Műszeres kémiai analitikai módszerek és alkalmazásaik

Az előadások a következő témára: "Műszeres kémiai analitikai módszerek és alkalmazásaik"— Előadás másolata:

1 Műszeres kémiai analitikai módszerek és alkalmazásaik
Analitikai kémia: alkalmazott tudomány, melynek tárgya az anyag összetételének, szerkezetének megismerésére alkalmas módszerek és eszközök fejlesztése és alkalmazása. Növekvő igény az analitikai adatok iránt. Elsősorban a számítógéppel vezérelt, ún. „nagyműszeres” mérőberendezések tekintetében. Számítógépesített adatgyűjtés és kiértékelés: Gyors, megbízható. Helyi műszerhálózatok, műszerközpontok kialakítása. Automatikus analizátorok alkalmazása, gyártás- és folyamatvezérlés. Fejlődési irányok: - Környezetvédelem, biotechnológia, nanotechnológia, on-line érzékelők alkalmazása, távérzékelés, miniatürizálás, érzékenység, szelektivitás kívánt növelése, kimutatási határ csökkentése, mérési adatok feldolgozása, korrekt értelmezése.

2 Műszeres kémiai analitikai módszerek és alkalmazásaik
Csoportosítás: Spektroszkópiás módszerek (optikai-, tömeg-, elektron-, akusztikus spektroszkópia) Termikus (termoanalitikai) módszerek Kromatográfiás eljárások Elekroanalitikai módszerek … Optikai spektroszkópiás módszerek. Azon analitikai módszerek, melyek az elektromágneses sugárzás előállításával, alkalmazásával, illetve mérésével foglalkoznak.

3 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Spektroszkópiai módszerek csoportosítása. A: atomspektroszkópiai módszerek, M: molekulaspektroszkópiai módszerek

4 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Anyag és elektromágneses sugárzás kölcsönhatásán alapuló fontosabb spektroszkópiai módszerek.

5 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Tárgyalás: Elv Készülék felépítése Végrehajtható feladatok, jellegzetességek Alkalmazási területek Az elektromágneses sugárzás (EMS) jellemzői: 1. Hullám tulajdonság - Oszcilláló elektromos tér, mely a térben transzverzális hullámként terjed. - Létezik hullámhossza (), frekvenciája () és sebessége (v). v = ·  - Képes elhajlásra, szóródásra, törésre, diszperzióra, visszaverődésre. 2. Részecske tulajdonság - Az EMS bizonyos megnyilvánulásai nem magyarázhatók a hullámmodell segítségével…(pl. abszorpció, emisszió, fényelektromos hatás) - A sugárzás diszkrét energia”csomagok”-ból, fotonokból áll. - Egy foton energiája: E = h ·  A két tulajdonság közül egy adott pillanatban mindig csak az egyik nyilvánul meg..

6 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Monokromatikus sugárzás terjedése Különböző közegekben Monokromatikus, síkban polarizált EMS. A törésmutató: n1: 1-es közeg törésmutatója c: fénysebesség vákuumban v1: fény sebessége az 1-es közegben Fénytörés Elhajlás, diffrakció

7 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Az elektromágneses sugárzás abszorpciója (elnyelődése) - A minta a rajta áthaladó sugárzás bizonyos frekvenciájú komponenseinek intenzitását csökkenti… Adott hullámhosszú fotonok elnyelése. Gerjesztés (Energiaközlés). A gerjesztés feltétele: az elnyelt foton energiája = alapállapot energiája – gerjesztett állapot energiája Közegtől és a hullámhossztól függően atomok vagy molekulák gerjesztődhetnek. M + h ·  → M* Relaxáció: a gerjesztett állapot élettartama igen rövid ( sec). Ezután a gerjesztett részecske visszatér az alapállapotba (relaxál), a felvett energiát pedig hő, ütközések vagy EMS sugárzás formájában leadja. M* → M + hő Abszorpciós színkép (spektrum): a sugárzás elnyelődésének mértéke a hullámhossz függvényében

8 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Az elektromágneses sugárzás abszorpciója (elnyelődése) A = lg (Io/I) = ε · l · c Lambert-Beer törvény A – abszorbancia (elnyelés mértéke) Io – a mintába belépő sugárzás intenzitása I – a mintából kilépő sugárzás intenzitása l – a minta rétegvastagsága c – a minta koncentrációja ε – moláris elnyelési együttható - Atomok abszorpciója Molekulák abszorpciója Relaxációs folyamatok

