2010.03.22.
Műszaki analitikai kémia Alapfogalmak a műszeres analitikai kémiában Dr. Galbács Gábor
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába A koncepció 1. Valamilyen külső fizikai hatás (elektromágneses sugárzás, hevítés,
elektromos feszültség, stb.) alá helyezzük a mintát 2. A minta jellemzőinek külső hatások által előidézett változását (válaszjel) érzékeljük. A válaszjel lehet pl. elektromos, mechanikai, optikai, termikus vagy optikai jellegű, vagyis lényegében fizikai jel. Következésképpen a műszeres analitikai kémia valójában az analitikai kémia fizikai módszereit öleli fel, szemben a kémiai (vagy klasszikus) analízissel Emlékeztetőül: a klasszikus kémiai elemzés módszerei a analízissel. kémiai reakciók sztöchiometriájának ismeretén alapulnak, így a térfogat vagy tömegmérés révén teszik lehetővé az egyes komponensek mennyiségének elemzését. Mindezzel szemben a fizikai módszereknél szinte mindig kalibrálni kell.
1
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába A kalibráció A kalibráció folyamata során a műszer válaszjele és a mérendő koncentrációja közötti összefüggést határozzuk meg. A kísérletileg meghatározott g kapcsolatot p a kalibrációs g görbe ((másképpen: pp mérőgörbe, g , analitikai görbe) grafikonja írja le, amely a műszer válaszjelét vagy egy abból közvetlenül származtatott mennyiséget ábrázolja a mérendő komponens koncentrációja vagy anyagmennyisége függvényében. A görbe felvételét ismert koncentrációjú mintasorozattal végezzük; általában öt-hat kalibrációs mintát használunk, beleértve a „nulla” koncentrációjú j mintát is ((ún. vakminta vagy gy blank). ) A g görbe alakja j az alkalmazott műszertől illetve mérési módszertől függően lehet más és más, azonban a függvénykapcsolat a hasznos tartományban egyértékű, monoton növekvő, legtöbbször telítési jellegű.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs módszerek – közvetlen kalibráció Többféle kalibrációs módszer van használatban. Ezek közül a legegyszerűbb a közvetlen (klasszikus) kalibráció, amikor a mérőgörbéről viszaolvassuk az ismeretlenre kapott jel alapján a k koncentrációt. t á iót A telítési t líté i szakaszon k az érzékenység é ék é egyre csökken, ökk a koncentráció-meghatározás bizonytalansága egyre nagyobb, ezért igyekszünk a még elfogadhatóan lineáris (kezdeti) szakaszon mérni. jel Az ismeretlen mintára mért válaszjel
Az ismeretlen mintabeli koncentrációja
koncentráció
2
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs módszerek – standard addíció A (többszörös) standard addíciós kalibrációt olyankor alkalmazzuk, amikor a minta mátrixa a mért válaszjelet befolyásolja (zavaró hatást fejt ki). A módszer lényege, hogy a mintából oldatsorozatot készítünk, amely tagjaihoz egyre növekvő mennyiségben addicionáljuk a mérendő komponenst. A mért jelekből addíciós grafikont szerkesztünk. Fontos feltétel, hogy a válaszjelnek lineárisan kell változnia a mérendő komponens koncentrációjával és a hígulást minimalizálnunk kell.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs módszerek – belső standard alkalmazása Nem önálló kalibrációs módszer, hanem valójában egy jelkorrekciós eljárás a belső standard alkalmazása. Az eljárás lényege, hogy nem közvetlenül a mérendő komponensre kapott válaszjelet, válaszjelet hanem ennek a válaszjelnek és egy minden mintához azonos koncentrációban hozzáadott (belső standard) komponensre kapott válaszjelnek a hányadosát használjuk a kalibrációhoz. Ezt az eljárást minden más kalibrációs módszerrel összefüggésben alkalmazhatjuk. Ha jól választjuk meg a belső standard komponenst – amelynek jelét ideálisan egy független mérőcsatorna méri – akkor ezzel a jelkorrekcióval kiküszöbölhetjük a jel rövid és hosszútávú ingadozásából, vagy a mátrixnak mintabeviteli rendszerre gyakorolt általános hatásából származó effektusok jelentős részét.
3
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs módszerek – izotóphigítás Az izotóphígítás a belső standard és az addíciós módszer egy speciális kombinációja, amikor a belső standard a mérendő elem egy izotópja. Értelemszerűen az izotóp információt adó módszerekkel (pl. tö kt t i ) alkalmazzuk. lk l k tömegspektrometria)
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs görbék jellemző adatai
Érzékenység (S) az analitikai mérőgörbe deriváltja. Egyszerű esetekben, amikor a mérőgörbe lineáris, az érzékenység független a koncentrációtól és egyenlő a merdekséggel. Más esetekben értéke a koncentrációtól függ, de legtöbbször ilyenkor a kezdeti (lineáris) szakaszon mért értékét adjuk meg.
4
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs görbék jellemző adatai
Lineáris dinamikus tartomány az a koncentráció (anyagmennyiség) tartomány, amelyen belül a kalibrációs görbe lineárisnak tekinthető; vagyis az eltérés sehol sem nagyobb, mint 5%.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Kalibrációs görbék jellemző adatai
Kimutatási határ (DL, LOD) az a legkisebb koncentráció (anyagmennyiség) amelyhez tartozó jel statisztikailag már megbízhatóan elkülöníthető a háttértől (vakminta). A kvantitatív meghatározáshoz ennél 5-10-szer nagyobb koncentrációra van szükség; ez a meghatározási határ (LOQ): 5-10 x DL.
