cursus spectrometrische methoden 2025 (1).pdf

# Kwalitatieve en kwantitatieve analyses Het doel van analytische scheikunde is het achterhalen van de samenstelling van materialen, wat onderverdeeld kan worden in kwalitatieve en kwantitatieve analyses. ### 1.1 Kwalitatieve analyse Kwalitatieve analyse richt zich op de detectie en identificatie van bestanddelen in een monster. Het opsporen van sulfiet in vlees, om te controleren of het illegale toevoegingen bevat, is een voorbeeld van een kwalitatieve analyse. De detectie van sulfiet kan gebeuren door de ontkleuring van malachietgroen; bij afwezigheid van sulfiet kleurt het vlees blauwgroen. De te detecteren bestanddelen kunnen elementen, radicalen, functionele groepen of verbindingen zijn. Soms wordt bij kwalitatieve analyses een indicatie van de hoeveelheid verkregen, bijvoorbeeld door de intensiteit van een kleurreactie of de hoeveelheid neerslag. Dit wordt ook wel semi-kwantitatieve analyse genoemd [7](#page=7). ### 1.2 Kwantitatieve analyse Kwantitatieve analyse heeft tot doel de precieze hoeveelheid van één of meerdere bestanddelen in een monster te bepalen. Het component dat men wenst te bepalen wordt het analyt genoemd [7](#page=7). #### 1.2.1 Belang van kwantitatieve analyses Kwantitatieve chemische analyses zijn fundamenteel voor de ontwikkeling van scheikunde en andere wetenschappen. Ze zijn onmisbaar in disciplines zoals geologie, biologie, fysica, archeologie, technologie, industrie, geneeskunde, landbouw, voeding en milieukunde. Voorbeelden zijn bloedanalyses voor diagnose, voedingsanalyses voor nutritionele waarde, en milieuanalyses van lucht, water en bodem [8](#page=8). #### 1.2.2 Een typische kwantitatieve analyse Een typische kwantitatieve analyse omvat de volgende stappen [9](#page=9): * Keuze van een methode [9](#page=9). * Monsterneming [9](#page=9). * Verdere bewerking van het monster [9](#page=9). * Eliminatie van interferenties [9](#page=9). * Kalibratie en meting van de concentratie [9](#page=9). * Berekening van resultaten [9](#page=9). * Evaluatie van resultaten [9](#page=9). De cursus richt zich voornamelijk op stap 5 en 6, terwijl cursus statistiek dieper ingaat op stap 7. De overige stappen komen aan bod in practicumlabo's analytische chemie [10](#page=10). ##### 1.2.2.1 Keuze van een methode De keuze van een analysemethode is cruciaal en vereist kennis en ervaring. Belangrijke overwegingen zijn de vereiste juistheid van het resultaat, de beschikbare tijd en geld, het aantal te analyseren monsters, de complexiteit van het monster, de concentratie van het analyt, de beschikbare hoeveelheid monster, de beschikbaarheid van analysetoestellen en het al dan niet destructieve karakter van de methode. Methodes die zeer nauwkeurige resultaten geven zijn vaak tijdrovend en kostbaar. Bij een lage concentratie van het analyt is een methode met een lage detectielimiet nodig [10](#page=10). ##### 1.2.2.2 Monsterneming Een representatief monster is essentieel voor betekenisvolle resultaten, wat een uitdaging kan zijn bij grote, heterogene materialen. Een representatief monster zorgt ervoor dat de samenstelling van het kleine analysedeel de samenstelling van het gehele materiaal weerspiegelt [10](#page=10). ##### 1.2.2.3 Verdere bewerking van het monster Deze stap is niet altijd nodig, maar vaak vereist analyse verdere bewerking van het monster [11](#page=11). * **Klaarmaken van het laboratoriummonster:** Vaste monsters moeten gemalen, gemengd en soms gedroogd worden om homogeniteit en een constante chemische samenstelling te garanderen. Vloeibare monsters kunnen verdampingsproblemen of contaminatie met atmosferische gassen hebben [11](#page=11). * **Definiëren van gelijkwaardige monsters (replica’s):** Meerdere metingen (replica’s of replicates) op vergelijkbare monsters verhogen de betrouwbaarheid van de resultaten en maken statistische analyse mogelijk [11](#page=11). * **Maken van oplossingen:** De meeste analyses gebeuren op oplossingen. Indien een stof niet direct oplost, zijn er chemische stappen nodig om het analyt in een oplosbare en meetbare vorm om te zetten. Dit kan soms destructieve methoden zoals verhitten met sterke zuren of basen vereisen [11](#page=11). ##### 1.2.2.4 Eliminatie van interferenties Interferenties zijn componenten in het monster die de meting van het analyt kunnen beïnvloeden. Deze worden vaak geneutraliseerd door complexering, verandering van oxidatiegetal of, indien nodig, afscheiding [12](#page=12). ##### 1.2.2.5 Kalibratie en meting van de concentratie Analytische resultaten zijn gebaseerd op het meten van een eigenschap (S) die reproduceerbaar varieert met de concentratie van het analyt ($c\_A$) . Vaak wordt een lineair verband gebruikt: $c\_A = k \\cdot S$, waarbij k een constante is. De empirische bepaling van k door middel van standaardoplossingen heet kalibratie. Bij volumetrische, gravimetrische en coulometrische analyses is kalibratie niet altijd nodig [12](#page=12). ##### 1.2.2.6 Berekening van resultaten Met moderne rekenapparatuur is de berekening van analytconcentraties uit experimentele data doorgaans eenvoudig [12](#page=12). ##### 1.2.2.7 Evaluatie van resultaten Resultaten zijn niet compleet zonder evaluatie, waarbij de betrouwbaarheid (juistheid en precisie) en de detectielimiet van de methode belangrijk zijn. Het meten van replica's en het gebruik van controle- en onafhankelijke standaarden verhogen de betrouwbaarheid [13](#page=13). #### 1.2.3 Voorbeeld van een kwantitatieve analyse: arseen in dode herten Een parkwachter vond dode herten en verdacht arseenvergiftiging, mogelijk door arseenbevattend herbicide in het gras. De analyse omvatte de volgende stappen [13](#page=13): * **Keuze van een methode:** Een spectrofotometrische bepaling van arseen uit de methoden van de AOAC [13](#page=13). * **Monsterneming:** Nieren van de dode herten werden verwijderd voor analyse, aangezien arseen via het urinekanaal wordt uitgescheiden [13](#page=13). * **Verdere bewerking van het monster:** * Klaarmaken: Nieren werden in stukken gesneden en gehomogeniseerd [14](#page=14). * Replica's: Drie monsters van 10 gram per hert werden genomen [14](#page=14). * Oplossen: De monsters werden verast in porseleinen kroesjes in een oven (555 °C, 2 uur) om organisch materiaal om te zetten tot koolstofdioxide en water, en arseen tot arseenpentoxide. Dit werd daarna opgelost in verdunde HCl om H3AsO4 te vormen [14](#page=14). * **Eliminatie van interferenties:** Arseen werd omgezet tot arsine (AsH3) gas. Eerst werd H3AsO4 gereduceerd tot H3AsO3 met Sn2+ en een katalytische hoeveelheid jodide. Vervolgens werd H3AsO3 omgezet tot AsH3 met zink. Het gas werd gescheiden van andere componenten en verzameld in een absorberende oplossing. Arseenwaterstof reageert met zilverdiethyldithiocarbamaat tot een rood gekleurd complex [14](#page=14) [15](#page=15). * **Meting van de hoeveelheid analyt:** De intensiteit van de rode kleur (absorbanties) werd spectrofotometrisch gemeten. Een kalibratiecurve werd opgesteld met standaardoplossingen van 0 tot 25 mg/L arseen [15](#page=15). * **Berekening van de concentratie:** De gemeten absorbanties van de monsteroplossingen werden ingebracht in de kalibratiecurve (figuur 1.4) om de arseenconcentraties te bepalen. De concentraties in de nieren waren 16 mg/L en 22 mg/L, wat toxisch is vanaf ongeveer 10 mg/L. De grasmonsters bevatten circa 600 mg/L arseen, wat de hypothese van arseenbevattend herbicide ondersteunde [15](#page=15) [16](#page=16). * **Evaluatie van het resultaat:** Absorbanties werden driemaal gemeten en gemiddeld voor betrouwbaarheid. De kalibratierechte werd statistisch bepaald en betrouwbaarheidsintervallen berekend. Controle- en onafhankelijke standaarden werden gemeten om de juistheid te valideren [16](#page=16). ### 1.3 Methoden voor kwantitatieve analyses Methoden kunnen worden geclassificeerd op basis van de gemeten eigenschap of op basis van de monstergrootte en relatieve hoeveelheid van het analyt [17](#page=17). #### 1.3.1 Classificatie op basis van de gemeten eigenschap * **Gravimetrische methodes:** Bepalen de massa van het analyt of een gerelateerde verbinding [17](#page=17). * **Volumetrische methodes:** Meten het volume van een reagensoplossing dat nodig is om het analyt te laten reageren (titraties) [17](#page=17). * **Elektrochemische methodes:** Meten elektrische eigenschappen zoals potentiaal, stroom, weerstand of lading [17](#page=17). * **Spectrometrische methodes:** Genereren een spectrum, meestal gebaseerd op de interactie met elektromagnetische straling of de productie ervan door het analyt. Massaspectrometrie en kernspinresonantiespectrometrie (NMR) zijn uitzonderingen [17](#page=17). * **Scheidingsmethoden:** Scheiden componenten uit een monster. * **Chromatografische methodes:** Scheiden componenten op basis van verschil in interactie tussen mobiele en stationaire fasen. Resultaat is een chromatogram [17](#page=17). * **Elektroforetische methodes:** Gebruiken een elektrisch veld om componenten te scheiden [17](#page=17). * **Overige methodes:** Meten grootheden zoals radioactief verval, reactiewarmte, reactiesnelheid, thermische geleidbaarheid, optische activiteit, brekingsindex [17](#page=17). #### 1.3.2 Classificatie op basis van de monstergrootte en relatieve hoeveelheid van het analyt De monstergrootte kan variëren van macromonsters (> 0,1 g) tot submicromonsters (< 0,001 g). De relatieve hoeveelheid van het analyt bepaalt of het een hoofdbestanddeel (1-100%), nevenbestanddeel (0,01-1%) of een spoor/microbestanddeel (< 0,01%) is. Spooranalyses zijn kwantitatieve analyses waarbij het analytaandeel heel klein is [18](#page=18) [19](#page=19). ### 1.4 Belangrijke begrippen in analytische chemie * **Monster:** Dat deel van het materiaal dat voor de analyse wordt gebruikt [19](#page=19). * **Analyt:** De component die men wenst te bepalen [19](#page=19). * **Matrix (of monstermatrix):** Alle componenten die in het monster aanwezig zijn [19](#page=19). * **Kwalitatieve analyse:** Analyse ter detectie en identificatie van componenten [19](#page=19). * **Kwantitatieve analyse:** Analyse ter bepaling van de hoeveelheden analyt [19](#page=19). * **Sporenanalyse:** Kwantitatieve analyse waarbij het analytaandeel heel klein is (< 0,01%) [19](#page=19). * **Standaarden (of standaardoplossingen):** Oplossingen met een gekende hoeveelheid analyt, gebruikt voor kalibratie. Het geheel wordt de standaardreeks of kalibratiereeks genoemd [19](#page=19). * **Controlestandaard:** Een standaard uit de kalibratiereeks die periodiek wordt gemeten om de meetcondities te controleren [19](#page=19). * **Onafhankelijke standaard:** Een standaard die onafhankelijk is aangemaakt of aangekocht, en die alle stappen van het monster doorloopt om de juistheid van de kalibratiereeks te controleren [19](#page=19). * **Replica’s/Replicates:** Gelijkwaardige monsters, genomen uit hetzelfde oorspronkelijke monster, om de betrouwbaarheid te verhogen. Vaak in duplo of triplo gemeten [19](#page=19). * **Kalibratiecurve:** Beschrijft het verband tussen het gemeten signaal en de hoeveelheid analyt, gebruikt voor kwantificatie. Een rechte kalibratiecurve wordt de ‘kalibratierechte’ genoemd [19](#page=19). * **Precisie van een methode:** Maat voor de spreiding tussen resultaten van dezelfde metingen [20](#page=20). * **Juistheid van een methode:** Maat voor de afwijking tussen het verkregen resultaat en de werkelijke waarde [20](#page=20). * **Detectielimiet van een methode:** Kleinste hoeveelheid of concentratie analyt die met een bepaalde waarschijnlijkheid gedetecteerd kan worden [20](#page=20). * **Selectiviteit van een methode:** Mate waarin de methode het analyt kan onderscheiden van andere matrixcomponenten. Een methode die voor slechts één analyt werkt, is specifiek [20](#page=20). * * * # Inleiding tot spectrometrie Spectrometrie is een verzamelnaam voor technieken die spectra meten en bestuderen, waarbij in de context van deze cursus de focus ligt op de interactie van elektromagnetische straling met materie [21](#page=21). ### Elektromagnetische straling Elektromagnetische straling (EMS) kan worden beschouwd als transversale golven, bestaande uit een oscillerende elektrische en magnetische veldvector loodrecht op de voortplantingsrichting. Voor de interactie met materie is voornamelijk de elektrische veldvector van belang [21](#page=21). #### Kenmerken van golven * **Golflengte ($\\lambda$)**: De afstand tussen twee opeenvolgende maxima van een golf. Uitgedrukt in meters (m), nanometers (nm, $10^{-9}$ m), Ångström (Å, $10^{-10}$ m) of micrometers (µm, $10^{-6}$ m). Monochromatisch licht bevat slechts één golflengte [22](#page=22). * **Frequentie ($\\nu$ of $f$)**: Het aantal trillingen per seconde, uitgedrukt in Hertz (Hz) of $s^{-1}$. De frequentie is inherent aan de bron en wordt niet beïnvloed door het medium [22](#page=22). * **Periode ($\\tau$ of $T$)**: De tijd die nodig is voor één volledige trilling of het afleggen van één golflengte. $\\tau = 1/\\nu$ [22](#page=22) [23](#page=23). * **Golfgetal ($\\sigma$ of $\\nu$)**: Het aantal golflengten per eenheid van afgelegde weg. $\\sigma = 1/\\lambda$. Meestal uitgedrukt in $cm^{-1}$ [23](#page=23). * **Voortplantingssnelheid ($u$ of $v$)**: De afstand die de golf per seconde aflegt, uitgedrukt in m/s. $u = \\lambda \\cdot \\nu$. In vacuüm is dit de lichtsnelheid $c$, met een waarde van $3,00 \\times 10^8$ m/s. In een medium is de snelheid lager dan $c$, en de golflengte past zich aan [23](#page=23). * **Amplitude ($A$)**: De maximale grootte van de elektrische veldvector. De lichtintensiteit is evenredig met het kwadraat van de amplitude [23](#page=23). #### Licht