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Einführung in die Instrumentelle Analytik - DerChemieFuchs
Das Wichtigste aus dem Video
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Transkriptautomatisch erstellt · 190 Zeilen
- So liebe Leute, lang ist her, aber heute spreche ich mit euch mal über die instrumentelle Analytik. Das ist ein
- Bild aus meiner Laborzeit, wo ich selbst in vielen Abteilungen tätig war, die sich mit der instrumentellen Analytik
- beschäftigt haben. Deswegen gebe ich euch heute so eine kleine Einführung, dass versteht, welche Methoden es da so
- grundlegend gibt und worauf es eigentlich bei der instrumentellen Analytik so ankommt. Mehr dazu nach dem
- Intro. Wir halten erstmal fest, dass die instrumentelle Analytik der Ermittlung
- von physikalischen und chemischen Parametern dient. Das heißt, ich habe eine Probe, wo ich dann bestimmte
- Parameter dieser Probe messen möchte und das mache ich mit meistens mit Hilfe von speziellen Geräten und speziellen
- Aufbauten. Natürlich ist die instrumentelle Analytik aufgrund ihrer Vielseitigkeit und ihrer Vielseitigkeit
- vor allem in der Verwendung und Anwendung aus heutigen Laboren gar nicht mehr wegzudenken. Sie ist ein wichtiger
- Bestandteil der chemischen Laborpraxis und eigentlich fast jedes größere Laboratorium, das irgendwas herstellt
- oder analysiert, nutzt instrumentelle Analytik, um ihre Qualität sicherzustellen. Typische
- Anwendungsgebiete, in denen ich auch die instrumentelle Analytik schon benutzt habe, sind einerseits die
- Lebensmittelsicherheit. Alle Lebensmittel, die auf z.B. Schadstoffe untersucht werden, werden mit Hilfe von
- instrumenteller Analytik untersucht. Aber natürlich auch jeder gängige Chemiekonzern nutzt instrumentelle
- Analytik, insbesondere also auch die Pharmaindustrie. Wichtige Methoden, die dabei zum Einsatz kommen, die wir uns
- auch schon in anderen Videos kennengelernt haben, sind einmal die Spektroskopie und vor allem die
- Chromatografie. bei unheimlich wichtige Verfahren, die ich auf diesem Kanal noch mal näher vorstellen werde. Wie man an
- diesem Thema schön sehen kann, ist natürlich die instrumentelle Analytik, nicht bloß das reine Messen. Na, wer
- schon mal so ein Labor kennengelernt hat, der weiß eben auch, dass da eine ganze Menge anderes noch dazu gehört,
- denn man muss ja erstmal seine Probe in eine messbare Form bringen. Das passiert in der sogenannten Probenvorbereitung.
- Das heißt, sehr oft wird die Probe, die man untersuchen möchte, noch mal zerkleinert, aufgelöst, mit bestimmten
- Substanzen versetzt und dann eben der eigentlichen Messung zugeführt. Messung wird dann ausgewertet und das Ergebnis
- noch mal analytisch bewertet. Das heißt, man guckt noch mal, okay, hat man auf diesem Weg von der eigentlichen Probe
- über die Aufarbeitung bis zur Messung alles richtig gemacht und dem Qualitätsmanagement konform gearbeitet.
