Analityka w Kontroli Jakości

ANALITYKA (ANALYTICAL SCIENCE) Analityka w Kontroli Jakości Analityka Wydział InŜynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Chemii Analitycznej Kraków marzec 2011 Interdyscyplinarna 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 takŝe zmianami w czasie; metodyka niezbędna do uzyskania informacji o składzie. Wynikiem badań analitycznych jest informacja uzyskiwana poprzez materialne lub energetyczne oddziaływanie na badany obiekt. Przedmiot i zadania analityki Obszar zastosowań analityki co? Analiza jakościowa Analityka ile? Analiza ilościowa teoretyczna stosowana Próbka postać Specjacja Opracowanie nowych metod, aparatury, procedur Naukowo-badawcza Biologiczno-medyczna struktura Analiza strukturalna Środowiskowa Kontrolno-pomiarowa gdzie? Analiza procesowa Zakres analityki Analityka procesowa ANALITYKA SKŁADU określa skład próbki tj. jakie substancje i w jakiej ilości występują w próbce Analityka procesowa zajmuje się badaniem zmian stęŝenia składnika w czasie O 30±1%; Co 2.4±0.2%; Al 4.4±0.1%; Si 14.5±0.5%; Ba 46±1% Zastosowanie: kontrola procesów przemysłowych; badanie procesów zachodzących w środowisku naturalnym; badanie procesów zachodzących w organizmach Ŝywych; badanie przebiegu reakcji i procesów chemicznych. 1

Analityka procesowa Analityka strukturalna Analityka strukturalna określa jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali atomowej poszczególnych składników próbki (ustalenie budowy cząsteczki, ciała stałego, cieczy). Ludzka kinaza białkowa alamozyt LSD Analityka rozmieszczenia Specjacja Analityka rozmieszczenia określa jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali makro poszczególnych składników próbki. Specjacja to występowanie róŝnych fizycznych i chemicznych form danego pierwiastka lub indywiduów w badanym materiale Analiza specjacyjna polega na identyfikacji form fizycznych i chemicznych pierwiastka i ich ilosciowe oznaczanie w badanym obiekcie. Frakcjonowanie polega na wyodrębnieniu wybranej grupy związków danego pierwiastka(ów) o określonych właściwościach. D.Barałkiewicz, E.Bulska; Specjacja chemiczna wyd. Malamut 2009 Cele analizy specjacyjnej Metody określania ilości składnika Specjacja szczegółowa - identyfikacja i oznaczanie wszystkich form pierwiastka w badanym obiekcie. Specjacja grupowa oznaczenie łącznej zawartości indywiduów chemicznych o zbliŝonych właściwościach. Specjacja funkcjonalna oznaczenie grupy indywiduów chemicznych o określonej aktywności chemicznej i/lub biologicznej. Specjacja operacyjna (frakcjonowanie) to wydzielenie i oznaczenie grupy związków chemicznych w określonych warunkach (określona operacja analityczna, określone medium ekstrakcyjne). Specjacja fizyczna występowanie danego pierwiastka w określonej formie fizycznej. Specjacja cytologiczna rozmieszczenie danego pierwiastka w komórkach organizmów Ŝywych. ZAWARTOŚĆ ilość składnika (wyraŝona w jednostkach masy, objętości lub w molach) zawarta w próbce. STĘśENIE zawartość składnika w ściśle określonej ilości próbki 2

