Analytická chémia - Laboratórne štandardy

Analytická chémia - Prednáška č. 1 a 2

• Predmet analytická chémia, prednáška č. 1 a 2
• Prednášajúci: RNDr. et Mgr. Nicholas Martinka, PhD.
• Trnavská Univerzita v Trnave, Katedra laboratórnych vyšetrovacích metód

Osnova predmetu

• Úvod do analytickej chémie, proces chemickej analýzy, zabezpečenie kvality v analytickej chémii
• Odber a úprava vzoriek
• Chemické metódy analýzy
• Spektrálne metódy (AES, AAS, molekulová absorpčná/luminiscenčná spektrometria)
• Optické nespektrálne metódy (nefelometria, turbidimetria, polarimetria)
• Elektroanalytické metódy (potenciometria, konduktometria, ampérometria, coulometria)
• Elektromigračné metódy (plošná elektroforéza, CE, CZE, CITP, CIEF)
• Analytické separačné metódy (chromatografia - základy, LC, HPLC, UHPLC, GC)
• Hmotnostná spektrometria (GC-MS, LC-MS, CE-MS)
• Bioanalytické metódy (enzýmové, imunochemické, analýza s biosenzormi, nukleových kyselín)

Podmienky absolvovania predmetu

• Záverečný písomný test (max. 80% hodnotenia)
• Odovzdanie protokolov z praktických cvičení (max. 10% hodnotenia)
• Úspešné absolvovanie testu z príkladov zameraných na prípravu roztokov (3 príklady, aspoň 2 vypočítané; max. 10% hodnotenia)

Historický vývoj analytickej chémie

• Analytická chémia je jeden z najstarších a najmladších odborov chémie
• Jednoduché skúšky súvisiace so zberom plodov
• Spracovanie kovov
• Prvá analýza - Archimedovo stanovenie rýdzosti zlata
• Vznik analytickej chémie ako vednej disciplíny - klasické chemické analýzy (prvý rozvoj polovica 19. storočia)

Metódy analytickej chémie

• Princíp merania je daný interakciou analytu a skúmadla (chemická reakcia, elektrolýza, emisia, absorpcia svetla).
• Analytická metóda je aplikácia princípu na dôkaz a stanovenie zložiek vzorky (analytov)
• Metódy možno rozdeliť na kvantitatívne a kvalitatívne a podľa princípu, spôsobu, množstva, povahy a skupenstva vzorky.

Metódy - rozdelenie

• Kvalitatívna analýza (IUPAC) - identifikácia/klasifikácia látok na základe fyzikálno-chemických vlastností

• Dôkaz - poskytnutie informácie o prítomnosti iónov, zlúčenín, alebo funkčných skupín

• Identifikácia - určenie neznámej látky (molekulovej zlúčeniny)

• Kvantitatívna analýza (IUPAC) - určenie množstva alebo koncentrácie zložky/zlúčeniny vo vzorke

• Stanovenie - proces získania kvantitatívnej analytickej veličiny

• Semikvantitatívna analýza - neurčenie presného množstva

Rozdelenie podľa princípu

• Senzorická (zmyslové - potravinárstvo)
• Chemická (reakcie medzi zložkou a skúmadlom)
• Fyzikálna (meranie zmeny fyzikálnej veličiny)
• Fyzikálno-chemické (zmena fyzikálnych/chemických vlastností)
• Biochemické (biochemické reakcie)
• Biologické/mikrobiologické (vplyv na organizmy a živočíchy)

Rozdelenie podľa histórie

• Klasické metódy (analýza mokrou cestou - hlavne chemické a senzorické princípy)
• kvalitatívne (zmena farieb, zrazenín, tvorba plynov)
• kvantitatívne (váženie, odber objemu)
• Inštrumentálne metódy (fyzikálne, fyzikálno-chemické, biochemické princípy)
• Elektrochemické, spektrometrické, separačné

Koncentračné úrovne

• Hlavné (majoritné) - viac ako 1,00 %
• Vedľajšie (minoritné) - 0,01-1,00 %
• Stopové (mikrozložky) - 10⁻⁶ - 0,01 %
• Utrastopové - menej ako 10⁻⁶ %

Proces chemickej analýzy

• Definícia problému, odber vzorky, spracovanie vzoriek, meranie analytického signálu, spracovanie, vyhodnotenie dát.
• Výsledok - záver

Proces chemickej analýzy - metódy

• Štandardné analytické metódy s medzinárodnými/národnými normami, selektivita, špecifickosť, výťažnosť, medza detekcie, medza stanovenia, linearita odozvy, robustnosť, časová náročnosť a cena.
• Charakteristiky výsledkov: pravdivosť, presnosť, správnosť, opakovateľnosť, reprodukovateľnosť.

Terminológia

• Rozsah metódy (working interval) - interval koncentrácií určiteľný s definovanou neistotou.

• Selektivita - schopnosť metódy identifikovať analyt v zložitej zmesi bez interferencie iných zložiek.

• Špecifita - vlastnosť metódy vzťahovať sa výlučne na danú vlastnosť/analyt.

• Citlivosť - smernica kalibračnej krivky

• Medza stanovenia - najmenšia koncentrácia analytu, pri ktorej má stanovenie dohodnutú metrologickú kvalitu

• Blank vzorka - materiál s podobnými charakteristikami ako vzorka, v ktorom koncentrácia analytu je pod medzou detekcie.

