Próbki gazowe - anality

Transkrypt

1 Próbki gazowe - anality gazy i pary: gazowe składniki nieorganiczne NO x, SO x, H 2 S, O 3, Hg i in. gazy i pary związków organicznych bardzo lotne, lotne i średniolotne związki organiczne PCB, WWA, dioksyny, furany, pestycydy, weglowodory, freony, terpeny i in. aerozole i pyły: materia organiczna substancje zaadsorbowane na powierzchni: dioksyny, furany, WWA, PCB Metale ciężkie

2 Próbki ciekłe - źródła woda deszczowa, śnieg, lód woda wodociągowa (woda pitna) woda energetyczna (kotłowa) wody powierzchniowe wody głębinowe woda ze strefy nienasyconej woda morska ścieki przemysłowe ścieki niebezpieczne ścieki komunalne film powierzchniowy (rozlewy olejowe)

3 Próbki ciekłe - anality Rozpuszczone gazy i związki nieorganiczne Substancje zawieszone Substancje biogenne Trihalometany Lotne związki organiczne Pestycydy Surfaktanty Metale ciężkie i związki metaloorganiczne Polichlorowane bifenyle, dioksyny i furany Fenole WWA

4

5 Próbki stałe - źródła gleba Osady denne i ściekowe, pyły i aerozole (z elektrofiltrów) lotne pyły ze spalarni stałych odpadów materiał roślinny ściółka leśna odpady niebezpieczne odpady przemysłowe odpady komunalne popioły

6 Próbki stałe - anality związki nieorganiczne: aniony i kationy związki organiczne związki organiczne zaadsorbowane na powierzchni: Dioksyny, PCB, WWA związki ropopochodne związki metaloorganiczne pestycydy

7 Pobieranie próbek środowiskowych do analizy Miejsce poboru próbki Miejsce poboru próbki Miejsce poboru próbki Miejsce poboru próbki Miejsce poboru próbki Próbka reprezentatywna Wykazuje istotne właściwości charakterystyczne dla całego układu 1. Próbki chwilowe 2. Próbki pobierane w sposób ciągły Próbka pierwotna Zanieczyszczenie próbki Utrata lotnych składników Reakcja ze składnikami powietrza Rozkład pod wpływem ciepła lub UV Próbka analityczna

8 Reprezentatywność - przestrzenna - głębokościowa Odniesienie do parametrów środowiskowych -Typ materiału -Stosunki wodne -Meteorologia Heterogeniczność Powtarzalność

9

10

11 zakosami Po przekątnej heksagonalna losowa

12 Wstępna obróbka próbek środowiskowych nadanie odpowiednich cech fizycznych i usunięcie z niej interferentów Większość metod analitycznych wymaga przeprowadzenia próbki do roztworu utrwalenie składu próbki przeniesienie analitów do matrycy odbierającej Łatwość wydobycia z matrycy odierającej wzbogacenie (zatężanie) analitów Anality środowiskowe wystepują jako ślady

13 Zanieczyszczenia Pyłowe PM 10 PM 2,5 Gazowe SO 2, NO x, CO, benzen, LZO (lokalne, regionalne) CO 2, CH 4, NO (globalne)

14 Przygotowanie próbek gazowych Powietrze atmosferyczne Frakcja gazowa Substancje pod postacią gazów i par Związki b. lotne Frakcja pyłowa Cząstki stałe i ciekłe o śr um Pyły biogenne um Pyły antropogenne 0,2 0,8 um Frakcja aerozolowa Związki śr. lotne Filtracja (włókniny filtracyjne polipropylen, poliester, wiskoza i in.) PM-10, PM-5, PM-2,5 (<5um frakcja respirabilna)

15 Pyły/aerozole Filtry z włókna szklanego lub kwarcowego Filtry bibułowe o różnej twardości Filtry bibułowe impregnowane włóknem szklanym Filtry membranowe z teflonu Akrylowe filtry membranowe Poliwęglanowe filtry membranowe Celulozowe filtry membranowe Filtry membranowe z PCV Filtry z mikrowłókna aerozolowego

16 Klasyfikacja lotności bardzo lotne t wrz < 100 o C lotne 100 o C < t wrz < 250 o C średnio lotne 250 o C < wrz < 400 o C nielotne t wrz > 400 o C

