Metodi chimici ed elettrochimici di ricerca in medicina. I Conferenza tutta russa con partecipazione internazionale sul tema "Analisi chimica e medicina" I medici utilizzano i metodi dell'analisi chimica

Fig. 1. Classificazione dei metodi di analisi

Oltre ai tre gruppi principali, ci sono ibrido metodi. Nella figura 1. non vengono mostrati. Nei metodi ibridi, la separazione, l'identificazione e la determinazione dei componenti sono combinate organicamente in un unico dispositivo (o in un unico complesso di strumenti). Il più importante di questi metodi è cromatografico analisi. In un dispositivo speciale (cromatografo), i componenti del campione in esame (miscela) vengono separati, poiché si muovono a velocità diverse attraverso una colonna riempita di polvere solida (assorbente). Al momento del rilascio del componente dalla colonna, viene giudicata la sua natura e quindi vengono identificati tutti i componenti del campione. I componenti che escono dalla colonna cadono a loro volta in un'altra parte del dispositivo, dove un dispositivo speciale - un rilevatore - misura e registra i segnali di tutti i componenti. Spesso i segnali vengono assegnati automaticamente all'una o all'altra sostanza e viene calcolato anche il contenuto di ciascun componente del campione. È chiaro che cromatografico l'analisi non può essere considerata solo un metodo di separazione dei componenti, o solo un metodo di determinazione quantitativa, è un metodo ibrido.

1.4. Metodi di analisi e requisiti per essi

Non bisogna confondere i concetti metodo E metodi.

Una metodologia è una descrizione chiara e dettagliata di come dovrebbe essere eseguita un'analisi applicando un metodo a uno specifico problema analitico.

Di solito, una tecnica viene sviluppata da specialisti, sottoposta a verifica preliminare e certificazione metrologica, è ufficialmente registrata e approvata.Il nome della tecnica indica il metodo utilizzato, l'oggetto della determinazione e l'oggetto dell'analisi

Raccogliere ottimale metodo (migliore), occorre tenere conto in ciascun caso di una serie di requisiti pratici.

1. T precisione. Questo è il requisito principale. Ciò significa che l'errore relativo o assoluto dell'analisi non deve superare un certo valore limite

2. Sensibilità. Questa parola nel discorso colloquiale è sostituita da termini più rigorosi “limite di rilevazione” e “limite inferiore delle concentrazioni rilevabili”.". Le tecniche altamente sensibili sono quelle con le quali possiamo rilevare e determinare il componente anche nel suo basso contenuto nel materiale in esame. Minore è il contenuto previsto, più sensibile è la tecnica richiesta. .

3. Selettività (selettività).È importante che il risultato dell'analisi non sia influenzato da sostanze estranee che compongono il campione.

4. espressività . Stiamo parlando della durata dell'analisi di un campione, dal campionamento all'emissione di una conclusione. Prima si ottengono i risultati, meglio è.

5.C costo. Questa caratteristica della tecnica non necessita di commenti. Solo i test relativamente economici possono essere utilizzati su scala di massa. Il costo del controllo analitico nell'industria di solito non supera l'1% del costo di produzione. Analisi uniche nella loro complessità e raramente eseguite sono molto costose.

Esistono altri requisiti per il metodo: la sicurezza dell'analisi, la capacità di eseguire l'analisi senza la partecipazione diretta di una persona, la stabilità dei risultati rispetto a fluttuazioni casuali delle condizioni, ecc.

1.5. Fasi principali (fasi) dell'analisi quantitativa

Il metodo di analisi quantitativa può essere suddiviso mentalmente in più fasi successive (fasi) e quasi tutte le tecniche hanno le stesse fasi. La logica di analisi corrispondente è mostrata nella Figura 1.2. I passaggi principali dell'analisi quantitativa sono: formulazione del problema analitico e scelta del metodo, campionamento, preparazione del campione, misurazione del segnale, calcolo e presentazione dei risultati.

Enunciazione del problema analitico e scelta della metodologia. Il lavoro di un analista specializzato inizia solitamente con l'ottenimento ordine per analisi. L'emergere di un tale ordine è solitamente causato dalle attività professionali di altri specialisti, dall'emergere di alcuni I problemi. Tale problema può essere, ad esempio, fare una diagnosi, scoprire la causa di un difetto durante la produzione di un prodotto, determinare l'autenticità di una mostra museale, la possibilità della presenza di una sostanza tossica nell'acqua del rubinetto, ecc. Sulla base delle informazioni ricevute da uno specialista (chimico organico, ingegnere di processo, geologo, odontoiatra, investigatore della Procura, agronomo, archeologo, ecc.), l'analista deve formulare compito analitico. Naturalmente è necessario tenere conto delle possibilità e dei desideri del "cliente". Inoltre, è necessario raccogliere ulteriori informazioni (in primis sulla composizione qualitativa del materiale che dovrà essere analizzato).

La formulazione del problema analitico richiede una qualifica molto elevata dell'analista e costituisce la parte più difficile della prossima ricerca. Non è sufficiente determinare quale materiale dovrà essere analizzato e cosa esattamente deve essere determinato in esso. È necessario capire a quale livello di concentrazione dovrà essere effettuata l'analisi, quali componenti estranei saranno presenti nei campioni, quanto spesso sarà necessario analizzare, quanto tempo e denaro si possono spendere per un'analisi, se sarà possibile consegnare i campioni al laboratorio oppure sarà necessario effettuare le analisi direttamente “sull'oggetto”, se ci saranno restrizioni sulla massa e riproducibilità proprietà del materiale studiato, ecc. E, soprattutto, è necessario capire: quale accuratezza dei risultati dell'analisi dovrà essere garantita e come sarà possibile raggiungere tale accuratezza!

Un problema analitico chiaramente formulato è la base per la scelta della tecnica ottimale. La ricerca viene effettuata utilizzando raccolte di documenti normativi (compresi metodi standard), libri di consultazione, recensioni su singoli oggetti o metodi. Ad esempio, se determineranno il contenuto di prodotti petroliferi nelle acque reflue con il metodo fotometrico, esamineranno le monografie dedicate, in primo luogo, all'analisi fotometrica, in secondo luogo, ai metodi per analizzare le acque reflue e, in terzo luogo, a diversi metodi per determinare prodotti petroliferi. Esistono serie di libri, ognuna delle quali è dedicata alla chimica analitica di qualche elemento. Sono stati pubblicati manuali sui singoli metodi e sui singoli oggetti di analisi. Se non è stato possibile trovare metodi adeguati nei libri di consultazione e nelle monografie, la ricerca viene continuata utilizzando riviste scientifiche e astratte, motori di ricerca Internet, consulenza di esperti, ecc. Dopo aver selezionato i metodi adeguati, scelgono quello che meglio soddisfa il compito analitico.

Spesso non solo non esistono metodi standard per risolvere un problema specifico, ma non esistono nemmeno soluzioni tecniche precedentemente descritte (problemi analitici particolarmente complessi, oggetti unici). Una situazione del genere si verifica spesso quando si conduce una ricerca scientifica e in questi casi è necessario sviluppare da soli una tecnica di analisi. Ma, quando si eseguono analisi secondo la propria metodologia, è necessario verificare con particolare attenzione la correttezza dei risultati ottenuti.

Campionamento. Sviluppare un metodo di analisi che lo consenta misurare la concentrazione del componente di nostro interesse direttamente nell'oggetto in studio è piuttosto raro. Un esempio potrebbe essere un sensore di anidride carbonica nell'aria, installato nei sottomarini e in altri spazi chiusi. Più spesso, una piccola parte viene prelevata dal materiale in esame. campione- e consegnarlo al laboratorio di analisi per ulteriori ricerche. Il campione deve essere rappresentante(rappresentativo), cioè le sue proprietà e composizione dovrebbero coincidere approssimativamente con le proprietà e la composizione del materiale in esame nel suo complesso. Per gli oggetti di analisi gassosi e liquidi, è abbastanza facile prelevare un campione rappresentativo, poiché sono omogenei . Devi solo scegliere il momento e il luogo giusti per la selezione. Ad esempio, quando si campiona l'acqua dai serbatoi, si tiene conto che l'acqua dello strato superficiale differisce nella sua composizione dall'acqua dello strato inferiore, l'acqua vicino alla costa è più inquinata, la composizione dell'acqua del fiume non è lo stesso in diversi periodi dell'anno, ecc. Nelle grandi città, i campioni di aria atmosferica vengono prelevati tenendo conto della direzione del vento e dell'ubicazione delle fonti di emissione di impurità. Anche il campionamento non costituisce un problema quando vengono esaminati prodotti chimici puri, anche solidi o polveri fini omogenee.

È molto più difficile selezionare correttamente un campione rappresentativo di un solido eterogeneo (terreno, minerali, carbone, cereali, ecc.). Se si prelevano campioni di terreno in luoghi diversi dello stesso campo, o da profondità diverse, o in tempi diversi, i risultati dell'analisi di campioni dello stesso tipo non saranno gli stessi. Possono differire più volte, soprattutto se il materiale stesso era eterogeneo, costituito da particelle di diversa composizione e dimensione.

La questione è complicata dal fatto che spesso il campionamento viene effettuato non dall'analista stesso, ma da operatori non sufficientemente qualificati o, peggio ancora, da persone interessate ad ottenere un certo risultato dell'analisi. Quindi, nelle storie di M. Twain e Bret Garth, viene descritto in modo colorato come, prima della vendita dell'area aurifera, il venditore abbia cercato di selezionare pezzi di roccia con evidenti inclusioni d'oro per l'analisi e l'acquirente - rifiuti roccia. Non sorprende che i risultati delle corrispondenti analisi abbiano dato il contrario, ma in entrambi i casi una caratterizzazione errata dell'area oggetto di studio.

Per garantire la correttezza dei risultati dell'analisi per ciascun gruppo di oggetti, sono state sviluppate e adottate regole speciali e schemi di campionamento. Un esempio potrebbe essere l'analisi del suolo. In questo caso bisognerebbe selezionare Alcuni grandi porzioni del materiale di prova in punti diversi dell'area di prova e poi combinarle. Viene calcolato in anticipo quanti punti di campionamento dovrebbero essere, a quale distanza l'uno dall'altro dovrebbero essere posizionati questi punti. Viene indicato da quale profondità deve essere prelevata ciascuna porzione di terreno, quale massa dovrebbe essere, ecc. Esiste anche una speciale teoria matematica che consente di calcolare la massa minima del campione combinato, tenendo conto della dimensione delle particelle, eterogeneità della loro composizione, ecc. Maggiore è la massa del campione, più rappresentativo è; pertanto, per un materiale disomogeneo, la massa totale del campione combinato può raggiungere decine e persino centinaia di chilogrammi. Il campione combinato viene essiccato, frantumato, accuratamente miscelato e la quantità del materiale di prova viene gradualmente ridotta (a questo scopo esistono metodi e dispositivi speciali). Ma anche dopo una riduzione multipla, la massa del campione può raggiungere diverse centinaia di grammi . Il campione ridotto in un contenitore ermeticamente chiuso viene consegnato al laboratorio. Lì continuano a macinare e mescolare il materiale in esame (per calcolare la media della composizione) e solo successivamente prelevano una parte pesata del campione medio su una bilancia analitica per ulteriori analisi. preparazione del campione e successiva misurazione del segnale.

