Pytania w analizie chemicznej

Co? Analiza jakościowa; Ile? Analiza ilościowa; Gdzie? Analiza rozmieszczenia; W jakiej postaci? Specjacja; Jaka struktura? Analiza strukturalna;

Metody analiz

1. Metody bezwzględne (absolutne)

grawimetria, miareczkowanie, gazometria, kulometria, elektrograwimetria, termograwimetria,

Metody względne (porównawcze)

metoda krzywej kalibracji, metoda dodawania wzorca, metoda wzorca wewnętrznego.

Metody, w których próbka powinna być w roztworze:

grawimetria, miareczkowanie, spektrofotometria UV-Vis, spektrofluorymetria, fotometria płomieniowa, emisyjna spektrometria plazmowa ICP, absorpcja spektralna atomowa, potencjometria, polarografia i metody woltoamperometryczne, elektrograwimetria i kulometria, konduktometria.

Metody, w których próbka może być w postaci stałej lub w roztworze:

spektrofotometria IR, analiza aktywacyjna, spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej, spektrometria mas, spektrometria magnetycznego rezonansu jądrowego.

Podstawowe pojęcia:

Wykrywanie - postępowanie mające na celu stwierdzenie obecności lub nieobecności określonego jonu lub związku w badanej próbce.

Wykrywalność - najmniejsze stężenie lub ilość wykrywanego składnika w badanej próbce, przy której można go wykryć daną metodą z określonym prawdopodobieństwem.

Czułość metody analitycznej - stosunek przyrostu sygnału analitycznego do odpowiadającego mu przyrostu stężenia (lub zawartości) oznaczanego składnika. S=dY/dc

Oznaczalność - najmniejsze stężenie lub ilość oznaczanego składnika w badanej próbce, przy której można go oznaczyć daną metodą. Y=mc+b

Granica wykrywalności (limit detekcji) - oznacza górną granicę poziomu zakłóceń w danym procesie pomiarowym. Powinien być większy o trzykrotnej wartość odchylenia standardowego ślepej próby.

Y_W = b + 3 σ

Granica oznaczalności - powinna różnić się o trzykrotnej wartość odchylenia standardowego ślepej próby od granicy wykrywalności. Y_L = Y_W + 3 σ = b+ 6σ

Dokładność - metoda daje wyniki bliskie rzeczywistości.

Precyzja - wyniki poszczególnych pomiarów mało różnią się między sobą.

Odtwarzalność - Zgodność pomiędzy wynikami oznaczeń tego samego analitu w próbkach badanego materiału gdy poszczególne pomiary są prowadzone w zmienionych warunkach (analityk, przyrząd pomiarowy, miejsce analizy, warunki analizy, czas analizy) ale przy wykorzystaniu tej samej metody.

Substancja odniesienia ( RM) - Materiał lub substancja której jedna lub więcej charakterystycznych wartości są wystarczająco homogeniczne i ustalone żeby można je było wykorzystać do kalibracji aparatury, oceny metod pomiarowych lub też do ustalenia wartości materiałów.

Certyfikowany materiał odniesienia ( CRM) - Substancja odniesienia wyposażona w certyfikat dla której jedna lub więcej charakterystycznych wartości jest potwierdzona w wyniku procedury, która zapewnia zgodność w celu dokładnego podania jednostek w których te charakterystyczne wartości są wyrażone i dla których każda certyfikowana wartość jest podana łącznie z niepewnością na określonym poziomie ufności.

Kalibracja- Zestaw operacji, które pozwalają na ustalenie, w określonych warunkach, zależności pomiędzy wartościami (ilościami) wskazywanymi przez instrument pomiarowy albo system pomiarowy bądź też wartościami którymi charakteryzuje się materiał pomiarowy lub substancja odniesienia i odpowiednimi wartościami którymi charakteryzują się standardy. Wyniki operacji kalibracji są często wyrażane w postaci współczynnika kalibracji lub też krzywej kalibracji.

Powtarzalność - Zgodność pomiędzy wynikami niezależnych oznaczeń tego samego agalitu przeprowadzonych przy zachowaniu następujących warunków: ta sama metoda analityczna; ten sam analityk; ten sam przyrząd analityczny; to samo miejsce wykonywania pomiarów; te same warunki prowadzenia pomiarów; krótki odstęp czasu pomiędzy pomiarami.

Niepewność pomiarowa - Parametr związany z wynikiem analizy, który charakteryzuje rozproszenie wartości pomiarowych. Niepewność określa granice w których wynik jest traktowany jako dokładny to znaczy precyzyjny i prawdziwy. Niepewność pomiarowa obejmuje wiele składników. Niektóre z nich mogą być oszacowane na podstawie statystycznego rozkładu wyników serii pomiarów i mogą być charakteryzowane za pomocą doświadczalnego odchylenia standardowego. Inne składniki niepewności, które również mogą być charakteryzowane za pomocą odchylenia standardowego są oszacowywane na podstawie przyjętego rozkładu prawdopodobieństwa biorąc pod uwagę doświadczenie lub inne informacje.

Norma ISO 8402/94 definiuje:

-Jakość - Zespól właściwości jednostki, dzięki którym jednostka ta jest wstanie zaspokajać ustalone lub wymagane potrzeby

-System jakości - organizacja strukturalna i operacyjna, metody i środki służące do realizacji procesu zarządzania jakością.

-Zarządzanie jakością - Wszelkie działania związane z całym procesem kierowania, ustalające politykę jakości, cele oraz zakres odpowiedzialności, które realizowane są w ramach systemu jakości za pomocą takich środków jak planowanie jakości, sterowanie jakością, zapewnienie jakości i poprawa jakości.

-Certyfikacja (wyrobów, systemów jakości, personelu) jest to procedura w wyniku której trzecia strona udziela pisemnego zapewnienie, że wyrób, proces lub usługa zgodne są z określonymi wymaganiami.

-Znak zgodności jest to zastrzeżony znak, nadawany zgodnie z zasadami systemu certyfikacji, wskazujący, że zapewniono odpowiedni stopień zaufania, iż dany wyrób, proces lub usługa są zgodne z określoną normą lub innym dokumentem normatywnym.

-Akredytacja, procedura w wyniku której uprawniona jednostka organizacyjna lub osoba są kompetentne do wykonywania określonych zadań np. akredytacja laboratorium

Międzynarodowe i krajowe organizacje ds. jakości: IQNet - międzynarodowa sieć ds. jakości; ILAC - międzynarodowa konferencja akredytacji laboratoriów; EOQ - europejska organizacja jakości; ISO/CASCO - komitet ds. oceny zgodności; TC ISO 176 - komitet techniczny; CEN/CENELEC - europejski komitet normalizacji; EOTC - europejska organizacja ds. badań i certyfikacji; PKN - Polski Komitet Normalizacji; PCB - Polskie Centrum badań; PCA - Polskie Centrum Akredytacji; GUM - Główny Urząd Miar;

Metody ilościowe stosowane w analizie chemicznej dzielimy na trzy grupy:

-metody wagowe,

-metody objętościowe,

-metody fizykochemiczne.

Wyróżniamy dwa typy oznaczeń wagowych:

Pierwszy typ oznaczeń polega na wydzieleniu oznaczonej substancji z analizowanej próbki w postaci związku chemicznego o znanym składzie, a następnie na określeniu jej masy. Wydzielenie oznaczonej substancji polega na jej wytrąceniu w postaci trudno rozpuszczalnego osadu, który poddaje się odsączeniu, przemywaniu i suszeniu. Po takim przygotowaniu osad waży się na dokładnej wadze analitycznej. Warunkiem niezbędnym w metodzie wagowej jest, aby otrzymany osad miał ściśle określony skład chemiczny. Dlatego w sytuacji, gdy skład chemiczny osadu nie jest dokładnie znany, czyli osad nie jest czystym związkiem chemicznym, przeprowadza się go w inny związek o ściśle określonym składzie.

Drugi typ oznaczeń polega na usunięciu oznaczonego składnika z odważonej próbki analizowanej substancji, a następnie przeliczeniu jego zawartości na podstawie ubytku masy. Przykładem tego typu analizy wagowej jest oznaczenie wody higroskopijnej w substancji przez jej suszenie w temp. 105^oC. W obu tych oznaczeniach waży się zależnie od wymaganej dokładności na wagach technicznych z dokładnością do 0,01 g lub analitycznych umożliwiających ważenie z dokładnością do 0,0001 g.

METODY OBJĘTOŚCIOWE

Metoda objętościowa zwana analizą miareczkową polega na dodaniu do roztworu analizowanej substancji równoważonej chemicznie ilości roztworu mianowanego, tzn. roztworu o dokładnie znanym stężeniu. Między roztworem analizowanej substancji o nieznanym stężeniu a roztworem mianowanym zachodzi reakcja chemiczna, która trwa do czasu przereagowania całej ilości substancji analizowanej. Pomiar objętości zużytego w tej reakcji roztworu mianowanego jest podstawą obliczenia zawartości oznaczanej substancji. Roztwór mianowany dodaje się niewielkimi porcjami (miareczkami), stąd nazwa metody. Bardzo istotnym momentem metody jest uchwycenie punktu, w którym roztwór mianowany zrównoważy chemicznie ilość składnika oznaczanego, czyli tzw. punktu równoważnikowego. Punkt ten wyznacza się przy pomocy wskaźników, czyli substancji zmieniających barwę w chwili zakończenia reakcji między roztworem miareczkowanym a roztworem mianowanym. Wskaźnik dobiera się odpowiednio do danego rodzaju oznaczenia.

W analizie miareczkowanej wyróżnia się dwie grupy metod:

Pierwsza grupa to metody oparte na reakcjach łączenia jonów. W grupie tej najpowszechniejsza jest alkacymetria, obejmująca metody oznaczeń przy użyciu mianowanych roztworów kwasów i zasad, w których jony H⁺ z kwasu i OH^- z zasady łączą się w słabozdysocjowane cząsteczki wody. Metoda ta umożliwia oznaczenie stężenia kwasów, zasad i soli. Druga grupa metod opiera się na reakcjach przekazywania elektronów, tzw. reakcjach oksydacyjno-redukcyjnych. Najczęściej polegają one na oznaczaniu reduktora za pomocą miareczkowania mianowanym roztworem utleniacza i noszą nazwę metod oksydymetrycznych. Do najczęściej używanych metod oksydymetrycznych należą: nadmanganometria, gdzie utleniaczem jest KmnO₄ oraz chromianometria, gdzie utleniaczem jest K₂Cr₂O₇ lub K₂CrO₄.

Metody fizykochemiczne zwane też metodami instrumentalnymi polegają na wykorzystaniu funkcyjnej zależności między stężeniem oznaczanej substancji a różnymi jej właściwościami, takimi jak: emisja lub absorpcja promieniowania elektromagnetycznego, przewodność elektryczna, skręcanie płaszczyzny światła spolaryzowanego. Mierzenie tych właściwości jest bardzo kosztowne, bo wymaga nowoczesnych technik pomiarowych, wykorzystujących w szerokim stopniu urządzenia elektroniczne. W aparatach najnowszej generacji pomiar sterowany jest komputerowo umożliwiając różne jego programowanie. Metody instrumentalne w odróżnieniu od metod wagowych i objętościowych są metodami porównawczymi. Oznacza to, że posługiwanie się nimi wymaga ustalenia zależności między mierzoną właściwością analizowanej substancji a jej stężeniem. W tym celu przygotowuje się specjalne wzorce o znanym składzie chemicznym, zbliżonym do składu badanej próbki. Metody te ze względu na możliwość zautomatyzowania pomiarów i dużą szybkość oznaczeń szczególnie nadają się do oznaczeń seryjnych.

W badaniach środowiskowych mają zastosowanie następujące metody instrumentalne:

potencjometria, spektrofotometria absorpcyjna (kolorymetria), emisyjna spektrometria atomowa, absorpcyjna spektroskopia atomowa (ASA).