- Jetzt kann man sich natürlich fragen, wieso die instrumentelle Analytik für die Pharmazeuten, genau gesagt für die
- Pharmaestudierenden, eigentlich so wichtig ist. Allgemein ist es erstmal Teil der Approbationsordnung für
- Apotheker. Das heißt, es gehört zum Berufsbild des Apothekers dazu, dass er sich mit solchen Sachen auskennt. Hier
- das Ganze als rechts nach weiß. Und ich habe euch das Ganze mal nicht eins zu eins im Wortlout, aber zumindest
- sinngemäß mal übernommen. Das heißt, es geht allgemein im Sinn dieses ganzen Schemas darum, dass die Pharmazeiten
- genau gesagt die Apotheker fundierte Kenntnisse über die Verfahren haben sollen und sozusagen dann verstehen und
- wissen, was diese Verfahren eigentlich sind, wo sie angewendet werden und auch wofür man sie nutzt. genauer gesagt eben
- auch was alles getan werden muss, um eine entsprechende Qualität zu sichern, vor allem eben der Ergebnisse und diese
- Verfahren eben vor allem einer Validierung zu unterziehen. Das heißt, das Ganze ist natürlich dann auch
- wichtiger Bestandteil der Farmproduktion, denn ohne Qualitätssicherung, gerade bei der
- Herstellung von Medikamenten, was ja sehr strengen Richtlinien unterliegt, würden die pharmazeutischen Produkte
- lange nicht so gut sein, wie sie z.B. von qualifizierten Herstellern sind. müssen also auch hier darauf achten,
- dass da die entsprechenden Namen Maßnahmen eingehalten werden und sich auch die instrumentelle Analytik einer
- entsprechenden Qualitätssicherung unterzieht. Ich hatte eingangs ja schon erwähnt, dass die instrumentelle
- Analytik sehr leistungsfähig ist und dass sie aber auch vor allem sehr vielseitig ist. Einer der Bereiche, in
- dem sich das Ganze zeigt, ist vor allem die Anwendung, denn einerseits natürlich ist das erstmal in der
- Reinheitskontrolle wichtig, denn wir können auf diese Weise gucken, ob die Sachen, die wir z.B. hergestellt haben,
- die Reinheitzskriterien erfüllen. Das gilt einerseits für die Hauptkomponenten. Als Beispiel, wenn ich
- eine Aspirin Stammzubereitung habe, sei z.B. in Tablettenform, dann möchte ich nicht nur wissen, okay, wie viel Aspirin
- habe ich da drin, sondern wie sieht's auch aus mit Rückständen, Hilfstoffen oder z.B. auch Schadstoffen? Dann
- natürlich geht's grundlegend darum, dass man physikalische und chemische Eigenschaften an der Probe erstmal
- bestimmt. Das kann z.B. ein neuer Wirkstoff sein, den man sozusagen zulassen möchte, indem man erstmal
- guckt, okay, wie sieht's dann eigentlich aus mit Schmelztemperatur, Löslichkeit, Leitfähigkeit kann ein Thema sein, aber
- auch generell die Verträglichkeit mit z.B. für anderen Stoffen oder Matrizes. Das kann einerseits wichtig sein für die
- generelle Produktion, dass die Pharmaindustrie sozusagen gucken kann, wie ganze diesen Stoff in einem größeren
- Maßstab herstellen. Das kann aber auch allgemein wichtig sein dann in der Formulierung, wenn es darum geht, diesen
- Wirkstoff in einer als Neiform zu überführen. Natürlich ist die instrumentelle Analytik ganz normale
- Routine heutzutage in allen möglichen Produktionsbetrieben, die das eben als Teil ihrer Qualitätssicherung nutzen.
- Aber natürlich eine äußerst wichtige Aufgabe der instrumentellen Analytik ist auch die Identifizierung überhaupt erst
- von als neif Hilfs und Startstoffen. Das kann z.B. im Rahmen einer Produktionskette eine wahren
- Eingangskontrolle sein, dass sozusagen erstmal alle Stoffe, die für die Produktion erstmal freigegeben werden
- müssen, vorher ins Labor kommen und z.B. da einer IR oder einem Spektroskopie unterzogen werden, bevor sie eben für
- die Produktion freigegeben werden. Ganze ist natürlich auch für die entsprechenden Hilfs und Schadstoffe,
- denn es ist ja auch wichtig für sein Produkt dann zu wissen, was gehört da rein, aber manchmal eben auch was gehört
- da eigentlich nicht rein. Wenn man von instrumenteller Analytik spricht, dann gibt's da so drei Grundprinzipien, über
- die man sich ganz gerne mal Gedanken macht. Für mich sind das unter anderem erstmal die Frage, was liegt vor, also
- die qualitative Analyse. Darüber geht's also darum herauszufinden, was liegt in meiner Probe eigentlich vor. Dann
- natürlich die andere wichtige Frage ist, wie viel liegt eigentlich vor, wo es dann um die quantitative, also die
- mengenmäßige Verfassung meiner Substanzen geht. Das wird hier z.B. mit einer GCMS gemacht. Eine dritte Frage,
- die sich viele gar nicht stellen, die aber mindestens genauso wichtig ist, ist wie sicher ist das Ergebnis eigentlich?
