Hvordan beregnes koncentrationer i analytisk kemiske processer?

I en analytisk kemisk metode er det essentielt at forstå, hvordan koncentrationerne af både analytten og interne standarder beregnes for at sikre præcise resultater. Et af de mest anvendte værktøjer til at bestemme disse koncentrationer er chromatografiske teknikker, hvor samplerne behandles for at opnå de nødvendige forhold for analysen. I dette afsnit præsenteres en detaljeret proces for at beregne koncentrationen af en analyte i en prøve, ved hjælp af en intern standard (IS) og nogle grundlæggende beregninger relateret til vægt, volumen og kalibreringskurver.

Eksempelvis, når 1.0000 g af en prøve vejes op i et propylentube og tilføjes en intern standard (13C2-MFA) i en koncentration på 0.2 μg/mL, og opløses i 20 mL vand, er det første skridt at fjerne proteiner ved at tilsætte 8 mL acetonitril og centrifugere blandingen i 5 minutter. Lipider fjernes derefter ved at vaske supernatanten med 10 mL hexan og centrifugere igen. Efter fjerning af hexanfase og syrebehandling, tilføjes en blanding af salte, og en sidste centrifugering følger. Supernatanten koncentreres til 500 μL, og en 20 μL prøve injiceres i det kromatografiske system.

Det næste skridt er at bestemme koncentrationen af den interne standard i den opløsning, der injiceres i det kromatografiske system. Da prøven koncentreres til 500 μL, er den endelige koncentration af IS i systemet:
C2IS = 0.01 μg / 500 μL = 20 ng/mL.
Dette er den koncentration, der vil blive brugt i analysen.

Endelig beregnes koncentrationen af analytten (MFA) i den oprindelige prøve baseret på peak-area forholdet mellem analytten og IS i kromatogrammet. Når forholdet er 0.92, anvendes kalibreringskurven til at bestemme koncentrationen af analytten. Beregningen for analytten i μg/kg, under hensyntagen til en kalibreringsfaktor, giver:
MFA = (0.92 - 0.01) / 0.822 × 10 μg / 1 g = 11.1 μg/kg.
Dette betyder, at koncentrationen af MFA i prøven er 11.1 μg/kg.

For læseren er det væsentligt at forstå, hvordan kromatografiske metoder kan optimeres til at forhindre tab af analytten eller den interne standard. Det er nødvendigt at tilpasse metoden til den specifikke prøvetype og sikre, at alle faser, fra væskeprøveforberedelse til injektion, er udført korrekt. Desuden er det vigtigt at forstå, hvordan kalibreringskurver fungerer og hvordan de anvendes til at få præcise resultater i kvantitative analyser. Når analysen er afsluttet, kan resultaterne anvendes til at få indsigt i mængden af det ønskede stof i prøven og dermed kunne træffe beslutninger om videre behandling eller kvalitetskontrol.

Hvordan elektroanalysemetoder anvendes i kvalitativ og kvantitativ analyse

Elektroanalysemetoder er en gruppe af teknikker, der anvender elektriske målinger til at bestemme koncentrationen af et analytt i en løsning. Disse metoder er uundværlige i moderne analytisk kemi, da de tilbyder både præcise og direkte målinger uden behov for omfattende kemisk reaktion. I elektroanalyser kombineres viden om elektriske strømme og elektriske potentialer med redoxreaktioner, hvilket gør det muligt at kvantificere stoffers koncentrationer på en meget præcis måde.

I et elektrolyseeksperiment måles elektrisk strøm (ofte som strømstyrke, I), som er relateret til den elektriske ladning (Q). I henhold til Faradays lov, er ladningen, Q, forbundet med antallet af elektroner, $n_e$, ved udtrykket $Q = n_e \cdot F$, hvor F er Faradays konstant. Når man i stedet for ladning måler strømstyrken, er forholdet $Q = I \cdot t$, hvor t er tidsintervallet for målingen. Ved at kende disse relationer kan man hurtigt konvertere mellem strømstyrke og ladning, hvilket gør de elektroanalytiske metoder både effektive og lette at bruge i praktisk analyse.

Potentiometriske målinger

Potentiometri er en bred betegnelse for metoder, der baserer sig på måling af potentialet i et elektrokemisk cell under statiske forhold, hvilket betyder, at cellens sammensætning ikke ændres under målingen. Selvom kemiske ligevægte er dynamiske, forbliver sammensætningen i cellen konstant under målingen. Potentiometriske metoder anvendes primært til at bestemme koncentrationen af en opløst substans i løsninger, hvor en redoxreaktion finder sted.

I potentiometriske målinger bruges typisk to elektroder: en referenceelektrode og en indikatorelektrode. Referenceelektroden har et stabilt og velkendt elektrisk potentiale og ændres ikke under målingen, mens indikatorelektroden reagerer på ændringer i opløsningens potentiale, som reflekterer koncentrationen af analytten. De mest almindelige referenceelektroder er calomel-elektroden og sølv/sølvchlorid-elektroden, som begge er sekundære standardelektroder, da deres potentiale bestemmes ved sammenligning med standardhydrogenelektroden (SHE).

Referenceelektroder

Referenceelektroder er konstrueret til at have et konstant, uforanderligt potentiale, uafhængigt af opløsningens sammensætning. De skal følge Nernst’s ligning og være reversible, hvilket betyder, at de kan gendanne deres oprindelige potentiale hurtigt. De mest anvendte referenceelektroder er calomel-elektroden og sølv/sølvchlorid-elektroden. Calomel-elektroden består af kviksølv i kontakt med en mættet opløsning af kviksølv(I)chlorid og kaliumchlorid, mens sølv/sølvchlorid-elektroden består af en sølvelektrode nedsænket i en opløsning af kaliumchlorid og sølvchlorid.

Indikator-elektroder

Den mest anvendte indikator-elektrode er glassensoren, der er pH-følsom. Glassensorer anvendes ofte i potentiometriske titreringer til præcist at bestemme ækvivalenspunktet eller beregne ligevægtskonstanter for svage syrer eller baser. En glassensor fungerer ved at måle potentialet over en pH-følsom glasmembran, der ændrer sig afhængigt af koncentrationen af hydrogenioner i opløsningen.

Forståelse af potentiometriske metoder

Derudover er det essentielt at tage højde for, om målingerne udføres under standardbetingelser. Ved standardbetingelser bruges de standard reduktionspotentialer for hver elektrode til at beregne cellepotentialet. Hvis målingerne ikke udføres under standardbetingelser, skal Nernst’s ligning anvendes til at justere for ændringer i koncentrationen af ioner.

Endvidere er det vigtigt at forstå, at elektroanalyse ikke blot er et spørgsmål om at måle strøm eller potentiale, men en kompleks integration af både elektrokemiske og kemiske principper, som kræver præcision og omhyggelighed.