Die AAS ist eine Analyse-Methode, die es erlaubt Konzentrationen von Ionen in Flüssigkeiten zu bestimmen. In unserem Fall wurde Ca2+damit nachgewiesen und quantifiziert. Das Funktionsprinzip ist recht einfach. Die zu analysierende Flüssigkeit wird angesaugt und in einer Mischkammer zerstäubt. Hier wird sie mit Hilfe von einer Acetylengasflamme erhitzt bis zur Verdampfung und dabei teilweise thermisch zerlegt. Die verdampfte Substanz die sich nun in der Flamme befindet wird von einem Lichtstrahl passiert. Als Lichtquelle wurde in unserem Fall eine Calcium-Hohlkathodenlampe verwendet (es gibt auch Lichtquellen von kontinuierlichem Spektrum von 190-900 nm). Die Lampe besteht aus einer Kathode und einer Anode. Diese beiden Elektroden sind in einem Glaszylinder montiert, der ein Fenster hat, durch welches nur Licht vom Calciumspektrum dringen kann.
Der Zylinder ist mit Gas gefüllt. Die Anode besteht aus einem starken Wolfram- oder Nickeldraht. Durch eine angelegte Spannung von bis zu 600 V werden von positiv geladenen Gasionen Calciumatome aus der Kathode herausgeschlagen. Durch eigene Zusammenstöße der Calciumatome werden diese energetisch angeregt und senden bei ihrem Rückfall in den Grundzustand eine Lichtstrahlung mit spezifischer Wellenlänge für Calcium aus. Nachdem das Licht die Flamme durchstrahlt hat trifft es auf ein Spektralphotometer, das hier als Monochromator dient, aus dem Calciumspektrum also nur die Hauptresonanzlinie herausfiltert. Das Licht der Calciumhohlkathodenlampe fällt durch die Flamme und das Spektralphotometer auf einen Detektor. Dieser wandelt das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal um und gibt es als Extinktionswert aus.
Zerstäubt man Wasser oder eine Referenzlösung, die kein Calcium enthält in der Flamme, so wird hierbei der Gesamtanteil an Licht, der auf dem Detektor ankommt als 100 % Intensität bzw. 0 % Absorption oder Extinktion kalibriert. Wird nun eine Probe in der Flamme zerstäubt und verdampft, die Ca2+ enthält, so werden die Calciumsalzmoleküle dissoziieren und auch teilweise freie Calciumatome vorhanden sein, durch die Hitze der Flamme. Diese freien Calciumatome können dann das Licht der Hohlkathodenlampe absorbieren, da diese genau die Strahlung der Wellenlänge ausstrahlt bei dessen Energie Calciumionen angeregt werden können. Mit dieser Absorption sinkt jedoch die Gesamtstrahlungsintensität, die nach Durchtritt durch die Flamme und den Monochromator am Detektor gemessen wird unter 100 %, was als Extinktion x angezeigt wird. Die Messung erfolgt durch Bestimmung der Energiedifferenz zu 100 % durchgetretener Strahlungsintensität bei Wasser (reines Wasser enthält keine Calciumionen, die absorbieren könnten).
Es ist wichtig so viele freie Calciumatome wie möglich zu erzeugen. Dies ist abhängig von der Verdampfungstemperatur und somit von der Temperatur der Flamme. Dies ist zu beachten bei der Wahl der Substanz für die Verdampfungsflamme. Weiterhin ist ein möglichst langer Weg des Lichtes durch die Flamme nötig, weshalb die Flamme durch einen Schlitzbrenner erzeugt wird, der sie auf eine Länge von mehr als 10 cm bringt. Durch die dann das Licht fällt. Ein eingebautes Spiegelsystem verstärkt die Effekte und führt zu besserer Meßbarkeit. Durch die Bestimmung der erzeugten Extinktion verschiedener Ca2+ Konzentrationen in Lösung kann eine Kalibrierungsgerade erstellt werden, in der die Extinktion über der Calciumkonzentration aufgetragen wird. Die Rechnung erfolgt auf der Grundlage des Lambert- Beer`schen Gesetzes, da die Extinktion direkt proportional zur Calciumkonzentration ist. Mit Hilfe dieser Geraden und den Extinktionen unbekannter Calciumkonzentrationen können diese errechnet werden.