9 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Atomok abszorpciója Molekulák abszorpciója Gáz halmazállapotban UV és VIS gerjesztésre: elektronátmenetek. „vonalas” színkép (spektrum) Molekuláris abszorpció Sugárzásmen-tes relaxáció Fluoreszcencia - Eo, E1, E2: elektrongerjesztési szintek 1,2,3,4: rezgési energiaszintek UV, VIS és IR gerjesztésre: Elektron-, rezgési- és forgási átmenetek. „sávos”, színkép, lényegesen több átmenet mint az atomok abszorpciója esetén

10 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Molekulák energiaváltozása: Emolekula = Eelektron + Erezgési + Eforgási Eelektron  10 · Erezgési  100 · Eforgási Relaxációs folyamatok: Kisugárzott energia = a felvett energia (pl. emissziós színképelemzés) Sugárzásmentes úton (hőleadás ütközések révén. Gyakori, mivel a rezgési átmenetek élettartama sec-ig tart csak) Fluoreszcencia (EMS hatására gerjesztett atomok, molekulák, fotonok kisugárzása mellett kerülnek vissza az alapállapotba). A kisugárzott foton energiája kisebb, mint a gerjesztő sugárzás energiája.

11 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Az elektromágneses sugárzás emissziója Gerjesztés: láng, szikra, elektromos ív. A relaxáció során a felvett energia fotonok formájában emittálódik. - Gázfázisban játszódik le. atomok emissziós vonalai } Molekulák, gyökök sávjai Fe H

12 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényemisszión alapuló módszerek: AES (atomemissziós spektroszkópia) Atomizáció (gőzállapotba hozás és atomokra bontás) - Lángban (1700 – 3200 oC) - Elektromos ívben, szikrában (4 – 5000 oC) - Plazmában (6 – 8000 oC) Elektromos ív- és szikragerjesztés - Ívgerjesztés (egyenáramú): komponensek eltérő sebességű párolgása. Instabil térben és időben. Gyors, tájékoztató jellegű minőségi analízisre. Szikragerjesztés (váltóáramú): Nincs szelektív párolgás. Térben stabilabb mint az elektromos ív. Átlagosnál alacsonyabb hőmérséklet, ezért kisebb gerjesztési hatásfok, alacsony kimutatási képesség. Fémek, ötvözetek (a), porok (b) oldatok (c) vizsgá- lata. Elsősorban kvalitatív analízis. Egyszerű, gyors.

13 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényemisszión alapuló módszerek: Elektromos ív- és szikragerjesztés Főleg ötvözetek összetételének gyors, megbízható vizsgálata (kohászat, fémekkel dolgozó iparágak). 20-30 komponens meghatározása. Ívgerjesztés szórása: 5-15%, szikragerjesztésre: 3-6%.

14 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényemisszión alapuló módszerek: AES (atomemissziós spektroszkópia) Induktív csatolású plazmaégő (ICP) Az optikai emissziós spektroszkópia legfontosabb fényforrása. 3 koncentrikus kvarccső. Plazmagáz, minta, hűtőgáz. Indukció: 27 MHz, 2 kW teljesítményközlés Plazma: K hőmérséklet. Előnyei: - Minta hosszú idegig tartózkodik az emissziós zónában. Nagy mértékű atomizáció,emittáló atomok koncentrá- ciója magas. Kalibrációs egyenes linearitása (mennyiségi analízis) több nagyságrenden keresztül biztosítható. Alacsony kimutatási határ Egyszerre több elem gyors és pontos minőségi és mennyiségi meghatározása. Az induktív csatolású plazmaégő

15 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényemisszión alapuló módszerek: Induktív csatolású plazmaégő

16 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényemisszión alapuló módszerek: AES (atomemissziós spektroszkópia) Lángban történő atomizáció és gerjesztés (lángfotometria) Oldatok elemzése. Atomizáció és gerjesztés a belső lángkúpban. Külső lángkúpban oxidációs folyamatok. Kis hőmérsékletű sugárforrás. Oldat finom permet formájában juttatjuk a lángba. Csak könnyen gerjeszthető elemek meghatározására (általában alkáli, alkáli-földfémek). Alkalmazhatóság a lánghőmérséklettől függ. Elsősorban sorozatmérésekhez (pl. vér, növényi kivonatok) Stabil láng előállítása nehézkes. Önabszorpció. Na Li Ca K Cu Pb

