Vorlesung Analytische Chemie I

Transkript

1 ALBERT-LUDWIGS- UNIVERSITÄT FREIBURG Vorlesung Analytische Chemie I Prof. Dr. Christoph Janiak Literatur: Jander,Blasius (blau), Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum, 14. Auflage, Hirzel-Verlag, 1995 K. Cammann, Instrumentelle Analytische Chemie, Spektrum-Verlag, 2001 D. A. Skoog, J. J. Leary, Instrumentelle Analytik, Springer Berlin, 1996 D. C. Harris, Lehrbuch der Quantitativen Analyse, Springer Berlin, 2002

2 Vorlesung Analytische Chemie I Übersicht 1. Bedeutung der Analytik (ppt) 2. Der Analytische Prozess (ppt) ppt = als Powerpoint-Präsentation

3 Der Analytische Prozess Teilschritte zur Durchführung einer Analyse: Definition der Aufgabenstellung / Analyseplanung Probennahme Probenaufbereitung / Probenvorbereitung - Direkt- / Verbundverfahren - Matrixeffekte - Aufschlüsse Bestimmung / Messung Bewertung des Ergebnisses in Bezug auf die Aufgabenstellung

4 Der Analytische Prozess Probenvorbereitung in Lebensmittelanalytik Probenvorbereitung: Herstellung einer homogenen Teilprobe für die Analyse Bsp. Elementbestimmungen in Lebensmitteln Vorbereitung wie in Küche Salat: von Erdresten und welken Blätter befreien, sorgfältig waschen, Waschwasser abschleudern grundsätzlich nur Untersuchung von essbaren Anteilen, Äpfel ohne Stiel und Kerngehäuse Homogenisierung mit spez. Zerkleinerungsgeräten: hoher Endfeinheitsgrad ohne zu große thermische Belastung für Fe-, Cr- oder Ni-Bestimmungen kein Einsatz von Edelstahl (Kontamination!) Zerstörung der organischen Anteile notwendig, um Elemente störungsfrei zu erfassen bei Elementspuren Druckaufschluss in geschlossenen Gefäßen mit HNO 3 (Mineralisierung)

5 Der Analytische Prozess Bedeutung von Probennahme und -vorbereitung "Fehler bei der Probennahme, beim Transport, bei der Lagerung und insbesondere bei der Vorbereitung der Proben, können durch eine noch so aufwendige Kalibrierung und Sorgfalt bei der Durchführung der Messungen selbst mit den besten Instrumenten nicht mehr behoben werden" W. Frenzel, GIT Labor-Fachzeitschrift 3/2003, 254

6 Vorlesung Analytische Chemie I Übersicht 1. Bedeutung der Analytik (ppt) 2. Der Analytische Prozess (ppt) 3. Messunsicherheit (ppt) ppt = als Powerpoint-Präsentation

7 Der Analytische Prozess Teilschritte zur Durchführung einer Analyse: Definition der Aufgabenstellung / Analyseplanung Probennahme Probenaufbereitung / Probenvorbereitung Bestimmung / Messung Bewertung des Ergebnisses in Bezug auf die Aufgabenstellung

8 Inhaltsverzeichnis Analytische Chemie I Der Analytische Prozess Chemische quantitative Analyse -Gravimetrie - Elektrogravimetrie - Titrimetrie Bestimmungsmethoden Instrumentelle quantitative Analyse - Atomemissionsspektroskopie, AES - Photoelektronenspektroskopie, PES bis Röntgenfluoreszenzanalyse, RFA - Auger-Elektronenspektroskopie bis Elektronenstrahl-Mikrosonde, ESMA - Atomabsorptionsspetroskopie, AAS - Polarographie und Voltammetrie - UV/VIS-Absorptions- bis Fluoreszenz-Spektroskopie - Fließinjektionsanalyse, FIA - Ionenchromatographie, IC - Neutronenaktivierungsanalyse, NAA - Massenspektrometrie, MS

