Analiza środowiskowa, żywności i leków

Analiza środowiskowa, żywności i leków

2

WPROWADZENIE DO POMIARÓW w analizie środowiskowej, żywności i leków

Kwestie

legislacyjne w analizie środowiska, żywności i leków

Typy podstawowych dokumentów:



Dyrektywy i rozporządzenia
-

na poziomie międzynarodowym

- na szczeblu krajowym ( np. ministerialne)
- na szczeblu regionalnym, lokalnym



Normy



Farmakopee

Wybrane pojęcia analityczne



Granice wykrywalności (wykrywalność)



Granica oznaczalności (oznaczalność)



Selektywność (metody, odczynnika)



Specyficzność (metody, odczynnika)



Cz

ułość metody ←parametry



Dokładność



Prawdziwość



Precyzja

o

Powtarzalność

o

Odtwarzalność



Niepewność



Specjacja i Analiza specjacyjna

Parametry stosowane dla scharakteryzowania



Pomiaru



Wyniku pomiaru



Metody



Instrumentu pomiarowego

są typu



Wartość liczbowa (np. precyzja wyrażona za RSD w %)



Opisowe

mogą odnosić się



Tylko do metody (ekologiczna)



Lub jednocześnie do pomiaru, wyniku pomiaru, metody i instrumentu pomiarowego
(dokładności)

METHOD PERFORMANCE AND METHOD VALIDATION

Table 1.2. Figures of Merit for Instruments or Analytical Methods

No. Parameter Definition

1 Accuracy Deviation from true value
2 Precision Reproducubility of replicate measurements
3 Sensitivity Ability to discriminate between small differences in concentration
4 Detection limit Lowest measurable concentration
5 Linear dynamic range Linear range of the calibration curve

Analiza środowiskowa, żywności i leków

3

6 Selectivity Ability to distinguish the analyte from interferences
7 Speed of analysis Time needed for sample preparation and analysis
8 Throughput Number of samples that can be run in a given time period
9 Ease of automation How well the system can be automated
10 Ruggedness Durability of measurement, ability to handle adverse conditions
11 Protability Ability to move instrument around
12 Greenness Ecoefficiency in terms of waste generation and energy consumption
13 Cost Equipment cost + cost of supplies + labor cost

Metoda / technika / procedura

ANALITYCZNA / W ANALITYCE

= o

kreślony sposób postępowania według którego wykonuje się analizę

-

danej próbki

-

pierwiastkową (oznacza się lub identyfikuje pierwiastki)

-

jakościową (identyfikuje obecność rozpuszczalników leku)

Metoda / technika / procedura

Brak jest zaakceptowanych powszechnie definicji:
-

rozróżniających te pojęcia (aktualnie to zwykle synonimy)

-

ustalających hierarchię

NIEKTÓRZY PRÓBUJĄ TEGO DOKONAĆ

Metody analizy środowiskowej, żywności i leków

Chemiczne
Fizykochemiczne
Biochemiczne
Fizyczne
Biologiczne
Inne (np. organoleptyczne; badanie smaku, konsystencji)
Badania promieniotwórczości
INSTRUMENTALNE-

można je zautomatyzować

Analiza środowiskowa, żywności leków

Rodzaje badań

Naukowe
- opracowujemy nowe metody, procedury
-

ale też często posługujemy się zwalidowanymi dobrze znanymi metodami i procedurami

Komercyjne (na zlecenie)
-

obowiązują nas z reguły dobrze znane, wielokrotnie sprawdzone, zwalidowane metody i

procedury

Próbka

Próbka = część materiału, który podlega bezpośrednio badaniu ze wzglądu na daną
cechę i na podstawie którego orzeka się o kształtowaniu się wartości tej cechy w
całym materiale
=

część (mała lub bardzo mała) materiału, produktu, towaru lub obiektu, który analizujemy

Krótkie repetytorium z wybranych problemów metrologicznych

wraz uzupełnieniami i rozszerzeniami

Niektóre pojęcia metrologiczne stosowane obecnie w praktyce i teorii analityki
chemicznej są
- niejednoznaczne
-

różnie interpretowane

Analiza środowiskowa, żywności i leków

4

Stanowią przedmiot sporów, bardzo ostrych zwłaszcza gdy angielskie terminy są tłumaczone
na język polski

Instytucje o światowym prestiżu nie zawsze są

w pełni ze sobą zgodne w obszarze „metrologii w analityce chemicznej”

- NIST - National Institute of Standards and Technology, United States Department of
Commerce Technology Administration (jest instytucją o bardzo wysokim światowym
autorytecie naukowym)
- G103-A2LA - Guide for Estimation of Uncertainty of Dimensional Calibration and Testing
Results, The American Association for Laboratory Accredita

tion (instytucja określa

wymagania i standardy metrologiczne do spełnienia w laboratoriach pomiarowych USA;
szacowanie niepewności, kalibracja, materiały odniesienia,…)
- Eurachem, CITAC Guide - Traceability in Chemical Measurement, A guide to achievieng
comparable results in chemical measurements
- IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry, Analytical Chemistry Division
Project: Metrological traceability of measurement results in chemistry
Objective: To develop and present to the chemical scientific society a concept for traceability
of chemical measurements as a foundation for the introduction of metrology in chemistry
Problem: Traceability concept has been well developed for measurement results in physics
but not for the chemical field. There ale various reasons for situation in chemical
measurement practices.

Rodzaje (natura

) przyczyn trudności w praktyce

pomiarowej i metrologii chemicznej (UPAC 2001)

- Techniczne (technical)
- W

komunikowaniu się (communicational)

Przyczyny techniczne

trudności w praktyce pomiarowej i metrologii chemicznej

(UPAC 2001)

a)

Duża liczba technik pomiarowych (instrumentów) możliwych do zastosowania dla
danego pomiaru przy jednocześnie różnych technikach kalibracji (different calibration
pathways)

b)

Duża liczba możliwych układów analit – matryca wpływających na pomiar

c)

Brak narzędzi (typu metody pierwotne; primary methods) aby ustalić bezpośrednio
spójność

d)

Brak klarownych praktycznych przykładów złożonych ciągów spójności w pomiarach
chemicznych

e) Pomiar

ilości substancji odbywa się bezpośrednio przez pomiar takich wielkości jak

np.: pr

ąd elektryczny, absorbancja

f)

Niewłaściwie zdefiniowana wielkość/punkt odniesienia (czasami)

Communicational reasons are:

a) misinterpretations of the above definitione of traceability;
b) a lack of properly defined, commonly understood and internationally accepted

concepts in establishing traceability chain in chemical measurement, and

c) terminology: a variety of terms is defined by VIM (standard, reference material,

calibration standard, measurement standard, and many more) but in communications
often not used with their meaning;

d) current metrological terminology (VIM) mainly suits measurements in physics.

Traceability -

Spójność pomiarowa

termin jest bardzo różnie definiowany



Traceability refers to the completeness of the information about every step in a

procces chain

Analiza środowiskowa, żywności i leków

5



The formal definitione: Traceability is ability to chronologically interrelate the uniquely

identifiable entities in a way that is verifiable



Traceability is the ability to verify the history, location or application of a nitem by

means of documented recorded identification

UE, Polska

The International Vocabulary for Metrology (VIM) defines traceability as the:
„property of the results of a measurement or the value of a standard whereby it can be
related to stated references, usually national or international standards, through an anbroken
chain of comparisons all having stated uncertainties.”

The definitione implies a need for effort at a national and international level to provide widely
accepted reference standards, and the individual laboratory level to demonstrate the
necessary links to those standards.

Propagacja błędów / niepewności

(Przenoszenie błędów)



W pomiarach pośrednich

(analiza miareczkowa, metody spektrofotometryczne)



Operacjach analitycznych

(rozcieńczanie, mineralizacja, ekstrakcja)

Propagacja odnosi się do :

b

łędów losowych, systematycznych, niepewności

Jakość

Kategorie / cechy :
- obiektywne

(mierzalne, definiowalne)

- subiektywne

(podlegające ocenie indywidualnej, zależne od okoliczności, czasu)

Jakość w przypadku leku

Quality of medicine means that:



It is the correct product

odpowiedni / prawidłowy



It is the correct strength



It has not degraded



It is free from harmful impurities



It has not been contaminated



It is correctly labeled etykietowany



It is properly sealed in an suitable / appropriate container szczelnie zapakowany

Analiza środowiskowa, żywności i leków

6

Jakość żywności

*zawartość białka, tłuszczów, węglowodanów, witamin, składników mineralnych

Biodostępność, strawność, przyswajalność
Biodostępność (z ang. bioavailability, bioaccessability)
= stopień uwolnienia z żywności składników odżywczych, ich wchłonięcia i wykorzystania do
prawidłowego funkcjonowania organizmu oraz tworzenia rezerw
Strawność pokarmu
= podatność pokarmu na procesy trawienne; stopień w jakim składniki odżywcze obecne w
danym produkcie spożywczym mogą być uwolnione i rozłożone na substancje, które nadają
się do wchłonięcia
Przyswajalność składników pokarmowych
= zdolność przenikania danego składnika pokarmowego z układu trawiennego do krwi

Standardy jakości



W Europie (krajach UE): dyrektywy i normy ISO - International Organisation for

Standardisation (ISO 9000, ISO 9001, ISO 9002, ISO 9003)



w odniesieniu do leków – odpowiednie farmakopee (USP, europejska, polska)



w Stanach Zjednoczonych: dyrektywy i rekomendacje FDA (Food and Drug

Administration) oraz EPA (Environmental Protection Agency)

Generalnie nie ma dużych/istotnych różnic w systemach i parametrach jakości
rekomendowanych przez: ISO, FDA i EPA oraz farmakopee.

Kalib

racja ( różne przypadki)



z zastosowaniem serii wzorców ( np. ICP-OES)



z zastosowaniem serii certyfikowanych materiałów odniesienia lub innych materiałów
odniesienia (XRF)



z zastosowaniem wzorców, które są jednocześnie tożsame z materiałami odniesienia
(ana

liza gazów)

Kalibracja w przypadku skomplikowanych matryc -

przykład

Regresja liniowa wielokrotna

układ m równań (m - liczba pomiarów zmiennych zależnych):
y

1

= a

1

·x

11

+ a

2

·x

21

+ a

3

·x

31

+ …, + a

n

·x

n1

y

2

= a

1

·x

12

+ a

2

·x

22

+ a

3

·x

32

+ …, + a

n

·x

n2

…
…
y

m

= a

1

·x

1m

+ a

2

·x

2m

+ a

3

·x

3m

+ …, + a

n

·x

nm

Równanie macierzowe: Y = A · X
A = (X

T

· X)

-1

·X

T

· Y

X

T

- macierz transponowana

X

-1

- macierz odwrotna

wartość

odżywcza*

wartość

organoleptyczna

strawność,

przyswajalność

cechy wpływające na
zd

olność środka

spożywczego do
zaspokajania określonych
potrzeb oraz decydujące
o jego przydatności
spożywczej

Analiza środowiskowa, żywności i leków

7

MATERIAŁY ODNIESIENIA (CRM, RM)

Istnieje wiele rodzajów i grup materiałów odniesienia (referencyjnych)

GUM: Guide to the expression of uncertainty in measurement, 2004



Reference material (RM)

Material, sufficiently homogeneous and stable with respect to one or more specified
quantities,
used for the calibration or for the assessment of a m

easurement procedurę, or for

assigning values and measurement uncertainties



Certified reference material (CRM)

Reference material accompanied by an authenticated certificate,
having for each specified quantity a value, measurement uncertainty, and stated
metrological traceability chain.

