Instrumentell-analytisches Praktikum

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1 Instrumentell-analytisches Praktikum 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Wolfgang Gottwald VCH Weinheim New York Basel Cambridge Tokyo

2 Inhalt Einführung 3 Standardbegriffe in der Analytik 5 Die Probenvorbereitung 7 4 Methodenvalidierung Präzision einer Methode Richtigkeit einer Methode Kalibrierung Zuverlässigkeit der Meßergebnisse Statistische Untersuchungen auf Ausreißer DIXON-Test Grubbs-Test 26 5 Chromatographische Methoden Verteilung aufgrund von Löslichkeitsgieichgewichten Verteilung aufgrund von Adsorption Aktivität und Polarität bei der DC und SC Aktivität des Adsorptionsmaterials Elutionsstärke des Lösemittels Auswahl der mobilen Phase (Eluent) 35 6 Säulenchromatographie (SC) Prinzip Einführendes Praktikum in der SC Versuch: Säulenchromatographische Trennung zweier Farbstoffe Säule Herstellung der Probenlösung Trennung Auswertung 39 7 Dünnschichtchromatographie (DC und HPTLC) Prinzip DC-Platte 41

3 X Inhalt 7.3 Probenauftrag Laufmittel Entwicklung der DC-Platte Nachweisverfahren in der DC Auswertung einer entwickelten DC-Platte HPTLC (Nano-DC) Qualitative Auswertung von DC-Chromatogrammen Quantitative Auswertung von DC-Chromatogrammen Praktische Versuche Versuch: Verhalten von Testfarbstoffen Prinzip Durchführung Auswertung Versuch: Qualitative Aminosäurebestimmung Prinzip Probenvorbereitung Chromatographie Auswertung Versuch: Halbquantitative Coffein-Bestimmung Prinzip Herstellung der Probenlösung Herstellung der Kalibrierlösungen Entwicklung und Identifizierung Auswertung Projekt: Wiederholreproduzierbarkeitsuntersuchung bei einer DC mit densitometrischer Auswertung Prinzip Durchführung Auswertung Versuch: Quantitative Bestimmung von Acetanilid mit Hilfe einer densitometrischen Auswertung Prinzip Durchführung Auswertung Versuch: Trennung von Erdalkalichloriden mit Hilfe der HPTLC Prinzip Durchführung Cholesterinbestimmung in Lecithinen Prinzip Herstellung der Lösungen Chromatographie Detektion und Messung Auswertung Vorschläge für weitere Projektarbeiten Identifizierung wasserlöslicher Lebensmittelfarbstoffe Identifizierung von Konservierungsstoffen mit DC 67

4 Inhalt XI 8 Parameter des instrumenteilen Chromatogramms Retentionszeiten Kapazitätsfaktor k Selektivität a Auflösung (Resolution) R Trennstufenzahl N lti und die Bodenhöhe HETP 75 9 Gaschromatographie Gaschromatographische Apparatur Trägergas Injektor Direktinjektion Splitinjektion On-Column-Methode Säulenofen Trennsäule Gepackte Säule WCOT-Kapillarsäulen Säule und Trägergasgeschwindigkeit Stationäre Phase einer WCOT-Säule (Trennflüssigkeit) Maximale Belastbarkeit von WCOT-Säulen Detektoren Massenstrom- oder konzentrationsabhängige Detektoren Empfindlichkeit des Detektors Linearität Selektivität des Detektors Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Flammenionisationsdetektor (FID) Phosphor-Stickstoff-Detektor (FID-NP) Elektroneneinfangdetektor (ECD) Integratoren Qualitative GC Quantifizierende GC Responsefaktor R Quantifizierung ohne Kalibrierung Quantifizierung mit einem externen (äußeren) Standard Quantifizierung mit einem internen (inneren) Standard Einführendes Praktikum in der GC Versuch: Bestimmung von gaschromatographischen Parametern Prinzip Durchführung Herstellung der Probenlösung Aufnahme eines Testchromatogramms Bestimmung der Totzeit t T Bestimmung und Berechnung weiterer GC-Parameter 117

