Bazele Analizei Instrumentale

Bazele analizei intrumentale

I.1.

BAZELE ANALIZEI INSTRUMENTALE

Analiza instrumentală este o ramură importantă a chimiei analitice care se ocupă cu analiza calitativă şi cantitativă precum şi cu caracterizarea sustanţelor şi amestecurilor de substanţe cu ajutorul unor aparate şi mijloace informatice specifice. Avantajele mari ale analizelor instrumentale faţă de metodele chimiei analitice clasice le reprezintă precizia, rezoluţia, sensibilitatea şi reproductibilitatea ridicată. La acestea se adaugă alte avantaje precum: productivitate ridicată la analiză, posibilitatea analizei pornind de la cantităţi de sustanţe extrem de mici, posibiltatea urmăririi cineticii unor reacţii extrem de rapide sau extrem de lente, posibilitatea automatizării complete a procesului de analiză, posibilitatea procesării automate a datelor, ş.a.

În cadrul analizei instrumentale majoritatea mărimilor fizice ce fac legătura cu compoziţia chimică sau cu concentraţia sînt mărimi de natură neelectrică pentru a căror transfomare în mărimi proporţionale de natură electrică, compatibile cu sisteme moderne de măsurare este nevoie de detectoare şi de senzori performanţi. Dezvoltarea puternică a acestora s-a produs cu cca trei decenii în urmă şi nu întîmplător această perioadă corespunde şi cu dezvoltare fără precedent a chimiei analitice instrumentale. O contribuţie importantă la dezvoltarea acestei ramuri au avut-o şi realizările în domeniul microprocesoarelor specializate şi a tehnuicii de calcul în general.

Analiza instrumentală calitativă foloseşte metode de analiză la care există o dependenţă precisă între variaţia unei proprietăţi fizice sau fizico-chimice şi natura elementului chimic sau a substanţei. Analiza instrumentală cantitativă foloseşte metode de analiză la care există o dependenţă matematică între variaţia unei proprietăţi fizice sau fizico-chimice şi concentraţie sau masă. În tabelul I.1. sînt prezentate sintetic metodele analizei instrumentale, fenomenele fizice ce stau la baza lor şi domeniul analitic pentru care sînt folosite.

I.2. Metodele analizei instrumentale

Dacă se încearcă o grupare fenomenologică a analizei instrumentale rezultă următoarele metode importante:

1. Metode spectroscopice2. Metode refractometrice3. Metode polarimetrice 4. Metode electrochimice 5. Metode cromatografice*6. Alte metode

* Metodele cromatografice sînt metode de separare a speciilor chimice din amestecuri şi folosesc pentru determinări de natură calitativă sau cantitativă una din metodele de la poziţiile 1-4. enumerate mai sus. Dată fiind însă importanţa lor mare în

1


chimia analitică instrumentală precum şi complexitatea ridicată a aparaturii cromatografia poate fi considerată şi ca un domeniu distinct al analizei instrumentale

Obiectivele analizei instrumentale sînt în general aceleaşi ca ale chimiei analitice clasice, anume:

- determinarea purităţii unei substanţe sau a unui amestec de substanţe- determinarea compoziţiei amestecurilor de substanţe

Tab.I.1. Metodele analizei instrumentale, fenomenele fizice ce stau la baza lor şi domeniul analitic în care se folosesc

Metoda instrumentalăFenomenul fizico- chimic care stă la baza metodei

Domeniul analitic

Analiză calitativă

Analiză cantitativă

Spectroscopie de emisie: Röntgen, UV-VIS, de electroni, Auger, fluorescenţă, fosforescenţă, luminiscenţă

Emisia de radiaţie da da

Spectroscopie de absorbţie: Spectrofotometrie, Spectroscopie de rezonanţă magnetică de spin,

Absorbţia de radiaţie da da

Spectroscopie Raman Imprăştierea radiaţie

da da

Spectrometrie de masă Raport masă/sarcină

da da

Metode de difracţie Röntgen şi de electroni

Difracţia radiaţiei da -

Turbidimetrie, Nefelometrie Imprăştierea de radiaţie

nu da

Polarimetrie, Dispersie optică de rotaţie Rotirea radiaţiei nu da

Refractometrie, Interferometrie Refracţia radiaţiei nu da

Potenţiometrie Potenţial electric nu da

Coulometrie Sarcină electrică nu da

Polarografie, Amperometrie Curent electric da da

Conductometrie Rezist. electrică nu da

Spectrometrie de masă Raport masă/sarcină

da da

Metode cinetice Viteză de reacţie nu da

Conductivitate termică Proprietăţi termice nu da

Metode de activare şi de diluare izotopică

Radioactivitate nu da

- analiza urmelor (determinarea unor concentraţii mici într-o matrice)- determinarea formulelor chimice (ca formulă clasică sau ca formulă structurală)- determinarea unor proprietăţi fizice precum: solubilitate, presiune de abur, punct de topire,

punct de fierbere, punct de inflamabilitate- dezvoltarea de instrumente şi metode pentru determinarea proprietăţilor sus numite

Domeniile de bază în care se foloseşte analiza instrumentală sînt : - chimie analitică anorganică

- chimie analitică organică - chimia alimentară - bioanalitică

- chimia apei - chimia mediului

2


- farmacie- chimie clinică- toxicologie- medicină legală

I.3. Criterii de alegere a metodei de analiză instrumentală

Pentru alegerea unei metode de analiza chimică calitativă şi/sau cantitativă trebuie în primul rînd bine definită problema, în acest sens se au în vedere următoarele:- ce precizie de măsurare şi ce reproductibilitate este necesară- în ce domeniu de concentraţie se bănuieşte a se găsi proba- ce cantitate de probă este disponibilă- la ce metode de analiză se poate apela regional sau naţional- ce compoziţii ale probei pot provoca perturbaţii în cadrul metodei alese, inclusiv

influenţa proprietăţilor fizice şi chimice ale matricei din probă- cîte probe trebuiesc analizate- ce frecvenţă de analiză există pentru probe - ce fonduri stau la dispoziţie

