TENTAMEN. Analytisk kemi (KD2010),

Transkript

1 TENTAMEN Analytisk kemi (KD2010), OBS! Använd ett ark per uppgift. Skriv namn på varje ark. OBS! För varje uppgift anges maximalt antal poäng. För godkänt resultat fordras 40 poäng. En sjugradig betygsskala tillämpas enligt följande: Poäng Betyg A B C D E Fx 0 35 F Tänk på att vid frågor med flera svarsalternativ kan felaktiga uppräkningar medföra poängavdrag. Möjlighet till komplettering för att erhålla godkänt, betyg E, finns för den som ligger nära godkändgränsen. Med nära gränsen menas minst 36 poäng, betyg Fx. Kompletteringen sker muntligt efter överenskommelse med kursansvarig. Den som önskar komplettera skall kontakta kursansvarig inom en vecka efter det att vi på hemsidan meddelat att tentorna är rättade. (Tentorna kommer att vara färdigrättade senast ) För studenter registrerade på kursen före HT07 gäller kursnummer 3B1102 och före HT01 var koden 3B1101. Poängskalan för betygen på 3B1101/02 är följande: poäng ger betyget poäng ger betyget poäng ger betyget poäng ger betyget U Hjälpmedel: Utöver penna och papper är endast kalkylator tillåten. Skriv på omslaget till tentan vilket kursnummer som gäller dig! LYCKA TILL!

2 1. Silvernanopartiklar används i ett antal industriella tillämpningar tex i kläder och vitvaror. Det är ännu inte helt utrett vilken påverkan dessa partiklar kan ha på människor och natur. De sprids dock redan i miljön tex i vatten. Hur skulle en provtagning utföras för att kvantifiera förekomsten av silvernanopartiklar i en sjö utanför en textilindustri? (Du behöver inte gå in på vilken analysmetod som ska användas.) (8p) 2. Ett plastföretag använder till viss del återvunnen plast i sin tillverkning. De vill införa processanalys för att få bättre kontroll på plastmassan. a) Vilka fyra provtagningsinterface har de att välja på? (4p) b) Välj två av de ovan nämnda interfacen och nämn en mätning som skulle kunna utföras på plastmassan med var och en av dessa två och tala om vilken information man får ut av mätningen. (4p) 3. a) Nämn fyra elektroanalytiska tekniker. Tala om vilken storhet som mäts och hur mätningen sker. (4p) b) Rita hur potentialsvepet ser ut i linjär respektive cyklisk voltammetri. Glöm inte att sätta ut rätt enheter på axlarna. (2p) c) Rita voltammogrammet som erhålls vid ett linjärt svep. Sätt ut enheter på axlarna och förklara kurvans utseende. (2p) 4. a) Silvernanopartikelproverna som samlades in i fråga 1 ska nu analyseras. Vilken teknik, vilken metod inom denna teknik och vilken utrustning bör användas för att analysera proverna? Hur ändras ditt val om andra metaller ska analyseras samtidigt? Motivera dina svar! (4p) b) Till plasten från fråga 2 sätts mjukgörare. Bis(2-etylhexyl)ftalat som används kan brytas ned till 1-butanol och 2-etyl-1-hexanol. Därför kontrolleras luften i fabriken kontinuerligt. Ange lämplig analysteknik, metod och utrustning. Motivera valet! (4p) OBS! Du ska inte använda masspektrometri i något av problemen i 4 a) och b)! 5. a) Rita ett blockdiagram av ett generellt spektroskopiskt instrument. (2p) b) Vad skiljer ett instrument för atomemissionsspektroskopi (AES) från det generella spektroskopiska instrumentet? (1p) c) Vilka energiövergångar utnyttjas i AES? (1p) d) Vilken funktion har atomreservoaren i ett atomemissionsinstrument? (1p) e) Nämn två atomreservoarer som används för AES. Nämn en fördel med var och en av dessa två. (2p) f) Vilken funktion har förstoftaren? (1p) 6. a) Det finns många detektorer att välja på för GC-analyser. Vissa av dessa är mycket känsliga för specifika ämnen/element. Nämn fyra element/ämnen som det finns känsliga specifika detektorer för. (2p) b) Vilka är de vanligaste mobilfaserna i GC? Nämn en fördel med var och en av dessa. (3p) c) Beskriv korfattat hur gradienteluering går till i LC och när det är lämpligt att använda denna typ av eluering. (3p)