GUM: Guide to the expression of uncertainty in measurement, 2004
Intrinsic measurement standard / intrinsic standard



Measurement standard based on a sufficiently stable and reproducible property of a

phenomenon or substance.

Examples:
a) Triple-point-of-

water cel as an intrinsic standard of thermodynamic temperaturę

b) Intrinsic standard of electric potential difference based on the Josephson effect
c) Sample of copper as an intrinsic standard of electric conductivity

[Instinsic -

tkwiący w czymś, właściwy/faktyczny; „absolutny/prawdziwy”]

Materiały odniesienia dla mieszanin gazowych

Przykłady gazowych materiałów odniesienia :

Powietrze zawieraj

ące w określonych ilościach:

-

benzen lub inne lotne węglowodory

- SO

2

lub H

2

S (CO,..)

Metody otrzymywania gazowych materiałów odniesienia:

- statyczne
- dynamiczne

Metody statyczne:
- grawimetryczna
-

objętościowa

-

ciśnieniowa (manometryczna)

Metody dynamiczne:
(

dokładniej dynamiczne metody objętościowe) dzielą się na metody stosujące:



Ciagłe wstrzykiwanie składników do strumienia gazu



Okresowe wstrzykiwanie składników do strumienia gazu



Termiczne regulatory przepływu masowego



Dyfuzję



Zjawisko przenikania (permeacji)



Wytwarzanie elektrochemiczne

WPROWADZENIE DO ANALIZY ŻYWNOŚCI

żywność
lub „środek spożywczy” to jakiekolwiek substancje lub produkty (przetworzone, częściowo
przetworzone lub nieprzetworzone)

przeznaczone do spożycia przez ludzi lub takie, których

spożycia przez ludzi można się spodziewać

Analiza środowiskowa, żywności i leków

8

- art.2

rozporządzenia nr 178/2002/WE z dnia 28 stycznia 2002r. ustalającego ogólne zasady

i wymagania prawa żywnościowego, ustanawiające Europejski Urząd do Spraw
Bezpieczeństwa Żywności oraz ustanawiające procedury w sprawie bezpieczeństwa
żywnościowego (Dz. Urz. WE L 31 z 01.02.2002).

Żywność / „środek spożywczy”
Definicja „środek spożywczy” nie definiuje:

a) pasz
b)

zwierząt żywych, chyba że mają być one wprowadzone na rynek do spożycia przez
ludzi

c)

roślin przed dokonaniem zbiorów

d)

produktów leczniczych w rozumieniu dyrektyw Rady 65/65/EWG i 92/73/EWG

e)

kosmetyków w rozumieniu dyrektywy Rady 76/768/EWG

f)

tytoniu i wyrobów tytoniowych w rozumieniu dyrektywy Rady 89/622/EWG

g)

narkotyków lub substancji psychotropowych w rozumieniu jedynej konwencji o
środkach odurzających z 1961r. oraz Konwencji o substancjach psychotropowych z
1971r.

h)

pozostałości i zanieczyszczeń (kontaminantów)

Ustawodawstwo

dla branży spożywczej podstawowy dokument stanowi
ustawa z 11 maja 2001r.

„o warunkach zdrowotnych żywności i żywienia”.

(Dz. U. z 2001 roku, nr 63, poz.634)
później wielokrotnie nowelizowana

Określa ona:



wymagania w zakresie jakości zdrowotnej żywności, dozwolonych substancji
d

odatkowych i innych składników



warunki

produkcji i obrotu artykułami spożywczymi oraz materiałami i wyrobami

przeznac

zonymi do kontaktu z żywnością



zasady przeprowadzania urzędowej kontroli żywności.

W każdym zakładzie produkującym lub wprowadzającym do obrotu żywność ustawa
nakazuje wdrożenie i stosowanie

zasad systemu HACCP

Analiza Zagro

żeń i Krytyczne Punkty Kontroli (Hazard Analysis and Critical Control Points)

= postępowanie prowadzone w celu zapewnienia bezpieczeństwa żywności.
Norma ISO 22000:2005

System HACCP

Analiza Zagrożeń i Krytycznych Punktów Kontroli

= postępowanie prowadzone w celu zapewnienia bezpieczeństwa żywności poprzez:



identyfikacj

ę i oszacowanie

-

skali zagrożeń z punktu widzenia wymagań zdrowotnych

-

ryzyka wystąpienia zagrożeń podczas etapów produkcji i obrotu żywnością



określenie metod eliminacji lub ograniczania zagrożeń oraz ustalenie działań
korygujących

Norma ISO 22000:2005
adresowana jest do wszystkich organizacji, zaj

mujących się produkcją, przetwarzaniem,

magazynowaniem, tran

sportowaniem i obrotem żywności.

Uzasa

dnienie potrzeby wdrażania systemu HACCP



zape

wnienie bezpieczeństwa zdrowotnego żywności

Analiza środowiskowa, żywności i leków

9



wdrażanie systemów zarządzania bezpieczeństwem zdrowotnym



wprowadzenie zasad:

GHP (Dobrej Praktyki Higienicznej)
GMP (Dobra Praktyki Produkcyjnej)



wymóg prawa określony w ustawach unijnych i krajowych

O

bezpiecznych dodatkach do żywności



w UE utworzo

na została tzw.

lista E zawierająca wszystkie dodatki do żywności, uznane na obszarze UE za
bezpieczne w użyciu.



dodatki na li

ście „E” są przebadane i uważane za względnie bezpieczne w użyciu

przez wyspecjalizowane instytucje normalizacyjne UE.



związki na tej liście posiadają oznaczenia kodowe zaczynające się literą E



aktualnie na liście E jest ponad 2000 różnych związków.



dopuszczal

ne w Polsce wielkości dodatków do żywności określa Rozporządzenie

Ministra Zdrowia z dnia 18 września 2008r. w Dz. U. z 2008r. Nr 177, poz.1094.



Jest

to wykaz dopuszczalnych ilości

substancji dodatkowych i innych substancji obc

ych dodawanych do środków

spożywczych lub używek
zanieczyszczeń, które mogą znajdować się w środkach spożywczych lub używkach.

Na świecie a zwłaszcza w Europie:
-

działa szereg organizacji pozarządowych, konsumenckich, …

-

zaangażowanych niezależnie od agend rządowych w problemy żywności

-

w Polsce analogiczne instytucje też działają

ANALIZY

LEKÓW - charakterystyka

W polskiej terminologii



Leki



Farmaceutyki



Bioleki



Biofarmaceutyki (np. szczepionki)

Definicja leku



Definicję leku podają podstawowe akty prawne dotyczące farmacji. W Polsce: ustawa
Prawo farmaceutyczne - wersja z 6

września 2001 roku (Dz.U. z 2005r. Nr 94,

poz.787)



LEK -

każda substancja, pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, wprowadzana

do organizmu
-

w celu osiągnięcia pożądanego efektu terapeutycznego

- lub w celu zapobiegania chorobie
-

podawana w ściśle określonej dawce.

Produkty homeopatyczne nie odpowiadają definicji leków.



Środek farmakologiczny (leczniczy) to substancja aktywna biologicznie, znajdująca
się w leku.



Preparat farmaceutyczny to

, przygotowany według określonej receptury lek, lub

zestaw le

ków.

Klasyfikacje leków



Leki dzieli się na grupy najczęściej według kryteriów



ich działania farmakologicznego

 zastosowania w konkretnych jednostkach chorobowych.

Analiza środowiskowa, żywności i leków

10



Leki uporządkowane są w klasyfikacji anatomiczno-terapeutyczno-chemicznej

Nazewnictwo leków

Używane są trzy rodzaje nazw:



nazwy międzynarodowe (niezastrzeżone)|



nazwy producenta (zastrzeżone)



nazwy chemiczne (niezastrzeżone)

Pozostałości leków w żywności



wynik leczenia zwierząt zwłaszcza antybiotykami (ale nie tylko)



szybkie zwiększanie przyrosty masy mięsnej za pomocą niektórych leków (np.
sterydy, klenbuterol)

W wielu krajach jest to nielegalne.
Leki te (np.

antybiotyki, sterydy) z pożywieniem przedostają się do organizmu człowieka

(i można je na tym poziomie wykryć).

W 1986 roku Wspólnota Europejska wprowadziła dyrektywę,



która zdefiniowała wymagania dotyczące badania zwierząt i żywności pod względem
pozostałości leków



i obowiązuje we wszystkich państwach członkowskich (Rada Wspólnoty Europejskiej,
Dyrektywa Rady 469/EEC)

Dyrektywa Rady 469/EEC:
-

Czułe i efektywne pod względem kosztów metody monitorowania pozostałości leków w

moczu zwierząt, w surowicy krwi i w mięsie mają zasadnicze znaczenie dla zapewnienia
utrzymania ich poziomu w określonych limitach.
-

Testy muszą zapewnić możliwość badania zarówno małych, jak i dużych ilości próbek.

-

Metody skriningowe powinny być szeroko stosowane.

Pozostałości typu

leki/specyficzne substancje chemiczne w płynach ustrojowych człowieka



Leki przeciwbólowe (niektóre z nich to narkotyki)



Sterydy



Suplementy diety



…



Ich obecność jest „niedopuszczalna prawnie”/regulowana w określonych warunkach.

Kwestie prawne



Farmakopee



Harmonizacja =

uzgodnienia międzynarodowe dotyczące unifikacji metod
- wytwarzania
- kontroli
- badania

leków;

World Conference on Harmonisation (WCH)

ANALIZA ŚRODOWISKOWA - próbki

Jest szereg różnych klasyfikacji próbek środowiskowych

Klasyfikacja próbek środowiskowych



Gleby



Wody



Powietrze

Analiza środowiskowa, żywności i leków

11



Flora, fauna, bentos -

próbki biologiczne



Odpady

stałe i ścieki

Klasyfikacja elementów środowiska

(i w konsekwencji próbek środowiskowych)



Atmosfera



Środowisko lądowe
a) wody
b) gleby
c) …



Oceany

Kwestie legislacyjne



Prawo unijne



Prawo krajowe/narodowe



Normy

Obiekty/układy badań

A.

Zamknięte/”określone”
-

dające się „czytelnie” zdefiniować

- o

określonych wymiarach (objętość, masa)

B.

Otwarte/”nieokreślone”
-

często trudne do jednoznacznego zdefiniowania

-

często zmieniające się szybko w czasie w sposób nieprzewidywalny

Otrzymanie próbki reprezentatywnej



Jest kluczowe dla tego typu analizy



Jest trudne



Wymaga przyjęcia odpowiedniego planu/protokołu próbkowania



W wyznaczeniu całkowitej niepewności pomiaru, proces pobierania próbek i
otrzymania próbki reprezentatywnej odgrywa kluczową rolę

brak reprezentatywności oznacza
automatycznie błędny pomiar

Potencjalni, przykładowi odbiorcy wyników analizy środowiskowej



Komisja Europejska, Europejska Agencja Środowiska



Międzynarodowe instytucje zajmujące się zdrowiem



Ministerstwo Zdrowia, Ministerstwo Środowiska



Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska



Pozarządowe instytucje (stowarzyszenia, fundacje)



Instytucje prowadzące monitoring jakości środowiska (powietrze, wody, gleby)



Władze lokalne (województwa, powiaty, gminy, miasta)



Producenci filtrów do oczyszczania wody stosowanych w gospodarstwach domowych
(badan

ia wymywalności metali)



W analizie leków to nie do pomyślenia!!!

