Chromatografia.

1.Kolumny.

Najczęściej stosowanym materiałem w preparatyce kolumn do LC są rurki wykonane ze stali kwasoodpornej (niklowej lub tytanowej) o dobrze wypolerowanych ściankach wew., tak aby wyeliminować rysy powodujące tzw. Efekt przyścienny - czyli szybsze przenoszenie i rozmywanie pasma chromatograficznego.

Stosowanie kolumn „o nieskończonej średnicy” jest uzasadnione tym że wypełnienie w pobliżu ścianek kolumny jest zawsze mniej jednorodne niż w części środkowej.. Aby uzyskać max sprawność kolumny, należy zwrócić specjalną uwagę na metodę dozowania. Dozowanie powinno być dostatecznie szybkie i skierowane możliwie w środek wypełnienia kolumny a próbka powinna mieć skończoną objętość.

2.Detektory stosowane w CG.

Detektor - jest to urządzenie które ma za zadanie przetworzyć fizyczne lub chemiczne właściwości przepływającego przez niego gazu w sygnał elektryczny.

Detektory stosowane w CG można podzielić na kilka sposobów:

a)ze względu na zakres stosowalności:

-uniwersalne - nadające się do oznaczania wielu substancji,

-selektywne - nadające się do oznaczania określonej grupy związków,

-specyficzne - reagujące wyłącznie na bardzo wąską grupę substancji

b)ze względu na rodzaj sygnału wychodzącego z detektora:

-całkujące - rejestrujące sumaryczne zmiany masy analitu w gazie nośnym opuszczającym kolumnę chromatograficzną,

-różniczkujące - reagujące na chwilowe zmiany stężenia analitów w gazie nośnym

c)ze względu na potencjalny wpływ na zmiany w składzie próbki:

-destrukcyjne

-niedestrukcyjne

d)ze względu na odpowiedź detektora w stosunku do stężenia lub masy:

-detektor masowy

-detektor stężeniowy

Najważniejsze parametry charakteryzujące każdy detektor to:

-czułość - charakteryzowana przez wzrost sygnału detektora na jednostkę wzrostu masy lub stężenia substancji testowej,

-poziom szumów oraz granica oznaczalności detektora charakteryzowane stosunkiem wielkości sygnału do szumu.

-liniowy zakres dynamiczny detektora - zakres stężeń oznaczanych substancji, dla których otrzymuje się liniową odpowiedz detektora.

3. HS - technika analizy fazy nadpowierzchniowej.

Technika HS - GC jest stosowana przede wszystkim do analizy śladowej w próbkach o skomplikowanych matrycach. Sama technika HS jest bowiem typowym sposobem wzbogacania próbki przez właściwą analizą, co ma na celu zwiększenie stężenia lub masy oznaczanego składnika w próbce zmodyfikowanej oraz uproszczenia matrycy przez zastąpienie matrycy ciekłej gazową. Analizę fazy nadpowierzchniowej należy rozumieć jako sposób przygotowania próbek do właściwej analizy polegający na przeniesieniu oznaczonych składników z próbki pierwotnej - fazy skondensowanej, najczęściej ciekłej - do fazy gazowej, która jest poddawana analizie. Stosując zatem procedurę analityczną łączącą HS z odpowiednią techniką separacji i oznaczeń, wnioskujemy o składzie próbki pierwotnej na podstawie wyników analizy fazy gazowej pozostającej z nią w równowadze. Analizy techniką HS - GC są na ogół wykonywane w laboratorium. Próbka musi być zatem uprzednio pobrana i przechowana do momentu przeniesienia jej w części lub całości do aparatury HS. Próbki ciekłe poddawane analizie powinny być homogeniczne. Mogą zawierać zanieczyszczenia stałe. Należy zwracać uwagę na konieczność przechowywania próbek w naczyniu wypełnionym możliwie w całości i bezpośrednio po pobraniu próbki szczelnie zamkniętym. Próbniki powinny mieć zamkniete umożliwiające przenikanie oznaczanych składników na zewnątrz próbnika. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy próbnik nie jest wypełniony w całości cieczą.

Statyczna metoda HS - jest to metoda najczęściej używana w połączeniu z GC. Należy do metod równowagowych. Polega na określeniu określonej objętości V_L fazy ciekłej w naczynku HS, wprowadzeniu do niego pożądanej matrycy gazowej i wytworzeniu określonej objetości V_G fazy gazowej, przez doprowadzenie do ustalenia się równowagi międzyfazowej w stałej i kontrolowanej temp.. Fazę gazową pobiera się następnie do analizy.

Dynamiczne metody HS - metody te stanowią najbardziej prężnie rozwijającą się dziedzinę aplikacji CG w ostatnich latach. Obejmują one wiele wariantów związanych bezpośrednio z wytwarzaniem fazy nadpowierzchniowej, a ponadto włącza się do nich zagadnienia dotyczące sposobu wykorzystania wytworzonej fazy gazowej.

Do izolacji związków organicznych z różnych matryc, w połączeniu z wymienionymi technikami chromatograficznymi, powszechnie są stosowane:

-ekstrakcja rozpuszczalnikiem - SE

-analiza fazy nadpowierzchniowej - HS

-ekstrakcja gazem - P

-ekstrakcja do fazy stałej - SPE

-ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym - SFC

THM - y

Chlorowanie wody pitnej jest najpowszechniej stosowaną metodą dezynfekcji. Oprócz wielu niewątpliwych zalet metoda ta ma jednak istotną wadę - w obecności tzw. Prekursorów w procesie chlorowania wody powstają trihalogenometany (THM), pośród których przeważa chloroform. Związek ren ma udowodnione działanie rakotwórcze. Pozostałe THM -y są podejrzewane o podobne działanie. Trihalogenometany powstają z prekursorów w reakcji haloformowej. Oprócz THM w procesie chlorowania wody powstają w mniejszych ilościach również inne związki chlorowcoorganiczne. Dodatkowym zagrożeniem jest powszechnie stosowanie chlorowcowych węglowodorów w przemyśle, gdzie głównie są używane jako rozpuszczalniki.

Istnieje wiele metod umożliwiających oznaczanie na tak niskim poziomie lotnych związków chlorowcoorganicznych w wodach. W większości z nich wykorzystuje się izolację i wzbogacanie lotnych analitów przed właściwą analizą. Najczęściej stosowanymi metodami są:

-wzbogacanie na stałych sorbentach (estrakcja do fazy stałej)

-ekstrakcja cieczą

-ekstrakcja gazem

W przypadku analizy próbek wód pitnych doskonałą alternatywą do omawianych metod jest metoda bezpośredniego nastrzyku próbki wody (DAI) do kolumny kapilarnej, z zastosowaniem detektora wychwytu elektronów. Jest to metoda szybka , łatwa i prosta do automatyzacji, a oprócz tego zapewnia otrzymanie bardzo rzetelnych wyników ilościowych.

3. Oznaczanie pestycydów.

Do pestycydów należą liczne i zróżnicowane strukturalnie związki chemiczne, np. związki chlorowcoorganiczne, fosforoorganiczne, triazyny, pochodne kwasu karbaminowego, fenolu.

W związku z dużą produkcją i trwałością pestycydów można stwierdzić ich obecność we wszystkich rodzajach wód i gleb. Ilość pestycydów w wodach zależy od intensywności stosowania pestycydów, rodzaju upraw, pory roku, intensywności opadów oraz przepływu cieków wodnych.

Rozwój metod chromatograficznych, zwłaszcza CG stworzył możliwość pełnej analizy pozostałości pestycydów w środowisku.

Przy oznaczaniu pestycydów w wodzie i glebie procedura przygotowania próbek do analizy uwzględnia wzbogacenie analitu oraz całkowite lub częściowe usunięcie składników matrycy. Przed przystąpieniem do analizy próbki wody najczęściej filtruje się, a próbki gleby poddaje homogenizacji.

Estrakcja ciecz - ciecz polega na wykorzystaniu korzystnego współczynnika podzialu analizowanych związków między organiczny rozpuszczalnik, którym ekstrahuje się anality z fazą wodną. Do ekstrakcji stosuje się rozpuszczalniki organiczne nie mieszajace się z wodą, w których anality rozpuszczają się znacznie lepiej niż w wodzie.

Ekstrakt otrzymany w trakcie procesu izolacji ciecz - ciecz wymaga najczęściej dodatkowej obróbki w celu usuniecia z niego wody i przeszkadzajacych związków organicznych, wydzielania interesujących frakcji, odparowania nadmiaru rozpuszczalnika lub też zamiany rozpuszczalnika

Metoda ta charakteryzuje się wieloma zaletami:

-umozliwia izolację i wzbogacania na złożu sorbentu lotnych i nielotnych związków organicznych

-woda i związki nieorganiczne są zatrzymywane w minimalnym stopniu oraz łatwo się je usuwa w procesie płukania i suszenia złoża

-wartości współczynników podziałów związków miedzy sorbentem a wodą dążą do nieskończonosci, jeśli sorbenty są dobrze dobrane

-zwilzalnośc sorbentu wodą umozliwia zadowalający transport analitu w kierunku pow. sorbentu

-sorbenty nie reagują chemicznie z wzbogacanymi analitami i dają się łatwo regenerować

-nie trzeba stosować duzych objetości drogich i toksycznych rozpuszczalników organicznych

-anality można transportować i magazynować

-proces wzbogacania jest prosty i szybki

4. Oznaczanie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA)

Stanowią wszechobecną, bogata rodzinę związków organicznych. Są naturalnym składnikiem ropy naftowej i jej produktów, powstaja w procesach biosyntezy, lecz w dużej mierze sa też skutkiem działalnosci człowieka. WWA sa emitowane do atmosfery w postaci par i tam w większości kondensuja na cząstkach pyłu. Dla zdrowia człowieka jest znaczące że duza część WWA jest zaadsorbowana na pyłach o średnicy poniżej 3 um. Pył o takie jgranulacji opada bardzo wolno, nie jest skutecznie usuwany przez deszcz, w wyniku czego WWA długo utrzymuje się w atmosferze i śa wdychane przez człowieka.