5
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Hitelesítés Hitelesítés során egy műszer mérési pontosságát ellenőrizzük illetve állítjuk be. A hitelesítést hivatalos vizsgálati bizonylattal ellátott minta vagy eszköz (etalon) segítségével végezzük. Hitelesíteni logikusan olyan mérőeszközöket szokás, amelyek valamilyen abszolút mennyiséget, sok esetben fizikai alapmennyiséget határoznak meg (pl. mérleg, feszültségmérő, esetleg egy pH-mérő vagy vezetőképességmérő műszert). Nagyon fontos érzékelni a kalibráció és a hitelesítés fogalma közötti különbséget. A hitelesítés célja a fentiek szerint a műszer pontosságának ellenőrzése és beállítása. beállítása A kalibráció célja ezzel szemben a válaszjel-koncentráció függvényt alakját megállapítani. Gondoljuk meg azt is, hogy a legtöbb kalibrációt igénylő kvantitatív műszeres analitikai eljárás esetében nincs szükségünk arra, hogy a mért válaszjel abszolút értelemben is pontos legyen (lásd később).
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Felbontás Sok műszeres mérési eljárás több információt szolgáltat, mint egyetlen skaláris szám. A spetroszkópiai és kromatográfiás módszerek két- vagy háromdimenziós adatmátrixot (spektrumot, kromatogrammot, stb.) produkálnak egyes mérési paraméterek (pl. (pl hullámhossz, hullámhossz energia, energia stb.) stb ) függvényében, amelyeket többnyire grafikonokon ábrázolunk. Ezeken a grafikonokon az egyes komponensekhez más és más csúcsok tartoznak. A felbontás abból a szempontból jellemzi ezeket a grafikonokat, hogy mennyire válnak külön a szomszédos csúcsok (összefüggésben van a szelektivitással). Jele R, számítása pl. tömegspektrometriában:
R =
m1 + m2 2 ⋅ (m2 − m1 )
amikor h0 ≤ 0,05 ⋅
h1 + h2 2
6
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Ismételhetőség és reprodukálhatóság Az ismételhetőség a precizitás azon fajtája, amely ismételhető körülmények között elvégzett kísérletekre vonatkozik, vagyis mértéke kifejezhető pl. azonos módszerrel, azonos anyagon, azonos műszerrel, azonos kezelő által azonos laboratóriumban különböző időpontban végzett meghatározások eredményei közötti szórással. A reprodukálhatóság a precizitás azon fajtája, amely megismételhető körülmények között elvégzett kísérletekre vonatkozik, vagyis pl. azonos módszerrel, különböző anyagon, különböző műszerrel, különböző kezelők által azonos laboratóriumban végzett meghatározások közötti szórással fejezhető ki. ki
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Zaj, háttér, jel/zaj viszony, stabilitás A zaj a detektortól vagy az elektronika más részeitől származó rövid időtávú jelingadozás (ezt is szórással jellemezzük). A háttér fogalma magában foglalja a zajt és a mért jelnek a mérendő komponens távollétében kapott állandó részét is (sok esetben a vakmintával mérhető közelítő értéke). A gyakorlatban a műszereket a legtöbbször a legnagyobb jel/zaj vagy jel/háttér viszony elérésére állítjuk be. Egy gyakorlati szempontól fontos jellemző még a stabilitás. Ez a fogalom lényegében a műszer által adott mintára szolgáltatott válaszjel h hosszútávú ú á ú (órák (ó ák vagy napok k alatt l tapasztalt) l ) ingadozását i d á á adja dj meg. Értékét általában relatív mennyiségként adjuk meg: (max-min)/átlag.
7
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába A műszeres módszerek előnyei és hátrányai A műszeres analitikai módszerek főbb előnyei: • gyorsaság (automatizálható, a mérési sebesség magas) • érzékenység (nyom- vagy ultra-nyomanalízis is lehetséges) • szelektivitás (csekély zavaró hatás) • reprodukálhatóság (megbízható) • kis mintaigény (mL vagy mg vagy kevesebb) • miniatürizálhatóság Hátrányok: • jelentős költségek • összetett működés • rendszeres karbantartás igénye
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába A módszerek osztályozása A műszeres analtikai módszereket általában az alkalmazott vagy detektált fizikai paraméter jellege szerint szokás csoportosítani: •
elektromos áram/feszültség → elektroanalitika
•
elektromágneses sugárzás → spektrokémia/radiokémia
•
hőátadás → termoanalitika
•
elválasztástechnika → kromatográfia
8
2010.03.22.
Bevezetés a műszeres analitikai kémiába Szenzorikai és hagyományos analitikai szemléletmód A műszeres analitikai kémiában hagyományosan a módszereket abból a nézőpontból szokás tárgyalni, miszerint „a minta megy a műszerhez”. Legtöbbször tehát mintavétel és mintaelőkészítés után a minta bekerül a laboratóriumba, ahol egy asztali műszeren viszonylag nagy térfogatú mintákat tudunk érzékenyen és nagyon szelektíven mérni. Az ipari/műszaki/orvosi területen újabban az alkalmazások inkább „in situ” (helyben) történő méréseket követelnek meg. Ilyen esetekben a kémiai mérőeszközök legtöbbször miniatürizált, sorozatgyártott, k lát korlátozott tt szelektivitású l kti itá ú vagy érzékenységű, é ék é ű d de i igen ki kis mintamennyiséggel dolgozó és gyors, energiatakarékos eszközök, amelyeket ebben az esetben szenzoroknak nevezzük. A mérési elv a legtöbb esetben hasonló az asztali műszerekhez.
9