• Chyba merania (Measurement error) - rozdiel medzi nameranou hodnotou a referenčnou hodnotou veličiny. (náhodná a systematická)

• Náhodná chyba merania - pri opakovaní merania sa mení nepredpovedateľne.

• Systematická chyba merania - pri opakovaní merania sa mení predpovedatel'ne.

• Vychýlenie (bias) - odhad systematických chýb.

• Pravdivosť merania (Measurement trueness) - tesnosť zhody medzi priemernou hodnotou výsledkov opakovaných meraní a referenčnou hodnotou veličiny.

• Správnosť (accuracy) - tesnosť zhody medzi nameranou hodnotou a skutočnou hodnotou.

• Presnosť (precision) - tesnosť nameraných výsledkov medzi sebou (rozptýlenie).

• Opakovateľnosť (repeatability) - presnosť merania určená zo súboru výsledkov merania pri podmienkach opakovateľnosti.

• Reprodukovateľnosť (reproducibility) - presnosť merania určená zo súboru výsledkov merania za podmienok reprodukovateľnosti.

Kalibrácia (Calibration), Kalibračná krivka

• Vzťah medzi hodnotami veličín (s príslušnými neistotami) poskytovanými etalónmi/štandardmi merania
• Cieľom je získanie výsledku merania z hodnoty meranej veličiny.
• Grafické znázornenie závislosti meraného signálu od veľkosti meranej veličiny (koncentrácie/množstva analytu).

Metóda prídavku štandardu

• Kalibračná krivka je známa, jej parametre nie sú vopred známe
• Meranie signálu analytu vo vzorke
• Pridanie známeho množstva analytu
• Získanie nového signálu pre zvýšené množstvo analytu
• Určenie hodnoty analytu a parametrov presnosti stanovenia.

Variabilita výsledkov merania

• Výsledok merania je priblíženie k skutočnej hodnote veličiny.
• Nedokonalosť meracieho zariadenia, metódy, podmienok merania
• Zdravie, ekonomika, pod.
• Základné charakteristiky pre indikátor kvality
  • univerzálnosť
  • kvantitatívne vyjadrenie
  • jednoznačná interpretácia

Zabezpečenie kvality v analytickej chémii

• Systém správnej laboratórnej praxe (GLP) - pravidlá pre správny výkon činností.
• Akreditácia - formálne uznanie spôsobilosti laboratória.

Neistota merania

• Nezáporný parameter charakterizujúci rozptylenie hodnôt meranej veličiny.
• Odhad neistoty - náhodné (typu A) a systematické (typu B) príspevky zo všetkých potenciálnych známych zdrojov.

Základné pojmy

• Vzorka - predstavuje časť materiálu pre analýzu
• Vzorkovanie - proces získania a uprávy vzorky (protokol o odbere vzorky s identifikačnými údajmi)

Odber vzorky

• Zásady vzorkovania (normy STN 1510 až 1513)
• Rôzne typy materiálov (tuhá, kvapalná, plynná) biologický materiál

Odber vzorky - biologický materiál

• sérum, plazma (EDTA, heparín), moč, plná krv, likvor, stolica, synoviálna tekutina, iné telesné tekutiny

• Odber biol. materiálu musí byť vykonaný za sterilných podmienok a podľa osobných kompetencií zdravotníckych pracovníkov.

Úprava laboratórnej vzorky

• Predstavuje spoločné označenie pre všetky činnosti na úpravu vzorky do konečného stavu, ktorý umożliwia vykonanie analýzy, transportu, alebo dlhodobého skladovania.
• Techniky: riedenie, filtrácia, úprava pH, prídavok štandardu, sušenie, sitovanie, homogenizácia, extrakcia, centrifugácia.

Chemické rozklady vzoriek

• Rozdelenie na mokré a suché metódy.
• Mokré (kyseliny, hydroxidy): rozklad tuhých vzoriek do roztoku (HCl, HNO3, H2SO4,HF, HCl/HNO3)
• Suché (spaľovanie, tavenie, spekanie): pri teplote za vzniku reakčných produktov (Na2CO3, NaOH, KOH)

Extrakcia

• Separácia zložiek z jednej fázy do druhej fázy na základe rozpustnosti. (kvapalina -kvapalina, tuhá fáza-kvapalina,...)

Membránové separačné techniky

• Filtrácia - oddelenie dvoch fáz pomocou membrány s pórmi.
• Ultrafiltrácia - separácia zložiek podľa veľkosti molekúl.
• Dialýza - separácia podľa hránice veľkosti molekúl.

Odmerná analýza

• Metódy stanovenia látok (titrácie) na základe zistenia objemu skúmadla.
• Acidobázické titrácie (neutralizačné), komplexometrické, zrážacie, oxidačno-redukčné titrácie
• Titračná krivka -grafické znázornenie závislosti pH od objemu titrantu.

Vážková analýza - gravimetria

• Technika stanovenia látok na základe váženia zrazeniny.
• Kvantitatívne vylúčenie látky vo forme zrazeniny.
• Úplné oddelenie látky - sušenie a žíhanie za konštantnej teploty.