FIA- Fließ-Injektions-Analyse

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1 Name des Betreuers: Dr. Paasch IA- ließ-injektions-analyse Name der Praktikanten: Albrecht, Christine Gruppennummer: 24 ink, Juliane Klue, Jör Köhler, Lydia Aufabe: Teil1: 1. Bestimmen Sie die ließeschwindikeit bei einer Drehzahl der Pumpe von 15 U/ min! 2. Beobachten Sie die Abhänikeit der Sinalform von der ließeschwindikeit! 3. ühren Sie mit fünf Kalibrierstandards eine Kalibrierun durch! 4. Bestimmen Sie den Gehalt an luorid in 2 Zahnpasten und in Speisesalz! Teil2: 1. Stellen Sie fünf Kalibrierlösunen her und führen Sie eine Kalibrierun durch! Geben Sie die Parameter und ehler der Kalibrierun nach DIN Teil 51 an! 2. Bestimmen Sie den Eisenehalt in Wein und einer synthetischen Probe! Berechnen Sie die Nachweis-, Erfassuns- und Bestimmunsrenze des Verfahrens nach DIN ! Grundlaen: Die ließinjektionsanalyse ist ein (teil-)automatisierter analytischer Prozess, der aus sequentieller Injektion enau definierter Mikroproben in einen kontinuierlich fließenden, unsementierten Träerstrom und nachfolender Detektion besteht. Die IA findet in vielen Bereichen Anwendun, wie zum Beispiel in analytischer Chemie, Pharmazie und Umweltanalytik. Sie ist leicht automatisierbar, relativ schnell bei kleinen Probemenen leicher Art, verhältnismäßi ünsti, ut reproduzierbar und vielfälti nutzbar. Die breite Verwendun eribt sich auch daraus, dass man fast alle Detektionsprinzipien (z.b. AAS, AES, ISE ) anwenden kann, die auf verschiedene Proben reaieren und dass man die Reaktionsstrecke recht flexibel estalten kann. Jedoch sind schnelle Detektion sowie kleine Durchflusszellen Voraussetzun, weshalb bevorzut spektralphotometrische und potentiometrische Methoden zum Einsatz kommen. Der Aufbau ist recht einfach: Probe Träerlösun Transportsystem Injektor Reaktionsstrecke Detektor Abfall

2 Die Träerlösun wird mit einer Peristaltikpumpe durch dünne Leitunen (<1mm) epumpt. Über ein Probenaufabeventil kann man dann eine definierte Mene Probe in die fließende Lösun eben, welche über die Reaktionsstrecke zum Durchflussdetektor transportiert wird; dabei muss der kontinuierliche luss erhalten bleiben. Die Pumpe erzeut eine annähernd laminare, unsementierte Strömun mit kleinen Strömunseschwindikeiten, was bei der IA Voraussetzun ist. Beim Transport laufen Konvektions- und Diffusionsvoräne ab. Dabei ist Konvektion vor allem für die Verformun der Probenzone aufrund der an den Wänden des Schlauches lansameren Strömun verantwortlich; und Diffusion ist die selbstständie Durchmischun der Stoffe aufrund von Konzentrationsunterschieden. Diese Voräne sind Ursache der Dispersion, was die Verrößerun der Probenzone im Schlauch ist. Dadurch verbreitert sich das Sinal und man erhält den allmählichen Anstie bzw. Abfall der Kurve im Konzentrations- Zeit-Diaramm. Die Dispersion muss stren kontrolliert werden, damit man die Messwerte später miteinander verleichen kann. Die Dispersion ist unter anderem abhäni von der Konzentration, der ließeschwindikeit und der Läne der ließstrecke. Berechnen kann man sie nach: C0 D = C Bei der potentiometrischen Bestimmun von luorid nutzt man zur Detektion eine ionenselektive luorid-elektrode und eine Kalomel-Elektrode um die Potentialdifferenzen infole der Konzentrationsänderun zu messen. Bestimmen könnte man dann die Konzentration (c) der luorid-ionen über die Nernst-Gleichun: cox E Elektrodenpotential E = E + ln c E Standardelektrodenpotential red Im Versuch wurden uns allerdins nur die Potentialdifferenzen anezeit, welche zur Kalibrierun aufetraen wurden. Bei der otometrie nutzt man die Tatsache, dass Stoffe Licht absorbieren, insbesondere das Licht der Wellenläne ihrer Komplementärfarben. Im Versuch absorbiert der blaue e(tptz) 2 -Komplex elboranes Licht mit einer Wellenläne von ca. 590 nm. Somit wird die Intensität des einfallenden Lichtes entsprechender Wellenläne verrinert. Anhand dieser Abschwächun kann man nach dem Lambert- Beerschen-Gesetz die Extinktion (E) bzw. daraus die Konzentration (c) berechnen: I E = l = ( ) d c I ε λ 0 I Lichtintensität am Ende I 0 ~ am Anfan d Schichtdicke ε λ Extinktionskoeffizient Im potentiometrischen Teil des Versuchs wird die Peakhöhe een den natürlichen Loarithmus der Konzentration aufetraen und mit Hilfe der Kalibriereraden die Probenkonzentration bestimmt. Im photometrischen Teil wird das Interal des Peaks een die Konzentration aufetraen und die Probenkonzentration bestimmt.