--- --- --- --- --- --- --- --- --- --- --- --- --- --- --- ---

Niepewność, budżet niepewności

ISO approach to classyfing sources of error (uncertainty)
Components are grouped into two major categories:
- depending on the source of the data
- and not on the type of error,

Analiza środowiskowa, żywności i leków

12

and each component is quantified by a standard deviation.
The categories are:
- Type A - components are evaluated by statistical methods
- Type B - components evaluated by other means (or in other laboratories).

Niepewność pomiaru

Opracowując wyniki pomiarów należy stosować się do zaleceń

Międzynarodowej Normy Oceny Niepewności Pomiaru

Norma ta została uzgodniona w roku 1995 i przyjęta ustawowo w Polsce w roku 1999.



Miarą niepewności pomiarowej jest niepewność standardowa



Parametr ten jest wyznaczany w dwóch kategoriach
(dwoma metodami):

NIST: components

- typ A

przy wykorzystaniu analizy statystycznej serii pomiarów

- typ B

w oparciu o naukowy osąd (operatora/obserwatora)

Niepewność typu A
W niepewności typu A uwzględniamy
błędy losowe (random errors; precyzja)
i systematyczne (bias; dokładność)



Błędy losowe (przypadkowe) - nie można ich skorygować ani wyeliminować (można
je zmniejszyć)



Błędy systematyczne - można je skorygować lub wyeliminować (przynajmniej
teoretycznie)

Niepewność typu B
W niepewności typu B uwzględniamy wszystkie inne składniki niż te dające się wyznaczyć
metodami analizy statystycznej.
Przykłady:



Błędy operatora-analityka związane z poziomem jego doświadczenia



Błędy związane z używanym sprzętem laboratoryjnym i jego specyfikacją (kolbki
miarowe)



Specyfika danej próbki różniąca się od poprzednio badanych



Procedura procesu kalibracji (np. kwestia wzorców)

Niepewności pomiarów bezpośrednich (A)

Seria pomiarów wielkości mierzonej X

Wynik pomiaru jest średnią:

̅

∑

Niepewność standardowa u

s

(x) pojedynczego pomiaru x

w

wielkości X

√

∑

̅̅̅̅

Niepewność gdy wynik jest średnią

̅

√

∑

̅̅̅̅

Pomiar pośredni złożony:

Wielkość poszukiwana Y jest opisana funkcją
Y = f(x

1

, x

2

, x

3

, x

i

, x

n-1

, x

n

), gdzie x - parametry mierzone

Analiza środowiskowa, żywności i leków

13

Stosując prawo propagacji niepewności standardowych poszczególnych składników
otrzymuje się niepewność standardową złożoną u

s

(Y):

√∑ (

)

Niepewność standardowa całkowita(złożona)

(NIST: Combined Standard Uncertainty)

Jeśli wyznaczono niepewności typu A oraz typu B to niepewność całkowita jest równa:

√

Relacja

wielkość mierzona X - wynik pomiaru x

w

, x

śr

, …

Gdy pomijamy

problem poziomu ufności

u

sc

(X) -

niepewność standardowa całkowita wielkości X.

Niepewność standardowa rozszerzona

(Expanded Uncertainty)



W wielu zastosowaniach przemysłowych, komercyjnych, rozwiązaniach (aktach)
prawnych wyrażanie niepewności całkowitej (i innej) bez uwzględnienia poziomu
ufności jest uznawane za błędne.



Standardowa niepewność rozszerzona uwzględnia poziom ufności



Niepewność rozszerzona całkowita U jest określana jako:
U(X) = k u

sc

(X)

gdzie: u

sc

(X) -

niepewność standardowa całkowita,

k -

współczynnik rozszerzenia, który odzwierciedla pewien poziom ufności dla

przedziału (X - U, X + U)



Zwykle k zawiera się w granicach 2 (poziom ufności w przybliżeniu 95%) do 3
(poziom ufności w przybliżeniu 99%),



ale dla niektórych zastosowań może być wybrane spoza tego przedziału.

Relacja

wielkość mierzona X - wynik pomiaru x

w

, x

śr

, …

Gdy

uwzględniamy problem poziomu ufności

u

sc

(X) -

niepewność standardowa całkowita wielkości X.

Budżet niepewności

Polega na wyznaczeniu poszcz

ególnych typów niepewności oraz niepewności całkowitej i

rozszerzonej.

Raport musi zawierać



listę uwzględnionych (wszystkich) składników błędów w kategoriach A oraz B



oszacowanie liczbowe (wraz

ze stopniami swobody, jeśli to możliwe)



uzasadnienie zwłaszcza w przypadku typu B

Analiza środowiskowa, żywności i leków

14



uzasadnienie przyjęcia wartości współczynnika k (jeśli inny niż k=2)

Budżet niepewności może dotyczyć:



pomiaru analitycznego, fizycznego, chemicznego,…



monitorowania emisji zanieczyszczeń przemysłowych i innych



skażenia środowiska przez wypadki losowe (wyciek ropy naftowej)



zjawisk typu erupcja wulkanu, tsunami, trzęsienia ziemi

Przy wyznaczaniu b

udżetu niepewności korzystamy:

o

Z odpowiednich zależności opisujących relacje wielkość poszukiwana - wielkości
mierzone (pomiary pośrednie)

o

Z szacowania poszczególnych składowych niepewności np. w przypadku procesu
analitycznego

o Z odpowiednich tabel
o

Z odpowiednich programów.

ANALIZA SRODOWISKOWA

Próbki środowiskowe
-

zwykle złożone pod względem składu i struktury



Wieloskładnikowe, zawierające składniki chemiczne i mikroorganizmy;



Wielofazowe często

- zazwyczaj niejednorodne

Skład badanego materiału/obiektu może się szybko zmieniać w czasie

brak jest pow

tarzalności przy próbkowaniu

M

onitoring środowiskowy.



Niekiedy zachodzą w badanym materiale reakcje chemiczne zmieniające skład



Między elementami środowiska (ekosystemu):
atmosfera (powietrze)

– wody – gleba – organizmy żywe występuje wzajemne

oddziaływanie



Próbka może stanowić bardzo niewielki procent badanego materiału/obiektu (np.
rzeka Odra)

Próbki środowiskowe - analiza pierwiastkowa

Analiza specjacyjna jest



Istotnym elementem w przypadku niektórych analiz próbek środowiskowych (Cr(III)
Cr(VI))



Najczęściej badania specjacyjne dotyczą wody



W znacznie mniejszym stopniu gleby (analiza frakcjonowana)

O

trzymanie próbki reprezentatywnej



Reprezentatywną próbkę środowiskową otrzymujemy poprzez „uśrednienie”
poszczególnych pojedynczych próbek

Analiza środowiskowa, żywności i leków

15



Ilość pojedynczych próbek można określić stosując odpowiednie algorytmy
uwzględniając specyfikę obiektu i analizy

Metody pobierania próbek

Wybór metod zależy od:



rodzaju próbki (gleba, powietrze)



od rodzaju analitu tzn. od jego własności fizykochemicznych

badanie gleby ze względu na skażenie:
paliwem typu ropa naftowa,
metalami typu chrom (specjacja)



od stężenia analitu

Metody pobierania próbek

a) Pasywne
b) Aktywne

Powietrze(gazy)

– obie metody

Woda

– obie metody

Gleba i inne substancje stałe

– z reguły metody aktywne

Metody pasywne

Oparte są na wykorzystaniu swobodnego przepływu cząstek z badanego medium do
dozymetru

-

w określonym czasie

-

lub do ustalenia się stanu równowagi

Metody Aktywne

Tendencje:



Automatyzacja procesu pobierania próbek



Opracowanie procedur i norm obowiązujących już przy wielu analizach



Łączenie procesu próbkowania i analizy w jednym aparacie



Zasysanie próbki pompowanie



Pobieranie za pomocą odpowiedniego pojemnika lub próbnika



…i in.

Próbki środowiskowe – rodzaje analiz



On Line (pobór z jednoczesnym pomiarem)



In Line



Off Line

(operacja pobierania i pomiaru są jednoznacznie rozdzielone)

Ogólne zasady wstępnego postępowania z próbkami



określenie głównych i drugorzędnych składników (analitów) i przyjęcie kryteriów
reprezentatywności



wybór lokalizacji i czasokresu próbkowania (np. położenie i głębokość próbkowania,
częstotliwość próbkowania)



zbieranie próbek



operacje wstępne na próbkach



przechowywanie i transport

Stabilizowanie próbek



Metodami chemicznymi



P

oprzez zamrożenie lub obniżenie temperatury

Analiza środowiskowa, żywności i leków

16



Przechowywanie p

róbek w warunkach bez dostępu światła

Wybór metod stabilizowania zależy od:



Rodzaju próbki



Rodzaju analitu

Mobilność zanieczyszczeń (polutantów)

Powietrze >> wody >

gleba i inne ciała stałe

--------------------------------------------------------------

An

aliza (zanieczyszczeń) powietrza

Identyfikacja i oznaczenie zanieczyszczeń (polutantów)

Materiał/obiekt odniesienia:
P

owietrze („referencyjne”)

- czyste
- suche i czyste
-

o składzie naturalnym

Np. Skład powietrza czystego, suchego blisko poziomu morza

Component

Content

Component

Content

% by Vol.

ppm

% by Vol.

% by Vol.

Nitrogen

78.09

780,900

Hydrogen

0.00005

0.5

Oxygen

20.94

209,400

Methane

0.00015

1.5

Ar

0.93

9,300

Nitrogen Dioxide

0.0000001

0.001

Carbon Dioxide

0.0318

318

Ozone

0.000002

0.02

Ne

0.0018

18

Sulfur Dioxide

0.00000002

0.0002

He

0.00052

5.2

Carbon Monooxide

0.00001

0.1

Kr

0.0001

1

Ammonia

0.000001

0.01

Xe

0.000008

0.08

Nitrous Oxide

0.000025

Czyste, suche powietrze



nie ma w pełni zgodności co do składu czystego i suchego powietrza



w wielu tabelach podaje się H

2

S jako naturalny składnik (od „zawsze” obecny w

atmosferze, „tak samo stary” jak pierwsze rośliny i zwierzęta)



Składniki atmosfery dzielimy :

a)

O stałej zawartości

b)

O zmiennej zawartości

Skład powietrza

Składniki o zmiennych zawartościach:
(w zależności od położenia geograficznego, czasu i innych zjawisk, np. erupcji
wulkanicznych)

Gazowe



CO

2



H

2

O (para wodna) - od 0 do 4%



N

2

O (podtlenek azotu) - 0,3 ppm



O

3

- zmienne do 0,07 ppm



SO

2

- silnie

zmienne, zależne od lokalnego przemysłu

Analiza środowiskowa, żywności i leków

17

Zanieczyszczenia (polutanty) powietrza

=

gazy, ciecze i ciała stałe



obecne w powietrzu,

ale nie będące jego składnikami naturalnymi,



lub też substancje występujące w ilościach wyraźnie zwiększonych w porównaniu z
naturalnym składem powietrza

=

wprowadzone do powietrza organizmy żywe lub substancje chemiczne,



które albo nie są jego naturalnymi składnikami



albo (będąc nimi) występują w stężeniach przekraczających dla nich właściwy zakres.