WWA powstaja w procesach spalania materii organicznej przebiegajacych z niedostateczna ilością powietrza, a więc głównym źródłem ich emisji do atmosfery są: przemysł koksowniczy i hutniczy, elektrociepłownie, zaklady produkcji gumy. Źródłem WWA są też silniki samochodowe. Liczne WWA sa znane od dawna jako niebezpieczne związki o dzialaniu rakotworczym.

WWA są ciałami krystalicznymi o wysokiej temp. Topnienia i niskiej prężności pary. Rozpuszczaja się dobrze w rozpuszczalnikach organicznych. W wodzie rozpuszczają się bardzo słabo. W obecności światła i tlenu WWA ulegają reakcji fotochemicznej z utworzeniem w końcowym etapie dioli, chinonów i aldehydów.

WWA występują w środowisku na ogół w małym stężeniu, co czyni analizę tych związków trudną i czasochłonną.

a) pobieranie próbek

Pobieranie próbek powietrza polega na filtrowaniu znanej objetości powietrza przez filtry o okreslonej porowatosci, przeważnie 0,1 - 1 um. Czasami stosuje się również filtry o większej porowatości. Najczęściej sa stosowane filtry z włókna szklanego lub teflonu. Powietrze przechodząc przez filtry, niesie z sobą porcję WWA obecną w postaci pary oraz zaadsorbowaną na cząstkach zatrzymywanych przez filtry. Aby określić całkowita zawartość WWA w powietrzu, stosuje się na wylocie z filtra wkłady z pianki poliuretanowej.

b)wyizolowanie frakcji WWA

w przypadku analizy wody i ścieków izolacja WWA może być wykonywana przez zastosowanie:

-ekstrakcji ciecz - ciecz

-ekstrakcji na stałych sorbentach

-ekstrakcji płynem w stanie nadkrytycznym

-membran półprzepuszczalnych.

5. SPE - ekstrakcja do fazy stałej

W technice tej analizowaną ciekłą próbką przepuszcza się przez złoże sorbenta, najczęściej osadzonego na odpowiednim nośniku i umieszczonego w niewielkim pojemniku z tworzywa sztucznego. Zatrzymane związki są następnie uwalniane przez przepuszczenie przez złoże niewielkiej ilości rozpuszczalnika organicznego. Stosując odpowiednią kombinację rozpuszczalników, można oddzielic anality od interferentów.

6. SPME - mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej

Większość z przedstawionych problemów można rozwiązać przez zmianę geometrii sorbenta, polegającą na naniesieniu go na cienkie włókno szklane lub kwarcowe. Cylindryczny kształt zew. Powierzchni ułatwia wymiane masy podczas wzbogacania i uwalniania zatrzymanych związków oraz eliminuje kłopoty związane z zatykaniem złoża. SPME łączy w jednym etapie izolację i wzbogacanie analitów. Nie wymaga specjalnych urządzeń do desorpcji termicznej ani też modyfikacji chromatografu. Można stosować rózne rodzaje dozowników.

7. PT - technika wypłukiwania i wychwytywania.

Metoda ta składa się z dwóch operacji realizowanych jednocześnie:

Wymywanie - polega na przepłukiwaniu próbki wody o objętości 5- 10 cm³ umieszczonej w płuczce o specjalnej konstrukcji z prędkością około 10 -40 ml/min czystym, obojetnym gazem, pobieranym z butli. Operację wymywania prowadzi się przez kilka do kilkudziesięciu minut, zwykle w temp. Otoczenia dla związków lotnych lub w podwyższonej temp. Dla związków średnio i trudno lotnych.

Wychwytywanie - w którym wymywane z wody anality są zatrzymywane w pułapce, a gaz wymywający jest usuwany na zewnątrz. Jest to etap krytyczny dla całej procedury, ponieważ pułapka powinna zapewniać ilościowe wychwytywanie analitów z gazu płuczącego, a w następnej kolejności umożliwiać szybką i ilościową desorpcję tych zwiążków na czoło kolumny chromatograficznej.

V.Chromatografia.

Chromatografia - jest grupą metod analizy, w których podstawowym elementem jest rozdzielanie mieszanin jednorodnych substancji na składniki. Odbywa się to na podstawie podziału mieszaniny między fazę nieruchomą i ruchomą układu chromatograficznego.

Efektem rozdzielania chromatograficznego jest chromatograf, który może mieć postać układu plam lub wykresu odpowiednich krzywych. Ten wykres powstaje w wyniku rejestracji sygnałów, w funkcji czasu, detektora umieszczonego na końcu kolumny.

Fazą ruchomą może być gaz, ciecz lub substancja w stanie pośrednim między gazem a cieczą - w stanie nadkrytycznym. Jeśli fazą ruchomą jest gaz, to chromatografia nosi nazwę gazowej, gdy fazą ruchomą jest ciecz, wówczas chromatografia nazywa się cieczową. W przypadku substancji w stanie nadkrytycznym odpowiadający jej rodzaj chromatografii został nazwany chromatografią fluidalną.

Chromatograficzną fazą nieruchomą może być ciało stałe (absorbent) lub ciecz. Gdy faza nieruchoma umieszczona jest w kolumnie to chromatografia jest kolumnowa a jeśli w płaszczyźnie - planarna.

2. Klasyfikacja metod chromatograficznych.

a)klasyfikacja uwzględniająca stan skupienia fazy nieruchomej i ruchomej:

-cieczowa adsorpcyjna, gazowa adsorpcyjna, cieczowa podziałowa, gazowa podziałowa, fluidalna.

b)klasyfikacja wynikająca z natury zjawisk będących podstawą rozdziału chromatograficznego.

-chromatografia adsorpcyjna - rozdział mieszanin oparty jest na zjawisku adsorpcji składników mieszaniny na odpowiednio dobranej powierzchni fazy nieruchomej, zwanej adsorbentem.

-chromatografia podziałowa - rozdział oparty jest na ekstrakcji, tzn. na podziale składników mieszaniny między dwie fazy nie mieszające się, z których jedna - faza stacjonarna naniesiona jest na specjalny nośnik, a druga - faza ruchoma przepływa nad fazą stacjonarną.

-chromatografia jonowymienna - rozdział opiera się na reakcji wymiany jonowej między rozdzielanymi jonami, zawartymi w roztworze, a jonami związanymi z makrocząsteczką wymieniacza jonowego.

-chromatografia sitowa - rozdział oparty jest na efekcie sitowym, a głównym warunkiem jego przebiegu są różne wartości masy cząsteczkowej rozdzielanych związków, czyli wielkość cząsteczki, a także jej budowa przestrzenna.

3. Chromatografia gazowa.!

Wielkości charakterystyczne:

-całkowity czas retencji danego składnika t_R - jest to czas liczony od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się na chromatografie max. Danego piku, tzn. do pojawienia się na wyjściu kolumny max. Stężenia wymywanego związku.

-martwy czas retencji t_M - czas retencji gazu nie ulegającego adsorpcji (np.He).

-zredukowany czas retencji t'_R - czas retencji danego składnika, liczony od martwego czasu retencji.

-skorygowany czas retencji

t°_R = j t_R

j - współczynnik korekcyjny

-całkowita objętość retencji V_R - objętość gazu nośnego potrzebna do wymycia tego składnika, mierzona od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się na chromatogramie max. Danego piku:

V_R= F₀ t_R

F_o - objętościowa prędkość wypływu gazu nośnego z kolumny (cm³ /min)

-martwa objętość retencji V_M :

V_M= F₀ t_M

-zredukowana V'_R:

V'_R=F₀ t'_R

-skorygowana :

V°_R = j V_R

-współczynnik podziału K:

K= C_L/ C_G

C_L, C_G - stężenia substancji chromatograficznej

-współczynnik selektywności α_i,j

α_i,j = K_i/ K_j

Gaz nośny - jest fazą ruchomą. Wybierając gaz należy uwzględnić detektor, który będzie zastosowany oraz czystość gazu będącego do dyspozycji. Gaz nośny nie może zmieniać swych fizycznych i chemicznych cech przepływu przez chromatograf. Jako gaz nośny stosuje się najczęściej H, N, Ar, He. Czystość gazu nośnego wpływa na pracę detektora i na wypełnienia kolumn. Do regulacji i pomiaru przepływu gazu nośnego służą reduktory butlowe oraz zawory, manometry i przepływomierze.

Dozowniki - są częścią wprowadzającą próbkę w strumień gazu nośnego, który przenosi ją do kolumny. Temp. dozownika musi być odpowiednio wysoka - zwykle około 20C powyżej temp. wrzenia najwyżej wrzącego składnika próbki. Temp. nie może być jednak za wysoka, ponieważ mogło to by spowodować rozkład termiczny próbki.

