ANALITYKA. studia zaoczne. W.W.Kubiak "Analityka" - studia zaoczne

Transkrypt

1 ANALITYKA studia zaoczne

2 Źródła informacji: wykład sieć: skrypt: Z.Kowalski, W.W.Kubiak, J.Migdalski; Instrumentalne metody analizy chemicznej - Laboratorium modułowe Wyd. AGH Kraków 1991 (SU 1276) instrukcje do ćwiczeń literatura uzupełniająca do poszczególnych tematów.

3 ANALITYKA (ANALYTICAL SCIENCE) Interdyscyplinalna nauka zajmująca się tworzeniem i praktycznym wykorzystaniem metod pozwalających na określenie ze znaną precyzją i dokładnością składu chemicznego układów materialnych. Przedmiotem analityki jest: informacja o rodzaju i ilości składników włącznie z ich przestrzennym uporządkowaniem i rozmieszczeniem a także zmianami w czasie; metodyka niezbędna do uzyskania informacji o składzie. Wynikiem badań analitycznych jest informacja uzyskiwana poprzez materialne lub energetyczne oddziaływanie na badany obiekt.

4 UZYSKIWANA INFORMACJA DOTYCZY: SKŁADU (analityka składu) ustalenie składu próbki tj. jakie substancje i w jakiej ilości występują w próbce. PROCESU (analityka procesowa) określenie zmiany zawartości poszczególnych składników próbki w czasie (śledzenie przebiegu zjawisk i procesów). ROZMIESZCZENIA (analityka rozmieszczenia) określa jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali makro poszczególnych składników próbki. STRUKTURY (analityka strukturalna) określa jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali atomowej poszczególnych składników próbki (ustalenie budowy cząsteczki, ciała stałego, cieczy).

5 Wynik analizy chemicznej musi zawsze zawierać informację o ilości składnika oraz o niepewności jej wyznaczenia: gdzie: x śr ± ε x śr - średnia (lub inna aproksymacja wartości rzeczywistej) z wyników oznaczenia stężenia lub zawartości; ε - przedział ufności (zwykle wyznaczony dla poziomu istotności 0.95) lub inne oszacowanie niepewności wyznaczenia wartości x śr

6 ZAKRES ANALIZY Analiza elementarna - identyfikacja i ilościowe oznaczenie pierwiastków występujących w badanym obiekcie. Analiza szczegółowa - ilościowe oznaczenie konkretnego związku chemicznego w badanym obiekcie (np. ryboflawiny, witaminy C).

7 Analiza specjacyjna - identyfikacja i ilościowe oznaczenie różnych fizycznych i chemicznych form danego pierwiastka występujących w badanym obiekcie analizy. Specjacja szczegółowa (właściwa) - określenie pełnego ilościowego i jakościowego składu form chemicznych występowania danego pierwiastka w badanym obiekcie. Specjacja grupowa - określenie łącznej zawartości wyróżnionej grupy (lub grup) związków badanego pierwiastka. Frakcjonowanie - określenie zawartości pewnych grup związków danego pierwiastka charakteryzujących się podobną funkcją (właściwościami np. rozpuszczalnością w określonych rozpuszczalnikach) bez określenia chemicznej natury składników poszczególnych grup.

8 OZNACZANE SKŁADNIKI 100% - 1% składnik główny 1% % składnik uboczny poniżej 0.01% składnik śladowy [Słownik chemii analitycznej]

9 PROCES ANALITYCZNY Postępowanie analityczne: etapy: badany obiekt do wyniku analizy. Metoda analityczna: etapy: przygotowanie próbki do interpretacji wyniku. Zasada pomiaru: etap; pomiar

10 PRÓBKA ANALITYCZNA Analiza chemiczna jest zwykle przeprowadzana dla niewielkiej części obiektu badanego nazywanego próbką. Niezbędnym wstępnym krokiem w procesie analitycznym jest pobranie próbki {sampling}. Pobranie próbki operacja w wyniku której uzyskiwana jest próbka reprezentatywna dla obiektu badanego i określonego celu analizy.

11 Pobranie próbki ma kapitalne znaczenie dla ostatecznego wyniku analizy. Jakość i przydatność informacji analitycznej nie będzie lepsza niż jakość pobranej próbki a ta zależy od trafności wyboru strategii pobierania próbki. Próbka musi być reprezentatywna dla badanego obiektu w odniesieniu do postawionego problemu.

12 Właściwości badanego obiektu wpływające na sposób pobrania i postępowania z próbką: stan skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz); skład fazowy; jednorodność; wielkość; twardość; lotność; trwałość. Specjalne techniki są stosowane do ciągłego pobierania próbek oraz do próbek biologicznych i mikrobiologicznych.

13 Wielkość próbki P którą należy pobrać zależy od zakresu oznaczalności A metody analitycznej i zawartości G oznaczanego składnika w próbce: A P = [g] G gdzie: A oznaczalność metody (uwzględniająca czynności związane z przygotowaniem próbki) [g]; G zawartość oznaczanego składnika w próbce (m x masa oznaczanego składnika, m y masa matrycy próbki): G = m x m + x m y

14 Strategie pobierania próbki: Losowe pobieranie próbek - próbki są w sposób losowy pobierane z całego obiektu badanego. Systematyczne pobieranie próbek - próbki są pobierane w oparciu o zadany schemat geometryczny lub czasowy. Warstwowe pobieranie próbek - obiekt badany dzielony jest najpierw na szereg części - warstw {stratum}, a w każdej warstwie dalsze pobieranie próbek odbywa się w sposób losowy. Reprezentatywne pobieranie próbek - podobnie jak w warstwowym badany obiekt dzielony jest na części, dalsze próbkowanie w warstwie jest prowadzone tak by warstwa była reprezentowana proporcjonalnie do swojej wielkości.

