ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (INSTRUMENTAL METHODS OF ANALYSIS)

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (INSTRUMENTAL METHODS OF ANALYSIS) ΑΘΗΝΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2014

2 ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ (Ποιοτική Ανάλυση/ Ποσοτική Ανάλυση) Κλασσική Χημική Ανάλυση Ενόργανη Χημική Ανάλυση Σταθμική Ανάλυση Ογκομετρική Ανάλυση Από την μέτρηση μιας χαρακτηριστικής φυσικής ιδιότητας μιας ουσίας (π.χ. χρώμα, ph, δείκτης διαθλάσεως, θερμική ή ηλεκτρική αγωγιμότητα κ.λ.π προκύπτει η χημική σύσταση της.

3 Η ΠΡΩΤΗ ΑΞΙΟΠΙΣΤΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΕΠΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ Ο τύρρανος των Συρακουσών Ιέρωνας ανέθεσε στον Αρχιμήδη να διερευνήσει εάν το στέμμα που του είχε κατασκευάσει ένας τεχνίτης αποτελούνταν από 100% χρυσό ή περιείχε και άλλα μέταλλα. Ο Αρχιμήδης παρατήρησε στην μπανιέρα του πως καθώς το σώμα του βυθίζονταν στο νερό, ένα μέρος του νερού εκτοπίζονταν από την μπανιέρα. Μετά από μερικά ακόμα πειράματα διατύπωσε την αρχή της άνωσης. Η επίλυση του προβλήματος θα μπορούσε να επιτευχθεί είτε με μέτρηση του όγκου του νερού που εκτοπίζεται με την εισαγωγή της κορόνας στο νερό, εύρεση της πυκνότητας της και σύγκρισης με αυτή του χρυσού, είτε με χρήση της υδροστατικής, δηλαδή εξισορρόπηση της κορόνας σε ζυγό με χρυσό και βύθιση του συστήματος στο νερό.

4 ΕΝΟΡΓΑΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Ενόργανες τεχνικές ανάλυσης είναι το σύνολο των αναλυτικών τεχνικών που βασίζονται στην μέτρηση- κάτω από κατάλληλες συνθήκες- φυσικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων των προς ανάλυση δειγμάτων. Οι ιδιότητες αυτές αποτελούν τον φορέα της αναλυτικής πληροφορίας και το μέγεθος τους αποτελεί συνάρτηση του είδους και της μάζας ή της συγκέντρωσης του υπό ανάλυση συστατικού. Σημείωση: Η χρήση «απλών» οργάνων, όπως ο ζυγός για την μέτρηση της μάζας, δεν είναι αρκετή για να κατατάξει μια κλασσική τεχνική στην κατηγορία των Ενόργανων Τεχνικών Ανάλυσης. Στην πραγματικότητα δεν υπάρχει σαφής και αντικειμενική διάκριση μεταξύ κλασσικών και ενόργανων τεχνικών χημικής ανάλυσης. Παράδειγμα: Η ηλεκτροσταθμική ανάλυση θεωρείται ενόργανη μέθοδος ανάλυσης, ενώ μετρείται η μάζα.

5 ΣΤΑΔΙΑ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Παραγωγή του σήματος- φορέα της αναλυτικής πληροφορίας. Το σήμα- φορέας της αναλυτικής πληροφορίας δεν είναι πάντα μια τιμή, αλλά και ο τρόπος μεταβολής ως προς μια άλλη φυσική (π.χ. χρόνος) ή χημική ποσότητα (όγκος χημικού αντιδραστηρίου που προστίθεται). Ανίχνευση του σήματος και μετατροπή του σε ηλεκτρικό σήμα. Ενίσχυση και τροποποίηση του σήματος (αφαίρεση θορύβων) Παρουσίαση της τιμής του σήματος (π.χ. αναλογικό ή ψηφιακό όργανο).

6 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Φασματομετρικές μέθοδοι: Απορρόφησης (UV-Vis, IR, AAS, NMR), Εκπομπής (π.χ. INAA, XRF, FS, ICP-OES), Ειδικές (π.χ. διαθλασιμετρία, νεφελομετρία). Χρωματογραφικές (LC, GC, διάφοροι άλλοι τύποι χρωματογραφίας). Ηλεκτροχημικές (Ηλεκτροαναλυτικές): Βολταμμετρία (Πολαρογραφία), Ηλεκτροσταθμική Ανάλυση, Κουλομετρία, Αγωγιμομετρία, Ποτενσιομετρία. Θερμικές (TGA, DTA, DSC). Ειδικές (MS, INAA, κινητικές, ανοσοχημικές τεχνικές). Άλλες ταξινομήσεις των ενοργανων μεθόδων ανάλυσης είναι: Καταστρεπτικές/ Μη καταστρεπτικές και συνεχείς/ ασυνεχείς.

