Analiza liści i analiza statystyczna. Doba Praktyka Laboratoryjna w chemii analitycznej

Cel

Oznaczenie zawartości pierwiastków głównych i śladowych w materiale roślinnym za pomocą metody ICP-OES. Porównanie statystyczne zawartości Fe i Zn uzyskanych dla materiału roślinnego badanego w dwóch zespołach.

Przygotowanie próbek

Gotowy, rozdrobniony materiał roślinny (liście klonu pobrane dnia 30.09.2000) odważono na wadze analitycznej (masy próbek poniżej) z dokładnością do 0,0001 g, tak, aby uzyskać 3 razy po ok. 1 g próbki do analizy. Przeniesiono materiał do zlewki i dodano 10 cm³ kwasu azotowego (V). W czwartej zlewce przygotowano próbę ślepą (kwas i woda destylowana), którą traktowano tak samo, jak próbki z analitami. Zlewki, przykryte szkiełkami zegarkowymi, ogrzewano na łaźni piaskowej, aż do całkowitego zaniku wydzielanych par tlenków azotu. Po odparowaniu do połowy objętości i ostudzeniu dodano małą pipetą ok. 3 cm³ nadtlenku wodoru i ponownie ogrzewano roztwór na łaźni do odbarwienia.

Po ostudzeniu roztwory przeniesiono ilościowo do kolb o poj. 50 cm³. Uzupełniono je wodą destylowaną do kreski. Po wymieszaniu zawartość kolb przesączono do podpisanych pojemników polietylenowych i pozostawiono w lodówce do czasu analizy na aparacie ICP-OES.

Masy próbek

Próbka 1 0,9832 g (na szkiełku pozostało 0,0019 g) = 0,9813 g do analizy,

Próbka 2 0,9999 g (na szkiełku pozostało <0,0001 g) = 0,9999 g do analizy,

Próbka 3 1,0301 g (na szkiełku pozostało 0,0002 g) = 1,0299 g do analizy.

Pomiar

Oznaczenie pierwiastków przeprowadzono przy wykorzystaniu spektrometru sekwencyjnego z użyciem indukcyjnie sprzężonej plazmy marki Jobin Yvon JY38S. Próbka podawano przy użyciu pompki perystaltycznej (1,0 ml/min) do nebulizera w komorze mgielnej. Przepływ gazu plazmowego 13 l/min, gazu chłodzącego 0,2 l/min. Rejestracja promieniowania odbywa się fotoelektrycznie przy wysokości obserwacji 12 mm nad cewką indukcyjną. W oparciu o intensywności linii dla wzorców pierwiastków (0; 0,5; 1; 2; 5 ppm) sporządzono krzywe wzorcowe, które posłużyły do wyznaczenia zawartości danego pierwiastka w próbce. Uzyskane stężenia przeliczono na masę odnosząc je do 50 cm³ roztworu, a następnie korzystając z mas próbek przedstawiono je w formie zawartości w suchej masie próbki [w mg/kg]. Dla każdej z próbek od otrzymanego wyniku odjęto wynik próby ślepej. Wyniki podano wraz z odchyleniem standardowym oraz względnym odchyleniem standardowym. Porównano otrzymane wartości średnie dla Fe i Zn z wynikami innych grup korzystając z testu Studenta na poziomie istotności α=0,05.

Wyniki

Analiza na zawartość pierwiastków w próbkach liści

Poniżej zamieszczono tabele z wartościami intensywności emisji dla wody dejonizowanej wykorzystywanej w doświadczeniu, dla roztworów wykonanych do wyznaczenia krzywej wzorcowej jak również intensywności zmierzone dla poszczególnych pierwiastków w roztworzonych próbkach liści.

	Intensywności emisji
	woda dejonizowana
długość fali [nm]	pierwiastek
213,9	Zn
221,6	Ni
233,5	Ba
259,4	Mn
259,9	Fe
280,3	Mg (jon)
285,2	Mg (at)
317,9	Ca
324,8	Cu

Tabela 1 Wyniki pomiarów emisji w metodzie ICP-OES dla badanych pierwiastków i dla wody dejonizowanej.

Pierwiastek	SL^1	IM1^2	IM2	IM3
Zn	85	1670	1525	1812
Ni	109	265	215	225
Ba	83	11424	11295	12224
Mn	68	47352	5044	44810
Fe	1609	27332	23124	28644
Mg (jon)	4055	471927	489843	521403
Mg (at)	449	55693	55108	52204
Ca	318	86438	91853	88683
Cu	161	1278	1434	1355

Tabela 2 Wyniki pomiarów intensywności emisji dla próbek (3 próbki badane + ślepa) pod kątem zawartości analizowanych pierwiastków. Intensywności odczytano dla tych samych długości fal, co we wzorcu.

