Automation in der analytischen Chemie und mit der analytischen Chemie

Zusammenfassung Bei der Automation in der analytischen Chemie sind zwei wichtige Faktoren zu beachten: 1. rein organisatorische und 2. automatische Analysenabläufe. Die verschiedenen Arten der Automation können nach folgenden Gesichtspunkten geordnet werden: 1. offene Systeme; 2. geschlossene Systeme; 3. selbstanpassende Systeme; 4. Computersysteme. Wirtschaftlich besonders wichtig ist die Automation zur Erreichung analytisch erfaßbarer Daten. Beispiele werden angeführt.

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Summary Automation in analytical chemistry requires consideration of two important factors: 1. pure organization, and 2. automatic courses of analyses. The different kinds of automation may be arranged in the following way: 1. open-loop systems; 2. closed-loop systems; 3. self-adaptive systems; 4. computer systems. With regard to economy automation is especially important on order to get analytically obtainable data. Examples are presented.

     

Begriffe und Definitionen zur Automation in und mit der analytischen Chemie

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Automation in und mit der Analytischen Chemie

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Automation in and with analytical chemistryV. Classification of working ranges in analytical chemistry with regard to computers

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Teil IV: diese Z. 256, 7 (1971)     

Automation in und mit der Analytischen Chemie

In order to make precise the position of Analytical Chemistry (AC) relevant abstract and concrete definitions and pertaining interpretations are given. In abstract sense AC is “the system consisting of at least 3 elements, connected by relations with the environment and with each other, intended for producing information”. In concrete sense AC is “the synoptic micro- and/or macrological consideration and informational processing of the material-related und reagent-dependent signals from the (chemical, physical or biochemical) reactions between sample and reagent, leading to the elucidation of a substance”.     

Automation in und mit der Analytischen Chemie IV

Zusammenfassung Es werden die Begriffe Signal (physikalischer Sachverhalt), Nachricht (Signalfolge), Information (entschlüsselte Signalfolge) und die Aspekte der Semeiotik (Lehre von den Sprachen allgemein), der Syntax (Beziehung zwischen den Zeichen), der Semantik (Beziehung zwischen Zeichen und Mensch) für die Automation in und mit der analytischen Chemie beschrieben. Das Morsen ist unter anderem ein Beispiel, an dem die Begriffe Signal, Nachricht und Information behandelt werden. Nach einer Betrachtung der Signalerzeugung wird der Informationsgehalt von folgenden Analysenverfahren diskutiert: RFA mit energiedispersivem Detektorsystem, ein Trennungsgang und die Tüpfelanalyse.

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Automation in and with analytical chemistry. IVMeaning of semeiotics and information content in automatic analysis

The terms signal (physical statement), message (sequence of signals), information (decoded sequence of signals) and the aspects of semeiotics (theory of languages generally), syntax (relation between the signs) and semantics (relation between signs and man) are described. Among others the Morse code is an example for discussing the terms signal, message and information. After considering the production of signals the information content of the following analytical procedures is discussed: X-ray fluorescence analysis with energy dispersive detector system, a classical separation procedure and spot test analysis.

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Teil III: diese Z.247, 1 (1969).     

Automation in und mit der Analytischen Chemie IV

The results of mass-spectrographic analyses (with spark ionization) of the solid constituents of some thermal waters of the DDR and of Czechoslovakia are reported. The comparison with well-known classical wet-analyses shows that numerous additional elements — in the case of Johanisbad (Jánske Lázně) more than 20 — could be detected by means of the method mentioned above. In most cases, these elements are contained in the thermal waters in concentrations of ≤ 0.1 mg/l. The existing investigations into the sensitivity of the elements are still insufficient to allow quantitative interpretations for all the elements. This, however, does not reduce the applicability of this method with regard to the control of the chemical constituents of thermal waters.     

