Atomowa spektrometria absorpcyjna i emisyjna

Transkrypt

1 Nowoczesne techniki analityczne w analizie żywności Zajęcia laboratoryjne Atomowa spektrometria absorpcyjna i emisyjna Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest oznaczenie zawartości sodu, potasu i magnezu w próbkach stałych materiałów żywnościowych metodą fotometrii płomieniowej i absorpcyjnej spektometrii atomowej. Wykonanie ćwiczenia obejmuje przygotowanie (mineralizację) próbek (pierwsze zajęcia lab.), przygotowanie sprzętu do pracy i jego kalibrację oraz pomiar zawartości sodu, potasu i magnezu w przygotowanych (zmineralizowanch) próbkach żywności (drugie zajęcia lab.). Mineralizacja Przygotowanie próbek do analizy jest istotnym i złożonym etapem, a operacje i procesy wchodzące w skład tego procesu mogą się przyczynić zarówno do straty analitów, jak też mogą być źródłem dodatkowych zanieczyszczeń, (w jaki sposób?). Jednym z najważniejszych etapów przygotowania próbki w analizie nieorganicznej jest mineralizacja związków organicznych i przeprowadzenie składników do roztworu. Większość metod analitycznych np. spektrofluorymetria, spektrofotometria UV-VIS, absorpcyjna spektrometria atomowa, potencjometria, kulometria i inne, wymaga wstępnego przeprowadzenia próbek do roztworu, a także wydzielenia, rozdzielania i zatężania analitu, maskowania czynników zakłócających oznaczenie, czy derywatyzację. Mineralizacja polega 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. Całkowita mineralizacja próbek jest konieczna przy określaniu całkowitej zawartości danego pierwiastka w próbce. Główne sposoby mineralizacji to mineralizacja na sucho oraz na mokro. Mineralizacja na sucho: Spopielanie powolny rozkład materii organicznej w piecu w temp C, powstały popiół (złożony gł. z węglanów i tlenków) roztwarza się w odpowiednim kwasie lub mieszaninie kwasów, Mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej kierowanie strumienia bardzo czystego tlenu wzbudzonego w polu generatora wysokiej częstotliwości (ponad 27 MHz), czyli plazmy tlenowej o temp C na próbkę, wzbudzony tlen spala (utlenia) próbkę, zamknięty układ ogranicza możliwość zanieczyszczenia próbki, ale czas przebiegu procesu jest długi (do kilkunastu godzin), 1

2 Mineralizacja w tlenie mineralizacja w bombie tlenowej lub metodą Schonigera (spalanie w atmosferze tlenu pod ciśn. atm. i absorbowanie powstałych gazowych produktów rozkładu w roztworze pochłaniającym), Stapianie dla próbek zawierających składniki trudne do rozkładu w bezpośredniej reakcji z kwasami, stapianie sproszkowanej próbki z topnikami takimi jak: węglany alkaliczne, boraks, w tyglu grafitowym umieszczonym w piecu, a następnie otrzymany stop rozpuszcza się w kwasach. Mineralizacja na mokro rozkład przy zastosowaniu kwasów: Z zastosowaniem konwencjonalnego ogrzewania Z wykorzystaniem ultradźwięków umieszczenie próbki wraz z naczyńkiem reakcyjnym, zawierającym kwasy i ewentualnie utleniacze, w łaźni ultradźwiękowej, Promieniami UV naświetlanie mineralizowanego roztworu w kwarcowym naczyniu reakcyjnym nisko- lub wysokociśnieniową lampą ultrafioletową (λ=254 nm), 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, W systemach otwartych lub w systemach zamkniętych (ciśnieniowa) W systemach stacjonarnych, w systemach przepływowych lub w fazie gazowej Stosowane kwasy rozkład odbywa się za pomocą jednego lub kilku mocnych kwasów mineralnych z dodatkiem lub innych związków o właściwościach utleniających. Utleniaczami są zazwyczaj HNO 3, HClO 4 oraz H 2 O 2. Spektroskopia to dziedzina nauki, która obejmuje metody badania materii przy użyciu promieniowania elektromagnetycznego. Spektrometria zajmuje się rejestracją i pomiarami efektów wytwarzania bądź oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z badaną materią. Przyjmując za podstawę podziału spektroskopii formę wymiany energii miedzy promieniowaniem i materią, możemy ją podzielić na spektroskopię absorpcyjną (zwiększenie energii układu w wyniku pochłaniania promieniowania) i spektroskopię emisyjną (oddanie części energii przez układ drogą emisji promieniowania). PRAWA ABSORPCJI Prawo Lamberta-Beera: Dla równoległej ściśle monochromatycznej wiązki promieniowania elektromagnetycznego, w przypadku nieabsorbującego rozpuszczalnika, kiedy brak jest jakichkolwiek oddziaływań między cząsteczkami substancji absorbującej czy też między cząsteczkami tej substancji i rozpuszczalnika: 2