- Denn wie ich schon eingangs erwähnt hatte, jede Methode in lang [musik] dieser großen Kette des Analyseprozesses
- ist natürlich fehleranfällig und am Ende müssen wir sozusagen gucken, okay, wie sicher kann ich dieses Ergebnis
- eigentlich angeben, was ich dadurch gewonnt habe. Also Qualitätssicherung spielt hier eine wichtige Rolle. Wir
- schauen uns nun noch mal in den einzelnen drei Grundprinzipien die wichtigsten Kennpunkte an. Das heißt,
- wir fangen mit den qualitativen Merkmalen mal an. Allgemein fängt man erstmal an grundlegend seine Substanz zu
- identifizieren, ne? Wenn ich einen Arzneoff oder eine Grundlage für einen Wirkstoff in die Produktion geben
- möchte, muss ich diesen natürlich vorher auf seine Identität hin bewiesen haben, dass ich den überhaupt erst freigeben
- kann. Ich muss da sicher sein, dass am Ende auch das rauskommt, was ich vom Maßstoff möchte. Es kann aber genauso
- wichtig sein, auch seine Matrixbestandteile zu kennen, zu wissen, okay, was habe ich dann in der Matrix
- eigentlich drinne? Haben sich meine Stoffe während der Produktion umgewandelt? Sind da irgendwelche
- anderen Sachen reingekommen? Hat es einfach irgendeine Veränderung gegeben? Denn oftmals werden Stoffe in der
- Produktion bestimmten Bedingungen ausgesetzt, sei es eine bestimmte Temperatur, ein pH-Wert oder auch die
- Verwendung von Kursolventen, Lösungsmitteln etc. Dann kann es durchaus passieren, dass diese Stoffer
- sich verändern und ich muss dann am Ende nachweisen können, dass es noch das ist, was ich möchte. Aber auch
- produktionsbedingte Kontaminanten können wichtig sein. Das ist z.B. auch in der Lebensmitteltechnologie wichtig, dass
- man z.B. Beweis. Okay. Wenn bestimmte fettlösliche Lebensmittel oder Lebensmittelgrundlagen über
- Produktionsketten laufen, kann es passieren, dass da durchaus auch Bestandteile von der Produktion
- reinkommen. Seiß Metallsplitter, Mineralöl etc. Weitere unerwünschte Sachen sind natürlich auch
- Verunreinigungen, z.B. aus der Synthese. Das heißt, sprich, wenn am Ende meiner Produktionskette ein veränderter
- Wirkstoff da steht, muss ich natürlich dann noch nachweisen können, sind da noch Nebenprodukte drin oder eben nicht.
- Erstmal hier nur rein qualitativ. Typische Methoden, um diese qualitativen Merkmale zu überprüfen, sind in der
- instrumentellen Analytik vor allem die IR und die NMR Spektroskopie eignen sich hervorragend für die Bestimmung
- organischer Stoffe. Wenn es dann um die anorganischen Stoffe geht, z.B. eben für Schwemmetalle oder auch
- Katalysatorrückstände, die oft auf metallen basieren, dann hat sich vor allem die ICP geeignet. Ich habe zur EZP
- schon [musik] ein eigenes Video gemacht. Eine Methode, die sowohl für anorganische als auch für organische
- Substanzen hervorragend funktioniert, ist die Massenspektrometrie, die man gleichzeitig auch zu einer quantitativen
- Methode nutzen kann. Neben den qualitativen Merkmalen kommen wir jetzt auch zu den quantitativen Merkmalen. Es
- geht also um die Leitfrage, wie viel ist denn meiner Probe eigentlich enthalten und mögliche Gehalte, die ich da
- bestimmen möchte, sind natürlich einerseits mein Substanzgehalt, um überhaupt einen Gehalt angeben zu
- können. Sprich, wenn ich eine bestimmte Reinheit ein Stoff was wissen möchte, muss ich diesen natürlich messen und