Beitrag der analytischen Chemie zur industriellen Automation

Zusammenfassung Bei der fortschreitenden Automatisierung der Prozeßindustrie spielen Analysenautomaten eine wichtige Rolle. Sie gestatten, den Qualitätsregelkreis eines Prozesses (Betrieb/Labor/Bedienung) entscheidend zu verkürzen und damit die Regelung zu verbessern. An Hand von Beispielen werden die Entwicklungstendenzen bei der Konstruktion dieser Instrumente erläutert.Die Möglichkeiten, die sich durch Einsatz von Prozeßcomputern ergeben, werden durch gleichzeitige automatische Erfassung aller für den Prozeß wichtigen Größen durch Analysenautomaten noch erweitert. Umgekehrt hat die Einführung von Computern im Prozeß die praktische Ausführung von Analysenautomaten beeinflußt.Die weitgehende Einführung der Analysenautomaten in die Betriebspraxis erfolgte im Laufe der letzten Jahre. In der Erdölindustrie der westlichen Welt dürften gegenwärtig (1968) etwa 10000 Einheiten in Betrieb sein, bei einer jährlichen Zuwachsrate von 35%. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen führen zu dem Schluß, daß bei laboratoriumsmäßigem Einsatz die Amortisationszeiten von Analysenautomaten bei 1–2 Jahren liegen. Bei betrieblicher Anwendung sind diese in der Regel viel kürzer. Nach einer Diskussion des Einflusses der Automation auf Art, Niveau und Entwicklungstendenzen der betrieblichen Arbeit des Menschen wird kurz auf die voraussehbare Zukunft eingegangen.

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Contribution of analytical chemistry to automation in industry

Analytical instruments play an important role in the progress of automation in process industry. They substantially shorten and improve the quality control loop of a process (unit-laboratory-operation). The trends in development and construction of these instruments are explained by examples.The potentialities of process computers are even considerably increased, when all important quantities are made automatically available via analytical instruments. The introduction of process computers, on the other hand, has influenced the construction of analytical instruments.The widespread introduction of analytical instruments in industry has, in fact, occurred in the course of the last few years. In the petroleum industry of the western world the number of instruments at present (1968) in service is estimated at 10,000, with a growth rate of 33% p.a. Economically, one can say that in pure laboratory use analytical instruments have a pay-out time of 1–2 years. This time is generally shorter for on-line plant applications.Following a discussion on the influence of automation on kind, level and trends in development of the work of man in industry the developments in the foreseeable future are briefly mentioned.

     

Entwicklung und Aufgaben der analytischen Chemie

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Trennung und Anreicherung von Spurenmaterial in der analytischen Chemie

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Mit der Anwendung organischer Reazenzien und Komplexverbindungen in der analytischen Chemie

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Fehlerrechnung in der analytischen Chemie

Zusammenfassung Es wurde gezeigt, daß man durch Anwenden der Fehlerrechnung Aussagen über die Genauigkeit von Analysen erhalten kann. Darüber hinaus ist es möglich, beim Planen von Analysen aus der gegebenen Toleranzspanne die Analysendaten (Einwaage, Verbrauch an Maßflüssigkeit, Meßgenauigkeit usw.) festzulegen. Will man die Analysenverfahren auf ihre Fehlermöglichkeiten untersuchen oder verbessern, so kann man die Fehler der einzelnen Meßgrößen einander gegenüberstellen und durch Diskussion der Einzelfehler den Gesamtfehler systematisch verkleinern.Die hier beschriebene Fehlerrechnung ergibt den durch die Meßungenauigkeit verursachten maximalen Fehler. Die im Mittel auftretende Meßungenauigkeit ist kleiner. Fehler, die sich aus chemischen Unzulänglichkeiten heraus ergeben (z. B. Mitfällungserscheinungen), kann man auf diese Weise nicht erfassen.     