als deeltje (fotonen) EMS kan ook worden gezien als een stroom van deeltjes, fotonen, elk met een specifieke energie. De energie van een foton is gerelateerd aan de frequentie via de constante van Planck ($h$) [23](#page=23): $$E = h\\nu$$ [23](#page=23). waarbij $h = 6,62 \\times 10^{-34}$ J·s. Beide modellen (golf en deeltje) zijn essentieel voor het begrijpen van licht en interacties [23](#page=23) [24](#page=24). #### Overzicht van het elektromagnetisch spectrum Het elektromagnetisch spectrum omvat diverse soorten straling, variërend in golflengte en frequentie, van radiogolven tot gammastraling. Voor spectrometrie zijn met name UV-VIS, IR en X-stralen relevant (#page=24, 25) [24](#page=24) [25](#page=25). * **UV-VIS straling**: Gebruikt voor absorptie (moleculair UV-VIS, Atoomabsorptie Spectrometrie - AAS) en emissie (Atoomemissie Spectrometrie - AES). Fotoluminescentie (fluorescentie en fosforescentie) is ook belangrijk, met fluorimetrie als bijbehorende techniek. Verstrooiing (turbidimetrie, nefelometrie) wordt ook toegepast [24](#page=24) [25](#page=25). * **IR straling**: Absorptie van IR licht wordt gebruikt voor identificatie (midden-IR) en kwantificatie (nabij-IR) [25](#page=25). * **X-stralen**: X-straal fluorescentie (XRF) wordt gebruikt voor kwalitatieve en kwantitatieve bepalingen van metalen [25](#page=25). ### Energieniveaus in atomen en moleculen Atomen en moleculen bezitten discrete energieniveaus. Interactie met elektromagnetische straling kan leiden tot overgangen tussen deze niveaus [25](#page=25). * **Elektronische energie**: Gerelateerd aan de rangschikking van elektronen in orbitalen. Aangeslagen toestanden worden bereikt door energie-opname, vaak via fotonen (#page=25, 26). Voor atomen is het energieschema relatief eenvoudig met een grondtoestand en hogere elektronische toestanden [25](#page=25) [26](#page=26). * **Vibratie-energie**: Moleculen hebben geen starre structuur; atomen voeren trillingen uit. IR-fotonen kunnen moleculen in vibrationeel aangeslagen toestanden brengen [26](#page=26). * **Rotatie-energie**: Atoomgroepen in moleculen kunnen roteren rond bindingsassen. Laagenergetische fotonen kunnen moleculen in rotationeel aangeslagen toestanden brengen [27](#page=27). Voor moleculen is de totale energie de som van elektronische, vibrationele en rotationele energie: $$E = E\_{\\text{elek}} + E\_{\\text{vib}} + E\_{\\text{rot}}$$ [27](#page=27). Dit resulteert in complexere energiediagrammen dan voor atomen [27](#page=27). ### Lijnenspectrum, bandenspectrum, continu spectrum De aard van een spectrum hangt af van de eigenschappen van de geabsorbeerde of geëmitteerde straling door de materie. * **Absorptie en emissie**: Materie kan licht absorberen, waarbij elektronen naar hogere energieniveaus gaan, of licht emitteren, waarbij ze terugvallen naar lagere energieniveaus [28](#page=28). * **Atomair spectrum (lijnenspectrum)**: Vrije atomen in de gasfase die terugvallen uit een aangeslagen toestand zenden fotonen uit met specifieke energieën, corresponderend met het verschil tussen de energieniveaus. Het resulterende spectrum is een **lijnenspectrum**, dat uniek is voor elk atoom en gebruikt kan worden voor identificatie (#page=28, 29). Absorptiespectra van atomen zijn ook lijnenspectra, waarbij energieovergangen van de grondtoestand naar aangeslagen toestanden plaatsvinden. De spectraallijnen hebben een zekere breedte (ca. 0,01 nm) als gevolg van [28](#page=28) [29](#page=29): * **Natuurlijke breedte**: Door de eindige levensduur van aangeslagen toestanden en het onzekerheidsprincipe [30](#page=30). * **Dopplerverbreding**: Veroorzaakt door de beweging van atomen ten opzichte van de detector. Afhankelijk van temperatuur en molaire massa [30](#page=30): $$\\Delta\\lambda\_D = 7,162 \\times 10^{-7} \\sqrt{\\frac{T}{M}} \\lambda\_0$$ [30](#page=30). * **Botsingsverbreding (Lorentzverbreding/Holtzmarkverbreding)**: Door interacties tussen atomen bij hogere drukken [31](#page=31). Ionen in oplossing vertonen meestal geen lijnenspectrum meer door complexvorming en solvatatie-invloeden [31](#page=31). * **Bandenspectrum**: Moleculen, met hun complexere energieniveaus (elektronisch, vibrationeel, rotationeel), produceren spectra die bestaan uit groepen van lijnen, gegroepeerd in **banden**. In oplossing worden de energieniveaus verder verstoord door het solvent, wat resulteert in overlappende lijnen die als een continue band worden waargenomen (#page=31, 32). De bandbreedte op halve hoogte is aanzienlijk (10-100 nm). Vibratiefijnstructuur kan soms waargenomen worden [31](#page=31) [32](#page=32). * **Continu spectrum**: Geproduceerd door zogenaamde 'zwarte lichamen', die straling over het gehele golflengtebereik emitteren en absorberen. Het incandescentiespectrum van een gloeidraad is een voorbeeld van een continu spectrum. De totale intensiteit en de golflengte van het maximum zijn temperatuurafhankelijk [33](#page=33). ### Gebruik van emissie en absorptie in analytische chemie Zowel emissie als absorptie van elektromagnetische straling zijn waardevolle technieken in de analytische chemie. #### Gebruik van emissie in de analytische chemie Emissiespectra zijn karakteristiek en kunnen gebruikt worden voor kwalitatieve analyse (identificatie). De uitgestraalde lichtintensiteit is vaak evenredig met de concentratie van het analyt, wat kwantitatieve analyse mogelijk maakt [34](#page=34): $$I = k'' \\cdot c$$ [34](#page=34). waarbij $I$ de intensiteit, $c$ de concentratie en $k''$ een constante is. #### Lichtabsorptie in de analytische chemie * **Absorptieproces**: Een foton wordt geabsorbeerd als zijn energie gelijk is aan het energieverschil tussen twee energieniveaus. Absorptiespectra van atomen in gasfase zijn lijnenspectra; die van moleculen in oplossing zijn bandenspectra [34](#page=34). * **Absorbantie ($A$)**: Een maat voor de hoeveelheid geabsorbeerd licht. Gedefinieerd als het negatief logaritme van de transmissie ($T$): $$T = I/I\_0$$ [35](#page=35). $$A = -\\log T = -\\log(I/I\_0) = \\log(I\_0/I)$$ [35](#page=35). Hierbij is $I\_0$ de intensiteit van het invallende licht en $I$ de intensiteit na passage door het medium [35](#page=35). * **De wet van Lambert en Beer**: Beschrijft de relatie tussen absorbantie, optische weglengte ($b$) en concentratie ($c$): $$A = \\epsilon \\cdot b \\cdot c$$ [37](#page=37). waarbij $\\epsilon$ de molaire extinctiecoëfficiënt is (in L·mol$^{-1}$·cm$^{-1}$) (#page=35, 37) [35](#page=35) [37](#page=37). * **Wet van Lambert (Bouguer)**: $A \\sim b$ (absorbantie is evenredig met de optische weglengte) [36](#page=36). * **Wet van Beer**: $A \\sim c$ (absorbantie is evenredig met de concentratie) [36](#page=36). De wet geldt strikt genomen voor lage concentraties. De absorbantie is onafhankelijk van de intensiteit van de invallende bundel ($I\_0$) [36](#page=36) [37](#page=37). * **Gebruik van een blanco**: Om de effecten van het solvent, de cuvet en eventuele onzuiverheden te compenseren, wordt een blanco oplossing gebruikt (#page=37, 38). De gemeten intensiteit van de blanco ($I\_b$) wordt gebruikt in plaats van $I\_0$ [37](#page=37) [38](#page=38). * **Concentratiebepaling met de wet van Lambert en Beer**: * Directe berekening: Indien $\\epsilon$ en $b$ bekend zijn, kan $c$ berekend worden uit $A$ [38](#page=38). * Kalibratiecurve: Opstellen van een grafiek met de gemeten absorbanties van standaardoplossingen tegen hun concentraties. Een rechte lijn (wet van Lambert-Beer) wordt verkregen, waarvan de vergelijking ($y = mx + b$) gebruikt kan worden om de concentratie van onbekende monsters te bepalen (#page=38, 39) [38](#page=38) [39](#page=39). * **Beperkingen op het gebruik van de wet van Lambert en Beer**: * **Echte beperkingen**: Afwijkingen treden op wanneer moleculen elkaar beïnvloeden bij hogere concentraties (doorgaans > $10^{-4}$ mol/L), hoewel de lineariteit vaak goed blijft tot een absorbantie van 1 [39](#page=39). * **Instrumentele beperkingen**: * **Niet-monochromatisch licht**: Strikte naleving van de wet vereist monochromatisch licht. Het gebruik van golflengten op de top van een absorptieband, waar $\\epsilon$ constant is, minimaliseert dit probleem (#page=39, 40). De spectrale bandbreedte van het licht moet significant kleiner zijn dan de absorptiebandbreedte [39](#page=39) [40](#page=40). * **Strooilicht**: Licht dat de detector bereikt zonder de normale weg te volgen, veroorzaakt negatieve afwijkingen van de wet [40](#page=40). * **Chemische afwijkingen**: Treffen op wanneer de analytische concentratie ($c$) niet overeenkomt met de evenwichtsconcentratie van de absorberende deeltjes, door reacties zoals dissociatie of associatie. Deze afwijkingen kunnen zowel positief als negatief zijn [41](#page=41) [43](#page=43). * **De wet van Lambert en Beer voor mengsels**: Omdat absorbanties additief zijn, kan de totale absorbantie van een mengsel de som zijn van de absorbanties van de individuele componenten [43](#page=43): $$A\_{\\text{totaal}} = A\_1 + A\_2 + \\dots = \\epsilon\_1 b c\_1 + \\epsilon\_2 b c\_2 + \\dots$$ [43](#page=43). Met voldoende spectrale gegevens kunnen individuele concentraties berekend worden (#page=43, 44, 45) [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45). * * * # UV-VIS Spectrometrie Dit hoofdstuk bespreekt de principes en apparatuur van UV-VIS spectrometrie, een techniek die de absorptie van ultraviolet en zichtbaar licht door moleculen meet, voornamelijk in oplossing, voor kwantitatieve analyses [51](#page=51). ### 3.1 Inleiding UV-VIS spectrometrie is een veelgebruikte analytische techniek in chemische en klinische laboratoria voor kwantitatieve bepalingen. Het meet de absorptie van UV-VIS licht door moleculen of ionen in oplossing. Het hoofdstuk behandelt de apparatuur, inclusief lichtbronnen, golflengteselectie, cuvetten en detectoren, en de analytische toepassingen [51](#page=51). ### 3.2 Lichtbronnen Lichtbronnen zetten elektrische energie om in straling en verschillende types zijn nodig voor verschillende delen van het elektromagnetisch spectrum [51](#page=51). #### 3.2.1 Lichtbronnen met zwart-lichaam karakteristieken Deze lichtbronnen bevatten een filament met een Positieve Temperatuur Coëfficiënt (PTC), waarbij de weerstand toeneemt met de temperatuur. Bij verhitting gloeit het filament en zendt het een continu spectrum uit, een zogenaamd incandescentiespectrum [51](#page=51). * **Wolfraamlamp (tungsten filament):** 350 nm – 2500 nm. Bevat een wolfraamfilament in een omhulsel, gloeit bij elektrische stroom. De intensiteit en het golflengtebereik zijn temperatuurafhankelijk, dus een gestabiliseerde voeding is cruciaal. Bij een filamenttemperatuur van 2870 K bestrijkt het bereik 350-2500 nm. Is goedkoop en eenvoudig in gebruik, maar produceert veel warmte [51](#page=51) [53](#page=53). * **Wolfraam-halogeenlamp:** Een wolfraamlamp met een kleine hoeveelheid jodium (I₂) toegevoegd. Het wolfraam (W) sublimeert, reageert in de gasfase met I₂ tot WI₂, wat op het filament weer ontbindt, waardoor W terug op het filament wordt afgezet. Dit resulteert in een hogere lichtopbrengst en een iets breder UV-gebied door de hogere filamenttemperatuur [54](#page=54). * **Globar:** 1 - 40 µm [51](#page=51). * **Nernstgloeier:** 400 nm - 20 µm [51](#page=51). * **Nichroom draad:** 750 nm - 20 µm [52](#page=52). #### 3.2.2 Ontladingslampen Een elektrische stroom wordt door een gas (edelgas, metaaldamp, D₂, of H₂) geleid, waarbij geëxciteerde atomen of moleculen licht emitteren bij terugval naar de grondtoestand [52](#page=52). * **Waterstof- of deuteriumlamp (D₂-lamp):** 160 - 360 nm. Produceert een continu spectrum door excitatie van D₂-moleculen onder lage druk. Een D₂-lamp is bruikbaar van 200 tot 400 nm en heeft een hogere lichtopbrengst dan een H₂-lamp [52](#page=52) [54](#page=54). * **Lage-druk-kwikdamplamp:** 253,7 nm en zwakkere lijnen in het nabij UV en VIS gebied. Zendt een lijnenspectrum uit, nuttig voor routinematige bepalingen met filters, maar beperkt de instelling van golflengtes [52](#page=52) [55](#page=55). * **Hoge-druk-kwikdamplamp:** Continu spectrum [52](#page=52). * **Ne, Ar, Kr, Xe ontladingslampen:** Vele scherpe lijnen in het nabij UV tot nabij IR [52](#page=52). * **Xenonbooglamp:** 300 - 1300 nm [52](#page=52). Gasontladingslampen zijn technisch complexer en duurder dan gloeilampen [52](#page=52). #### 3.2.3 Overige lichtbronnen Voorbeelden zijn lijnenbronnen (gebruikt in atomaire absorptietechnieken) en lasers [52](#page=52). ### 3.3 Golflengteselectie Voor de meeste analyses is een smal golflengtegebied nodig, wat kan worden bereikt met filters of monochromators. Toestellen die filters gebruiken worden fotometers genoemd, en die met monochromators spectrofotometers of spectrometers [55](#page=55) [56](#page=56). #### 3.3.1 Filters * **Absorptiefilters (kleurfilters):** Bestaan uit gekleurd glas of gelatine tussen glasplaatjes. Ze zijn goedkoop maar hebben een brede bandbreedte (30-100 nm FWHM). De bandbreedte kan verbeterd worden met een "cut off"-filter [56](#page=56). * **Interferentiefilters:** Bestaan uit twee glasplaten gecoat met een semi-transparante metaalfilm, met daartussen een laag transparant materiaal (bv. CaF₂, MgF₂). De dikte van deze laag bepaalt de geselecteerde golflengte. Constructieve interferentie treedt op als 2d = nλ. Een interferentiefilter laat meerdere golflengten door (eerste, tweede, derde orde), waarvoor een absorptiefilter met hoge doorlaatbaarheid nodig is om de gewenste golflengte te selecteren. Ze produceren smallere bandbreedten en hogere piekdoorlaatbaarheid dan absorptiefilters [56](#page=56) [57](#page=57). #### 3.3.2 Monochromators Een monochromator bevat een