CHEMICZNA ANALIZA INSTRUMENTALNA

Transkrypt

1 Oblczena w chem analtycznej Mędzynarodowy Układ Jednostek (SI) jest oparty na sedmu podstawowych jednostkach. CHEMICZNA ANALIZA INSTRUMENTALNA Podstawowe jednostk SI Welkość fzyczna Nazwa jednostk Skrót Masa klogram kg Długość metr m Czas sekunda s Temperatura kelwn K Lczność substancj mol mol Natężene prądu elektrycznego amper A Śwatłość kandela cd Aby wyrazć za pomocą klku cyfr newelką lub dużą wartość welkośc merzonej, stosuje sę przedrostk do nazw jednostek. Przedrostk w jednostkach Przedrostek Skrót Mnożnk tera- T 10 1 gga- G 10 9 mega- M 10 6 klo- k 10 3 hekto- h 10 deka- da 10 1 decy- d 10-1 centy- c 10 - ml- m 10-3 mkro- μ 10-6 nano- n 10-9 pko- p 10-1 femto- f atto- a Masa - jest nezmenną marą lośc mater w obekce. Cężar jest słą przycągana, dzałającą mędzy obektem a otoczenem, główne zemą. Cężar powązany jest z masą relacją: w cężar obektu; m masa; g przyspeszene zemske zawartość lość składnka, wyrażona w jednostkach masy, (objętośc) zawarta w próbce stężene zawartość składnka w ścśle określonej lośc próbk Jeżel znana jest welkość badanej próbk (M) to zawartość (m) stężene (c) mogą być wzajemne przelczane: c w m g m M m cm Roztwory ch stężena Stężene molowe (molowość), c B, substancj chemcznej, B, w roztworze jest równe lczbe mol, n B, tej substancj zawartych w 1 ltrze roztworu. Jednostka stężena molowego to mol/l. c B nb V Stężene procentowe. Powszechne stosowane są trzy sposoby wyrażana stężena w procentach. - procent masowy (m/m) (masa substancj rozpuszczonej / masy roztworu) x 100% - procent objętoścowy (V/V) (objętość substancj rozpuszczonej / objętośc roztworu) x 100% - procent masowo - objętoścowy (m/v) (masa substancj rozpuszczonej [g] / objętość roztworu [L]) x 100% Część na mlon (ppm) część na mlard (ppb) to sposób wyrażana stężena bardzo rozceńczonych roztworów. c ppm masa subs tan cj rozpuszczonej [ mg] masa roztworu [ kg] Dla rozceńczonych wodnych roztworów, których gęstośc w przyblżenu równe są 1.00 mg/l, 1 ppm 1.00 mg/l. Stężene często wyrażane jest w postac px, która oznacza ujemny logarytm dzesętny stężena molowego cząstek X px log[x ] zaletą takej notacj jest możlwość wyrażana stężeń, różnących sę o wele rzędów welkośc, za pomocą małych dodatnch lczb. np. stężene H + = 10-3 mol/l to ph = -log[10-3 ] = 3 1

2 Metody bezwzględne (absolutne) BEZWZGLĘDNE I POŚREDNIE METODY ANALIZY - to metody ne wymagające wzorcowana. Są z reguły oparte na reakcjach chemcznych przebegających całkowce zgodne ze znaną stechometrą. Metoda Grawmetra Mareczkowane Gazometra Kulometra Elektrograwmetra Termograwmetra Welkość merzona masa produktów reakcj strącana objętość ttranta objętość gazu ładunek masa substancj wydzelonej na elektrodze ubytek masy Metody porównawcze - wymagają kalbracj względem znanych wzorców. Należy do nch wększość metod nstrumentalnych, w przypadku których merzony parametr jest funkcją stężena analtu. kalbracja - proces, w którym wyznaczana jest zależność funkcyjna pomędzy merzonym sygnałem a welkoścą określającą lość oznaczanego składnka. Numeryczne wyrażene kalbracj polega na wyznaczenu funkcj pomarowej, F, zwanej także funkcją kalbracyjną. y F(x) W praktyce wyznaczene funkcj kalbracyjnej przebega w trakce procesu kalbracj emprycznej (dośwadczalnej). W tym celu należy: - dokonać szeregu pomarów w roztworach standardowych o różnym stężenu substancj oznaczanej - zwykle 3-10 roztworów - pomar w każdym roztworze standardowym powtarzany jest co najmnej -krotne, a do dalszej nterpretacj wykorzystywana jest ch wartość średna - aby wynk oznaczena uzyskane na podstawe kalbracj były poprawne matryca próbk roztworów standardowych pownna być dentyczna. y x - merzony sygnał (SEM, prąd, natężene promenowana, tp.) - welkość zwązana z loścą oznaczanej substancj (stężene, masa, tp.) Otrzymany drogą eksperymentu zestaw par lczb (x ; y ) x stężene roztworu wzorcowego y uśrednona wartość sygnału stanow dane kalbracyjne. Stężene Cd + [μm] x Średn prąd pku [μa] y Wysokość pku [ A] Sygnał od próbk y = x r = Interpolowane stężene analtu w próbce Stężene [ M] Współczynnk korelacj lnowej Współczynnk korelacj, r, wskazuje na stopeń lnowośc zależnośc mędzy wartoścam x y. r N N x x y y 1 N 1 [( x x)( y y) 1 1/ Zakres możlwych wartośc r wynos 1 r 1. Wartość 1 wskazuje na dealną korelację lnową mędzy x y, podczas gdy wartość 0 wskazuje na brak takej korelacj.

3 Regresja lnowa (y = F(x) = a + bx) Regresja lnowa umożlwa oblczene nachylena, b, punktu przecęca z osą rzędnych, a, ln o najlepszym dopasowanu. W metodze najmnejszych kwadratów, zakłada sę że znaczące są jedyne błędy zwązane z pomarem sygnału (y) natomast błędy zwązane z pomarem stężena (x) można pomnąć. Odchylena poszczególnych punktów w kerunku os y od oblczonej ln regresj nazywane są resztam y. Metoda najmnejszych kwadratów mnmalzuje sumę kwadratów reszt y. mn n 1 ( y ( a bx )) reszty y Odpowedno nachylene, b, punkt przecęca z osą y, a. b N 1 [( x x)( y y) N x x 1 a y bx Stosując dodatkowe równana można ponadto oblczyć: - szacunkowe odchylene standardowe dla nachylena, b, punktu przecęca, a - grance przedzału ufnośc dla mas lub stężeń analtu przy wybranym przedzale ufnośc - grance wykrywalnośc oznaczalnośc analtu. Porównane ze wzorcem - kalbracja jednopunktowa Stężene analtu w próbce, c x, dające sygnał, s x, jest oblczane na podstawe sygnału, s s, otrzymanego dla roztworu standardowego o stężenu, c s, merzonego w tych samych warunkach pomarowych: c x cs s s pod warunkem, że: -stężene analtu w próbce w roztworze standardowym jest podobne - matryca próbk roztworu standardowego jest prawe dentyczna - wyraz wolny lnowej funkcj pomarowej stosowanej metody analtycznej ne różn sę stotne od zera. s x Metoda dodatku wzorca Stężene analtu w próbce jest oblczane na podstawe zmany sygnału po dodanu do próbk wzorca analtu. Objętość dodawanego wzorca pownna być zanedbywalne mała w stosunku do objętośc próbk. Dodatek może być pojedynczy lub welokrotny. Metoda daje prawdłowe wynk, jeżel wyraz wolny lnowej funkcj pomarowej ne różn sę stotne od zera. Metoda dodatku wzorca jest szczególne przydatna gdy odtworzene matrycy próbk jest trudne lub nemożlwe. Metoda dodatku próbk Stężene analtu w próbce jest oblczane na podstawe zmany sygnału roztworu standardowego po dodatku próbk. Metoda jest przydatna gdy stężene analtu w próbce jest bardzo wysoke lub gdy rozceńczene matrycy próbk elmnuje pochodzące od nej nterferencje. Metoda wzorca wewnętrznego Wzorzec wewnętrzny to substancja odnesena, chemczne fzyczne podobna do analtu, której dodaje sę do próbek, wzorców ślepych prób. Wykres kalbracyjny obrazuje zależność stosunku sygnałów analtu wzorca wewnętrznego od stężena analtu. Stosowna jest do elmnacj wpływu parametrów operacyjnych metody na odpowedź analtu. PARAMETRY METOD ANALITYCZNYCH 3

