Chemische en biomedische analyse
Hoofdstuk 1: Inleiding
Chemische analyse:
• Doel:
− Informatie verschaffen over de natuur en samenstelling van de materie
− Informatie verschaffen over de structuur van een bestanddeel (geheel of
gedeeltelijk) in monsters van uiteenlopende complexiteit
• Analytische chemie: de studie van methoden en hun diverse technieken die
aangewend worden om analytische problemen op te lossen
• Gebaseerd op fysicochemische metingen met uitgebreid instrumentenpark
• Analytische apparatuur van groot belang voor het onderzoek in de moleculaire
biologie, medische wetenschappen, voedingsindustrie, milieuwetenschappen en
materiaalwetenschappen
• Inzicht en kennis van de gebruikte analytische apparatuur is essentieel
Taak van een biomedicus: doordachte keuze meest geschikte meetmethode, in praktijk
toepassen, beperkingen/ moeilijkheiden onderkennen en problemen oplossen
1.1 Instrumentele analytische chemie
• Kwalitatieve en kwantitatieve karakterisering van de materie
→ Identificatie van chemische verbindingen of elementen die in een monster
aanwezig zijn om vragen te beantwoorden
• Kwalitatieve analyse: type karakterisering die aangeeft wat aanwezig is, identificatie
van één of meerdere bestanddelen. Vb. monster: “Is deze witte tablet een
aspirinetablet?”
• Kwantitatieve analyse: bepaling van de hoeveelheid species aanwezig is in een
monster Vb. monster: “Hoeveel acetylsalicylzuur bevat deze tablet aspirine?”
• Chemisch bestanddeel: element, verbinding of ion en deze verbinding kan organisch
of anorganisch zijn
• Karakterisering kan invloed hebben op:
− Ganse monster (bulk analyse) vb. elementaire samenstelling van een stuk
staal
− Oppervlakte van monster (oppervlakanalyse) vb. dikte laag oxide gevormd op
het oppervlak
• Fysicochemische parameters: temperatuur, snelheid waarmee iets wordt
afgebroken/ opgenomen
1
,Nat-chemische methodes vs instrumentele methoden
Nat chemische methoden: gebaseerd op een chemische reactie om de componenten in een
monster te identificeren en bepalen. Meestal representatief deel opgenomen dat opgelost
wordt in een geschikt oplosmiddel waarna men de specifieke reactie laat doorgaan.
→ Niet meer veel gebruikt: veel ervaring nodig en destructief
Instrumentele methoden: uitgevoerd met elektronische instrumenten gecontroleerd en
gestuurd door computers, gebruikt voor kwalitatieve of kwantitatieve analyse. Gebaseerd op
de interactie van materie met elektromagnetische straling en specifieke eigenschappen van
de materie.
→ Niet destructief (monster gaat niet kapot)
1.2 Analytische benadering
Stappenplan:
1. Definiëren van het probleem, keuze van de analysemethode en de meettechniek
2. Monstername, monstervoorbereiding en bewaring
3. Effectieve meting of de bepaling uitvoeren
4. Evaluatie van de meetresultaten, berekening en evaluatie van het eindresultaat
• Elke analysestap kan worden gestandaardiseerd
• SOP: Standard Operating Procedure
1.2.1 Probleemstelling
• Welke informatie wenst men te bekomen?
• Hoe nauwkeurig en precies?
• Hoeveel materiaal/ monster beschikbaar?
• Mag de analyse destructief zijn?
• Is het monster organisch of anorganisch?
• Is het zuiver materiaal of een mengsel?
• Buk analyse of enkel informatie over een specifieke fractie van het monster?
• Homogeen of heterogeen?
• Informatie nodig over de chemische species?