Diese Methode ist eine sowohl qualitative als auch quantitative Analysemethode. Hierbei kann der Energiegehalt von Substanzen durch Verbrennung und der dabei entstehenden Wärme ermittelt werden. Reinstsubstanzen können so anhand ihrer spezifischen Verbrennungswärme identifiziert werden. Bei den anstehenden Versuchen wurde nur eine quantitative Analyse durchgeführt. Bei der Verbrennung macht die Substanz alle Umwandlungsschritte bis zum gasförmigen Aggregatzustand durch und wird anschließend unter Oxidation mit Sauerstoff vollständig verbrannt. Das nennt man auch aschefreie Verbrennung. Die Probe wird in einer "Bombe" verbrannt, die aufgrund ihrer dicken Gefäßwand höheren Drücken standhält. Die Verbrennung wird gefördert, indem die Bombe über ein Ventil mit reinem Sauerstoff gefüllt wird und beginnt durch einen Zünddraht, der mit der Probe und einer Spannungsquelle in Verbindung steht. Diese Spannungsquelle stellt ein Kondensator dar, der durch Entladung den Draht zum glühen bringt und so die Verbrennung der Probe startet.
Es werden üblicherweise Mengen von 5-30 mg verbrannt. Die dabei entstehende Wärme wird über die Gefäßwand auf ein Thermoelement geleitet. Hierbei handelt es sich um ein Peltierelement, das nach dem Seebeck-Effekt arbeitet, also eine Energie [J] umwandelt in eine Thermospannung [V]. Diese Spannung wird dann von einem Schreiber aufgezeichnet, wobei man anhand der Schreibereinstellung die aufgezeichneten cm in V umrechnen kann.
Da jede Bombe aufgrund ihrer Gefäßwandbeschaffenheit die Wärme unterschiedlich stark leitet und somit bei gleicher Wärmeabgabe andere Spannungswerte aufgezeichnet werden, müssen alle verwendeten Bomben zunächst werden und deren spezifische Empfindlichkeit [J/mV] ermittelt werden. Diese Kalibrierung erfolgt mit Benzoesäure, deren Verbrennungswärme (= Energiegehalt) bekannt ist, mit 26470 J/g. Bei einer bekannten Masse Benzoesäure ist auch deren Energiegehalt bekannt. Wird diese nun in der Bombe verbrannt kann mit dem aufgezeichnete Spannungswert die spezifische Empfindlichkeit dieser Bombe errechnet werden. Bei Proben unbekannten Energiegehalts mit bekannter Masse, kann über die bei der Verbrennung aufgezeichneten mV und den Empfindlichkeitsfaktor der Bombe der Energiegehalt bestimmt werden. Pulver-Proben werden in Gelatinekapseln verbrannt, deren Gewicht vorher zu bestimmen ist. Über die Ermittlung des Eigenenergiegehalts von Gelatine in J/mg bei der Verbrennung einer Kapsel ohne Probe kann dann der Anteil an Energie, der von der Gesamtenergie (Kapsel mit Probe) abzuziehen ist, errechnet werden.
Die Differential- Scanning- Calorimetry ist eine Variante der Differenz-Thermoanalyse. Hierbei wird eine zu charakterisierende Substanz in einem abgeschlossenes System einer definierten Temperaturänderung unterworfen. Die dabei freigesetzte bzw. verbrauchte Energie [J] (einer exothermen oder endothermen Reaktion, die dabei entsteht) wird gemessen und über ein Peltier-Element, das nach dem Seebeck-Effekt arbeitet in mV ausgegeben an einen Schreiber, der diese Spannungsschwankungen auf Papier aufzeichnet.
Die Energieänderung beruht auf keiner Reaktion der Substanz mit einem anderen Stoff, bspw. Der Luft im Gefäß, sondern auf einer internen Phasenumwandlung in einen anderen Aggregatzustand oder in eine andere Kristallform. Bei Erhöhung der Temperatur würde schließlich ein Übergang der Probe stattfinden, der einer vollständigen Verbrennung entspricht. Die Differenz wird ermittelt zu einer Referenzsubstanz, bei uns Luft, von der bekannt ist, dass sie im durchlaufenden Temperaturintervall keinerlei Phasenumwandlungen durchmacht also von der zugeführten Energie in Form von Wärme nichts verbraucht oder nichts zusätzlich freigesetzt wird.
