Analytische Methoden

• Qualitativ und/ oder quantitativ?

• Methoden?

• Messbereich?

• Genauigkeit, Reproduzierbarkeit?

• Kosten?

In der Regel besteht eine Vorstellung davon was, wo, in welchem Konzentrationsbereich zu bestimmten ist.

• Probennahme

• in Lösung bringen

• Trennung, Aufkonzentrieren

• und Bestimmung

• Soxhlet-Apparatur

• Rotationsverdampfer

1. Gefriertrocknung

2. Homogenisieren

3. Extrahieren in Phosphatpuffer, n-Hexan, 6 Stunden

4. Konzentrieren

5. Gelpermeations-Chromatographie oder Chromatographie an Kieselgel

6. Konzentrieren

7. Gaschromatographie, Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung, …

-> Die Probenvorbereitung kann sehr aufwendig sein und nimmt oft die meiste Zeit in Anspruch

“ein Verfahren, in dem ein (unparteiischer) Dritter schriftlich bestätigt, dass ein Erzeugnis, ein Verfahren oder eine Dienstleistung vorgeschriebene Anforderungen erfüllt”

ein “Verfahren, in dem eine autorisierte Stelle formell anerkennt, dass eine Stelle oder Person kompetent ist, bestimmte Aufgaben auszuführen”

• Tölg-Aufschluss

• Mikrowellen-Aufschluss

• Die Probe wird bei Überdruck in konzentrierten Mineralsäuren erhitzt und löst sich vollständig auf

• 1-72 Stunden

• Vorteil: Schnelligkeit durch schnelles Aufheizen, bis zu 12 Proben simultan

• Temperatur musst überwacht und die Leistung entsprechend angepasst werden

• Nachteil: teuer

• 25-90 min

• Nachweis von Elementen: Viele toxische Metalle lassen sich so nachweisen

• Absorption, Emission oder Fluoreszenz von Atomen oder Elemtionen

• Atome absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge, wodurch ihre Konzentration bestimmt werden kann

Angeregte Atome emittieren Licht einer bestimmten Wellenlänge

1. Anregung: Atome absorbieren elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge. Dadurch werden Elektronen von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres angehoben

2. Emission (Fluoreszenz): Nach einer sehr kurzen Zeit (Nanosekundenbereich) fallen die Elektronen wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurück und emittieren dabei Licht (Photonen)

3. Spektralanalyse: Die emittierte Strahlung hat charakteristische Wellenlängen, die zur Identifizierung und Quantifizierung von Elementen genutzt werden können

1. Eine Hohlkathodenlampe (HCL) oder eine elektrodelose Entladungslampe (EDL) sendet monochromatisches Licht mit einer für das Analytelement spezifischen Wellenlänge durch die Flamme.

2. Die freien Atome in der Flamme absorbieren einen Teil dieser Strahlung

-> kleineres Sigbale, Absorption: Element ist vorhanden, quantifizierbar

• Hohlkathodenlampe für die Atomabsorptionsspektroskopie: Kathode besteht aus zu untersuchendem Metall oder ist damit beschichtet

  • Angeregte Atome der Kathode emittieren Licht des zu bestimmenden Elements

• wichtiges Korrekturverfahren: Zeemann-Untergrundkorrektur

  • Magnetfeld und polarisiertes Licht verschieben/löschen die Wellenlänge des Analyten, so dass man nur den Untegrund misst

• hohe Empfindlichkeit: sehr schnelle Atomisierung (mehrere 100 Ampere Strom -> 2000-3000°C) und längere Verweildauer im Strahlengang

• Messung direkt oberhalb der erhitzten Oberfläche

• Intergas (Argon) dient zum Schutz vor Oxidation und führt Dämpfe während der Verdampfungs- und Veraschungsphase ab

Geeignet für Arsen, Zinn, Antimon, Bismut, Selen und Blei: bilden flüchtige Hybride

• Proben werden in der Regel wie für Atomabsorptionsspektroskopie vorbereitet

• Vorteile:

  • sensitiver und schneller als Atomabsorptionsspektroskopie oder Atomemissionsspektroskopie

  • mehrere (>30) Elemente können in wenigen Minuten vermessen werden

• Nachteile: Kostenintensiv

• Extrem niedrige Nachweisgrenzen (teilweise bis zu 0,001 ppt)

