
Üvegelektród felépítése
Mintaoldat
Belsı oldat
változó
Hidratált gél réteg
Száraz üveg
Ioncserélıhelyek Na+ és H+
Ioncserélıhelyek Na+
Hidratált gél réteg Ioncserélıhelyek Na+ és H+
Működési elv IONCSERE EGYENSÚLY Si O H-Na
Üveg
Belsı oldat
Mintaoldat
∆E1 ≈
RT AH + (aq , m) ln nF A + (ü ) H
0.01 M H+ 0.01- δ M H+
Negatív töltés (SiO32-)
0.001+ δ M H+ 0.001 M H+
RT AH + (aq , bo ) ∆E 2 ≈ ln nF A + (ü )
RT AH + (aq , m) ∆E = konst + ln nF A + (aq , bo )
H
H
E=Ekonst + 0.059 lg AH+(aq, m) Na+
E= E=E Ekonst - 0.059 ×β× pH 26
Elsődleges standardok (National Bureau of Standards)) Standards
27
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 ± 0.001 pH → ≈0.1 mV 1 mV → 4% Kw=f(T), 25ºC Kw=1.012 × 10-14 Semleges pH [H+]=[OH-]=1.006 × 10-7 pH=6.997 60 ºC 66.1
25 ºC 59.16
0
Izopotenciál pont 0 ºC 54.2
pH=7.43 pH=0
pH=7
100 Semleges pH
pH=6.13
pH=14 28
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
Kombinált üvegelektród pH mérı
nyílás
Belsı oldat Ag
AgCl paszta
KCl oldat (AgCl)
Mintaoldat Porózus Kerámia Folyadék/ folyadék
üvegmembrán
0,1 M HCl (AgCl)
30
Fluoridion--szelektív elektród Fluoridion 1960 Ross Ag/AgCl NaF, KCl F- La3+ Eu2+
LaF3 kristály
E = konstans − β (0.05916) pF TISAB
−
A=γ×c − 0 .51 z 2 I lg γ = 1 + α I / 305
Iminta << ITISAB I=Iminta + ITISAB= ITISAB 31
Folyadékmembrán ionszelektív elektródok •
60 különböző komponens (ionofórok-szelektív komplexképző)
•
Kimutatási határ 10-6 -10-5 M (újabban akár 10-12 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
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
Kation--szelektív membrán Kation
o
1% Ionofor
o
50% (mol) lipofil anion
o
PVC (33%)
o
Szelektív komplexképzés Permszelektivitás Membrán mátrix
Lágyító (66%) CF3
CF3
CF3
CF3 B
+
K
Anion-szelektív membránoknál (lipofil kation)
CF3
CF3 CF3
CF3
KTFPB 34
Membrán Membr án
Mintaoldat
Ionoffor Iono or--Kation (p)
Kation (p) C+
Ionofor +
Kation (i) D+ Szelektivitási tényező tényező
Kation (p)
R-
Anion 35
Folyadékmembrán elektródok z+ CF3
CF3
CF3
CF3 B
CF3
CF3 CF3 H N
Mintaoldat O
O NO2
O
O
CF3
O
H N O O2N
O
O O
O O
O
O
O
O
+
O
NO2
O2N
O
O
NH
HN
O
O O
O O
O
Belső oldat
z+
O
O
O
O
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. 2004. 2004 Talanta 63, 89-99.
Planáris szenzorok
38
InIn-vivo monitoring
39
CO2 elektród
HCl Ag/AgCl
Ag/AgCl Belsı elektródtest
0,1 M KCl kis kapacitású bikarbonát pufferben
O “győrő” Ag/AgCl Elektrolit Távtartó
Belsı referencia elektród Külsı elektródtest Gázáteresztı membrán
Üvegelektród
Üvegmembrán Gázáteresztı membrán
Belsı oldat Pufferolt elektrolit
40
Voltammetria Elektrolízis (mikroelektrolízis)
Fe3+
Anyagtranszport
Fe3+
Egyensúlyban
i=AFJ
eFe2+
Fe2+
J fluxus [mol/cm2s ] J =k0 [Fe3+]
Fe3+aq+ e-m → Fe2+aq
Redukció
Fe2+aq → e-m + Fe3+aq
Oxidáció 41
Anyagtranszport Diffúzió
Nernst-Planck egyenlet Koncentráció gradiens
Migráció
Elektromos potenciál gradiens
Konvekció
V(x,t) hidrodinamikai sebesség 42
Polarográfia
o
Csepegı higanyelektród
o
1920-as évek Heyrovsky (Nobel díj 1959)
43
44
Modern polarográfok
Princeton Applied Research
Bioanalytical Systems
Metrohm 45
Potenciál program R Ev
S dE/dt=2-10 mV/s Polarizációs sebesség
Ek
i