Radiofrequenzmethoden in der analytischen Chemie

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Datenverarbeitung in der analytischen Chemie

Zusammenfassung Die beiden Hauptaufgaben der analytischen Chemie sind nach wie vor die quantitative und die qualitative Analyse, die immer weiter in Richtung Ultraspurenbestimmung voranschreitet und so mit der quantitativen Analyse eng verknüpft ist.Ein Sonderfall der qualitativen Analyse ist die Strukturanalyse, die in der organischen Chemie größte Bedeutung hat. Die heute geübte Arbeitsweise umfaßt dabei die Gewinnung von Meßdaten in reiner Handarbeit, die teilmechanisierte Gewinnung von Meßdaten mit Hilfe der instrumentellen Analytik, wobei individuelle Hand- und Kopfarbeit nach wie vor überwiegt und schließlich die vollmechanisierte Gewinnung von Meß-daten, welche nur dann wirtschaftlich eingesetzt werden kann, wenn auch die Verarbeitung der Zwischendaten maschinell erfolgt. Am Beispiel der klassischen und der modernen Titration, der Gas-Chromatographie, der Massenspektrometrie und der Kopplungstechnik von stofftrennenden und strukturerkennenden Methoden werden die Arten der Datenerzeugung, die Vielfalt des Datenanfalles und die Anforderung an eine Datenverarbeitung unter dem Gesichtspunkt der industriellen Analytik diskutiert.Bei der instrumentellen Analyse entstehen meistens Daten mit viel höherer Geschwindigkeit und erheblich höherer Dichte als bei der klassischen Analyse. Es muß nun entschieden werden, ob eine Zwischenspeicherung (Schreiber, Magnetbandschreiber mit allen ihren Vorteilen) noch ausreicht, oder ob eine on-line-Verbindung mit einer Datenverarbeitungsanlage notwendig ist. Dies ist dann der Fall, wenn eine zeitraubende Zwischenspeicherung nicht mehr akzeptiert werden kann oder der Datenanfall pro Zeiteinheit durch Handarbeit nicht mehr ökonomisch bewältigt werden kann.Entscheidend ist es, die wirklich vertretbare Forderung nach der Geschwindigkeit, mit der die Enddaten ermittelt werden müssen, mit dem Zeitbedarf der Probengewinnung, Probennahme, Probenaufbereitung abzustimmen. Ferner ist es wichtig, den Umfang der wirklich nötigen Daten auf das Mindestmaß zu reduzieren. Die anschließende Berechnung über Aufwand und Ergebnis der Datenverarbeitung in der analytischen Chemie kann dann die richtige Antwort auf das zu wählende System — Rechenschieber, Tischrechner, programmierter Tischrechner, Kleinstcomputer, Computer — geben. Beispiele dazu werden diskutiert.

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Summary Quantitative und qualitative analysis continue to be the two main fields of analytical chemistry, and analytical chemistry keeps moving forward in the direction of minimum-concentration analysis, thus being closely related to quantitative analysis.Structural analysis, which is of outstanding importance in organic chemistry, is a special form of qualitative analysis. Modern procedures include methods in which the data are gathered exclusively by hand, semi-mechanized methods using instrumental techniques (in which the hand and the head still play a predominant role) and, last but not least, fully mechanised techniques which are uneconomical unless the intermediate data are also processed by machine. The types of data processing, the complexity of the data obtained and the requirements to be met by the processing system are discussed from the point of view of industrial analysis with reference to classical and modern titration, gas chromatography, mass spectrometry and systems combining separation and structure-finding methods.Instrumental methods usually yield the information at much higher speed and in rather more concentrated form than classical procedures. It is now necessary to decide wether intermediate storage ([magnetic tape] recording equipment with all its advantages) is still adequate or wether some on-line connection to a computer is required. The latter is a must when time-consuming intermediate storage is not acceptable or the amount of data obtained per unit time cannot be economically dealt with by hand.The important thing is to correlate the (really justifiable) demand for the speed of determining the final data to the time required for preparing, taking and processing the samples. Calculation of the expenditure incurred and the results of data processing can provide the right answer as to the equipment to be used, i. e. slide rule, calculating machine, programmed calculating machine, mini-computer or computer. Examples are discussed.

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Herrn Professor Dr. Steinhofer zum 60. Geburtstag gewidmet.     

