Analyseteknik Instrumentering og metoder, 5. udgave, 2020 by Praxis

5. udgave

Analyseteknik Instrumentering og metoder

dækker de tre analytiske hovedområder chromatografi, spektrometri og potentiometri. Bogen anviser desuden, hvordan man opnår gode resultater i laboratoriet, f.eks. ved metodevalidering, udstyrskvalificering og fejlsøgning på udstyret. Der er lagt stor vægt på bogens praktiske anvendelighed, stoffet er tæt relateret til det daglige arbejde i analyselaboratoriet, og gennemgangen

Analyseteknik

det analytiske laboratorium. Analyseteknik — instrumentering og metoder

Instrumentering og metoder

Få en opdateret og grundlæggende indføring i instrumenter og metoder i

Helle Jeppesen · Merete Norsker Bergsøe · Flemming Simonsen

Analyseteknik Instrumentering og metoder

af de enkelte emner er overalt suppleret med laboratorierelaterede beregningseksempler og testopgaver samt statistisk resultatvurdering. Analyseteknik — instrumentering og metoder er skrevet til laborantuddannelsens kurser i analyseteknik, og til praktikere i det analytiske laboratorium; uddannede såvel som under uddannelse.

ISBN 978-87-571-3413-1 ISBN 978-87-571-3413-1

9 7887571 34131

praxis.dk

varenr. 204005-1

Praxis — Nyt Teknisk Forlag

9 788757 134131 Analyseteknik_204005-1_omslag_tryk_ny.indd 1

17-07-2020 11:48:05

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:44 20.7.20

Analyseteknik Instrumentering og metoder 5. udgave

Af Helle Jeppesen, Merete Norsker Bergsøe og Flemming Simonsen

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:44 20.7.20

Analyseteknik Instrumentering og metoder Af Helle Jeppesen, Merete Norsker Bergsøe og Flemming Simonsen # Forfatteren/forfatterne og Praxis, 2020 5. udgave, 1. oplag, 2020 1. udgave udgivet 2003 Forlagsredaktion: Bjarke Hansen, bha@praxis.dk Graﬁsk tilrettelæggelse og dtp: Vegard Brekke, Gamma Graﬁsk AS. Oslo Omslag: Anne von Holck, Tegnestuen Trojka

Fotos og tegninger: Se detaljeret liste i kapitel 16 Forsidefoto: Rueangwit, Shutterstock Sat med: Minion Pro og SoHo Gothic Varenummer, trykt udgave: 204005-1 Varenummer, e-udgave: 204005-9 (ebog) ISBN 978-87-571-3413-1 Trykt på: 100 g Amber Graphic FSC Omslag: 300 g Karton 1/s FSC Tryk: Specialtrykkeriet Arco Printed in Denmark 2020

Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun ﬁnde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk Praxis - Nyt Teknisk Forlag praxis.dk webshop.praxis.dk

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:44 20.7.20

Forord Analyseteknik, Instrumentering og metoder ønsker at give en indføring i mange af de instrumentelle analysemetoder, der anvendes i det kemiske analyselaboratorium. Bogen tager udgangspunkt i praktisk anvendelse og teoretisk indsigt. Intensionen er at sætte bogens brugere i stand til at skabe, forstå og bruge resultaterne fra såvel simple som mere avancerede laboratorieanalyser. Denne 5. udgave er kraftigt revideret i forhold til tidligere udgaver. Kapitlerne om statistik, kvalitetsparametre, metodevalidering, potentiometri, og chromatograﬁ er skrevet om. Alle øvrige kapitler er ligeledes revideret grundigt. Indholdet er opdateret, afsnit er byttet om, listerne med nøglebegreber er i de enkelte kapitler tilrettet. Designet af bogen er desuden let opdateret.