Wynik analizy chemicznej Wynik analizy chemicznej Wynikiem rzetelnej analizy chemicznej jest informacja o ilości oznaczanego składnika oraz o oszacowanym błędzie tego oznaczenia. Najczęściej wynik podawany jest w postaci: x Śr ± ε gdzie: x ŚR średnia co najmniej dwóch niezaleŝnych wyników równoległych analiz wyraŝona w jednostkach zawartości lub stęŝenia oznaczanego składnika. ± ε dokładność wyniku podana w formie przedziału ufności (na zdefiniowanym poziomie istotności zwykle 0.95) lub inaczej wyraŝonego błędu (np. błędu względnego). Dokładność oznaczenia ε podawana jest najczęściej w postaci jednej cyfry znaczącej (np. 0.03) a w wyjątkowych przypadkach dwóch cyfr znaczących. Liczba określająca dokładność określa takŝe ilość miejsc znaczących wyniku (np. 2.34 ± 0.04 mg Cu lub 0.34 ± 1 wzgl.% Cu). PROCES ANALITYCZNY Wynik analizy chemicznej POBIERANIE PRÓBKI STRATEGIA POBIERANIA PRÓBKI Proces analityczny PRZYGOTOWANIE PRÓBKI OBIEKT POMIARU POMIAR SYGNAŁ WYNIK POMIARU WYNIK ANALIZY REJESTRACJA/OCENA KALIBRACJA INERPRETACJA SYSTEM POMIAROWY ZMIENNE UKRYTE INFORMACJA METODY CHEMO- METRYCZNE PERCEPCJA BADANY OBIEKT ROZWIĄZANIE PROBLEMU PROBLEM Postępowanie analityczne: etapy: badany obiekt do wyniku analizy. Metoda analityczna: etapy: przygotowanie próbki do interpretacji wyniku. Zasada pomiaru: etap: pomiar Parametry procesu analitycznego Parametry metod analitycznych 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) Dokładność (accuracy) - stopień zgodności pomiędzy wynikiem pomiaru a wartością referencyjną (którą moŝe być wartość prawdziwa, oszacowana lub oczekiwana). Dokładność wyraŝana jest poprzez błąd bezwzględny (tj. róŝnicę 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 wyraŝana jest przez odchylenie standardowe (lub względne odchylenie standardowe) wyników. 3

METODA Parametry metod analitycznych X precyzyjna i dokładna X precyzyjna X i niedokładna Czułość (sensitivity) - jest to stosunek przyrostu sygnału analitycznego do odpowiadającego mu przyrostu stęŝenia. Definiowana jest zatem jako nachylenie funkcji pomiarowej (kalibracyjnej) F: S = df dc X nieprecyzyjna i dokładna X nieprecyzyjna i niedokładna Zakres liniowości (linear range) - przedział stęŝenia, w którym czułość metody ma wartość stałą. Parametry metod analitycznych zakres liniowości czułość Granica wykrywalności (detection limit) - stęŝenie składnika dla którego otrzymany sygnał moŝe być odróŝniony z duŝym prawdopodobieństwem od sygnału ślepej próby. Pozwala to na półilościowe stwierdzenie obecności danego składnika w próbce. Granica oznaczalności (determination limit) - stęŝenie przy którym dana metoda analityczna jest wystarczająco precyzyjna i dokładna aby uzyskać zadowalające oznaczenia ilościowego danego składnika. Parametry metod analitycznych Parametry metod analitycznych 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. 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 róŝni wykonawcy, sprzęt, laboratorium względnie długie odstępy czasu pomiędzy analizami). 4

Proces analityczny Błąd UDZIAŁ POSZCZEGÓLNYCH ETAPÓW PROCESU ANALITYCZNEGO W CAŁKOWITYM BŁĘDZIE I CZASIE WYKONANIA ANALIZY Czas wykonania Badany obiekt Próbka analityczna Próbka reprezentatywna i niereprezentatywna 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. 5

Pobór próbki 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. Wielkość próbki P którą naleŝy pobrać zaleŝy 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 (mx masa oznaczanego składnika, my masa matrycy próbki): mx G = m + m x y Pobór próbki Strategie poboru próbki Wielkość próbki n którą naleŝy pobrać z obiektu dyskretnego N (np. tabletki) w sposób uproszczony moŝe być określona metodą pierwiastka kwadratowego: n = Bardziej wiarygodne wyniki dają obliczenia wielkości próbki oparte o metody statystyczne takie jak rozkład hipergeometryczny, rozkład binormalny czy twierdzenia Bayes a. Metody statystyczne wymagają przyjęcia poziomu ufności oraz określenia jaka ilość obiektów pobranych do analizy moŝe przekraczać graniczne stęŝenie oznaczanej substancji N 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. Strategie pobierania próbek Sprzęt do poboru próbek Warstwowe pobieranie próbek - obiekt badany dzielony jest najpierw na szereg części - warstw (stratum), a w kaŝdej 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. 6