17 Analizator PM2,5

18 Strumień powietrza (wymuszony) Przygotowanie próbek gazowych Frakcja PM Analiza Filtr PM Frakcja gazowa Adsorpcja Absorpcja Desorpcja

19 Pobór próbek gazowych Próbka powietrza Metody dynamiczne (aspiracyjne) Metody bierne (dyfuzyjne) Rurki sorpcyjne z filtrem Węgiel aktywny Żele krzemionkowe Kopolimery porowate Próbniki (dozymetry) pasywne Sorbent oddzielony membraną - Sorbenty polimerowe Ciecz w absorberze lub na nośniku Kilka godzin kilka dni

20 Metoda dynamiczna (aspiracyjna) Filtr PM Rurka z sorbentem przepływomierz C = C ads / m 3 Pobór powietrza pompa

21 Metoda bierna (dyfuzyjna) Warstwa dyfuzyjna sorbent samorzutne przenikanie cząsteczek jednej fazy układu w głąb fazy drugiej, spowodowane bezładnym ruchem cieplnym, oraz chaotycznym ruchem cząstek

22 rodzaj wypełnienia próbników rurki absorpcyjne ze stałym sorbentem rurki sorpcyjne wypełnione nośnikiem z ciekłą fazą roztwór absorpcyjny w płuczce pułapka kriogeniczna

23 Desorpcja analitów z sorbentów Desorpcja termiczna Sprzęgnięta z aparaturą pomiarową Ekstrakcja rozpuszczalnikiem Ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym Zatężanie poprzez odparowanie rozpuszczalnika

24 Sorbent anality rozpuszczalnik ekstrakcyjny Węgiel aktywny Żel krzemionkowy Polimery porowate Lotne związki organiczne: Chlorowcopochodne, rozpuszczalniki, octany alkohole Związki polarne: Alkohole, fenole, chlorofenole, chlorobenzeny, aminy Kwasy i zasady organiczne, fenole, związki z wieloma grupami funkcyjnymi Disiarczek węgla, chlorek metylenu, eter Metanol, eter, etanol, woda Eter, heksan, disiarczek węgla, alkohole

25 Przygotowanie próbek wody Zanieczyszczenia rozpuszczone Zanieczyszczenia w postaci zawiesiny (>0,5 um) Filtracja w trakcie pobierania lub zaraz po pobraniu Filtry z PTFE, włókna szklanego, poliwęglanowe, celulozowe Długie przechowywanie próbek prowadzi do Niekorzystnych reakcje chemiczne (utlenianie, redukcja, hydroliza itp.) Reakcji biochemicznych (biodegradacja) Reakcji fotochemicznych (fotoliza)

26 Konserwacja i przechowywanie Schładzanie próbki (0-5 o C) Zamrożenie próbki (-20 o C) Chemiczna konserwacja Obniżanie ph zapobiega wytrącania osadów tlenków i wodorotlenków Dodawanie biocydów (chloroform, HgCl 2, sole Cu(II) ) Derywatyzacja analitów

27 Metody zatężania zanieczyszczeń z wód metody fizyczne metody fizykochemiczne metody chemiczne wymrażanie adsorpcja kompleksowanie destylacja absorpcja tworzenie związków liofilizacja ekstrakcja cieczą trudnorozpuszczalnych ekstrakcja gazem ekstrakcja jonowa

28 Planowanie przygotowania próbki Właściwości fizykochemiczne analitu Prężność par Rozpuszczalność Stała hydrolizy Obecność ładunku Współczynnik podziału Log K Obecność interferentów Związki wielkocząsteczkowe Siarka elementarna Związki zbliżone do analitów

29 Współczynnik podziału A A f. organiczna f. wodna [A]org K = [A]wod Wyrażany jako Log K ow lub Log P

30 Ekstrakcja cieczą - Wszystkie typy związków rozpuszczalnik Składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny. Stopień ekstrakcji zależy od powinowactwa związków do rozpuszczalnika organicznego Związki o wysokim powinowactwie do wody nie są ekstrahowane. Ekstrakcje można prowadzić jedno stopniowo lub kilku stopniowo. Związki obecne w rozpuszczalniku mogą zanieczyszczać próbkę. Rozpuszczalniki: chloroform, chlorek metylenu, toluen, węglowodory, octan etylu próbka