Il campionamento è la fase più importante dell'analisi, poiché gli errori che si verificano in questa fase sono molto difficili da correggere o da tenere in considerazione. Gli errori di campionamento sono spesso il principale contributo all’errore complessivo dell’analisi. Se il campionamento non è corretto anche la perfetta esecuzione delle operazioni successive non potrà aiutare: non sarà più possibile ottenere il risultato corretto.

preparazione del campione . È il nome collettivo di tutte le operazioni a cui viene sottoposto in laboratorio il campione ivi consegnato prima della misurazione del segnale analitico. Durante preparazione del campione eseguire una serie di operazioni: evaporazione, essiccazione, calcinazione o combustione del campione, sua dissoluzione in acqua, acidi o solventi organici, ossidazione preliminare o riduzione del componente da determinare con reagenti aggiunti appositamente, rimozione o mascheramento di impurità interferenti. Spesso è necessario effettuare la concentrazione del componente determinato: da un campione di grande volume, il componente viene trasferito quantitativamente in un piccolo volume di soluzione (concentrato), dove viene quindi misurato il segnale analitico. Componenti campione con proprietà simili durante preparazione del campione cercare di separarli gli uni dagli altri per facilitare la determinazione della concentrazione di ciascuno separatamente. preparazione del campione richiede più tempo e manodopera rispetto ad altre operazioni di analisi; è abbastanza difficile da automatizzare. Va ricordato che ogni operazione preparazione del campioneè un'ulteriore fonte di errori di analisi. Meno operazioni di questo tipo sono, meglio è. I metodi che non includono affatto la fase sono ideali. preparazione del campione("Sono venuto, misurato, calcolato"), ma esistono relativamente pochi metodi simili.

Misurazione analitica del segnale richiede l'uso di strumenti di misura adeguati, principalmente strumenti di precisione (bilance, potenziometri, spettrometri, cromatografi, ecc.), nonché di strumenti di misura precalibrati. Gli strumenti di misura devono essere certificati (“verificati”), cioè deve essere noto in anticipo quale errore massimo può dare la misurazione del segnale mediante questo dispositivo. Oltre agli strumenti, per la misurazione del segnale, in molti casi sono necessari standard di composizione chimica nota (campioni di confronto, ad esempio campioni standard statali). Servono per calibrare la metodologia (vedi Capitolo 5), verificare e aggiustare gli strumenti. Anche il risultato dell'analisi viene calcolato utilizzando gli standard.

Calcolo e presentazione dei risultati - la fase di analisi più semplice e veloce. Devi solo scegliere il metodo di calcolo appropriato (secondo l'una o l'altra formula, secondo il programma, ecc.). Quindi, per determinare l'uranio nel minerale di uranio, la radioattività del campione viene confrontata con la radioattività di un campione standard (minerale con un contenuto di uranio noto), quindi il contenuto di uranio nel campione viene trovato risolvendo la solita proporzione. Tuttavia questo semplice metodo non è sempre adatto e l’utilizzo di un algoritmo di calcolo inadeguato può portare a gravi errori. Alcuni metodi di calcolo sono molto complessi e richiedono l'uso di un computer. Nei capitoli seguenti verranno descritti in dettaglio i metodi di calcolo utilizzati nei diversi metodi di analisi, i loro vantaggi e le condizioni per l'applicabilità di ciascun metodo. I risultati dell’analisi dovrebbero essere elaborati statisticamente. Tutti i dati relativi all'analisi di questo campione si riflettono nel diario di laboratorio e il risultato dell'analisi viene inserito in un protocollo speciale. A volte l'analista stesso confronta i risultati dell'analisi di diverse sostanze tra loro o con alcuni standard e trae conclusioni significative. Ad esempio, sulla conformità o non conformità della qualità del materiale in studio con i requisiti stabiliti ( controllo analitico).

L'analisi chimica permea letteralmente tutta la nostra vita. I suoi metodi servono per controllare scrupolosamente i medicinali. In agricoltura, viene utilizzato per determinare l'acidità dei terreni e il contenuto di nutrienti in essi contenuti, il che consente di scegliere le condizioni ottimali per la lavorazione del terreno, oltre a valutare il contenuto di proteine ​​e umidità in diverse varietà di grano. Anche i beni di consumo vengono sottoposti ad analisi chimiche: nei dentifrici viene controllato il contenuto di fluoro, negli oli il contenuto di composti insaturi. Nella protezione ambientale, i metodi di chimica analitica vengono utilizzati per controllare la qualità dell'acqua potabile, per determinare il contenuto di sostanze nocive nei rifiuti, ecc. Nella pratica giudiziaria, con il loro aiuto, rilevano tracce di polvere da sparo sulle mani del sospettato, analizzano la composizione dei colori con cui è dipinto il quadro per distinguere l'originale dal falso. I metodi di analisi variano in termini di complessità. Quindi, in medicina vengono utilizzati test rapidi di gravidanza e metodi complessi di analisi del sangue per lo zucchero o il colesterolo, controllo del livello dei neurotrasmettitori nello studio del cervello in vivo, ecc.

Dagli esempi sopra riportati si può vedere che tutte le domande risolte dalla chimica analitica possono essere ridotte a quanto segue: cos'è questa sostanza, da quali componenti è composta, quali sono la loro quantità e distribuzione? Per rispondere a queste domande, viene eseguita un'ampia varietà di reazioni chimiche, viene utilizzata un'ampia gamma di metodi chimici, fisici, fisico-chimici e biologici, vengono sviluppati nuovi metodi di analisi e migliorati quelli esistenti. Il numero di metodi di chimica analitica è estremamente ampio e in costante crescita.

La chimica analitica è strettamente correlata ad altre discipline: l'analisi chimica viene introdotta in vari campi della scienza, il chimico analitico utilizza i risultati di altri rami della chimica, così come la matematica, la fisica, la biologia e molti campi della tecnologia.

PRINCIPALI DISPOSIZIONI

Fasi di analisi.

La soluzione dei problemi analitici comprende diverse fasi.

Formulazione del problema.

Questa fase apparentemente insignificante è in realtà molto importante. Supponiamo che tu debba determinare la quantità di mercurio in uno stagno. Cosa si intende esattamente con la parola "mercurio"? Può trattarsi di tutto il mercurio, indipendentemente dalla forma chimica specifica, o di tutti i composti organici del mercurio (ad esempio, dimetilmercurio), o di tutti i suoi composti inorganici, o di tutto il mercurio in un determinato stato di ossidazione, o dell'identificazione e quantificazione di tutto il mercurio contenente composti. Lo stesso è il caso del "serbatoio". La definizione dovrebbe limitarsi al mercurio disciolto o considerare le particelle solide sospese nell'acqua, il limo sul fondo di un serbatoio, gli animali e le piante che vivono nell'acqua? Bisogna tenere conto anche della durata dell'analisi: è sufficiente una sola determinazione, oppure sarà necessario calcolare il valore medio dai risultati di più misurazioni effettuate nel corso di una giornata, o forse di un anno intero. Le risposte a queste domande determineranno la natura dell’intera analisi.

Scelta del metodo.

Il metodo di analisi viene scelto in base al compito, alla dimensione dell'oggetto e del campione, al contenuto di analiti, alla presenza di impurità, all'accuratezza richiesta dei risultati e all'attrezzatura disponibile; vengono presi in considerazione anche l'eventuale durata e il costo dell'analisi. Consideriamo, ad esempio, due casi di determinazione del piombo. Nella prima, sulla base dei risultati dell'analisi, viene determinato il costo della lavorazione del minerale, che dipende dal contenuto di piombo. Il campione è ampio, la concentrazione di piombo al suo interno è elevata, è necessaria una risposta accurata. Nel secondo caso è necessario determinare se il metallo di cui è composta la vecchia moneta è contaminato da piombo. Il contenuto di piombo è basso, è necessaria solo una stima approssimativa, durante l'analisi la moneta stessa non dovrebbe soffrire. È chiaro che questi casi richiedono un approccio diverso. Metodi come la gravimetria o la titolazione possono essere utilizzati per analizzare un campione di minerale. La moneta richiederebbe un altro metodo più delicato (non distruttivo), come la fluorescenza a raggi X.

Selezione del campione.

Diversi metodi analitici richiedono, ovviamente, campioni di dimensioni diverse, che vanno da nanogrammi (1 ng = 10–9 g) a diversi grammi. Difficilmente è possibile analizzare completamente un oggetto che pesa molto più di quanto richieda il metodo scelto per l'analisi. In questi casi viene prelevato un campione, o campione, della sostanza. Questo campione deve essere rappresentativo, vale a dire adeguato all'intero oggetto o alla parte di esso di maggiore interesse. Nell'esempio precedente con il mercurio in un corpo idrico, la formulazione del problema determina anche il modo in cui viene prelevato il campione.

Preparazione del campione per l'analisi.

Se le misurazioni quantitative vengono effettuate in soluzione, il campione viene sciolto in un solvente idoneo; in questo caso la concentrazione del campione viene scelta in modo che rientri nei limiti di applicabilità del metodo. A volte è necessario isolare l'analita da una miscela, poiché molti metodi di analisi sono non specifici e addirittura non selettivi. Un metodo specifico è chiamato metodo mediante il quale viene determinata solo una sostanza specifica, mentre un metodo selettivo è un metodo preferito per una determinata sostanza, utilizzando il quale è possibile determinare altre sostanze. Esistono pochissimi metodi specifici, molto più selettivi. Ad esempio, la spettrometria di massa e il dosaggio immunologico sono altamente selettivi.

Misure.

Per determinare la quantità di un analita o la sua composizione si misurano alcune sue quantità fisiche: la quantità di una sostanza consumata o formata a seguito di una reazione chimica; reazione rapida; intensità di assorbimento, emissione o diffusione della luce; corrente che si forma durante i processi redox; la quantità di calore rilasciato o assorbito, ecc. Conoscendo la relazione tra i risultati della misurazione e le quantità che interessano il ricercatore, nonché confrontando questi risultati con gli standard pertinenti, viene determinata la quantità dell'analita o la sua composizione.

Interpretazione dei risultati.