Tab. I.2. Prezentarea sintetică a criteriilor de alegere a metodei analitice

Criterii numerice pentru alegerea unei metode analitice

caracteristici care trebuie avute în vedere la alegere

Mărimi caracteristice pentru precizia metodelor analitice

Criteriu Mărimi caracteristice

Denumire Definiţie

Precizia

Abaterea standard absolută, Abaterea standard relativă, Abaterea standard a valorilor medii Coeficientul de variaţie, Varianţă

- viteză de lucru

- capacitate

- uşurinţă de deservire

- service

- experienţă personal

- disponibilitate

- costuri achiziţie

- costuri exploatare

- costuri pe probă

Abaterea standard absolută

Eroarea sistematică

Eroare sistematică absolută, Eroare sistematică relativă

Abaterea standard relativă

Sensibilitatea Sensibilitate faţă de calibrare , sensibilitate analitică

Abaterea stadard a valorilor medii

Limita de detecţie

Valoarea oarbă plus de 3 ori abaterea standard a valorii oarbe

Coeficientul de variaţie

100

Domeniul de lucru

Raportul dintre limita de detecţie a concentraţiei raportată la limita de liniaritate a unei substanţe de analizat

Varianţă V = s2

Selectivitatea Coeficient de selectivitate

Este evident că problematica evocată mai sus este foarte vastă însă numai lămurirea acestor criterii poate duce la o alegere corectă a metodei. O serie din criteriile enunţate ţin de calitatea determinărilor, iar altele de aspecte economice. Foarte importante sînt cerinţele legate de precizia de măsurare şi de reproductibilitate. De asemenea, sînt importante intrebările legate de sensibilitatea

3


metodei şi a aparatului care în ultima instanţă influenţează hotărîtor limita de detectare la concentraţii mici.

În tabelul I.2 sînt prezentate sintetic criteriile de alegere a metodei de analiză instrumentală a unei substanţe sau a unui produs, iar în continuare sînt descrise mai detaliat aceste criterii şi mărimile caracteristice pentru a permite decizii corecte atunci cînd se alege o metodă instrumentală pentru analiza chimică a unei substanţe sau a unor amestecuri de substanţe.

I.4. Erori de măsurare

La măsurarea unei anumite mărimi fizice cu un aparat, de regulă, la fiecare măsurătoare se va constata în limite mici altă valoare a mărimii măsurate. Chiar la efectuarea repetată a măsurătorii cu acelaşi aparat se vor observa uşoare abateri. În aceste condiţii apare evident întrebarea: care este valoarea corectă? Pentru a răspunde este nevoie de o privire mai atentă asupra surselor şi cauzelor erorilor de măsurare. Pentru început trebuie precizat că erorile de măsurare se clasifică, după modul de manifestare în: - erori aleatoare de măsurare - erori sistematice de măsurare

I.4.1. Erorile aleatoare de măsurare

Erorile aleatoare de măsurare sînt erori neprevizibile şi ca atare greu corijabile. Evidenţierea lor se poate face numai prin măsurători repetate în aceleaşi condiţii, cu acelaşi aparat. Cauzele principale pentru erori aleatoare sînt: pătrunderea neregulată a unor semnale parazite în circuitul de măsurare, contacte imperfecte, frecări ale echipajelor mobile, citiri greşite.

I.4.2. Erorile sistematice de măsurare

Erorile sistematice de măsurare sînt erori ce apar repetat la aceeaşi valoare a mărimii măsurate şi cu acelaşi semn în condiţii identice de măsurare. Aceste erori sînt previzibile şi corectabile. Erorile sistematice sînt cauzate de influenţa aparatului asupra mărimii măsurate (ex. măsurarea tensiunilor, rezistenţelor, s.a.), de metodele de măsurare precum şi de erori cauzate de conversii. Tot erori sistematice sînt cele generate de deriva de temperatură, de presiune, s.a. În cadrul analizelor instrumentale rezultatele experimentale vor fi grevate atît de erori sistematice cît şi de erori aleatoare. Dat fiind caracterul imprevizibil şi greu cuantificabil al ultimelor se vor efectua un număr suficient de mare de analize pentru ca erorile aleatoare să devină nesemnificative şi valoarea lor medie să se apropie de zero. Determinarea erorilor sistematice necesită analiza mai multor compoziţii etalon de concentraţii bine cunoscute. Rezultatele analizelor, pe lîngă erorile sistematice, vor conţine şi erori aleatoare dacă numărul de analize efectuat este mic. De regulă, se consideră că un mimim de 20 de determinări elimină aproape în totalitate erorile aleatoare. La un număr mare de determinări se poate considera că orice diferenţă între valoarea medie a concentraţiilor şi concentraţia cunoscută poate fi considerată ca fiind o eroare sistematică. În aceste condiţii mai rămîne ca fiind semnificativă numai eroarea sistematică. Aceasta poate fi eroare sistematică absolută sau eroare sistematică relativă.

I.4.2.1. Eroarea sistematică absolută

4


Eroarea sistematică absolută (Ea) reprezintă diferenţa între valoarea măsurată şi valoarea corectă a mărimii măsurate. Eroarea absolută are aceeaşi unitate de măsură ca şi mărimea măsurată.