Kapitlet om flammefotometri, afsnittet om TLC og afsnit om konstruktion af ækvivalenspunkt er taget ud af 5. udgave. Disse findes fremover på bogens hjemmeside, som findes under: Webshop.praxis.dk Eventuelle fremtidige rettelser til bogen og eventuelt supplerende materiale vil blive lagt på hjemmesiden. Tak til alle, som er kommet med ideer og kommentarer til brug for bogen. Vi hører fortsat meget gerne fra læsere, hvis der er ønsker, rettelser eller andre kommentarer. Vi kan kontaktes via info@praxis.dk Helle Jeppesen og Merete Norsker Bergsøe, 2020

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:44 20.7.20

Indhold 1 1.1 1.2 1.3

Statistik Grundlæggende statistiske størrelser Statistisk vurdering af resultater Statistik i Excel

9 10 11 22

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15

Kvalitetsparametre Kvalificering af udstyr Validering Verificering Valideringsparametre Præcision Måleusikkerhed Nøjagtighed Linearitet Følsomhed Detektionsgrænse Kvantifikationsgrænse Dynamisk måleområde Selektivitet/specificitet Robusthed SST

27 28 29 29 29 30 32 33 38 41 42 43 43 43 44 44

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Potentiometri Grundbegreber og elektroder Referenceelektroder Indikatorelektroder pH-måling Potentiometrisk titrering Redoxpotentiometri Kvaliﬁcering af titrersystemer

45 46 48 51 56 65 70 73

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Ionselektive elektroder Måling med ISE Elektrodepotentialer Elektrodetyper Ionpotentiometri ISE-elektrodekvaliﬁcering Titrering

77 78 78 80 83 85 88

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

UV-VIS-Spektrofotometri Molekylabsorption og Lambert-Beers lov Spektrofotometret Analytiske metoder Spektrofotometerkvaliﬁcering Metodevalidering/veriﬁcering

91 91 96 103 108 116

6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

IR-spektrofotometri IR-området IR-spektre Spektertydning Instrumentering IR-teknik i praksis NIR-spektroskopi Raman-spektroskopi

121 122 122 123 128 131 133 134

7 7.1 7.2 7.3

Chromatografi Væske- og gaschromatografi Chromatografisk princip Fastfase-ekstraktion

137 138 138 142

8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Chromatograﬁske beregninger Chromatogram Kvalitativ bestemmelse Chromatograﬁske parametre Kvantitativ bestemmelse HPLC- og GC-metodevalidering SST

145 146 147 148 154 164 169

9 9.1 9.2 9.3 9.4

HPLC HPLC-systemet Kolonne og eluent HPLC-kvaliﬁcering HPLC-Fejlﬁnding

171 172 180 191 197

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:45 20.7.20

10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

Gaschromatografi Overblik over GC-systemets opbygning Bæregassen Injektoren Kolonnen Detektoren Utætheder i GC’en Temperaturoptimering af GC-analyse GC-kvalificering GC-fejlfinding

201

202 202 204 209 212 214

12.1 12.2

214 217 221

Massespektrometri (MS) 223 Ionisering 224 Massespektret 225 MS-tydning 230 Instrumentering 233 Chromatograﬁ og MS 242 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization og Time-of-Flight 247

12.3 12.4 12.5 12.6 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6

Atomabsorptionsspektrofotometri Atomabsorption Atomabsorptionsspektrofotometret Analytiske metoder Grafitovnsteknik Kvalificering af AAS Metodevalidering/verificering

251 251 254 261 268 273 276 281 282 287 289 292 293

13.7

ICP Apparatur og virkemåde ICP-OES i praksis Interferenser i ICP-OES ICP-MS i praksis Interferens i ICP-MS Metodevalidering ICP-OES og ICP-MS Microwave Induced Plasma (MIP)

Opgaver

297

Referencer

343

Kilder til illustrationer

345

Stikordsregister

347

295 296

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:53 20.7.20

Potentiometri

3 Potentiometri Ordet potentiometri kan oversættes til potentialemåling. Det henfører til en gruppe metoder, der alle baserer sig på måling af potentialer ved hjælp af elektroder og oversætter de målte spændinger til koncentrationer.

Nøglebegreber Elektrode

En elektrode producerer et elektrisk potentiale (en spænding). Potentialet afhænger af de stoffer, elektroden er opbygget af, temperaturen og den måleopløsning, elektroden neddyppes i.

Elektrodepotentiale

Et elektrodepotentiale er den spænding (mV), elektroden bidrager med, når den indgår i en måleopstilling.