Quando i risultati sono già ottenuti, possono sorgere una serie di domande: il compito è stato risolto? come fare ulteriori ricerche? È possibile che per ottenere risultati più accurati sia necessario migliorare la tecnica di analisi.

curve di lavoro.

La curva di lavoro è una dipendenza grafica che mette in relazione la concentrazione dell'analita con il parametro misurato durante l'analisi (densità ottica, intensità della fluorescenza, potenziale dell'elettrodo, velocità di reazione, ecc.). La scala degli assi delle coordinate - lineare o logaritmica - viene scelta in base all'esperimento specifico. Gli assi logaritmici vengono utilizzati, in particolare, quando la concentrazione varia in un ampio intervallo. Se sono necessari risultati più accurati, sono preferibili assi lineari e intervalli di concentrazione ristretti. Per costruire una curva di lavoro, preparare innanzitutto campioni standard di concentrazione nota. Quindi, per ciascuno di essi, viene misurato l'uno o l'altro parametro e il suo valore viene tracciato come punto rispetto alla concentrazione corrispondente. Attraverso i punti viene disegnata una curva morbida, sulla quale i punti si adattano nel modo migliore. Per fare ciò, utilizzare qualsiasi funzione matematica o dipendenza empirica adatta. Quindi viene misurato lo stesso parametro per il campione di prova e la sua concentrazione viene determinata dalla curva di lavoro (Fig. 1). Ciascun metodo ha il proprio range operativo, sensibilità, background e soglia di rilevamento.

L'intervallo operativo è l'intervallo di concentrazioni entro il quale la tecnica è applicabile. La porzione lineare della curva corrisponde all'intervallo di concentrazione in cui i risultati sono più affidabili. A concentrazioni prossime al limite, alte e basse, le curve operative di solito diventano non lineari. Ciò è dovuto alle capacità limitate dei metodi di analisi e delle apparecchiature utilizzate. Se la concentrazione dell'analita rientra in una regione non lineare di valori elevati, il campione deve essere diluito e l'analisi ripetuta.

La sensibilità del metodo è caratterizzata dall'entità della variazione del parametro misurato per un dato cambiamento di concentrazione. È uguale alla pendenza (tangente della pendenza) della curva di lavoro. In generale, maggiore è la sensibilità, più affidabili saranno i risultati e più bassa sarà la soglia di rilevamento.

Il risultato della misurazione spesso include una componente che non è correlata all'analita: si chiama sfondo. La presenza di fondo può essere dovuta alle caratteristiche dell'apparecchiatura o all'influenza della matrice in cui è compreso il campione ( cm.sotto). Per stimare il valore di fondo, condurre un esperimento di controllo. Per questo viene preparato un campione di controllo, in cui non è presente l'analita, ma solo tutte le impurità presenti nella matrice, nonché i reagenti aggiunti durante l'analisi. Il campione di controllo è sottoposto alla stessa procedura analitica dell'analita. Il valore del parametro misurato per questo campione di controllo è considerato uguale allo sfondo.

La soglia di rilevamento è la concentrazione più bassa dell'analita alla quale il segnale differisce notevolmente dallo sfondo. Il valore della soglia di rilevazione dipende dalla sensibilità e dall'accuratezza del metodo: più sono alti, minori saranno le concentrazioni minime rilevabili. I chimici analitici stanno sviluppando sistematicamente metodi per misurare concentrazioni sempre più basse. Oggi, per molti metodi di analisi, la soglia di rilevamento è 10–6–10–9 M, e alcuni metodi recentemente sviluppati rendono possibile misurare concentrazioni picomolari (sotto 10–12 M), per rilevare sostanze in quantità assolute inferiori a 10-18 moli (circa diverse centinaia di migliaia di molecole) e osservano persino i singoli atomi. Una delle sfide attuali nella chimica analitica è il miglioramento dei metodi per gestire campioni sempre più piccoli. I metodi che una volta richiedevano quantità di millilitri ora costano microlitri e alcuni richiedono decine di picolitri.

Matrice.

Il termine "matrice" si riferisce all'ambiente dell'analita. Queste sono tutte le sostanze presenti nel campione, incl. e definito, diverso da quello dato. Quindi, il cloro viene determinato nel plasma sanguigno, nelle carote in scatola, nell'acqua potabile o nell'acqua di mare. Questi campioni differiscono nelle loro proprietà chimiche e fisiche e, di conseguenza, anche le loro matrici sono diverse. La matrice più semplice è l'acqua potabile: contiene relativamente poche sostanze, la cui concentrazione è anche bassa. Le carote in scatola sono una matrice complessa, principalmente perché contengono diversi composti organici.

Ove possibile, gli standard e gli analiti dovrebbero trovarsi nelle stesse matrici o in matrici comparabili, ma è molto raro ottenere matrici calibrate. Per risolvere questo problema vengono utilizzate matrici sintetiche, il metodo degli standard interni, ecc.

Se la matrice di un dato campione ha proprietà fisiche e chimiche relativamente costanti, indipendentemente da quando e dove è stato ottenuto il campione, allora può essere caratterizzata e riprodotta in modo sufficientemente completo. Una di queste matrici è l'acqua di mare. Le concentrazioni dei suoi componenti principali (Na, Mg, Cl...) sono ben note. È possibile ottenere acqua di mare artificiale e utilizzarla per preparare soluzioni standard di altre sostanze la cui concentrazione è bassa (ad esempio Al, Au, Ni, Zn). È nota anche la composizione dei fluidi biologici, come il plasma sanguigno o l'urina, che consente la creazione di matrici artificiali per alcune analisi.

Un altro metodo consiste nel creare matrici approssimativamente della stessa composizione per gli standard e la sostanza in esame. Per fare ciò, una grande quantità di una sostanza “inerte” viene aggiunta al campione e agli standard (per ottenere soluzioni con la stessa forza ionica, è possibile aggiungere NaClO 4 1 M al campione e agli standard), in modo che piccole differenze in altri i componenti della matrice diventano insignificanti. In questo caso l'influenza della matrice non è esclusa, anzi, è migliorata, ma ora questa influenza sul campione di prova e sullo standard è quasi la stessa.

Un modo conveniente per compensare gli effetti della matrice, nonché i problemi associati alla perdita di sostanza durante l'analisi complessa, è utilizzare uno standard interno. Il metodo è il seguente: Prima di determinare la sostanza A, una quantità nota di sostanza B viene aggiunta al campione contenente la sostanza A. Le quantità di A e B vengono determinate mediante la stessa procedura. Dopo aver stabilito il rapporto tra la quantità trovata e quella nota di B, viene corretta la quantità ottenuta durante l'analisi di A. Lo standard interno dovrebbe essere assente nel campione originale ed essere un analogo chimico della sostanza da determinare. Ad esempio, per la determinazione del sodio nel plasma sanguigno mediante spettroscopia a emissione di fiamma, il litio viene spesso utilizzato come standard interno, poiché è chimicamente simile al sodio e solitamente è assente nel sangue.

Nel metodo degli standard aggiunti, il campione stesso viene utilizzato per preparare gli standard di riferimento. Supponiamo di voler determinare il contenuto di sodio nel plasma sanguigno. Il campione originale è diviso in più parti, ad esempio in tre. Ad uno di essi non viene aggiunto nulla e agli altri due vengono aggiunte quantità note dell'analita (in questo caso Na), in modo che la sua concentrazione diventi 100 e 200 mmol/l superiore a quella del campione originale. Successivamente, utilizzando lo stesso metodo, viene determinato il Na in tutte le parti del campione e viene tracciato un grafico del valore misurato rispetto all'aumento della concentrazione. Dal grafico determinare la concentrazione di sodio nel campione originale.

Misure di equilibrio e cinetiche.

Nella fig. 2 è una rappresentazione grafica del corso di una reazione chimica

Prodotti Analiti + Reagenti

All'inizio, la concentrazione cambia linearmente nel tempo, poi il cambiamento diventa sempre più lento e, infine, la concentrazione diventa orizzontale: il sistema raggiunge l'equilibrio.

Sebbene si creda che molte reazioni chimiche vadano “fino alla fine” (fino al completo esaurimento delle materie prime), in realtà nessuna di esse procede in una sola direzione. Una reazione chimica continua finché la concentrazione di tutte le sostanze coinvolte in essa non cessa di cambiare, cioè finché il sistema non raggiunge l’equilibrio. In questo stato, la concentrazione di alcune sostanze può essere molto piccola, ma non è comunque zero. La reazione non si ferma, semplicemente la velocità della reazione diretta (Reagenti → Prodotti) diventa uguale alla velocità inversa (Prodotti → Reagenti), mentre avviene una rapida conversione reciproca dei reagenti e dei prodotti di reazione, per cui non c'è totale variazione delle concentrazioni.

Le determinazioni analitiche possono essere effettuate in sistemi chimici che si trovano sia in stati di equilibrio che in stati di non equilibrio. Nel primo caso le concentrazioni delle sostanze non cambiano, quindi la durata dell'analisi è insignificante e non influisce sulla scelta del metodo. Le concentrazioni di equilibrio delle sostanze sono legate tra loro attraverso la costante di equilibrio. Per una reazione chimica UN A+ B B C C+ D D questa costante è

dove tra parentesi quadre sono indicate le concentrazioni molari delle sostanze corrispondenti e gli esponenti sono pari ai coefficienti stechiometrici dell'equazione della reazione chimica. Le costanti di equilibrio delle reazioni utilizzate nella chimica analitica variano da 1 a 10.100 o più. Molti metodi di analisi si basano sulla determinazione dello stato di equilibrio. Ad esempio, consideriamo i metodi classici discussi di seguito: gravimetria e titolazione.

Quando si analizzano i sistemi non in equilibrio, viene determinata la variazione della concentrazione delle sostanze reagenti nel tempo, ad es. reazione veloce. È dato dall'espressione

Dove Kè la costante di velocità, [A], [B], [C] sono le concentrazioni molari delle sostanze A, B, C, la somma X,sì,zè l'ordine della reazione. Quali sostanze chimiche compaiono nell'equazione della velocità di tale reazione e in che misura entrano le loro concentrazioni dipende dal meccanismo della reazione chimica. Nelle determinazioni fuori equilibrio è necessario avere tempo per effettuare le misure in un tempo sufficientemente breve (rispetto alla durata della reazione stessa) affinché le concentrazioni dei reagenti non cambino. Le determinazioni basate sulla misurazione della velocità di una reazione possono essere eseguite in un tempo molto breve dall'inizio della reazione (a volte pochi secondi) poiché non è necessario attendere che il sistema raggiunga l'equilibrio. Se l'analita è un catalizzatore, le misurazioni dovrebbero essere effettuate fino al raggiungimento dell'equilibrio, poiché il catalizzatore modifica solo la velocità di reazione, ma non la posizione di equilibrio. L'uso delle misurazioni cinetiche in chimica analitica non si limita ai metodi di analisi basati sulla misurazione della velocità di reazione. Molti metodi analitici, come l'analisi della fluorescenza, l'amperometria, la cromatografia, si basano su processi cinetici, sebbene vengano analizzati i sistemi che sono in equilibrio. Alcuni metodi di analisi comuni sono descritti di seguito.