Cynk

Równanie krzywej wzorcowej dla cynku:

Intensywnosc = 792, 1 × C_cynku[ppm]+29, 95;  r² = 0, 9997

Na tej podstawie obliczono stężenie dla próbek:

Próbka ślepa:

85 = 792, 1 × C + 29, 95

85 − 29, 95 = 792, 1 × C

$$\frac{85 - 29,95}{792,1} = C$$

$$C = 0,06950\ ppm = 0,06950\ \frac{\text{μg}}{\text{cm}^{3}}$$

Podobnie postąpiono z pozostałymi próbkami oraz innymi pierwiastkami.

Wyniki obliczeń dla cynku

Próbka	Stężenie[ $\frac{\mathbf{\text{μg}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}$]	Masa w 50 cm^3 [µg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [µg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
ślepa	0,06950	3,475	-	-
1	2,070	103,5	100,0	101,9
2	1,887	94,35	90,88	90,88
3	2,250	112,5	109,0	105,8

Tabela 3 Wyniki oznaczenia zawartości cynku w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 99,52 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 7,738 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 7,775 %

Dla cynku dodatkowo przeprowadzono porównawczą analizę statystyczną
z użyciem wyników drugiej grupy, która również badała liście klonu.

grupa	średnie stężenie $\overline{\mathbf{x}}$ [mg/kg]	odchylenie (s) [mg/kg]
nasza grupa	99,52	7,738
grupa druga	31,70	4,500

Tabela 4 Porównanie wyników oznaczania stężenia cynku w próbkach liści klonu.

1. Test Snedecora (porównanie odchyleń)

$$F_{x} = \frac{s_{1}^{2}}{s_{2}^{2}} = \frac{{7,738}^{2}}{{4,500}^{2}} = \frac{59,88}{20,25} = 2,957$$

F (odczytane z tabeli testu Snedecora, dla poziomu istotnosci 0,05) = 19, 00

F_x < F,  co spelnia warunek testu Snedecora.

1. Test Studenta (porównanie wartości średnich)

s_1, 2 = 5, 168; t_x = 16, 08

t (odczytane z tabeli testu studenta, dla poziomu istotnosci 0,05) = 2, 776

t_x > t,  co oznacza,  ze roznica miedzy wartosciami srednimi jest istotna.

Porównanie dwóch wartości średnich pokazuje dużą, istotną różnice między wynikami, co sugeruje wyraźnie, iż liście tego samego gatunku musiały pochodzić z różnych miejsc bądź były zbierane w innych okresach, aby rozbieżność wyników oznaczeń stężenia cynku była tak znacząca.

Nikiel

Równanie krzywej wzorcowej dla niklu:

Intensywnosc = 2915 × C_niklu[ppm]+218, 6;  r² = 0, 9992

Na tej podstawie obliczono stężenie dla próbek.

Wyniki obliczeń dla niklu

Próbka	Stężenie[ $\frac{\text{μg}}{\text{cm}^{3}}$]	Masa w 50 cm^3 [µg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [µg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
ślepa	< zakresu krzywej	-	-	-
1	0,01592	0,7960	0,7960	0,8112
2	< zakresu krzywej	-	-	-
3	0,002196	0,1098	0,1098	0,1066

Tabela 5 Wyniki oznaczenia zawartości niklu w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 0,4589 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 0,4982 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 108,5 %

Dla niklu dodatkowo wyznaczono granicę oznaczalności.

Wyniki pomiarów tła:

106	109	93	74	109	110	127	119	94	112
Odchylenie standardowe = 14,95

Tabela 6 Wyniki pomiarów tła oraz ich odchylenie standardowe przy pomiarach niklu.

Granica oznaczalności = $\frac{6 \times s\ (dla\ 10\ pomiarow\ tla)}{\text{wsp.\ kierunkowy\ krzywej\ wzorcowej}} = \frac{6 \times 14,95}{2915} = 0,4167\ ppm$

Wyniki próbek 1 i 3 znajdują się poniżej progu oznaczalności, stąd nie można ich traktować, jako wiarygodne.

Bar

Równanie krzywej wzorcowej dla baru:

Intensywnosc = 9031 × C_baru[ppm]+822, 3;  r² = 0, 9992

Na tej podstawie obliczono stężenie dla próbek.

Wyniki obliczeń dla baru

Próbka	Stężenie[ $\frac{\mathbf{\text{μg}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}$]	Masa w 50 cm^3 [µg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [µg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
ślepa	< zakresu krzywej	-	-	-
1	1,174	58,70	58,70	59,82
2	1,160	58,00	58,00	58,00
3	1,263	63,15	63,15	61,31

Tabela 7 Wyniki oznaczenia zawartości baru w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 59,71 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 1,658 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 2,777 %

Magnez (linia jonowa)

Równanie krzywej wzorcowej dla magnezu (linia jonowa):

Intensywnosc = 5563 × C_{magnezu − jon}[ppm]+279, 1;  r² = 0, 9998

Na tej podstawie obliczono stężenie dla próbek.