Nernst-ligningen

Nernst-ligningen er det teoretiske grundlag for beregning af en elektrodes potentiale. Den fastlægger en lineær sammenhæng mellem potentiale og ionkoncentrationen i en opløsning.

Elektrodepotentiale

Redoxligevægte skaber potentialer. Et højt positivt potentiale betyder, at reduktionsreaktionen forløber villigt. Potentialet bestemmes af Nernst-ligningen.

Referenceelektrode

Elektrodepotentialer måles altid mellem to elektroder. Den ene er altid en referenceelektrode med et stabilt potentiale, som den anden måles i forhold til.

Kalomelelektrode

Kalomelelektroden er en referenceelektrode med et halvelement, der er opbygget af kviksølv og kalomel (mercurochlorid) og KCl som elektrolyt.

Merkurosulfatelektrode

Merkurosulfatelektroden er en referenceelektrode med et halvelement der er opbygget af kviksølv og mercurosulfat med K2 SO4 som elektrolyt. Den anvendes når der er sølvioner i måleopløsningen.

Sølvchloridelektrode

Sølvchloridelektroden er en referenceelektrode, der er opbygget af sølv og sølvchlorid med KCl som elektrolyt.

Diafragma

Referenceelektrodens forbindelse til den omgivende opløsning skabes via et diafragma, som tillader en begrænset udsivning af elektrolyt fra referenceelektroden.

Indikatorelektrode

Indikatorelektroden (forkortes ISE og kaldes desuden også måleelektroden) måles i forhold til referenceelektroden. Den afgiver et potentiale, der afhænger lineært af logaritmen til analytkoncentrationen i måleopløsningen.

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:54 20.7.20

Kapitel 3

Glaselektrode

Glaselektroden er en ionselektiv indikatorelektrode, hvis potentiale kun afhænger af Hþ -koncentrationen i måleopløsningen. Dog kan Liþ og Naþ i høje koncentrationer inteferere.

Sølvelektroden

Sølvelektroden er en indikatorelektrode, der kan registrere tilstedeværelsen af sølvioner.

Platinelektroden

Platinelektroden er en indikatorelektrode, der kan registrere tilstedeværelsen af redoxpotentialer. Registreringen sker ved, at platinelektroden udveksler elektroner med redoxsystemet.

3.1 Grundbegreber og elektroder 3.1.1 Grundbegreber

Potentiometriske målemetoder baserer sig på måling af det potentiale17 (spænding), der dannes mellem to elektroder, når de er nedsænket i en elektrolyt18. I ﬁgur 3.1 ses et eksempel19 på en måleopstilling, hvori der indgår to elektroder. Den ene er opbygget af Agþ -ioner og metallisk sølv, den anden af merkuro-ioner Hg22+ og metallisk kviksølv. Kalomel elektrode

Sølvchlorid elektrode

3.1.2 Elektrodepotentialer

Når en elektrodes potentiale måles, sker det altid ved at måle spændingen i forhold til en anden elektrode. Elektrodepotentialer er alle fastlagt i forhold til hydrogenelektroden20. Potentialet målt i 1 M opløsning ved 25 C betegnes standardelektrodepotentialet. Tabel 3.1 viser standardelektrodepotentialerne E0 for elektroderne fra ﬁgur 3.1. Elektrode

E 0 mV21 (25 C)

Kalomel Sølvchlorid

+244 +198

Tabel 3.1. Hg

46 mV

Hg2Cl2

Ag Elektrolyt

AgCl

Hg2Cl2 Hg halvcelle AgCl Ag halvcelle

Kalomel elektrode (244 mV)

Sølvchlorid elektrode (198 mV)

Figur 3.1. Måleopstilling med to elektroder.

De to elektroder er i ledende forbindelse med hinanden gennem elektrolytten. Den elektriske spænding mellem elektroderne kan måles med et voltmeter. Det skal være konstrueret, så den strøm, det trækker ved målingen, er så minimal, at det ikke forstyrrer målesignalet.

25 OC

Mættet KCI

Figur 3.2. Potentialemåling mellem to elektroder 17 18 19

Et elektrisk potentiale er den elektriske spænding, når der ikke trækkes strøm gennem kredsen. En elektrolyt er en opløsning, der indeholder ioner. De to elektroder er begge referenceelektroder; de sættes normalt ikke sammen ved potentiometriske målinger i laboratoriet.