3 Chemikalien und Arbeitsschutz: Verwendete Chemikalien Gefahrensymbol R- und S-Sätze K 2 SO 4 O,1M K (verdünnt) T R: 23/24/25 S: 1/ HCl 0,1M C, Xi R: S: 1/ TPTZ-Lösun Wasserunlöslich, aber stark wasserefährdend R:22-36/ /22-50 S: Hydroxylammoniumhydrochlorid Xn, N HNO 3 O, C R:8-35 S:1/ eno 3 (verdünnt) C R:34 S: /37/39-45 Erläuterunen: T - Gifti C - Ätzend Xi - Reizend O - Brandfördernd Risiko-Sätze: R 8 euerefahr bei Berührun mit brennbaren Stoffen R 22 Gesundheitsschädlich beim Verschlucken R 23/24/25 Gifti beim Einatmen, bei Berührun mit der Haut und beim Verschlucken R 34 Verursacht Verätzunen R 35 Verursacht schwere Verätzunen R 36/38 Reizt die Auen und die Haut R 37 Reizt die Atmunsorane R 43 Sensibilisierun durch Hautkontakt mölich R 48/22 Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei länerer Exposition und esundheitsschädlich beim Verschlucken R 50 Sehr ifti für Wasseroranismen Sicherheits-Sätze: S 1/2 Unter Verschluss aufbewahren, darf nicht in die Hände von Kindern elanen S 22 Staub nicht einatmen S 23 Gas/ Rauch/ Dampf/ Aerosol nicht einatmen S 24 Berührun mit der Haut vermeiden S 25 Berührun mit den Auen vermeiden S 26 Bei Berührun mit den Auen ründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S 36 Bei der Arbeit eeinete Schutzkleidun traen S 37 Geeinete Schutzhandschuhe traen S 36/37/39 Bei der Arbeit eeinete Schutzkleidun, Schutzhandschuhe und