(WHO: = substancje, … szkodzące człowiekowi lub środowisku)

Klasyfikacja zanieczyszczeń powietrza

-

gazy i pary związków chemicznych,



n

p. tlenki węgla (CO i CO

2

), siarki (SO

2

i SO

3

) i azotu, amoniak (NH

3

), fluor,

węglowodory (łańcuchowe i aromatyczne), ich chlorowe pochodne, fenole

-

cząstki stałe nieorganiczne i organiczne (pyły)



n

p. popiół lotny, sadza, pyły z produkcji cementu, pyły metalurgiczne, związki Pb, Cu,

Cr, Cd i innych metali ciężkich;

- mikroorganizmy



z

reguły wirusy, bakterie i grzyby, których rodzaj lub ilość odbiega od składu

naturalnej mikroflory powietrza;

- kropelki cieczy



n

p. rozpuszczalników, kwasów, zasad,

ZANIECZYSZCZENIE POWIETRZA

ŹRÓDŁA NATURALNE

działalność wulkaniczna

pożary lasów

rozkład materii organicznej

ŹRÓDŁA ANTROPOGENICZNE

transport

spalanie paliw

procesy przemysłowe

produkty gazowe:

SO

2

H

2

S

NH

3

CH

4

CO

2

CO
węglowodory
pyły

produkty gazowe:

CO
NO

2

węglowodory
SO

x

pyły

Analiza środowiskowa, żywności i leków

18

Cd. Klasyfikacja zani

eczyszczeń powietrza

1) Gazowe
2)

Pyłowe

PM, particulate matter
SPM suspended particulate matter

(particulates -

cząstki; stałe, zawieszone w gazie)

Zanieczyszczenia powietrza związkami siarki



Gazowe zwi

ązki siarki: SO

2,

SO

3

,H

2

S



Kwas siarkowy H

2

SO

4



Siarczany

różnych metali.

Zanieczyszczenia pierwotne

– typy



Zanieczyszczenia podstawowe

-

Powstają głównie podczas spalania różnego rodzaju paliw w procesach

wytwarzania energii, np.

- ditlenek siarki
-

ditlenek węgla

-

pyły



Zanieczyszczenia specyficzne

-

Są efektem różnych procesów technologicznych wykorzystywanych w przemyśle



Z

anieczyszczenia emitowane ze źródeł mobilnych

- g

łównie pojazdów samochodowych, maszyn rolniczych.

Zanieczyszczenia wtórne

-

powstają w znacznej odległości od źródła emisji danego rodzaju zanieczyszczenia

-

powstają jako produkty reakcji i procesów zachodzących w zanieczyszczonej atmosferze.

Najważniejsze zanieczyszczenia atmosfery pochodzenia antropogenicznego:



SO

2



tlenki azotu N

x

O

y



pyły węglowe



lotne związki organiczne (najczęściej węglowodory)



CO, CO

2



ozon troposferyczny (O

3

)



Pb



pyły

Trzy g

łówne źródła emisji zanieczyszczeń do atmosfery



punktowe

- g

łównie duże zakłady przemysłowe emitujące tlenki azotu, siarki i węgla, pyły,

metale ciężkie



powierzchniowe (rozproszone)

- paleniska

domowe, małe lokalne kotłownie (emisja głównie pyłów, SO

2

, CO

2

)



liniowe

- g

łównie ciągi komunikacyjne (drogi) odpowiedzialne za emisję tlenków azotu,

tlenków węgla, węglowodorów, metali: Pb dawniej, dziś Pt, Pd (katalizatory)

Emisja i imisja zanieczyszczeń



Emisja (

wypuszczanie do atmosfery pyłów lub gazów)



Imisja (

wprowadzanie zanieczyszczeń przemysłowych do atmosfery)

Analiza środowiskowa, żywności i leków

19

Próbki gazowe – różne rodzaje („inne”)

-

gazy z kominów gazów odlotowych (pomiar emisji)

- powietrze atmosferyczne (pomiar imisji)
-

próbki gazów z górnych warstw atmosfery

-

powietrze wewnętrzne (pomieszczenia)

- powietrze na stanowiskach pracy
-

gazy spalinowe z silników pojazdów (ruchome źródła emisji)

-

gazy z instalacji przemysłowych i zamkniętych obiegów mediów technologicznych

-

atmosfery specjalne (okręty podwodne, kapsuły ratunkowe)

-

gazy wydychane przez człowieka

-

gazy z miejsc trudno dostępnych i niebezpiecznych (kopalnie)

Próbki gazowe – Rodzaje analitów:

Składniki gazowe:

-

gazowe składniki nieorganiczne

-

gazy i pary związków organicznych

- bardzo lotne zwi

ązki organiczne

-

lotne związki organiczne

-

średnio lotne związki organiczne

Aerozole i pyły:

- materia organiczna zawieszona
- substancje organiczne zaadsorbowane na powierzchni:

- aniony i kationy
- dioksyny

Zanieczyszczenia powietrza a regulacje prawne i dyrektywy

Council Directive 96/62/EC



Pollutants to be studied by initial stage (na wstępie), governed by existing air quality
directives are:
Sulfur dioxide, nitrogen oxides, fine particular matter (PM10, PM2.5), suspended
particular matter, lead, ozone



Other air pollutants to be considered are:

benzene, carbon monoxide, poly-aromatic hydrocarbons, cadmium, arsenic, nickel,
mercury

Przygotowanie próbek powietrza do pomiaru



Oddzielenie fazy gazowej od fazy stałej i ciekłej:
zazwyczaj podczas poboru próbki (zasysanie przez filtry)
- odpylanie
- osuszanie
- w

ymrażanie



Faza gazowa i faza

stała analizowane są oddzielnie

Analizy

składników gazowych powietrza

 S

tężenie

NO, NO

2

, SO

2

, CO, CO

2

(O

2

)

 S

trumień masy

NO, NO

2

, SO

2

, CO, CO

2

metoda absorpcji promieniowania IR

Analiza środowiskowa, żywności i leków

20

 S

tężenie metanu: spektroskopia FTIR oraz GC

Metoda niedyspersyjnej spektrometrii absorpcyjnej IR

– analizator gazu: CO, CO

2

-

dodatkowe urządzenia: przepływomierz, pompa

Cd. Analizy składników gazowych powietrza

Oznaczanie za pomoc

ą metody kolorymetrycznej:

-

stężenie/zawartość siarkowodoru

-

stężenie amoniaku

-

stężenie par fenolu

-

s

tężenie formaldehydu na stanowiskach pracy – metoda kolorymetryczna

(z

fenylohydrazyną)

Metody chromatografii gazowej:

-

identyfikacja i oznaczanie węglowodorów (alifatycznych i aromatycznych)

-

oznaczanie par rozpuszczalników organicznych

GC jest najszerzej stosowaną techniką rozdzielania, identyfikacji i oznaczania związków
organicznych
Granica stosowalności

t~400

° C

M

cz

~1000

Cd. Analiz

y składników gazowych powietrza

Niemetanowe węglowodory – chromatografia gazowa
Lotne związki VOC (Volatile Organic Compounds)

Oznaczanie benzenu, toluenu i ksylenu

– analiza BTX

-

absorpcja na węglu aktywnym

- ekstrakcja ultrad

źwiękowa za pomocą CS

2

-

pomiar metodą GC z detekcją FID (detektor płomieniowo-jonizacyjny)



Wstrzyk CS

2

: 5 µL



Czas retencji: 7,9,11 min.

(np. Benzene RT - 6.80min, Toluene RT - 9.18min, Xylene RT - 11.37min.)

Analizy składników gazowych powietrza - O

3



Metoda:

- okr

eślona objętość powietrza jest przepuszczana przez roztwór zawierający KI w

roztworze buforu
- wydzielony I

2

jest oznaczany metodą spektrofotometryczną



Typowa analiza

Pomiary

– czas: 24h, przynajmniej 2 pomiary w tygodniu czyli 104 próbki rocznie.

Analiza powietrza -

pyły

Ze względu na średnicę aerodynamiczną cząstek (ziaren) dzielimy je na:



pyły o średnicy > 10 µm



PM 10

– pyły inhalabilne o średnicy < 10 µm; które mogą docierać do głównych dróg

oddechowych i płuc



PM 2.5

– pyły respirabilne o średnicy < 2,5 µm; które wnikają bezpośrednio do płuc

oraz przedostają się do krwioobiegu

Pyły - charakterystyka

-

Pył - którego rozmiary o wielkości przekraczającej 10 µm, bardzo często opada

-

pyły drobniejsze mogą utrzymywać się w powietrzu przez długi okres czasu

Analiza środowiskowa, żywności i leków

21

-

pyły są zaliczane do zanieczyszczeń transgenicznych, mogą być przenoszone na bardzo

dalekie odległości



pył PM10 - może pokonać odległość do 100km



pył PM2.5 - do 2,5km

Analiza chemiczna pyłu wielkomiejskiego



pyły o średnicy PM2.5 - wykazują często największy udział zw. siarki (60%)



w przypadku cząstek o Ø 10 µm jest najwięcej krzemu i wapnia (40% i 20%)

Skład chemiczny pyłów i metody jego analizy



Analiza pierwiastkowa -

głównie: ICP-MS, ICP-OES, XRF, AAS



zawartość zw. nieorganicznych (tlenki, np. SiO

2

) - IR, XRD



zawartość zw. organicznych: GC, LC



obecność kwasów (zasad) - różne, np. HPLC

Prawo:
Rozporządzenie Ministerstwa Środowiska (2008):
alarmowy poziom pyłów PM10 wynosi:



dla okresu uśredniania: 24h wyn.200μg/m

3



stężenie średnioroczne: 40μg/m

3



stężenie 24h: 50μg/m

3



rocznie dopuszczalna wartość przekroczenia stężenia 24-godzinnego powinna
zmieścić się w 35 przypadkach

Dyrektywa parlamentu europejskiego: 2008/50/WE w sprawie jakości powietrza i czystszego
powietrza w Europie
-

od roku 2010 jesteśmy zobowiązani do pomiarów pyłów PM2.5 w miastach powyżej 100tys.

mieszkańców oraz w niektórych innych strefach
-

proponowane standardy dla pyłu …

Drugorzędne (??) zanieczyszczenia powietrza



drugorzędne niebezpieczne zanieczyszczenia powietrza



trwałe zanieczyszczenia organiczne (POPs) osadzone na pyłach
-

związki odporne na degradację metodami chemicznymi, biologicznymi i innymi

-

bioakumulują się w organizmach żywych

ANALIZA WODY I ŚCIEKÓW

WODA - RODZAJE -

PRZYKŁADY



Naturalna i surowa:

opadowa (deszczowa)
powierzchniowa (jeziora, rzeki, stawy)
morska (słona)
słodka (rzeczna, jeziorna)
gruntowa, podskórna, głębinowa



Użytkowa:
wodociągowa
pitna
przemysłowa
ogrodnicza
demineralizowana
destylowana

ANALIZA

Analiza środowiskowa, żywności i leków

22

Woda - inne (specyficzne) rodzaje -

przykłady

- woda w glebie
-

woda w żywności

-

woda w organizmach żywych

WODA -

własności



rozpuszczające



dyspergujące

Woda tworzy:
-

roztwory właściwe

- r-ry koloidalne
- zawiesiny

ŚCIEKI - rodzaje - przykłady

(pod kątem „producenta” ścieków)



komunalne



przemysłowe (np. z garbarni, z elektrowni, z koksowni, cukrowni, zakładów
produkujących żywność)



rolnicze

Analizowane wody, często, a ścieki z reguły:
-

są mieszaninami, roztworów właściwych, koloidalnych i zawiesin

- r-

ry właściwe oddzielamy od fazy rozproszonej i fazy ciekłej i poddajemy je osobno analizie

W zależności od celu analizy:
stosujemy odpowiednią strategię próbkowania w zależności od obiektu:



woda pitna z kranu



woda z Bałtyku w miejscowościach uzdrowiskowych



woda w rzece

Próbki pobieramy:
-

do odpowiednich naczyń (pojemników, wykonanych z odpow. materiału; szklane lub

polietylenowe)
-

do pojemników o odpow. objętości (100ml, 500ml, 2l)

Jeśli nie wykonujemy analizy on-line wówczas woda/ścieki są poddawane stabilizacji:



chemicznej (HNO

3

, H

2

SO

4

, NaOH)



termicznej (z reguły do 4°C)



próbka jest zabezpieczona przed dostępem światła (np. badania na obecność
mikroorganizmów)

(zdania podzielone co do zamrażania próbek wody/ścieków)

ZANIECZYSZCZENIA WODY

 chemiczne

zw. organiczne
zw. nieorg.

 biologiczne
 mechaniczne (np. piasek)

WODA -

przykłady STABILIZACJI



analiza metali - stabilizacja HNO

3

, pH=2 lub 0,5



cyjanki - NaOH



substancja organiczna - pojemnik szklany



mikroorganizmy -

sole rtęci, kwasy itd.

