ANALITYKA CHEMICZNA-

Transkrypt

1 ANALITYKA CHEMICZNA- STAN OBECNY I WYZWANIA Jacek Namieśnik Katedra Chemii Analitycznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańsk Ul. G. Narutowicza 11/12, Gdańsk chemanal@pg.gda.pl VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 1

2 Co to jest analityka chemiczna? CHEMIA ANALITYCZNA KONTROLA I ZAPEWNIENIE JAKOŚCI WYNIKÓW ANALITYCZNYCH + = ANALITYKA CHEMICZNA VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 2

3 Nowe rozwiązania i metodyczne w analityce chemicznej Lp. Etapy procedury analitycznej Przykłady 1. Pobieranie próbek Zastosowanie pasywnych technik pobierania próbek analitów 2. Transport i przechowanie próbek Głębokie zamrażanie próbek (~70 C) 3. Izolacja i wzbogacanie analitów Wykorzystanie dodatkowych d czynników wspomagających Oczyszczanie ekstraktów przebieg i wpływających korzystnie na efektywność procesu ekstrakcji Zastosowanie immunosorbentów i sorbentów z nadrukiem molekularnym 4. Rozkład (mineralizacja) próbki Wykorzystanie dodatkowych wyników wspomagających przebieg i wpływających korzystnie na efektywność procesu mineralizacji. 5. Rozdzielanie składników Nowe typy kolumn chromatograficznych: Kolumny monolityczne Kolumny wypełnione immunosorbentami Kolumny wypełnione sorbentem polimerowym z nadrukiem molekularnym 6. Oznaczenia końcowe Wykorzystanie szybkich testów do uzyskiwania informacji (jakościowych i ilościowych) o jakości produktów żywnościowych, poziomu zanieczyszczeń w poszczególnych elementach fizjologicznych człowieka (diagnostyka przy łóżku pacjenta) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 3

4 Wyzwania w zakresie analityki chemicznej BADANY OBIEKT MATERIALNY Pobieranie próbek NADAL KRYTYCZNE (OBARCZONE DUŻĄ NIEPEWNOŚCIĄ) Ś ETAPY PROCEDUR ANALITYCZNYCH Transport i przechowywanie próbek Przygotowanie próbek do analizy DOBRZE ZBADANE I SCHARATKERYZOWANE ETAPY PROCEDUR ANALITYCZNYCH Oznaczenia końcowe Obróbka danych INFORMACJE O SKŁADZIE BADANEGO OBIEKTU MATERIALNEGO VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 4

5 Częstotliwość popełniania ł i błędów na poszczególnych etapach procedury analitycznej -100% -50% -1% 0 +1% +50 % +100% POBIERANIE PRÓBEK TRANSPORT PRZECHOWYWANIE PRZYGOTOWANIE PRÓBEK ANALIZA INSTRUMENTALNA OBRÓBKA DANYCH POMIAROWYCH Kontrola i zapewnienie jakości wyników pomiarowych WYNIK KOŃCOWY ANALIZY VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 5

6 Główne problemy związane z określonymi etapami procedur analitycznych POBIERANIE I PRZECHOWYWANIE PRÓBEK Reprezentatywność zanieczyszczenia próbki Przechowanie: Przekształcenie analitów (zmiana formy chemicznej i postaci fizycznej) Straty t analitów Odzysk analitu OBRÓBKA PROBEK Przekształcenie analitów (zmiana formy chemicznej i postaci fizycznej) Proces oczyszczania ekstraktów Rozdzielanie analitów Identyfikacja OZNACZANIE Detekcja VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 6

7 Nowe strategie badawcze oparte na analityce chemicznej Rozwój NAUK BIOLOGICZNYCH IMPULS do opracowania nowych strategii badań analitycznych VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 7

8 Wykorzystanie analityki chemicznej w badanaich biologicznych Strategia badań Przedmiot badań genomika proteomika transkryptomika matabolomika matabonomika genom (DNA) proteom (skład białkowy) ekspresja genów (RNA) procesy metabolizmu (na poziomie pojedynczej komórki) procesy metabolizmu (na poziomie całego organizmu) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 8

