ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΙΙ Αν. Καθ. Δρ Μαρία Α. Γούλα Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί μαθήματος Το μάθημα αποβλέπει στην ενημέρωση και εξοικείωση των φοιτητών του τμήματος με τις ενόργανες τεχνικές ανάλυσης. Μεταξύ άλλων, οι βασικοί στόχοι του μαθήματος είναι: Απόκτηση βασικών γνώσεων αναφορικά με την χρήση των ενόργανων τεχνικών ανάλυσης για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό σύστασης χημικών συστημάτων. Εξοικείωση των φοιτητών με τις σύγχρονες ενόργανες τεχνικές ανάλυσης. Ικανότητα επεξεργασίας, αξιολόγησης και ανάλυσης πειραματικών δεδομένων. 4
Ενότητες μαθήματος (1/2) Εισαγωγή στην Ενόργανη Ανάλυση. Τεχνικές Ποσοτικοποίησης. Φασματοφωτομετρία Υπεριώδους Ορατού. Φασματοφωτομετρία Υπερύθρου. Φλογοφωτομετρία. Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης. 5
Ενότητες μαθήματος (2/2) Φασματομετρία Μαζών. Εισαγωγή στις Χρωματογραφικές Τεχνικές Αναλύσεως. Αέρια Χρωματογραφία. Χρωματογραφία Χάρτη και Χρωματογραφία Λεπτής Στιβάδας. Ιοντική Χρωματογραφία. Υγρή Χρωματογραφία Στήλης. 6
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (1/7) Ενόργανες (ή φυσικοχημικές) τεχνικές ανάλυσης είναι το σύνολο των αναλυτικών τεχνικών που βασίζονται στη μέτρηση, κάτω από ορισμένες συνθήκες φυσικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων των προς ανάλυση δειγμάτων. Οι ιδιότητες αυτές είναι ο φορέας της αναλυτικής πληροφορίας και το μέγεθός τους είναι συνάρτηση της μάζας ή της συγκέντρωσης του προσδιοριστέου συστατικού και της φύσης του. Κλασικές τεχνικές ανάλυσης: βασίζονται αποκλειστικά στην μέτρηση της μάζας για την εξαγωγή της αναλυτικής πληροφορίας. Τεχνική Ανάλυσης: η αξιοποίηση ενός φυσικού ή χημικού φαινομένου που έχει αποδειχθεί ότι είναι χρήσιμο για την παροχή πληροφοριών για την σύσταση ενός χημικού συστήματος, π.χ. φασματοφωτομετρία. 7
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (2/7) Μέθοδος Ανάλυσης: μια συγκεκριμένη εφαρμογή μιας τεχνικής για την επίλυση ενός αναλυτικού προβλήματος, όπως είναι π.χ. ο φασματο-φωτομετρικός προσδιορισμός σιδήρου. Στην πραγματικότητα, σαφής και αντικειμενική διάκριση μεταξύ των κλασικών και των ενόργανων τεχνικών ανάλυσης δεν υφίσταται και ο προηγούμενος ορισμός είναι μάλλον ατελής και επιδέχεται εξαιρέσεις. Η ονομασία ενόργανη τεχνική προέρχεται από το γεγονός ότι για την εκτέλεση της ενόργανης ανάλυσης απαιτείται η χρησιμοποίηση ενός οργάνου (instrument), εκτός βέβαια από το ζυγό και τα συνηθισμένα ογκομετρικά σκεύη. 8
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (3/7) Σύμφωνα με τον ορισμό της IUPAC, ως όργανο ορίζεται η συσκευή που χρησιμοποιείται για την παρατήρηση, μέτρηση ή μεταδοση της κατάστασης μιας ιδιότητας με υποκατάσταση, επέκταση ή συμπλήρωση των ανθρωπίνων ικανοτήτων. 9
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (4/7) Την δημιουργία των ενόργανων τεχνικών χημικής ανάλυσης επέβαλλαν εγγενείς αδυναμίες των κλασικών τεχνικών : 1. Για την εφαρμογή των κλασικών τεχνικών ανάλυσης απαιτούνται ποσότητες δειγμάτων που περιέχουν το υπό προσδιορισμό συστατικό σε ποσότητες τουλάχιστον μερικών mg. Οι ενόργανες τεχνικές ανάλυσης επιτρέπουν τον προσδιορισμό ιχνοποσοτήτων διάφορων συστατικών, που δεν ξεπερνούν σε ποσότητα μερικά μg (1 μg = 10-6 g). 2. Oι κλασικές τεχνικές ανάλυσης είναι αδύνατο να εφαρμοσθούν σε περιπτώσεις, όπου απαιτείται ο προσδιορισμός συστατικών με παρόμοιες χημικές ιδιότητες π.χ. προσδιορισμός των επιμέρους λιπαρών οξέων στα βρώσιμα λίπη και έλαια. 3. Οι κλασικές τεχνικές είναι εξ ορισμού "καταστροφικές" για το δείγμα. Οι σύγχρονες ενόργανες τεχνικές χαρακτηρισμού των επιφανειών (φασματοσκοπία ανάκλασης, φασματοσκοπία ακτίνων Χ), όπως και οι ραδιοχημικές τεχνικές αφήνουν το δείγμα ουσιαστικά άθικτο. 10