Analiza środowiskowa, żywności i leków

23



tlen …

{ISO, EPA, WHO - te same lub tylko podobne procedury}

NAJCZĘŚCIEJ WYSTĘPUJĄCE SKŁADNIKI ŚCIEKÓW



składniki organiczne
białka, węglowodany, tłuszcze, oleje, żywice, barwniki, fenole, produkty naftowe,
detergenty, pestycydy



składniki nieorganiczne
-

metale ciężkie (Pb, Cu, Cd, Hg, Zn, Cr), pierwiastki toksyczne (As, Cl)

- zasady, kwasy
- jony: chlorkowe Cl

-

, … SO

4

2-

, NO

3

-

, PO

4

3-

, CO

3

2-

, amonowe (standard oznaczeń:

jony azotanowe i amonowe)



Mikroorganizmy (bakterie, …)

POMIAR WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH WÓD I ŚCIEKÓW -mierzone

 temperatura


mętność, przezroczystość

 barwa


gęstość

 zapach


napięcie powierzchniowe

 konduktancja (przewodnictwo elektrolityczne)

Inne: tylko dla wody - bad. smaku

KONDUKTANCJA -

przewodnictwo elektrolityczne (odwrotność rezystancji) jest to:

-

miara zawartości elektrolitów (zasolenia) w wodzie lub ściekach

-

często podajemy sumaryczną zawartość elektrolitów w przeliczeniu na zawartość NaCl

-

miara czystości wody destylowanej lub dejonizowanej (zdemineralizowanej)

KONDUKTYWNOŚĆ (przewodnictwo właściwe wody)
= odwrotność oporu właściwego słupa cieczy zawartego między elektrodami o…
Przewodnictwo właściwe - przykłady:
- woda destylowana 0,5-2,0

μS/cm

- wody naturalne 50-500

μS/cm

-

wody naturalne zanieczyszczone ściekami: 10000 μS/cm

{Na podstawie pomiaru przewodnictwa właściwego szacuje się sumaryczną zawartość
kationów i anionów.}

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWO-CZYNNE
-

zmienia się bardzo mocno wraz z zawartością substancji organicznych (materii org.),

zwłaszcza środków powierzchniowo-czynnych
Metody pomiaru:
- kapilarne
-

stalagmometryczna (określenie wielkości i ciężaru narastającej kropli, by ją oderwać od

końca rurki)
-

metoda leżącej lub wiszącej kropli (pomiar/oszacowanie kształtu kropli).

MĘTNOŚĆ WODY
-

za jednostkę mętności przyjmuje się mętność jaką posiada roztwór zawierający 1mg

zawiesiny SiO

2

w 1dm

3

wody destylowanej

-

jednostka mętności NTU (

nephelometric turbidity unit): 1NTU =

1mg/dm

3

Metody oznaczania:
-

wizualna (jakościowa)

-

turbidymetryczna (ilościowa),

Analiza środowiskowa, żywności i leków

24

w zakresie 0 - 5 mg/dm

3

oraz 5 - 50 mg/dm

3

-

nefelometryczna (ilościowa)

Nefelometria = metoda pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesinę w oparciu
o efekt Tyndalla; wiązka światła przechodząc przez roztwór koloidalny pod określonym
kątem względem wiązki padającej, staje się widoczna w postaci stożka Tyndalla. Na tej
podstawie oznacza się stężenie tej zawiesiny lub rozmiary tworzących ją cząstek.

Turbidymetria = metoda pomiaru natężenia światła, po przejściu przez próbkę (kuwetę z
badaną próbką); służy do pomiaru mętności zawiesin; opiera się na pomiarze relacji
pomiędzy ilością światła emitowanego przez źródło, a ilością światła docierającą
do detektora

spektrofotometru, po przejściu przez komórkę (kuwetę) z badaną próbką.

Relacja

ta

zależy

głównie

od stężenia cząstek

zawiesiny,

na

których

zachodzi dyspersja

światła.

Rodzaje barwy (wody, ścieków)



Podział ze względu na pochodzenie:

- barwa pozorna -

spowodowana obecnością zawiesiny (drobnej) np. cząstki żelaza, gliny;

zanika po odsączeniu zawiesiny;
- barwa rzeczywista - spowodowana przez rozpuszczone w wodzie substancje.



Podział ze względu na rodzaj zanieczyszczenia:

- naturalna (

pochodząca od naturalnych zanieczyszczeń i domieszek)

- specyficzna (

spowodowana obecnością i rodzajem ścieków)

Barwy wody

– przykłady

- wody naturalne

– barwa w zakresie 5-25 mg Pt/dm

3

- dopuszczalna barwa wody wodoci

ągowej zgodnie z obowiązującymi

przepisami: 15 mg Pt/dm

3

Metody oznaczania barwy

- w skali platynowo

– kobaltowej

- w skali dwuchromianowo

– kobaltowej

- metoda opisowa (w przypadku barwy specyficznej)
- metoda oznaczania liczby progowej
- metoda spektrofotometryczna

**

Pomiar parametrów chemicznych wody i ścieków**

Pomiary chemiczne:
- odczyn
-

twardość (wody)

- zasolenie
-

korozyjność

- zapotrzebowanie na tlen
-

skład chemiczny

Skład chemiczny:
- substancje rozpuszczone i zawieszone
-

zawartość gazów

- oznaczenia

pierwiastków i jonów ( w tym formy specjacyjne)

-

oznaczenia związków lub grupy związków (np. pestycydy)

substancje organiczne i nieorganiczne

Pomiar odczynu wody i

ścieków.

Kwasowość, zasadowość

Metody: pH-metria, miareczkowanie

Analiza środowiskowa, żywności i leków

25

Rodzaje zasadowości
Kryterium: związek, który nadaje wodzie charakter zasadowy
-

zasadowość ogólna („z oranżem”)

- zasadowo

ść mineralna („z fenoloftaleiną”)

-

zasadowość węglanową (CO

3

2-

)

-

zasadowość wodorowęglanowa (HCO

3

2-

)

-

zasadowość wodorotlenową (OH

-

)

Zasadowość (tzn. rodzaj zasadowości) wody:
- z punktu oceny sanitarnej

nie ma większego znaczenia

-

w przypadku wód do celów przemysłowych ma istotne znaczenie.

Zasadowość mineralna i zasadowość ogólna wody
Oznaczanie

zasadowości ogólnej:

miareczkowanie badanej wody r-rem HCl do pH=4,5
wskaźnik – oranż metylowy;
zmiana zabarwienia z żółtego na żółtoczerwone w PK
Oznaczenie

zasadowości mineralnej:

miareczkowanie r-rem HCl do pH=8,3
wskaźnik – fenoloftaleina
PK:

zanik różowego zabarwienia próbki

**Analiza chemiczna

– oznaczanie frakcji grup i związków**

Skład chemiczny – niektóre ścieki – substancje rozpuszczone i zawieszone
-

sucha pozostałość mg/dm

3

- substancje rozpuszczone (sumarycznie) mg/dm

3

-

zawiesina ogólna mg/dm

3

-

zawiesiny łatwo opadające po … minutach ml/l

Zawartość związków organicznych – utlenialność
-

bardzo ważnym elementem analizy wód naturalnych i ścieków jest oznaczenie w nich

zawartości związków organicznych
-

różnorodność występujących w wodzie związków organicznych nie pozwala ich często

dokładnie wydzielić i rozróżnić
-

oznaczana jest zwykle ogólna zawartość związków organicznych bo ich obecność sama w

sobie jest szkodliwa bez względu na rodzaj
- do oznac

zenia sumarycznej zawartości materii organicznej w wodzie służy parametr zwany

utlenialnością wody

Analiza środowiskowa, żywności i leków

26

- oznaczamy zapotrzebowanie wody na tlen:

chemiczne (ChZT)
biochemiczne (BZT)

-

Utlenialność to wielkość określająca ilość tlenu do utlenienia

substancji organicznych
i niekt

órych związków nieorganicznych

np. żelaza(II), siarkowodoru, siarczków, azotanów(III)
-

Utlenialność wody wynosi od 4 mg O

2

/dm

3

dla wód czystych

- do kilkuset mg O

2

/dm

3

dla wód zanieczyszczonych.

Metody ChZT

Manganianowa
= wskaźnik określający zużycie nadmanganianu(VII) potasu, KMNO

4

przez łatwo utleniające

się substancje chemiczne nieorganiczne oraz materię organiczną.
Substancje organiczne występujące w wodach utleniane są za pomocą tego odczynnika w
ok.60%.
Chromianowa
= metoda oparta na zastosowaniu jako utleniacza K

2

Cr

2

O

7

Metoda

charakteryzuje się bardzo wysokim stopniem utleniania związków organicznych,

dochodzący do 100%.

Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT)

=

biochemiczne oznaczanie utlenialności



BZT = biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT

n

)

to ilość tlenu potrzebna do utlenienia związków organicznych w próbce wody w ciągu
n dób inkubacji w temp. 20°C.



NZT = natychmiastowe zapotrzebowanie na tlen

określa ilość tlenu potrzebną do utlenienia się związków organicznych w próbce wody
w czasie 15 min.

BZT można oznaczać dwoma metodami:
-

metodą rozcieńczeń (jedyna oficjalnie dopuszczona w obrocie publiczno – prawnym)

-

metodą manometryczną

-

Oznaczenie zawartości tlenu przed i po inkubacji można wykonać:

miareczkując
lub przy pomocy tlenomierza.

Metody oznaczania chlorków (miareczkowe) w wodzie i ściekach

- miareczkowanie argentometryczne (metoda Mohra lub Volharda)
- miareczkowanie merkurometryczne

SKŁAD GLEBY

Gleba to ośrodek porowaty, trójfazowy, na który składają się:
-

faza stała

-

faza ciekła (roztwór glebowy)

- faza gazowa (powietrze glebowe)

Parametry charakteryzuj

ące udziały ilościowe fazy gazowej, ciekłej i stałej w glebie

-

gęstość (gęstość objętościowa)

-

porowatość (wskaźnik porowatości)

- stopie

ń zagęszczenia

-

wilgotność

Powietrze glebowe:

- w

ypełnia w glebie wolne przestrzenie nie zajęte przez fazę ciekłą.

- z

awartość powietrza w glebie określa się terminem „porowatość powietrzna”.

