Bestämning av fluoridhalt i tandkräm Laborationsrapport Ida Henriksson, Simon Pedersen, Carl-Johan Pålsson 2012-10-15 Analytisk Kemi, KAM010, HT 2012 Handledare Carina Olsson Institutionen för Kemi och Bioteknik Chalmers tekniska högskola Fluoridhalten i Apoteksgruppens tandkräm analyserades med hjälp av UV/Vis-spektroskopi. Provlösningar bereddes både med extern standard (för koncentrationsbestämning via kalibrerkurva) och standardaddition genom komplexbindning av fluoridjoner till ett överskott av ett alazarinkomplexon-lantan(iii)-komplex. Detta komplex absorberade starkt vid 620 nm; våglängden bestämdes med hjälp av en av provlösningarna. Båda beräkningsmetoderna gav resultat som var snarlika det specificerade 0,32 viktsprocent natriumfluorid; kalibrerkurvan gav en slutlig siffra på 0,330 % och med standardaddition erhölls värdet 0,305 %.
Teori Komplexbildning med fluoridjon För att kunna göra kvantitativ analys med UV/Vis-spektrofotometri på fluoridjoner komplexbinds dessa med lantan(iii)-joner och alazarinkomplexon enligt de förenklade jämvikterna: refererar här till alazarinkomplexon i en delvis deprotonerad form. Produkten i (2) är starkt blåfärgad och om lantanjoner och alazarinkomplexon finns i stort överskott kommer fluoridjonerna endast att förekomma i komplexet; de går således att mäta kvantitativt. Linjäritet hos Lambert-Beers lag Eftersom absorbansen vid en viss våglängd är additiv, och lantan-alazarinkomplexonkomplexet absorberar vid samma våglängder som det fluoridinnehållande komplexet, kommer uttrycket för absorbansen vid en viss våglängd att se ut som följande: I ekvation (3) refererar index a till analyten (fluoridkomplexet) och index l till liganden. När liganden förekommer i stort överskott (vilket också krävs för att komplexbinda samtliga fluoridjoner) kommer termen att kunna betraktas som konstant. Absorbansen kan då uttryckas som ekvation (4). (1) (2) (3) (4) Genom att ett blankt prov utan fluoridjoner körs kan då termen erhållas. subtraheras, och ett värde på Metod Apoteksgruppens tandkräm valdes ut för analys. En provlösning bereddes genom att 0,3329 g tandkräm späddes till 100 ml i mätkolv med MilliQ-vatten. En stamlösning av 10-2 mol/dm 3 NaF späds hundra gånger i en 100 ml mätkolv till 10-4 mol/dm 3. Tandkrämsprovet analyseras sedan kvantitativt med avseende på fluoridhalt med hjälp av UV/Visspektrometri. Både metoden med enkel kalibrerkurva ( metod A ) och standardadditionsmetoden ( metod B ) används parallellt. Samma reagenslösning användes till båda metoderna; lösningsmedlet var 50 % aceton i vatten och reagensen var som följande: alazarinkomplexon 0,55 mm; La(NO 3 ) 3 0,7m mm; natriumacetat 0,5 M samt ättiksyra 0,5 M. För att finna absorptionsmaximum användes prov 5B. Ett maximum vid 620 nm uppmättes, och alla påföljande mätningar gjordes vid denna våglängd. Kalibrerkurvemetoden Sex standardlösningar bereddes tillsammans med en provlösning i 25 ml mätkolvar enligt tabell 1 nedan. Lösningarna späddes till märket med MilliQ-vatten, skakades och tilläts stå mörkt i 20
Absorbans minuter. Dessutom bereddes två extra lösningar innehållande 3 ml 2 M natriumhydroxidlösning respektive 2 M saltsyra. Tabell 1: Provberedning för analys med kalibrerkurva. Natriumfluoridlösningen var av koncentrationen 10-4 M. Till det basiska provet sattes dessutom 3 ml natriumhydroxidlösning 2 M; till det sura sattes 3 ml 2 M saltsyra. Prov Reagenslösning Fluoridtillsats 1A 8 ml 0 ml NaF 2A 8 ml 2 ml NaF 3A 8 ml 4 ml NaF 4A 8 ml 6 ml NaF 5A 8 ml 8 ml NaF 6A 8 ml 10 ml NaF 7A 8 ml 2 ml provlösning Basisk 8 ml 6 ml NaF + 3 ml NaOH Sur 8 ml 6 ml NaF + 3 ml HCl Prov 1A används för att nollställa spektrofotometern och subtrahera bruset från efterföljande mätningar. Prov 5B, se standardadditionsmetoden nedan, hade redan använts för att bestämma absorptionsmaximum till 620 nm, varpå denna våglängd användes för mätningarna. Proverna 2A till 7A kördes och absorbanserna noterades. Absorbanserna för prov 2A till 6A avsattes mot respektive koncentrationer i ett diagram, som visas i figur 1. Ur detta diagram beräknas sedan provlösningens fluoridjonhalt genom linjär regression; från absorbansen för prov 7A avlästes motsvarande koncentration från kalibrerkurvan. 0,60000 0,50000 0,40000 0,30000 0,20000 Standard Prov Linear (Standard) 0,10000 0,00000 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 [F - ] mmol/l Figur 1: Kalibrerkurva med uppmätt absorbans avsatt mot fluoridjonkoncentration. Provet uppvisar en absorbans av 0,26387 vilket medför att [F - ] = 0,029238 mmol/l. För den linjära anpassningen gäller R 2 =0,9994;