9 Genomika, proteomika, metabolomika Badania w zakresie: Genomiki Proteomiki Transkryptomiki Metabolomiki Peptydomiki... oraz ich INTEGRACJA w formie interdyscyplinarnej BIOMIKI (SYSTEOMIKI) jest niezbędna do zrozumienia procesów biologicznych zachodzących w organizmach żywych. Końcówka -OMIKA (ang. - OMICS) symbolizuje nowe spojrzenie na NAUKI BIOLOGICZNO-CHEMICZNE w celu WYJAŚNIENIA FUNKCJONOWANIA ORGANIZMÓW ŻYWYCH. VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 9

10 Systeomika (biomika) ik nowoczesne strategie badań organizmów żywych T. Bączek, R. Kaliszan, Nowoczesne techniki analityczne w proteomice. W: Miniaturyzacja w analityce (red. Z Brzózka) Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005, str VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 10

11 Badania genomu jako źródło informacji o stanie zdrowia GENOM STAN ZDROWIA Systemy wspomagania procesu decyzyjnego Genotyp Profile cząsteczkowe Dane pacjenta NAUKA LEKI DIAGNOSTYKA PROGNOSTYKA C. Sander, Science, 287, 1977 (2000) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 11

12 Strategia badań w zakresie proteomiki VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 12

13 Schemat blokowy pełnej analizy metabolomicznej GC-MS, CE-LIF, HPLC-LIF Próbka biologiczna Ekstrakcja (do fazy wodnej i/lub organicznej) RP HPLC, LC-MS/MS, CE-MS, UV/ECD/MS ETA AP 1 (przygotow wanie próbki) Cheminformatyczne przetwarzanie danych analitycznych Analiza danych metabolomicznych w ujęciu biologii systemowej (cheminformatyka) ETAP 3 (analiza informatyczna a) bioi ETAP 2 znaczenia nalityczne) (o an M. J. Markuszewski, R. Kaliszan, metabolomika- nowe horyzonty w chemii leków ( red. A.. Jelińska, B. Marciniec), Księga Jubileuszowa, Wydawnictwo KONTEKST, Poznań, 2007, VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 13

14 Wyzwania metodyczne WPROWADZENIE KONCEPCJI ZRÓWNOWAŻONEGO ROZWOJU DO LABORATORIÓW ANALITYCZNYCH ZIELONA CHEMIA ANALITYCZNA Poszukiwanie nowych bezpośrednich technik analitycznych Bezrozpuszczalnikowe techniki przygotowania próbek do analizy NOWE CZYNNIKI EKSTRAKCYJNE Wykorzystanie cieczy jonowych na etapie przygotowania próbek do analizy Zastosowanie wody w stanie podkrytycznym jako dogodnego czynnika ekstrakcyjnego (Subcritical Hot Water Extraction SHWE) CZYNNIKI WSPOMAGAJĄCE OPERACJE I CZYNNOŚCI W LABORATORIUM CHEMICZNYM Zastosowanie promieniowania mikrofalowego Zastosowanie promieniowania ultradźwiękowego Zastosowanie promieniowania UV Miniaturyzacja urządzeń i integracja systemów analitycznych Ocena uciążliwości środowiskowej laboratorium i metodyk analitycznych zastosowanie techniki OCENA CYKLU ŻYCIA (LCA) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 14

15 Techniki bezpośrednie BRAK ETAPU PRZYGOTOWANIA PRÓBEK DO ANALIZY IDEALNE ROZWIAZANIE ALE -ograniczona liczba technik!! -NIE MOŻNA OCZEKIWAĆ, ŻE SZYBKO POJAWIĄ Ą SIĘ Ę NOWE!! VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 15

16 Znane typy technik bezpośrednich: Techniki potencjometryczne (elektrody jonoselektywne- ISE) Spektrometria absorpcji atomowej ze wzbudzeniem bezpłomieniowym (w kuwecie grafitowej) Spektrometria emisyjna (ze wzbudzeniem w indukowanej plaźmie ICP) Neutronowa analiza aktywacyjna (NAA) Spektrometria fluorescencji rentgenowskiej (XRF) Techniki analizy powierzchni i (AES, ESCA, SIMS, ISS) IMMUNOANALIZA (IMA) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 16

