Rozdział 17
Rozdział 17
ROZDZIAA
17
ANALIZA PRZEPA
YWOWA W OCHRONIE ÅšRODOWISKA
Krystyna Pyrzyńska, Ewa Poboży, Marek Trojanowicz
Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski, ul. Pasteura 1, 02-093 Warszawa
STRESZCZENIE
Jedne z ważniejszych wymagań współczesnej analizy środowiskowej, prowadzonej zarówno
laboratoryjnie, jak i w warunkach procesowych, to krótki czas wykonania oznaczeń oraz jak najdalej
posunięta mechanizacja postępowania lub automatyzacja układu pomiarowego, umożliwiająca jego
funkcjonowanie bez kontroli personelu. Prowadzenie pomiarów zmian zawartości kontrolowanych
parametrów chemicznych i fizyko-chemicznych środowiska, z ich rejestracją w czasie zbliżonym do
reżimu czasu rzeczywistego, w dużym stopniu umożliwiają metody analizy przepływowej. Ich istotą jest
prowadzenie pomiaru analitycznego w trakcie przepływu próbki przez detektor.
W monitoringu przemysłowym, najczęściej w układach pomiarowych bez etapu przetwarzania
próbki, szereg metod stosowanych jest od wielu dziesiątków lat, zarówno do kontroli przebiegu
procesów, jak i związanej z nimi ochrony środowiska. Postęp w tej dziedzinie w ostatnich latach polega
na coraz szerszym zastosowaniu -do ciągłego monitoringu- metod i urządzeń wymagających
przeprowadzenia różnych operacji przetwarzania analizowanej próbki takich, jak:
- zbuforowanie,
- przetwarzanie analitu (derywatyzacji) w produkt umożliwiający detekcję,
- do usunięcia przeniesienie do innej fazy.
Rozwój laboratoryjnych metod analizy przepływowej zapoczątkowały w latach pięćdziesiątych
oznaczenia w układach z segmentowaniem strumienia w celu ograniczenia dyspersji próbki w układzie
pomiarowym. Metody te zastosowane początkowo głównie w laboratoriach klinicznych, w ostatnich
latach są rutynową metodą oznaczeń wielu składników w ściekach i kontroli jakości wód przy użyciu
przyrządów dostępnych u wielu producentów.
Usprawnienie laboratoryjnych metod analizy przepływowej osiąga się poprzez rezygnację
z rejestrowania sygnału równowagowego i oparcie oznaczenia analitycznego na pomiarze chwilowym
sygnału w detektorze. Oznaczenia takie prowadzi się głównie w układach pomiarowych bez
segmentowania strumienia, z dozowaniem próbek o niewielkiej objętości próbki (od kilku mikrolitrów do
ułamków mililitra). Metodologie FIA (przepływowej analizy wstrzykowej) lub SIA (sekwencyjnej
analizy wstrzykowej) przy użyciu wielu dostępnych handlowo instrumentów coraz powszechniej
stosowane są w analizie środowiskowej i coraz częściej są wprowadzane do aktów prawnych z nią
związanych. Układy takie, odpowiednio połączone z urządzeniami spektroskopowymi
lub wysokosprawnymi chromatografami (zapewniającymi możliwość oznaczania wielu składników
w jednym cyklu analitycznym), mogą być bardzo pomocne w badaniach specjacyjnych i analizie próbek
środowiskowych o złożonych matrycach.
1. WPROWADZENIE
Analiza chemiczna, jak każdy obszar działalności człowieka wykorzystujący
osiągnięcia nauki i rozwój różnorodnych technologii, ulega ciągłemu rozwojowi
i doskonaleniu, Jest to wymuszane głównie rosnącym zapotrzebowaniem na wyniki
analityczne, ale także stymulowane rozwojem nowych technologii, odkryciami nowych
zjawisk i materiałów oraz konkurencją intelektualną sprzyjającą postępowi w nauce
i technice. Rozwój metod analizy przepływowej jest odbiciem wielu tendencji
Rozdział 17
Rozdział 17
dotyczących całej chemii analitycznej, stanowiącej podstawę współczesnej analizy
chemicznej. Potrzeba mechanizacji i automatyzacji postępowania analitycznego,
konieczność ciągłej poprawy wydajności, rosnące wymogi dotyczące precyzji
i dokładności, to tendencje widoczne w każdym obszarze zastosowań analizy
chemicznej. Działania bardziej wyszukane to zaangażowanie mikroelektroniki
i mikromechaniki w miniaturyzacji instrumentarium analitycznego, wspomaganie
znanych pomiarowych metod fizyko-chemicznych wykorzystywaniem oddziaływań
biochemicznych znanych z organizmów żywych, czy też angażowaniem równie
zaawansowanych metod informatycznych i sztucznej inteligencji do przetwarzania
i operowania zbiorami danych na potrzeby analizy chemicznej.
Analiza przepływowa to jedna z najowocniej stosowanych metod mechanizacji
poszczególnych etapów postępowania analitycznego. Na uwagę w tym miejscu
zasługuje określenie mechanizacja, zamiast powszechnie automatyzacja. To ostatnie
dotyczy złożonych układów pomiarowych, nie tylko mechanicznie wykorzystujących
pewne czynności (rozcieńczanie, przenoszenie roztworów, dozowanie próbek, itp.), ale
również wyposażonych w układy kontrolne funkcjonujących samodzielnie w reżimie
sprzężenia zwrotnego w podejmowaniu decyzji, np. o zmianie parametrów
wykonywanego oznaczenia [1,2].
Analiza przepływowa to jedna z szeregu koncepcji mechanizacji postępowania
analitycznego obok konstruowania bardzo skomplikowanych i wymyślnych
analizatorów dyskretnych, pakietowych, wirówkowych czy równoległych [2]. Jej istotą
jest prowadzenie etapu detekcji analitu w warunkach przepływu analizowanej próbki
przez detektor. Niesie to za sobÄ… szereg istotnych konsekwencji, jak odpowiednia
konstrukcja detektora, możliwość wykorzystania efektów kinetycznych i modulowania
szybkości transportu analitu do czułego elementu detektora, konieczność efektywnego
zbierania i przetwarzania danych pomiarowych, czy też konieczność szczególnie
starannego kontrolowania tzw. błędu przenoszenia, a także pewne zalety i ograniczenia
z wykorzystywaniem, jako z
ródła informacji analitycznej, sygnału chwilowego, a nie
równowagowego.
Trudno dokładnie określić początki zastosowań analizy przepływowej. Wydaje
się, że były nimi procesowe pomiary elektrochemiczne przewodnictwa, potencjału
redoks i pH prowadzone w instalacjach przemysłowych oraz oczyszczalniach wód
i ścieków już w latach czterdziestych ubiegłego wieku. Zwyczajowo, nie włącza się do
pojęcia analizy przepływowej metod chromatograficznych, pomimo prowadzenia
detekcji w przepływowych detektorach, która w wersji kolumnowej ma już stuletnią
historię. Początkiem rozwoju laboratoryjnych metod analizy przepływowej było
opracowanie przez Skeggsa w roku 1957 [3] koncepcji pomiarów przepływowych z
segmentowaniem strumienia w celu ograniczenia dyspersji próbki w układzie.
W połowie lat siedemdziesiątych prace Ruzicki i Hansena [4] inicjują rozwój metod
wstrzykowych analizy przepływowej, chociaż można się doszukać w literaturze kilku
wcześniejszych podobnych prac. Każda z tych metodyk przechodziła różne fazy
rozwoju, cieszyła się w różnych obszarach analizy chemicznej różnym
zainteresowaniem i ze zróżnicowanym powodzeniem uzyskiwała status rutynowej
metody analitycznej z dostępną handlowo instrumentacją, odpowiednią legislacją
i zastosowaniami. Nie zawsze nawet dostępność handlowa odpowiedniej aparatury
oznacza, że metody można zaliczyć do rutynowych ze względu na ich nieobecność
wśród norm i regulacji prawnych w różnych krajach. W chwili obecnej analiza
środowiskowa i procesowa to najważniejsze obszary zastosowań metod analizy
przepływowej.
371
Rozdział 17
Rozdział 17
2. METODY ANALIZY PRZEPA
YWOWEJ
Istniejące i stosowane metody analizy można różnie klasyfikować pod względem
konstrukcji aparatury pomiarowej, sposobu prowadzenia pomiaru, obszaru zastosowań,
stosowanych instrumentalnych metod detekcji, stanu skupienia wprowadzanych próbek
czy rodzaju fazy, w której prowadzi się oznaczania analityczne. Z punktu widzenia
praktycznych zastosowań rozróżnić trzeba metody (i instrumentacje), w których
analizowaną próbkę ciekłą lub gazową wprowadza się do układu w sposób ciągły (bez
próbkowania) i metody, w których próbki o określonej objętości lub masie wprowadza
się do układu pomiarowego różnymi sposobami w odpowiednim reżimie czasowym.
Pierwsze z tych metod, z ciągłym poborem analizowanej próbki, stosowane są
głównie w analizie procesowej przy instalacjach, gdzie konieczny jest ciągły monitoring
zawartości jakiegoś składnika lub składników. Rzadziej występuje taka potrzeba w skali
laboratoryjnej. W różnym stopniu prowadzone są takie oznaczenia metodami detekcji
nie wymagajÄ…cymi przetwarzania analitu, jak i metodami z zastosowaniem reakcji
chemicznej w celu wytworzenia produktu, którego zawartość mierzona jest następnie w
detektorze.
Metody z periodycznym próbkowaniem to głównie domena systemów
laboratoryjnych, chociaż nie wyłącznie. Rozróżnić tu można trzy grupy metod.
W metodach ciągłych z segmentowaniem strumienia (ang. Continuous Flow Analysis-
CFA) do przewodów wprowadza się regularne pęcherzyki powietrza w celu
ograniczenia dyspersji analitu w warunkach przepływowych dla otrzymania jak
najlepszej efektywności oznaczeń (skrócenia czasu oznaczeń). Próbki są zasysane do
układu na zmianę z roztworem nośnym [5]. W szeregu różnych tzw. metod
wstrzykowych do układu bez segmentowania strumienia dozuje się mikrolitrowe
objętości próbki. W przepływowej analizie wstrzykowej (ang. Flow Injection Analysis-
FIA) wstrzykuje się próbkę do nośnika płynącego w układzie w sposób ciągły [6-8].
W metodzie z sekwencyjnym wstrzykiwaniem (ang. Sequential Injection Analysis -SIA)
poprzez zastosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych do układu wprowadza
się kolejno kilka stref próbki i odczynników, które mieszając się na drodze do detektora,
umożliwiają przeprowadzenie detekcji analitu [9]. W metodach tych, na drodze od
wstrzyknięcia próbki do detektora, wykonywanych może być szereg różnorodnych
metod przetwarzania próbki. Z kolei w metodzie bezpośredniego wstrzyknięcia do
detektora (ang. Batch Injection Analysis -BIA), co można określić jako bezprzewodową
analizę przepływowo-wstrzykową, dozuje się niewielką objętość próbki bezpośrednio
na czułą powierzchnię elementu detekcyjnego [10]. W jeszcze innej odmianie metod
wstrzykowych  analizie z wstrzykiwaniem zawiesiny cząstek stałych (ang. Bead Flow
Injection Analysis -BFIA), przetwarzanie analitu Å‚Ä…cznie z detekcjÄ…, odbywa siÄ™ na
powierzchni cząstek odpowiednio dobranych stałych materiałów, wprowadzanych do
układu przepływowego [11]. Przykładowe schematy przepływowych układów FIA
i SIA przedstawiono na Rysunku 1.
372
Rozdział 17
Rozdział 17
Przepływowa analiza wstrzykowa (FIA)
Próbka
Detektor
Roztwór nośny
Åšciek
Odczynnik
Spirala -
mieszalnik
Pompa
Sekwencyjna analiza wstrzykowa (SIA)
Odczynnik
Standard
Próbka
Pompa
Detektor
Åšciek
Zawór
selekcyjny
Roztwór Spirala -
nośny mieszalnik
Rys. 1. Schematy przepływowych układów FIA i SIA
3. METODY PRZEPA
YWOWE W PROCESOWEJ ANALIZIE
ÅšRODOWISKOWEJ
Analiza procesowa to olbrzymi dział współczesnej chemii analitycznej, rozwijany od
ponad półwiecza na pograniczu chemii i technologii chemicznej. Chociaż marginalnie
traktowany w kształceniu akademickim analityków, ma już obszerną literaturę
monograficzną i olbrzymią różnorodność specjalnie do tego celu konstruowanych
przyrządów pomiarowych [12-16]. Obok najpowszechniej stosowanych analizatorów
spektrofotometrycznych UV/VIS i elektrochemicznych, w analizie procesowej sÄ…
szeroko stosowane chromatografy gazowe i cieczowe, a także spektrofotometry w
zakresie podczerwieni i Ramanowskie spektrofotometry mas i rezonansu jÄ…drowego.
