instrumentelle analytik · 2020. 3. 27. · lösungsmittel der maßlösung), in dem ein gehalt von...
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Instrumentelle Analytik
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Gliederung IA
1 Probenahme, Probenvorbereitung, Analytengewinnung, Derivatisierung
2 Messen, Auswerten und Beurteilen3 Statistik4 Chromatographie allgemeine Theorie5 GC6 HPLC7 Spektroskopie allgemein8 UV/Vis9 Fluoreszenz10 IR11 MS
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Der analytische Prozess
• Überführung eines allgemeinen Problems in ein analytisches Problem
• Festlegung des Analysenmethode und des • Analysenverfahrens
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Fallbeispiel
• Ein Bauer in der Mittelmeerregion möchte den Gehalt an Linolsäure in seinen Olivenermitteln
• Dies ist das Problem auf der Nutzerebene!
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Fallbeispiel
• Das analytische Problem lautet:
• Bestimmung von Fettsäuregehalten in Lebensmitteln
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Fallbeispiel
• Für das Analysenverfahren:
• Wählt man aus den vielen Möglichkeiten eine Analysen-Methode aus.
• Dann beschäftigt man sich mit dem Untersuchungsgut.
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Repräsentative Probenahme
• Homogenität des Materials• Zeit der Probenahme• Ort der Probenahme
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Fallbeispiel
• Welche Früchte nimmt man?• Zu welcher Zeit?• Vom Ost/West/ Süd-Olivenhain?
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Kontaminationsfreie Probennahme
• Sauberes Probennahme-Besteck– inreaktiv
• Saubere Behältnisse– inreaktiv
• Ggf. Inert-Atmosphäre und Kühlung
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Fallbeispiel
• Es werden nur saubere Sammelgefäße benutzt
• Was noch ?
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Stabile Lagerung der Proben
• Verlustfreie Lagerung• Konservierung wo nötig• Kühlen• Ggf. Inert-Atmosphäre
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Fallbeispiel
• Geerntete Früchte leben.• Lebendes biologisches Material verändert
sich. – Reifeprozess bei Obst/Gemüse
• Keine lange Lagerung; ggf. Kühlen– Befall von Schimmel und Hefen
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Die Probe muss in ausreichender Menge gewonnen werden!
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Gasprobenahme
• Gasmaus
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Gasprobenahme
• Absorption-flüssigkeiten
• Immer mit Gasuhr und Partikelfiltration
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Gasprobenahme
• Absorbtionsröhrchen• Immer mit Gasuhr und
Partikelfiltration
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Gasprobenahme
• Partikel-Filter
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Homogene Flüssigproben(wässrig)
• Schöpfen in • Quarz, Glas, Polyethylen Gefäße• Ggf. braune Gefäße• Steril filtrieren
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Flüssigprobenahme
• Purge und Trapp für leichtflüchtige organische Stoffe in wässriger Matrix
• Festphasen-Anreicherung
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Feststoff Probenahmeanorg.;Boden/Erze
• äußerst schwierig.• Probenmenge direkt proportional der
Inhomogenität
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Feststoff Probenahmeanorg.;Boden/Erze
• Nach Taggart besteht für einen Analyt in einer heterogenen Matrix ein
• linearer Zusammenhang zwischen• mittlerer Korngröße der Matrix• und Probenahme Menge
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Korrelation von Korngröße und Probennahmemenge nach Taggart
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
log (Korngröße in mm)
log
(Mas
se in
Kg)
Unterschiedliche Geraden je nach Homogenität des Materials
Diagramm1
333333
222222
111111
000000
-1-1-1-1-1-1
-2-2-2-2-2-2
log (Korngröße in mm)
log (Masse in Kg)
5
3
2.5
2.8
2
1
3
1
0.5
0.8
0
-1
Tabelle1
3
2
1532.52.821
0310.50.80-1
-1
-2
Tabelle2
Tabelle3
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Korrelation von Korngröße und Probennahmemenge nach Taggart
• Faustformel:• mmin (kg)= 0,06 x a (mm)
m= Probennahmemengea= mittlere Korngröße (Durchmesser)
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Fallbeispiel
• Analysen-technisch würde weniger als ein zehntausendstel der Menge einer Olive ausreichen.
