1.2 Erklärung des Lambert-Beerschen Gesetzes
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1.1 Jablonsky-Termschema (Molekül, vielatomig) für UV/Vis-Absorption 1.2 Erklärung des Lambert-Beerschen Gesetzes A = log(I0/I) = a ∙ b ∙ c a…Absorptionskoeffizient b…Schichtdicke [cm] c…Konzentration der Analytlösung A=ε∙b∙c ε…molarer Absorptions/Extinktionskoeffizient Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes - eingestrahltes Licht ist streng monochromatisch Absorbierende Moleküle sind unabhängig voneinander und führen keine photochemischen Reaktionen durch Brechungsindex ist unabhängig von der Konzentration (nur für geringe c gültig) Verteilung der Analytmoleküle muss homogen sein Linearität der Absorption liegt zwischen 0,2 und 0,7 (optimaler Bereich, ansonsten außerhalb der Linearität) 1 1.3 1.3 Unterschiede in Absorptionsspektren von fest, flüssig, gasförmig Gasförmig Linienspektrum → scharfe Linien → nur geringe Wechselwirkungen zwischen den Analytmolekülen → kein Lösungsmittel, mit dem die Moleküle wechselwirken können Fest/flüssig In fester oder flüssiger Matrix hohe Wechselwirkungen des Analyten mit der Matrix (bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung → Effekte → Schwingungs- und Rotationsanregung) → Banden in Feststoffen breiter als in Flüssigkeiten Aufbau und Funktion UV/Vis-Spektrometer 2 1.1 Jablonski-Termschema (vielatomiges Molekül) für Fluoreszenz 1.2 Einflüsse auf Fluoreszenz (Parameter) - Intensität der anregenden Strahlung → Fluoreszenzintensität nimmt mit der Intensität der anregenden Strahlung zu Fluoreszenzausbeute Φ Anzahl emittierter Photonen Φ = —————————————— < 1 Anzahl absorbierter Photonen - Analytkonzentration Schichtdicke 3 - Analyt muss Gruppe enthalten, die fluoreszieren kann (Aromaten, Marker anhängen) F ≈ I0 ∙ Φ (ε ∙ c ∙ d) ∙ 2,303 → Im Vergleich zur Absorptionsmessung wesentlich größerer dynamischer Bereich → gilt mit steigender Konzentration immer weniger → Kurve oberhalb von 10-4 M nicht mehr linear. Ursache sind Auslöschungseffekte oder Selbstabsorption → Auslöschung: - Ursache in Kollision mit anderen Molekülen - Oder durch Anwesenheit von paramag. O2 (Inter System Crossing) - Selbstabsorption → Auftreten wenn Wellenlänge der Emissionsstrahlung gleich der Anregungsstrahlung ist. Anforderungen an ein Fluoreszenzspektrometer Lichtquelle über den gesamten Spektralbereich konstante Intensität Filter/Monochromator muss über den gesamten Wellenlängenbereich gleich effizient sein. Filter/Monochromator muss unabhängig von Lichtpolarisation sein. Detektor muss bei allen Wellenlängen dieselbe Response haben. Aufbau Filterfluorometer 4 Aufbau eines Spektralfluorometers 5 3.1 Beschreiben eines extrinsischen und intrinsischen Transducers - Extrinsische optische Sensoren Besteht aus zwei miteinander verbundenen Glasfaserleitungen, welche für den Transport der Anregungsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung verantwortlich sind Am Ende des LWL sitzt eine Membran, an welcher sich ein fluoreszierendes Molekül anlagern kann → Bindung an Membran → Anregung durch Strahlung → Emission → Rückführung der Fluoreszenzstrahlung über 2 LWL zu Detektor 6 Intrinsische optische Transducer - Totalreflexion im Inneren des Sensors → Aufbau eines evaneszenten Feldes (ca 100 – 300 nm tief) → evaneszentes Feld ist ein elektrisches Feld, welches bei gegebener Umgebung konstant ist → kommt ein Molekül an die Grenzfläche… zu Fluoreszenz → Feld ändert sich bzw. die Reflexion → Verschiebung der Wellenlänge → Messgrad → An der Oberfläche können bestimmte Moleküle angelagert werden → z.B. Antikörper-Antigen Reaktion an Oberfläche evaneszentes Feld ändert sich → Signal → Geringe Dicke von LWL – örtliche Auflösung möglich →Änderungsmessung auf kleinen Flächen Vorteile extrinsische Transducer - Einfacher Aufbau - Geeignet für in-vivo Anwendungen - chemisch inert - thermische Unempfindlichkeit Vorteile intrinsische Transducer - Grenzflächeneffekte bei dünnen Filmen beobachtbar - Parameter bestimmbar durch Struktur des LWL und dem Analyten an Grenzschicht - örtliche Auflösung möglich - bessere Strahlungsausbeute 3.2 Anführen von 3 wesentlichen Sensorschichten a) Polymerfilme: - Bilden wie bei chromatographischen Verfahren eine stationäre Phase → Einstellen eines Verteilungsgleichgewichtes zwischen diesem und dem Analyten - Locker-quervernetzte Polymere → quellen → Aufnahme von Analytmolekülen - Molecular Imprinted Polymers → beinhalten die zu detektierenden Moleküle während Polymerisation → Auslösen aus Polymer → man erhält eine bestimmte Polymerstruktur → bevorzugte Aufnahme dieses einen Moleküls 7 b) Halbleiterschichten: - Sind sehr inert und werden für die Beobachtung gasförmiger Analyten eingesetzt - Einsatz bei sehr hohen Temperaturen - Arbeiten extrem billig - Selektiv machen durch Dotierung möglich → fahren von Temperaturgradienten möglich - Vergiftungserscheinungen sind möglich → WW basieren auf Physisorption c) Biochemische Systeme (Sensorschichten) - Reagieren relativ selektiv auf Analytmoleküle → müssen meist regeneriert werden → nicht übermäßig stabil - Supramolekulare Rezeptoren: durch gezielte Synthese 3D-Struktur erzeugen → treten mit bestimmten Analytmolekülen in WW → wie bei MIP biochemische WW → Reaktionen sehr selektiv wie bei Antikörper-Antigen Reaktion → Biomoleküle WW mit Biomolekülen d) Biologische Systeme: - Reagieren relativ selektiv auf Analytmoleküle - Müssen meist regeneriert werden - Sind nicht übermäßig stabil 4.1 Schematische Geräteaufbau AAS und FES AAS: Monochromator Strahlungsquelle Detektor Atomisierungseinrichtung/Probenzufuhr AES: Monochromator Detektor Probenzufuhr/ Anregungsquelle 4.2 Probeneinfuhrysteme Flüssige Proben: F-AAS und AES - Einbringung kontinuierlich und im patch-Verfahren möglich 8 - Probe wird durch einen Zerstäuber in ein Aerosol übergeführt und mittels eines Gasstroms in die Atomisierungseinrichtung eingebracht. (für AAS – Flamme, AES) (Probe muss gelöst sein) Graphitrohrtechnik (elektrothermische Verdampfung) - Flüssige Probe wird in ein Graphitrohr eingebracht - Mit Hilfe von Strom wird das Graphitrohr aufgeheizt (sehr gut reproduzierbar → Temperaturprogramm möglich) und die flüssige Probe verdampft → Konzentration im Strahlengang zeitabhängig → max Konzentration bei Auswertung → gleiche Technik auch mit Tantalschiffchen (wenn Analyt Carbide bilden könnte) → Probe durch Gasstrom in Strahlengang AES- Plasma → Anregung ICP → Probeneinbringung als Slurry und als Lösung (Aerosol) möglich Einbringung von festen Proben Direkte oder indirekte Probeneinbringung möglich a) Direkt: Slurry-Technik → feine Aufschlämmung der Probe in einer Flüssigkeit (meist H2O) → Zerstäuben der Suspension → über Gasstrom in Atomisierungseinrichtung b) indirekte Probenaufgabe (Elektro/Lasererosion) Elektroerosion: Abtragen der Probe durch einen elektrischen Entladungsvorgang. Probe wird in einem Gleichspannungskreis geschichtet → bei einem bestimmten, von der Spannung abhängigen Abstand zwischen Probe und Werkzeug (Gegenelektrode) → Lichtbogen → Ablösen von Probenbestandteilen an der Oberfläche → findet in Flüsssigkeit statt) → Detektion → Probenboot- Technik Lasererosion: Abdampfen der Oberfläche mit einem Laser → sehr punktuell → Gasstrom → Transport in Strahlengang Für AES: Technik…? Einbringung und Anregung (feste Proben) Funken und Bogenanregung: - Umsetzung der Atomisierung und Anregung (gleichzeitig) stationäre Gasentladungen (Funken) in einem Gleichstrom oder Wechselstrombogen - Entladung an Elektroden aus der festen Probe (Stahlscheibe, Pulver) Und einer Bogenelektrode (Nagel, C-Stab) - Analyse → (Metall, Legierungen) → Probe … Oberfläche → nicht leitende → Pulver mit C vermischen und in spezielle Kohle… einbringen → Anregung→ Detektion Auch Flüssigkeiten analysieren (?) Bogenanregung → stationäre Gasentladung an Elektroden; 70 – 80 V, 1 – 35 A → Stromtransport über Ionen und Elektronen des sich ausbildenden Plasmas → Gleichstrombogen 4000 – 6000 K → hauptsächlich Atomlinien → Analyse von Metallen und Pulvern → eignet sich für qualitative Analyse (Übersicht über ungefähre Zusammensetzung) 9 Funkenanregung Instationäre Bogenentladung → durch Kondensationsentladung bei kurzzeitiger Überbrückung der Funkenstrecke hervorgerufen → Funkenfrequenz: 120 – 1800/s, Temperatur: 10000 – 20000 K oder höher → hohe Temperatur → überwiegend Ionenlinien der Elemente → besser reproduzierbar als bei Bogenanregung → quantitative Analyse → Funken und Bogenanregung → Probeneintrag besser → Atomisierung und Anregung in einem Schritt HKL/EDL Funktionsprinzip Hohlkathodenlampe (HKL) Monochromatische Strahlungsquelle Besteht aus einem Glaskolben, der mit einem Edelgas gefüllt ist (Argon, Neon) unter geringem Druck → in Glaskolben → ringförmige Anode mit dazu symmetrische …förmige Kathode (Hohlkathode) → Kathode besteht aus dem Element, welches analysiert werden soll, bzw. ist damit beschichtet → Anlegen einer Elektrodenspannung von 400 – 600 V → Glimmentladung → bei Anode → Bildung von Edelgasionen → Edelgasionen werden zu Kathode hin beschleunigt → Aufprall → freisetzen von Metallatomen → Anregung durch anschließende Stoßprozesse → Rückkehr in den Grundzustand → Emission des spezifischen Linienspektrums → Austritt durch ein Quarzfenster an der Front Elektrodenlose Entladdungslampe (EDL) → Sind Linienstrahlen → besteht aus einer kleinen Quarzkapsel, in die sich wenige Milligramm des zu bestimmenden Elements in eine Edelgasatmosphäre von wenigen Pascal Druck befinden → Element liegt rein, als Halogenid oder als eine Mischung an Metall und Iod [?] vor → Kapsel von Hochfrequenzspule umgeben 10 → Zündung mit Hilfe eines Teslafunken → Ausbildung eines intensiven Edelgasplasmas (im Inneren der Kapsel) im Hochfrequenzfeld → geladene schwingende Teilchen heizen das … der Kapsel auf → Substanzen in der Kapsel verdampfen → gasförmige Atome werden durch Zusammenstöße mit e- und Edelgasionen angeregt → bei Relaxation Aussendung … Strahlung → deutlich intensivere Strahlung als HKL → Verbesserung von Signal/Rausch Verhältnis → bessere Nachweisgrenze 5.1 Prinzip RFA (Röntgenfluoreszenzanalyse und TRFA (Totalreflexions Röntgenfluoreszenzanalyse RFA Grundlage ist die Fluoreszenz von Proben → Anregung von Atomen → Rückgang in den Grundzustand → Emission von Strahlung → Anregung der Probe erfolgt durch polychromatische Röntgenstrahlung (Gammastrahlung, Ionenstrahlung), kernnahe e- werden ausgelöst und auf ein höheres Niveau angehoben → höher energetische e- können dann in diese Löcher zurückfallen → Emission von elementspezifischen Fluoreszenzstrahlen → es wird eine Energiedifferenz gemessen. Anregungsmechanismen: 11 Bezeichnung Energieniveaus: K und L stehe für Aufreffen von Röntgenstrahlung auf Atom → herausschlagen eines Elektrons aus einer kernnahen Schale → emittierendes e- hat eine bestimmte kinetische Energie → abhängig von Anregungsenergie hν und Bindungsenergien Ekin = hν - EB e--Konfiguration des Atoms ist instabil → Bestreben e--Vakanz wieder herzustellen → Elektron aus hoher Schale kann die Vakanz unter der Abgabe von Röntgenstrahlung besetzen → wenn Anregung und Emission im Röntgenbereich liegen Röntgenfluoreszenz → Atome mit e- anregen → Röntgenemission → Strahlungsloser Übergang ebenso möglich → Energie die beim Nachspringen frei wird → nutzen um e- aus höheren Schale auszulösen → Auger-Effekt → läuft immer parallel zu Röntgenemission ab. → gemessen wird in der RFA die Röntgenemission, die durch die Anregung entsteht (genau die Energiedifferenz, die beim Umspringen frei wird) → Für Messung Kα1-Linie → am Intensivsten → Man erhält ein Spektrum für Elemente Prinzip TRFA Anregungsprinzip gleich wie bei RFA Unterschied: Bei der TRFA wird der e- Strahl so flach auf die Probe eingestrahlt, dass diese vollständig reflektiert wird (Einstrahlwinkel → ) → dadurch werden nur Atome in den obersten Schichten der Probe angeregt → durch die parallel Anordnung von Detektoren zu Probe empfängt dieser kaum