Sposób wykorzystania analitycznych instrumentów procesowych sprawia, że
w większości są to analizatory przepływowe, gdzie detekcja następuje w trakcie
przepływu próbki ciekłej lub gazowej przez detektor lub też odpowiednio
skonstruowana sonda (czujnik) wprowadzana jest bezpośrednio do strumienia.
W szeregu przypadkach, gdy warunkuje to sam proces pomiarowy, analizatory sÄ…
373
Rozdział 17
Rozdział 17
również urządzeniami o periodycznym cyklu pomiaru, jak na przykład chromatografy
procesowe czy spektrofotometry mas i NMR.
Ogólnie do podstawowych celów analizy procesowej należy kontrola przebiegu i
bezpieczeństwa procesu, kontrola jakości surowców, półproduktów i produktów,
kontrola energochłonności procesu i zanieczyszczenia środowiska. Skuteczność
zastosowania analizatora o danych parametrach funkcjonalnych do kontroli procesu
wyraża parametr określany jako  mierzalność (ang. measurability) uwzględniający
precyzję oznaczeń, częstość pobierania próbki do oznaczenia, opóz
nienie
w otrzymywaniu wyniku oznaczeń [16]. Istotne może być również miejsce
zainstalowania analizatora do monitorowania procesu [17]. Zasadniczy wpływ na
rentowność zainstalowania analizatora procesowego ma również praktyka konserwacji i
obsługi analizatora [18]. Procesowe pomiary analityczne prowadzone mogą być
laboratoryjnie, z dala od instalacji lub bezpośrednio przy strumieniu technologicznym
przy użyciu sond zanurzeniowych, analizatorów z ciągłym lub periodycznym poborem
próbki [19], a także z zastosowaniem nieinwazyjnych metod detekcji. Analizatory
instalowane przy strumieniu technologicznym z reguły dość istotnie różnią się od
analogicznych instrumentów laboratoryjnych, m.in. niezbędną odpornością na
agresywne chemiczne otoczenie i na zakłócenia pola elektrycznego, koniecznością
wyposażenia w układy transmisji danych i zdalnego sterowania oraz szczególnie
trwałością i niezawodnością.
Procesowe analizatory środowiskowe to bardzo szeroka gama urządzeń
stosowanych do kontroli poziomu zanieczyszczeń ścieków i otoczenia wokół
różnorodnych instalacji procesowych, jak i procesów uzdatniania ścieków, czy
oczyszczania gazów odlotowych oraz procesów oczyszczania wód naturalnych do
zastosowań komunalnych lub przemysłowych.
Do oznaczeń (monitorowania) poziomu różnych składników w roztworach
(wodach, ściekach) najpowszechniej stosuje się analizatory spektrofotometryczne
i elektrochemiczne, chociaż stosowane są także analizatory w zakresie nadfioletu
i podczerwieni oraz fluorymetryczne. Typowy analizator procesowy wytwarzany
i instalowany jest urządzeniem kontrolowanym mikroprocesowo, wyposażonym
w układy programowania przez użytkownika, autokalibrowania, alarmowe o awarii lub
przekroczeniu zakresu stężeń, wspomagania i samodzielnego uruchamiania w razie
przerwy w zasilaniu oraz transmisji danych. Analizatory spektrofotometryczne
przeznaczone do badań środowiskowych oparte są głównie na absorpcji światła przez
barwne produkty reakcji analitu z odpowiednim odczynnikiem, a także na
miareczkowaniach kwasowo-zasadowych lub kompleksometrycznych z fotometryczna
detekcją punktu końcowego. Produkuje je wiele firm w różnych krajach, m.in. Seres we
Francji [20], Hatch w USA [21], Skalar w Holandii [22]. Lange w Niemczech [23],
Polymetron w Szwajcarii [24] i wiele innych. I tak na przykład w szerokiej ofercie
firmy Seres, oprócz analizatorów wielu nieorganicznych kationów i anionów, znalez
ć
można na potrzeby analizy wody i ścieków przepływowe analizatory do oznaczeń
hydrazyny i fenoli, do oznaczania zawartości całkowitego węgla organicznego (TOC),
analizator z detekcją w zakresie bliskiej podczerwieni, czy do oznaczania zawartości
olejów wodzie i ściekach, również z detekcją w podczerwieni. Analizator typu OPAL
(ang. Organic Pollution Alarm), firmy GLI International [25], umożliwia detekcję
lotnych związków organicznych z detektorem fotojonizacyjnym. Sondę do
procesowych pomiarów azotanów w oparciu o absorpcję promieniowania w zakresie
UV oferuje firma Dr Lange [23].
Dużą grupą przepływowych analizatorów procesowych o szerokich
zastosowaniach środowiskowych są analizatory elektrochemiczne z zastosowaniem
374
Rozdział 17
Rozdział 17
elektrod jonoselektywnych. Są to m.in. urządzenia wspomnianych już firm Polymetron
oraz GLI Interantional, Contronic ze Szwecji czy Environment S.A. z Francji [26].
Produkowane są także analizatory procesowe do jednoczesnych oznaczeń, np.
amoniaku, fluorków i azotanów w wodach i ściekach [27], a najnowszy system BlueBox
z firmy Bran and Luebbe [27] może służyć do jednoczesnej kontroli i transmisji danych
ze 100 różnych czujników i detektorów. W wielu różnorodnych analizatorach
procesowych wykorzystuje się detekcję amperometryczną, np. do oznaczeń
rozpuszczonego tlenu, hydrazyny, wolnego chloru, ozonu oraz azotanów, co oferuje
firma Polymetron [24]. Ten sam producent dostarcza analizator przepływowy do
oznaczeń metanolu przy kontroli procesów biologicznej denitryfikacji na biofiltrach
oraz w ściekach z zastosowaniem bioczujnika. Amperometryczna detekcja
z bioczujnikiem bakteryjnym jest wykorzystywana z kolei w analizatorze
przepływowym do ciągłych pomiarów biologicznego zapotrzebowania tlenu (BZT)
japońskiej firmy Nissin Electric.
4. LABORATORYJNE ANALIZATORY Z CI
GA
YM PRZEPA
YWEM
W OCHRONIE ÅšRODOWISKA
Koncepcja laboratoryjnych analizatorów z ciągłym przepływem i segmentowaniem
strumienia pęcherzykami powietrza powstała pod koniec lat pięćdziesiątych
i doprowadziła do mechanizacji wszystkich operacji związanych z przeprowadzaniem
tzw. analiz mokrych we wszelkiego rodzaju laboratoriach analitycznych. Było to
wynikiem prowadzenia w warunkach przepływu, z ograniczoną dyspersją próbki,
jednocześnie wielu operacji przetwarzania próbki i różnorodnych detekcji. W bardzo
krótkim okresie od opublikowania pierwszej pracy i opatentowania wynalazku, zaczęły
być dostępne rutynowe przyrządy AutoAnalyzer firmy Technicon, które w pierwszym
rzędzie szeroko zostały zastosowane w laboratoriach klinicznych, ale stopniowo
również w laboratoriach środowiskowych, rolniczych oraz przemysłowych [5,28,29].
Analizatory w ciągu następnych ok. 20 lat ewoluowały w laboratoriach klinicznych do
postaci złożonych kombajnów przeznaczonych do szybkich oznaczeń
wieloskładnikowych, jak np. SMAC Technicona, lecz mimo tego zostały stosunkowo
wcześnie wyparte przez różnorodne analizatory dyskretne z wielu firm. Nie miało już
na to wpływu modyfikowanie tych analizatorów w stronę sprawnych urządzeń
jednostrumieniowych według technologii kapsułkowych (ang. capsule chemistry
technology), jak np. analizator kliniczny CHEM-1 firmy Technicon.
Wolniej akceptowane i udoskonalane, głównie w laboratoriach producentów,
analizatory przepływowe z segmentowaniem strumienia i rejestracją sygnału
równowagowego produkowane są praktycznie wyłącznie dla laboratoriów środo-
wiskowych i przemysłowych przez kilka wyspecjalizowanych firm w różnych krajach
(np. Bran and Luebbe w Niemczech [27], Lachat Instruments w USA [30], Skalar
w Holandii [22], Alliance Instruments we Francji [31] czy Burkard z Wielkiej Brytanii
[32]). Nie stanowią one od wielu lat przedmiotu badań, których wyniki publikowane
byłyby w czasopismach naukowych o międzynarodowym obiegu. Oprócz danych
literaturowych i opisów dostarczonych przez producentów z
ródłem informacji mogą
być zbiory standardowych metod oznaczeń, np. kolorymetryczne oznaczanie azotu
amonowego [33] lub azotanów(III) i (V) w wodach [34].
Laboratoryjne analizatory przepływowe konstruowane w ostatnich latach na
potrzeby laboratoriów środowiskowych to z reguły urządzenia modułowe do
równoczesnych oznaczeń od kilku do kilkunastu różnych składników z zastosowaniem
detekcji spektrofotometrycznej lub potencjometrycznej z membranowymi elektrodami
375
Rozdział 17
Rozdział 17
jonoselektywnymi. Z reguły umożliwiają one oznaczenia do kilkudziesięciu próbek
w ciągu godziny, a liczba opracowanych i dostarczanych użytkownikowi metod
zastosowań w wielu przypadkach sięga kilkuset, włączając metodologie oznaczeń np. w
produktach spożywczych, nawozach sztucznych, ekstraktach glebowych czy
preparatach farmaceutycznych. Są to głównie oznaczenia różnorodnych składników
nieorganicznych w wodach i ściekach. Są to również anality organiczne, np. detergenty,
fenol, mocznik oraz związki metaloorganiczne ołowiu oraz szereg różnych parametrów
- chemiczne zapotrzebowanie tlenu, twardość wody, zawartość azotu (metodą
Kjedahla), całkowita kwasowość czy alkaliczność. W wielu przypadkach, np. dla
analizatorów TRAACS z Bran and Luebbe czy analizatorów z firmy Lachat, wskazane
są regulacje, które dotyczą opracowanych metod przez różne organizacje krajowe
i międzynarodowe (ISO, EPA, AOAC, itd.) W wielu przypadkach analizator
przepływowy do specyficznych oznaczeń może być wyposażony w inne detektory, np.
analizator SAN oferowany przez firmę Skalar może współpracować z fotometrem
płomieniowym w oznaczeniach sodu i potasu w wyciągach glebowych i nawozach
sztucznych oraz detektorem absorpcji promieniowania podczerwonego w przypadku
oznaczania zawartości całkowitego węgla organicznego metodą nadsiarczanową. Szereg
analizatorów firmy Lachat sprzężonych jest z wysokosprawnymi chromatografami
jonowymi.
Jedną z najbardziej atrakcyjnych zalet analizatorów przepływowych jest
zmechanizowane prowadzenie różnych operacji przetwarzania próbki, takich jak
rozcieńczanie czy reakcje z różnymi odczynnikami. Są to również operacje dużo
bardziej złożone i pracochłonne, gdy wykonuje się je manualnie lub w układach
dyskretnych, takich jak np. mineralizacja w przypadku oznaczania całkowitej
zawartości azotu lub fosforu czy też przepływowa destylacja w oznaczeniach fenolu,
fluorków lub cyjanków. W przypadku złożonych oznaczeń, wymagających kilku
operacji i dla bardzo złożonych próbek - np. silnie obciążonych ścieków- stosowane są
laboratoryjne analizatory jednoskładnikowe, jak np. jednokanałowy analizator TRAAC
z Bran and Luebbe wyposażony w przepływowy dializer, urządzenie SINGLE z firmy
Alliance Instruments do oznaczeń fenolu, cyjanków lub zawartości węgla organicznego,
a także analizator zawartości amoniaku oferowany przez firmę Timberline Instruments
[35].