METODI DI ANALISI BASATI SULLA DETERMINAZIONE DELLA POSIZIONE DI EQUILIBRIO

Nella chimica analitica esistono diversi metodi basati sulla determinazione della posizione dell'equilibrio chimico. Questi includono, in particolare, la gravimetria e la titrimetria classiche, nonché un'analisi immunologica relativamente nuova.

Gravimetria (metodo del peso).

Nella gravimetria, la sostanza da determinare viene trasferita ad uno stato chimicamente puro o convertita in una forma di peso - un composto con una composizione costante nota con precisione che può essere facilmente isolata e pesata. La quantità di analita viene calcolata dalla massa della forma ponderale e dall'equazione di reazione che mette in relazione tale sostanza con la forma ponderale. Non sono richiesti standard chimici. I metodi di analisi del peso sono molto accurati, spesso vengono utilizzati nei casi dubbi come controllo. L'accuratezza dell'analisi è limitata dall'accuratezza della determinazione della massa e dalla completezza della formazione e dell'isolamento di una sostanza pura. La gravimetria è una procedura lunga, poiché sia ​​la conversione dell'analita nella forma ponderale che il suo isolamento dalla miscela richiedono tempo. Inoltre, è necessario assicurarsi che la forma ponderale sia una sostanza di composizione costante nota con precisione che non contenga impurità.

La maggior parte delle determinazioni del peso si basano sulla formazione e separazione da una soluzione (solitamente acquosa) di precipitati solidi insolubili. L'obiettivo è far precipitare la maggior quantità possibile di analita (almeno il 99,99%), quindi il precipitato (solitamente sale) dovrebbe avere la minore solubilità possibile. La solubilità di un sale è determinata dal valore della costante di equilibrio della reazione di dissoluzione in cui si formano gli ioni. La precipitazione quantitativa viene solitamente effettuata aggiungendo alla soluzione con l'analita un eccesso stechiometrico del reagente precipitante. La solubilità di un sale in presenza di un eccesso di uno degli ioni che ne compongono la composizione diminuisce. Per ridurre l'influenza di altre reazioni di equilibrio che portano ad un aumento della solubilità del sale, è necessario controllare la composizione della soluzione.

Diversi reagenti precipitanti vengono utilizzati per diversi analiti. Alcuni di essi sono riportati nella tabella. 1.

Uno dei principali vantaggi delle determinazioni del peso è che non è necessario calibrare gli strumenti o preparare soluzioni standard. Il risultato si ottiene pesando il precipitato e conoscendo la composizione dei composti coinvolti nella reazione. Supponiamo, ad esempio, di voler determinare il contenuto di manganese in un campione. Per fare ciò è necessario convertire il manganese in Mn 3 O 4, separare quest'ultimo e pesare. Supponiamo che da 1,52 g di campione si formino 0,126 g di Mn 3 O 4 (ovvero 0,00055 mol, poiché 1 mole di Mn 3 O 4 contiene 228,8 g). 1 mol di Mn 3 O 4 contiene 3 mol di Mn e 0,00055 mol contiene 0,00165 mol di Mn, rispettivamente, o 0,0907 g (1 mol di Mn contiene 54,94 g). Pertanto, il contenuto di Mn nel campione è (0,0907/1,52) x 100% = 5,97%.

Come abbiamo detto, la gravimetria è un procedimento piuttosto lento; la formazione di un precipitato, la sua separazione mediante filtrazione, essiccazione: tutto ciò richiede tempo. Inoltre, le determinazioni del peso di solito non sono molto selettive, quindi viene dedicato più tempo alla regolazione delle condizioni (ad esempio pH), riprecipitazione, ecc. Quanto più complessa è la composizione del campione, tanto più probabili sono gli errori: sovrastima del contenuto in peso dell'analita, associata alla coprecipitazione di impurità, o sottostima, dovuta alla perdita della sostanza nella fase del suo isolamento. A causa della selettività e della sensibilità limitate, non ha senso utilizzare la gravimetria quando sono disponibili solo quantità micro o tracce dell'analita.

Titrimetria (metodo volumetrico).

Nella titrimetria, la concentrazione viene determinata misurando il volume di un reagente standard o titolato (titolante) consumato in una reazione chimica con un analita in soluzione (o fase gassosa). La misurazione viene eseguita utilizzando una procedura di titolazione. È un metodo semplice, relativamente veloce, versatile e accurato.

Durante la titolazione, il titolante viene aggiunto in porzioni o in modo continuo a una velocità bassa e costante e il suo volume viene misurato fino al raggiungimento del punto equivalente, corrispondente al volume del titolante, al quale reagisce tutto l'analita. Il punto equivalente si trova monitorando continuamente il cambiamento di alcune proprietà della soluzione titolata (colore, densità ottica, proprietà elettrochimiche, ecc.) utilizzando strumenti speciali o visivamente.

Affinché una determinata reazione chimica possa essere utilizzata nella titolazione, le sostanze coinvolte in essa devono trovarsi in rapporti quantitativi (stechiometrici) rigorosamente definiti. La reazione deve procedere rapidamente e quasi fino alla fine, e il punto di equivalenza deve essere fissato con precisione. Molto spesso vengono utilizzate reazioni di neutralizzazione (acido-base), formazione di complessi e reazioni redox. Le reazioni di neutralizzazione sono le più diffuse; sono loro che prenderemo in considerazione per spiegare i punti chiave di tutte le reazioni di titolazione.

Curve di titolazione.

Una curva di titolazione è un grafico del pH, dell'assorbanza o di qualche altra caratteristica di una soluzione da titolare (asse y) rispetto alla quantità di titolante aggiunta (ascissa). La scala dell'asse x è sempre lineare, mentre l'asse y può essere lineare o logaritmica. La scala lineare è conveniente per quei metodi di controllo della titolazione (spettrofotometria, amperometria) in cui il parametro controllato cambia linearmente con la concentrazione, e quella logaritmica in caso di variazione logaritmica (ad esempio, nella potenziometria con un elettrodo ionoselettivo). La scala logaritmica viene spesso utilizzata quando si determina visivamente il punto finale di una titolazione, poiché è su questa scala che si manifesta più chiaramente il brusco cambiamento nelle proprietà della soluzione vicino al punto equivalente.

Dipendenza delle curve di titolazione dalla concentrazione e dalla costante di equilibrio.

Per determinare con precisione il punto finale della titolazione, è necessario che si osservi un'inflessione (salto) sulla curva di titolazione vicino al punto equivalente. Questo requisito pone limiti sia alla concentrazione minima rilevabile che alla costante di equilibrio minima accettabile per la reazione di titolazione. Nella fig. La Figura 3 mostra le curve di titolazione per un acido forte con una base forte e un acido debole con una base forte. Si può vedere che man mano che la concentrazione diminuisce, il salto diventa meno pronunciato. Il limite inferiore di concentrazione dipende dalla reazione specifica e dal metodo per determinare il punto finale della titolazione, ma è già difficile effettuare la titolazione a concentrazioni inferiori a 10–4 M. La Figura 4 illustra l'effetto della costante di equilibrio della reazione di titolazione sulla curva di titolazione. Per le reazioni di neutralizzazione in soluzioni acquose, la costante di equilibrio nel caso di un acido forte e una base forte è 10 14, e per un acido debole e una base forte - 10 14 K un, dove K a è la costante di dissociazione dell'acido. Al diminuire della costante di equilibrio diminuisce anche l’entità del salto. Affinché la determinazione visiva del punto finale della titolazione sia affidabile, la costante di equilibrio non deve essere inferiore a 10 6 . Quando si effettua il controllo strumentale della titolazione o si calcola la posizione del punto finale della titolazione sulla base dei dati ottenuti, la costante di equilibrio può arrivare fino a 10 2 .

Miscele.

Se il campione contiene due analiti che interagiscono con lo stesso titolante, è possibile determinarli in un'unica operazione di titolazione, a condizione che la reazione di ciascuna di queste sostanze con il titolante abbia una costante di equilibrio sufficientemente elevata e che queste costanti differiscano significativamente (di solito non meno di due ordini di grandezza). Nella fig. 5 mostra le curve di titolazione per miscele di analiti con diversa p K UN. La prima sostanza ad essere titolata è quella la cui reazione con il titolante ha la costante di equilibrio più alta. Il volume dall'inizio della titolazione al primo punto finale determina la concentrazione di quell'analita, mentre il volume tra i punti finali della titolazione determina la concentrazione del secondo analita. Se le costanti di equilibrio sono troppo vicine, sarà difficile o addirittura impossibile localizzare il primo punto finale della titolazione. In questo caso le sostanze analizzate non possono essere determinate separatamente e il volume totale del titolante consentirà di calcolare solo la somma delle loro concentrazioni.

Indicatori di colore.

Un indicatore di colore è una sostanza che cambia colore quando interagisce con uno dei componenti della soluzione titolata. Lasciamo, ad esempio, che l'indicatore In interagisca con l'analita A:

Determinazione strumentale del punto finale della titolazione.

Il monitoraggio continuo del processo di titolazione mediante strumenti consente di ottenere dati sul suo andamento sia prima che dopo il punto di equivalenza. Questi dati possono essere presentati sotto forma di grafico e il punto finale può essere determinato graficamente o tramite calcolo. Molto spesso vengono utilizzate la titolazione spettrofotometrica (misurazione della densità ottica), amperometrica e potenziometrica (misurazione del potenziale dell'elettrodo).

titolazione coulometrica.

La titolazione coulometrica viene solitamente eseguita a corrente continua. Il titolante si forma come risultato di processi elettrochimici sull'elettrodo di lavoro nel recipiente di titolazione. Il numero di moli dell'analita è uguale al prodotto della concentrazione attuale e del tempo necessario per formare una quantità di titolante sufficiente a raggiungere il punto finale della titolazione, tenendo conto della stechiometria. Non sono richiesti standard chimici. I titolanti che si formano durante i processi elettrochimici includono H + , OH - , Br 2 e I 2 .

Titolazione diretta e retroattiva.