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (5/7) Την δημιουργία των ενόργανων τεχνικών χημικής ανάλυσης επέβαλλαν εγγενείς αδυναμίες των κλασικών τεχνικών: 1. Για την εφαρμογή των κλασικών τεχνικών ανάλυσης απαιτούνται ποσότητες δειγμάτων που περιέχουν το υπό προσδιορισμό συστατικό σε ποσότητες τουλάχιστον μερικών mg. Οι ενόργανες τεχνικές ανάλυσης επιτρέπουν τον προσδιορισμό ιχνοποσοτήτων διάφορων συστατικών, που δεν ξεπερνούν σε ποσότητα μερικά μg (1 μg = 10-6 g). 2. Oι κλασικές τεχνικές ανάλυσης είναι αδύνατο να εφαρμοσθούν σε περιπτώσεις, όπου απαιτείται ο προσδιορισμός συστατικών με παρόμοιες χημικές ιδιότητες π.χ. προσδιορισμός των επιμέρους λιπαρών οξέων στα βρώσιμα λίπη και έλαια. 11
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (6/7) 3. Οι κλασικές τεχνικές είναι εξ ορισμού "καταστροφικές" για το δείγμα. Οι σύγχρονες ενόργανες τεχνικές χαρακτηρισμού των επιφανειών (φασματοσκοπία ανάκλασης, φασματοσκοπία ακτίνων Χ), όπως και οι ραδιοχημικές τεχνικές αφήνουν το δείγμα ουσιαστικά άθικτο. 4. Οι κλασικές τεχνικές ανάλυσης δεν επιδέχονται αυτοματοποίηση, απαιτώντας συγχρόνως μεγάλο αριθμό χειρισμών και μάλιστα από εξειδικευμένο προσωπικό. Αντίθετα, οι περισσότερες ενόργανες τεχνικές ανάλυσης μπορούν να πραγματοποιηθούν αυτόματα και με επίβλεψη προσωπικού με σχετικά περιορισμένη πείρα. 12
Ορισμός ενόργανων τεχνικών ανάλυσης (7/7) 5. Ως αποτέλεσμα της δυνατότητας αυτοματοποίησης των ενόργανων τεχνικών ανάλυσης μπορεί να θεωρηθεί η συντόμευση του χρόνου ανάλυσης και η σημαντική μείωση του ολικού κόστους, σε σχέση με το χρόνο και το κόστος αντίστοιχης ανάλυσης με την κλασική μεθοδολογία. 13
Γενικές τεχνικές ποσοτικοποίησης (1/2) Στην ενόργανη χημική ανάλυση το αποτέλεσμα της μετρήσεως είναι μία αριθμητική τιμή κάποιας φυσικής ή φυσικοχημικής παραμέτρου. Η τιμή αυτής της παραμέτρου συνδέεται άμεσα ή έμμεσα με την τιμή της επιθυμητής αναλυτικής πληροφορίας π.χ. συγκέ-ντρωση, απόλυτη ποσότητα μάζας ή % περιεκτικότητα. Σύγχρονες μετρητικές διατάξεις που είναι εφοδιασμένες με υπολογιστή οι μετρήσεις, η επεξεργασία και η παρουσίαση των αποτελεσμάτων γίνεται αυτόματα παρουσιάζοντας το αποτέλεσμα στην επιθυμητή μορφή καθώς και πλήρη στατιστικά στοιχεία αξιοπιστίας (π.χ. τυπική απόκλιση, όριο αξιοπιστίας). Η μετατροπή της μετρούμενης παραμέτρου σε αναλυτική πληροφορία (στην επιθυμητή έκφραση) είτε με την βοήθεια υπολογιστή είτε όχι πραγματοποιείται με μια από τις διαθέσιμες Τεχνικές Ποσοτικοποίησης οι κυριότερες παρουσιάζονται στη συνέχεια. 14
Γενικές τεχνικές ποσοτικοποίησης (2/2) ΑΜΕΣΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΡΟΣΘΗΚΗΣ ΓΝΩΣΤΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΚΑΤΆ ΓΝΩΣΤΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΘΗΚΗΣ ΓΝΩΣΤΩΝ ΠΟΣΟΤΗΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΙ ΤΩΝ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΤΕΧΝΙΚΩΝ 15
Φασματοφωτομετρία υπεριώδους ορατού Φασματοφωτομετρία απορρόφησης: Ταυτοποίηση & ποσοτικός προσδιορισμός ενός φαρμάκου σε ένα σκεύασμα, σε έναντι δρόν μίγμα ή σε ένα βιολογικό σύστημα. Χρωμοφόρο: Το τμήμα του μορίου που είναι υπεύθυνο για την απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (εμφάνιση χαρακτηριστικών ταινιών απορρόφησης). Ποσοτική φασματοφωτομετρία: Συσχέτιση του ποσοστού απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας προς την συγκέντρωση της ουσίας που είναι υπέυθυνη για την απορρόφηση. 16