9 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Wie genau ist ein Analysenergebnis? Akkreditierung eines Labors verlangt Konzepte zur Angabe der Messunsicherheit. Kunde soll / muss wissen, wie genau Ergebnis ist Problem 1: Auftraggeber will von "Unsicherheit" eigentlich nichts wissen, will absolut zuverlässigen Wert; er hofft, dass Messunsicherheit nicht existiert. Problem 2: auch das Labor hofft, dass sich der Auftraggeber nicht wirklich dafür interessiert; gibt Analysenergebnis mit möglichst vielen Stellen an, z.b. 5-6 auch wenn nur 2 abgesichert sind. Messunsicherheit ist kein Negativkriterium, kein Mangel an Analysen-Leistung

10 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Fehler = Unsicherheit, Varianz, Abweichung, Messunsicherheit Leitsatz: "Ein Analysenergebnis ohne Angabe eines Fehlers ist wertlos." Jede Messung ist prinzipiell fehlerhaft zwei Arten von Fehlern: Zufallsfehler = statistische Fehler, betreffen die Reproduzierbarkeit systematische Fehler, betreffen die Richtigkeit

11 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Zufällige Fehler ergeben ein unsicheres Analysenergebnis Systematische Fehler ergeben ein falsches Analysenergebnis Häufigkeit der Messwerte Intervall der Messwerte x Mittelwert Zufallsabweichung x i Messwert wahrer Wert systematische Abweichung

12 Zufallsfehler / systematischer Fehler Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Zufällige Fehler ergeben ein unsicheres Analysenergebnis Systematische Fehler ergeben ein falsches Analysenergebnis Zentrum = wahrer Wert = Messwert Ergebnis: reproduzierbar und richtig reproduzierbar aber falsch schlecht reproduzierbar aber richtig nicht reproduzierbar und falsch

13 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Zufallsfehler = statistischer Fehler: positive und negative, zufällige Abweichungen um einen bestimmten Wert Zufallsfehler z.b. aus Ableseungenauigkeiten, aus Temperaturschwankungen und elektronischem Rauschen statistische Fehlerrechnung: n-wiederholungen einer (instrumentellen) Messung x i Mittelwert x

14 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit xi Mittelwert x = = n n i= 1 1 n n x i i= 1 Messwertintervall mit Häufigkeitskurve (Normalverteilung) Wendetangenten Standardabweichung σ = = Vertrauensbereich ±1σ 68.3% ±2σ 95.0% ±3σ 99.7% dafür, dass Messwert in dem Intervall liegt (größere Sicherheit nur bei geringerer Genauigkeit) 1 n 1 n i= 1 (xi x) b 1/2 = σ x σ w = 4 σ w = 4 σ, Basisbreite, Bandenbreite zwischen den Wendetangenten einer Bande b 1/2 = σ, Bandenbreite auf halber Höhe b 1/2 = w = 0.59 w ln2 2

15 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Standardabweichung σ = Maß für die Streuung der einzelnen Messwerte um den Mittelwert, charakterisiert Genauigkeit (Vertrauenswahrscheinlichkeit) der einzelnen Messung, charakterisiert Genauigkeit des Messverfahrens aber: Fehlerangabe per Standardabweichung nur sinnvoll, wenn Zufallsfehler überwiegt, instrumentelle n-wiederholungen liefern normalerweise keine sinnvollen Informationen zu Messunsicherheit, da Vernachlässigung der vielen anderen Einflüsse bei Probennahme und Probenvorbereitung, notwendig (besser) sind eigentlich n-wiederholungen der gesamten Bestimmung, inklusive Probennahme und Probenvorbereitung; aber sehr aufwendig (teuer) Fehlerangabe per Standardabweichung kein Indikator, dass Analysenergebnis richtig ist

16 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Zufallsfehler = statistischer Fehler: positive und negative, zufällige Abweichungen um einen bestimmten Wert Zufallsfehler z.b. aus Ableseungenauigkeiten, aus Temperaturschwankungen und elektronischem Rauschen statistische Fehlerrechnung: bei Auswertung der Analysenproben mit einer Kalibrierfunktion Analysenproben werden fast ausschließlich mit Hilfe einer Kalibrierfunktion quantitativ ausgewertet meistens (wird) lineare Kalibrierfunktion (angenommen), y = b x + a y = Messwert, x = Konzentration, b = Steigung, a = Ordinatenabschnitt

