Metody przygotowania próbek. do oznaczania. techniką GC i HPLC. Przygotowanie próbek z analitycznego punktu widzenia

Transkrypt

1 Metody przygotowania próbek do oznaczania techniką GC i HPLC Przygotowanie próbek z analitycznego punktu widzenia Proces pomiarowy Analiza jakościowa czy ilościowa Metody obliczenia wyniku KRYTERIA WYBORU METODY ANALITYCZNEJ Sprawność metody analitycznej proces walidacji dokładność, poprawność precyzja, czułość, granica oznaczalności, zakres oznaczania, selektywność, przepływność - wydajność metody analitycznej (throughput), stopień zautomatyzowania, elastyczność - uniwersalność (ruggedness), mobilność metody (portability), uciążliwość dla środowiska (greenness), koszt jednostkowego oznaczenia. 1

2 2

3 POBIERANIE PRÓBEK Wybranie miejsca pobrania próbki reprezentatywnej Wybranie metody pobierania właściwej dla charakteru próbki oraz miejsca pobierania Wybór odpowiednich naczyń do pobierania próbek Utrwalenie próbki: zabezpieczenie przed utratą lotnych analitów oraz wskutek adsorpcji lub absorpcji składników trudnolotnych Kontrolowanie zmian fizycznych i chemicznych składników próbki Metody utrwalania próbek nietrwałych Warunki dostarczania próbek do laboratorium Przechowywanie warunki i czas Wstępne czynności postępowania z próbkami do badań Ekstrakcja analitu z próbek Wzbogacanie ekstraktu Podstawy procesów ekstrakcji Analiza związków organicznych Ekstrakcja substancji trudnolotnych z próbek ciekłych Ekstrakcja substancji trudnolotnych z próbek stałych Ekstrakcja substancji lotnych i wysokolotnych z próbek ciekłych i stałych Pobieranie próbki Utrwalenie próbki Transport, przechowanie, wstępna obróbka, Homogenizacja, suszenie Ekstrakcja analitu Analiza związków nieorganicznych Przygotowanie próbek do oznaczania zawartości metali Metody przygotowania próbek do oznaczania zawartości DNA Technika PCR Wzbogacanie Frakcjonowanie i izolowanie analitu Analiza 3

4 Przygotowanie próbek do oznaczania dioksyn w żywności Próbki gazowe Spaliny z kominów paleniska domowe i energetyczne Spaliny ze spalarni odpadów komunalnych, szpitalnych i niebezpiecznych Spaliny z pojazdów mechanicznych (źródła ruchome) Gazy z instalacji przemysłowych w tym z zamkniętych obiegów technologicznych Powietrze na stanowisku pracy Powietrze atmosferyczne Powietrze z górnych warstw atmosfery Cel wzbogacania próbek Wzbogacenie próbki w mikroskładniki usunięcie matrycy próbki uzyskanie granicy oznaczalności 4

5 Podstawowe czynności przygotowania próbki do analizy GC P róbki gazowe nie wzbogacone osuszenie P róbki gazowe wzbogacone ekstrakcja rozpuszczalnikowa usunięcie H 2 O zatężenie ekstraktu* * o ile możliwe lub konieczne termiczna desorpcja wzbogacenie przez wymrożenie (pułapki kriogeniczne) Próbki ciekłe nie wzbogacone substancje trudno lotne (POP, TZO) bezpośrednie wprowadzenie do GC (woda i czyste rozpuszczalnki organiczne) wzbogacenie przez ekstrakcję ciecz/ciecz, osuszenie i zatężenie wzbogacenie przez ekstrakcję SPE, ekstrakcja rozpuszczalnikiem i zatężenie substancje lotne (VOC) bezpośrednie wprowadzenie do GC analiza fazy nadpowierzchniowej (head-space) analiza przez rugowanie gazem obojętnym i wyłapanie (purge & trap) Próbki ciekłe wzbogacone do fazy stałej ekstrakcja rozpuszczalnikiem usunięcie H 2 O odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika (zatężenie) Próbki stałe ekstrakcja rozpuszczalnikowa (aparat Soxhleta, ASE, USE, MWAE, SFE) usunięcie H 2 O usunięcie matrycy techniką wielostopniowej chromatografii kolumnowej, HPLC, HPTLC lub SFC odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika (zatężenie) 5