31 Ekstrakcja cieczą - Wszystkie typy związków Składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny. Stopień ekstrakcji zależy od powinowactwa związków do rozpuszczalnika organicznego Związki o wysokim powinowactwie do wody nie są ekstrahowane. Ekstrakcje można prowadzić jedno stopniowo lub kilku stopniowo. Związki obecne w rozpuszczalniku mogą zanieczyszczać próbkę. Rozpuszczalniki: chloroform, chlorek metylenu, toluen, węglowodory, octan etylu

32 Ekstrakcja cieczą - Wszystkie typy związków Składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny. Stopień ekstrakcji zależy od powinowactwa związków do rozpuszczalnika organicznego Związki o wysokim powinowactwie do wody nie są ekstrahowane. Ekstrakcje można prowadzić jedno stopniowo lub kilku stopniowo. Związki obecne w rozpuszczalniku mogą zanieczyszczać próbkę. Rozpuszczalniki: chloroform, chlorek metylenu, toluen, węglowodory, octan etylu

33 Adsorpcja - Wszystkie typy związków Próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem. Zagęszczone związki są następnie uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem. Najczęściej stosowane adsorbenty: węgiel aktywny, polimery porowate, pianka poliuretanowa, wymieniacze jonowe. Adsorbenty te mają wysoką pojemność sorpcyjną, lecz związki mogą ulegać reakcji bądź niecałkowitej desorpcji. adsorbent

34 Adsorpcja - Wszystkie typy związków Próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem. Zagęszczone związki są następnie uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem. Najczęściej stosowane adsorbenty: węgiel aktywny, polimery porowate, pianka poliuretanowa, wymieniacze jonowe. Adsorbenty te mają wysoką pojemność sorpcyjną, lecz związki mogą ulegać reakcji bądź niecałkowitej desorpcji.

35 Adsorpcja - Wszystkie typy związków Próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem. Zagęszczone związki są następnie uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem. Najczęściej stosowane adsorbenty: węgiel aktywny, polimery porowate, pianka poliuretanowa, wymieniacze jonowe. Adsorbenty te mają wysoką pojemność sorpcyjną, lecz związki mogą ulegać reakcji bądź niecałkowitej desorpcji.

36 Ekstrakcja do fazy stałej (ekstrakcja ciecz ciało stałe) SPE (ang. solid phase extraction) Wykorzystanie zjawiska podziału miedzy dwie fazy Anality zatrzymywane na powierzchni złoża sorbentu, pod warunkiem większego powinowactwa do fazy stałej Sorbenty na bazie żeli krzemionkowych lub polimerów

37 Kondycjonowanie (aktywowanie miejsc aktywnych), w zalezności od typu sorbentu Płukanie rozpuszczalnikiem podobnym do matrycy (najczęściej woda) Ładowanie próbki Wymywanie zanieczyszczeń Eluowanie zaadsorbowanych analitów Desorpcja termiczna analitów Mineralizacja całego złoża sorbentu 1. Kondycjonowanie 2. Próbka 3. Przemywanie 4. Eluowanie analitu Odpad Zatężony analit

38 Wypełnienia SPE

39 Na kolumienkach SPE można: izolować od matrycy i zagęszczać różnorodne grupy związków chemicznych w czasie jednej ekstrakcji, przeprowadzać stopniową elucję pozwalającą na uzyskanie jednorodnych grup związków, co minimalizuje problemy w chromatograficznej analizie właściwej, dzięki wysokiemu współczynnikowi podziału i małej objętości eluatu można przeprowadzić bezpośrednią jego analizę bez strat z powodu zagęszczania, co jest bardzo ważną zaletą tej metody, zwłaszcza w analizach śladów, zagęszczać w warunkach polowych duże objętości próbek (np. wody) w kilkumililitrowej kolumience z materiałem sorpcyjnym, co ułatwi transport dużej ilości prób i zabezpiecza nietrwałe anality przed rozkładem w czasie upływającym między pobraniem próbki a jej analizą.