ingangsspleet, collimatorlens/-spiegel, een dispergerend element (prisma of rooster), een focusserende lens/-spiegel, en een uitgangsspleet. Door rotatie van het dispergerende element wordt de gewenste golflengte op de uitgangsspleet geprojecteerd. De bandbreedte kan gevarieerd worden door de spleten aan te passen [57](#page=57) [58](#page=58). * **Rooster (grating):** Maakt gebruik van diffractie van elektromagnetische straling door parallelle groeven op een glad oppervlak [58](#page=58). * **Transmissierooster:** Groeven in een transparant materiaal [58](#page=58). * **Reflectierooster:** Groeven op een metaal-gecoat oppervlak (bv. Al, Au, Pt). Vaak met een "blaze-hoek" voor optimalisatie in een bepaald spectraal gebied. De relatie voor constructieve interferentie is nλ = d(sin i + sin r). Nagenoeg alle moderne spectrofotometers gebruiken reflectieroosters. UV-VIS roosters hebben 1000-2000 lijnen/mm [59](#page=59) [60](#page=60). * **Holografisch rooster:** Vervaardigd door lasers die interferentiepatronen creëren, die een kunststoflaag aantasten [60](#page=60). * **Concaaf rooster:** De groeven zijn gebogen, waardoor het rooster zowel voor dispersie als voor focussering zorgt, wat leidt tot compactere bouw en minder strooilicht [60](#page=60). * **Prisma:** Maakt gebruik van de golflengteafhankelijke brekingsindex van materialen zoals glas en kwarts. Kortere golflengten worden sterker afgebogen dan langere golflengten [60](#page=60) [61](#page=61). * **UV-VIS:** Kwarts, fused kwarts [61](#page=61). * **VIS:** Glas [61](#page=61). * **IR:** NaCl, KBr, CsBr [61](#page=61). * **Littrow-prisma:** Maakt een compactere monochromatorbouw mogelijk [61](#page=61). #### 3.3.3 Karakteristieken van een monochromator * **Hoekdispersie (ζ):** Verschil in hoek r voor een bepaald verschil in golflengte, uitgedrukt als $d\\phi/d\\lambda$. Voor een rooster is ζ constant, voor een prisma is het golflengteafhankelijk en stijgt bij dalende λ [62](#page=62). * **Lineaire dispersie (D):** Gemeten in het brandvlak, geeft de mate van dispersie van golflengten weer: $D = dz/d\\lambda$. Uitgedrukt in mm/nm. $D = f \\cdot \\zeta$ [62](#page=62). * **Spectrale bandbreedte (SBB of ∆λ):** De breedte van de band op halve hoogte die door de monochromator wordt doorgelaten. SBB is recht evenredig met de spleetbreedte (s) en omgekeerd evenredig met de lineaire dispersie: $SBB = s / (dz/d\\lambda)$. Commerciële apparaten hebben SBB van 0,1 tot 20 nm. Een te grote SBB leidt tot verlies van fijnstructuur en afwijkingen van de wet van Lambert-Beer [63](#page=63). * **Resolutie (R):** De mogelijkheid om verschillende golflengten apart waar te nemen [63](#page=63). * Voor een rooster: $R = n \\cdot N$, met n de diffractie-orde en N het aantal lijnen waarop de bundel invalt [63](#page=63). * Voor een prisma: $R = \\lambda \\cdot (dn/d\\lambda) \\cdot b$, met b de basis van het prisma en dn/dλ de optische dispersie [64](#page=64). ### 3.4 Cuvetten Het materiaal van de cuvet moet doorlaatbaar zijn voor het gebruikte licht [64](#page=64). * **VIS:** Borosilicaat glas, kwarts, polystyreen (wegwerp) [64](#page=64). * **UV:** Kwarts, polyethyleen (PE), polymethylmethacrylaat (PMMA) [64](#page=64). * **IR:** Alkalihalogeniden (NaCl, KBr, CsBr) [64](#page=64). Kwarts is gangbaar voor UV-spectrometrie. Cuvetten hebben doorgaans een optische weglengte van 1 tot 5 cm. Vingerafdrukken en luchtbellen moeten vermeden worden om reproduceerbare resultaten te garanderen. Er bestaan speciale uitvoeringen zoals doorstroomcuvetten en microcuvetten [64](#page=64) [65](#page=65). ### 3.5 Detectoren Verschillende foto-elektrische detectoren worden gebruikt. Het verband tussen de hoeveelheid opvallend licht (I) en de elektrische respons (G) wordt gegeven door $G = KI + K'$, waarbij K een constante is en K' de zwartstroom [65](#page=65) [66](#page=66). * **Fotobuis:** Bestaat uit een anode en kathode. Fotonen op de kathode veroorzaken door het foto-elektrisch effect elektronenemissie, wat resulteert in een stroom onder invloed van een spanningsveld [66](#page=66). * **Fotovermenigvuldigingsbuis (PM):** Gebruikt het foto-elektrisch effect om primaire elektronen te produceren, die vervolgens worden versterkt via een reeks dynoden tot 10⁶-10⁷ elektronen per foton. Zeer gevoelig voor kleine lichthoeveelheden [66](#page=66). * **Vaste-stof-detector (solid state detector):** * **Si-diode detector:** Gebaseerd op fotogeleidbaarheid in een invers-gepolariseerde Si-diode. Gevoeliger dan een fotobuis, maar minder dan een PM. Geschikt van 190 tot 1100 nm [67](#page=67). * **Diode array:** Duizenden Si-diodes op een chip, die signalen in fracties van een seconde kunnen uitlezen en verwerken. Maakt quasi-gelijktijdige meting van alle golflengten mogelijk, wat nuttig is voor snel veranderende monsters [68](#page=68). ### 3.6 Uitvoeringsvormen van enkele (spectro)fotometers #### 3.6.1 Enkelstraals(spectro)fotometer Het licht gaat via één pad door de referentie- of monsteroplossing naar de detector. Moderne toestellen kunnen het spectrum van de blanco opslaan en het verschil met het monster weergeven [69](#page=69). #### 3.6.2 Dubbelstraalsspectrofotometer * **Double beam in time:** De lichtbundel wordt afwisselend door de referentie- en monstercuvet gestuurd met een "chopper" [70](#page=70). * **Double beam in space:** De lichtbundel wordt fysiek gesplitst, waarbij één helft door de referentie en de andere door het monster gaat [70](#page=70). Deze toestellen bestrijken doorgaans 190 tot 900 nm en hebben een instelbare spectrale bandbreedte [71](#page=71). #### 3.6.3 Meerkanaalsspectrofotometer Maakt gebruik van diode arrays en polychromators (monochromators zonder uitgangsspleet). Het gehele spectrum wordt elektronisch in fracties van een seconde verkregen. De deuteriumlamp kan hierdoor efficiënter gebruikt worden in het 200-600 nm bereik [71](#page=71). #### 3.6.4 Microplaat (spectro)fotometers (plate readers) Meten de absorptie van monsters in microplaten (bv. 96-well plates). Geautomatiseerd proces, ideaal voor hoge doorvoer in farmaceutische en biotechnologische toepassingen [72](#page=72). #### 3.6.5 Spectrofotometers met fotoprobe Gebruiken optische vezels om licht te leiden. Een fotoprobe kan in de oplossing worden geplaatst, waarbij de lichtweg 2d is (d is de afstand tot een spiegel). Er bestaan ook systemen met een robotarm die de fotoprobe op een welbepaalde diepte kan positioneren voor concentratiebepalingen zonder verdunning [73](#page=73) [74](#page=74). ### 3.7 Analytische gebruik van UV-VIS spectrometrie #### 3.7.1 Registratie van een spectrum Een absorptiespectrum wordt automatisch opgenomen. De parameters (golflengtebereik, scansnelheid, spleetbreedte) kunnen ingesteld worden. Spectra kunnen ter bevestiging van een vermoeden van een component dienen, maar identificatie op basis van brede banden is niet aan te raden. Meestal wordt een spectrum opgenomen om de optimale analysegolflengte te bepalen [74](#page=74). #### 3.7.2 Kwantitatieve analyse * **Algemene werkwijze:** Gebruik van standaardoplossingen met bekende concentraties. De absorpties worden gemeten bij de optimale analysegolflengte en uitgezet tegen de concentratie om een kalibratiecurve te verkrijgen. De concentratie van een onbekend monster wordt afgelezen uit deze curve. Een lineair verband tussen A en c wordt verwacht volgens de wet van Lambert-Beer [75](#page=75). * **Keuze van de analysegolflengte:** De golflengte met maximale absorptie (λmax) wordt doorgaans gekozen voor maximale gevoeligheid. Indien interferenties verwacht worden, kan een andere golflengte gekozen worden waar dA/dλ minimaal is. Bij lijnenspectra moeten de uitgezonden lijnen worden gebruikt [75](#page=75). > **Voorbeeld:** Bij de bepaling van NADH (piek bij 339 nm) in enzymatische reacties, wordt deze golflengte gebruikt. Bij een Hg-lamp zou men de kwiklijn van 365 nm of 334 nm gebruiken [76](#page=76). * **Keuze van het concentratiegebied:** Het lineaire verband is alleen geldig bij lage concentraties (veilige grens A=1). De relatieve standaarddeviaties zijn het kleinst voor absorpties tussen 0,1 en 1,0. De standaarden moeten zo gekozen worden dat het hele gebied tot A=1,0 bestreken wordt. Een concentratie van 10⁻⁴ tot 10⁻⁵ M is vaak een goed startpunt [76](#page=76) [77](#page=77). #### 3.7.3 Toepassingen UV-VIS spectrometrie wordt voornamelijk gebruikt voor kwantificatie en is breed toepasbaar [77](#page=77). * Stoffen die in het UV- of VIS-gebied absorberen, kunnen direct gemeten worden. Gekleurde oplossingen absorberen de complementaire kleur [77](#page=77). * Voor stoffen die niet absorberen, is derivatisatie nodig, vaak via een kleurreactie met een reagens die een wel absorberende verbinding vormt [77](#page=77). > **Voorbeeld:** Bepaling van Fe²⁺ met 1,10-fenantroline vormt een rood-oranje complex dat in het VIS-gebied absorbeert [78](#page=78). * **Voordelen:** * **Detectielimieten:** Typisch 10⁻⁴ tot 10⁻⁵ M, soms lager [78](#page=78). * **Selectiviteit:** Gemiddeld tot goed, kan verbeterd worden door keuze van golflengte of specifieke derivatisatie [78](#page=78). * **Juistheid:** Typisch 1-5% fouten, tot tienden van een procent met speciale voorzorgsmaatregelen [78](#page=78). * **Gebruiksgemak:** Snel, eenvoudig en goed automatiseerbaar [78](#page=78). * **Kostprijs:** Relatief goedkoopste instrumentele spectrometrische toestellen [78](#page=78). #### 3.7.4 Flow Injection Analysis (FIA) Een monster wordt geïnjecteerd in een stromende drager vloeistof, waaraan reagentia kunnen worden toegevoegd. Na reactietijd bereikt het monster de detector. Typische debieten zijn 0,5-2,5 mL/min. FIA-systemen kunnen verschillende reactieschema's realiseren en diverse detectiemethoden gebruiken (absorbantie, fluorimetrie, IR, etc.). Het toepassingsgebied is breed, inclusief wateranalyse, bodems, detergenten, farmaceutica en voedingswaren [80](#page=80) [81](#page=81) [82](#page=82). ### 3.8 Oefeningen UV-VIS Spectrometrie Oefeningen die de berekening van molaire absorptiviteit, massapercentages, concentratiegebieden, en kennis over de componenten van spectrofotometers en principes van UV-VIS spectrometrie testen [83](#page=83). * * * # Infrarood Spectrometrie Infrarood (IR) spectrometrie is een techniek die de absorptie van IR-straling door moleculen meet, primair gericht op het analyseren van vibrationele overgangen, wat waardevolle informatie oplevert voor moleculaire structuuridentificatie en kwantificering [88](#page=88). ### 4.1 Inleiding IR-spectrometrie, in tegenstelling tot UV-VIS spectrometrie, maakt gebruik van minder energetische fotonen die overeenkomen met de energie van vibrationele overgangen in moleculen. De absorptiebanden in een IR-spectrum worden toegeschreven aan specifieke moleculaire vibraties, wat de techniek krachtig maakt voor structuurophouding van organische en anorganische verbindingen. De meeste verbindingen, met uitzondering van homonucleaire diatomische moleculen zoals O$\_{2}$, N${2}$ en Cl$\_{2}$, absorberen IR-straling, en de resulterende spectra zijn uniek. IR-spectra worden doorgaans weergegeven met het percentage transmissie (%T) op de y-as en het golfgetal (cm$^{-1}$) op de x-as. Hoewel kwantificering met IR beperkter is dan met UV-VIS, wordt het toegepast in specifieke gebieden zoals de analyse van polluenten in lucht en melk. IR-spectroscopie kan worden toegepast op gasvormige, vaste en vloeibare monsters, en metingen kunnen zowel via transmissie als reflectie plaatsvinden, waarbij FT-IR de meest gebruikte instrumentatie is [88](#page=88) [89](#page=89) [90](#page=90). ### 4.2 Spectraal gebied Het IR-spectrum wordt onderverdeeld in verschillende gebieden: Nabij IR (NIR), Midden IR (MIR) en Ver IR (FIR). Voor analytische doeleinden wordt voornamelijk het MIR-gebied gebruikt (2,5-50 µm, corresponderend met 4000-200 cm$^{-1}$), dat overeenkomt met de energie van vibrationele overgangen. Het meest gebruikte bereik voor MIR-spectrometrie is 2,5 tot 15 µm (4000 tot 670 cm$^{-1}$). Er wordt voornamelijk met golfgetallen gewerkt omdat deze recht evenredig zijn met de frequentie van de vibraties [90](#page=90). ### 4.3 Vibraties en IR absorptie Moleculen zijn niet star; atomen voeren trillingen uit en atoomgroepen kunnen roteren. Vibrationele bewegingen worden beschreven als harmonische vibraties, onderverdeeld in rekvibraties (stretching) waarbij atoomafstanden veranderen, en buigingsvibraties (bending) waarbij bindingshoeken veranderen [90](#page=90). Het aantal vibratiewijzen ($n$) van een molecule met $N$ atomen is: * Lineaire moleculen: $n = 3N - 5$ * Niet-lineaire moleculen: $n = 3N - 6$ [91](#page=91). Absorptie van MIR-straling kan moleculen vibrationeel exciteren. Niet alle vibratiewijzen zijn echter IR-actief; een vibratie is IR-actief als het elektrisch dipoolmoment van het molecule verandert tijdens de vibratie [91](#page=91). Voor een diatomisch molecule met één rekvibratie, die vergeleken kan worden met een massa aan een veer (harmonische oscillator), is de frequentie ($\\nu$) gegeven door: $$ \\nu = \\frac{1}{2\\pi} \\sqrt{\\frac{k}{\\mu}} $$ waarbij $k$ de krachtconstante van de binding is en $\\mu$ de gereduceerde massa van de twee atomen: $$ \\mu = \\frac{m\_1 m\_2}{m\_1 + m\_2} $$ Hierin zijn $m\_1$ en $m\_2$ de massa's van de twee atomen. Het model van de anharmonische oscillator beschrijft de moleculaire vibraties beter door rekening te houden met afstotingskrachten en dissociatie [92](#page=92). Bij meeratomige moleculen zijn complexere modellen nodig, waarbij meerdere bindingslengte- en hoekveranderingen gekoppeld zijn. Functionele groepen zoals de C=O-stretching rond 1700 cm$^{-1}$ zijn echter vaak duidelijk herkenbaar [93](#page=93). ### 