Analytische Chemie

In der analytischen Chemie werden Substanzen – auch Analyten genannt – identifiziert und ihre Menge in einer Probe bestimmt. Je nach Anwendung werden zu diesem Zweck viele unterschiedliche Methoden eingesetzt.
Chemie – eine Wissenschaft im Wandel
Illustration aus einem mittelalterlichen Buch: Ein Kranker im Bett, vor ihm drei Ärzte
Die Menschen begannen schon im Altertum, also lange vor unserer Zeitrechnung, unterschiedliche Stoffe aus der Natur zu erkennen und zu verarbeiten, etwa Metalle als Werkzeuge oder bestimmte Gesteine, Erden und Sand zur Herstellung von Töpferwaren oder Glas. Auch Medizin aus pflanzlichen Stoffen wird schon lange hergestellt und verwendet, wie auf diesem mittelalterlichen Bild vom Krankenbett von Louis VI. Doch erst Ende des 18. Jahrhunderts wurde die Chemie zur exakten Wissenschaft. Seitdem wurde eine grosse Vielfalt an analytischen Methoden entwickelt. Chroniques de Saint-Denis/Wikimedia Commons
Flammenfärbung
Ein Holzstäbchen wird in eine Bunsenbrennerflamme gehalten und färbt diese gelb-orange.
Einige analytische Methoden dienen dazu, Elemente zu identifizieren, doch ihre Konzentration in einer Probe bestimmen können sie nicht. Dazu zählt die Flammenfärbung durch Metalle und Metallsalze. Hier wird zum Beispiel ein Holzstäbchen, das in eine Lösung von Kochsalz (Natriumchlorid) getaucht war, in eine Flamme gehalten. Dadurch färbt sich die Flamme auf typische Weise gelb-orange und zeigt dadurch die Anwesenheit des Elements Natrium an. CanStockPhoto
Titration
Erlenmeyerkolben mit pink eingefärbter Probelösung, darüber eine Bürette mit Masslösung.
Eine Methode zur Konzentrationsbestimmung von Analyten ist die Titration. Manche Stoffe lassen sich nämlich in flüssiger Lösung mit einer chemischen Reaktion nachweisen. Tropfenweise wird eine zweite Flüssigkeit zugegeben, die einen bekannten Reaktionspartner des Analyten enthält. Wenn der Analyt vollständig mit dem Reaktionspartner reagiert hat und verschwunden ist, zeigt ein deutlich sichtbarer Effekt den Endpunkt der Reaktion an: Die Farbe der Lösung ändert sich, oder ein Stoff fällt aus und trübt die Lösung. Aus der Menge des verwendeten Reaktionspartners kann die Konzentration des Analyten errechnet werden. CanStockPhoto
Gravimetrie
Schematische Darstellung dreier Reagenzgläser, im ersten das flüssige Reagenz, im zweiten die Suspension mit dem Analyten, im dritten das Präzipitat mit dem Überstand.
Bei der Gravimetrie reagiert ein gelöster Analyt mit einem flüssigen Reagenz von bekannter Masse zu einem festen Stoff. Dieser setzt sich als Niederschlag am Boden des Gefässes ab. Sobald die restliche Flüssigkeit (der Überstand) entfernt ist, kann man den Niederschlag wiegen und daraus die ursprünglich vorhandene Menge des Analyten bestimmen. Clever Clog/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Spektroskopie
Medizinisches Gerät zur Kernspinresonanzspektroskopie
Eine wichtige Gruppe analytischer Methoden sind die verschiedenen Arten von Spektroskopie. Dabei wird die Strahlung analysiert, die eine Probe aussendet, wie zum Beispiel die Farbe und Hitze einer Flamme. Andere spektroskopische Methoden untersuchen, wie Atome und Moleküle auf die Anregung durch elektrische oder Magnetfelder reagieren. Eine Spektroskopie-Methode der Medizin ist die Kernspinresonanzspektroskopie. Diese benötigt aufwendigen Apparaturen, mit denen ein starkes Magnetfeld aufgebaut wird, das mit den Atomen in der Probe bzw. im Menschen wechselwirkt. So können Strukturen innerhalb des menschlichen Körpers identifiziert und untersucht werden. CanStockPhoto
Photometrie
Mikrotiterplatte, deren Vertiefungen mit Flüssigkeiten in verschiedenen Farbabstufungen von gelb bis blau gefüllt sind
Bei der Photometrie wird mit chemischen Farbreaktionen gearbeitet. Eine Flüssigkeit wird mit einer oder mehreren Reagenzien versetzt. Ist der Analyt vorhanden, färbt sich die Flüssigkeit. Je höher die Konzentration des Analyten ist, desto stärker fällt die Farbreaktion aus. Anschliessend misst man die Absorption der Flüssigkeit in einem Spektrophotometer. Je stärker die Farbe, desto mehr Licht wird durch die Flüssigkeit absorbiert und kann nicht durchscheinen. Die Absorption wird bei genau der Wellenlänge gemessen, welche der jeweiligen Farbe entspricht. Helito/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Elektroanalytische Methoden
Apparatur zur KF-Titration: Fünf Flaschen mit chemischen Lösungen, in denen Elektroden stecken, die über Schläuche und Kabel miteinander verbunden sind
In der Elektroanalytik wird die Konzentration von Analyten mithilfe von elektrischen Strömen oder Spannungen bestimmt. Eine Methode ist das Karl-Fischer-Verfahren, welches eine Kombination aus Titration und Coulometrie ist, bei der Elektrizität gemessen wird. Während der Methode erfolgt eine Reaktion zwischen Schwefeldioxid (SO2), Iod (I2) und dem Wasser der Probe. Sobald das Wasser verbraucht ist, fliesst kein Strom mehr. Dann kann mit der Menge an verbrauchten Reagenzien (SO2 und I2) der Wassergehalt berechnet werden. Mit dieser Methode kann zum Beispiel die Wasserkonzentration von Butter bestimmt werden. Datamax/Wikimedia Commons
Chromatographie – Die Methode
Grafische Darstellung dreier Chromatographiesäulen. Bei der ersten liegt das Probengemisch als Tropfen auf der Säule, bei der zweiten und dritten wird gezeigt, wie unterschiedliche Bestandteile unterschiedlich schnell durch die Säule wandern und sich dabei auftrennen.