15 Etykietowanie próbek - pojemniki z próbkami muszą być zaopatrzone w etykiety zawierające następującą informację: miejsce pobrania próbki (dokładna lokalizacja); czas pobrania próbki (data, godzina); ilość pobranych próbek (szczególnie w przypadku pobierania wielu próbek); metoda stabilizacji lub konserwacji próbki; dla jakiej metody analitycznej próbka jest pobrana; informacje dodatkowe (kto pobrał, opis próbki itd.)

16 Pojemniki na próbki - wymagania: muszą być wykonane z materiału obojętnego, nie oddziałującego z próbką (także poprzez adsorpcję i absorpcję); muszą mieć wystarczającą wytrzymałość aby nie ulegać uszkodzeniu podczas pobierania próbki, transportu i przechowywania; muszą mieć odpowiednią wielkość.

17 Przechowywanie próbek - próbki powinny być analizowane najwcześniej jak to jest możliwe. Jeżeli konieczne jest przechowywanie stosowane są następujące warunki: obniżona temperatura (ok. 4 C); głębokie zamrożenie (-20 C; -40 C lub temperatura ciekłego azotu); liofilizacja; zastosowanie stabilizatorów i konserwantów oraz innych substancji przeciwdziałających zmianom próbki (np. zakwaszenie w celu zapobieżenia adsorpcji śladów metali ciężkich na ścianach naczynia).

18 ROZTWARZANIE I MINERALIZACJA PRÓBEK Mineralizacja sucha (spopielanie) W UKŁADZIE OTWARTYM - ogrzewanie próbki (w piecu muflowym lub płomieniem palnika) do temperatury C (czasem nawet do 1000 C) w tyglu (porcelanowym, kwarcowym, platynowym) do całkowitego rozkładu substancji organicznej (zwykle proces trwa ok. 3 godz.). Zalety - prostota, niska ślepa próba, wielkość próbki dowolna. Wady - straty składników lotnych, możliwe straty mechaniczne, długi czas procesu, proces dwustopniowy (otrzymany popiół musi być rozpuszczony/roztworzony).

19 W UKŁADZIE ZAMKNIĘTYM - bomba tlenowa Metoda polega na spaleniu małej ilości substancji organicznej (poniżej 20 mg) w zamkniętej kolbie zawierającej tlen. Produkty spalenia są gazowe i zostają ilościowo zaabsorbowane przez roztwór wody obecny w naczyniu.

20 MINARALIZACJA MOKRA W SYSTEMIE OTWARTYM Mineralizacja/roztwarzanie w kwasach - zwykle polega na ogrzewaniu w kwasach utleniających, które roztwarzają składniki nieorganiczne a organiczne utleniają do dwutlenku węgla, wody i innych lotnych produktów. Najczęściej stosowane kwasy i ich mieszaniny: HNO 3 + H 2 O 2 - próbki biologiczne HNO 3 + H 2 SO 4 - uniwersalna HNO 3 + HCl - woda królewska - uniwersalna HNO 3 + HClO 4 - próbki biologiczne, wybuchowa HF - próbki nieorganiczne HNO 3 + HF - uniwersalna HClO 4 - próbki biologiczne, wybuchowa

21 Mineralizacja UV - stosowana do próbek ciekłych zawierających substancje organiczne. Próbka naświetlana jest lampą kwarcową (λ = 250 nm, P = 150 W). Zwykle do próbki dodaje się substancję utleniającą (H 2 O 2, K 2 S 2 O 8, HNO 3 ).

22 Mineralizacja mikrofalowa - mikrofale są promieniowaniem niejonizującym, powodującym ruchy molekularne poprzez migrację jonów i rotację dipoli, nie powodując zmian struktury molekularnej. Zakres mikrofal obejmuje częstotliwości MHz. Do roztwarzania mikrofalowego stosuje się zwykle fale 2450 MHz i moc W. W trakcie penetracji próbki przez mikrofale adsorbuje ona energię w stopniu zależnym od współczynnika pochłaniania (dissipation factor) wynoszącego 0.6 dla kwarcu, 1.5 dla teflonu, 10.6 dla szkła borokrzemowego i 1570 dla wody. Mineralizacja mikrofalowa jest podobna do mineralizacji w kwasach, jednak energia jest dostarczana bezpośrednio do próbki (a nie przez ściany naczynia). Dzięki temu proces jest znacznie szybszy. Ze względu na niebezpieczeństwo wybuchy kwas nadchlorowy nie powinien być tu używany. Mineralizacja/roztwarzanie mikrofalowe jest stosowane do biologicznych i botanicznych a także geologicznych, środowiskowych i metalurgicznych próbek.

23 MINERALIZATOR MIKROFALOWY

24 MINERALIZACJA W SYSTEMIE ZAMKNIĘTYM Mineralizacja/roztwarzanie w zamkniętych naczyniach ciśnieniowych (bombach) w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu jest bardziej efektywna niż w systemie otwartym. Ogrzewanie może być konwencjonalne lub mikrofalowe. Stosowana jest temperatura ok. 180 C. Zaletą jest ograniczenie strat związków lotnych.