Potencjometria jest metodą instrumentalną stosowaną powszechnie do pomiaru stężenia jonów wodorowych. Można ją również oznaczyć stężenie innych jonów stosując odpowiednie elektrody jonoselektywne. Pomiar stężenia jonów metodą potencjometryczną polega na pomiarze napięcia (siły elektromotorycznej) ogniwa składającego się z elektrody wskaźnikowej zanurzonej w roztworze o nieznacznym stężeniu i elektrody porównawczej zanurzonej w roztworze standardowym. Obie elektrody połączone są przewodnikiem z miernikiem napięcia, natomiast oba roztwory łączy miernik elektrolityczny. W ogniwie pomiarowym powstaje prąd elektryczny, który jest wynikiem samorzutnych reakcji chemicznych zachodzących na granicy faz roztwór-elektroda. Wielkość napięcia, jaką wskaże miernik włączony między dwie elektrody, zależy wyłącznie od stężenia substancji biorących udział w reakcjach elektrodowych. Potencjał elektrody porównawczej jest stały, wielkość napięcia zależy więc wyłącznie od stężenia oznaczanego jonu. W czasie pomiarów roztwór standardowy, w którym zanurzona jest elektroda porównawcza, musi kontaktować się z roztworem badanym, aby obwód ogniwa pomiarowego był zamknięty. Przepływ prądu w przewodniku łączącym elektrody jest wynikiem współzawodnictwa o elektrony dwóch elektrod. Zdolność przyciągania ładunków przez elektrodę nazywa się potencjałem elektrody, natomiast różnica między zdolnością przyciągania ładunku dwóch elektrod nazywa się różnicą potencjałów albo siłą elektromotoryczną, w skrócie SEM.

Potencjał elektrody. Bezpośredniej wartości potencjału pojedynczej elektrody nie można wyznaczyć, ponieważ napięcie każdego ogniwa tworzą nieznane potencjały dwóch elektrod. Można tylko wyznaczyć różnicę ich potencjałów. Trudność wyznaczenia potencjału pojedynczej elektrody pokonano wprowadzając konwencję względnej skali potencjałów. Wybrano jedną z elektrod jako standardową oraz przyjęto, że jej potencjał jest równy zero. Potencjały innych elektrod wyraża się w stosunku do tak umownie przyjętego potencjału zerowego. Taką standardową elektrodą, zgodnie z międzynarodową konwencją, jest normalna elektroda wodorowa. W temperaturze 25^oC, pod ciśnieniem wodoru (H₂) 101325 Pa i przy stężeniu jonu wodorowego równym 1 mol⋅dm^-3, jej potencjał równy jest zero. Wprowadzając pojęcie normalnej elektrody wodorowej można łatwo wyrazić liczbowo potencjał dowolnej elektrody, tzw. potencjał normalny elektrody, mierząc SEM ogniwa utworzonego z badanej elektrody i normalnej elektrody wodorowej jako porównawczej.

Matematyczną zależność między potencjałem elektrody a stężeniem jonów w roztworze podaje równanie Nernsta:

E = E_o = (RT/nT) In [ C_M]

gdzie: E - potencjał elektrody, E_o - potencjał normalny elektrody, R - stała gazowa, T- temperatura bezwzględna, F- stała Faraday'a, n - liczba elektronów uczestniczących w reakcji, C_M - stężenie oznaczanego jonu (w ścisłym równaniu aktywności jonu).

Do pomiarów potencjometrycznych służy układ składający się z następujących dwóch zasadniczych części: ogniwa pomiarowego zbudowanego z dwóch elektrod: porównawczej i wskaźnikowej oraz potencjometru, czyli przyrządu pomiarowego pozwalającego na pomiar siły elektromotorycznej tego ogniwa.

Elektrody porównawcze. Posługiwanie się elektrodą wodorową jako porównawczą w praktyce jest uciążliwe, dlatego wprowadzono inne, wygodne w użyciu elektrody porównawcze, których potencjał normalny jest stały i powtarzalny niezależnie od stężenia badanego roztworu. Jako elektrody porównawczej używa się najczęściej elektrody kalomelowej albo chlorosrebrowej. Ich potencjał zależy od stężenia anionu tworzącego z metalem trudno rozpuszczalny związek.

Elektrody wskaźnikowe. Wykazują one działanie selektywne, co oznacza, że stężenie określonego jonu można określić tylko za pomocą czułej na ten jon elektrody. Obecnie jako elektrody wskaźnikowe stosuje się prawie wyłącznie elektrody membranowe. Wymiana jonowa między badanym roztworem a membraną jest źródłem potencjału elektrody.

Elektrody wskaźnikowe można umownie podzielić na dwie grupy: elektrody do pomiaru stężenia jonów wodorowych (pH), 2) elektrody do pomiarów innych jonów (kationów i anionów), tzw. elektrody jonoselektywne, w skrócie EJS.

Elektrody do pomiarów pH. Obecnie do pomiarów pH stosuje się elektrodę szklaną oraz pochodną jej - szklaną elektrodę zespoloną.

Aby zmierzyć stężenie jonów H⁺, buduje się ogniwo pomiarowe z elektrody szklanej i elektrody porównawczej. SEM takiego ogniwa zmienia się zależnie od zmian potencjału na granicy faz membrana - roztwór badany.

Elektroda szklana zespolona jest powszechnie stosowana do pomiarów pH. Zawiera w jednym korpusie elektrodę szklaną jako wskaźnikową i elektrodę porównawczą. Najczęściej występuje w dwóch odmianach jako szklano-kalomelowa lub szklano-chlorosrebrowa. Po zanurzeniu jej w roztworze badanym otrzymuje się gotowe ogniwo pomiarowe. Posługiwanie się taką elektrodą znacznie ułatwia technikę pomiaru.

Elektrody jonoselektywne - E J S. Stanowią grupę elektrod wskaźnikowych wykazujących selektywną czułość na różne jony. Najistotniejszą ich częścią jest stała lub ciekła membrana. Selektywną czułość na różne jony uzyskano przez odpowiedni dobór związku chemicznego stanowiącego materiał elektroaktywny membrany.

SPEKTROSKOPIA

Nauka zajmująca się teorią i interpretacją widm. Obejmuje badania budowy i właściwości atomów cząsteczek i jąder atomowych oraz obserwację widm powstających w wyniku absorpcji, emisji, rozpraszania i odbicia promieniowania elektromagnetycznego.

Podział metod spektroskopowych od układu materialnego.

Układ materialny	Ogólna metoda	Metody analityczne
Atom	Spekrtomertia atomowa	Spekrometria emisyjna( ES), absorpcyjna spektrometria atomowa (AAS), fluorescencyjna spekrtomertia atomowa (AFS), spekrtomertia rentgenowska, spekrtomertia elektronowego rezonansu paramagnetcznego (EPR)
Cząsteczka	Spekrtomertia i Spekrtofotomertia cząsteczkowa	Spekrtofotomertia absorpcyjna (VIS, UV, IR), spekrtomertia Ramana, spekrtofluoromertia
Jądro	Spekrtomertia jadrowa	spekrtomertia jądrowego rezonansu magnetcznego (NMR)
Frag. cząst. z ładunkiem	Spekrtomertia mas	Spekrtomertia masowa (MS)
jony	Spekrtomertia jonów	Spekrtomertia masowa jonów wtórnych (SIMS), spekrtomertia jonów odbitych (ISS,BSS)
elektrony	Spekrtomertia elektronów	Spekrtomertia elektronów wzbudzonych promieniowaniem rentgenowskim (XPS) lub nadfioletowym (UPS), spekrtomertia elektronów Augnera (AES)

Podział metod spektroskopowych od zachodzącego zjawiska.

zjawisko	Metody analityczne
Absorpcja promieniowania	Spekrtofotomertia absorpcyjna (VIS, UV, IR), absorpcyjna spektrometria atomowa (AAS) spekrtomertia jądrowego rezonansu magnetcznego (NMR), spekrtomertia elektronowego rezonansu paramagnetcznego (EPR)
Rozproszenia i absorpcja	turbidymetria
Rozproszenia promieniowania	Nefelometria, dyfrakcja promieni rentgenowskich
Odbicie światła	reflektometria
Załamanie światła	Refraktometria, interferometria
Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła	polarymetria
Emisja promieniowania	Spekrometria emisyjna( ES), Spekrografia emisyjna fluorescencyjna rentgenowska fluorescencyjna atomowa (AFS) spekrtofluorymertia
Strumień naładowanych cząsteczek	Spekrtomertia masowa (MS)
Strumień elektronów lub jonów o różnej energii	Spekrtomertia elektronów i jonów

Spektrofotometria absorpcyjna (kolorymetria)

Spektrofotometria jest metodą o bardzo szerokim zastosowaniu, można nią oznaczyć prawie wszystkie metale i niemetale oraz wiele związków organicznych. W zależności od zaadsorbowanej długości fali wyróżnia się spektrofotometrię w nadfiolecie (UV), w świetle widzialnym (VIS) i w podczerwieni (IR). Pomiar w spektrofotometrii VIS polega na wytworzeniu związków barwnych oznaczanego pierwiastka, które mają zdolność pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego o określonej długości fali. Natężenie emitowanej wiązki promieniowania po przejściu przez taki ośrodek absorpcji zawierający barwne związki oznaczanego pierwiastka, ulegnie zmniejszeniu proporcjonalnie do jego stężenia. Związki barwne zdolne do absorpcji najczęściej powstają w wyniku chemicznego połączenia oznaczanego pierwiastka z odpowiednim odczynnikiem organicznym lub nieorganicznym, co prowadzi do utworzenia barwnego kompleksu, najczęściej typu chelatowego. Związki barwne oznaczanego pierwiastka mogą tworzyć się również w wyniku reakcji prowadzących do powstania zabarwionych jonów. Przykładem jest reakcja utleniania, w wyniku której powstają fioletowe jony nadmanganianowe lub żółtopomarańczowe jony dwuchromianowe. Metoda spektrofotometrii może być również stosowana do oznaczania zawartości różnych substancji organicznych przy wykorzystaniu ich własnego zabarwienia lub zabarwienia produktów reakcji z ich udziałem.

Spektrofotometr UV-Vis składa się z:

1.Źródło promieniowania

-lampy wolframowe (420-750 nm) lub rtęciowe (365-750 nm).

-lampy deuterowe emitująca widmo wodoru cząsteczkowego w zakresie 200-350 nm.

-lampy ksenonowe w całym zakresie Uv-Vis

2.Układ do regulacji długości fali światła padającego - monochromator.

3.Kuwety pomiarowe

4.Detektory (fotoopowielacze, fotokomórki,fotodiody)

5.Urządzenie pomiarowe służy do precyzyjnego pomiaru napięcia lub natężenia prądu wzbudzonego w detektorze.

Układ do regulacji długości fali światła padającego służy do uzyskania wiązki promieniowania o długości fali odpowiadającej maksimum absorpcji danej substancji. W fotometrach jest to odpowiedni zestaw filtrów, w spektrofotometrach - monochromator. Filtry mogą być barwne lub interferencyjne, ich zdolność rozdzielcza jest mała. Filtry barwne umożliwiają uzyskanie wiązki promieniowania o szerokości spektralnej 25-30 nm, filtry interferencyjne około 15 nm. Monochromatory pozwalają rozdzielić wiązkę świetlną na wiele pasm o bardzo wąskim zakresie długości fali, rzędu kilku, a nawet dziesiątych części nanometru. Uzyskane w ten sposób światło jest prawie ściśle monochromatyczne, co umożliwia uzyskanie wysokiej precyzji oznaczeń. Wyróżniamy dwa typy monochromatorów: pryzmatyczne i siatkowe. Monochromatory pryzmatyczne zbudowane są z kryształów kwarcu. Ich działanie opiera się na wykorzystaniu zależności między wielkością kąta załamania światła na granicy dwóch ośrodków a długością fali światła padającego. Monochromatory siatkowe działają na zasadzie siatki dyfrakcyjnej. Najprostszą siatkę stanowi szereg szczelin umieszczonych w równych odległościach na nieprzezroczystym ekranie. Równoległa wiązka światła przepuszczona przez szczeliny takiego ekranu ulega rozdzieleniu we wszystkich kierunkach. Zjawisko to nazywa się dyfrakcją, czyli ugięciem prostoliniowego biegu promieni. Promienie te mogą się na siebie nakładać, czyli interferować, i w efekcie część ich ulega wygaszeniu, a część wzmocnieniu. W praktyce siatkę dyfrakcyjną otrzymuje się przez porysowanie płytki szklanej szeregiem równoległych rys. Rysy jako nieprzepuszczalne dla światła pełnią rolę zasłon, a przestrzenie między rysami stanowią szczeliny. Zdolność rozdzielcza, czyli jakość monochromatorów siatkowych, zależy od precyzji nacięć siatki (około 1000 nacięć na 1 mm). Odmianą monochromatora siatkowego jest monochromator działający na zasadzie siatki odbiciowej, która różni się od siatki dyfrakcyjnej tym, że szczeliny zastąpione są powierzchniami odbijającymi.