5. ZASTOSOWANIE METOD PRZEPA
YWOWO-WSTRZYKOWYCH
W ANALIZIE ÅšRODOWISKOWEJ
W odróżnieniu od metod klasycznych i analizatorów z segmentowaniem strumienia,
zastosowanie analizy wstrzykowej daje możliwość przeprowadzenia pomiaru przed
osiągnięciem stanu równowagowego. Dopóki tylko konfiguracja układu pozostaje bez
zmiany, sygnał równowagowy nie jest warunkiem koniecznym pomiaru. W przypadku
technik FIA i SIA możliwe jest więc prowadzenie w sposób zmechanizowany
różnorodnych procedur analizy środowiskowej ze znacznie większą częstotliwością.
Konstrukcja układu przepływowego zależy zarówno od aspektów chemicznych
pomiaru jak i układu detekcyjnego. Układy charakteryzujące się małą dyspersją strefy
próbki stosowane są do oznaczeń, gdzie nie jest wymagana modyfikacja próbki, ze
względu na zastosowaną selektywną metodę detekcji. Często w celu osiągnięcia
odpowiedniej czułości i selektywności pomiaru konieczne jest zmodyfikowanie składu
próbki w układach o większej dyspersji. Część reakcyjna układów przepływowych
może zawierać moduły do rozdzielania, w których wykorzystuje się procesy dyfuzji,
dializy i ekstrakcji lub reaktory, gdzie zachodzÄ… procesy redoks, sorpcji, wymiany
376
Rozdział 17
Rozdział 17
jonowej, a także reakcje enzymatyczne lub immunochemiczne. Przepływowe techniki
wstrzykowe można także zastosować do oznaczeń wieloskładnikowych poprzez zmianę
konfiguracji układu (równoległe lub szeregowe ustawienie odpowiednich detektorów)
oraz wykorzystując zróżnicowaną kinetykę reakcji analitów.
5.1. Zastosowanie technik FIA i SIA z detekcjÄ… spektrofotomerycznÄ… i elektroche-
micznÄ…
Najwięcej prac literaturowych poświęconych jest zastosowaniu technik FIA i SIA
w analizie próbek różnego rodzaju wód - powierzchniowych, gruntowych, wody pitnej
czy morskiej. Inne rodzaje analizowanych próbek środowiskowych to ścieki, osady,
powietrze i aerozole. W próbkach wód oznaczane są zarówno makroskładniki, do
których można zaliczyć Na, K, Ca, Mg, chlorki, azotany, siarczany, fosforany, jony
amonowe, występujące na poziomie stężeń mg l-1, jak i mikroskładniki: niektóre jony
nieorganiczne (fluorki, azotyny, cyjanki), metale, zwiÄ…zki organiczne
i metaloorganiczne występujące na poziomie śladowym. Ze względu na swoje zalety,
metody przepływowe od lat stosowane są do ciągłego monitorowania wybranych
składników wód. Niejednokrotnie w takich analizach wymagane jest wstępne
przygotowanie próbki oraz jej przefiltrowanie. W przypadku monitorowania ważne jest,
aby te etapy można było także przeprowadzić w układzie przepływowym. Wang i in.
[36] przedstawili automatyczny układ FIA umożliwiający ciągłą filtrację próbek wody
rzecznej za pomocÄ… ultradz
więków z wydajnością 90%. W układzie takim oznaczano
PO43-, NO2-, NO3- i NH4+. Szczególnie ważne w ochronie środowiska jest także
kontrolowanie poziomu stężeń związków organicznych, takich jak pestycydy, pochodne
fenolowe, związki powierzchniowo-czynne. Poniżej przedstawiono tylko najnowsze
wybrane prace dotyczące zastosowania technik FIA i SIA w analizie środowiskowej.
W analizie środowiskowej ważne jest również opracowanie metod umożliwia-
jących badania specjacyjne oraz jednoczesne oznaczanie wielu składników. Jednym ze
sposobów realizacji takich pomiarów jest stosowanie jednocześnie kilku detektorów,
np. detektorów potencjometrycznych z zintegrowanymi elektrodami jonoselektywnymi
[37,38]. Jednoczesne oznaczenie fluorków i związków fenolowych możliwe było
z zastosowaniem jonoselektywnej elektrody fluorkowej i detektora amperometrycznego
[39] . Zautomatyzowane układy SIA, o konstrukcji umożliwiającej wieloskładnikowe
pomiary NO2-, NO3-, NH4+, PO43-, całkowitego azotu i fosforu mogą być stosowane do
monitorowania ich stężeń w ściekach [40].
Układy FIA/SIA stosowane są również do oznaczania pierwiastków
występujących w próbce na różnych stopniach utlenienia [41]. Najczęściej jedna z form
jest oznaczana bezpośrednio, a następnie po reakcji utlenienia lub redukcji oznaczane
jest całkowite stężenie analitu. Stężenie drugiej formy określane jest z różnicy
pomiędzy uzyskanymi wynikami. W taki sposób mogą być oznaczane azotany (III)/(V),
Cr(III) / Cr(VI) [42], Fe(II)/ Fe(III) [43,44] oraz Se(IV)/(VI) [45]. W oznaczeniach
specjacyjnych żelaza stosowano również układy z dwoma detektorami [46]. Zawartość
Fe(II) oznaczano z zastosowaniem detektora spektrofotometrycznego, a całkowite
stężenie żelaza metodą FAAS. Wprowadzanie próbki pomiędzy dwie strefy reagentów,
możliwe w układach SIA, umożliwiło jednoczesne oznaczenie NO2- i NO3- oraz Fe(II)
i Fe(III) [47]. Wprowadzenie dodatkowo etapu ekstrakcji do fazy organicznej pozwoliło
poprawić selektywność i czułość oznaczenia Cr(VI) i całkowitej zawartości chromu
[48]. Nowy, automatyczny układ FIA do specjacji związków azotu w wodzie morskiej
zaprezentowali Tovar i in. [49]. Metoda opiera się na pomiarze absorbancji barwników
azowych powstałych w reakcji azotanów(III) z N-(1-naftylo)etylenodiaminą
i sulfanilamidem. Jony amonowe oznaczano po utlenieniu do azotanów(III),
377
Rozdział 17
Rozdział 17
a azotany(V) po redukcji do azotanów(III). Przegląd technik FIA stosowanych do
specjacji glinu w próbkach środowiskowych przedstawiono w pracach [50,51].
Wymagania stawiane metodom analitycznym stosowanym w analizie próbek
środowiskowych, to konieczność oznaczania danego związku występującego w małym
stężeniu i niejednokrotnie w złożonej matrycy. Takie wymagania spełnia, w przypadku
oznaczania pestycydów, technika FIA w połączeniu z bioczujnikami i układami
immunochemicznymi. Do oznaczania pestycydów stosowano potencjometryczną
detekcjÄ™ opartÄ… na inhibitowaniu, acetylocholinoesterazy unieruchomionej
w przepływowym reaktorze enzymatycznym [52-54]. Enzym może być
unieruchomiony w warstwie polimeru na powierzchni elektrody platynowej [55] lub na
powierzchni elektrod uzyskanych techniką sitodruku [56,57] Zastosowanie układu
z trzema enzymami umożliwiło jednoczesne oznaczanie kilku związków [54].
Zastosowanie układu FIA z elektrodą grafitową z unieruchomioną tyrozynazą pozwala
uzyskać wyniki zgodne z uzyskanymi oficjalnie uznaną metodą określania poziomu
związków fenolowych w próbkach środowiskowych [58].
Do oznaczania herbicydu kwasu 2,4-dichlorofenoksyoctowego (2,4-D),
stosowano układy FIA z różnymi reaktorami immunochemicznymi i detekcją
amperometrycznÄ… [59]. Jako najlepszy uznano kolumnowy reaktor z immunoglobulinÄ…
G, osadzoną na porowatym złożu. Ten sam herbicyd oznaczano również
z zastosowaniem amperometrycznego immunoczujnika zbudowanego z elektrody ze
złota modyfikowanej cystaminą, do której przyłączono 2,4-D, natomiast przeciwciało
było sprzężone z peroksydazą [60]. W przepływowych układach z reaktorami, oprócz
detekcji amperometrycznej mogą być również stosowane inne rodzaje detekcji. Do
oznaczania 2,4-D stosowano elektrochemiluminescencjÄ™, gdzie w wyniku reakcji
elektrodowej powstaje zwiÄ…zek wykazujÄ…cy luminescencjÄ™ [61]. Do oznaczania
herbicydów stosowano również detekcję fluorescencyjną [62-64]. Aaron i Coly [65,66]
przedstawili przeglÄ…d technik FIA z detekcjÄ… luminescencyjnÄ… i fluorescencyjnÄ… do
oznaczania pestycydów w próbkach środowiskowych.
Ramanathan i Danielson [67] przedstawili zastosowanie termicznych
bioczujników do detekcji pestycydów w układach FIA. Pomiar zmian temperatury
w czasie reakcji enzymatyczej (reakcji hydrolizy pestycydu przez enzym lub reakcji
inhibicji enzymu) pozwalał na określenie stężenia analitów. Bioczujnik oparty na
tyrozynazie wykorzystano do monitorowania procesów biodegradacji związków
fenolowych w wodach, ściekach i osadach [68].
Anionowe związki powierzchniowo-czynne w układach FIA oznaczano w wodach
powierzchniowych i ściekach z zastosowaniem detekcji potencjometrycznej
z cylindryczną elektrodą jonoselektywną [69]. W połączeniu z ekstrakcją do fazy stałej
możliwe były oznaczenia na poziomie 0.03 mg l-1. Do oznaczania kationowych
związków powierzchniowo-czynnych stosowano detekcję spektrofotometryczną,
polegającą na pomiarze zmian absorbancji kompleksu Fe(III)-SCN w ich obecności
[70].
Ważnym parametrem określającym jakość wody jest zawartość szkodliwych
bakterii i toksyn. Do ich oznaczania stosowane są układy FIA z reaktorami
immunochemicznymi i detekcjÄ… amperometrycznÄ… [71,72] lub fluorescencyjnÄ… [73].
Reaktor kolumnowy zawierajÄ…cy unieruchomione mikroorganizmy na powierzchni
szkła porowatego zastosowano do oznaczania trichloroetylenu w wodach [74].
W skutek biodegradacji powstawały aniony chlorkowe, których stężenie mierzono za
pomocÄ… jonoselektywnej elektrody chlorkowej.
Czułą (a jednocześnie tanią) metodą oznaczania śladowych ilości metali
w układach FIA/SIA jest anodowa woltamperometria inwersyjna. Zastosowanie
378
Rozdział 17
Rozdział 17
w układach przepływowych tej techniki umożliwia jednoczesne pomiary Cd(II) i Pb(II)
[75-77], a woltamperometrii pulsacyjnej Cd(II), Pb(II), Cu(II) i Zn(II) [78]. Układy
takie stosowano także w oznaczeniach Cu(II) w wodzie pitnej [79], Cu(II), Pb(II),
Cd(II) i Zn(II) w próbkach osadów rzecznych [80]. Jako elektrodę pracującą stosowano
błonkową elektrodę rtęciową. W oznaczeniach fosforanów w wodzie pitnej i ściekach
stosowano również detekcję amperometryczną wykorzystując proces redukcji kwasu
molibdenofosforowego do błękitu molibdenowego na elektrodzie z węgla szklistego
[81]. DetekcjÄ™ potencjometrycznÄ… z zastosowaniem elektrod jonoselektywnych
stosowano w pomiarach stężeń chlorków i fluorków w wodach [82,83].
Detekcja spektrofotometryczna jest jedną z najczęściej stosowanych detekcji
w układach przepływowych. Związane jest to z udoskonaleniem detektorów, w których
zastosowano fotodiody oraz światłowody. Umożliwia to prowadzenie pomiarów
w szerokim zakresie długości fal, zapewniając dobrą czułość pomiarów i małe szumy
własne aparatu. Do oznaczania kationów metali często wykorzystywane są reakcje
kompleksowania z utworzeniem barwnych kompleksów. Reakcję kompleksowania
z aluminonem i chromazulonem S zastosowano do oznaczania Al (III) w glebach [84],
z dietyloditiokarbaminianem do oznaczania Cu(II) w próbkach wód [85] a z o-
krezoloftaleiną do oznaczania Ca(II) w wodzie pitnej [86]. Śladowe stężenia Co(II)
i Ni(II) w wodach i glebach oznaczano spektrofotometrycznie po reakcji z PAR [87].