Som teoretisk reference for alle potentialemålinger benyttes standardhydrogenelektroden med halvcellereaktionen H+ (1M) |H2(1 atm). Potentialet for denne elektrode er deﬁneret til 0 volt. I mættet KCl-opløsning

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:54 20.7.20

Potentiometri

Med mættet KCl som elektrolyt vil spændingen over elektroderne i opstillingen ﬁgur 3.1 kunne måles som vist på ﬁgur 3.2. Spændingsforskel beregnes som forskellen mellem de to elektroders potentialer:

Reaktion

E0 (V)

Ce4+ + e > Ce3+ (i 1 M HNO3)

+1,61

MnO4 + 8Hþ + 5e > Mn2+ + 4 H2O

+1,51

IO3 + 2Cl + 6Hþ + 4e > ICl2 + 3H2O

+1,24

Fe3+ + e > Fe2+ (i 1M HCl)

+0,77

I3 + 2 e > 3 I

+0,54

spænding ¼ 244 mV 198 mV

Hg2Cl2(s) + 2e > 2Hg + 2Cl

+0,24423

spænding ¼ 46 mV ved 25 C

AgCl (s) + e > Ag (s) + Cl Sn4+ + 2 e > Sn2+ (i 1 M HCl)

+0,19824

S4O62- + 2 e > 2 S2O32-

+0,08

Zn2+ + 2 e > Zn (s)

-0,76

Kalomel-elektroden bliver den positive pol, da dens potentiale er højere end sølvchloridelektrodens. Nernst-ligningen Elektrodepotentialet kan beregnes ved hjælp af Nernst-ligningen. Ved måling i fortyndede opløsninger gælder: E ¼ E0 þ

59,2 logðcÞ mV Z

Hvor E0 er standardelektrodepotentialet, Z er metalionens ladning, og c er metalionens molære koncentration. Konstanten 59,2 er en sammenregning af gaskonstanten R, Faradays tal F, temperaturen 25 C indsat i kelvin samt en omregningsfaktor fra naturlig logaritme til titalslogaritme: R T 59,2 lnðcÞ ¼ logðcÞ ð25 CÞ Z F Z

Tabel 3.2.

Redoxpotentialer er alle fastlagt i forhold til hydrogenelektroden22. Potentialet i 1 M opløsning ved 25 C betegnes standardelektrodepotentialet eller standardreduktionspotentialet, da processen altid opskrives som en reduktionsproces. Tabel 3.2 viser udvalgte værdier svarende til nogle af de mest almindelige reaktioner i det analytiske laboratorium.

Eksempel 3.1 Ud fra kendskab til elektrodepotentialerne kan man forudsige, hvorledes en given reaktion vil forløbe. Man kan f.eks. vurdere, om følgende ligevægt er forskudt mod højre eller venstre Fe2þ þ Ce4þ > Fe3þ þ Ce3þ Ligevægten indeholder følgende halvcellereaktioner Fe3þ þ e > Fe2þ

Ce4þ þ e > Ce3þ

Af tabel 3.2 ses, at Ce4+ reduceres villigere end Fe3+. Ceri-ioner er således et kraftigere oxidationsmiddel end ferri-ioner, og ligevægten vil forskydes til højre Fe2þ þ Ce4þ ! Fe3þ þ Ce3þ Konklusionen er, at man kan titrere ferro-ioner med ceri-ioner.

Hvis elektrodepotentialet er opbygget af et redoxpar, kan Nernst-ligningen opskrives på følgende form med E og E0 målt i mV E ¼ E0 þ

Som teoretisk reference for alle potentialemålinger benyttes standardhydrogenelektroden med halvcellereaktionen H+ (1M) | H2(1 atm). Potentialet for denne elektrode er deﬁneret til 0 volt.

+0,15

Et højt positivt potentiale er ensbetydende med, at reduktionsprocessen26 forløber villigt fra venstre mod højre, mens små positive elektrodepotentialer betyder, at reduktionsprocessen forløber mere trægt. Et negativt elektrodepotentiale er ensbetydende med, at processen forløber mest villigt fra højre mod venstre.