Nella variante più semplice della titolazione, l'analita interagisce direttamente con il titolante. La quantità di analita viene calcolata dalla concentrazione molare del titolante, dal volume richiesto per raggiungere il punto equivalente e dalla stechiometria della reazione tra l'analita e il titolante. Supponiamo che siano necessari 12,51 ml di una soluzione 0,100 M di Ce(IV) per raggiungere il punto finale della titolazione di 5,00 ml di una soluzione contenente ioni Sn 2+. La reazione di titolazione ha la forma Sn 2+ + 2Ce 4+ ® Sn 4+ + 2Ce 3+ . La quantità di Ce 4+ utilizzata per la titolazione è (12,51×10–3 l)× (0,100 mol/l) = 12,51×10–4 mol, la quantità di Sn2+ reagito è 2 volte inferiore, cioè 6.25H 10 -4 mol. In 5,00 ml di soluzione è contenuta tanta Sn 2+, per cui la sua concentrazione è (6,25×10–4 mol) / (5×10–3 l) = 0,125 M.

In una titolazione inversa, l'analita non interagisce con il titolante, ma con un altro reagente presente in eccesso. L'eccesso viene quindi determinato mediante titolazione. Se la quantità iniziale del reagente è nota e viene determinato il suo eccesso, la differenza tra loro è la quantità di reagente che è entrata nella reazione con l'analita. Si supponga che 20,00 ml di soluzione di idrossido di sodio 0,100 M vengano aggiunti a 5,00 ml di un campione contenente fenolo. Come risultato della reazione, si forma fenolato di sodio. L'idrossido di sodio in eccesso viene titolato con 12,53 ml di soluzione di HCl 0,0800 M. I rapporti tra i reagenti nelle reazioni di idrossido di sodio e fenolo o di idrossido di sodio e acido cloridrico sono 1:1. In questo caso, la quantità iniziale di idrossido di sodio è (20,00 H 10 -3 l) H (0,100 mol / l) \u003d 20,00 H 10 -4 mol. L'eccesso di idrossido di sodio è uguale alla quantità di acido cloridrico utilizzato per la sua titolazione: (12,53 H 10 -3 l) H (0,0800 mol / l) \u003d 10,00 H 10 -4 mol. (20,00 - 10,00) H 10 -4 mol = 10,00 H 10 -4 mol di idrossido di sodio sono state spese per l'interazione con l'analita. La stessa quantità di fenolo è contenuta in 5,00 ml di campione. Pertanto, la concentrazione di fenolo è (10,00x 10 -4 mol) / (5,00x 10 -3 l) = 0,200 M.

La titolazione inversa viene utilizzata, ad esempio, quando la costante di equilibrio della reazione di titolazione diretta è troppo piccola. Pertanto, nell'esempio discusso sopra, il fenolo è un acido piuttosto debole e la costante di equilibrio della titolazione diretta del fenolo con idrossido di sodio è solo circa 10 4 . Allo stesso tempo, la costante di equilibrio della reazione di retrotitolazione tra l'eccesso di idrossido di sodio (base forte) e l'acido cloridrico (acido forte) è 10 14 . Altri motivi per utilizzare la titolazione a posteriori includono la mancanza di un metodo di indicazione adeguato o la velocità di reazione insufficiente nella titolazione diretta. Pertanto, per la titolazione complessometrica diretta di uno ione metallico con acido etilendiamminotetraacetico (EDTA), vengono solitamente utilizzati metalli indicatori. È chiaro che sono necessari molti indicatori diversi per determinare i punti finali della titolazione di tutti gli ioni metallici. In una titolazione a ritroso, una quantità in eccesso di EDTA viene aggiunta ad una soluzione contenente uno ione metallico, e l'eccesso di quest'ultimo viene quindi determinato utilizzando una soluzione contenente Mg 2+ . Quindi l'unico indicatore necessario è un indicatore per Mg 2+ , indipendentemente dallo ione da determinare.

Titolazione acido-base.

Esistono molte applicazioni per la titolazione di acidi e basi. Per determinare in modo più chiaro il punto finale della titolazione, come titolanti vengono utilizzati acidi e basi forti. Un tipico titolante acido è HCl. È standardizzato allo standard primario carbonato di sodio utilizzando rosso metile, arancio metile o verde bromocresolo come indicatori. Un tipico titolante basico è NaOH ed è standardizzato rispetto allo standard primario biftalato di potassio utilizzando la fenolftaleina come indicatore. Un esempio di titolazione acido-base è il metodo per determinare il contenuto di azoto in vari composti (metodo Kjeldahl): il campione viene decomposto con acido solforico caldo, convertendo l'azoto in uno ione ammonio; dopo il raffreddamento, il campione viene trattato con alcali per convertire lo ione ammonio in ammoniaca; l'ammoniaca viene catturata con una soluzione acida, dopodiché l'eccesso di acido viene determinato titrimetricamente mediante una reazione di neutralizzazione.

titolazione complessometrica.

Molto spesso, la titolazione complessometrica viene utilizzata per determinare gli ioni metallici utilizzando EDTA come titolante (ad esempio, quando si determina la durezza dell'acqua). Un campione di acqua viene alcalinizzato con una soluzione tampone di ammoniaca, viene aggiunto l'indicatore nero eriocromo e la soluzione risultante viene titolata con EDTA.

Titolazione redox.

In molte delle più comuni reazioni di titolazione redox, lo iodio partecipa indirettamente. La fase finale della titolazione è la determinazione quantitativa dello iodio mediante titolazione con tiosolfato di sodio. L'amido viene utilizzato come indicatore dello iodio. Il tiosolfato viene standardizzato a ione triioduro (I 3 -), che si ottiene dalla reazione tra KI e lo standard primario KIO 3 . In questo modo si determina, ad esempio, il grado di insaturazione degli acidi grassi, il contenuto di fenoli, alcoli polivalenti (glicerolo o glicole etilenico).

SPETTROSCOPIA

I metodi spettroscopici si basano sull’interazione della radiazione elettromagnetica con la materia, vale a dire sulla caratterizzazione della radiazione assorbita, emessa o diffusa. Spesso la spettrometria di massa viene utilizzata in parallelo ai metodi spettroscopici; sebbene non studi l'interazione della radiazione con la materia, i risultati delle misurazioni sono solitamente presentati sotto forma di spettro.

Disposizioni fondamentali.

La radiazione elettromagnetica è caratterizzata da energia E, frequenza N e lunghezza d'onda l, che sono legati tra loro dalla relazione E = hn = h.c/l, Dove H- Costante di Planck (6,63 H 10 -34 JH s), Cè la velocità della luce (3H 10 8 m/s).

La gamma di energia dell’intero spettro elettromagnetico è molto ampia. Nella tabella. La tabella 2 mostra i nomi generalmente accettati dei tipi di radiazione, i loro intervalli di energia e lunghezza d'onda, nonché i tipi di transizioni.

I metodi più comunemente utilizzati in chimica analitica sono l'ultravioletto (UV), il visibile, l'infrarosso (IR) e le onde radio.

Nella fig. 8 mostra schemi a blocchi di dispositivi per ottenere spettri di assorbimento ed emissione.

La scelta dell'apparecchiatura specifica - sorgente di radiazioni, monocromatore, rilevatore - dipende dalle lunghezze d'onda della radiazione utilizzata e dalla natura delle misurazioni. Nelle regioni UV e visibili, come sorgenti luminose vengono solitamente utilizzate lampade a incandescenza o laser, una fessura o un prisma funge da monocromatore e un tubo fotomoltiplicatore e un blocco fotodiodo fungono da rilevatore.

Assorbimento nelle regioni UV e visibili.

Gli spettri di assorbimento nelle regioni UV e visibile contengono informazioni sia qualitative che quantitative sulla sostanza assorbente. Quest'ultimo ne consente l'utilizzo in chimica analitica. L'assorbimento della luce obbedisce alla legge di Lambert-Beer

Dove D- densità ottica, IO 0 e IO sono le intensità della luce incidente e trasmessa attraverso il campione, T- trasmissione, eè il coefficiente di estinzione molare, lè la lunghezza del percorso ottico (spessore dello strato assorbente) in cm, Cè la concentrazione molare. Misurando la densità ottica D, dalla relazione D = ecl trovare la concentrazione dell'assorbente.

I campioni utilizzati nella spettroscopia di assorbimento nelle regioni UV e visibile sono, di norma, soluzioni diluite. L'intervallo di concentrazioni che può essere determinato dipende dal coefficiente di estinzione molare della sostanza in esame, il cui valore massimo è ~ 10 5 (si noti che le misurazioni devono essere effettuate ad una lunghezza d'onda corrispondente al massimo nello spettro di assorbimento). Per ottenere risultati affidabili, la densità ottica misurata deve essere compresa tra 0,01 e 2. Con uno spessore dello strato assorbente di 1 cm ciò corrisponde ad una concentrazione di 10–8 M, ovvero 1000 volte inferiore rispetto alla titolazione. Normalmente, nell'area di lavoro (area di linearità) delle misurazioni, la concentrazione può cambiare almeno 100 volte. Selezionando selettivamente la lunghezza d'onda corrispondente al massimo assorbimento della sostanza, è possibile escludere l'influenza della matrice (solvente). Le misurazioni della densità ottica sono brevi, il che rende possibile determinare le velocità di reazione con il loro aiuto. Se viene studiata una miscela di più sostanze assorbenti, la concentrazione di ciascuna di esse viene determinata misurando a lunghezze d'onda corrispondenti ai massimi di assorbimento di queste sostanze.

Luminescenza.

La spettroscopia di luminescenza misura l'intensità della radiazione emessa da atomi o molecole di una sostanza durante la loro transizione dallo stato eccitato allo stato fondamentale (Fig. 8). Esistono due tipi di luminescenza: fluorescenza e fosforescenza. Durante la fluorescenza, un atomo o una molecola passa allo stato fondamentale da uno stato eccitato di breve durata. Si osserva quasi immediatamente dopo l'assorbimento, cade rapidamente e scompare a causa delle collisioni della molecola emittente con altre molecole in soluzione (estinzione della fluorescenza). La fosforescenza si verifica quando una molecola entra nello stato fondamentale da uno stato eccitato relativamente lungo, in modo che possa trascorrere un tempo relativamente lungo tra l'assorbimento e l'emissione della luce. La fosforescenza è caratterizzata da una lunghezza d'onda di emissione maggiore, un'altezza di picco minore e una maggiore influenza della matrice. Le misurazioni fluorescenti sono più selettive delle misurazioni spettrofotometriche, poiché dipendono da due lunghezze d'onda contemporaneamente: luce assorbita ed emessa.

L'intensità della fluorescenza è correlata all'intensità della luce assorbita dalla seguente relazione: IO spagnolo = ki assorbimento Questa relazione è lineare rispetto alla concentrazione solo ai suoi piccoli valori: IO spagnolo = kўI assorbire C. Qui K E Kў sono costanti che caratterizzano le proprietà della molecola associata all'assorbimento e all'emissione di radiazioni, e Cè la concentrazione dell'analita. L'analisi della fluorescenza consente di misurare concentrazioni 1000 volte inferiori rispetto all'analisi spettrofotometrica. Ciò è dovuto alla natura del segnale determinato in entrambi i casi: nelle misure di fluorescenza è necessario registrare una piccola differenza tra due segnali deboli, mentre nelle misure di assorbanza tra quelli forti, il che è molto più difficile.

