Jak światło oddziałowuje z materią :

• Odbicie

• Załamanie

• Rozproszenie

• Emisja absorpcja

Zakres wykorzystywanych fal 400-1000nm

Zalecane miary spożycia makro i mikropierwiastków dla młodzieży i osób dorosłych

Wapń	900-1200	Żelazo	13-26
Fosfor	700-900	Cynk	16-21
Magnez	300-380	Miedź **	2,0-2,7
Potas *	2000-3500	Fluor**	1,5-4,0
Sód *	500-625	Jod	0,16-0,20
Chlor*	650-800	Selen	0,060-0,075

*-minimalna norma spożycia

** zalecany poziom bezpieczny

Techniki pomiarowe wykorzystywane w analizie pierwiastkowej

FAAS/FAES	AAS z atomizacją w płomieniu	ET- ICP-OES	ICP-OES z elektrochemicznym odparowaniem
ET AAS	AAS z atomizacja elektrochemiczną	AA-ICP-MS	ICP-OES ablacją laserową
HGAAS	AAS z generacja wodorków	ICP-MS	Spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie
CVAAS	AAS generacją zimnych par	NAA	Neutronowa analiza aktywacyjna
AFS	Atomowa spektrometria fluoroscencyjna	INNA	Instrumentalna neutronowa analiza aktywacyjna
HGAFS	AFS z generacją wodorków	RNAA	Radiochemiczna neutronowa analiza aktywacyjna
CVAFS	AFS z generacją zimnych par	Techniki łączone	HPLC , GC, HG ,CV Detekcja: AAS AFS , ICP, MIP
ICO-OES	Optyczna spektrometria emisyjna
HG-ICP-OES	Z plama sprzężoną emisyjnie
CV-ICP-OES	ICP-OES z generacją wodorków

Absorpcyjna spektroskopia atomowa (AAS)-

• zwłaszcza płomieniowa jest jedną z najstarszych i najczęściej stosowanych technik w analizie pierwiastkowej , jest w miarę prosta i ekonomiczna. Pozwala na oznaczenie około 65 pierwiastków, ale jej czułość jest różna i nie zawsze wystarczająca do oznaczenia nie których pierwiastków takich jak Cd, Pb, Hg, As itp. na ich poziomach występowania w żywności.

• Dążenie do poprawienia czułości tej techniki przyczyniło się do jej rozwoju i powstania alternatywnych sposobów atomizacji jak np. AAS z atomizacja elektrotermiczną (ETAAS) dla pierwiastków takich jak Cd, Pb, As, Sn i inne.

• AAS z generacja odorków (HGAAS) dla pierwiastków jak np. As, Hg, Se, Sn, AAS z generacja zimnych par (CVAAS) do oznaczania Hg

Fluorescencyjna spektrometria atomowa (AFS):

• Jest bardzo czułą, selektywną i o dużym zakresie pomiarowym techniką analityczną, ale stosunkowo rzadko stosowaną zwłaszcza w analizie śladowej

• W połączeniu z techniką generacji wodorków i zimnych par pozwala również na oznaczanie analogicznych pierwiastków jak w AAS.

• Do wad tej techniki zalicza się brak efektywnych źródeł wzbudzenia, konieczność całkowitego zmineralizowania próbki przed analizą co w przypadku złożonych matryc produktów spożywczych może Stanowic poważny problem, a także interferencje spektralne i matrycowe praz wysokie koszty aparatury

Optyczna spektrometria emisyjna / spektrometria ,mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-OES / ICP-MS):

• Zaliczane obecnie do najnowocześniejszych technik instrumentalnych , umożliwiających oznaczanie około 70 pierwiastków.

• ICP-OES / ICP-MS)- cechują się co najmniej dobrą wykrywalnością dla większości pierwiastków, szerokim zakresem oznaczania oraz możliwością analizy wielopierwiastkowej.

• Te cechy powodują że techniki ICP-OES / ICP-MS)- staja się coraz bardziej popularne w zastosowaniu do analizy pierwiastkowej żywności, pomimo pewnych problemów z wprowadzeniem próbki do plazmy i występowaniem interferencji spektralnych matrycowych.

Neutronowa analiza aktywacyjna (NAA):

• Technika wykorzystująca do oznaczania pierwiastków reakcje jądrowe wywoływane przez neutrony. Do największych zalet tej techniki można zaliczyć : wysoką czułość i niska wykrywalność dla około 50-60 pierwiastków możliwych do jednoczesnego oznaczenia tą technika bez konieczność wstępnego przygotowania próbki do oznaczeń (mineralizacja).

• Zarówno wersji INNA i RNAA technika ta określana jest jako definitywna i wykorzystywana do sprawdzenia wiarygodności innych metod analitycznych i certyfikacji materiałów odniesienia.