7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΟΥ ΜΕΤΡΩΝΤΑΙ Απορρόφηση Ακτινοβολίας UV-Vis, IR, AAS, NMR Εκπομπή Ακτινοβολίας ICP-OES, FS, XRF, Ραδιοχημικές μέθοδοι Σκέδαση ακτινοβολίας Raman, νεφελομετρία Περίθλαση ακτινοβολίας XRD Χρόνος έκλουσης + ποικιλία GC, LC φυσικοχημικών φυσικών/ φυσικοχημικών ιδιοτήτων Ηλεκτρικό φορτίο Ηλεκτρική αγωγιμότητα Ποτενσιομετρία Ηλεκτρικό ρεύμα ως προς δυναμικό Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software Κουλομετρία Αγωγιμομετρία Δυναμικό Βολταμμετρία

8 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Φασματομετρία: 1747: O Margraff παρατήρησε την αντιστοιχία χρωμάτων που λαμβάνει μια φλόγα όταν καίγονται ορισμένα στοιχεία (αρχή φασματομετρικών μεθόδων). 1859: Κατασκευή πρώτου φασματομέτρου από τηλεσκόπια και φλόγα για την διέγερση των ατόμων (Bunsen- Kirchoff). Ηλεκτροανάλυση: 1864: Ανάπτυξη ηλεκτροσταθμικής ανάλυσης. Χρωματογραφία: Διαχωρισμός χρωστικών από τον Ρώσο βοτανολόγο Tswett με χρωματογραφία στήλης (1903).

9 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΕΝΟΡΓΑΝΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Μικρός χρόνος ανάλυσης. Μικρή ποσότητα δείγματος (μη καταστροφικές μέθοδοι). Ανάλυση ιχνοστοιχείων έλεγχος καθαρότητας ουσιών. Μεγάλη ευαισθησία, χαμηλά όρια ανίχνευσης, ικανοποιητική ακρίβεια και επαναληψιμότητα. Μεγαλύτερη εκλεκτικότητα (λιγότεροι διαχωρισμοί πριν την ανάλυση). Ανάλυση πολύπλοκων μιγμάτων και παρόμοιων συστατικών. Ανάλυση ραδιενεργών ουσιών. Ανάλυση πολλαπλών στοιχείων συγχρόνως. Αυτόματη ρύθμιση βιομηχανικών διεργασιών βάσει αναλυτικών δεδομένων.

10 Υψηλό κόστος όχι μόνο αγοράς αλλά και λειτουργίας συντήρησης των οργάνων. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΕΝΟΡΓΑΝΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Απαίτηση για εξειδικευμένο προσωπικό χειρισμού. Απαίτηση για γνώσεις φυσικής και ηλεκτρονικής (έλεγχος καλής λειτουργίας οργάνων, αντιμετώπιση προβλημάτων, κ.λ.π.) επιπλέον της χημείας, καλή γνώση Η/Υ (όλες οι σύγχρονες μέθοδοι Ενόργανης Ανάλυσης ελέγχονται μέσω Η/Υ), στατιστικών πακέτων για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων. Απαραίτητες πρότυπες πιστοποιημένες ουσίες αναφοράς (certified reference materials) με παραπλήσια σύσταση των δειγμάτων για την τον έλεγχο αξιοπιστίας των οργάνων και των μεθόδων.

11 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΝΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Έλεγχος ποιότητας διαφόρων προϊόντων (πρώτων υλών, ενδιάμεσων και τελικών προϊόντων). Έλεγχος ρύπανσης περιβάλλοντος (ατμοσφαιρική ρύπανση, ρύπανση υδάτων, ρύπανση εδαφών- θαλασσίων ιζημάτων). Ταυτοποίηση πηγών ρύπανσης- Έλεγχος τήρησης νομοθεσίας. Ιατροδικαστική/ Τοξικολογία. Anti-doping control. Ιατρική- Φαρμακευτική έρευνα- Βιοχημεία (Φαρμακοκινητικές μελέτες, ιχνοστοιχεία στο ανθρώπινο σώμα, ταυτοποίηση δομής άγνωστων βιοενεργών μορίων). Αρχαιομετρία. Επιστήμη υλικών.