17 IMMUNOANALIZA (Immunoassay IMA) Ab + Ag + Ab* AbAg + AbAg* Gdzie: Ab przeciwciało Ag antygen Ag* - znakowany antygen Radioimmunoanaliza Radioimmunoassay RIA Immunoanaliza enzymatyczna Enzymatic Immunoassay EIA Immunoanaliza fluoroscencyjna Fluorescence Immunoassay FIA WYZWANIE: Poszukiwania specyficznych PRZECIWCIAL i nowych typów ZNACZNIKÓW VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 17

18 Zastosowanie immunoanalizy Analityka środowiskowa -Dostępne są zestawy do badań in situ Biochemia Ekotoksykologia i giagnostyma medyczna VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 18

19 Bezrozpuszczalnikowe techniki przygotowania próbek do analizy (ang. solventfree, solventless) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 19

20 Ciecze jonowe- rozpuszczalniki XXI wieku Spełniają wymogi ZIELONEJ CHEMII CIECZE JONOWE - sole zawierające: kation organiczny anion (najczęściej nieorganiczny) W temperaturze pokojowej sole te stanowią ciecze. VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 20

21 Znane są 3 typy cieczy jonowych: Czwartorzędowe sole amoniowe [R x NH 4-x ] + Y - Sole iminiowe R N R N + Y - N + Y - N + R imidazolinowe pirydyniowe Sole fosfoniowe [R + - x PH 4-x ] Y gdzie: x= 1, 2, 3, 4; Y = BF 4, PF 6, NO 3, SbF 6, AlCl 4, CuCl 2 VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 21

22 Terminologia Terminy anglojęzyczne: room-temperature ionic liquid (RTIL); nonaqueous ionic liquid; molten salt; liquid organic salt; fused salt HISTORIA Pierwszą sól amoniową zaliczoną do cieczy jonowych otrzymano w 1914 ( (azotan [C 2 H 5 NH 3 ]+NO - 3 ). VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 22

23 Ciekawe i obiecujące właściwości rozpuszczają związki zarówno nieorganiczne (włącznie z niektórymi skałami i węglem), jak i organiczne (od prostych rozpuszczalników po polimery) są termicznie stabilne: ich temperatura wrzenia jest wysoka, często wynosi powyżej 350 C najczęściej nie mieszają się z wodą są nielotne (bardzo mała prężność par w temperaturze 25 C) rozpuszczają katalizatory, szczególnie kompleksy metali przejściowych, nie uszkadzając jednocześnie ścianek reaktora szklanego czy stalowego VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 23

24 Dla cieczy jonowych charakterystyczny jest zakres temperatury w jakiej j występują w stanie ciekłym. Przyjmuje się, że zakres ten jest większy niż 300 C. ŻADEN Z POWSZECHNIE STOSOWANYCH ROZPUSZCZALNIKÓW NIE JEST CIECZĄ W TAK DUŻYM PRZEDZIALE TEMPERATUR. Właściwości fizykochemiczne powszechnie stosowanych rozpuszczalników Rozpuszczalnik T T [ C] T W [ C] T W- T T [ C] Amoniak Benzen Woda Chloroform Aceton Octan etylu Metanol Heksan Nitrobenzen Dimetyloformamid Ciecz jonowa ~ > >300 TT temperatura topnienia; Tw temperatura wrzenia; (TW TT) zakres temperatur, w którym rozpuszczalnik jest cieczą J. Pernak, Przem. Chem., 79, 150 (2000) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 24

25 Woda w stanie podkrytycznym jako czynnik ekstrakcyjny Subcritical Hot Water Extraction - SHWE VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 25

26 Właściwości fizykochemiczne ditlenku węgla w stanie nadkrytycznym i wody w stanie podkrytycznym Parametr CO 2 H 2 O Możliwość zmiany rozpuszczalności ś analitu krotnie krotnie Główny czynnik wpływający na właściwości T, P T czynnika ekstrahującego Anality podlegające ekstrakcji składniki polarne składniki niepolarne Anality łatwo podlegające ekstrakcji składniki niepolarne składniki polarne Reaktywność analitów niska niska-przeciętna Wzbogacanie analitów (po etapie ekstrakcji) Selektywność ekstrakcji analitów o różnej polarności Selektywność ekstrakcji z próbek o określonym składzie matrycy (np. gleby) Zakres polarności analitów (ε) zazwyczaj łatwe do realizacji przeciętna dobra zróżnicowany poziom trudności dobra słaba VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 26