6 Podstawowe grupy organicznych zanieczyszczeń środowiska oznaczanych techniką GC Lotne związki organiczne (VOC, VVOC) Przemysł, transport, energetyka, źródła naturalne Chlorofluorowęglowodory (CFCs, freony) Rozpuszczalniki organiczne, ciecze ekstrakcyjne i chłodzące Węglowodory alifatyczne - C 5 -C 24 Przemysł, transport, energetyka Węglowodory aromatyczne (BETX) - benzen, etylobenzen, toluen i ksyleny. Niepełne spalanie energetyka, komunikacja, metalurgia, koksochemia Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA, PAHs) Niepełne spalanie energetyka, komunikacja, metalurgia, koksochemia Pestycydy oraz herbicydy chloroorganiczne i fosforoorganiczne Agrochemia Chlorowane bifenyle (PCBs) Energetyka i elektrotechnika (kondensatory i transformatory przemysłowe) Chlorowane dioksyny i furany (PCDDs/PCDFs) Niekontrolowane spalanie odpadów, przepracowane oleje kondensatorowe Coriolis MS Coriolis MS offer flexibility with a choice of operating modes: Autonomous Sampling: This mode, triggered by the operator wearing Individual Protective Equipment (IPE), can be used by recon teams or first responders to rapidly collect a sample that can be used by an Identifier to identify the biological threat. Biological Sentry Mode: For long term surveillance, the Coriolis MS can function in a standby mode and, when triggered by the Detector, will collect a sample that can be used by the Identifier to identify the biological threat. This mode has already been tested successfully with the warning system, MAB of Proengin. Long Time Collection: for the surveillance of a critical event, the long time collection mode (several hours) can be used to continuously collect a sample that is fully representative of a given period of time. In this mode of operation, an external power source is required. 6

7 Pobieranie próbek ciekłych Bez wzbogacania Ze wzbogacaniem Pobieranie próbek stałych Metody wzbogacania próbek ciekłych: Metody pasywne dyfuzja przez membranę (SPM, SPMD Semipermeable Membrane Device) Metody dynamiczne adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorpcja) ekstrakcja do ciała stałego (SPE Solid Phase Extraction) mikroekstrakcja do fazy stałej (SPME Solid Phase MicroExtraction) Bez wzbogacania Konserwowanie próbek przed analizą Próbka musi być reprezentatywna Zmianie mogą ulegać własności fizyczne, chemiczne i biologiczne powodujące zmiany składu chemicznego badanej próbki Zmiany fizyczne mogą być spowodowane 1. parowaniem (desorpcją) analitu, 2. sorpcją do powierzchni naczynia, 3. dyfuzją przez jego ścianki Konserwowanie próbek przed analizą Zmiany chemiczne mogą być spowodowane: 1. reakcjami fotodegradacji i/lub fotosyntezy 2. utlenianiem tlenem atmosferycznym 3. wytracaniem analitu wskutek tworzenia się nierozpuszczalnych soli (związków) 4. Zmianą phśrodowiska próbki (pochłanianie CO 2 ) 4. Separacja faz, zmiany w zakresie specjacji 7