25 STAPIANIE Trudne do roztworzenia materiały (takie jak skały i minerały krzemianowe i glinokrzemianowe, minerały tlenkowe i fosforanowe czy niektóre stopy żelaza) są zamieniane w łatwo rozpuszczalne związki na drodze stapiania z topnikami. Wadą procesu jest znaczna kontaminacja, wprowadzenie do próbki znacznej zawartości soli, straty składników lotnych i kontaminacja od naczynia. Najczęściej stosowane topniki i ich wykorzystanie zestawione jest w tabeli:

26 Topnik tt C Tygiel Zastosowanie Na 2 CO 3 Na 2 CO 3 z KNO 3 KClO 3 Na 2 O Pt Pt (z wyj Na 2 O 2 ), Ni Próbki zawierające krzmiany, glin, fosforany i siarczany Próbki zawierające S, As, Sb, Cr itd. NaOH KOH Au, Ag, Ni Krzemiany, węglik krzemu, różne minerały Na 2 O 2 Fe, Ni Siarczki, nierozpuszczalne w kwasach stopy Fe, Ni, Cr, Mo, W, stopy platyny, minerały Cr, Sn, Zr B 2 O Pt Krzemiany i tlenki jeżeli oznaczne mają być metale alkaliczne

27 METODY ROZDZIELANIA I ZATĘŻANIA Dwie całkowicie wymieszane substancja mogą zostać rozdzielone jeżeli różnią się co najmniej jedną właściwością fizykochemiczną. Podstawa rozdzielania Metoda Lotność Destylacja Rafinacja Współczynnik podziału Chromatografia gaz/ciecz Chromatografia podziałowa Ekstrakcja Równowaga wymiany Wymiana jonowa

28 Aktywność powierzchniowa Chromatogr. adsorpcyjna Chromatogr. gaz/ciało stałe Rafinacja piany Geometria cząsteczki Sita molekularne Filtracja/permacja żelowa Dyfuzja gazów Kompleksy inkluzyjne Ultrafiltracja Dializa, elektrodializa

29 Migracja Elektroforeza Rozpuszczalność Strącanie Rafinacja strefowa Potencjał rozkładu Elektroliza

30 CHRAKTERYSTYKA WYBRANYCH METOD ROZDZIELANIA Ekstrakcja - proces wymiany masy pomiędzy fazą z której następuje ekstrakcja (stałej lub ciekłej) a fazą ciekłą (ekstrahent - najczęściej rozpuszczalnik organiczny nie mieszający się z wodą np. alkohol amylowy, ditizon) w układzie wieloskładnikowym o ograniczonej rozpuszczalności. W wyniku ekstrakcji składnik (lub składniki) przechodzą do ekstrahenta w stopniu określonym przez współczynnik podziału Nernsta (K=c 1 /c 2 ). Ekstrakcja prowadzona jest w układzie ciecz/ciecz lub ciało stałe/ciecz. W celu zwiększenia stopnia ekstrakcji stosuje się reakcje kompleksowania.

31 Wymiana jonowa - reakcja typu A 1 A 2 +B 1 B 2 =A 1 B 2 +B 1 A 2 zachodzi na substancjach zwanych wymieniaczami jonowymi (jonitami). Są to polielektrolity nierozpusz-czalne w wodzie. Kationit - wymienia kationy, grupy funkcyjna - SO 3 H; -COOH. Anionit - wymienia aniony, grupy funkcyjna aminowe o różnej rzędowości. Dobry jonit powinien mieć dużą pojemność, dużą szybkość reakcji wymiany oraz odporność chemiczną.

32 Ultrafiltracja (odwrotna osmoza) - proces, w którym roztwór pod wpływem wywieranego wysokiego ciśnienia przenika przez membranę półprzepuszczalną podczas gdy rozdzielane składniki pozostają. W zależności od wielkości porów membrany przez membranę przenika tylko rozpuszczalnik podczas gdy niepożądane rozpuszcone składniki i cząstki koloidalne pozostają na membranie. Stosowane do ultrafiltracji membrany mają średnice porów µm a stosowane ciśnienia MPa.

33 Dializa - polega na usuwaniu małych cząsteczek lub jonów z roztworów koloidalnych za pomocą membrany półprzepuszczalnej (która zatrzymuje cząstki koloidalne a pozwala przenikać małym jonom i cząsteczkom). Przyspieszenie rozdziału następuje gdy proces prowadzony w polu elektrycznym - elektrodializa.

34 Elektroforeza - ruch naładowanych cząstek koloidalnych pod wpływem pola elektrycznego względem nieruchomego ośrodka rozpraszającego. Szybkość ruchu cząstek jest funkcją ich ładunku, wielkości i kształtu. Po pewnym czasie trwania procesu rozdzielane elektroforetycznie naładowane cząstki tworzą oddzielne strefy. Stosowana jest np. do rozdzielania białek. Elektroforeza prowadzona jest na specjalnych papierach elektroforetycznych, octanie celulozy, żelach (np. agar-agar, żele poliakryloamidowe). Stosowana jest także w celach preparatywnych. Podobną metodą jest elektroosmoza polegająca na ruchu osrodka dyspersyjnego przez membranę półprzepuszczalną pod wpływem pola elektrycznego (ruch ośrodka rozpraszającego względem substancji rozproszonej).