Wyniki obliczeń dla magnezu (linia jonowa)

Próbka	Stężenie[ $\frac{\mathbf{\text{μg}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}$]	Masa w 50 cm^3 [mg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [mg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
ślepa	0,6787	0,0339	-	-
1	84,78	4,239	4,205	4285
2	88,00	4,400	4,366	4449
3	93,68	4,684	4,650	4738

Tabela 8 Wyniki oznaczenia zawartości magnezu (linia atomowa) w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 4491 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 229,4 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 5,109 %

Magnez (linia atomowa)

Równanie krzywej wzorcowej dla magnezu (linia atomowa):

Intensywnosc = 633, 01 × C_{magnezu − atom}[ppm]+27, 889;  r² = 0, 9981

Na tej podstawie obliczono stężenie dla próbek.

Wyniki obliczeń dla magnezu (linia atomowa)

Próbka	Stężenie[ $\frac{\mathbf{\text{μg}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}$]	Masa w 50 cm^3 [mg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [mg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
ślepa	0,6653	0,0333	-	-
1	87,94	4,397	4,364	4364
2	87,01	4,351	4,317	4318
3	82,43	4,121	4,088	4088

Tabela 9 Wyniki oznaczenia zawartości wapnia w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 4257 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 147,6 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 3,467 %

Wapń

Równanie krzywej wzorcowej dla wapnia:

Intensywnosc = 148, 64 × C_{magnezu − jon}[ppm]+13, 313;  r² = 0, 9968

Na tej podstawie obliczono stężenie dla próbek.

Wyniki obliczeń dla wapnia

Próbka	Stężenie[ $\frac{\mathbf{\text{μg}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}$]	Masa w 50 cm^3 [mg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na próbe ślepą [mg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
ślepa	2,050	0,1025	-	-
1	581,4	29,07	28,97	28128
2	617,9	30,89	30,79	29896
3	596,5	29,83	29,72	28861

Tabela 10 Wyniki oznaczenia zawartości magnezu (linia jonowa) w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 28962 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 888,6 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 3,068 %

Mangan

Równanie krzywej wzorcowej dla manganu:

Intensywnosc = 4880 × C_Mn[ppm] + 165 

r² = 0, 9966

Wyniki obliczeń dla manganu

Próbka	Stężenie[ $\frac{\mathbf{\text{μg}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}$]	Masa w 50 cm^3 [µg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [µg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
Ślepa	0,04775	2,387	-	-
1	9,737	486,9	484,5	493,7
2	1,067	53,37	50,98	50,99
3	9,216	460,8	458,4	445,1

Tabela 11 Wyniki oznaczenia zawartości manganu w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 469,4 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 34,36 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 7,320 %

Wynik pomiaru dla próbki nr 2 jest odbiegający od pozostałych wyników, w związku z czym został odrzucony i nie był brany pod uwagę w dalszych obliczeniach.

Żelazo

Równanie krzywej wzorcowej dla żelaza:

Intensywnosc = 8026, 8 × C_Fe[ppm] + 130, 2 

r² = 0, 9916

Wyniki obliczeń dla żelaza

Próbka	Stężenie[ $\frac{\text{μg}}{\text{cm}^{3}}$]	Masa w 50 cm^3 [µg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [µg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
Ślepa	0,1842	9,210	-	-
1	3,388	169,4	160,2	163,3
2	2,864	143,2	134,0	134,0
3	3,552	177,6	168,4	163,5

Tabela 12 Wyniki oznaczenia zawartości żelaza w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 163,4 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 0,1630 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 0,1000 %

Wynik pomiaru dla próbki nr 2 jest odbiegający od pozostałych wyników, w związku z czym został odrzucony i nie był brany pod uwagę w dalszych obliczeniach.

Miedź

Równanie krzywej wzorcowej dla miedzi:

Intensywnosc = 5393, 7 × C_Fe[ppm] + 246, 87

r² = 0, 9981

Wyniki obliczeń dla miedzi:

Próbka	Stężenie[ $\frac{\text{μg}}{\text{cm}^{3}}$]	Masa w 50 cm^3 [µg]	Masa w 50 cm^3 po korekcie na probe ślepą [µg]	Zawartość w suchej masie próbki [mg/kg]
Ślepa	< zakresu krzywej	-	-	-
1	0,1911	9,553	9,553	9,735
2	0,2199	10,99	10,99	10,99
3	0,2053	10,26	10,26	9,969

Tabela 13 Wyniki oznaczenia zawartości miedzi w materiale roślinnym.

Średnia zawartość w suchej masie próbki ($\overline{x)}$ = 10,23 mg/kg

Odchylenie standardowe (s) = 0,6700 mg/kg

Względne odchylenie standardowe (RSD) = 6,550 %

Podsumowanie:

Pierwiastki	[mg/kg]
	X1
Ca	28128
Mg jon	4285
Mg at	4364
Ba	59,82
Cu
Fe
Mn
Ni	<LOD^3
Zn	101,9

Tabela 14 Całkowite zawartości pierwiastków w próbkach [mg/kg], średnie arytmetyczne wraz z odchyleniami standardowymi (X_śr±S), medianą (M_x) oraz rozstępy wyników (R).

---

1. SL – oznaczenie ślepej próby↩

2. IM1-3 – oznaczenie próbek 1-3↩

3. Poniżej granicy oznaczalności↩