- dann am Ende angeben zu können. Okay, meine Charge hat z.B. 99 % Reinheit. Das Ganze wird mit quantitativen Methoden
- gemacht. Es kann aber eben auch gut sein, bestimmte unerwünschte Produkte, z.B. Verunreinigung oder Kontaminanten
- zu quantifizieren, zu wissen, okay, wie viel ist da eigentlich drin? Kann ich diese Konzentration vertreten oder muss
- ich diese Konzentration eventuell nachbessern durch eine weitere Aufreinigung durch einen anderen
- Produktionsschritt oder indem ich bestimmte Produktionsaftläufe gar nicht mehr durchlaufe und auf diese Weise
- meine Produktion umstelle? Um das sozusagen herauszufinden, muss ich natürlich auch wissen, wie viel habe ich
- von diesen unerwünschten Sachen in meinen Proben drin, um dann eben sagen zu können, okay, muss ich eben Maßnahme
- ergreifen oder eben nicht. Das gleiche gilt natürlich auch für meine Matrixbestandteile. Wenn ich Hilfstoffe
- in meiner Pharmapproduktion einsetze, müssen auch die natürlich bestimmte Reinheitskriterien erfüllen, die ich mit
- quantitativen Merkmalen z.B. nachmessen kann. Wichtige Methoden, um eine quantitative Bestimmung durchzuführen,
- sind vor allem heutzutage die HPLC, das ist sozusagen die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie,
- die GC, das ganze noch mal als Gas Chromatografie und auch die UPLC. Die UPLC könnt ihr euch als ja die große
- Schwester der HPLC vorstellen. Das ist also eine Weiterentwicklung, wo man sozusagen aus dem Highperformance eine
- Ultra Performance macht. Das Ganze ist noch mal schneller, noch mal teurer und noch mal empfindlicher. Dazu kommt noch
- eigene Videos. Wir kommen zum dritten Aspekt des Grundprinzips in der, ich nenn es mal ausführlicheren Betrachtung.
- Das sind die Merkmale zur Qualitätssicherung. Erstmal ist die Qualitätssicherung, so nervig sie auch
- im Labor sein kann, das kann ich euch sagen, unerlässlich für zuverlässige Ergebnisse, denn sie umfasst generell
- die Festlegung und Einhaltung bestimmter Standards. Diese Standards kann man sich selbst auferlegen, indem man sagt: "Hey,
- ich möchte den und den Anspruch an meiner Arbeit und mich haben." Oder aber diese Sprüche werden von außen
- festgelegt, sei z.B. durch Alsneibücher oder bestimmte Kommissionen, z.B. die FDA, die z.B. für bestimmte Standards
- festlegt, die auch für unseren europäischen Markt gelten. Bei uns natürlich geht's aber eben auch darum,
- die Vorgaben des europäischen für bestimmte pharmaceutische Prozesse zu erfüllen. Beispiel von Maßnahmen, die
- ich ergreifen kann, um diese Qualitätssicherung sicherzustellen, ist z.B. die Durchführung von
- mehrfachbestimmungen. Eine Sache, die im Labor leider gerne mal vergessen wird, denn aus Zeitgründen machen viele
- maximale Einfachbestimmung. Aber fragt euch mal selbst, wie sicher könnt ihr euch sein, wenn ihr eine Sache einmal
- macht und z.B. davon ausgehen müsst, dass ihr da schon Fehler gemacht habt? Das ist also die Lösung, mindestens eine
- Doppelbestimmung. Das heißt, die gleiche Probe noch mal messen oder im besten Fall eine dreifachbestimmung. Auf diese
- Weise könnt ihr sozusagen bei dreimal hintereinander gucken, okay, passen die Werte hinsichtlich Vergleichbarkeit,
- hinsichtlich Standardabweichung und z.B. auch dem Mittelwert. Andererseits könnt ihr für jede eurer Methode z.B.