4.4 De FT-IR spectrofotometer Moderne IR-toestellen zijn Fourier-transform (FT-IR) spectrofotometers, die alle golflengten tegelijk meten met behulp van een Michelson interferometer. Een dispersieve IR-spectrofotometer gebruikt een monochromator om golflengten sequentieel te selecteren, terwijl een FT-IR-toestel een interferometer gebruikt en een computer met Fourier-transformatie (FT) om het spectrum te verkrijgen [94](#page=94). #### 4.4.1 Bron IR-bronnen zijn elektrisch verhitte inerte vaste stoffen die hoge temperaturen bereiken. Veelgebruikte bronnen zijn [94](#page=94): * **Nernstgloeier:** Gemaakt van zirkonium- en yttriumoxides, werkt bij ongeveer 1800 K [94](#page=94). * **Globar:** Een siliciumcarbide staaf, werkt bij ongeveer 1600 K en levert hogere intensiteit beneden 1500 cm$^{-1}$ [94](#page=94). * **Nichroomdraad spiraal:** Lager intensiteit maar langere levensduur [95](#page=95). #### 4.4.2 De Michelson interferometer De Michelson interferometer in een FT-IR-toestel splitst de IR-straling in twee bundels. Eén bundel gaat door een vaste spiegel en daarna door het monster, terwijl de andere bundel door een bewegende spiegel gaat en vervolgens ook door het monster. Door de beweging van de spiegel leggen de bundels verschillende afstanden af, wat resulteert in interferentie wanneer ze weer samenkomen. Het patroon van de gemeten intensiteit als functie van het weglengteverschil ($\\delta$) wordt het interferogram genoemd [95](#page=95). * Voor monochromatisch licht ontstaat een cosinusoïdaal signaal [95](#page=95). * Voor polychromatisch licht ontstaat een complex interferogram, met een maximale intensiteit bij $\\delta = 0$ waar alle golven in fase zijn [96](#page=96). Als het monster IR-straling absorbeert, wordt dit weerspiegeld in het interferogram, maar de informatie is niet direct afleesbaar zonder Fourier-transformatie [96](#page=96). #### 4.4.3 Detector IR-fotonen zijn te weinig energetisch voor fotondetectoren. In FT-IR worden doorgaans twee typen detectoren gebruikt: * **Pyro-elektrische detectoren:** Gebruiken materialen zoals DTGS (gedeutereerd triglycinesulfaat) waarvan de polarisatie temperatuurafhankelijk is. De verandering in polarisatie bij absorptie van IR-fotonen genereert een meetbare stroom [97](#page=97). * **Fotoconductieve detectoren:** Bestaan uit halfgeleidermateriaal (bv. loodsulfide voor NIR, MCT voor MIR/FIR) waarvan de weerstand daalt bij absorptie van fotonen. MCT-detectoren vereisen koeling met vloeibare stikstof (77 K) maar bieden een superieure respons [98](#page=98). #### 4.4.4 Fourier transformatie met PC Een Fourier-transformatie (FT) is een rekenintensieve wiskundige bewerking die op het interferogram wordt toegepast om het traditionele IR-spectrum (%T vs. $\\sigma$) te verkrijgen. Moderne computers voeren deze transformatie zeer snel uit (< 1 seconde) [98](#page=98). #### 4.4.5 He-Ne laser Een He-Ne laser wordt in FT-IR-toestellen gebruikt om een interne ijking te verzorgen. Het laserlicht volgt dezelfde weg als het monsterlicht, en het interferentiepatroon van de laser helpt bij het bepalen van het nulpunt bij elke scan [98](#page=98). #### 4.4.6 Voordelen van FT-IR FT-IR biedt significante voordelen ten opzichte van dispersieve IR: * **Fellgett voordeel (multiplex-voordeel):** Alle golflengten worden tegelijk gemeten, waardoor spectra in seconden in plaats van minuten kunnen worden opgenomen [98](#page=98). * **Jacquinot voordeel:** Geen monochromator en slit, wat resulteert in meer energie op het monster en de detector [99](#page=99). * **Connes voordeel:** De He-Ne laser zorgt voor een permanente ijking van het toestel, wat de nauwkeurigheid verhoogt [99](#page=99). Andere voordelen zijn een constante hoge resolutie, hoge nauwkeurigheid bij transmissie-/absorbantiemetingen en afwezigheid van strooilicht [99](#page=99). ### 4.5 Meetconfiguraties en monsterpreparatie Verschillende monstertypes (vast, vloeibaar, gas) en de gewenste informatie bepalen de keuze van de meetconfiguratie [99](#page=99). #### 4.5.1 Transmissieconfiguratie Dit is de klassieke methode waarbij IR-licht door het monster wordt geleid. Geschikt voor monsters die IR-licht doorlaten, zoals dunne vaste stoffen, vloeistoffen of gassen (met langere optische weglengtes) [99](#page=99). * **Gassen:** Gemeten in speciale gascellen met variabele lengte [100](#page=100). * **Vaste stoffen:** Kunnen als oplossing, in minerale olie dispersie (Nujol-techniek) of in een alkalihalogenide pil worden gemeten [100](#page=100). * **Oplossingen:** Vereisen oplosmiddelen die het monster goed oplossen, de cuvetten niet aantasten, en zelf weinig IR absorberen (bv. CS$\_{2}$, CCl${4}$, dioxaan). Cellen met korte weglengte (0,025-1 mm) worden gebruikt om absorptie door het solvent te minimaliseren. Cuvetten worden gemaakt van IR-doorlatende materialen zoals NaCl, KBr, ZnS of CaF [100](#page=100) . * **Minerale olie dispersie (Nujol techniek):** Het monster wordt gemengd met minerale olie (bv. Nujol) en aangebracht tussen twee alkalihalogenide plaatjes . * **Alkalihalogenide pil:** Het vaste monster wordt fijn gemalen, gemengd met een alkalihalogenide (bv. KBr), en onder hoge druk tot een tablet geperst. Een KBr-blanco pil wordt gebruikt om interferentie van geadsorbeerd water te minimaliseren . * **Vloeistoffen en polymeren:** Vloeistoffen kunnen als dunne film tussen alkalihalogenide plaatjes worden gemeten of in geschikte solventen. Dunne polymeerfilmen kunnen direct worden gemeten indien ze voldoende IR-doorlatend zijn . #### 4.5.2 ATR techniek (Attenuated Total Reflectance) Bij ATR wordt IR-licht via een kristal met een hoge brekingsindex geleid dat in contact staat met het monster. Het licht dringt slechts enkele micrometers in het monster en wordt vervolgens intern gereflecteerd. Dit maakt ATR ideaal voor oppervlakteanalyse van vaste stoffen, poeders, pasta's en dikke vloeistoffen, zonder de noodzaak van dunne of doorzichtige monsters, en met minimale monsterpreparatie. Materialen voor ATR-kristallen zijn onder andere germanium, zinkselenide en diamant [100](#page=100) [99](#page=99). #### 4.5.3 Andere reflectiemetingen * **Diffuse reflectie (DRIFT):** Gebruikt voor poeders en ruwe oppervlakken die niet geschikt zijn voor transmissie- of ATR-metingen. IR-licht wordt op het monster gericht en de gereflecteerde straling wordt gemeten. Deze methode heeft een lagere gevoeligheid en resolutie dan transmissie- of ATR-metingen [100](#page=100). Bij transmissiemeetcellen is de optische weglengte enigszins bekend. Bij andere technieken, zoals ATR, is dit minder gedefinieerd . ### 4.6 Analytisch gebruik van IR spectrometrie #### 4.6.1 Kwalitatieve analyse IR-spectrometrie is een krachtig hulpmiddel voor identificatiedoeleinden, vaak complementair aan massaspectrometrie en NMR. Specifieke absorptiebanden van functionele groepen verschijnen op karakteristieke golflengtegebieden in het spectrum, wat helpt bij het achterhalen van de moleculaire structuur. Een voorbeeld van belangrijke IR-absorptiebanden van functionele groepen is gegeven in Tabel 4.3 . Voor definitieve identificatie worden spectra vaak vergeleken met die in spectrale bibliotheken . Groep verbindinggolfgetal (cm$^{-1}$)C−H alkanen3000-28501580-1450C−H alkenen3100-29001000-900700-525C−H alkynen3300-32002200-2100700-600C−H aromatische ring3150-30001630-1475775-675C=C alkenen1680-1640C≡C alkynen2260-2100C−C aromatische ring1600-1500−C−O alcoholen, esters, ethers1300-1100C=O aldehyden, ketonen, carbonzuren, esters1770-1690O−H alcoholen, fenolen3640-3610N−H amines3500-3300C−N amines, amides1360-1180N−H amides3500-3025P=O fosfaten1130-1040S−H thiol (sulfhydryl)2600-2400 Tabel 4.3: IR-absorptiebanden van belangrijke functionele groepen . #### 4.6.2 Kwantitatieve analyse Exacte kwantificeringen met FT-IR zijn uitdagend vanwege de moeilijkheid om een exacte en reproduceerbare optische weglengte en identieke transmissie-eigenschappen van monsterhouders te waarborgen. Dit komt door de zeer kleine en variabele weglengtes en het feit dat IR-monsterhouders (alkalihalogeniden) gevoelig zijn voor aantasting door water . Kwantitatieve bepalingen zijn wel gangbaar in de voedingsindustrie, waarbij gebruik wordt gemaakt van vooraf opgestelde kalibraties met bekende monsters en gecertificeerde methoden. Dit is tijd- en kostrovend en wordt vooral toegepast voor courante voedingsmiddelen zoals melk of wijn, waar veel analyses nodig zijn. Over het algemeen concentreert het gebruik van IR zich op kwalitatieve analyse . * * * # Fluorimetrie Fluorimetry is an analytical technique based on the principle of photoluminescence, specifically fluorescence, used for quantitative analysis due to its high sensitivity and selectivity . ### 5.1 Introduction to photoluminescence Photoluminescence occurs when molecules, after absorbing photons and entering an excited state, return to their ground state by emitting electromagnetic radiation. This emission can be rapid (less than $10^{-6}$ s), known as fluorescence, or slower, known as phosphorescence. While atomic fluorescence spectrometry (AFS) exists, it offers no significant advantages over atomic absorption and emission spectrometry and is rarely used. This chapter focuses on molecular photoluminescence, with an emphasis on fluorescence (fluorimetry) due to its wider application compared to phosphorescence (phosphorimetry). Fluorimetry is characterized by good sensitivity and reasonable selectivity, although its application is limited as only a minority of compounds fluoresce . ### 5.2 Principle of photoluminescence After absorbing electromagnetic radiation, a molecule enters an excited state. This excess energy is usually dissipated as heat through collisions (thermal relaxation). However, if thermal relaxation is inefficient, the molecule can release this energy as electromagnetic radiation through fluorescence or phosphorescence. Figure 5.1 illustrates the various processes that can occur within a molecule . #### 5.2.1 Multiplicity of an atom or molecule Multiplicity ($M$) is defined as $M = 2S + 1$, where $S$ is the net spin quantum number, representing the sum of the spin quantum numbers ($s = +\\frac{1}{2}$ or $-\\frac{1}{2}$) of all electrons in the molecule . * A state with $S = 0$ and $M = 1$ is called a singlet state ('S') . * A state with $S = +\\frac{1}{2}$ and $M = 2$ is called a doublet state ('D') . * A state with $S = 1$ and $M = 3$ is called a triplet state ('T') . The ground state of most molecules formed by covalent bonds is a singlet state ($S\_0$) due to paired electrons. Excited singlet states are denoted as $S\_1, S\_2$, etc. For most molecules with covalent bonds, the lowest excited state is a triplet state ($T\_1$) . #### 5.2.2 Absorption Absorption of a photon, which promotes an electron to a higher energy level, takes approximately $10^{-15}$ s. While Figure 5.1 primarily depicts $S \\to S$ transitions, $S \\to T$ transitions are improbable in molecules containing only light atoms, such as most organic molecules . #### 5.2.3 Vibrational relaxation Electrons rapidly move through the vibrational levels within an excited state (less than $10^{-12}$ s), transferring excess energy to the solvent or neighboring molecules as heat. The same process occurs in the ground state . #### 5.2.4 Internal conversion Internal conversion is an efficient, non-radiative process within excited molecules where electrons transition between different excited states. This is particularly facile when energy levels closely match. Internal conversion can also occur from the lowest vibrational level of $S\_1$ and $T\_1$, often explained by the overlap of the highest vibrational level of the ground state with the lowest of the excited state . #### 5.2.5 External conversion External conversion is a non-radiative transition from an excited state to the ground state, involving interactions and energy transfer between the excited molecule and solvent molecules or other dissolved substances . #### 5.2.6 Fluorescence Fluorescence occurs when the transition from an excited singlet state to the ground state involves the emission of photons. This happens when non-radiative decay pathways are less probable or slower than photon emission. Fluorescence always originates from the lowest vibrational level of an excited state and can transition to any vibrational level of the ground state. Consequently, fluorescence spectra consist of a series of lines corresponding to these energy differences, resulting in emission lines at the same (resonance line) or longer wavelengths than the absorption lines. Due to similar spacing of vibrational levels in both ground and excited states, fluorescence spectra often appear as a mirror image of the absorption spectrum . > **Tip:** The mirror image symmetry between absorption and emission spectra is a characteristic feature of fluorescence, as illustrated in Figure 5.3 for anthracene . The emission of a photon during fluorescence takes about $10^{-15}$ s, similar to absorption. The radiative lifetime, the time it takes for the concentration of excited molecules to halve due to fluorescence in the absence of non-radiative deactivation, typically ranges from $10^{-9}$ s to $10^{-6}$ s, depending on the molecule's structure . #### 5.2.7 Intersystem crossing Intersystem crossing involves a change in the spin of an excited electron, leading to a transition from a singlet state ($S\_1$) to a triplet state ($T\_1$). The probability of this transition increases when energy levels closely overlap. This process is facilitated by the presence of heavy elements, such as bromide and iodide. Vibrational relaxation then leads to the vibrational ground level