UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO 1 Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: KJM2400 Analytisk kjemi I Eksamensdag: 14. juni 2016 Tid for eksamen: kl Oppgavesettet er på 3 sider pluss vedlegg Vedlegg: formelark (1 side) Tillatte hjelpemidler: lommekalkulator Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Alle hovedoppgavene (1-5) veier likt. Oppgave 1. a) Det mistenkes at en kommersiell diagnostisk test rapporterer betydelig høyere verdier for en analytt enn hva som faktisk er tilfellet. Har testen i så fall dårlig nøyaktighet eller dårlig presisjon? Begrunn svaret og forklar disse uttrykkene med formler og/eller tegninger. Informasjonen impliserer dårligere nøyaktighet, da dette dreier seg om en systematisk feil ( betydeligere høyere verdier ), og ikke tilfeldige feil. Kan jo også være dårligere presisjon i tillegg, men dette sier ikke teksten noe om. Nøyaktighet (angis som feil): Presisjon: (Kan også forklares med skyteskiver, med utvetydige tegninger og forklaringer).

2 2 b) For en referanseblodprøve (2,00 mg/ml kolesterol), gir testen følgende målinger: 2,11; 2,12; 2,10; 2,14 og 2,11 mg/ml. Begrunn med en statistisk fremgangsmåte om testen kan ha en signifikant systematisk feil eller ikke. Bruker en t-test: 2,11 2,12 2,1 2,14 2,11 AVG 2,116 STD 0, KVAD N 2, REF 2 AVG- REF 0,116 DIV BY DEV 7, TIME KVAD 17, Verdien er klart større enn tabellverdi (2,78; f.g. = n-1). Dette betyr at det er statistisk grunnlag for at testen kan ha en signifikant systematisk feil. c) Testen er basert på gasskromatografi, men selskapet som utfører testen har ikke brukt internstandard. Forklar nytten til internstandard i gasskromatografi. Internstandard kompenserer for variasjoner i eksperimentell utførelse, for eksempel, variasjoner i injeksjonsvolumer og fordamping. (Internstandarden ko-eluerer ikke med analytten, men oppfører seg ellers svært likt som analytten, og er ikke tilstede i prøven fra før).

3 Oppgave 2. a) Hva er de viktigste interferensene for fluoridelektroden? OH- kan skape interferenser ved høy ph, og HF-dannelse kan forekomme ved lav ph. (ph kan reguleres med en buffer, for eksempel. TISAB). 3 Oppgave 2 b) Et fotomultiplikatorrør består av en evakuert sylinder med katode og anode samt flere dynoder (se figurer nedenfor). Katoden er belagt med et «lysfølsomt» materiale hvor elektroner frigjøres når det bestråles med UV/synlig elektromagnetisk stråling. Dersom det er et tilstrekkelig høyt potensial (90 V) mellom katode og anode vil alle elektroner som frigjøres fra katoden strømme til elektroden og forårsake et elektrisk signal som er proporsjonalt med strålingsintensiteten. Dynodene er elektroder med økende positivt potensial som er plassert mellom katode og anode. For hvert elektron som treffer en dynode slås det løs flere elektroner som går til neste dynode hvor hvert elektron igjen slår løs flere elektroner, prosessen gjentar seg på de neste dynodene slik at det blir et forsterket signal (se fig. nedenfor). For hvert foton som treffer katoden produseres mer enn 10 6 elektroner. Fotorør kan ikke benyttes som detektor for IR instrumenter da IR-strålingen ikke har tilstrekkelig energi til å frigi elektroner fra katodeoverflaten. Oppgave 2 c) Kommentar: Her kan man tegne komponentene som bokser med navn (plassert i riktig rekkefølge). For MAS: Prosessor og utlesningsenhet skal også være med «Amplifier» bør erstattes med «prosessor