4 PRECYZJA WYBRANYCH METOD ANALITYCZNYCH ZAKRES STOSOWALNOŚCI Technka RSD [%] Analza wagowa Analza mareczkowa Spektrofotometra Woltamperometra mpulsowa Woltamperometra strpngowa ASA płomeń Kulometra Aktywacja neutronowa ICP-MS ppm CZAS POMIARU KRYTERIA WALIDACJI Rozrzut wynków analtycznych Materał Perwastek Lczba laboratorów Lśce tytonu Orental CTA-OTL-1 Cr Cs N Pb Rozstęp wynków μg/g μg/g μg/g μg/g Waldacja metod analtycznych (wg ISO) - to proces ustalana parametrów charakteryzujących sprawność dzałana ogranczeń metody oraz sprawdzene jej przydatnośc do określonych celów. Na ch (parametrów) podstawe określa sę czy metoda spełna stawane przed ną wymagana zwązane z zamerzonym zastosowanem wynków analtycznych. Uwag: - rozstęp wynków analz wykonywanych przez różne laboratora np. uczestnczących w porównanach mędzylaboratoryjnych może sęgać nawet klku rzędów welkośc - generalne, za rozrzut wynków odpowedzalne są błędy analtyczne. Pojece waldacja obejmuje szerszy zakres zagadneń nż testowane, które polega jedyne na znajdowanu błędów neprawdłowośc systemu, tj. różnc pomędzy wynkam spodzewanym a uzyskanym. Waldacja pozwala uzyskać pewność, że proces analzy przebega w sposób rzetelny daje warygodne wynk. 4

5 Podstawowe krytera waldacj: - specyfczność / selektywność - dokładność - precyzja (powtarzalność odtwarzalność) - czułość, zakres lnowość - granca wykrywalnośc - granca oznaczalnośc - elastyczność metody. Badane elastycznośc (stablnośc) metody pownno udowodnć nezawodność analzy po wprowadzenu newelkch (celowych) zman parametrów procesu. Jeżel pomar jest wrażlwy na zmanę warunków to pownny one być odpowedno kontrolowane dokładne opsane w procedurze. Testy stosowane do oceny warygodnośc wynków oznaczena: - zgodnośc wynków oznaczeń równoległych - zgodnośc wynków uzyskanych dwoma nezależnym metodam - wykonane porównań mędzylaboratoryjnych - zastosowane metody dodatku roztworu wzorcowego (odzysk) - porównane uzyskanych wynków oznaczena z wynkam analzy materałów odnesena (CRM) W celu zapewnena odpowednego pozomu pewnośc wynku pomaru stosuje sę zwykle kombnację dwu lub węcej, nezależnych, dobrze scharakteryzowanych metod analtycznych. Elementy składowe systemu kontrol zapewnena jakośc JAKOŚĆ W LABORATORIACH ANALITYCZNYCH Spójność JAKOŚĆ WYNIKÓW POMIARÓW ANALITYCZNYCH Waldacja metod analtycznych Nepewność Materały odnesena Badana mędzylaboratoryjne Organzacje akredytujące ch wzorce jakośc Nazwa organzacj Wzorzec jakośc Organzacja Współpracy Gospodarczej Rozwoju (Organzaton for Economc Cooperaton and Development, OECD) Mędzynarodowa Organzacja Wzorców (Internatonal Standard Organzaton, ISO) Europejsk Komtet Normalzacj (Comté Européen Standard Organzaton, CEN) Brytyjsk Instytut Standaryzacj (Brtsh Standards Insttuton, BSI) Narodowa Służba do Pomarów Akredytacj (Natonal Measurement Accredtaton Servce, NAMAS) Dobra Praktyka Laboratoryjna (GLP) wzorce jakośc ser ISO 9000 ISO Gude 5 ogólne wymagana odnośne fachowośc w kalbrowanu testowanu laboratorów sera EN 9 000; sera EN wzorzec jakośc BS 5750; sera BS 7500 NAMAS PRÓBKA OBIEKT POMIARU SYGNAŁ WYNIK POMIARU WYNIK ANALIZY PRZYGOTOWANIE PRÓBKI POMIAR REJESTRACJA/OCENA KALIBRACJA INTERPRETACJA INFORMACJA PROCES ANALITYCZNY SYSTEM POMIAROWY ZMIENNE UKRYTE POBIERANIE PRÓBKI METODY CHEMO- METRYCZNE PERCEPCJA BADANY OBIEKT STRATEGIA POBIERANIA PRÓBKI ROZWIĄZANIE PROBLEMU PROBLEM 5