of $T\_1$ . #### 5.2.8 Phosphorescence From the triplet state ($T\_1$), phosphorescence can occur, or non-radiative de-excitation can take place. Phosphorescence is a triplet-to-singlet transition accompanied by photon emission. Although the transition time is similar to fluorescence ($10^{-15}$ s), triplet-singlet transitions are improbable. They are observable only when other relaxation pathways are minimized, for example, by low temperatures, high viscosity, or adsorption of molecules onto a solid surface. The radiative lifetime for phosphorescence ranges from $10^{-3}$ s to 10 s or longer, meaning the emitted radiation can persist for some time after the excitation source is removed. Because the energy of a triplet level is always lower than that of the corresponding singlet level, phosphorescence emission occurs at longer wavelengths than fluorescence emission, as shown in Figure 5.4 for phenanthrene . #### 5.2.9 Quantum yield ($\\Phi$) of fluorescence Fluorescence is one of several de-excitation pathways. The quantum yield ($\\Phi$) represents the fraction of excited molecules that deactivate via fluorescence . $$ \\Phi = \\frac{\\text{number of photons emitted}}{\\text{number of photons absorbed}} $$ where $0 < \\Phi < 1$. This can also be expressed as : $$ \\Phi = \\frac{I\_f}{I\_0 - I} $$ where $I\_f$ is the fluorescence intensity, $I\_0$ is the incident light intensity, and $I$ is the transmitted light intensity . ### 5.3 Factors influencing fluorescence #### 5.3.1 Molecular structure Fluorescence is most common in organic compounds containing aromatic groups. The greater the number and condensation of aromatic rings, the higher the fluorescence intensity. Simple heterocyclic rings like pyridine fluoresce weakly, but fused with a benzene ring (e.g., quinoline), they can fluoresce strongly. Substituents on aromatic rings shift fluorescence bands and alter intensity. Halogen substitution leads to a bathochromic shift (longer wavelengths) and a decrease in fluorescence, which is more pronounced with increasing atomic mass of the halogen. This reduction in fluorescence is attributed to the increased probability of intersystem crossing to the triplet state, characteristic of heavy atoms . > **Tip:** Table 5.1 demonstrates the effect of halogen substitution on the fluorescence intensity of benzene . The rigidity of a molecule's structure is also crucial for fluorescence. More flexible structures tend to dissipate excess energy more readily through internal and external conversion. This is exemplified by the difference in fluorescence between fluorene and biphenyl, and between fluorescein and phenolphthalein (Figures 5.5 and 5.6). Metal complexes of 8-hydroxyquinoline also fluoresce more intensely than the uncomplexed ligand . #### 5.3.2 Environmental influences * **Temperature:** Higher temperatures and lower viscosities generally decrease fluorescence intensity due to increased collision frequency, enhancing internal conversion and vibrational relaxation, thus reducing the likelihood of fluorescence . * **pH:** pH affects compounds with acidic or basic groups, as dissociation can influence conjugation and aromaticity, leading to changes in fluorescence wavelength and intensity for ionized and non-ionized forms . * **Solvent:** Solvents containing heavy atoms or other dissolved substances with heavy atoms (e.g., carbon tetrabromide, ethyl iodide) can reduce fluorescence. This effect is similar to halogen substitution. The reduction of fluorescence by interfering components is termed quenching, and the substances causing it are called quenchers . * **Dissolved oxygen:** Dissolved oxygen is a significant quencher, strongly reducing fluorescence intensity. The paramagnetic properties of molecular oxygen increase the probability of intersystem crossing to the triplet state, resulting in lower fluorescence . #### 5.3.3 Concentration The fluorescence intensity ($I\_F$) is proportional to the amount of absorbed energy, with the proportionality factor being the quantum yield ($\\Phi$): $$ I\_F = \\Phi (I\_0 - I) $$ where $I\_0$ is the incident beam intensity and $I$ is the transmitted light intensity. According to the Lambert-Beer law, $I = I\_0 \\cdot 10^{-\\varepsilon bc}$. Substituting this into the fluorescence intensity equation yields : $$ I\_F = \\Phi I\_0 (1 - 10^{-\\varepsilon bc}) $$ Using a series expansion, this can be written as: $$ I\_F = \\Phi I\_0 \\left( \\varepsilon bc - \\frac{(\\varepsilon bc)^2}{2!} + \\frac{(\\varepsilon bc)^3}{3!} - \\dots \\right) $$ If $\\varepsilon bc < 0.05$ (i.e., absorbance < 0.05), the first term dominates, simplifying the equation to: $$ I\_F \\approx \\Phi I\_0 \\varepsilon bc $$ Assuming $I\_0$ is constant, this becomes: $$ I\_F = k \\cdot c $$ where $k$ is a constant and $c$ is the analyte concentration. Thus, fluorescence intensity is directly proportional to concentration under these conditions. Deviations from linearity occur when absorbance exceeds 0.05 . > **Tip:** The proportionality constant in the fluorescence intensity formula includes the incident light intensity ($I\_0$). This allows for easy enhancement of sensitivity in fluorimetric determinations, a key difference from absorptiometry where incident intensity has minimal impact on the measured signal . #### 5.3.4 Self-quenching and self-absorption Quenching reduces quantum yield due to interfering substances. Self-quenching results from collisions between excited molecules, increasing internal conversion and decreasing fluorescence intensity due to analyte-analyte interactions. This effect becomes more significant at higher concentrations, leading to negative deviations in calibration curves. Self-absorption occurs when fluorescence radiation emitted by one molecule is absorbed by a similar molecule in the ground state, particularly when an emission line overlaps with an absorption line. Like self-quenching, self-absorption becomes more pronounced with increasing concentration . ### 5.4 Instrumentation Fluorimeters share basic components with photometers but are configured differently to avoid simultaneous measurement of fluorescence and transmission. The detector is positioned at a 90° angle to the light path from the source, unlike spectro-photometers where the detector is in line with the light path . #### 5.4.1 Light source Tungsten and deuterium lamps are less suitable due to insufficient intensity. Simple fluorimeters often use high-pressure mercury vapor lamps, emitting a line spectrum and a continuous spectrum in the visible range. Low-pressure mercury lamps provide intense UV lines (254 and 313 nm) that can be absorbed by broad absorption bands of fluorescent compounds. The most common light source in fluorimeters is the xenon arc lamp, which emits intense radiation across the UV-VIS spectrum (250-600 nm). While expensive, the xenon arc lamp's high intensity is crucial for fluorimetry. Dye lasers are also used, providing tunable monochromatic beams, thus eliminating the need for an excitation monochromator . #### 5.4.2 Wavelength selection Filter fluorimeters, now rare, use absorption or interference filters. Spectrofluorimeters employ grating monochromators that allow for continuous scanning of excitation and emission spectra, offering better selectivity due to narrower band selection. Minimizing stray light is critical in spectrofluorimeters due to the inherent low efficiency of fluorescence and the long optical path within the instrument . > **Tip:** Figure 5.9 provides a schematic of a spectrofluorimeter's components . #### 5.4.3 Sample holder Rectangular cuvettes with four clear sides are used. Quartz cuvettes are required for UV wavelengths and are costly ($150$ euros), necessitating careful handling . #### 5.4.4 Detector Photomultiplier tubes (PMTs) are standard in classic instruments due to their sensitivity, surpassing that of photodiodes . #### 5.4.5 Plate readers Fluorescence measurements can also be performed using plate readers with black microplates. Light is directed onto the solution in the wells, and the emitted fluorescence is measured at a 90° angle. Plate readers allow for high-throughput analysis, particularly in biotechnology (e.g., ELISAs). Unlike absorption plate readers, the optical path length in fluorescence plate readers is determined by the pipetted volume. Beyond fluorescence, plate readers are also used for chemiluminescence measurements, requiring only a detector and no light source. They are employed to monitor various biochemical parameters such as cell viability, cytotoxicity, and ATP content. Multi-mode plate readers combine capabilities for detecting absorption, fluorescence, luminescence, and other phenomena like time-resolved fluorescence and polarization fluorescence . > **Example:** Figures 5.10 and 5.11 show a fluorescence plate reader and its optical system, respectively . ### 5.5 Analytical applications of fluorimetry #### 5.5.1 Applications Under suitable conditions, a linear relationship exists between fluorescence intensity and concentration, making fluorimetry suitable for quantitative analysis, similar to UV-VIS spectrophotometry . #### 5.5.2 Quantification of inorganic substances Few inorganic compounds fluoresce intrinsically (except uranyl salts). They can be quantified indirectly by forming fluorescent derivatives or by exploiting their quenching properties . * **Direct determination via chelates:** Metal ions can be determined by forming fluorescent complexes (chelates) with suitable aromatic, polydentate ligands. This method is particularly effective for non-transition metals because transition metal complexes often have closely spaced energy levels (leading to high vibrational relaxation) and are paramagnetic, favoring intersystem crossing. Ligands must form stable complexes, contain a fluorophore, and be selective. Selectivity can be enhanced by pH control, masking, or prior separation. Table 5.2 lists various ligands used in fluorimetry . * **Indirect determination by quenching:** Transition metal ions and many anions strongly quench fluorescence signals, enabling indirect quantification. For example, iron concentrations below 1 part per billion are determined by quenching the fluorescence of 4,4'-diamino-2,2'-disulfo-stilbene-N,N,N',N'-tetraacetic acid . #### 5.5.3 Organic compounds Many organic compounds exhibit fluorescence. Natural products, vitamins, and pharmaceuticals are readily determined. If a compound does not fluoresce, it can be derivatized to become fluorescent. Amino acids are a common example, derivatized with reagents like dansyl chloride or orthophthalaldehyde for HPLC analysis. The primary applications of fluorimetry lie in pharmaceutical, clinical, and biotechnological analyses, as well as in food analysis . > **Tip:** Table 5.3 provides examples of fluorescent organic compounds and their maximum emission wavelengths . #### 5.5.4 Detector in HPLC Fluorimetry is a valuable detector in High-Performance Liquid Chromatography (HPLC). For non-fluorescent compounds, pre-column derivatization or post-column reactors can be employed . > **Example:** Figure 5.12 shows an HPLC chromatogram of amino acids derivatized with OPA (orthophthaldialdehyde) and detected fluorimetrically . #### 5.5.5 Advantages/disadvantages: Fluorimetry vs. UV-VIS spectrophotometry **Advantages of Fluorimetry:** * **Greater sensitivity (lower detection limit):** This stems from measuring against a "black background" (zero intensity) due to the detector's perpendicular placement relative to the light path, unlike absorptiometry where the background is the incident beam intensity ($I\_0$) . * **Higher selectivity:** Relatively few substances fluoresce. Furthermore, the use of two monochromators (one for excitation, one for emission) allows for precise wavelength selection, enhancing selectivity beyond that of absorptiometry . * **Adjustable signal:** Fluorescence intensity can be increased by adjusting source intensity or amplifier gain, unlike in absorptiometry . **Disadvantages of Fluorimetry:** * **Limited applicability:** If a compound does not fluoresce or cannot be made to fluoresce, it cannot be measured . * **Inability to measure high concentrations:** Fluorimetry is unsuitable for high concentrations (absorbance > 0.05), leading to non-linear calibration curves due to self-absorption, photodegradation, or quenching . * **Interference from unknown components:** Unknown co-components can cause quenching, making the preparation of accurate standards challenging. Oxygen is a notorious quencher . * **Cost:** Fluorimeters are significantly more expensive than spectrophotometers (e.g., EUR 15,000 vs. EUR 5,000) . Due to these limitations, fluorimetry is often complementary to absorptiometric methods rather than a direct competitor. Despite its narrower applicability, it is regularly employed for specific purposes. Fluorimetric measurements are quick, easy, and readily automatable . ### 5.6 Exercises fluorimetry * **Question 1:** Chemiluminescence occurs in biological systems as bioluminescence. An example is the light produced by fireflies or certain marine organisms . * **Question 2:** The measured quantity in fluorimetry is the intensity of the emitted light . * **Question 3:** Compound B is the strongest fluorescing compound with $\\Phi\_B = 0.91$ . * **Question 4:** The block diagram of a fluorimeter shows a light source, monochromators (for excitation and emission), a cuvette, and a detector positioned at a 90° angle to the excitation light path . * **Question 5:** If a fluorescent solution is diluted by half, the fluorescence intensity will be two times smaller provided