Instrumentaalanalüüs

Instrumentaalanalüüs on analüütilise keemia valdkond, mis uurib ainete koostist ja struktuuri mitmesuguste instrumentide ja aparaatide abil. Analüütiline aparatuur registreerib füüsikalise karakteristiku (kiirguse, välja, elektrivoolu jm) muutuse, mis sõltub proovi koostisest ja kontsentratsioonist.

Spektromeetri põhimõtteline skeem proovi füüsikalisest mõjutamisest kuni muutuste registreerimiseni: a) energia- (kiirgus-)allikas, b) proov küvetis, c) tajur, d) signaaliprotsessor, e) tulemuse registreerimine isekirjuti või arvutiga

Nüüdisaegses analüütilises keemias domineerivad just tundlikul aparatuuril põhinevad meetodid, sealhulgas kombineeritud (hübriid-) tehnikad. Seejuures on vajatav proovi kogus väga väike ja tulemus saadakse kiiresti. Tundmatute ainete analüüs kulgeb paljudel juhtudel järgmiste etappidega:

1. proovi ettevalmistamine,
2. proovi kromatografeerimine ja/või
3. komponentide spektroskoopiline määramine ning
4. tulemuste töötlemine.

Ainete lahutamine

 Pikemalt artiklis Lahutusmeetodid,

 Pikemalt artiklis Kromatograafia

Ainete segu komponentideks lahutamine on tihti vajalik aine puhta proovi saamiseks ja edasiseks identifitseerimiseks, näiteks spektroskoopia abil. Suure efektiivsusega lahutusmeetoditest (efektiivsuse tagab protsessi toimumine loendamatu arv kordi) on enamkasutatavad gaasikromatograafia, vedelikukromatograafia ja kapillaarelektroforees. Need meetodid on vastava metoodika rakendamisel kasutatavad nii segu kvantitatiivseks kui ka kvalitatiivseks analüüsiks, näiteks retentsiooniindeksite määramise või proovile sisestandardi lisamise abil.

• Kromatograafias lahutatakse ainete segu komponendid paljukordse sorptsiooni ja desorptsiooni tingimustes. Kasutatava aparatuurse lahenduse iseloom ja erinevat tüüpi statsionaarse faasi (see määrab kromatograafilise lahutamise mehhanismi) valik on võimaldanud välja töötada seadmeid eri tüüpi ühendite lahutamiseks gaasidest polümeerideni.
• Kapillaarelektroforeesi seadmes liiguvad segu komponendid elektriväljas elektroosmootse voo mõjul erinevate kiirustega vastavalt osakeste laengule ja mõõtmetele. Põhimõtteliselt on see elektriliselt laetud (ioonsete) osakeste lahutamise meetod, kuid modifitseeritud kapillaarelektroforeesi meetodid võimaldavad lahutada ka orgaanilisi ühendeid ja makromolekule (biomolekule) ning uurida bioaktiivsete ühendite aktiivsust.
• Geelelektroforeesi kasutatakse nukleiinhapete ja valkude fraktsioneerimiseks.

Spektraalmeetodid

 Pikemalt artiklis Spektroskoopia

Keemiliste ainete kvalitatiivseks või kvantitatiivseks määramiseks (tihti identifitseerimiseks) on kasutusel palju instrumentaalmeetodeid, millega uuritakse teatud füüsikalise mõjuri (elektromagnetiline kiirgus, osakeste (elektronide, prootonite ja ioonide) kiirgus, magnetväli) vastastikust toimet aine aatomituumade, elektronide, aatomite, molekulide või kristallidega. Seejuures registreeritakse ainele iseloomulik spekter, mis iseloomustab aatomeid ja molekule nende poolt neelatud, hajutatud või kiirgunud elektromagnetilise kiirguse põhjal. Valik olulisemiad spektraalmeetodeid:

• aatomiemissioonispektroskoopia (AES) tegeleb aatomitest kiiratava kiirguse spektrite uurimisega;
• aatomiabsorptsioonispektroskoopia (AAS) tegeleb aatomites neelduva kiirguse spektrite uurimisega;
• fluorestsents-spektroskoopia uurib mõnele ainele iseloomulikku elektronide ergastamise (tavaliselt ultraviolettkiirguse või röntgenikiirguse toimel) tulemusena tekkivat fluorestsentsi;
• spektrofotomeetria võimaldab aineid määrata valguse absorptsiooni või peegeldumise intensiivsuse muutusest eri lainepikkustel. Üldiselt on need meetodid kasutatavad nii kvalitatiivseks kui ka kvantitatiivseks ainete määramiseks;
  • UV-Vis spektroskoopia uurib neeldumis- ja kiirgusspektreid ultraviolettkiirguse ja nähtava valguse piirkonnas; näitab eeskätt aromaatseid rühmi ja konjugeerunud sidemeid;
  • infrapunaspektroskoopia (IP või IR) uurib neeldumis- ja kiirgamisspektreid; infrapunases piirkonnas; näitab funktsionaalseid rühmi;
    • Fourier' spektroskoopia;
  • kolorimeetria võimaldab määrata värviliste ühendite kontsentratsiooni sõltuvalt nähtava valguse neeldumisest;
• tuumamagnetresonantsspektroskoopias uuritakse aatomituumade ja magnetvälja vastastikust toimet, saadakse ainele iseloomulik TMR-spekter; näitab paaritu spinniga aatomituumasid (isotoope) ¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹P;
• massispektromeetria – uuritav aine ioniseeritakse (näiteks elektronkiire toimel), mille tulemusel moodustuvad ioniseeritud molekulid ja molekulifragmendid, mida saab registreerida kui ainele karakteerset MS-spektrit; annab osakeste laengu ja massi suhte;
• röntgenstruktuuranalüüs on analüüsi valdkond teaduses, kus kasutatakse röntgenikiirguseinteraktsiooni ainega, et määrata selle atomaarset ja molekulaarset struktuuri, elemendilist ja molekulist koostist, faasilist koostist ja paljusid füüsikalisi omadusi.
• röntgenkristallograafia – aine kristallile langev röntgenikiir hajub ainele omaselt spetsiifilistes suundades, näidates aatomite paigutust aine kristallis.
• madala energiaga ioonide hajumise spektroskoopia on äärmiselt pinnatundlik analüüsimeetod materjalide keemilise ja struktuurilise koostise määramiseks

