Základy analytické chemie
Josef Komárek
1
Literatura • Opekar F., Jelínek I., Rychlovský P., Plzák Z.: Základní analytická chemie, UK Praha 2002. • Sommer L.: Základy analytické chemie I, II, VUT Brno, 2000. • Holzbecher Z.: Analytická chemie, Praha 1987. • Zýka J.: Analytická příručka I,II, 1988. • Pánek P., Doubek V.: Základy analytické chemie pro studenty ekologie 1994. • Skoog D.A., West D.M., Holler F.J., Crouch S.R.: Fundamentals of Analytical Chemistry 2004. • Valcarcel C. H., Valcarcel M.: Principles of Analytical Chemistry. A Textbook, 2000. • Fifield F. W., Kealey D.: Principles and Practice of Analytical Chemistry, 2000. • Harris D. C.: Quantitative Chemical Analysis 1998. 2
Analytická chemie – vědní obor • ανάλυσις = analysis = rozbor • informace o chemickém složení a povaze látek v prostoru a v čase • vyvíjí a aplikuje metody, postupy a zařízení • zákonitosti chemických reakcí a fyzikálně- a biochemických interakcí • metody zpracování analytických dat chemická analýza – zjištění přítomnosti a množství látek - soubor analytických postupů • sledování výrobních procesů, monitorovací a kontrolní analýza (kontrola čistoty vod, půd, ovzduší, potravin) • biochemické a klinické analýzy (diagnostika chorob, analýza léčiv, drog) 3
Pojmy vzorek analyt • matrice vzorku analýza kvalitativní – (Co?) • důkaz anorganických látek- přítomnost iontů organických látek – prvky a funkční skupiny • identifikace – zjištění přítomnosti molekul analýza kvantitativní- (Kolik?) • stanovení 4
Získávání analytických informací ∗ metody subjektivní • vlastní smyslové pozorování - barva, lesk, zápach, chuť, struktura • využití smyslů jiných organismů ∗ metody objektivní • přístroje snímající a měřící určitou vlastnost (analytickou) systému - metody instrumentální přímý způsob - bez externího působení na vzorek interakce vzorku a vnějšího působení • výsledek – odezva - přítomnost - údaj kvalitativní velikost - údaj kvantitativní nevyvolá odezvu - negativní důkaz neselektivní - odezva většiny látek ve vzorku selektivní - látky patřící do určité skupiny specifická - charakteristická pro určitou látku 5
Klasifikace analytických metod podle objektu analýzy Materiál: analýza vody, geologických materiálů, metalurgických materiálů, keramiky, stavebních hmot, životního prostředí, léčiv, potravin, klinická analýza Typ stanovované složky-analytu: prvková analýza anorganických i organických vzorků analýza organických sloučenin analýza radioaktivních izotopů Obsah stanovovaných složek hlavní složka 1-100 % vedlejší složka 0,01-1 % mikrosložka < 0,01 % stopová analýza < 0,0001 % (µg/g) ultrastopová analýza (ng/g, pg/g) Velikost vzorku (g, mg, µg, ng, µl, nl)
6
Klasifikace analytických metod podle principu
•
Chemické metody Gravimetrie (vážková analýza) Volumetrie (odměrná analýza) Fyzikálně-chemické a fyzikální metody Spektroskopické (optické) metody (záření, částice – elektrony, ionty) Elektroanalytické metody Termické analytické metody Radiochemické metody Separační analytické metody Kapalinová extrakce Iontová výměna Chromatografické metody Destilační analytické metody 7 Biochemické metody (enzymy, mikroorganismy)
Obecný postup při analýze
materiál
odběr vzorku
laboratorní vzorek
měření Odběr vzorku analytický analytického příprava Reprezentativní vzorek výsledek signálu vzorku k měření Homogenní vzorek Převedení vzorku na formu vhodnou k analýze Rozpouštění, rozklad, lisování práškových vzorků Separace složek, zkoncentrování složek Měření analytického signálu Hmotnost, objem, tok elektromagnetického záření nebo iontů,
elektrický potenciál, proud, náboj, vodivost
Vyhodnocení dat Střední hodnota, nejistoty stanovení Závěry a zpráva
8
Odběr a příprava vzorku k analýze • • • •
• • • •
odběr vzorku je nedílnou a důležitou součástí každé analýzy kvalita provedení se projeví na správnosti a přesnosti analýzy špatný odběr - znehodnocuje výsledek analýzy při odběru - nutno přihlížet k povaze a původu vzorku (biologický vzorek, výrobní produkt, odpad, potravina) - k charakteru vzorku (velikost částic, zrnění) zohlednit způsob uskladnění vzorku a jeho vlastnosti způsoby odběru pevných, kapalných a plynných vzorků se liší po odběru vzorek upravit do formy požadované pro analýzu způsob odběru vzorku a odběrové zařízení se řídí předpisy a normami, předepsaná metodika 9