Matrix: het geheel van begeleidende bestanddelen van het monster
Interferentie: andere bestanddelen die in de monster aanwezig zijn en kunnen interfereren
met de meting van het te bepalen bestanddeel
1.2.1.1 Kwalitatieve analyse
• Niet-destructief = vernielen monster niet
− Kwalitatieve elementanalyse met vb. X-straal fluorescentiespectroscopie
(XRF)
− Kwalitatieve moleculaire analyse: welke moleculen aanwezig zijn in materiaal
met vb. nucleair magnetische resonantiespectroscopie (NMR) of met
infrarood (IR) spectroscopie
• Destructief = vernielen van het monster
2
, − Elementanalyse voor anorganische monsters met vb. inductief gekoppeld
plasma atoom emissiespectrometrie ICP-AES en ICP-MS → Alle elementen
identificeren
− Moleculaire analyse: GC-MS
• Chirale verbindingen reageren anders op het licht
1.2.1.2 Kwanitatieve analyse
• Niet-destructief:
− Elementanalyse: XRF, elektrochemische methoden
− Moleculaire analyse: GC, CE, elektrochemische methoden, IR
• Destructief:
− Elementanalyse: AES, AAS
− Moleculaire analyse: GC, CE, GC-MS
• Gevoeligheid
− Hoofdbestanddeel (> 10%)
− Nevenbestanddeel (0.1 – 10%)
− Spoorbestandeel (1 ppm – 0.1%)
− Ultra-spoorbestanddeel (< 1 ppm)
• Concentratiegebied
1.2.2 Keuze van de analystische methode
• Nauwkeurigheid, hoeveelheid, kostprijs, tijd, interferenties
• Blanco klaargemaakt en geanalyseerd (interferenties)
• Reagens blanco: kan als nulpunt worden ingesteld als het alle reagentia bevat om
een monster voor te bereiden op de analyse
• Matrix blanco: chemische samenstelling identiek aan die van een monster, het bevat
geen te analyseren bestanddelen
• Kalibratie met standaarden (routine, referentie, QC)
→Niet ijken gebruiken, kalibreren is het juiste woord
1.2.3 Monsteropname, monstervoorbereiding en bewaring
• Monstername
• Representatief voor het materiaal
• Niet gecontamineerd
• Monstervoorbereiding:
− Verwijderen van gead(ab)sorbeerde onzuiverheden
− Omzetten in een vorm die meetbaar is
→Scheiding of verwijderen van interfererende bestanddelen (verkleinen,
oplossen, extractie, precipitatie, vervluchtigen)
• Bewaring:
-Samenstelling mag niet veranderen door een reactie met lucht of licht
-Samenstelling mag niet veranderen door interactie met het recipiënt vb. plastiek
kan organische componenten lekken en een glasoppervlak kan ionen adsorberen als
afgeven in spoorconcentraties
-Invriezen van het materiaal
-Inert gas of in het donker
3
, -Hoge temperaturen en vochtigheid vermijden
-Bewaringsmiddel toevoegen
1.2.4 Uitvoering van de bepaling
Gemeten fysische parameter → omzetten naar een meetbaar signaal → concentratie van
het bestanddeel
Fysische parameters Meetbaar signaal
Geabsorbeerd licht Detector
Geëmitteerd licht (Transducer of sensor)
Potentiaalverschil
Elektrische stroom
• Bij een instrumentele methode wordt gebruikt gemaakt van een detector die
verandering in systeem detecteert → detector neemt een signaal waar → in verband
gebracht worden met de concentratie op basis van een kalibratie op voorwaarde dat
de detector goed ontworpen en bediend wordt
• Transducer (=sensor): detector die niet-elektrische signalen omzet in elektrische
signalen en omgekeerd. Vb. transducers die lichtfotonen omzetten in elektrische
stroom;
1.2.4.1 Signalen en ruis
• Elektronische apparatuur:
− Oude apparatuur: vacuümbuizen en uitleeseenheden zoals records
aangewend
− Moderne apparatuur: halfgeleidertechnologie en computers ter controle
• Basislijn: het meetsignaal aan weerszijden van de piek