- bestimmte Qualitätsparameter feststellen, sei es Spezivität und Selektivität. Besonders wichtig nachweis
- und Bestimmungsgrenzen, denn auch jede Analysemethode hat ihre Grenzen, in der sie sozusagen Sinn macht oder angewendet
- werden kann. Und diese Grenzen mal gemessen zu haben, ist sehr hilfreich, um zu wissen, darf
- ich die Methode überhaupt anwenden oder nicht. Und natürlich eine Sache, wie man sich intern noch mal absichern kann, ist
- die Verwendung von internen Standards beim Aufarbeiten und Messen. Das bedeutet, ich setze z.B. meinen Proben
- bewusst Stoffe zu, die ich in der Analyse sozusagen wiederfinden möchte, die aber meiner Probe eigentlich gar
- nicht drin sind. mal zustand, um zu schauen, wie gut kann mein Gerät diese Stoffe, die ich absichtlich zugesetzt
- habe, überhaupt noch nachweisen. Wir kommen nun zu dem Punkt, welche Methoden mein eigentlich unterscheidet in der
- instrumentalen Analytik und erstmal vorne weg, da gibt's eine ganze Menge. Für mich persönlich gibt's da drei
- Hauptkategorien, in die man das Ganze einteilen kann. Manche sagen, es gibt noch ein paar mehr, aber für mich sind
- diese drei erstmal ausschlaggebend. Als sehr wichtigen und sehr großen Bereich haben wir die Chromatografie, wo es
- erstmal darum geht, ein Stoffgemisch erstmal zu aufzutrennen und dann eben zu analysieren und dabei nutzen wir
- chromatografische Verfahren. Typische Beispiele sind die Dünschicht chromatografie, die klassische
- Säulenchromatografie, die allerdings nicht mehr so eingesetzt wird, da es mittlerweile bessere Verfahren gibt, wie
- z.B. die HPLC. Ihr könnt euch die HPLC jetzt eine automatisierte und hochmoderne klassische Säulenkantografie
- vorstellen. Dann natürlich die große Schwester, die UPLC, Weiterentwicklung, die Gaskromatografie, aber auch die
- Ionenchromatografie eben besonders wichtig für die Analyse von z.B. Salzen. Natürlich gibt's da noch diverse
- Weiterentwicklungen und Kopplungen, z.B. eben die ECMS bzw. die GCMS. Ich kann also auch einen Chromatografen vor einem
- Massenspektrometer schalten und auf diese Weise die qualitative und quantitative Analyse in einem Prozess
- darstellen. Der zweite große Bereich ist die Spektroskopie. auch unheimlich wichtig und aus den instrumentellen
- Laboren überhaupt nicht mehr wegzudenken. Da geht's darum, dass man seine Probe erstmal grundlegend mit
- Licht wechselwirken lässt und dann eine bestimmte physikalische Reaktion daraus dann ableitet, um auch seine
- Substanzeigenschaften zu schließen. Dazu zählen vor allem die ER und Ramanpektroskopie hervorragend für die
- Strukturaufklärung organiser Verbindungen. Genauso UVWS bzw. Photometrie, die klappt für organische
- und anorganische Stoffe. Eine Mirspektroskopie eigentlich der Klassiker letztlich, wenn man eine
- Struktur eines z.B. mit unbekannten Stoffes einer organischen Verbindung bestimmen möchte. Polarimetrie ist
- besonders interessant für Zucker und Aminosauren, also Stoffe, die das polarisierte Licht sozusagen drehen
- können. Die Massenspektrometrie, die ist universell einsetzbar bei anorganischen und organischen Stoffen, vor allem eben
- in der Kopplung mit z.B. der LC oder GC. Dann haben wir die ICP OEES bzw. ICPMS, wie ich vorhin schon meinte, die ist
- besonders interessant für Metalle, z.B. eben Steinmetalle, die man auch noch mit Hilfe der Massenspektrometrie auch noch
- quantifizieren kann. Außerdem wichtig z.B. für die Metallanalyse oder z.B. auch den Nachweis von z.B. bestimmten
- Elementen in Futtermitteln ist die Rönkenflurresistenz. Dabei kann man ebenfalls noch mal gucken, welche
- bestimmten Metalle man in welchen Proben wiederfindet. Der dritte Größe Bereich ist die Elektrochemie. Da geht's
- allgemein darum, dass man elektrochemische Reaktionen und Verfahren nutzt, um bestimmte Proben
- nachzuweisen. Die Matrix dafür ist sehr of wäsrig, da man ja Ionen braucht für diese Reaktion, die z.B. dann in einer
- besseren Lösung mit Strom in Reaktion gebracht werden. Dazu zäh die Konduktometrie eignet sich gut zur
- Bestimmung von Salzgehalten, die Potentiometrie, die im Grunde das gleiche kann, aber z.B. eben auch die
- Voltametrie und die Polarographie. Kommen wir nun zu einigen vor und Nachteilen der instrumentellen Analytik.