5 XII Inhalt Optimierung des Trennsystems Systemtest: Aufspüren von aktiven Stellen in der Säule Prinzip Herstellung der Probenlösung Gaschromatographische Bedingungen Auswertung Systemtest: Überprüfung der Split-Diskriminierung und der Injektionsmethoden Prinzip Gaschromatographische Bedingungen Herstellung der Probenlösung Testchromatogramm Optimierung des Systems Auswertung Versuch: Entwurf eines Temperatur/Zeitprogrammes für die Alkantrennung C B, C und C Prinzip Gaschromatographische Bedingungen Optimierung des Systems Versuch: Qualitative Analyse von Alkoholen Prinzip Prüfsubstanzen in der Probe Gaschromatographische Bedingungen Optimierung des Systems Vergleich Versuch: Überprüfung der Wiederholreproduzierbarkeit Prinzip Gaschromatographische Bedingungen Testchromatogramm Optimierung des Systems und Auswertung Versuch: Quantitative Bestimmung eines 1-Heptanol und n-decan- Gemisches (ohne Standard) Prinzip Gaschromatographische Bedingungen Herstellung einer Probe Optimierung des Systems Substanzidentifizierung Berechnung des Massenanteils Versuch: Quantitative Bestimmung mit Hilfe des äußeren Standards Prinzip Gaschromatographische Bedingungen Herstellung der Kalibriergemische Herstellung der Probenlösung Aufnahme der Kalibrierkennlinie und Auswertung Auswertebeispiel 132

6 Inhalt XIII Versuch: Quantitative Bestimmung mit Hilfe des inneren Standards Prinzip Gaschromatographische Bedingungen Herstellung des Gemisches zur Bestimmung des Methodenfaktors Bestimmung des Methodenfaktors Herstellung einer Probe und die Vermischung mit innerem Standard Chromatographielauf der Probenlösung und die Berechnung Versuch: Bestimmung der Wiederfindungsrate von 1-Hexanol (mit innerem Standard) Prinzip Herstellung der Probe und die Vermischung mit innerem Standard Chromatographielauf der Proben- und Aufstocklösung und die Berechnung Berechnungsbeispiel Projekt: Bestimmung von Ethylenglycol in einer Bodenprobe Prinzip Arbeitsvorschrift Auswertung Ausblick Vorschläge und Themen für weitere Projektarbeiten Bestimmung von Methanol neben Ethanol in alkoholischen Getränken Bestimmung von Fettsäuremustern HPLC Der Eluent in der HPLC HPLC-Pumpen Probeninjektion HPLC-Säulen Säulenfüllmaterial (stationäre Phase) HPLC-Methoden NP-HPLC (Normal-Phase) RP-HPLC (Reversed Phase) Stationäre Phasen Silicagel (Kieselgel) Chemisch modifiziertes Silicagel (Kieselgel) Ionenaustauscherharz Detektor UV-Detektor Diodenarray-Detektoren (DAD) RI-Detektor Laufmittelauswahl in der RP-HPLC Qualitative HPLC 162