Fehlerrechnung in der analytischen Chemie

Zusammenfassung Es wurde ein Verfahren angegeben, das es gestattet, Analysenserien auf systematische Fehler zu prüfen. Die Kenntnis des wahren Ghaltes der einzelnen Proben ist dabei nicht erforderlich. Bei kleinen Serien (etwa 4–10 Proben) muß man dazu für jede Probe drei (statt wie üblich zwei) Bestimmungen durchführen. Bei umfangreicheren Serien (mehr als 10 Proben) ist der Nachweis der systematischen Fehler aus den üblichen Doppelbestimmungen ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand möglich. Das Verfahren ist praktisch auf alle Analysenmethoden auf nassem Wege anwendbar. Außer der Kontrolle von Serienanalysen gestattet es auch die Prüfung neuentwickelter Analysenverfahren auf die Abwesenheit systematischer Fehler. Dabei ist es nicht mehr notwendig, das betreffende neue Verfahren mit den bisher üblichen, u. U. ungenauen oder umständlichen Verfahren zu vergleichen.I. Mitteilung: diese Z. 157, 195 (1957).Herrn Professor Dr. R. Geyer danke ich. für die freundliche Erlaubnis, die vorliegende Arbeit in seinem Institut durchführen zu dürfen und für seine Ratschläge beim Abfassen des Manuskriptes.Ebenfalls danke ich Herrn Dr. G. Herfurth (Mathem. Institut der T.H.f. Chemie) für die kritische Durchsicht dieser Arbeit.     

Anwendung der Statistik in der analytischen Chemie

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Anwendung der Massenspektroskopie in der analytischen Chemie

Zusammenfassung Nach einem kurzen Überblick über die gebräuchlichsten, in derMassenspektroskopie verwendeten Apparate werden an Hand von Beispielen die wichtigsten Analysenverfahren mit besonderer Berücksichtigung der quantitativen Bestimmung sehr kleiner Substanzmengen besprochen. Dabei werden massenspektrometrische Gasanalysen, Analysen fester Körper mit dem Hochfrequenzfunken im Massenspektrographen und Analysen durch vollständiges Verdampfen der Proben im Massenspektrometer erörtert. Zum Schluß wird besonders auf die unter Verwendung von getrennten stabilen Isotopen durchgeführten Verdünnungsanalysen eingegangen. An Hand von Beispielen wird gezeigt, daß mit massenspektrometrischen Methoden Gasmengen unter 10^–8 ml und von festen Körpern noch Mengen unter 10^–9 g quantitativ recht genau bestimmt werden können. Die qualitative Nachweisgrenze liegt bei vielen Substanzen noch viel niedriger.

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Summary Following a short survey of the apparatus most commonly used in mass spectrosopy, a discussion is given, based on examples, of the most important analytical procedures with special reference to the quantitative determination of very small amounts of material. The discussion includes mass spectrometric gas analyses, analyses of solids through high frequency sparks, and analyses by means of complete volatilization of the samples in the mass spectrometer. In conclusion, special attention is paid to dilution analyses conducted with the aid of separated stable isotopes. By means of examples it is shown that the use of mass speetrornetric methods of analysis makes it possible to determine accurately quantities of gas below 10^–8 ml and amounts of solids as small as 10^–9g. The qualitative limits of detection are much lower still in numerous cases.

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Résumé Après un rapide aperçu concernant les appareillages de spectroscopie de masse les mieux utilisables, l'auteur décrit à l'aide d'exemples les techniques analytiques les plus importantes en s'attachant particulièrement à la détermination quantitative de très faibles quantités de substances. A cette occasion, il évoque les analyses de gaz par spectrométrie de masse, les analyses de corps solides par l'étincelle haute fréquence dans les spectrographes de masse et les analyses par vaporisation complète de l'échantillon dans un spectromètre de masse. Finalement, on décrit particulièrement les analyses par dilution avec emploi d'isotopes stables préalablement séparés.Les exemples montrent que les méthodes d'analyse des gaz par spectrométrie de masse permettent de déterminer avec précision des volumes de gaz inférieurs à 10^–8 ml, et des quantités de substances solides inférieures à 10^–9 g. La limite d'identification qualitative est encore beaucoup plus faible pour un grand nombre de substances.