- Wie zu jeder Methode gibt es auch hier zwei Seiten der Medaille, die ich kurz mal darstellen möchte. Wir haben auf der
- Seite der Vorteile natürlich den unheimlichen großen Zeitfaktor. Heutzutage sind solche Methoden recht
- schnell. und man hat über Nacht meistens seine Ergebnisse. Auf lange Sicht spart ihr damit eine Menge Geld, da ihr z.B.
- sehr viel Geld für z.B. Material, was ihr mit vergleichbaren Methoden aufwendig im Labor machen würdet,
- einspart und auf diese Weise das Ganze sich auf lange Zeit wirtschaftlich rentiert. Ihr bekommt ein zuverlässiges
- Ergebnis, da ihr natürlich durch eine Menge Maßnahmen der Qualitätssicherung das Ergebnis absichern könnt, was das
- Ganze natürlich zuverlässig macht, als wenn ihr z.B. im Labor einer klassischen Methode mit z.B. für Glasgeräten immer
- die Gefahr hab, dass etwas kontaminiert werden kann. Ihr bekommt sehr oft eine vollumfängliche Analyse. Das heißt, ihr
- könnt quantitativ und qualitativ in einem Verfahren messen. Das geht z.B. mit der LCMS und der GCMS. Das heiß auch
- hier wieder braucht ihr nicht zwei Geräte kaufen. Ihr könnt einmal größeres Gerät kaufen, was ein weißes kann und
- ihr habt natürlich einen besseren Ergebnisvergleich durch Standardisierung. Heutzutage sind in der
- instrumentellen Analytik rund mit dem ganzen Erdball eine ganze Menge Verfahren standardisiert, sehr oft in
- Monographien und Leitwerken zur Lebensmittel undmittelsicherheit, s dass man da, wenn man bestimmte Wirkstoffe
- nicht kennt, auf entsprechende Datenbanken zurückgreifen kann, um bestimmte Parameter für seine Methode
- rauszukriegen. Das spart auch eine Menge Zeit und Recherche. Bei den Nachteil hat man natürlich die hohen Anschaffungs-
- und Betriebskosten. Solche Geräte können je nach Umfang mal eben locker mal 4 bis 500 000 € kosten. Das ist natürlich
- erstmal eine enorme Summe und dazu muss man natürlich noch Material kaufen. Man braucht Lösemittel regelmäßig, man
- braucht Spritzen entsprechende Kanülen, man braucht unter anderem auch kleine Probengläser, sogenannte Wils für die
- Chromatografie. Also da hängt eine ganze Menge Kosten dran. Ihr habt Kosten für Wartung, Techniker, Ersatzteile und so
- weiter. Teilweise sind die Methoden recht komplex. Gerade wenn ihr dann z.B. solche Methoden habt wie UPLC, MSMS dann
- noch mal mit nachgeschalteten Massenspektrometern, Quantropolen und so arbeiten. Da sind die Spektrin, die da
- rauskommen, auch teilweise sehr komplex. Das macht die Auswertung auch sehr schwierig und je nach Matrixffekt kann
- das Ganze schon ziemlich harig werden. Und als letzten Nachtepunkt habe ich hier mal den hohen Aufwand in der
- Qualitätssicherung erwähnt, denn jeder der schon mal in so einem ab Labor entsprechend gearbeitet hat, weiß was
- für eine Arbeit das sein kann und auch wie nervig das teilweise ist bei Audits oder so, wenn man den ganzen Kram wieder
- rauspackt und dann alles entsprechend nachweisen muss. Gehört natürlich zu zuverlässigen Ergebnissen dazu. Ist aber
- manchmal bei manchen Betrieben in der Praxis nicht so schön umgesetzt. dass das eigentlich ein mal manchmal die
- Haare zu Berge stehen lässt. Ich hoffe, das Video war euch eine Hilfe und hat euch gefallen. Gibt dem Video einen
- Daumen nach oben, schreibt in die Kommentare und abonniert den Kanal. Ich bedanke mich und bis zum nächsten Mal.
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