Klassiske kjemiske analyser

Tiltrering

Et eksempel på dette er historien om høytemperatursuperledere som ble oppdaget i 1986, se nedenfor - Analyse av superledende materialer.

Analyse av superledende molekyler.

De første høytemperatursuperledere var en gruppe oksider av yttrium, barium og kopper med formelen YBa₂Cu₃O_x. Verdien av x (antall O i molekylet) vil avhenge av oksidasjonstrinnet til kopperatomene, spesielt om det er Cu³⁺ i molekylet.

Den beste måten å bestemme koppermengden på i dette noe uvanlige oksidasjonstrinnet har vist seg å være en klassisk titreringsmetode som kalles jodometri og ble innført av Robert Bunsen (riktig, han med Bunsenbrenneren) i 1853. Jodometri baserer seg på at både Cu²⁺ og Cu³⁺ oksiderer jodioner (I^-) til jod (I₂) og blir selv redusert til Cu⁺. Hvor mye jod som blir dannet bestemmes så ved å titrere med natriumtiosulfat. Hvis den nøyaktige konsentrasjonen av tiosulfatløsningen er kjent, er det mulig å beregne oksidasjonstrinnet for kopper i den opprinnelige prøven, det vil si at x kan bestemmes.

Oksygenmengden (O) i oksidet kan også bestemmes ved en tradisjonell termogravimetrisk analyse. Her blir YBa₂Cu₃O_x-prøven varmet opp i en strøm av hydrogengass som reduserer prøven til en blanding av yttriumoksid (Y₂O₃), bariumoksid (BaO) og metallisk kopper. Antallet O (x) i opprinnelig prøve blir så beregnet ut fra prosent massetap.

Forbrenningsanalyser

En analytiker arbeider med en ICP-MS.

En annen klassisk metode som fremdeles brukes mye, er forbrenningsanalyser der karbon, nitrogen, hydrogen og svovel i en forbindelse kan bestemmes ved å forbrenne den i en strøm av oksygen og deretter måle mengdene av de produktene som dannes. Denne teknikken brukes til å bekrefte summeformelen av en organisk forbindelse og er som oftest automatisert og utføres av spesiallaboratorier.

De fysikalske metodenes inntog

De mest spektakulære fremskrittene i analytisk kjemi har kommet etter oppdagelsen av nye fysikalske fenomener. Et eksempel med lang forhistorie er atomspektroskopi. På attenhundretallet oppdaget forskere at når enkelte stoffer ble oppvarmet i flamme, sendte de ut lys med farger som var karakteristiske for noen av de grunnstoffene stoffet var laget av. Et kjent eksempel er det gule lyset vi får når stoffer som inneholder natrium brennes i en flamme. Dette kan demonstreres ved for eksempel å slippe litt NaCl (koksalt) i en gassflamme. I analytisk kjemi har denne oppdagelsen blitt brukt til å bygge ulike varianter av spektroskopiske instrumenter. Enkelt sagt blir det utsendte lyset sendt gjennom et prisme, og i prismet blir lyset splittet opp i flere bånd (eller linjer) som danner et karakteristisk mønster, en form for fingeravtrykk for de ulike grunnstoffene. Ved å ta opp slike linjespektra av en ukjent forbindelse kan det bestemmes hvilke grunnstoffer det ukjente stoffet er bygd opp av. Dette kalles en kvalitativ analyse, det vil si at en bestemmer hva som er tilstede. Disse metodene ble opprinnelig laget for kvalitativ analyse, men etter hvert har de blitt videreutviklet for å brukes i kvantitative analyser, det vil si å bestemme hvor mye som er til stede av et stoff. Kombinert med moderne teknologi og elektronikk gir dette instrumenter som er ekstremt følsomme og nøyaktige. Det er for eksempel mulig å påvise så lite som ca. 0,08 μg magnesium i en liter løsning (1 μg = 10^-6 g = 0,000001 g) dersom en prøve varmes opp i et induktivt koblet plasma (ICP) i stedet for en vanlig gassflamme. ICP er en strøm av argongass som varmes opp til ca. 10 000 °C ved hjelp av en radiofrekvensgenerator.

Svært små stoffmengder kan også måles ved hjelp av elektrokjemi. Her vil spenningen på en elektrode bli påvirket av konsentrasjonen av ioner i omgivelsene. Spenningen på en såkalt ioneselektiv elektrode avhenger bare av konsentrasjonen av ioner av dette ene grunnstoffet. På denne måten blir det lett å måle konsentrasjonen av dette ionet selv i nærvær av andre ioner. Den kritiske delen av en ioneselektiv elektrode er en membran som tillater diffusjon kun av det aktuelle ionet. Ved måling av fluoridioner (for eksempel i tannskyllevæsker) brukes det en membran av lantanfluorid (LaF₃) dopet med europiumfluorid (EuF₂). Ved hjelp av en slik fluorselektiv elektrode kan man måle fluoridioner helt ned i konsentrasjoner på ng per liter (1 ng = 10^-9 g = 0,000000001 g). En mer kjent elektrode er glasselektroden. Gjennom denne er det bare H⁺-ioner som kan diffundere, og den brukes til å måle surhetsgrad (pH) i løsninger.

Analytiker i arbeid

Analyse av blandinger

Svært ofte er målsetningen å identifisere og kvantifisere en komponent som befinner seg i blanding med en rekke andre stoffer. Et eksempel kan være å undersøke innholdet av et legemiddel i en blodprøve. For å få dette til, må først analytten (det stoffet vi ønsker å vite noe om) separeres fra de andre stoffene, ellers vil signal fra disse forstyrre signalet fra analytten. Et av de mest effektive verktøyene vi har for dette er en stor familie av teknikker som kalles
kromatografi, se egen boks – Kromatografi.

