Grundpraktikum Analytische Chemie II (Modul BC 5.1)

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1 Flammen-AAS mit Excel-gestützter Auswertung Grundpraktikum Analytische Chemie II (Modul BC 5.1) Atomabsorptionsspektrometrie mit Flammenatomisierung (F-AAS) und anschließender Excel-gestützter Auswertung Aufgabe: Betreuer: Bestimmung der Konzentration eines Schwermetalls in einer wässrigen Probe mittels Atomabsorptionsspektrometrie mit Flammenatomisierung in Direktkalibration und unter Berücksichtigung von Aspekten der Qualitätssicherung in der Analytischen Chemie Erlernen des grundlegenden Umgangs mit Excel und darauf aufbauend selbstständige Erstellung von Excel-Programmen für verschiedene analytische Fragestellungen. Dipl. Chem. Tobias Limburg (Teil AAS) Institut für Anorganische und Analytische Chemie, LB Umweltanalytik Lessingstraße 8, Raum 326 Tel.: (9) : Dipl. Chem. Gisa Baumbach (Teil AAS) Institut für Anorganische und Analytische Chemie, LB Umweltanalytik Lessingstraße 8, Raum 219 Tel.: (9) :

2 Dipl. Chem. Stefan Hesse (Teil Statistik) Institut für Anorganische und Analytische Chemie, LB Umweltanalytik Lessingstraße 8, Raum 326 Tel.: (9) : 1 Theoretische Grundlagen 1.1 Messprinzip der Atomabsorptionsspektrometrie Definition: Atomabsorptionsspektrometrie ist ein spektralanalytisches Verfahren zum qualitativen Nachweis und der quantitativen Bestimmung von Elementen mit Hilfe der Absorption optischer Strahlung durch freie Atome im Gaszustand. [DIN ] Das physikalische Grundprinzip der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) gründet sich auf das von KIRCHHOFF allgemeingültig formulierte Gesetz, nach dem jede Materie auf der Wellenlänge Strahlung absorbieren kann, auf der sie auch Strahlung emittiert. Das von PLANCK aufgestellte Gesetz der quantenhaften Absorption und Emission von Strahlung liefert die Grundlage für seine spezifische und quantitative Nutzung des von KIRCHHOFF gefundenen Zusammenhangs. Plancksches Gesetz: hc E E h c λ Energiebetrag Plancksches Wirkungsquantum Lichtgeschwindigkeit Wellenlänge

3 Ein Atom kann nur Strahlung eindeutig gegebener Wellenlänge bzw. Frequenz absorbieren, das heißt nur bestimmte Energiebeträge aufnehmen und wieder abgeben. Die Spezifität der AAS ergibt sich daraus, das E und λ für jede Atomart charakteristische Wertepaare besitzen. Bei einer atomspektrometrischen Messung kommt es daher zu einer elementspezifischen Wechselwirkung zwischen Strahlung einer Spektrallinie des zu bestimmenden Elements mit definierter Wellenlänge λ und den in der Probe enthaltenen Atomen dieses Elements, die sich durch Schwächung der Strahlungsintensität äußert. Die beobachtete Schwächung, das heißt die gemessene Strahlungsmengenabsorption, steht in direktem Zusammenhang mit der Zahl der absorbierenden Atome in der Probe. Die Strahlungsmengenabsorption wird als Extinktion A gemessen. Der Zusammenhang zwischen der Extinktion und der Analytkonzentration der Probe wird durch eine dem LAMBERT-BEERschen Gesetz analoge Beziehung beschrieben. A I I 0 lg c l A ε A c l I I 0 Extinktion atomarer Extinktionskoeffizient Analytkonzentration Länge des Absorptionsweges Intensität (Strahlungsfluss) nach Durchgang durch Flamme Intensität vor Durchgang durch Flamme