12 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΕΝΟΡΓΑΝΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Συνδυασμός Ενόργανων Μεθόδων Ανάλυσης για την επίλυση πολύπλοκων αναλυτικών προβλημάτων. Διασφάλιση ποιότητας/ Διαπίστευση Εργαστηρίων: π.χ. ISO , ISO Ανάπτυξη κινητών αναλυτικών οργάνων για αναλύσεις στο πεδίο (field analysis). Ανάπτυξη lab on a chip, αξιοποίηση επεξεργαστικής ισχύος «έξυπνων κινητών» για εντοπισμό βιολογικών δεικτών (π.χ. χοληστερίνης).

13 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Χρόνος Ανάλυσης: Σε πόσο χρόνο χρειάζεται να έχουμε το αποτέλεσμα; Υπάρχει μεγάλος όγκος δειγμάτων που πρέπει να αναλυθούν σύντομα; Είδος δείγματος: Ποια είναι η διαθέσιμη ποσότητα του δείγματος; Χρειαζόμαστε μη καταστρεπτική μέθοδο για την ανάλυση του; Ποιότητα Ανάλυσης: Πόσο μεγάλη ακρίβεια χρειαζόμαστε; Πόσο πολύπλοκη είναι η μήτρα του δείγματος; Τι επίπεδα συγκεντρώσεων πρόκειται να αναλύσουμε; Κόστος Ανάλυσης: Τι διαθεσιμότητα σε όργανα ανάλυσης έχουμε; Έως τι κόστος ανάλυσης (λειτουργικό κόστος ανάλυσης) μπορούμε να αποδεχθούμε;

14 ΕΠΙΣΗΜΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Σε πολλές περιπτώσεις η επιλογή της μεθόδου ενόργανης ανάλυσης επιβάλλεται από κανονιστικές διατάξεις και έχει προεπιλεγεί από επιτροπές επιστημονικών φορέων. Οι μέθοδοι αυτές χαρακτηρίζονται ως επίσημες (official) και χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ποιότητας φυσικών και βιομηχανικών προϊόντων από κρατικούς φορείς ελέγχους.

15 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΑ (Ι) Φασματόμετρο υπεριώδους- ορατού Παραδείγματα εφαρμογών: Ποιοτική ανάλυση- ποσοτική ανάλυση δραστικών ουσιών σε φαρμακευτικά σκευάσματα.

16 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΑ (ΙΙ) Φασματόμετρα μάζας. Παραδείγματα εφαρμογών: Κυρίως τοξικολογική και Ιατροδικαστική έρευνα, βιοχημικές μελέτες (πρωτεϊνες, πεπτίδια).

17 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΑ (ΙΙΙ) Φασματόμετρα ατομικής απορρόφησης. Παραδείγματα εφαρμογών: Ιχνοστοιχεία- βαρέα μέταλλα σε νερά και στερεά δείγματα μετά από κατάλληλη διαλυτοποίηση.

18 ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΟΙ (Ι) Υγροχρωματογράφος. Συνδέεται με διάφορους ανιχνευτές. Παραδείγματα εφαρμογών: Προσδιορισμός υπολειμμάτων φαρμακευτικών ενώσεων σε νερά. Προσδιορισμός επιπέδων φαρμάκων σε βιολογικά υγρά. Anti-doping control.

19 ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΟΙ (ΙΙ) Αεριοχρωματογράφος. Συνδέεται επίσης με διάφορους ανιχνευτές. Παραδείγματα εφαρμογών: Αναλύσεις αερίων εκπνοής ασθενών, προσδιορισμός πτητικών οργανικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα, προσδιορισμός υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων σε ελαιόλαδο και φρούτα μετά από κατάλληλη προκατεργασία του δείγματος.

20 ΟΡΓΑΝΑ ΗΛΕΚΤΡΟΑΝΑΛΥΣΗΣ Συστήματα βολταμμετρικών αναλύσεων. Παραδείγματα εφαρμογών: Αναλύσεις βαρέων μετάλλων σε νερά, ταυτοποίηση και προσδιορισμός διαφορετικών χημικών ειδών στοιχείων (οξειδωτική βαθμίδα, σύμπλοκο, οργανομεταλλική ένωση), αξιολόγηση αντιοξειδωτικής δράσης βιοενεργών ενώσεων.

21 ΦΟΡΗΤΑ ΟΡΓΑΝΑ ΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΔΙΟΥ (FIELD ANALYSIS)

22 ΜΟΡΦΕΣ ΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ Υγροχρωματογραφία Αεριοχρωματογραφία

23 ΠΟΛΑΡΟΓΡΑΦΙΑ

24 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (IR)