Detektor promieniowania zamienia promieniowania świetlne na prąd elektryczny o niewielkim natężeniu. Jako detektory najczęściej stosuje się fotoogniwo lub fotokomórkę.

Ogniwo fotoelektryczne składa się z warstwy półprzewodnika (najczęściej selenu) nałożonej na płytkę żelazną. Na powierzchnię półprzewodnika napylona jest cienka, przeźroczysta dla światła warstewka srebra stanowiąca jeden biegun ogniwa. Drugi biegun stanowi płytka żelazna. Pod wpływem padającego światła w warstwie półprzewodnika wyzwalają się swobodne elektrony, które przechodząc do warstewki metalicznej ładują ją ujemnie. Łącząc bieguny fotoogniwa otrzymuje się obwód, w którym powstanie słaby prąd elektryczny, proporcjonalny do natężenia światła.

Komórka fot elektryczna składa się z bańki szklanej wypełnionej rozrzedzonym gazem szlachetnym, w której umieszczone są dwie metalowe elektrody, katoda i anoda, będące pod napięciem prądu. Katoda pokryta jest materiałem światłoczułym, który pod wpływem naświetlenia emituje elektrony przyciągane następnie przez anodę w wyniku różnicy potencjałów. Natężenie powstałego w ten sposób prądu, po odpowiednim wzmocnieniu, rejestruje galwanometr. Fotoogniwa stosowane są tylko w zakresie światła widzialnego, fotokomórki natomiast również jako detektory w zakresie nadfioletu.

Spektrofotometria w podczerwieni IR

1.Długość fali - 0,8-2,5, 2,5-25, 25-500 µm

2.Inne źródło promieniowania niż UV-Vis - żarzące ciała stałe rozgrzane do temperatury > 1000^o

3.Można analizować gazy, ciecze i ciała stałe

4.Metody pomiaru - transmisyjne i odbiciowe

Oznacza się: Zawartość zanieczyszczeń organicznych, Zawartość związków azotu, węgla i siarki

Metoda emisyjnej spektrometrii atomowej (AES).

Metoda ta polega na wykorzystaniu zdolności wzbudzonych atomów lub jonów danego pierwiastka do emisji promieniowania elektromagnetycznego o ściśle określonej długości fali. Jeżeli atom w stanie podstawowym (Ep) otrzyma wystarczająco dużą ilość energii, to nastąpi przeniesienie jego elektronów na wyższy poziom energetyczny i atom przejdzie w stan wzbudzony (Ew). Atom w tym stanie jest nietrwały i następuje powrót elektronu na niższy poziom energetyczny do stanu podstawowego i emisje przyjętej energii w postaci kwantu promieniowania hv charakterystycznego dla atomów danego pierwiastka.

Ew emisja Ep + hv

Czas trwania pojedynczego atomu w stanie wzbudzonym jest bardzo krótki (ok.10^-8 s), dlatego między procesem wzbudzania i stanem podstawowym ustala się dynamiczna równowaga o względnie stałym natężeniu emitowanego promieniowania zależnym od liczby atomów czyli stężenia analizowanego pierwiastka.

W metodzie tej wyróżniamy trzy działy:

-fotometria płomieniowa (F-AES), pierwiastki są wzbudzane w płomieniu palnika. Przy wykorzystaniu palnika acetylen powietrze (ok.2300^oC) można oznaczyć tą metodą zawartość głównie Na, K i Ca

-spektrografia - widmo substancji wzbudzonej jest rejestrowane na kliszy fotograficznej, bardzo rzadko wykorzystywana w analizie ilościowej.

-plazmowa emisyjna spektroskopia atomowa (ICP) - w metodzie tej źródłem wzbudzania jest plazma wytworzona w specjalnym palniku plazmowym, której temperatura wynosi 6000-1000^oC. Umożliwia ona analizę wielu pierwiastków równocześnie oraz umożliwia oznaczanie pierwiastków o wysokim potencjale wzbudzania (aniony np.P).

Zalety ICP to:

-jednoczesne oznaczenie w próbce kilku (kilkunastu) pierwiatków

-Szybkość, precyzja i prostota oznaczania

-Liniowość natężenia promieniowania emitowanego i brak tłumienia

-Min efekt matrycowy

-Możliwość atomizacji trudno topliwych pierwiastków (B, P,U)

W celu osiągnięcia wysokiej jakości opomiaru konieczna jest optymalizacja mocy wejścia ICP, szybkości przepływu gazu i poziomu obserwacji nad cewką. Te parametry zależą od nebulizera jak i rozpuszczalnika próbki.

Nebulizery mogą być gazowe lub ultradziwiekowe. Najczęściej używane są nebulizery krzyżowe Gem Tip, odporne na HF ale zasolenie nie może być większe niż 5%. Przy większych stężeniach stosuje się stożkowe. Nebulizer ultradziwiekowy wymaga małych stężeń, jednak zapewnia o około 10-50 razy większą czułość niż pneumatyczny.

W plazimie czasami mogą powstawać nakładające się jony na przykład HNO₃ jest źródłem jonu (Ar^. N)⁺ o takiej samej masie jak Fe⁵⁴ lub z H₂SO₄ powstaje jon SO₂⁺ o takiej samej masie co Zn⁶⁴. Dlatego wykorzystywanie tego urządzenia wymaga dużego doświadczenia od oznaczajacego.

Metoda absorpcyjnej spektrometrii atomowej (AAS).

Polega ona na wykorzystaniu zdolności atomów danego pierwiastka na pochłanianiu promieniowania elektromagnetycznego o ściśle określonej długości fal hv. Atomy mogą absorbować selektywnie tylko takie promieniowanie, które mogą same emitować. W wyniku absorpcji następuje wzrost energii atomu w myśl równania:

Ep + hv absorpcja Ew

Zasada pomiaru polega na absorpcji przez pierwiastek przeprowadzony w stan atomowy charakterystycznej dla niego linii analitycznej emitowanej przez źródło promieniowania. Natężenie emitowanej linii analitycznej po przejściu przez ośrodek absorpcji zawierający atomy danego pierwiastka ulega zmniejszeniu proporcjonalnie do jego stężenia.

Lampa katodowa - w metodzie AES nie ma tego elementu.

1.Atomizer - najczęściej są płomieniowe (F-AAS) lub elektrotermiczne (ET-AAS). Służy do uwalniania atomów z cząsteczek analizowanych substancji.

2.Monochromator - umożliwia oddzielenie linii analitycznej od innych linii emitowanych zarówno przez źródło promieniowania jak i atomizer.

3.Detektor (fotopowielacz)- przetwarza promieniowanie elektromagnetyczne na sygnał elektryczny lub w nowszych urządzeniach w postaci cyfrowej.

4.Wzmacniacz.

5.Miernik - umożliwia odczyt w skali transmisji, absorpcji lub bezpośrednio w jednostkach stężeń.

Czynniki wpływające na dokładność pomiaru:

-Czynnik aparaturowy - montuje się dodatkowe urządzenia eliminujące zakłócenia np. modulator, system dwuwiązkowy i inne

-Czynniki fizyczne (właściwości roztworów jak gęstość, lepkość , absorpcja niespecyficzna itp.)- eliminuje się przez dodatkowe źródło promieniowania np. lampa deuterowa niezależnie od katodowej, pomiar przy różnych długościach dla danego pierwiastka.

-Czynniki chemiczne - związane z reakcjami w płomieniu, które prowadzą do powstawania związków trudno dysocjujących albo związane są z jonizacją atomów. Eliminujemy je przez dodatek soli lantanu przy oznaczaniu wapnia, magnezu, manganu lub podwyższenie temperatury płomienia np. stosując mieszaninę acetylenu z podtlenkiem azotu.

Chromatografia

Technika rozdzielania składników mieszaniny na podstawie względnych ilości każdej z substancji podzielonej pomiędzy poruszającym się strumieniem płynu, zwanym fazą ruchomą i sąsiadującą fazą stacjonarną. Fazą ruchomą może być gaz, ciecz lub substancja w stanie nadkrytycznym, podczas gdy fazą stacjonarną jest substancja stała albo ciekła. Kinetyczny ruch cząsteczek prowadzi do nieustannej wymiany substancji pomiędzy obie fazy. Jeżeli, dla danej substancji, podział jest bardziej korzystny dla poruszającej się fazy stacjonarnej, cząsteczki spędzą większość czasu migrując ze strumieniem tej fazy i będą oddzielone od innych składników, których cząsteczki są dłużej zatrzymane przez fazę stacjonarną. Dla poszczególnych substancji, stosunek czasu spędzonego w obszarze fazy ruchomej i stacjonarnej jest równy stosunkowi ich stężenia w tych obszarach, i określany jest jako stała podziału (w przypadku fazy stałej często stosowany jest termin izoterma adsorpcji).

Badana mieszanina jest wprowadzona do układu w postaci wąskiej strefy (punkt wyjściowy), po czym substancje są transportowane z różną szybkością zgodnie z kierunkiem przepływu fazy ruchomej. Siłą napędową migrującej substancji jest poruszająca się faza ruchoma, a siłą przytrzymującą jest powinowactwo substancji do fazy stacjonarnej; kombinacja obu tych sił, kontrolowana przez analityka, prowadzi do rozdzielenia składników mieszaniny na poszczególne substancje. Podział substancji opisuje współczynnik pozdziału KD, definiowany jako stosunek masy substancji w równych objętościach fazy ruchomej i stacjonarnej. K_D=C_s/C_m

Cs - masa substancji w jednostce objętości fazy stacjonarnej

Cm - masa substancji w jednostce objętości fazy ruchomej

KD jest stałą, która zależy tylko od badanej substancji, fazy ciekłej i temperatury. Jej wartość nie zależy od rodzaju kolumny. Transport substancji przez kolumnę odbywa się tylko w nieustannie poruszającej się z tą samą prędkością fazie ruchomej. Całkowity czas jaki substancja spędza w kolumnie jest jej czasem retencji

Jako metoda separacyjna, chromatografia ma liczne zalety w porównaniu do starszych technik rozdzielania np. krystalizacji, ekstrakcji za pomocą rozpuszczalnika i destylacji. Pozwala na separację wszystkich składników chemicznych mieszanin wieloskładnikowych bez potrzeby posiadania rozległej wiedzy o liczbie lub względnej ilości obecnych substancji oraz ich rodzaju. Jest uniwersalna ponieważ umożliwia rozdzielanie cząsteczek o różnych rozmiarach, począwszy od wirusów zbudowanych z milionów atomów do najmniejszych ze wszystkich cząsteczek - cząsteczek wodoru, zawierających tylko dwa atomy; co więcej, może być zastosowana przy małych lub dużych ilościach próbek.

Dzięki niektórym rodzajom chromatografii można wykrywać substancje obecne na poziomie pikogramów (10-12 gram), czyniąc metodę znakomitą techniką do oznaczania śladowych ilości, szeroko stosowaną do wykrywania chlorowanych pestycydów w materiałach biologicznych i środowisku, w sądownictwie oraz przy wykrywaniu narkotyków w przypadku nadużyć i w terapeutyce. Jej możliwości rozdzielcze są nieporównywalne do innych metod separacyjnych.