4 1.2. Apparative Grundlagen Ein Atomabsorptionsspektrometer besteht grundsätzlich aus einer Strahlungsquelle, der Atomisierungseinrichtung, dem Monochromator und dem Detektor. Abb und Abb zeigen den schematischen Aufbau eines Atomabsorptionsspektrometers mit Flammenatomisierung. Abb.1.2.1: aus pdf2/manuskript pdf Abb : Schematischer Aufbau eines Atomabsorptionsspektrometers mit Flammenatomisierung Als Strahlungsquelle kommen in der AAS Hohlkathodenlampen (HKL) oder elektrodenlose Entladungslampen (EDL) zum Einsatz. Diese Lampen enthalten das zu

5 bestimmende Element und strahlen dessen Linienspektrum aus. Eine Linie wird als Messwellenlänge ausgewählt. In Abb ist der Aufbau von HKL und EDL dargestellt. Abb.1.2.3: Aufbau von HKL und EDL a) Hohlkathodenlampe b) Elektrodenlose Gasentladungslampe A... Kathode (Element) A... Quarzkugel(Element, -Verbindung) B... Anode B... Keramikhalter C... Abschirmung C... Quarzfenster D... Glaszylinder D... Hochfrequenzspule Die Atomisierung des Analyten kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, in der AAS unterscheidet man folgende Techniken: Flammen- Technik (F-AAS) Graphitrohrofen- Technik (ET AAS) Hydrid- Technik (HG AAS) Kaltdampf- Technik (CV AAS) Die älteste und einfachste Variante ist die Flammen- Technik, auf die im folgendem näher eingegangen werden soll 1.3 F-AAS In der Flammen- Technik wird die gelöste Probe mittels eines pneumatischen Zerstäubers in eine Brennkamme gesprüht. Dort wird sie mit dem Brenngas und dem zusätzlichen Oxidans vermischt. Nachdem sich größere Lösungströpfchen an die

6 Prallflächen abgeschieden haben, gelangt die Probe dann als feines Aerosol in die Flamme. In der Flamme erfolgt die Überführung des Analyten in Atomdampf. Den prinzipiellen Aufbau eines Mischkammerbrenners zeigt Abb Abb Aufbau eines Mischkammerbrenners Die bekannteste und am häufigsten eingesetzte Flamme ist die Acetylen (Brenngas)/ Luft (Oxidans)- Flamme. Da mit ihr je nach Zusammensetzung Temperaturen bis ca K erreicht werden, bietet sie für zahlreiche Elemente eine ausreichende Atomisierungstemperatur. Die in der F-AAS auftretenden Interferenzen (Störungen) werden in spektrale und nichtspektrale Störungen unterscheiden. In Tabelle sind die wesentlichen Interferenzursachen und die Möglichkeiten ihrer Berücksichtigung bzw. Kompensation aufgezeigt.

7 Tab Art der Interferenz Korrektur Nichtspektrale Interferenzen Veränderung der Zahl der Atome des Analyten im Absorptionsvolumen a) Transportinterferenzen: Wirksamkeit des Analyttransports in die Flamme ist durch unterschiedliche Viskosität oder Oberflächenspannung der Lösungen (Lösungsmittel) zwischen den einzelnen Proben unterschiedlich Kalibration nach dem Standardadditionsverfahren (nur für multiplikative Interferenzen) b) Verdampfungsinterferenzen: Bildung thermisch stabiler Oxide des Analyten Arbeiten mit reduzierender Flamme Zusätze von Komplexbildern c) Gasphaseninterferenzen: Analytelement dissoziiert nicht vollständig in Atome wegen: Zusatz eines spektrochemischen Puffers Dissoziationsgleichgewicht Verbindung (Analyt) freie Atome (Analyt) Anregungsgleichgewicht Atome Grundzustand Atome angeregter Zustand Spektrale Interferenzen (Unspezifischer Untergrund) Untergrundkompensation mit Kontinuumstrahler * Absorption von Strahlung durch Moleküle gasförmiger Stoffe Strahlungsstreuung an Partikeln Überlappung von Atomlinien verschiedener Elemente Auswahl geeigneter Messwellenlängen * bei Einsatz anderer Atomisierungstechniken wie z. B. ET AAS werden auch die Zeeman- und Smith-Hieftje Untergrund-kompensation angewendet