Sprzęt do poboru próbek Sprzęt do poboru próbek Opis próbek Pakowanie próbek 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.) Pojemniki na próbki - wymagania: muszą być wykonane z materiału obojętnego, nie oddziałującego z próbką (takŝe poprzez adsorpcję i absorpcję); muszą mieć wystarczającą wytrzymałość aby nie ulegać uszkodzeniu podczas pobierania próbki, transportu i przechowywania; muszą mieć odpowiednią wielkość Opakowania dla próbek Opakowania próbek 7

Przechowywanie próbek Przygotowanie próbki Przechowywanie próbek - próbki powinny być analizowane najwcześniej jak to jest moŝliwe. JeŜeli konieczne jest przechowywanie stosowane są następujące warunki: obniŝona temperatura (ok. 4 C); głębokie zamroŝenie (-20 C; -40 C lub temperatura ciekłego azotu); liofilizacja; zastosowanie stabilizatorów i konserwantów oraz innych substancji przeciwdziałających zmianom próbki (np. zakwaszenie w celu zapobieŝenia adsorpcji śladów metali cięŝkich na ścianach naczynia). Etap przygotowanie próbki polega na przekształceniu pobranej próbki poprzez operacje (takie jak: pomniejszanie, rozdrobnienie, homogenizacja, mineralizacja, roztwarzanie, rozpuszczanie, rozdzielanie, zatęŝanie, prasowanie) w obiekt pomiaru zgodnie z wymaganiami stosowanej metody pomiaru. Typy procedur rozkładu próbek Spopielanie Rozkład na sucho (spopielanie) Rozkład na mokro (rozpuszczanie, roztwarzanie w rozpuszczalnikach) Stapianie/spiekanie Mineralizacja sucha (spopielanie) W UKŁADZIE OTWARTYM - ogrzewanie próbki (w piecu muflowym lub płomieniem palnika) do temperatury 450-550 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, moŝliwe straty mechaniczne, długi czas procesu, proces dwustopniowy (otrzymany popiół musi być rozpuszczony/roztworzony). Spopielanie Mineralizacja mokra W UKŁADZIE ZAMKNIĘTYM - bomba tlenowa Metoda polega na spaleniu małej ilości substancji organicznej (poniŝej 20 mg) w zamkniętej kolbie zawierającej tlen. Produkty spalenia są gazowe i zostają ilościowo zaabsorbowane przez roztwór wody obecny w naczyniu. 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: HNO3 + H2O2 - próbki biologiczne HNO3 + H2SO4 - uniwersalna HNO3 + HCl - woda królewska - uniwersalna HNO3 + HClO4 - próbki biologiczne, wybuchowa HF - próbki nieorganiczne HNO3 + HF - uniwersalna HClO4 - próbki biologiczne, wybuchowa 8