40 Wady: - tło pozostawione przez użyty rozpuszczalnik - konieczność regeneracji złoża przed kolejnym użyciem - czasem małe wartości odzysku analitu, spowodowane oddziaływaniami między sorbentem a substancją analizowaną - zatykanie złoża poprzez zawiesiny obecne w próbce - czasami słaba odtwarzalność spowodowana różnicami między kolejnymi partiami sorbentu.

41 Przygotowanie próbek stałych Przeprowadzanie próbek do roztworu Analiza pierwiastków śladowych Analiza analitów organicznych Roztwarzanie w kwasach (mineraliacja) Spopielanie Ekstrakcja sekwencyjna Ekstrakcja wytrząsanie z rozpuszczalnikiem W aparacie Soxhleta W strumieniu rozpuszczalnika Cieczą w stanie nadkrytycznym Łaźnia ultradźwiękowa, podwyższone ciśnienie i temperatura, środowisko mikrofal

42 Aparat Soxhleta Substancja ekstrahowana nie kontaktuje się w nim z gorącymi parami rozpuszczalnika nie ma zagrożenia bezpowrtonego porywania przez pary rozpuszczalnika estrahowanego analitu cykliczny proces opróżniania zbiornika z rozpuszczalnikiem działa jak mechaniczne płukanie i jednocześnie przyspiesza wymianę rozpuszczalnika w bezpośrednim otoczeniu ekstrahowanej substancji

43 Przygotowanie próbek stałych Rozpuszczanie/Roztwarzanie Sole w ekstrakcji sekwencyjnej (NH 4 Cl, NH 4 OAc, MgCl 2, KNO 3 ) Rozcieńczone kwasy Stężone kwasy utleniające HNO 3, HClO 4, Woda królewska HCl : HNO 3 Ekstrakcja (kilkukrotna) Eter naftowy n-heksan Cykloheksan Czterochlorek węgla Toluen Eter dietylowy Chloroform Chlorek metylenu pomiar Zatężanie (odparowanie), oczyszczanie (SPE) pomiar

44 Pomiar Metody bezwzględne nie wymagające wzorcowania Grawimetria - oznaczanie masy Miareczkowanie objętość titranta Gazometria objętość gazu Kulometria ładunek Termograwimetria ubytek masy

45 Metody względne (porównawcze) Metody porównawcze (większość metod instrumentalnych) wymagają kalibracji względem znanych wzorców Mierzony parametr fizyczny jest funkcją stężenia substancji analizowanej (analitu): Y = f(c) gdzie Y wielkość mierzona, c stężenie analitu Y = c x a gdzie a współczynnik proporcjonalności, wyznaczony w procesie kalibracji

46 Metody względne (porównawcze) Metoda krzywej kalibracyjnej Metoda dodawania wzorca Metoda wzorca wewnętrznego

47 Metoda krzywej kalibracyjnej Roztwory wzorca zewnętrznego Pomiar Y Y = ac +b wyniki c

48 Y Y = ac +b Y Y x c a nachylanie prostej, określa czułość metody im większa zmiana sygnału przy małej zmianie stężenia analitu tym większa czułość pomiaru Gdy b = 0 Y ac Y s ac s próbka standard c x c Y Y s c c s c Y Y s c s

49 Metoda dodatku wzorca Próbka przygotowana do analizy pomiar Wynik Y 0 Do próbki dodajemy wzorzec o znanym stężeniu Y ac 0 Próbka z dodatkiem wzorca pomiar Wynik Y i Y i a ( c cs ) Y Y0 Yi ( c c s ) c c a 0 c Y0cs Y Y i 0

50 Korekta stężenia c w związku ze zmianą objętości W wyniku dodania wzorca zmienia się objętość próbki, stąd: c V V v c Y0cs ( V v) Y ( V v) Y V i 0 Gdzie V objętość próbki v objętość dodanego wzorca Nie potrzebne w przypadku mikroilości Warunki: Zależność Y od c musi mieć przebieg prostoliniowy Wielkość a musi być stała Wielkość b musi być równa 0