• Geen signaal → volledig vlakke basislijn
• Signaal → piek, hoe groter hoe sterker
• Ruis: gestoord door willekeurige signalen
4
Hoofdstuk 1: Inleiding
Chemische analyse:
• Doel:
− Informatie verschaffen over de natuur en samenstelling van de materie
− Informatie verschaffen over de structuur van een bestanddeel (geheel of
gedeeltelijk) in monsters van uiteenlopende complexiteit
• Analytische chemie: de studie van methoden en hun diverse technieken die
aangewend worden om analytische problemen op te lossen
• Gebaseerd op fysicochemische metingen met uitgebreid instrumentenpark
• Analytische apparatuur van groot belang voor het onderzoek in de moleculaire
biologie, medische wetenschappen, voedingsindustrie, milieuwetenschappen en
materiaalwetenschappen
• Inzicht en kennis van de gebruikte analytische apparatuur is essentieel
Taak van een biomedicus: doordachte keuze meest geschikte meetmethode, in praktijk
toepassen, beperkingen/ moeilijkheiden onderkennen en problemen oplossen
1.1 Instrumentele analytische chemie
• Kwalitatieve en kwantitatieve karakterisering van de materie
→ Identificatie van chemische verbindingen of elementen die in een monster
aanwezig zijn om vragen te beantwoorden
• Kwalitatieve analyse: type karakterisering die aangeeft wat aanwezig is, identificatie
van één of meerdere bestanddelen. Vb. monster: “Is deze witte tablet een
aspirinetablet?”
• Kwantitatieve analyse: bepaling van de hoeveelheid species aanwezig is in een
monster Vb. monster: “Hoeveel acetylsalicylzuur bevat deze tablet aspirine?”
• Chemisch bestanddeel: element, verbinding of ion en deze verbinding kan organisch
of anorganisch zijn
• Karakterisering kan invloed hebben op:
− Ganse monster (bulk analyse) vb. elementaire samenstelling van een stuk
staal
− Oppervlakte van monster (oppervlakanalyse) vb. dikte laag oxide gevormd op
het oppervlak
• Fysicochemische parameters: temperatuur, snelheid waarmee iets wordt
afgebroken/ opgenomen
1
,Nat-chemische methodes vs instrumentele methoden
Nat chemische methoden: gebaseerd op een chemische reactie om de componenten in een
monster te identificeren en bepalen. Meestal representatief deel opgenomen dat opgelost
wordt in een geschikt oplosmiddel waarna men de specifieke reactie laat doorgaan.
→ Niet meer veel gebruikt: veel ervaring nodig en destructief
Instrumentele methoden: uitgevoerd met elektronische instrumenten gecontroleerd en
gestuurd door computers, gebruikt voor kwalitatieve of kwantitatieve analyse. Gebaseerd op
de interactie van materie met elektromagnetische straling en specifieke eigenschappen van
de materie.
→ Niet destructief (monster gaat niet kapot)
1.2 Analytische benadering
Stappenplan:
1. Definiëren van het probleem, keuze van de analysemethode en de meettechniek
2. Monstername, monstervoorbereiding en bewaring
3. Effectieve meting of de bepaling uitvoeren
4. Evaluatie van de meetresultaten, berekening en evaluatie van het eindresultaat
• Elke analysestap kan worden gestandaardiseerd
• SOP: Standard Operating Procedure
1.2.1 Probleemstelling
• Welke informatie wenst men te bekomen?
• Hoe nauwkeurig en precies?
• Hoeveel materiaal/ monster beschikbaar?
• Mag de analyse destructief zijn?
• Is het monster organisch of anorganisch?
• Is het zuiver materiaal of een mengsel?
• Buk analyse of enkel informatie over een specifieke fractie van het monster?
• Homogeen of heterogeen?
• Informatie nodig over de chemische species?