3.1.3 Redoxpotentialer

23 24 25 26

59,2 cox log cred Z

I mættet KCl opløsning. I mættet KCl opløsning. Se ﬂere i Håndbog for Laboratoriefolk. Reaktionen læst fra venstre mod højre.

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:56:54 20.7.20

Kapitel 3

3.1.4 Princippet bag indikator- og referenceelektroder

Man anvender altid to elektroder til potentiometriske målinger, da det i princippet er en spændingsforskel, der skal måles. Figur 3.3 viser en potentialemåling. Den ene elektrode giver et potentiale, der afhænger af en given analyts koncentration i den væske som elektroden neddyppes i. Det er indikatorelektroden.

strøm, der løber gennem voltmeteret er minimal i forhold til strømmen gennem måleopløsningen og derfor er uden betydning for målingen.27

0 0 1 7 2 Højimpedansvoltmeter

Kombineret elektrode

Indikatorelektrode Potentialet varierer med analyttens koncentration Den anden elektrodes potentiale er uafhængig af, hvilken væske den neddyppes i. Dens funktion er udelukkende at tjene som et stabilt referencepunkt for spændingsmålingen. Det er referenceelektroden. Referenceelektrode Potentialet er uafhængig af analyttens koncentration Med den viste opstilling (ﬁgur 3.3) vil den målte spænding således alene være afhængig af analytkoncentrationen i den væske, der måles på.

Referenceelektrode

Indikatorelektrode

Figur 3.4. Måling med kombielektrode.

Indikatorelektrode og referenceelektrode er ofte sammenbyggede (ﬁgur 3.4), sådan at opstillingen tilsyneladende kun består af en elektrode. Man bruger betegnelsen ’’kombineret elektrode’’ om disse sammenbyggede reference- og måleelektroder. Ved nøjere eftersyn vil man kunne konstatere, at en kombineret elektrode er opbygget af to selvstændige elektroder, bl.a. er der to ledere fra elektroden, en fra reference- og en fra indikatorelektroden.

0 0 2 1 9 Højimpedansvoltmeter

Referenceelektrode

Indikatorelektrode

Figur 3.3. Måling med to elektroder.

For at voltmeteret ikke har indﬂydelse på målingen, udføres spændingsmålingen med et voltmeter, der har så stor indre modstand (impedans), at den

3.2 Referenceelektroder Referenceelektroder karakteriseres ved, at de giver et konstant potentiale, uafhængigt af væsken de er neddyppet i. De opbygges af en metallisk leder i kontakt med et tungtopløseligt salt af samme metal og en opløsning med konstant sammensætning, referenceelektrolytten. 3.2.1 Kalomelelektroden

Kalomelelektroden giver et stabilt og veldeﬁneret elektrodepotential og er derfor meget anvendt til analytiske målinger. Figur 3.5 viser elektrodens fysiske udformning. Den er opbygget af metallisk kviksølv, der er en sølvblank væske, og kviksølvsaltet merkurochlorid 27

Spænding ¼ U ðVÞ, strøm ¼ I ðAÞ og modstand ¼ R ðohmÞ. U er givet, I skal være mindst mulig. I ¼ U=R. Derfor skal modstanden R være stor.

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:57:40 20.7.20

Massespektrometri (MS)

Masseﬁlter type

Typisk masse område

Resolution

Nøjagtighed ved 1000 Da

Scanningshastighed

(m=z)

239

Mulighed for at virke som MS/MS

(scans/s)

Magnetisk og elektronisk sektorinstrument

10.000-20.000

30.000

0,0005 % ð< 5 ppmÞ

0,1-0,5

(ESA)

Denne type masseﬁlter er pioneren på området. Kræver en kraftig magnet og et elektrostatisk område. I princippet bestemmes ionens afbøjning i det magnetiske felt. Lille m=z afbøjes mindst. Har gode data undtagen for scanningshastigheden, der anses for at være for langsom til nutidens chromatograﬁ. Svær at anvende/betjene, virker ved 10-6 Torr

Orbitrap (FT)