that the absorbance is less than 0.05 . **True or False Statements:** * **Statement 6:** The excitation wavelength in molecular fluorimetry is typically shorter than or equal to the emission wavelength. (True) . * **Statement 7:** Detection limits in fluorimetry are generally lower than in UV-VIS spectrometry. (True) . * **Statement 8:** Fluorescence intensity can be increased by increasing the source intensity. (True) . * * * # Atoomabsorptiespectrometrie (AAS) Dit deel behandelt de principes, apparatuur, interferenties en analytische toepassingen van Atoomabsorptiespectrometrie (AAS), met een focus op vlam-AAS en oven-AAS. ## 6 Atoomabsorptiespectrometrie (AAS) Atoomabsorptiespectrometrie (AAS) is een kwantitatieve analysemethode gebaseerd op de absorptie van karakteristieke golflengten licht door vrije atomen in de gasfase. De mate van absorptie is direct gerelateerd aan de concentratie van het te analyseren element in de oplossing. Voorafgaand aan de meting moeten de atomen uit het monster geëxtraheerd worden via een atomisatieproces, doorgaans met behulp van een vlam of een elektrothermische atomisator (grafietoven) . ### 6.1 Principe van AAS In een AAS-analyse wordt een monsteroplossing verneveld tot een aerosol, waarna het solvent verdampt en vaste deeltjes ontstaan die verder uiteenvallen tot vrije atomen. Deze vrije atomen kunnen geëxciteerd worden, ioniseren of moeilijk afbreekbare verbindingen vormen. De kern van de AAS-techniek is dat vrije metaalatomen licht absorberen met een frequentie die overeenkomt met hun eigen emissiefrequentie bij excitatie (resonantiefrequentie). Een lichtbron zendt monochromatisch licht uit dat door de atomen in de vlam wordt geabsorbeerd. De intensiteit van het licht gemeten vóór ( $I\_0$ ) en na ( $I$ ) de absorptie in de vlam wordt gebruikt om de absorbantie te berekenen. De relatie tussen de geabsorbeerde golflengte en de energie is : $$ \\Delta E = E\_1 - E\_0 = h\\nu $$ . ### 6.2 Apparatuur Een typisch vlam-AAS-toestel bestaat uit een lichtbron, een verstuiver en brander, een monochromator en een detector . #### 6.2.1 Lichtbron De keuze van de lichtbron is cruciaal omdat atomen in de gasfase zeer smalle absorptielijnen vertonen (0,002 - 0,005 nm). Gebruik van een bron met een continu spectrum zou leiden tot een lage gevoeligheid en niet-lineaire kalibratiecurves omdat de bandbreedte van de monochromator veel breder is dan de absorptielijn. Walsh introduceerde in 1953 het concept van een bron die enkel de karakteristieke lijnen van het te bepalen element uitzendt . ##### 6.2.1.1 Holle-Kathode Lamp (HKL) De meest gebruikte lichtbron is de holle-kathode lamp (HKL). De kathode is gemaakt van het te bepalen metaal en bevindt zich in een met argon of helium gevulde glazen buis met een kwartsvenster. Bij het aanleggen van een hoge spanning worden gasatomen geïoniseerd, die bij inslag op de kathode metaalatomen lossproeien (sputtering). Deze metaalatomen worden geëxciteerd en zenden hun karakteristieke lijnenspectrum uit. Een buisvormige kathode concentreert de emissie en voorkomt afzetting op de wanden. Voor optimale werking moet de emissielijn van de HKL smaller zijn dan de absorptielijn in de vlam, wat bereikt wordt door een lage lampstroom en lage druk in de lamp . * **Voordelen HKL:** Stabiele en smalle emissielijnen. * **Nadelen HKL:** Voor elk element is een aparte lamp nodig. Lampen vereisen opwarmtijd (10-15 minuten) . * **Multi-elementlampen:** Kathodes met meerdere elementen zijn beschikbaar, maar bieden lagere intensiteit en meer storende lijnen . ##### 6.2.1.2 Gasontladingslamp Gasontladingslampen worden gebruikt voor vluchtige elementen waar het element al in dampvorm aanwezig is onder lage druk. Ze worden onder andere gebruikt voor kwikbepalingen en alkalimetalen . ##### 6.2.1.3 Elektrodeloze Lamp (EDL) EDL's gebruiken een radiofrequent veld om metaaldamp te exciteren. Ze zenden zeer smalle en intense lijnen uit, hebben een lange levensduur en leveren voor sommige elementen lagere detectielimieten . #### 6.2.2 Modulatie van het bronsignaal Om storing door vlamemissie te voorkomen, wordt het bronsignaal gemoduleerd door fluctuatie van de lampstroom of door een chopper. Een AC-versterker selecteert dan alleen het wisselende signaal van de bron . #### 6.2.3 Verstuiver en brander Een constante en reproduceerbare atomisatie is essentieel . ##### 6.2.3.1 Total Consumption Brander Bij dit type brander mengen brandstof en oxidator zich pas na het verlaten van de brander. Alle aangezogen oplossing komt in de vlam, wat de gevoeligheid verhoogt, en er is geen ontploffingsgevaar. Nadelen zijn de niet-uniforme druppelgrootte, slechte reproduceerbaarheid, en lawaaierigheid . ##### 6.2.3.2 Premix-Laminaire Flow Brander Dit is het meest gebruikte type. De oplossing wordt gemengd met brandstof en oxidator in een kamer; grotere druppels worden afgevangen. Minder dan 10% van de aangezogen hoeveelheid bereikt de vlam. Voordelen zijn een langere weglengte, grotere gevoeligheid, reproduceerbare metingen met fijne nevel, en geruisloosheid. Een nadeel is het ontploffingsgevaar in de voormengkamer . #### 6.2.4 Vlam De vlamtemperatuur is afhankelijk van de gebruikte brandstof en oxidator. Acetyleen met lucht of lachgas is veelgebruikt, waarbij lachgas dient voor moeilijk dissocieerbare verbindingen. De mengverhouding van de gassen beïnvloedt de temperatuur en de reducerende (rijke vlam) of oxiderende (arme vlam) eigenschappen . * **Tip:** Een rijke vlam (lichte overmaat brandstof) werkt reducerend en vermijdt de vorming van oxiden . Vlamprofielen geven aan dat de gemeten absorptie afhankelijk is van de positie in de vlam. Het monsterdebiet beïnvloedt ook het signaal door temperatuurverschillen . #### 6.2.5 Monochromator De monochromator selecteert de gewenste analytische spectraallijn uit het spectrum van de lichtbron met behulp van een reflectierooster. De spleetbreedte beïnvloedt de hoeveelheid licht en de selectiviteit; een te grote spleetbreedte kan leiden tot overlapping van lijnen en kromme kalibratielijnen . #### 6.2.6 Detector Meestal wordt een fotovermenigvuldigingsbuis gebruikt als detector . ### 6.3 Interferenties Bij AAS kunnen drie types interferenties optreden: chemische, spectrale en fysische . #### 6.3.1 Chemische interferenties Deze ontstaan door chemische reacties tijdens de atomisatie die de absorptie-eigenschappen van het analyt veranderen . ##### 6.3.1.1 Vorming van weinig vluchtige verbindingen Anionen kunnen met het analyt verbindingen vormen met lage vluchtigheid (refractaire verbindingen), wat de atomisatie vermindert en de absorptie verlaagt. Voorbeelden zijn de vorming van aluminaten, silicaten en fosfaten bij de bepaling van Mg, Ca, Sr en Ba in aanwezigheid van Al, Si of P. Dit kan worden beperkt door hetere vlammen (bv. C2H2/N2O), toevoeging van 'releasing agents' (bv. lanthaan, strontium) die met de storende component reageren, of door toevoeging van 'protective agents' (bv. EDTA, 8-hydroxiquinoline) die stabiele, vluchtige complexen vormen . ##### 6.3.1.2 Effect van dissociatie-evenwichten Dissociatie- en associatiereacties in de vlam kunnen leiden tot de omzetting van metaalverbindingen naar elementair metaal en vice versa. Bijvoorbeeld, de aanwezigheid van titaan of aluminium kan de absorptie van vanadium verhogen doordat ze interfereren met O en OH-radicalen, wat leidt tot een afname van de Ox-concentratie en een verschuiving van het VOx ↔ V + Ox evenwicht naar rechts . ##### 6.3.1.3 Effect van ionisatie in de vlam Elementen met een lage ionisatiepotentiaal kunnen een elektron verliezen, wat leidt tot ionisatie. Dit vermindert de concentratie van neutrale atomen en dus de gevoeligheid. De aanwezigheid van gemakkelijk ioniseerbare elementen in het monster kan de ionisatie van het analyt onderdrukken door de productie van vrije elektronen, wat leidt tot overschatting van de analytconcentratie. Dit effect wordt soms benut door de toevoeging van een 'ionisatiesuppressor' zoals kalium (KCl) aan zowel standaarden als monsters om de ionisatiegraden gelijk te trekken . #### 6.3.2 Spectrale interferenties Spectrale interferenties treden op wanneer absorptielijnen van verschillende elementen overlappen of te dicht bij elkaar liggen om door de monochromator gescheiden te worden. Een ander type is niet-specifieke absorptie of breedbandabsorptie door moleculen, radicalen en verstrooiing door deeltjes in de lichtweg . * **Instrumentele correctiemethoden:** * **Tweelijnenmethode:** Metingen op de analytische lijn en een nabijgelegen niet-absorberende lijn. Dit is niet altijd toepasbaar en lastig voor elektrothermische atomisatie . * **Deuteriumlampcorrectie:** Gebruikt een deuteriumlamp die een continu spectrum uitzendt voor de correctie van niet-specifieke absorptie in het UV-gebied. Het werkt door het verschil te nemen tussen metingen met de analytlamp en de deuteriumlamp. Beperkingen zijn optische en mechanische uitlijning en de bandbreedte van de monochromator . * **Zeemancorrectie:** Maakt gebruik van het Zeemaneffect, waarbij spectraallijnen opsplitsen in een magnetisch veld. De atomisator wordt tussen magneten geplaatst, wat vooral bij oven-AAS praktisch is. Voordelen zijn geen uitlijningsproblemen en betere correctie van gestructureerde achtergrond, maar de kostprijs en gevoeligheid kunnen nadelen zijn . * **Smith-Hieftje correctie:** Gebruikt een korte puls met hoge stroomsterkte in de HKL om zelfabsorptie te induceren, waardoor de specifieke absorptie van het analyt sterk vermindert terwijl de achtergrondabsorptie gelijk blijft. Dit systeem is goedkoper dan Zeemancorrectie en breder toepasbaar . #### 6.3.3 Fysische interferenties Deze ontstaan door verschillen in fysische eigenschappen (viscositeit, oppervlaktespanning, oplossend vermogen) tussen monster- en standaardoplossingen, wat leidt tot variaties in opzuiging, verstuiving, desolvatie en vervluchtiging (#page=152, 161). Standaardadditie is een veelgebruikte methode om dit te compenseren . ### 6.4 Analytisch gebruik van AAS #### 6.4.1 Bepaling van de optimale meetparameters * **Keuze van de geschikte spectrale lijn:** Afhankelijk van de verwachte interferenties en het concentratiegebied. Gevoeligste lijnen voor lage concentraties, minder gevoelige voor hogere concentraties . * **Keuze van de spleetbreedte:** Wordt ingesteld om lijnen van verschillende gevoeligheid te scheiden en te voldoen aan de wet van Lambert-Beer . * **Andere parameters:** Optimale instelling van branderhoogte, mengverhouding en opzuigsnelheid gebeurt experimenteel . #### 6.4.2 Keuze van het solvent Waterige oplossingen zijn standaard, maar organische solventen kunnen leiden tot hogere gevoeligheid en vereisen aanpassing van de gasverhoudingen. Solventextractie kan worden toegepast voor preconcentratie of om interferenties te vermijden . #### 6.4.3 Kalibratielijnmethode Kwantificatie gebeurt met behulp van empirische kalibratiecurven. Afwijkingen van de lineariteit treden in de praktijk op. Storende invloeden in de monsteroplossing kunnen tot over- of onderschatting leiden . #### 6.4.4 Standaardadditiemethode Deze methode wordt gebruikt wanneer standaarden niet dezelfde matrix hebben als de onbekende. De absorptie van de monsteroplossing en van oplossingen met bekende hoeveelheden toegevoegd standaard wordt gemeten. De concentratie van de onbekende ($c\_x$) kan worden berekend uit de absorpties ($A\_x$, $A\_t$) en de standaardconcentratie ($c\_s$) : $$ c\_x = c\_s \\cdot \\frac{A\_x}{A\_t - A\_x} $$ . Bij meervoudige additie worden de resultaten grafisch uitgezet, en de concentratie van de onbekende wordt bepaald als het snijpunt met de x-as (#page=162, 163). Deze methode compenseert voor de meeste fysische en chemische interferenties . #### 6.4.5 Hydridengeneratie Voor elementen zoals arseen, antimoon, bismut en tin die moeilijk te bepalen zijn met vlam-AAS of oven-AAS, wordt hydridengeneratie toegepast. Het monster reageert met natriumboorhydride om vluchtige hydriden te vormen, die vervolgens naar een verwarmde meetcel worden geleid waar ze atomiseren. Deze techniek biedt hogere gevoeligheid en minder storingen voor metalen die hydriden vormen . #### 6.4.6 Hg-bepaling met koude-damp-AAS (CVAAS) Kwik is ook moeilijk te bepalen met standaard AAS-technieken. Met de koude-damptechniek worden kwikverbindingen gereduceerd tot metallisch kwik, dat vluchtig is en naar een meetcel wordt geblazen voor atomisatie. Deze methode is zeer gevoelig en specifiek voor kwik. Verdere gevoeligheidsverbetering kan worden bereikt met amalgatie, waarbij kwik wordt verzameld op een drager (bv. goud) en vervolgens thermisch wordt gedesorbeerd . ### 6.5 Toepassingsmogelijkheden AAS wordt breed toegepast voor de kwantificatie van metalen in diverse sectoren zoals milieuanalyse, agrochemie, petrochemie, metallurgie en klinische analyse . * **Vlam-AAS:** Geschikt voor concentraties van 0,1 - 20 ppm en vereist vaak verdunningen voor basiselementen. Detectielimieten zijn behoorlijk, met typische procentuele fouten van 1-2% en relatieve standaarddeviaties van 1-3%. De techniek is gemakkelijk in gebruik, snel en relatief goedkoop. Nadelen zijn de noodzaak voor een aparte lamp per element en het beperkte concentratiegebied . ### 6.6 Oven-AAS (GF-AAS) Oven-AAS (Electrothermische Atomisatie - ETAAS, of Graphite Furnace AAS - GF-AAS) gebruikt een elektrisch verwarmde grafieten buis (oven) voor atomisatie. Dit leidt tot een langere verblijftijd van de atomen in de lichtweg (ca. 1 seconde) vergeleken met vlam-AAS, wat resulteert in een aanzienlijk hogere gevoeligheid (detectielimieten zijn 100 tot 1000 keer lager) (#page=168, 171) . #### 6.6.1 Elektrothermische atomisator De atomisator is meestal een grafieten buisje van 2-3 cm lang en 3-8 mm binnendiameter. Een externe gasstroom beschermt de buitenkant van de buis tegen oxidatie, terwijl een interne gasstroom lucht buiten houdt en verdampte solvent en matrix afvoert. Grafiet helpt bij de reductie van metaaloxiden, maar kan ook refractaire carbiden vormen. Gecoate grafietovens (pyrolytische grafietcoating) verminderen materiaalverlies en carbidevorming, wat leidt tot hogere gevoeligheid en minder geheugeneffecten . #### 6.6.2 Werkwijze oven-AAS Een klein monster (5-50 µL) wordt in de buis gepipetteerd en ondergaat een temperatuurprogramma: 1. **Drogen (Desolvatie):** Snel verdampen van het solvent (bv. 120 °C, 30 s) . 