Podział metod chromatograficznych

Metody chromatograficzne klasyfikuje się według następujących kryteriów:

-geometrii układu, rodzaju separacji, mechanizmu zatrzymywania i retencji, rodzaju faz

Geometria

Kolumna chromatograficzna. W układzie chromatograficznym faza ruchoma i stacjonarna umieszczone są w taki sposób, aby migracja składników trwała dłużej wzdłuż niż w poprzek. Istnieją dwie podstawowe geometrie: kolumnowa i planarna. W wersji kolumnowej faza stacjonarna znajduje się w rurce zwanej kolumną. Kolumna z wypełnieniem zawiera cząstki, które albo stanowią albo podtrzymują fazę stacjonarną a faza ruchoma przepływa przez kanaliki przestrzeni międzyziarnowej. Teoria wykazała, że lepsze rezultaty osiąga się stosując bardzo małe cząsteczki, które jednocześnie zapewniają dodatkową pożądaną cechę, a mianowicie że kanaliki są bardzo wąskie. Wpływ przenoszenia masy w fazie ruchomej na rozmycie pasma (piku) zostanie w ten sposób zredukowany (dyskusja na temat przenikania masy i rozmycia pików, efektywności i rozdzielczości oraz teoretyczne rozważania poniżej). Jeżeli faza stacjonarna będzie miała formę cienkiej powłoki albo warstwy, zredukuje to rozmycie pasma spowodowane przenoszeniem masy do fazy stacjonarnej. Cząstki porowate, jako adsorbenty albo nośniki cieczy, mogą mieć głębokie pory, z których niektóre mogą obejmować całą cząstkę. Przyczynia się to do rozmycia pasma. Efekty te mogą być zmniejszone poprzez zastosowanie mikrocząstek ponieważ w ten sposób zostają zmniejszone kanaliki. Alternatywnie, jako wypełnienie można zastosować nieprzepuszczalne makrocząstki, takie jak kulki szklane, pokryte cienką warstwą mikrocząstek. Są to: warstwy porowate, powierzchniowo porowate, albo wypełnienia adhezyjne. W przypadku zmniejszenia wielkości cząstek, zmniejszona musi być także średnica kolumny. Ostatecznie, ilość fazy stacjonarnej jest mniejsza i wielkość próbki musi zostać zredukowana. Metody detekcji powinny więc odpowiadać bardzo małym rozmiarom badanej substancji, a także niezbędne jest większe ciśnienie do tego aby faza ruchoma przepływała przez kolumnę. Skrajnym przypadkiem są mikrokolumny, np. kolumna o długości 35 cm i średnicy wewnętrznej 320 μm wypełniona cząstkami o średnicy 2 μm. Innym rozwiązaniem jest pokrycie wewnętrznej ścianki rurki ze stali nierdzewnej lub stopionej krzemionki o małej średnicy, fazą stacjonarną. Są to kolumny kapilarne (otwarte). Pokrycie może mieć formę cieczy lub ciała stałego. W przypadku gdy fazą ruchomą jest gaz, długa i cienka warstwa fazy stacjonarnej pozwala na uzyskanie lepszych rezultatów. Kolumny takie ze względu na mały opór przepływu wymagają urządzeń wspomagających przepływ strumienia gazu. Kolumny, w których stosuje się ciecz jako fazę ruchomą są krótsze i wymagają dużego ciśnienia wspomagającego przepływ strumienia gazu.

Chromatografia planarna. Komora z dwoma rowkami. Tylko rowek, w którym płytka jest umiejscowiona musi być wypełniony rozpuszczalnikiem gdy równowaga nie jest planowana. Standardowe warunki przed-równowagowe są wtedy gdy płytka umiejscowiona jest w pustym korytku, podczas gdy rozpuszczalnik albo jakakolwiek inna kondycjonowana ciecz znajduje się w innym. Rozwijanie rozpoczyna się po dodaniu rozpuszczalnika do rowka z płytką. Standaryzacja wstępnej równowagi jest możliwa dla płytki z pustym rowkiem, podczas gdy rozpuszczalnik lub każda inna kondycjonowana ciecz znajduje się w drugim rowku. W tym rozwiązaniu faza stacjonarna skonfigurowana jest jako warstwa dwuwymiarowa. W chromatografii bibułowej warstwa lub wąski pasek bibuły służy jako faza stacjonarna. W chromatografii cienkowarstwowej cienka powłoka fazy stacjonarnej złożonej z cząstek ciała stałego związanych razem siłą mechaniczną ze spoiwem, takim jak siarczan wapniowy, pokrywa szklaną albo plastikową płytkę. Jeden koniec płytki zanurzony jest w zbiorniku z fazą ruchomą, która, wskutek sit kapilarnych, porusza się przez złoże prostopadłe do powierzchni fazy ruchomej. Taki ruch kapilarny jest porównywany do dyfuzji substancji rozpuszczonej w fazie ruchomej pod kątem prostym w stosunku do drogi migracji, więc substancja rozpuszczona ograniczona jest do wąskiej dróżki.

Techniki separacyjne.

Rozdzielenie składników próbki może być osiągnięte z wykorzystaniem jednej z trzech technik: analizę czołową, rozwijanie przez rugowanie albo rozwijanie elucyjne.

Analiza czołowa. Ciecz lub mieszaninę gazów wprowadza się do kolumny z wypełnieniem stałym. Mieszanina

pełni rolę fazy ruchomej, a separacja zależy od oddziaływania z fazą stacjonarną i przeistoczenia się każdego ze składników mieszaniny w sorbat . Gdy wypełnienie kolumny zostanie nasycone (np. gdy większa ilość składników nie może już być zaabsorbowana), mieszanina przepływa wtedy w jej pierwotnym składzie. Na początku, gdy metodę te zaczęto stosować, mierzono zmiany stężenia na czole kolumny; stąd nazwa „analiza czołowa”. Najsłabiej sorbowane składniki przechodziły przez kolumnę jako pierwsze i były jedynymi składnikami otrzymanymi w „czystej” formie. Analiza czołowa wymaga „wypukłych” izoterm podziału. Wynikiem tego są piki o ostrych czołach i dobrze uformowanych stopniach.

Rozwijanie przez rugowanie. W technice tej substancja rugująca znajduje się w fazie ruchomej, która może być cieczą lub gazem. Podstawowy wymóg stanowi faza ruchoma, która powinna być bardziej sorbowana niż inne składniki próbki. Zawsze otrzymuje się pojedyncze czyste pasma pierwszego składnika próbki. Podobnie jak w analizie czołowej, technika rugowania wymaga „wypukłych” izoterm. Gdy warunki równowagi zostaną spełnione, wzrost długości kolumny jest nieużyteczny w tej technice ponieważ separacja zależy bardziej od warunków równowagi niż od wymiarów kolumny.

Rozwijanie elucyjne. W technice tej, składniki A i B poruszają się wzdłuż kolumny ze stałym wypełnieniem z szybkością określoną przez ich retencję. Jeżeli różnice sorpcji są znaczne albo kolumna jest dość długa, możliwa jest całkowita separacja składników A i B. Gdy eluent dodawany jest w sposób ciągły kolumnę opuszczają odseparowane obszary lub pasma. Wadą techniki jest bardzo długi okres czasu potrzebny na usunięcie silnie zasorbowanych składników. Trudności te mogą być pokonane przez wzrost temperatury kolumny podczas procesu separacji.

Klasyfikacja w zależności od rodzaju fazy ruchomej Techn Faza ruchoma

Rodzaje próbek i przedziały czułości

a Rodzaj analizowanej próbki Zakres czułości

chromatografia gazowa

Jedną z tych technik jest chromatografia gazowa (GC). Szacuje się, że 10 - 20% znanych związków może być wykrywana za pomocą chromatografii gazowej. Związki, które mogą być analizowane z wykorzystaniem tej metody muszą charakteryzować się wystarczającą trwałością termiczną i odpowiednią lotnością. Jeżeli wszystkie albo niektóre cząstki składników znajdują się w fazie gazowej lub w postaci pary w 400-450 ⁰C albo poniżej tej temperatury, i nie rozkładają się w tej temperaturze, prawdopodobnie mogą być analizowane metodą chromatografii gazowej.

Do chromatografu gazowego dostarczany jest gaz lub gazy odznaczające się wysoką czystością. Jeden z gazów (nazywany gazem nośnym) płynie przez kolumnę do dozownika a następnie do detektora. Próbka wprowadzona jest do dozownika strzykawką albo zewnętrznym urządzeniem dozującym. Dozownik ogrzewany jest zazwyczaj do temperatury 150 - 250 0C, co powoduje odparowanie lotnych składników próbki. Odparowane składniki przenoszone są do kolumny za pomocą gazu nośnego. Temperatura kolumny utrzymana jest przez termostat. Składniki przenoszone są przez kolumnę w stopniu określonym przez ich właściwości fizyczne, a także w zależności od temperatury i zastosowanej kolumny. Badane substancje przepływają przez kolumnę z różną szybkością. Związki, które przepływają najszybciej, opuszczą kolumnę (eluują) jako pierwsze po czym w odpowiedniej kolejności wymywane będą pozostałe składniki. Każdy składnik, który opuści kolumnę wprowadzany jest do detektora. Detektor reaguje na poszczególne składniki próbki i wytwarza odpowiedni sygnał elektroniczny. Wielkość wytworzonego sygnału zapisana jest w systemie danych a następnie wykreślona na chromatogramie, który przedstawia zależność wielkości piku do czasu wymycia składników. Idealny chromatogram zawiera nie zachodzące na siebie, rozmieszczone blisko piki. Czas wymywania oraz wielkość piku są bardzo ważne, ponieważ umożliwiają identyfikację i oszacowanie ilości analizowanych związków w próbce. Wielkość otrzymanego piku jest proporcjonalna do ilości składnika w próbce. Większe piki obserwuje się wtedy gdy rośnie stężenie danego składnika. Jeżeli kolumna i wszystkie warunki jej pracy pozostają nie zmienione, dany związek zawsze przemieszcza się przez kolumnę z tą samą szybkością. Dlatego, analizowany związek może być także rozpoznany na podstawie czasu w jakim przepłynął przez kolumnę (czas retencji). Natomiast identyfikacja związków nie może odbywać się tylko na podstawie ich czasów retencji. Analiza musi być przeprowadzona na czystym związku o znanej ilości co umożliwi określenie jego czasu retencji i wielkość piku. Wartości te mogą być porównane z wynikami nieznanych próbek w celu sprawdzenia obecności żądanych składników (przez porównanie ich czasów retencji) i określenia ich ilości (porównanie wielkości pików). Jeżeli któryś z pików zachodzi na pik sąsiadujący, dokładne określenie związków reprezentowanych przez te piki nie jest możliwe. Jeżeli dwa piki posiadają taki sam czas retencji, dokładna ich identyfikacja także nie jest możliwa. Dlatego w chromatografii zawsze dąży się do tego aby piki nie nakładały się na siebie.

Szczególna zaletą chromatografii cieczowej (HPLC) jest ogromnie szeroki zakres uniwersalności tej techniki rozdzielania. Można ją zastosować do analizy mieszanin prawie wszystkich substancji, zarówno lotnych, jak i nielotnych, trwałych i nietrwałych termicznie itd., pod warunkiem istnienia jakiegokolwiek ich rozpuszczalnika. W nowoczesnym wykonaniu jest techniką rozdzielania, zarówno o wysokiej sprawności (wysoka liczba półek teoretycznych kolumny), jak i o szczególnie wysokiej selektywności, która to, jest uzyskiwana dzięki wykorzystywaniu konkurencyjnych oddziaływań między cząsteczkami rozdzielanych substancji i cząsteczkami eluentu a powierzchnią sorpcyjną fazy stacjonarnej. Często wpływ na selektywność rozdzielania mają też oddziaływania miedzy cząsteczkami rozdzielanych substancji i cząsteczkami eluentu (solwatacja, cofanie dysocjacji, tworzenie tzw. par jonowych itp.). Dysponujemy współcześnie bardzo dużą liczbą różnego rodzaju faz stacjonarnych oraz bardzo czułymi detektorami, o korzystnej charakterystyce pomiarowej i dynamice odpowiedzi oraz oprogramowaniami komputerowymi, zapewniającymi możliwość automatycznego sterowania modułami aparatu i wykonania w sposób dokładny i precyzyjny oznaczeń ilościowych. Niektóre z detektorów umożliwiają też wykonanie identyfikacji jakościowej z wysokim poziomem ufności rezultatu (LC-MS, UV-DAD, LC-NMR). W celu wykonania oznaczeń ilościowych, stosuje się metodę krzywej kalibracyjnej, metodę wzorca wewnętrznego, albo metodę normalizacji, czy dodatku wzorca.

Chromatografia żelowa (GPC) jest techniką rozdzielania substancji, w której wykorzystuje się

niejonowy mechanizm sita molekularnego, nazwany też mechanizmem wykluczania molekularnego. W odróżnieniu od innych rodzajów chromatografii, w chromatografii żelowej rozdziela się substancje prawie wyłącznie wg rozmiarów ich cząsteczek w roztworze. Wykorzystuje się zróżnicowanie dostępności molekuł do porów o zróżnicowanych średnicach, a w konsekwencji - zróżnicowanie w przestrzeni porów wewnątrz ziaren wypełnienia kolumny - drogi i czasu dyfuzji cząsteczek różniących się wielkością i w konsekwencji masą molekularną. Chromatografia żelowa może być też stosowana do oznaczania zawartości tych składników próbki, które posiadają wydatnie wyższą, albo niższą masę cząsteczkową od pozostałej części próbki. Bywa też wykorzystywana w procesie przygotowania próbki, szczególnie, w celu oddzielenia substancji o wyższych masach molekularnych od substancji oznaczanych, np. wyodrębnienie frakcji zawierającej WWA, pestycydy, czy sole metali ciężkich z frakcji lipidów i fosfolipidów, albo kwasów humusowych itp.