4 Schutzbrille/Gesichtsschutz traen S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen S 61 reisetzun in die Umwelt vermeiden. Durchführun: Das Experiment lässt sich formal in drei Teile liedern: Im ersten sollte die ließeschwindikeit bestimmt sowie die Änderun der Sinalform in Abhänikeit von der ließeschwindikeit aufezeit werden. Im zweiten Teil war mithilfe einer ionenselektiven Elektrode die luoridkonzentration in Zahnpasta und Speisesalz zu ermitteln. Im letzten Abschnitt sollte schließlich die Eisenkonzentration in Weißwein und einer synthetischen Probe bestimmt werden. ür die ersten beiden Aufaben wurde eine Minimalfließinjektionsanalysenanlae benutzt. Diese besteht aus einer Schlauchpumpe, welche die Träerlösun, die 0,1 mol/l Kaliumsulfat und mol/l luoridionen enthält, durch das Schlauchsystem befördert. Als nächstes folt das Probenaufabeventil, mit dessen Hilfe die Probe nach üllen in die Probenschleife ohne Unterbrechun des lusses in das System einebracht wird. Das Einfüllen in die Probenschleife erfolte mit einer Spritze. Da keine Reaktion im Schlauch stattfinden sollte, konnte nach einem kurzen Abschnitt der Detektor folen: In diesem all war es eine fluoridionensensitive Elektrode, der als Standard eine Kalomelelektrode folte. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden wurde mittels eines diitalen Potentiometers anezeit, leichzeiti aber auch an einen Schreiber weitereleitet, der Kurven aufzeichnete, deren Höhe von der Differenz abhänt,. Diese Kurven waren schlussendlich auszuwerten. Die Standardlösunen für diesen Teil des Experiments standen vorbereitet da. ür die erste Teilaufabe, die Berechnun der ließeschwindikeit, wurde die Schlauchpumpe auf 15 Umdrehunen pro Minute einestellt. Anstelle des Erlenmeyerkolbens zum Auffanen der verbrauchten Lösunen wurde ein Messzylinder estellt. Nun wurde die Zeit ermittelt, bis der Zylinder mit 10 beziehunsweise 20 ml efüllt war. Um die Abhänikeit der Sinalform von der ließeschwindikeit aufzuzeien, wurde die Drehzahl der Peristaltikpumpe zunächst auf fünf Umdrehunen pro Minute herabesetzt. Die Geschwindikeit des Papiervorschubs am Schreiber wurde auf 24 mm/min estellt. Dann wurde die Probenschleife mit dem Standard 1, welcher die höchste luoridionen-konzentration der bereitestellten Lösunen enthielt, efüllt und das Probenaufabeventil umeschaltet. Als das Sinal fast vollständi abeklunen war, wurde das Probenaufabeventil zurückedreht und die Schleife erneut mit dem Standard 1 efüllt. Vor dem Injizieren wurde jedoch die Geschwindikeit der Pumpe auf zehn Umdrehunen pro Minute erhöht. Als auch der hieraus resultierende Ausschla nahezu auf dem Ursprunsniveau war, wurde die Schleife erneut efüllt und die Umdrehunseschwindikeit auf 15 U/min esteiert. Die leiche Prozedur wurde noch zweimal abearbeitet, jedoch mit 30 bzw. 60 Umdrehunen pro Minute. Als nächstes folte die Kalibrierun der Elektrode für die folende luoridbestimmun: Hierzu werden die fünf eebenen Standards jeweils dreimal nach voriem Prinzip