8 Konserwowanie próbek przed analizą Zmiany biologiczne mogą być spowodowane: 1. Biodegradacja aerobowa lub anaerobowa i reakcje enzymatyczne Utrata analitu wskutek parowania / desorpcji (lotność) Substancje o wysokiej prężności pary nad roztworem lub ciałem stałym mogą być utracone wskutek ich lotności. Naczynia z próbkami ciekłymi należy napełniać do pełna, lub przestrzeń wolną wypełnić argonem (azotem). Ciała stałe należy przykryć warstwą obojętnej chemicznie cieczy (woda, heksan). Przechowywanie próbek w temperaturze nie wyższej niż 4ºC, ale nie zamrożonej (woda, gleba). Zamrażać należy próbki biologiczne Wybranie odpowiedniego pojemnika na próbki Ze względu na możliwość zarówno utraty analitu, jak i jego niekontrolowanego wprowadzenia do badanej próbki, a także zmiany jego własności fizycznych i chemicznych naczynie do pobierania próbek musi być właściwie dobrane. Sposób przechowywania i transportu próbki musi zapewnić utrzymanie jej reprezentatywności. Pobieranie próbek gazowych Bez wzbogacania Ze wzbogacaniem Metody wzbogacania próbek gazowych: Metody pasywne dyfuzja przez membranę Metody dynamiczne sorpcja w rozpuszczalnikach (absorpcja, chemisorpcja) adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorpcja) wymrożenie (pułapki kriogeniczne) 8

9 Apparatus for dioxin and PCB sampling from stack gas Zestaw urządzeń do pobierania dioksyn i PCB ze spalin Schemat aparatury do poboru próbek spalin do oznaczania dioksyn i PCBs wg normy UE EN-1948 spaliny Pyły, kondensat i nasycony adsorbent są przedmiotem oznaczania dioksyn i PCBs w spalinach V, p,t,h 2 O wg. T. Hudyma EMIO Sp. z o.o Wrocław. Poland Pomiary dioksyn - Blachownia S.A., Kędzierzyn Pobór próbek do oznaczania dioksyn cementownia Rejowiec S.A. 2002r. 9

10 Pobieranie próbek powietrza Sampling train for dioxin. PCB and HCB determination in stack gas from sinter plant Mittal Steel, Kraków Rurki adsorpcyjne do metod dynamicznych i pasywnych tzw. rurki Dräger a Umieszczenie bezpośrednie próbek w rurkach 10

11 NAFION Nafion jest kopolimerem kwasu nadfluoro-3,6-dioxa-4-metylo-7oktenosulfonowego i tetrafluoroetylenu (Teflonu ), otrzymany w 1960r przez Walthera Grot a. Nafion zawiera szkielet teflonowy do którego dołączone są łańcuchy innego polimeru fluorowęglowego. Łańcuch fluorowęglowy zakończony jest kwaśną grupą sulfonową (-SO 3 H). Nafion bardzo łatwo absorbuje wodę, zarówno z fazy gazowej jak i ciekłej. Każda z grup sulfonowych jest w stanie koordynować do 13 cząsteczek wody. Wewnątrz hydrofobowego polimeru kwasowe grupy sulfonowe tworzą kanały jonowe, co umożliwia szybki transport wody. W stosunku do pary wodnej Nafion spełnia rolę bardzo selektywnej membrany półprzepuszczalnej. Nafion nie jest materiałem mikroporowatym, który rozdziela związki na podstawie wielkości ich cząsteczek. Na przykład, osuszacze nafionowe mogą usunąć wodę ze strumienia wodoru, mimo że cząsteczka H 2 jest dużo mniejsza od cząsteczki wody. Siłą napędową procesu nie jest ciśnienie, a prężność cząstkowa pary wodnej. Naczynie próżniowe powlekane tantalem do pobierania próbek powietrza Wysokoobjętościowy próbnik do oznaczania zanieczyszczeń powietrza 11

12 Pipeta gazowa Próbniki po ekspozycji ok m 3 powietrza Wysokoobjętościowy próbnik do oznaczania zanieczyszczeń powietrza Wysokoobjętościowy próbnik do oznaczania zanieczyszczeń powietrza Airpointer automatyczny analizator zanieczyszczeń powietrza 12