Pirolityczna chromatografia gazowa - analizę wykonuje się przy zastosowaniu rozkładu próbki pirolitycznego.

Zbyt niska temp. dozownika może spowodować powolne odparowanie składników próbki, w wyniku czego próbka jest wprowadzana do kolumny przez długi czas. Wówczas piki są rozmyte a rozdzielanie chromatograficzne złe.

W każdym sposobie dozowania muszą być spełnione następujące warunki: wprowadzona do kolumny próbka musi mieć możliwie najmniejszą objętość,

Warunki w kolumnie nie mogą być zakłócone, ilość wprowadzonej substancji i sposób dozowania próbki muszą być powtarzalne z max dokładnością.

`Kolumny, wypełnianie kolumn

Rozróznia się następujące rodzaje kolumn:

-zwykłe analityczne, pakowane o średnicy wew. 2- 6 mm i dł. kilku metrów (1- 3m)

-mikropakowane o średnicy 0,8 - 1,2 mm i dł. do kilkunastu metrów,

-kapilarne o średnicy 0,2- 0,6 mm i długości kilku metrów,

-mikrokapilarne o średnicy poniżej o,1 mm i dł. do kilkudziesięciu metrów

Kolumny są wykonane z materiałów nieaktywnych chemicznie i katalitycznie w stosunku do wypełnień kolumn i chromatografowanych substancji - tzn. ze stali nierdzewnej, szkła rzadziej z miedzi lub Al. Kolumny kapilarne wytwarza się często z topionego kwarcu i pokrywa z zew. warstwą tworzywa lub Al., co im nadaje dużą wytrzymałość i trwałość mechaniczną. Kolumny analityczne mikropakowane i preparatywne są napełnione fazą stacjonarną w całej swej objętości. Natomiast kolumny kapilarne mają fazę stacjonarną osadzoną tylko na ściankach. Kolumny pakowane są wypełniane cząstkami adsorbentu lub nośnika z osadzoną na nim fazą ciekłą.

`Sprawność kolumn - jakość pakowanej kolumny charakteryzuje się sprawnością wyznaczaną wysokością równoważną półce teoretycznej WRPT. WRPT jest najmniejszą dł. odcinka kolumny, w której osiąga się stan równowagi między stężeniem substancji chromatografowanej w fazie ruchomej i nieruchomej. Im WRPT jest mniejsza tym kolumna ma więcej półek i jest sprawniejsza.

`Detektory

Detektor ma za zadanie przetworzyć stężenia substancji w fazie ruchomej w sygnały elektryczne. Reagują one na różne właściwości fizykochemiczne gazu nośnego i gazu, w którym znajduje się substancja eluowana z kolumny. Rejestrowane zmiany mogą być proporcjonalne albo do stężenia, albo do natężenia masowego przepływu wykrywanego składnika w gazie nośnym. Powinien charakteryzować się dużą czułością. Dobry detektor charakteryzuje stabilność wskazań sygnału i linii podstawowej oraz szeroki zakres liniowości jego wskazań. Rozróżnia się detektory uniwersalne do wykrywania wszystkich substancji i selektywne do wykrywania niektórych grup związków.

-detektor cieplno- przewodnościowy TCD - czujnik tego detektora reaguje na zmianę przewodnictwa cieplnego gazu, reaguje na wszystkie substancje, ma duże zastosowanie.Zasada działania detektora opiera się na pomiarze różnicy przewodnictwa cieplnego gazu nośnego i gazu nosnego zawierajacego eluujące się z kolumny anality. W tym detektorze czujnikiem jest spirala wykonana z niklu, wolframu albo stopu platyny z irydem. Cechą charakterystyczną tych czujników jest, to że ich przewodnictwo zmienia się w istotny sposób wraz ze zmianami temperatury. Gaz nosny dobiera się więc tak, aby różnica przewodnictwa cieplnego analitu i gazu była jak największa.

-detektor płomieniowo - jonizacyjny FID- zasada działania polega na wykorzystaniu ostrej zmiany przewodnictwa elektrycznego atmosfery płomienia wodorowego po wprowadzeniu do niego śladów związków organicznych tworzących w procesie spalania karbojony. Sygnał tego detektora jest proporcjonalny do liczby atomów węgla nie związanych z tlenem. Jest czuły do większości związków organicznych.

-detektor płomieniowo - fotometryczny FPD - przeznaczony jest do selektywnego wykrywania związków siarki i fosforu z dużą czułością. Ma budowę zblizoną do detektora płomieniowo - jonizacyjnego. W wersji przeznaczonej do oznaczania związków siarki jest wykorzystywana emisja chemiluminescencyjny wzbudzonych cząsteczek siarki S₂, tworzących się przez spalanie zwizków siarki w bogatym w wodór płomieniu palnika detektora. Emisja wzbudzonych cząstek siarki jest wykrywana za pomocą fotopowielacza przy dł. Fali 394 nm. W detektorze przeznaczonym do oznaczania związków fosforoorganicznych następuje spalanie tych związków do oznaczania HPO, którego emisję mierzy się przy dł. Fali 526 nm.

-detektor siarkowy chemiluminescencyjny SCD - przeznaczony jest do wykrywania związków siarki na bardzo niskim poziomie. Jest on alternatywą detektora płomieniowo - fotometrycznego do oznaczania związków siarki w różnych matrycach. Zasada działania detektora opiera się na spalaniu związków zawierajacych siarkęw redukujacym płomieniu palnika detektora. Warunki spalania są tak dobre, że produktem reakcji spalania jest tlenek siarki SO. Produkty spalania są nastepnie zasysane ceramicznym próbnikiem do komory reakcyjnej, gdzie następuje reakcja SO z ozonem wywołujaca chemoluminescencję SO₂ który jest produktem tej reakcji.

-detektor wychwytu elektronów ECD - zasada działania polega na gwałtownym spadku natężenia prądu płynącego w komorze jonizacyjnej po wprowadzeniu do niej substancji o dużym powinowactwie elektronowym. ECD jest bardzo czuły na związki zawierające atomy o dużym powinowactwie elektronowym, a wszczególności na związki chlorowcoorganiczne. Detektor ten odegrał istotną rolę woznaczaniu poziomu freonów w atmosferze. Zasada działania detektora jest oparta na zjawisku absorpcji elektronów przez cząsteczki elektrofilowe. Podstawowym elementem detektora jest komora jonizacyjna z dwiema elektrodami z umieszczonym w niej źródłem promieniowania.

-detektor fotojonizacyjny PID- substancje chromatografowane ulegają jonizacji pod wpływem promieniowania nadfioletowego. Jest detektorem szczególnie przydatnym do analizy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Stosuje się go także w przenośnych CG do analizy węglowodorów niemetanowych w próbkach powietrza. W tym detektorze wykorzystano zjawisko jonizacji substancji chemicznych pod wpływem energii fotonów emitowanych przez lampę UV. Wszystkie substancje chemiczne mają specyficzny potencjał jonizacji, przy którym następuje usunięcie jednego elektronu z cząsteczki. Cząsteczka może być jonizowana wtedy, gdy energia emitowanych przez lampę UV fotonów jest większa niż jej potencjał jonizacji.

-detektor emisji atomowej AED- jest to detektor specyficzny, np. do analizy zanieczyszczeń środowiska, związków metaloorganicznych i produktów petrochemicznych. Zasada działania polega na tym, że rozdzielone w kolumnie składniki próbki są wprowadzane do indukowanej mikrofalami plazmy helowej. Plazma zawierająca swobodne ładunki, powoduje rozkład cząsteczek chromatografowanych substancji na atomy. Atomy te ulegają wzbudzeniu i powracając do niższego stanu energetycznego emitują promieniowanie charakterystyczne dla danego pierwiastka.

5.Zastosowanie.

jest wykorzystywana głównie do identyfikacji i ilościowego oznaczania składnika mieszaniny. Do identyfikacji mieszanin złożonych wykorzystuje się min. Wykresy logarytmiczne przedstawiające liniową zależność objętości retencji od liczby atomów węgla w szeregu homologicznym lub zależność logarytmu objętości retencji od temp. wrzenia związków szeregu homologicznego.

Ilościowa analiza oparta jest na liniowej zależności między sygnałem detektora a stężeniem substancji badanej w gazie nośnym. Powierzchnia piku jest proporcjonalna do ilości oznaczanej substancji.

8.Układ GC - MS - chromatograf gazowy sprzężony ze spektrometrem mas.

Jest najczęściej stosowanym systemem łączonym w analizie próbek środowiskowych. Układ ten jest niezastapiony w analizie jakosciowej i ilościowej nanogramowych ilości substancji w mieszaninach złożonych nawet z setek składników. Identyfikację wielu zanieczyszczeń ułatwiają biblioteki widm najważniejszych zanieczyszczeń, zawierające widma co najmniej kilka tysięcy związków. Eluaty z kolumny chromotograficznej są wprowadzane do komory jonizacyjnej poprzez interfejs, czyli urzadzenie łączące chromatograf ze spektrometrem. W wyniku jonizacji z cząsteczki analitu powstają dodatnie jony cząsteczkowe, które częściowo lub całkowicie ulegają fragmentacji, czyli rozpadowi na jony o mniejszej masie. Mieszanina dodatnich jonów wpływa następnie do analizatora, w którym jony ulegają separacji an grupy o tej samej maise. Kolejny etap to detekcja jonów i ich rejestracja. Zapis intensywności poszczególnych jonów daje informacje o naturze zwiazku i może być podstawą identyfikacji, a natężenie jonów podstawą analizy ilościowej.

