Määritysraja (LOQ, limit of quantification) määritellään perinteisesti analyytin alhaisimpana pitoisuutena, jolla saadaan signaali, jota ei voi tilastollisesti sekoittaa nollaan eli tyhjäarvoon, ja jota voidaan kvantifioida luotettavasti. Käytännössä tämä tarkoittaa usein sitä, että mittaustuloksen suhteellinen hajonta (RSD) on alle 10 %, mutta tämä ei ole ehdoton vaatimus. Toisin sanoen määritysraja on alin pitoisuus, jonka voidaan tunnistaa ja jolla voidaan mitata analyytin määrä riittävällä varmuudella. On loogista, että määritysraja on aina korkeampi kuin havaintoraja (LOD, limit of detection), koska pelkkä yhdisteen tunnistaminen ei riitä – halutaan myös varmuus siitä, että sen määritys on riittävän tarkkaa.

Yleissääntönä määritysraja on noin kolme kertaa havaintorajaa korkeampi, ja tämä tekee siitä realistisemman alarajan analyysimenetelmän oikealle käytölle. Näin varmistetaan, että signaali ei väärin tulkita nollaksi, vaikka todellisuudessa pitoisuus olisikin mitattavissa oleva, muttei nollaa. Yksinkertaisimmillaan määritysraja voidaan laskea signaalitasolla kaavalla, jossa taustan keskiarvoon lisätään kymmenen kertaa taustan standardipoikkeama, ja pitoisuustasolla määritysraja vastaa tätä lukua suhteutettuna kalibrointikertoimeen.

Klassiset laskentakaavat olettavat yleensä, että mittauksia on toistettu vähintään 20 kertaa, jotta näytteiden jakauma lähestyy populaation jakaumaa. Käytännössä tämä ei ole aina mahdollista resurssien tai ajan puutteen vuoksi. Tällöin vakioita kuten "3" LOD:n laskukaavassa pitäisi korvata tilastollisilla arvoilla, kuten yksisuuntaisella Studentin t-arvolla, ja hajontaa tulisi korjata aliarvioinnin vuoksi. Lisäksi usein käytetään instrumenttikohtaisia havainto- ja määritysrajoja, jotka eivät huomioi koko näytteen käsittelyprosessia, kuten laimennuksia tai muita esikäsittelyvaiheita. Jos näytteen käsittelyyn liittyvä tyhjänäyte (blank) on edustavasti valmistettu, sen käyttäminen laskelmissa antaa tarkemman kuvan kokonaiskohinasta ja analyysiprosessin mittaustarkkuudesta.

Historiallisesti IUPAC määritteli havaintorajan järjestelmällisesti vasta vuonna 1978, ja määritysrajan määrittely yleistyi vasta 1990-luvulla, kun huomattiin, että pelkkä havaintoraja ei riitä määrälliseen analyysiin. Näiden määritelmien hyväksyminen on ollut hidas prosessi, eikä niiden käyttö ole vieläkään yhtenäistä, vaikka kemometria ja tilastollinen analyysi ovat kehittyneet merkittävästi.

Analyytikon työssä esiintyy jatkuvasti tilanteita, joissa havaintorajan ja määritysrajan ymmärtäminen on kriittistä. Esimerkiksi elintarviketeollisuuden laboratorioissa voidaan kohdata virheilmoituksia, jotka johtuvat analyysin herkkyyden rajoista. Jos näytteen signaali ylittää luottamusvälin, voidaan virheellisesti tulkita, että esimerkiksi patogeenisia bakteereita on läsnä, vaikka kyse on kohinasta tai analyysin epävarmuudesta. Toisaalta, liian korkeat määritysrajat voivat johtaa siihen, että todelliset saastumiset jäävät havaitsematta, mikä voi vaarantaa kuluttajien terveyden. Näissä tilanteissa virhetyypit korostuvat: tyypin I virhe (α-virhe) tarkoittaa väärää positiivista tulosta eli valevaarallisen havaitsemista, ja tyypin II virhe (β-virhe) tarkoittaa väärää negatiivista tulosta eli vaaran jäämistä huomaamatta.

Analytiikan kehitys ja lisääntyvä kemometrinen osaaminen ovat tuoneet esiin tarpeen tarkemmille ja soveltuvammille määritelmille sekä menetelmille havainto- ja määritysrajojen määrittämiseen. On tärkeää ymmärtää, että perinteiset kaavat soveltuvat vain hyvin rajallisesti todellisiin analyyttisiin käytäntöihin ja että näytteen käsittelyn vaikutukset ja tilastolliset korjaukset ovat olennainen osa luotettavaa analyysiä.

Endtext

Miten määritetään kompleksiokemian stokometria ja muodostumiskonstantti UV-Vis -spektroskopiassa?

Spektroskooppiset menetelmät ovat keskeisiä kompleksiokemian analysoinnissa, erityisesti muodostumiskonstanttien ja kompleksi-stoikiometrian määrittämisessä. Derivaatta-spektrien avulla voidaan nykyisin helposti suorittaa kvantitatiivisia mittauksia digitaalisilla moderneilla laitteilla, mikä tehostaa analyysin tarkkuutta. Mittausaallonpituus valitaan siten, että kompleksin absorptio on suurimmillaan, mikä maksimoi signaalin erotuskyvyn.