3 absorbancja A jest proporcjonalna do stężenia roztworu c i grubości warstwy absorbującej b A I log I = 0 = abc = εbc m Prawo addytywności absorbancji dotyczy roztworów i mieszanin wieloskładnikowych. Wyraża ono absorbancję całkowitą środowiska, A, jako sumę niezależnych absorbancji poszczególnych składników (A 1, A 2,...A n ) Fotometria płomieniowa A = A1 + A A n = A i n i= 1 Fotometria płomieniowa jest metodą analizy spektralnej, polegającej na pomiarze intensywności promieniowania atomów, które są wzbudzane w płomieniu. Na podstawie intensywności promieniowania można wnioskować o ilości pierwiastka w badanej próbce. Fotometrię płomieniową stosuje się do analizy różnych materiałów, przede wszystkim na zawartość metali alkalicznych i ziem alkalicznych. Metody analizy ilościowej. Jak wykazały przeprowadzone badania, pomiędzy intensywnością promieniowania płomienia, a stężeniem oznaczanego pierwiastka w roztworze powinna zachodzić zależność wprost proporcjonalna. Zależność ta jest podstawą analizy ilościowej. W praktyce jednakże zależność ta spełniona jest dla pewnego przedziału stężeń. Poza granicami tego przedziału następuje odchylenie od proporcjonalności i oznaczanie ilościowe napotyka trudności. Intensywność promieniowania roztworów o jednakowym stężeniu, np. potasu, zależy m.in. od składu analizowanego roztworu, (czyli zawartości innych składników), sposobu rozpylenia i rodzaju płomienia. Czynniki te wpływają również na zakres stężeń, w których jest zachowana proporcjonalność. Dlatego przed przystąpieniem do analizy należy za każdym razem, gdy nastąpi zmiana w warunkach wykonywania analizy, sprawdzić, w jakim zakresie stężeń można przeprowadzać oznaczenia ilościowe. Najważniejszym czynnikiem, od którego zależy wynik analizy, jest temperatura płomienia (dlaczego?). Również skład chemiczny roztworu ma wpływ na wyniki. Podobnie wzbudzenie pierwiastków zależy od anionów zawartych w roztworze. Technika pomiarów metodą fotometrii płomieniowej wymaga przestrzegania odpowiednich warunków. Przede wszystkim należy określić zakres stężeń, w którym zależność między stężeniem a intensywnością promieniowania jest prostoliniowa. W tym celu przygotowuje się serię roztworów o zmiennym stężeniu oznaczanego pierwiastka np. O, 10, 20, μg/ml i wykonuje się pomiary intensywności promieniowania płomienia po wprowadzeniu do niego tych roztworów. Na tej podstawie można określić odpowiedni zakres stężeń. 3

4 Pomiary przeprowadza się dwoma sposobami: l) pomiary powtarza się w takiej samej kolejności, aż do uzyskania dwóch serii wyników zgodnych między sobą; 2) powtarza się pomiary dla całej serii roztworów, ale w odwrotnej kolejności. W każdym przypadku jako wynik przyjmuje się średnią z przeprowadzonych pomiarów. Na zajęciach posłużymy się sposobem 2. Absorpcyjna spektroskopia atomowa Absorpcyjna spektroskopia atomowa jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod instrumentalnych analizy chemicznej. Wykorzystuje ona fakt, że atomy w stanie gazowym są nie tylko źródłem promieniowania wzbudzonego, ale również absorbują promieniowanie wysyłane przez atomy tego samego pierwiastka. Istotą tej metody jest pomiar widma absorpcyjnego wolnych atomów. Jest to możliwe tylko po przeprowadzeniu ich w formę gazową (rozpylając roztwór w płomieniu lub dokonując rozkładu substancji w wysokiej temperaturze, np. w specjalnej kuwecie grafitowej (jest to tzw. bezpłomieniowa metoda). W naszym ćwiczeniu wykorzystujemy spektrometr z płomieniem gazowym (acetylen i powietrze). Badaną substancję poddaje się działaniu promieniowania wysyłanego przez lampę z katodą wnękową wykonaną z oznaczanego pierwiastka (metalu). W widmie promieniowania emitowanego przez tę lampę występują jedynie linie metalu, z którego jest ona wykonana i lampa taka nie nadaje się do oznaczeń innych pierwiastków. Po przejściu promieniowania przez płomień (lub kuwetę) ulega ono osłabieniu (absorpcji), ponieważ jego część została zużyta na wzbudzenie atomów metalu znajdujących się w płomieniu w stanie podstawowym. Detektorem promieniowania jest fotopowielacz. Natężenia promieniowania rejestrowanego przez detektor maleje wraz ze wzrostem ilości atomów oznaczanego pierwiastka w płomieniu w sposób opisany przez prawo Lamberta-Beera. Absorpcja promieniowania jest proporcjonalna do stężenia metalu. Absorpcyjna spektroskopia atomowa jest bardzo czułą metodą i służy do oznaczania bardzo wielu pierwiastków. Jej zastosowanie jest szersze niż fotometrii płomieniowej. Fotometria płomieniowa jest metodą analizy spektralnej, polegającej na pomiarze intensywności promieniowania atomów, które są wzbudzane w płomieniu, natomiast absorpcyjna spektroskopia atomowa wykorzystuje fakt, że atomy w stanie gazowym są nie tylko źródłem promieniowania wzbudzonego, ale również absorbują promieniowanie wysyłane przez atomy tego samego pierwiastka - istotą tej metody jest pomiar widma absorpcyjnego wolnych atomów (po przejściu wiązki monochromatycznego promieniowania elektromagnetycznego przez analizowaną próbkę zmniejsza się natężenie tego promieniowania; wprawdzie atom po wzbudzeniu natychmiast emituje zaabsorbowany kwant energii, ale wypromieniowuje go we wszystkich kierunkach, osłabiając w ten sposób natężenie wiązki pochodzącej za źródła promieniowania wzorcowego i biegnącej w kierunku detektora). 4

5 Typy metod spektrofotometrycznych (przygotować): metoda krzywej wzorcowej, metoda roztworów ograniczających, metoda dodatków, Źródła niezbędnej wiedzy oraz przykładowe pytania znajdują się w : Metody spektroskopowe - oznaczanie metali w wodzie pitnej. Wymagania i przykładowe pytania dla studentów O.Ś. i T.Ch. 5