Podstawowe części składowe GC - MS:

-urzadzenie do wprowadzania próbki,

-kolumna chromatograficzna do rozdzielania mieszaniny na składniki

-interfejs

-źródło jonów do przeprowadzania cząsteczek analitu w jony,

-analizator mas

-detektor jonów

-komputer do rejestracji

9. ASA - absorpcyjna spektrometria atomowa. a)Aparatura i wykonywanie pomiarów

W metodzie ASA wykorzystuje się zjawisko absorpcji przez metale przeprowadzone w stan gazu atomowego. Absorbowane są charakterystyczne dla nich linie rezonansowe, emitowane przez źródło promieniowania.

Wychodząca ze źródła wiązka promieniowania, która zawiera częstości absorbowane przez oznaczany pierwiastek, przechodzi przez atomizer (płomienie różnego rodzaju lub systemy atomizacji bezpłomieniowej), następnie pada na szczelinę wejściową monochromatora, który oddziela linię analityczną (najczęściej rezonansową) od pozostałych, by trafić w końcu do detektora przetwarzającego sygnał optyczny na elektryczny. Sygnał elektryczny, po odpowiednim przetworzeniu (najczęściej wzmocnieniu), przechodzi do miernika umożliwiającego pomiar.

Jeżeli przez system wprowadzania próbki wprowadzia się ją atomizera i spowoduje atomizacje oznaczanego pierwiastka, to czesc promieniowania zostanie zaabsorbowana. Porównując sygnały odpowiadające obecności i nieobecności próbki w atomizerze można oznaczyć stężenie pierwiastka

Udoskonaleniem układu jest zastosowanie przerywanej wiązki pro-mieniowania padającego na atomizer. Realizuje się to przez zastosowanie wirującej przesłony, umieszczonej między źródłem a atomizerem lub prez zastosowanie pulsującego prądu zasilającego źródło z określoną częstością. O takim promieniowaniu mówi się, że jest to promieniowanie zmodulowane, a częstość jego przerywania nazywa się częstością modulacji Jeśli w systemie wykorzysta się wzmacniacz selektywnie zestrojony z częstością modulacji wiązki promieniowania, to wzmocni się sygnał odpowiadający natężeniu osłabionej linii analitycznej, natomiast sygnał odpowiadający natężeniu linii emisyjnej jako niezmodulowany nie będzie wzmocniony.

Dalszym udoskonaleniem jest wprowadzenie przed atomizerem wirującego lustra, które dzieli zmodulowaną wiązkę promieniowania na część przechodzącą przez atomizer i część omijającą go. Za atomizerem obie części docierają do detektora.

Źródła promieniowania

Źródła promieniowania w spektrometrach AA powinny emitować stabilne i bardzo intensywne promieniowanie o długości fali odpowiadającej jak najwęższej linii rezonansowej oznaczanego pierwiastka (specyficznej dla danego pierwiastka i przez atomy tego pierwiastka absorbowanej).

W paktyce stosuje się następujace źródła promieniowania:

-źródła emitujace promieniowanie ciągłe,

-lampy z katodą wnękową,

-lampy wyładowcze wypełnione parami metali,

-lampy bezelektrodowe

a)lampy wyładowcze z katodą wnękową (HCL).

Są to rury szklane z okienkiem ze szkła twardego lub kwarcowego, wypełnione gazem szlachetnym pod niskim cisnieniem, z wyprowadzoną anodą wolframową i katodą, najczęściej w formie wydrążonego walca wyłożonego wew. Warstwą pierwiastka, którego promieniowanie będzie emitowane. Po przyłozeniu odpowiedniego napięcia następuje wyladowanie w gazie. Jony gazu szlachetnego bombardują katodę, wybijając z niej atomy danego pierwiastka, które następnie ulegają wzbudzeniu na skutek zderzeń z rozpędzonymi jonami. Atomy, wracajac na poziom podstawowy, emitują promieniowanie charakterystyczne dla danego pierwiastka. Najsilniejszą linia w widmie jest linia rezonansowa. Pewna niedogodnością jest konieczność posiadania odrębnych lamp dla każdego z analizowanych pierwiastków, czemu można częściowo zaradzić stosując lampy z katodami wielopierwiastkowymi.

b)Lampy bez elektrodowe (EDL)

Są to zamkniete rurki kwarcowe zawierajace wew. Warstwę mieszaniny halogenku metalu (najczęściej jodku) oraz metalu, którego linia rezonansowa ma być otrzymana. Po umieszczeniu lampy w polu żródła wysyłającego promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości (np. 2500 MHz) otrzymuje się intensywne widmo liniowe na tle słabego widma ciągłego. Lampy tego typu znajdują zastosowanie do analizy pierwiastków, których halogenki są stosunkowo łatwo lotne (np. Hg, As, Sb, Cr). Lampy te mozna wykorzystywać do jednoczesnej emisji promieniowania charakterystycznego atomizacji bezpłomieniowej.

Atomizery

Zadaniem atomizera jest uzyskanie możliwie najwyzszej liczby wolnych atomów oznaczanego pierwiastka w stanie podstawowym zdolnych do absorpcji promieniowania.

Atomizery płomieniowe:

Z atomizerami płomieniowymi ściśle związany jest fakt wprowadzania badanego roztworu do płomienia. Stosuje się tu wyłącznie procesy rozpylania cieczy i wprowadzania do płomienia w postaci aerozolu. Proces rozpylania nazywa się nebulizacją. Znamy nebulizery koncentryczne i krzyzowe, oraz nebulizacja za pomocą ultradźwięków.

Palniki stosowane w metodzie absorpcji atomowej można podzielić na palniki gazów z bezpośrednią nebulizacją i palniki z laminarnym przepływem gazów i komorą mieszania. W palniku o przepłynie burzliwym, przedstawionym na rys. 56, kropelki roztworu próbki są bezpośrednio wtryskiwa-ne do płomienia. W takim palniku, składającym się właściwie z koncentrycznego nebulizatora umieszczonego koncentrycznie w rurce zewnętrznej, przez którą płynie gaz palny, cała ilość roztworu zostaje rozpylona w płomieniu. Dlatego też palniki o przepływie burzliwym nazywane są palnikami o calkomtej konsumpcji roztworu. Ich zalety to prostota konstrukcji, niska cena i całkowite bezpieczeństwo (niemożliwe jest cofnięcie się płomienia), jak też możliwość stosowania praktycznie dowolnej mieszaniny gazów. Jednak wykazują one jedną zasadniczą wadę, a mianowicie niewielką szerokość płomienia, nie pozwalającą uzyskać dużej czułości oznaczeń.

Ta wada palników o przepływie burzliwym spowodowała, że w spektrometrach do absorpcji atomowej najczęściej używane są palniki o przepływie laminarnym, w których gaz palny i utleniający zostają zmieszane w komorze przed palnikiem. W palnikach tego typu mieszaninę gazów doprowadza się do dość długiej szczeliny (zwykle 10 cm), co pozwala już uzyskać dużą czułość. Przy konstrukcji palników o przepływie laminarnym spełniony musi być warunek przewagi prędkości strumienia gazów nad prędkością rozchodzenia się płomienia dla danej mieszaniny. Wynika z tego konieczność stosowania innego palnika do każdego rodzaju płomienia. Szczelinę palnika umieszcza się równolegle do osi optycznej aparatu. Do celów specjalnych używa się palników z potrójną szczeliną i stosuje się rozcieńczanie gazu palnego gazem obojętnym, co umożliwia specjalne ukształtowanie płomienia.Mimo bezsprzecznych zalet, takich jak niska cena i łatwosć stosowania plomienie jako atomizery obarczone sa jednak wieloma wadami, z których najważniejszymi sa: mala wydajność atomizacji, niestabilność pracy i interferencje fizyczne i chemiczne.

Atomizery elektrotermiczne:

Systemy bezpłomieniowej atomizacji elektrotermicznej Rurka z otworem u dołu służącym do wsuwania specjalnie ukształtowanej elektrody grafitowej z umieszczona na niej próbką która po wsunięciu elektrody ogrzewano za pomocą łuku elektrycznego. Współcześnie produkowane kuwety grafitowe, jak również i pręty grafitowe (ang. nazwa carbon rod), są w istocie modyfikacjami kiuwety Massmanna. Kiuwetę grafitową stanowi rurka umocowana w chłodzonej wodą metalowej podstawie. TCiuweta omywana jest strumieniem argonu. Oporowe grzanie pozwala uzyskać temperaturę ^2700^3000C^J Próbki o maksymalnej objętości 100 ^1 (zwykle 5-20 f-il) wprowadza się do'kiuwety albo ręcznie, za pomocą mikrostrzykawki, albo za pomocą automatycznego układu dozowania. Układ dozowania automatycznego, ze względu na znacznie lepszą precyzję operacji, zwiększa precyzję uzyskiwanych wyników. W trakcie dozowania ręcznego zdarza się często, że część próbki zostaje naniesiona na kanalik wejściowy do kiuwety lub też zostaje umieszczona w innym miejscu kiuwety, co zmienia zasadniczo geometrię obłoku par w trakcie atomizacji jak i inne parametry.

