Icon up Overzicht

Exaktueel Gaschromatograaf als wijnproever

Onderwerp: Arbeid en energie, Elektrisch veld en magnetisch veld, Kracht en beweging

havo/vwo onderbouw, krachten/magnetisme/energie, 30 min

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde onderwijs in het voortgezet onderwijs.

Wijnproevende Gaschromatograaf

Bron: NRC Handelsblad
Datum: 19-12-2009

Kenners menen dat goed proeven tijd en geduld betekent. Je moet allereerst ruiken aan de kruidige, vluchtige en bloemige stoffen. Dan vervolgens eerst zes seconden de wijn op laten warmen in je mond. Hierdoor kunnen alsnog meer vluchtige stoffen je neus via de mond bereiken.

Momenteel kunnen zelfs ook ‘apparaten’ proeven. Terpenen en flavonoïden behoren tot de honderden zuren en aroma’s die met behulp van de Nuclear Magnetic Resonance spectroscopie (NMR) voordeliger en nauwkeuriger kunnen worden gevonden. Deze NMR is weer gekoppeld aan gaschromatografie en massaspectroscopie (GC-MS) voor dit soort onderzoek. In het proces van NMR onderscheidt men in een sterk magneetveld stoffen naar de stof-specifieke golflengtes die ze uitzenden. Dit gebeurt na absorptie van radiogolven.

In de GC-MS-methode meten onderzoekers het molecuulgewicht van vluchtige stoffen. Recentelijk zijn op deze wijze de smaak- en geurstoffen van circa 120 Duitse witte en 15 rode wijnen onderzocht. De Universiteit Leiden en het Max Planckinstituut analyseerden de smaak- en geurstoffen van de wijnen. Het wachten is nu op de publicatie van de onderzoeksresultaten. Desondanks willen de Leidse fytochemici Rob Verpoorte en Kashif Ali de buitenwereld bekend maken met enkele resultaten. Een van de vindingen is dat rode wijnen die smaakpanels als ‘goed’ bestempelden, zich onder anderen onderscheidden door bepaalde kleurstoffen, oftewel anthocyanen. Een kenmerk is een bepaalde verhouding tussen melkzuur en appelzuur voor zowel de betere witte als rode wijnen. Een goed mondgevoel is volgens de onderzoeken hoogstwaarschijnlijk gekoppeld aan een hogere hoeveelheid wijnsteenzuur.

Kwalitatief goede wijnen bevatten niet meer of minder ‘resveratrol’, de regelmatig als gezond aangeprezen antioxidant.

Vragen en opdrachten

Een gaschromatograaf is een apparaat waarmee vluchtige stoffen aan de hand van hun chemische eigenschappen kunnen worden gescheiden. Door koppeling aan een massaspectrometer kan ook de massa van de moleculen van die stoffen worden bepaald. Uit de combinatie van chemische eigenschappen en massa kan worden afgeleid welke stoffen in het gasmengsel aanwezig zijn.

In een massaspectrograaf doorlopen de moleculen van een onbekende stof drie stappen. Eerst worden ze geïoniseerd, zodat ze lading hebben. Vervolgens worden de ontstane ionen in een elektrisch veld versneld. Met een zekere snelheid komen ze dan in een magnetisch veld van bekende sterkte, loodrecht op de snelheid van de binnenkomende ionen, en ondervinden hierdoor een lorentzkracht. Dan gaan de ionen een cirkelbeweging maken. Als ze een halve cirkel hebben beschreven landen ze op een trefplaatje. Omdat de straal van hun cirkelbeweging afhangt van de massa, treffen ze het op verschillende plaatsen. Daarmee zijn de ionen naar massa gescheiden.

a) Hoe luidt de formule voor de lorentzkracht op een bewegend geladen deeltje?

b) Hoe luidt de formule voor de centripetale kracht bij een cirkelbeweging?

c) Combineer nu deze formules om een formule te vinden die de kromtestraal r uitdrukt in de sterkte B van het magnetisch veld, de massa m van het deeltje, zijn snelheid v en zijn lading q.

d) Laat zien dat dit geladen deeltje een snelheid v krijgt waarvoor geldt v2 = 2qΔV/m als het versneld wordt door een elektrische spanning ΔV.

e) Laat zien dat uit combinatie van de formules van c. en d. volgt dat voor de massa-lading-verhouding van het molecuul geldt:

 

In het spectrogram hieronder is te zien welke moleculen, uitgedrukt in de massa-lading verhouding, in het mengsel aanwezig zijn. De hoogte van de piek is een maat voor de relatieve aanwezigheid. Stel de sterkte van het magnetisch veld is 0,40 T, het molecuulgewicht van een bepaald molecuul is 92 (maal de atomaire massa-eenheid) en de versnelspanning bedraagt 5,0.102 V.

 

f) Bereken dan de kromtestraal van de cirkel die dit molecuul beschrijft.

Nuclear magnetic resonance (NMR), of in het Nederlands kernspinresonantie, heeft te maken met de eigenschap dat sommige atoomkernen magnetisch zijn. Dat danken zij aanj hun draaiing (‘spin’) om eigen as. Als een extern magneetveld wordt aangelegd kan zo’n kern dan een lagere in een hogere magnetische energietoestand gebracht worden. Even later zal de kern weer terugvallen naar het lagere niveau onder uitzending van een foton. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij waterstofatomen. Deze komen in alle organische stoffen voor. Het blijkt dat de frequentie afhankelijk is van de aanwezigheid van de naburige atomen in het molecuul. De gemeten straling geeft daarmee informatie over de samenstelling van het molecuul.

g) Waarom is er ook nog een NMR- nodig om vast te stellen om welk molecuul het gaat?

h) NMR ligt aan de basis van de MRI-scan. Zoek op hoe kernspinresonantie informatie kan geven over een stukje weefsel.

 

Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.