Kompleksin muodostumisen stoikiometria voidaan määrittää menetelmällä, jossa metallicaation ja ligandin pitoisuuksia vaihdetaan niin, että kokonaismoolimäärä pysyy vakiona. Absorptioarvot mitataan valitulla aallonpituudella, ja mittaustulokset esitetään esimerkiksi kompleksin muodostumisessa metallin moolifraktion funktiona. Tämä antaa kuvaajan, jossa kahden suoran osan leikkauspiste vastaa teoreettista stoikiometrista suhdetta. Esimerkiksi Co^2+ ja ligandit muodostavat kompleksin CoL₃, mikä näkyy leikkauskohdan moolifraktion arvona noin 0,25 eli 1/4.

Muodostumiskonstantin laskemisessa ensin määritellään kompleksin molaarinen absorptiivisuus (ε) käyttäen teoreettista absorptioarvoa, joka saadaan ekstrapoloimalla kuvaajan kaksi suoraa osaa. Tällöin oletetaan, että dissosiaatio- tai yhteis-ioni-ilmiöt eivät vaikuta. Kun molaarinen absorptiivisuus on tiedossa, voidaan tasapainotilanteen kompleksipitoisuus laskea experimentaalisen absorbanssin perusteella. Tämän jälkeen tasapainopitoisuudet metallille ja ligandille saadaan huomioimalla kompleksin stoikiometria ja alkuperäiset pitoisuudet. Lopuksi muodostumiskonstantti K_f lasketaan klassisella tasapainovakion kaavalla, jossa kompleksin pitoisuus jaetaan metallin ja ligandin pitoisuuksien tulolla eksponentteineen.

Vastaavalla tavalla voidaan määrittää myös kuparin (II) kompleksi ammoniumpyrrolidineditio-karbamaatin (APDC) kanssa. Tässä ligandimetallisuhteiden vaihteluissa transmittanssi mitataan ja muutetaan absorbanssiksi, jonka avulla ligandimetallisuhteiden funktiona piirtyvä käyrä paljastaa kompleksin stoikiometrian olevan 1:1. Molaarinen absorptiivisuus saadaan eksrapoloinnista, ja samalla periaatteella kuin koboltin kompleksin kohdalla, lasketaan tasapainopitoisuudet ja muodostumiskonstantti.

On tärkeää ymmärtää, että mittausten tarkkuus ja analyysimenetelmien oikea soveltaminen ovat keskeisiä luotettavien tulosten saavuttamiseksi. Jäännöstarkastelut, kuten residuaalikuvaajat, auttavat varmistamaan, ettei poikkeavia mittaustuloksia ole mukana analyysissä, mikä voi vaikuttaa lineaarisuuteen ja siten lopulliseen tulkintaan. Lisäksi staattisten ja dynaamisten ilmiöiden, kuten kompleksin dissosiaation ja yhteis-ioni-ilmiön, vaikutukset tulee ottaa huomioon tulosten oikean tulkinnan kannalta. Kokonaisvaltainen ymmärrys kompleksiokemiasta vaatii myös tuntemusta siitä, miten mittausolosuhteet, kuten liuoksen tilavuus ja pH, vaikuttavat kompleksiin ja sen mittaustuloksiin.

Miten atomispektrometrialla analysoidaan alkuaineita ja miten taustavaikutukset korjataan?

Atomispektrometria perustuu atomien vuorovaikutukseen sähkömagneettisen säteilyn kanssa, mikä mahdollistaa alkuaineiden kvantitatiivisen määrityksen. Yksi keskeinen ilmiö on absorptio, jossa aine imee säteilyä. Tämä absorptio ei ole merkittävä liekkisammutuksessa (FAAS), mutta sillä voi olla merkitystä grafiihiuunipohjaisessa atomispektrometriassa (ETAAS). Siksi ETAAS-instrumenteissa on taustakorjaimet, jotka mittaavat kahta arvoa: kokonaisabsorptiota ja taustaimmuutta. Tämän perusteella spektrometrin elektroniikka laskee analyytin korjatun absorptioarvon. Yleisimmät taustakorjausjärjestelmät ovat jatkuvalähde- ja Zeeman-taustakorjaimet. Näiden avulla voidaan kompensoida taustasignaalin aiheuttamaa virhettä, joka muuten heikentäisi määrityksen tarkkuutta.

Atomispektrometrialla on useita sovelluksia. Liekkisammutustekniikka soveltuu pääasiassa metallien ja metalloidien analysointiin keskitason pitoisuuksissa (mg/l-luokkaa). Tämä menetelmä tarjoaa nopean analyysin ja yksinkertaisen näytteen käsittelyn, mutta sen herkkyys on rajallinen (LOD 1–20 µg/l). Sen sijaan VGAAS-tekniikka soveltuu hyvin haihtuvia yhdisteitä sisältävien alkuaineiden määritykseen, saavutetaan jopa 0,01–0,1 µg/l herkkyys. ETAAS puolestaan tarjoaa parhaan herkkyyden jäljellä oleville alkuaineille (LOD 0,02–0,5 µg/l), mutta näytteen läpimenonopeus on hitaampi ja käyttö monimutkaisempaa.