Analüütilised tandemmeetodid

Analüütiliste seadmete järjestikune ühendamine, nii et esmalt toimub proovis sisalduvate komponentide lahutamine ja seejärel lahutatud ühendite spektroskoopiline analüüs, võimaldab määrata individuaalsete komponentide sisaldust ja keemilist struktuuri. Seejuures vajalik proovi kogus on väga väike ja tulemused saadakse kiiresti. Mõned olulised hübriidtehnikad on järgmised:

• gaasikromatograafia-massispektromeetria (GC-MS)
• gaasikromatograafia-infrapunaspektroskoopia (GC-IR)
• vedelikkromatograafia-massispektromeetria (HPLC-MS)
• vedelikukromatograafia-tuumamagnetresonantsspektroskoopia (HPLC-NMR)
• kapillaarelektroforees-massispektromeetria (CE-MS)

Kahedimensionaalne lahutamine tähendab, et komponentide parema lahutamise saavutamiseks suunatakse esimese lahutamise käigus saadud fraktsioonid edasi teistsuguse mehhanismiga lahutamisele:

• kahedimensionaalne kromatograafia (näiteks GCxGC).

Kombineeritud meetodid

• Voogsisestusanalüüs (FIA) on suure tundlikkusega automatiseeritud analüüsi meetod, mille puhul viiakse proovi tsoon minireaktoris konstantse kiirusega liikuvasse kandelahuse voolu, milles proov seguneb reagendiga ja edasi detekteeritakse mingi füüsikalise karakteristiku muutuse järgi;
• elektrokromatograafia (elektromigratsioon pluss kromatograafia) – kasutatakse kromatograafiale iseloomulikke statsionaarseid faase, liikuv faas on elektrit juhtiv keskkond ja selle liikumapanevaks jõuks on elektriväli; näiteks kapillaarne elektrokromatograafia (CEC) ühendab kapillaarelektroforeesi ja HPLC iseloomu;
• pürolüüsikromatograafia – enne gaasikromatograafi kolonni sisenemist kuumutatakse proov kiiresti, nii et suured molekulid lagunevad, andes väiksemad lenduvad fragmendid, mis edasi lahutatakse kolonnis ja on karakteersed olenevalt algmaterjalist.

Elektrokeemilised meetodid

Doktorant pH-meetriga vee happelisust mõõtmas. Pilt on tehtud Teravmägedes, Longyearbyeni linna läheduses, kui vaadeldi kivisöe kaevandamise mõjusid looduses. Kuigi selles piirkonnas kaevandamist enam aktiivselt ei toimu, siis igal suvel seguneb lumesulaveega söekaevandusest pärit happeline vesi

Elektroanalüütilised meetodid on kasutusel ioonide määramiseks kasutades erinevat tüüpi elektroode ja seadmeid. Siia kuuluvad potentsiomeetria, polarograafia, amperomeetria, kulonomeetria, konduktomeetria jm.

pH-meeter on seade lahuse pH potentsiomeetriliseks määramiseks.

Muud aparaadid ja seadmed

Elementanalüsaatoris määratakse orgaanilise aine proovi põletamisel saadud H, C, N ja S oksiidide hulk ja saadakse nende elementide kvantitatiivne suhe.

Optilised seadmed aine optiliste omaduste määramiseks (s.t ainet ei mõjutata füüsikaliselt): kolorimeeter (mõõdab vedelikku läbinud valguse neeldumist), refraktomeeter (vedelikule karakteerse murdumisnäitaja n_D²⁰ määramiseks), polarimeeter (vedeliku optiliselt aktiivse ja aine eripöörangu [α] määramiseks), mitut tüüpi mikroskoobid jt.

Kalorimeeter on seade termiliste karakteristikute määramiseks, enamasti protsesside soojusefektide määramiseks.

Viskosimeeter on riist vedelike viskoossuse mõõtmiseks.

Analüütilised mikromeetodid

Keemilise ja biokeemilise analüüsi mikrosüsteemide väljaarendamine on pälvinud laialdast huvi alates 20. sajandi lõpust. Need on süsteemid, mis vajavad proovi kogust nanoliitrites. Selles valdkonnas on seni kasutusel sellised ingliskeelsed terminid nagu microelectromechanical systems (MEMS), micro total analysis systems (MTAS), microfluidics, lab-on-a-chip (LOC).

Miniatuursetes spetsiifilise disainiga keemilise analüüsi süsteemides on tavaliselt kasutusel mikrosüsteem-plaat, millele on integreeritud mitmete laboratoorsete funktsioonide, sealhulgas erinevate keemiliste protsesside võimalused. Seejuures rakendatakse üliväikeste vedelikuhulkade manipuleerimise tehnikat, nn mikrofluidikat, ja spetsiaalseid arvutiprogramme nii protsesside juhtimiseks kui ka analüüsi tulemuste väljastamiseks.

Vaata ka

• Analüütiline keemia
• Spektroskoopia
• Kromatograafia

Kirjandus

• Mihkel Kaljurand, Ruth Kuldvee. Instrumentaalanalüüs. III. Tallinna Tehnikaülikool, 1997.