DOGONILISMY ŚWIAT, czyli o metodzie analitycznej widzącej najmniejszy obszar świata i metrologii w chemii

Transkrypt

1 DOGONILISMY ŚWIAT, czyli o metodzie analitycznej widzącej najmniejszy obszar świata i metrologii w chemii Danuta Barałkiewicz, Anetta Hanć, Izabela Komorowicz, Magdalena Belter, Barbara Markiewicz, Monika Marcinkowska, Adam Sajnóg Pracownia Analizy Spektroskopowej Pierwiastków, Wydział Chemii Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

2

3

4 SPEKTROMETRIA MAS Z PLAZMĄ SPRZĘŻONĄ INDUKCYJNIE, ICPMS

5 ZALETY DETEKTORA ICP-MS Doskonałe granice wykrywalności; Niskie wartości precyzji; Wydajność analityczna, pełne skanowanie od 0-300amu trwa około 0,1 s; Zakres dynamiczny metody 10 9 rzędów wielkości; Badanie stosunków izotopowych(geologia, biologia, medycyna, badania nuklearne); Rozcieńczenia izotopowe; Uniwersalny każda metoda chromatograficzna może zostać podłączona; Automatyzacja.

6 PODSTAWOWE RÓWNANIE IDMS = Y i X i X M M Y X Y Y X R R R R R R m m C C ) ( ) ( Znane : z certyfikatu wzorca izotopowego Znane : z danych IUPAC Znane : ważenie metrologiczne Nieznane muszą być zmierzone ICP-MS

7 SEKWENCJA POMIAROWA Stosunki izotopowe w roztworze wzorcowym są mierzone przed i po pomiarze stosunków izotopowych w mieszaninie próbki i wzorca izotopowego Tło Wzorzec 1% HNO 3 Tło M_1_1 M_1_2 1% HNO 3 Tło Wzorzec Tło Pomiar sygnału tła Wzorzec Pomiar stosunków izotopowych w roztworze wzorcowym M Pomiar stosunków izotopowych w mieszaninie Przemywanie układu pomiarowego roztworem 1% HNO 3

8 PIERWIASTKI & INTERFERENCJE Mg (C 2 ) V (ClO) Cr (ArC/ClO) Fe (ArO/CaO) Ni (ArO/CaO/NaCl) Cu (ArNa, NaCa) Al (CN/CNH, N 2 spread) K (ArH) As (ArCl, CoO) Ca (Ar) Zn (ArMg, CaO) Se (Ar 2, Kr ) Cd (MoO)

9 Gaz reakcyjny ICP-DRC-MS Plazma Możliwości: wysoka czułość Analizator Detektor mas Soczewki skupiające DRC niskie wartości granicy wykrywalności 40 Ar 35 Cl + + NH 3 NH Ar 35 Cl komora DRC liniowość w zakresie kilku rzędów wielkości

10 MOŻLIWOŚCI POŁACZENIA DETEKTORA ICP-MS Z INNYMI TECHNIKAMI FIAS Elektroforeza kapilarna Elektrochromatografia ICP - MS LA GC HPLC - żelowa - anionowymienna - kationowymienna - w układzie faz odwróconych

11 ZALETY POŁĄCZENIA HPLC Z ICP-MS Duże możliwości rozdzielania LC; Niskie granice wykrywalności ICP-MS; Doskonała precyzja Szeroki zakres liniowości; Możliwość analizy izotopowej; Automatyzacja Szybkość przepływu w LC jest kompatybilna z szybkościami podawania próbek w ICP-MS; łatwe połączenie obu technik analitycznych;

12 HPLC-ICP-MS System do specjacji Chromera Komora chłodzona efektem Peltiera Automatyczny podajnik próbek

13 PROCEDURY ANALITYCZNE ROZDZIELANIA FORM SPECJACYJNYCH ARSENU As(III) 1,81 2,22 As(V) Zoptymalizowane parametry procedur analitycznych As(III), As(V) MMA, DMA As(III), As(V), MMA, DMA As(III), As(V), MMA, DMA, AsB Kolumna Rodzaj i stężenie fazy ruchomej 1) 12 mm (NH 4 ) 2 HPO mm NH 4 NO 3 1) 10 mm (NH 4 ) 2 HPO mm NH 4 NO 3 PRP-X mm (NH 4 ) 2 HPO mm NH 4 NO 3 10 mm (NH 4 ) 2 HPO mm NH 4 NO 3 DMA 2,07 MMA 2,60 Elucja izokratyczna ph 8,6 8,2 9,3 9,2 Natężenie przepływu fazy ruchomej 1,2 1,0 1,2 1,0 As(III) 1,84 DMA 2,33 MMA 3,49 As(V) 5,56 Temperatura 16; ; ; 22-24; 30 Objętość dozowanej próbki 75 Czas retencji 1,81 dla As(III) 2,22 dla As(V) 2,07 dla DMA 2,60 dla MMA 1,84 dla As(III) 2,33 dla DMA 3,49 dla MMA 5,56 dla As(V) 1,73 dla AsB 2,06 dla As(III) 2,42 dla DMA 4,19 dla MMA 6,26 dla As(V) AsB As(III) DMA MMA 1,73 2,06 2,42 4,19 As(V) 6,26 Czas analizy 2,5 3,0 6,0 7,0 I. Komorowicz, D. Barałkiewicz, Talanta, 84(2), , 2011