Zastosowanie kiuwety grafitowej nie zapobiega pewnym interferencjom; Można je podzielić na interferencje związane z naturą próbki i interferencje związane z kiuweta. Do pierwszych należy parowanie oznaczanego pierwiastka w postaci cząsteczkowej, trudności w atomizacji spowodowane wiązaniami chemicznymi lub słabym kontaktem z powierzchnią grafitu oraz absorpcja niespecyficzna spowodowana przez parowanie innych składników próbki. Do interferencji spowodowanych przez kiuwetę należy zaliczyć tworzenie węglików z grafitem (Hf, Nb, Ta, Th, W, Zr), tworzenie związków z gazem obojętnym oraz stosunkowo dużą emisję kiuwety. .Zaletą natomiast jest brak w układzie tlenu i związana z tym nieobecność tlenków.

Obecny stan wiedzy na temat reakcji i procesów zachodzących w kiuwecie grafitowej jest wprawdzie dość obszerny, niemniej znacznie mniej kompletny niż w przypadku płomieni. Ponadto należy brać również pod uwagę fakt, że kiuwe-ta zmienia swe właściwości wraz z liczbą przeprowadzonych cykli pomiarowych. (W zasadzie kiuweta dobrej jakości powinna wytrzymywać 300-500 cykli.)

Mimo pewnych wad kiuweta grafitowa jest bardzo wygodnym narzędziem w analizie śladowej, ze względu na dużą czułość oznaczeń. |

W tablicy 13 przytoczono granice wykrywalności dla kiuwet grafitowych HGA-72 i HGA-74 firmy Perkin-Elmer oraz dla płomienia

Atomizery wodorowe i rtęciowe

Oprócz wymienionych typów atomizerów w literaturze opisano wiele innych, zarówno płomieniowych jak i bezpłomieniowych. Na uwagę zasługuje układ, w którym takie pierwiastki, jak: As, Sb, Bi, Pb, Se, Te, Sn, reagują z wodorem m statu nascendi, tworząc lotne wodorki bezpośrednio kierowane do płomienia powietrze-wodór-argon. Uzyskano w ten sposób 20-50-krotny wzrost czułości oznaczeń w stosunku do oznaczeń prowadzonych w płomieniu powietrze-acetylen. Stosowany jest także zimny, bezplomieniowy sposób oznaczania rtęci. Z systemów bezpłomieniowych należy wymienić także grzane elektrycznie łódeczki tantalowe omywane strumieniem argonu, zabezpieczające przed powstawaniem węglików.

3. HS - technika analizy fazy nadpowierzchniowej.

Technika HS - GC jest stosowana przede wszystkim do analizy śladowej w próbkach o skomplikowanych matrycach. Sama technika HS jest bowiem typowym sposobem wzbogacania próbki przez właściwą analizą, co ma na celu zwiększenie stężenia lub masy oznaczanego składnika w próbce zmodyfikowanej oraz uproszczenia matrycy przez zastąpienie matrycy ciekłej gazową. Analizę fazy nadpowierzchniowej należy rozumieć jako sposób przygotowania próbek do właściwej analizy polegający na przeniesieniu oznaczonych składników z próbki pierwotnej - fazy skondensowanej, najczęściej ciekłej - do fazy gazowej, która jest poddawana analizie. Stosując zatem procedurę analityczną łączącą HS z odpowiednią techniką separacji i oznaczeń, wnioskujemy o składzie próbki pierwotnej na podstawie wyników analizy fazy gazowej pozostającej z nią w równowadze. Analizy techniką HS - GC są na ogół wykonywane w laboratorium. Próbka musi być zatem uprzednio pobrana i przechowana do momentu przeniesienia jej w części lub całości do aparatury HS. Próbki ciekłe poddawane analizie powinny być homogeniczne. Mogą zawierać zanieczyszczenia stałe. Należy zwracać uwagę na konieczność przechowywania próbek w naczyniu wypełnionym możliwie w całości i bezpośrednio po pobraniu próbki szczelnie zamkniętym. Próbniki powinny mieć zamkniete umożliwiające przenikanie oznaczanych składników na zewnątrz próbnika. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy próbnik nie jest wypełniony w całości cieczą.

Statyczna metoda HS - jest to metoda najczęściej używana w połączeniu z GC. Należy do metod równowagowych. Polega na określeniu określonej objętości V_L fazy ciekłej w naczynku HS, wprowadzeniu do niego pożądanej matrycy gazowej i wytworzeniu określonej objetości V_G fazy gazowej, przez doprowadzenie do ustalenia się równowagi międzyfazowej w stałej i kontrolowanej temp.. Fazę gazową pobiera się następnie do analizy.

Dynamiczne metody HS - metody te stanowią najbardziej prężnie rozwijającą się dziedzinę aplikacji CG w ostatnich latach. Obejmują one wiele wariantów związanych bezpośrednio z wytwarzaniem fazy nadpowierzchniowej, a ponadto włącza się do nich zagadnienia dotyczące sposobu wykorzystania wytworzonej fazy gazowej.

Do izolacji związków organicznych z różnych matryc, w połączeniu z wymienionymi technikami chromatograficznymi, powszechnie są stosowane:

-ekstrakcja rozpuszczalnikiem - SE

-analiza fazy nadpowierzchniowej - HS

-ekstrakcja gazem - P

-ekstrakcja do fazy stałej - SPE

-ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym - SFC

THM - y

Chlorowanie wody pitnej jest najpowszechniej stosowaną metodą dezynfekcji. Oprócz wielu niewątpliwych zalet metoda ta ma jednak istotną wadę - w obecności tzw. Prekursorów w procesie chlorowania wody powstają trihalogenometany (THM), pośród których przeważa chloroform. Związek ren ma udowodnione działanie rakotwórcze. Pozostałe THM -y są podejrzewane o podobne działanie. Trihalogenometany powstają z prekursorów w reakcji haloformowej. Oprócz THM w procesie chlorowania wody powstają w mniejszych ilościach również inne związki chlorowcoorganiczne. Dodatkowym zagrożeniem jest powszechnie stosowanie chlorowcowych węglowodorów w przemyśle, gdzie głównie są używane jako rozpuszczalniki.

Istnieje wiele metod umożliwiających oznaczanie na tak niskim poziomie lotnych związków chlorowcoorganicznych w wodach. W większości z nich wykorzystuje się izolację i wzbogacanie lotnych analitów przed właściwą analizą. Najczęściej stosowanymi metodami są:

-wzbogacanie na stałych sorbentach (estrakcja do fazy stałej)

-ekstrakcja cieczą

-ekstrakcja gazem

W przypadku analizy próbek wód pitnych doskonałą alternatywą do omawianych metod jest metoda bezpośredniego nastrzyku próbki wody (DAI) do kolumny kapilarnej, z zastosowaniem detektora wychwytu elektronów. Jest to metoda szybka , łatwa i prosta do automatyzacji, a oprócz tego zapewnia otrzymanie bardzo rzetelnych wyników ilościowych.

II Spektrofotometria absorpcyjna.

Spektrofotometria wykorzystuje absorpcję promieniowania nadfioletowego (UV), widzialnego (VIS) i podczerwonego (IR), zachodzącą podczas przechodzenia jednego z tych rodzajów promieniowania przez badaną substancję.

Widmo promieniowania elektromagnetycznego - zbiór wszystkich fal elektromagnetycznych, uporządkowanych wg rosnącej długości fali.

Zakres nadfioletu UV - 200 - 380 nm

Zakres widzialny VIS - 380 - 780 nm

Absorpcja - przekształcenie energii promienistej w inne formy energii wskutek oddziaływania z materią.

Promieniowanie monochromatyczne - wiązka promieniowania elektromagnetycznego o jednakowych kwantach energii, to jest o jednakowej długości fali.

Roztwór odniesienia - roztwór stosowany do napełniania kuwety odniesienia podczas spektrofotometrycznego pomiaru próbek roztworowych. Najczęściej jest to rozpuszczalnik, a może to być ślepa próba.

Ślepa próba - roztwór przygotowany w ten sposób, aby kompensował absorbancję pochodzącą od czynników lub też składników różnych od oznaczanego.

Transmitancja T - stosunek natężenia wiązki promieniowania przepuszczonego przez próbkę do natężenia wiązki padającej:

Absorbancja A - logarytm dziesiętny odwrotności transmisji.

Współczynnik absorpcji a - stosunek absorbancji do grubości warstwy absorbującej (b) i stężenia substancji absorbującej (c).Jednostka:dm³cm^-1mol^-1

Współczynnik absorpcji molowy ε - grubość warstwy absorpcyjnej (b) wyrażona jest w cm, a stężenie (Cm) w molach substancji absorbującej na dm³;

Widmo absorpcji - widmo, które powstaje w wyniku przejścia promieniowania elektromagnetycznego przez ośrodek absorbujący.

Krzywa absorpcji - wykres zależności absorbancji od długości fali.

Krzywa wzorcowa - wykres zależności pomiędzy mierzoną wielkością a stężeniem oznaczanej substancji.

Bezpośrednia metoda spektrofotometryczna - metoda analityczna, w której podstawą oznaczeń jest selektywna absorpcja oznaczanego składnika.

Punkt izoabsorpcyjny - długość fali, przy którejwspółczynnik absorpcji dwóch lub więcej substancji są sobie równe.

Punkt izozbestyczny - punkt przecięcia szeregu krzywych absorpcji przy zmianie jednego z parametrów układu będącego w równowadze.