Zastosowanie detekcji fluorymetrycznej pozwoliło oznaczyć Mg(II) po reakcji
z kwasem 8-hydroksychinolino-5-sulfonowym w próbkach handlowo dostępnych wód
mineralnych [88]. Zastosowanie dwóch selektywnych reagentów, zieleni malachitowej i
rodanku amonu, pozwoliło na jednoczesne oznaczenie Cd(II) i Zn(II) [89]. Polepszenie
czułości i selektywności detekcji spektrofotometrycznej możliwe jest dzięki
zastosowaniu optod [90]. OptodÄ™ z membranÄ… z Nafionu z unieruchomionym
organicznym ligandem (PAN) zastosowano w oznaczeniach miedzi w wodzie rzecznej.
Granica wykrywalnoÅ›ci tej metody wynosi 15 µg/l. Uzyskano dobrÄ… zgodność wyników
w porównaniu z wynikami oznaczeń przeprowadzonych z wykorzystaniem technik
spektroskopii absorpcji atomowej (ASA).
Do oznaczania anionów nieorganicznych w próbkach środowiskowych najczęściej
wykorzystuje się reakcje barwne, charakterystyczne dla danego jonu w połączeniu
z detekcją spektrofotometryczną. W ten sposób oznaczano w wodach azotany(III)
[91,92], fosforany [93-95], siarczany(VI) [96] oraz rodanki [97,98] i jodki [99]. Ze
względu na niskie stężenie azotanów(III) w próbkach środowiskowych, konieczne jest
nieraz wstępne wzbogacanie analitów. Stosowano w tym celu mikrokolumny C18
a proces wzbogacania prowadzono po reakcji z sulfanilamidem i N-(1-
naftylo)etylenodiaminÄ… [100].
Jon amonowy w układach SIA oznaczano w wodach i ściekach przemysłowych
[101] oraz areozolach [102,103]. W układach tych dodatkowo wbudowane były moduły
dyfuzyjne w celu wydzielenia jonu amonowego w postaci amoniaku, który przechodził
przez półprzepuszczalną membranę.
Zastosowanie układu przepływowego i detektora spektrofotometrycznego,
w którego celce pomiarowej umieszczono złoże Sphadex QAE A-25, umożliwiło
oznaczanie różnych pochodnych fenolowych - fenolu, 2-naftolu, 3,4,-dimetylofenolu, 1-
naftolu i 2,4-dichloro-fenolu, po ich wstępnym wzbogacaniu [104]. W układzie, gdzie
desorpcja oznaczanych związków następowała bezpośrednio w detektorze, uzyskano
10 krotnie wyższą czułość, niż dla konwencjonalnych układów FIA. Technikę SIA
z detekcją spektrofotometryczną zastosowano do oznaczania związków fenolowych
w ściekach wykorzystując reakcję barwną z 4-aminoantypiryną [105] oraz detekcję UV
do oznaczania węglowodorów aromatycznych [106]. W oznaczeniach wielu związków
379
Rozdział 17
Rozdział 17
organicznych konieczne jest stosowanie w układzie przepływowym ekstrakcji do fazy
organicznej. W tym celu stosowano przewody teflonowe z osadzoną na wewnętrznych
ściankach fazą organiczną [107]. Układy takie stosowano do oznaczania związków
nitrofenolowych w ściekach [108].
5.2 Zastosowanie techniki BIA w analizie środowiskowej
W bezprzewodowej metodzie analizy przepływowo-wstrzykowej (BIA) próbka o małej
objętości rzędu pojedynczych mikrolitrów jest bezpośrednio wprowadzana na
powierzchnię pracującej elektrody lub innego detektora, np. optycznego, co umożliwia
oznaczenie analitów w trakcie przepływu roztworu przy powierzchni detektora.
Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne elektrochemicznych detektorów do BIA
pokazano na Rysunku 2.
Poszukiwanie nowych- selektywnych i czułych- materiałów elektrodowych, jest
głównym kierunkiem rozwoju tej metody. W oznaczeniach środowiskowych BIA
stosuje się głównie do oznaczania metali śladowych (Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II)
z detekcjÄ… metodÄ… anodowej woltamperometrii inwersyjnej. Jako elektrody pracujÄ…ce
stosowane są najczęściej cienkowarstwowe detektory z elektrodą rtęciową lub
elektrodami węglowymi [109-111], elektrodami z włókna węglowego lub grafitowymi
pokrytymi rtęcią [112-114]. W celu poprawy selektywności i zmniejszenia wpływu
matrycy próbki stosowane są elektrody modyfikowane, pokrywane polimerami
[109,110]. W przypadku techniki BIA najczęściej stosowano do oznaczeń metali
elektrody pokrywane polimerem Nafion [115-117] lub polimerem z grupami
sulfonowymi [118,119]. Stosowanie elektrod modyfikowanych umożliwia oznaczanie
metali w obecności zakłócających pomiar związków powierzchniowo-czynnych. Mimo
że prądy rejestrowane w przypadku takich elektrod są niższe, niż dla elektrod
niemodyfikowanych, możliwe są pomiary na poziomie nM [119].
Turyan i in. [113] zaproponowali zastosowanie w pomiarach BIA wirujÄ…cej
mikroelektrody dyskowej zbudowanej z grafitu pokrytego rtęcią, do oznaczania Pb(II),
Zn(II) i Cu(II). Przy czasie wzbogacania rzędu 5 min, uzyskano granicę wykrywalności
30 µg/l. MetodÄ™ BIA stosowano do oznaczeÅ„ metali w wodach naturalnych [109,115-
118] i ściekach przemysłowych [111,114,115].
Rys. 2. Schematy konstrukcji elektrochemicznych detektorów do metody BIA. (A)
Detektor o dużej objętości z prostopadłym dopływem roztworu do powierzchni (ang.
wall-jet) [120], (B) detektor kapilarny z pastowÄ… elektrodÄ… pracujÄ…cÄ… [121], (C) detektor
cienkowarstwowy z wirujÄ…cÄ… elektrodÄ… dyskowÄ… [113]. W (A): A-elektroda dyskowa,
380
Rozdział 17
Rozdział 17
B-elektroda pierścieniowa, C-elektroda pomocnicza, D-elektroda odniesienia. W (B): 1-
pracująca elektroda pastowa, 2-kapilara teflonowa, 3-roztwór próbki, 4-kanalik do
wprowadzenia próbki, 5-elektroda pomocnicza, 6-elektroda odniesienia. W (C): 1-celka
wewnętrzna, 2-kapilara teflonowa, 3-próbka, 4-zewnętrzna celka o dużej objętości, 5-
elektrolit podstawowy, 6-kanalik próbki, 11-ceramiczne złącza, 12-wirująca elektroda
pracujÄ…ca, 13-elektroda pomocnicza, 14-elektroda odniesienia.
5.3. Detekcja z wykorzystaniem spektrometrii atomowej i spektrometrii mas
Zastosowanie technik przepływowo-wstrzykowych do przeprowadzenia oznaczeń
z wykorzystaniem metod atomowej spektrometrii absorpcyjnej i emisyjnej oraz
spektrometrii mas z jonizacją w indukcyjnie sprzężonej plazmie (ICP-MS) istotnie
może je usprawnić, głównie poprzez prowadzenie w układzie przepływowym
różnorodnych operacji przetwarzania próbki. Bezpośrednie wprowadzenie próbki
z rozcieńczaniem w układzie przepływowym, wzbogacanie analitów lub generowanie
lotnych związków to przykłady operacji ilustrujących zalety połączenia FIA lub SIA
z płomieniową lub elektrotermiczną absorpcyjną spektrometrią atomową (FAAS,
ETAAS), emisyjną spektrometrią atomową z wzbudzaniem w indukcyjnie sprzężonej
plazmie (ICP-AES) lub ICP-MS. Oprócz operacji wydzielania czy wzbogacania,
również dużym zainteresowaniem cieszy się mineralizacja próbki w warunkach
przepływowych [122], szczególnie wtedy, gdy stanowi ona najwolniejszy etap
postępowania analitycznego. Przetwarzanie próbki w warunkach przepływowych bywa
również pomocne w oznaczeniach form pierwiastków na różnych stopniach utlenienia
wykorzystywane w specjacji [123,124].
Dokładne oznaczenie analitów w próbkach o różnej matrycy jest zasadniczym
celem postępowania analitycznego. W złożonych matrycach jest to często zadanie
bardzo trudne wobec możliwości występowania zakłóceń spektralnych
i niespektralnych [125,126]. W wielu przypadkach, szczególnie w przypadku technik
FAAS lub ICP-AES, wykrywalność może być niedostateczna. Techniki ETAAS i ICP-
MS umożliwiają wprawdzie osiąganie niższych wartości granicy wykrywalności, lecz
towarzyszą temu często znacznie silniejsze efekty matrycowe. W przypadku techniki
ETAAS pomiar jest zakłócany przez dużą zawartość soli w próbce i jest wrażliwy na
zmiany składu matrycy [127]. Silne zakłócenia matrycowe w wielu przypadkach nie
mogą być dostatecznie wyeliminowane przez dostępne metody korekcji tła. Unikać
również należy wprowadzania rozpuszczalników organicznych, gdyż obniżają one
precyzję pomiarów oraz czułość detekcji. Zarówno wysokie zasolenie próbki, jak
i obecność znacznych ilości rozpuszczalników organicznych powoduje silne zakłócenia
w przypadku techniki ICP-MS. Niespektralne interferencje matrycowe można
wyeliminować przez rozcieńczanie próbki, lecz powoduje to pogorszenie
wykrywalności [128]. Stosowanie wzorców wewnętrznych możliwe jest praktycznie
tylko wtedy, gdy są one dobrze dopasowane do analitów pod względem masy i energii
jonizacji. Stąd też, w celu uniknięcia tych trudności, wskazane jest zastosowanie
takiego przetwarzania próbki, które umożliwi poprawę granicy wykrywalności,
zarówno przez usunięcie zakłóceń, jak i zatężenie analitów [129]. Takie operacje
korzystnie można prowadzić w układach FIA lub SIA z dobrą powtarzalnością
i ograniczonym ryzykiem zanieczyszczenia próbki. Opracowano już liczne procedury
przepływowego rozdzielania i zatężania oparte na wymianie jonowej i adsorpcji,
wytrącania i współstrącania, ekstrakcji rozpuszczalnikowej oraz generowaniu lotnych
wodorków. Miniaturowe kolumny z różnymi sorbentami oraz otwarte hydrofobowe
przewody (np. teflonowe) są najczęściej wykorzystywane do sorpcji analitów.
381
Rozdział 17
Rozdział 17
Zagadnieniom tym poświęcono już wiele oryginalnych prac, a także artykułów
przeglądowych [130-134] oraz książek [8,135,136]. Wiele publikacji naukowych
dotyczących tych zagadnień znalez
ć można w nowościach z dziedziny spektrometrii
atomowej publikowanych w czasopiśmie Journal of Analytical Atomic Spectrometry
137-139].
Sorpcja kolumnowa w układach FIA i SIA
Układy wykorzystujące sorpcję analitu na odpowiednio dobranych wypełnieniach
mikrokolumn należą do najczęściej stosowanych sposobów przetwarzania składu próbki
w układach przepływowych. Techniki te wykorzystuje się głównie do poprawy czułości
oznaczeń z wykorzystaniem techniki FAAS i ICP-AES oraz do oddzielania
oznaczanych składników od składników matrycy, które powodują interferencje
w ETAAS i ICP-MS. W publikacjach naukowych proponuje się różne konfiguracje
układów przepływowych z wykorzystaniem mikrokolumn. Różnią się one głównie
sposobem prowadzenia procesu zatężania/oddzielania analitu, rodzajem stosowanego
wypełnienia mikrokolumny, jej położeniem w układzie, a także sposobem
wprowadzania roztworu eluentu do atomizera elektrotermicznego przy stosowaniu
detekcji z wykorzystaniem absorpcji spektrometrii atomowej (ASA).