• Für aOlive ~ 2 cm ergibt sich nach der Formel• mmin (kg) = 0,06 x 20 (mm)• Mindestens 1,2 kg Oliven aufarbeiten!
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Probennahme bei biologischen MatricesPflanzen
• Unterscheidung von:– Spezies– Population– Standort/Ökosystem– Individuum– Kompartiment
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Fallbeispiel
– Spezies :Olive (nicht Sonnenblume etc)– Population: anthropogen (nicht wild)– Standort/Ökosystem: Mittelmeer (nicht
Tropen)– Individuum: z.B. wie alt sind die Bäume– Kompartiment: nur Früchte untersuchen
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Der Fehler bei der Probenahme übersteigt
alle nachfolgenden Fehler um ein Vielfaches!
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Def. Mengenbereiche
• Probenmassenbereich P = mAnalyt + mMatrix
• GehaltbereichG = mA : (mA + mM)
• 1 ppm = 1: 106
• ein-millionster Teil• 1ppb = 1: 109
• 1 ppt = 1: 1012
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• 1-Octen-3-ol (MW:128,21g/mol) ist verantwortlich für den typischen Pilzgeruch muffiger Keller.
• a) Beschreiben sie eine Möglichkeit der Probenahme und Probenvorbereitung aus der Kellerluft (Gerät mit Zeichnung Beschreibung und Vorgehensweise).
• b) Die Geruchswahrnehmung liegt im ppb Bereich (v/v; für alle Gase gilt die Ideale-Gas-Näherung). Wie viel Probe müssen sie mindestens nehmen und anreichern, wenn ihnen zur Messung ein GC/FID mit einer Empfindlichkeit von 10 ppm (w/w) zur Verfügung steht und sie 1ml Meßlösung benötigen.
• (Überschlagrechnung; sie verwenden 1ml =1g Meßlösung)
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Erster Schritt der Analysenmethode:Die Probenvorbereitung
• Ziel ist die Gewinnung des Analyten in möglichst reiner, messbarer Form.
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Probenvorbereitung
• Jeweils eingesetzte Methode richtet sich nach dem Analyten und der Matrix
• Sie setzt Kenntnisse der jeweiligen Chemie des Analyten voraus!
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Fallbeispiel
• Linolsäure ist eine doppelt ungesättigte essentielle Fettsäure[C18:2]
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Fallbeispiel
• Im Olivenöl liegt sie mit anderen Fettsäuren als Glycerinester vor (Triacylglycerid).
• Triacylglyceride sind stark hydrophobe Lipide
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Probenvorbereitung
• Physikalische Bearbeitung:– Festproben homogenisieren (mahlen und
sieben)– Ggf. Sublimation– Flüssigproben ggf. destillieren
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Probenvorbereitung
• Chemische Bearbeitung:– Extraktion – Derivatisierung
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Probenvorbereitung
• Lösen der Probe im geeigneten Solvens– Filtrien vom Ungelösten
• Extraktion des Analyten aus der Matrix– Flüssig/Flüssig Extraktion– Fest/Flüssig Extraktion– ASE
• Festphasen-Anreicherung
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Fallbeispiel
• Die Früchte werden in einer Obstmühle gemahlen.
• Anschließend wird der Brei durch ein Filter gepresst
• Alternativ wird der Fruchtbrei in einer Extraktions-Apparatur mit unpolaren Lösungsmitteln extrahiert.
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Probenvorbereitung
• Bei der Extraktion aus komplizierten Matrices co-extrahieren oft viele Stoffe.