Φασματομετρία υπερύθρου (1/5) Ο θεωρητικός αριθμός των βασικών δονήσεων ενός μορίου είναι συνάρτηση του αριθμού των ατόμων και της γεωμετρίας του και μπορεί να υπολογισθεί εύκολα (δηλ. μη γραμμικό μόριο Ν ατόμων έχει τη δυνατότητα 3Ν-6 δονήσεων, ενώ γραμμικό μόριο Ν ατόμων 3Ν-5 δονήσεων). Για παράδειγμα το μόριο του νερού που είναι μη γραμμικό έχει 3x3-6=3 δυνατές δονήσεις, ενώ το μόριο του CO2 που είναι γραμμικό, έχει 4 δονήσεις. Οι δονήσεις διακρίνονται σε δονήσεις τάσεως ή εκτατικές δονήσεις (stretching vibrations) και δονήσεις κάμψεως (bending vibrations). Στις δονήσεις τάσεως, που συμβολίζονται με ν, η δόνηση γίνεται κατά μήκος του χημικού δεσμού, που συνδέει τα δονούμενα άτομα και αλλάζει η απόσταση μεταξύ τους και η δόνηση μπορεί να είναι συμμετρική (σύμπτωση των κέντρων θετικού και αρνητικού φορτίου σε κάθε δονητική θέση) ή ασύμμετρη. 17
Φασματομετρία υπερύθρου (2/5) Στις δονήσεις κάμψεως, που συμβολίζονται με δ, αλλάζει η γωνία μεταξύ δύο δεσμών και η δόνηση μπορεί να είναι ψαλιδοειδής (scissoring) ή λικνιζόμενη (rocking) ή παλλόμενη (wagging) ή συστρεφόμενη (twisting). Ένα μόριο θα απορροφήσει υπέρυθρη ακτινοβολία μόνον εφόσον η διπολική ροπή του μορίου μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της δόνησης, διαφορετικά η δόνηση θεωρείται ανενεργή στο υπέρυθρο.όσο μεγαλύτερη είναι η μεταβολή της διπολικής ροπής, τόσο ισχυρότερη είναι η απορρόφηση. Πολικό μόριο είναι το εκείνο στο οποίο τα κέντρα θετικού και αρνητικού φορτίου δεν συμπίπτουν. Στην περίπτωση αυτή το ένα άκρο του μορίου φέρνει ένα μικρό θετικό φορτίο (δ+) και το άλλο άκρο ένα ισοδύναμο αρνητικό φορτίο (δ-). 18
Φασματομετρία υπερύθρου (3/5) Ο διαχωρισμός των φορτίων που υπάρχει στα πολικά μόρια πιστοποιείται με τη βοήθεια ηλεκτρικού πεδίου. Ενεργοποιώντας το πεδίο, τα πολικά μόρια προσανατο-λίζονται με το θετικό άκρο τους προς τον αρνητικό πόλο και το αρνητικό άκρο προς το θετικό πόλο. Ένα μόριο με κέντρα θετικού και αρνητικού φορτίου, όπως το Η-F αποτελεί ηλεκτρικό δίπολο. Ένα δίπολο έχει μόνιμη διπολική ροπή, μ, ίση με το γινόμενο του φορτίου δ επί την απόσταση, r, που χωρίζει το θετικό από το αρνητικό κέντρο. μ = δ r H διπολική ροπή είναι διανυσματικό μέγεθος με μονάδα μέτρησης στο σύστημα SI το Coulomb x meter (C m). 19
Φασματομετρία υπερύθρου (4/5) Ο θεωρητικός αριθμός των βασικών δονήσεων ενός μορίου είναι συνάρτηση του αριθμού των ατόμων και της γεωμετρίας του και μπορεί να υπολογισθεί εύκολα (δηλ. μη γραμμικό μόριο Ν ατόμων έχει τη δυνατότητα 3Ν-6 δονήσεων, ενώ γραμμικό μόριο Ν ατόμων 3Ν-5 δονήσεων). Για παράδειγμα το μόριο του νερού που είναι μη γραμμικό έχει 3x3-6=3 δυνατές δονήσεις, ενώ το μόριο του CO2 που είναι γραμμικό, έχει 4 δονήσεις. Οι δονήσεις διακρίνονται σε δονήσεις τάσεως ή εκτατικές δονήσεις (stretching vibrations) και δονήσεις κάμψεως (bending vibrations). 20
Φασματομετρία υπερύθρου (5/5) Στις δονήσεις τάσεως, που συμβολίζονται με ν, η δόνηση γίνεται κατά μήκος του χημικού δεσμού, που συνδέει τα δονούμενα άτομα και αλλάζει η απόσταση μεταξύ τους και η δόνηση μπορεί να είναι συμμετρική (σύμπτωση των κέντρων θετικού και αρνητικού φορτίου σε κάθε δονητική θέση) ή ασύμμετρη. Στις δονήσεις κάμψεως, που συμβολίζονται με δ, αλλάζει η γωνία μεταξύ δύο δεσμών και η δόνηση μπορεί να είναι ψαλιδοειδής (scissoring) ή λικνιζόμενη (rocking) ή παλλόμενη (wagging) ή συστρεφόμενη (twisting). 21
Φασματομετρία υπερύθρου (5/5) Στις δονήσεις τάσεως, που συμβολίζονται με ν, η δόνηση γίνεται κατά μήκος του χημικού δεσμού, που συνδέει τα δονούμενα άτομα και αλλάζει η απόσταση μεταξύ τους και η δόνηση μπορεί να είναι συμμετρική (σύμπτωση των κέντρων θετικού και αρνητικού φορτίου σε κάθε δονητική θέση) ή ασύμμετρη. Στις δονήσεις κάμψεως, που συμβολίζονται με δ, αλλάζει η γωνία μεταξύ δύο δεσμών και η δόνηση μπορεί να είναι ψαλιδοειδής (scissoring) ή λικνιζόμενη (rocking) ή παλλόμενη (wagging) ή συστρεφόμενη (twisting). 22