35 Odbiorca SCHEMAT BLOKOWY INSTRUMENTU POMIAROWEGO fizykochemiczny DETEKTOR PRZETWORNIK WEJŚCIA MODYFIKACJA SYGNAŁU ODCZYT Proces Detektor np.. fotometryczny, elektrochemiczny (elektroda jonoselektywna); Przetwornik wejścia np.. przetwornik prąd napięcie, wtórnik napięciowy; Modyfikacja sygnału np.. wzmocnienie, logarytmowanie, przetwarzanie A/C; Odczyt np.. Wyświetlacz ciekłoktystaliczny, rejestrator XY.

36 Detektor urządzenie za pomocą którego fizyczne lub chemiczne właściwości substancji przekształcane są na sygnał analityczny. [Słownik chemii analitycznej, WNT 1984] Sensor chemiczny małe urządzenie które może być użyte do bezpośredniego pomiary analitu w matrycy próbki. [J.Wang, Analtical Electrochemistry, VCH 1994]

37 DETEKTOR KONDUKTOMETRYCZNY

38 AMPEROMETRYCZNY SENSOR GLUKOZY I TLENU

39 BUDOWA SENSORA

40 Charakterystyka idealnego sensora: Specyficzność w rzeczywistości sensory są raczej selektywne niż specyficzne i ich odpowiedź (R) może być opisana: R = S C + a + K C i i i j i j j Czułość (nachylenie funkcji pomiarowej S i ) powinna być jak największa aby umożliwić detekcję jak najmniejszych zmian stężenia analitu. Możliwie krótki czas odpowiedzi. Duża trwałość (co najmniej kilka miesięcy). Mały rozmiar i możliwość zastosowania nowych technologii produkcji.

41 TYPY SENSORÓW SENSOR PROCES CHEMICZNY MONITOROWANY PARAMETR WARUNKI POMIARU Potencjometryczny Wymiana jonów z Siła Równowaga (i = 0) membraną elektromotoryczna Amperometryczny Reakcja elektrochemiczna Prąd graniczny Stały potencjał zewnętrzny Piezoelektryczny Ruch materiału Zmiana masy Zewnetrzny sygnał ac Termiczny Każdy proces ze zmianą entalpii H Zmiana entalpii Bez wymiany ciepła z otoczeniem Optyczny Proces ze zmianą własności optycznych membrany Absorbancja, fluorescencja Ochrona przed zewnętrznym promieniowaniem

42 NIEKTÓRE PRZETWORNIKI WEJŚCIA Detektor Zmienna niezależna Zmienna zależna 1. Elektroda jonoselektywna Aktywność jonu w roztworze Napięcie 2. Termoelement (termopara) Temperatura Napięcie 3. Fotopowielacz, fotokomórka Natężenie światła Prąd 4. Detektor polarograficzny Stężenie depolaryzatora Prąd 5. Termistor, termoopornik Temperatura Oporność 6. Fotodioda, fotoogniwo Natężenie światła Prąd Oporność 7. Detektor konduktometryczny Stężenie elektrolitu Przewodnictwo, oporność

43 Kalibracja instrumentu (cechowanie, wzorcowanie) Proces regulacji instrumentu pomiarowego prowadzący do obniżenia błędu pomiaru charakterystycznej dla niego wielkości fizycznej do poziomu określonego klasą dokładności. Kalibracji instrumentu dokonuje się przy użyciu wzorców mierzonej wielkości fizycznej (siły elektromotorycznej, napięcia, oporności, przewodnictwa, luminancji itd.)

44 KALIBRACJA Kalibracja - proces, w którym wyznaczana jest zależność funkcyjna pomiędzy mierzonym w danej metodzie sygnałem a wielkością określającą ilość oznaczanego składnika na podstawie danych obarczonych błędami przypadkowymi. Kalibracja instrumentu (cechowanie, wzorcowanie) - proces, w którym przenoszona jest nominalna (certyfikowana) wartość przypisana do wzorca (próbki wzorcowej) na rzeczywiste wartości sygnału otrzymywane przy pomiarze danym instrumentem.

45 Kalibracja polega na wyznaczeniu funkcji pomiarowej F (zwanej także funkcją kalibracyjną): y = F(x) gdzie: y - mierzony sygnał (prąd, natężenie światła itp.) x - wielkość związana z ilością oznaczanej substancji (stężenie, masa itp.). W większości metod analitycznych nie jest znana teoretycznie dokładna postać funkcji pomiarowej. Zwykle znana jest jej przybliżona postać, która nie może być podstawą oznaczeń analitycznych (jest natomiast przydatna w określeniu typu funkcji - liniowa, kwadratowa, wykładnicza itp.). Tylko w kilku przypadkach funkcja pomiarowa jest dokładnie znana teoretycznie (analiza wagowa, miareczkowanie, kulometria, elektrograwimetria). W tych metodach konieczna jest kalibracja instrumentu.

46 W celu wyznaczenia funkcji kalibracyjnej należy: Dokonać szeregu pomiarów w roztworach standardowych o różnym stężeniu substancji oznaczanej. Zwykle stosuje się 7-10 roztworów o różnych stężeniach. Pomiar w każdym roztworze standardowym powtarzany jest zwykle 3-razy, a do dalszej interpretacji wykorzystywana jest ich średnia (po ewentualnym odrzuceniu błędów skrajnych i grubych). Aby wyniki oznaczenia na podstawie kalibracji były poprawne matryca próbki i roztworów standardowych powinna być identyczna. Otrzymany zestaw par liczb: (stężenie roztworu standardowego, zmierzony sygnał) stanowi dane kalibracyjne. Dopasowanie funkcji do danych kalibracyjnych.