Ea = x-xc = Dx (I.1)unde: Ea - eroarea absolută x - valoarea măsurată xc - valoarea corectă Dx - diferenţa valorilor

I.4.2.2. Eroarea sistematică relativă

În vederea aprecierii mai corecte a erorii se face o raportare a erorii absolute la valoarea corectă a mărimii măsurate obţinîndu-se eroarea relativă.

(I.2)

Eroarea relativă nu are unitate de măsură, de multe ori se exprimă în procente: Er % = e*100% (I.3)

La aparatele de măsură este uzuală exprimarea erorii relative prin raportarea erorii absolute la domeniul de citire a scării (cap de scară Erc)

(I.4)

sau sub formă procentuală:

Erc % = Erc *100 (I.5)

unde: ec - eroarea relativă prin raportare la valoarea capului de scală x - valoarea măsurată xc - valoarea corectă xf - valoarea indicaţiei capului de scală a aparatului

I.4.2.3. Operaţii matematice cu erori sistematice

Aşa cum s-a menţionat deja erorile sistematice sînt previzibile şi corectabile, lucru care se realizează curent fie cu tabele, fie pe cale electronică prin înmulţire cu o constantă sau prin corecţii cu tabelele PROM. Există şi cazuri în care se renunţă la corectură indicîndu-se numai eroarea maximă posibilă. Problema erorilor apare puţin mai complicată atunci cînd valoarea finală este rezultatul unor măsurători parţiale, fiecare grevată de o anumită eroare de măsurare. În această situaţie, erorile de măsurare suportă operaţii matematice în vederea stabilirii cît mai corecte a valorii măsurate astfel:

La adunarea valorilor unor mărimi măsurate erorile absolute se adună. La scăderea valorilor unor mărimi măsurate erorile absolute se scad.

5


Dacă în cazul adunării şi a scăderii valorii mărimilor măsurate semnul erorilor absolute nu este cunoscut, se poate calcula numai eroarea absolută maximă ca sumă a erorilor absolute singulare.

La înmulţirea valorilor unor mărimi măsurate erorile relative se adună. La împărţirea valorilor unor mărimi măsurate erorile relative se scad.

În cazul în care semnul erorilor nu este cunoscut, la înmulţirea şi împărţirea valorilor unor mărimi măsurate se poate calcula numai o eroare relativă maximă. În ce priveşte eliminarea erorilor de aparat, proiectantul şi constructorul acestuia iau toate măsurile pentru a se putea recunoaşte sursa erorii, eliminarea sau minimalizarea ei prin calibrarea aparatului. Erorile care ţin de personal trebuiesc minimizate prin specializarea înaltă a acestuia.

I.4.2.4. Indicarea erorilor pentru aparate de măsură. Limite deerori garantate, propagarea erorilor, clase de precizie

Pentru caracterizarea aparatelor de măsură, producătorii acestora sînt obligaţi prin lege să indice eroarea maximă admisă în anumite condiţii de exploatare. De obicei, pentru utilizator nu sînt cunoscute tipurile de erori care concură la realizarea erorii maxime. Exprimarea erorii maxime se realizează prin limita de eroare garantată G care se obţine prin raportarea erorii absolute E la valoarea maximă a scării de măsură xf:

(I.6)

Limitele de erori G sînt garantate de producător şi pot fi erori bilaterale (±) sau unilaterale (+), (-). Faptul că valoarea maximă a scării de măsură este o valoare constantă şi cunoscută permite calcularea erorii absolute E din limita de eroare garantată G:

(I.7)

Teoretic, fiecare măsurătoare individuală ar putea fi marcată de eroarea absolută. Pentru a menţine eroarea relativă Er la o valoare cît mai mică

(I.8)

valoarea măsurată x trebuie să se plaseze cît mai aproape de capul de scală a aparatului de măsurare. Cu cît valoarea măsurată este mai departe de capul de scală cu atît creşte eroarea relativă de măsurare. În cazul aparatelor cu afişare numerică, la erorile deja discutate se adaugă eroarea de cuantificare a unui digit. Această eroare se manifestă mai puternic la măsurători în partea inferioară a scării. Astfel, la o indicare a valorii măsurate de 1.000 digiţi, corespunde o eroare relativă de 1/100, adică 1%; la o indicare a valorii măsurate de 10, la un digit corespunde o eroare relativă de 1/10, adică de 10%. Aceste constatări duc la recomandarea ca şi la aparatele de măsură cu afişaj numeric pe cît posibil măsurătorile să se efectueze în apropierea capului de scală. În ce priveşte propagarea erorilor sînt mai multe raţionamente: astfel dacă se consideră că erorile de măsurare ale unor măsurători parţiale sînt rezultatul unor erori sistematice atunci se aplică regulile operaţiilor matematice despre care s-a vorbit deja. Evident că pot fi evaluate numai limite maxime de erori care sînt şi ele destul de imprecise, întrucît este mai puţin probabil ca toate măsurătorile să fie grevate de eroarea absolută maximă şi cu semnul care să permită adunarea erorilor. Aprecierea erorilor devine mult mai realistă

6


dacă la fel ca şi în cazul erorilor aleatoare se apelează la o distribuţie statistică. Pentru adunarea sau scăderea unor valori măsurate x1, x2, x3 ...xx , în vederea obţinerii unei valori finale y rezultă o eroare probabilă absolută Eyp:

(I.9)

unde : - Ex1, Ex2, Ex3,...Exn sînt erori absolute ale aparatelor de măsură referitoare la măsurătorile x1, x2,

x3, ..xn.

Pentru înmulţiri şi împărţiri: y = x1 x2 , y = x1/x2 , erorile relative se adună pătratic:

(I.10)

unde: Eyp - eroarea relativă probabilă a rezultatului măsurătorii

ex1, ex2, ex3, ...exn - erori relative ale aparatelor de măsură referitoare la măsurătorile: x1, x2, x3, ...xn.