14 ANALIZA SPECJACYJNA CHROMU RPIPC-ICP-MS Aby przeprowadzić analizę specjacyjną chromu w jednej próbce, potrzeba: 50µL próbki; 5,25 ml eluentu oraz dodatkowo raz dziennie 30 ml eleuentu na kondycjonowanie kolumny Cr-EDTA - Cr 2 O 7 2- G. Walkowiak, K. Sęk, D. Barałkiewicz, Analityka, 2, 32-34, 2010

15 CHARAKTERYSTYKA KRZYWYCH KALIBRACYJNYCH Intensywność [cps] R² = 0,9997 R 2 = 0,9998 R 2 = 0,9999 R 2 = 0,9998 R 2 = 0,9998 AsB As(III) DMA MMA As(V) As Stężenie As [µg L -1 ] Cr Intensywność [cps] y [Cr(VI)] = 16028,9805x - 495,6040 R 2 = 0,9999 y [Cr(III)] = ,0922x + 394,5148 R 2 = 0, Stężenie Cr [µg L -1 ] I. Komorowicz, D. Barałkiewicz, Rapid Communications in Mass Spectrometry,28(2)15-168, 2014.

16 PARAMETRY PROCEDUR ANALITYCZNYCH OZNACZANIA FORM SPECJACYJNYCH ARSENU I CHROMU W WODZIE TECHNIKĄ HPLC-ICP-MS Parametry procedury analitycznej Wynik pomiaru AsB As(III) DMA MMA As(V) Cr(III) Cr(VI) Czas retencji [min] 1,73 2,06 2,42 4,19 6,26 1,42 1,92 Selektywność 1,3 1,1 5,1 4,6 3,2 Granica wykrywalności* 0,053 0,045 0,066 0,11 0,095 0,094 0,10 [µg L -1 ] Granica oznaczalności 0,18 0,15 0,22 0,37 0,32 0,28 0,30 [µg L -1 ] Współczynnik korelacji krzywej 0,9997 0,9998 0,9999 0,9998 0,9998 0,9999 0,9999 kalibracyjnej Zakres krzywej kalibracyjnej 0,1-10 0,1-10 0,1-10 0,1-10 0,1-10 0,3-10 0,3-10 [µg L -1 ] Precyzja/czas retencji [%, CV] 0,53 0,56 0,68 0,69 0,21 0,67 0,23 Precyzja/stężenie [%, CV] 2,4 2,01 1,6 0,23 1,56 1,49 1,57 *wartości LOD wyznaczone przy użyciu metody eksperymentalnej I. Komorowicz, D. Barałkiewicz, Rapid Communications in Mass Spectrometry,28(2) , 2014

17 Granica wykrywalności to stężenie analitu dla którego odpowiedź urządzenia pomiarowego jest znacząco różna od sygnału pochodzącego od próbki ślepej lub szumów tła

18 NIEPARAMETRYCZNE METODY WYZNACZANIA GRANICY WYKRYWALNOŚCI

19 NIEPARAMETRYCZNE METODY WYZNACZANIA GRANICY WYKRYWALNOŚCI Metody wyznaczania LOD: - Parametryczne (US EPA, ISO) - Nieparametryczne (NCCLS*) Kiedy zastosować metodę nieparametryczną? - brak informacji nt. rozkładu zmiennych - rozkład zmiennych jest niegaussowski, asymetryczny HOMOSKEDASTYCZNOŚĆ HETEROSKEDASTYCZNOŚĆ NIEREGULARNOŚĆ * The National Committee for Clinical Laboratory Standards (Komitet Standardów dla Laboratoriów Klinicznych)