• Jej wadą jest duża praco- i czasochłonność , słaba czułość w odniesieniu Cd, Sn, a także trudności w oznaczaniu niektórych pierwiastków np. Pb oraz wysoki koszt aparatury.

Przygotowanie próbek do analizy :

• Mineralizacja klasyczna:

• Sucha próbka spalana w piecu muflowym - temp. 450-550C

• Mokra próbka z dodatkiem kwasów mineralnych spalana na płycie grzejnej w temp. do 300C .

• Mineralizacja „nowoczesna”

• Mineralizacja w tlenie (bomba tlenowa )

• Mineralizacja w plazmie (niskotemperaturowa)

• Mineralizacja promieniami UV

• Mineralizacja z ultradźwiękami

• Mineralizacja ciśnieniowa

• Mineralizacja mikrofalowa

Przy wyborze techniki analitycznej do oznaczania pierwiastków w żywności należy uwzględnić szereg czynników charakterystycznych dla każdej z nich jak:

• Wykrywalność (LOD- Limit of detection) - która zależy głownie od możliwości danej techniki analitycznej , optymalizacji warunków otoczenia , także od wieku wyposażenia , czy stopnia zużycia poszczególnych elementów , dla poszczególnych technik kształtuje się następująco : ICP-MS > GFAAS > ICP-OES > FAAS > FAES .

Granice wykrywalności mikropierwiastków i pierwiastków śladowych w [ug/l] oznaczonych różnymi metodami.

Pierwiastek	FAAS	FAES	ETAAS	ICP-EOS	ICP-MS
Ca	0,5	0,1	0,01	0,07	2
K	2	3	0,1	20	0,0002
Zn	0,5	200	0,01	0,6	0,01
Fe	5	5	0,02	0,7	0,01
Cd	1	2000	0,01	0,5	0,001
Pb	10	200	0,05	10	0,001
Sn	30	300	0,2	10	0,001

Atomowa Absorpcja /Emisja

Poziomy energetyczne w atomach:

• Poziom energetyczny - wartość energii stanu dostępnego dla cząstki. Poziom fermionu może być zdegenerowany, jeśli dana wartość energii cechuje więcej niż jeden stan.

• Poziom podstawowy - stan układu charakteryzujący się najmniejszą energią.

• Poziom wzbudzony- jest to stan związany układu kwantowo-mechanicznego, mający większą energię niż stan podstawowy.

Spektroskopia- jest nauka zajmującą się oddziaływaniem promieniowania z materią. W metodach spektroanalitycznych wykorzystuje się pomiar natężenia promieniowania emitowanego lub absorbowanego przez cząsteczki i atomy.

• Metody spektroskopowe dzielone są ze względu na wykorzystywany zakres długości fal promieniowania, np. metody wykorzystujące promieniowanie gamma, rentgenowskie, zakres nadfioletu (UV), widzialny ( VIS), podczerwieni (IR), mikrofalowy oraz częstości radiowej (RF).

Spektrometria atomowa

• Należy jednak zauważyć że matryce analityczne żywności przy ogromnym stopniu złożoności ich matryc , najczęściej nie pozwalają na analitykę specjacyjną sprowadzającą się tylko do prostego łączenia selektywnych metod . Analiza próbek wymaga łączenia metod, które będą dokonywały w pierwszej fazie analizy oddzielenia analitu od matrycy , a następnie selektywnego rozdzielenia form analitu. Dopiero w etapie końcowym oznaczeń nastąpi dobór metod analitycznych pozwalających na wybiórczą analizę ilościową form analitu wyodrębnionych z analizowanej próbki .

• Takie podejście do analizy specjacyjnej jest problemem złożonym i wymaga umiejętności zarówno łączenia technik analitycznych , jak też znajomości analityki jakościowej składu na etapie rozdzielania oraz analityki ilościowej składu w etapie oznaczeń końcowych.

Jednym z podstawowych pytań analityka dotyczących składu pierwiastkowego próbki jest …. Jakie pierwiastki są obecne i jakim stężeniu ?

• Ponieważ znanych jest tylko 107 pierwiastków, natomiast miliony molekuł, dlatego też badanie składu pierwiastkowego wydaję się dużo prostsze w porównaniu z oznaczaniem składu cząsteczkowego . Jednak znajomość pierwiastkowego składu próbki jest często istotną informacją opisującą jej szczególne właściwości.

Absorpcja

• Pochłanianie fal przez cząsteczki i atomy (prowadzi do zmiany poziomów energetycznych : rotacyjnych i wibracyjnych cząsteczek, przeskoku elektronów w atomach i jonizacji atomów)

• optycznego ( zakres widzialny od 400 nm-1000nm) podczerwonego i radiowego.