Φλογοφασματομετρία & φασματομετρία ατομ. απορρόφησης (5/5) Μοριακές Φασματοφωτομετρικές Τεχνικές : βασίζονται στην αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μόρια της προσδιοριζόμενης ουσίας (εφαρμογή στην μοριακή ανάλυση). Ατομική Φασματοφωτομετρία : ομάδα φασματοσκοπικών τεχνικών που βασίζονται στην αλληλεπίδραση ατόμων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (εφαρμογή στην στοιχειακή ανάλυση). Το δείγμα εκτίθεται σε ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια ικανή να προκαλέσει πλήρη εξαέρωση και όσο το δυνατόν πληρέστερη διάσπαση των μορίων σε άτομα (ατομοποίηση). 23
Φλογοφασματομετρία & φασματομετρία ατομ. απορρόφησης (5/5) Τα άτομα αυτά μπορούν : να διεγείρονται με επιπλέον ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια και να εκπέμπουν χαρακτηριστική ακτινοβολία (φασματοφωτομετρία εκπομπής). να απορροφούν χαρακτηριστική μονοχρωματική ακτινοβολία (φασματοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης). να διεγείρονται με την βοήθεια ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας & να εκπέμπουν ατομικό φθορισμό (ατομική φθορισμομετρία). 24
Φλογοφασματομετρία & φασματομετρία ατομ. απορρόφησης (1/2) Ως πηγές ενέργειας για την εξαέρωση του δείγματος και την ατομοποίηση χρησιμοποιούνται: Ηλεκτρικό τόξο ή σπινθήρας εκκένωσης συνεχούς ή εναλλασσομένου ρεύματος, που θερμαίνουν ισχυρώς (4000-10000 ο C) το μεταξύ δύο ηλεκτροδίων χώρο και προκαλούν εξαέρωση του στερεού ή υγρού δείγματος, ατομοποίηση και διέγερση των ατόμων. Φλόγα ελεγχόμενης θερμοκρασίας, που πετυχαίνεται με την καύση διαφόρων αερίων, στην οποία εισάγεται το δείγμα υπό μορφή διαλύματος. Ηλεκτρικά θερμαινόμενος κλίβανος με σωλήνα ή ράβδο ή λεμβίδιο από γραφίτη, σε κοιλότητα των οποίων τοποθετείται μικροποσότητα στερεού ή υγρού δείγματος. 25
Φλογοφασματομετρία & φασματομετρία ατομ. απορρόφησης (2/2) Ως πηγές ενέργειας για την εξαέρωση του δείγματος και την ατομοποίηση χρησιμοποιούνται: Επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP) από ιόντα αδρανούς αερίου αργού τα οποία παράγονται με την βοήθεια μαγνητικού πεδίου επαγωγικού πηνίου ραδιοκυμάτων. Στο πλάσμα, όπου αναπτύσσεται θερμοκρασία μεγαλύτερη των 6000 ο C εισάγεται το υγρό δείγμα προς εξαέρωση, ατομοποίηση και διέγερση. Από τις παραπάνω πηγές, το ηλεκτρικό τόξο χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην ποιοτική ανάλυση, ο σπινθήρας εκκενώσεως και το επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα τόσο στην ποιοτική, όσο και στην ποσοτική ανάλυση, ενώ η φλόγα και ο κλίβανος μόνο στην ποσοτική ανάλυση. 26
Φασματομετρία ατομικής απορρόφησης (1/2) Μέτρηση της απορρόφησης ακτινοβολίας χαρακτηριστικού μήκους κύματος από ελεύθερα ουδέτερα άτομα ενός στοιχείου που βρίσκονται στην θεμελιώδη κατάσταση. Διαφορά από τη μοριακή φασματο-φωτομετρία, όπου ενδιαφέρει η απορρόφηση από μόρια και από τις τεχνικές ατομικής φασματοφωτομετρίας εκπομπής (ΦΦΕ και ICP) όπου ενδιαφέρει η ισχύς της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από διεγερμένα άτομα. Η ατομοποίηση του προσδιοριζόμενου στοιχείου γίνεται συνήθως με: φλόγα (φλογοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης, ΦΦΑΑ). ηλεκτρικά θερμαινόμενο (άφλογος φασματοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης, ΑΦΑΑ). 27
Φασματομετρία ατομικής απορρόφησης (2/2) Η διέγερση των ατόμων επιτελείται με απορρόφηση ακτινοβολίας που παράγεται από εξωτερική πηγή και διαβιβάζεται μέσα από νέφος ατόμων, αντιστοιχεί δε στην ενέργεια που απαιτείται για μια ηλεκτρονική μετάπτωση από τη θεμελιώδη κατάσταση σε μια διεγερμένη κατάσταση. Επειδή ενδιαφέρει ο αριθμός Ν 0 των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση που αντιπροσωπεύει και τη μεγάλη πλειονότητα των ατόμων στη φλόγα και όχι ο αριθμός Νu των διεγερμένων ατόμων, η θερμοκρασία της φλόγας πρέπει να διατηρείται κατά το δυνατό χαμηλή με την προϋπόθεση ότι η ενέργεια της φλόγας επαρκεί για την ατομοποίηση του προσδιοριζόμενου στοιχείου. 28