Atomiemissiospektrometria (AES) toimii periaatteella, jossa atomit kuumennetaan tai sähköisesti exciteerataan, minkä seurauksena ne emittoivat UV- tai näkyvän valon säteilyä. Tämä säteily on kullekin alkuaineelle ominainen, ja sen intensiteetti liittyy analyytin pitoisuuteen. AES-instrumentti koostuu atomisoijasta, jossa näyte atomisoidaan ja exciteerataan, monokromaattorista, joka valitsee oikean aallonpituuden, sekä detektorista, joka muuntaa säteilyn sähköiseksi signaaliksi.

AES:n excitationlähteinä voidaan käyttää kaaria ja kipinöitä, mutta ne soveltuvat lähinnä kiinteiden näytteiden kvalitatiiviseen analyysiin. Liekkilähde tarjoaa herkkyyttä lähinnä alkalimetalleille. Suosituin ja tehokkain excitationlähde on indusoitu plasma (ICP), joka on kuuma, ionisoitunut kaasua argonin ympäristössä. ICP:n korkea lämpötila parantaa atomisointia ja excited states -tilojen populaatiota, mikä johtaa parempaan mittaustarkkuuteen.

Monokromaattori erottaa plasma-emissiossa syntyvän monikromaattisen säteilyn yksittäisiin aallonpituuksiin, jolloin alkuaineiden karakteristiset emission linjat voidaan tunnistaa ja kvantifioida. Monokromaattori mittaa sekvenssimaisesti eri aallonpituudet, kun taas polykromaattori voi mitata useita aallonpituuksia samanaikaisesti. Detektorina käytetään usein fotomultiplieriputkea sekventiaalisissa mittalaitteissa, ja monikanavaisissa laitteissa puolijohdeteknologioita kuten diodiarrayja.

ICP-AES:n etuja ovat laajat määritysalueet useille alkuaineille samanaikaisesti ja korkea analyysinopeus. Ionisaatiovaikutukset ovat vähäisiä korkean elektronipitoisuuden ansiosta, ja spektraaliset häiriöt ovat harvinaisia, koska kullakin alkuaineella on monia emission linjoja valittavaksi häiriöiden välttämiseksi. Jotkin molekyyliinterferenssit voivat kuitenkin esiintyä OH, SO ja PO ryhmien muodostumisen takia, mikä aiheuttaa taustasignaaleja tietyillä aallonpituuksilla.

ICP-massaspektrometria (ICP-MS) yhdistää indusoidun plasman ionilähteenä ja massaspektrometrin, joka erottaa ionit massaluvun ja varauksen suhteessa. ICP-MS:n analysointikyky perustuu korkeaan herkkyyteen ja mataliin detektiokynnyksiin, mahdollistaen alkuaineiden määritykset erittäin alhaisissa pitoisuuksissa. Ionien siirtyminen korkean paineen plasmasta matalapaineiseen massaspektrometriin tapahtuu erityisen rajapinnan avulla, joka samalla alentaa ionien lämpötilaa. Massaspektrometrin analysoija, tyypillisesti kvadrupoli, valitsee ionit niiden m/z-suhteen mukaan ja detektori mittaa ionien määrän. Jotkut instrumentit sisältävät magneettisen sektorin tarjoamaan korkeamman erotuskyvyn polyatomisten häiriöiden erottamiseen.

Taustavaikutusten korjaaminen, häiriöiden minimointi sekä oikean aallonpituuden ja analyysimenetelmän valinta ovat keskeisiä tarkkojen ja luotettavien määritysten varmistamiseksi. On tärkeää ymmärtää, että vaikka eri atomispektrometriset menetelmät soveltuvat erilaisiin näytetyyppeihin ja analyysivaatimuksiin, ionisaatio-, fysikaaliset ja spektraaliset häiriöt voivat vaikuttaa tuloksiin ja vaativat huolellista instrumentin ja mittausparametrien optimointia. Lisäksi näytteen valmistus ja oikea otanta ovat olennaisia lopputuloksen edustavuuden kannalta. Korkean teknisen tason instrumentit mahdollistavat usein useiden alkuaineiden samanaikaisen analyysin laajoilla pitoisuusalueilla, mikä on merkittävä etu nykyaikaisessa analyyttisessä kemiassa.

Miten luoda kaunis puutarha – Ensimmäiset askeleet puutarhanhoidossa
Mikä on suuren kanonisen järjestelmän mikroskooppinen kuvaus ja sen yhteys makroskooppisiin suureisiin?
Miten järjestelmän ulkopuolinen politiikka muuttaa valtarakenteita?
Miten hiirien parvovirukset leviävät ja vaikuttavat elimistössä?
Mikä on Highland Boundary Faultin merkitys ja geologinen tausta Skotlannissa?