• Absorpcja- wchłanianie; rozpuszczanie jednej substancji w drugiej.

Absorpcja

• Absorpcja (Fizyka)- zjawisko oraz proces pochłaniania substancji gazowej w całej objętości substancji ciekłej lub stałej , lub też substancji ciekłej w cała objętość substancji stałej .

• Absorpcja (chemia)- proces transportu masy z fazy lotnej do fazy ciekłej

• Absorpcja (optyka)- proces pochłanianie energii fali przez ciało.

• Absorpcja - chłonność wchłanianie rozpuszczanie jednej substancji w drugiej.

Adsorpcja :

• W której adsorbat jest na powierzchni adsorbentu lub na granicy faz może tworzyć warstwę o grubości jednej cząsteczki. Jest to cecha przede wszystkim adsorpcji chemicznej (chemisorpcji) fizycznej zachodzi dla niskich gęstości adsorbatu na powierzchni po przekroczeniu pewnej ilości adsorbatu dochodzi do adsorpcji wielowarstwowej

• Adsorpcja powierzchniowe zagęszczanie się substancji na granicy dwóch faz (np. stałej i gazowej).

Ablacja laserowa- proces odparowania, usuwania materiału z powierzchni ciała stałego do gazowego lub plazmy z pominięciem stanu ciekłego.

• Do wywoływania ablacji laserowej wykorzystuje się najczęściej lasery krótko impulsowe, proces może zachodzić także przy zastosowaniu laserów do pracy ciągłej, jeśli tylko wiązka promieniowania laserowego ma odpowiednia moc.

SAA

• Stosowane powszechnie metody spektroskopii atomowej służą do ilościowego i jakościowego opisu składu próbki i tak informacje ilościowe (stężenie oznaczanych składników ) związane są z pomiarami intensywności emitowanego lub absorbowanego promieniowania elektromagnetycznego, natomiast informacje jakościowe (jakie pierwiastki obecne są w próbce) związane są z określaniem długości fali, przy której promieniowanie jest absorbowane lub emitowane.

Schematy systemów używanych w spektrometrii atomowej

Wzajemne relacje

• Emisja- powrót ze stanu wzbudzonego .

• Absorpcja- wzbudzenie do stanu energetycznego

• Zatem istnieją dwie różne drogi pomiaru stężenia elementów !!!

• Emisja- płomień dostarcza energii do wzbudzenia atomó

• Absorpcja- atomy w fazie gazowej absorbują fotony ze źródła światła

Schemat instrumentu

Lampa wnękowa

• Jonizacja rzadkich gazów -przyśpieszenie w kierunku katody , gdzie powodują rozpylenie jonów do fazy gazowej.

• Kolizje z atomami gazów lub elektronami wzbudzają atomy metali

• Przy powrocie emitują światło

Atomizacja :

• Atomowa absorpcja i emisja wymaga atomów w fazie gazowej

• Ciekłe i stałe próbki musza być odparowane

• Płomień

• Piec grafitowy

• W fazie gazowej absorbują światło widzialne lub UV lub widzialne i przechodzą do wyższego stanu energetycznego.

Płomień :

• Potrzebne są różne temperatury dal różnych elementów

• Płomień powietrze-acetylen

• Preferowany dla 35 elementów

• Temperatura 2300 C

• Tlenek azotu-acetylen ( temperatura 2900 C)

• Optymalna temperatura wytwarza wolne atomy ale ich nie jonizuje.

Koncentracja :

• Płomień

• Mierzy proporcje do koncentracji próbki mg/L (ppm)

• Piec Grafitowy (Graphite Furnace)

• Mierzy masę ug/L zakres (ppb)

• Do tego celu wykorzystuje się gazy obojętne, jednak były prowadzone próby nad wykorzystaniem również reaktywnych gazów jak np. tlen.

• Temperatura w plazmie jest o wiele większa niż w płomieniu czy piecu i dlatego plazma może być stosowana nie tylko do atomizacji większości cząsteczek w próbce, ale również do wzbudzenia i jonizacji powstałych atomów.

• Obecnie najbardziej rozpowszechnionym źródłem plazmy w atomowej spektrometrii emisyjnej jest argonowa indukcyjnie wzbudzona plazma.

• Wykorzystywane są również inne rodzaje wyładowań jak plazma prądu stałego i plazma mikrofalowa.

• Konieczność oznaczania większej ilości pierwiastków wymaga każdorazowej wymiany lampy z katodą wnękową , a często również zmiany parametrów termicznych pieca.

• Istotnym ograniczeniem jest to, że techniki absorpcyjne charakteryzują się dużo węższym prostoliniowości krzywej kalibracji w porównaniu ze współczesnymi technikami emisyjnymi.