3 7. a) I USA används majssirap i godis, coca cola, ketchup mm. Denna sirap innehåller en stor andel fruktos och genom enzymatisk nedbrytning av glukos kan fruktoshalten ökas ytterligare. Hur kan förhållandet mellan glukos och fruktos bestämmas? Vilken teknik, vilken metod inom denna teknik och vilken utrustning bör användas? (Ej MS!) (4p) b) I många (9 av 20) prover av ovan nämnda majssirap fann man kvicksilver. Eftersom barn och ungdomar ofta är storkonsumenter av sådana produkter, så är det oroväckande. Om en screening av hur mycket kvicksilver en grupp barn har utsatts för så kan håret analyseras. Vilken teknik, vilken metod inom denna teknik och vilken utrustning bör användas? Motivera svaret! (Ej MS!)(4p) 8. a) Vilka jonkällor skulle användas om masspektrometri kunde utnyttjas i fråga 4 b), 7 a) respektive 7 b)? (3p) b) Välj två av de jonkällor du angett som svar till a)-frågan ovan. Beskriv dessa två kortfattat. (4p) c) Vilken analysator bör användas för problemet i 7a? (1p) 9. a) Förklara hur man åstadkommer emission av enstaka spektrala linjer i hålkatodlampan samt förklara varför denna ljuskälla är nödvändig i atomabsorptionsspektroskopi. Visa gärna med en bild. (2p) b) Man vill bestämma halten av järn i stadsvattnet i Stockholm mha atom absorptions spektroskopi. En stamlösning av Fe bereddes genom att lösa 0,05932g av ren järntråd i syra som sedan späddes till 1000ml. Sedan bereddes en serie av standardlösningar genom att ta nedan angivna volymer från stamlösningen och späda dem till 100ml. Absorbansen för dessa standardlösningar vid nm är följande: Volym av 1,00 3,00 5,00 7,00 10,00 stamlösningen taget (ml) A 248,3 0,113 0,334 0,530 0,672 0,812 Absorbansen för stadsvattnet efter 5 gångers spädning med destillerat vatten var 0,646. I. Beräkna ppm Fe i stadsvattnet i Stockholm, kalibrerings-kurvans ekvation är y = 0,0777X + 0,0882. Visa dina beräkningar och hur du har resonerat. (4p) II. Beräkna detektionsgränsen för Fe i denna metod. (2p)

4 10. a) Du har analyserat ett protein med massan M = Da med MALDI-TOF-MS. Masspektrumet visade toppar för M +, M 2+, M 3+ och 2M + med intensitetsförhållande 4:2:2:1 (M + :M 2+ :M 3+ :2M + ). Skissa det genererade masspektrumet i en figur. (3p) b) Efter MALDI-TOF-analys av ett annat protein med massan M = vill Du ta reda på om Na + i bufferten gett upphov till protein-na-addukter med massan (M+22) Da. Vilken upplösning krävs för detta? Är den beräknade upplösningen rimlig för TOFanalysatorer? Motivera ditt svar! (2p) c) Hur kan man utifrån flygtid analysera bildade joner i en TOF-analysator. Härled sambandet och resonera kring gjorda antaganden. För full poäng fordras fullständigt svar med stringenta resonemang. (3p)

5 SVAR Provtagningen måste planeras noggrant. Du måste bla tänka på hur många prov som behövs, hur stora prov som behövs, vilken noggrannhet som krävs och var proven ska tas (tex djup, avstånd från land etc). Du måste också tänka på annat som kan påverka provtagningen tex temperatur, vindar, tid på dygnet. Provtagningsutrustning och metod (slumpprov eller systematiska prov) måste också bestämmas. Principen med modellering, planering, provtagning, analys, utvärdering, återkoppling är användbar. Hänsyn måste också tas till kostnaderna. 2. a) At-line, on-line, in-line, non-invasive. b) Tex: At-line MALDI-MS, identitet, storleksfördelning, non-invasive akustisk mätning, viskositet. 3. a) Potentiometriska metoder - spänningen mäts vid en ström som ligger nära noll, Coulometriska metoder - laddningen mäts vid elektrolys av en analyt under konstant spänning, Voltammetriska metoder - strömmen mäts som funktion av en pålagd varierande spänning, Konduktometriska metoder - ledningsförmågan mäts. b) Se figur E7 och figur E12 i kompendiet. c) Se figur E8 i kompendiet. När potentialen är tillräckligt hög/låg börjar ox/red ske och en strömökning kan mätas. Till slut har all analyt nära elektroden förbrukats och strömmen planar ut. 4. a) AAS kan användas om endast silver ska analyseras. Om det är väntat att halterna är mkt låga bör grafitugn användas. Om flera element ska analyseras samtidigt bör ICP användas om känsligheten räcker. b) Då det handlar om luftprov kan GC vara lämpligt. Ämnena är heller inte så stora att detta borde innebära något problem. En relativt polär kolonn bör användas då det handlar om alkoholer. Kvävgas kan väljas pga säkerhet och pris. FID kan användas även om känsligheten sänks något av syreatomerna. 5. a) Se figur S5 i kompendiet från Kemisk mätteknik. b) Det behövs ingen strålningskälla. Provet är strålningskällan. c) Elektronövergångar. d) I atomreservoaren tillförs energi och atomisering sker tex genom värme. e) ICP känslig, flamma billig. d) Förstoftaren fördelar ett flytande prov till en dimma av små droppar, en aerosol bildas. 6. a) Halogener, svavel, fosfor, kväve. b) He säker, N 2 billig, H 2 det går att ha en hög mobilfashastighet men ändå få relativt bra effektivitet. c) Elutionsstyrkan ändras under körningens gång så att k kommer att varieras. Om provet innehåller många analyter med stor variation i egenskaper, så kan det vara lämpligt med gradienteluering för att få bra separation på en rimlig tid.