8 1.4. Qualitätssicherung in der Analytischen Chemie Unter dem Begriff der Analytischen Qualitätssicherung (AQS) werden alle Maßnahmen zusammengefasst, die es ermöglichen, Aussagen über Qualität und Fehler von Untersuchungsergebnissen zu machen. Die Qualitätsmerkmale eines Analysenverfahrens sind u. a. Spezifität, Empfindlichkeit und Genauigkeit. Die Aufgabe des Analytikers ist es, die Qualität jedes von ihm angewandten Analysenverfahrens zu ermitteln, gegebenenfalls zu verbessern und zu dokumentieren. Die erreichte Qualität muss zu jedem Zeitpunkt der Routineanalytik eingehalten werden können, erst dann kann das Analysenverfahren als zuverlässig gelten. Die verfahrensbezogene Qualitätssicherung wird anhand des 4-Phasen-Modells in folgende Schritte gegliedert: Phase I: Das Analysenverfahren wird auf seine Qualitätsmerkmale hin untersucht, gegebenenfalls verbessert und beschrieben. Phase II: In der vorbereitenden Qualitätskontrolle wird das Analysenverfahren, dessen Qualitätsmerkmale bereits dokumentiert sind, für die Routineanalytik einsetzbar gemacht. Phase III: Alle laborinternen Maßnahmen der Qualitätssicherung in der Routineanalytik werden durchgeführt. (Interne Qualitätssicherung) Phase IV: Die externe Qualitätssicherung erfolgt in Form von Ringversuchen. Die konkreten Richtlinien zu Qualitätsmanagement und Qualitätssicherung sind in der Normenreihe DIN ISO 9000 niedergelegt. Laboratorien, die nach den Kriterien der europäischen Norm EN arbeiten, können sich akkreditieren lassen. In diesem Praktikumsversuch soll das von ihnen angewendete Analysenverfahren auf seine Qualitätsmerkmale hin untersucht werden, d.h. es durchläuft Phase I der Analytischen Qualitätssicherung. Phase I beinhaltet im wesentlichen die vier Hauptschritte Vorbereitung des Kalibrierexperiments Prüfung auf

9 Linearität der Kalibrierfunktion Präzision (Varianzenhomogenität, Ausreißerfreiheit, Absicherung des unteren Arbeitsbereiches) und endgültige Ermittlung der Kalibrierkenndaten Prüfung auf Einfluss von einzelnen Verfahrensschritten oder von Matrixeffekten auf die Kalibrierkenndaten Prüfung auf zeitliche Beeinflussung des Analysenverfahrens Das Analysenverfahren wird Ihnen in schon optimierter Form vorgegeben. Ihre Aufgabe im Rahmen des Praktikums ist es, die Qualitätssicherung des Verfahrens anhand Ihrer Messwerte mit Hilfe statistische Methoden zu untersuchen und zu dokumentieren. Die zwei letztgenannten Schritte der Phase I entfallen auf Grund des zeitlichen Rahmens des Praktikumsversuches. 2 Vorbereitung Vor Versuchsbeginn wird ein Antestat durchgeführt. Setzen Sie sich dazu mit den folgenden Fragen/Aufgaben auseinander: Beschreiben Sie das Prinzip der Atomabsorptionsspektrometrie. Worin unterscheiden sich Absorptions- und Emissionsspektrometrie? Informieren Sie sich über die verschiedenen Möglichkeiten der Atomisierung. Stellen Sie Vor- und Nachteile heraus. Welche Strahlungsquellen kennen Sie? Welche Arten von Spektren kennen Sie, und wie unterscheiden sie sich? Wozu dient der Monochromator? Welche Detektoren kennen Sie? Welcher Zusammenhang besteht zwischen Konzentration des Analyten und der Messgröße? Welches physikalische Prinzip bildet die Basis der Atomabsorptionsspektrometrie?