Prawo absorpcji - jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego o natężeniu I₀ pada na warstwę substancji lub jej roztworu znajdującą się w kuwecie, to promieniowanie zostanie częściowo pochłonięte, częściowo odbite od ścianek kuwety lub rozproszone, a reszta przechodzi przez próbkę:

I₀=I_a+I_r+I_t

Pomiary absorpcji promieniowania wykonuje sie zawsze w zestawieniu z substancją lub roztworem porownawczym, używając możliwie identycznych kuwet.

Prawo Bouguera - Lamberta - natężenie promieniowania przechodzącego przez ośrodek absorbujący zmniejsza się w stosunku geometrycznym, gdy grubość warstwy rośnie w stosunku arytmetycznym:

I=I₀ e^-kl

Powyższą zależność przedstawia się w formie logarytmicznej:

A=ln I₀/I = kl

Do określenia ilości zaabsoorbanego promieniowania używa się także wielkości zwanej transmitancją (T), zdefiniowaną jako:

T = I/I₀

Prawo Beera - uzależnia ono natężenie promieniowania zaabsorbowanego od stężenia (c) substancji absorbującej.

I=I₀ e^-kc

Zestawiając te dwa prawa otrzymujemy:

I=I₀ 10^-εl

Ε- molowy współczynnik absorpcji

Prawo addytywności absorpcji - absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników:

A=A₁+A₂+A₃+A₄+…+A_n

Prawo absorpcji w odniesieniu do roztworów są spełnione wtedy, gdy w roztworach tych nie zachodzą żadne reakcje między substancją absorbującą a rozpuszczalnikiem oraz między cząsteczkami substancji absorbującej.

Prawo absorpcji- podstawa oznaczeń spektrofotometrycznych:

A = ε c l= k c

A - absorbancja

Ε - współczynnik molowy absorpcji

C - stężenie substancji absorbującej

l - grubość warstwy ośrodka absorbującego

k - współczynnik zastępujący iloczyn ε l

2.Przyczyny występowania odstępstw od praw absorpcji:

-czynniki chemiczne - wynikają z reakcji przebiegających w roztworze absorbującym w miarę wzrostu stężenia składnika oznaczanego. Zachodzą wtedy reakcje polimeryzacji albo kondensacji cząsteczek lub jonów absorbujących, reakcje między jonem absorbującym i rozpuszczalnikiem.

-czynniki aparaturowe - które powodują odchylenie od praw absorpcji, są najczęściej związane z brakiem monochromatyczności wiązki promieniowania.

Błąd pomiaru zależy w dużym stopniu od jakości przyrządu.

3.Metody spektrofotometryczne.

a)metoda krzywej wzorcowej

Polega ona na ustaleniu zależności pomiędzy stężeniem substancji oznaczonej w roztworze a absorbancją. Jeżeli roztwór zachowuje się zgodnie z prawem Lamberta - Beera, zależność ta jest prostoliniowa. Absorbancję uzyskuje się przez porównanie pomiarów wykonanych dla roztworu substancji oznaczanej i odnośnika, to jest roztworu identycznego z badanym, nie zawierajacego tylko substancji oznaczanej. Stężenie substancji oznaczanej odczytuje się wprost z krzywej wzorcowej. Przy wykonywaniu krzywej absorpcji badanej substancji, w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku, ustala się położenie max absorpcji i odpowiadajacą mu długość fali. To max absorpcji przyjmuje się jako analityczną długość fali. Po ustaleniu analitycznej długości fali przygotowuje się serię roztworów oznaczanej substancji w tym samym rozpuszczalniku o różnych stopniowo wzrastających stężeniach. Absorbancje tych roztworów mierzy się przy analitycznej długości fali wobec odnośnika.

b)metoda spektrofotometrii różnicowej - stosuje się ją wtedy gdy T < 20%. Zaklada się że najmniej stężony wzorzec C₁ ma transmitancję T=100%. Zerowa przepuszczalność pozostaje taka, jak w normalnym pomiarze dla zaciemnionego detektora promieniowania. W ten sposób znacznie rozszerza się skalę pomiaru, a zatem zwiększa się czułość pomiaru w danym zakresie.W tej metodzie przez roztwory musi przechodzić intensywniejszy strumień świetlny, który uzyskuje się przez rozszerzenie szczeliny.

c)metoda analizy śladowej - mierzy się bardzo rozcieńczone roztwory (T<80%). Polega ona na zasadzie odwrotnej niż metoda różnicowa. Zerową transmitancję ustala się dla najbardziej stężonego roztworu c, a t=100% dla czystego rozpuszczalnika.

d)metoda rozciągniętej skali łączy cechy obu poprzednich metod.

e) miareczkowanie spektrofotometryczne - wykonuje się przy stałej długości fali. Do próbki dodaje się czynnik miareczkujący i bada się zależność absorbancji od objętości dodanego titrantu. Konieczne jest spełnienie prawa Lamberta - Beera. Titrant musi być dostatecznie stężony.

4.Analiza ilościowa.

Spektrofotometryczną analizę ilościową prowadzi się z zastosowaniem metod bezpośrednich i pośrednich.

-metoda bezpośrednia - podstawą oznaczeń jest selektywna absorpcja oznaczanego składnika.Tą metodą oznacza się głównie związki organiczne.

-metoda pośrednia - to ta w której pomiary absorbancji prowadzi się dopiero po przeprowadzeniu działań wywołujących absorpcję, której wartość jest proporcjonalna do stężenia oznaczanego składnika.Tą metodą oznacza się pierwiastki i związki nieorganiczne.

5. Wykonanie oznaczenia spektrofotometrycznego.

a)roztwory wzorcowe oznaczanego składnika.

Podstawowe roztwory substancji wzorcowej o stężeniu 1 mg/cm³ lub 10mg/cm³ przygotowuje się wychodząc przynajmniej z 2 odważek. Podczas oznaczeń, zależnie od czułości metody, korzysta się bezpośrednio z roboczych roztworów wzorcowych o stężeniach 0,1 mg/cm³ lub 0,01 mg/dm³. Przygotowuje się je przez odpowiednie rozcieńczenie roztworu podstawowego odpowiednim rozpuszczalnikiem.

b)przygotowanie krzywej wzorcowej

Krzywa wzorcowa określa zależność między mierzoną absorbancją, a stężeniem oznaczanego składnika w badanym roztworze. W celu sporządzenia krzywej przygotowuje się szereg roztworów roboczych substancji wzorcowej o różnych stężeniach. Zwykle przygotowuje się dwie serie roztworów, wychodzc z dwóch różnych podstawowych roztworów wzorcowych.Krzywą wzorcową przygotowuje się dla stężeń substancji, dla których absorbancje są nie większe niż 0,9 - 1,0.

c)wykonanie pomiaru

Należy unikać stosowania długości fal odpowiadających stromym częściom krzywej absorpcji, ponieważ drobne nieścisłości ustawienia długości fali powodują duże błędy.Podczas wyboru analitycznej dlugości fali trzeba uwzględniać absorpcję własną rozpuszczalnika i nie oznaczanych składników próbki.Pomiary absorbancji roztworów badanych i roztworów do krzywej wzorcowej wykonuje się w kuwetach takiej samej grubości. Należy tak manipulować kuwetami, aby nigdy nie dotykać powierzchni optycznej kuwet.

W czasie wykonywania oznaczenia spektrofotometrycznego należy pamiętać o addytywności absorpcji. Uzyskiwane widma są wynikiem sumowania absorbancji układu. Zastosowanie ślepej próby powoduje najczęściej, że mierzy się absorbancję tylko oznaczanego skladnika. Bardzo istotnym zagadnieniem jest stosowanie odpowiedniego rozpuszczalnika i kwasowości (pH) badanej próbki gdyż wpływają na widmo.

EMISYJNA SPEKTROFOTOMETRIA ATOMOWA (ESA)

Spektralna analiza emisyjna jest metodą fizyczną stosowaną do określania jakościowego i ilościowego składu próbek w wyniku odpowiedniego wykorzystania promieniowania wysyłanego przez atomy i jony danego pierwiastka. Aby atomy wysyłały promieniowanie charakterystyczne dla nich, muszą być doprowadzone do stanu wzbudzonego przez dostarczanie odpowiedniej ilości energii w płomieniu, w łuku elektrycznym lub wskutek elektrycznego wyładowania iskrowego.

Po wzbudzeniu atomu, to jest gdy dostarczy się atomowi potrzebnej energii, jeden albo więcej elektronów walencyjnych przechodzi na wyższe poziomy energetyczne (do stanu o większej energii). Po krótkim czasie (około 10 ~8 s) elektron wraca na niższe poziomy energetyczne, przy czym różnice energii wypromieniowuje w postaci kwantu świetlnego (fotonu) E=hv ,

gdzie: E — różnica energii odpowiednich poziomów energetycznych, h — stała Plancka, v — częstość.

W określonych warunkach wzbudzenia ustala się równowaga dynamiczna, w wyniku czego natężenie emitowanego promieniowania jest stałe.

Najniższy poziom wzbudzony, na który może być przeniesiony elektron z poziomu podstawowego, nazywa się poziomem rezonansowym. Energia potrzebna do tego przeniesienia nosi nazwę potencjału rezonansowego danego atomu.

Powrotowi elektronu z poziomu rezonansowego towarzyszy w widmie linia spektralna, zwana linią rezonansową.