I.5. Precizia (precizia de reproducere) şi corectitudinea

La măsurători repetate asupra aceleiaşi probe valorile experimentale individuale obţinute nu sînt identice ci prezintă o anumită împrăştiere care reprezintă erori aleatoare pentru analiză. În cazul unor analize chimice, precizia (precizia de reproducere) se defineşte ca fiind concordanţa (neconcoranţa) datelor care au fost obţinute pentru aceeaşi probă în aceleaşi condiţii. Prin urmare, cu cît mai multe valori sînt mai strîns grupate cu atit precizia este mai mare. Mărimi utilizate pentru caracterizarea preciziei sînt: Abaterea standard absolută, Abaterea standard relativă, Abaterea standard a valorilor medii, Coeficientul de variaţie, Varianţă.

a) b) c)

Fig.I.1. Reprezentarea preciziei şi corectitudinii măsurărilor analitice sub forma unei ţinte cu cercuri în centrul căreia se găseşte valoarea prescrisă pentru rezultatul determinării. a) – corect şi precis, b-incorect dar precis, c- incorect şi imprecis

La diferite determinări rezultatele prezintă o abatere de la valoarea prescrisă (valoarea prescrisă se consideră a fi valoarea “corectă”). În legătură cu aceste abateri se defineşte coectitudinea (incorectitudinea) analizei sau metodei ca fiind diferenţa între valoarea măsurată şi valoarea prescrisă. O reprezentare sugestivă și instructivă a preciziei şi corectitudinii măsurării este dată în fig. I.1. sub forma unei ţinte cu cercuri în centrul căreia se găseşte valoarea prescrisă pentru rezultatul determinării.

În funcţie de gruparea valorilor experimentale în jurul valorii corecte sau în jurul unei alte valori determinările pot fi corecte/incorecte, precise/imprecise sau combinaţii între acestea. Astfel, gruparea rezultatelor din fig.I.1.a indică măsurători corecte și precise, gruparea rezultatelor din fig.I.1.b indică

7


măsurători incorecte dar precise, iar gruparea rezultatelor experimentale din fig.I.1.a indică măsurători incorecte și imprecise.

I.5.1. Mărimi caracteristice pentru definirea preciziei metodelor analitice

I.5.1.1. Valoarea medie a mărimii măsurate ( ).

Atunci cînd două măsurători efectuate în condiţii apropiate dau valori sensibil diferite se poate vorbi de erori aleatoare. În cazul efectuării numai a două măsurători apare problematică stabilirea valorii corecte dintre cele două valori. Rezultate satisfăcătoare se pot obţine numai prin efectuarea unui număr mai mare de măsurători. Determinarea valorii corecte a mărimii măsurate se face în acest caz prin determinarea valorii medii, evident după ce s-a realizat eliminarea erorilor sistematice. Valoarea

medie a mărimii măsurate ( ) se determină prin media aritmetică.

(I.11)

unde:

- valoarea medie a mărimii măsurate rezultată din (n) măsurători individuale

I.5.1.2. Abaterea standard absolută (s)

Valoarea medie ( ) a mărimii măsurate obţinute în urma medierii, nu trebuie considerată însă a

fi absolut corectă mai ales cînd numărul de măsurători este mic (n < 20). În vederea analizării erorilor aleatoare ce apar la măsurători, dar şi pentru a putea compara metodele şi aparatele de măsurare prin prisma erorilor de măsurare se calculează abaterea standard absolută (s) ca fiind:

(I.12)

I.5.1.3. Abaterea standard a valorilor medii (sm)

Abaterea standard a valorilor medii (sm) exprimă raportul dintre abaterea standard absolută (s) şi radicalul numărului de determinări (n):

(I.13)

I.5.1.4. Abaterea standard relativă (ASR)

Abaterea standard relativă se defineşte ca fiind raportul:

(I.14)

I.5.1.5. Coeficientul de variaţie (CV)

8


Abaterea standard relativă se poate exprima şi sub forma coeficientului de variaţie (CV)

(I.15)

Utilizarea coeficientului de variaţie este utilă mai ales în studii comparative asupra unor metode şi aparate de măsură privind erorile de măsurare.

I.5.1.6. Varianţa (V)

Varianţa reprezintă pătratul abaterii standard absolute (s)

V = s2 (I.16)

I.5.1.7. Clasa de precizie la aparate

Corespunzător cu limitele de erori garantate, aparatele de măsură se împart în clase de precizie. Astfel, un aparat cu limitele de erori ±1% se încadrează în clasa de precizie 1. După domeniul de utilizare se disting aparate de precizie - clasele 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 şi aparate de uz industrial - clasele 1; 1,5; 2,5; 5. Încadrarea în aceste clase de precizie este strîns legată de condiţii de mediu precum: temperatura nominală, poziţie de aşezare nominală, frecvenţa de lucru, s.a

I.6. Sensibilitatea

Sensibilitatea unei metode analitice sau a unui aparat reprezintă o măsură pentru capacitatea lor de a permite sesizarea unor diferenţe mici de concentraţie ale substanţei de analizat. Factorii care limitează sensibilitatea sînt panta curbei de calibrare şi precizia de reproducere sau precizia aparatului de măsură [1] . La două metode cu aceeaşi precizie cea cu panta curbei de calibrare mai mare este mai sensibilă. De asemenea, la două metode analitice cu aceeaşi pantă a curbei de calibrare cea care are precizia de reproducere mai mare este metoda mai sensibilă. Cea mai simplă şi totodată singura definiţie, recunoscută şi de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), pentru sensibilitate este sensibilitatea de etalonare definită ca fiind panta curbei de etalonare în domeniul de măsurare. In chimia analitică cantitativă majoritatea curbelor de etalonare au un domeniu liniar important şi sînt descrise de ecuaţia unei drepte cu punct de intersecţie a ordonatei în dreptul valorii semnalului rezidual, figura I.2. S = mc + Sr (I.17)

unde: S - semnalul detectorului m - panta dreptei de etalonare c- concentraţia Sr- semnalul rezidual