Matrix: het geheel van begeleidende bestanddelen van het monster
Interferentie: andere bestanddelen die in de monster aanwezig zijn en kunnen interfereren
met de meting van het te bepalen bestanddeel
1.2.1.1 Kwalitatieve analyse
• Niet-destructief = vernielen monster niet
− Kwalitatieve elementanalyse met vb. X-straal fluorescentiespectroscopie
(XRF)
− Kwalitatieve moleculaire analyse: welke moleculen aanwezig zijn in materiaal
met vb. nucleair magnetische resonantiespectroscopie (NMR) of met
infrarood (IR) spectroscopie
• Destructief = vernielen van het monster
2
, − Elementanalyse voor anorganische monsters met vb. inductief gekoppeld
plasma atoom emissiespectrometrie ICP-AES en ICP-MS → Alle elementen
identificeren
− Moleculaire analyse: GC-MS
• Chirale verbindingen reageren anders op het licht
1.2.1.2 Kwanitatieve analyse
• Niet-destructief:
− Elementanalyse: XRF, elektrochemische methoden
− Moleculaire analyse: GC, CE, elektrochemische methoden, IR
• Destructief:
− Elementanalyse: AES, AAS
− Moleculaire analyse: GC, CE, GC-MS
• Gevoeligheid
− Hoofdbestanddeel (> 10%)
− Nevenbestanddeel (0.1 – 10%)
− Spoorbestandeel (1 ppm – 0.1%)
− Ultra-spoorbestanddeel (< 1 ppm)
• Concentratiegebied
1.2.2 Keuze van de analystische methode
• Nauwkeurigheid, hoeveelheid, kostprijs, tijd, interferenties
• Blanco klaargemaakt en geanalyseerd (interferenties)
• Reagens blanco: kan als nulpunt worden ingesteld als het alle reagentia bevat om
een monster voor te bereiden op de analyse
• Matrix blanco: chemische samenstelling identiek aan die van een monster, het bevat
geen te analyseren bestanddelen
• Kalibratie met standaarden (routine, referentie, QC)
→Niet ijken gebruiken, kalibreren is het juiste woord
1.2.3 Monsteropname, monstervoorbereiding en bewaring
• Monstername
• Representatief voor het materiaal
• Niet gecontamineerd
• Monstervoorbereiding:
− Verwijderen van gead(ab)sorbeerde onzuiverheden
− Omzetten in een vorm die meetbaar is
→Scheiding of verwijderen van interfererende bestanddelen (verkleinen,
oplossen, extractie, precipitatie, vervluchtigen)
• Bewaring:
-Samenstelling mag niet veranderen door een reactie met lucht of licht
-Samenstelling mag niet veranderen door interactie met het recipiënt vb. plastiek
kan organische componenten lekken en een glasoppervlak kan ionen adsorberen als
afgeven in spoorconcentraties
-Invriezen van het materiaal
-Inert gas of in het donker
3
, -Hoge temperaturen en vochtigheid vermijden
-Bewaringsmiddel toevoegen
1.2.4 Uitvoering van de bepaling
Gemeten fysische parameter → omzetten naar een meetbaar signaal → concentratie van
het bestanddeel
Fysische parameters Meetbaar signaal
Geabsorbeerd licht Detector
Geëmitteerd licht (Transducer of sensor)
Potentiaalverschil
Elektrische stroom
• Bij een instrumentele methode wordt gebruikt gemaakt van een detector die
verandering in systeem detecteert → detector neemt een signaal waar → in verband
gebracht worden met de concentratie op basis van een kalibratie op voorwaarde dat
de detector goed ontworpen en bediend wordt
• Transducer (=sensor): detector die niet-elektrische signalen omzet in elektrische
signalen en omgekeerd. Vb. transducers die lichtfotonen omzetten in elektrische
stroom;
1.2.4.1 Signalen en ruis
• Elektronische apparatuur:
− Oude apparatuur: vacuümbuizen en uitleeseenheden zoals records
aangewend
− Moderne apparatuur: halfgeleidertechnologie en computers ter controle
• Basislijn: het meetsignaal aan weerszijden van de piek
• Geen signaal → volledig vlakke basislijn
• Signaal → piek, hoe groter hoe sterker
• Ruis: gestoord door willekeurige signalen
4