4 Navn på hovedkompontene (i riktig rekkefølge) MAS: Kontinuerlig strålingskilde Monokromator Kyvette for prøve og kalibreringsløsninger Detektor Prosessor Utlesningsenhet 4 AAS: Strålingskilde: hulkatodelampe (Chopper) Atomiseringskilde med prøveinnføringsenhet Monokromator Detektor Prosessor Utlesningsenhet I et molekylabsorpsjonsspektrofotometer er monokromatoren plassert rett etter den kontinuerlige strålingskilden (deuteriumlampen/wolframlampen) og oppgaven er å isolere ut et tilstrekkelig smalt bølgelengdeområde av den ønskede bølgelengde hvor analytten absorberer stråling. Det er gunstig med plasseringen av monokromatoren før prøvekyvetten for å hindre potensielle reaksjoner i løsningen ved bestråling over et stort UV/synlig område. (Ved å isolere ut bølgelengdeområdet først er det kun et smalt bølgelengdeområde som passerer prøven.) I et atomabsorpsjonsspektrofotometer må monokromatoren plasseres etter atomiseringsenheten (flamme eller grafittovn). Monokromatorens oppgave er å isolere ut en ønsket emisjonslinje (som analytten absorberer) fra hulkatodelampen. Emisjonsspekteret fra hulkatodelampen gir noen få emisjonslinjen fra analyttes, hvorav best best egnede skilles ut med monokromatoren. I tillegg vil monokromatoren pga. sin plassering fjerne uønsket stråling fra atomiseringskilden. Hadde monokromatoren vært plassert rett etter strålingskilden (slik som i molekylabsorpsjonsspektrofotometeret) ville detektoren gått i metning. (Strålingen fra flammen som passerer monokromatoren og treffer detektoren kompenseres for ved hjelp av «chopperen»).

5 5 Oppgave 3. a) I gasskromatografimetoden (samme som i oppgave 1), er det et annet stoff som eluerer i nærheten av analytten. Oppløsningen for disse to stoffene er 0,1. Er dette en ulempe for metodens selektivitet? Tegn/forklar, og inkluder formel for oppløsning i din besvarelse. Det er en ulempe for metodens selektivitet å ha en oppløsning på 0,1, fordi dette betyr at stoffene ikke er separert på tilfredsstillende vis (1,5 eller bedre gir god nok separasjon for entydige kvantifiseringer). (en tegning bør være forklarende med aksebenevning, som viser to topper som så vidt kan enses som to topper, med t1, t2 og toppbredder i tegning). b) Hva kan man gjøre med mobilfasen for å forbedre separasjonen? Tegn et van Deemter plott som del av din forklaring. Det står ikke hva MF er, men man kan endre på lineærhastigheten til optimal platehøyde. For eksempel hvis det er N2 som brukes, og lineærhastigheten er rask, kan dette ødelegge separasjonen. Man kan eventuelt bytte til en annen mobilfase, for eksempel fra He til N2 (på bekostning av hastighet ved lavest H). Figuren må ha akser, benevning, korrekt kurvefasong etc. for N2, He og H2.

6 6 Oppgave 4. a) Forslå en metode for å måle THC (se figur 1) i kannabisplanter. Foreslå en prøveopparbeidelse, og foreslå et kromatografisystem (inkluder stasjonærfase/mobilfase i beskrivelsen), med en kort begrunnelse. Her kan både GC og LC være mulig. Det må argumenteres for om stoffet vil være flyktig (nok) eller ikke i forslaget til system. Det spørres ikke etter struktur for SF, så det holder å si C8/C18 eller difenyl/dimetyl polysiloksan. Men, man må begrunne at hydrofobisitet er mulig å utnytte for separasjon her. For LC, er det fordel om man foreslår en mobilfase med en del organisk, da stoffet er hydrofobt. Det som er viktig med prøveopparbeidelse (tema ikke pensum i år) er at de kan reflektere over te-oppgaven (ekstraksjon/filtrering), og legger ikke vekt på detaljer på trinn for kvantifisering. b) Tegn injektoren du vil bruke, og forklar hvordan den fungerer.

7 7 Eller 6-port injektor (LC): viktig her er at portene stemmer; har ikke gått i detaljer om rotor og stator sammensetting (volum mellom 1 og 10 µl er helt greit). c) Tegn en flammeionisasjonsdetektor, og forklar hvordan den fungerer.