Techniki bezrozpuszczalnikowego przygotowania próbek do analizy w chromatografii

1.Ekstrakcja analitów z próbki z wykorzystaniem strumienia gazu

-Bezpośrednie oznaczanie agalitów w strumieniu gazu nośnego, analiza fazy nadpowierzchniowej (HSA).

-Zatrzymywanie analitów na czole chłodzonej kolumny chromatograficznej (WCCT).

-Wykorzystanie techniki wymrażania analitów i ich termicznego uwalniania przed etapem oznaczeń końcowych (CT).

2.Ekstrakcja membranowa

-Bezpośrednie oznaczanie analitów w strumieniu gazu lub cieczy omywających zewnętrzną stronę membrany.

-Zatrzymywanie analitów ze strumienia gazu na warstwie sorbenta i ich uwalnianie w procesie termicznej desorpcji przed etapem oznaczeń końcowych, na przykład: ekstrakcja membranowa połączona z zatrzymywaniem analitów na złożu sorbenta ( MESI); ekstrakcja z wykorzystaniem membrany rurkowej (HFSA) ; ekstrakcja membranowa z zatrzymywaniem analitów (w układzie on-line) na mikrozłożu sorbenta (OLMEM) ; ekstrakcja i zatrzymywanie analitów w membranie (MPT) ; ekstrakcja z wykorzystaniem porowatej membrany polimerowej ( PIME); urządzenie z membraną półprzepuszczalną do pobierania analitów z wykorzystaniem techniki pasywnej

-Wykorzystanie membrany ekstrakcyjnej jako medium zatrzymującego anality w połączeniu z termiczną desorpcja (TMDA).

-Dozowanie analitów do spektrometru mas, spektrometria mas z wlotem membranowym ( MMS).

3,Ekstrakcja do fazy stałej (SPE)

-Wykorzystanie pułapek ze złożem stałego sorbenta, na przykład: technika jednoczesnego wypłukiwania i wychwytywania analitów na złożu stałego sorbenta (PT); techniki jednoczesnego wypłukiwania i wychwytywania analitów na złożu stałego sorbenta z zamkniętym obiegiem strumienia gazu płuczącego( CLSA); mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej (SPME); mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej z fazy nadpowierzchniowej.

-Wykorzystanie odcinka kolumny kapilarnej jako pułapki do zatrzymywania analitów ze strumienia gazu lub cieczy, na przykład: pułapka kapilarna z filmem medium zatrzymującego (CCME); pułapki z filmem medium zatrzymującego o dużej grubości .

4.Ekstrakcja za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym (SFE)

-Wykorzystanie złoża sorbentu wewnątrz igły strzykawki do pobierania próbek analitu( INCAT).

Nowe kierunki analityczne

Kierunki rozwojowe w zakresie technik analiz: a)nowe rozwiązania konstrukcyjne czujników i detektorów, b) wprowadzanie do praktyki analitycznej technik łączonych; c) komputeryzacja, automatyzacja i robotyzacja przyrządów kontrolno- pomiarowych; d) zastosowanie systemów eksperckich; e) miniaturyzacja przyrządów pomiarowych , f) budowa przyrządów pasywnych przeznaczonych do pomiarów in situ w tym również z bezpośrednim odczytem ilości ((stężenia)) analitu; g) wykorzystanie techniki filmowej, dokumentacji fotograficznej oraz systemu informacji geograficznej w ocenie gleb i roślin, i) wykorzystanie metod biologicznych w analityce.

Klasyfikacja metod analitycznych znajdujących zastosowanie w badaniach środowiska

♦ metody manualne - opóźnienie informacji;

♦ metody automatyczne - pomiar ciągły,

Metoda manualna; - polega na poborze próbki badanego materiału bezpośrednio przez Człowieka lub przy pomocy aparatu kontrolowanego przez człowieka. Czas pobierania próbki obrany z góry i ściśle określony. W metodzie manualnej wynik {odpowiedź na pytanie o zawartości zanieczyszczenia) otrzymuje się po upływie znacznego okresu czasu od chwili pobrania próbki (w zależności od oznaczanej substancji i wybranej metodyki Analitycznej).

Metoda automatyczna:

-polega na poborze próbki przez aparat i oznaczeniu stężenia również przez aparat, lecz nie w wyniku przeprowadzenia analizy chemicznej a drogą pośrednią przez pomiar jakiejś charakterystycznej wielkości

fizycznej lub rzadziej) wielkości chemicznej mającej ścisły i znany związek ze stężeniem substancji oznaczanej (np. pomiar absorpcji promieniowania Uv, Vis, IR, pomiar przewodnictwa elektrycznego). W tym wypadku aparat pobierający i analizujący pozostaje pod nadzorem człowieka. Jest to jednak tylko nadzór okresowy polegający na regulacji, naprawach czy też uzupełnianiu zużywających się składników układu. Bezpośredni pobór próbki i jej analiza należy jednak do aparatu. Ponadto metoda instrumentalna daje wynik praktycznie natychmiast po zakończeniu pobierania próbki. Aparaty takie (analizatory i monitory) można jednak bez specjalnych trudności sprzęgać z urządzeniami uśredniającymi podającymi wartości stężeń średnich. Możliwe jest też sprzęganie ich z rejestratorami wykreślającymi w sposób ciągły zmiany stężenia w czasie co pozwoli na wykonanie uśrednienia przez człowieka.

Inny podział

♦metody bezpośrednie - brak etapów przygotowania próbki, - wąskie spektrum,

♦metody pośrednie - możliwość oznaczania niskich zawartości analitów dzięki wprowadzeniu etapu izolacji i wzbogacania agalitów: metody sedymentacyjne; metody izolacyjne, metody aspiracyjne

Pobieranie próbek.

Podstawowe źródła zanieczyszczenia próbek

1.Zanieczyszczenia wtórne z powietrza.

2.Wtórne zanieczyszczenia na etapie rozdrabniania.

3.Wtórne zanieczyszczenia na skutek kontaktu z naczyniem.

4.Wtórne zanieczyszczenia naczyń podczas mycia.

5.Zanieczyszczenia przez odczynniki stosowane w analizie.

6.Zmiana składu roztworów wzorcowych i analitów podczas przechowywania.

Pobieranie i przygotowanie próbek do analiz powinno być przeprowadzone w taki sposób aby próbka była reprezentatywna dla określonej partii badanego materiału. Pobieranie, przechowywanie i przygotowanie próbek do analiz należy wykonywać tak, aby w trakcie tych zabiegów nie dochodziło do zmiany składu chemicznego oraz zanieczyszczenia próbek.

Próbka badanego materiału przeznaczona do analiz może być:

-indywidualna (pierwotna) - pobrana jednorazowo z danego miejsca,

-zbiorcza (ogólna) - to wszystkie próbki indywidualne połączone razem,

-laboratoryjna - niewielka reprezentatywna część próbki zbiorczej, przechowywana w odpowiednich warunkach do czasu wykonania analizy, lub do czasu ewentualnej reklamacji otrzymanych wyników,

-analityczna (próbka do badań) - reprezentatywna część próbki laboratoryjnej przeznaczona do wykonania określonej analizy.

Pobieranie próbek wody w zależności od badanego obiektu:

-w zbiornikach przepływających w systemie otwartym (np. rzeki),

-przepływające w systemie zamkniętym (np. rurociągi)

-w zamkniętych kontenerach

-w zbiornikach otwartych (np. stawy, jeziora)

-z filmu powierzchniowego (zgarnianie)

-z nienasyconej strefy wodnej (lizymetry)

-wód opadowych

Naczynia do pobierania próbek wody powinny zapewnić:

-uniknięcie zanieczyszczenia próbki składnikami tworzywa, z którego naczynie jest zbudowane,

-możliwość mycia ścian naczyń w celu uniknięcia zanieczyszczeń powierzchniowych,

-uniknięcie oddziaływania między próbką i naczyniem

Ogólne pobierania próbek wody i ścieków

W celu pobrania próbek wody należy użyć czystych (w przypadku badań mikrobiologicznych - jałowych) pojemników szklanych lub plastikowych ze szczelnym zamknięciem (korek, nakrętka). Naczynia należy umyć na krótko przed pobraniem prób. Do mycia naczyń szklanych można używać detergentów pod warunkiem, że w badanym materiale nie będzie oznaczany fosfor. Jest on bowiem podstawowym składnikiem większości używanych środków czyszczących. W tym wypadku, do mycia szkła należy użyć detergentów bezfosforowych lub mieszaniny chromianowej. Naczynia plastikowe można pozostawić na 1- 2 dni napełnione roztworem kwasu solnego lub azotowego (c = 1 mol · dm^-3). Po umyciu naczyń należy je kilkukrotnie płukać niewielką ilością wody dejonizowanej.

Rodzaj materiału z jakiego wykonane jest naczynie ma zasadnicze znaczenie dla poprawności uzyskiwanych wyników analiz. Oznaczana w wodzie (ścieku) substancja nie powinna ulegać desorbcji lub adsorbcji na powierzchni naczynia do pobierania prób, ani z nim reagować. Np. niektóre metale mogą ulegać adsorbcji na powierzchni szkła, a związki organiczne na powierzchni plastików; ze szkła mogą być desorbowane pewne ilości sodu i boru. Niektóre związki organiczne mogą reagować z plastikami, natomiast ze szkłem reaguje kwas fluorowodorowy i jego sole.

W trakcie transportu prób do laboratorium oraz ich przechowywania może dochodzić do reakcji chemicznych pomiędzy substancjami zawartymi w wodzie (ściekach) lub do ich przemian biochemicznych. Część tych reakcji może zachodzić dzięki zmianie warunków fizyko-chemicznych zachodzącej po wydzieleniu próby od masy wody lub ścieku. W celu ograniczenia wpływu zmiennych warunków zewnętrznych na właściwości wody (ścieku), naczynie do pobierania i przechowywania prób powinno być wykonane z ciemnego szkła lub z plastiku nieprzepuszczającego promieniowania słonecznego.

Użycie zwykłych pojemników szklanych i plastikowych do pobierania prób wody znajduje zastosowanie tylko na niewielką skalę. Analiza właściwości wody zalegającej na określonej głębokości bez przemieszania z wodą z innych warstw oraz utrudniony dostęp do zbiorników wymuszają zastosowanie różnych przyrządów do pobierania próbek. Najprostszym przyrządem jest butelka z obciążonym dnem wyposażona w uchwyt do zamocowania linki lub drążka. Do selekcjonowania prób w zależności od głębokości zalegania wody można użyć różnych przyrządów np. przyrządu Wereszczagina)

Innym rozwiązaniem jest czerpak Patalasa(rys.2). Jest to naczynie zaopatrzone w uchylne dno i górną pokrywę. Zamocowany na lince czerpak zanurzany jest pionowo w głąb zbiornika z wodą.

Aparat Rittnera (rys.3) składa się z grubościennego szklanego cylindra z centralnie umieszczonym drążkiem. Na drążku umieszczone są wieczka zamykające cylinder od góry i dołu. Dolne wieczko wyposażone jest w kran spustowy do opróżniania aparatu. Wieczko górne dzięki konstrukcji dwóch prętów może poruszać się zamykając lub otwierając aparat Zamknięta wewnątrz cylindra próbka może posłużyć do badań właściwości fizyko-chemicznych wody oraz składu rozpuszczonych gazów.

Opisanymi przyrządami pobierane są próby wody ze studni kopanych bez pompy oraz zbiorników naturalnych i sztucznych. W przypadku zbiorników wodnych próby wody należy pobierać w miejscu poboru wody do wodociągu, na takiej głębokości, na jakiej znajduje się ujęcie wody. Pobranie prób wody ze studni samobijących, studni z pompami i kranów wodociągowych odbywa się przez całkowite napełnienie zamykanych naczyń. Przed pobraniem wody z kranu lub studni z pompą należy wcześniej opłukać wylewkę wodą, pozostawiając na ok. 10 min. całkowicie otwarty zawór, lub pompować w tym czasie wodę przy pełnej wydajności pompy. Próby wody z cieków należy pobierać w miejscu najsilniejszego prądu wody (powyżej kaskad, unikając zastoisk i prądów wstecznych). Próbki wody ze studni głębinowych należy pobierać z warstwy wodonośnej. Ze świeżo wykopanych otworów pobranie wody do analiz może nastąpić po 72 godzinach stałego pompowania wody przy pełnej wydajności pompy.

