Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

kemisk analyse

Oprindelig forfatter EHH Seneste forfatter Redaktionen

kemisk analyse, identifikation, detektion og kvantificering af stoffer baseret på kemiske reaktioner. Ved kvalitativ analyse undersøges, hvilke grundstoffer eller grundstofkombinationer (atomer, ioner eller molekyler) et givet stof eller en stofblanding består af. Ved kvantitativ analyse bestemmes, hvor meget der er til stede af det pågældende stof.

Ved kemisk analyse udnytter man, at de stoffer, der deltager i en kemisk reaktion, omsættes med hinanden i nøje afstemte støkiometriske forhold (se kemisk reaktion og støkiometri). Stoffet, som man ønsker at analysere, benævnes analytten. Kemiske reaktioner foretages normalt i opløsninger, specielt vandige medier, men undertiden også med andre opløsningsmidler. Hvis en prøve derfor ikke allerede er på væskeform, må den først opløses. Dette kaldes at oplukke prøven og kan fx foretages ved at opløse den i en passende syre.

Kvalitativ analyse

I den kvalitative analyse sker identifikation udelukkende via det/de dannede produkt(er) ved reaktionen. Det kan typisk være et opløst stof med en karakteristisk farve eller en tungtopløselig, evt. farvet forbindelse, hvis fremkomst entydigt indikerer tilstedeværelsen af analytten. Imidlertid findes der kun meget få specifikke reagenser, som selektivt kan reagere med en given analyt, uanset hvilke andre stoffer der måtte være til stede. Derfor er det normalt nødvendigt at foretage en række på hinanden følgende kemiske adskillelser af prøven med henblik på at inddele den i fraktioner, hvori de enkelte stoffer entydigt kan bestemmes, og mulige fejlreaktioner kan udelukkes. I den yderste konsekvens må man adskille, indtil en fraktion kun indeholder ét stof.

Annonce

Kvantitativ analyse

I den kvantitative analyse bestemmes mængden eller koncentrationen af stoffet. Kvantificering af analytten kan enten foretages ved at bestemme, hvor meget af et givet produkt der dannes, eller ved at måle, hvor meget reagens der forbruges ved reaktionen. I visse tilfælde kan analytten kvantificeres ved måling af den energi, der frigøres ved reaktionen.

Titrering og gravimetri

Klassisk kvantitativ kemisk analyse baserer sig næsten udelukkende på titrering og gravimetri. Ved titrering anvender man en reagensopløsning af kendt koncentration, som gradvis tilsættes analytten, fx vha. en burette. Når man lige netop har tilsat det antal molekyler af reagenset, som svarer til antallet af molekyler i analytten gennem det ved reaktionen givne støkiometriske forhold, ændrer opløsningen karakter, idet al analyt nu har reageret med tilsat reagens. Med viden om reagensets koncentration og det tilsatte volumen kan man derfor beregne mængden af analyt. Metoden er et eksempel på måling af forbrugt reagens. For at synliggøre, at titreringen lige netop er fuldført, hvilket kemisk benævnes, at ækvivalenspunktet er nået, tilsættes inden starten et hjælpestof, en såkaldt indikator. Det er i reglen et farvestof, som netop ved ækvivalenspunktet ændrer farve og hermed indikerer, at dette er nået. Ved gravimetri udnytter man, at reagenset med analytten kan danne en tungtopløselig forbindelse af kendt kemisk sammensætning. Bundfaldet frafiltreres, tørres og vejes, hvorved mængden af analyt kan bestemmes.

De ultimative krav til kemiske analysemetoder er sensitivitet, dvs. lave koncentrationer skal kunne måles, og selektivitet, dvs. et givet stof skal kunne bestemmes ved tilstedeværelsen af andre stoffer. Begge formål kan i stor udstrækning tilgodeses ved at supplere de kemiske reaktioner med fysiske detektionsmetoder, som er i stand til at måle på karakteristika ved enten de dannede produkter eller uforbrugt reagens. Sådanne metoder er primært optiske eller elektrokemiske.

Optiske metoder

Ved de optiske metoder baserer man sig på vekselvirkning mellem stof og elektromagnetisk stråling, dvs. man udnytter, at den energi, som strålingen besidder, kan absorberes af en analyt. I spektrofotometri sendes stråling med veldefineret intensitet og bølgelængde gennem prøven, som er anbragt i en beholder (cuvette). Prøven vil så absorbere en del af strålingen: jo mere stof der er i prøven, jo stærkere absorption (jf. Lambert-Beers lov). Måling af lysabsorptionen registreres ved hjælp af en fotofølsom detektor. Den anvendte stråling kan enten være i det synlige (VIS), i det ultraviolette (UV) eller i det infrarøde område (IR). Som nævnt er prøven altovervejende en vandig opløsning, men det er dog også muligt at analysere på faste, transparente materialer. Dette bruges specielt ved IR. Spektrofotometri er en af de mest udbredte detektionsmetoder inden for den analytiske kemi. Fx bestemmes fosfatkoncentrationer ved at lade fosfationer reagere kemisk med en blanding af molybdat og ascorbinsyre. Herved dannes en intensivt blåfarvet forbindelse.

