WYKŁAD 7 ANALIZA SPECJACYJNA ANALIZA SPECJACYJNA Specjacja - występowanie różnych fizycznych i chemicznych form danego pierwiastka w badanym materiale. 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), bez określenia chemicznej natury składników poszczególnych grup. Ponadto wyróżnia się czasem: specjację operacyjną - gdy określona operacja analityczna warunkuje wydzielenie określonej grupy związków danego pierwiastka; specjację fizyczną - wyróżnienie form występowania pierwiastka różniących się właściwościami fizycznymi (np. rozmiarami cząstek); specjacja cytologiczna - oznaczanie rozkładu danego pierwiastka w komórkach lub w organellach komórkowych. Trudności badań specjacyjnych: pobieranie próbki (możliwość zafałszowania informacji o całkowitej zawartości pierwiastka oraz wpływ na względną zawartość poszczególnych jego form); nietrwałość i zmienność specjacji; konieczność oznaczenia występujących obok siebie związków o podobnych właściwościach; śladowe zawartości poszczególnych form oznaczanego pierwiastka. 1
Metody analityczne stosowane w badaniu specjacji: potencjometria (elektrody jonoselektywne) woltamperometria; chromatografia gazowa poprzedzona derywatyzacją; chromatografia cieczowa; techniki elektroforetyczne; techniki sprzężone; metody obliczeniowe. INTERFERENCJE Oddziaływanie składników próbki na sygnał analitu. Mechanizmy działania interferentów: interferencje SM (same mechanism) - zachodzą według takiego samego mechanizmu jak powstanie sygnału analitu (np. nakładanie się piku interferenta na pik analitu w woltamperometrii). interferencje DM (different mechanism) - zachodzą według odmiennego mechanizmu niż generacja syganłu analitu (np. reakcja chemiczna interferenta z analitem powodująca powstanie związku nie dającego charakterystycznego sygnału). inteferencje NS (non-specific) - niespecyficzne a więc oddziaływujące na wiele różnych analitów (np. adsorpcja substancji powierzchniowo czynnych w woltamperometrii powodująca stłumienie syganału depolaryzatorów). W metodach spektralnych tradycyjnie wyróżnia się interferencje: spektralne - są to interferencje SM i NS niespektralne - są to interferencje DM Eliminacja interferencji: rozdzielanie; zastosowanie detekcji selektywnej; zastosowanie technik sprzężonych; procedury kalibracyjne; metody chemometryczne. ANALIZA CIAŁA STAŁEGO 2
Metody niszczące: - przeprowadzenie do roztworu (rozpuszczanie, roztwarzanie lub stapianie) i następnie analiza metodami klasycznymi lub instrumentalnymi - homogenizacja (rozdrobnienie) bez konieczności zmiany stanu skupienia - np. fluorescencja rentgenowska (cienka tarcza) Metody nieniszczące: - neutronowa analiza aktywacyjna FLUORESCENCJA RENTGENOWSKA Zastosowanie promieniowania rentgenowskiego FLUORESCENCJA RENTGENOWSKA Zasada: metoda oparta na rejestracji charakterystycznego promieniowania X emitowanego z atomów wskutek ich jonizacji na wewnętrznych powłokach elektronowych. Mechanizm powstania charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego (lub elektronu Augera) Przejścia elektronowe prowadzące do emisji promieniowania X spełniają reguły wyboru: n 0 (dozwolone przejścia n = 0 emitują fotony VIS) l = 1 j = 0, 1 (j kwantuje sprzężenie spinowo-orbilalne j=l+s) (możliwe są też przejścia kwadrupolowe dające znacznie słabsze linie). Linie oznaczane są symbolem powłoki na którą następuje przeskok (K, L, M...) i literami greckimi z indeksem arabskim (α 1, α 2 itd) 3
Schemat linii charakterystycznego promieniowania X dla serii K i serii L Uzyskane widmo charakterystycznego promieniowania X może być interpretowane jakościowo i ilościowo. Przed interpretacją jakościową należy dokonać kalibracji energetycznej źródła (za pomocą widma próbki o znanym składzie pierwiastkowym - wzorca zewnętrznego, lub za pomocąźródła kalibracyjnego np. 55 Fe). Dla pierwiastków o liczbie atomowej Z < 50 analizę przeprowadza się na podstawie serii K, dla pozostałych pierwiastków na podstawie serii L. Jeżeli znaleziony pik odpowiada linii K α należy znaleźć pik odpowiadający linii K β będący potwierdzeniem poprawności identyfikacji pierwiastka. Widmo XRF próbki wody i pyłu ze skorygowanym tłem. Analiza ilościowa przeprowadzana jest na podstawie powierzchni poszczególnych pików (odpowiadającej liczbie zliczeń) po korekcji tła. Stężenie pierwiastka w tarczy można wyznaczyć metodą obliczeń fundamentalnych, metodą wzorca zewnętrznego lub metodą wzorca wewnętrznego. Istotnym zagadnieniem w analizie fluorescencyjnej jest preparatyka tarcz pomiarowych. Rozróżniane są tarcze cienkie (zaniedbywalne efekty matrycowe) i tarcze grube (efekty matrycowe muszą być uwzględnione). Odmiany metody fluorescencji rentgenowskiej Metoda XRF (X-ray fluorescence) - polega na wzbudzeniu charakterystycznego promieniowania X promieniowaniem pochodzącycm z lampy rentgenowskiej Układ pomiarowy XRF Metoda popularna ze względu na stosunkowo niski koszt aparatury, łatwość pomiaru i szerokie zastosowanie w analizie składu pierwiastkowego. Wadą metody jest konieczność stosowania lamp z różnymi anodami i niewielki strumień kwantów X emitowanych z lampy. 4
Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej działający w oparciu o zasadę dyspersji energii EDXRF do analizy ilościowej i jakościowej w zakresie pierwiastkowym od sodu do uranu, pomiar w zakresie stężeń od pojedynczych ppm-ów do 100%. Metoda RXRF (radioizotopowa metoda XRF) - wzbudzenie charkterystycznego promieniowania X w badanych próbkach za pomocą promieniowania X lub γ pochodzącego z izotopów promieniotwórczych ( 55 Fe, 57 Co, 109 Cd, 238 Pu, 241 Am). Metoda SRIXE (fluorescencja rentgenowska ze wzbudzeniem promieniowaniem synchrotronowym) - promieniowanie synchrotronowe to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez nałdowane cząstki poruszające się z prędkościami relatywistycznymi w polu magnetycznym powodującym zakrzywienie ich toru (magnesy zakrzywiające, wiglery, undulatory). Zalety metody SRIXE to: krótki czas analizy; nieniszczący charakter analizy; możliwość analizy w mikroobszarach; możliwość analizy wielopierwiastkowej; bardzo dobra wykrywalność (poniżej 10 ppb) Ze względów bezpieczeństwa analizę przeprowadza się w wydzielonych pomieszczeniach. Metoda PIXE - fluorescencja rentgenowska ze wzbudzeniem strumieniem protonów. Protony uzyskuje się z akceleratorów liniowych typu Van de Graffa lub cyklotronów. Metoda charakteryzuje się widmem o znacznie mniejszym tle niż w innych odmianach fluorescencji rentgenowskiej. 5