6 Obekt badany Próbka Pomar Sygnał Próbka pomnejszona homogenczna Próbka roztworzona - obekt pomaru Sygnał zarejestrowany Wynk analzy Co O 3.4 ± 0.% Al O ± 0.8% SO 54.5 ± 1.5% Ba0 4.6 ± 0.4% PRÓBKA ANALITYCZNA Analza chemczna jest zwykle przeprowadzana dla newelkej częśc obektu badanego nazywanego próbką. Nezbędnym, wstępnym krokem w każdym procese analtycznym jest pobrane próbk. Sposób pobrana próbk decyduje o ostatecznym wynku analzy. BADANY OBIEKT Pobrane próbk - to operacja w wynku, której uzyskwana jest próbka reprezentatywna dla obektu badanego określonego celu analzy -rozróżna sę czynne berne poberane prób. Technka berna jest oparta na swobodnym przepływe cząsteczek analtu z badanego medum do medum ad(ab)sorbującego, w wynku różncy potencjału chemcznego analtu w obu medach. POBRANIE PRÓBKI Bez względu na sposób warunk pobrana próbk analtyk mus być pewen, że próbka analtyczna reprezentuje całość badanego materału. Poberane próbek jest często najtrudnejszym etapem całego procesu analtycznego wprowadza najwęcej błędów. Właścwośc badanego obektu wpływające na sposób pobrana postępowana z próbką: - stan skupena (cało stałe, cecz, gaz) - skład fazowy - jednorodność - welkość - twardość - lotność - trwałość Specjalne technk stosowane są do cągłego poberana próbek oraz do próbek bologcznych mkrobologcznych. 6

7 Welkość próbk, P, którą należy pobrać z obektu cągłego zależy od zakresu oznaczalnośc, A, metody analtycznej zawartośc, G, oznaczanego składnka w próbce: A P G [g] A - zakres oznaczalnośc metody (uwzględna czynnośc zwązane z przygotowanem próbk) G - zawartość oznaczanego składnka w próbce (m x - masa oznaczanego składnka, m y - masa matrycy próbk) mx G m m x y Welkość próbk, n, którą należy pobrać z obektu dyskretnego, N, (np. tabletk) może być określona w sposób uproszczony metodą perwastka kwadratowego: n Bardzej warygodne wynk dają oblczena welkośc próbk oparte o metody statystyczne (rozkład hpergeometryczny, rozkład bnormalny czy twerdzena Bayes a). Metody statystyczne wymagają przyjęca pozomu ufnośc oraz określena jaka lość obektów pobranych do analzy może przekraczać granczne stężene oznaczanej substancj. N STRATEGIE POBIERANIA PRÓBKI Losowe poberane próbek - próbk są poberane w sposób losowy z całego obektu badanego (duża lczba próbek). Systematyczne poberane próbek - próbk są poberane w oparcu o zadany schemat geometryczny lub czasowy. Warstwowe poberane próbek - obekt badany dzelony jest na szereg częśc (warstw), z każdej warstwy dalsze poberane próbek odbywa sę w sposób losowy. Reprezentatywne poberane próbek - podobne jak dla metody warstwowej badany obekt dzelony jest na szereg warstw, ale poberane próbek z warstw jest prowadzone tak aby każda warstwa była reprezentowana proporcjonalne do swojej welkośc. ETYKIETOWANIE PRÓBEK - pojemnk z próbkam muszą być zaopatrzone w etykety zawerające następującą nformację: - mejsce pobrana próbk (dokładna lokalzacja) - czas pobrana próbk (data, godzna) - lość pobranych próbek (szczególne w przypadku poberana welu próbek) - metoda stablzacj