5 injiziert. Die Geschwindikeit der Pumpe betru hierbei jedoch konstante 15 Umdrehunen pro Minute, der Papiervorschub des Schreibers 6 mm/min. Die Kalibriererade eribt sich nun aus der Auftraun der Mittelwerte der Ausschlashöhen über der Konzentration des jeweilien Standards. Zur Probenvorbereitun wurden unefähr zwei Gramm von den beiden bereitlieenden Zahnpasten, Nett-o-dent und Dentalux, abewoen und in etwa 40ml der Träerlösun elöst. Die Lösun war dann in einen Maßkolben zu überführen und auf 50 ml aufzufüllen, sodass die ermittelte Konzentration in der Lösun in einen ppm Gehalt in der Zahnpasta umerechnet werden konnte. Abschließend wurde die Nett-o-dent-Lösun filtriert, die Dentalux-Lösun ließen wir, da sie sehr schwer filtrierbar war, sedimentieren. Auch vom Speisesalz wurden zwei Gramm abewoen, diese konnten jedoch ohne Probleme in einem 50ml Maßkolben elöst werden. ür die Messunen wurden die Einstellunen der Pumpe und des Schreibers von der Kalibrierun übernommen, sodass leiche Rahmenbedinunen herrschten. Die Prozedur war die leiche wie zuvor: üllen der Probenschleife; injizieren; Abwarten bis der Ausschla wieder auf Niveau der Nullinie elant; Probenschleife erneut füllen Die Zahnpasten wurden jeweils viermal einespritzt, das Speisesalz dreimal. Über die Ausschlashöhe konnte nun mithilfe der Kalibriereraden die Konzentration der luoridionen bestimmt werden. Nach den Bestimmunen wurde die Apparatur mehrere Minuten mit destilliertem Wasser espült und in den Zustand, in dem wir sie vorfanden, zurückversetzt, wozu auch das Entleeren der Schläuche ehörte. Teil drei, die photometrische Eisenbestimmun, wurde mit einer kommerziellen, Computerestützten ließinjektionsanalyseapparatur durcheführt. Die IA war hier modular aufebaut, das heißt zum Beispiel, dass die Reaktionstrecke schnell und einfach een eine andere, für einen anderen Stoff oder Nachweis konzipierte, ausetauscht werden kann. Das für diesen Versuch benötite Eisen-TPTZ-Modul stand aber bereit. Nur die Pumpenschläuche waren in die entsprechenden Vorratsbehälter mit der Träerlösun und den Reaenzien zu hänen. Da hier in den Schläuchen eine Reaktion, die Komplexbildun, stattfand, waren diese im Geensatz zu denen der Minimal-IA aus dem ersten Teil läner. Ansonsten entsprachen sich die Aufbauten weitestehend. Auch in diesem all musste zuerst eine Kalibrierun durcheführt werden: Dazu wurden 5 Standardlösunen zu je 20ml mit steiender Eisenkonzentration herestellt. Hierfür nutzten wir eine 100 m Eisen je Liter enthaltende Stammlösun. ml Stammlösun Standard 1 Standard 2 Standard 3 Standard 4 Standard 5 0,02 0,1 0,2 0,5 1 c(e)* in m/l 0,1 0,5 1 2,5 5 * Konzentration an Eisen nach dem Auffüllen mit Salpetersäure auf 20ml Die Standards wurden dann mit 0,15%ier Salpetersäure aufefüllt. Dann wurden die Proben vorbereitet: Dazu wurden 0,3ml der 6,5%ien Salpetersäure in einen 20ml Maßkolben eeben und dieser dann mit dem Weißwein aufefüllt. Die synthetische Probe war schon entsprechend vorbereitet und musste nur abenommen werden. Die Messunen erfolten alle viermal nach Computeranweisun. Auch hier erhielten wir am Ende einen Ausdruck, der die Kurven und zusätzlich deren Interal, aber auch schon die Kalibrierfunktion beinhaltete.

6 Abschließend musste nur noch die Apparatur mit der Spüllösun sowie destilliertem Wasser espült und die Schläuche entleert werden. Auswertun Teil 1: luoridbestimmun mit ionenselektiver Elektrode - Bestimmen der ließeschwindikeit bei einer Drehzahl der Pumpe von 15 U/min V in ml t in s v in ml/s v in ml/ min v in ml/h ,49E-02 3,89 233, ,29E-02 3,77 226,44 Mittelwer t 6,39E-02 3,83 230,04 Berechnun: V v = z.b.: V=10ml und t=154s t 10 ml = 6, s 2 v = ml s - Beobachtun der Abhänikeit der Sinalform von der ließeschwindikeit v in U/min Peakhöhe cm B 1/2 P in t auf 5% in s mm 5 14, ,5 6,5 57, , , ,1 1 22,5