50.000

100.000

ja, ﬂere enheder skal samles til MS/MS

0,5-2

nej

Har utrolig gode data undtagen for scanningshastigheden, der anses for at være for langsom til chromatograﬁ. Kræver en meget kraftig magnet, svær at anvende/betjene. Virker ved 10-10 Torr ICR (FT)

10.000-30.000

100.000

0,0005 % ð< 5 ppmÞ

0,3-1

ja, med sig selv MSn

Har utrolig gode data undtagen for scanningshastigheden, der anses for at være for langsom til chromatograﬁ. Kræver en meget kraftig magnet. Svær at anvende/betjene. Virker ved 10-10 Torr FT: Fourier transformation ICR: Ion cyclotrone resonance

Massefilter

Værdierne i tabellen angiver meget vide grænser. Grænserne flytter sig konstant pga. udviklingen og er ret forskellige fra fabrikat til fabrikat. Massefiltertyperne er listet efter pris, de første 5 koster ca. fra ½ til 3 millioner, og de næste 3 fra 3-11 millioner kroner. Priserne ændrer sig også løbende (ned ad), men indbyrdes ændres priserne ikke meget. Det siger sig selv, at de sidste 3 typer ikke er ret udbredt i almindelige analyselaboratorier. De bruges udelukkende til forskning. Q og IT er ret almindelige, mens TOF er ved at gøre sig gældende som kommercielt instrument. Resolution Der er desværre flere definitioner og betegnelser, der bruges i flæng, men det handler om, hvor smalle toppene er i halv højde eller, hvor godt toppene adskilles ved en given % overlap. Generelt er alle toppe (forskellig m=z) med samme højde lige brede uanset koncentrationen. Her beskrives to metoder til at vurdere toppene:

0,8

Maks.

1,0

0,6

Dm (50% maks. = FWHM)

0,4

10% dal

0,2

0 1000,0

1001,0

5% af maks. Dm 1002,0

1003,0

Figur 11.14. Masseresolution (FWHM = Full Width at Half Maximum)

Den første metode bruges, når der er tale om en enkelt molekylarion med enkelt ladning (generelt accepteret deﬁnition) m=zmålt 1m=zFWHM 1001,0 ¼ 2200 ¼ ð1001,225 1000,775Þ

RFWHM ¼

Alternativt opgives resolutionen som FWHMværdien, jo mindre jo bedre.

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:57:41 20.7.20

240

Kapitel 11

Den anden metode (the 10% vally method) bruges (mest ved kalibrering af sektorinstrumenter), hvis der er tale om to forskellige stoffer R10%vally ¼ ¼

m=z1 ðm=z2 m=z1 Þ 1001 m ¼ 1001

1002 1001 1m5%

De to toppe skal være lige høje og anset for at være adskilt, hvilket betyder, at toppene max. må overlappe 10%. 1m5% er bredden i masseenheder af en top i 5% af dens højde (se ﬁgur 11.14). Quadropoler og ion trap har normalt en resolution under 5000, mens høj resolutionsinstrumenter har en resolution over 15000. Massenøjagtighed Masse nøjagtigheder beregnes som følger Massenøjagtigheden ¼ jmmålt mteoretisk j 106 ppm mteoretisk Masserne skal have samme enhed (mass units). Eksempel 11.1 Et stofs masse er eksperimentelt fundet at være 400,0020 Da. Den teoretiske værdi er beregnet til 400,0000 Da mteoretisk ¼ 400,0000 og mmålt ¼ 400,0020 400,0020 Da 400,0000 Da 106 ¼ 5 ppm 400,0000 Da Jo mindre resultat jo bedre instrument. Med en nøjagtighed på 5 ppm er der tale om resultater fra et af de dyre instrumenter f.eks. et FTICR instrument.