Można wyróżnić dwa sposoby przetwarzania składu analizowanej próbki
z zastosowaniem mikrokolumn. W pierwszym z nich, stała i określona objętość
roztworu dozowana przez pętlę zaworu wstrzykowego, jest pompowana przez złoże
mikrokolumny. W tym przypadku, wykorzystywanym zwykle do wydzielenia analitu,
występuje ograniczenie objętości próbki (zwykle do 1 ml) ze względu na jej dyspersję,
ale jednocześnie eliminuje się wpływ pulsacji stosowanej pompy perystaltycznej
(powtarzalna objętość próbki). W drugim sposobie, stosując stały czas przepływu
analizowanego roztworu przez mikrokolumnę, można wzbogacić analit ze znacznie
większej objętości roztworu, osiągając również większe wartości współczynników
wzbogacania (ang. Enrichment Factor- EF). Powtarzalność tak prowadzonego procesu
zależy w znacznym stopniu od stabilności przepływu roztworu przez złoże. Jednak
wydajność metody wzbogacania analitu, a więc i uzyskiwane wartości EF, zależą od
czasu przepływu roztworu przez mikrokolumnę. Prowadzenie etapu wzbogacania
w dłuższym czasie przy tej samej prędkości przepływu powoduje wzrost EF, ale
jednocześnie zmniejsza się liczba analizowanych próbek w danym przedziale
czasowym. Dla porównania wydajności stosowanych układów przepływowych
z zatężaniem wprowadza się współczynnik stężeniowy (ang. Concentration Efficiency -
CE lub Concentration Factor -CF), definiowany jako iloczyn współczynnika
wzbogacania i ilości próbek poddanych obróbce w jednostce czasu, np. w czasie
godziny. Dla obu sposobów wprowadzania próbki na mikrokolumnę (w stałej objętości
lub w stałym czasie) wzrost prędkości przepływu analizowanego roztworu, który
zapewnia dużą wydajność tej metody, jest jednak ograniczony przez kinetykę procesu
sorpcji analitu.
382
Rozdział 17
Rozdział 17
Etap zatężania
RamiÄ™ automatycznego
podajnika próbek
Próbka
V
Mikrokolumna
Reagent
Åšciek
P1
Åšciek
P2
Eluent Roztwór płuczący
Etap wymywania
Próbka
V
Mikrokolumna
Reagent
Åšciek
P1
Kuweta grafitowa
P2
Eluent Roztwór płuczący
Rys. 3. Schemat układu przepływowego z detekcją ETAAS z mikrokolumną
umieszczoną w końcówce ramienia automatycznego podajnika próbek. P1 i P2  pompy
perystaltyczne, V  zawór.
Selektywność procesu sorpcji zależy głównie od doboru wypełnienia
mikrokolumny. Powinno charakteryzować się ono odpowiednimi właściwościami
fizycznymi i chemicznymi, brakiem zmian objętości przy zmianie kwasowości
przepływającego roztworu oraz korzystną kinetyką sorpcji i desorpcji analitu.
W układach przepływowych z sorpcją kolumnową stosuje się wymieniacze kationowe
i anionowe, żywice chelatujące zawierające grupy funkcyjne związane z matrycą
polimerycznÄ… wiÄ…zaniem kowalencyjnym oraz niejonowe sorbenty do ekstrakcji
obojętnych kompleksów metali. Jednak zwykłe kationity i anionity charakteryzują się
niewielką selektywnością, gdyż różnice w ich powinowactwie do np. jonów metali
związane są z ich właściwościami fizycznymi, jak ładunek czy rozmiar solwatowanych
jonów. Przeprowadzenie jonów metali w ujemnie naładowane kompleksy, np.
chlorkowe, umożliwia ich oddzielenie na anionicie od innych, dodatnio naładowanych
383
Rozdział 17
Rozdział 17
składników matrycy. Żywice chelatujące wykazują właściwości jonoselektywne,
a powinowactwo jonów metali do tych wymieniaczy związane jest przede wszystkim
z właściwościami kompleksującymi grupy funkcyjnej. Spośród wielu wymieniaczy
chelatujących, żywice Chelex 100 i Muromac A-1, zawierające grupy iminodioctowe,
znalazły wiele zastosowań do zatężania i wydzielania jonów metali [129,131,132].
Wymieniacze jonowe o matrycy włóknistej (ang. fibrous materials), np. celulozowe,
mimo słabszych właściwości mechanicznych, okazały się także bardzo przydatne w
układach przepływowych ze względu na ich korzystną kinetykę sorpcji i desorpcji
analitów [140-143]. Właściwości innych wymieniaczy stosowanych w technikach FIA
i SIA omówione są w pracach Fanga [129,135,136].
Niezależnie od licznych syntez nowych stałych sorbentów, stosuje się również
innÄ… metodÄ™ otrzymywania chelatujÄ…cych faz stacjonarnych. Uzyskuje siÄ™ je poprzez
unieruchamianie na anionitach lub niejonowych sorbentach w wyniku wymiany
jonowej oraz/lub fizycznej adsorpcji odczynników kompleksujących [144-147]. Metoda
ta pozwala na kontrolowanie ich pojemności jonowymiennej oraz selektywności
poprzez dobór odpowiedniego selektywnego dla określonych jonów metali
organicznego reagenta. Także hydrofobowe fazy stacjonarne, jak C18 silikażel czy
polimeryczne sorbenty typu XAD, są wykorzystywane w układach przepływowych do
sorpcji kompleksów metali, głównie z ditiokarbaminianami (DDTC, APDC)
i dietyloditiofosforanem amonowym (DDPA). DDPA wykazuje większą selektywność
niż ditiokarbaminiany, a jego roztwór jest trwały w kwaśnym środowisku. Spośród
innych odczynników kompleksujących warto wymienić 1-nitrozo-2-naftol [148], 1,10-
fenantrolinÄ™ [149] oraz porfiryny [150].
Konstrukcja układów przepływowych z sorpcją kolumnową z detekcją FAAS
i ICP-AES jest bardzo podobna i w praktyce analitycznej sÄ… stosowane oba sposoby
wprowadzania próbki ze stałą objętością lub stałym czasem przepływu roztworu przez
mikrokolumnę. Strumień eluentu- najczęściej jest to roztwór kwasu mineralnego lub
rozpuszczalnik organiczny w przypadku sorbentów niejonowych- po wymyciu
zatężonych analitów jest kierowany bezpośrednio do nebulizera detektora.
Zastosowanie techniki ETAAS jako sposobu detekcji wymaga innych rozwiązań
konstrukcyjnych układu. Etap wzbogacania analitów z próbki na mikrokolumnie może
być w tym przypadku realizowany równolegle z przebiegającymi procesami pirolizy
i atomizacji w kuwecie grafitowej lub też przepływy roztworów są zatrzymane po
wprowadzeniu roztworu eluentu do kuwety i w czasie pomiaru absorbancji.
W przeciwieństwie do pomiarów w płomieniowej AAS, przy zastosowaniu atomizacji
elektrotermicznej trzeba zastosować płukanie złoża sorbentu po etapie wzbogacania ze
względu na możliwość występowania interferencji od pozostałości składników matrycy.
Objętość roztworu wprowadzana do kuwety grafitowej jest ograniczona do 50-70
µl, a czÄ™sto w procesie wymywania analitu objÄ™tość stosowanego eluentu jest wiÄ™ksza.
Dlatego proponowane są różne rozwiązania, jak np. powolne dozowanie roztworu z
mikrokolumny do ogrzanego wstępnie atomizera, wielokrotne dozowanie wycieku z
każdorazowym odparowaniem rozpuszczalnika, a także wprowadzenie tylko tej części
wycieku, która zawiera największe stężenie analitu. W celu zmniejszenia dyspersji
poszczególne roztwory są przedzielane małymi strumieniem powietrza. Na rys. 3
przedstawiono przykładowy schemat układu przepływowego z detekcją
z wykorzystaniem techniki ETAAS, w którym mikrokolumna jest umieszczona
w końcówce ramienia automatycznego podajnika próbek.
Sorpcja kolumnowa może być wykorzystana także do zatężania analitu na miejscu
pobierania próbek wód naturalnych [151,152]. Mikrokolumny następnie przenosi się do
laboratorium pomiarowego, montuje do układu FI lub SI w celu przeprowadzenia
384
Rozdział 17
Rozdział 17
procesu wymywania i końcowej detekcji. Taki sposób postępowania w analizie
śladowej i badaniu specjacji, oprócz zalet wynikających ze stosowania zamkniętego
układu przepływowego, charakteryzuje się dużą wydajnością i dokładnością.
Zastosowanie hydrofobowych przewodów do wzbogacania analitów
Otwarte hydrofobowe przewody z teflonu, ułożone w odpowiednie sploty  stąd ich
nazwa reaktory węzełkowe (ang. Knotted Reactor- KR)- były początkowo
wykorzystywane jako bezfiltrowe kolektory osadów w strąceniowych metodach
oddzielania i wzbogacania. Okazały się one bardzo przydatne w układach
przepływowych do gromadzenia dużych ilości wytrąconych osadów przy małym oporze
stawianym przepływającemu roztworowi. Roztwór wewnątrz przewodów, ze względu
na ich konfigurację, stale zmienia kierunek przepływu, a powstała siła odśrodkowa
kieruje cząsteczki osadu w kierunku wewnętrznych ścianek, gdzie łatwo się gromadzą.
Wytrącony osad po przepłukaniu, rozpuszczany jest następnie w niewielkiej objętości
odpowiednio dobranego eluentu, który jest kierowany bezpośrednio do detektora
(Rysunek 4). Przy stosowaniu detekcji ETAAS, roztwór ten jest przedzielony
strumieniem powietrza, a w przypadku metody ICP-MS za pomocą małych objętości
roztworu nośnego [153].
Burguera i in. [154] wykorzystali dużą pojemność takiego reaktora węzełkowego
do oznaczania żelaza w próbkach geotermicznych zawierających znaczne ilości
związków siarki. Ich obecność w analizowanej próbce powoduje drastyczne obniżenie
wartości absorbancji w przypadku techniki ETAAS. Oddzielono je od analitu w postaci
osadu siarki po dodaniu strumienia roztworu nadtlenku wodoru i naświetlaniu tego
fragmentu układu promieniowaniem mikrofalowym. Osad siarki po rozpuszczeniu
w CCl4 był kierowany do ścieku, a roztwór zawierający żelazo wprowadzano do
ramienia automatycznego podajnika próbek kuwety grafitowej. W celu usunięcia
interferencji z resztek pozostałych w próbce siarczanów, zastosowano roztwór soli
lutetu jako modyfikatora chemicznego.
W ostatnich latach hydrofobowe reaktory przewodowe z teflonu są najczęściej
stosowane do sorpcji obojętnych kompleksów jonów metali z organicznymi ligandami
jako alternatywna metoda do wzbogacania na kolumnowych wypełnieniach oktadecylo-
silanolowych C18. W metodzie tej wykorzystuje się oddziaływania pomiędzy
wewnętrzną ścianką przewodu a utworzonymi w roztworze kompleksami metali [155].
Roztwór próbki może być pompowany przez takie reaktory z bardzo dużym natężeniem
przepływu ze względu na znacznie mniejszy opór w porównaniu z mikrokolumnami,
a więc analit może być zatężany w danym przedziale czasu ze znacznie większej
objętości, jednak wydajność sorpcji jest mniejsza (tylko 40-50%). Badano także inny
układ reaktora przewodowego, tzw. reaktor serpentynowy w kształcie  ósemki [156],
ale jego kształt geometryczny powoduje mniejszą siłę odśrodkową kierującą roztwór
w stronę ścianek przewodu, a więc i mniejszą sorpcję.
385
Rozdział 17
Rozdział 17
Etap zatężania
Etap wzbogacania
Reagent
Analit
Åšcieki
Próbka
Matryca
Etap wymywania
Powietrze
ETAAS
Próbka
ICP-MS
Roztwór nośny
Elucja
Eluent
Rys. 4. Strąceniowa metoda wzbogacania z wykorzystaniem reaktora węzełkowego
Jako ligandy organiczne do utworzenia obojętnych kompleksów z jonami metali
wykorzystywane są głównie DDTC, APDC oraz DDPA [157,158], podobnie jak
w metodach sorpcji kolumnowej z niepolarnymi sorbentami. Selektywne tworzenie
kompleksów As(III) i Fe(III) z APDC zastosowano w badaniach specjacyjnych
nieorganicznych form arsenu i żelaza w próbkach wód naturalnych [159]. Można także
wykorzystać mechanizm tworzenia par jonowych do wzbogacania i oddzielania jonów
metali występujących w roztworze w postaci kompleksów obdarzonych ładunkiem.