Den energi, som stoffet har optaget fra strålingen, vil efterfølgende blive afgivet igen, hvilket normalt vil ske i form af varme. I nogle tilfælde kan energien imidlertid også delvis afgives som elektromagnetisk stråling i form af lys, hvilket kaldes luminescens. Hvis den afgives momentant, kaldes det fluorescens; hvis den afgives med en vis tidsforsinkelse, kaldes det fosforescens (som det kendes fra "selvlysende" ure). Under veldefinerede forhold vil den afgivne (emitterede) stråling være direkte proportional med koncentrationen af stof. I nogle tilfælde er det ikke muligt at opnå tilstrækkelig energiudveksling mellem prøve og lyskilde ved stuetemperatur, når man måler på ioner og molekyler. Derfor må prøven atomiseres, dvs. de enkelte ioner og molekyler må splittes op i deres atomare dele, hvilket kræver en høj temperatur. Det kan effektueres enten i en gasflamme (1400-2800 °C), i en lille elektrisk opvarmet ovn (op til ca. 3000 °C) eller ved at bringe stoffet i plasmatilstand (8000-10.000 °C). Man kan enten måle den energi, som prøven optager fra den anvendte lyskilde, såkaldt atomabsorption (AAS), eller man kan måle på den stråling, der udsendes som følge af energioptagelse fra selve opvarmningen, såkaldt atomemission (AES). Ved anvendelse af et plasma er det dog kun muligt at foretage emissionsmåling. Til gengæld kan man ved emissionsmålinger drage fordel af, at der kan bestemmes flere analytter samtidig, idet disse hver især vil udsende lys af forskellige, diskrete bølgelængder.

Også bio- og kemiluminescens kan anvendes analytisk i laboratoriet, idet intensiteten af det udsendte lys under kontrollerede betingelser kan relateres til koncentrationen af analyt i reaktionen. Metoderne er attraktive, da de er uhyre følsomme.

Små partikler kan forårsage lysspredning, og dette fænomen kan også udnyttes analytisk. Lysspredning af prøven vil af detektoren registreres som en lyssvækkelse, der vil være proportional med antallet af partikler. Denne type måling, som kaldes turbidimetri, er fx basis for måling af partikulær luftforurening forårsaget af sodpartikler fra biler eller skorstene. Målingen foretages i reglen ved at anbringe en lyskilde (ofte en laser) på den ene side af en gade og detektoren på den anden side af gaden. Afstanden herimellem fungerer som cuvette, der i dette tilfælde indeholder den forurenede luft, som skal kontrolleres.

Elektrokemiske metoder

Ved de elektrokemiske analysemetoder, som alle er baseret på udveksling af elektroner mellem de komponenter, der i de kemiske reaktioner indgår, kan man principielt kun måle spænding, strømstyrke og tid, men ikke desto mindre er der udviklet en lang række metoder, som drager fordel af én eller kombinerer flere af disse tre parametre. I potentiometri måler man således spændingsforskellen mellem to elektroder. Ved måling af surhedsgraden (pH) i vandprøver anvendes glaselektroder, som er selektive for hydrogenioner, der er ansvarlige for surhedsgraden. Der er også konstrueret elektroder, som er følsomme for andre ioner (fx fluorid, calcium og nitrat; se ionselektive elektroder). Desuden er der udviklet sensorer, der kan måle gasser såsom ammoniak eller kuldioxid. Denne metodik har tillige skabt grundlag for udvikling af biosensorer, hvor man på sensorens overflade har påført et lag af fx enzymer, der selektivt kan nedbryde bestemte forbindelser. Herved dannes et stof, som sensoren kan måle, og det registrerede signal kan direkte relateres til analytten. Således kan urinstof bestemmes med en ammoniakfølsom sensor, idet urinstof ved hjælp af enzymet urease kan spaltes under dannelse af ammoniak.

Andre elektrokemiske metoder baserer sig på, at elektriske ladninger kan benyttes til oxidation eller reduktion af et givet stof (elektrolyse). Her er princippet, at fx positivt ladede metalioner kan reduceres ved den negative pol (katoden) og afsættes på denne. Efter nødvendig elektrolysetid kan katoden vejes, og med viden om vægten inden elektrolysen kan koncentrationen af metalioner i opløsningen beregnes. Proceduren er efter dagens behov ikke specielt følsom, og man har derfor udviklet coulometri (efter coulomb, enheden for ladning), hvor man i stedet måler strømstyrke og den tid, strømmen løber, hvorved den overførte ladning kan bestemmes. Da de enkelte ioner bærer præcist afstemte ladningsmængder, kan mængden/koncentrationen af omsatte ioner/stof beregnes. Med moderne udstyr er det muligt at måle endog meget små strømstyrker (μA eller nA), hvilket gør metoden meget følsom. En speciel anvendelse af coulometri er den såkaldte coulometriske titrering. Som i den klassiske titrering udnyttes tilsætning af reagens til analytten, indtil ækvivalenspunktet er nået. Men ved den coulometriske titrering genereres reagenset elektrokemisk på stedet, nemlig i selve analytopløsningen via et tilsat hjælpestof. Dvs. det antal coulomb, som forbruges til at generere reagenset, og som benyttes til at titrere analytten, kan direkte relateres til mængden af analyt.