Mineralizacja na mokro Mineralizacja mokra Mineralizator firmy Büchi płuczka (scrubber) mineralizator Mineralizacja wspomagana promieniowaniem UV Mineralizacja w autoklawach 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 (H2O2, K2S2O8, HNO3). MINERALIZACJA W SYSTEMIE ZAMKNIĘTYM Mineralizacja/roztwarzanie w zamkniętych naczyniach ciśnieniowych (bombach) w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu jest bardziej efektywna niŝ w systemie otwartym. Ogrzewanie moŝe być konwencjonalne lub mikrofalowe. Stosowana jest temperatura ok. 180 C. Zaletą jest ograniczenie strat związków lotnych. Mineralizator firmy Büchi Naczynie wysokociśnieniowe Mineralizacja mikrofalowa Mineralizacja mikrofalowa - mikrofale są promieniowaniem niejonizującym, powodującym ruchy molekularne poprzez migrację jonów i rotację dipoli, nie powodując zmian struktury molekularnej. Zakres mikrofal obejmuje częstotliwości 300-300000 MHz. Do roztwarzania mikrofalowego stosuje się zwykle fale 2450 MHz i moc 600-700 W. W trakcie penetracji próbki przez mikrofale adsorbuje ona energię w stopniu zaleŝnym 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 stosowany. Mineralizacja/roztwarzanie mikrofalowe jest wykorzystywane do rozkładu biologicznych i botanicznych a takŝe geologicznych, środowiskowych i metalurgicznych próbek. 9

Mineralizatory mikrofalowe STAPIANIE Trudne do roztworzenia materiały (takie jak skały i minerały krzemianowe i glinokrzemianowe, minerały tlenkowe i fosforanowe czy niektóre stopy Ŝelaza) 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: Topnik tt C Tygiel Zastosowanie Na 2 CO 3 Na 2 CO 3 z KNO 3 KClO 3 Na 2 O 2 NaOH KOH Na 2 O 2 851 318 380 Zastosowania topników Pt Pt (z wyj Na 2 O 2 ), Ni Au, Ag, Ni Fe, Ni Próbki zawierające krzmiany, glin, fosforany i siarczany Próbki zawierające S, As, Sb, Cr itd. Krzemiany, węglik krzemu, róŝne minerały Siarczki, nierozpuszczalne w kwasach stopy Fe, Ni, Cr, Mo, W, stopy platyny, minerały Cr, Sn, Zr Metody rozdzielania i zatęŝania Dwie całkowicie wymieszane substancja mogą zostać rozdzielone jeŝeli róŝnią się co najmniej jedną właściwością fizykochemiczną. Podstawa rozdzielania Lotność Współczynnik podziału Metoda Destylacja Rafinacja Chromatografia gaz/ciecz Chromatografia podziałowa Ekstrakcja B 2 O 3 577 Pt Krzemiany i tlenki jeŝeli oznaczne mają być metale alkaliczne Równowaga wymiany Wymiana jonowa Metody rozdzielania Aktywność powierzchniowa Geometria cząsteczki Chromatogr. adsorpcyjna Chromatogr. gaz/ciało stałe Rafinacja piany Sita molekularne Filtracja/permacja Ŝelowa Dyfuzja gazów Kompleksy inkluzyjne Ultrafiltracja Dializa, elektrodializa Migracja Rozpuszczalność Potencjał rozkładu Elektroforeza Strącanie Rafinacja strefowa Elektroliza 10

Odbiorca Pomiar SCHEMAT BLOKOWY INSTRUMENTU POMIAROWEGO Etap pomiar obejmuje operacje, które pozwalają z obiektu pomiaru uzyskać wynik pomiaru. Jest to więc po pierwsze metoda pomiarowa (analityczna) i związane z nią zagadnienia sygnały, ich modyfikacja oraz budowa instrumentu pomiarowego (a w szczególności elementów wejściowych tj. detektorów oraz sensorów). Proces fizykochemiczny DETEKTOR SENSOR PRZETWORNIK WEJŚCIA MODYFIKACJA SYGNAŁU MODYFIKACJA SYGNAŁU ODCZYT ODCZYT Detektor np. fotometryczny, konduktometryczny; Sensor (czujnik) np. glukozy, ph, jonów sodowych; Przetwornik wejścia np. przetwornik prąd napięcie, wtórnik napięciowy; Modyfikacja sygnału np. wzmocnienie, logarytmowanie, przetwarzanie A/C; Odczyt np. wyświetlacz ciekłokrystaliczny, rejestrator XY, komputer. Detektor Sensor chemiczny Detektor urządzenie, za pomocą którego chemiczne lub fizyczne właściwości substancji przekształcane są na uŝyteczny sygnał analityczny. (Słownik chemii analitycznej WNT 1984) Sensor chemiczny małe urządzenie, które moŝe być uŝyte do bezpośredniego pomiaru analitu w matrycy próbki. J.Wang, Analytical Electrochemistry, VCH 1994 Sensor chemiczny jest urządzeniem przetwarzającym informacje chemiczne w sygnał uŝyteczny analitycznie. Definicja IUPAC Detektor konduktometryczny Sensor chemiczny = Czujnik chemiczny Amperometryczny sensor glukozy i tlenu Budowa sensora chemicznego 11