Do oznaczania kadmu z detekcjÄ… ETAAS wykorzystano sorpcjÄ™ pary jonowej
utworzonej z ujemnego kompleksu Cd(II) z nitrozo-R-solÄ… oraz jonu
tetrabutyloamoniowego [160]. W celu uniknięcia strat analitu podczas płukania wnętrza
reaktora przewodowego z pozostałości matrycy próbki, do roztworu płuczącego (jest to
zwykle woda dejonizowana lub rozcieńczony roztwór kwasu) należy dodać odczynnik
kompleksujący. Utrudnia to dysocjację powstałych kompleksów, zwłaszcza dla jonów
ołowiu, cyny i bizmutu [157].
Desorpcję kompleksów przeprowadza się po etapie wzbogacania stosując roztwory
metanolu, etanolu lub ketonu metylo-izobutylowego. Jednak dla detektorów
plazmowych bardziej polecane są -jako eluenty- rozcieńczone roztwory kwasu
azotowego lub też rozpuszczalniki organiczne wprowadzane są przez odpowiednie
membrany [161,162].
Układy typu SI-LOV
W przepływowych metodach rozdzielania i wzbogacania opartych na wymianie
jonowej i adsorpcji, sorbenty są stałym i niezbędnym składnikiem układu. Jednak ich
długotrwałe używanie może powodować zmiany w objętościach wypełnienia
mikrokolumny, skutkiem czego znacznie wzrasta opór przepływu. Także właściwości
stosowanych sorbentów mogą ulegać zmianie z powodu dezaktywacji czy nawet utraty
grup funkcyjnych. Aby uniknąć tych niekorzystnych zjawisk, należałoby w sposób
powtarzalny wymieniać wypełnienia mikrokolumny po każdym cyklu pomiarowym.
Możliwość taka istnieje przy zastosowaniu specjalnego zaworu (ang. Lab-On-Valve -
386
Rozdział 17
Rozdział 17
LOV) [163], którego działanie jest oparte na połączeniu szeregu mikrokanałów
przepływowych. Współdziała on z konwencjonalnym wielopozycyjnym zaworem
wstrzykowym stosowanym w technice SIA. Zastosowanie układu SI-LOV umożliwia
z dużą powtarzalnością prowadzenie w bardzo małej skali pobierania różnych objętości
próbki, dodawanie reagentów w odpowiednich punktach układu, a także prowadzenie
procesów rozdzielania/wzbogacania z wykorzystaniem sorpcji kolumnowej [164].
Zawiesina
Próbka
sorbentu
Detektor
Eluent
Powietrze
Mikrokolumny
Pompa
C1 i C2
Spirala
mieszajÄ…ca
Roztwór
nośny
Rys. 5. Układ SI-LOV z odtwarzalnym reaktorem kolumnowym
Układ przepływowy z zaworem LOV i odtwarzalnym wypełnieniem
mikrokolumny został zastosowany do oznaczania śladowych ilości niklu i bizmutu
w próbkach środowiskowych z detekcją ETAAS [165] oraz ICP-MS [166]. Schemat
tego układu przedstawiono na rys. 5. Wypełnienie mikokrolumny stanowił kationowy
wymieniacz jonowy SP Sephadex C-25 z grupami sulfonowymi. Z zawiesiny jonitu
(pozycja 6 w zaworze) określona ilość wymieniacza była wprowadzana do układu;
mogła się ona swobodnie przemieszczać pomiędzy pozycjami C1 i C2 mikrokolumny
w czasie etapu wzbogacania analizowanej próbki. Po przepłukaniu złoża jonitu
następował etap wymywania analitu roztworem kwasu azotowego. Eluat był następnie
bezpośrednio kierowany do kuwety grafitowej spektrofotometru ASA lub rozpylacza
detektora ICP-MS. Po zakończeniu całego cyklu pomiarowego, kanał mikrokolumny
był opróżniany z ziaren jonitu przez zmianę natężenia przepływu strumienia roztworu
noÅ›nego. Ziarna kationitu SP Sephadex C-25 (o Å›rednicy 40-125 µm) przy maÅ‚ych
przepływach (< 1,2 ml/min) są zatrzymywane w mikrokolumnie C1. Natomiast przy
szybkości przepływu większej niż 6 ml/min, znacznie zmniejszają swoją objętość -
ulegają zgnieceniu- i łatwo mogą być usunięte przez otwór w końcówce mikrokolumny.
387
Rozdział 17
Rozdział 17
Analit
Próbka
Matryca
Åšciek
Powietrze
Powietrze
Eluent Roztwór
nośny
ETAAS
ICP-MS
Roztwór
nośny
ETAAS
H2O
Åšciek
A) Wymywanie eluentem B) Piroliza jonitu
Rys. 6. Schematy postępowania stosowanego do wzbogacania/oddzielania analitu w
układzie SI-LOV z odtwarzalnym wypełnieniem mikrokolumny [168]. (A) Po etapie
wzbogacania analit jest wymywany ze złoża i oznaczany metodą ETAAS lub ICP-MS.
(B) Wypełnienie mikrokolumny wraz ze wzbogaconym analitem jest bezpośrednio
dozowane do atomizera urzÄ…dzenia ETAAS.
Przy detekcji ETAAS także inna procedura może być realizowana
z wykorzystaniem układu SI-LOV. Po etapie wzbogacenia analit nie jest wymywany
z mikrokolumny za pomocÄ… roztworu eluentu, a ziarna jonitu wraz z nim sÄ…
bezpośrednio dozowane do atomizera spektrofotometru, gdzie ulegają rozkładowi
termicznemu w czasie procesów pirolizy i atomizacji. Jednak ten sposób postępowania
nie może być stosowany do oznaczania metali, dla których temperatura etapu pirolizy
jest niższa niż 1000oC, np. kadmu, bizmutu czy ołowiu. Schematy tych dwóch procedur
z użyciem odtwarzalnego wypełnienia mikrokolumny w układzie LOV przedstawiono
na rys. 6. Walidację tej metody przeprowadzono oznaczając nikiel w próbkach
certyfikowanych materiałów odniesienia pochodzenia biologicznego i środowiskowego
[167]. W obu przypadkach uzyskano wartości granicy wykrywalności oraz
współczynników wzbogacania tego samego rzędu (tab. 1). Jednak precyzja oznaczeń,
wyrażona w postaci względnego odchylenia standartowego (RSD), była niższa w
przypadku zastosowania eluentu do odzysku analitu. Warto dodać, że granica
wykrywalności przy oznaczaniu niklu (z detekcją ETAAS) w konwencjonalnym
układzie SIA z wielokrotnie używanym wypełnieniem mikrokolumny wynosiła
odpowiednio 42 oraz 24 ng/l, dla tego samego i odwrotnego kierunku przepływu
roztworów w etapie wzbogacania i wymywania, z precyzją około 5% RSD. Niższe
wartości współczynników wzbogacania, jakie uzyskano dla detekcji ICP-MS, są
spowodowane większą dyspersją roztworu w przewodach łączących stosowany układ
przepływowy i rozpylacz.
388
Rozdział 17
Rozdział 17
Tabela 1. Porównanie metod oznaczania niklu z użyciem odtwarzalnej mikrokolumny
[130].
Wymycie za pomocÄ… eluentu Piroliza jonitu
ETAAS ICP-MS ETAAS
Precyzja (względne
odchylenie standardowe - %) 1,5 2,9 3,4
Granica wykrywalności- ng/l 10,2 13 9
Współczynnik wzbogacania 71,1 35,2 72,1
Sprawdzono także możliwość zastosowania hydrofobowych wypełnień
mikrokolumny w układzie SI-LOV do wzbogacania/oddzielania analitu. Badania
prowadzono dla dwóch rodzajów faz stacjonarnych o różnej budowie i właściwościach
fizycznych  kopolimeru styren-diwinylobenzen z grupami oktadecylosilanolowymi
(C18-PS/DVB) oraz politetra-fluoroetylenu (PTFE), wykorzystujÄ…c je do sorpcji
kompleksów kadmu z DDPA [169]. Ziarna sorbentu C18-PS/DVB mogą być łatwo
przemieszczane w układzie LOV pomiędzy pozycjami C1 i C2 mikrokolumny,
przygotowanie wypełnienia w postaci zawiesiny było więc podobne do wcześniej
opisanego dla hydrofilowego wymieniacza kationowego. Ze względu na większą
gęstość sorbentu teflonowego, należało utrzymywać go w zbiorniku stale w postaci
zawiesiny przy użyciu dodatkowego mieszadła. Ponieważ oba badane hydrofobowe
sorbenty nie wykazują właściwości zmniejszania swoich objętości przy większych
szybkościach przepływu roztworów, jak było to obserwowane dla kationitu SP
Sephadex C-25, tylko procedura z wymyciem uprzednio wzbogaconego analitu za
pomocą roztworu etanolu mogła być sprawdzona. Uzyskane wyniki przy zastosowaniu
detekcji ETAAS do oznaczania kadmu przedstawiono w Tabeli 2. Praca z sorbentem
C18-PS/DVB jest prostsza, dlatego uzyskano lepszą precyzję oznaczeń niż dla sorbentu
PTFE. Jednak z analitycznego punktu widzenia, sorbent teflonowy jest lepszy, gdyż
uzyskano szerszy zakres liniowości oznaczeń, większą czułość i wartość współczynnika
wzbogacania. Jednak wprowadzanie zawiesiny tego wypełnienia do mikrokolumny
musi się odbywać z bardzo małym natężeniem przepływu  0,24 ml/min.
Tabela 2. Porównanie charakterystyki analitycznej metody oznaczania kadmu
w układzie SI-LOV z wykorzystaniem sorbentu C18-PS/DVB i PTFE [169].
PTFE C18-PS/DVB
Precyzja (względne odchylenie
standardowe - %). 4,3 3,4
Granica wykrywalności- ng/l 15 126
Zakres liniowości- ng/l 0,05 - 1,0 0,2 - 1,5
Współczynnik wzbogacania. 17,2 7,4
389
Rozdział 17
Rozdział 17
6. ZMINIATURYZOWANE UKA
ADY DO ANALIZY PRZEPA
YWOWEJ
Miniaturyzacja instrumentacji analitycznej obserwowana w ostatnich kilkunastu latach
jest w równym stopniu wynikiem możliwości technologicznych, jak i rosnącego
zapotrzebowania na takie urzÄ…dzenia. Elektronika wysokiej skali integracji,
optoelektronika i mikromechanika z nowoczesną inżynierią materiałową w coraz
szerszym zakresie są wykorzystywane do konstrukcji samych detektorów
analitycznych, jak i całych analizatorów z systemem transportu próbki, jej
przetwarzania, sterowania pomiarem i obróbką danych pomiarowych.
Konstrukcja zminiaturyzowanych układów przepływowych (ang. microfluidics),
to ważny obszar zastosowania miniaturyzacji w chemii analitycznej, związany również
z potrzebami analizy środowiskowej do prowadzenia oznaczeń terenowych, ochrony
miejsc pracy i wbudowywania w kompleksowe systemy pomiarowe nadzorujÄ…ce
przebieg procesów przemysłowych, produkcji leków i żywności.
Początkiem rozwoju tych urządzeń były zintegrowane układy mikroprzepływowe
(ang. microconduits) opracowane w połowie lat osiemdziesiątych na potrzeby
przepływowej analizy wstrzykowej z detekcjami potencjometrycznymi z elektrodami
membranowymi i fotometryczną ze światłowodową transmisją światła [4]. Można do
nich zaliczyć również w pewnym stopniu zintegrowane moduły Chemifold zastosowane
w przyrządach handlowych Tecator z licznymi aplikacjami do analizy środowiskowej
głównie analitów nieorganicznych [170]. W układach tych operowano średnicami
przewodów około 0.5-1.0 mm i stosowano zewnętrzne urządzenia pompujące. Te z
kolei, w dalszym rozwoju, zastępowano miniaturowymi pompami piezoelektrycznymi
[171] lub też z powodzeniem zaczęto stosować do tego celu przepływ
elektroosmotyczny, co z kolei wymagało zastosowania znacznie mniejszych średnic
przewodów [172]. Inną koncepcją miniaturyzacji układów przepływowych, głównie w
ich wersji sekwencyjnej SIA, było wbudowanie w wielopozycyjny zawór wstrzykowo-
selekcyjny zarówno zminiaturyzowanych elementów detekcyjnych, jak i służących
przetwarzaniu próbki. Układy te, sporo na wyrost (jeśli chodzi o ich możliwości
funkcyjne) bywają określane jako  laboratoria w zaworze (ang. lab-on-value -LOV).
