ΕΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (ΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ, ΦΜΑ) ΙΝSTRUMENTAL METHODS OF CHEMICAL ANALYSIS

Περιεχόμενα Ι. Τι είναι η ενόργανη χημική ανάλυση Ενόργανη χημική ανάλυση/κλασική αναλυτική χημεία Σχέση της ενόργανης χημικής ανάλυσης με τις άλλες επιστήμες Ταξινόμηση των ενοργάνων αναλυτικών μεθόδων Ιστορική αναδρομή Αναλυτικά όργανα Οργανα πεδίου Γενικός τρόπος λειτουργίας των αναλυτικών οργάνων Μορφή διαγραμμάτων (outputs) οργάνων ΙΙ. Φάκελλος μαθήματος

Ορισμός Eνόργανη Χημική Ανάλυση είναι κλάδος της αναλυτικής χημείας που βασίζεται σε φυσικοχημικές μετρήσεις που αποκτούνται με ποικιλία οργάνων

Κλάδοι Αναλυτικής Χημείας Ι. Kλασική Αναλυτική Χημεία (σταθμική και τιτλομετρική ανάλυση) ΙΙ. Ενόργανη Χημική Ανάλυση (Φυσικές Μέθοδοι Ανάλυσης)

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Aνάπτυξη και εφαρμογή νέων μεθοδολογιών με στόχο εξαγωγή πληροφοριών για τη φύση και τη σύσταση του υλικού. Προσδιορισμός δομής της ύλης Ο όρος χημεία υπενθυμίζει ότι πρόκειται για ανάλυση στοιχείων και χημικών ενώσεων.

Ταξινόμηση αναλυτικών μεθόδων 1.Φασματομετρικές μέθοδοι (AAS, UV-Vis, ICP, XRD, XRF, NMR) 2. Θερμικές (TGA, DSC, DTA) 3. Χρωματογραφικές (HPLC, GC) 4. Ηλεκτρομετρικές (Πολαρογραφία) 5. Αλλες (MS, SEM) 6. Συνδυασμένες τεχνικές (Hyphenated techniques) 1. Συνεχείς/Ασυνεχείς 2. Καταστρεπτικές/ Μη καταστρεπτικές

Η ενόργανη χημική ανάλυση σε σχέση με άλλες επιστήμες Η ενόργανη χημική ανάλυση έχει καταστεί πολύ σημαντική και σε πολλούς άλλους κλάδους, όπως στην ιατρική στην βιοχημεία, στην χημεία τροφίμων, στις περιβαλλοντικές επιστήμες και σε πολλά βιομηχανικά πεδία Η ενόργανη χημική ανάλυση απαιτεί γνώσεις από διαφορετικές περιοχές.

Ενόργανη Ανάλυση σε σχέση με την κλασική αναλυτική χημεία Οι υγροχημικές μέθοδοι στις οποίες αναφερόμαστε με τον όρο κλασική αναλυτική χημεία, έχουν γίνει λιγότερο σημαντικές επειδή είναι χρονοβόρες, η ακρίβεια τους αλλάζει όταν τα αντιδραστήρια δεν είναι καθαρά και η ευαισθησία τους είναι μικρή. Οι περισσότερες ενόργανες μέθοδοι είναι περισσότερο ευαίσθητες από τις κλασικές και πιο εξειδικευμένες.

Η Ενόργανη Χημική Ανάλυση σήμερα Η Ενόργανη Χημική Ανάλυση έχει απομακρυνθεί από την παραδοσιακή περιγραφική χημεία. Απέραντο οπλοστάσιο από μεθόδους ενόργανης ανάλυσης Πολλές αναλύσεις γίνονται σε μη ειδικούς χώρους, όπως είναι οι εργασιακοί χώροι ή η ανάλυση επί τόπου (Field Analysis) Συνδυασμένες τεχνικές και μη καταστρεπτικές μέθοδοι. Οι χρήστες χρειάζονται όργανα που έχουν υψηλή ποιότητα και ακρίβεια για την πιστοποίηση. Το πρόβλημα της ανάλυσης πρέπει να επιλύεται με μεθοδικότητα. Η επιστήμη που καλείται χημειομετρία, βοηθά να βρεθεί λύση σε ένα αναλυτικό πρόβλημα με τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις:μεθοδολογία, επεξεργασία δεδομένων ερμηνεία αποτελεσμάτων.

