Analytische Chemie

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Okt. 03, 2007 Zhang, Xiangyang 1

Analytische Chemie

für Biologie, Pharmazie, Bewegungs- wissenschaften und Sport

http://www.analytik.ethz.ch/vorlesungen/biopharm.html Spektroskopische

Methoden freitags, 8:45 Martin Badertscher HCI G339 / Tel 22904

Chromatographische Trennverfahren mittwochs, 12:45 Xiangyang Zhang HCI G213 / Tel 22901

529-1041-00 G HS2007

Probenaufbereitung

Modern Instrumentelle Analytik

Frage- stellung

Probe- nahme

Probe- Vorbe- reitung

Aus-

wertung Statistik Report

Bewertung Messung

Analysen- technik Analysenmethode Analysenverfahren

Chromatographische Trennverfahren

Spektroskopische Methoden

Analytischer Prozess

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Gasförmige Proben

NO

_x

, SO

_x

CH

₄

CO

₂

/CH

₄

O

₃

Aerosol

Flüssige und feste Abfallstoffe

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Proben aus unserem Körper

Lebensmittel, Wasser und Medikament

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Proben aus Reaktionen

Industrielles Produkt

Produkt im Labor

Probenarten

Feststoff

Aerosol Emulsion

Flüssigkeitstropfen feste Teilchen Gas

Flüssigkeit

Homo- und Heterogenes Stoffgemisch

(2 unmischbar Flüssigkeiten)

Suspension

(unlöslich Feststoff)

?

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1. Probenaufbereitung

“Original” zu behalten

“Kontaminieren” zu vermeiden

“In Lösung” zu bringen

“Störende” abzutrennen

“geeignete Konzentration” zu halten

Probenaufbereitung

Pro-Trennung/Reinigung

• Wieso notwendig ?

– Keine Trenn- / Analysenmethoden komplett selektiv – Störende (unlösliche Feststoff / Polymer, Teer, Farbestoff)

vorzeitig abtrennen

– Zu verdünnte Proben aufkonzentrieren

– Effizienzerhöhung durch einfache Vortrennung

• Ziel der Probenaufbereitung (leichter, schneller)

– In Lösung (am besten) – Frei von störenden

– Geeignete Konzentration für weitere Trennungen und Analysen

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Wie ?

Anreicherung von gas-förmigen Proben

Extrahieren aus flüssigen Proben (LLE, SPE, SPME)

Extrahieren aus festen Proben (Batch, Soxhlet, Ultrashall, MAE, SFE)

Aufkonzentrieren der zu verdünnte Proben / Extrakte (Rotavap, Verdampfen in N

₂

Strom, Trap)

Aufreinigung (Säulenchromatographie, usw)

• Mehrstufen => Einzelstufe

• Unnötige Probentransfer zu vermeiden

• Probenmenge zu verringen

• Neue Technik zu verwenden

Wichtig:

Flüssig-Flüssig (L-L) Extraktion

organische Phase

wässrige Phase

Org. LM (1/5 – 1/3) von

wässerigen Lösung

V₁

V₂

C

₀

Nicht-mischbar aber reines Lösungsmittel (Aq/Org)

Max. zu 2/3 gefüllt

Aussalzeffekt (NaCl)

Base / Säure – pH einzustellen

Achtungen beim Praktikum:

Gefahr betrachten (Explosiv oder Implosiv)

Ober-Oben // Unter-Unten

Mehrmals + wenig Volumen

=> hohe Extraktionseffizienz

Scheidetrichter

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Prinzip der L-L Extraktion

K = [ ] A

_org

[ ] A

aq

[A]

_org

[A]

_aq

Nernst’schen Verteilungssatz

E1= KV₁ KV₁+V₂ E₂= KV₁

KV₁+V₂(1E₁) E₃= KV1

KV₁+V₂(1E₁E₂) E: Extraktionseffizient (%) in organischer Phase

E

_org

= E

₁

(3 3E

₁

+ E

₁²

)

K = 50, V

₁

= 30ml, V

₂

100ml 3 X 30 ml: E

₁

= 93.75% E = 99.98%

1 X 90 ml: E

₁

= 97.83%

V

₂

V

₁

Mehrmals + wenig Volumen besser als Grosse Volumen auf einmal

Verteilungskoeffizient des Analyts A zwischen organische und wässrige Phasen

E

wässrigephase

= V

2

K V

₁

+ V

₂

n

1.

2.

3.