Φασματομετρία μαζών (1/6) Όταν ηλεκτρόνια σχετικά υψηλής ενεργειακής στάθμης προσκρούουν σε μόρια μιας ένωσης, που βρίσκεται σε αέρια φάση και σε συνθήκες υψηλού κενού, τα μόρια της ένωσης μετατρέπονται σε ιόντα με θετικό, συνήθως, φορτίο. Στην συνέχεια, με την βοήθεια ηλεκτρικών πεδίων, τα παραχθέντα ιόντα ευθυγραμμίζονται σε λεπτή δέσμη. Η δέσμη διέρχεται μέσω ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, οπότε το κάθε ιόν, ανάλογα με το λόγο μάζα/ηλεκτρικό φορτίο (m/z) αποκλίνει από την αρχική κατεύθυνση. Με κατάλληλο ανιχνευτή μπορεί να μετρηθεί το ηλεκτρικό ρεύμα, που παρέχουν τα ιόντα με διαφορετικό λόγο m/z. 29
Φασματομετρία μαζών (2/6) Φάσμα μαζών: Το διάγραμμα που δείχνει την ένταση του μετρούμενου ρεύματος (σε σχετικές και όχι απόλυτες μονάδες) ως συνάρτηση του λόγου m/z. Επειδή τα ιόντα που παράγονται φέρουν κατά κανόνα ένα φορτίο, ο λόγος m/z αντιστοιχεί αριθμητικά με το μοριακό βάρος του ιόντος (εκφράζεται στις συνήθεις μονάδες ατομικής μάζας. Η βαθμονόμηση του άξονα των τετμημένων γίνεται με βάση τις κορυφές του H 2 O, του O 2 και του N 2 (κατά κανόνα τα δείγματα περιέχουν μικρο-ποσότητες υγρασίας και αέρα). 30
Φασματομετρία μαζών (3/6) Φάσμα μαζών: Το διάγραμμα που δείχνει την ένταση του μετρούμενου ρεύματος (σε σχετικές και όχι απόλυτες μονάδες) ως συνάρτηση του λόγου m/z. Επειδή τα ιόντα που παράγονται φέρουν κατά κανόνα ένα φορτίο, ο λόγος m/z αντιστοιχεί αριθμητικά με το μοριακό βάρος του ιόντος (εκφράζεται στις συνήθεις μονάδες ατομικής μάζας. Η βαθμονόμηση του άξονα των τετμημένων γίνεται με βάση τις κορυφές του H 2 O, του O 2 και του N 2 (κατά κανόνα τα δείγματα περιέχουν μικρο-ποσότητες υγρασίας και αέρα). 31
Φασματομετρία μαζών (4/6) H αναλυτική τεχνική ταυτοποίησης και προσδιορισμού της αρχικής ουσίας από τις πληροφορίες που παρέχει το φάσμα μαζών της, ονομάζεται φασματομετρία μαζών (mass spectrometry, MS) και δεν αποτελεί φασματοσκοπική τεχνική. Η μορφή του φάσματος μαζών, που λαμβάνεται κάτω από αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες, είναι χαρακτηριστική της αρχικής ουσίας και χρησιμοποιείται για την ταυτοποίησή της. Η φασματομετρία μαζών χρησιμοποιείται ευρύτατα, κυρίως για την επαλήθευση ή διερεύνηση της δομής διαφόρων οργανικών ενώσεων κατά τη συνθετική πορεία και για την εξακρίβωση της δομής πολλών φυσικών ενώσεων (σε μικρότερο βαθμό στην ποσοτική ανάλυση). 32
Φασματομετρία μαζών (5/6) Η φασματομετρία μαζών μπορεί να συνδυασθεί με την αέρια χρωματογραφία (GC) ή την υγρή χρωματογραφία (LC), παρέχοντας τις ονομαζόμενες "συνδυασμένες τεχνικές GC/MS ή LC/MS«, που σήμερα αποτελούν τις συνηθέστερες τεχνικές για την ποιοτική και ποσοτική ανάλυση εξαιρετικά πολύπλοκων μιγμάτων οργανικών ενώσεων. Τα κύρια πλεονεκτήματα της φασματομετρίας μαζών είναι η αυξημένη ευαισθησία της, σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, και η υψηλή εξειδίκευσή της κατά την ταυτοποίηση ουσιών ή την επιβεβαίωση της παρουσίας υπόπτων ουσιών, όπως π.χ. κατά τον έλεγχο ντοπαρίσματος αθλητών και λήψεως ναρκωτικών ουσιών. Ως μειονεκτήματα της φασματομετρίας μαζών μπορεί να θεωρηθούν το συγκριτικά μεγάλο κόστος των απαιτούμενων οργάνων, το μεγάλο κόστος λειτουργίας και συντήρησής τους, και ο μεγάλος βαθμός εξειδίκευσης του χρήστη για τον χειρισμό των σχετικών συσκευών και την ορθή ερμηνεία των φασμάτων μάζας. 33