Ιστορική αναδρομή (1) Η πρώτη μη καταστρεπτική αξιόπιστη αναλυτική τεχνική είναι η εύρεση της νοθείας του χρυσού στέμματος του τυράννου των Συρακουσών από τον Αρχιμήδη χρησιμοποιώντας την αρχή της άνωσης.

Ιστορική αναδρομή (2) Φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης 1747 Margraff : αντιστοιχία χρωμάτων που παίρνει μια φλόγα όταν καίγονται ορισμένα στοιχεία. (αρχή των φασματομετρικών μεθόδων) το 1814 ο Frauenchoefer και ο Τalbot το 1825 επεξηγούν τμήματα των γραμμικών φασμάτων. 1859 οι Bunsen και Κirchoff κατασκευάζουν τελικά το πρώτο φασματοσκόπιο για την ταυτοποίηση στοιχείων, τροποποιώντας ένα τηλεσκόπιο και χρησιμοποιώντας φλόγα για την διέγερση των ατόμων. 1929 ο Lundegardh κατασκευάζει το πρώτο φλογοφωτόμετρο με ατομοποιητή 1955 ο Walsh περιγράφει το πρώτο φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης 1960 οι L vov (1960) και ο Massman ανακαλύπτουν το φούρνο θερμαινόμενου γραφίτη.

Ιστορική αναδρομή (3) Ηλεκτροαναλυτικές μέθοδοι Αναπτύχθηκαν μετά την ανακάλυψη του βολταικού στοιχείου παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από τον Volta. Πρώτα αναπτύχθηκαν οι ηλεκτροσταθμικές μέθοδοι (Cu, 1864) και στη συνέχεια οι γενικότερες μέθοδοι της ηλεκτροανάλυσης , όπως η βολταμμετρία, η πεχαμετρία, η ποτενσιομετρία, η αγωγιμομετρία και τα εκλεκτικά ηλεκτρόδια, εφαρμόζοντας πάντοτε τους νόμους των Faraday, Nerst, Coulomb, Ohm.

Ιστορική αναδρομή (4) Xρωματογραφικές μέθοδοι 19 ος αιώνας: οι αρχές των χρωματογραφικών μεθόδων βρίσκονται στις τεχνικές διαχωρισμού διαλυμένων ουσιών και διαλυτών, που χρονολογούνται ήδη από τα μέσα του 19ου αιώνα. 1903 : Tswett ανακάλυψη της χρωματογραφίας στήλης Adams, Holmes ανακάλυψη των ιοεναλλακτικών ρητινών Martin Synge 1941 με την ανακάλυψη της χρωματογραφίας κατανομής και τους Martin Gordon με την ανακάλυψη της αέριας χρωματογραφίας το 1952

Αναλυτικά όργανα

AAS

ΝΜR

ICP

XRF

2. Οργανα πάγκου 1. 3. 1.TDU-GC-MS 2. Thermal Desorption Unit 3. Regenerator of sorbent tubes

Ανάλυση πεδίου (Field Analysis)

Φορητά όργανα για χημική ανάλυση CO/CO2 αισθητήρας Αισθητήρας NH3

Φορητά όργανα για χημική ανάλυση Gas Chromatograph-Ion Mobility Spectrometer

2. 1. 3. 1. PM2.5 monitoring 2. Air sampling (2L) with sorbent tubes 3. CO monitoring

Μετρήσεις πεδίου

Δειγματοληψία ( sorbent tubes) για TDU-GC-MS

Ανάλυση νερού στο πεδίο

Σχηματική παρουσίαση μιας ενόργανης μεθόδου χημικής ανάλυσης

Γενικό διάγραμμα ενός φθορισμομέτρου

ΟΡΙΣΜΟΙ Πορεία (procedure): Γενική περιγραφή των σταδίων για την εκτέλεση της μεθόδου. Πρωτόκολλο (protocol): Λεπτομερής περιγραφή της πορείας ενός συγκεκριμένου προσδιορισμού που περιλαμβάνει ποσότητες αντιδραστηρίων και δείγματος, χρόνους εκτελέσεως διαφόρων σταδίων, πειραματικές συνθήκες, κλπ.