Scanningshastighed: Antal scans pr. sekund. For at kunne sammenligne hastigheden må man også kende scanningsområdet. Scanningshastighed kan også angives i antal Da/s. Masseinterval: Intervallet har normalt også en nedre grænse, der ikke helt er nul, men meget apparatafhængigt. I tabellen er det kun den øvre grænse, der er angivet. Valg af massefilter Instrumentet bør vælges efter opgaven. Hvis det handler om at skille ioner og isotoper på enhedsniveau dvs. misotop mion er ned til 1, så skal resolutionen (RFWHM Þ være 1 103 . Hvis man skal ned i en finere isotopstruktur 1 > misotop mion 10 3 , da skal man vælge en resolution på 103 109 . Skal der skelnes mellem isomere, skal resolutionen højere op. Quadropol massfilter En quadropol består af 4 stave (poler) arrangeret symmetrisk. Det kan være helt runde rør eller stave eller hyperbolske stave. De sidste er det optimale. De er normalt mellem 10 og 30 cm lange. Ionernes hastighed måles i km/s. For at nå at skille dem på massen skifter de 4 poler mellem positiv og negativ spænding med stor hastighed (RF fra -3000 V til 3000 V med en frekvens på 300 kHz300 MHz). Derudover er der en fast grundspænding (DC 500-2000 V over polerne). Frekvens og spændingerne varierer i styrke ved scanning, således at ioner med forskellig m=z-forhold vil passere til forskellig tid.

Figur 11.15. Quadropol

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:57:41 20.7.20

Massespektrometri (MS)

RF- og DC-spændingen er parvist påsat modstående stænger. RF=DC-forholdet er konstant, og størrelsen af forholdet har betydning for resolutionen. Størrelsen af RF og DC varierer, således at et m=z-forhold passerer ad gangen (sekventiel masse transmision) se ﬁgur 11.16

rette m/z-forhold

A) Kun ioner med rette m=z-forhold er stabile ﬂyvere i quadropolens elektriske felt og kommer igennem til detektoren.

m/z for lille

B) Lette ioner vil blive mere påvirket af den skiftende RF-spænding, og kommer derved i svingninger, der bliver så store at de vil kollidere med en stav eller smutte ud mellem to stave og forsvinde.

m/z for stort

C) Tunge ioner påvirkes ikke særligt af den skiftende RF-spænding, men vil gradvist drive i det konstante DC-felt. RF-feltet er ikke stærkt nok til at trække ionen tilbage, så den vil kollidere med en stav eller smutte ud mellem to stave og forsvinde.

Figur 11.16. Funktion af quadropol.

Med quadropoler kan et masseområde scannes på brøkdele af sekunder, hvilket f.eks. er en stor fordel til kapillarkolonne-GC, der giver meget smalle toppe, og hvor der gerne skal laves et tilstrækkeligt antal scanninger hen over toppen. Quadropol-massefiltre er generelt nemme at bruge, stabile og de kan fungere med eluentflow fra HPLC direkte ind i ioniseringskilden. Til gengæld er deres opløsningsevne ikke helt i top, men tilstrækkelig til de fleste analytiske formål med GCMS- og LC-MS-metoder.

241

Qadropolen anvendes i stigende grad som tandem MS (MS/MS). I tilfældet med qudropoler betyder det, at der er tre i serie ‘QqQ’. De to med ‘Q’ er massefiltre, mens ‘q’ i midten er en kollisionscelle. Se i øvrigt afsnittet om tandem-MS. Scan-mode og SIM-mode I scan-mode optages hele tiden spektre med foruddefineret scantid og masseområde. Herved opnås maksimal information til kvalitative formål. SIM er en forkortelse for Selected Ion Monitoring, hvilket svarer til, at man i SIM-mode kun måler i udvalgte områder. Det giver mulighed for at arbejde med betydelig større følsomhed, da scantiden bruges på betydeligt færre ioner. Denne datamode er derfor velegnet til kvantitative formål. Iontrap-massefilter I et iontrap- eller ionfælde-massefilter sker ionisering og massefiltrering i det samme område. Her omtales en 3D-iontrap med intern ionisering. Den fungerer efter et princip, der minder om quadropolens, men den fysiske udformning er meget anderledes. Figur 11.17 viser en skitse af et iontrapmassefilter. Prøvens molekyler indføres i midten af ionkilden, hvor en elektronstrøm ioniserer molekylerne. En elektrode ligger som en ring uden om ionfælden og danner et elektriske felt, som kan fastholde ionerne med et udvalgt masse/ladningsforhold. e -kilde –

Topelektrode

Molekyler ind e

–

Bundelektrode

Huller hvor ioner falder ud

Figur 11.17. Iontrap-masseﬁlter.