17 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Emittált sugárzás hullámhossz szerinti felbontása - Monokromátorok Kollimátor: párhuzamos fénynyaláb előállítása. Kamara lencse: fokuszáló lencse. Elv: fényelhajlás d Elv: fényelhajlás és interferencia Rácsegyenlet: n· = (sin  - sin ) n: a reflexió rendje, d: rácsállandó

18 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Optikai rácsot alkalmazó fényfelbontó berendezések

19 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Optikai rácsot alkalmazó fényfelbontó berendezések Rowland-kör Rowland-körös ICP spektrométer vázlata

20 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: AAS (atomabszorpciós spektroszkópia) Atomizáció lángban (gőzállapotú szabad atomok létrehozása) gerjesztés nélkül! A lángban lévő szabad atomok egy külső fényforrásból származó sugárzást elnyelve gerjesztődnek. Alapállapotú atomok az első elektrongerjesztési szintre kerülnek, miközben elnyelik a forrás által emittált, a rezonancia vonalaknak megfelelő hullámhosszú sugárzást. Az abszorpció mértékét a mérővonal intenzitás-különbségéből állapítjuk meg a Lambert-Beer törvény alapján. A = lg (Io/I) = ε · l · c A – abszorbancia (elnyelés mértéke) Io – a mérővonal intenzitása minta nélkül I – a mérővonal intenzitása minta jelenlétében l – az abszorbeáló közeg átlagos vastagsága c – a minta koncentrációja ε – vizsgált alkotó moláris elnyelési együtthatója

21 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: AAS (atomabszorpciós spektroszkópia) Fényforrás Fényszaggató Tükör Detektor Optikai rács Ablak Gázégő Vájtkatód lámpa: A katód a vizsgálandó fémből készül és ennek megfelelő rezonancia vonalat emittál. Egy lámpával csak egy elem vizsgálható. Vájtkatód lámpa

22 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: AAS (atomabszorpciós spektroszkópia) Mintegy 65 elem mérése a láng meg- felelő megválasztásával. Elem- és nyomelem analitika Nagy szelektivitású Kalibrációs egyenes linearitása (mennyiségi analízis) több nagyságren- den keresztül biztosítható.

23 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Molekulaspektroszkópiai módszerek UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia IR (infravörös) spektroszkópia Raman spektroszkópia Mössbauer spektroszkópia Elektronspin rezonancia (ESR) spektroszkópia Magmágneses rezonancia (NMR) spektroszkópia

24 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia Molekulában lévő atomok vegyérték elektronjainak (kötő (σ és π) és nem kötő (n) gerjesztése. Kötéstípusok vizsgálata. Az elektron-spektrum összetett, mert az elektron átmenetekre rezgési átmenetek is szuperponálódnak és az oldószer minősége is befolyásolja ezeket az átmeneteket: széles elnyelési sávok Mennyiségi meghatározás

25 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia Alkalmazások: Szerves funkciós csoportok jelenlétének felismerése. Tipikus mennyiségi analitikai módszer (szer- vetlen és szerves anyagok). Reakciósebesség és egyensúlyok vizsgá- lata (pl. enzimkinetika). Disszociációs állandók meghatározása. Titrálási feladatokban végpontjelzési módszer. Színmérés.

26 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia – mennyiségi analízis Mennyiségi analízis oldatból. Az adott hullámhosszon elnyelt fény mennyisége a meghatározás tartományában egyenesen arányos a koncentrációval. Folyadékminta UV-látható spektrofotmetriás vizsgálata A = -log (I/Io) = ·c·l Lambert-Beer törvény A: Abszorbancia (fénylenyelés mértéke) l: optikai úthossz a folyadékmintában c: koncentráció : moláris fényelnyelési együttható Io: belépő fény intenzitása I: kilépő fény intenzitása Abszorbancia Nagyobb meredekség, nagyobb érzékenység LOD: kimutatás alsó határa LOQ: mennyiségi meghatározás alsó határa LOL: linearitási határ noise: zaj Dinamikus tartomány Koncentráció Kalibrációs egyenes

27 Műszeres kémiai analitikai módszerek és alkalmazásaik
3. UV-VIS spektrofotométer felépítése (Shimadzu UV-3101PC) Vakoldat Minta Fényforrások Fényforrás Fényszaggató Tükör Detektor Optikai rács Küvettatartók Ablak

28 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia Abszorpció feltétele: 1. sugárzás frekvenciája = a molekula rezgési frekvenciája (rezgés amplitúdója megnő) 2. az adott rezgés során dipólusmomentum változás következzen be. (dipólusmomentum: két töltés különbségétől és a két töltés központjának távol- ságától függ).