10 3 Aufgabenstellung Bestimmen Sie die Konzentration an Zink in einer unbekannten wässrigen Lösung mittels F-AAS. Führen Sie hierzu folgende Schritte aus Kalibrieren Sie das Gerät mit Lösungen bekannten Zinkgehaltes und prüfen Sie das Messverfahren nach den Gesichtspunkten der Analytischen Qualitätssicherung. Bestimmung der Konzentration an Zink in einer unbekannten Probe. 4 Durchführung 4.1 Herstellen der Kalibrationslösungen Sie erhalten eine Lösung von ZnSO H 2 O mit einer Einwaage von 1,5295 g L -1 Wasser. Aus dieser Lösung stellen Sie über Zwischenverdünnungen Lösungen mit folgenden Konzentrationen her: c 1 = 0,17 mg L -1 c 2 = 0,35 mg L -1 c 3 = 0,70 mg L -1 c 4 = 0,90 mg L -1 c 5 = 1,25 mg L -1 c 6 = 1,53 mg L -1 c 7 = 1,91 mg L -1 Zur Verfügung stehen Ihnen 100-mL-, 250-mL-, 500-mL-Maßkolben, 25-mL-Büretten und Vollpipetten verschiedener Größen zur Verfügung. Eppendorff-Pipetten dürfen nicht verwendet werden. Berechnen Sie die Verdünnungsschritte bitte im Vorfeld des Versuches! (Bitte auf sinnvolle Verdünnungsschritte achten!) Stellen Sie ebenso zwei Blindproben her.

11 4.2 Messungen Die konkreten Messbedingungen erfahren Sie am Gerät von ihrem Praktikumsassistenten. Das von Ihnen geführte Messprotokoll (bzw. Messprotokoll des Analysengerätes) fügen Sie bitte dem Praktikumsprotokoll im Original bei. Bestimmen Sie die Extinktion der vorbereiteten Lösungen jeweils dreimal mittels F-AAS. Führen Sie jeweils 10 Bestimmungen an den Kalibrierproben mit dem höchsten und den niedrigsten Zinkgehalt durch. Messen Sie die Extinktion der unbekannten wässrigen Probe in 3 Bestimmungen. 5 Auswertung Bedingt durch die moderne instrumentelle Analytik mit Autosampling fällt heutzutage in der Routine eine immens große Datenmenge an, die vom Analytiker zu bewerten ist. Für die statistische Auswertung analytischer Daten sind in der Praxis entsprechende Programme (z. B. Statistica, SQS, Validat) erforderlich. Der Analytiker selbst entscheidet in der Regel nicht über die Anschaffung dieser Programme (sehr teuer), sondern das übergeordnete Qualitätsmanagement des Unternehmens. Stehen keine kommerziellen Programme zur Verfügung, muss der Analytiker eigene Programme erstellen und diese validieren. Weiterhin müssen diese Programme geschützt vor Manipulation für die Routine in seinem Aufgabenbereich zur Verfügung stehen. Zum Erlernen der für die Auswertung der F-AAS wichtigsten Kenngrößen werden Ihnen ausgewählte Befehle im Excel vorgestellt. Datensatz 1: Im ersten Beispiel wurde der Gehalt von Arsen in Flusswasser mit Hilfe der Hydrid- AAS bestimmt. Die Probennahme erfolgte flussabwärts (Messung 1 bis 20).