Sposób i miejsce pobrania próbek ścieków do analiz jest uzależniony od przedmiotu badań. Jeżeli celem analizy jest określenie wpływu zrzutu ścieków na jakość wody w odbiorniku, próbę ścieku należy pobrać na wylocie kolektora i dodatkowo próbki wody powyżej i poniżej wylotu kolektora. Jeżeli ujście ścieków jest ulokowane poniżej poziomu wody w odbieralniku, próbkę ścieku należy pobrać w ostatniej dostępnej studzience rewizyjnej. W przypadku oceny sprawności oczyszczania ścieków przez oczyszczalnię należy pobrać próby ścieku surowego „na wlocie” do oczyszczalni oraz próby wody pościekowej odprowadzanej do odbiornika. Podobnie postępuje się przy ocenie sprawności poszczególnych urządzeń oczyszczalni, przy czym próbki pobierane są w miejscu najintensywniejszego mieszania lub przepływu ścieku.

Niektóre związki chemiczne występujące w wodzie i ściekach są niestabilne, tj. łatwo ulegają przemianom w wyniku reakcji chemicznych i biochemicznych. Często również zachodzi konieczność przechowania próby przez pewien okres czasu. Z tych powodów próby wody i ścieków poddaje się różnym zabiegom utrwalającym. Ich celem jest zachowanie właściwości fizykochemicznych próby w stanie niezmienionym do momentu analizy. (Temperatura, pH, skład gazów rozpuszczonych i niektóre inne parametry ulegają pomimo utrwalania zmianom. Dlatego muszą one być oznaczone tuż po pobraniu próbek.) Najprostszy zabiegiem utrwalającym próbkę jest jej przechowywanie w miejscu zaciemnionym w temperaturze ok. 4^o C. Metoda ta pozwala tylko na krótkotrwałe przechowanie próbki. Dłuższe przechowanie prób możliwe jest po ich zamrożeniu w naczyniach plastikowych w temperaturze -20^o C. Ponadto stosowane są różne substancje utrwalające: kwasy, zasady, substancje hamujące rozwój bakterii, grzybów i glonów, kompleksory. Środki utrwalające nie mogą wnosić do próby dodatkowych ilości badanej substancji; zmniejszać ani zwiększać zawartości różnych frakcji badanych pierwiastków poprzez rozkład, sorpcję, desorpcję lub inne procesy; wpływać na przebieg i dokładność oznaczeń. Utrwalenie próby ma na celu jedynie spowolnienie procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Dlatego pomimo zabiegów utrwalających, analizę badanych parametrów wody i ścieków należy przeprowadzić w możliwie najkrótszym czasie po pobraniu próby.

Pobieranie i przygotowanie próbek odpadów organicznych i nawozów .

Próbki takie należy pobierać szczególnie starannie, ponieważ stanowią one materiał bardzo niejednolity pod względem fizycznym, chemicznym i biologicznym.

Odpady stałe. Próbki indywidualne pobiera się z różnych miejsc pryzmy, gnojowni, itp. Miejsca te powinny być oddalone od brzegów pryzmy od 0,5-1 m i nie powinny wypadać na przeciwko. Z miejsc tych należy odrzucić wierzchnią warstwę, zazwyczaj przesuszoną, odbiegającą swoim składem od reszty. W miejscu pobrania próbki odcina się z czterech stron za pomocą ostrego szpadla ( lub specjalnego próbnika) słup na całą głębokość stosu lub warstwy. Następnie przy pomocy wideł lub ręcznie wybierać z całej głębokości. W zależności od powierzchni pryzmy pobiera się następującą ilość próbek indywidualnych: do 10 m² - 3, 11-20 m² - 5, 21-30 m² - 7, powyżej30 m² - 7 + 1 próbkę na każde 10 m² powyżej 30m². Pobrane próbki indywidualne mieszamy i otrzymujemy próbkę zbiorczą, z której po dokładnym wymieszaniu pobieramy próbkę laboratoryjną o masie 1-2 kg. Aby ograniczyć straty NH₃ w czasie pobierania próbek, zwłaszcza w okresie letnim, prace należy wykonać najlepiej rano lub wieczorem. Próbki laboratoryjne w szczelnych naczyniach należy jak najszybciej dostarczyć do laboratorium. Do każdej próbki laboratoryjnej należy dołączyć opis sposobu pobrania.

Gnojowica. Próbki pobiera się z różnych głębokości zbiorników, po dokładnym wymieszaniu za pomocą specjalnego przyrządu. Zwykle pobiera się kilka próbek indywidualnych, które po wymieszaniu stanowią próbkę zbiorczą, z której pobiera się próbkę laboratoryjną o objętości 1-2 dm³. Aby ograniczyć straty azotu próbkę tą można zalać 10% roztworem kwasu winowego do uzyskania słabo kwaśnego odczynu i przechowywać ją w szczelnie zamkniętym naczyniu. Naczynie ze względu na fermentację i powstawanie gazów należy napełnić najwyżej do ¾ objętości. W laboratorium pobiera się jedna próbkę analityczną do oznaczenia suchej masy oraz próbki, w których bezpośrednio oznacza sie zawartość makro - i mikroelementów. Oznaczenia chemiczne można również wykonać w wysuszonej próbce .

Pobieranie i przygotowanie próbek gleby.

W zależności od celu analizy sposób pobierania próbek glebowych jest różny. Najczęściej pobiera się próbki indywidualne specjalną laską glebową do głębokości 20-25 cm z równomiernie rozmieszczonych miejsc pola. Pobiera się 15-30 próbek indywidualnych z każdego pola o powierzchni 0,5-3,0 ha w zależności od zmienności glebowej. Aby zminimalizować wpływ tej zmienności należy pobierać próbkę zbiorczą z powierzchni pola o podobnej wartości gleby (ten sam typ i rodzaj gleby) i podobnej historii użytkowania. Najlepszym terminem do pobierania próbek glebowych użytkowanych rolniczo jest okres od sprzętu roślin do nawożenia (późne lato i jesień). Z pobranych w ten sposób pojedynczych próbek tworzy się próbkę zbiorczą, z której pobiera się próbkę laboratoryjną o masie ok.0,5 kg. Tak pobraną próbkę umieszcza się w woreczkach foliowych, papierowych, płóciennych lub w specjalnych pudełkach. Do każdej próbki należy dołączyć opis, który powinien zawierać między innymi: miejsce i sposób pobrania próbki, datę i czas pobrania, uprawy oraz rodzaj i dawki nawozów stosowane w ostatnich latach.

Pobieranie i przygotowanie próbek roślin.

W zależności od celu badań pobiera się do analizy całe rośliny lub ich części, takie jak ziarno, słomę, liście, korzenie itp. Podczas pobierania próbek roślinnych do analiz należy zwrócić uwagę na: stadium rozwojowe rośliny, możliwość zanieczyszczeń (pyły przemysłowe, komunikacyjne, nawozy itp.), warunki pogodowe w trakcie pobierania (opady, susza itp.). Technika pobierania prób jest różna dla poszczególnych rodzajów roślin i fazy rozwojowej. W okresie wegetacji próbki indywidualne pobiera się poruszając się po polu tak jak w przypadku pobierania próbek gleby. Próbki laboratoryjne w zależności od gatunku rośliny i rodzaju przyszłych analiz chemicznych należy zapakować w torebki papierowe (najlepiej dwuwarstwowe z wkładką izolacyjną), foliowe, płócienne itp.. Opakowanie powinno być czyste oraz chronić próbki przed ubytkiem masy i zanieczyszczeniem w czasie transportu. Do próbki należy dołączyć metryczkę zawierającą: datę i miejsce pobrania, gatunek i odmianę rośliny, fazę lub organ rośliny oraz powierzchnię z którego była pobrana.

Po dostarczeniu do laboratorium próbki w zależności od rodzaju materiałów rozdrabnia się, suszy, mieli i pobieramy z nich próbki analityczne. Sposób postępowania jest podobny jak z odpadami organicznymi i nawozami naturalnymi.

Mineralizacja substancji organicznych (odpady, nawozy, rośliny).

Oznaczanie składników mineralnych w próbkach roślin, nawozów organicznych i ewentualnie gleb przeprowadza się po ich mineralizacji (spaleniu). Próbki te można mineralizować w sposób tzw „suchy” oraz „mokry”. Spalanie na mokro można przeprowadzać w systemie otwartym i zamkniętym. Wybór sposobu spalania materiału organicznego zależy od tego jakie pierwiastki chcemy oznaczyć w analizowanej próbce oraz od wyposażenia danego laboratorium.

Metody mineralizacji utleniającej na drodze mokrej:

-metoda Kjeldahla (głównie do oznaczania azotu) - mineralizacja poprzez ogrzewanie (na palniku lub w mineralizatorze) ze stężonym kwasem siarkowym z dodatkiem utleniaczy,

-ogrzewanie z kwasem azotowym z dodatkiem kwasu nadchlorowego lub wody utlenionej (fosfor, siarka, bor, metale),

-mineralizacja w kuchence mikrofalowej w kwasie azotowym w zamkniętym naczyniu teflonowym,

-Messinger - mineralizacja w kwasie siarkowym z dodatkiem kwasu nadchromowego,

-Van Slyke -mineralizacja w mieszaninie kwasu chromowego i jodowego,

-mineralizacja za pomocą promieniowania UV po dodaniu K₂S₂O₈, (oznaczanie TOC - automatyczne analizatory),

-metoda Cariusa - mineralizacja w zatopionej rurze z kwasem siarkowym w temp. 300 ⁰C pod podwyższonym ciśnieniem,

-stapianie w bombie Parra z NaNO3, KNO3, Na2CO3, Na2O2.

1.6.2 Metody mineralizacji utleniającej na drodze suchej

-W strumieniu gazu obojętnego z dodatkiem utleniaczy: met Dumasa-Pregla - w strumieniu CO2 wobec CuO (700 0C); met. Kirstena - w strumieniu CO2 wobec NiO ( 1000 0C) ; analizatory CHN - w strumieniu helu z dodatkiem różnych utleniaczy.

-Wobec tlenu - statyczne: w kolbie Schönigera, bomba Parra, zamknięta rura.

-Wobec tlenu dynamiczne: płomień Wickbolda (płomień wodoro-tlenowy), pusta rura (Belcher, Korszun, Denstedt) - metoda popiołowa; rura wypełniona, warunki izotermiczne ( Pregl, analizatory CHN); rura wypełniona, warunki adiabatyczne - mineralizacja zapłonowa.

Spalanie na sucho polega na ogrzewaniu i wyprażeniu substancji organicznej w piecu muflowym (500-550 ^oC) w tyglach porcelanowych, kwarcowych lub platynowych. W trakcie spopielania następuje rozkład substancji organicznej, który prowadzi do ulatniania się z niej pary wodnej, dwutlenku węgla oraz azotu w postaci NO_x i NH₃ . W wyniki takiego procesu mineralizacji otrzymujemy popiół surowy. Popiół surowy zawiera wszystkie składniki mineralne z wyjątkiem azotu.

Spalanie na mokro w systemie otwartym. Metoda ta polega na utlenianiu próbki materiału organicznego w mieszaninie kwasów utleniających. Do mineralizacji najczęściej używa się kwasów mineralnych - HNO₃, HClO₄, H₂SO₄ . Dodatkowo czasami używa się do spalani innych mocnych utleniaczy, takich jak H₂O₂, KMnO₄, K₂Cr₂O₇. Podczas mineralizacji suchej oraz mokrej w układzie otwartym mogą powstawać błędy spowodowane ulatnianiem oznaczanych pierwiastków podczas ogrzewania próbki, lub kontaminacją próbki ze składnikami naczyń, odczynników lub powietrza laboratoryjnego. Ma to istotne znaczenie szczególnie przy oznaczaniu pierwiastków występujących w śladowych ilościach, np. przy oznaczaniu metali ciężkich.