29 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia Rezgési módok: szimmetrikus asszimmetrikus ollózó kaszáló bólogató torziós IR IR IR IR IR IR Vegyértékrezgések Deformációs rezgések A szerves vegyületekben előforduló CH2 csoport jellemző rezgési átmenetei A szimmetrikus vegyértékrezgés nem IR aktív, mert a rezgés során nem lép fel dipólusmomentum (polarizáció) változás.

30 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia Az IR sugárzás tartományai ( cm-1): 1. A távoli infravörös tartomány (FIR = Far Infrared, 10 – 300 cm-1): nehézatomok vegyérték- és deformációs rezgései, torziós rezgések, kristályrács rezgései, némely forgási átmenet. 2. Analitikai infravörös tartomány (300 – 4000 cm-1): vegyérték és deformációs rezgések tartománya. 2.1 Ujjlenyomat tartomány (deformációs rezgések) (300 – 1500 cm-1): adott vegyületre jellemző és egyedi. 2.2 Vegyértékrezgések tartománya (1500 – 4000 cm-1): Jellegzetes csoportok rezgései találhatók meg itt. Ez a tartomány így nem a vegyületre, hanem a bennük található csoportokra karakterisztikus. 3. A közeli infravörös tartomány (NIR = Near Infrared, 4000 – cm-1): ebben a tartományban főképp a felhangok és a kombinációs sávok jelennek meg.

31 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia Ujjlenyomat tartomány: A molekula teljes vázszerkezetére jellemző elnyelési sávok. Segítsé-gével a molekulák azonosíthatók. Spektrumkönyvtárak kialakítása.

32 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia Bükk extraktum IR spektruma. a: egészséges fa acetonos extraktuma, b: élesztőgombával kezelt fa acetonos extraktuma. Faanyag infravörös refelxiós spektruma. 3400 cm-1: δ OH alifás karbonsav és 2854 cm-1: aszimmetrikus és szimmetrikus C-H vegyértékrezgés. 1743: C=O vegyértékrezgés (észterek), 1700 cm-1: C=O vegyértékrezgés (karbonsavak), 1460 és 1382 cm-1: -CH2 és -CH3 deformációs rezgések, 1163 cm-1: C-O vegyértékrezgés (észterek), 840 és 700 cm-1: alkén cisz-izomerek, 824 cm-1: C-H ollózó és kaszáló rezgései.

33 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) fotométer felépítése és jellegzetességei probléma: UV és VIS tartományban használt detektorok és fényfelbontó egységek nehezen vagy egyáltalán nem alkalmazhatók. - Speciális detektorok alkalmazása és rács/prizma helyett interferométer és Fourier-transzformációs kiértékelés.

34 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia alkalmazásai Vegyület azonosítása spektrumkönyvtárak alapján (ujjlenyomat spektrum segítségével). - Minőségi azonosítás, szerkezet meghatározás. Mennyiségi meghatározás szilárd és gázfázisú mintából. Légszennyezés mérés (szerves gőzők, akár 1 ppm nagyságrendben). Teljes funkciós csoport analízis. IR spektrométer + mikroszkóp (pl. szövetek vizsgálata, törvényszéki analitika). Biomolekulák (pl. fehérjék) másodlagos szerkezetének vizsgálata. Ipari alkalmazások: műanyagok azonosítása, faanyagok fizikai/kémiai paramétereinek vizsgálata.

35 Optikai spektroszkópiás módszerek és alkalmazásaik
Felhasznált irodalom: Dr. Kristóf János: Kémiai Analízis II. (nagyműszeres analízis), Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 2000.

