Chemische Analytik und Bioanalytik in Theorie und Praxis

Frontmatter

Kapitel 1. Probenvorbereitung

Zusammenfassung

Fernsehkrimis vermitteln einen verkürzten Einblick ins Chemielabor, weil es nicht damit getan ist, Proben in Analysengeräte zu stellen und auf das Ergebnis am Computermonitor zu warten. Die gesuchte Substanz muss aus einer Matrix von störenden Begleitsubstanzen abgetrennt werden. Lebensmittel, Blut, Urin, Speichel, Zellen, Gewebe, Knochen, Haare, Abwasser, Boden, Klärschlamm und Fermentationsmedien erfordern eine präanalytische Aufreinigung (▷Tab. 1.1). Unerwünschte Matrixbestandteile verstopfen Chromatografiesäulen und überlagern Analytsignale durch einen Blindwert.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 2. Analytische Trenntechniken

Zusammenfassung

Durch Chromatografie werden Stoffe nach der Verweilzeit auf einem porösen Trägermaterial (stationäre Phase) voneinander getrennt. Die Probe wird in einem Lösemittel- oder Gasstrom (mobile Phase) unter hohem Druck durch eine mit dem Adsorbens gepackte Säule gepresst. Kleine Moleküle gelangen tendenziell schneller zum Detektor als große Moleküle (▷Abb. 2.1). Entscheidend für die Retentionszeit ist die Adsorptionsenthalpie. Gewünscht sind Chromatogramme mit möglichst schmalen Banden ohne Überlappung.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 3. Massenspektrometrie und Kopplungstechniken

Zusammenfassung

Massenspektrometer registrieren Atom- und Molekülmassen einschließlich der Isotope auf Bruchteile einer atomaren Einheit genau. Ein Massenspektrometer besteht aus Ionisator, Analysator und Detektor. Der Analyt wird ionisiert und zerfällt in strukturtypische Fragmente. Die Trennung der Ionen erfolgt nach dem Masse-Ladungs-Verhältnis m/z.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 4. Oberflächen- und Spurenanalytik

Zusammenfassung

Die Methoden der Material- und Spurenanalytik erfassen Atominformation in Oberflächen und Volumenproben (▷Tab. 4.3). Um winzige Strukturen und subatomare Teilchen aufzulösen, muss die „beobachtende“ Strahlung von kleiner Wellenlänge und hoher Energie sein (▷Tab. 4.1). Elektronen „sehen“ nur die oberen Atomlagen, während Röntgenstrahlung ins Material eindringt.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 5. Kernspinresonanzspektroskopie

Zusammenfassung

Bloch und Purcell (Nobelpreis 1952) entwickelten die experimentellen Methoden zur Beobachtung kernmagnetischer Resonanzeffekte, engl. Nuclear Magnetic Resonance (NMR), in fester und flüssiger Materie. NMR-Geräte zählen heute zu den eindrucksvollsten Instrumenten für die Strukturaufklärung und die abbildende Magnetresonanztomografie (MRT ▷Abb. 5.1).

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 6. Infrarot-Spektroskopie

Zusammenfassung

Infrarotes Licht (780 nm . . . 1 mm) regt chemische Bindungen zu Schwingungen und Drehungen an, ohne Elektronenübergänge in den Atomen auszulösen. Eine Wärmebildkamera registriert infrarotes Licht als Wärmestrahlung (▷Abb. 6.1, ▷Tab. 6.5). IR-Spektren werden gegen die Wellenzahl (in cm⁻¹) aufgetragen, d. h. die Zahl derWellenberge und Täler je Längeneinheit in Ausbreitungsrichtung. 1 cm⁻¹ entspricht 10 000 μm = 10⁷ nm. Die Energie 1 eV entspricht 1,6022·10⁻¹⁹ J = 96 485 J mol⁻¹ = 8065,54 cm⁻¹. Der Energieunterschied zwischen zwei Schwingungsniveaus ist.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 7. UV/Vis-Spektroskopie und optische Methoden

Zusammenfassung

Sichtbares Licht (Vis, engl. visible light) und ultraviolettes Licht (UV), ▷Tab. 7.1, regt Elektronenübergänge in den chemischen Bindungen von Molekülen an. Die intensivsten Spektralbanden beruhen auf den wahrscheinlichsten Elektronenübergängen mit der geringsten Anregungsenergie. Die Lage der Absorptionsmaxima zeigt die Energiedifferenz ΔE zwischen dem Grundzustand (HOMO = höchstes besetztes Molekülorbital) und dem angeregten Zustand (LUMO = niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) des Moleküls.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 8. Lumineszenzmethoden

Zusammenfassung

Lumineszenz bezeichnet die Aussendung von Strahlung beim Rückfall eines angeregten Systems in den Grundzustand, speziell die Lichtemission von elektronisch angeregten Molekülen nach einer Bestrahlung. ▷Tab. 8.1.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 9. Enzymatische Analyse

Zusammenfassung

Enzyme sind makromolekulare, meist globuläre Proteine (> 10⁴ g/mol), die im kolloidalen Zustand in Kompartimenten (Reaktionsräume: Zellkern, Mitochondrien etc.) oder Überstrukturen (Multienzymkomplexe der Atmungskette) vorliegen. Als mikroheterogene Biokatalysatoren setzen sie bestimmte Substrate spezifisch zu bestimmten Produkten um. ▷Tab. 9.1