7 Die Sinalform verändert sich mit zunehmender ließeschwindikeit. So nimmt die Peakhöhe linear und die Breite auf halber Peakhöhe potentiell ab. Durch die erhöhte ließeschwindikeit kommt es bei der Messun zur Abschwächun der Sinalform und es zeit sich, dass das Potentiometer nicht schnell enu auf die Konzentrationsänderun reaiert. Allerdins ist bei zu eriner ließeschwindikeit die Sinalform verzerrt, da die Messun zu lan anhält. Daher messen wir mit einer mittleren Geschwindikeit (15 U/min). Maximale Probenrate bei 15 U/min: p = 1Pr 40s = Pr 1,5 min = Pr 90 h Lösemittelverbrauch: v -2 ml ml ml = 6,39 10 = 3,83 = 230, s min 04 h Bei der IA kann man die Messunen automatisieren und dadurch Zeit sowie finanzielle Mittel sparen. Außer mit potentiometrischen Detektoren kann man mit Photometern oder anderen Detektoren arbeiten. - Kalibrierun c in mol/l h p1 in cm h p2 in cm h p3 in cm Mittelwert 1,0E-02 14,05 13,95 13,95 13,98 3,0E-03 11,1 11,1 11,1 11,10 1,0E-03 8,35 8,35 8,4 8,37 3,0E-04 5,55 5,5 5,5 5,52 1,0E-04 3, ,03

8 - Bestimmun des Gehalts an luorid in zwei Zahnpasten und in Speisesalz Substanz h p1 in cm h p2 in cm h p3 in cm Mittelwert Kochsalz 6,3 6,25 6,45 6, Z 1 nett-o-dent 11,15 11,1 11,15 11, Z 2 dentalux 10,7 10,7 10,7 10,7 Allemein: Kochsalz: m = e h 24,94 2,387 V M ,94 mol m 2,387 3 e = l 18, 998 l 4 m = 3,9 10 mol für 2,08 Einwaae: 0,39m m = 0,188 = 188ppm = 2,08 0,0188% Zahnpasta nett-o-dent : 11,133 24,94 mol m 2,387 3 e = l 18, 998 l 3 m = 2,9 10 für 2,17 Einwaae 2,9m m m = = 1,346 = 1346 ppm 2,17 In der Zahnpasta nett-o-dent sollen laut Packunsanaben 1450 ppm enthalten sein, emessen wurden 1346 ppm. mol Zahnpasta dentalux : 10,7 24,94 mol m 2,387 3 e = l 18, 998 l mol 3 m = 2,4 10 für 1,99 Einwaae: 2,44m m = 1,225 = 1225 ppm 1,99 In der Zahnpasta dentalux sollen laut Packunsanaben 1450 ppm enthalten sein, emessen wurden 1225 ppm.

9 Teil 2: Photometrische Eisenbestimmun - Kalibrierun: Known Concentration Rep Area (v.s) Heiht (V) % RSD % Residual Det Conc. [m/l) Date Time ,5 2,19 1,1-0,6 5, :39: ,98 1,1 0,7 4, :40: ,2 1,99 1,1 0,3 4, :42: ,61 1,97 1,1 2 4, :43:28 2,5 1 20,8 1,11 0,5-3 2, :33:46 2,5 2 20,6 1,09 0,5-2 2, :35:12 2,5 3 20,6 1,1 0,5-2,1 2, :36:30 2,5 4 20,6 1,1 0,5-1,7 2, :37: ,63 1,7-0,5 1, :27: ,92 0,542 1,7 0,4 0, :28: ,3 0,537 1,7-3,3 1, :30: ,94 0,537 1,7 0,2 0, :32:00 0,5 1 6,5 0,358 0,5 0,6 0, :21:15 0,5 2 6,49 0,385 0,5 0, :22:36 0,5 3 6,57 0,353 0,5-0,4 0, :23:56 0,5 4 6,54 0,428 0,5 0 0, :25:24 0,1 1 3,1 0, ,7-2,58e :15:40 0,1 2 3,93 0, ,2 0, :17:03 0,1 3 3,66 0, ,8 0, :18:25 0,1 4 3,44 0, ,6 0, :49 - Bestimmun des Eisenehaltes in Weißwein und einer synthetischen Probe:

