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wird in sich schnell bewegende ionisierende Gase überführt, an Handdes Masse-Ladungsverhältnisses detektiert
Geräte:- Vakuum Kollision der Ionen verhindern (bis 10-8
Pa)- verschiedene Ionisierungsarten (Elektronen, Hochspannung, Atome,
thermisches Plasma, Sekundärionenanregung)-
Einlasssystem, Ionenquelle, Trenn-
und Analysatorsystem, Detektor,Auswertesystem
Anwendung:- Strukturaufklärung von organischen Molekülen und Molmassenbestimmung- qualitative und quantitative Analyse anorganischer und organischer Bestandteile- Ermittlung von Isotopenverhältnissen- Struktur und Zusammensetzung von Oberflächen
Massenspektrometrie
ICP-MS
Funktionsprinzip:das Plasma ist ein im Hochfrequenzfeld ionisiertes Gas (Argon) und dientals Anregungsmedium für die eingesprühte flüssige oder gelöste Probe
System:Massenspektrometer(Quadrupol, Auflösung bis 0,5 Masseeinheiten)Interface(Ionenoptik, zwei Metallkegel mit Bohrungen 1 mm damit Ionen gebündelt das Massenspektrometer
erreichen)Plasma(Hochfrequenzgenerator)
Querschnitt durch den ICP-Brenner
6000 –
8000 K
Induktionsspule
Quarzrohr
PlasmaArgon
Aerosol Probe
Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
- gebräuchliches Verfahren zum quantitativen Nachweis von Metallen und Halbmetallen bis hin zum Ultraspurenbereich
- Prinzip:Atome können nur Licht ganz spezifischer Wellenlänge absorbieren bzw. emittieren
- Trennsäulen:in Umweltanalytik meist Dünnfilm-Trennkapillaren aus Quarzglas,polyamidummantelt, Länge 10-200 m, Durchmesser innen 0,1-0,5 mm,Oberfläche mit stationärer Flüssigkeit benetzt
- unterschiedliche Detektorsysteme-
Anwendung: z.B. Deponiegasbestimmung
Gaschromatographie in der Umweltanalytik
Proben-Dosierung
Manuell
Probenautomat
Adsorptionemittel
Edelstahlröhrchen
Trennsäule
DetektorWLD
FID
PND
ECD
PID
FPD
Hall-D
MS
Auswertung
GC-Detektoren und ihre Einsatzbereiche
Detektion
Kurz-
Substanzen
Empfind-form
lichkeit
Wärmeleitfähigkeits-
WLD ∗
Bodenluft
mittel-Detektor
∗
Deponiegase
mäßig∗
Biogase
Flammenionisations-
FID
∗
Kohlenwasserstoffe
gutDetektor
∗
Lösemittel∗
Benzol, Toluol, Xylol,ethylenbenzol
Phosphor-Stickstoff-
PND
∗
PflanzenbehandlungsmittelDetektor
∗
Nitrilotrieessigsäure
Elektroneneinfang-
ECD
∗
Leichtflüchtige halogenierte
sehrDetektor
Kohlenwasserstoffe
gut∗
Pflanzenbehandlungsmittel∗
Phenole
nach Derivatisierung∗
Schwerflüchtige halogenierteKohlenwasserstofe
∗
Polychlorierte Kohlenwasser-Stoffe
Photoionisations
PID
∗
aromatische Kohlenwasser-Detektor
Stoffe
Kombination von Gas-
FTIR
∗
KohlenwasserstoffeChromatographie mit FTIR
Kombination von Gas-
MS
∗
Dioxine, Furane
gutChromatographie mit
∗
Pflanzenbehandlungsmittel….-Spektrometer
∗
Polychlorierte Biphenyle, usw.