• Większość ze znanych 107 pierwiastków charakteryzuje się niską wartością granicy wykrywalności i oznaczenie ich nie przedstawia większych problemów . Dlatego wygodniej jest w szczególności tutaj te przypadki, kiedy ICP- AES nie nadaje się do oznaczeń nas poziomie śladowym. Można je podzielić na trzy grupy:

• Pierwsza obejmuje pierwiastki- które są obecne w plazmie ze względu na skład gazu nośnego. I tak stosowanie plazmy argonowej wyklucza oznaczenie śladów argonu we wprowadzanej próbce. W przypadku próbek wodnych nie można oznaczać zawartości wodoru i tlenu, natomiast w przypadku organicznych dodatkowo również węgla. Wzbogacanie plazmy powietrzem powoduje że oznaczanie H, N, O i C jest również nie możliwe.

• Druga grupę pierwiastków- stanowią, te których atomy charakteryzują się bardzo duża energia wzbudzenia. Energia plazmy argonowej jest nie wystarczająca do wzbudzenia fluoru, chloru i gazów szlachetnych, tak aby te pierwiastki można było oznaczać przy użyciu klasycznej aparatury.

• Ostatnia grupę stanowią pierwiastki- otrzymane sztucznie człowieka zbyt radioaktywne lub o krótkim czasie trwania, tak że spektrometria promieniowania gamma jest bardziej użyteczna przy ich oznaczaniu.

• Rozpylacz (nebulizer)- jest to urządzenie umożliwiające na przeprowadzenie roztworu w formę aerozolu . Proces rozpylania jest jednym z krytycznych procesów w ICP-AES. Idealnym byłby taki system , który zapewniałby całkowite wprowadzenie próbki do plazmy w takiej postaci aby: delsolwacja , odparowanie, atomizacja, jonizacja, i wzbudzenie mogły zachodzić powtarzalnie

Analiza wielopierwiastkowa- czyli jednoczesny pomiar emisji dla wielu pierwiastków w próbce , może być realizowana na dwa podstawowe sposoby. Gdy wiele szczelin wyjściowych i detektorów jest używanych w danym spektrometrze, to urządzenie takie nazywamy polichromatorem. Każda ze szczelin wyjściowych polichromatora jest nastawiona na linie emisyjną danego pierwiastka , co pozwala na jednoczesną analizę wielopierwiastkową .

MINERALIZACJA

• Mineralizacja na sucho:

• Suszenie w 105- 100C

• Spopielenie 200-800C

• Rozpuszczanie w HCl, H2SO4, HNO3 i w HCl/HNO3

Sposób często stosowany ,aczkolwiek występują straty prze ulotnienie i retencję w tyglach.

• Mineralizacja na mokro :

• Stosowanie silnych utleniaczy jak
  z zastosowaniem delikatnego ogrzewania.

• Można stosować otwarte i zamknięte naczynia. Te ostanie zapobiegają stratom elementów lotnych.

• Mineralizacja mikrofalowa:

• Stosuje się ogrzewanie mikrofalowe do kilku próbek

• Zaleta jest polepszanie limitów detekcji , niewielkie stężenie kwasów i brak potrzeby suchej mineralizacji lub stopienia.

Stan energetyczny wzbudzony

Stan podstawowy

E. elektronów

Absorbuje energię

Emituje energię

(część jako światło

Absorpcja atomowa

Światło o specyficznej długości lampy wnekowej

Światło o specyficznym charakterze jest absorbowane przez elektrony i przeniesienie ich na wyższy poziom energetyczny (wzbudzenie)

Absorpcja światła jest proporcjonalna do stężenia elementu

Emisja atomowa światło lub energia o wysokiej intensywności , płomień lub plazma

Spektrometria masowa

światło lub energia o wysokiej intensywności , płomień lub plazma

Światło o specyficznym charakterze jest absorbowane przez elektron i przeniesiony na wyższy poziom energetyczny. Wracając do stanu wyjściowego emituje światło o charakterystycznej długości.

Emisja jest proporcjonalna do stężenia elementu .

Wysoka energia powoduje wyrzucenie elektronu z powłoki-jonizacja. Powstaje wolny elektron i atom o pozytywnym ładunku jon

W dolnej część wylądowania ma kształt toroidalny, otaczający centralnie przepływający gaz nośny wprowadzający rozpyloną próbkę. Ta części nazywana jest obszarem wzbudzenia (IR) Gdyż zachodzi przeniesienie energii z cewki indukcyjnej do przepływającego gazu . z tego miejsca jest ciągle emitowane tło plazmy argonowej widoczne jako białe światło.

Możliwość wprowadzenia próbki przez IR do środkowej części wyładowania plazmy jest powodem tak wielu możliwości analitycznych związanych z wykorzystaniem ICP

---