Analiza środowiskowa, żywności i leków

27

Maleje ona wraz z głębokością , jest też zależna od opadów atmosferycznych.
Składniki powietrza glebowego:
-

główne: O

2

, N

2

, CO

2

, para wodna

-

podrzędne: CH

4

, C

2

H

2

, tlenki azotu (N

2

O)

-

ślady: H

2

S, NH

3

, CO, H

2

Skład powietrza glebowego zależy od:
-

składu chemicznego (fazy stałej gleby)

-

procesów chemicznych zachodzących w glebie

- zanieczyszczenia gleby
-

warunków atmosferycznych (pory roku, klimatu, itp.)

Formy występowania wody w glebie

- woda wolna
- para wodna
-

woda molekularna (higroskopijna i błonkowata)

- woda kapilarna

Roztwór glebowy

=

roztwór rzeczywisty, wieloskładnikowy, heterogeniczny o różnym składzie chemicznym i

poziomie zasolenia.
Wody gruntowo-

glebowe są środkiem transportu zanieczyszczeń (ale i składników

odżywczych).

Skład roztworu glebowego:



substancje mineralne

rozpuszczone w formie prostych jonów i ich hydratów (K

+

, Ca

2+

,

Cl

-

, HCO

3

-

)



substancje mineralne nierozpuszczone (formy koloidalne Fe(OH)

3

, FeS)



kompleksowe koloidy mineralno-organiczne



związki organiczne (kwasy humusowe, fulwowe)



rozpuszczone gazy (O

2

, H

2

S, NH

3

)

Substancje stałe gleby

-

składniki mineralne

-

składniki organiczne

-

składniki mineralno-organiczne

Składniki mineralne gleby – klasyfikacja (I)



minerały jałowe nie uwalniają składników pokarmowych (pierwiastków)
np. kwarc, krzemionka



minerały uwalniające składniki pokarmowe typu pierwiastki
np. dolomit Ca,Mg(CO

3

)

2

, minerały ilaste

Składniki mineralne gleby – klasyfikacja (II)



minerały łatwo wietrzejące, np. kalcyt CaCO

3

, dolomit, syderyt FeCO

3



minerały średnio odporne na wietrzenie, np. hematyt Fe

2

O

3



minerały trudno wietrzejące, np. korund Al

2

O

3

, magnetyt Fe

3

O

4

, SiO

2

Metody analizy składników mineralnych

Analiza pierwiastkowa



pomiar zawartości całkowitych (AAS, ICP-OES, ICP-MS)



analiza frakcjonowana (Tessier, BCR)



ocena ługowalności wybranymi ekstrahentami

Analiza strukturalna, fazowa

 XRD, XRPD
 IR
 (NMR)

Substancje organiczne gleby

= humus =

próchnica

Analiza środowiskowa, żywności i leków

28

Właściwe związki próchnicze = substancje organiczne, które pod wpływem procesu
humufikacji zatraciły całkowicie strukturę tkanek organizmów z których powstały

Podział substancji próchniczych



swoiste substancje próchnicze (85-90% substancji organicznej)
Kwasy huminowe i fulwowe, huminy



nieswoiste substancje próchnicze (10-15% substancji organicznej)
Białka, tłuszcze, woski, smoły, garbniki, cukry, kwasy organiczne

Substancje humusowe

=

to mieszanina wielu związków

-

bardzo różne pod względem chemicznym, dotychczas tylko częściowo poznane

- barwne
-

masa cząsteczkowa waha się od 700 do 800000

- trudno rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie
- bar

dzo wolno się biodegradują

Substancje humusowe

– podział

Kryterium analityczne podziału:

W zale

żności od ich rozpuszczalności

w rozcieńczonych kwasach i zasadach

Kwasy huminowe

– są rozpuszczalne w roztworze zasadowym ( wytrącają się w roztworze

kwasu solnego)
Kwasy fulwowe

– są rozpuszczalne w roztworach kwaśnych i zasadowych

Huminy

– są nie rozpuszczalne ani w roztworach kwaśnych ani w zasadowych.

Udział poszczególnych grup substancji humusowych (w glebie)
jest bardzo różny w zależności od warunków, w jakich przebiega biochemiczny rozkład
szczątków organizmów.
W wodach naturalnych występują głównie kwasy fulwowe.

Kwasy huminowe i fulwowe

– struktura

Posiadają w strukturze:
-

pierścienie aromatyczne

- grupy funkcyjne:



Karboksylowa COOH



Karbonylowa C=O



Fenolowa



Eterowa



Alkoholowa



Estrowa



Metoksylowa

Ustandaryzowane metody określania pH gleby:

- pomiar pH w H

2

O (pH H

2

O)

- pomiar pH w 1M lub 0,1M roztworze KCl (pH KCl)
- pomiar pH w 0,1Ml roztworu CaCl

2

(pH CaCl

2

)

NP.

skala odczyny gleb leśnych: pH w H

2

O 5,6-

6,0 odpowiada glebie średnio kwaśnej,

natomiast pH w KCl 5,6-

6,5 odpowiada glebie słabo kwaśnej.

Rośliny wskaźnikowe – kwasowość gleby

Gleby silnie kwasowe:

borówka czernica, borówka brusznica, wrzos

Gleby kwaśne: szczawnik zajęczy, konwalijka dwulistna, kosmatka owłosiona
Gleby słabo kwaśne: marzanka wonna, przylaszczka, gajowiec
Gleby o odczynie obojętnym: zawilec leśny, perłówka zwisła, gwiazdnica, kuklik
Gleby o odczynie zasadowym:

szczyr twardy, czosnek niedźwiedzi, kopytnik europejski,

kłosowica leśna, podagrycznik

Odczyn gleby a warunki

życia

Analiza środowiskowa, żywności i leków

29

Odczyn kształtuje warunki życia w glebie. Każdy organizm posiada określony przedział pH
odpowiedni dla niego, w którym dobrze się rozwija, ora węższy przedział pH, optymalny, w
którym najlepiej się rozmnaża.
Większość roślin uprawnych posiada pH optymalne powyżej wartości 5,5. Gatunki iglaste
mogą rozwijać się w glebach o odczynie bardzo kwaśnym.
Bakterie dobrze rozwijają się w odczynie obojętnym i słabo kwaśnym. Im bardziej kwaśny
odczyn tym gorsze warunki rozwoju bakterii.
Grzyby natomiast dobrze rozwijają się również w warunkach odczynu kwaśnego i silnie
kwaśnego.

Odczyn gleby a substancje nieorganiczne

W środowisku kwaśnym następuje rozpuszczenie się niektórych substancji nieorganicznych:



Powstają wolne metale i ich hydraty



Fosforany ulegają rozpuszczeniu

W środowisku obojętnym i zasadowym metale występują głównie w formie związanej:



Nierozpuszczalne sole typu węglany, fosforany



Wodorotlenki w formie osadów

Rodzaje kwasowości gleby

Czynna:
pochodząca od jonów wodorowych w roztworze glebowym
Potencjalna:



Wymienna

– pochodząca od jonów kwaśnych słabo związanych w procesie

sorpcyjnym



Hydrolityczna

– pochodząca od jonów kwaśnych silnie związanych w procesie

sorpcyjnym

Klasy organizmów glebowych według kryterium wielkości

Megafauna
(> 20 mm)

Makrofauna
(2-20 mm)

Mezofauna
(0,2-2 mm)

Mikrofauna
(< 0,2 mm)

ssaki
gady
płazy
dżdżownice

sześcionogi
ślimaki
pająki
chrząszcze/ich larwy
larwy muchówek
skorki

wrotki
niesporczaki
nicienie
roztocza
skoczogony
pseudoskorpiony

np.
jednokomórkowce,
ameby

Przyk

ładowe, typowe badania gleby:

-

ocena zawartości próchnicy

-

analiza formy próchnicy

-

ocena wilgotności gleby

-

badanie pojemności wodnej

-

badanie przepuszczalności wody

-

pomiar gęstości gleby

- pomiar

wartości pH

-

pomiar zawartości wapnia

-

oznaczanie metali ciężkich (Pb, Hg,…)

-

składniki odżywcze: pomiar zawartości azotanów w glebie

-fauna glebowa:

wykrywanie zwierząt glebowych

(ozn. przewodności elektrolitycznej, ozn. CaCO

3

jako odpowiednika zaw. kalcytu i dolomitu,

ekstrakcja i ozn. zaw. Fe, Al., Mn, itd.)

Oznaczanie wybranych rodzajów sumarycznego (całkowitego) węgla

Powody:
duża ilość bardzo różnorodnych składników będących związkami węgla

Analiza środowiskowa, żywności i leków

30

co skutkuje koniecznością wykonania:



Bardzo dużej ilości oznaczeń



Często drogich



Wymagających długiego czasu analizy

Rodzaje oznaczanego węgla

-

węgiel całkowity (TC) Total Carbon – węgiel w badanej próbce występujący w postaci

związków nieorganicznych jak i organicznych
-

całkowity węgiel nieorganiczny (TIC) Total Inorganic Carbon – np. węglany, rozpuszczony

CO

2

-

całkowity węgiel organiczny (TOC) Total Organic Carbon

-

nieusuwalny węgiel organiczny (NPOC) Non-Purgeable Organic Carbon – węgiel

organiczny pozostający w zakwaszonej próbce po usuwaniu związków z próbki gazem
(inertnym)
-

usuwalny węgiel organiczny (lotny) (POC,VOC) Purgeable (Volatile) Organic Carbon –

węgiel organiczny usuwany z obojętnej lub zakwaszonej próbce wraz z gazem inertnym –
oznaczany metodą Purge&Trap GC
-

rozpuszczony węgiel organiczny (DOC) Dissolved Organic Carbon – węgiel organiczny

pozostający w próbce po filtrowaniu (zwykle filtr 0.45 µm)
-

zawieszony węgiel organiczny (SOC lub POC) Suspended Organic Carbon – węgiel

zatrzymywany przez filtr

Oznaczana subst

ancja organiczna (węgiel)



Rozpuszczona materia organiczna (DOM) Dissolved Organic Matter

– to w wodach

główne źródło węgla organicznego



Rozpuszczony węgiel organiczny (DOC=DOM) jest przyswajalny głównie dla bakterii,
w mniejszym stopniu przez inne mikroorganizmy,

natomiast jest bardzo słabo

wykorzystywany przez zwierzęta.



Znaczna część DOC, np. substancje humusowe, jest trudno przyswajalna dla także
dla bakterii



Przyswajalne postacie DOC są szybko konsumowane, nieprzyswajalne mogą tworzyć
zawiesinę.

Metody oznaczania substancji organicznych (węgla)

-

oznaczenie węgla - analiza elementarna

- metody wagowe
- spektroskopia IR, Ramana
- spektrometria mas
- NMR
- metody chromatograficzne
- XRD/XRPD

– analiza strukturalna

Ekosystem

=

obiekt/obszar środowiskowy; jednostka funkcjonalna biosfery

Składniki ekosystemu:
-

biocenoza (ogół organizmów występujących na danym obszarze powiązanych ze sobą

różnymi zależnościami)
-

biotop (nieożywione elementy tego obszaru)

Typy badań fauny i flory (biocenozy)

-

rozwój gatunków i populacji (biologia)

-

porównanie rozwoju w różnych środowiskach (biologia)

-

bioakumulacja (analiza środowiskowa)

- szacowanie zagro

żenia ekologicznego (analiza środowiskowa):



bioindykacja i bioindykatory

Rodzaje materiału biologicznego stosowanego w analizie jako bioindykatory

Analiza środowiskowa, żywności i leków

31

-

rośliny

- ryby

(zwierzęta)

- bentos
- plankton
- organizmy prymitywne
- bakterie

Plankton

=

swobodnie pływające w zbiornikach wodnych drobne organizmy roślinne i zwierzęce

-

stanowi biologiczny składnik wody w rzekach, stawach , jeziorach

-

służy do oceny stanu ekosystemu wodnego (reaguje na zmiany w środowisku)

Krytyczne parametry przy próbkowaniu:
czas, miejsce, sposób (technika) i ilość pobranego materiału
Stabil

izacja i przechowywanie próbek:

pH <2; ok. 4 stopnie C; minimalna ekspozycja na światło
Stabilizacja chemiczna

(przykłady)

- np. 70% etanol
-

5% buforowany roztwór formaliny (→zooplankton)

Bentos (gr. benthos -

głębina)

= organizmy zamieszkujące dno zbiornika wodnego.
Skład bentosu: rośliny, zwierzęta, pierwotniaki, bakterie.