Die Chromatographie ist eine wichtige Methode, um Stoffe in einer Probe voneinander zu trennen. Man verwendet dazu eine Säule, also ein Röhrchen, das mit einer sogenannten „stationären Phase“ aus geeignetem Material gefüllt ist (z. B. Silikagel). Durch diese Säule lässt man eine „mobile Phase“ (eine Flüssigkeit oder ein Gas mit bekannter Zusammensetzung) fliessen. Am Ende des Röhrchens befindet sich ein Messgerät, der Detektor. Damit die Analyten gemessen können, müssen sie einzeln beim Detektor ankommen. Dazu lässt man sie zusammen mit der mobilen Phase durch die Säule fliessen. Die in der Probe enthaltenen Analyten fliessen dabei mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und gelangen nacheinander zum Detektor, da sie in der Säule unterschiedlich stark zurückgehalten werden. AC1 31/Wikimedia Commons
Chromatogramm – Das Ergebnis
Chromatogramm einer Wasseranalyse; die wichtigsten Peaks sind Fluorid, Chlorid und Sulfat, kleinere erscheinen u.a. für Nitrit und Nitrat
Das Chromatogramm ist das Ergebnis der Chromatographie. Hier sieht man das Ergebnis einer Trinkwasseranalyse mittels Ionenchromatographie. Jede der Kurven, die auch Peaks genannt werden, stammt von einer gelösten Substanz. Die Fluorid-Ionen kamen besonders schnell beim Detektor an, nämlich bereits nach ca. 6 Minuten (verdeutlicht durch den Peak links aussen). Die Sulfat-Ionen brauchten am längsten mit ca. 28 Minuten. Bei der Ionenchromatographie misst der Detektor die elektrische Leitfähigkeit der Probe: Wenn eine Substanz beim Detektor ankommt, steigt die Leitfähigkeit der Flüssigkeit kurzzeitig an. Wenn gleichzeitig Standardlösungen mit bekannter Konzentration gemessen werden, kann die Konzentration der Substanzen in der Probe anhand der Grösse ihrer Peaks bestimmt werden. Metrohm AG/Wikimedia Commons
Elektronenmikroskopie
Rasterelektronenmikroskop in einem Labor der tschechischen Akademie der Wissenschaften, Prag
Für viele Analysemethoden sind gasförmige oder flüssige Proben nötig. Daher müssen feste Proben oft vor der Messung in Wasser gelöst werden. Doch es gibt auch einige analytische Methoden, mit denen feste Proben wie Gesteine oder kleine Organismen direkt untersucht werden können. In einem Rasterelektronenmikroskop werden die Proben in einem Vakuum mit Elektronen beschossen. Diese geben dadurch ebenfalls Elektronen ab, welche detektiert werden. Damit können nicht nur Oberflächen detailliert abgebildet werden, es kann sogar festgestellt werden, welche Elemente in der Probe enthalten sind. Tadeáš Bednarz/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Massenspektrometrie
Gerät zur Massenspektrometrie
Mit Massenspektrometrie können die Masse und die Häufigkeit von bestimmten geladenen Teilchen in einer Probe ermittelt werden. Die Analyten werden dafür ionisiert und in einem Magnetfeld im Vakuum nach Masse aufgeteilt. Diese Methode wird auch für die Detektion von stabilen Isotopen verwendet, wie in der Galerie Stabile Isotope beim Bild „Prinzip der Isotopenanalyse“ erläutert.CanStockPhoto
Bodenanalyse
Frau im Laborkittel auf einem Feld hält einen Tablet-Computer in der Hand und betrachtet ein Glas mit einer Bodenprobe
Mit chemischen Analysemethoden können verschiedenste Substanzen in Böden bestimmt werden: zum Beispiel, ob der Boden viele Mineralien oder viel organisches Material enthält, oder ob eine Kontamination mit Schadstoffen vorliegt. CanStockPhoto
Trinkwasser
Stausee bei Gijón in Spanien
Trinkwasser wird oft aus Seen oder Grundwasser gewonnen. Bevor es aber tatsächlich in unsere Leitungen fliesst, wird in Trinkwasseraufbereitungsanlagen die Wasserqualität überprüft beziehungsweise verbessert. Bestimmte Substanzen im Wasser, vor allem natürlich bekannte Schadstoffe, dürfen festgelegte Grenzwerte nicht überschreiten, damit das Wasser ohne Bedenken getrunken werden kann. CanStockPhoto