47 Funkcja kalibracyjna jest najczęściej dopasowywana metodą najmniejszych kwadratów (LS) lub jej modyfikacją (ważone najmniejsze kwadraty, regresja przez 0 itd.). Typ funkcji kalibracyjnej jest zwykle zakładany na podstawie modelu teoretycznego. W metodzie najmniejszych kwadratów poszukiwana jest taka funkcja F(x) aby suma kwadratów odchyleń danych kalibracyjnych od wyznaczanej funkcji była minimalna: ( y F x ) min ( ) Zakładając liniową funkcję kalibracyjną F(x)=bx+a: ( ) min y bx a 2 2

48 Rozwiązanie układu równań: a b [ ( y bx a) 2 ] = [ ( y bx a) 2 ] = 0 0 pozwala na znalezienie wartości parametrów b (nachylenie) i a (wyraz wolny). Analiza regresji pozwala także na oszacowanie przedziałów ufności parametrów b i a, współczynnika korelacji r oraz błędów predykcji wartości y dla znanego x oraz wartości x dla znanego y.

49 Przykładowy zestaw danych kalibracyjnych i przebieg funkcji podany jest na rysunku. stężenie [ppm] prąd [na]

50 Aby otrzymać informację analityczną na podstawie zmierzonego sygnału konieczna jest f-cja analityczna Φ: x=φ(y) Funkcja analityczna Φ jest funkcją odwrotną do funkcji pomiarowej F.

51 W większości metod analitycznych dąży się do liniowej funkcji pomiarowej ponieważ: możliwe jest określenie błędu predykcji (oznaczenia ilościowego); odwrócenie funkcji jest trywialne; czułość oznaczenia jest stała w całym zakresie stężeń.

52 Inne metody oznaczeń ilościowych:

53 PORÓWNANIE ZE WZORCEM (kalibracja jednopunktowa). Stężenie analitu w próbce c x dające sygnał s x jest obliczane na podstawie sygnału s s otrzymywanego dla roztworu standardowego o stężeniu c s mierzonego w tych samych warunkach pomiarowych: c x = c s s s s Metod daje prawidłowe wyniki gdy: stężenia analitu w próbce i roztworu standardowego są w przybliżeniu równe; matryca próbki i roztworu standardowego są identyczne; wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie różni się istotnie od zera. x

54 METODA DODATKU WZORCA Stężenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału po dodaniu do próbki wzorca analitu. Dodatek może być pojedynczy lub wielokrotny. Objętość dodawanego wzorca powinna być zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki. Metoda daje prawidłowe wyniki jeżeli wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie różni się istotnie od zera.

55

56 Metoda dodatku wzorca jest szczególnie przydatna gdy matryca próbki jest skomplikowana lub nieznana. Ponieważ objętość dodawanego wzorca jest zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki zmiany stężenia matrycy (a zatem także jej wpływ na wynik) są zaniedbywalne.

57 METODA DODATKU PRÓBKI Stężenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału roztworu standardowego po dodatku próbki. Metoda jest przydatna gdy stężenie analitu w próbce jest wysokie lub gdy rozcieńczenie matrycy próbki eliminuje pochodzące od niej interferencje.

58 METODA WZORCA WEWNĘTRZNEGO Stosowna do eliminacji wpływu parametrów operacyjnych metody na odpowiedź analitu. Zakłada, że wpływ niekontrolowanych fluktuacji parametrów operacyjnych na odpowiedź wzorca i analitu jest taka sama. W celu zastosowania metody do próbki dodaje się wzorca innej substancji (tj. nie analitu) a sygnał analitu mierzony jest w odniesieniu do sygnału wzorca.

59 WZORCE I MATERIAŁY ODNIESIENIA PIERWOTNE WZORCE FIZYCZNE I CHEMICZNE Wzorzec masy (1 kg). Wzorzec jednostki masy atomowej (izotop C 12 ). Srebro 5N (tj. zawartość Ag > %, do kulometru srebrowego). Stała Faradaya (F = C), liczba Avogadro (N = cząsteczek/mol).

60 WZORCE STOSOWANE W ANALITYCE Wzorce podstawowe - są stosowane do kalibracji instrumentów i systemów pomiarowych w celu zapewnienia długoterminowej wiarygodności i rzetelności procedury pomiarowej. Wzorce chemiczne - substancje chemiczne o wysokiej czystości i stechiometrycznym składzie. Materiał odniesienia (RM) - materiał lub substancja, których jedna lub więcej właściwości są dostatecznie jednorodne i na tyle dobrze określone, aby mogły być stosowane do kalibracji przyrządu, oceny metody pomiarowej lub do przypisania wartości cechom materiałów. Stosowane są materiały odniesienia składu chemicznego, składu izotopowego, właściwości fizycznych i specjalnych właściwości technicznych.

61 Certyfikowany (atestowany) materiał odniesienia (CRM) - materiał odniesienia opatrzony certyfikatem, którego jedną lub więcej wartości określonych właściwości atestowano z wykorzystaniem procedury zapewniającej odniesienie do dokładnego wzorca jednostki miary wyrażającej daną właściwość, z jednoczesnym podaniem, dla każdej certyfikowanej wartości, niepewności na określonym poziomie ufności. Wzorce wtórne - substancje standardowe i materiały odniesienia stosowane w codziennej praktyce analitycznej.

