Techniki i metody przygotowania próbki mineralizacja, techniki konwencjonalne i mikrofalowe oraz ekstrakcja do fazy stałej (SPE)

Transkrypt

1 prof. dr hab. Inż. Marian Kamiński mgr inż. Grażyna Romanik Instrukcje ćwiczeń laboratoryjnych kod ćwiczenia TA Metody Analizy Technicznej (AT) / Metody Kontroli i Zapewnienia Jakości (KZJ) Techniki i metody przygotowania próbki mineralizacja, techniki konwencjonalne i mikrofalowe oraz ekstrakcja do fazy stałej (SPE) Wprowadzenie MINERALIZACJA Mineralizacja poleca na rozkładzie i utlenieniu związków organicznych zawartych w próbce i przeprowadzeniem składników do roztworu, lub czasem jest tylko przeprowadzeniem próbek do roztworu i utrzymaniem w nim pierwiastków bez strat. Główne sposoby mineralizacji to mineralizacja na sucho oraz mineralizacja na mokro. Do grupy technik rozkładu próbek na sucho należy: spopielanie mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej mineralizacja w tlenie stapianie Spopielanie Technika ta polega na powolnym rozkładzie materii organicznej w piecu w temperaturze pomiędzy c C. W trakcie rozkładu powstaje popiół, złożony głównie z węglanów i tlenków, który następnie roztwarza się w odpowiednim kwasie lub mieszaninie kwasów. Mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej Metoda polega na kierowaniu strumienia bardzo czystego tlenu wzbudzonego w polu generatora wysokiej częstotliwości (ponad 27 MHz). czyli plazmy tlenowej o temperaturze C na analizowaną próbkę. Wzbudzony tlen spala (utlenia) próbkę. Zamknięty układ i brak konieczności stosowania dodatkowych odczynników ogranicza możliwość zanieczyszczania próbki. Wadą jest stosunkowo długi czas przebiegu procesu od kilku do kilkunastu godzin. Mineralizacja w bombie tlenowej - próbkę umieszcza się w kwarcowej łódeczce w zamkniętym hermetycznie naczyniu ciśnieniowym, tzw. bombie tlenowej. Naczynie napełnia się tlenem pod ciśnieniem 0.2 do 6.0 MPa i elektrycznie inicjuje się zapłon. Technikę tę wykorzystuje się do rozkładu materiału biologicznego i żywności. Metoda Schonigera - próbkę poddaje się spaleniu w atmosferze tlenu pod ciśnieniem atmosferycznym w kolbie szklanej lub kwarcowej. Powstałe gazowe produkty rozkładu są absorbowane w roztworze pochłaniającym (kwas siarkowy (VI) lub nadtlenek wodoru). Technika stosowana do oznaczania pierwiastków głównych w materiale roślinnym. Stapianie Znajduje zastosowanie dla próbek zawierających składniki trudne do rozkładu w bezpośredniej reakcji z kwasami. Metoda polega na stapianiu sproszkowanej próbki z topnikami takimi jak: węglany alkaliczne, boraks, w tyglu grafitowym umieszczonym w piecu. Po ochłodzeniu otrzymany stop rozpuszcza się w kwasach. W analityce środowiska tę technikę wykorzystuje się rzadko z następujących powodów: wzrostu poziomu tła ze względu na stosowanie dużych ilości topnika i kontakt w podwyższonej temperaturze z materiałem naczynia. strat lotnych składników próbki z powodu wysokiej temperatury stapiania.