Absorbans Lösningarna med sur och basisk miljö analyserades också, och deras absorbanser jämfördes med ett prov av samma fluoridjonkoncentration. Standardadditionsmetoden Sex stycken prov med varierade innehåll av tandkrämslösningen bereddes i 25 ml mätkolvar enligt tabell 2 nedan. Tabell 2: Provberedning för analys via standardaddition. Natriumfluoridlösningen var av koncentrationen 10-4 M. Till det basiska provet sattes dessutom 3 ml natriumhydroxidlösning 2 M. Prov Provlösning (ml) Reagenslösning (ml) NaF-lösning (ml) 1B 0 8 0 2B 2 8 0 3B 2 8 2 4B 2 8 4 5B 2 8 6 6B 2 8 8 Proven späds med MilliQ-vatten till 25 ml, skakas om och vilar mörkt i 20 minuter. Prov 1B användes för att nollställa spektrofotometern och subtrahera bruset från efterföljande mätningar. Prov 5B kördes för att finna absorptionsmaximum; absorbansen vid denna våglängd registrerades samtidigt. Därefter analyserades proverna 2B till 4B samt 6B, och absorbanserna noterades. Absorbanserna för prov 2B till 6B avsattes mot respektive koncentrationer i ett diagram, som visas i figur 2. Ur detta diagram beräknades sedan provlösningens fluoridjonhalt genom linjär regression; punkten där linjen skär x-axeln motsvarar fluoridjonkoncentrationens negativa värde. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Standard Prov Linear (Standard) 0,1 0-0,020-0,010 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 [F - ] mmol/l Figur 1: Standardadditionskurva med uppmätt absorbans avsatt mot fluoridjonkoncentration. Med extrapolation fås att linjen skär x-axeln vid [F - ] = - 0,019323 mmol/l. För den linjära anpassningen gäller R 2 =0,9994;
Resultat De uppmätta fluoridkoncentrationerna räknades om för att kompensera för spädning och omvandlades sedan till motsvarande massa natriumfluorid. Genom kännedom om invägd mängd tandkräm (0,3329 g) vid beredningen av tandkrämslösningen kunde sedan en viktsprocent natriumfluorid i tandkrämen erhållas. För metod A blev denna 0,330 %; motsvarande siffra för metod B blev 0,305 %. Specifikationen på tandkrämstuben angav 0,32 % NaF-innehåll. Resultaten sammanfattas i tabell 3 nedan. Tabell 3: Resultaten från mätningarna samt omvandling till viktsprocent natriumfluorid i tandkrämen. Metod Uppmätt [F-] (mm) Volym provlösn. (ml) Spädningsfaktor Konc. i tandkrämslösning (mm) Massa NaF (mg) Vikts-% NaF A 0,0209238 2,0 12,5 0,26155 1,09819 0,3299% B 0,0193232 2,0 12,5 0,24154 1,01418 0,3047% Innehåll enligt specifikation 0,32% Diskussion I det aktuella försöket visade sig metoden med enkel kalibrerkurva ge ett bättre resultat, även om de båda metoderna gav snarlika värden och dessutom nära det specificerade. Man kan således anta att provet: (1) antingen är relativt fritt från interferenser eller (2) det uppkom fel i en eller båda mätserierna. Eftersom båda regressionerna uppvisar korrelationskoefficienter nära 1 kan det antas att spädningar och mätningar utförts med god noggrannhet. Således är tandkrämsprovet troligtvis fritt från ämnen som stör mätningen. Troliga felkällor diskuteras nedan, under avsnittet Frågor, fråga 4. Frågor Fråga 1: Vad händer med kalibrerkurvan vid den spektrofotometriska analysen om halten av fluoridkomplex närmar sig en punkt då allt reagens har förbrukats, dvs när reagens inte längre finns i överskott? Då det inte längre finns överskott av reagens kommer inte heller fluoridjonerna att binda till komplexet jämvikten förskjuts inte kraftigt åt höger. Eftersom fria fluoridjoner inte absorberar UVljus kommer kalibrerkurvan att flacka ut. Fråga 2: När är metod A att föredra? När är metod B att föredra? Varför? Vilka är fördelarna/nackdelarna med de olika metoderna? Metod B är att föredra då det förekommer interferenser då denna metod kan i viss mån kringgå dessa. Alla prov får samma fel; det kan då enkelt räknas bort. Då interferenser inte förekommer i så stor utsträckning är metod A att föredra eftersom det är en enklare och billigare metod, framförallt vid upprepade mätningar. Om man har 30 prov med tandkräm kan man med metod A använda samma kalibrerkurva till alla 30 prov, och behöver inte heller tillsätta standard till alla prov.
Fråga 3: Reagenslösningen innehåller en ph-buffert. Vad är orsakerna till detta? Hur påverkas spektrumet för reagenset och fluoridkomplexet då ph på lösningarna ändras? Vad kan vara anledningen till detta? Vilken inverkan kan ett felaktigt ph ha på analysresultatet? Då lösningen har ett högre ph (basiskt) kommer absorbansen att stiga, och på motsvarande sätt sjunka i sur miljö. Detta beror på att reaktion 1 ovan (se avsnittet Teori) drivs åt höger då lösningen är mer basisk enligt Le Chateliers princip. LaL - är den begränsande reaktanten i reaktion 2 och om fler LaL - bildas kommer fler fluoridjoner att bindas i komplex, vilket ger högre absorbans. I sur miljö minskar tillgången av LaL - och således komplexbinds färre fluoridjoner; absorbansen minskar. Fråga 4: Vilka felkällor kan ha påverkat det erhållna resultatet? Metoden är känslig för olika slags smuts som kan förekomma på kyvetterna, till exempel fingeravtryck och spill från provlösningar. Spektrofotometern som användes hade tidigare under dagen fungerat dåligt. Dessutom användes automatpipetter, vilkas noggrannhet både när det gäller kalibrering och handhavande kan ifrågasättas.