Zwiększając energię dostarczaną atomowi z zewnątrz, zwiększamy liczbę możliwych przejść energetycznych w atomie. Elektrony każdego atomu mogą znajdować się na wielu ściśle określonych poziomach energetycznych, a każdej możliwej różnicy poziomów odpowiada pewna częstotliwość promieniowania o określonej długości fali, dlatego też w większości przypadków widma liniowe pierwiastków składają się z du-żeJ liczby linii.

Wielkością charakteryzującą atom pod względem łatwości wzbudzania jest tzw. energia wzbudzenia lub wartość proporcjonalna, tzn. potencjał wzbudzenia, którego wielkość może wynosić od 1,4 eV do około 35 eV. Potencjały wzbudzenia można osiągnąć stosując różne źródła wzbudzenia: płomień gazowy, iskrę elektryczną i łuk elektryczny.

Najprostszą metodą analityczną, opartą na pomiarze promieniowania emitowanego przez odpowiednio wzbudzoną próbkę, jest fotometria lub spektrofotometria płomieniowa, zwana tak dlatego, że jako źródło wzbudzenia stosuje się w niej płomień palnika, do którego wprowadza się badaną substancję — zwykle w postaci rozpylonego roztworu. Metoda służy do badania pierwiastków charakteryzujących się niskim potencjałem wzbudzenia. Do grupy tej należą głównie atomy litowców i berylo-wców, które emitują promieniowanie w części widzialnej. Do wzbudzenia pierwiastków stosuje się płomień różnych mieszanin gazowych. Im wyższa temperatura płomienia, tym większe natężenie linii widmowych, a przez to lepsza wykrywalność pierwiastków.

Oznaczanie polega na wprowadzeniu rozpylonej próbki do płomienia palnika i zmierzeniu natężenia emitowanego promieniowania (proporcjonalnego do stężenia próbki). Temperatura płomienia waha się od 1800 do 3100°C, w zależności od stosowanego gazu. Jako gazy palne można stosować: gaz świetlny, acetylen, propan, butan. Z promieniowania emitowanego przez płomień wydziela się wiązka promieniowania monochromatycznego o odpowiedniej długości fali, w zależności od oznaczanego pierwiastka.)

W metodzie fotometrii płomieniowej najczęściej stosowane są dwa typy przyrządów: fotometry płomieniowe i spektrofotometry płomieniowe. W polskich laboratoriach najczęściej spotyka się fotometr płomieniowy Zeissa.

SPEKTROGRAFIA I SPEKTROMETRIA EMISYJNA

Najpowszechniej stosowane metody emisyjnej spektrometrii atomowej to spektrografia emisyjna i spektrometria emisyjna, metody, w których widmo substancji wzbudzonej w , łuku elektrycznym lub przy zastosowaniu iskry, rozszczepione w układzie optycznym (pryzmaty lub siatka dyfrakcyjna), jest rejestrowane na kliszy fotograficznej lub za pomocą fotopowielaczy. W przypadku kliszy po jej wywołaniu otrzymuje się szereg linii zaczernioriych, których położenie (ustalone za pomocą spektroprojektora) umożliwia jakościową analizę, stopień zaś zaczernienia (zmierzony przy użyciu mikrofotometru) — ilościową ocenę stężenia danego pierwiastka w próbce. Fotopowielacz pozwala mierzyć bezpośrednio natężenie promieniowania właściwej linii widmowej.

Najistotniejszymi częściami aparatury spektrograficznej są: źródła wzbudzenia wraz z elektrodami, układ optycznyi układ rejestrujący.

Źródła wzbudzenia i elektrody

W analizie spektrograficznej najczęściej stosowane są elektryczne źródła wzbudzenia, głównie łuk elektryczny lub iskra elektryczna. Z nowoczesnych źródeł wzbudzenia należy wymienić wzbudzenie impulsowe, plazmotron łukowy, wyładowanie jarzeniowe oraz plazmę o wysokiej częstości.

W przypadku wzbudzania próbki metalu podłącza się ją w układzie elektrycznym jako jedną z elektrod lub jako obie elektrody. Jeśli wzbudzana substancja jest sproszkowana lub znajduje się w roztworze, to badaną próbkę tej substancji umieszcza się na jednej z elektrod.

Łuk lub iskrę uzyskuje się stosując różne układy elektryczne, zwane generatorami lub wzbudzalnikami. W zależności od rodzaju generatora otrzymuje się takie źródła wzbudzenia, jak łuk prądu stałego, łuk prądu zmiennego lub iskra skondensowana. Każde z nich ma odmienną charakterystykę energetyczną, powoduje inny sposób wzbudzenia i w konsekwencji daje nieco inne widmo.

Najprostszym źródłem wzbudzenia jest luk prądu stałego, którego schemat obwodu przedstawiony jest na rys. 36. Źródło prądu stałego l o napięciu ok. 200 V,umożliwiające pobieranie przez dłuższy czas prądu o określonym natężeniu (5-20 A), połączone jest przez wyłącznik i opornik regulowany z elektrodami.Czasami jest włączona w obwód także cewka indukcyjna, Zbliżając do siebie elektrody (przy zamkniętym obwodzie) i szybko je rozsuwając powoduje się zapalenie łuku. Dogodne jest urządzenie zapewniające powrót elektrody zbliżanej na stałe miejsce ustalone poprzednio, czyli utrzymywanie zawsze jednakowej odległości elektrod, tzw. przerwy analitycznej, która jest ważnym parametrem powtarzalności wyników.

Spektrografy

Zasadniczymi częściami układu optycznego spektrografu są: szczelina, kolima-tor (soczewka przekształcająca wiązkę promieniowania na równoległą), układ rozszczepiający (pryzmat lub siatka dyfrakcyjna) i kamera z płytą fotograficzną do ł rejestracji widma. Przed kamerą znajduje się układ soczewek zbierających. Układ optyczny może być też wyposażony w soczewkę skupiającą na szczelinie promieniowanie wychodzące ze wzbudzalnika, dzięki czemu więcej emitowanego promieniowania wprowadza się do układu optycznego. Stosuje się również przesłony, ograniczające szerokość widma na płycie, umożliwiające właściwe rozmieszczenie względem siebie kolejno fotografowanych widm.

Najważniejszą częścią spektrografu, decydującą o jego jakości, jest uklad rozszczepiający. Zależnie od budowy pryzmatu, układu pryzmatów lub od charakterystyki siatki dyfrakcyjnej układ taki ma mniejszą lub większą zdolność rozdzielczą. Im większa jest zdolność rozdzielcza układu, tym lepiej można rozróżniać poszczególne linie widma. Szczególnie blisko położone linie (np. linie koincydujące dwu pierwiastków), przy małej zdolności rozdzielczej spektrografu, będą się zlewać w jedną linię, natomiast przy dużej — wystąpią Jako osobne linie, możliwe do indywidualnej oceny.

Wielkościami charakteryzującymi spektrografy są: dyspersja liniowa, zdolność -rozdzielcza i świetlność (światłość).

W sferze łuku prądu stałego wyróżnia się część środkową, w której świecą głównie atomy obojętne, oraz przestrzenie przyelektrodowe, w których nagroma-dzają się przede wszystkim atomy zjonizowane. Temperatury łuku wahają się w granicach 14000-7500 K^ Obok atomów substancji badanej, występującej w przestrzeni łuku w postaci pary, wzbudzane są również atomy elektrod, a czasami także substancje powstałe w wyniku reakcji wtórnych, np. cząsteczki cyjanu, jeżeli zastosowano elektrody węglowe w atmosferze powietrza

Łuk prądu stałego jest źródłem wzbudzenia o dużej energii, pozwala osiągać dużą wykrywalność pierwiastków i dlatego jest stosowany w analizie śladowej. Jednak w łuku prądu stałego mogą zachodzić procesy, w wyniku których otrzymane widmo ma zaciemniony obraz, co zmniejsza dokładność wyników. Jest to wywołane przede wszystkim silnym rozgrzewaniem się, a nawet topieniem elektrod, co powoduje wysyłanie promieniowania przez elektrody i produkty ich utleniania. Widmo tego promieniowania nakłada się na widmo badanej próbki. Z tego względu stosuje się często odpowiednie układy elektryczne, które, włączone w obwód łuku, dają w rezultacie tzw. luk przerywany. Łuk prądu zmiennego ma w porównaniu z łukiem prądu stałego lepszą stabilność, wymaga jednak specjalnego układu zapalającego, ponieważ każda zmiana kierunku prądu wywołuje gaśniecie. Przykładem generatora łuku prądu zmiennego jest generator Pfeilstickera, wytwarzający przerywany łuk zmienny Obwód niskiego napięcia jest zasilany prądem stałym lub zmiennym (220 V). Obwód wysokiego napięcia zawiera transformator /, który przetwarza napięcie sieci (220 V) na napięcie 8000-16000 V i ładuje kondensator 2 (0,004 }.uF) do różnicy potencjałów, wywołującej iskrę w przerwie iskrowej 3. Wyładowania indukują prąd o wysokiej częstości w transformatorze Tesli 4. We wtórnym obwodzie tego transformatora znajduje się ^kondensator 5 (0,0004 uF) i przerwa analityczna 6. Przy zwarciu przerywacza obrotowego 7 w obwodzie tym płynie prad (stały lub zmienny) wytwarzający łuk pod jonizującym działaniem iskry wysokiego napięcia z transformatora Tesli. Cewki indukcyjne 8, 9 i konden-sator 10 (0,002 uF) zapobiegają przejściu prądu o wysokiej częstości do sieci.