Ich przykładowe zastosowania do śladowych oznaczeń z detekcjami metodami
spektroskopii atomowej i spektrometrii mas zostały omówione bardziej szczegółowo
powyżej.
W dążeniu do konstruowania zminiaturyzowanych i kompletnych systemów do
analizy chemicznej (ang. miniaturized total chemical analysis system) dużo uwagi,
oprócz różnych metod transportu roztworów oraz konstrukcji miniaturowych
detektorów bezpośrednio na tzw. czipie analitycznym, poświęca się również
opracowaniu metod przetwarzania próbki w tych zintegrowanych urządzeniach [173].
Do zastosowań środowiskowych opracowano układ do zatężania analitów gazowych
przez oznaczenie chromatograficzne na czipie i zastosowano do oznaczeń fosfonianu
dimetylowego [174]. Opisano również mikroukłady do oznaczeń fluorescencyjnych
jonów metali z derywatyzacją i zatężaniem przez spiętrzenie na czipie z układem
elektroforezy kapilarnej [175].
Zminiaturyzowane układy FIA do zastosowań w analizie środowiskowej
opracowano już z różnymi metodami detekcji. Do oznaczeń fosforanów z absorpcyjną
detekcją spektrofotometryczną opracowano mikroukład z zastosowaniem mikropomp
silikonowych [176]. Do oznaczeń fosforanów opracowano miniaturowy układ FIA
z transportem elektrokinetycznym [177]. Oznaczenia spektrofotometryczne amoniaku w
ściekach i wodzie pitnej z utworzeniem błękitu indofenolowego opracowano również na
czipie silikonowym z wytrawioną optyczną kuwetą z zastosowaniem zewnętrznych
390
Rozdział 17
Rozdział 17
pomp strzykawkowych [178]. AmperometrycznÄ… detekcjÄ™ enzymatycznÄ…
fosforoorganicznych pestycydów z zastosowaniem hydrolazy fosforoorganicznej
zastosowano z kolei w układzie FIA z detektorem przepływowym z biosensorem na
czipie silikonowym [179].
Szczególne możliwości analityczne dostarczają zminiaturyzowane na czipach
układy przepływowe, w których, prócz innych operacji takich jak przeprowadzenie
derywatyzacji czy zatężania, stosuje się przepływ elektroosmotyczny z rozdzielaniem
elektromigracyjnym. W układach takich, w krótkim czasie i przy bardzo małym zużyciu
odczynników, można przeprowadzić złożone analizy. Układy takie z oddzielnymi,
cienkowarstwowymi elektrodami amperometrycznymi opracowano do oznaczania
różnych grup związków o dużym znaczeniu środowiskowym. W oznaczeniach
najczęściej występujących fenoli w wodach rzecznych zastosowano sitodrukową
elektrodę ze złota [180], a w oznaczeniach pestycydów fosforoorganicznych -
drukowane elektrody węglowe [181]. Do oznaczeń środowiskowych organicznych
nadtlenków opracowano przepływowy, czipowy układ elektroforetyczny, z detektorem
z dyskową elektrodą ze złota [182].
LITERATURA
[1.] Stockwel P.B., Talanta, 27, 835 (1980)
[2.] Trojanowicz M., Automatyzacja w analizie chemicznej, WNT, Warszawa, 1992.
[3.] Skeggs Jr. L.T., Am. J. Clin. Pathol., 28, 311 (1957)
[4.] Ruzicka J., Hansen E.H., Anal. Chim. Acta, 78, 145 (1975)
[5.] Furman W.B., Continuous Flow Analysis. Theory and Practice, Marcel Dekker, New York, 1976
[6.] Ruzicka J., Hansen E.H., Flow Injection Analysis, Wiley, New York, 1988
[7.] Valcarcel M., Luque de Castro M.D., Flow-Injection Analysis, Principles and Applications, Ellis
Horwood, Chichester, 1987
[8.] Trojanowicz M., Flow Injection Analysis. Instrumentation and Applications, World Scientific,
Singapore, 2000
[9.] Ruzicka J., Marshall G.D., Anal. Chim. Acta, 237, 329 (1990)
[10.] Wang J., Taha Z., Anal. Chim., 63, 1053 (1991)
[11.] Ruzicka J., Pollema C.H. Scudder K.M., Anal.Chem., 65, 3566 (1993)
[12.] Clevett K.J., Process Analyzer Technology, Wiley, New York, 1986
[13.] Nichols G.D., On-line Process Analyzers, Wiley, New York, 1988
[14.] Manka D.P. (Ed.), Automated Stream Analysis for Process Control, Academic Press, New York,
1982
[15.] Huskius D.J., Quality Measuring Instruments in On-line Process Analysis, Ellis Horwood,
Chichester, 1982
[16.] Trojanowicz M., Zagadnienia i przyrzÄ…dy analizy procesowej, Rozdz. w Automatyzacja w analizie
chemicznej, WNT, Warszawa, 1992, str. 353-430
[17.] Van den Berg F.W.J., Hoefsloot H.C.J. Smilde A.K., Anal.Chem., 74, 3105 (2002)
[18.] Reeves P., Anal.Chim.Acta, 190, 45 (1986)
[19.] Cornish D.C., Jepson G., Smwrthwaite M.J., Sampling Systems for Process Analyzers, Butterworths,
London, 1981
[20.] Internet: www.seres-france.fr
[21.] Internet: www.hach.com
[22.] Internet: www.skalar.com
[23.] Internet: www.drlange.com
[24.] Internet: www.polymetron.com
[25.] Internet: www.gliint.com
[26.] Internet: www.environement-sa.com
391
Rozdział 17
Rozdział 17
[27.] Internet: www.bran-luebbe.de
[28.] Coakley W.A., Handbook of Automated Analysis. Continuous Flow Techniques, M.Dekker, New
York, 1984
[29.] Trojanowicz M., Analiza przepływowa z segmentowaniem strumienia. Rozdz. w Automatyzacja w
analizie chemicznej, WNT, Warszawa, 1992, str. 121-209
[30.] Internet: www.lachatinstruments.com
[31.] : www.alliance-instruments.com
[32.] Internet: www.burkardscientific.co.uk
[33.] ASTM Standard Test Method for Automated Determination of Ammonia Nitrogen in Water, D
1426-79
[34.] ASTM Standard Test Method for Automated Determination of Ammonia Nitrogen in Water, D
3867-85
[35.] Internet: www.timberlineinstruments.com
[36.] Wang R.Y., Jarratt J.A., Keay P.J., Hawkes J.J., and Coakley W.T., Talanta, 52, 129 (2000)
[37.] Dimitrakopoulos L.T., Dimitrakopoulos T., Electroanalysis, 13, 161 (2001)
[38.] Chudy M., Wróblewski W., Dybko A., Brzózka Z., Sens. Actuators B, 78, 320 (2001)
[39.] Farrell J.R., Iles P.J., Sands T.J., Lab. Robot. Autom., 11, 105 (1999)
[40.] Thomas O., Theraulaz F., Cerda V., Constant D., Quevauviller Ph., Trends Anal. Chem., 16, 419
(1997)
[41.] Campanell L., Trojanowicz M. Pyrzyńska K., Talanta, 43, 825 (1996)
[42.] [Paleologos E.K., Lafis S.I., Tzouwara-Karayanni S.M., Karayannis M.I., Analyst, 123, 1005
(1998)
[43.] Adams M.L., Powell K.J., Anal.Chim.Acta, 433, 289 (2001)
[44.] Hirata S., Yoshihara H., Aihara M., Talanta, 49, 1059 (1999)
[45.] Ahmed M.J., Stalikas C.D., Veltsistas P.G., Tzouwara-Karayanni S.M., Karayannis M.I., Analyst,
122, 221 (1997)
[46.] Giokos D.L., Paleologos E.K., Karayannis M.I., Anal.Bioanal.Chem., 373, 237 (2002)
[47.] Cerda A., Oms M.T., Forteza R., Cerda V., Anal.Chem.Acta, 371, 63 (1998)
[48.] Lou Y., Nakano S., Holm D.A., Ruzicka J., Christian G.D., Talanta, 44, 1563 (1997)
[49.] Tovar A., Moreno C., Manuel-Vez M.P., Garcia-Vargaz M., Anal.Chim.Acta, 469, 235 (2003)
[50.] Bi S.P., Yang X.D., Zhang F.P., Wang X.L., Zou G.W., Fresenius J.Anal.Chem., 370, 984 (2001)
[51.] Pyrzyńska, K., Gucer S., Bulska E., Water Res., 34, 359 (2000)
[52.] Chung M.S., Lee Y.T., Lee H.S., J.Biochem. Mol. Biol., 31, 296 (1998)
[53.] Lee H.S., Kim Y.A., Chung D.H., Lee Y.T., Int J.Food Sci.Technol., 36, 263 (2000)
[54.] Simoman L., Rainina E.I., Wild J.R., Anal. Lett., 30, 2453 (1997)
[55.] Jeanty G., Wojciechowska A., Marty J.L., Trojanowicz M., Anal.Bioanal.Chem., 371, 691 (2002)
[56.] Neufield T., Eshkenazi I., Cohen E., Rishpon J., Biosens.Bioelectron., 15, 323 (2000)
[57.] Rippeth J.J., Gibson T.D., Hart J.P., Hartley I.C., and Nelsen G., Analyst, 122, 1425 (1997)
[58.] Parellada J., Narvaez A., Lopez M.A., Dominguez E., Fernandez J.J., Pavlov V., and Katakis I.,
Anal.Chim.Acta, 362, 47 (1998)
[59.] Mayer U.J., Tran D., Kay G., Meusel M., Spencer F., Biocatal.Biotransform., 17, 103 (1999)
[60.] Zeravic J., Skladal P., Electroanalysis, 11, 851 (1999)
[61.] Marquette C.A., Blum L.J., Sens. Actuators B, 51, 100 (1998)
[62.] Kramer P.M., Lab. Robot. Automat, 9, 5024 (1997)
[63.] Mallat E., Barzen C., Klotz A., Brecht A., Gauglitz G., Barcelo D., Environ. Sci.Technol., 33, 965
(1999).
[64.] Mallat E., Barzen C., Abuknesha R., Gauglitz G., Barcelo D., Anal.Chim.Acta, 426, 209 (2001)
[65.] Aaron J.J., Coly A., Analusis, 28, 699 (2000)
[66.] Coly A., Aaron J.J., Talanta, 46, 815 (1998)
[67.] Ramanathan K., Danielson B., Biosensors Bioelectron., 16, 417 (2001)
392
Rozdział 17
Rozdział 17
[68.] Svitel J., Miertus S., Environ. Sci. Technol., 32, 828 (1998)
[69.] Martinez-Barrachina S., Alonso J., Matia L., Prataz R., del Valle M., Anal.Chem., 71, 3684 (1999)
[70.] Patel R., Patel K.S., Talanta, 48, (1999) 923
[71.] Abdel-Hamid I., Ivnitski D., Atanasov P., Wilkins E., Anal.Chim.Acta, 399, 99 (1999)
[72.] Ivnitski D., Abdel-Hamid I., Atanasov P., Wilkins E., Biosensors Bioelectron., 14, 599 (1999)
[73.] Yu H., Anal.Chim.Acta, 376(1), 77 (1998)
[74.] Han T.S., Sasaki S., Yano K., Ikebukuro K., Atsushi K., Nagamune T., Karube I., Anal Lett., 36,
539 (2003).