17 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit lineare Kalibrierfunktion y = b x + a y = Messwert, x = Konzentration, b = Steigung, a = Ordinatenabschnitt mit Vertrauensband (Vertrauensgrenzen) Messwert Analysenergebnis x mit Vertrauensbereich VB(x) (typisch 95%): x ± VB(x) Konzentration U. Hillebrand, GIT Labor-Fachzeitschrift 4/97, 380

18 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit aber: Fehlerangabe per Vertrauensbereich nur sinnvoll, wenn statistische Fehler überwiegen, Vernachlässigung der vielen anderen Einflüsse bei Probennahme und Probenvorbereitung, notwendig (besser) sind eigentlich Wiederholungen der gesamten Bestimmung, inklusive Probennahme und Probenvorbereitung; aber sehr aufwendig (teuer) Fehlerangabe per Vertrauensbereich kein Indikator, dass Analysenergebnis richtig ist

19 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit systematische Fehler: Abweichungen der Messwerte in nur eine Richtung weg vom wahren Wert grundsätzlich falsches Ergebnis Ursachen: z.b. logische Denkfehler, falsche Konzentrationen von Eichlösungen, Kalibrierfehler, falscher Titer, Kontaminationen oder Verluste, Matrixeffekte

20 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Meinung: In der instrumentellen Analytik gibt es keine systematischen Fehler. falsch! Problem: wenig Literatur zur Frage systematischer Fehler nahezu keine Hochschulausbildung Folgekosten systematischer Fehler sind dramatisch gemeint sind die im Bereich von (oder höher) liegenden Kosten aufgrund von falschen Entscheidungen, Einkäufen, Verkäufen, Bilanzen. Falsche oder nicht ausreichend scharfe Daten führen zu entsprechenden Folgen Analytik liefert ja Entscheidungsinformationen (siehe VL 1)!

21 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit Fehlerquellen systematische Analysenfehler ~ 1000% ~ 100% ~ 1% ~+1% ~+100% ~+1000% Probennahme Probenvorbereitung instrumentelle Messung

22 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit systematische Fehler: Abweichungen der Messwerte in nur eine Richtung weg vom wahren Wert grundsätzlich falsches Ergebnis Ursachen: z.b. logische Denkfehler, falsche Konzentrationen von Eichlösungen, Kalibrierfehler, falscher Titer, Kontaminationen oder Verluste, Matrixeffekte Erkennen systematischer Fehler: nur auf experimentellem Wege möglich Ringanalysen / Ringversuche

23 Ringanalysen 0.73 ppm Cobalt in Wasser M. Weber, GIT Labor-Fachzeitschrift 3/2003, 256.

24 Ringanalysen Laborvergleichsuntersuchungen über die Jahre im Rahmen der Qualitätssicherung Z-Score = Referenzwert Labormesswert Vergleichsstandardabweichung P. Fecher, Nachr. Chemie 2004, 52, 503.

25 Ringanalysen Laborvergleichsuntersuchungen über die Jahre im Rahmen der Qualitätssicherung Z-Score = Referenzwert Labormesswert Vergleichsstandardabweichung P. Fecher, Nachr. Chemie 2004, 52, 503.

26 systematische Fehler / Richtigkeit bei Ringanalysen Vergleichsstandardabweichung (Streuung) σ der Analysenergebnisse bei Ringanalysen als Funktion der Konzentration: (Horwitz-Funktion) ppb ppm im ppm-bereich σ ±15% 2σ (95% Vertrauen) ± 30% M. Weber, GIT Labor-Fachzeitschrift 3/2003, 256.

27 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit systematische Fehler: Abweichungen der Messwerte in nur eine Richtung weg vom wahren Wert grundsätzlich falsches Ergebnis Ursachen: z.b. logische Denkfehler, falsche Konzentrationen von Eichlösungen, Kalibrierfehler, falscher Titer, Kontaminationen oder Verluste, Matrixeffekte Erkennen systematischer Fehler: nur auf experimentellem Wege möglich Ringanalysen / Ringversuche Vergleich mit zertifizierten Standards / Referenzmaterialien

28 zertifizierte Standards / Referenzmaterialien Zertifizierte Referenzmaterialien der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) für die Funkenemissionsspektroskopie für die Analyse von Kupfer und Kupfer-Legierungen S. Recknagel, K. A. Meier, GIT Labor-Fachzeitschrift 12/97, 1164