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 10. Immunchemische Methoden

Zusammenfassung

Körpereigene Immunproteine (Antikörper) reagieren mit Fremdstoffen (Antigenen) in einer Immunreaktion (Antigen-Antikörper-Reaktion). Lösliche Antigene verklumpen mit dem Antikörper durch Immunpräzipitation (Fällung) zu einem unlöslichen, hochmolekularen Komplex. An einer Zellwand findet Immunagglutination statt, z. B. die Häm-Agglutination der antigen wirksamen Struktur eines roten Blutkörperchens.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 11. Molekular- und zellbiologische Methoden

Zusammenfassung

Fernsehserien wecken Interesse am Kriminallabor. Winzige Mengen DNA werden aus dem Corpus delicti extrahiert und mit dem PCR-Verfahren vervielfältigt. Kontaminationen bei der Probennahme und forensischen Analyse lenken den Verdacht auf falsche Personen. Wichtig ist, dass DNA-Isolierung und DNA-Analyse in getrennten Räumen stattfinden.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 12. Maßanalyse

Zusammenfassung

Bei der direkten Titration reagiert der zu bestimmende Stoff (Analyt, Titrand) stöchiometrisch mit der aus einer Bürette zugesetzten Maßlösung (Reagenz, Titrator), deren Gehalt genau bekannt ist. ▷Abb. 12.1

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 13. Elektroanalytik und Sensorik

Zusammenfassung

Elektroanalytische Methoden erkennen Titrationsendpunkte auch in gefärbter Lösung und sind automatisierbar. Zu den elektrometrischen Methoden zählen die Potentiometrie (Messung des Elektrodenpotentials), Amperometrie (Strommessung), Coulometrie (Ladungsmessung) und Konduktometrie (Leitfähigkeitsmessung). Stationäre Methoden arbeiten mit konstanten, instationäre Methoden (transiente Methoden) mit zeitlich veränderlichen Strömen und Spannungen.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 14. Biosensoren

Zusammenfassung

Biosensoren wandeln die biologische Wirkung an einem Rezeptor in ein analytisch nutzbares Signal um. Ein immobilisiertes Biomolekül auf dem Sensor tritt mit dem Analyten inWechselwirkung; der Signalwandler (Transduktor) erzeugt daraus ein messbares Signal (Strom, Spannung, Widerstand), ▷Abb. 14.1. Biosensoren werden nach der Biokomponente (Enzym, Antikörper, Nucleinsäure, Zelle) oder Signaltransduktion (optisch, elektrochemisch, piezoelektrisch) eingeteilt. Biosensoren sind miniaturisierbar, portabel, kostengünstig, erlauben Wegwerf-, Vor-Ort- und Echtzeit-Analytik ohne Probenvorbereitung und Reagentien. Nachteilig sind die begrenzte Lagerfähigkeit und Haltbarkeit. Insbesondere implantierbare Glucosesensoren für Diabetiker sollen langlebig sein. Nicht invasive, künftige Biosensoren sollen Schweiß, Tränen und Speichel analysieren.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 15. Thermische Analyse und Gravimetrie

Zusammenfassung

Die nasschemische Gravimetrie (Gewichtsanalyse) hat wenig Bedeutung in der modernen Analytik. Aus dem Analyten werden Niederschläge ausgefällt, durch Trocknung in eine stöchiometrisch definierte Wägeform umgewandelt und gewogen. Beispiele ▷Tab. 15.1

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 16. Mechanische Methoden

Zusammenfassung

Die Dichte (ϱ = Masse pro Volumen) von Flüssigkeiten wird mit einem Pyknometer oder einem Biegeschwinger-Dichtemesser bestimmt. Für orientierende Messungen genügt ein Aräometer. Für lose Schüttungen lässt sich eine Schütt- oder Rütteldichte bestimmen. Die Dichte hängt von der Temperatur und bei Gasen vom Umgebungsdruck ab. Durch den Luftauftrieb in der Waage entsteht ein Messfehler, der bei Wägung im Vakuum entfällt.

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

Kapitel 17. Radiochemische Methoden

Zusammenfassung

Nuklide sind stabile oder radioaktive Atomarten mit bestimmter Protonen- und Neutronenzahl \(\begin{array}{*{20}c} A \\ Z \\ \end{array} E\), die in natürlichen Zerfallsreihen oder in Kernreaktionen auftreten. Radionuklide zerfallen spontan und unabhängig voneinander nach einem Zeitgesetz 1. Ordnung, ohne dass sich der Zerfallszeitpunkt für ein einzelnes Atom vorhersagen ließe (▷Abb. 17.1). DieWahrscheinlichkeit beträgt e^−λt, dass ein instabiler Kern das Alter t erreicht. Die Zerfallskonstante λ ist der Kehrwert der mittleren Lebensdauer τ. Pro Zeiteinheit zerfallen gleiche Bruchteile λ der vorhandenen Kerne. In der Halbwertszeit T zerfallen 50% der vorhandenen Kerne (▷Tab. 17.9).

Peter Kurzweil, Lisa Kurzweil

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