Streueffekte (Strahlung) oder vom Hauptelektronenstrahl → Matrixeffekte und Strahlungseffekte, die aus der Anregung von Atomen in tieferen Schichten ausgelöst werden, entfallen 12 Nachweißgrenze liegt im ppb Bereich; keine störenden Matrixeffekte 5.2 Vorteile und Nachteile RFA a) Empfindlichkeit WD RFA μg/g (1 ppm) Empfindlichkeit ED RFA 100 ng/g (0.1 ppm) Richtigkeit 1 % (rel.) Multielementanalytik geringe Eindringtiefe Aufwändige Probenpräparation → planer Film nötig (?) b) Vorteile und Nachteile TRFA a) Empfindlicher als RFA < 0.1 ng/g (< 0.1 ppb) Größerer linearer Bereich als RFA Matrixeffekte reduziert gegenüber RFA b) geringe Eindringtiefe (Oberflächenanalytik) aufwändige Probenvorbereitung notwendig → dünne Filme nötig 5.3 Unterschied WD-RFA/ED-RFA WD-RFA: Fluoreszenzstrahlung wird durcheinen … parallel ausgerichtet und durch einen… gebeugt → Detektion durch geeigneten Detektor v Auftrennung der Fluoreszenzstrahlung nach Wellenlänge am Analys… → qualitative und quantitative Analyse ED-RFA: Emittierte Fluoreszenzstrahlung wird mit Hilfe eines Hochleistungsdetektors nach ihrer Energie aufgetragen (Energiedispersive Detektion) 6.1 Fluoreszenz Dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb von 10-10 – 10-3 s die absorbierte Energie in Form von gleicher, kürzerer oder längerer Wellenlänge abgegeben wird Grundlage für die Fluoreszenz ist die Absorption von Photonen (Anregung) → Strahlung entsteht, wenn Moleküle aus dem angeregtem Singulettzustand, S1 (Schwingungsniveaus 0, 1, 2 usw.) über Schwingungsrelaxation in den untersten angeregten Singulettzustand S1 (r = 0) gelangen → noch Aussendung von Strahlung → Erreichen von Grundzustand S0 → Fluoreszenzstrahlung gegenüber Absorptionsstrahlung in roten Wellenlängenbereich verschoben 13 Phosphoreszenz Besondere Form der Lumineszenz → unterscheidet sich vom Phänomen der Fluoreszenz darin, dass die Fluoreszenz mit dem Ende der Bestrahlung ebenfalls endet. → Phosphoreszenz kann von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern → e- vollziehen Quantensprung in ein höheres Energieniveau → Molekül geht vom Gundzustand in einen angeregten Zustand über unter … der Spinmultiplizität → gewöhnlich kann e- bei Rückkehr in den Grundzustand Energie abgeben → durch Kollision von angeregten Molekülen mit anderen Teilchen → Teilenergieübertragung → Energie wird normal über Wellen abgegeben → Schwingungsrelaxation → Teilchen können ihre gewonnene Energie nicht vollständig abgeben (als Strahlung) → bei Phosphoreszenz → läuft Prozess nicht ganz so ab (zu schnelle Strahlungsabgabe → Fluoreszenz) → übliche Verweildauer von etwa 10-5 s → weiterer Quantensprung der e- in metastabiles Energieniveau → Spin der Elektronen ändert sich → Molekül wechselt vom Singulett in den Triplettzustand → Interkombination → wesentlich längere Verweilzeit in diesem Zustand Singulett: ↑↓ Triplett: ↑ ↑ → in diesem Triplettzustand ebenfalls Schwingungsrelaxation → Molekül in Energiezustand „…“→ kurze Energieabgabe an Umgebung möglich → triplett kann eigentlich nicht in Singulett übergebracht werden → weil keine Spinumkehr möglich → stattfinden eines „verbotenen“ Interkombinationsprozesses → nie bei Singulett in Triplett → schwache Strahlung wird freigesetzt → langsame energieabgabe → Nachleuchten → Phosphoreszenz → Temperaturabhängig → Beschleunigung von Energieverlust über Schwingungsrelaxation und durch Interkombination (bei Wärmezufuhr) Chemilumineszenz Bezeichnung für die mit chemischen Reaktionen verbundene Lumineszenz → Aussendung von sichtbarem oder UV-Licht gegebenfertig auch IR-Licht unterhalb der Glühtemperatur → bei Chemilumineszenz Energie in elektron. Oder (seltener) in Schwingungsenergie umgewandelt → Energiefreisetzung muss auf einmal und nicht in zahlreichen Stufen erfolgen → Übergang von e- von angeregtem in Grundzustand → Anregung erfolgt durch chemische Reaktion Biolumineszenz Aussendung von Lichtquanten → kaltes Leuchten → Anregung durch eine enzymatische Reaktion (Oxidation) 