Kapillarelektrophorese
- neueste Technik elektrophoretischer
Verfahren (1979)- verknüpft Vorteile der elektrophoretischen
Trennmethoden mit den Möglichkeiten der einfachen direkten Quantifizierung und Automatisierung
- ermöglicht Auftrennung von Komponentengemischen über weitenMolekulargewichtsbereich (anorganischen Ionen bis hin zuBiopolymeren)
-
Ersatz oder Ergänzung der Ionenchromatographie (ideales Referenzverfahren)
- Nutzung in Kopplungstechniken (Massenspektrometrie)- Detektoren (Fluoreszenz, Leitfähigkeit, UV, MS)
Aufbau eines Kapillarelektrophoresesystems - Apparatur -
Zugabe
Kapillarelektrophorese Trennung von aromatischen Carbonsäuren
UV/VIS-Spektrometrie
- beruht auf spezifischer Absorption elektromagnetischer Strahlungin den Wellenlängenbereichen:
∗ λ = 200 –
400 nm (ultravioletter Bereich, UV)∗ λ = 400 –
800 nm (sichtbarer Bereich, VIS)
- Strahlungsenergien 650 330 kJ/mol bzw. 330 –
160 kJ/mol
- Anregung von energiereichen Valenzelektronen (π
–
Elektronen vonDoppelbindungen, freie Elektronenpaare von Heteroatomen)
- Plank`scher
Gleichung eigentlich Linienspektrum, in der Praxis aber breite Banden, da sich durch Aufspaltung von Grund-
und Anregungs-niveaus
durch sich ändernde Rotation und Schwingung der Molekülenahe beieinander liegende Übergänge
UV/VIS-Spektrometrie
A
Bandenspektrum
-
charakteristische Daten(Amax.
= Absorption im Maximun, λmax.
= Wellenlänge des Maximums)
-
-kann zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der zugehörenden Substanzen herangezogen werden
eignen sich auch als Detektoren für HPLC- hohe Bedienfreundlichkeit, niedrige Investitionskosten
Laserspektroskopische Methoden
∙
Während die herkömmliche UV-Vis-Spektroskopie
unter derVoraussetzung der Gültigkeit des Lambert-Beer`schen
Gesetzes die Absorption als Differenz aus austretendem zu eintretendemLichtstrahl bestimmt, nutzt die Laserspektroskopie direkteMethoden um die Absorption zu bestimmen.
∙
Das erhaltene Signal ist proportional zur eingestrahlten Lichtenergie,deshalb ist stets der Bezug zu dieser herzustellen.
-
Photoakustische Spektroskopie (LIPAS)-
Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS)-
Thermal Lensing
Spektroskopie (TLS)-
(Multi Photon Absorption Spektroskopie)
Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie
-„Absorbiertes Licht wird als Licht wieder ausgestrahlt.“-
Anregung der zu untersuchenden Uranverbindung mit einem Laserpuls
-
Detektion
des ausgesendeten Fluoreszenzlichtes unter einem Winkel von 90 °
zur Einstrahlungsrichtung.-
Zerlegung des Fluoreszenzlichtes in einem Monochromator, Detektion mit einem Diodenarray bzw. CCD-Kamera-
Für eine zeitaufgelöste Spektroskopie ist die Belichtungsdauer und der Zeitpunkt der Belichtung des Diodenarrays relativ zum Laserpuls einstellbar.(gatebarer
Bildverstärker –
Prinzip des Kameraverschlusses)
- Flureszenzspektren
können einer zeitaufgelösten Peakentfaltungunterzogen werden.
-unterschiedliche Spezies weisen neben unterschiedlichen Spektren
auchunterschiedliche Lebensdauern auf
Bestimmung mehrerer Spezies nebeneinander in einer Probe
Time-Resolved Laser-Induced Fluorescence Spectrum Mining Water Königstein
Verfahrensanwendung
- durch Anwendung von fluoreszierenden Organika
ist die indirekte Bestimmung von Metallionen möglich (Al, Li, Sn z.B.)niedrige Nachweisgrenzen pg/L, Störionen
sind zu berücksichtigen
- Pestizide, Aminosäuren, Nukleinsäuren haben oftmals selbst ausgeprägte Phosphoreszenz, die zur Bestimmung ausgenutzt wird
-
Messung erfolgt mit SEV (Sekundärelektronenvervielfacher)
Photoakustische Spektroskopie
-
"Absorbiertes Licht wird als Schallwelle wieder abgegeben."•
Aufnahme der Schallwelle durch ein an der Küvetteangebrachtes "Mikrofon" (piezokeram. Detektor) undUmwandlung in ein elektrisches Signal.