Klasyfikacja czujników Klasyfikacja czujników Z punktu widzenia receptora moŝna czujniki podzielić na: chemiczne (sensory chemiczne): działanie receptora opiera się na reakcjach chemicznych (zobojętniania, kompleksowania, redoks) zastosowanych do rozpoznania jonów bądź cząsteczek, lub na rozpoznaniu ich na podstawie wielkości lub kształtu; biologiczne (biosensory): zawdzięczają swoje działanie receptorowi biologicznemu, którym najczęściej są enzymy (w postaci izolowanej lub zawarte w tkankach czy mikroorganizmach), membrany biologiczne oraz ciała i antyciała stanowiące elementy układu odpornościowego organizmu (immunosensory). Najczęściej stosowany podział czujników opiera się na przetworniku wejścia (transducer), który jest elementem detekcyjnym (np. fotodiodą, kryształem piezoelektrycznym itp.). Element ten przetwarza wielkość fizyczną lub fizykochemiczną powstającą w receptorze na sygnał elektryczny. Klasyfikacja czujników Klasyfikacja czujników Czujniki elektrochemiczne: przetwarzają efekt elektrochemicznego oddziaływania pomiędzy analitem a receptorem na sygnał elektryczny. Ze względu na rodzaj oddziaływania elektrochemicznego czujniki te dzielimy dalej na kilka rodzajów: Czujniki konduktometryczne Czujniki potencjometryczne Czujniki amperometryczne i woltamperometryczne Czujniki pojemnościowe Czujniki optyczne: przetwornik wejścia transformuje zmiany właściwości optycznych receptora występujące na skutek jego oddziaływań z analitem, na sygnał elektryczny. Wykorzystywane tu właściwości optyczne to absorbancja, reflaktancja, luminescencja (fluorescencja lub fosforescencja), rozpraszanie światła, współczynnik załamania światła a takŝe kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Czujniki masowe: przetwarzają zmiany masy powodowane akumulacją analitu na powierzchni receptora na sygnał elektryczny (częstotliwość). W grupie tej występują czujniki piezoelektryczne (np. oparte na mikrowadze kwarcowej) lub wykorzystujące powierzchniową falę akustyczną. Interpretacja wyniku Charakterystyka sensora: Specyficzność w rzeczywistości sensory są raczej selektywne niŝ specyficzne i ich odpowiedź (R) moŝe być opisana: R = S C + a + K C i i i j i j j Czułość (nachylenie funkcji pomiarowej Si) powinna być jak największa aby umoŝliwić detekcję jak najmniejszych zmian stęŝenia analitu. Czas odpowiedzi (moŝliwie krótki). Trwałość (co najmniej kilka miesięcy). Mały rozmiar i moŝliwość zastosowania nowych technologii produkcji. Etap interpretacja wyniku ma za zadanie przekształcić wynik pomiaru w wynik analizy. Wynikiem pomiaru w zaleŝności od metody moŝe być wielkość fizyczna lub fizykochemiczna (np. prąd, SEM, natęŝenie promienio-wania, absorbancja itd.) lub krzywa obrazująca zmianę tej wielkości w funkcji niezaleŝnej zmiennej związanej z zastosowaną metodą pomiarową (np. widmo, woltamogram, chromatogram,krzywa miareczkowania). Przekształcenie następuje przez obliczenia stechiometryczne, z zastosowaniem innych zaleŝności dokładnych lub na drodze kalibracji. 12