Det elektriske felt omkring bundelektroden fungerer som et RF-ﬁlter, der lader ionerne ’’falde’’ ud af fælden efter m=z-forholdets størrelse. Iontrap-masseﬁltre kan anvendes i forbindelse med GC-MS-MS og LC-MS-MS.

Filnavn: Sagsnr.: Kunde: Opg: Opr.: Rev.: 13:57:41 20.7.20

242

Kapitel 11

Et par af fordelene ved MS-MS er, at det reducerer støj, og at man kan få mere information om analyttens struktur, idet fragmenterne, der forlader den første MS, udsættes for fraktionering under høj energi. Dette betyder, at de fraktioneres yderligere, og dette gøres efter et bestemt mønster, der afhænger af bindingernes styrke. Disse fragmenters m=z-forhold bestemmes så i den anden MS.

anode under hver kanal i pladen. Den kan kombineres med en fosforiserende plade og fotomultiplikator. Bruges denne kombination bliver signalet forstærket to gange, hvilket øger følsomheden markant.

11.4.3 Detektorer

Figur 11.19. Elektronmulitplikator fra sektorinstrument.

Efter masseﬁltreringen ankommer ionerne til en detektor, der er konstrueret til at forstærke den svage ionstrøm til et elektrisk signal, der kan digitaliseres og opsamles på en pc. Detektoren i kommercielle instrumenter er enten en elektronmultiplikator eller en kombination af en fosforiserende plade, der kan omsætte elektroner til fotoner, der så kan detekteres af en fotomultiplikator af samme type, som anvendes i mange spektrofotometere. Fotomultiplikatoren har længere levetid, da den er under vakuum i egen beholder og ikke påvirkes direkte af alle de ioner, der passerer gennem ionﬁlteret. Den fungerer så til gengæld kun i mørke. Elektronmultiplikatoren vil slides og forurenes af de indkommende ioner, der rammer direkte på katoden. Elektronmultiplikatoren vil også blive påvirket, hvis instrumentet henstår uden vakuum eller inert gas dækning. Dynoder

Signal ud Ion ind

Hele pladen, ca. 50% af arealet er kanaler

Plade materiale

Kanaler Elektroner ud 3 (–10 )

Den enkelte kanal

Figur 11.20. MicroChannel Plate

Puls Fra massefilter

11.5 Chromatograﬁ og MS Figur 11.18. Elektronmultiplikator.

Der er en anden model af elektronmultiplikatoren, som ses på ﬁgur 11.19. Den anvendes primært i sektorinstrumenter. De nævnte typer har et begrænset område, hvor ionerne skal ramme for at blive detekteret. Det dur ikke i et TOF-instrument, hvor ionerne rammer mere spredt, derfor bruges en MicroChannel plate, ﬁgur 11.20, der består af mange små elektronmultiplikatorer fordelt på en forholdsvis stor plade (Ø ca. 7cm). Denne plade kan også bruges som en array detektor, hvis der er placeret en

Når man anvender MS som detektor for GC eller LC, så scannes massespektret adskillige gange, mens en top passerer. Der kan være risiko for, at spektret vil variere hen over toppen. Desuden kan der være problemer med solvent eller bæregas, så man risikerer, at massespektret varierer ignennem toppen. Et andet forhold, man skal være opmærksom på, er, at MS-instrumentet sædvanligvis har en brugerbestemt tærskelværdi, under hvilken linjer ignoreres, typisk under 0,1 % relativ forekomst. Dette er navnligt et problem omkring toppenes start og slut.

5. udgave

Analyseteknik Instrumentering og metoder

Analyseteknik

det analytiske laboratorium. Analyseteknik — instrumentering og metoder

Instrumentering og metoder

Få en opdateret og grundlæggende indføring i instrumenter og metoder i

Helle Jeppesen · Merete Norsker Bergsøe · Flemming Simonsen

Analyseteknik Instrumentering og metoder

ISBN 978-87-571-3413-1 ISBN 978-87-571-3413-1

9 7887571 34131

praxis.dk

varenr. 204005-1

Praxis — Nyt Teknisk Forlag

9 788757 134131 Analyseteknik_204005-1_omslag_tryk_ny.indd 1

17-07-2020 11:48:05