•
Da es sich bei der Schallwelle um eine auf den Laserpulsfolgende, gedämpfte Schwingung handelt, wird durch ein"Boxcar„-System
ein zeitliches Tor zur Messung nur derersten (intensivsten) Schwingungsamplitude gesetzt.
-
Durch Abstimmen des OPO-Lasersystems
über deninteressierenden Wellenlängenbereich lassen sich imPunktverfahren Absorptionsspektren aufnehmen,
-
Die maximal mögliche Wellenlängenauflösung desSpektrums wird dabei im wesentlichen durch die Bandbreitedes Laserpulses und die Abstimmgenauigkeit bestimmt.
Photoakustische Spektroskopie – Cell Design
Lichtquellen für PA/TLS-Spektroskopie
∙
Farbstofflaser (Dye)-
Nutzung organischer Farbstoffe als abstimmbares Medium-
in der Regel kanzerogen und mutagen-
methanolische
Lösungen-
begrenzte Haltbarkeit = speziell zu entsorgende Abfälle-
Elektronenspins für den Singulett-und Triplettzustand
Singulett-Grundzustand
angeregterSingulett-zustand
angeregterTriplett-zustand
Fluoreszenz Phosphoreszenz
Röntgenabsorptionsspektroskopie
SE
PE
FS
AE
h·γ
M
L
K
Folgeprozesse der Absorptionvon Röntgenstrahlung (hγ):
PE: PhotoelektronFS: FluoreszenzstrahlungAE: AugerelektronenSE: SekundärelektronenK, L, M -
Schale
Synchrotron
- Elektronen-Synchrotron- Protonen-Synchrotron
- Teilchen laufen auf Kreisbahnen, sind vom Impuls unabhängig,Umlauffrequenz ändert sich ständig
- Elektronen-Beschleuniger∗
Geschwindigkeit praktisch Lichtgeschwindigkeit∗
erste Phase der Elektronenbeschleuniger ist ein vorgeschalteter
Beschleuniger(z.B. Betatron)
∗
weitere Beschleunigung erfolgt durch ein hochfrequentes
elektrisches Feld(Erhöhung der magnetischen Feldstärke bei konstanter Frequenz)
- Speicherringe:in diesen laufen die Teilchen im Magnetfeld um , bei Elektronen Energiezufuhr durchHochfrequenz-Beschleunigungssystem
Synchrotronstrahlung
(elektromagnetische Strahlung relativisitischer
Elektronen, die sich in einem Magnetfeld bewegen)
Eigenschaften:
-
sehr intensive, laserähnlich gebündelte Strahlung, die sich über den gesamten Spektralbereich von Infrarotbereich bis zum Röntgenstrahlungsbereich erstreckt
-
typische Energie der Elektronen im Speicherring: ca. 100 MeV
Grundlage:Eigenschaft des Chlorophylls grüner Pflanzen nach einer Anregungim sichtbaren Teil des Spektrums (rotes oder blaues Licht) eineFluoreszenzstrahlung (rot) bei 685 nm auszusenden
Verfahren zur Bestimmung von toxischen Effekten chemischer Verbindungen auf das Wachstum planktonischer
Süßwasseralgen
- zur Beurteilung der Photosyntheseaktivität- zum Nachweis von Photosyntheseblockern wie z.B. Herbiziden
Biolumineszenz
-
Strahlungsemission wird oft im biologischen System beobachtet (Leuchtkäfer, Glühwürmchen) Intensität der Lichtemission bei enzymkatalysierten Reaktionen messen:z.B. Luciferase
(aus Leuchtkäfern) katalysiert die Oxidation des
Luciferinsin einer ATP verbrauchten Reaktion (Bestimmung von ATP):