51 Metoda wzorca wewnętrznego Próbka przygotowana do analizy pomiar Wyniki: Y 1 - analit Y 2 - wzorzec wew. Do próbki dodajemy wzorzec wewnętrzny Y Y 1 2 a1c1 a c 2 2 Y1 Y 2 a1c a c 2 1 2, a1 a 2 f Współczynnik odpowiedzi Y1 Y 2 f c c 1 2 Warunki: Nie może być obecna w analizowanej próbce Jej sygnał powinien być blisko sygnału analitu, ale wyraźnie rozdzielony od analitu i innych substancji Nie może reagować ani z analitem ani z innymi składnikami

52 Wzorce wzorce przygotowane w laboratorium Wzorce komercyjnie dostępne Materiały odniesienia Certyfikowane materiały odniesienia

53 Opracowanie wyników pomiarów Błędy w analizie Błędy przypadkowe Powodowane zakłóceniami Błędy systematyczne Mają charakter stały, powodują zmianę sygnału zawsze w jednym kierunku Metoda pomiaru, przygotowanie próbki, zanieczyszczenie odczynników Błędy grube Z winy wykonawcy, złe pobranie próbki, zła metoda, złe opracowanie wyników

54 Błąd względny i bezwzględny x stosowane do serii pomiarowych x1 x2 x3... x n n i1 n Błąd bezwzględny E abs różnica pomiędzy wartością zmierzoną x a wartością rzeczywistą n x i E abs x E abs x E abs x Błąd względny E wzgl E x x abs Ewzgl % E wzgl 100

55 Rozkład normalny błędów pomiarowych Rozkład odchyleń (prawdopodobieństwo występowania wyników mniejszych i większych) od wartości rzeczywistej opisuje funkcja Gaussa: f(x) f ( x) 1 exp s 2 ( x ) 2s 2 2 s wartość rzeczywista x wartość mierzona s - odchylenie standardowe 3s 2s s s 2s 3s x

56 Odchylenie standardowe s jest miarą błędu bezwzględnego pomiaru x i Jest miarą odtwarzalności im mniejsza tym wyniki bardziej skupione wokół wartości rzeczywistej i są bardziej precyzyjne w praktyce stosuje się przybliżone odchylenie standardowe s (n < 30) s n i1 ( x i n 1 x) Względne odchylenie standardowe RSD (bezwymiarowe) 2 s RSD 100 x

57 Odchylenie standardowe s Odchylenie standardowe średniej s x s n n i1 ( x i n( n x) 1) 2

58 Przedział ufności Średnia x nie koniecznie musi być wartością rzeczywistą Określa się przedział w którym znajduje się z góry założonym prawdopodobieństwem - przedział ufności L Prawdopodobieństwo że znajduje się w przedziale ufności L - poziom ufności p Najczęściej p przyjmuje się na poziomie 0,95 lub 0,99 Duża liczba pomiarów (n > 20): L x 1.96 n dla p 0,95 L x 2.58 n dla p 0,99 Mała ilość pomiarów (n < 20): L x ts x t współczynnik w tablicy rozkładu Studenta

59 Precyzja Stopień zgodności między wynikami uzyskanymi tą samą metodą i na tej samej próbce przy wielokrotnym powtarzaniu oznaczeń Rozrzut poszczególnych wyników x i przy powtarzanych oznaczeniach n w stosunku do średniej x im większa precyzja, tym mniejszy rozrzut Miarą precyzji jest odchylenie standardowe lub RSD Wynik powtarzalny - powtarzalne analizy w tym samym laboratorium Wynik odtwarzalny - powtarzalny wynik w różnych laboratoriach

60 Dokładność Stopień zgodności pomiędzy wynikiem oznaczonym x i lub średnią x z n oznaczeń a prawdziwą zawartością analitu Miarą dokładności jest błąd bezwzględny E abs x

61 Granice oznaczeń analitów Granica wykrywalności najmniejsze wykrywalne stężenie analitu. Stężenie analitu generującego sygnał Y DL, który może być odróżniony od sygnału ślepej próby Y b (tła). Y DL Y b 3s b Granica oznaczalności stężenie analitu generującego sygnał Y QL znajdujący się w dolnym prostoliniowym zakresie krzywej kalibracyjnej z taką precyzją aby zmienność < 10% Y QL Y b 10s b