Einführung in die analytische Chemie: Elementanalytik
Einführung in die analytische Chemie: Elementanalytik
Einführung in die analytische Chemie: Elementanalytik
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Kartei Details
Karten | 20 |
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Sprache | Deutsch |
Kategorie | Medizin/Pharmazie |
Stufe | Universität |
Erstellt / Aktualisiert | 18.05.2015 / 06.12.2016 |
Weblink |
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Grundlagen der Elementanalytik
- Elementanalytik ist ein zentrales Teilgebiet der analytischen Chemie
- Heutzutage sind ausser den Hauptelementen auch Spuren- bis Ultraspurenbestandteile gefragt
- Der Totalgehalt wird bestimmt, unabhängig von der chemischen Spezies
- Analyse nutzt vielfach physikalische Eigenschaften der Atome (atomspektroskopische und massenspektrometrische Methoden)
- Übergänge zwischen energetischen Zuständen der Atome werden untersucht, die durch die Elektronenkonfiguration der inneren und äusseren Elektronenhülle beschrieben werden
- Um Übergänge zu untersuchen, an denen die Elektronen der äusseren Elektronenhülle beteiligt sind, muss die Probe atomisiert werden
- Daher sind die meisten Methoden zerstörend
Instrumentelle Methoden der Elementanalytik
- Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)
- F-AAS
- GF-AAS
- Optische Emissionsspektroskopie (OES)
- F-OES
- ICP-OES
- Plasma-Massenspektroskopie (ICP-MS)
- Ionenchromatographie (IC)
- Kationenchromatographie
- Anionenchromatographie
- Kapillarelektrophorese (CE)
- Elektrochemische Verfahren (Voltammetrie)
- Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF)
- Röntgendiffraktometrie
- Rasterelektronenmikroskop (REM) mit wellenlängen- oder energiedispersivem Detektionssystem
Physikalische Grundlagen der Atomspektren
- Atomspektren:
- Linenspektren, die für die emittierenden oder absorbierenden Atome (Elemente) spezifisch sind
- Kirchhoff: „Jede Materie kann auf der Wellenlänge Strahlung absorbieren, auf der sie auch selbst Strahlung emittiert“
- Atomspektren tragen Informationen über den Atombau der Elemente. Die grundlegenden Prozesse bei der optische Atomspektroskopie stehen mit den äusseren Elektronen der Atome in Verbindung.
- Einfachster Fall:
- Linienspektrum des Wasserstoffatoms als Funktion der Wellenlänge
Spektroskopische / -metrische Methoden
- Beruhen auf der Wechselwirkung von Probenmaterial mit elektromagnetischer Strahlung
- Emission
- Absorption
- Fluoreszenz
- Reflexion
- Qualitative Information: Wellenlänge
- Quantitative Information: Intensität
Atom-Absorptionsspektroskopie (AAS)
- Prinzip
- Atomisierung
- Prinzip
- Emission von Licht selektiver Wellenlängen von Lichtquelle
- Atomisierung der Probe im Strahlgang
- Absorption des Lichtstrahls in der Atomwolke
- Messung der Lichtschwächung (Extinktion) im Vergleich zur eingestrahlten Intensität
- Quantifizierung nach dem Lambert Beer‘sche Gesetz: Proportionalität zwischen Konzentration des Analyten in der Probe und der Extinktion
- Technische Realisierung häufig als Einelementtechnik
- Atomisierung
- Flamme (Acetylen/Luft-Gemisch oder Acetylen/Lachgas), in die die zu analysierende Lösung zerstäubt wird
- Erhitzen in einem Graphitrohr, in das zuvor etwas Lösung hineingegeben wurde
Hohlkatodenlampe
- elementspezifisch: Mit der Kathode des zu bestimmenden Elements
- jedes Element muss separat gemessen werden
Optische Emmisionsspektroskopie (OES)
- Prinzip
- Charakteristika
- Funktionsweisen
- Prinzip
- Bei hoher Temperatur emittieren unterschiedliche Elemente elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge (z.B. Flammenfärbung zur qualitativen Analyse).