12 Die grafische Darstellung der erhaltenen Messergebnisse erfolgt in einem Säulendiagramm. Für diesen Datensatz sollen außerdem Modalwert, Median und Mittelwert berechnet werden. Datensatz 2: In der Landwirtschaft werden verschiedenste Futtermittel für die Tierernährung eingesetzt. Die Futtermittel unterliegen strengen Kontrollen, um den gesetzlich vorgeschriebenen Qualitätsrichtlinien gerecht zu werden. Aus diesem Grund wurde der As-Gehalt eines Mischfuttermittels bestimmt. Als analytisches Messverfahren wurde die ICP-DRC-MS verwendet. Der entsprechende Datensatz ist im Register Daten zu finden. Mit diesem Beispiel sollen folgende Punkte abgehandelt werden: Normalverteilung (DAVID-Test) Ausreißertest (GRUBBS) Prüfung auf Varianzenhomogenität (F-Test) Bestimmung von Kalibrierungsparametern (a, b, s x0 und s yx ) Vergleich zwischen einem Mittelwert und einem theoretischen Wert (t-test) Ermittlung der NG, EG und BG Berechnung des Vertrauensbereiches Hinweise zur Lösung: Tabellenwert F(P, f 1, f 2 ): Tabellenwert t (P, f): f x FINV (Statistik) f x TINV (Statistik) Vor Versuchsbeginn wird ein Antestat durchgeführt. Setzen Sie sich dazu mit den folgenden Fragen/Aufgaben auseinander: Informieren Sie sich über grundlegende Begriffe der uni-variaten Statistik! Wie sind sie definiert und was sagen sie aus? Beschreiben Sie das Prinzip der linearen Regression mit anschließender Einschätzung der Linearität! Was sind Fehler 1. und 2. Art? Erklären Sie die Begriffe Nachweis-, Erfassungs- und Bestimmungsgrenze

13 Was versteht man unter der Wiederfindungsfunktion und was ist bei der Angabe zu beachten? Hinweise zum Ablauf des Versuches: Vor Beginn des Versuches werden die beiden Antestate zu Flammen-AAS und Statistik parallel zueinander durchgeführt. Die Gruppen teilen sich dazu in Zweierund Dreier-Gruppen und führen nacheinander abwechselnd die beiden Antestate durch. Anschließend werden die Kalibierstandards hergestellt und mittels F-AAS gemessen. Im Zweiten Teil des Versuches erfolgt die Einarbeitung in Excel. Folgende Punkte sind im Protokoll abzuarbeiten: Berechnen Sie aus den erhaltenen Werten die Kenndaten der Kalibration und stellen Sie das Ergebnis der linearen Regression graphisch dar Prüfen Sie ihre Kalibrierfunktion auf Linearität mit Hilfe der Residualanalyse. Berechnen Sie die Varianzen der Kalibrierproben mit dem höchsten und dem niedrigsten Zinkgehalt und prüfen Sie die Varianzenhomogenität. Berechnen Sie die Nachweisgrenze aus der Kalibrierfunktion. Fassen Sie die Ergebnisse Ihrer Qualitätskontrolle zusammen und bestimmen Sie den Zinkgehalt der unbekannten Probe! Geben Sie das Vertrauensintervall der Bestimmung an. Welche Phasen der Analytischen Qualitätssicherung müsste das Verfahren durchlaufen, um in die Routineanalytik eingeführt werden zu können? Das Protokoll ist spätestens 2 Wochen nach Versuchsdurchführung sowohl ausgedruckt als auch elektronisch abzugeben. Beim Ausdruck bitte das Messprotokoll und bei der elektronischen Versuch die Excel-Datei anhängen.

14 Literaturempfehlungen: Welz, B., Sperling, M.: Atomabsorptionsspektrometrie, 4. neubearbeitete Aufl.; WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 1997 Schwedt, G.: Analytische Chemie Grundlagen, Methoden und Praxis, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1997 Skoog, D. A., Leary, J. J., Instrumentelle Analytik: Grundlagen, Geräte, Anwendungen, Springer Verlag Berlin 1996 Funk, W., Dammann, V., Donnevert.: Qualitätssicherung in der Analytischen Chemie, VCH Weinheim, 2005 Günzler, H. (Hrsg.): Akkreditierung und Qualtitätssicherung in der Analytischen Chemie, Springer Verlag Berlin, 1994 Gottwald, W.: Statistik für Anwender, Wiley-VCH, Weinheim, 2004