Vzorkování tuhých látek ∗ problém heterogenita - různě velké kusy - nerovnoměrné rozložení analytu • čím je vzorek heterogenější, tím větší množství se odebírá, někdy 1-2% z celkového množství • dílčí vzorky z několika míst -průměrný vzorek (1-15 kg) • čím hrubší materiál- tím větší vzorek • hrubý kusový materiál - čelisťový, válcový drtič • rozemletí - kulový, válcový mlýn • dělení kvartace nebo použitím mechanických děliček až na vzorek o hmotnosti několika gramů a hrubosti prachu pro analytické operace 10
Odběr biologických vzorků • volně skladované drobné zboží (ovoce, zelenina, brambory) – několik kusů z povrchu a z různých vrstev • jemnozrnný materiál - vzorkovače φ 5 cm, délka 1 m • sypký materiál v pytlích, sudech, kartonech - sondou • polotekuté a kašovité materiály skladované v bazénech, tancích odběr z vrstev • drůbež, zvěřina – celá balení nebo kusy • zmrazené maso, ryby – ve zmrazeném stavu – z povrchu, i vnitřku malé balení celé vzorkovač sypkých a zrnitých materiálů
11
Odběr biologických vzorků • analyzovaný vzorek - musí být reprezentativní - uchováván tak, aby se jeho složení neměnilo • množství závisí na heterogenitě materiálu, obsahu analytu • laboratorní vzorek - 100-1000 g • drcení, roztírání, mletí - třecí misky, mlýnek, Plattnerův hmoždíř z achátu, korundu, ZrO2 • živočišné tkáně - rozkrájení nerezovým nožem na malé kostičky, rozemletí na masovém mlýnku, homogenizátor (3-5 oC) • přesná dokumentace • vzorkovnice z materiálu neovlivňujícího vzorek - široké hrdlo, neprodyšné uzavření - skleněné nádoby se zábrusovým uzávěrem - zatavené plastové sáčky, plastové prachovnice Plattnerův hmoždíř
12 třecí miska
Vzorkování kapalin • menší problémy s heterogenitou • často se stálostí vzorku - některé ukazatele ihned po odběru (pH, rozpuštěné plyny) - zakonzervování vzorku (například úpravou pH) • pipety (násosky), sondy, upravené nádoby • odběr do vhodných nádob - vzorkovnic (plastové, skleněné) • homogenizace - promícháním, přeléváním
13
Vzorkování plynných látek * pro stanovení makrosložek - do nádob určitého objemu • vzorkovací pipety, sondy (uzavření pomocí kohoutů nebo sept) 200-2000 ml plynoměrná pipeta
* pro stopové koncentrace - dynamická metoda vzorkování - vzduch prochází odběrovým zařízením, kde se sledovaná složka absorbuje v absorpčním mediu nebo na sorbentu - lze tak zkoncentrovat analyt z většího objemu • využití adsorpce, absorpce a vymrazení analytu • alkalické filtry, promývačka s NaOH - kyselé plyny SO2, NOx • polétavý prach - membránový filtr (Synpor 4) 14
Rozpouštění, mokrý rozklad a mineralizace vzorků • látky rozpustné ve vodě se rozpouštějí ve vodě za chladu nebo za zvýšené teploty • látky ve vodě nerozpustné se rozpustí v organickém rozpouštědle • látky ve vodě částečně rozpustné se převádějí do roztoku přídavkem zředěné kyseliny nebo hydroxidu • materiál ve vodě nerozpustný se pro anorganickou analýzu musí rozložit
Druhy rozkladu vzorků pro anorganickou analýzu • • • • •
prostý rozklad zředěnou kyselinou prostý rozklad koncentrovanou kyselinou tavení vhodnými tavidly tlakový rozklad vzorku mikrovlnný rozklad vzorku 15
Rozklad zředěnou kyselinou • obvykle HCl a HNO3 • HCl, když rozklad nevyžaduje oxidovadlo • HNO3, když je potřeba oxidace
Mokrý rozklad koncentrovanou kyselinou • nejčastěji HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HF • HNO3 - oxidační vlastnosti kyseliny (stanovení kovů ve vlasech) • směs HCl a HNO3 - lučavka královská (Au, Pd, Pt) 3 HCl + HNO3 → Cl2 + NOCl + 2 H2O 2 NOCl → Cl2 + 2 NO 2 NO + O2 → 2 NO2 - vlastní rozpouštěcí činidlo - chlor, rozkladem vzniká chlorid kovu • koncentrovaná H2SO4 - velmi silná kyselina vykazující dehydratační a oxidační vlastnosti - vhodná rovněž k rozkladu organických látek • koncentrovaná kyselina chloristá - vhodná pro oxidační rozklady - chloristany dobře rozpustné ve vodě - práce vyžaduje maximální opatrnost • kyselina fluorovodíková - k rozkladu křemičitanů za tepla, vzniká 16 plynný SiF4 - mnohdy kombinace s jinými kyselinami (HClO4)