6.2 – 6.3 → siehe Antworten 2 -3 14 7.1 Prinzip der UV/Vis Absorption UV-Jablonski Termschema siehe Antwort 1 Absorption → Rückkehr von angeregtem Zustand in Grundzustand → Emission, Schwingungsrelaxation, Wärme → Energieabbau → Emission ist Diffus und gegenüber dem eingestrahltem Licht vernachlässigbar (Hintergrundkompensation) (Referenz) 7.2 Transmission Transmission ist das Verhältnis zwischen eingestrahlter Lichtintensität und Ausgangsintensität 8.1 - - Rayleigh-Streuung Bezeichnet sie Streuung elektromagnetischer Wellen an kugelförmigen Teilchen, die im Vergleich zur Wellenlänge λ der gestreuten Wellen einen kleineren Durchmesser besitzen Bedingung für Rayleigh-Streuung ist z.B. bei der Streuung von Licht an Gasen erfüllt → blaues Licht hat eine höhere Frequenz als rotes Licht → stärkere Streuung → blaue farbe des Himmels Bei dieser Streuung wird die Wellenlänge λ nicht verändert → das gestreute Licht ist je nach Streuungswinkel gegebenenfalls polarisiert 15 8.2 Raman-Streuung - - - - Bezeichnet den inelastischen Streuvorgang (Stoßvorgang/Anregung) von Licht an einem Molekül → emittiertes Streulicht ist spezifisch → besitzt höhere oder niedrigere Frequenz als das einfallende Licht (Anregung mit monochromatischer Strahlung) → Wellenlängenbereich dort, wo keine Absorption stattfindet → Anteil Wellenlänge verschobenes Licht Wechselwirkung zwischen Molekül/Kristall mit Photon → … Energieübertragung zwischen Photon und Materie (…) Rotations- od. Schwingungsenergie des Moleküls ändert sich Molekül nach Streuvorgang auf höherem Energieniveau als zuvor → Energie und Frequenz von emittiertem Photon geringer als von angeregtem Photon → StokesRaman-Streuung Streuendes Molekül nach Anregung auf einem niedrigeren Energieniveau als zuvor → gestreutes Photon hat eine höhere Energie und höhere Frequenz als angeregtes Photon → Anti-Stokes-Raman-Streuung Energiedifferenz zwischen eingestrahltem und gestreutem Photon → RamanFrequenzverschiebung → … Für streuendes Molekül Raman-Spektroskopie - Man versteht darunter die spektroskopische Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern Sie dient zur Untersuchung von Moleküleigenschaften Aufnahme Ramanspektrum → Strukturaufklärung Identifizierung von Molekülen (Spektrum spezifisch) (Nephelometrie) Rayleigh-Spektroskopie - Messung der Staubbelastung Analysen → Koloidchemie, koloidale Lösungen Raman: Mechanismus: Reflexion an der Partikeloberfläche Streuobjekte: feste und flüssige Partikel Streuintensität: proportional zur Teilchendichte Anwendung: Nephelometrie 16 Rayleigh: Mechanismus: Anregungsstrahlung induziert in der Probe Dipol → Eigenstrahlung Streuobjekte: Atome, Moleküle und Cluster Streuintensität: proportional ν4, Frequenzen ident 1 λ4 9.1 Vier integrierte Komponenten eines Sensors Transducer, Sensorschicht, Elektronik/Verstärker, Datenverarbeitung/Computer 9.2 Beschreibung Detail extrinsischer/intrinsischer Transducer siehe Antwort 3.1 9.3 Parameter, welche die Leistungsfähigkeit einer Sensorschicht beschreiben Selektivität Fähigkeit bestimmter Sensorschichten, eine bestimmte Substanz aus einer Anzahl gebotener Möglichkeiten für eine Reaktion eine bevorzugte Substanz auszuwählen Spezifität Empfindlichkeit einer Sensorschicht → Stärke der Änderung der Antwort (Messignal) geteilt durch die Änderung der auslösenden Größe (Analytkonzentration, …) → Empfindlichkeit entspricht der Steigung der Konzentrationskurve Reversibilität Umkehrbarkeit der Reaktion zwischen Sensorschicht und Analyt → Voraussetzung für eine kontinuierliche Messung Stabilität Beinhaltet Lagerstabilität und Stabilität unter physikalischen Einflüssen wie Licht, Temperatur, Mechanische Abnutzung der Sensorschicht Polymere Supramoleküle MIP biologische Rezeptorschicht Selektivität Sensitivität Reversibilität Stabilität 17 10.1 Welche Wechselwirkungen gibt es zur elektromagnetsichen Strahlung und Materie Absorption, Emission, Interferenz, Beugung, Brechung, Streuung, Drehung von linear polarisiertem