9


Fig.I.2. Exemplu de curbă de etalonare pentru spectrometrie de absorbţie moleculară. a-curba liniară cu originea in zero, b-curba de etalonare neliniară cu originea in zero, c-curba liniară cu originea diferită de zero din cauza prezenţei unui semnal

rezidual Sr

La asemenea curbe sensibilitatea de etalonare S este independentă de concentraţie şi este egală cu panta de creştere (m) a curbei de etalonare. Cu acest mod de exprimare nu poate fi în schimb evidenţiată legătura între precizia de reproducere (precizie) şi sensibilitate, precizie, care aşa cum s-a arătat la început, este unul din factorii limitatori pentru sensibilitate. Mandel [MJ64], [SD96] a propus un model pentru exprimarea sensibilităţii care să includă şi precizia şi a denumit-o sensibilitate analitică:

γ = m/ss (I.18)

unde: γ - sensibilitate analitică m - panta dreptei de etalonare ss - abaterea standard a semnaluluiÎn afară de avantajul realizării legăturii între sensibilitate şi precizie, sensibilitatea analitică mai prezintă şi avantajul că nu depinde de unităţile alese şi este relativ stabilă la creşteri ale factorilor de amplificare, creşteri ce provoacă şi creşterea corespunzătoare a pantei m dar totodată şi creşterea abaterii standard a semnalului ss. Dezavantajul sensibilităţii analitice îl reprezintă faptul că este dependentă de concentraţie.

I.6.1. Sensibilitatea aparatelor

Adesea sensibilitatea aparatelor este confundată cu precizia. Sensibilitatea Sa a unui aparat reprezintă raportul dintre valoarea indicaţiei aparatului şi valoarea modificării mărimii măsurate. În cazul aparatelor analoage cu ecran şi ac sau spot indicator, sensibilitatea ( Sa) se defineşte prin lungimea parcursă (Dl):

(I.19)

În cazul aparatelor digitale, sensibilitatea (Sd) este dată de modificarea indicaţiei prin secvenţe de cifre (DN):

10


(I.20)

I.7. Limita de detectare

Limita de detectare reprezintă concentraţia sau masa minimă a unei specii de analizat la care aceasta poate fi pusă în evidenţă pe cale instrumentală. Această limită este dependentă de raportul dintre mărimea semnalului de ieşire şi mărimea fluctuaţiei statistice în semnalul orb. Aceasta înseamnă că o punere în evidenţă sigură a semnalului analitic nu este posibilă atîta timp cît acesta nu este mai mare cu un multiplu k decît împrăştierea aleatoare a semnalului rezidual. Din acest motiv, la limita de detecţie semnalul analitic se apropie de valoarea medie a semnalului rezidual Sr numit şi semnal orb. Semnalul analitic mediu cel mai mic încă detectabil Sm se defineşte ca sumă dintre valoarea medie a semnalului rezidual Sr şi produsul dintre un multiplu întreg k şi abaterea standard a valorii reziduale sr a semnalului:

Sm = Sr + ksr (I.21)

IUPAC recomandă pentru factorul k valoarea 3, condiţie în care relaţia (I.21.) devine: Sm = Sr + 3ss (I.22)

Experimental Sm se determină prin 20-30 măsurători oarbe, de preferinţă pe un interval de timp mai mare. Prin prelucrarea statistică a datelor experimentale se obţine valoarea Sr şi sr după care Sr din ecuaţia (I.22) se înlocuieşte în ecuaţia (I.17) şi prin transformare se obţine ecuaţia de mai jos care defineşte limita de detecţie ca fiind:

(I.23)

unde : cm - limita de detectabilitate pentru concentraţie Sm - limita de detecţie a semnalului analitic Sr - valoarea medie a semnalului rezidual m - panta curbei de etalonare

În vederea clasificării procedeelor de analiză după limita de detectare, Uniunea Internaţională de Chimie Pură şi Aplicată (IUPAC) foloseşte două criterii, tabelul I.3: - clasificarea procedeelor de analiză după masa probei - clasificarea procedeelor de analiză după concentraţia componentelor

Tab.I.3. Clasificarea procedeelor de analiză după masa probelor şi după concentraţia componentelor

Clasificarea procedeelor de analiză după masa probei

Clasificarea procedeelor de analiză după concentraţia componentelor (c)

Domeniul de mase

Mase repartizate [g]

Domeniul de concentraţii

Concentraţii repartizate

GramDecigram

1 -1001-1

Component principalComponent secundar

100-1%1-0,01%

11


Centigram Miligram MicrogramNanogramPicogramFemtogram

0,01 -0,10,001- 0,0110-6 -10-3

10-9 -10-6

10-12 - 10-9

10-15 -10-12

Urme: cu subdomeniile :- urme - microurme - nanourme- picourme

0,01%<100ppm

10-2- 10-4 ppm10-4-10-7 ppm10-7 - 10-10 ppm10-10 - 10-13 ppm

I.7.1. Domeniul de lucru

Domeniul de lucru pentru o metodă instrumentală este definit ca fiind domeniul care ajunge de la limita de detectabilitate pînă la limita în care curba de etalonare părăseşte domeniul liniar (Limita de liniaritate), figura I.3. La măsurări cantitative, pentru limita inferioară se ia de obicei de zece ori abaterea standard pentru măsurări ale valorii reziduale (10 x sr). În acest punct abaterea standard relativă atinge valoarea

Fig I.3. Domeniul de aplicabilitate a unei metode analitice. cm- Limita de detecţie, LOQ-limita de detectie a analitului, (la analiza instrumentală este condiţionată de sensibilitatea detectorului), LOL- limita superioara a răspunsului liniar

de cca 10% şi scade rapid odată cu creşterea concentraţiei speciei de analizat. O metodă de analiză poate fi considerată ca optimă dacă acoperă cel puţin două ordine de mărime zecimale de concentraţie cu domeniul liniar.