2 zużycia znacznych ilości odczynników o dużej czystości, stosowanie tygli wykonanych ze specjalnych materiałów i związane z tym wysokie koszty Mineralizacja na mokro - rozkład przy zastosowaniu kwasów. Techniki rozkładu próbek na mokro: z zastosowaniem konwencjonalnego ogrzewania, z wykorzystaniem ultradźwięków promieniami UV z wykorzystaniem energii mikrofalowej w systemach otwartych lub w systemach zamkniętych (ciśnieniowa) w systemach stacjonarnych, w systemach przepływowych lub w fazie gazowej. Rozkład matrycy odbywa się za pomocą jednego lub kilku mocnych kwasów mineralnych z dodatkiem lub bez innych związków o właściwościach utleniających. Utleniaczami są zazwyczaj HNO 3, H 2 SO 4, HCIO 4 oraz H 2 O 2. Mineralizacja z wykorzystaniem ultradźwięków Polega na umieszczeniu próbki wraz z naczyńkiem reakcyjnym, zawierającym kwasy i ewentualne utleniacze, w łaźni ultradźwiękowej. Technika ta stosowana jest do roztwarzania stałych próbek środowiskowych. Mineralizacja promieniami UV Polega na naświetlaniu mineralizowanego roztworu w kwarcowym naczyniu reakcyjnym niskolub wysokociśnieniową lampą ultrafioletowa. Technika ta stosowana jest do mineralizacji próbek wód. ścieków, płynów ustrojowych, napojów. Mineralizacja ciśnieniowa z wykorzystaniem energii mikrofalowej Jest to najczęściej połączenie trzech technik mineralizacji: mineralizacji z zastosowaniem kwasu(ów) i innych substancji mineralizujących, w układzie zamkniętym-ciśnieniowym w tzw. bombie teflonowej'" oraz z zastosowaniem energii mikrofalowej. Podczas gdy rozkład próbki przez trawienie w kwasach, bądź też stapianie z solami metali alkalicznych jest oparty na zastosowaniu energii chemicznej i energii cieplnej, mineralizacja mikrofalowa zachodzi w wyniku działania promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 2450 MHz. co powoduje wytworzenie ciepła wzmagającego reakcje chemiczne prowadzące do rozkładu próbki. Energia promieniowania mikrofalowego jest bezpośrednio absorbowana przez polanie cząsteczki (wodę, kwasy nieorganiczne, itd.) i stanowi w tych przypadkach znacznie szybsze i skuteczniejsze źródło energii niż klasyczne ogrzewanie oparte o konwekcję i przewodnictwo cieplne. Ponadto zlokalizowane, wewnętrzne ogrzewanie pojedynczych cząsteczek próbki najczęściej powoduje ich rozpad, zwiększając tym sposobem powierzchnię kontaktu z reagentami i szybkość rozkładu. Mineralizacja ciśnieniowa polega na reakcji analizowanej próbki z kwasami mineralnymi w podwyższonej temperaturze w zamkniętym naczyniu z teflonu, zwanym bombą teflonową. Powstające w wyniku wydzielania gazów, ciśnienie umożliwia stosowanie wyższych temperatur niż temperatury wrzenia kwasów w układach otwartych, a zatem skraca czas reakcji. Naczynia stosowane w mineralizacji mikrofalowej muszą być wykonane z odpowiedniego materiału przepuszczalnego dla promieniowania mikrofalowego, który jednocześnie jest odporny chemicznie w stosunku do stężonych kwasów (teflon, kwarc nieodporny na działanie kwasu fluorowodorowego). Procesy rozkładu przebiegają wewnątrz naczynia teflonowego (lub kwarcowego jeżeli wymagana jest wyższa temperatura) o pojemności od 30 do 250 ml umieszczonego w chłodzonym wodą stalowym płaszczu, do wnętrza którego za pośrednictwem specjalnego układu sprzęgającego wprowadzana jest w sposób ciągły zogniskowana energia mikrofalowa (np. moc W). Zaletami mineralizacji mikrofalowej są: dobra powtarzalność, prostota wykonania, krótki czas przebiegu procesu,