20

21 SPÓJNOŚĆ POMIAROWA Tabela. Wyniki oznaczania form specjacyjnych chromu w próbkach wody oraz wartości odzysku uzyskane metodą dodatku wzorca (n=3). Próbka rzeczywista Materiał badawczy Woda1 A Woda2 A Woda3 A Woda4 A Cr(III) 0,197 ± 0,015 0,135 ± 0,011 < LOD < LOD Cr(VI) 0,297 ± 0,024 0,552 ± 0,044 0,578± 0,046 1,032 ± 0,082 Próbka Cr(III) 2,47 ± 0,19 2,29 ± 0,18 2,05 ± 0,16 1,99 ± 0,16 wzbogacona B Cr(VI) 2,16 ± 0,17 2,67 ± 0,21 2,58 ± 0,20 3,05 ± 0,24 Odzysk [%] Cr(III) Cr(VI) Cr(III) 100 % 113 % Cr(VI) 93 % 106 % Materiał badawczy stanowiły próbki wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, pobrane z czterech miejscowości położonych w zachodniej i północno-zachodniej części Polski A B Dodatek wzorca, C wz = 2,0 μg L -1 Cr(III) i Cr(VI) D. Barałkiewicz, B. Pikosz, M. Belter, M.Marcinkowska, Accreditation and Quality Assurance 18 (5) , 2013.

22 CECHY WYNIKU POMIARU NIEPEWNOŚĆ POMIARU Diagram Ishikawy identyfikacja źródeł niepewności V k I kalibr. roz.. kalibr. kalibr. T V p III V 0 V p III 4 V p III 1 V p III 5 V p III 2 V p III 6 V T p III 3 T V f. r. V p III 7 STĘŻENIE Cr(VI) WSZYSTKICH ROZT. WZ.; (C wz ) V p II kalibr. V p III V p I kalibr. T kalibr. liniowość T P czułość M Cr Szacowanie niepewności według podejścia bottom-up (zgodnie z GUM) V k II WSPÓŁCZYNNIK KIERUNKOWY KRZYWEJ; a V k III poprawność metody rozdzielczość selektywność rozdzielanie detekcja chromat. integracja sygnałów chromat. POWIERZCHNIA SYGNAŁU ANALIT. Cr(VI) W PRÓBCE; (I p ) powt. sączenia próbki powt. wskazań instrumentu pomiarowego POWIERZCHNIA SYGNAŁU ANALIT. Cr(VI) WSZYSTKICH ROZT. WZ.; (I wz ) powt. przygotowania roztworów wzorcowych powt. wskazań instrumentu pomiarowego STĘŻENIE Cr(VI) [μg L -1 ]; (C a ) Równanie modelowe Barałkiewicz, D., Pikosz, B., Belter, M., Marcinkowska, M. Accreditation and Quality Assurance 18 (5) , 2013.

23 CECHY WYNIKU POMIARU NIEPEWNOŚĆ POMIARU Cr(III) Cr(VI) 2) 1) 18% 3,6 % 9% 15% 43% 8,7 % 18% Podejście bottom-up 66% 10% 21% Cr(III) Cr(VI) 62% 7,8 % 38% 64% 7,9% 36% Podejście single-laboratory validation 1) Próbka wzbogacona C wzb Cr(III) = 1,99 µg L -1 2) Próbka rzeczywista C rz Cr(VI) = 1,03 µg L -1

24 D. Barałkiewicz, M. Kózka, A. Piechalak,B. Tomaszewska, P. Sobczak, Talanta, 79, , 2009 OZNACZANIE Pb I Cd W EKSTRAKTACH KORZENIOWYCH SEC-ICP-MS łubin groch

25 HPLC-ESI-IT-MS n Widma mas otrzymane w wyniku analizy ekstraktów korzeniowych grochu kadm i ołów D. Barałkiewicz, M. Kózka, P. Kachlicki, A. Piechalak, B. Tomaszewska, Int. J. Environ. Anal. Chem., Vol. 88, 13, 2008

26 HPLC-ESI-IT-MS n Widma fragmentacyjne MS 4 jonów molekularnych [M+H]+ o wartościach parametru m/z równych 540, 772 i 1004 odpowiadające PC 2, PC 3 i PC 4 otrzymane z zastosowaniem pułapki jonowej jako analizatora mas PC 2 PC 3 PC 4

27 MOŻLIWOŚCI POŁACZENIA DETEKTORA ICP-MS Z INNYMI TECHNIKAMI FIAS Elektroforeza kapilarna Elektrochromatografia ICP - MS LA GC HPLC - żelowa - anionowymienna - kationowymienna - w układzie faz odwróconych

28 ZALETY POŁACZENIA LA-ICP-MS Bezpośrednia analiza próbek stałych; Analiza wybranych miejsc na próbce; wielkość pola lub μm; Czułość w zakresie mikro- do nanogramów; Możliwość badania profili w głąb próbek; Małe prawdopodobieństwo zanieczyszczenia próbki; Mniejsze interferencje jonów wieloatomowych; Doskonała czułość i stabilność pomiarów; Analiza ilościowa jeśli są odpowiednie standardy.