2. **Verassen (Pyrolyse):** Verbranden van de organische matrix (bv. 350-1200 °C, 45 s) . 3. **Atomisatie:** Snelle atomisatie bij hoge temperatuur (2000-3000 °C, enkele seconden). De absorptiemeting vindt plaats tijdens de vorming van een atoomwolk, resulterend in een piekvormig signaal . 4. **Cleaning:** De oven wordt schoongebrand om residu te verwijderen . Voor maximale gevoeligheid is een snelle opwarming (tot 1000 °C/s) en een snelle elektronische respons vereist. 'Matrix modifiers' kunnen worden toegevoegd om de atomisatie van het analyt uit te stellen of de vluchtigheid van de matrix te verhogen . * **L'vov platform:** Een grafietplaatje of bootje in de oven dat zorgt voor stralingsverhitting in plaats van contactverhitting. Dit vertraagt de atomisatie en zorgt voor een meer isotherme en stabiele atmosfeer, wat de vorming van moleculen vermindert . #### 6.6.3 Voor- en nadelen t.o.v. vlam-AAS & toepassingen * **Voordelen:** Veel hogere gevoeligheid (lagere detectielimieten), kleinere monsterhoeveelheden nodig, mogelijkheid tot directe bepaling van vaste monsters. Toepassingen omvatten zware metalen in bloed, voeding en milieu . * **Nadelen:** Slechtere precisie door korte signaalduur en kleine monstervolumes, langere analysetijden, hogere kosten van apparatuur (ongeveer dubbel zo duur als vlam-AAS) (#page=171, 172). Interferenties die specifiek zijn voor de oven kunnen optreden, zoals de vorming van kristallen tijdens het drogen. Het probleem met aparte lampen per element blijft bestaan . #### 6.6.4 Combinaties met oven-AAS Oven-AAS kan worden gecombineerd met hydridengeneratie ('HydrEA'), waarbij hydriden in een grafietoven worden geatomiseerd. Dit leidt tot nog lagere detectielimieten dan conventionele hydridengeneratie . * * * # Atoomemissiespectrometrie (AES) met inductief gekoppeld plasma (ICP) Bij atoomemissiespectrometrie (AES) wordt de emissie van geëxciteerde atomen gemeten, waarbij de golflengtes karakteristiek zijn voor het element en de intensiteit een maat is voor de concentratie. De ICP-AES techniek biedt voordelen zoals een hogere temperatuur voor de atomisatie van moeilijk dissocieerbare verbindingen en de mogelijkheid tot multi-elementanalyse. Deze techniek wordt ook wel ICP-OES genoemd . ### 8.1 Inleiding tot atoomemissiespectrometrie Atomemissiespectrometrie (AES) meet de emissie van geëxciteerde atomen. De golflengtes van de emissielijnen zijn element-specifiek, en de intensiteit van deze lijnen correleert met de concentratie van het analyt. Hoewel een vlam als atomisatiebron kan dienen, is de beperkte temperatuur ervan een nadeel voor de excitatie, waardoor vlam-AES minder uitgebreid toepasbaar was en voornamelijk voor Li, Na, K en soms Ca werd gebruikt . ICP-AES biedt significant hogere temperaturen dan vlam-AES, wat de atomisatie van refractaire verbindingen mogelijk maakt en multi-elementanalyse onder gelijke omstandigheden toelaat. Het inductief gekoppelde plasma (ICP) zelf wordt nader besproken in paragraaf 8.2, de apparatuur in 8.3, en interferenties, analytische technieken en toepassingen in 8.4, 8.5 en 8.6 . ICP kan ook gebruikt worden als ionisatiebron voor massaspectrometrie (ICP-MS). Andere plasmabronnen, zoals microgolf-geïnduceerde plasma's (MPAES), bestaan ook, maar ICP is het meest gebruikte type . ### 8.2 Inductief gekoppeld plasma Een plasma is een heet, gedeeltelijk geïoniseerd gas met hoge concentraties kationen en elektronen. Het wordt elektrisch opgewekt, is chemisch minder actief en bereikt veel hogere temperaturen (tot 10.000 K) dan een vlam . Een inductief gekoppeld plasma wordt opgewekt en onderhouden op de top van een kwartsbuizensysteem, de ICP-toorts. Door de toorts stroomt argongas, en rond de top bevindt zich een watergekoelde inductiespoel aangesloten op een radiofrequente generator (klassiek 27 MHz). Het radiofrequente signaal genereert een veranderend magnetisch veld, waardoor geladen deeltjes energie opnemen en hoge temperaturen ontstaan . Het plasma wordt gestart met een elektrische vonk om ladingdragers te creëren. Geïoniseerde argondeeltjes en de gevormde ionen en elektronen trillen mee met het hoogfrequent veld, wat verdere ionisaties veroorzaakt en het plasma zelfonderhoudend maakt. De ionen bewegen toroïdaal, wat leidt tot hoge temperaturen in de ring en een koelere opening in het centrum. Het centrum van het plasma, waar het monster zich bevindt, kan temperaturen van ongeveer 6000 K bereiken. Het plasma heeft het uiterlijk van een blauwwitte vlam . #### 8.2.1 Radiale en axiale metingen Het door het plasma uitgezonden licht kan op twee manieren gemeten worden: * **Radiale meting:** Het licht wordt gemeten haaks op de lengterichting van het plasma. Dit is een eenvoudige opstelling, gebruikelijk in oudere toestellen en nog steeds voor moeilijke matrices in moderne toestellen . * **Axiale meting:** Het licht wordt gemeten in de lengterichting van het plasma. Deze opstelling biedt een grotere lichtopbrengst en dus hogere gevoeligheid, maar is niet geschikt voor moeilijke matrices . Moderne ICP-toestellen beschikken vaak over een "dual view" opstelling, waarbij zowel radiale als axiale metingen mogelijk zijn . ### 8.3 Apparatuur Een algemeen schema van een ICP spectrofotometer (radiale opstelling) wordt getoond in figuur 8.5 . #### 8.3.1 Monsterintroductie Het debiet van de monsteroplossing wordt doorgaans geregeld door een peristaltische pomp. Voor een efficiënte ICP-meting moet de monsteroplossing als fijne druppels in de toorts komen. Dit wordt bereikt door de oplossing te verstuiven in een verstuiverkamer met een Argonstroom. Grove druppels worden via een drain afgevoerd . Verschillende typen verstuivers bestaan, de keuze hangt af van de monsterkenmerken zoals viscositeit, zoutgehalte, oppervlaktespanning en corrosiviteit . * **Concentrische verstuiver:** Veel gebruikt voor waterige oplossingen met laag zoutgehalte. Een glazen capillair leidt de oplossing; Argonstroom rond het capillair creëert een aerosol. Gevoelig voor verstopping en chemische aantasting . * **Cross-flow verstuiver:** Argonstroom blaast de oplossing haaks weg bij de uitstroomopening, waardoor fijne druppels ontstaan. Lagere opbrengst, maar minder kans op verstopping en tolerant voor hoger zoutgehalte . * **V-groefverstuiver:** Monster vloeit uit een V-vormige groef en wordt door Argonstroom verstoven. Minder gevoelig voor verstopping, geschikt voor monsters met hoog zoutgehalte en stroperige oplossingen . * **Ultrasoonverstuiver:** Gebruikt ultrasone golven om fijne druppels te genereren zonder Argonstroom. Hoge efficiëntie, vereist een desolvatatie-eenheid om overbelasting van het plasma te voorkomen. Duurder en complexer in gebruik, maar verbetert detectielimieten significant . #### 8.3.2 ICP toorts met plasma Een traditionele ICP-toorts bestaat uit drie concentrische kwartsbuizen . * **Binnenste buis (sample flow):** Circa 1 L/min Argon, transporteert de monsternevel naar het plasma . * **Buitenste buis (outer gas flow):** Circa 7-15 L/min Argon, tangentieel ingeblazen voor werveling en koeling van de toorts . * **Tussenliggende buis (auxiliary flow/intermediate flow):** Circa 1 L/min Argon, essentieel voor de vorming van een voldoende groot plasma. Kan koolstofafzetting voorkomen bij organische monsters en resultaten verbeteren bij waterige monsters . Een alternatieve methode is de "Flat Plate Technology" (Perkin Elmer), waarbij een stabieler plasma wordt gegenereerd tussen twee vlakke aluminiumplaten in plaats van een koperen spoel. Dit leidt tot lager argonverbruik, hogere temperaturen en een groter analytsignaal, en de platen zijn onderhoudsvriendelijker . #### 8.3.3 Monochromator Vanwege de hoge temperaturen in het plasma zijn er veel emissielijnen, wat hoge eisen stelt aan de monochromator . * **Rowland cirkel:** Een opstelling met een gebogen rooster, intreespleet en uittreespleten op een cirkel. Alle golflengten worden gefocusseerd op deze cirkel. Achter de uittreespleten richten spiegels de golflengten naar detectoren. Kan meerdere elementen tegelijk bepalen, maar vereist een detector per emissielijn, is inflexibel en heeft lichtverlies . * **Echellemonochromator:** Gebruikt een echelle rooster (minder lijnen per mm) en een prisma. Werkt met hogere diffractieordes voor een goede resolutie. Een tweede dispergerend element (prisma) is nodig om overlappende orden te scheiden. Dit resulteert in een tweedimensionaal spectrum dat direct op de detector valt (polychromator) . #### 8.3.4 Detector Bij een Rowlandopstelling worden vaak fotovermenigvuldigingsbuizen gebruikt. Voor echellemonochromatoren is een "multi-elementdetector" nodig die verschillende emissielijnen tegelijk kan meten . * **Charge Coupled Device (CCD):** Een zeer gevoelige detector bestaande uit een chip met veel lichtgevoelige beeldelementen (pixels). Licht op het p-gedopeerd silicium genereert elektronen die worden opgeslagen. De ladingen worden rij voor rij naar een serieel register gelezen en vervolgens pixel voor pixel uitgelezen. CCD's zijn snel, gevoelig met een laag achtergrondsignaal en lage ruis . * **Charge Injection Device (CID):** Vergelijkbaar met een CCD, maar elke pixel kan individueel en op elk tijdstip worden uitgelezen, zelfs tijdens de blootstelling. Dit is een voordeel voor het meten van lage signalen naast sterke signalen en de detector is minder gevoelig voor "blooming" . Zowel CCD als CID maken snelle sequentiële analyses mogelijk door het uitlezen van pixels . ### 8.4 Interferenties ICP-technieken hebben minder chemische interferenties dan AAS methoden, voornamelijk door de hoge plasmatoortemperatuur die moleculaire deeltjes praktisch elimineert. Chemische interferenties door refractaire verbindingen zijn hierdoor ook beperkter . **Spectrale interferentie** komt echter vaker voor bij ICP dan bij AAS, doordat bij hoge temperaturen meer emissielijnen ontstaan. Goed scheidende monochromatoren helpen dit probleem gedeeltelijk oplossen. Indien er overlap is met een andere emissielijn, kan een interferentievrije analytische lijn van hetzelfde element gekozen worden. Voor monsters met hoge concentraties van lijnenrijke elementen (zoals ijzer) kan dit problematisch zijn. Moderne toestellen tonen de omgeving van de analytische lijn voor een verantwoorde keuze. Vaak wordt een element op meerdere lijnen gemeten om interferenties te controleren . De achtergrondemissie door recombinatie van argonionen met elektronen kan bij lage concentraties interfereren. Correctie hiervoor kan door metingen aan weerszijden van de analysepiek uit te voeren en het resultaat af te trekken . ### 8.5 Analytische gebruik van ICP De monstervoorbereiding en kalibratiecurves lijken op die van AAS. Het is cruciaal dat standaard- en monsteroplossingen een vergelijkbare matrix hebben (bijvoorbeeld identieke zuurconcentratie). Verschillen in matrix kunnen leiden tot variaties in viscositeit, oppervlaktespanning, dichtheid en ionisatie, wat het signaal beïnvloedt en tot foutieve resultaten leidt . Het plasma moet enige tijd opwarmen om thermisch evenwicht te bereiken. Vóór het starten van het plasma is stabilisatie door spoelen met stikstof nodig. ICP-apparatuur vereist een langere opstarttijd dan vlam- of oven-AAS . Vanwege het risico op spectrale interferentie, wordt bij ICP vaak gekozen om bij meerdere golflengtes van een metaal te meten en de resultaten te middelen of onbetrouwbare resultaten uit te sluiten . ### 8.6 Toepassingen en voor- en nadelen ICP is ideaal voor multi-elementanalyse, waarbij meerdere metalen simultaan of snel sequentieel gemeten kunnen worden. Dit is een groot voordeel ten opzichte van AAS en andere spectrometrische technieken . **Voordelen:** * Minder chemische interferenties dan bij eerdere technieken . * Groot lineair bereik, groter dan bij AAS . * Precisie vergelijkbaar met vlam-AAS (0,1-2% relatieve standaarddeviatie) . * Detectielimieten op µg/L (ppb) niveau, lager bij axiale metingen . * Mogelijkheid tot multi-elementanalyse . **Nadelen:** * Grotere kans op spectrale interferentie . * Compromisomstandigheden bij multi-elementanalyse . * Hoge kostprijs (aankoop en verbruik van gassen zoals Argon en stikstof) . * Langere opstarttijd voor het apparaat en het plasma . Tabel 8.1 geeft mogelijke detectielimieten voor verschillende atomaire technieken, en Tabel 8.2 illustreert spectrale interferenties voor specifieke elementen. ICP-MS biedt nog lagere detectielimieten dan ICP-AES . * * * # X-stralen fluorescentie spectrometrie (XRF) X-stralen fluorescentie spectrometrie (XRF) is een techniek voor elementanalyse die de karakteristieke röntgenstraling meet die wordt uitgezonden nadat een monster is blootgesteld aan röntgenstralen . ### 8.1 Algemeen principe Bij XRF wordt een monster blootgesteld aan een bundel X-stralen. Deze energetische straling is in staat om elektronen uit de binnenste schillen van atomen in het monster te slaan. Wanneer elektronen uit hogere energieniveaus deze vacante posities opvullen, zenden ze karakteristieke X-straling (ook wel secundaire X-straling genoemd) uit. XRF meet deze uitgezonden karakteristieke straling om de elementaire samenstelling van het monster te bepalen. De opbouw van een XRF-toestel verschilt van andere spectrometrische technieken . > **Tip:** De principes achter de interactie van röntgenstralen met atomen en het ontstaan van karakteristieke straling zijn fundamenteel voor het begrijpen van XRF . ### 8.2 Voor- en nadelen XRF biedt een reeks significante voordelen voor elementanalyse, maar kent ook enkele beperkingen . #### 8.2.1 Voordelen * **Weinig monstervoorbereiding:** Vaste monsters, zoals filters, kunnen vaak rechtstreeks worden gemeten . * **Kleine monsterhoeveelheden:** Er is slechts een geringe hoeveelheid monster nodig voor analyse . * **Breed elementbereik:** XRF kan elementen vanaf natrium (atoomnummer 11) tot uranium (atoomnummer 92) detecteren . * **Simultane meting:** Meerdere elementen kunnen tegelijkertijd worden gemeten, wat resulteert in snelle analysetijden . * **Groot concentratiebereik:** De techniek is geschikt voor concentraties variërend van het ppm-gebied (parts per million) tot 100% . * **Niet-destructief:** XRF-analyses vernietigen het monster niet, wat het ideaal maakt voor kostbare objecten zoals kunstwerken, juwelen, archeologische vondsten en munten . * **Automatisering en eenvoudige bediening:** De analyses zijn volledig geautomatiseerd, waardoor de bediening van het toestel relatief eenvoudig is . * **Precisie en juistheid:** De precisie is doorgaans vergelijkbaar met of beter dan andere methoden. De juistheid is goed, mits de kalibratie met geschikte standaarden is uitgevoerd of matrixeffecten adequaat worden aangepakt . * **Draagbare toestellen:** Beschikbaarheid van draagbare XRF-toestellen maakt metingen "te velde" mogelijk . #### 8.2.2 Nadelen * **Lagere detectielimieten:** De detectielimieten van XRF zijn over het algemeen slechter dan die van andere spectrometrische methoden . * **Kalibratie-uitdagingen:** Een correcte kalibratie met standaarden die sterk lijken op de monsters is niet altijd eenvoudig. (Semi-)kwantificatie vereist vaak enige monstervoorbereiding, zoals het maken van glasparels . * **Beperking voor lichte elementen:** Lichtere elementen (met een laag atoomnummer) kunnen niet goed met XRF worden bepaald, omdat de golflengte van de uitgezonden karakteristieke straling lang is en moeilijk te detecteren . * **Hoge kosten:** Een XRF-toestel is een duur instrument . * **Veiligheidsrisico's:** XRF-toestellen zijn potentieel gevaarlijk en vereisen regelmatige veiligheidscontroles . ### 8.3 Toepassingen XRF is een veelgebruikte techniek voor de elementanalyse van monsters met een atoomnummer groter dan dat van natrium. Door de specifieke ligging van de pieken in een XRF-spectrum, die afhankelijk is van het element, kan de techniek zowel voor kwalitatieve als semi-kwantitatieve en kwantitatieve bepalingen worden ingezet . #### 8.3.1 Typische toepassingsgebieden * **Kunst en archeologie:** Analyse van kunstwerken, archeologische vondsten, juwelen en munten vanwege het niet-destructieve karakter . * **Geologische monsters:** Bepaling van de elementaire samenstelling van gesteenten en mineralen . * **Milieumonsters:** Analyse van bodem, water en luchtfilters . * **Brandstoffen:** Controle van de elementaire samenstelling van aardolieproducten . * **Metalen en legeringen:** Kwaliteitscontrole en analyse van metalen en hun legeringen . > **Voorbeeld:** Een XRF-spectrum van een munt uit 1782 kan de aanwezigheid en relatieve hoeveelheden van verschillende metalen in de legering onthullen. Ook de analyse van de rechterknie van het Perseus-beeld van Benvenuto Cellini laat het principe van XRF-analyse zien . ### 8.4 Oefeningen #### Reeks 1 1. XRF analyses worden gekenmerkt door volgende voordelen (meerdere antwoorden zijn hier mogelijk): * weinig monstervoorbereiding . * niet-destructief karakter . * lage detectielimieten (Dit is een nadeel) . * groot meetbereik . * goedkope toestellen (Dit is een nadeel) . Zijn volgende stellingen waar of niet waar? Motiveer je antwoord. 2. Wanneer X-stralen invallen op een monster zullen zij hierin elektronen uit de buitenste schillen los slaan. **Niet waar.** X-stralen slaan elektronen uit de **binnenste** schillen los . 3. Bij XRF-metingen wordt een absorptiespectrum gemeten. **Niet waar.** Bij XRF wordt de **uitgezonden karakteristieke X-straling** gemeten (emissiespectrum) . 4. XRF is niet geschikt voor lichte elementen. **Waar.** Lichtere elementen kunnen niet goed met XRF bepaald worden omdat de uitgezonden straling een grote golflengte heeft en moeilijk te detecteren is . * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Kwalitatieve analyse | Een analysemethode gericht op het detecteren en identificeren van de bestanddelen in een monster. | | Kwantitatieve analyse | Een analysemethode gericht op het bepalen van de hoeveelheid van één of meerdere bestanddelen in een monster. | | Analyt | De component die men wenst te bepalen met de analyse. | | Monster | Dat deel van het materiaal dat gebruikt wordt voor de analyse. | | Matrix | Alle componenten die in het monster aanwezig zijn naast het analyt. | | Spectrometrie | Technieken die zich bezighouden met het meten en bestuderen van spectra, vaak gerelateerd aan de interactie van materie met elektromagnetische straling. | | Elektromagnetische straling (EMS) | Straling die bestaat uit transversale golven, gekenmerkt door een voortplantingsrichting en loodrecht daarop een elektrisch en een magnetisch veldvector. | | Golflengte (λ) | De afstand die door een golf is afgelegd als een volledige trilling is uitgevoerd; de afstand tussen twee opeenvolgende maxima. | | Frequentie (ν) | Het aantal trillingen dat een golf uitvoert per seconde, uitgedrukt in Hertz (Hz). | | Energie van een foton (E) | De energie van een lichtdeeltje, gerelateerd aan de frequentie door de formule $E = h\nu$, waarbij h de constante van Planck is. | | Absorptie | Het proces waarbij een atoom of molecuul energie opneemt, bijvoorbeeld in de vorm van een foton, waardoor het naar een hogere energietoestand gaat. | | Emissie | Het proces waarbij een atoom of molecuul energie afgeeft, bijvoorbeeld in de vorm van een foton, waardoor het terugvalt naar een lagere energietoestand. | | Lijnenspectrum | Een spectrum dat bestaat uit discrete, smalle lijnen, typisch verkregen bij de absorptie of emissie van licht door atomen in de gasfase. | | Bandenspectrum | Een spectrum dat bestaat uit brede banden van lijnen, typisch verkregen bij de absorptie of emissie van licht door moleculen in de gasfase of in oplossing. | | Continu spectrum | Een spectrum dat een brede band over het gehele golflengte- of frequentiebereik beslaat, zoals uitgezonden door een zwart lichaam of gloeidraad. | | Wet van Lambert en Beer | Een wet die het verband beschrijft tussen de absorptie van licht door een oplossing, de concentratie van de absorberende stof, de optische weglengte en de molaire extinctiecoëfficiënt: $A = \epsilon b c$. | | Absorbantie (A) | De negatieve logaritme van de transmissie ($A = -\log T$), een maat voor de hoeveelheid licht die door een monster wordt geabsorbeerd. | | Transmissie (T) | De verhouding tussen de intensiteit van het doorgelaten licht (I) en de intensiteit van het invallende licht ($I_0$), $T = I/I_0$. | | Molaire extinctiecoëfficiënt (ε) | Een maat voor de mate waarin een stof licht van een bepaalde golflengte absorbeert, uitgedrukt in L.mol-1.cm-1. | | Cuvet | Een doorzichtig container, meestal van glas of kwarts, waarin een monsteroplossing wordt geplaatst voor meting in een spectrofotometer. | | Detector | Een apparaat dat licht omzet in een meetbaar elektrisch signaal. | | Monochromator | Een optisch apparaat dat een bundel licht splitst in zijn componentgolflengten en een selectie van een specifieke golflengte mogelijk maakt. | | Interferentie | Een factor die de meting van het analyt beïnvloedt, resulterend in een foutieve waarde. | | Kalibratiecurve | Een grafische weergave die het verband tussen het gemeten signaal en de concentratie van het analyt toont, gebruikt om de concentratie van onbekende monsters te bepalen. | | Kalibratierechte | Een kalibratiecurve die een lineair verband vertoont tussen het gemeten signaal en de concentratie. | | UV-VIS Spectrometrie | Een spectrometrische techniek die de absorptie van ultraviolet en zichtbaar licht door moleculen of ionen meet. | | Infrarood Spectrometrie (IR) | Een spectrometrische techniek die de absorptie van infrarood straling door moleculen meet, gerelateerd aan vibratie-overgangen. | | FT-IR | Fourier Transformatie Infrarood Spectrometrie, een techniek die alle golflengten tegelijk meet met behulp van een interferometer en Fourier-transformatie. | | Interferogram | Het signaal dat wordt verkregen van een interferometer, waarbij de intensiteit wordt uitgezet tegen de weglengte. | | Michelson interferometer | Een optisch instrument dat licht splitst in twee paden, deze weer laat samenkomen en interferentiepatronen creëert, gebruikt in FT-IR. | | Fourier Transformatie | Een wiskundige bewerking die een interferogram omzet naar een traditioneel spectrum. | | Fluorimetrie | Een analytische techniek gebaseerd op fotoluminescentie (fluorescentie en fosforescentie) van moleculen. | | Fotoluminescentie | Luminescentie die wordt geïnduceerd door absorptie van fotonen. | | Fluorescentie | Een vorm van fotoluminescentie waarbij een molecuul energie uitzendt in de vorm van licht, waarbij de overgang van een geëxciteerde singlettoestand naar de grondtoestand zeer snel verloopt (< 10^-6 s). | | Fosforescentie | Een vorm van fotoluminescentie waarbij een molecuul energie uitzendt in de vorm van licht, waarbij de overgang van een geëxciteerde tripletttoestand naar de grondtoestand langzaam verloopt (10^-3 tot 10 s of meer). | | Kwantumrendement (Φ) | De fractie van de geabsorbeerde fotonen die resulteert in emissie van fluorescentie, gedefinieerd als $ \Phi = \frac{\text{aantal geëmitteerde fluorescentiefotonen}}{\text{aantal geabsorbeerde fotonen}} $. | | Quenching | Het verminderen van de fluorescentie-intensiteit door interacties met andere moleculen in de oplossing. | | Lichtverstrooiingsmethoden | Analytische technieken die de verstrooiing van licht door materiedeeltjes meten, zoals turbidimetrie en nefelometrie. | | Tyndall verstrooiing | Lichtverstrooiing die optreedt wanneer de diameter van de verstrooiende deeltjes gelijk of groter is dan de golflengte van het invallende licht. | | Rayleigh verstrooiing | Lichtverstrooiing die optreedt wanneer de diameter van de verstrooiende deeltjes veel kleiner is dan de golflengte van het invallende licht, waarbij de golflengte van het licht niet verandert. | | Turbidimetrie | Een lichtverstrooiingsmethode waarbij de afzwakking van de lichtintensiteit door verstrooiing wordt gemeten in de richting van de lichtweg. | | Nefelometrie | Een lichtverstrooiingsmethode waarbij de intensiteit van het verstrooide licht wordt gemeten in een andere richting dan die van het invallende licht. | | Atoomabsorptiespectrometrie (AAS) | Een techniek die de absorptie van specifieke golflengten door vrije atomen in de gasfase meet voor kwantitatieve analyse van metalen. | | Holle-Kathode Lamp (HKL) | Een gespecialiseerde lichtbron gebruikt in AAS, vervaardigd uit het metaal dat geanalyseerd moet worden, die emissielijnen uitzendt die door de atomen in de vlam geabsorbeerd kunnen worden. | | Vlam-AAS | Atoomabsorptiespectrometrie waarbij een vlam wordt gebruikt als atomisator. | | Oven-AAS (GF-AAS) | Atoomabsorptiespectrometrie waarbij een elektrothermische atomisator (grafietoven) wordt gebruikt om de atomen te genereren, wat leidt tot hogere gevoeligheid. | | Hydridengeneratie | Een techniek waarbij vluchtige hydriden van bepaalde metalen worden gevormd en vervolgens geatomiseerd voor analyse met AAS, wat de gevoeligheid verhoogt. | | Koude-damp-AAS (CVAAS) | Een specifieke AAS-techniek voor de bepaling van kwik, waarbij kwik wordt omgezet naar metallisch kwik dat vervolgens wordt geatomiseerd. | | Atoomemissiespectrometrie (AES) | Een techniek die de emissie van licht door geëxciteerde atomen meet voor kwantitatieve analyse van elementen. | | Inductief Gekoppeld Plasma (ICP) | Een heet, geïoniseerd gas dat wordt gebruikt als atomisatie- en excitatiebron in AES, wat hoge temperaturen en multielementanalyse mogelijk maakt. | | Plasma | Een heet, gedeeltelijk geïoniseerd gas dat grote concentraties kationen en elektronen bevat en dat in staat is atomen te atomiseren en te exciteren. | | Rowland cirkel | Een opstelling in ICP-spectrometers die een gebogen rooster gebruikt om alle golflengten te focussen op een cirkelvormige baan, wat simultane meting van meerdere elementen mogelijk maakt. | | Echellemonochromator | Een monochromator die gebruik maakt van een echelle rooster en een prisma om spectra van hoge resolutie te verkrijgen, vaak gebruikt in moderne ICP-toestellen. | | Charge Coupled Device (CCD) | Een lichtgevoelige detector die bestaat uit een chip met vele beeldelementen (pixels) die licht omzetten in een elektrisch signaal, gebruikt in ICP-AES en andere technieken. | | X-stralen fluorescentie spectrometrie (XRF) | Een techniek die de karakteristieke röntgenstraling meet die wordt uitgezonden door een monster na blootstelling aan een primaire röntgenbundel, gebruikt voor elementanalyse. | | Röntgenstraling | Energieke elektromagnetische straling die in staat is elektronen uit de binnenste schillen van atomen te slaan. | | Fluorescentie (secundair) | Karakteristieke röntgenstraling die wordt uitgezonden wanneer een vacature in een binnenste schil wordt opgevuld. |