Ενόργανη Ανάλυση Y403

[Y403] Ενόργανη Ανάλυση (Θ)

• Το μάθημα διδάσκεται από τη Δρ. Χριστίνα Νάννου, Επίκουρη Καθηγήτρια Αναλυτικής Χημείας στο Τμήμα Χημείας του ΔΠΘ.
• Προσφέρεται στην Καβάλα το 2025.

Πληροφορίες Μαθήματος

• Τίτλος μαθήματος: Ενόργανη Ανάλυση
• Κωδικός μαθήματος: Y403
• Τύπος μαθήματος: Υποχρεωτικό
• Εξάμηνο: 3ο / Εαρινό
• Ώρες ανά εβδομάδα: 4 ώρες θεωρία, 3 ώρες εργαστήριο (4 (Θ), 3 (Ε))
• ECTS: 7
• Επικοινωνία με φοιτητές: [email protected], κάθε Τρίτη, 13:00 – 16:00
• Προσφέρεται στην Καβάλα το 2022.

Ταξινόμηση Μεθόδων Ποσοτικής Χημικής Ανάλυσης

• Οι μέθοδοι ταξινομούνται βάσει των ακολουθούμενων διεργασιών και τεχνικών.
• Οι μέθοδοι διακρίνονται σε κλασικές και οργανικές.
• Οι κλασικές μέθοδοι χρησιμοποιούν απλά σκεύη ακριβείας για μέτρηση μάζας ή όγκου.
• Οι οργανικές μέθοδοι χρησιμοποιούν πολύπλοκα όργανα.
• Η τελική μέτρηση βασίζεται στη μέτρηση και σύγκριση ενός φυσικού/φυσικοχημικού μεγέθους.
• Οι κλασικές μέθοδοι περιλαμβάνουν σταθμικές και ογκομετρικές τεχνικές.
• Οι οργανικές μέθοδοι περιλαμβάνουν φασματοσκοπικές, ηλεκτροχημικές, χρωματογραφικές, θερμομετρικές, ραδιοχημικές και ειδικές τεχνικές.

Ενόργανες Αναλυτικές Τεχνικές

• Ενόργανες τεχνικές ανάλυσης: αναλυτικές τεχνικές που βασίζονται στη μέτρηση (υπό κατάλληλες συνθήκες) φυσικών/φυσικοχημικών ιδιοτήτων των προς ανάλυση δειγμάτων.
• Οι ιδιότητες αποτελούν τον φορέα της αναλυτικής πληροφορίας.
• Το μέγεθός τους είναι συνάρτηση του είδους/μάζας/συγκέντρωσης του υπό ανάλυση συστατικού.
• Η χρήση απλών οργάνων μέτρησης όπως ο ζυγός δεν αρκεί για να κατατάξει μια κλασική τεχνική στην κατηγορία των ενόργανων τεχνικών ανάλυσης.
• Δεν υπάρχει σαφής/αντικειμενική διάκριση μεταξύ κλασικών και ενόργανων τεχνικών χημικής ανάλυσης.

Στάδια Ποσοτικής Χημικής Ανάλυσης

• Δειγματοληψία:
  • Το δείγμα πρέπει να είναι αντιπροσωπευτικό.
• Προκατεργασία δείγματος:
  • Το δείγμα υφίσταται προκατεργασία με κατάλληλες διαχωριστικές τεχνικές, ώστε το συστατικό να είναι στην επιθυμητή μορφή για ανάλυση.
• Ανάλυση:
  • Βαθμονόμηση οργάνου μέτρησης
  • Εισαγωγή δείγματος στο όργανο μέτρησης
  • Παραγωγή και ανίχνευση σήματος
  • Λήψη αποτελέσματος (χημική πληροφορία)
  • Επανάληψη μετρήσεων
• Επεξεργασία δεδομένων, ερμηνεία αποτελεσμάτων:
  • Υπολογισμοί
  • Στατιστική επεξεργασία
  • Σύγκριση με παραμετρικές τιμές
  • Συμμόρφωση με νομοθετικά όρια
  • Αποτίμηση αποτελέσματος
  • Απόφαση

Ποσοστιαία κατανομή εκτιμώμενης εργασίας

• Προκατεργασία: 61%
• Επεξεργασία αποτελεσμάτων: 27%
• Δειγματοληψία: 6%
• Ανάλυση: 6%

Τύποι Δειγμάτων (Υποστρώματα)

• Οργανικά (περιλαμβάνονται και τα βιολογικά υγρά)
• Ανόργανα
• Υποδιαιρούνται σε στερεά, ημιστερεά, υγρά, αέρια.