Andre elektrokemiske procedurer er voltametri og amperometri. I begge tilfælde vil strømmen, som skyldes reduktion eller oxidation af analytten, være direkte proportional med koncentrationen af denne. Amperometri har specielt fået anvendelse ved måling af oxygen, som ved tilstedeværelsen af hydrogenioner kan reduceres til vand. Dette princip har givet anledning til udvikling af en oxygensensor, der fx kan benyttes til bestemmelse af oxygenindholdet i vand, eksempelvis i åer og havvand, for således indirekte at måle udledningen af næringssalte, der gøder væksten af alger, som igen forbruger oxygen. Også oxygensensoren kan kombineres med anvendelsen af enzymer, som indgår i oxygenforbrugende reaktioner. En speciel type voltametri er polarografi, hvor der anvendes en dryppende kviksølvelektrode, udviklet af J. Heyrovski, som i 1952 modtog nobelprisen i kemi herfor.

Elektrokemiske metoder omfatter endvidere de såkaldte stripping-metoder. Her udnytter man indledningsvis, at en analyt, som regel en metalion, via elektrolyse kan reduceres og opkoncentreres i en elektrodeoverflade. Som oftest benyttes en kviksølvfilm, da kviksølv har den egenskab, at det kan opløse metaller under dannelse af amalgamer. Efter opkoncentreringen oxideres analytten ud af kviksølvfilmen, hvilket benævnes stripping. Det kan enten ske elektrisk eller kemisk. I begge tilfælde drager man fordel af, at den indledende opkoncentrering under strippingen fører til et signal, som dels er langt større end det, som man ville kunne få ved at måle direkte på opløsningen, og dels er direkte proportionalt med koncentrationen af analyt. Da det registrerede signal er afhængigt af elektrolysetiden, som kan varieres efter behov, kan man følgelig selv bestemme den ønskede følsomhed/sensitivitet, som metoden skal præstere.

Fraktionering af prøven

Som nævnt ovenfor kan de kemiske reaktioner kun finde sted, hvis en given prøve er blevet oplukket, dvs. bragt på væskeform. Det kan være både vanskeligt og meget tidskrævende. I mange tilfælde vil prøven alligevel være på en sådan form, eller et givet udgangsmateriale (fx en slam- eller blodprøve) indeholde så mange stoffer, at ingen analytisk metode direkte vil kunne bestemme de enkelte komponenter. Der kan derfor ligesom i den kvalitative analyseprocedure være behov for en forbehandling af prøven med opsplitning af den i fraktioner, som efterfølgende kan underkastes en selektiv analyse. Forbehandlingen vil som regel bestå i ekstraktion af prøven i et egnet ekstraktionsmiddel. Hvis man i denne forbindelse ekstraherer et stort volumen prøve med et lille volumen ekstraktionsmiddel, kan man samtidig drage fordel af at kunne opkoncentrere prøven. Visse komponenter, som potentielt kan udøve interferens ved den anvendte analysemetode, må enten fjernes fysisk eller endnu bedre kemisk bringes på en sådan form, at de ikke vil influere på målingen (kemisk maskering). Eventuelt vil det være nødvendigt at underkaste prøven separation på et kromatografisk system. Her adskilles og bestemmes enkeltkomponenterne individuelt, evt. suppleret med yderligere verifikation gennem massespektrometrisk analyse, hvor de enkelte molekylmasser analyseres. Sidstnævnte koncept, hvor to instrumentelle metodikker kombineres, har siden 1980'erne vundet indpas for at øge den efterstræbte selektivitet og sensitivitet. I denne forbindelse kan fx peges på ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spektrometry), hvor de ioner, der dannes i et plasma, efterfølgende sorteres i et massespektrometer. En anden mulighed er anvendelsen af FIA (Flow Injection Analysis) i kombination med enten atomabsorptionspektrometri (AAS) eller bio- og kemiluminescens.

Endelig skal det anføres, at den analytiske kemi i 1980'erne og 1990'erne blev suppleret med en vigtig hjælpedisciplin: kemometrien, dvs. anvendelsen af statistiske metoder til rubricering af analyseresultater. Den analytiske kemi har således gennemlevet en evolution, hvor kemien har fået assistance af fysikken (de instrumentelle metoder) samt matematikken (til tolkning af de opnåede analyseresultater). Ikke desto mindre er det vigtigt at holde sig for øje, at selv de mest sofistikerede hjælpemidler ikke vil kunne give gode analyseresultater, hvis den basale kemiske viden, som skal anvendes ved udførelse af kemisk analyse, ikke anvendes med omtanke.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Elo Harald Hansen: kemisk analyse i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 19. marts 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=105420