Φασματομετρία μαζών (6/6) ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΜΑΖΩΝ Τα φασματόμετρα μάζας αποτελούνται από τα ακόλουθα κοινά και διακριτά τμήματα: α) Το σύστημα εισαγωγής του δείγματος, β) την πηγή ιόντων, γ) τον αναλυτή μαζών και δ) τον ανιχνευτή. Εκτός από αυτά τα τμήματα, κάθε φασματόμετρο μαζών περιλαμβάνει συστήματα δημιουργίας υψηλού κενού, καθώς και συστήματα παρουσίασης των φασμάτων, π.χ. καταγραφείς και παλμογράφους. 34
Εισαγωγή στις χρωματογραφικές τεχνικές ανάλυσης (1/3) Η χρωματογραφική ανάλυση, γνωστή συνήθως ως χρωματογραφία, περιλαμβάνει σειρά τεχνικών φυσικού διαχωρισμού και προσδιορισμού των συστατικών μείγματος ανόργανων ή οργανικών ουσιών. Ο διαχωρισμός πετυχαίνεται με κατανομή των συστατικών μεταξύ δύο φάσεων, μιας στατικής και μιας κινητής, που βρίσκονται στη χρωματογραφική στήλη. Ο διαχωρισμός βασίζεται στις διαφορές, που υπάρχουν σε ορισμένες ιδιότητες των συστατικών ενός μείγματος, όπως είναι το σημείο ζέσεως, η πολικότητα, τα ηλεκτρικά φορτία (για ιοντικές ενώσεις), το μέγεθος των μορίων, κ.α.. 35
Εισαγωγή στις χρωματογραφικές τεχνικές ανάλυσης (2/3) Οι διαφορές αυτές διαφοροποιούν τη σχετική συγγένεια κάθε συστατικού προς τις δύο φάσεις της χρωματογραφικής στήλης. Έτσι, η κινητή (ή φέρουσα) φάση, διερχόμενη μέσα από τη στατική, προκαλεί διαφορετική μετατόπιση επάνω σε αυτή των συστατικών του μείγματος, τα οποία διαχωρίζονται μεταξύ τους και συνήθως εξέρχονται από τη στήλη, σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Εάν στην έξοδο της στήλης υπάρχει σύστημα ανίχνευσης και καταμέτρησης της ποσότητας κάθε συστατικού, εκτός από το διαχωρισμό και παράλληλα με αυτό, πραγματοποιείται και ποσοτικός προσδιορισμός των συστατικών. 36
Εισαγωγή στις χρωματογραφικές τεχνικές ανάλυσης (3/3) Η χρωματογραφία ανακαλύφθηκε και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από το Ρώσο βοτανολόγο Tswett (1903) στην προσπάθειά του να διαχωρίσει τις χρωστικές των φύλλων. Αυτός εκχύλισε τα πράσινα μέρη των φύλλων σε πετρελαικό αιθέρα και διαβίβασε το εκχύλισμα μέσα από τη στήλη από κονιορτοποιημένο CaCO 3 οπότε τα συστατικά (χλωροφύλλες) διαχωρίστηκαν σε διακριτές έγχρωμες ζώνες. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος, η τεχνική ονομάστηκε διεθνώς «χρωματογραφία» από τις Ελληνικές λέξεις χρώμα και γράφω αν και τα χρώματα είναι συμπτωματικά και καμμία σχέση έχουν με τις αρχές της τεχνικής. 37
Χρωματογραφία και χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (1/5) Η χρωματογραφία χάρτη που αναπτύχθηκε από τους Consden, Gordon, Martin είναι είδος επίπεδης χρωματογραφίας στην οποία χρησιμοποιείται ταινία ή φύλλο χάρτη (κυτταρίνη) ως στερεό υλικό στήριξης της στατικής φάσης. Η στατική φάση είναι πιθανόν ένα σύμπλοκο ύδατος-κυτταρίνης (ακόμη & ακατέργαστος χάρτης σε ισορροπία με τον ατμοσφαιρικό αέρα περιέχει 20% ύδωρ). Έτσι, ο κύριος μηχανισμός διαχωρισμού είναι η κατανομή μεταξύ δύο υγρών, ενός πολικού (συνήθως ύδωρ) καθηλωμένου στο χάρτη (στατική φάση) και ενός λιγότερου πολικού (οργανικός διαλύτης) το οποίο κινείται στο χάρτη (κινητή φάση). Μπορεί όμως να συμβεί σε μικρή κλίμακα και προσρόφηση, καθώς και ιονανταλλαγή. 38
Χρωματογραφία και χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (2/5) Στη χρωματογραφία χάρτη, όπως και στα άλλα είδη επίπεδης χρωματογραφίας, συνήθως οι ζώνες των συστατικών δεν αφήνονται να εκλουσθούν, αλλά η χρωματογραφία διακόπτεται ενόσω το μέτωπο του διαλύτη βρίσκεται ακόμα στο χάρτη. Η κινητή φάση είναι συνήθως μείγμα οργανικών διαλυτών με ύδωρ και μπορεί αν είναι ουδέτερη, βασική ή όξινη. Τυπικά παραδείγματα είναι μίγματα ισοπροπανόλης-αμμωνίας-ύδατος, κ-βουτανόληςοξικού οξέος-ύδατος, και υδατικό διάλυμα φαινόλης. Μερικά από τα μείγματα αυτά σχηματίζουν διφασικά συστήματα, όταν ανακινούνται, οπότε η πολική φάση χρησιμοποιείται για το κορεσμό του χάρτη (εξισορρόπηση) πριν από τη χρήση του, ενώ η λιγότερο πολική φάση (η μη υδατική) χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη του χρωματογραφήματος. 39