8 8 Oppgave 5 a) Forutsetninger: Det er flere forutsetninger som må oppfylles for å oppnå nøyaktige resultater: Det må være en kvantitativ overføring av analytt til produktet (komplekset) det måles på. Dette krever høy dannelseskonstant og overskudd av reagenser som inngår i reaksjonene. Komplekset bør være mest mulig spesifikt for jern. Det må sørges for at potensielle interferenser fra andre metaller i løsningen som reagerer med komplekset (og absorberer ved samme bølgelengde eller forbruker kompleksdanneren) må elimineres. Kompleksdanneren er ofte en svak syre, så bufring av løsningene kan være aktuelt. Jern må foreligge på en slik form at komplekset dannes. Kalibreringsløsninger, blankprøver og prøveløsning må behandles likt (tilsettes samme reagenser i riktig rekkefølge etc.). Konsentrasjon av jern i løsningen som benyttes for måling må være i et område som har lineær sammenheng mellom konsentrasjon og absorbans og som dekkes av kalibreringskurven, dvs. Beers lov gjelder (se nedenfor). Sammenheng mellom måleparameter (A) og konsentrasjon (c) er gitt av følgende (Beers lov) A = log (P o /P) = ε b c når c er gitt i mol/l P o A = log (P o /P) = a b c P når c er gitt i g/l c

9 9 Figuren til venstre viser kyvette med bredde (strålingsvei) b Forklaring til parameterne med enheter: A: absorbans; uten enhet P o = Innkomne strålingsintensitet (Irradians) P= Transmittert strålingsintensitet (Irradians) Enhet for P o og P er W/m 2 = J/(s m 2 ) c =konsentrasjon av prøveløsning som måles b =strålingsvei (kyvettelengde); enhet: cm ε =molar aborptivitet; enhet: L cm -1 mol -1 a = absorptivitet; enhet: L cm -1 g -1 Lineær sammenheng mellom A og c forutsetter: 1) at strålingen som sendes inn mot prøven er monokromatisk. I praksis fås aldri monokromatisk stråling, men bølgelengdeområdet som sendes inn mot prøven må være så smalt at ε (eller a) er tilnærmet konstant i området 2) at analytten foreligger i tilstrekkelig lav konsentrasjoner (typisk < 0,01 M) 3) at brytningsindeksen er konstant (samme i prøve og kalibreringsløsninger) 4) at bidrag fra «strølys» i instrumentet er lite Det forutsettes også at analytten ikke inngår i en reaksjon slik at analytten endrer egenskaper Oppgave 5 b) Benytter Beers lov som omformes med hensyn til å bestemme ε ε = A/b c Må beregne A fra % absorpsjon: 30% absorpsjon = 70% transmittans = 0,70 transmittans (0,70 T) A = -log T -log(0,70) = 0,1549 3,00 mg/l Fe = (3,00 mg/l )/(55,85 g/mol) = 0, mmol/l = 53,715µmol/L Den molare konsentrasjonen av komplekset er det samme som for jern (FeX 3 ) ε = A/b c = 0,1549 /(1,00 cm 53,715µmol/L) = 2884 L mol -1 cm -1 Oppgave 5 c) Ved absorpsjon av stråling vil elektronet i molekylet befinne seg i et vibrasjons- og rotasjonsnivå i et høyereliggende elektronivå (overgang A: fra grunntilstand til S 1 i fig). Det vil rask gå ned til laveste rotasjons- og vibrasjonsnivå i S 1 ved vibrasjonell relaksasjon (prosess R 1 i figuren; vibrasjonell relaksasjon er avgivelse av energi ved kollisjoner). Deretter foregår det en intersystemkryssing fra S 1 til T 1 (triplett tilstand) hvor elektronet skifter spinnretning i overgangen (overgang ISC T1 i figuren). Deretter går elektronet raskt til laveste rotasjons- og vibrasjonsnivå i T 1 ved vibrasjonell relaksasjon (prosess R 3 i figuren) før den går til grunntilstand med avgivelse av elektromagnetisk stråling i form av fosforescens (prosess P i figuren). Elektronet skifter igjen spinnretning i denne overgangen da den går fra en triplet til en singlet tilstand. A: Absorpsjon R: Vibrasjonell relaksasjon IC: Indre konvertering ISC: Intersystem kryssing F: Fluorescens

10 10