lub konserwacj próbk - dla jakej metody analtycznej próbka jest pobrana - nformacje dodatkowe (kto pobrał, ops próbk, td.) PRZECHOWYWANIE PRÓBEK Próbk pownny być analzowane najwcześnej jak to jest możlwe. Jeżel koneczne jest przechowywane stosowane są następujące warunk: - obnżona temperatura, do ok. 4 C - głęboke zamrożene do -0 C (-40 C), a nawet temperatury cekłego azotu - loflzacja - zastosowane stablzatorów (konserwantów) oraz nnych substancj przecwdzałających zmanom składu próbk np. zakwaszene - metoda zapobegana adsorpcj śladów metal cężkch na ścanach naczyna. OPERACJE PRZYGOTOWANIA PRÓBKI - homogenzacja pomnejszane - suszene lub loflzacja - rozdrabnane (materały lte: młyny agatowe; materały bologczne: homogenzatory chłodzone cekłym azotem) - podzał próbk - rozkład próbek (spopelane, rozpuszczane, roztwarzane, stapane spekane) - rozdzelane zatężane (ekstrakcja, wymana jonowa, zatężane na nośnku, ekstrakcja do fazy stałej) - odważane odmerzane 7

8 MINERALIZACJA MOKRA (w systeme otwartym) - polega na ogrzewanu próbk w kwasach utlenających, które roztwarzają jej składnk neorganczne, a organczne utlenają do CO, wody nnych lotnych produktów. Najczęścej stosowane kwasy ch meszanny to: HNO 3 + H O HNO 3 + H SO 4 HNO 3 + 3HCl HNO 3 + HClO 4 HF HNO 3 + HF HClO 4 - próbk bologczne - unwersalna - woda królewska - unwersalna - próbk bologczne, wybuchowa - próbk neorganczne - unwersalna - próbk bologczne, wybuchowa ŹRÓDŁA BŁĘDÓW PODCZAS ROZPUSZCZANIA Necałkowte rozpuszczene próbk - w dealnym przypadku stosowany odczynnk pownen rozpuścć całą próbkę, a ne tylko sam analt. Próby loścowego wyługowana analtu z nerozpuszczonej pozostałośc są zwykle neudane. Straty analtu przez ulatnane - podczas rozpuszczana w stężonych kwasach ulatnają sę: CO ; SO ; H S; H Se; H Te; SF 4 BF 3. Z gorącego HCl ulatnają sę: SnCl 4 ; GeCl 4 ; SbCl 3 ; AsCl 3 HgCl. Obecność jonów Cl - w H SO 4 HClO 4 powoduje straty lotnych zwązków: B; Mn; Mo; Tl; V Cr. Wprowadzane analtu jako zaneczyszczena rozpuszczalnka - zwykle masa roztworu potrzebnego do rozpuszczena próbk przekracza masę próbk o jeden lub dwa rzędy welkośc. Reakcje rozpuszczalnka ze ścanam naczyna - szczególne stotne w analze śladów. MINERALIZACJA UV - stosowana do próbek cekłych zawerających substancje organczne. Próbka naśwetlana jest lampą kwarcową ( W; 50 nm). Zwykle do próbk dodaje sę substancję utlenającą: H O lub/ HNO 3. MINERALIZACJA MIKROFALOWA - podobna do mneralzacj na mokro w kwasach, ale energa jest dostarczana bezpośredno do próbk. Do roztwarzana mkrofalowego stosuje sę zwykle fale 450 MHz moc W. Próbka adsorbuje energę mkrofal w stopnu zależnym od wsp. pochłanana: 0.6 kwarc; 1.5 teflon; szkło boro-krzemowe; 1570 woda. STAPIANIE Trudne do roztworzena materały (skały mnerały tlenkowe fosforanowe, krzemanowe glnokrzemanowe, czy nektóre stopy żelaza) są zamenane w łatwo rozpuszczalne zwązk na drodze stapana z topnkam. Ze względu na korozyjne dzałane topnka stapane prowadz sę w możlwe krótkm czase w jak najnższej temperaturze. SPIEKANIE -to rozkład próbek przy użycu mnmalnej lośc topnka w temperaturze nższej nż temperatura stapana. Spekane prowadz sę z Na CO 3 lub meszanne Na CO 3 + K CO 3 z dodatkem CaO, MgO ZnO względne Na O. Wadą obu procesów jest znaczna kontamnacja, wprowadzene do próbk znacznej zawartośc