Χρωματογραφία και χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (3/5) Η δύναμη εκλούσεως (διαχωριστική ικανότητα) ενός διαλύτη αναπτύξεως μπορεί να μεταβάλλεται δραστικά με αλλαγή των αναλογιών του μείγματος των διαλυτών, που το αποτελούν. Ως υλικό στηρίξεως χρησιμοποιείται ειδικός χάρτης από πολύ καθαρή κυτταρίνη και συνήθως χρησιμοποιείται χάρτης διηθήσεως (π.χ. Whatman No1). Ο τύπος του χάρτη ρυθμίζει την ταχύτητα ροής του υγρού αναπτύξεως (χάρτης με χονδρές ίνες επιτρέπει μεγαλύτερες ταχύτητες). Για την εκτέλεση της χρωματογράφησης σταγόνα λίγων μl διαλύματος του δείγματος τοποθετείται με μικροσιφώνιο ή μικρομετρική σύριγγα, ως κηλίδα, πλησίον του ενός άκρου λωρίδας χάρτη ή μιας πλευράς φύλλου χάρτη, σε θέση που έχει προσημειωθεί με μολύβι. 40
Χρωματογραφία και χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (4/5) Η δημιουργούμενη κηλίδα ξηραίνεται με εξάτμιση του διαλύτη (επιπλέον σταγόνες μπορούν να προστεθούν στην ίδια θέση μετά την ξήρανση) και στη συνέχεια μπορούν να προστεθούν στην ίδια θέση μετά την ξήρανση) και στη συνέχεια η λωρίδα ή το φύλλο του χάρτη τοποθετείται στο θάλαμο αναπτύξεως, ο οποίος περιέχει τον πολικό διαλύτη της στατικής φάσεως σε ξεχωριστό δοχείο. Αφού αποκατασταθεί η εξισορρόπηση (κορεσμός του χάρτη με τους ατμούς του πολιού διαλύτη, που μπορεί να επιταχυνθεί με τοποθέτηση γύρω από τα τοιχώματα του θαλάμου φύλλων διηθητικού χάρτη εμποτισμένων με τον διαλύτη), προστίθεται η κινητή φάση έτσι, ώστε να έρθει σε επαφή με το άκρο της λωρίδας ή το φύλλο του χάρτη. Λαμβάνεται φροντίδα ώστε ο διαλύτης αναπτύξεως να μην αγγίξει την κηλίδα του δείγματος. 41
Χρωματογραφία και χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (5/5) Η δύναμη εκλούσεως (διαχωριστική ικανότητα) ενός διαλύτη αναπτύξεως μπορεί να μεταβάλλεται δραστικά με αλλαγή των αναλογιών του μείγματος των διαλυτών, που το αποτελούν. Ως υλικό στηρίξεως χρησιμοποιείται ειδικός χάρτης από πολύ καθαρή κυτταρίνη και συνήθως χρησιμοποιείται χάρτης διηθήσεως (π.χ. Whatman No1). Ο τύπος του χάρτη ρυθμίζει την ταχύτητα ροής του υγρού αναπτύξεως (χάρτης με χονδρές ίνες επιτρέπει μεγαλύτερες ταχύτητες). Για την εκτέλεση της χρωματογράφησης σταγόνα λίγων μl διαλύματος του δείγματος τοποθετείται με μικροσιφώνιο ή μικρομετρική σύριγγα, ως κηλίδα, πλησίον του ενός άκρου λωρίδας χάρτη ή μιας πλευράς φύλλου χάρτη, σε θέση που έχει προσημειωθεί με μολύβι. 42
Αέρια χρωματογραφία (1/4) Στην αέρια χρωματογραφία χρησιμοποιείται αέρια κινητή φάση με στερεή (αέρια-στερεή χρωματογραφία, GSC), ή υγρή (αέρια-υγρή χρωματογραφία, GLC) στατική φάση. Στην GSC διαχωρισμός οφείλεται σε προσρόφηση ή μοριακό αποκλεισμό των συστα-τικών του μείγματος στη στατική φάση. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό αερίων μικρού μοριακού βάρους, με περιορισμένες εφαρμογές στην ανάλυση. Στην αέρια-υγρή χρωματογραφία ή απλώς αέρια χρωματογραφία ο διαχωρισμός των συστατικών (αέριων ή πτητικών) βασίζεται στην κατανομή τους μεταξύ ενός μη πτητικού υγρού (στατική φάση), καθηλωμένου σε στερεό φορέα ή στα τοιχώματα ανοικτών τριχοειδών στηλών και ενός αερίου (κινητή φάση, φέρον αέριο). 43
Αέρια χρωματογραφία (2/4) Ο διαχωρισμός οφείλεται στην κίνηση των συστατικών μέσα από τη στήλη με διαφορετικές ταχύτητες, που εξαρτώνται από τις τάσεις ατμών των συστατικών και από τις αλληλεπιδράσεις τους στη στατική φάση. 44