Próbkowanie zwykle dwuetapowe:
- zbieranie osadu wraz z bentosem
- oddzielanie bentosu od osadu

Bakterie

-

zbiera się je głównie w środowisku wodnym do wysterylizowanych butli szklanych

- przechowywanie w ciemni
- analiza po 1h lub 24h
-

służą do oceny mikrobiologicznej danego ekosystemu wodnego, przydatności wody do

cel

ów spożywczych

Ryby

Materiał typu:



bioidykatory czułe na zmiany środowiska



żywność

Próbkowanie:



z uwzględnieniem regulacji prawnych (licencje, itp.)



konieczność uwzględniania cykli życiowych i dróg migracji (np. połowów tylko w
pewnych okresach)



równoczesny pobór próbek ryb i wody

Konserwacja:



mrożenie



chemiczna

– przechowywanie w 10% roztworze formaliny

Analiza:



pierwiastkowa, włączając specjację (Hg, As)



substancje organiczne



trudności w interpretacji wyników z uwagi na dużą mobilność ryb

Rośliny

Rodzaje próbek:



-

liście, kora i korzenie drzew (rzadko krzewów)



-trawy



-

rośliny inne (spożywcze najczęściej)

Krytyczne parametry próbkowania:



Czas (pora roku)



Sposób (zgodnie z odpowiednimi procedurami)

Analiza środowiskowa, żywności i leków

32

Przykład: liście drzewa: h= 1,5-2m dookoła drzewa, …

Wstępne przygotowanie próbek:



My

cie (różne procedury)



Suszenie



Homogenizacja ( ewentualnie separacja części – analiza sitowa)

Skład chemiczny liści

-

substancje nieorganiczne (różne sole mineralne, kompleksy) – pierwiastki (najczęściej je

oznaczamy)
- substancje

organiczne typu: związki garbnikowe, olejki eteryczne, alkaloidy (teina), związki

białkowe i aminokwasy, pigmenty, skrobia, węglowodany (cukry proste i złożone), witaminy,
pektyny.

ANALIZA

ŻYWNOŚCI

#Składniki żywności - odżywcze:



woda



tłuszcze



białka



sacharydy



substancje mineralne



witaminy

#Składniki żywności - informacja producenta



obowiązkowa w przypadku tylko niektórych rodzajów żywności porcjowanej



nie zawsze dostatecznie „precyzyjna” i „zobowiązująca”, bywa szokująca ale „legalna”

np. udział wody do 100% w mleku UHT wg producenta
#Próbki żywności - przygotowanie do analizy

Metody preparatywne zależą



Od analitu

pierwiastek, dana forma specjacyjna pierwiastka
związek chemiczny lub grupa związków org. i nieorg.
mikroorganizm



Od charakteru próbki
stan skupienia
skład chemiczny
… itd.

#Analiza żywności:



analiza składu

-

zawartość składników naturalnych / odżywczych

-

obecność i zawartość składników szkodliwych i zanieczyszczeń

-

obecność i zawartość dodatków



analiza innych właściwości

#Przygotowanie p

róbki żywności do analizy - składniki mineralne/pierwiastki



mineralizacja; najczęściej: na sucho, na mokro, instrumentalna, ze wspomaganiem
(np. mikrofalowo - sonikacja, promienowanie UV)



ekstrakcja: rozpuszczalnikowa (ciecz-

ciecz, ługowanie), ekstrakcja do fazy stałej,

SPE



chromatografia (kolumnowa, cieczowa): LC oraz HPLC; jonowymienna IC

Analiza środowiskowa, żywności i leków

33



elektroforeza kapilarna



derywatyzacja: CVG (HG)



Praktyczne oznaczanie składników mineralnych i pierwiastków wymaga zawsze
przygotowania próbki do pomiaru
przykłady wyjątków: oznaczanie wody/wilgoci niektórymi metodami (np. suszenie)



Przygotowanie próbki i oznaczanie może się odbywać w przypadkach specyficznych
metod pomiarowych „w jednym cyklu”/jednym aparacie
np. oznaczanie Hg (analizator Hg); analiza elementarna (analizator C,H,O,N,S)

#Przygotowanie p

róbki żywności do analizy - składniki organiczne



ekstrakcja

do fazy ciekłej, gazowej i stałej, fluidalna… (b.wiele różnych technik, np. head space
technique, HS -

przeprowadzenie próbki do fazy nadpowierzchniowej)



chromatografia

kolumnowa, bibułowa, cienkowarstwowa; cieczowa, gazowa, fluidalna; (b. wiele
różnych technik chromatogr.)



derywatyzacja

alkilacja, i in. …



elektroforeza

planarna, kapilarna (b. wiele różnych technik)



hydroliza (rozkład przez hydrolizę)



Niektóre analizy zwłaszcza typu identyfikacja lub potwierdzenie tożsamości typu
odcisk palca (finger print) nie wymagają przygotowania
np. Analiza metodą IR, FT-IR czekolady lub mąki lub pieczywa
[specyficzne zastosowanie FT-

IR: badanie mąki na obecność fragmentów insektów]

#Przygotowanie p

róbki żywności do analizy - mikroorganizmy



niektóre analizy zwłaszcza typu identyfikacja nie wymagają przygotowania



przeważnie metody preparatywne są proste

#Metody analizy i kontroli żywności



metody chemiczne (klasyczne oraz zinstrumentalizowane)

- miareczkowe
- wagowe



met. spektroskopowe



chromatograficzne



elektroforetyczne



immunochemiczne i enzymatyczne (dla żywności funkcjonalnej, specjalnej,
transgenicznej)



mikroskopowe



testy / szybkie metody / sensory / sondy



reologiczne



sensometryczne



* Metody analizy żywności modyfikowanej genetycznie

#METODY ANALIZY / BADANIA ŻYWNOŚCI

Badanie składu - Oznaczanie podstawowych składników żywności

#Analiza tłuszczów

Rodzaje tłuszczów:
Tłuszcze = nazwa grupy lipidów, estrów glicerolu i kwasów tłuszczowych.

Analiza środowiskowa, żywności i leków

34

Istnieje wiele kryteriów podziału tłuszczów naturalnych:

-

ze względu na konsystencję

-

ze względu na pochodzenie (roślinny, zwierzęcy, mleczny)

-

ze względu na rodzaj kwasu tłuszczowego, który dominuje

Podziały z punktu widzenia żywnościowego:

- jadalne i techniczne
-

roślinne i zwierzęce

Badania i parametry fizyczne

Barwa
Gęstość
Temperatura topnienia
Współczynnik refrakcji
Lepkość

Badania i oznaczenia fizykochemiczne i chemiczne



zawartości tłuszczy



części nierozpuszczalne



wilgot

ność / woda



wykrywanie zafałszowań

tzw.

stałe tłuszczowe



liczba jodowa, LI (miernik zawartości kw. nienasyconych)

 liczba zmydlenia, LZ


liczba estrowa, LE (zależy od długości łańcuchów węglowych)



liczba kwasowa, LK (określa ilość wolnych kwasów tłuszczowych)

 liczba nadtlenkowa

#Liczba kwasowa, LK -

ilość mg KOH, niezbędna do zobojętnienia wolnych kw.

tłuszczowych w 1g próbki / tłuszczu



oznaczenie: miareczkowanie badanej substancji

- w rozpuszczalniku organicznym np. alkohol etylowy 96% + eter dietylowy
w stosunku 1:2
- mianowanym roztworem KOH
- wobec fenoloftaleiny lub potencjometrycznie.



świeży tłuszcz ma zerową LK.

#Liczba zmydlania, LZ -

ilość mg KOH, niezbędna do zmydlenia (hydrolizy zasadowej) 1g

badanego tłuszczu.
#Liczba estrowa, LE
#Liczba nadtlenkowa, LN -

charakteryzuje stopień zepsucia nadtlenkowego tłuszczu o

związana jest głównie z powstawaniem aldehydu epihydrynowego.

#Analiza tłuszczów - Metody analizy



ekstrakcyjno-wagowe



ekstrakcyjno-refraktometryczne



objętościowe (butyrometryczne)



instrumentalne

- NIR (technika odbiciowa) - jedna z podstawowych metod
- NMR

#Analiza tłuszczów - wykrywanie zafałszowań
np. wykrywanie oleju sojowego w oliwie
np. olejów mineralnych w próbkach ciekłych

Analiza środowiskowa, żywności i leków

35

#

Oznaczanie zawartości SKROBI w żywności

Skrobia
= substancja „zapasowa”
= niejednorodna mieszanina organicznych mikrocząstek (C, H, O), o składzie różnym w
zależności od pochodzenia i sposobu otrzymania

Skrobia zawiera dwie frakcje:



amyloza (masa molowa: 30 000 - 100

000; długie łańcuchy nierozgałęzione z

resztami glukozowymi)



amylopektyna (masa molowa: 100 000 - 1 000

000; długie łańcuchy rozgałęzione z

resztami glukozowymi)

Metody oznaczania skrobi w żywności



chemiczne



fizyczne



polarymetria

Metody chemiczne

 oparte na pomiarze absorbancji

barwnych kompleksów skrobi z jodem i innymi

substancjami tworzącymi barwne kompleksy

 oparte na przeprowadzeniu skrobi do glukozy


bada się też stopień uszkodzenia skrobi i modyfikacje skrobi

#Analiza białek

Białko
= składa się z aminokwasów zbudowanych z atomów C, O, H, N i S.
Niektóre białka zawierają ponadto: P, Ca, Mg, Fe, Cu, I, Zn, Mn, Co.