Licht 10.2 Erklären der unterschiedlichen Absorptionsspektren eines Analysten In fester, flüssiger, gasförmiger Phase → siehe Antwort 1.3 10.3 Erklärung von Prinzip Chemi- und Biolumineszenz Siehe Antwort 6.1 11.1 Erklären von Aufbauunterschied AAS/AES Skizze siehe 4.1 Unterschied zwischen AAS und AES → AES besitzt keine Strahlungsquelle → nicht die Abschwächung einer eingestrahlten Wellenlänge wird gemessen wie bei AAS, sondern die Intensität der ausgesendeten Strahlung AAS: Strahlungsquelle HKL/EDL Atomisierungseinrichtung Monochromator Detektor AES: --------------Atomisierungseinrichtung Monochromator Detektor 11.2 Methoden zur Generierung von Atomen und Ionen im Atomspektrometer Flamme: → Atomisierung durch eine Brennerflamme → Analyt in Lösung → wird zerstäubt → Flamme → Atomisierung und Anregung → Detektion (AAS/Absorption/AES Emission) 18 → Flamme Analyten/N2O Analyten/Luft hohe Temperatur Plasmaanregung bei ICP: Durch Hochfrequenzteil ionsiertes Gas als Atomisierungs- und Anregungseinrichtung für die Probe → Ar Gasstrom → in System von 3 konzentrisch angebrachten Quarzrohren durch das Zentrum einer HF-Spule geleitet → Spule → Teil eines Schwingkreises der von HFGenerator angeregt wird → in Gas mittels Tesla… → Ladungsträger erzeugt → Plasma zündet → Atome durch … → Plasma → Form einer Fackel im Kern 6000 – 8000 K → über zentrale Quarzrohr kann Probenaerosol zugeführt werden → Probe atomisiert, ionisier → Emissionsanregung Graphitrohr Probe wird in ein Graphitrohr eingebracht → Graphitrohr kann mit Strom unter Schutzgas kontrolliert aufgeheizt werden → Atomisierung von Probe → Atome in Strahlengang (Schutzgas nötig!) Gleiche Technik auch mit Tantalschiffchen für Elemente, Carbide bilden → Temperaturprogramme möglich (…) Kaltdampftechnik (Kalte Hg-Verdampfung) → nützt die Tatsache, nützt die Tatsache, dass Hg schon bei Raumtemperatur Atomar vorkommt und einen erdüblichen Dampfdruck hat → keine Atomisierung nötig → Hg-Salz mit Natriumborhydrid und ZnCl2-Lsg umsetzten → Hg2 → mit Inertgas aus Lösung austreiben in Quarzküvette überführen (100°C) um Reflexionen durch Hg-Tropfen zu vermeiden → Strahlungsquelle: Hg-Dampf-Lampe Hydridtechnik → Probenmatrix lässt sich weitgehend abtrennen → Anreicherung des Analyten durchführbar → es wird die Tatsache genutzt, dass Sb, As, Bi, Se, Te, Ge, Sn, Pb und P mit naszierendem H2 leicht flüchtige Verbindungen bilden (…Hydride) → zerfallen bei 850 – 1000°C in Atome →Analytlösung + Natriumborhydrid + HCl saure Lösung → Zersetzung nasziernder H2 → Reaktion mit Element → Hydride mit Gasstrom austreiben in beheizte Küvette → Messung (Absorption HKL/EDL) 12.1 Erläutern der integrierten Komponenten eines Sensors Sensorschicht: - chemisch sensitive Schicht, welche die Auswahl eines Analyten (Paramteres) sicher stellen soll - kann mehr oder weniger selektiv sein Polymerfilme, supramoleküle, MIP, biologische Sensorschichten, Halbleiterstrukturen Transducer: - wandelt die chemische Information aus der Wechselwirkung mit der Sensorschicht in ein elektrisches oder optisches Signal um Verstärker - Verstärkt das elektrische Signal für Auswertung und Empfindlichkeit Auswerteeinheit/Computer 19 - Gibt die Ergebnisse der Messungen aus → Bewertung, z.B. ob ein Grenzwert überschritten wurde oder nicht 12.2 Erklärung 6 unterschiedliche Transducerprinzipien Optische Transducer Elekrochemische Transducer Massensensitive Transducer Kalorimetrische Transducer Potentiometrische Transducer Optische Transducer: Arbeiten nach folgenden Prinzipien: Absorption, Emission, Transmission, Streuung, Brechung, Polarisation → miniaturisierbar → einsetzbar in Telemetrie → in explosionsgeschützten Räumen → wenig störanfällig gegenüber elektromagnetischen Feldern → es soll ein optisches Signal in Abhängigkeit der Analytkonzentration erzeugt werden → optische Sensoren 1. Generation → 3. Generation extrinsische und intrinsische Transducer (siehe Antwort 3) Elektrochemische Transducer: Erkennen teilchenspezifische