62 Wzorce chemiczne - substancje o wysokiej czystości stosowane do kalibracji instrumentów i metod analitycznych. Wymagania: Skład stechiometryczny. Wysoka czystość (99.99% lub lepiej). Nie powinny być higroskopijne. Nie powinny reagować z dwutlenkiem węgla i tlenem. Powinny mieć wysoką masę cząsteczkową. Przykłady: Na 2 CO 3, KCl

63 Certyfikowane materiały odniesienia (CRM) - wykorzystywane są do kalibracji instrumentów pomiarowych, metod analitycznych, sprawdzania wiarygodności procesów analitycznych, laboratoriów i analityków oraz do charakteryzowania właściwości substancji i materiłów. Produkcja CRM jest skomplikowanym procesem wieloetapowym. Obejmuje takie etapy jak: Selekcja - wymagania dotyczące składu matrycy, zawartości analitu, sposobu związania analitu, możliwych interferencji oraz fizycznej postaci materiału.

64 Przygotowanie - zebranie ilości materiału wystarczającej do zapewnienia wystarczającego zapasu na dłuższy czas. Przygotowanie materiału poprzez takie operacja jak: rozdrobnienie (rozkruszenie i utarcie), przesianie, odfiltrowanie i wymieszanie. Homogeniczność -CRM musi być homogeniczny w całej masie. Homogeniczność jest weryfikowana dla założonej wielkości próbki.

65 Stabilność - musi być określona poprzez badanie zachowania w warunkach przyspieszonego starzenia. Otrzymanie wartości certyfikowanych - możliwe jest na drodze użycia metody definitywnej lub częściej przez zastosowanie różnych metod analitycznych w najlepszych laboratoriach. Wartość certyfikowana otrzymywana jest z rezultatów uzyskanych w różnych laboratoriach poprzez zastosowanie specjalnej procedury statystycznej (ISO guide 35).

66 Przykłady: Matryca biologiczna: Liście tytoniu typu Oriental,, CTA-OTL OTL-1 atestowane zawartości: Al, As, Ba, Br, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Eu, K, La, Li, Mg, Mn, Ni, P, Pb, Rb, S, Se, Sm, Sr, Tb, Th, V, Zn IEAE Tuna Fish,, IEAE-350 atestowane zawartości: Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Rb, Se, Zn, MeHg(metylortęć) oraz: liście (kapusty, pomidora, szpinaku, jabłoni), siano, porosty, mąka, tkanka ostrygi, igły świerka, plankton itd. Matryca nieorganiczna: Koncentrat apatytowy, CTA-AC AC-1 atestowane zawartości: Ba, Ca, Ce, Co, Cu, Eu, Gd, Hf, La, Lu, Mn, Na, Nd, Sc, Si, Sm, Ta, Tb, Th, Ti, U, V, Y, Yb, Zn oraz: popiół lotny, osad rzeczny, gleba itd.

67 Wytwarza i rozprowadza certyfikowane materiały odniesienia dla potrzeb analizy chemicznej i spektroskopowej. Powołane do istnienia w 1935 r. jako kontynuacja British Chemical Standards (BSC) istniejącej od 1916 roku. Pierwsze materiały były produkowane w kooperacji z amerykańskim NBS. Produkowane są materiały w postaci:

68 proszków lub skrawków dla potrzeb analizy chemicznej, obejmujących stale (stopowe i węglowe), stopy żelaza i stopy innych metali, rudy i materiały ceramiczne. materiałów litych (dysków lub bloków) dla potrzeb analizy spektralnej, obejmujących stale, stopy żelaza i stopy innych metali

69 BŁĘDY ANALIZY I ICH ŹRÓDŁA Błędy przypadkowe - wynikają z losowych fluktuacji warunków pomiarowych. Podlegają rozkładowi normalnemu (w nielicznych przypadkach możliwe są inne rozkłady błędu). Są naturalnym składnikiem mierzonych wielkości a oszacowaniem ich wielkości i ich wpływam na wynik analizy zajmują się metody statystyczne. Błędy skrajne -błędy przypadkowe o bardzo dużych wartościach i bardzo małym prawdopodobieństwie wystąpienia. Ponieważ mogą wpłynąć w sposób istotny na wartość średnią wyniku powinny być odrzucane przy interpretacji przy pomocy odpowiednich testów statystycznych (np. test Deana-Dixona).

70 Błędy grube -błędy o bardzo dużych wartościach spowodowane czynnikiem ludzkim. Ponieważ podobnie jak błędy skrajne mogą wpłynąć w sposób istotny na wartość średnią wyniku powinny być odrzucane przy interpretacji przy pomocy testów statystycznych (np. test Deana-Dixona). Błędy systematyczne - błędy powodujące systematyczne odchylenie wartości średniej od wartości rzeczywistej. Wyróżnia się błędy systematyczne proporcjonalne (o wielkości proporcjo-nalnej do mierzonej wielkości) i stałe (ich wielkość nie zależy od wielkości mierzonej). Wynikają z czynników aparaturowych, ludzkich lub odczynnikowych. Eliminowane są w procesie kalibracji.