I.8. SelectivitateaSelectivitatea unei metode analitice este definită prin nivelul de perturbaţie provocate de alte

specii care se găsesc şi ele în matricea probei de analizat. Din păcate, nu există nici o metodă analitică la care o specie să nu fie de loc influenţată de prezenţa altor specii, motiv pentru care trebuie luate măsuri de minimizare a acestor influenţe. Dacă se ia în considerare o probă care conţine specia de analizat A şi două specii potenţial perturbatoare B şi C [1], [2], cu concentraţiile cA, cB, cC şi sensibilitatea de etalonare mA, mB, mC, semnalul instrumental conform ecuaţiei (I.17) este:

S = mAcA + mBcB + mCcC + Sr (I.24)

Coeficienţii de selectivitate ai speciilor B şi C în funcţie de specia A se definesc ca:

12


kB,A = mB/mA (I.25)

kC,A = mC/mA (I.26)

Aceşti coeficienţi indică răspunsul relativ al metodei pentru specia B şi specia C în comparaţie cu specia A. Introducerea relaţiilor (I.24),(I.25) şi (I.26) în ecuaţia (I.21) duce la:

S = mA(cA + kB,AcB + kC,Acc ) + Sr (I.27)

Valorile coeficienţilor de selectivitate poate varia de la valoarea 0 (nici o perturbaţie) pînă la nivele ce depăşesc sensibil valoarea 1. Se observă că acest coeficient poate avea şi valoare negativă dacă perturbaţia are ca efect scăderea din semnalul util al semnalului perturbator pentru specia analizată.

I.9. Structura lanţului de măsurare instrumental

Aparatul reprezintă în analiza chimică instrumentală mijlocul tehnic cu ajutorul căruia variaţiile unor mărimi fizice sau fizico-chimice purtătoare de informaţii despre compoziţia şi concentraţia speciei sau speciilor analizate, greu măsurabile sau greu interpretabile de către om, sînt transformate în semnale electrice proporţionale, uşor de procesat electronic şi prin tehnică de calcul. Un aparat analitic este format dintr-un lanţ de măsurare care începe cu detectorul şi se termină cu sistemul de afişare a mărimii măsurate.

I.9.1. Generatorul de semnal

Generatorul de semnal are o structură destul de complexă în cadrul unui lanţ de măsurare instrumental. La procese de emisie atomică generatorul de semnal îl constituie chiar atomii sau ionii excitaţi. La absorbţie atomică procesul este ceva mai complex în sensul că este necesară o lampă cu catod gol, o lampă cu deuteriu, un modulator. Asemănător prezintă structuri specifice toţi generatorii de semnal în analiza instrumentală.

I.9.2. Detectorul

Detectorul este un element component al lanţurilor de măsurare sau al lanţurilor de reglare automată. Un senzor transformă variaţia unei mărimi neelectrice ca: temperatură, umiditate, debit, forţă, moment, presiune, viteză, acceleraţie, magnetism, presiune sonoră, etc, într-o mărime electrică proporţională. Senzorii care pun în evidenţă particule elementare sau radiaţie electromagnetică poartă denumirea de detectoare. Dat fiind faptul că în analiza instrumentală sînt preponderente transformări ale energiei de radiaţie sau ale particulelor elementare, purtătoare de informaţii calitative şi cantitative despre materie, în energie electrică, în carte sînt tratate cu precădere detectoarele ca elemente senzoriale. Un detector ideal ar trebui să îndeplinească concomitent mai multe caracteristici precum: sensibilitate înaltă, un raport semnal/zgomot ridicat, un domeniu mare de lungimi de undă, timp de răspuns mic, semnal de zgomot mic în lipsa radiaţiei, etc. În practică un detector nu poate îndeplini toate aceste caracteristici concomitent. Acesta este şi motivul pentru care de cele mai multe ori există mai multe tipuri de detectori pentru măsurarea aceleiaşi mărimi, fiecare excelînd într-o anumită plajă a caracteristicilor enunţate mai sus. Alegerea detectorului

13


potrivit rămîne o decizie a proiectantului şi a constructorului aparatului, important fiind şi preţul lui de cost. Legătura între semnalul de ieşire S de natură electrică (tensiune, intensitate, rezistenţă) a detectorului şi puterea P a radiaţiei care cade pe detector este o funcţie de tipul:

S = F(P) (I.28)

funcţie ce poartă denumirea de caracteristica detectorului. Dependenţa între cele două mărimi poate fi liniară sau neliniară. Dacă dependenţa între semnalul de iesire S şi puterea P a semnalului este de tip liniar funcţia de mai sus are expresia:

S = Kp (I.29)

Caracteristica unui detector care produce şi un semnal de zgomot de fond Z propriu are expresia:

S = kP+ Z (I.30)

unde k reprezintă sensibilitatea de etalonare. În cazul unei dependenţe liniare între S şi P în analiza instrumentală pentru determinarea unei

concentraţii necunoscute sînt necesare numai două determinări, una pentru substanţa cu concentraţie cunoscută şi una pentru substanţa cu concentraţie necunoscută, concentraţia substanţei necunoscute calculîndu-se prin regula de trei simple. În cazul unei dependenţe neliniare între cele două mărimi, pentru determinarea concentraţiei necunoscute este necesară mai întîi realizarea unei curbe de etalonare cu concentraţii cunoscute, curbă de pe care se extrapolează în dreptul valorii mărimii specifice corespunzătoare (exprimată sau calculată pe baza valorii semnalului electric dat de

detector), concentraţia speciei chimice urmărite.