ΟΡΙΣΜΟΙ Αναλυτικό πρόβλημα (analytical problem): Ερωτήματα που απευθύνονται προς το Εργαστήριο Ελέγχου (έλεγχος ταυτότητας, έλεγχος καθαρότητας, έλεγχος ορίων, ποσοτικός προσδιορισμός). Ανάλυση (analysis): Εφαρμογή μιας ή περισσοτέρων αναλυτικών μεθόδων ή/και δοκιμασιών (δοκιμών) (testing, tests) σε ένα συγκεκριμένο δείγμα για την απάντηση / επίλυση ενός αναλυτικού προβλήματος.

ΟΡΙΣΜΟΙ Προσοχή: Οι όροι «ανάλυση» και «αναλύεται» αναφέρεται μόνο στο δείγμα και ποτέ στις ουσίες. Το δείγμα αναλύεται και οι ουσίες προσδιορίζονται. Όμως ο αγγλικός όρος «analyte», αποδίδεται και ως «αναλύτης» αντί της «προσδιοριζόμενης ή υπό προσδιορισμό ουσίας». Προσοχή επίσης στους όρους: analyst (αναλυτής / αναλυτικός επιστήμονας) και analyzer (αναλυτής / αυτοματοποιημένο αναλυτικό όργανο).

Προσδιορισμός (determination): αναφέρεται στις ουσίες του δείγματος. ΟΡΙΣΜΟΙ Προσδιορισμός (determination): αναφέρεται στις ουσίες του δείγματος. Μπορεί να είναι: Ποιοτικός (ταυτοποίηση) (identification) Ποσοτικός (assay) Έλεγχος ορίου (limit test)

ΟΡΙΣΜΟΙ Μέτρηση (measurement): Εισαγωγή του διαλύματος εργασίας του δείγματος στο αναλυτικό σύστημα και ανάγνωση / λήψη της προκαλούμενης τιμής του αναλυτικού σήματος. Δεν περιλαμβάνει το στάδιο προετοιμασίας του δείγματος. Ανταποκρίνεται ακριβώς στην έννοια του αγγλικού όρου «run». Εάν περιλαμβάνεται και το στάδιο προετοιμασίας του δείγματος χρησιμοποιείται ο όρος «προσδιορισμός». Επαναλαμβανόμενες μετρήσεις ή προσδιορισμοί αναφέρονται με τον αγγλικό όρο “replicates”.

ΟΡΙΣΜΟΙ Αναλυτική παράμετρος ή σήμα: η μετρούμενη φυσικοχημική ποσότητα που σχετίζεται με τη συγκέντρωση ή ποσότητα του αναλύτη. Παραδείγματα Απορρόφηση (A = ε b c) Εμβαδόν χρωματογραφικής κορυφής (A = k c) Δυναμικό (E = E’ + S log C) Ισχύς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (P = k c)

Μορφή διαγραμμάτων (outputs) οργάνων ΦΜΑ

Μορφή διαγραμμάτων (outputs) οργάνων ΦΜΑ

Μετατροπή του σήματος σε συγκέντρωση (Ποσοτική ανάλυση Βαθμονόμηση αναλυτικής μεθόδου) Στις ενόργανες μεθόδους γίνεται έμμεσα ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης, μέσω μιας μαθηματικής σχέσης-συνήθως γραμμικής- που συνδέει μια ιδιότητα της ουσίας (σήμα του οργάνου) με την συγκέντρωση της ουσίας.