Jede Substanz hat für jede Phasenumwandlung einen charakteristischen Energieverbrauch oder eine charakteristische Menge Energie, die freigesetzt wird im Vergleich zur Referenzsubstanz. Außerdem beginnt diese Umwandlung bei einer ganz spezifischen Temperatur, der Peakonsttemperatur. Also werden 2 Parameter meßbar: 1. die Umwandlungsenergie der unbekannten Substanz dH [J/g] und 2. die Peakonsettemperatur [°C]. Mit diesen zwei Parametern sind unbekannte Substanzen durch Vergleich mit Literaturwerten identifizierbar. Nimmt man von einer Substanz alle Umwandlungsenergien aller Phasenumwandlungen auf und addiert diese, so kann man den gesamten Energiegehalt, der in einer Substanz steckt ermitteln, wie bei der Verbrennungskalorimetrie.
Die Kapillarelektrophorese dient zum qualitativen und quantitativen Nachweis von Ionen kleiner Molekulargewichte und beruht wie alle Elektrophoresen auf einer Substanztrennung in einem elektrischen Feld durch anlegen einer elektrischen Spannung. Hierbei gibt es zwei Puffertanks, die mit einer puffergefüllten Kapillare verbunden sind. Je nach Ladung, Ionenradius und Viskosität der Lösung wandern die verschiedenen Ionen unterschiedlich schnell durch die Kapillare. Anhand der Zeit, die sie bis zum Detektor, an der die Kapillare vorbeiführt, brauchen, können die Ionen zunächst qualitativ identifiziert werden.
Um zu verhindern, dass Messschwankungen mit in die Auswertung einfließen, werden die absoluten Laufzeiten immer relativ zu einer Ionenart ausgewertet, da bei einer Messung alle Ionen den gleichen Schwankungen unterworfen sind. So ergeben sich relative Laufzeiten, die immer miteinander vergleichbar sein sollten auch bei verschiedenen Einzelmessungen. Bei Anionen ist die Referenz Chlorid und bei Kationen Natrium.
Der Puffer, in dem der Trennvorgang stattfindet, hat großen Einfluss durch seine Viskosität, die temperaturabhängig ist, durch seinen pH-Wert und seine Ladungseigenschaften, die auf die zu identifizierenden Ionen einwirken können. Die Kapillarwand besteht aus stark vernetzten Siliciumdioxidmonomeren, von denen Silanolgruppen in den Kapillarinnenraum ragen. Die Kationen (X+) in der Lösung lagern sich dort an und bewegen sich bei angelegter Spannung zu Kathode (-). Dabei wird die Flüssigkeit in der Kapillare mitgerissen. Die Bewegung der Ionen ist also die Summe aus der Bewegung der Flüssigkeit, in der sie gelöst sind und ihrer eigenen Bewegung in dieser Flüssigkeit.
Sollen Anionen detektiert werden, wird dem Puffer ein kationisches Detergenz zugesetzt dessen Kationen sich zunächst an die Kapillarwand anlagern und so eine positiv geladene Schicht herstellen, an die sich dann die Anionen (X-) der Probe anlagern. Es muss für Anionen und Kationen zwei getrennte Messungen geben, da der Detektor nur auf einer Seite des Applikationspunktes vorhanden ist und so bei Anionenmessung die umgekehrte Spannung angelegt werden muss wie bei einer Kationenmessung, damit die Ionen jeweils auf den Detektor zu wandern können.
Die Detektion erfolgt durch eine spektrometrische Absorptionsmessung. Die Ionen besitzen selbst kein Absorptionsmaximum und deshalb wird dem Puffer eine absorbierende Substanz zugefügt, deren Absorption 100% entspricht. Diese wird dann von den zu detektierenden Ionen verdrängt und die Absorption sinkt. Dieser Abfall ist proportional zur Ionenkonzentration. Die Kurve aus Stärke des Abfalls der Absorption und zeitlicher Länge des Abfalls wird als Peakfläche ausgewertet. Durch Messung von bekannten Konzentrationen für jedes Ionen kann für dieses ein spezifischer Zusammenhang zwischen Fläche und Konzentration ermittelt werden, mit dem es dann möglich ist unbekannte Konzentrationen dieses Ions an seiner in der CE erzeugten Fläche zu bestimmen.