Quando la luce viene emessa a seguito di una reazione chimica, il processo è chiamato chemiluminescenza. L'intensità della radiazione dipende dalla velocità di una reazione chimica e quest'ultima, a sua volta, dalla concentrazione. Pertanto, misurando l'intensità della chemiluminescenza, è possibile determinare la concentrazione del reagente corrispondente. Come esempio di determinazione luminescente presentiamo una reazione che coinvolge il luminolo. Quando ossidata con perossido di idrogeno in presenza di complessi di metalli di transizione, questa sostanza si illumina, consentendo la determinazione quantitativa di tracce di ioni metallici (o di alcuni complessi), nonché di perossido di idrogeno.

Spettroscopia infrarossa (IR).

Gli spettri di assorbimento nelle regioni visibili e UV discussi sopra nascono come risultato di transizioni elettroniche negli atomi e nelle molecole. L'assorbimento nella regione IR è dovuto alle transizioni tra livelli vibrazionali corrispondenti a diverse energie vibrazionali dei gruppi funzionali. Nella spettroscopia IR, viene spesso utilizzata la parte centrale della regione IR, 4000–200 cm–1. Per interpretare gli spettri IR sono stati compilati appositi cataloghi e tabelle in cui sono indicate le frequenze di vibrazione caratteristiche dei vari gruppi (Tabella 3).

I valori dei coefficienti di estinzione molare per la regione IR sono inferiori rispetto a quelli per le regioni visibile e UV, pertanto, utilizzando la spettroscopia IR, si possono indagare sia sostanze pure che soluzioni molto concentrate. I liquidi vengono versati tra vetri otticamente trasparenti, dove formano una pellicola sottile, o in una cuvetta, i solidi vengono frantumati e sospesi in un mezzo otticamente trasparente. Le soluzioni sono più difficili da studiare rispetto ai solidi perché il solvente spesso assorbe nella stessa regione. Per aumentare la sensibilità e la risoluzione del metodo, le modifiche moderne utilizzano la spettroscopia IR in trasformata di Fourier.

Risonanza magnetica nucleare (NMR).

Il metodo NMR si basa sull'assorbimento risonante dell'energia elettromagnetica dovuto al magnetismo dei nuclei. Questo assorbimento si osserva in un forte campo magnetico, sotto l'azione del quale vengono divisi i livelli energetici dei nuclei con un momento magnetico. L'applicazione di un campo elettromagnetico piccolo e variabile in frequenza provoca transizioni tra i livelli, che appaiono come linee di assorbimento negli spettri NMR. Il metodo NMR è uno dei metodi più efficaci per gli studi strutturali. Permette di ottenere informazioni sulla struttura delle molecole, su quali nuclei sono presenti nella sostanza da determinare e in quale quantità, qual è il loro ambiente. Una delle varianti dell'NMR - risonanza magnetica protonica (1 H-NMR) - risulta spesso essere l'unico metodo che consente di determinare la struttura dei composti organici. A volte è seguito da 13 C-NMR, spettrometria di massa e spettroscopia IR. Molto spesso, l'NMR determina i nuclei degli atomi di idrogeno (protoni, 1 H) e 13 C. Si possono studiare anche altri nuclei, ad esempio 19 F, 31 P, 17 O, 15 N e 29 Si.

Lo spettro NMR è la dipendenza dell'intensità di assorbimento dal valore relativo D(chemical shift), definito come

Dove H E N sono l'intensità del campo magnetico e la frequenza di risonanza per il campione e lo standard. Valori D sono espressi in parti per milione (ppm; nella letteratura inglese - ppm, parti per milione). Come standard nel caso di 1 H e 13 C viene solitamente utilizzato il tetrametilsilano (TMS). Le caratteristiche più importanti dello spettro NMR sono la posizione dei segnali di assorbimento (bande), la loro intensità e molteplicità. Poiché gli elettroni schermano parzialmente il nucleo e modificano l'entità del campo magnetico che agisce su di esso, la posizione dei segnali di assorbimento di vari nuclei (ad esempio i protoni) dipende dal loro ambiente elettronico. Nei gruppi H–N–, H–O– e H–C –, i protoni assorbono a frequenze diverse e hanno spostamenti chimici diversi. Vengono tabulati i valori degli spostamenti chimici misurati per un gran numero di elementi strutturali. L'interazione spin-spin dei protoni degli atomi vicini porta alla suddivisione del segnale NMR e la molteplicità del segnale dipende dal numero di protoni coinvolti nell'interazione.

La sovrapposizione e la suddivisione dei segnali complicano notevolmente gli spettri NMR. Per semplificarli, vengono utilizzati campi magnetici più forti, che consentono di allungare lo spettro e ridurre la sovrapposizione dei picchi.

Nella fig. 9 mostra lo spettro NMR dell'etere etilico CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 che illustra il concetto di Chemical Shift e scissione. Lo spettro mostra che ci sono due tipi di protoni nella molecola. Tripletta con D= 1,1 ppm è un segnale proveniente dai protoni del gruppo metilico CH 3 -, e dal quartetto con D= 3,3 ppm - segnale proveniente dai protoni del gruppo metilenico -CH 2 -.

Per ottenere spettri a risoluzione più elevata e per velocizzare la procedura nella spettroscopia NMR, viene utilizzata la trasformata di Fourier.

Spettrometria di massa (MS).

La spettrometria di massa è uno dei metodi analitici più efficaci e ampiamente utilizzati. Si distingue per elevata selettività, sensibilità e precisione.

Il principio del metodo è che la sostanza da determinare viene trasferita allo stato gassoso, ionizzata, e gli ioni formati (frammenti carichi delle molecole iniziali) vengono separati in un campo magnetico secondo i valori della massa-a -rapporto di carica. Qualsiasi spettrometro di massa è costituito da un sistema di ingresso del campione, una camera di ionizzazione e un sistema di separazione degli ioni. Nello strumento viene mantenuto un vuoto elevato (~10–6 mm Hg). I metodi di registrazione sono stati sviluppati così bene che consentono di contare facilmente i singoli ioni.

Lo spettro di massa è la dipendenza dell'intensità del segnale dal rapporto tra la massa delle particelle formate durante la ionizzazione e la loro carica ( M/e). Lo spettro è costituito da uno o più picchi. A una bassa energia di elettroni ionizzanti, un elettrone si stacca dalle molecole della sostanza e si formano ioni molecolari (M +); in questo caso è presente un unico picco nello spettro e determina il molo. la massa dell'analita non è difficile. Se l'energia di ionizzazione aumenta, lo ione molecolare si decompone in frammenti ionici più piccoli, che possono quindi partecipare a reazioni di riarrangiamento con la formazione di altri ioni. Considerando l'energetica ed il meccanismo di queste reazioni, è possibile ricostruire la struttura del composto iniziale dagli spettri di massa. Pertanto, lo spettro di massa è una sorta di "impronta digitale" della sostanza. Nella fig. La Figura 10 mostra gli spettri di massa del 2-metilbutano e del 2,2-dimetilpropano (neopentano), idrocarburi saturi con formula empirica C 5 H 12 . La ionizzazione che provoca una frammentazione significativa è chiamata ionizzazione dura. Al contrario, durante la ionizzazione morbida, si osserva una frammentazione molto inferiore, ma aumenta l'altezza del picco dello ione molecolare. Ad esempio, in fig. 11 mostra gli spettri di massa del mefobarbital (uno dei barbiturici) ottenuti mediante ionizzazione per impatto elettronico, ionizzazione chimica e desorbimento di campo.

Metodi di ionizzazione.

La scelta del metodo di ionizzazione dipende dalle proprietà dell'analita, dalla matrice in cui è incluso e dal grado di ionizzazione desiderato. Utilizzando l'attrezzatura standard, è possibile ionizzare sostanze con una mol. pesano fino a 20.000, ma ci sono dispositivi per i composti ionizzanti, dicono. la cui massa raggiunge i 150.000-200.000.

Nella ionizzazione per impatto elettronico, le molecole di una sostanza gassosa vengono bombardate da un flusso di elettroni, con conseguente formazione di numerosi ioni frammento. Gli spettri di massa in questo caso sono molto complessi e per la loro interpretazione vengono utilizzati cataloghi speciali di spettri. Uno dei metodi più comuni di ionizzazione morbida delle sostanze volatili è la ionizzazione chimica. In questo metodo viene mantenuta un'elevata concentrazione di metano nella camera di ionizzazione, che è la prima ad essere ionizzata mediante bombardamento elettronico. Quindi gli ioni di metano entrano in collisione con le molecole della sostanza in studio e, come risultato di reazioni iono-molecolari, si formano ioni (M + 1) + e (M - 1) +. Per la ionizzazione morbida di campioni liquidi, viene utilizzato il bombardamento con atomi veloci. Un flusso di atomi veloci di xeno o argon bombarda la soluzione del campione in glicerolo, determinando la formazione di un gran numero di ioni molecolari. Un altro metodo di ionizzazione morbida è il cosiddetto desorbimento di campo; in questo caso gli ioni si formano sotto l'azione di un forte campo elettrico. Viene più spesso utilizzato per la ionizzazione di sostanze non polari, termicamente instabili, nonché di composti con una grande mole. massa (polimeri), cioè nei casi in cui non è possibile utilizzare il bombardamento atomico veloce. La ionizzazione a polverizzazione catodica (elettrospray, spray termico, ecc.) sta diventando sempre più diffusa. In questo metodo, l'introduzione di un soluto e la sua ionizzazione vengono effettuate in un'unica fase.

Per l'analisi elementare e isotopica viene utilizzato plasma di argon accoppiato induttivamente. Con il suo aiuto, viene eseguita la selezione e la ionizzazione del campione e la separazione degli ioni viene eseguita nello spettrometro di massa. Per l'analisi elementare delle superfici viene utilizzato il metodo della spettrometria di massa degli ioni secondari. Un flusso di ioni Ar+ o Xe+ bombarda la superficie del campione e gli ioni secondari rilasciati vengono inviati all'analizzatore di massa.

Spettrometria di massa tandem.