In total:

Nach n-mal Extraktionen, wieviel Analyt (in %) noch in wässriger Phase bleiben:

oder

E

_org

= 1 E

wässrigephase

Ein Beispiel

Festphasenextraktion (SPE)

Fritte Absorbens Fritte

Adsorben

: Kieselgel, Alumniumoxid, modifizierte Kieselgele, Ionenaustauscher, Polymere

Konditionieren Anreicherung Elution

Polydimethylsiloxan Polyacrylat Polydimethylsiloxan/

Divinylbenzen

Vorrichtung zur SPME Eine Alternative zur

Festphasen-Kartuschen –

“Festphasen-Membranen”

Festphasen-Kartusche

www.vertichrom.com

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Vergleich der Extraktionsverfahren

Flüssig-Flüssig-Extraktion:

Festphase Extraktion

Festphase-Membranen

Festphase-Mikroextraktion (SPME):

echt hohen Zeitaufwand (bei grosser Wasserproben) einfachste und am häufigsten gebrauchte Methode grosse Menge von organischen LM

Kosten (extrem rein / sehr teuer, erforderliche Entsorgung) Zeit- und Arbeitsaufwendig (wenn Emulsionbildung) Halogenierter Kohlenwasserstoff (Umweltunfreundlich)

Einfachheit

Verzichten auf org LM Geringe Zeitbedarf Spurenanalyse geeignet Kontamination auszuschliessen Mögliche Ankopplung mit GC-Injektor wenig organische LM benötigt Anreicherungsschritt beinhaltet

Abtrennungsschritt von unlöslichern Festpartikeln

geringe Fliesswiderstand wenig Kapazität

Extraktionsverfahren der Analyten aus festen Proben

• Batch-Extraktion

– Stundenlang schütteln

– Abtrennen von Matrix (Flitration/Zentrigieren) – gering Effizienz

• Soxhlet-Extraktion

– Desorption in der Siegehitze erleichtert – Ständig gegen frisches ausgetauscht – hohe Effizienz

– hohe Zeit- und LM-bedarf

– Ungeeignet für thermisch instabile Substanzen

Proben sollen vorher getrocknet und zerrieben werden

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Extraktionsverfahren der Analyten aus festen Proben

• Soxtec-Extraktion

– Hülse angehoben mit Zeit – geringer Zeit- und LM-bedarf – Hohe Effizienz

• Ultraschall-Extraktion

– 15 kHz – 10 GHz angesiedelt – Hohe P und T für wenige μs – Mechanische Zerstörung – Kurze Zeit

– Hohe Effizienz als Batch-E – Geeignet auch für thermolabile

Substanzen

Batch: einfach, aber geringe Effizienz, RT Soxhlet: lange Zeit, hohe Effizienz, hohe T Soxtec: kurze Zeit, hohe Effizienz, hohe T Ultrashall: kurze Zeit, hohe Effizienz, RT

Moderne Extraktionsmethoden für feste Proben

Mikrowellen-unterstützte Extraktion

Accelerated Solvent Extraktion (enhanced / high pressure)

Elektromagnetische Energie (2.45 GHz) Polares LM (Wasser, Methanol) Gleichzeitig gesamte Proben aufgeheizt

(Behälter bleibt kalt) innerhalb weniger Minuten

Erhöhter T und P im verschlossen Gefässe 1 Stunde

Erhöhter P und T im verschlossen Gefässe Hohe Effizient wie Soxhlet Aber viel schneller LM: 10-15 ml / 10 g Probe

Überkritische Fluidextraktion (SFE) und Überhitzte Wasserextraktion (SWE)

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Überkritische Fluidextraktion (SFE)

Auf Organische LM verzichten

Hohe Lösevermögen (wegen Dichte)

Hohe

Diffusionskoeffizienten

Geringe Viskosität als Flüssigkeiten, grosse Dichte

Extrakte => Analytprobe

Matrixabhängigkeit

Hohe Druck

Kosten

^CO_NH²^{: 31.3°C,}^72.9^atm,^0.47^g/ml

3: 132.5°C, 112.5 atm, 0.24 g/ml

Aufkonzentrierung

• Proben geeignet?

• Siedepunkt der

Probenkomponenten hoher als der des LMs

• Volume (max. 2/3)

• Badentemperatur

• Vakuum

• Endephase (20-30ml /250ml)

• Kleineren Kolben überführt

• Weiter eingeengt

gebräuchlichste Methode zur Reduzierung grosser LM-mengen

Rotationsverdampfer (Rotavap)

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Aufkonzentrierung kleiner Proben

• Bis 1 – 2 ml eingeengt

• Unter Vakuum

• Analytenverlust sehr gering

Kuderna–Danish-Apparatur

6-Kanal Einblasvorrichtung

• Kleiner Volumina

• Leicht N2-strom

• Bis 0.1 – 0.5 ml oder bis zur Trockne

• Schwerflüchtige Keeper

Probenaufbereitung

Feststoff

Aerosol Emulsion

Suspension

Flüssigkeitstropfen feste Teilchen Gas

Flüssigkeit

(unlöslich Feststoff)

Homo- und Heterogenes Stoffgemisch

(2 unmischbar Flüssigkeiten)

LLE, SPE, SPM, SPME Extraktion

Batch-E Soxhlet-E Soxtec-E Ultraschall-E MAE, ASE SPE, SWE Adsorption

Filtration GC

HPLC EP mit MS NMR IR UV Löslich oder unlöslich

Aufkonzentrierung Aufreinigung Vortrennung und Anreicherung

Probenarten

Messung

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