- Prozessdringt Antigen oder artfremde Verbindung in Organismus ein, so
kommt es zur Teilung und Differenzierung von Lymphozytenbei humoraler
Abwehr kommt es zur Reifung von Plasmazellen, die ihrerseits
spezifische Antikörpermoleküle generieren, diese verbinden sich mit demAntigen und bewirken seine Ausfällung, seine Neutralisation oder seinen
Tod, abhängig ob Antigen ein Makromolekül, ein Toxin oder ein Mikroorganismus ist
kaum kovalente
Bindungen, sterische
Effekte –
Schlüssel/Schloss/Prinzip –Antikörper sind Mitglieder der Familie der Immunoglobuline(4 Polypeptidketten)
Immunologie (Fortsetzung 2)
- Herstellung von Antikörpern:Injektion einer Lösung oder Suspension des Antigens (z.B. Klasse der
Protoine,Polysaccharide, hohe MG) in ein Kaninchen, nach erforderlicher Zeit werden5-50 mL Blut vom immunisierten Tier abgenommnen, Blutgerinnung, Serumetwa 2-25 mL durch Zentrifugation
abgetrennt, bei ca. 56°C inkubiert,portioniert und bei -20°C eingefroren
- Radioimmunoassayklinische Praxis, biochemische Forschungz.B. quantitative Analyse von Hormonen, Steroiden, MedikamentenVerbund von Spezifität
der Immunreaktion mit der Empfindlichkeit derRadioaktivitätsmessung*Bestimmung: unmarkiertes Antigen (unbekannte Menge) und radioaktivmarkiertes Antigen (bekannte Menge) konkurrieren um die begrenzte Anzahlvon Antikörperbindungsstellen in einer vorgegebenen Menge Antiserum,bei Steigerung des unmarkierten Antigens (Menge radioaktiv markiertenAntigen bleibt gleich) wird die Menge an Radioaktivität im gebundenen Antikörper-Antigenkomplex abnehmen, aus Eichkurve ist die zu
bestimmendeAntigenmenge ermittelbar
Bioimmunoassay
-
Prinzip ist dem Immunsystem von Mensch und Tier abgeschaut, körperfremde Stoffe nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip
zu erkennen und durch spezifische Antikörper zu binden- bisher insbesondere Drogen und Hormone analysiert- Fortschritte in der Antikörpertechnologie ermöglichen auch die Analyse von
Antikörper an festen Phase sorbiert, aber auch durch kovalente
Bindung nach Reaktion z.B. mit Cyanogenbromid
(Cellulose, quervernetzte Dextrane,Polystyrol, Propylen u.a.) Festphase nur einmal einsetzbar
Anwendung:-
Klinische Biochemie: Globuline
im Blut, Insulin, verschiedene Viren, usw.
-
Umweltanalytik:
Atrazin, Huminsäuren, TNT, Pyrene, Sulfonylharnstoffherbizide, PAH z.B.
Immunochemische Verfahren
Motivation:Immunochemische
Reaktionsprinzipien auch zum Nachweisumweltrelevanter Stoffe (z.B. Pflanzenschutzmittel, Sprengstoffe
usw.)zu nutzenEntwicklung von relativ unkomplizierten Testbestecken vor allem zurvor-Ort-Analytik
Grundlagen:Sind immunochemischer
Reaktionen:Antigen (AG) provoziert die Bildung von Antikörpern (AK), Antigen undAntikörper bilden einen Komplex AGAK, ist ein Bestandteil AG oder AKin irgend einer Form markiert, dann ist Komplex quantifizierbar(radioaktiv –