Spalanie na mokro w systemie zamkniętym. Aby uniknąć błędów oznaczania jakie mogą zachodzić w systemie otwartym można mineralizację przeprowadzać w układzie zamkniętym. Mineralizacja mokra w układzie zamkniętym może być przeprowadzona pod chłodnicą zwrotną, w kolbach Kiejdahla i podobnych, a także w specjalnych pojemnikach teflonowych (bombach teflonowych) ogrzewanych tradycyjnie lub przy pomocy mikrofal. Zaletą tego systemu jest możliwość mineralizacji w stosunkowo niskiej temperaturze (do 210^o C) dzięki wytworzonemu ciśnieniu. Zmniejsza się zużycie odczynników, co zmniejsza koszty analiz oraz ogranicza się zanieczyszczenie środowiska. Poza tym unika się strat wskutek lotności oraz błędów kontaminacji próbki. W ostatnich latach mineralizacje w układzie zamkniętym przeprowadza się w kuchniach mikrofalowych. Ten sposób mineralizacji znacznie skraca czas spalania dzięki ogrzewaniu próbki w całej masie oraz poprzez możliwość elastycznego sterowania temperaturą i ciśnieniem w trakcie spalania. Te zalety powodują, że mimo dużych kosztów aparaturowych metoda ta jest coraz częściej stosowana nie tylko do analizy zawartości pierwiastków występujących w śladowych ilościach.

Zasady dobrej praktyki laboratoryjnej w laboratoriach środowiskowych

Celem pracy każdego laboratorium usługowego jest dostarczanie zleceniodawcy , w umówionym czasie i pod ustalonymi warunkami, dokładnych i precyzyjnych wyników analiz, łącznie z udzieleniem gwarancji na jakość badań. Dobra praktyka laboratoryjna wymaga wprowadzenia w laboratorium systemu zarządzania jakością. Do podstawowych, a jednocześnie najbardziej widocznych dla studenta , elementów systemu zarządzania jakością należą : standardowe operacyjne procedury (SOP); procedury badawcze

Standardowe procedury operacyjne

SOP opisują krok po kroku wszystkie działania konieczne i jednocześnie dozwolone w pracy laboratoryjnej. Pojedyncza procedura jest obowiązującym w danym laboratorium dokumentem opisującym dokładnie jedno działanie lub kilka działań nakierowanych na realizację tego samego celu. Do ważnych typów SOP należą :

a)nadzór nad dokumentacją,

b)współpraca z klientem, ochrona praw własności klienta

c)postępowanie z próbkami,

d)procedury obsługi instrumentów , aparatów i sprzętu laboratoryjnego,

e)nabywanie usług i materiałów,

f)działania korygujące i zapobiegawcze,

g)procedury postępowań reklamacyjnych,

h)procedury dotyczące sterowania jakością badań

O kompetencji danego laboratorium decydują:

1.PERSOLNEL - kwalifikacje, szkolenia , dokumentacja

2.WYPOSAŻENIE - ogólne, miarowe, pomiarowe, wzorce fizyczne, komputery

3.ODCZYNNIKI

4.METODY I PROCEDURY

5.WZORCE, SUBSTANCJE DO KALIBRACJI I CERTYFIKOWANE MATERIAŁY ODNIEŚNIENIA

6.STEROWANIE JAKOŚCIĄ

7.SPOSÓB POSTĘPOWANIA Z PRÓBKAMI

8.DOKUMENTACJA

Źródła niepewności wyników analitycznych

♦ niepełne określenie analitu,

♦ pobieranie próbek,

♦ nieilościowy przebieg procesu ekstrakcji/wzbogacania,

♦ zanieczyszczenie próbki w trakcie pobierania próbek i ich przygotowania do analizy,

♦ błąd osobowy związany z odczytem wskazań przyrządów analogowych

♦ brak świadomości/niedoskonały pomiar wpływu warunków środowiskowych na procedurę analityczną,

♦ niepewność przyrządów przeznaczonych do pomiaru masy i objętości;

♦ rozdzielczość przyrządów lub granica wykrywalności,

♦ wartości przypisane wzorcom pomiarowym i materiałom odniesienia,

♦ wartości stałych i innych parametrów otrzymanych ze źródeł zewnętrznych, które są wykorzystywane w obliczeniach,

♦ przybliżenia i założenia upraszczające wprowadzone do procedury pomiaru

♦ błąd przypadkowy

Kontrola jakości prac analitycznych (sterowanie jakością)

Kontrola jakości prac analitycznych dzieli się na kontrolę wewnętrzną i kontrolę zewnętrzna. Kontrola wewnętrzna, w dużym uproszczeniu obejmuje :

-sprawdzenie i kalibracja przyrządów oraz nowo wprowadzanych postępowań analitycznych (walidacja metod),

-kontrola jakości analiz w jednej, lub w kolejnych seriach analitycznych.

Kontrola zewnętrzna polega na międzylaboratoryjnej wymianie oraz równoległym badaniu prób kontrolnych, lub włączeniu się laboratorium do programu kontroli organizowanego przez wyspecjalizowaną jednostkę, z reguły o zasięgu międzynarodowym.

W pracy analitycznej z reguły pojawiają się błędy i całkowite ich uniknięcie jest w praktyce niemożliwe. Kontrola jakości nakierowana jest dlatego na zapobieganie, wykrywanie i usuwanie skutków błędów w postępowaniach analitycznych. Pojecie błędu jest pojęciem statystycznym i do jego oszacowania konieczne jest posłużenie się , prostymi zresztą, metodami z zakresu statystyki matematycznej. Ogólnie mówiąc błąd jest to odchylenie wartości pomierzonej (realnej) od wartości „prawdziwej„ (nie poznawalnej, a wiec idealnej). Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje błędów: błąd systematyczny i błąd losowy. Błąd systematyczny jest to regularne odchylenie wyników (na plus lub minus) od wartości „prawdziwej„. Jego miarą jest tzw. średnia różnica, to znaczy różnica pomiędzy wartością „prawdziwą”, a średnią z powtarzanych wartości pomierzonych (realnych). Błąd losowy jest to odchylenie pomiędzy wartościami powtarzanych pomiarów ( realnych ). Jego miarą jest odchylenie standardowe wyników od wartości średniej ( realnej ). Obydwa błędy decydują o dokładności i precyzji pomiaru.

Podstawowym elementem kontroli wewnętrznej są karty Shewarta. Karta kontrolna stanowi zapis wyników analiz prób kontrolnych, które muszą być obowiązkowo włączane ( w jednym lub dwóch powtórzeniach ) do każdej serii analiz prób testowych. Serie analiz obejmują zazwyczaj 20 - 50 prób testowych. Karta pokazuje rozkład wyników analiz próby kontrolnej wokół wartości średniej wyznaczonej na podstawie przynajmniej 10 niezależnych analiz tej próby, dokonanych przed założeniem nowej karty ( lub przepisanych z karty poprzedniej). Na karcie kolejnych serii analiz prób testowych. Po zakończeniu karty zakłada się nową, przenosząc do niej średni wynik dla wszystkich analiz próby kontrolnej z karty poprzedniej. Karty kontrolne zakłada się oddzielnie dla każdego rodzaju analizy wykonywanej w laboratorium. Dodatkowo można je zakładać dla poszczególnych pracowników, aparatów itd. Sposób zakładania i prowadzenia kart musi być opisany w odpowiedniej standardowej operacyjnej procedurze SOP. Na tak sporządzona kartę nanosimy odczyty pojemności sorpcyjnej gleby dla próby kontrolnej włączanej do kolejnych serii analiz. Żaden z wykonanych i naniesionych do karty 17 wyników dla prób kontrolnych nie wykraczał poza granice ostrzegania, a tym bardziej poza granice kontroli. Można zatem przyjąć, że wszystkie analizy ( i próby kontrolnej i prób analitycznych ) wykonano poprawnie i nie zachodzi konieczność ich powtarzania. Wyniki analiz serii prób są zatem dostatecznie wiarygodne i można je przekazać zleceniodawcy. Gdyby wynik dla próby kontrolnej wykraczał poza granice kontroli wówczas cała seria analiz, do których włączono tę próbę kontrolną, wymagałaby powtórzenia. Po zakończeniu karty dokonuje się podsumowania wyników dla prób kontrolnych (n=17) wyznaczając wartość średnią (X=11,05) i odchylenie standardowe (s=0,77). W sposób podany w przykładzie porównuje się teraz wyniki dla poprzedniej i aktualnej serii prób kontrolnych, korzystając z testu - F (Fishera) i testu-t (Studenta). Obydwa testy wykazują, że wyniki te nie różnią się istotnie i można dokonać ich połączenia. Nowe wartości X(10,91) i s (0,83), dla n=27 wprowadza się do nowej karty kontrolnej tak jak w tabeli 1.2.2.

Kontrola zewnętrzna jakości prac analitycznych

Kontrola zewnętrzna polega na porównaniu wyników uzyskanych we własnym laboratorium z wynikami uzyskanymi w jednym lub w kilku innych laboratoriach. System ten, jeżeli ma charakter zorganizowany określa się jako międzylaboratoryjny program wymiany prób. Programy takie o charakterze komercyjnym, są obecnie najczęściej nadzorowane przez wyspecjalizowane jednostki ( laboratoria ), które zajmują się rozsyłaniem prób ( z dużej całkowicie homogenicznej próby kontrolnej ), zbieraniem wyników analiz, ich opracowywaniem statystycznym i informowaniem uczestniczących laboratoriów o wynikach kontroli. Celem takich programów poza porównaniem laboratoriów ( tzw. test na sprawność ), może być również porównanie metod ,czy wspólne przygotowanie prób referencyjnych lub, certyfikowanych prób referencyjnych . Większość polskich laboratoriów środowiskowych uczestniczy obecnie w międzynarodowym programie wymiany prób WEPAL ( Wageningen Evaluating Programmes for Analytical Laboratories ) zorganizowanym przez Uniwersytet Rolniczy w Wageningen, Holandia. Każde ze współpracujących z programem WEPAL , laboratoriów otrzymuje raz na kwartał 4 próby materiału i oznacza w nich przyjętymi metodami zawartość wybranych składników. Próby są włączane do dowolnych serii analitycznych, tak jak próby testowe. Wyniki są wysyłane do Wageningen i tam następuje ich opracowanie statystyczne z dokonaniem oceny na podstawie testu t i zmiennej Z , a następnie przesyłane ( anonimowo ) do współpracujących laboratoriów. Porównując swój wynik z wynikiem średnim dla wszystkich laboratoriów można dokonać oceny jakości analiz własnych.

WALIDACJA METOD: Walidacja - w naukach technicznych i informatyce działanie mające na celu potwierdzenie w sposób udokumentowany i zgodny z założeniami, że procedury, procesy, urządzenia, materiały, czynności i systemy rzeczywiście prowadzą do zaplanowanych wyników.

-Selektywność i specyficzność, Zakres, Liniowość, Czułość, Granica wykrywalności, Granica oznaczania ilościowego, Odporność na zmiany warunków, Dokładność, Precyzja, powtarzalność, odtwarzalność

Walidacja metod:

- selektywność- stos. wart. sygnału analitycznego (Sy) od badanego parametru do sygnału analitycznego (Sx) od wybranego składnika matrycy (Sel = Sy/Sx) Sel < 100 met. nieselektywna;

- specyficzność- wpływ zmiany łącznego sygnału matrycy wart. analizy. Metoda jest specyficzna jeśli obecne potencjalne w matrycy składniki nie powodują zakłóceń > 1%;

- liniowość- współ. korelacji > 0,95;

- czułość- wart. współcz. kierunkowego linii regresji;

- precyzja- górna granica powtarzalności , górna granica odtwaralności, przedziały ufności dla pojedyn. oznaczenia i dla średnich;

- zakres metody- dolna granica oznaczalności oraz górna granica liniowości;

- dokładność- błąd bezwzględny i względny wartość średniej w laboratorium i międzylaboratoryjnych badaniach oraz w/w błędy stopnia odzysku;

- odporność na zmiany warunków- wpływ odczynników, materiałów pomocniczych, gazów , kolumn, osób, czasu;

- korelacja rezultatu do metody odniesienia- wyznaczenie parametrów regresji oraz ocena stopnia zgodności wyników z metodą odniesienia (zwykle metod bezpośrednich sprawdzonych już).

