Instrumentelle Analytik

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

Der analytische Prozess

• Überführung eines allgemeinen Problems in ein analytisches Problem

• Festlegung des Analysenmethode und des • Analysenverfahrens

Fallbeispiel

• Ein Bauer in der Mittelmeerregion möchte den Gehalt an Linolsäure in seinen Olivenermitteln

• Dies ist das Problem auf der Nutzerebene!

Fallbeispiel

• Das analytische Problem lautet:

• Bestimmung von Fettsäuregehalten in Lebensmitteln

Fallbeispiel

• Für das Analysenverfahren:

• Wählt man aus den vielen Möglichkeiten eine Analysen-Methode aus.

• Dann beschäftigt man sich mit dem Untersuchungsgut.

Repräsentative Probenahme

• Homogenität des Materials• Zeit der Probenahme• Ort der Probenahme

Fallbeispiel

• Welche Früchte nimmt man?• Zu welcher Zeit?• Vom Ost/West/ Süd-Olivenhain?

Kontaminationsfreie Probennahme

• Sauberes Probennahme-Besteck– inreaktiv

• Saubere Behältnisse– inreaktiv

• Ggf. Inert-Atmosphäre und Kühlung

Fallbeispiel

• Es werden nur saubere Sammelgefäße benutzt

• Was noch ?

Stabile Lagerung der Proben

• Verlustfreie Lagerung• Konservierung wo nötig• Kühlen• Ggf. Inert-Atmosphäre

Fallbeispiel

• Geerntete Früchte leben.• Lebendes biologisches Material verändert

sich. – Reifeprozess bei Obst/Gemüse

• Keine lange Lagerung; ggf. Kühlen– Befall von Schimmel und Hefen

Die Probe muss in ausreichender Menge gewonnen werden!

Gasprobenahme

• Gasmaus

Gasprobenahme

• Absorption-flüssigkeiten

• Immer mit Gasuhr und Partikelfiltration

Gasprobenahme

• Absorbtionsröhrchen• Immer mit Gasuhr und

Partikelfiltration

Gasprobenahme

• Partikel-Filter

Homogene Flüssigproben(wässrig)

• Schöpfen in • Quarz, Glas, Polyethylen Gefäße• Ggf. braune Gefäße• Steril filtrieren

Flüssigprobenahme

• Purge und Trapp für leichtflüchtige organische Stoffe in wässriger Matrix

• Festphasen-Anreicherung

Feststoff Probenahmeanorg.;Boden/Erze

• äußerst schwierig.• Probenmenge direkt proportional der

Inhomogenität

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

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

Korrelation von Korngröße und Probennahmemenge nach Taggart

• Faustformel:• mmin (kg)= 0,06 x a (mm)

m= Probennahmemengea= mittlere Korngröße (Durchmesser)

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!

Probennahme bei biologischen MatricesPflanzen

• Unterscheidung von:– Spezies– Population– Standort/Ökosystem– Individuum– Kompartiment

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

Der Fehler bei der Probenahme übersteigt

alle nachfolgenden Fehler um ein Vielfaches!

Def. Mengenbereiche

• Probenmassenbereich P = mAnalyt + mMatrix

• GehaltbereichG = mA : (mA + mM)

• 1 ppm = 1: 106

• ein-millionster Teil• 1ppb = 1: 109

• 1 ppt = 1: 1012

• 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)

Erster Schritt der Analysenmethode:Die Probenvorbereitung

• Ziel ist die Gewinnung des Analyten in möglichst reiner, messbarer Form.

Probenvorbereitung

• Jeweils eingesetzte Methode richtet sich nach dem Analyten und der Matrix

• Sie setzt Kenntnisse der jeweiligen Chemie des Analyten voraus!

Fallbeispiel

• Linolsäure ist eine doppelt ungesättigte essentielle Fettsäure[C18:2]

Fallbeispiel

• Im Olivenöl liegt sie mit anderen Fettsäuren als Glycerinester vor (Triacylglycerid).

• Triacylglyceride sind stark hydrophobe Lipide

Probenvorbereitung

• Physikalische Bearbeitung:– Festproben homogenisieren (mahlen und

sieben)– Ggf. Sublimation– Flüssigproben ggf. destillieren

Probenvorbereitung

• Chemische Bearbeitung:– Extraktion – Derivatisierung

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

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.

Probenvorbereitung

• Bei der Extraktion aus komplizierten Matrices co-extrahieren oft viele Stoffe.

• Es muss sich ein weiterer Reinigungsschritt anschließen (clean up)

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

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

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.

Derivatisierung

• Die Derivatisierung soll substanzspezifisch sein

• Der Derivatisierungs-Schritt muss quantitativ ablaufen

• Unumgesetztes Derivatisierungs-Reagenz muss leicht abtrennbar sein

Fallbeispiel

• Aus den Triacylglyceriden muss die Linolsäure freigesetzt werden.– Esterspaltung – freie Fettsäuren sind schwer zu analysieren– Umsetzen zum Methylester

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

• 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