#Białka dzielimy na:

- proste
-

złożone

#W analizie żywności wyróżniamy białko:



strawne



surowe



czyste

Metody oznaczania białek w żywności

-

bezpośrednie

-

pośrednie

Metody pośrednie:

 Klejdahla

polega na oznaczaniu azotu ogólnego, powstały podczas mineralizacji białka
amoniak wiążemy z kwasem borowym i odmiareczkowujemy kwasem HCl lub H

2

SO

4

 Dumasa

polega na suchej pirolizie substancji w strumieniu CO

2

Metody bezpośrednie:



biuretowa (barwne kompleksy z jonami Cu

2+

, mierzymy ich absorbancję)



Lovry’ego (mierzymy absorbancję barwnego kompleksu)



oparta na wbudowaniu do białek barwników



immuno-enzymatyczna (ELISA)



miareczkowa (formolowa)

Analiza środowiskowa, żywności i leków

36



spektrofotometrii UV



selektywnego poc

hłaniania promieniowania IR

#Oznaczanie zawartości polisacharydów nieskrobiowych i ligniny

BŁONNIK = polisacharydy nie skrobiowe + ligniny
(+ substancje wewnątrzkomórkowe np. woski, śluzy)

Oznaczamy takie składniki jak:

- celuloza
- pektyny
- skrobia oporna

Metody oznaczania



instrumentalne (spektrofotometria, chromatografia)



chemiczne



enzymatyczne

#Analiza węglowodanów

CUKRY (węglowodany) - związki o wzorze C

n

(H2O)

n

Podział węglowodanów



monosacharydy (np. glukoza, fruktoza)



oligosacharydy (np. sacharoza, maltoza, laktoza)



polisacharydy (np. skrobia, celuloza)

Metody oznaczania cukrów

 fizykochemiczne / fizyczne

-

densytometria (pomiar gęstości roztworu)

-

refraktometria (pomiar współczynnika załamania światła)

-

polarymetria (pomiar kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego)

- chromatografia (gazowa, cieczowa)

 biologiczne

polegają na fermentacji cukru i oznaczeniu ilości powstałego alkoholu

 chemiczne

polegają na wykorzystaniu redukujących cukrów po hydrolizie (wiele metod
pomiarowych opartych na miareczkowaniu)

#Oznaczanie witamin

WITAMINY:



rozpuszczalne w tłuszczach
A (A

2

, A

3

), D (D

2

, D

3

), E, K (K

1

, K

2

, K

3

)

 rozpuszczalne w wodzie

B (B

1

, B

2

, PP/B

3

, B

5

, B

6

, B

9

/B

c

, B

12

), C, H (biotyna), P

Ich zawartości podajemy w mg / 100g lub μg / 100g substancji.

Metody pomiarów

- metody chromatografii cieczowej (HPLC)
- potencjometryczne
- chemiczne (miareczkowe)

#Oznaczanie popiołu

Określenie ilości popiołu prowadzi się w celu:

Analiza środowiskowa, żywności i leków

37



określenia wartości odżywczej produktu



oznaczenie zaw. niektórych pierwiastków



ozn. toxycznych metali ciężkich



ozn. niekt. zanieczyszczeń mineralnych
(np. piasek, pozostałości po stosowaniu herbicydów)

Rodzaje oznaczeń:

-

zaw. popiołu całkowitego

-

zaw. popiołu nierozpuszczalnego w 10% HCl

-

zawartość popiołu czystego

-

zawartość popiołu rozpuszczalnego w wodzie

-

odczyn popiołu

-

skład mineralny popiołu

#Oznaczanie kwasowości

wielkość charakterystyczna dla większości produktów spożywczych

Z chemicznego punktu widzenia wyróżniamy kwasowość:

-

potencjalną (bierna, miareczkowa)

-

aktywną (czynną)

W analizie surowców i produktów spożywczych wyróżnia się też kwasowość:

-

lotną

-

związaną

-

całkowitą

#Inne oznaczenia



szczawiany



kofeina



alkaloidy



teina



fosfor



metale i pierwiastki toksyczne

#Metale i pierwiastki toksyczne w

żywności



stężenia całkowite

 formy frakcyjne
 formy specjacyjne

Specjacja pierwiastków - żywność



pierwiastki związane z cukrami, białkami, tłuszczami (lipidami), …



pierwiastki w formie jonów w płynach ustrojowych

#Metody analizy żywności modyfikowanej genetycznie

Celem analizy GMO jest:
 Rozpoznanie w analizowanym produkcie

- sztucznie wprowadzonej sekwencji DNA
-

lub stwierdzenie obecności białka wynikającego z jej ekspresji



A następnie oznaczenie ilościowe tych rekombinowanych składników

Metody analizy:

* Test ELISA (enzyme linked immunosorbent assay)
** Test PCR (polymerasen chain reaction)

Analiza jakościowa i ilościowa

Analiza środowiskowa, żywności i leków

38

wymagają stosowania certyfikowanych materiałów odniesienia CRMs

Materiały odniesienia (rodzaje):



próbki zmielonych nasion



genomowy DNA



plazmidy



mieszanina DNA z określonego GMO i odpowiednika nie-GMO

Pierwszy materiał odniesienia jest bardzo dobry ale często niedostępny dla wielu rodzajów
próbek roślinnych.

#Testy / szybkie metody

* Test ELISA (enzyme linked immunosorbent assay)
- jest je

dnym z najpowszechniej stosowanych testów immunoenzymatycznych

-

stosuje się wiele różnych wariantów testu ELISA

Test ELISA -

bezpośredni - etapy:

1. związanie (opłaszczenie) antygenu i blokada miejsca niezajętego przez antygen; […]

Test ELISA -

pośredni

a)

opłaszczenie płytki antygenem i następnie blokada miejsc niezajętych przez antygen
za pomocą np. roztworu owoalbuminy

b)

inkubacja z przeciwciałem pierwszorzędowym, o wysokim powinowactwie do
antygenu (specyficznym do danego białka)

c)

inkubacja z przeciwciałem drugorzędowym, związanym z enzymem

d)

inkubacja z substratem odpowiednim dla danego enzymu; pojawia się reakcja
barwna a jej intensywność świadczy o ilości badanego białka w próbie.

Intensywność barwy mierzymy zazwyczaj spektrofotometrycznie.

Test ELISA



metoda jakościowa i ilościowa



występują interferencje



kalibracja: krzywa wzorcowa

**Test PCR -

wstępna procedura postępowania

= przygotowanie mieszaniny reakcyjnej o składzie:

- matrycowy DNA (lub RNA)

- fragmenty DNA (startery)

- polimeraza DNA (enzym)

-

trifosforany deoksyrybonukleozydów

-

a dodatkowo czasami roztwór tRNA, barwniki i wskaźniki informujące o przebiegu

reakcji

Analityczna charakterystyka PCR

o

test PCR umożliwia pomnożenie określonej sekwencji DNA z bardzo małej ilości
materiału

o

entuzjaści: metoda bardzo czuła (pozwala na wykrycie nawet pojedynczej cząsteczki
DNA)

o

praktyka: renomowane laboratoria nie są w stanie oznaczyć w sposób powtarzalny
poniżej 1 kopii GMO



metoda specyficzna -

przy doborze odpowiednich starterów, powieleniu ulega tylko

jeden odcinek DNA



metoda jakościowa i ilościowa

Analiza środowiskowa, żywności i leków

39



tylko upoważnione laboratoria europejskie mogą wykonywać kontrolę obecności
GMO w żywności



obecne zwalidowane metody pozwalają na wykrycie i oznaczenie GMO poniżej
limitów dopuszczonych w żywności nie zmuszających producentów do jej
specjalnego oznakowania (1% / 0,9%)



Detektory: fluorescencyjne, elektrochemiczne, optyczne.

#Metody immunochemiczne

Klasyfikacja metod:



oparte na głównych oddziaływaniach antygen-przeciwciało
-

pośrednie (dwa zestawy przeciwciał)

-

bezpośrednie (jeden zestaw przeciwciał)



oparte na drugorzędnych oddziaływaniach antygen-przeciwciało



immunoenzymatyczne (ELISA)



immunochemiczne metody preparatywne

- chromatografia immunopowinowactwa
- immunoelektroforeza.

#Oznaczanie liczb

y drobnoustrojów w artykułach spożywczych

 metody filtracji membranowej
 metody Petrifilm
 met. posiewu zanurzeniowego


met. testów Higicult

Metody instrumentalne w analizie skażenia mikrobiologicznego żywności

 bioluminescencja (pomiar ATP, adenozynotrifosfora

n) [przykład zastosowania:

badanie piwa, świeżego mięsa]

 mikroskopia fluorescencyjna
 IR
 mikrokalorymetria


…

#Materiały odniesienia (referencyjne)

Anality typu metale / pierwiastki



stężenie całkowite - liczne



stężenia form frakcyjnych i specjacyjnych - bardzo nieliczne substancje

mąki
ryby - liofilizaty
inna żywność - liofilizaty

Anality typu związki chemiczne organiczne

 nieliczne anality


substancje głównie typu liofilizaty

Tendencja w technikach pomiarowych stosowanych w analizie żywności

 modyfikacje liczne znanych i stosowanych metod
 instrumentalizacja
 automatyzacja


wizualizacja wyników pomiarów



nowe ujęcia graficzne



obliczanie i wyświetlanie wyników analizy statystycznej pomiaru.

Analiza środowiskowa, żywności i leków

40

Literatura: -

Podręczniki - Normy - Dyrektywy (unijne, ministerialne) - Publikacje



Podręcznik badania gleby (seria podręczników PHYWE) - J. Mayer



Soil Chemical Analysis: Advanced Course - M. LeRoy Jackson, P. Barak



Soil Sampling, Preparation and Analysis - K. H. Tan



Assessing soil fertility; the importance of Soil An. and its interpretation - J. Johnston

 The Determ. of Chem. Elements in Food: Appl. for Atomic and MS - S. Caroli
 Analiza

żywności - jakość produktów spożywczych - A. Tajner-Czopek, A. Kita



Wybrane zagadnienia z analizy żywności - M. Obiedziński

 Wybrane metody analizy

żywności. Oznaczanie podstawowych składników, substancji

dodatkowych i zanieczyszczeń - M. Małecka



Sensoryczne badania żywności. Podstawy - Metody - Zastosowania - N. Baryłko-Pikielna, I.
Matuszewska



Podstawy analizy środowiskowej wyrobów i obiektów - J. Górzyński

 Fizyczno-

chemiczne badanie wody i ścieków - J. Dojlido, W. Dożańska



Instrumentalne metody badania wody i ścieków - J. Dojlido

 Analytical Chemistry by Open Learning, John Wiley & Sons
 Handbook of Analytical Techniques, ed. by H. Guneler A. Williams, Willey-VCH
 Bioanalytical Chemistry, S.R. Mikkelson, E. Corton, John Wiley & Sons
o

Chemia żywności, Food Chemistry

o

Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów analitycznych, Praca zbiorowa, WNT

o

Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy - J. Namieśnik i in., WNT



HPLC Methods for Pharmaceutical Analysis - by G. Lunn, N. Schmuff



Process Validation in Manufacturing of Biopharmaceuticals: Guidelines, Current Practices and
Industrial Case Studies - by Anurag S. Rathore et. al.; Series Biotechnology and
Bioprocessing, Vol.29



Affinity Capillary Electrophoresis in Pharmaceutics and Biopharmaceutics - by. R. Neubert, H.
Ruttinger; Series: Drugs and the Pharmaceuticals Sciences, Vol.128



Pharmacopoeias (EU, U.S. and Polish pharmacopoeias)

 Methods of Analysis of Food Components and Additives, ed. by Semih Otles Ege Uni.,

Department of Food Engineering, Izmir, Turkey

 Spectral Methods in Food Analysis Instrumentation and Appl., ed. by M. Mossoba, FDA


Analiza chemiczna leków

 Food Analysis - 4th Edition, Edited by S. Nielsen, Springer 2010

PYTANIA
1. Klasyfikacja próbek środowiskowych. Źródła emisji do atmosfery.
2. Analiza ścieków, co oznaczamy + przykłady.
3. Definicja leku. Nazwy leku + …
4. Metody analizy i kontroli żywności + przykłady.
5. Analiz

a tłuszczy. Mierzone parametry i metody.

6. Metoda reologiczna. Oznaczane parametry + przykłady.

PRZYKŁAD ZESTAWU PYTAŃ (z wykładu)
1. Metody kombinatoryczne.
2. Zanieczyszczenia powietrza i ich metody oznaczania (wybierz 5).
3. Składniki żywności i metody ich oznaczania (wybierz 5).
4. Składniki gleby traktowanej jako układ wielofazowy.
5. Środowiskowe próbki biologiczne (rodzaje) i metody ich stabilizacji.
6. Definicja żywności i leku.