29 Reproduzierbarkeit / Richtigkeit systematische Fehler: Abweichungen der Messwerte in nur eine Richtung weg vom wahren Wert grundsätzlich falsches Ergebnis Ursachen: z.b. logische Denkfehler, falsche Konzentrationen von Eichlösungen, Kalibrierfehler, falscher Titer, Kontaminationen oder Verluste, Matrixeffekte Erkennen systematischer Fehler: nur auf experimentellem Wege möglich Ringanalysen / Ringversuche Vergleich mit zertifizierten Standards Anwendung prinzipiell verschiedener Bestimmungsmethoden Anwendung so genannter "Absolutmethoden" Variation der Probenmenge Standardadditionsmethode

30 Standard-Additionsmethode Messsignal Messwerte Extrapolation Regressionsgerade, Messkurve Konzentration Analytkonz. in Probe mit Unsicherheit Probe Zusatz Standard-Konzentration [z.b. µg/l] (vgl. Skript Instrumentell-Analytisches Grundpraktikum)

31 Standard-Additionsmethode Berücksichtigung von Matrixeffekten Bsp. negative Analytkonzentration nach Blindwert-Abzug bei Pb-Analyse mit Stripping-Voltammetrie wegen Fe 3+ in Matrix Pb-Messwert x Blindwert + Pb-Standard-Zusatz x korrekter Wert für Probe Blindwert x x Probe x x x Probe + Pb-Standard-Zusatz Pb-Konzentration im ng und pg-bereich korrekter Wert für Blindwert (vgl. Versuch 11) (adaptiert aus Camann, Instrumentelle Analytische Chemie, S. 2-18)

32 Messunsicherheit und Grenzwert Bedeutung der Messunsicherheit bei juristischen Grenzwert-Betrachtungen: ("Kein Schuldspruch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheit") Konzentration Grenzwert Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Fall 6 = Messwert Fall 1: Messwert inklusive Messunsicherheit unter dem Grenzwert = Messunsicherheit, mindestens ±2σ (95.0% Vertrauensbereich)

33 Messunsicherheit und Grenzwert Bedeutung der Messunsicherheit bei juristischen Grenzwert-Betrachtungen: ("Kein Schuldspruch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheit") Konzentration Grenzwert Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Fall 6 = Messwert Fall 2: Messwert inklusive Messunsicherheit über dem Grenzwert = Messunsicherheit, mindestens ±2σ (95.0% Vertrauensbereich)

34 Messunsicherheit und Grenzwert Bedeutung der Messunsicherheit bei juristischen Grenzwert-Betrachtungen: ("Kein Schuldspruch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheit") Konzentration Grenzwert Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Fall 6 = Messwert Fall 3: keine klare Aussage möglich = Messunsicherheit, mindestens ±2σ (95.0% Vertrauensbereich)

35 Messunsicherheit und Grenzwert Bedeutung der Messunsicherheit bei juristischen Grenzwert-Betrachtungen: ("Kein Schuldspruch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheit") Konzentration Grenzwert Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Fall 6 = Messwert = Messunsicherheit, mindestens ±2σ (95.0% Vertrauensbereich) Fall 4 und 5: Fehlbeurteilung möglich, Nachuntersuchung angezeigt; mehrfache Messung, damit statistische Sicherheit der Aussage verbessert und Aussage nicht auf Einzelergebnis beruht

36 Messunsicherheit und Grenzwert Bedeutung der Messunsicherheit bei juristischen Grenzwert-Betrachtungen: ("Kein Schuldspruch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheit") Konzentration Grenzwert Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 Fall 5 Fall 6 = Messwert = Messunsicherheit, mindestens ±2σ (95.0% Vertrauensbereich) Einfluss der Messunsicherheit bei gleichen Messwerten: Fall 6: eindeutig über Grenzwert, Fall 5: nicht mit Sicherheit positiv

37 Der Analytische Prozess Zusammenfassung Aufgabenstellung Probennahme Probenvorbereitung - Direkt- / Verbundverfahren - Matrixeffekte - Aufschlüsse Bestimmung / Messung - Zufallsfehler / systematische Fehler - Reproduzierbarkeit / Richtigkeit - Standardabweichung - Kalibrierfunktion - Ringanalysen - zertifizierte Standards - Standard-Additionsmethode - Messunsicherheit und Grenzwerte Bewertung