Abwasser-Analyse
Klärbecken einer Abwasserreinigungsanlage unter freiem Himmel
Im Abwasser von Haushalten und Gemeinden lassen sich zahlreiche verschiedene Stoffe aufspüren. So kann man einiges über die Gewohnheiten der Menschen herausfinden, welche das Abwasser produziert haben. Beispielsweise können nach grossen Open-Air-Festivals erhöhte Mengen von Kokain oder Ecstasy und ihren Abbauprodukten im Wasser nachgewiesen werden. Daraus lässt sich schliessen, welche Drogen bevorzugt konsumiert wurden. CanStockPhoto
Medikamente
Ein braunes Arzneifläschchen, Arnikablüten, Mörser und Pistill
In der Medizin ist analytische Chemie unter anderem wichtig, um pflanzliche Wirkstoffe zu identifizieren, damit man sie für Medikamente verwenden kann. CanStockPhoto
Qualitätskontrolle
Eine Regalbrett voll Chemikalienflaschen. Etiketten nicht im Bild oder nicht lesbar, selektiver Fokus auf der vordersten Reihe von Flaschen
Chemie- und Pharmaunternehmen müssen sicherstellen, dass die Chemikalien und Medikamente, die sie verkaufen, von optimaler Qualität sind. Regelmässig werden bei den verschiedenen Herstellungsschritten Proben genommen und chemisch analysiert. Bei dieser Qualitätskontrolle wird unter anderem sichergestellt, dass die Produkte keine Verunreinigungen enthalten. CanStockPhoto
Lebensmittelanalyse
Nahaufnahme gerösteter Kaffeebohnen auf einer Steinplatte, Jutesack mit weiteren Bohnen im Hintergrund
Die Inhaltsstoffe und Nährwerte von Lebensmitteln werden mit analytischen Methoden bestimmt. Dies betrifft Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Ballaststoffe und andere Stoffe. Zum Beispiel kann mit einer photometrischen oder auch einer chromatographischen Methode bestimmt werden, wie viel Koffein in einer Kaffeesorte steckt. CanStockPhoto
Diagnostik-Teststreifen
Hände in Einweghandschuhen halten ein Reagenzglas mit Urinprobe, einen Teststreifen mit verschiedenfarbigen Feldern und das Teststreifenglas mit dem Farbcode zur Auswertung der Streifen.
Eine einfache und schnelle Methode zur Analyse von flüssigen Proben sind Teststreifen. Sie arbeiten mit Farbreaktionen: Wenn der Streifen mit der Flüssigkeit benetzt wird, nehmen die kleinen Testfelder beim Vorhandensein bestimmter Analyten eine andere Farbe an. So können zum Beispiel verschiedene Substanzen in Urinproben schnell detektiert werden. Man findet dadurch heraus, ob die Werte in einem normalen Bereich liegen oder eine Krankheit anzeigen. Unter anderem können Eiweisse, Zucker, Nitrit, Blutkörperchen und der pH-Wert untersucht werden. CanStockPhoto
Forensik
Person in Ganzkörper-Schutzanzug kniet mit einem Pinsel auf der Erde, zwei weitere Stellen sind mit kleinen gelben Schildchen markiert
In der Forensik werden von Tatorten Proben genommen, zum Beispiel, um giftige Substanzen zu identifizieren oder um Spuren zu finden, die zum Täter oder der Täterin führen können. Und auch bei gerichtsmedizinischen Untersuchen wird das Blut der Leichen auf Drogen, Gifte und andere Substanzen untersucht. CanStockPhoto
Fortschritte in der Analytik
Eine Frau und ein Mann in Labormänteln und mit Schutzhandschuhen pipettieren Proben
Heute ist in der analytischen Chemie bereits sehr viel möglich. Viele Substanzen können in äusserst kleinen Konzentrationen nachgewiesen werden. Und immer noch werden neue Methoden entwickelt oder vorhandene verbessert, um noch mehr Analyten zum Beispiel auch mit biochemischen Methoden in noch kleineren Konzentrationen bestimmen zu können. CanStockPhoto