sol straty składnków lotnych. METODY ROZDZIELANIA I ZATĘŻANIA -dwe całkowce wymeszane substancja mogą zostać rozdzelone jeżel różną sę co najmnej jedną właścwoścą fzykochemczną. Podstawa rozdzelana Lotność Współczynnk podzału Równowaga wymany Aktywność powerzchnowa Geometra cząsteczk Mgracja Rozpuszczalność Potencjał rozkładu Metoda Destylacja, Rafnacja Chromatografa, Ekstrakcja Wymana jonowa Chromatografa, Rafnacja pany Fltracja, Dalza, Elektrodalza Elektroforeza Strącane Elektrolza KONTAMINACJA Kontamnacja (zaneczyszczene) - dotyczy nekontrolowanej zmany stężena oznaczanego perwastka w próbce, która ma mejsce w trakce procesu analtycznego. Kontamnacja jest głównym źródłem nedokładnośc w śladowej analze elementarnej. Problem kontamnacj jest szczególne stotny gdy: - oznaczane stężene jest nższe od 1 ppm - oznaczany perwastek występuje w wysokm stężenu - oznaczany perwastek występuje w lotnych zwązkach. 8

9 ŹRÓDŁA KONTAMINACJI środowsko, urządzena sprzęt laboratoryjny, odczynnk chemczne, personel, mkroorganzmy, tp. Środowsko laboratoryjne personel Prowadzene operacj analzy w czystym pomeszczenu lub komorze z lamnarnym przepływem powetrza. Czyste pomeszczena klasyfkowane są na podstawe lośc cząstek pyłu na ft 3 (klasa: , , ). Czyste pomeszczena stawają skrajne wysoke wymagana wobec personelu - wstęp mają jedyne wysoko wykwalfkowan pracowncy w odpowednm ubranu. np. każdy człowek pozostający w spoczynku emtuje ok cząstek pyłu w cągu godzny, natomast już poruszający sę wolno ok. 0 razy węcej!!! MYCIE SZKŁA LABORATORYJNEGO Przykładowa procedura: 1. umyce w alkalcznym roztworze detergentu. staranne opłukane w wodze dejonzowanej 3. zanurzene w 6 M HCl (60C) przez 3 dn lub przez 7 dn (5C) 4. staranne opłukane w wodze dejonzowanej 5. zanurzene w 6 M HCl (60C) przez 3 dn lub przez 7 dn (5C) 6. klkakrotne opłukane w wodze dejonzowanej 7. kondycjonowane w 0.05 M HNO 3 przez co najmnej 7 dn lub do momentu użyca 8. klkakrotne opłukane w wodze dejonzowanej przed użycem. WZORCE I MATERIAŁY ODNIESIENIA Perwotne wzorce fzyczne chemczne Wzorzec masy (1 kg) Wzorzec jednostk masy atomowej (zotop C 1 ) Stała Faradaya (F = C) Lczba Avogadro (N = cząstek/mol) WZORCE STOSOWANE W ANALITYCE wzorce podstawowe są stosowane do kalbracj nstrumentów systemów pomarowych w celu zapewnena długotermnowej warygodnośc rzetelnośc procedury pomarowej. wzorce chemczne substancje chemczne o wysokej czystośc znanym stechometrycznym składze. (Wzorce perwotne wtórne) materał odnesena (RM) stosowany w celu wykazana dokładnośc, rzetelnośc porównywalnośc wynków analtycznych. certyfkowany lub standardowy materał odnesena (CRM / SRM) - materał odnesena, którego jedną lub węcej wartośc określonych właścwośc certyfkowano (atestowano) za pomocą obowązującej procedury, opatrzony certyfkatem, wydanym przez odpowedną nstytucję (np. BAS Bureau of Analytcal Standards). Podsumowane - zawartość, stężene defncje, sposoby wyrażana stężeń - bezwzględne pośredne metody analzy chemcznej - funkcja pomarowa, funkcja analtyczna, metody kalbracj - krytera waldacj - proces analtyczny - próbka: ogólna, laboratoryjna, reprezentatywna - welkość próbk stratege jej poboru - metody roztwarzana mneralzacj próbek - fzyczne chemczne metody rozdzelana zatężana - kontamnacja: źródła zapobegane - wzorce materały odnesena 9