29 LA ICP MS Ar

30 MERYSTEM WIERZCHOŁKOWY KORZENIA Intensywność *10 6 (cps) Pb Czas (s) Profil akumulacji ołowiu w przekroju podłużnym strefy merystematycznej i podziałów komórkowych korzeni. Komórki czapeczki korzenia, które chronią komórki merystematyczne korzenia przed wnikaniem Pb do tkanek rośliny, jako tło wykresu (zdjęcie) przedstawiono wierzchołek korzenia Intensywność *10 3 (cps) C 208 Pb 13 C A. Hanć, D. Barałkiewicz, A. Piechalak, B. Tomaszewska, B. Wagner, E. Bulska, Int. J. Environ. Anal. Chem., 89, , 2009

31 A. Hanć, A. Piechalak, B. Tomaszewska, D. Barałkiewicz, International Journal of Mass Spectrometry, Vol , 16-22, 2014 ŁODYGA PRZEKRÓJ POPRZECZNY Intensywność *10 3 (cps) Intensywność Pb *10 6 (cps) Pb 208Pb Czas Czas (s) (s) Cd C Pb Intensywność *10 3 Intensywność *10 3 (cps) (cps) Cd C Epiderma Kora pierwotna Walec osiowy

32 ŚCIANA ŻYLNA próbki pobrane z proksymy od chorych z zapaleniem żył Intensywność [cps] Mg (s.zew.) miejsce działania wiązki lasera Intensywność [cps] Ca (s.zew.) Mg (s.wew.) Ca (s.wew.) Czas [s] Czas [s] s.zew Intensywność [cps] Cu (s.zew.) s.wew. Intensywność [cps] Zn (s.zew.) 65 Cu (s.wew.) 68 Zn (s.wew.) Czas [s] Czas [s] A. Hanć, I.Komorowicz, M. Iskra, W. Majewski, D. Barałkiewicz, Anal. Bioanal. Chem. 399, , 2011

33 A. Hanć, A. Olszewska, D. Barałkieiwcz, Microchemical Journal, 110, 61-69,2013 ANALIZA ZĘBÓW MLECZNYCH I STAŁYCH Intesywność [cps] *10 3 Ząb mleczny - korona 25 Na Ca Sr Mg 3, , , , Czas [s] *10 2 Intensywność Mg [cps] Intensywność [cps] * Ząb stały - korona Na Ca Sr K Mg Czas [s] *10 2 Intensywność Mg [cps]

34 WYDZIAŁ CHEMII W październiku 2014 na Wydziale Chemii UAM odbędzie się IV edycja Studiów Podyplomowych "Analityka Chemiczna", których program obejmuje ważne zagadnienia z zakresu nowoczesnej analizy chemicznej. Więcej informacji o programie Studiów Podyplomowych Analityka Chemiczna można uzyskać na stronie internetowej: Osoby zainteresowane prosimy o kontakt. Informacji udzielają: Prof. dr hab. Danuta Barałkiewicz (Kierownik Studiów) danutaba@amu.edu.pl tel. (61) dr Anetta Hanć (Informacje i zgłoszenia) anettak@amu.edu.pl

35 WYDZIAŁ CHEMII Tematyka zajęć: Metrologia chemiczna w praktyce Problemy metodyczne technik spektrometrii atomowej: F-AAS, F-AES, HG-AAS, CV-AAS, ET-AAS Zaawansowane metody spektroskopowe: ICP-MS; ICP-OES System do specjacji: HPLC-ICP-MS, system do analizy próbek stałych: LA- ICP-MS Metody chromatograficzne: GC, HPLC, HPLC- ESI-MS/MS Podstawowe i zaawansowane metody statystyczne Wykorzystanie metod chemometrycznych do wizualizacji zbioru danych

36 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

37 KOSZTY IDMS często jest mylnie uważana za kosztowną technikę analityczną, ze względu na wysokie ceny izotopowo znaczonych wzorców; Euro 1 mg izotopowo znaczonego wzorca 0,1 10 Centów koszt 1 analizy (analiza śladowa) Podstawą do stosowania omówionej techniki jest konieczność posiadania skomplikowanej i kosztownej aparatury.

38 PARAMETRYCZNE METODY WYZNACZANIA GRANICY WYKRYWALNOŚCI komentarze dot. metody: - zbyt uproszczona i mimo tego szeroko stosowana - stały współczynnik 3 - metoda nie rozróżnia LOD i LOB - założenie rozkładu normalnego

39 HPLC-ESI-ITMS n Schemat procedury przygotowania próbki do oznaczania związków tiolowych techniką HPLC-ESI-IT-MS n. groch korzeń, łodyga, liść mycie w wodzie podwójnie destylowanej zamrażanie w ciekłym azocie, przechowywanie w -80 C ESI-IT-MS ekstrakcja 5% SSA w temp. 0 C podwójne wirowanie w temp. 4 C filtracja roztworu znad osadu sączek strzykawkowy 0.45µm P. Sobczak, D. Barałkiewicz, P. Kachlicki, Analityka, 3, 14-17, 2008