Ταξινόμηση Ενόργανων Τεχνικών

• Βασίζεται στη μετρούμενη φυσική ιδιότητα.
  • Ηλεκτροχημικές
  • Φασματοχημικές
  • Χρωματογραφικές
  • Θερμικές
  • Ειδικές
• Άλλες ταξινομήσεις:
  • Καταστρεπτικές / Μη καταστρεπτικές
  • Συνεχείς / Ασυνεχείς

Ηλεκτροχημικές Τεχνικές

• Μετρούν ηλεκτρικές ιδιότητες των ουσιών

Παραδείγματα

• Ποτενσιομετρία: μέτρηση ηλεκτρικού δυναμικού (π.χ. pH-μετρία).
• Αμπερομετρία, πολαρογραφία: μέτρηση έντασης ρεύματος.
• Κουλομετρία: μέτρηση ποσότητας ηλεκτρισμού.
• Κυκλική βολταμετρία: ανάλυση της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς ουσιών.
• Αγωγιμομετρία: μέτρηση ηλεκτρικής αγωγιμότητας διαλυμάτων.

Οπτικές Τεχνικές Ανάλυσης

Παραδείγματα

• Φλογοφωτομετρία: εκπεμπόμενη ακτινοβολία
• Φθορισμομετρία: εκπεμπόμενη ακτινοβολία
• Φασματομετρία απορρόφησης: απορροφούμενη ακτινοβολία
• Φασματομετρία ατομικής απορρόφησης: απορροφούμενη ακτινοβολία
• Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού: απορροφούμενη ακτινοβολία
• Φασματοσκοπία Raman: σκεδαζόμενη ακτινοβολία
• Νεφελομετρία: σκεδαζόμενη ακτινοβολία
• Θολερομετρία: σκεδαζόμενη ακτινοβολία
• Πολωσιμετρία: στροφή επίπεδου πολωμένου φωτός
• Διαθλασιμετρία: δείκτης διαθλάσεως

Φασματοσκοπικές Τεχνικές

• Μετρούν την απορρόφηση, εκπομπή ή σκέδαση ακτινοβολίας

Παραδείγματα

• Φασματοσκοπία Υπεριώδους-Ορατού (UV-Vis): μετρά την απορρόφηση φωτός από μόρια.
• Φασματοσκοπία Υπέρυθρης Ακτινοβολίας (IR): μετρά τις δονητικές μεταβάσεις των μορίων.
• Φασματοσκοπία Raman: ανιχνεύει μεταβολές στη σκέδαση του φωτός λόγω μοριακών δονήσεων.
• Φασματοσκοπία Ατομικής Απορρόφησης (AAS): μετρά την απορρόφηση φωτός από άτομα.
• Φασματοσκοπία Ατομικής Εκπομπής (AES, ICP-OES): μετρά την εκπομπή φωτός από διεγερμένα άτομα.
• Φασματομετρία Μάζας (MS): μετρά τη μάζα και τη σύσταση των ιόντων.
• Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (NMR): μετρά τις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων.

Χρωματογραφικές Τεχνικές

• Μετρούν την κατανομή των συστατικών σε φάσεις

Παραδείγματα

• Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης (HPLC): διαχωρισμός ουσιών με βάση την πολικότητα.
• Αέρια Χρωματογραφία (GC): διαχωρισμός ουσιών με βάση την πτητικότητα.
• Χρωματογραφία Ιοντικής Ανταλλαγής (IC): διαχωρισμός ιόντων.
• Χρωματογραφία Λεπτού Στρώματος (TLC): διαχωρισμός με στατική φάση λεπτού στρώματος προσροφητικού υλικού.
• Χρωματογραφία υπερκρίσιμου ρευστού (SFC): υπερκρίσιμο ρευστό ως κινητή φάση.
• Χρωματογραφία συγγένειας (Affinity Chromatography)
• Χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους (SEC)
• Χρωματογραφία χάρτου

Θερμικές Τεχνικές

• Μετρούν θερμοδυναμικές μεταβολές

Παραδείγματα

• Θερμοβαρυμετρία (TGA): μέτρηση μεταβολών βάρους με τη θερμοκρασία.
• Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC): μέτρηση θερμικών μεταβολών σε ουσίες.
• Διαφορική Θερμική Ανάλυση (DTA): σύγκριση θερμοκρασίας αναφοράς και δείγματος.