I.9.2.1. Tipuri de detectoare

Principial, fiecare ramură a analizei instrumentale beneficiază de detectoare specifice optimizate pentru anumite aplicaţii. Dacă se face clasificarea detectoarelor după acest criteriu sînt detectoare pentru: - spectroscopie - cromatografie - electrochimie - alte ramuri ale analizei instrumentaleAceastă clasificare nu este însă exhaustivă pentru că multe detectoare folosite într-o anumită ramură a chimiei analitice instrumentale se regăsesc şi în altă ramură: aşa de exemplu, specific cromatografiei sînt numai detectoarele de ionizare, detectoarele de conductivitate termică şi detectoarele cu capcană de electroni. Cu toate acestea, în cromatografie, pe lîngă detectoarele specifice enunţate mai sus, sînt folosite detectoare de tip spectroscopic, refractometric, polarimetric sau electrochimic.

Cea mai mare diversitate şi aplicaţie în analiza instrumentală o au detectoarele spectroscopice care sînt elemente senzoriale ce acoperă aproape întregul domeniu al spectrului radiaţiilor electromagnetice. Există două tipuri de detectoare de radiaţie electromagnetică, unul reacţionează la fotoni, iar celălalt la căldură. Detectoarele de fotoni sînt denumite uzual detectoare cuantice sau detectoare fotoelectrice şi sînt formate din suprafeţe optic active capabile să absoarbă radiaţie şi s-o transforme într-o mărime electrică proporţională. Detectoarele fotoelectrice se deosebesc de cele de căldură prin faptul că semnalul lor electric reprezintă suma unor radiaţii individuale bine cuantificate pe cînd la cel de căldură semnalul electric este rezultatul puterii medii a radiaţiei incidente. În ce priveşte zgomotul, pentru detectoarele fotoelectrice este limitativ zgomotul Schotky pe cînd pentru

14


detectoarele termice zgomotul termic, motiv pentru care erorile aleatoare generate de aceste zgomote sînt fundamental diferite.

I.9.3. Sistemul de prelucrare a semnalului

Sistemul de prelucrare a semnalului are rolul de a compatibiliza semnalul electric al detectorului cu restul lanţului de măsurare. Din sistemul de prelucrare a semnalului fac parte amplificatoare electronice, filtre, modulatoare, convertoare analog/digitale, etc.

I.9.4. Sistemul de afişare

Sistemul de afişare are rolul indicării pe cale analogă sau digitală a valorii mărimii măsurate sau a unei mărimi proporţionale cu aceasta. Sistemul de afişare analog foloseşte de regulă aparate cu ac indicator, iar sistemul digital sistemele de cifre generate cu LED-uri sau ecrane de afişare alfanumerice. Tot sisteme de afişare sînt considerate şi monitoarele calculatoarelor pe care se face procesarea datelor experimentale precum şi imprimantele care editează buletinele de analiză.

I.9.5. Sisteme de prelucrare automată a datelor

Sistemele de prelucrare automată a datelor sînt microprocesoare specializate şi programate pentru analiza respectivă sau sînt calculatoare supraordonate. Majoritatea aparatelor din noua generaţie sînt echipate cu aceste microprocesoare care pe lîngă prelucrarea automată a datelor gestionează şi sistemul propriu de afişarea alfanumerică a rezultatelor inclusiv a diferitelor mesaje ce ţin de determinare. Această generaţie de aparate dispune de interfeţe seriale sau paralele pentru conectarea la sisteme de calcul performante în scopul prelucrării datelor. Prelucrarea supraodonată a datelor pe calculator se face cu soft-uri specializate a căror complexitate şi preţ este foarte mare. De exemplu, soft-urile de analiză automată a spectrelor în gazcromatografie sau la spectroscopia în infraroşu se apropie de preţul de achiziţie al aparatului.

I.10. Zgomotul semnalelor

Fiecare semnal electric furnizat de un senzor sau detector are o parte utilă şi o parte neutilă generatoare de erori de măsurare. Partea utilă a semnalului în cazul detectoarelor conţine informaţiile despre natura şi concentraţia speciei chimice cercetate. Partea neutilă a semnalului reprezintă aşa numitul “zgomot” numit şi “zgomot de fond” care conţine informaţii false. Semnalul de zgomot poate avea origini foarte diverse. Lipsa separării (discriminarea) sau diminuarea zgomotului din semnalul util poate duce la erori importante de măsurare, erori care se manifestă în reducerea preciziei de măsurare, ridicarea limitei de detecţie de la concentraţii mici spre concentraţii mai mari. Erorile generate de zgomot sînt de natură aleatoare.

15


Fig. I.4. Exemple cu diferite tipuri de semnale spectrometrice. a- semnal util cu semnal de zgomot redus, b- semnal util cu semnal de zgomot mediu. c- semnal util cu semnal de zgomot mare

La majoritatea măsurătorilor intensitatea medie a semnalului de zgomot rămîne relativ constantă şi independentă de valoarea semnalului global. Din acest cauză influenţa semnalului de zgomot duce la creşterea erorii relative odată cu scăderea valorii semnalului util. Acesta este şi motivul pentru care se consideră raportul dintre semnalul util S şi semnalul de zgomot Z ca fiind o mărime ce caracterizează mult mai bine calitatea unei determinări analitice sau a unui aparat de măsură decît valoarea semnalului de zgomot. Pentru un semnal de curent continuu, cum este cazul celui din fig.I.4. şi de altfel a majorităţii semnalelor în analiza chimică instrumentală, acest raport poate fi exprimat prin valoarea medie a intensităţii semnalului x raportat la abaterea standard s a intensităţii

S/N = x/s (I.31) Avînd în vedere că S/N este valoarea reciprocă a abaterii standard relative, se poate scrie:

(I.32)

Mărimea semnalului de zgomot poate fi exprimată simplificat, dar fără eroare semnificativă, prin abaterea standard s a intensităţii măsurate a semnalului, semnalul fiind în schimb definit prin valoarea lui medie.