36

37 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) Cél: gumiipari felhasználású szövetek mangán-tartalmának meghatározása. A mangán a gumi öregedésére katalitikus hatású gumiméreg. A vizsgálat elve: a textilmintát elhamvasztjuk, a hamut kénsavban oldjuk és az oldat mangántartalmát permanganáttá oxidálva látható (VIS) abszorpciós spektroszkópiás módszerrel meghatározzuk. MSZ (101/15-84)

38 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) Az analizis lépései: Mintaelőkészítés Kalibrációs görbe készítése Mérés kivitelezése Kiértékelés 10.00 g szövet elhamvasztása kvarctégelyben, majd az elszenesedett mintához 5 g KHSO4-ot adunk és a szénrészek elégéséig izzítjuk 550 oC-on. A kapott hamuhoz 20 cm3 1.5 mol/dm3-es H2SO4-at adunk és a szilárd részek teljes feloldásáig melegítjük az oldatot. → →

39 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) Mintaelőkészítés G2-es üvegszűrőn, vízsugárszivattyúval szűrjük a mintát és desztillált vízzel egy Erlenmeyer-lombikba mossuk, majd 3-4 cm3 H3PO4-at adunk hozzá a vas szeny- nyeződés kiküszöbölésére. Az így kapott oldathoz 0.35 g KIO4-et mérünk és 10 percig forraljuk, majd 10 percig 90 oC közelében tartjuk a szín teljes kifejlődéséig. Lehűlés után 50.0 cm-es mérőlombikba mossuk át a teljes mennyiséget, melyet jel- re állítunk desztillált vízzel. → →

40 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) 2. Kalibrációs görbe készítése Mangán törzsoldat készítés: g MnSO4·2H2O feloldása 500 cm3-es mérő- lombikba desztillált vízzel. (1 cm3 törzsoldatban így 0.02 mg mangán lesz.) Erlenmeyer lombikba bemérünk 20 cm3 1.5 mol/dm3-es H2SO4-at, 3 cm3 cc. H3PO4 -at, 5 g KHSO4-ot, a mangán törzsoldatból rendre 1.0, 2.0, 5.0, 10.0, 15.0 cm3-eket és mindegyikhez 0.35 g KIO4-et adunk. 10 perc forralás, majd 10 percig 90 oC közelében tartjuk az öt oldatot. Lehűtés után 50 cm3-es mérőlombikba mossuk, majd jelre állítjuk desztillált vízzel. A vakoldatot ugyanígy készítjük le, csak a törzsoldat helyett desztillált vizet adunk hozzá.

41 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) 3. Mérés kivitelezése (Shimadzu UV-3101PC) Vakoldat Minta Fényforrások Fényforrás Fényszaggató Tükör Detektor Optikai rács Küvettatartók Ablak

42 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) 3. Mérés kivitelezése a, Az előkészített minta törzsoldatok feltöltése 50.0 cm3-re desztillált vízzel. b, Vakoldat elkészítése (0 abszorbancia), alapvonal felvétele. c, Az oldat abszorpciós színképének felvétele (380 – 600 nm) d, A maximális elnyeléshez tartozó hullámhossz (max) kiválasztása A max A minta abszorpciós színképe

43 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) 3. Mérés kivitelezése e, A kalibrációs egyenes pontjainak felvétele max hullámhosszon. f, A minta abszorbanciájának megmérése max hullámhosszon, koncentráció leolvasása a kalibrációs egyenesről. cm3 mg Mn/dm3 Absz. 1.0 0.4 A1 2.0 0.8 A2 5.0 A3 10.0 4.0 A4 15.0 6.0 A5 Kalibrációs adatok Kalibrációs egyenes (példa) g, 3 párhuzamos mérés kivitelezése mintánként.

44 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) Kalibrációs egyenes Kalibrációs adatok (A1-A5) Minták koncentrációi Ismeretlen koncentrációjú minták

45 Szövetek vizsgálati módszerei –
Mangántartalom meghatározása (MSZ 101/15-84) 4. Kiértékelés a, Ábrázoljuk a abszorpciós spektrumot és a kalibrációs egyenest! b, A három párhuzamos mérésből három koncentráció adódik (mg/dm3) egységben. A vizsgált szövet mangántartalma az alábbi képlettel számítható: Eredményként a három kiszámított százalékos mangántartalmak átlagát adjuk meg, illetve a korrigált tapasztalati szórást, mely fotometriás mérés pontosságára ad információt. XMn – a minta mangántartalma %-ban a a kalibrációs egyenesről leolvasott koncentráció (mg/dm3) b a bemért minta tömege (g) xi – az i-edik mérésnél kapott mangántartalom (%) x - átlagos mangántartalom (%) n – párhuzamos mérések száma (3) s – korrigált tapasztalati szórás (%)