71

72 PRZEGLĄD METOD ANALITYCZNYCH Metoda Sygnał Wielkość mierz. Uwagi Analiza wagowa Masa Ilość analitu Podstawowa Miareczkowanie Objętość titranta Ilość analitu metoda ilościowa Punkt końcowy wykrywany wizual. lub met.instrument. Konduktometria Przewodnictwo Stężenie Potencjometria Siła elektromotoryczna Aktywność ph, elektrody jonoselektywne Woltamperometria Prąd Stężenie KER-polarografia Prąd Stężenie Analiza śladowa Woltamperometria stripingowa W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

73 Metoda Sygnał Wielkość mierz. Uwagi Kulometria Ładunek Ilość analitu Elektrograwimetria Masa Ilość analitu Masa substancji wyelektrolizowanej z roztworu Spektrofoto- Natężenie Stężenie UV/VIS metria Spektroskopia emisyjna Fotometria płomieniowa światła Natężenie linii spektralnej Natężenie linii rezonansowej Stężenie Stężenie Półilościowa metoda przeglądowa Łatwo wzbudzalne metale (Na, K, Ca) W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

74 Atomowa Spektrometria Adsorpcyjna Spektrometria masowa Analiza aktywacyjna Natężenie linii spektralnej Promień trajektorii cząstki i natężenie linii Intensywność kwantów γ, aktywacja neutronami Stężenie Ilość analitu Ilość analitu Najczęściej stosowana metoda analizy śladowej ICP MS - analiza śladowa Metoda niedestrukcyjna W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

75 PARAMETRY PROCESU ANALITYCZNEGO Dokładność (accuracy) Precyzja (precision) Czułość (sensitivity) Zakres liniowości (linear range) Granica wykrywalności (detection limit) Granica oznaczalności (determination limit) Selektywność (selectivity) Specyficzność (specifity) Powtarzalność (repeatability) Odtwarzalność (reproducibility).

76 PARAMETRY METOD ANALITYCZNYCH Dokładność (accuracy) - stopień zgodności pomiędzy wynikiem pomiaru a wartością referencyjną (którą może być wartość prawdziwa, oszacowana lub oczekiwana). Dokładność wyrażana jest poprzez błąd bezwzględny (tj. różnicę między wartością zmierzoną a wartością referencyjną) lub błąd względny. Precyzja (precision) -wielkość charakteryzująca rozrzut wyników uzyskiwanych przy wielokrotnym oznaczaniu składnika daną metodą w zdefiniowanych warunkach. Precyzja wyrażana jest przez odchylenie standardowe (lub względne odchylenie standardowe) wyników.

77 Czułość (sensitivity) - jest to stosunek przyrostu sygnału analitycznego do odpowiadającego mu przyrostu stężenia. Definiowana jest zatem jako nachylenie funkcji pomiarowej (kalibracyjnej) F: S = df Zakres liniowości (linear range) - przedział stężenia, w którym czułość metody ma wartość stałą. dc

78 Granica wykrywalności (detection limit) - stężenie składnika dla którego otrzymany sygnał może być odróżniony z dużym prawdopodobieństwem od sygnału ślepej próby. Pozwala to na półilościowe stwierdzenie obecności danego składnika w próbce. Granica oznaczalności (determination limit) - stężenie przy którym dana metoda analityczna jest wystarczająco precyzyjna i dokładna aby uzyskać zadowalające oznaczenia ilościowego danego składnika.

79 Selektywność (selectivity) -zdolność metody do dawania sygnału analitycznego tylko dla pewnej grupy substancji a nie reagownia na obecność innych substancji. Metoda selektywna ma ograniczoną ilość substancji interferujących. Specyficzność (specifity) - zdolność metody do dawania sygnału analitycznego tylko dla jednej substancji a nie reagownia na obecność innych substancji. W metodzie specyficznej nie ma wpływu interferencji.

80 Powtarzalność (repeatability) - precyzja metody uzyskana w warunkach praktycznie identycznych (ten sam wykonawca, materiał, próbka, aparatura, laboratorium, niewielkie odstępy czasowe). Odtwarzalność (reproducibility) - precyzja metody uzyskana w warunkach porównywalnych (taki sam materiał ale mogą być różni wykonawcy, sprzęt, laboratorium względnie długie odstępy czasu pomiędzy analizami).

81 ZAKRES STOSOWALNOŚCI WYBRANYCH METOD ANALITYCZNYCH Technika DL[%] Analiza wagowa Analiza miareczkowa Spektrofotometria Woltamperometria impulsowa Woltamperometria stripingowa ASA płomień ASA piec grafitowy Aktywacja neutronowa ICP-MS ppb ppm W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

82 PRECYZJA WYBRANYCH METOD ANALITYCZNYCH Technika RSD[%] 10-3 Analiza wagowa Analiza miareczkowa Spektrofotometria Woltamperometria impulsowa Woltamperometria stripingowa ASA Kulometria Aktywacja neutronowa ICP-MS W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

83 CZAS POMIARU W WYBRANYCH TECHNIKACH ANALITYCZNYCH Technika Czas[min] Analiza wagowa Analiza miareczkowa Spektrofotometria Woltamperometria impulsowa Woltamperometria stripingowa ASA Kulometria Aktywacja neutronowa ICP-MS W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

84 UDZIAŁ POSZCZEGÓLNYCH ETAPÓW PROCESU ANALITYCZNEGO W CAŁKOWITYM BŁĘDZIE I CZASIE WYKONANIA ANALIZY ŹRÓDŁA BŁĘDÓW CZAS WYKONANIA W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

85 ZAKRES WSPÓŁPRACY ZLECENIODAWCY I ANALITYKA W TRAKCIE REALIZACJI PROCESU ANALITYCZNEGO ETAPY PROCESU ANALITYCZNEGO Ogólne określenie problemu Określenie analitycznych aspektów problemu Wybór procedury analitycznej Pobieranie próbek Przygotowanie próbki Pomiar Obróbka wyniku Wnioskowanie Sprawozdanie końcowe RELACJA Zleceniodawca, Analityk Z Z,A A,Z Z+A A A A A A,Z W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