- Charakteristika
- Möglichkeit zur Multi-Element-Bestimmung
- Hohe Automatisierbarkeit
- Grosser messbarer Konzentrationsbereich (bis zu 6 Grössenordnungen von sub μg/l bis g/l)
- Funktionsweisen:
- Flammen-OES
- ICP-OES
Flammenphotometer (F-OES)
- Eine Materialprobe (Analysesubstanz) wird als Aerosol in die Flamme gebracht
- DIe häufigste Anwendung der Emissionsmessungmir der Flamme ist ie Bestimmung von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen im Bereich der pharmazeutischen Analytik.
- Zugunsten einer preiswerteren Analytik (keine Lampe notwendig) verzichtet man auf wesentliche Vorteile einer Messung in Atomabsorption (bessere Linearität, weiterer Arbeitsbereich, geringere Abhängigkeit von der Flammentemperatur).
Plasma-Emissions-Spektroskopie (ICP-OES)
- Prinzip
- Aufbau der Plasmafackel (Torch)
- Prinzip
- ICP-OES: Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (optische Emissionsspektroskopie mittels induktiv gekoppeltem Plasma)
- Die Methode des induktiv gekoppelten Plasmas beruht auf der Verwendung eines sehr heissen (bis zu 10'000K) Argonplasmas zur Anregung der optischen Emission der zu analysierenden Elementen
- Plasmabedingungen zur Anregung sind für alle Elemente ausser für die Alkali- und Erdalkalimetalle nötig
- Aufbau der Plasmafackel (Torch) / Plasma im Betrieb
Interferenzen in der Atomspektroskopie
- Spektrale Interferenzen
- Transportinterferenzen
- Gasinterferenzen
- Spektrale Interferenzen
- Ueberlagerung durch Emission / Apsorption / Ionisierung von Störkomponenten
- Transportinterferenzen
- Chemische Störung durch Matrixkomponenten
- Physikalische Störungen durch die Viskosität, Dichte oder der Oberflächenspannung des LM
- Von besonderer Bedeutung in der Flammen- oder ICP-Injektion, weil ein Probenaerosol (Zerstäuber + Sprühkammer) erzeugt werden muss
- Gasinterferenzen
- Nicht vollständige Dissoziation von Molekülen (AAS)
- Verschiebung des Gleichgewichts Atomisierung/Ionisierung
- Nicht vollständige Dissoziation von Molekülen (AAS)
Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry (ICP-MS)
- Heute die leistungsfähigste Methode auf dem Gebiet der anorganischen Spurenanalytik
- Herausragende Merkmale:
- Multielement-Methode
- Sehr tiefe Nachweisgrenze:
- typischerweise <0.1-10 pg/g
- für die (Ultra-) Spurenanalytik sehr gut geeignet
- Dynamischer Bereich über 6 Grössenordnungen
- Massenspektrometrische Methode:
- Isotopenverhältnisse bestimmbar
- Isotopenverdünnungsanalyse durchführbar (Zugabe eines Isotops als internen Standard)
- Geeignet für flüssige, feste und gasförmige Proben
- Anfällig gegen chemische Störungen durch Matrixkomponenten
Herausforderungen des ICP-MS
- Ionisierung der Elemente
- Entwicklung des ICP als ideale Ionenquelle für die Elementanalytik
- Typische Ionenquellen der organischen Massenspektrometrie eignen sich nicht
- Interface zwischen ICP und MS
- Übergang vom normalen Luftdruck (105Pa) und 7'000K im Plasma auf Hochvakuum (10-3Pa) und Raumtemperatur im Massenspektrometer
- Übergang vom Erdpotential im Plasma auf Hochspannung im Massenspektrometer