Änderungen von Strömen, frequenzabhängigen Leitfähigkeiten, Grenzflächenpotentialen, Spannungen, Gleichstromwiderstände oder Kapazitäten → Prinzipien basieren alle auf der Änderung der jeweiligen Messgröße bei Ankunft eines Analyten Massensensitive Transducer: - Schwingquarz: Ein in Resonanz schwingender Kristall reagiert sehr empfindlich auf die Beladung mit Molekülen → Schwingungsfrequenz ändert sich → Signal - Cantilever: Resonanzfrequenz eines wenige mm langen frei schwingenden Hebels ändert sich bei der Massenbeladung Für Gase die Methode der Wahl Kalorimetrische Transducer: Reaktionswärmen führen zu einer Temperaturerhöhung → bei kleinen, auch zum Teil mikrostrukturierten Thermoelementanordnungen → Temperaturänderung kann gemessen werden → Kalorimetrische Sensoren → Nachweis enzymatisch gesteuerter Reaktionen 20 12.3 Welche Charakteristika beschreiben die Leistungsfähigkeit von Sensorschichten 1) Selektivität Fähigkeit der Sensorschicht, aus unterschiedlichen Molekülen eines auszuwählen 2) Spezivität ausschließlich Auswahl einer Reaktion 3) Sensibilität (Empfindlichkeit) wie stark ändert sich die Steigung der Kalibrationskurve mit der Änderung der Messgröße 4) Reversibilität Umkehrbarkeit einer Reaktion auf einer Sensorschicht → für kontinuierliche Messung Voraussetzung 5) Stabilität wie gut widersteht die Sensorschicht physikalischen/mechanischen Einflüssen (z.B. Temperatur, Druck, Licht) Polymere Halbeiter Supramoleküle MIP biologische Rezeptoren Selektivität/Sensibilität Reversibilität/Stabilität 13.1 Apparativer Grundaufbau von Spektrometer für Messung eines wellenlängenbereichs Strahlungsquelle Monochromator Strahlungsquelle Probe Probe Monochromator Detektor Detektor 13.2 Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie Emission, Absorption, Interferenz, Beugung, Brechung, Streuung, Drehung von linear polarisiertem Licht 21 14.1 Erklärung von unterschiedlichen Absorptionsspektren in fester, flüssiger und gasförmiger Phase Siehe Antwort 1.3 14.2 Was ist der Unterschied zwischen Absorptions- und Emissionsspektroskopie Absorption die Absorption einer Probe wird gemessen → genau das Verhältnis der eingestrahlten Lichtintensität zu ausgestrahlten Intensität wird gemessen - benötigt eine Strahlungsquelle (HKL/EDL) - … Einstrahlung mit Linienstrahlen dann Monochromator nach Probe - Einstrahlung mit polychromatischen Strahlen → Monochromator vor Probe (UV/Vis) AAS Multielementlampe - Emission Keine Strahlungsquelle → keine Intensitätsschwächung Intensität des ausgesendeten Lichtes wird gemessen Monochromator zwischen Probe und Detektor 15.1 Wo wird das Phänomen der Brechung in der analytischen chemie verwendet - Refraktometrie → Brechungsindexmessung → Brechungsindex n → Maß für die Wechselwirkung der Strahlung mit dem Medium → gibt das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Geschwindigkeit im Medium wieder (Licht…) Geschwindigkeit Licht im Vakuum = c Geschwindigkeit Lícht im Medium = V → Brechungsindex (absolute Brechzahl) n = c/V abhängig von Frequenz und Wellenlänge der Lichtquelle → Frequenz als Dispersion bezeichnet n (relative Brechzahl) = VLicht/VMedium → Veränderung des Brechungsindex beim Durchgang vom optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium → … Grad der Brechung Snellius’sche Brechungsgesetz n = n2/n1 = sinα/sinβ n2 = optisch dichteres Medium n1 = optisch dünneres Medium (Luft = 1) 22 15.2 Ramanstreuung Siehe Antwort 8.2 16.1 Beschreiben der elektrothermischen Atomisierung im Graphitrohr - - - Geringe Menge an Probe in elektrisch beheizbares Graphitrohr (Ofen) eingebracht (Probelösung) (minimale Feststoffmengen auch möglich) Ofen mittels Strom reproduzierbar aufgeheizt → Schutzgas nötig → Atome in Strahlengang weisen ein kenz. Max auf Heute Mammann Ofen (???) 