I.10.1. Cauzele semnalelor de zgomot în analiza instrumentală

Folosirea la scară largă a aparatelor specializate în analiza instrumentală face ca semnalul de zgomot să aibă două componente: - componenta chimică - componenta instrumentală

Componenta chimică a semnalului de zgomot se datorează unei sume de variabile ce influenţează chimismul sistemului care este analizat. Astfel, fluctuaţii abia sesizabile de temperatură sau de presiune pot influenţa un echilibru chimic. Radiaţia externă a luminii solare sau a luminii pentru iluminarea spaţiului de lucru pot influenţa hotărător măsurători spectrofotometrice în domeniul UV-VIS, umiditatea relativă a mediului poate duce la modificări ale umidităţii probelor şi prin aceasta la modificarea matricii şi implicit a rezultatelor măsurătorii. Exemplele sînt foarte numeroase, la fiecare metodă de analiză instrumentală care se va prezenta în carte se vor specifica sursele semnalelor perturbatoare de zgomot.

16


Componenta instrumentală a semnalului de zgomot. Zgomotul instrumental este legat de fiecare componentă constructivă a aparatului folosit în analiza instrumentală, precum: sursa electrică de alimentare, sursa de radiaţie, detector, modulator, amplificator, sistemul de afişare. Semnalul de zgomot al acestor elemente poate avea la rîndul lui surse diferite astfel încît în final acesta are cauze şi forme complexe greu de caracterizat, greu de discriminat sau de multe ori chiar destul de greu de atenuat. Semnalele de zgomot instrumentale pot fi de tip: - zgomot termic - provocat de excitaţia termică a electronilor sau altor purtători de sarcină în:

rezistori, condensatori, detectoare de radiaţie, elemente galvanice s.a, excitaţie care duce în final la variaţii de tensiune concretizate într-un semnal de zgomot. Măsuri de reducere a zgomotului termic constau în reducerea rezistenţei circuitului electric total, a benzii de frecvenţă de trecere pentru semnal precum şi prin răcirea componentelor constructive.

- zgomot Schotky - se instalează acolo unde un flux de electroni sau alţi purtători de sarcină curg printr-o zonă de trecere. În elemente semiconductoare acest zgomot se manifestă la joncţiunile p sau n, la detectoare vidate, în zonele de trecere dintre anod şi catod, la senzori electrochimici, la joncţiunile dintre electrozi şi faza lichidă, etc. Acest tip de zgomot se poate micşora numai prin micşorarea benzii de frecvenţă de trecere pentru semnal. Pentru ca informaţiile transmise prin intermediul semnalelor să fie corecte, banda de frecvenţă de trecere pentru semnal trebuie să aibă însă o anumită lăţime sub care nu se poate coborî.

- zgomot de mediu- apare ca urmare a suprapunerii semnalelor electrice din mediul înconjurător peste semnalul util. Cea mai mare parte a semnalului de zgomot de mediu se instalează ca urmare a faptului că fiecare conductor electric din aparat se comportă practic ca o antenă receptoare capabilă să recepţioneze radiaţie elctromagnetică şi s-o tranforme într-un semnal electric parazit care se suprapune peste semnalul util . Cu cît frecvenţa surselor semnalelor de zgomot este mai mare cu atît mai mare este nivelul semnalului de zgomot. Sursele de curent continuu pot genera semnale de zgomot numai dacă se găsesc extrem de aproape de circuitele electrice prin care trece semnalul util. În semnalul de zgomot de mediu se regăseşte şi un semnal de zgomot aşa zis de „pîlpîire” a cărui origine precisă nu este cunoscută, dar a cărui mărime este invers proporţională cu frecvenţa semnalului util, nivelul lui scăzînd sensibil cu creşterea frecvenţei semnalului util.

I.10.2. Măsuri pentru mărirea valorii raportului semnal/zgomot

În analiza chimică se deosebesc două situaţii referitoare la raportul semnal zgomot. În prima situaţie sînt măsurători nepretenţioase, de natură informativă, unde erorile generate de semnalele de zgomot pot fi tolerate. In situaţia a doua sînt măsurători de precizie unde nivelul raportului semnal /zgomot trebuie să fie cît mai mare, mai precis măsurători la care semnalul de zgomot trebuie discriminat într-o măsură cît mai ridicată. În cadrul analizei instrumentale, pentru îmbunătăţirea raportului semnal/zgomot sînt folosite sisteme Hardware corespunzătoare şi/sau sisteme Software specializate. Sistemele Hardware presupun folosirea de filtre, choppere, ecranări, modulatoare şi detectoare cuplate sincron care înlătură sau reduc semnalul de zgomot fără a afecta semnalul util. Metodele Software se bazează pe folosirea algoritmilor calculatoarelor digitale pentru a înlătura semnalele de zgomot de fond din semnalele utile. Folosirea sistemelor Software presupune existenţa unui număr suficient de sisteme Hardware pentru prepararea semnalelor de ieşire precum şi transformarea analog/digitală a semnalelor pentru a putea fi procesate de tehnică de calcul digitală.

17

Documents

Bazele Analizei Instrumentale