86 INFORMACJA NIEZBĘDNA ANALITYKOWI DO PRAWIDŁOWEGO WYKONANIA ANALIZY Co jest przedmiotem oznaczenia (analitem) - jeden czy kilka składników, pierwiastki (analiza elementarna) czy związki? Jaki materiał jest przedmiotem badania? Jaki jest jego stan skupienia? Czy znany jest skład matrycy? Czy materiał dostępny jest w dowolnych ilościach, czy są to obiekty unikalne? Jak będą pobierane próbki? Kto będzie je pobierał, kto dostarczał do laboratorium? W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

87 Jaka będzie częstotliwość dostarczania próbek (pojedyncze, długie serie czy pomiary ciągłe)? Jaki jest czas wymagany na uzyskanie wyników analizy? Jaka jest dopuszczalna niepewność otrzymywanych wyników? Ponadto na podstawie powyższych informacji należy określić jakie będą koszty analizy i czy są one adekwatne do funduszy, którymi dysponuje zleceniodawca. W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

88 KRYTERIA DOBORU METODY ANALITYCZNEJ stan skupienia badanego obiektu (ciało stałe, gaz, ciecz, mieszany); zakres zawartości analitu; obecność w matrycy innych składników; precyzja i dokładność oznaczenia; koszty: inwestycyjne; eksploatacyjne; osobowe; wymagania odnośnie ochrony środowiska; wielkość i cenność próbki; osobiste upodobania i umiejętności analityka W.W.Kubiak Analityka - studia zaoczne

89 ZAGADNIENIE JAKOŚCI W ANALIZIE CHEMICZNEJ Jakość (quality) to charakterystyka oraz parametry charakterystyczne dla metody analitycznej, sprzętu oraz wyników pomiarów w odniesieniu do ich przydatności do spełnienia stawianych wymagań. Dla metody analitycznej charakterystyka obejmuje takie parametry jak: wiarygodność (dokładność i precyzja), specyficzność i czułość.

90 Zapewnienie jakości (quality assurance) - system działań obejmujący: Zarządzanie jakością (quality management) - te aspekty zarządzania, które określają i implementują wysoką jakość. Planowanie jakości (quality planning) - selekcja, klasyfikacja i ocena charakterystyki jakości oraz realizacji wymagań jakościowych w trakcie przygotowania do realizacji zadań. Kierowanie jakością (quality guidance) - nadzorowanie charakterystycznych dla jakości wielkości i wprowadzanie procedur korekcyjnych. Sprawdzanie jakości (quality testing) - określenia w jakim stopniu wymagania jakości są spełnione.

91 WALIDACJA Kompleksowa procedura sprawdzająca czy metoda analityczna jest wolna od błędów (systematycznych i przypadkowych) nie tylko w ramach kalibracji ale przede wszystkim wynikających z interferencji przy analizie próbek rzeczywistych. Przepisy państwowe (branżowe) mogą określać walidację dla specjalistycznych instrumentów pomiarowych składającą się z testów wykonywanych przez odpowiednie służby zgodnie z odpowiednimi normami.

92 DOBRA PRAKTYKA LABORATORYJNA (GOOD LABORATORY PRACTICE - GLP) Dobra Praktyka Laboratoryjna (GLP) jest systemem zapewnienia jakości obejmującym działania organizacyjne oraz warunki, w których badania środowiskowe i zdrowotne (nie kliniczne) są planowane, dokonywane, monitorowane, rejestrowane, archiwizowane i prezentowane. Jest to protokół opracowany przez organizację OECD [

93 Zasady GLP: Sprawdzanie sprawności organizacji i personelu (osób i jednostek organizacyjnych koniecznych do prowadzenia badań). Program zapewnienia jakości - zdefiniowany system obejmujący personel niezależny od prowadzonych badań powołany do zapewnienia jakości zgodnie w zasadami GLP. Udogodnienia - obejmują wykonywanie testów, materiały referencyjne, archiwa oraz gospodarkę odpadami.

94 Wymagania dla instrumentów, materiałów i odczynników. Systemy sprawdzające, testy i materiały referencyjne - przepisy, metody postępowania obejmujące pobieranie próbek, przechowywanie i charakterystykę. Standardowe procedury operacyjne (SOP) - dokumenty opisujące procedury wykonywania testów i innych czynności laboratoryjnych (np. przygotowania roztworów, prowadzenia pomiarów itp.).

95 Wykonanie badań - plan badań i przebieg badań. Przedstawianie wyników badań - zawartość raportu końcowego z badań. Przechowywanie i archiwizacja materiałów i zapisów.

96 AKREDYTACJA Proces, w którym urząd akredytujący po sprawdzeniu jakości i innych kryteriów aplikującej o akredytację jednostki (np. laboratorium) udziela (lub nie) akredytacji (ISO Guide 25)

97 1. Laboratorium wnioskujące o akredytację dostarcza wniosek akredytacyjny, kopię instrukcji zapewnienia jakości, listę oznaczanych składników wraz z podstawowymi informacjami o metodologii. 2. Urząd akredytujący wysyła zespół inspekcyjny, którego zadaniem jest sprawdzenie czy dostarczona informacja jest adekwatna. Sprawdzane jest działanie systemu jakości oraz metodologia ze szczególnym uwzględnieniem walidacji i oceny jakości. 3. Po udzieleniu akredytacji wizyty nadzorujące są dokonywane co roku. Akredytacja jest zwykle udzielana na okres czterech lat i po tym okresie procedura akredytacyjna jest powtarzana.