Wzbudzenie iskrowe ma nad wzbudzeniem łukowym przewagę większej regularności przebiegających procesów. Warunki energetyczne i, w związku z tym, wyniki analizy są lepiej odtwarzalne, dlatego też ten rodzaj wzbudzenia stosuje się w analizie ilościowej. Na rysunku 38 przedstawiono najprostszy schemat obwodu iskry skondensowanej. Transformator l jest zasilany prądem z sieci 2 przez zmienny opór 3. Wtórny obwód transformatora ładuje kondensator 4 prądem zmiennym o napięciu ok. 15 kV. Rozładowania tego kondensatora zachodzą w obwodzie rezonansowym z iskrową przerwą analityczną 5, oporem 6 i induk-cyjnością .

Zaletami wzbudzenia iskrowego, oprócz wyżej wymienionych są: możliwość wzbudzania, dzięki wysokiej temperaturze iskry (ok. 15 000 K), pierwiastków o wysokich potencjałach wzbudzenia oraz fakt, że iskra działając tylko na małą część powierzchni elektrod nie wywołuje silnego ich rozgrzewania. Iskra pozostawia bardzo mały ślad na elektrodzie i może być stosowana do analizy przedmiotów metalowych nie powodując ich uszkodzenia. Wadą wzbudzenia iskrowego jest występowanie w widmie wzbudzanej substancji tzw. linii powietrznych. Powstają one wskutek wzbudzania składników powietrza podczas przeskoku iskry i utrudniają odczytywanie oraz pomiar zaczernień.

Mała powierzchnia wzbudzenia iskrowego powoduje, że niejednorodność próbki znajduje odzwierciedlenie w otrzymanym widmie. Wzbudzenie iskrowe nie może być na ogół stosowane do próbek proszkowych.

Zmieniając indukcyjność i opór obwodu zmienia się charakter wyładowania, które w ten sposób z typowo iskrowego może przejść w łukowe.

Nowszym sposobem wzbudzania stosowanym w spektrografii emisyjnej są palniki plazmowe, inaczej plazmotrony. Są one stosowane albo jako plazmotrony łukowe, oparte na wyładowaniach łuku prądu stałego, albo jako plazmotrony wysokiej częstości. Te ostatnie zalicza się do najbardziej nowoczesnych źródeł wzbudzenia. Istotną ich cechą jest możliwość uzyskania znacznie wyższej temperatury wzbudzania, sięgającej, w zależności od konstrukcji palnika i od uzytego gazu, nawet do kilkunastu tysięcy kelwinów. dwa rozwiązania palnika plazmowego. W plazmotronie z elektrodą zewnętrzną zapala się tuk prądu stałego między elektrodami, z których jedna (anoda) znajduje się w komorze, druga (katoda) jest na zewnątrz. Do komory wprowadza się gaz roboczy stycznie do ścianek komory. Gaz ten (hel, argon, azot i in.), podawany pod wyższym niż atmosferyczne ciśnieniem, powoduje zwężenie kolumny łuku, zwiększenie gęstości prądu, a więc i podwyższenie temperatury. Wskutek wypływu gazu plazma łuku rozpływa się dokoła katody. Próbkę badaną podaje się w postaci aerozolu w dodatkowym strumieniu gazu przez otwór w anodzie. W plazmotronie Kranza (rys. 39b) obie elektrody są zamknięte w komorze. Po zapaleniu łuku wprowadza się aerozol próbki wraz z gazem przez dolny otwór w komorze i uzyskuje wyprowadzenie plazmy przez górny otwór w postaci płomienia, którego emisję się bada. Elektrody palników plazmowych muszą być oczywiście podłączone do odpowiedniego układu elektrycznego. Plazmotrony nadają się głównie do analizy roztworów, które łatwo jest wprowadzić do plazmy w postaci aerozolu. Są także palniki obliczone na wprowadzanie próbek

proszkowych. Można też analizować próbki lite, umieszcza-jąc je odpowiednio na jednej z elektrod. Plazma o wysokiej częstości (o częstości radiowej i mikrofalowej) zyskała w krótkim czasie duże znaczenie ze względu na wiele zalet. Najbardziej rozpowszechnionym i użytecznym źródłem jest plazma bezelektrodowa o częstości radiowej sprzężona indukcvinie, określana skrótem ICP (inductivelv coupled plasma), nieco mniejsze znaczenie ma plazma o częstości mikrofalowej sprzężona indukcyjnie — MIP (microwave induced plasma),

Do głównych zalet ICP należy bardzo nieznaczny wpływ pierwiastków towarzyszących, możliwość oznaczania praktycznie wszystkich pierwiastków, nawet trudno wzbudzalnych, jak Br, Cl, S, możliwość oznaczania zarówno śladów (rzędu 0,1 ng/ml) jak i makroskładników oraz precyzja i dokładność nieporównywalnie lepsze niż w przypadku stosowania innych źródeł wzbudzenia.

W procesach wzbudzania bywa też stosowane promieniowanie laserów. Jednak widma uzyskiwane za pomocą lasera nie są wygodne z analitycznego punktu widzenia, uzyskuje się bowiem silne widmo ciągłe, na tle którego można rozpoznać zwykle tylko linie głównych składników próbki. Dlatego zastosowanie lasera jako źródła wzbudzenia do celów analitycznych w większości przypadków sprowadza się do odparowania próbki, wzbudzenie zaś uzyskuje się za pomocą elektrycznych źródeł wzbudzenia.Jako źródła wzbudzenia w spektrografii są także wykorzystywane, wylądowania jarzeniowe. Tego typu źródła charakteryzują się wieloma zaletami, z których najważniejsze to duża powtarzalność oraz równomierne przechodzenie do obszaru wzbudzenia wszystkich składników próbki niezależnie od składu, co jest związane z pobieraniem próbki w wyniku rozpylania katodowego, a nie parowania.

Elektrody, pomiędzy którymi następuje wyładowanie, są wykonane w najprostszym przypadku z badanego metalu, np. w formie pręta (o średnicy 3-12 mm) płasko ściętego (rys. 40^, c, d} albo lekko wypukłego (rys. 40fa), stosowanego często w przypadku wzbudzenia iskrowego, lub zakończonego stożkowato (rys. 40d, e). Elektrody pomocnicze do wzbudzania proszków mają kształt zakończenia dostosowany do umieszczania w nim badanej substancji (rys. 40 f-i),

Dobór odpowiedniego kształtu elektrody jest ważny ze względu na konieczność stworzenia najlepszych warunków dla równomiernego odparowywania próbki do sfery wyładowań oraz zapewnienia maksymalnej stabilizacji wzbudzania.

Znaczną stałość doprowadzania próbki do sfery wyładowań zapewnia elektroda sitowa , mająca przewiercone wzdłuż osi otwory, przez które, podczas trwania wyładowań, wsypuje się do sfery wyładowań sproszkowaną próbkę.

Szybkość wykonania analizy spektrograficznej jest poważnie zmniejszona ze względu na czas, jaki trzeba poświęcić procesowi obróbki płyty fotograficznej i ilościowej interpretacji otrzymanego widma. Wykorzystanie do pomiaru natężeń linii widma zwykłych detektorów promieniowania, w postaci fotoogniw czy fotokomórek, było niemożliwe ze względu na zbyt małe natężenie promieniowania emitowanego przez badane pierwiastki. Problem ten został rozwiązany przez wprowadzenie fotopowielacza

Fotopowielacz ustawia się w miejscu, gdzie na płycie fotograficznej powstawała linia widmowa. Na drodze wiązki promieniowania, dającej tę linię, umieszcza się szczelinę, po przejściu przez którą promieniowanie kieruje się na katodę. Ładunek kondensatora i napięcie, do którego został on naładowany w czasie ekspozycji, są funkcją natężenia promieniowania i czasu ekspozycji. Pomiarowy układ elektryczny, służący jako wskaźnik, jest sprzężony z urządzeniem do rejestracji graficznej lub z numeratorem podającym gotowy wynik liczbowy.

Podstawą konstrukcji optycznej spektrometrów jest zwykle układ stosowany w spektrografach o dużej dyspersji. W miejscu kamery umieszcza się przystawkę z odpowiednimi elementami optycznymi, umożliwiającymi kierowanie promieniowa- nią poszczególnych linii spektralnych na fotopowielacze. Liczba składników, które można jednocześnie oznaczać, zależy od liczby fotopowielaczy. Istnieją spektrometry umożliwiające jednoczesne oznaczanie kilkunastu pierwiastków zawartych w próbce. Oczywiście dany spektrometr musi być przystosowany do analizy określonego materiału. Wymaga to doboru odpowiedniego zespołu optycznego i układu rejestrującego linie, który musi być inaczej wyskalowany dla każdego zestawu linii. Dlatego też spektrometry mogą być stosowane tylko w masowej analizie podobnych próbek w zakładzie przemysłowym, gdzie duży koszt aparatu opłaca się wobec szybkości i wielkiej liczby automatycznie wykonywanych analiz.

Praktycznie zastosowanie spektrometrów, zwanych również kwantometrami, dotyczy prawie wyłącznie analiz metalurgicznych w hutach żelaza i metali nieżelaznych.

---