• bei Probenahme und Lagerung

• Wägen

• Aufschluss

• Trennung

• Anreicherung

• Endbestimmung

• Verunreinigung durch Bearbeiter und Behälter

• Verlust durch Behälter

• Sonstiges: Inhomogenität

• Waage, Gewichte

• Verunreinigung durch Behälter, Reagenzien und Luft

• Verlust durch Behälter

• Verunreinigung durch Lösungsmittel

• Verlust durch Behälter

• Verunreinigung durch Reagenz

• Verlust durch Luft

• Messkolben, Pipetten

Messvorgang

• Liefert Informationen über

  • die qualitative und quantitative Zusammensetzung hauptsächlich organischer Substanzen

  • die Struktur komplexer Moleküle

  • atomare Isotopenverhältnisse

  • die Zusammensetzung von Festkörperoberflächen

• die Probe muss in gasförmig Ionen umgewandelt werden

• sehr empfindlich und vielseitig, aber hohe Anschaffungskosten

• Ein Sektorfeld-Massenspektrometer (SF-MS) ist eine Art von Massenspektrometer, das zur Trennung und Analyse von Ionen elektrostatische und magnetische Sektorfelder nutzt

1. Probenzuführung

2. Ionisierung der Probe

3. Beschleunigung der Ionen: Die erzeugten Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt

4. Massentrennung durch das Sektorfeld: ein elektrostatisches Sektorfeld trennt die Ionen nach ihrer Energie, ein magnetisches Sektorfeld lenkt die Ionen entsprechend ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis auf unterschiedliche Flugbahnen.

5. Detektion & Analyse: Die getrennten Ionen treffen auf einen Detektor der ihre Intensität misst -> in Massenspektrum wird erstellt, das die Masse-zu-Ladung-Verteilung der Ionen zeigt.

• X-Achse: m/z (Masse-zu-Ladung-Verhältnis) – Gibt an, welche Masse die detektierten Ionen haben

  • links sind die leichtesten Isoptope und rechts die schwersten Isotpoe

• Y-Achse: Intensität (%) – Gibt an, wie häufig ein Ion mit einer bestimmten m/z detektiert wurde

• Der höchste Peak (Basispeak) ist der intensivste Peak und wird auf 100 % normiert

  
  

• Gasmesstechnik

• schnell, einfach und mobil

• nicht sehr genau

1. Chemische Reaktion: Das zu messende Gas reagiert im Röhrchen mit einer spezifischen Chemikalie und verursacht eine Farbänderung

   -> Cholrgas + ortho-Tolidin -> Braunes Reaktionsprodukt

2. Luftansaugung: Eine Handpumpe saugt eine definierte Luftmenge durch das Röhrchen

3. Konzentrationsbestimmung: Die Länge der Verfärbung im Röhrchen ist proportional zur Gaskonzentration und kann an einer Skala direkt abgelesen werden

• Die Querempfindlichkeit beschreibt die unerwünschte Reaktion eines Dräger-Röhrchens auf andere Gase oder Dämpfe, die ähnlich reagieren wie der eigentliche Zielstoff

• Dadurch können falsch-positive oder falsch-negative Ergebnisse entstehen

• Brom: gleiche Empfindlichkeit, jedoch blassere Farbe

• Chlordioxid: unterschiedliche Empfindlichkeit

• Stickstoffdioxid: blassere Farbe, geringere Empfindlichkeit

• eine analytische Methode zur Trennung komplexer Gemische

• eine Verteilungschromatographie, im der Regel zwischen Gas und Flüssigkeit

• anwendbar für gasförmige oder verdampfbare (thermostabile) Stoffe

• die “Säule” ist eine Quarzglaskapillare (bis zu 100 m lang) die mit einer zähen Flüssigkeit als stationärer Phase beschichtet ist

• Mobile Phase sind inerte Reinstgase (z.B. Stickstoff oder Argon)

• Nitroaromaten

• PAKs

• Organochlorverbindungen (z.B. Dioxin und PCB)

• bromierte Verbindungen

1. Trägergasquelle (Mobilphase): Gas (z. B. Helium, Stickstoff oder Wasserstoff) transportiert die Probe durch das System

2. Injektor (Probenaufgabe): Probe wird durch Erhitzen verdampft und mit dem Trägergas vermischt.

3. Säule (Trennsäule, stationäre Phase): Trennung der Analyten nach Siedepunkt und Wechselwirkung mit der stationären Phase.