Διασκορπιστικές και Μικροσκοπικές Τεχνικές

• Μετρούν δομικές/μορφολογικές ιδιότητες

Παραδείγματα

• Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM): ανάλυση επιφανειακής μορφολογίας.
• Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (TEM): ανάλυση εσωτερικής δομής δειγμάτων.
• Δυναμική Σκέδαση Φωτός (DLS): μέτρηση μεγέθους νανοσωματιδίων.
• X-ray Diffraction (XRD): ανάλυση κρυσταλλικής δομής.

Άλλες Τεχνικές Ανάλυσης

Παραδείγματα

• Κινητικές Τεχνικές: Ανάλυση βασισμένη στη μεταβολή της συγκέντρωσης με το χρόνο για αντιδρώντα και προϊόντα. Εφαρμογή: μέτρηση ταχύτητας ενζυμικών αντιδράσεων, κινητική διάσπαση φαρμάκων
• Ενζυμικές Τεχνικές: Χρήση ενζύμων για ανίχνευση και ποσοτικοποίηση ουσιών. Εφαρμογή: ανάλυση γλυκόζης σε βιοχημικά δείγματα (ELISA)
• Ανοσοχημικές Τεχνικές: Βασίζονται στη σύνδεση αντιγόνου-αντισώματος . Εφαρμογή: ELISA, Western Blot, ανοσοφθορισμός
• Μικροβιολογικές Τεχνικές: Καλλιέργεια και ανάλυση μικροοργανισμών για εντοπισμό. Εφαρμογή: καλλιέργειες βακτηρίων, τεχνική δισκοδιάχυσης αντιβιοτικών.
• PCR (Αντίδραση Πολυμεράσης): Ανίχνευση και ενίσχυση γενετικού υλικού. Εφαρμογή: γενετικός έλεγχος, ανίχνευση ιών και βακτηρίων (π.χ., SARS-CoV-2)
• Θερμομετρικές Τεχνικές: Ανάλυση μεταβολών θερμοκρασίας λόγω χημικών. Εφαρμογή: ισοθερμική τιτλοδότηση, θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης (DSC
• Ραδιοχημικές Τεχνικές: Χρήση ραδιενεργών ισοτόπων. Εφαρμογή: Ραδιοανοσοπροσδιορισμός (RIA), PET scan στη διαγνωστική ιατρική

Χαρακτηριστικά Ποιότητας Ενόργανων Μεθόδων Ανάλυσης

• Ευαισθησία: Ικανότητα ανίχνευσης χαμηλών συγκεντρώσεων αναλύτη
• Εκλεκτικότητα: Ικανότητα διάκρισης αναλύτη από άλλες ουσίες στο δείγμα
• Ακρίβεια: Συμφωνία μεταξύ επαναλαμβανόμενων μετρήσεων
• Επαναληψιμότητα: Συμφωνία μεταξύ μετρήσεων στις ίδιες συνθήκες
• Αναπαραγωγιμότητα: Συμφωνία μετρήσεων σε διαφορετικά εργαστήρια/αναλυτές
• Όρια ανίχνευσης (LOD) & ποσοτικοποίησης (LOQ): Ελάχιστη συγκέντρωση ανιχνεύσιμη/ποσοτικοποιήσιμη
• Γραμμικότητα: Ικανότητα της τεχνικής να παράγει αποτελέσματα ανάλογα με τη συγκέντρωση του αναλύτη

Χαρακτηριστικά Ενόργανων Μεθόδων Ανάλυσης

• Θόρυβος σήματος: Απότομες/ακανόνιστες διακυμάνσεις ενδείξεων λόγω των ηλεκτρονικών του οργάνου.
• Δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου σε συγκεκριμένο δείγμα
• Αξιοπιστία: Ακρίβεια και επαναληψιμότητα
• Ταχύτητα ανάλυσης: Χρόνος για λήψη αξιόπιστων αποτελεσμάτων
• Αντοχή & Ανθεκτικότητα: Ανθεκτικότητα της μεθόδου σε μικρές μεταβολές πειραματικών παραμέτρων.
• Οικονομικότητα: Κόστος της ανάλυσης σε αναλώσιμα, εξοπλισμό και ανθρώπινο δυναμικό