• Es muss sich ein weiterer Reinigungsschritt anschließen (clean up)
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Probenvorbereitung
• Clean Up:• Abtrennung der störenden Rest-Matrix bei
Fest und Flüssig-Proben • Überführung des reinen Analyten in eine
homogene Phase; z.B. eine Lösung
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Fallbeispiel
• Während die bei der Extraktion anfallende Lösung nur die Lipide der Olive enthält, finden sich in der kaltgepressten Version noch reichlich andere Zellbestandteile.– Flüssigextraktion– Clean Up Kieselgelsäule mit unpolarem
Lösungsmittel
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Derivatisierung
• Abhängig von Analyten und dem gewählten Analyseverfahren kann es notwendig sein den Analyten vor der Messung chemisch zu verändern
• Es wird ein Derivat des Analyten hergestellt.
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Derivatisierung
• Die Derivatisierung soll substanzspezifisch sein
• Der Derivatisierungs-Schritt muss quantitativ ablaufen
• Unumgesetztes Derivatisierungs-Reagenz muss leicht abtrennbar sein
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Fallbeispiel
• Aus den Triacylglyceriden muss die Linolsäure freigesetzt werden.– Esterspaltung – freie Fettsäuren sind schwer zu analysieren– Umsetzen zum Methylester
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Fallbeispiel
• Die gewonnenen Triacylglycerine werden in BF3/Methanol zu Glycerin und den Fettsäuremethylestern umgeestert. – großer Überschuss Methanol!
• Aus der Reaktionslösung können die FAME z.B. mit Isooktan extrahiert werden
• Diese Lösung wird gaschromatographisch vermessen
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• Durch Einträge aus der Landwirtschaft ist Chlortetracyclin (MW = 478,88 g /mol) ein wassergefährdendes Problem geworden (WGK 2). Mit 231mg/l ist seine Wasserlöslichkeit recht hoch, was auch in einem lg Po/w von -0,62 zum Ausdruck kommt. Wie beproben sie ein ruhendes Gewässer (Menge und Art der Probengewinnung, Lösungsmittel der Maßlösung), in dem ein Gehalt von 0,5µg/l vermutet wird? Für ihren HPLC-Detektor gilt eine Empfindlichkeit von 0,5ppm; sie benötigen minimal 500µl Maßlösung. (Begründen sie ihr Tun ggf. mit Alternativen und zeigen sie die Rechenwege. Setzten sie die Dichte wässriger Lösungen gleich 1g/ml)
Instrumentelle AnalytikFoliennummer 2Der analytische ProzessFoliennummer 4FallbeispielFallbeispielFallbeispielRepräsentative ProbenahmeFallbeispielKontaminationsfreie ProbennahmeFallbeispielStabile Lagerung der ProbenFallbeispielDie Probe muss in ausreichender Menge gewonnen werden!�GasprobenahmeGasprobenahmeGasprobenahmeGasprobenahmeHomogene Flüssigproben�(wässrig)FlüssigprobenahmeFeststoff Probenahme�anorg.;Boden/ErzeFeststoff Probenahme�anorg.;Boden/Erze�Korrelation von Korngröße und Probennahmemenge nach Taggart�Korrelation von Korngröße und Probennahmemenge nach TaggartFallbeispielProbennahme bei biologischen Matrices�PflanzenFallbeispielDer Fehler bei der Probenahme übersteigt alle nachfolgenden Fehler um ein Vielfaches!Def. MengenbereicheFoliennummer 30Erster Schritt der Analysenmethode:� Die ProbenvorbereitungProbenvorbereitungFallbeispielFallbeispielProbenvorbereitungProbenvorbereitungProbenvorbereitungFoliennummer 38FallbeispielProbenvorbereitungProbenvorbereitungFallbeispielDerivatisierungDerivatisierungFallbeispielFallbeispielFoliennummer 47Foliennummer 48
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