Αέρια χρωματογραφία (3/4) Η επιτυχής χρησιμοποίηση αερίου ως κινητής φάσης στο χρωματογραφικό διαχωρισμό, βασίζεται στα εξής πλεονεκτήματα : 1. Το χαμηλό ιξώδες (πυκνότητα) των αερίων επιτρέπει χρησιμοποίηση στηλών μεγάλου μήκους, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της στήλης (αύξηση του αριθμού θεωρητικών πλακών, n, και χρησιμοποίηση μεγάλων ταχυτήτων ροής, με αποτέλεσμα την επίτευξη ταχέων διαχωρισμών. 2. Η αδράνεια των αερίων, όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους με τα προς διαχωρισμό συστατικά, κάνει την ισορροπία κατανομής στις δύο φάσεις να είναι πρακτικώς ανεξάρτητη από το αέριο. Εξαιτίας αυτής της αδράνειας, η GLC περιορίζεται μόνο σε διαχωρισμούς σχετικά πτητικών ουσιών (στη θερμοκρασία λειτουργίας της στήλης). 3. Υπάρχουν πολλοί, απλοί, ευαίσθητοι και ταχείας αποκρίσεως ανιχνευτές, ικανοί να παρακολουθούν τις συγκεντρώσεις των ουσιών στην αέρια φάση. 45
Αέρια χρωματογραφία (4/4) Λόγω των πολλαπλών πλεονεκτημάτων (μεγάλη ευαισθησία, ταχύτητα, απλότητα, επίτευξη δύσκολων διαχωρισμών, δυνατότητα παραλαβής αναλλοίωτων των διαχωριζό-μενων συστατικών, επιτυχής εφαρμογή στην ποιοτική και ποσοτική ανάλυση), η αέρια χρωματογραφία μετά την εισαγωγή της ως αναλυτικής τεχνικής (Martin & James, 1952) εμφάνισε ραγδαία ανάπτυξη και έγινε μια από τις αποτελεσματικότερες και συχνότερα χρησιμοποιούμενες τεχνικές για διαχωρισμούς και ανάλυση. Μπορεί να εφαρμοσθεί στην ανάλυση του 85% και περισσότερο των οργανικών ενώσεων. Μόνο τα τελευταία χρόνια άρχισε να μειώνεται η ανάπτυξή της, κυρίως μετά την εμφάνιση της υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC) η οποία κατέκτησε την πρώτη θέση στον τομέα των αναλυτικών διαχωρισμών. 46
Ιοντική χρωματογραφία (1/2) Η ιοντική χρωματογραφία (Ion Chromatography, IC) είναι μια από τις νεώτερες και δυναμικότερες αναλυτικές τεχνικές για την ποιοτική και ποσοτική ανάλυση μείγματος ανόργανων και οργανικών ιόντων, που προήλθε από τον επιτυχή συνδυασμό της ιονανταλλαγής με την υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης και την αγωγιμομετρία. Αναπτύχθηκε από τους Small, Stevens και Baumann (1975) στην προσπάθειά τους να επιλύσουν το πρόβλημα αδυναμίας εφαρμογής της HPLC ιονανταλλαγής στην ανάλυση μειγμάτων κοινών ανοργάνων και οργανικών ιόντων, εξαιτίας της αδυναμίας ανίχνευσής τους μετά το διαχωρισμό με τους διαθέσιμους ανιχνευτές της HPLC. 47
Ιοντική χρωματογραφία (2/2) Τα ιόντα αυτά θα μπορούσαν να ανιχνευθούν αγωγιμομετρικά αλλά το υγρό εκλούσεως στην HPLC ιονανταλλαγής περιέχει μεγάλες ποσότητες ηλεκτρολυτών και επομένως θα εμφανιζόταν μεγάλο σήμα υποβάθρου, που θα εμπόδιζε την εμφάνιση των κορυφών των διαχωριζό-μενων ιόντων. Στην ιοντική χρωματογραφία το πρόβλημα αυτό λύθηκε με τη χημική καταστολή της αγωγιμότητας του υγρού εκλούσεως και την παράλληλη αύξηση της αγωγιμότητας των διαχωριζόμενων ιόντων, με την προσθήκη μετά τη στήλη διαχωρισμού (separator column) μιας στήλης καταστολής (suppressor column). Έτσι γίνεται δυνατή η χρησιμοποίηση του πολύ ευαίσθητου αγωγιμομετρικού ανιχνευτή. 48
Βιβλιογραφία Αισθητήρες μέτρησης και ελέγχου, Elgar Peter, Τζιόλα & ΥΙΟΙ Ο.Ε. 2003. Ηλεκτρικές Μετρήσεις και Αισθητήρες, Καλαϊτζάκης Κ. κ.α., Κλειδάριθμος Ε.Π.Ε. 2010. Αισθητήρες: Τεχνικές και Εφαρμογές, Χατζηπροκοπίου Μ., Χατζηπροκοπίου Μ. 2010. Τεχνολογία Μετρήσεων και Αισθητήρων, Λουτρίδης Σπυρίδων Ι., ΣΤΕΛΛΑ ΠΑΡΙΚΟΥ & ΣΙΑ Ο.Ε., 2008 Μέτρηση, Ποιότητα μέτρησης και Αβεβαιότητα, Μανώλης Ε. Μαθιουλάκης, ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΕΝΩΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ, 2004 Διαστατική Μετρολογία, Καραχάλιου Χαρίκλεια, Μανσούρ Γκαμπριέλ, Ζήτη Πελαγία & Σια Ο.Ε., 2007 49
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Μαρία Α. Γούλα. «ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. 51
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 52
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 53