6 7. a) LC m polär statfas (NP eller HILIC) relativt polär mobilfas och RI-detektor eftersom det är svårflyktiga vattenlösliga ej UV-absorberande ämnen. b) Vanligaste metoden för detta är spektroskopi, AFS pga känsligheten. Alternativt kan AAS m grafitugn ev. användas (m sämre känslighet) eftersom AFS-utrustning är rel ovanlig. Elektroanalys m tex stripping är ett alternativ. 8. a) 4b EI, 7a - ESI, 7b ICP-MS. b) Individuella svar. c) Quadropol eller ion trap. 9. a). Den cylindriska hålkatoden är gjord av den metall som skall bestämmas och anoden, katoden tillverkas av den metall man vill ha emissionslinjer av. Lampan innehåller neon eller argon vid lågt tryck. Då en spänning på 300 V eller mer läggs mellan elektroderna och de uppvärmda elektronerna frigörs från katoden och dras mot anoden. På vägen till anoden kolliderar elektronerna med fyllgasens atomer som joniseras till katjoner och rusar mot katoden. Vid kollisionen slås atomer av katodmaterialet ut. Dessa atomer blir dessutom exciterade. Vid den efterföljande relaxationen emitteras karaktäristisk strålning. Strålningens intensitet beror starkt på strömstyrkan mellan elektroderna. Teoretiskt skulle en kontinuerlig strålningskälla kunna användas precis som vid absorptions spektroskopi, men då absorptionslinjerna för atomerna i atomångan är extremt smala (ca 0,002 nm) får man problem med ströljus. Det går nämligen inte att konstruera en monokromator som har lika smal bandbredd. Därför har man ljuskälla som emitterar enskilda spektral linjer som är smalbandiga och motsvarar absorbans linjer för provets atomer. (se bild i läroboken sidan 463) b) I. Absorbansen = 0,646 0,646 = y = 0,0777x + 0,0882 x = [Fe] = 7,18 ppm (mg/1000 ml) Provet spades 5 ggr innan mätningen dvs; 7,18 5 = 35,90 ppm (mg/ 1000 ml) Svar: 35,90 ppm Fe i stadsvatten Rätta beräkningar 1p, hänsyn till spädningen 1p, svar med rätt antal värdesiffror i ppm 1p, varför man använder sig av kalibreringskurvan 1p. II. Detektionsgränsen kan anges som tre gånger bruset, dvs detektionsgränsen är den lägsta koncentrationen vid vilken analyten med en viss statistisk säkerhet kan upptäckas med metoden eftersom det alltid kommer finnas störningarna från olika matriser vilket innebär att detektionsgränsen varierar med matrisen även om metoden är densamma. Man kan få bruset från att köra ett antal blank prov eller från kalibrerings- kurvans y- intersept, då x = 0. y = 0,0882 (då x = 0) detektionsgräns 3 0,0882 = 0,2646 Svar: 0,26 ppm

7 10. a) M + = Da 4*I M 2+ = Da 2*I M 3+ = 8000 Da 2*I 2M + = Da 1*I Y-axeln: X-axeln: relativ intensitet m/z b) Upplösning: R R = m/δm => R 22 Da = 44000/22 => R 22 Da = 2000 Upplösningen för en TOF-analysator är normalt kring 5000 (i linjär mode), alltså är den beräknade upplösningen rimlig. 2 mv m 2eV c) E k = E e => = zev => = 2 2 z v Detta gäller utifrån antagandet att jonerna totala kinetiska energi härrör från energin i det elektriska fältet, d.v.s. att jonernas kinetiska energi är noll innan accelerationen i det elektriska fältet.