[75.] Keller O.C., Buffle J., Anal.Chem., 72, 943 (2000)
[76.] Keller O.C., Buffle J., Anal.Chem., 72, 936 (2000)
[77.] Zhou F., Aronson J.T., Ruegnitz M.X., Anal.Chem., 69, 728 (1997)
[78.] Fernandez-Bobes C., Fernandez-Abedul M.T., Costa-Garcia A., Electroanalysis, 10, 701 (1998)
[79.] Ivaska A., Kubiak W.W., Talanta, 44, 713 (1997)
[80.] de Silva C.L., Masini J.C., Fresenius J.Anal.Chem., 367, 284 (2000)
[81.] Crespi A.R., Forteza R., Cerda V., Lab. Robot. Autom., 7, 245 (1996)
[82.] Alpizar J., Crespi A., Cladera A., Forteza R., Cerda V., Electroanalysis, 8, 1051 (1996)
[83.] Van Staden J.F., Stefan R.I., Birghila S., Talanta, 52, 3 (2000)
[84.] Zagatto E.A.G., Vicente S., Oliveira C.C., Sartini R.P., Lima J.L.F.C., J. Flow Inject.Anal., 15,
226 (1998)
[85.] Van Staden J.F., Botha A., Talanta, 49, 1099 (1999)
[86.] Van Staden J.F., Taljaard R.E., Anal.Chim.Acta, 323, 75 (1996)
[87.] Taljaard R.E., Van Staden J.F., Anal.Chim.Acta, 366, 177 (1998)
[88.] de Armas G., Cladera A., Becerra E., Estela J.M., Cerda V., Talanta, 52, 77 (2000)
[89.] Aggarwal G.S., Patel K.S., Fresenius J.Anal.Chem., 362, 571 (1998)
[90.] Coo L. Belmonte C.J., Talanta, 58, 1063 (2002)
[91.] Oms M.T., Cerda A., Cerda V., Anal.Chim.Acta, 315, 321 (1995)
[92.] Van Staden J.F., Van der Merwe T.A., Microchim. Acta, 129, 33 (1998)
[93.] Munoz A., Mas F., Estela J.M., Cerda V., Anal.Chim.Acta, 350, 21 (1997)
[94.] Van Staden J.F., Taljaard R.E., Microchim.Acta, 128, 223 (1998)
[95.] Galhardo C.X., Masimi J.C., Anal.Chim.Acta, 417, 191 (2000)
[96.] Lapa R.A.S., Lima J.L.F.C., Pinto I.V.O.S., J.Braz.Chem.Soc., 11, 170 (2000)
[97.] Van Staden J.F., Botha A., Anal.Chim.Acta, 403, 279 (2000)
[98.] Recalde-Ruiz D.L., Andres-Garcia E. Diaz-Garcia M.E., Anal.Lett., 33, 1603 (2000)
[99.] Kamiavisdar A. Patel R.M., Microchim.Acta, 140, 119 (2002)
[100.] Miro M., Cladera A., Estela J.M., Cerda V., Analyst, 125, 943 (2000)
[101.] Van Staden J.F., Taljaard R.E., Anal.Chim.Acta, 344, 281 (1997)
[102.] Oms M.T., Cerda A., Cladera A., Cerda V., Forteza R., Anal.Chim.Acta, 318, 251 (1996)
[103.] Oms M.T., Cerda A., Cerda V., Electroanalysis, 8, 387 (1996)
[104.] Rama M.J.R., Medina A.R., Diaz A.M., Microchim. Acta, 141, 143 (2003)
[105.] Lapa R., Lima J.L.F.C., Pintaro I.V.O.S., Int.J.Environ.Anal.Chem., 76, 69 (2000)
[106.] Vogt F., Tacke M., Jakusch M., Mizaikoff B., Anal.Chim.Acta, 422(2), 187 (2000)
[107.] Luo Y., Al-Othman R., Ruzicka J., Christian G.D., Analyst, 121, 601 (1996)
[108.] Cladera A., Miro M., Estela J.M., Cerda V., Anal.Chim.Acta, 421, 155 (2000)
[109.] Brett C.M.A., Pure and Applied Chem., 73, 1969 (2001)
[110.] Brainina K.Z., Malakhova N.A., Stojko N.Y., Fresenius J.Anal.Chem., 368, 307 (2000)
[111.] Brett C.M.A., Brett A.M.O., Tugulea L., Electroanalysis, 8, 639 (1996)
[112.] Fungaro D.A., Brett C.M.A., Anal.Chim.Acta, 385, 257 (1999)
[113.] Turyan Y.I., Strochkova E.M., Kuselman I., Shenhar A., Fresenius J.Anal. Chem., 354, 410 (1996)
[114.] Brett C.M.A., Brett A.M.O., Tugulea L., Anal.Chim.Acta, 322, 151 (1996)
[115.] Brett C.M.A., Fungaro D.A., J. Braz. Chem. Soc., 11, 298 (2000)
393
Rozdział 17
Rozdział 17
[116.] Brett C.M.A., Brett A.M.O., Matysik F.M., Matysik S., Kumbhat S., Talanta, 43, 2015 (1996)
[117.] Brett C.M.C., Fungaro D.A., Morgado J.M., Gil M.H., J.Electroanal. Chem., 468, 26 (1999)
[118.] Fungaro D.A., Bretta C.M.A., Quimica Nova, 23, 805 (2000)
[119.] Brett C.M.A., Fungaro D.A., Talanta, 50, 1223 (2000)
[120.] Brett C.M.A., Brett A.M.O., Mitoseriu L.C., Electroanalysis, 7, 225 (1995).
[121.] Karolczak M., Dreiling R., Adams R.N., Felice L.J., Kissinger P.T., Anal. Lett., 9, 783 (1976).
[122.] Burguera M., Burguera J.L., Anal.Chim.Acta 366, 63 (1998)
[123.] Pyrzyńska K., Trojanowicz M., Cri.Rev.Anal.Chem. 29, 313 (1999)
[124.] Yan X.P., Sperling M., Welz B., Anal.Chem., 71, 4353 (1999)
[125.] Dams R.F.J., Goosseus J., Moens, Mikrochim.Acta 119, 277 (1995)
[126.] Rodushkin I., Ruth T., Klockare D., J.Anal.Atom.Spectrom. 13, 159 (1998)
[127.] Grotti M., Leardi R., Genecco C., Fracheb R., Spectrochim.Acta Part B 54, 845, (1999)
[128.] JWang J.H., Hansen E.H., Gammelgaard B., Talanta 54, 117 (2001).
[129.] Fang Z.L., Flow Injection Separation and Preconcentration, VCH Publishers Inc., New York,
1993
[130.] Hansen E.H., Wang J., Anal.Chim.Acta 467, 3 (2002)
[131.] Burguera J.L., Burguera M., Spectrochim.Acta Part B 56, 1801 (2001)
[132.] Alonso E.V., de Torres A.G., Cano Pavòn J.M., Talanta 55, 219 (2001)
[133.] Yan X.P., Jiang Y., Trends Anal.Chem. 20, 552 (2001)
[134.] Van Staden J.F, Hattingh C.J., Anal.Chim.Acta 308, 214 (1995)
[135.] Fang Z.L., Flow Injection Atomic Absorption Spectrometry, Wiley, New York, 1995
[136.] Sanz-Medel A. (Ed.) Flow Analysis with Atomic Spectrometric Detectors, Elsevier, Amsterdam,
1999.
[137.] Hill S.J., Chenery S., Dwason J.B., Fisher A., Price W.J., Smith C.M.M., Sutton K.L., Tyson J.F.,
J.Anal.Atom.Spectrom., 15, 763 (2000)
[138.] Evans E.H., Dawson J.B., Fisher A., Hill S.J., Price W.J., Smith C.M.M., Sutton K.L., Tyson J.F.,
J.Anal.Atom.Spectrom., 16, 672 (2001)
[139.] Evans E.H., Dawson J.B., Fisher A., Price W.J., Smith C.M.M., Tyson J.F., J.Anal.Atom.
Spectrom., 17, 622 (2002)
[140.] Pyrzyńska K., Martinez Calatayud J., Garcia Mateo J., Chem.Anal. (Warsaw) 46, 539 (2001)
[141.] K.Kilian K., Pyrzyńska K., Anal.Sci. 18, 571 (2002).
[142.] LÄ…sztity A., Kelko-Lévari A., Zih-Perényi K., Varga I., Talanta 59, 393 (2003
[143.] Akama Y., Yamada K., Itoh O., Anal.Chim.Acta 485, 19 (2003)
[144.] Kilian K., Pyrzyńska K., Fresenius J.Anal.Chem. 371, 1076 (2001)
[145.] Kumar M., Rathore D.P., Singh A.K., Fresenius J.Anal.Chem. 370, 377 (2001)
[146.] Das A.K., de la Guardia M., Cervera M.L., Talanta 55, 1 (2001)
[147.] Kilian K., Pyrzyńska K., Chem.Anal. (Warsaw) 47, 439 (2002)
[148.] Y.Ye Y., Ali A., Yin X., Talanta, 57, 945 (2002)
[149.] Ali A., Yin X., Shen H., Ye Y., Gu X., Anal.Chim.Acta 392, 283 (1999)
[150.] Kilian K., Pyrzyńska K., Anal.Sci. 18, 571 (2002)
[151.] Yerba M.C., Carro N., Enriquez M.F., Moreno-Cid A., Garcia A., Analyst 126, 933 (2001)
[152.] Yerba M.C., Garcia A., Carro N., Moreno-Cid A., Talanta 56, 777 (2002)
[153.] Wang J.H., Hansen E.H., J.Anal.Atom.Spectrom. 16, 1349 (2001)
[154.] Burguera J.L., Burguera M., Rondon C.R., Anal.Chim.Acta 366, 295 (1998)
[155.] Fang Z.L., Xu S.K., Dong L.P., Li W.Q., Talanta 4, 2165 (1994)
[156.] Liawruangrath S., Som-aum W., Thowshend A., Talanta 58, 1177 (2002)
[157.] Ivanova E., Van Mol W., Adams F., Spectrochim.Acta Part B 53, 1041 (1998)
[158.] K.Benkhedda, H.G.Infante, E.Ivanova, F.Adams, J.Anal.Atom.Spectrom. 15, 429 (2000)
[159.] Yan X.P., Hendry M.J., Kerrich R., Anal.Chem. 72, 1879 (2000)
394
Rozdział 17
Rozdział 17
[160.] Benkhedda K., Infante H.G., Ivanova E., Adams F., Fresenius J.Anal.Chem., 368, 288 (2000)
[161.] Salonia J.A., Wuilloud R.G., GÄ…squez J.A., Olsina R.A., Martinez L.D., Fresenius J.Anal. Chem.
367, 653 (2000)
[162.] Benkhedda K., Infante H.G., Ivanova E., Adams F., J.Anal.Atom.Spectrom. 15, 1349 (2000)
[163.] Ruzicka J., Analyst 125, 1053 (2000)
[164.] Wu C.H., Scampavia L., Ruzicka J., Zamost B., Analyst 126, 291 (2001)
[165.] Wang J., Hansen E.H., Anal.Chim.Acta 435, 331 (2001)
[166.] Wang J., Hansen E.H., J.Anal.Atom.Spectrom. 16, 1349 (2001)
[167.] Wang J., Hansen E.H., Anal.ChimActa 424, 223 (2000)
[168.] Wang J., Hansen E.H., Trends Anal.Chem. 22, 225 (2003)
[169.] Miro M., Jończyk S., Wang J., Hansen E.H., J.Anal.Atom.Spectrom. 18, 89 (2003)
[170.] Tecator Application Notes opublikowane w latach 1990-92
[171.] Van der Schoot B.H., Jeanneret S., van der Berg A., ad de Rooij N.F., Anal. Methods Instrum., 1,
35 (1993)
[172.] Liu S., Dasgupta P.K., Anal. Chim. Acta, 268, 1 (1992)
[173.] Lichtenberg J., de Rooij N.F., Verpoorte E., Talanta, 56, 233 (2002)
[174.] Manginell R.P., Frye-Mason G.C., Kottenstette R.J., Lewis P.R., Wong C.C., Proc. Solid-State
Sensor Workshop, Hilton Head Island, 2000, 179
[175.] Kutter J.P., Ramsey R.S., Jacobson S.C., Ramsey J.M., J.Microcolumn Sep., 10, 313 (1998)
[176.] Verporte E.M.J., van der Schoot B.H., Jeanneret S., Manz A., Widmer H.M., de Rooij N.F., J.
Micromech.Microeng., 4, 246 (1994)
[177.] Doku G.N., Haswell S.J., Anal. Chim.Acta, 382, 1 (1999)
[178.] Daridon A., Fascio V., Lichtenberg J., Wütrich R., Langen H., Verporte E., de Rooij N.F.,
Fresenius J.Anal.Chem., 371, 261 (2001)
[179.] Wang J., Krause R., Block K., Musameh M., Mulchandami A., Schöning M.J., Biosensor
Bioelectron., 18, 255 (2003)
[180.] Wang J., Chatrathi M.P., Tian B., Anal.Chim.Acta, 416, 9 (2000)
[181.] Wang J., Chatrathi M.P., Mulchandami A., Chew W., Anal Chem., 73, 1804 (2001)
[182.] Wang J., Escarpa A., Pumera M., Feldman P., J Chromatogr. A, 952, 249 (2002)
395