Kalibracja Kalibracja instrumentu pomiarowego Kalibracja - proces, w którym wyznaczana jest zaleŝność 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. Proces regulacji instrumentu pomiarowego prowadzący obniŝenia błędu pomiaru, charakterystycznej dla niego wielkości fizycznej, do poziomu określonego klasą dokładności. Kalibracji instrumentu dokonuje się przy uŝyciu wzorców mierzonej wielkości fizycznej (siły elektromotorycznej, napięcia, oporności, przewodnictwa, luminancji itd.) Kalibracja instrumentu związana jest z pojęciem spójności pomiarowej Kalibracja metody Kalibracja empiryczna Kalibracja polega na wyznaczeniu funkcji pomiarowej F (zwanej takŝe funkcją kalibracyjną): y = F(x) gdzie: y - mierzony sygnał (prąd, natęŝenie światła itp.) x - wielkość związana z ilością oznaczanej substancji (stęŝenie, masa itp.). W większości metod analitycznych nie jest znana teoretycznie dokładna postać funkcji pomiarowej. Zwykle znana jest jej przybliŝona postać, która nie moŝe 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. W celu wyznaczenia funkcji kalibracyjnej y=f(x) naleŝy: Dokonać szeregu pomiarów w roztworach standardowych o róŝnym stęŝeniu substancji oznaczanej. Zwykle stosuje się 7-10 roztworów o róŝnych stęŝeniach. Pomiar w kaŝdym 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 Kalibracja Przykładowy zestaw danych kalibracyjnych i przebieg funkcji podany jest na rysunku. stęŝenie [ppm] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 prąd [na] 20.0 40.6 59.0 78.3 101 118 143 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. 13

Kalibracja Inne metody kalibracyjne W większości metod analitycznych dąŝy się do liniowej funkcji pomiarowej poniewaŝ: moŝliwe jest określenie błędu predykcji (oznaczenia ilościowego); odwrócenie funkcji jest trywialne; czułość oznaczenia jest stała w całym zakresie stęŝeń. PORÓWNANIE ZE WZORCEM (kalibracja jednopunktowa). StęŜenie analitu w próbce c x dające sygnał s x jest obliczane na podstawie sygnału s s otrzymywanego dla roztworu standardowego o stęŝeniu c s mierzonego w tych samych warunkach pomiarowych: c x cs sx = s s Metoda daje prawidłowe wyniki gdy: stęŝenia analitu w próbce i roztworu standardowego są w przybliŝeniu równe; matryca próbki i roztworu standardowego są identyczne; wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie róŝni się istotnie od zera. Metoda dodatku wzorca Metoda dodatku wzorca StęŜenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału po dodaniu do próbki, wzorca analitu. Dodatek moŝe być pojedynczy lub wielokrotny. Objętość dodawanego wzorca powinna być zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki. Metoda daje prawidłowe wyniki jeŝeli wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie róŝni się istotnie od zera. Metoda dodatku wzorca Pozostałe metody kalibracyjne Metoda dodatku wzorca jest szczególnie przydatna gdy matryca próbki jest skomplikowana lub nieznana. PoniewaŜ objętość dodawanego wzorca jest zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki zmiany stęŝenia matrycy (a zatem takŝe jej wpływ na wynik) są zaniedbywalne Metoda dodatku próbki StęŜenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału roztworu standardowego po dodatku próbki. Metoda jest przydatna gdy stęŝenie analitu w próbce jest wysokie lub gdy rozcieńczenie matrycy próbki eliminuje pochodzące od niej interferencje. Metoda wzorca wewnętrznego Stosowna do eliminacji wpływu parametrów operacyjnych metody na odpowiedź analitu. Zakłada, Ŝe 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. 14