Etapy postępowania walidacyjnego:

- zakres stosowania metody badań, tzn. określenie zakresu zmienności parametrów badanych próbek oraz zakresu zmienności „matrycy” badanych próbek;

- opracowanie programu badań walidac. z podaniem odpowiednich wartości kryterialnych, wymaganych dla metody;

- zatwierdzenie programu walidacji przez Dyrektora;

- wykonanie badań walid. zgodnie z programem;

- opracowanie wyników badań i przygotowanie pisemnego raportu (czy spełniono war. badań);

- zatwierdzenie raportu przez Dyrektora, równoznaczne z wprowadzeniem metody do bieżącego stosowania w laboratorium.

RAPORT (PRPTOKÓŁ0 Z BADAŃ

Powinien zawierać:

-nazwę i adres laboratorium badawczego, znaki identyfikujące, nazwę i adres klienta, daty przyjęcia wyrobu, rozpoczęcia i zakończenia badań, jakimi metodami było wykonane badanie, sposób pobierania próbek, wykaz wszelkich odchyleń i uzupełnień do przyjętej procedury badań, wyniki badań i obliczeń, informacje o zakresie błędów pomiarowych, podpisy osó upoważnionych.

Etapy analizy elementarnej: przygotowanie i odważenie próbki, podanie próbki do analizy, mineralizacja próbki, usunięcie produktów przeszkadzających, oznaczenie końcowe, obliczanie wyników, oszacowanie błędów i analiza wyników.

Metody mineralizacji. Mineralizacja - przeprowadzenie oznaczanych pierwiastków występujących w skomplikowanych połączeniach organicznych w proste i łatwe do oznaczeń końcowych związki nieorganiczne.

Redukcyjne mokre, Redukcyjne suche, Wady: zawodne, niebezpieczne (wodór), skomplikowane, retencja produktów mineralizacji na węglu, zakłócenia oznaczeń końcowych przez produkty niecałkowitej mineralizacji.

Metody mineralizacji utleniającej na drodze mokrej.

-metoda Kjeldahla (głównie do oznaczania azotu) - mineralizacja poprzez ogrzewanie (na palniku lub w mineralizatorze) ze stężonym kwasem siarkowym z dodatkiem utleniaczy,

-ogrzewanie z kwasem azotowym z dodatkiem kwasu nadchlorowego lub wody utlenionej (fosfor, siarka, bor, metale),

-mineralizacja w kuchence mikrofalowej w kwasie azotowym w zamkniętym naczyniu teflonowym,

-mineralizacja w kwasie siarkowym z dodatkiem kwasu nadchromowego,

-mineralizacja za pomocą promieniowania UV po dodaniu K₂S₂O₈, (oznaczanie TOC - automatyczne analizatory),

Metody mineralizacji utleniającej na drodze suchej: w strumieniu gazu obojętnego z dodatkiem utleniaczy, wobec tlenu - statyczne, wobec tlenu dynamiczne, metoda popiołowa,

mineralizacja zapłonowa.

Stosowane katalizatory i utleniacze: Pt, CuO, kat. Körbla - produkt termicznego rozkładu AgMnO4;Co3O4, V2O5, MnO2, NiO, CeO2. Osadzone na nośnikach: pumeks, porowata krzemionka, korund Horacek - zdolności utleniające:

Co3O4 > MnO2 > NiO > CuO > Cr2O3 > CeO2

Zasady doboru: brak reakcji wypełnienia z rurą do mineralizacji, brak retencji oznaczanych produktów mineralizacji, odporność mechaniczna, wysokie temperatury topnienia, odporność temperaturowa, zdolność zatrzymywania przeszkadzających produktów

mineralizacji.

Trendy w analityce

metodyczne

-analiza specjacyjna wprowadzenie do praktyki analitycznej nowych specyficznych bądź też selektywnych detektorów, analizatorów i monitorówkontrolnej mieszczą się wyniki dla około 20 prób kontrolnych włączanych do

-wyznaczanie sumarycznych wskaźników stopnia zanieczyszczenia danego elementu środowiska uproszczony model określania stopnia zanieczyszczenia środowiska. Przykładem takiego podejścia jest określenie całkowitej zawartości węgla organicznego ( TOC) jako miary ilości związków w próbce

-jednoczesne oznaczanie wielu składników (analitów) z jednej próbki w jednym cyklu

Pomiarowym zastosowanie odpowiednich etapów wstępnego przygotowania pobranych próbek oraz etapu frakcjonowania i/lub separacji na poszczególne frakcje/składniki przed etapem oznaczeń końcowych

-oznaczanie śladowych oraz mikrośladowych ilości agalitów do odpowiednich procedur analitycznych wprowadzane są dodatkowe etapy oczyszczania próbek oraz izolacji i/lub zagęszczania analitów w połączeniu ze zmianą matrycy

APARATUROWY

-techniki sprzężone łączenie przyrządów do przygotowania próbek, separacji składników oraz detektorów w jeden zespół

-prowadzenie pomiarów in situ wprowadzenie do coraz powszechniejszego użytku przyrządów polowych wprowadzenie dozymetrów indywidualnych

-automatyzacja, robotyzacja oraz komputeryzacja procedur i przyrządów analitycznych opracowanie nowych modeli zintegrowanych i inteligentnych przyrządów analitycznych

-miniaturyzacja analizatorów i monitorów szczególne znaczenie dla rozwoju przyrządów pomiarowych, aparatów polowych oraz dozymetrów indywidualnych z większą automatyzacją energetyczną pracy przyrządów

-zdalne pomiary stopnia skażenia np. atmosfery możliwe jest określenie stopnia zanieczyszczenia np. atmosfery na bardzo dużym obszarze budowa przyrządów z bezpośrednim odczytem stężenia agalitu parametr pożądany w przypadku przyrządów przenośnych.

ZIELONA CHEMIA

Termin ZIELONA CHEMIA został po raz pierwszy użyty przez P.T. Anastaza w powołanym do życia w 1991 roku przez Amerykańska Agencje Ochrony środowiska „programie zielona chemia”

W USA w 1997 powołano Instytut Zielonej Chemii.

W Polsce w 2003 roku w na Politechnice Gdańskiej odbyła się I konferencja poświęcona tej problematyce.

-obejmuje nowe podejście do zagadnienia syntezy, przeróbki i wykorzystania związków chemicznych związane ze zmniejszeniem zagrożenia dla zdrowia i dla środowiska.

-W ramach terminu „ZIELONA CHEMIA” funkcjonuje pojęcie „ZIELONEJ CHEMII ANALITYCZNEJ”

-Pojęcie „Zielona Chemia” jest nierozłącznie związane z koncepcją zrównoważonego rozwoju (ekorozwoju) i dążnością do jej realizacji także w trakcie pracy w laboratorium chemicznym oraz w chemicznych zakładach przemysłowych.

Najbardziej znane jest 12 zasad zielonej chemii przedstawione w 1998 roku

I. Zapobieganie (prewencja)

II. Oszczędzanie surowców

III. Ograniczenie zużycia niebezpiecznych związków chemicznych

IV. "Projektowanie" bezpiecznych produktów chemicznych

V. Używanie bezpiecznych rozpuszczalników i odczynników

VI. Efektywne wykorzystanie energii

VII. Wykorzystanie surowców ze źródeł odnawialnych

VIII. Ograniczenie procesów derywatyzacji

IX. Wykorzystanie katalizatorów.

X. Możliwość degradacji

XI. Analityka procesowa w czasie rzeczywistym

XII. Właściwy poziom bezpieczeństwa chemicznego

Parametry decydujące o „zielonym” charakterze analityki chemicznej

-eliminację (lub co najmniej ograniczenie zużycia) odczynników chemicznych a w szczególności rozpuszczalników organicznych z toku postępowania analitycznego;

-zmniejszenie emisji par i gazów oraz ścieków i odpadów stałych wytwarzanych w laboratoriach analitycznych;

-eliminację z toku analizy odczynników o wysokiej toksyczności i/lub ekotoksyczności

-zmniejszenie praco- i energochłonności postępowania analitycznego (w przeliczeniu na 1 analit).

Nowe techniki analityczne,
„ZIELONEJ CHEMII ANALITYCZNEJ”.

-ekstrakcję do fazy stałej (SPE),

-przyśpieszoną ekstrakcję za pomocą rozpuszczalnika (ASE),

-mikroekstrakcję do fazy stacjonarnej (SPME),

-mikroekstrakcję w układzie ciecz-ciecz (MLLE) i inne techniki

-mikroekstrakcyjne,

-ekstrakcję za pomocą ultradźwięków ( ultrasonic extraction),

-ekstrakcję za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym (SFE),

-zautomatyzowane urządzenie do ekstrakcji w aparacie Soxhleta,

-destylację próżniową lotnych związków organicznych ( Volatile

-Organic Compounds - VOC's),

-fluorescencję promieniowania rentgenowskiego ( X-Ray fluoroscence),

-spektrometrię mas z interfejsem membranowym (MIMS),

-detekcję powierzchniowej fali akustycznej (Surface Acoustic

-Wave - SAW) przy oznaczaniu lotnych związków organicznych

-(VOC's),

Płyny w stanie nadkrytycznym

Płynami w stanie nadkrytycznym nazywamy ciecze i gazy o temperaturze i ciśnieniu wyższym od temperatury krytycznej i ciśnienia krytycznego. Powyżej punktu krytycznego zanika granica faz: ciecz- para a utworzona faza wykazuje właściwości pośrednie pomiędzy właściwościami cieczy i gazu. Wysoka ściśliwość powoduje, że można łatwo sterować ich gęstością i zdolnością rozpuszczania substancji poprzez niewielką zmianę temperatury lub ciśnienia, dzięki czemu ciecze nadkrytyczne posiadają zdolność rozpuszczania wielu związków, różniących się masą cząsteczkową i polarnością.

Do zalet techniki ASA należą:

-wysoka selektywność

-granica detekcji rzędu tysięcznych części ppb (dla ET-AAS) i ppb dla F-AAS

-możliwość analizowania ok. 70 pierwiastków

-dobrze opracowane metodyki dla wielu przypadków

Do wad techniki ASA należą:

-konieczność posiadania wielu lamp (jedna lampa do jednego pierwiastka)

-występowanie wielu interferencji i zakłóceń atomizacji

-utrudnione oznaczanie pierwiastków występujących w wysokich stężeniach

Metoda analityczna, w analizie chemicznej sposób wykrywania (metoda analityczna jakościowa) lub oznaczania (metoda analityczna ilościowa) jakiejś substancji. Metodę analityczną charakteryzuje określona czułość, dokładność, precyzja, granica oznaczalności i wykrywalności. Metody instrumentalne są to metody w których sygnał analityczny uzyskuje się za pomocą aparatury pomiarowej.

„zielona chemia” wnosi istotny wkład do zrównoważonego rozwoju ludzkościpoprzez:

-Opracowanie i wdrażanie do produkcji nowych metod oszczędnego przetwarzania surowców naturalnych,

-Redukcję emisji szkodliwych dla środowiska odpadów gazowych ciekłych i stałych,

-Wykorzystanie nowych źródeł energii,

-Dostarczanie nowych bezpiecznych dla człowieka i środowiska produktów

Probka badanego materiału (gleby, wody, odpadów itp.) przeznaczona do analiz może być:

-indywidualna (pierwotna) pobrana jednorazowao z danego miejsca

-zbiorcza(ogólna) to wszystkie probki indywidualne połączone razem

-laboratoryjna-niewielka reprezentatywna czesc probki zbiorczej, przehowywana w odpowiednich warunkach do czasu wykonania analizy lub doc zasu ewentualnej reklamacji otrzymanych wyników

-analityczna (próbka do badan)-reprezetatywna czesc probki laboratoryjnej przeznaczona do wykonania okreslonej analizy

-proba kontrolna- to proba referencyjna przygotowana w danym (jednym) laboratorium, mająca, podobnie jak CPR i PR charakterystyke statystyczna. Używan do kontroli jakosci probki (materialy) musza odznaczac się homogenicznoscia i duża trwaloscią.

-Próba ślepa albo poprawniej oznaczenie ślepe-to postepowanie analityczne przeprowadzone przy braku oznacoznej substancji ale z użyciem materialów (np. sączków) i odczynników (stąd nazwa ślepa odczynnikowa) stosowanych w analizie. Proba ta jestanalizowana w kazdej serii pomiarowej

-Próba testowa (podstawiana ) to proba o znanej prowadzacemu analize (kierownikowi laboratorium badawaczego), ale nieznana (pracownikowi), zawartosci substancji która jest włączona anonimowo do każdej serii prób testowych. Próba ta służy do potwierdzenia kompetencji personelu oraz pośrednio do kontroli proccesu

---