13 Analizator VOC w powietrzu Airpointer automatyczny analizator zanieczyszczeń powietrza Analizator zanieczyszczeń biologicznych w powietrzu Aktywne pobieranie próbek powietrza Sadza zatrzymana na filtrze 13

14 Pasywne pobieranie próbek powietrza PUF-Disk PAS Zastosowanie w terenie Obejma stalowa Próbnik Polietylen PUF PUF disk POG -Próbniki zaprojektowane do tygodniowej, miesięcznej i rocznej ekspozycji SPMDs Cyrkulacja powietrza Nie wpływają na pomiar: słońce opady zmiany kierunku wiatru zapylenie Pobieranie próbek wody i ścieków Zabezpieczenie przed fotodegradacją szkło oranżowe 14

15 Próbki wody do oznaczania zawartości metali konserwuje się za pomocą HNO 3. Próbki pobiera się do naczyń z polietylenu lub polipropylenu. Nie wolno pobierać w tym celu próbek do naczyń szklanych. Próbki wody do oznaczania związków organicznych konserwuje się za pomocą metanolu lub chloroformu. Próbki pobiera się do naczyń z silanizowanego szkła lub ze szkła borokrzemianowego zamykanego z teflonowym uszczelnieniem Nie wolno pobierać w tym celu próbek do naczyń z tworzyw sztucznych Próbnik do pobierania dioksyn i PCBs z wód i scieków Membrana z polietylenu wypełniona trioleiną Szkło borokrzemianowe (Pyrex, Simax, Termisil ) 15

16 Próbniki SPMD przygotowane do ekspozycji w ścieku Próbnik SPMD zanurzony w ścieku Techniki pasywne pobierania próbek analitów Konstrukcja próbnika typu CHEMCATCHER SPMD paski LDPE MESCO POCIS Pobieranie analitów następuje na drodze swobodnego transportu masy przez membranę do medium zatrzymującego, na skutek różnicy potencjałów chemicznych związków w medium zatrzymującym i środowiskiem wodnym, w którym umieszczany jest próbnik. 16

17 Konstrukcja próbnika typu CHEMCATCHER Budowa próbnika: - obudowa - membrana - medium zatrzymujące Próbnik typu Chemcatcher został zaprojektowany na University of Portsmouth, UK. STAMPS = Standardised Aquatic Monitoring of Priority Pollutants by Passive Sampling U c t t = M = A D L 0 Równanie (pierwsze prawo dyfuzji Fick a) opisuje masę substancji przenoszoną na drodze dyfuzji w określonym czasie ekspozycji, gdzie: U dyfuzja, szybkość przenoszenia [mg/min], t czas ekspozycji [min], M masa substancji w medium zatrzymującym próbnika pasywnego [mg], A przekrój poprzeczny strefy dyfuzji [cm -2 ], D współczynnik dyfuzji substancji wzbogacanej [cm 2 /min], c 0 stężenie substancji w badanym środowisku [mg/cm 3 ], L długość strefy dyfuzji [cm]. M = S A c t 0 L M gdzie: L M grubość membrany [cm], S współczynnik permeacji substancji wzbogacanej W przypadku stosowania membran SPMD, równanie 2 ulega pewnym modyfikacjom. Zakładając, że temperatura badanego środowiska jest stała, a stan równowagi nie został osiągnięty (C L /C W << K OW ), wówczas pobieranie analitów można opisać następująco: C gdzie: C L D A K OW C W t V L M L D A KOW = V L M C W t stężenie analitu w trioleinie, współczynnik dyfuzji analitu, pole powierzchni membrany, współczynnik podziału Kow analitu (trioleina/woda), stężenie analitu w wodzie, czas ekspozycji, objętość trioleiny w ml grubość membrany. 17

18 Surowa membrana SPMD przed ekspozycją w wodzie w próbniku pasywnym 18