M 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 = 10-15 A) - Feszültségtartomány (-10:+10 V) (kompenzációs feszültség) - Polarizációs sebesség (akár millió volt per szekundum) - Válaszidı (µs) 46
Hg elektród K++e- → K (Hg) -1.975 V Oxigén mentesített Katódos áram KCl oldat H+ + e- → ½ H2
Anódos tartomány
+E
Nagy túlfeszültség
-E -2.3 V Maradék áram (iFszennyezık+ ikapacitív)
Anódos áram Hg oxidációja
47
Oxigén--zavarás Oxigén I
H2O2 + 2H+ + 2e- → 2 H2O O2 + 2H+ + 2e-→ H2O2
+E
-E
Oxigén mentesítés N2 átbuborékoltatásával 48
Alkalmazás
Polarográfiával közvetlenül meghatározható elemek Stripping voltammetria 49
Alkalmazások Funkciós csoport
E1/2, V Szerves vegyületek
Anionok
50
Normál polarográfia (DC polarography) polarography)
o o o
Csepegı Hg elektród Kimutatási határ 10-5 M Nem alkalmazzák
51
Polarogramm Féllépcsı potenciál
Diffúziós határáram
Maradékáram 52
Diffúziós áram
o o
o o
Elektronátlépés sebessége >> Anyagtranszport Anyagtranszport csak diffúzióval történik Migráció kiküszöbölése (vezetı sóval) Konvekció kiküszöbölése (keveredés, vibráció és egyéb mechanikai hatások megszüntetése)
Fick elsı törvénye
Fick második törvénye
53
Migráció kiküszöbölése vezetősó hozzáadásával 1 mM Pb2+ Pb2+
Vezetısó koncentrációja (KNO3), M 0
Áram (µA)
Pb2+
Pb2+
17.6
Pb2+ Pb2+
-
Pb2+
0.0001
16.2
0.0002
15.0
0.0005
13.4
0.001
12.0
0.005 (5x)
9.8
0.1 (100x)
8.45
1 (1000x)
8.45
Pb2+
Pb2+
Pb2+ Pb2+
Pb2+
Pb2+
Pb2+
Pb2+ K+ K+ K+
K+ + K
-
K+ Pb2+
K+
K+ K+
K+
K+ Pb2+
K+
K+
+ K+ K Pb2+
K+ Pb2+
K+
K+
K+
Pb2+
Pb2+ K+
K+ K+
K+
54
Cottrell egyenlet
Koncentráció
t
Növekvı idı
x, cm
t 55
Faraday áram (töltés átmenet) Leesik a csepp
Ilkovic egyenlet
2-4 s
56
Elektromos kettősréteg
Polarizációs sebesség Felületváltozás sebessége Adszorpciós folyamatok
DPP vs. DC 10-5 M Klóramfenikol
Ep ↑→ ip ↑→ felbontás↓
58
Stripping voltammetria Anódos stripping voltammetria
Dúsítás !!!
Dúsítás
Elektrolitikus kioldás
Hg csepp elektród
Áram
Idı
Hg film elektród 59
Stripping voltammetriás görbék Hg-film
Leválasztási feszültség
2×10-7 M Hg-csepp
E
60
Amperometria Konstans feszültség mellet mérjük az áramot Cottrell egyenlet szerint I=f(1/t1/2) 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)
Iss=4nFDCr
N
I ss = ∑ i ss j =1
10 µm
Oxigén elektród/ Oxigén szenzor Dr. Leland C. Clark, Jr. 1956
( Pt -0,6 V) 2e- + ½ O2 + H2O → 2 OH-
62
Felépítés
Nitrocellulóz membrán Teflon membrán Pt
O “győrő”
Ag befogó
63
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
Vércukormérés--glükóz bioszenzor Vércukormérés HO
O
OH
+
HO
GOX O2
HO HO
OH OH
O
O OH
+
OH
- 0,6 V
glükóz
H2O2
+0,6 V
glükonolakton
FADH2
FAD
Glükóz + GOX − FAD → Glükonolakton + GOX − FADH2
O2 + GOX − FADH2 → GOX − FAD + H2O2
Minta
Elektrokém iai jelátalakító
Jelfeldolgozás
Glükóz szenzor
Védıréteg
Permszelektív membrán Biológiai eredető komponens
Elsıdleges analát (glükóz) Másodlagos analát ( H2O2) Elektrokémiai interferensek (pld. AA, PAAP)
Biológiai eredető interferensek
R
a
W
C
b
W
R
R
W
c
2.5 m m
Külsı réteg (PU) Enzim réteg (GOx) Méretkizárásos réteg (GOx) Pt Au Cr Kapton (PI)
67
Redoxirendszer
Glükóz + GOX − FAD → Glükonolakton + GOX − FADH2
Ru 3+ + GOX − FADH 2 → GOX − FAD + Ru 2+
Ru3+ e-
Glükóz
Ru2+
ELEKTRÓD
Glükonolakton