10 Probe Area 1 Area 2 Area 3 Area 4 Mittelwert Weißwein 12,80 13,00 13,20 13,40 13,1 synth. Probe 7,38 7,86 7,68 7,51 7,6075 Conc = 0,146 * Area - 0,455 für Weißwein: c c e = Weißwein 0,146 a 0,455 = 0,146 13,1 0,455 c e = 1, 457 m l für synthetische Probe: c c = = obe 0,146 a synth. Pr 0,455 0,146 7,6 0,455 m l c = 0, Bestimmun der EG, BG und NG nach DIN s xo = s y / b 0,0513m/l x m 1 1 1,82 m xng = sx0 t18;95% + + = 0,0513 2,1 + + = 0, 059 m n Q l ,6 l m x = EG 8 s = x0 0, 41 l xbg = sx0 11 = 0, 56 m l x ehlerrechnun Teil 2: - Kalibrierfunktion: Area = 6,84 * c + 3,12 mit R 2 = 0, RGP-Matrix: 6, , , , , , , ,398 2,

11 Daraus folen die anschließenden Werte: - Anstie: b = 6,84 dessen Standardabweichun s b = 0, Achsenabschnitt: a = 3,12 dessen Standardabweichun s a = 0, reiheitsrad: = N 2= 18 - Reststandardabweichun: N N x i Konzentration der i-ten Probe 2 2 (yi - y) ˆ i [yi -(a +b * x)] i yi wahre Konzentration i=-1 i=-1 s y = = ŷ über die Kalibrierfunktion errechnet N- 2 N- 2 a Blindwert b Empfindlichkeitsmaß s y 0,35 (mit der Ausleichseraden y = b x + a) - Verfahrensstandardabweichun: s xo = s y / b 0,0513m/l ehlerbetrachtun: Aufrund der relativ hohen Automatisierun der Verfahren, besonders im Teil 2 der Analyse, wurden ehler durch menschliches Einwirken reduziert. So verlante die Durchführun des Experiments vor allem die richtie Herstellun der Lösunen mit den entsprechenden Konzentrationen bzw. die sorsame Aufbereitun der Proben. Hier können besonders bei der Zahnpasta Unreelmäßikeiten durch unvollständie Auflösun aufetreten sein, und in ole eine erinere Konzentration der Probelösun: ollich wurden in den Zahncremes nett-o-dent / dentalux 1346 ppm / 1225ppm emessen, also 100 bis 125 ppm wenier als auf den Packunen stand (1450 ppm). Dabei löste sich Erstere auch wirklich besser als die Zweite. Allemein kann es natürlich auch zu ehlern beim Ablesen ekommen sein, hier wäre z.b. die Volumenmessun mit einem Messzylinder bei der Ermittlun der Durchflusseschwindikeit etwas unenau, auch durch Ausschwappen der Lösun. Auch waren die Höhenmessunen der ausedruckten Peaks per Lineal nicht hundertprozenti exakt. Der Schreiber am Potenziometer schlu auch einie Male in ole von Luftblasen stark aus, diese Peaks kann man aber deutlich von den anderen unterscheiden. Entscheidender war da die Verschiebun der Grundlinie (Linie bei reiner Träerlösun), die einmal mit der Zeit enerell etwas nach oben wanderte, und sich außerdem bei jeder Veränderun der Pumpen-Drehzahl verlaerte. Zur Kompensation leten wir Ausleichseraden in die Grundlinie, von denen aus wir schließlich die Höhen ablasen. Das Probenvolumen blieb durch die Aufnahmenschleife konstant, da wir auf eine vollständie üllun des Schlauchabschnitts ohne Luftblasen achteten. Sonst eventuell bei der Photometrie anfallende äußere Verschmutzunen, also z.b. ettfiner der Probenbehälter (Küvetten), entfallen, da wir keinen Kontakt zu ihnen hatten. Dadurch, dass wir zu Beinn der Teilexperimente jeweils kalibrierten, wurden diverse Einflüsse bereits mit erfasst (z.b. Temperatur, Lösunsmitteleinflüsse) und sollten bei konstanten Bedinunen keinen Unterschied in den Erebnissen verursacht haben.