7 XIV Inhalt Quantitative HPLC Quantifizierung mit äußerem Standard Quantifizieren mit innerem Standard Einführendes Praktikum in die HPLC Systemtest: Überprüfung des Systems mit einem Testgemisch Prinzip Herstellung der Testmischung Vorbereitung des Detektors Bedingungen des HPLC-Systems Probenlauf Versuch: Qualitative Analyse Bedingungen des HPLC-Systems Aromatenprobe Probenlauf Versuch: Quantitative Analyse von Coffein nach der Methode des äußeren Standards Prinzip Bedingungen des HPLC-Systems Herstellung der Lösungen Proben-und Kalibrierlauf Auswertung Auswertebeispiel Versuch: Quantitative Analyse von Phenacetin mit innerem Standard nach der Mehrpunkt-Methode Bedingungen des HPLC-Systems Herstellung der Lösungen Proben-und Kalibrierlauf Auswertung Versuch: Quantitative Analyse von Phenacetin mit innerem Standard nach der Einpunkt-Methode Bedingungen des HPLC-Systems Bestimmung des Methodenfaktors/ M Herstellung der Lösungen Kalibrierlauf Probenlauf Systemcheck: Überprüfung der Reproduzierbarkeit (HPLC-Anlage; Konstanz der Peakfläche und der Retentionszeiten) Prinzip Bewertung der Messungen Mischung und Eluent Ausgangs-Bedingungen des HPLC-Systems Probenlauf Meßläufe Auswertung Aufgabe: Überprüfung der Richtigkeit der Phenacetin-Bestimmung mit Hilfe der Wiederfindungsrate 179

8 Inhalt XV Prinzip Herstellung der Lösungen Bedingungen des HPLC-Systems Probenlauf Berechnung der Wiederfindungsrate Projekt: Bestimmung von Parabenen in Hautschutzmitteln, Extraktion mit Festphasenextraktion Prinzip Herstellung der Lösungen Festphasenextraktion der Probe Bestimmung des Methodenfaktors Bestimmung der Masse an Methylparaben in der Creme Bestimmung der Wiederfindungsrate Weitere Vorschläge und Themen zur Durchführung von Projektarbeiten Zuckerbestimmung im Wein Bestimmung von Konservierungsstoffen in Lebensmitteln Bestimmung von 5-(Hydroximethyl)-furan-2-carbaldehyd (5-HMF) im Honig Kapillarelektrophorese (CE) Prinzip Elektroosmotischer Fluß (EOF) Spektroskopie Elektromagnetische Strahlung Lambert-Beersches Gesetz UV/VIS-Spektroskopie Absorptionsprinzip Aufbau des UV/VIS-Spektralfotometers Absorptionsmaximum und Wellenlänge Quantifizierende UV/VIS-Spektroskopie Mehrkomponentenanalyse Versuche in der UV/VIS-Spektroskopie Umgang mit Küvetten Systemtest: Wellenlängenüberprüfung Versuch: Fotometrische Bestimmung von Co 2+ - Lösung (Einpunktkalibrierung) Prinzip Herstellung der Kalibrierlösung Arbeiten am Fotometer Berechnung 206

9 XVI Inhalt Versuch: Fotometrische Bestimmung von Benzoesäure (Einpunktkalibrierung) Prinzip Herstellung der Kalibrierlösung Herstellung der Probenlösung Arbeiten am Fotometer Berechnung Versuch: Fotometrische Bestimmung von Cu 2+ (Mehrpunktkalibrierung) Prinzip Herstellung der Lösungen Durchführung der Bestimmung Herstellung der Kalibrierlösungen Herstellung der Probenlösungen (Doppelbestimmung) Auswertung Versuch: Fotometrische Bestimmung von P (Mehrpunktkalibrierung) Prinzip Herstellung der Lösungen Durchführung Herstellung der Kalibrierlösungen Herstellung der Probenlösungen (Doppelbestimmung) Auswertung Versuch: Quantitative Bestimmung zweier Farbstoffe mit der Multikomponentenanalyse Durchführung Herstellung der Lösungen Berechnung Projekt: Bestimmung der Wiederfindungsrate von Paracetamol in Paracetamol-Tabletten Prinzip Herstellung der Kalibrierlösungen Bestimmung der Wiederfindungsrate Auswertebeispiel Weitere Vorschläge für Projektarbeiten Kupferbestimmung aus dem Trinkwasser Formaldehydbestimmung in beschichteten Preßspanhölzern Photometrische Bestimmung von Sorbinsäure in Lebensmitteln Atomspektroskopie Linienspektroskopie Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) 222