27 Możliwości ś i wykorzystania wody w stanie podkrytycznym jako czynnika ekstrakcyjnego VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 27

28 Chemia wspomagana promieniowaniem i i mikrofalowym (Microwave Enhanced Chemistry- MEC) Promieniowanie mikrofalowe jest z powodzeniem stosowane jako czynnik wspomagający takie operacje jak: Szybkie podgrzewanie próbki Suszenie próbki Oznaczanie zawartości wody (wagosuszarki mikrofalowe) Utrwalanie próbek materiału biologicznego Spopielanie i stapianie próbek Wzbudzenie analitów w plaźmie (MIP) Przyspieszenie przebiegu reakcji chemicznych Odparowywanie roztworów wodnych Termiczna stabilizacja odpadów Ogrzewanie kolumn chromatograficznych (GC) Ekstrakcja analitów Microwave Assisted Extraction MAE J. Namieśnik, P. Szefer, Ecol. Chem. Eng., 15, (2008) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 28

29 Wykorzystanie promieniowania i i ultradźwiękowego w laboratorium chemicznym (sonochemistry) Promieniowanie ultradźwiękowe (Ultra Sounds US) znalazło już szerokie zastosowanie w laboratoriach chemicznych jako czynnik wspomagający takie operacje i czynności jak: Mineralizacja próbki Rozpuszczanie składników próbki Homogenizacja Wytwarzanie emulsji Filtracja Prowadzenie reakcji chemicznych (derywatyzacja) Wytwarzanie reagenta Oczyszczanie naczyń Odgazowywanie próbki Filtracja EKSTRAKCJA ANALITÓW Ultrasound Extraction USE J. Namieśnik, P. Szefer, Ecol. Chem. Eng., 15, (2008) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 29

30 Miniaturyzacja w chemii analitycznej VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 30

31 Szybkie testy analityczne VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 31

32 Wpływ usytuowania przyrządu ą pomiarowego względem ę badanego obiektu materialnego na opóźnienie czasowe w uzyskiwaniu informacji analitycznej. źnienie czaso owe pomiędzy dwoma kolejnym mi pomiarami i Opó 1 doba 1 godzina 1 minuta 1s On-line At-line Off-line 1s 1 minuta 1godzina 1 doba In-line Opóźnienie czasowe pomiędzy etapem pobierania próbek a uzyskaniem wyniku oznaczenia VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 32

33 Ocena Cyklu Życia (Life Cycle Assessment- LCA) Narzędzie do oceny porównywania uciążliwości stosowanych procedur analitycznych ze względu na: Zużycie odczynników Zużycie energii Emisja zanieczyszczeń Ilość odpadów dó W sposób holistyczny zgodnie z założeniami od kołyski do grobu ( from cradle to the grave ) TO NOWE WYZWANIE I MOŻLIWOŚĆ PUBLIKACJI CIEKAWYCH PRAC! VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 33

34 Ocena cyklu życia rozpuszczalników CED: Cumulative Energy Demand [Całkowite (skumulowane) zapotrzebowanie na energię] Ch. Capello, U. Fischer, K. Hungerbühler, Green Chem., 9, (2007) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 34

35 Wykorzystanie systemów informacji geograficznej w badaniach środowiska Dane wejściowe Mapy Tabele Aktywizatory danych Sieci Teledetakcja Sonary Inne GIS Akwizycja, konwersja, edycja MODUŁ ZARZĄDZANIA BAZĄ DANYCH Pamięć i odtwarzanie Przetwarzanie i analiza System informacji geograficznej Wizualizacja i reporty Dane wyjściowe Raporty Mapy Fotografie Statystyki i tabele Dane dla innych baz danych Dane do modelowania VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 35

36 Wykorzystanie różnych typów danych w systemach informacji geograficznej GIS VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 36

37 Schemat działania mobilnego systemu monitoringu powietrza atmosferycznego na terenie aglomeracji gdańskiej. Stacja monitorująca Sensory pomiarowe GPS GPS GPS GPS GSM/ GPRS Odbiornik GPS Stacja bazowa GSM/GPRS Sieć szkieletowa GSM/GPRS Uwierzytelnianie danych pomiarowych (Fundacja ARMAAG) INTERNET Użytkownik bazy danych Administrator bazy danych Baza danych mobilnego systemu monitoringu Serwer www Politechnika Gdańska VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 37