Kromotografi

Søler du litt grønn konditorfarge på en hvit t-skjorte, kan det hende at du får se kromatografi i praksis. Den grønne flekken kan spre seg utover i to atskilte ringer, en gul og en blå, noe som viser at den grønne konditorfargen er laget ved hjelp av to fargestoffer, et gult og et blått. Det var den russiske botanikeren Mikhail Semjonovitsj Tswett som i 1906 lanserte begrepet kromatografi («skrive med farger»). På en glasskolonne fylt med kalsiumkarbonatpartikler satte han en løsning med en blanding av plantepigmenter. Deretter lot han et løsemiddel renne ned gjennom kolonnen. Det viste seg da at det etter en tid oppstod bånd (ringer) på ulike steder i kolonnen, og at disse båndene hadde ulike farger. Ved å fortsette å skylle med løsemiddel, kunne han samle opp hvert enkelt farget stoff i hvert sitt beger ved utgangen av kolonnen. Det Tswett hadde fått til var å separere de ulike plantepigmentene i den opprinnelige blandingen fra hverandre. Kromatografi er i dag den mest effektive separasjonsteknikken vi har, og den anvendes i et enormt omfang.

Richard Synge (tv) og Archer Martin

Kromatografi er basert på at de stoffene som skal separeres fordeler seg kontinuerlig mellom en stasjonær fase og en mobil fase. I tidlig kromatografisk historie var den stasjonære fasen ofte et fast stoff, og den mobile fasen en væske eller en gass. I Tswetts forsøk var den stasjonære fasen kalsiumkarbonat og den mobile fasen det løsemidlet han brukte til å vaske ut (eluere) de ulike plantepigmentene. Hvis vi antar at vi har en blanding som bare består av to stoffer (X og Y) og at X adsorberes sterkere enn Y til kalsiumkarbonat, så vil X bruke lengre tid enn Y gjennom kolonnen, og det blir enkelt å separere disse to stoffene fra hverandre.

I dag trenger ikke den stasjonære fasen nødvendigvis å være et fast stoff. En viktig videreutvikling av kromatografien kom da de to britiske kjemikerne Archer Martin og Richard Synge utviklet det vi kaller fordelingskromatografi. Her er den stasjonære fasen en væske som blir holdt på plass inne i kolonnen ved at den er lagt som en tynn film på overflaten av små partikler. Utviklingen av fordelings-kromatografien gjorde blant annet at det ble enklere å separere ulike aminosyrer fra hverandre. Martin og Synge fikk i 1952 Nobelprisen i kjemi for å ha utviklet fordelingskromatografien.

GC for sensoriske analyser

En svært stor del av alle kromatografiske separasjoner utføres i dag med to hovedteknikker. Den ene er såkalt HPLC (High Performance Liquid Chromatography ≈ Høyeffektiv væskekromatografi). I et slikt system pakkes kromatografikolonnen med svært små partikler (typisk diameter = 5 μm). De små partiklene gir gode separasjoner selv mellom komponenter som har svært like fysikalske og kjemiske egenskaper. Mobilfasen vil ikke dryppe gjennom en kolonne som er pakket med slike små partikler. Et HPLC-system har derfor også kostbare pumper som kan pumpe mobilfase gjennom kolonnen selv om mottrykket er høyt (opp til ca. 450 atm.). HPLC brukes mye til analyse av legemidler og legemiddelmetabolitter.

Den andre hovedmetoden er gasskromatografi (GC). Her er den mobile fasen en inert gass (He og N₂ er vanlige å bruke). Kolonnen i GC er et langt rør (2–60 m) som er kveilet i en bunt for å få plass i selve GC-instrumentet. Kolonnen er plassert i en ovn der temperaturen i en standard GC kan varieres mellom ca. 50 °C og opp til ca. 300 °C. Ved lav temperatur vil komponenter med lavt kokepunkt vandre med passende hastighet gjennom kolonnen, mens komponenter med høyt kokepunkt sitter fast ved inngangen av kolonnen. Etter en tid kan så temperaturen på kolonnen økes, og nå vil også de mindre flyktige forbindelsene vandre gjennom kolonnen. GC er svært viktig i analyse av aromastoffer, olje- og gassanalyser og i analyse av luftbårne forurensninger.

Litt grovt kan en si at GC brukes til å separere stoffer som kan gå over i gassfase ved temperaturer opp til ca. 300 °C, og som ikke er termolabile, mens HPLC brukes til analyse av forbindelser som har så høy molekylvekt eller er så polare at det er vanskelig å få dem over i gassfase ved de betingelser som kan oppnås i en GC.

En nødvendig del av de fleste kromatografiske systemer er en såkalt detektor som registrerer komponentene etter hvert som de kommer ut av kolonnen. Responsen fra
detektoren er proporsjonal med mengden av hver enkelt komponent som kommer ut fra separasjonskolonnen. Kromatografiske instrumenter er derfor også viktige for kvantitative analyser, ikke bare for å separere ulike stoffer fra hverandre. I dag er kromatografiske instrumenter ofte direkte koblet til et annet analyseinstrument, som for eksempel et massespektrometer (MS). Kombinasjonen LCMS og GC-MS finnes nå i de aller fleste analyselaboratorier.