Questo metodo utilizza due spettrometri di massa collegati in serie. Una delle possibili applicazioni del metodo è l'analisi delle miscele. Una miscela di analiti viene sottoposta a ionizzazione morbida, a seguito della quale da ciascun componente si forma uno ione molecolare. Gli ioni vengono separati nel primo spettrometro di massa, che funge da cromatografo. Uno dei componenti viene introdotto nel secondo spettrometro, dove viene ionizzato duramente e i frammenti vengono successivamente separati. Utilizzando i cataloghi, determinare la struttura della sostanza originale. Se l'oggetto dell'analisi non è una miscela, ma una singola sostanza, quest'ultima viene sottoposta a ionizzazione dura nel primo spettrometro di massa, gli ioni frammento vengono separati e uno di essi viene inviato alla camera di ionizzazione del secondo dispositivo. Qui il frammento viene nuovamente ionizzato e sottoposto a successiva frammentazione. Lo spettro di massa risultante viene interpretato utilizzando il catalogo e viene stabilita la struttura del frammento originale.

METODI ELETTROCHIMICI

La base dei metodi di analisi elettrochimica è lo studio dei processi che si verificano negli elettroliti o sulla superficie degli elettrodi immersi in essi. Questi processi possono essere di equilibrio o di non equilibrio, a seconda delle condizioni dell'esperimento, e forniscono informazioni sulla velocità delle reazioni chimiche, sulla natura dei composti in esse coinvolti e sulla termodinamica. I seguenti metodi elettrochimici sono più ampiamente utilizzati nella chimica analitica.

Potenziometria.

Nei metodi potenziometrici, la differenza di potenziale tra l'elettrodo indicatore e l'elettrodo di riferimento viene misurata in assenza di corrente nel circuito elettrochimico. In queste condizioni il sistema analizzato è in equilibrio e il potenziale dell’elettrodo è legato alla concentrazione della soluzione mediante l’equazione di Nernst:

Dove E° è il potenziale standard della coppia redox ox+ N rosso, Rè la costante universale dei gas, Tè la temperatura assoluta, Fè la costante di Faraday, UN- attività. Nelle misurazioni potenziometriche sono ampiamente utilizzati elettrodi ionoselettivi, sensibili a un singolo ione (idrogeno, sodio, ammonio). L'elettrodo indicatore più semplice è un metallo nobile, come il platino. Nella titolazione potenziometrica, una soluzione reagente standard viene aggiunta in porzioni alla soluzione analizzata ( vedi sopra titrimetria) e monitorare la variazione del potenziale. Ricevuto S-le curve a forma di permettono di trovare il punto di equivalenza, la costante di equilibrio, il potenziale standard.

Voltammetria.

In tutte le varianti dei metodi voltammetrici viene utilizzato un microelettrodo indicatore, con l'aiuto del quale si ottengono voltammogrammi: curve della dipendenza dell'intensità di corrente nella cella elettrochimica dalla differenza di potenziale. Il secondo elettrodo ausiliario - non polarizzabile - ha un'ampia superficie, per cui il suo potenziale praticamente non cambia con il passaggio di corrente. Gli elettrodi indicatori sono realizzati sotto forma di capillare, dal quale scorre goccia a goccia il metallo liquido (mercurio, amalgama, gallio). I voltamperogrammi consentono di identificare le sostanze disciolte in un elettrolita, determinarne la concentrazione e in alcuni casi trovare parametri termodinamici e cinetici. Il primo metodo voltammetrico - la polarografia - fu proposto da J. Geyrovsky nel 1922. Un elettrodo di mercurio gocciolante fungeva da elettrodo di lavoro. Questa tecnica viene solitamente utilizzata per determinare gli ioni metallici (Pb 2+ , Cd 2+ , Cu 2+). Tra gli altri metodi voltammetrici vi sono la voltammetria a scansione lineare (con una variazione monotona) del potenziale e la voltammetria ciclica (con una rapida scansione del potenziale triangolare). Con il loro aiuto, viene studiato il meccanismo delle reazioni degli elettrodi e vengono determinate le basse concentrazioni di sostanze in soluzione.

Amperometria.

Nell'amperometria, il potenziale dell'elettrodo di lavoro (indicatore) viene mantenuto costante e viene misurata la corrente di diffusione limite nella soluzione. Nella titolazione amperometrica, il punto equivalente si trova dall'interruzione nella curva dell'intensità corrente - il volume della soluzione di lavoro aggiunta. I metodi cronoamperometrici si basano sulla misurazione della dipendenza dell'intensità della corrente dal tempo e vengono utilizzati per determinare i coefficienti di diffusione e le costanti di velocità. Le celle elettrochimiche che funzionano secondo il principio dell'amperometria vengono utilizzate come sensori nella cromatografia liquida.

Conduttometria.

Questo metodo si basa sulla misurazione della conduttività elettrica di una soluzione. Le condizioni sperimentali sono scelte in modo tale che la caduta di tensione ohmica dia un contributo predominante al potenziale di cella misurato IR (Rè la resistenza della soluzione), piuttosto che il salto di potenziale all'interfaccia elettrodo/soluzione. La conduttività elettrica di una soluzione monocomponente può essere correlata alla sua concentrazione e, per i sistemi complessi, viene stimato il contenuto totale di ioni nella soluzione. Anche la titolazione conduttometrica è ampiamente utilizzata, quando un reagente noto viene aggiunto in porzioni alla soluzione analizzata e viene monitorata la variazione della conduttività elettrica.

Coulometria.

Nella coulometria viene effettuata un'elettrolisi completa di una soluzione a un potenziale controllato e viene misurata la quantità di elettricità necessaria a tale scopo. La quantità di una sostanza viene determinata utilizzando la legge di Faraday P = QM/ecc, Dove Pè la massa (g) della sostanza convertita elettrochimicamente, Q- la quantità di elettricità (C), Mè il peso molecolare della sostanza, Fè la costante di Faraday, Nè il numero di elettroni coinvolti nella trasformazione elettrochimica di una molecola. I metodi coulometrici sono assoluti, cioè non necessitano di curve di calibrazione. Nella coulombografia, la quantità di sostanza che ha subito l'elettrolisi viene determinata pesando l'elettrodo prima e dopo l'esperimento.

METODI CROMATOGRAFICI

Tipicamente il campione analizzato non è costituito da un'unica sostanza, ma da una miscela di sostanze. Alcuni di essi interessano il ricercatore, mentre altri sono impurità che complicano l'analisi. E sebbene esistano tecniche analitiche che consentono l'analisi di miscele complesse, è sempre più semplice lavorare con una sostanza pura. Per ottenere sostanze pure vengono utilizzati vari metodi di separazione: distillazione, sublimazione, estrazione, dialisi, precipitazione, formazione di complessi. Qui ci concentreremo sui metodi cromatografici, che sono ampiamente utilizzati sia per la separazione delle sostanze che per la loro identificazione e quantificazione.

La separazione cromatografica si basa sulla differenza nelle proprietà delle sostanze come volatilità, polarità, dimensione molecolare, carica, ecc. Determinano la distribuzione delle sostanze tra la fase mobile e quella stazionaria, presenti in ogni tecnica cromatografica.

Se la fase mobile è un gas, allora il metodo si chiama gascromatografia (GC), se il liquido è liquido (LC); se la fase stazionaria riempie un tubo o una colonna sottile, si tratta di cromatografia su colonna e se è depositata su una piastra, quindi su strato sottile (TLC). I principi di separazione sono gli stessi in tutti i casi, differiscono solo l'implementazione strumentale e la metodologia. Nella cromatografia su strato sottile (Fig. 12), ad esempio, il campione viene applicato vicino al bordo della piastra con la fase stazionaria e questo bordo viene immerso nel solvente in modo che quest'ultimo non raggiunga il punto in cui viene applicato il campione. La separazione viene effettuata fino a quando il solvente raggiunge l'estremità opposta della piastra. Poiché le sostanze da determinare si muovono più lentamente del solvente puro, rimangono tutte sulla piastra, ma si trovano a distanze diverse dal luogo in cui è stato applicato il campione. La velocità del movimento della materia è caratterizzata dalla relativa differenza di rotta Rif

Meccanismi di separazione cromatografica.

Consideriamo i principali meccanismi di distribuzione delle sostanze tra le fasi mobili e stazionarie usando l'esempio della cromatografia su colonna.

Cromatografia di adsorbimento.

La fase stazionaria è una sostanza solida, sui cui centri attivi vengono adsorbite molecole di analiti. La separazione può essere basata su differenze nelle loro polarità: più la sostanza è polare, più forte è adsorbita sulla fase stazionaria e più a lungo rimane su di essa.

Cromatografia di partizione.

La fase stazionaria è una sostanza fluida depositata su un supporto solido o ad esso chimicamente associata. I componenti della miscela fatta passare attraverso la colonna vengono separati a causa della diversa solubilità nella fase stazionaria. Sia la cromatografia di partizione gassosa che quella liquida utilizzano fasi stazionarie con diversa polarità e altre proprietà chimiche, da cui dipende la solubilità degli analiti. Una delle varietà di cromatografia di partizione è la cromatografia gas-liquido (GLC) con una fase stazionaria liquida e una fase gassosa mobile. Nella fig. 14 è un cromatogramma gas-liquido di olio di limone.

Cromatografia di spostamento.

La fase stazionaria è una sostanza solida porosa. Le grandi molecole della miscela in separazione non penetrano nei pori e, senza permanere nella fase stazionaria, vengono trasportate via dal solvente. Le molecole di medie dimensioni rimangono bloccate in alcuni pori e rimangono stazionarie per qualche tempo, mentre le molecole piccole penetrano in tutti i pori e si muovono molto lentamente. Questo è il modo in cui le molecole vengono separate in base alle dimensioni e, di conseguenza, in base al peso molecolare. Il metodo della cromatografia a spostamento può separare sostanze con una mole. di peso compreso tra 100 e 100.000.000.

Cromatografia a scambio ionico.

La fase stazionaria è uno scambiatore ionico: una sostanza solida, praticamente insolubile in acqua e solventi organici, contenente gruppi funzionali ionogeni in grado di scambiare i propri ioni con ioni presenti nella fase mobile. Gli scambiatori anionici contenenti un gruppo amminico o ammonio quaternario vengono utilizzati per separare gli anioni (acidi organici, amminoacidi o ioni cloruro, nitrato, solfato). La composizione degli scambiatori cationici utilizzati per separare i cationi (amminoacidi o ioni metallici) comprende acidi carbossilici o solfonici.

Separazione di sostanze otticamente attive.