Rozklady tavením • výsledkem tavení obvykle vznik dvou složek, z nichž jedna je rozpustná ve vodě a druhá ve zředěné kyselině • zásadité a kyselé tavení • tavení lze provádět v platinovém, niklovém, někdy v porcelánovém kelímku zásadité tavení s alkalickými uhličitany • tavidlo – Na2CO3, K2CO3 nebo směs těchto uhličitanů • obvykle k rozkladu síranů a některých křemičitanů • tavení s Na2CO3 - silikáty, půdy
17
Mokrý tlakový rozklad • za zvýšené teploty v autoklávech • k rozkladu slouží kyselina, často HCl či HF, případně ve směsi s HNO3 nebo H2SO4 • pro biologické materiály oxidující minerální kyseliny (HNO3, H2SO4, HClO4) příp. + H2O2 • možné převést do roztoku i materiály, které se za normálního tlaku kyselinami nerozkládají • možná vyšší teplota rozkladu, obvykle 150 °C - 250 °C • snížení kontaminace z atmosféry • běžný ohřev – prodloužení doby trvání primárním ohřevem autoklávu a nádobky
18
Mikrovlnné rozklady • • • •
mineralizace organických a biologických materiálů energie k ohřevu vzorku - prostřednictvím mikrovlnného záření v otevřených i v uzavřených systémech rozklad v uzavřeném systému - rozklad v nádobce z odolného plastu (teflon) za zvýšeného tlaku • mikrovlnné záření - generováno magnetronem ve speciální laboratorní mikrovlnné rozkladné peci otevřený systém 19
Mikrovlnná energie • λ = 5 .10-2 – 1 m ν = 300 MHz - 300 GHz – nízká energie – rotace dipólů, pohyb molekul, iontů – komerčně od 2,45 GHz – vybuzení rotace (dipólů vody)
20
Mikrovlnné rozklady • moderní mikrovlnné pece umožňují současný rozklad více vzorků • rozkládat lze vzorky přírodního původu i syntetické materiály • biologické vzorky (krev, krevní plazma, vlasy, rostlinné, živočišné tkáně, houby) (při stanovení kovů v potravinách) • v přítomnosti silných minerálních kyselin a oxidačních činidel (HNO3, HCl, HF, H2O2) • rozkladný program je vhodné rozdělit do několika fází • postupné zvyšování intenzity mikrovlnného záření k zabránění bouřlivého průběhu reakce • produktem mineralizace je čirý, homogenní roztok 21
Mokrý rozklad nízkoteplotní * UV-fotolytická mineralizace vzorků • UV záření + H2O2 působením UV záření - H2O2 - reaktivní OH radikály - radikálové reakce - rozklad organoarsenitých sloučenin, analýza přírodních vod, odpadních vod, nápojů, půdních extraktů - promíchání roztoků - nucená konvence proti sobě umístěny zóny vyhřívací a chladící - odpařování vzorku zabráněno chlazením horní části nádobek - teplota ovlivněna průtokovou rychlostí chladící vody a objemem vzorku 22
Metody rozkladu biologických materiálů * suchý rozklad • vysokoteplotní - muflová pec - zpopelnění organických látek - rostlinný materiál - spalování při 400-550 oC - živočišný původ - popel s uhlíkem - přídavek oxidačního činidlaMg(NO3)2 • nízkoteplotní - radiofrekvenční plazma - rozklad pod vlivem vysokofrekvenčního magnetického pole v kyslíkovém plazmatu za nízkého tlaku a nízké teploty (150 oC) - studené plazma 23
Muflová pec
klasická
mikrovlnná
24
Izolace organických látek ze vzorku • záleží na jejich teplotě varu a polaritě • metody: extrakce rozpouštědlem superkritická fluidní extrakce (SFE) head-space • extrakce: látky labilní-za pokojově nebo snížené teploty náchylné k oxidaci - v inertní atmosféře nebo se stabilizačními přísadami citlivé na světlo- ve tmě, kryt z Al-fólie • urychlení: ultrazvuková lázeň za varu pod zpětným chladičem -Soxhletův extraktor – vzorek v extrakční patroně z papíroviny nebo ve "skleněné svíčce s fritou"
25
SFE: extrakce tekutinou v nadkritickém stavu • nadkritická kapalina tj. plyn za tlaku a teploty vyšší než kritický bod-hustý plyn • fyzikální vlastnosti- mezi kapalinou a plynem - nízká viskozita a vysoký difuzní koeficient -dobrá rozpouštěcí schopnost • nejčastěji CO2 • pro extrakci polárních látek modifikace přídavkem methanolu • kolekce analytů je dosaženo snížením tlaku ve sběrači s vhodným rozpouštědlem • expanzí superkritické kapaliny-ochlazování rozpouštědla
26
Head-space • dosažení rovnováhy mezi vzorkem a plynnou fází v uzavřeném systému • nádobka se temperuje po určitou dobu -odebírá se plynná fáze
Solubilizace biologických materiálů • • • •
enzymatická hydrolýza (se směsí lipáz a proteáz) loužení s kyselinou octovou alkalická hydrolýza s tetramethylamonium hydroxidem loužení směsí NaOH (nebo HCl)-methanol
27