3 niewielkie zużycie odczynników. możliwość oznaczania w mineralizacji wielu pierwiastków w szerokim zakresie stężeń. ograniczone straty analitu. ograniczona kontaminacja próbki małe odważki analizowanego materiału (0.1 g), stosunkowo proste dostosowanie parametrów decydujących o mineralizacji (rodzaju i stężenia kwasów, mocy generatora, ciśnienia) do rodzaju analizowanych próbek, skuteczność rozkładu substancji organicznej i nieorganicznej. Wady mineralizacji mikrofalowej to przede wszystkim: cena aparatu konieczność stosowania małych od ważek próbki. Ekstrakcja do fazy stałej (SPE) SPE - ang, solid phase extraction polega na przeniesieniu analitów znajdujących się w próbce ciekłej do fazy stałej. Rozdzielanie związków zachodzi w oparciu o współczynnik podziału związków organicznych między fazę ruchomą i stały sorbent, Uwolnienie analitów zachodzi przy pomocy rozpuszczalnika (oznaczanie końcowe HPLC) lub na drodze termicznej (oznaczanie GC), Proces adsorpcji można przeprowadzać przy zastosowaniu klasycznych kolumienek wypełnionych sorbenten, krążków, krążków do przyśpieszonej ekstrakcji lub kolumienek wypełnionych krążkami. Poszczególne etapy w trakcie wykonywania izolacji za pomocą SPE to: 1. Przemycie złoża rozpuszczalnikiem (najczęściej takim, jak w późniejszym etapie używany jest do desorpcji analitów) 2. Kondycjonowanie złoża sorbentu poprzez przemycie go takim rozpuszczalnikiem, który jest jak najbardziej zbliżony właściwościami do próbki 3. Wprowadzenie próbki na/do złoża 4. Przemycie złoża sorbentu celem usunięcia matrycy i ewentualnych substancji przeszkadzających istnieje możliwość frakcjonowania. 5. Elucja właściwych analitów. Należy pamiętać iż od chwili rozpoczęcia etapu kondycjonowania złoża sorbentu nie można dopuścić do jego wyschnięcia. W przeciwnym przypadku procedurę należy rozpocząć od nowa. Przed ostatnim etapem elucji analitów ze złoża należy upewnić się, czy jest ono suche, jeśli nie - wysuszyć. SPE można stosować m.in. do: wzbogacania nanoszenie na kolumienkę dużych ilości/objętości próbek, a następnie elucja substancji małą ilością rozpuszczalnika oczyszczania eluowanie tylko jednej substancji/grupy substancji frakcjonowania stopniowa elucja, eluenatmi o wzrastającej mocy elucji przechowywanie próbek naniesienie próbek i przechowywanie

4 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z technikami przygotowania próbek do analizy, głównie metodami mineralizacji, oraz wyodrębnienie grupy analitów techniką SPE. Podczas zajęć laboratoryjnych zostanie wykonany eksperyment polegający na mineralizacji margaryny oraz wyodrębnieniu grupy analitów i analiza tej grupy techniką HPLC. Materiały, aparatura, wyposażenie 1. Mineralizacja na sucho. Płyta grzejna, parowniczka, zapałki, lejek, fiolka, margaryna 2. Mineralizacja na mokro. Zestaw do mineralizacji, mineralizator - CEM Mars 5, margaryna, HNO 3, H 2 O 2, 3. SPE. Zestaw do SPE, pompka próżniowa, pipety automatyczne μl, 1 ml, 5ml, fiolki 12 ml, kolumienki wypełnione florisilem, metanol, n-heksan, ropa naftowa Metodyka 1. Mineralizacja na sucho - odważyć w parowniczce około 0,6 grama margaryny - nagrzać próbkę na płycie elektrycznej do temperatury zapłonu - zapalić zapałką próbkę - prażenie w piecu około 8h 2. Mineralizacja na mokro - odważyć około 0,5 grama margaryny

5 - umieścić próbkę w pojemnikach do mineralizacji - przeprowadzić mineralizację w warunkach: temperatura-power czas 450W 0W 1min 550W 0W 1min 700W 3. SPE - aktywować złoże (Florisil/6ml/1000mg) - kondycjonować kolumnę 20 ml metanolu, a następnie 20 ml n-heksanu - naniesienie próbki nanosimy 200 μl oleju na kolumienkę - elucja ml n-heksanu zbieranie frakcji - analiza zebranych frakcji techniką HPLC Sprawozdanie - opis postępowania podczas ćwiczenia i innych alternatywnych sposobów przygotowania próbki (mineralizacji oraz wyodrębniania grup substancji) - porównać otrzymane wyniki zawartości Ni i Fe, otrzymane dla każdej metodyki mineralizacji i dla różnych technik oznaczania (AAS, ICP) (uzyskane podczas kolejnego / kolejnych ćwiczeń) - wyznaczyć powtarzalność laboratoryjną i odtwarzalność stosowanych metodyk (potrzebne wyniki innych grup) - porównać stosowane metodyki z metodykami opisanymi w normach Zakres wiadomości wymaganych przed przystąpieniem - techniki i metody mineralizacji materiałów w kontroli jakości i analityce technicznej, zakresy zastosowania, - zasady stosowania SPE do wyodrębniania grup analitów Literatura: Literatura w zakresie podstaw i zasad ogólnych techniki i metod analitycznych ćwiczenia, dostępna w Bibliotece / Internecie należy poszukać, w tym, koniecznie przedmiotowe normy metodyczne, w tym np., ASTM D 189, ASTM D 874 (dostępne także w pok. 9 Ch.C)