4. Ofen (Temperaturregelung): Steuert die Temperatur für optimale Trennung.

5. Detektor (z. B. FID, TCD, MS): Erfasst und quantifiziert die getrennten Substanzen.

6. Datenauswertung (Chromatogramm): Messsignal wird als Peaks aufgezeichnet und analysiert.

• elegante Möglichkeit zur Abtrennung fester Bestandteile, Salzen, schwerflüchtiger Stoffe

• Analyse des abgenommenen Gases mittels Gaschromatographie

• Bei kleinen Konzentrationen ist der Partialdruck eines Stoffes proportional zur Konzentration des Stoffes in der Lösung:

  • Peakfläche proportional zur Konzentration

  • Quantifizierung durch Zugabe eines Standards

• kompliziert

• Ein temperaturgesteuertes Programm ist für die GC-Analyse von Kerosin unerlässlich, da es eine effiziente Trennung der verschiedenen Kohlenwasserstoffe ermöglicht

• Eine gut gewählte Temperaturrampe (hier 50°C -> 250°C) verbessert die Auflösung, verkürzt die Analysezeit und vermeidet überlagerte Peaks

• empfindlich für viele toxikologisch relevante organische Schadstoffe

• ermöglicht den empfindlichen Nachweis von Molekülen mit elektronegativen Gruppen (z.B. Organochlor-Verbindungen im ppt-Bereich)

• ein beta-Strahler im elektrischen Feld (meist Nickel) dienst als Elektronenemitter, der Nullstrom wird durch Elektroneneinfang des Analyten geschwächt und detektiert

• Die Kombination ist eine der leistungsfähigsten Analysemethoden für komplexe organische Mischungen, da sie hocheffiziente Trennung (GC) mit empfindlicher Identifikation (MS) verbindet

• Gaschromatographie (GC)

  • Trennt die Komponenten der Probe basierend auf Siedepunkt und Wechselwirkung mit der stationären Phase.

  • Die getrennten Substanzen verlassen die Säule nacheinander und werden in das Massenspektrometer geleitet

• Massenspektrometrie (MS):

  • Die Moleküle werden ionisiert, fragmentiert und nach Masse-zu-Ladung-Verhältnis analysiert.

  • Ein Massenspektrum dient als „Fingerabdruck“ zur Identifikation.

• Verteilungschromatographie

• analytisch und präparativ genutzt

• die am häufigsten angewandte analytische Methode

• Stofftrennung und Quantifizierung

• Empfindlichkeit

• eignet sich auch für nichtflüchtige und thermolabile Stoffe

• Analyse von Stoffen mit hohem Interesse für Industrie und viele Wissenschaftsbereiche

• meist Partikel aus Aluminiumoxid oder Kieselgel

• reverse Phasen bestehen aus an Siloxan gebundenen unpolaren Kohlenwasserstoffen

• z.B. durch Atomabsorptionsspektroskopie

• Probe muss durch Hitze atomisiert werden

• viele toxisch relevante Metalle sind so qualitativ und quantitativ bestimmtbar

• Nachweisgrenzen: bis zu 1 ppt (= ein Teil pro Billion)

• Gaschromatographie oder High Performance Liquid Chromatography

• GC für verdampfbare Proben, HPLC auch für kleine polare Substanzen geeignet

• deer Elektroneneinfang-Detektor der GC ist gut für Stoffe mit elektronegativen Gruppen geeignet (Organochlorverbindungen, Nitroverbindungen)

• oft gekoppelt mit HPLC oder GC

• mit einem induktiv erzeugtem Plasma können auch einige Nicht- bzw. Halbmetalle analysiert werden

• ist oft mit großen Fehlern behaftet

• diese Fehler werden oft unterschätzt

• die Teilnahme an einer Ringanalyse hilft Fehlerquellen zu finden

• z.B. Proteomics, Trennung von komplexen Proteinmischungen durch 2-dimensionale Gelelektrophorese -> anschließende Identifizierung der Proteine durch MS

• Identifizierung endokrin wirksamer Substanzen durch immunchemische Methoden (z.B. das Sichtbarmachen der Bindung eines Antikörpers an den Östrogenrezeptor)

• Reportergenassays für Dioxine und PCBs