Πλεονεκτήματα Ενόργανων Μεθόδων Ανάλυσης

• Υψηλή Ευαισθησία: Ανίχνευση πολύ μικρών συγκεντρώσεων αναλύτη
• Μεγάλη Εκλεκτικότητα: Δυνατότητα διάκρισης παρόμοιων ουσιών
• Ταχύτητα Ανάλυσης: Γρήγορα αποτελέσματα σε σχέση με κλασικές τεχνικές
• Αυτοματοποίηση: Μαζική ανάλυση και επαναληψιμότητα
• Μικρότερη Κατανάλωση Δείγματος: Απαιτείται μικρή ποσότητα δείγματος
• Δυνατότητα Πολυπαραμετρικής Ανάλυσης
• Υψηλή Αναπαραγωγιμότητα
• Μειωμένο Ανθρώπινο Σφάλμα
• Ανάλυση πολύπλοκων δειγμάτων
• Πολυστοιχειακή ανάλυση

Μειονεκτήματα Ενόργανων Μεθόδων Ανάλυσης

• Υψηλό Κόστος Εξοπλισμού
• Απαιτήσεις Συντήρησης
• Πολυπλοκότητα Χειρισμού
• Ευαισθησία σε Περιβαλλοντικούς Παράγοντες
• Απαραίτητες πρότυπές πιστοποιημένες ενώσεις αναφοράς
• Ενδεχόμενος Θόρυβος Σήματος
• Περιορισμένη Διαθεσιμότητα
• Ανάγκη Δοκιμών Επιβεβαίωσης

Κριτήρια Επιλογής Ενόργανης Τεχνικής Ανάλυσης

• Τύπος, είδος και πολυπλοκότητα δείγματος
• Προετοιμασία Δείγματος
• Ποιότητα ανάλυσης
• Διαθεσιμότητα Εξοπλισμού
• Εμπειρία προσωπικού
• Κόστος Ανάλυσης
• Ασφάλεια & Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις
• Αυτοματοποίηση & Απόδοση Δεδομένων
• Κανονιστικές Απαιτήσεις & Πρότυπα
• Αριθμός δειγμάτων
• Φύση του Αναλύτη
• Ευαισθησία & Όρια Ανίχνευσης
• Εκλεκτικότητα
• Ταχύτητα Ανάλυσης
• Ακρίβεια & Επαναληψιμότητα

Πεδία Εφαρμογής Ενόργανης Ανάλυσης

• Ιατρική: ανάλυση βιολογικών υγρών, κλινική αναλυτική χημεία.
• Βιολογία: ανάλυση, ποσοτικός προσδιορισμός βιομορίων.
• Περιβάλλον: ανάλυση αέρα, νερού, αποβλήτων.
• Τομέας τροφίμων και ποτών: έλεγχος ποιότητας.
• Τομέας φαρμάκων και καλλυντικών: έλεγχος ποιότητας.
• Εγκληματολογία-Ιατροδικαστική: χημική ανάλυση πειστηρίων εγκλήματος.
• Αρχαιολογία: ανάλυση αρχαιολογικών ευρημάτων.
• Γεωπονία: χημική ανάλυση εδάφους, γεωργικών προϊόντων.

Υπόβαθρο (Baseline)

• Το σήμα που καταγράφει ένα όργανο ανάλυσης ακόμη και όταν ο αναλύτης δεν υπάρχει στο δείγμα.
• Προκύπτει από φυσικά χαρακτηριστικά του διαλύτη, περιβαλλοντικές επιδράσεις (πχ, θερμοκρασία, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), ενδογενείς ατέλειες του οργάνου (πχ, διαρροές ρεύματος σε ηλεκτροχημικές τεχνικές).
• Στόχος: Η σταθερή και χαμηλή γραμμή υποβάθρου, ώστε να είναι ευδιάκριτο το πραγματικό σήμα του αναλύτη.

Θόρυβος Σήματος (Noise)

• Τυχαίες διακυμάνσεις στο σήμα που δε σχετίζονται με τον αναλύτη.

Προέρχεται από

• Θερμικό θόρυβο (κινήσεις ηλεκτρονίων σε ηλεκτρονικά κυκλώματα)
• Ηλεκτρονικό θόρυβο (διακυμάνσεις τάσης στο όργανο μέτρησης)
• Περιβαλλοντικές παρεμβολές (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, δονήσεις)
• Χημικό θόρυβο (απροσδόκητες αντιδράσεις με το διαλύτη)

Μέτρα βελτίωσης

• Φιλτράρισμα σήματος
• Συντήρηση οργάνων
• Βελτιστοποίηση παραμέτρων ανάλυσης

Σχέση Σήματος προς Θόρυβο (S/N Ratio)

• Ο λόγος της έντασης του σήματος του αναλύτη προς την ένταση του θορύβου
• Υψηλή τιμή S/N σημαίνει καθαρό σήμα και αξιόπιστα αποτελέσματα