38 Kontrola i zapewnienie jakości wyników pomiarów analitycznych (Quality Control and Quality Assurance QA/QC) Suchy wynik oznaczenia to nie wynik końcowy analizy! BRAK ODPOWIEDNICH NAWYKÓW znaczenie analizy statystycznej i chemometrycznej umocnienie świadomości, że źródłem informacji jest: x ± NIEPEWNOŚĆ rozpowszechnienie odpowiednich SCHEMATÓW POSTĘPOWANIA przygotowanie i publikacja odpowiednich instrukcji i zaleceń organizacja szkoleń i kursów NOWOCZESNE PRZYRZĄDY SĄ POTRZEBNE ALE TO TYLKO WARUNEK KONIECZNY ABY PRZEPROWADZIĆ BADANIA ANALITYCZNE WARUNKIEM WYSTARCZAJĄCYM JEST: ZROZUMIENIE CHEMIZMU PROCEU ANALITYCZNEGO WŁAŚCIWA INTERPRETACJA WYNIKU KOŃCOWEGO JAKO ŹRÓDŁA INFORMACJI O SKŁADZIE BADANEGO OBIEKTU, ZJAWISK I PROCESÓW W NIM ZACHODZĄCYCH VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 38

39 VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 39

40 Przykłady (bio) sensor- bio (czujnik) negative ionisation - ujemna jonizacja (a nie negatywna jonizacja) positive ionisation - dodatnia d jonizacja (a nie pozytywna jonizacja) supported liquid membranes (SLM) ciekłe membrany osadzone na nosniku (a nie podparte membrany ciekłe!!) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 40

41 Terminologia i analityczna pięta achillesowa polskiej analityki. Kto odpowiedzialny? nauczyciele akademiccy dwa języki: OFICJALNY ŻARGON (bo podobno łatwiej i szybciej się można porozumieć w laboratorium) marketing firm oferujących odczynniki, wyposażenie i sprzęt ę niski poziom wiedzy fachowej przedstawicieli bełkot w informatorach i ulotkach informacyjnych brak słowników analitycznych VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 41

42 PODSUMOWANIE Najważniejsze wyzwania dla analityki chemicznej PROBLEM Zastosowanie mikroukładów (mikrosystemów) Wykorzystanie nowych typów materiałów Nowe typy czujników Wykorzystanie informacji analitycznych WYZWANIE Zbieranie i obróbka danych pomiarowych Miniaturyzacja Pomiar i regulacja mikroprzepływów Nowe strategie automatycznego pobierania (zbierania) próbek Zdalna (bezprzewodowa) kontrola urządzeń Polimery specjalnego przeznaczenia ( z nadrukiem molekularnym lub jonowym) ) Materiały kompozytowe Stopy Biomateriały Pomiary w czasie rzeczywistym Brak etapu kalibracji Różnorodność informacji otrzymywanych z różnych źródeł w tym samym czasie Zastosowanie chemometrii i nowych technik analizy danych (analiza częstotliwości występowania, kalibracja wieloczynnikowa ) VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 42

43 ISEAC 2008 VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 43

44 Ocena i kontrola jakości ś wyników pomiarów analitycznych, (praca zbiorowa pod redakcją P. Konieczki i J. Namieśnika), WNT, Warszawa, 2007 VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 44

45 Kursy organizowane przez Katedrę Chemii Analitycznej, Wydziału ł Chemicznego Politechniki iki Gdańskiej Biotesty w ocenie zanieczyszczenia środowiska Kurs K wysokosprawnej chromatografii cieczowej HPLC Kurs przygotowania próbek do analizy chromatograficznej Kurs chromatografii gazowej - kurs podstawowy Kurs zastosowań chromatografii gazowej - kurs wyższego stopnia Kontrola i jakość wyników pomiarów analitycznych Kurs ABC techniki SPE szczegóły: VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 45

46 Katedra Chemii Analitycznej VIII Konferencja Chromatograficzna, Łódź 46