Molti composti otticamente attivi (chirali) (ad esempio molecole biologiche, farmaci) hanno proprietà molto preziose, ma queste proprietà sono spesso inerenti solo a uno degli isomeri. Non è possibile separare gli enantiomeri (isomeri specchio) utilizzando i tradizionali metodi cromatografici, poiché hanno identiche proprietà fisiche e chimiche, fatta eccezione per la capacità di ruotare il piano di polarizzazione della luce in modi diversi e di interagire con altri composti chirali. Quest'ultima proprietà è alla base dei metodi per separare gli enantiomeri. Un approccio consiste nell'effettuare una reazione tra una miscela di analiti otticamente attivi e alcuni reagenti chirali. I prodotti risultanti hanno proprietà fisiche diverse e vengono separati mediante metodi cromatografici convenzionali. In un altro caso più comune, una sostanza chirale viene utilizzata come fase stazionaria per una colonna LC. Gli enantiomeri interagiscono con esso in modi diversi e sono separati.

Cromatografia su strato sottile (TLC).

La fase stazionaria è un assorbente finemente disperso (solitamente gel di silice) depositato su una piastra di vetro o metallo. La miscela analizzata viene applicata allo strato assorbente con una pipetta e la piastra viene posizionata a faccia in giù nel solvente. Sotto l'azione delle forze capillari, il solvente sale lungo la piastra e la miscela viene separata in componenti. Le sostanze fluorescenti vengono rilevate alla luce UV, tutte le altre - utilizzando reagenti specifici. La TLC è un metodo semplice e ad alta intensità di manodopera. È possibile separare diverse miscele contemporaneamente su un'unica piastra ed è possibile eseguire la cromatografia bidimensionale per migliorare l'efficienza.

DEFINIZIONI SELETTIVE

Uno dei compiti principali della chimica analitica è ottenere un'elevata selettività delle determinazioni. In alcuni casi la selettività è assicurata dalla separazione preliminare delle sostanze in studio, in altri dall'utilizzo combinato di diverse metodiche. Molti sistemi moderni utilizzano oggetti biologici (enzimi, anticorpi e recettori) e sensori speciali. I sensori sono costituiti da uno strato di sostanza chimicamente attiva e da un trasduttore fisico; sono comunemente usati per la misurazione selettiva delle concentrazioni chimiche. Inoltre, consentono misurazioni remote e continue.

metodi enzimatici.

Una proprietà degli enzimi che interessa alla chimica analitica è la loro capacità di accelerare in modo specifico determinate reazioni. I metodi enzimatici possono essere utilizzati per analizzare sia sistemi in equilibrio che in non equilibrio e possono essere combinati con vari metodi di rilevamento: spettrofotometria, fluorescenza, chemiluminescenza, potenziometria e amperometria. Vengono utilizzati sempre più spesso enzimi immobilizzati. Spesso ciò aumenta la risoluzione del metodo e, inoltre, consente il riutilizzo degli enzimi, il loro utilizzo in reattori a flusso o biosensori. Gli enzimi vengono incorporati in membrane, gel polimerico reticolato o adsorbiti su un supporto solido.

metodi immunologici.

Gli anticorpi sono sostanze che vengono prodotte nel corpo dei vertebrati in risposta alla comparsa di antigeni in esso contenuti e si legano specificamente a questi antigeni. La specificità di legame è determinata dalla corrispondenza strutturale tra l'antigene e l'anticorpo prodotto. Gli antigeni marcati vengono utilizzati nelle determinazioni immunologiche. Pertanto, nei test radioimmunologici (RIA), un isotopo radioattivo, solitamente 125 I, funge da etichetta. Recentemente, etichette ed enzimi fluorescenti, chemiluminescenti ed elettroattivi sono diventati ampiamente utilizzati. Con l'aiuto di metodi immunologici, vengono analizzate sostanze medicinali, ormoni (come la gonadotropina corionica, con cui viene determinata la gravidanza) e agenti patogeni di malattie infettive.

sensori elettrochimici.

Il sensore elettrochimico più noto è l'elettrodo ionoselettivo. Gli elettrodi potenziometrici ed enzimatici del gas funzionano secondo il principio della selettività ionica. In essi, la membrana dell'elettrodo è ricoperta da uno strato di sostanza chimica, che è separato dalla soluzione analizzata (o gas) da una seconda membrana permeabile alla sostanza da determinare.

Un elettrodo a gas potenziometrico registra un cambiamento nella posizione di equilibrio di una reazione chimica che avviene in uno strato di sostanza sulla membrana dell'elettrodo. Questa reazione comporta la diffusione del gas attraverso la membrana esterna. Quando la sua quantità cambia, la posizione di equilibrio della reazione cambia e questo spostamento viene registrato dall'elettrodo. Il sensore di CO 2 utilizza un elettrodo a idrogeno rivestito con un sottile strato di bicarbonato. La CO 2, penetrando attraverso la membrana esterna, sposta la posizione di equilibrio della reazione CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H + e l'elettrodo a idrogeno misura la concentrazione di ioni idrogeno.

Negli elettrodi enzimatici potenziometrici, la membrana dell'elettrodo è rivestita con un enzima (ad esempio, ureasi nel caso della determinazione dell'urea). Sono stati sviluppati sensori potenziometrici per la determinazione di aminoacidi, penicillina e altri antibiotici. Batteri, tessuti vegetali e animali intatti possono essere utilizzati come strato contenente l'enzima.

Negli elettrodi enzimatici amperometrici, l'enzima è spesso l'ossidasi e viene registrato il consumo di ossigeno o la formazione di perossido di idrogeno. I sensori amperometrici basati sulla glucosio ossidasi vengono utilizzati per monitorare il contenuto di glucosio nei fluidi biologici.

Sensori ottici.

In tali sensori, all'estremità della fibra ottica viene applicato un reagente specifico: una guida luminosa. Un raggio di luce viene diretto lungo la guida luminosa e viene registrata la luce proveniente dalla faccia frontale con il campione applicato. Soprattutto molti sensori sono progettati per la misurazione ottica del pH. Contengono tutti un reagente immobilizzato che può esistere in due o più forme acido-base. Se queste forme hanno spettri di assorbimento o fluorescenza diversi, misurando a diverse lunghezze d'onda è possibile determinarne la concentrazione e calcolare il pH. A differenza di un elettrodo di vetro che misura il pH nell'intervallo da 1 a 14, i sensori ottici hanno un intervallo dinamico di valori di pH registrati di 1–2 unità su entrambi i lati di p K un indicatore. I sensori di ioni metallici (Al 3+, Mg 2+, Zn 2+, Cd 2+) utilizzano ligandi che iniziano a emettere una forte fluorescenza quando si legano a questi ioni. I sensori di ossigeno si basano sulla soppressione dell'ossigeno di un fluoroforo immobilizzato. Si tratta di un rilevamento dell'equilibrio, meno suscettibile alle fluttuazioni di temperatura e portata rispetto ai sensori di ossigeno amperometrici. Sono stati sviluppati biosensori basati sui principi dell'analisi immunologica. All'estremità delle fibre ottiche di tali sensori vengono applicati anticorpi e antigeni marcati in modo fluorescente.

Sensori di massa.

Un adsorbente selettivo viene applicato a un trasduttore sensibile alla massa (ad esempio, un oscillatore piezoelettrico al quarzo). Su di esso viene depositata la sostanza da determinare e il sensore registra la variazione di massa. Tali sensori vengono utilizzati per rilevare sostanze gassose e volatili come CO, CO 2 e SO 2 , idrocarburi aromatici e alifatici e pesticidi.

Letteratura:

Kreshkov A.P. Fondamenti di Chimica Analitica,tt. 1–3. M., 1977
Sleybo U., Pergona T. chimica generale. M., 1979
Karapetyants M.Kh., Drakin S.I. chimica generale. M., 1981
Glinka N.L. chimica generale. L., 1988

Al centro metodi chimici il rilevamento e la determinazione sono reazioni chimiche di tre tipi: acido-base, OVR e complessazione. I più importanti sono gravimetrici e titrimetrici.

Gravimetrico l'analisi consiste nell'isolare una sostanza nella sua forma pura e nel pesarla.

Molto spesso, l'isolamento viene effettuato mediante precipitazioni. Lo svantaggio dei metodi gravimetrici è la durata della determinazione, soprattutto nelle analisi seriali di un gran numero di campioni, così come la non selettività: i reagenti precipitanti sono raramente specifici, quindi spesso sono necessarie separazioni preliminari.

Analisi titrimetrica consiste nel determinare con precisione il volume di una soluzione di un reagente chimico a concentrazione nota, necessario affinché possa procedere una reazione completa con un dato volume della soluzione analizzata.

L'analisi titrimetrica è ampiamente utilizzata nei laboratori clinici e sanitari per l'analisi di sangue, succo gastrico, urina, alimenti, acque potabili e reflue.

Metodi fisici e chimici

Oltre ai metodi chimici di analisi qualitativa, sono noti altri metodi per identificare gli elementi chimici e i loro composti. Quindi, questa o quella sostanza può essere rilevata con metodi fisici di analisi, senza ricorrere a reazioni chimiche, o con metodi fisico-chimici studiando e osservando i fenomeni fisici che si verificano durante le reazioni chimiche.

Questi metodi, spesso chiamati strumentali, includono i seguenti metodi di analisi qualitativa:

Spettrale;

Luminescente;

cromatografico;

polarografico

alcuni altri.

Molto spesso, i metodi chimici sono combinati con metodi di analisi fisici e fisico-chimici, che forniscono una maggiore sensibilità e risultati di analisi più accurati. Aumentare la sensibilità e la selettività dei metodi è di grande importanza per l'analisi di sostanze altamente pure contenenti tracce di impurità. Per determinare piccole quantità (tracce) di impurità, vengono utilizzati metodi di isolamento preliminare, concentrazione (arricchimento) di microimpurità. Questi metodi includono:

metodi cromatografici;

estrazione;

coprecipitazione;

distillazione (distillazione) di composti volatili e alcuni altri metodi.

Combinando alcuni metodi di preconcentrazione con metodi di analisi fisici o fisico-chimici, è possibile ottenere un elevato grado di sensibilità, molte volte maggiore della sensibilità dei singoli metodi.

Metodi elettrochimici l'analisi e la ricerca si basano sullo studio e sull'utilizzo dei processi che avvengono sulla superficie dell'elettrodo o nello spazio vicino all'elettrodo. Qualsiasi parametro elettrico (potenziale, intensità di corrente, resistenza, ecc.) funzionalmente correlato alla concentrazione della soluzione analizzata e misurato può fungere da segnale analitico.

Distinguere Metodi elettrochimici diretti e indiretti. IN metodi diretti utilizzare la dipendenza della forza attuale (potenziale, ecc.) dalla concentrazione dell'analita. IN metodi indiretti viene misurata l'intensità della corrente (potenziale, ecc.) per trovare il punto finale della titolazione del componente dell'analita con un titolante adatto, vale a dire utilizzare la dipendenza del parametro misurato dal volume del titolante.

Esistono vari modi per classificare i metodi elettrochimici.

Classificazione dei metodi di analisi elettrochimica in base al parametro misurato della cella elettrochimica.