3 – 5 cm langes Graphitrohr → wird von 2 gekühlten Graphitkontakten gehalten → über Kontakte Stromzufuhr Spannung einige V und 400 A → Widerstandsheizung → Temperaturen bis 3000 °C (Widerstand = Graphitrohr) Ar-Schutzgasatmosphäre nötig → verhindert Verbrennen von Graphit Strahlungsquelle → HKL/EDL → Strahlung gelangt durch Quarzfenster in Graphitrohr Probelösung Aufgabe → manuell oder automatisch durch kleine Öffnung im Graphitrohr oder über ein Graphitschiffchen (Tantalschiffchen wenn Carbide entstehen können) Ablauf eines Temperaturprogramms → 4 Phasen: 1. Trocknen 2. Entfernen von leichtflüchtigen Begleitsubstanzen 3. Verkohlung: Analyte und Matrixteile zu Oxiden, (Konvertierung von Sulfat, Nitrat, Chlorid in Gasform) 4. Atomisierung und Messung → anschließend Anheizphase → entfernen von schwer flüchtigen Begleistoffen → wesentlich höhere Verweildauer der Atome im Messraum als bei Flammen-AAS (100 – 1000 mal) → mehr Atome für Messung → Spurenanalyse → niedrige Nachweisgrenze 23 16.2 Funktionsweise und Aufbau eines Hydridgenerators Batch-Verfahren: In geschlossenem Gefäß wird gearbeitet →in Gefäß salzsaure Analytlösung mit NaBH4-Lsg unter Rühren versetzt → gebildete Hydride werden mit Gasstrom ausgetrieben → in beheizte Quarzküvette geleitet und analysiert 17 Probeneinfuhrsystem in AES fest, flüssig, gasförmig Bei AES Zufuhr hauptsächlich flüssige Probelösungen. Zerstäuben der Probe durch entsprechende Vorrichtungen → pneumatischer Zerstäuber, Ultraschallzerstäuber Feststoffzufuhr - Direkter Eintrag durch Slurry-Technik und Pulver - Indirekter Eintrag durch Elektro-/Lasererosion - Elektrothermale Verdampfung/Probenboottechnik Genaues siehe 4.1 24 18.1 Beschreiben von 3 Quantifizierungsmethoden für Proteine mittels UV/Vis- Photometrie Biuret-Assay Bicinchoninsäure-Assay Bradford-Assay Biuret-Assay - Kalorimetrische Methode zur quantitativen Bestimmung von Peptide und Proteinen auf Grundlage der Komplexbildung von Cu-Ionen durch die Peptid-Bindungen - Gleiche Reaktion mit Thyrosin-Resten von Proteinen in alle Lösung → Biuret und dieses aus 2 Molekülen Harnstoff bei vorsichtigem Erhitzen gebildet wird Bichininsäure-Assay - 2-wertige Cu-Ionen reagieren quantitativ mit Proteinen zu einwertigem Cu → ergeben einen violette Farbstoff → photometrische Auswertung 25 Bradford-Assay Besteht auf der Absorptionsmaximumsverschiebung von Coomassie-Brilliant-Blau in saurer Lösung von 465 – 595 nm nach Stabilisierung des unprotonierten Farbstoff-Anions infolge hydrophobe Wechselwirkungen mit dem Protein Farbstoff reagiert bevorzugt mit basischen und aromatischen Aminosäure-Resten 18.2 Welche parameter beeinflussen die Gültigkeit des LambertBeer’schen Gesetz Monochromatische Strahlung (vor oder nach Probe) Absorbierende Moleküle müssen voneinander unabhängig sein Keine photochemische Reaktionen (keine Assoziation, Dissoziation, …) Brechungsindex unabhängig von Konzentration → nur in verdünnten Lösungen gegeben Analytverteilung muss homogen sein Absorption zwischen 0,2 und 0,7 außerhalb → Ende linearer Bereich Fluoreszenzeffekte, Streuung, Brechung Extinktion…Eλ Absorbanz des Materials für Licht … = ελ ∙ c ∙ d I…ausgetretene Strahlung I0…eingestrahltes Licht [Maß für die Abschwächung einer Strahlung] Wechselwirkungen von Molekülen untereinander konz. zu hoch → Konz < 0,01 mol Keine Reaktion von Analyt mit Lösungsmittel Keine monochromatische Strahlung → Abweichung von Linearität wenn an eine Messstelle keine einheitlicher Extinktionskoeffizient vorliegt … → zusätzlich vom Absolutwert der Intensität abhängigi 19.1 Was versteht man unter intrinsische und extrinsischer Fluoreszenz Intrinsische Fluoreszenz → Eigenschaft, die ein Stoff selbst hat, z.B. Stoffe mit Aromaten oder aromatischen Teilen Extrinsische Fluoreszenz → Analyt hat keine Fluoreszenzeigenschaft → muss Fluoreszierend gemacht werden → durch Anhängen eines Markers 26 19.2 Welche Parameter beeinflussen die Fluoreszenz Analytkonzentration, pH-Wert, 3D-Strukturen von Molekülen, Lösemittel, Matrix, Temperatur, Einstrahlungsintensität von angeregtem „Lichtstrahl“ 20 Begriffserklärung Siehe Antwort 9.3 Selektiv, spezifisch, Sensivität, Reversibilität, Stabilität, Empfindlichkeit 27