10 Inhalt XVII 15 IR-Spektroskopie Entwicklung der Infrarotspektroskopie IR-Spektroskopie-Anwendungen IR-Absorption und das Molekül Schwingungsverhalten von zweiatomigen Molekülen Die Schwingung vielatomiger Moleküle (N>2) Bezeichnung der Normalschwingungen Aufbau des IR-Spektrofotometers Funktionsweise eines dispersiven IR-Spektrometers IR-Lichtquelle des dispersiven Systems Der Monochromator Auflösung durch Gitter Detektor Fotoelektrische Detektoren Meßverstärker und Registratursystem FT-IR-Spektroskopie Probenvorbereitung für die IR-Messung Probenvorbereitung für Gase Probenvorbereitung für Flüssigkeiten IR-Fenster renovieren Zerlegbare Küvetten (Einfachküvetten) Festküvetten (abgedichtete Küvetten) Variable Küvetten Probenvorbereitung für Feststoffe Lösungsverfahren Suspensionsverfahren Kaliumbromid-Preßverfahren Qualitative Auswertung und Interpretation von IR-Spektren Spektroskopische Daten vom Kohlenwasserstoffgrundgerüst Spektroskopische Daten von Sauerstoffverbindungen (außer Carbonylverbindungen) Spektroskopische Daten von Carbonylverbindungen Spektroskopische Daten von Halogenverbindungen Spektroskopische Daten von Stickstoffverbindungen (ohne direkte N-O-Bindung) Spektroskopische Daten von Stickstoffverbindungen (mit N-O-Bindung) Spektroskopische Daten von Schwefelverbindungen Bandenverschiebungen im IR-Spektrum Bandenverschiebung durch das Lösemittel oder Einbettungsmittel Bandenverschiebung durch die Molekülstruktur der Probensubstanz Übungsbeispiel Quantifizierende IR-Spektroskopie Theoretische Grundlagen Methodenentwicklung 295

11 XVIII Inhalt 15.8 Praktische Versuche mit Hilfe der IR-Spektroskopie Systemtest: Kalibrierung des Gerätes, Überprüfung der Wellenzahlen des Spektrometers mit einer Kalibrierfolie Versuch: Schichtdickenbestimmung einer leeren Küvette Prinzip Durchführung und Auswertung Versuch: Identifizierung von funktionellen Gruppen bei organischen Lösemitteln Durchführung Auswertung Versuch: IR-Spektren von Acetanilid und Abkömmlinge mit Hilfe der KBr-Technik Durchführung Versuch: IR-Spektren von Benzoesäure mit Hilfe der Suspensionstechnik Durchführung Projekt: Quantitative IR-Spektroskopie von Aceton in einem Farbverdünner Prinzip Herstellung der Lösungen Messung Auswertung Ausblick Vorschläge für weitere Projekte Untersuchung von Speiseöl CO 2 -Produktion eines Apfels Verfolgung der Reaktion Cyclohexanol zu Cyclohexen Massenspektroskopie (MS) Bauteile des Massenspektrometers Einlaßsystem Verdampfungsverfahren Spray-Verfahren Ionenquelle Analysator Registrator Das Massenspektrum Ionenarten Molekülion M Fragmentionen Auswertung von Massenspektren Bestimmung der molekularen Masse Bestimmung von Isotopenmustern Spektreninterpretation 320

12 Inhalt XIX 17 NMR-Spektroskopie Theoretische Grundlagen Das Feld und die Felderarten Kernmagnetische Resonanz Apparativer Aufbau Probenvorbereitung H-NMR-Spektrenauswertung ppm-skala des Spektrums Lage der Signale Entschirmung oder Abschirmung Induktiver Effekt (I-Effekt) und mesomerer Effekt (M-Effekt) Die Signalintensität und die Aufspaltung von Peaks Beispiel für eine einfache NMR-Spektrum-Identifizierung Literaturverzeichnis Empfohlene Bücher Anhang rm-tabelle (Grubbs-Test) ^-Tabelle Unfallverhütung und Produktentsorgung R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole 346