Próbki gazowe - anality
gazy i pary:• gazowe składniki nieorganiczne
– NOx, SOx, H2S, O3, Hg i in.
• gazy i pary związków organicznych– bardzo lotne, lotne i średniolotne związki organiczne– PCB, WWA, dioksyny, furany, pestycydy, weglowodory, freony, terpeny i
in.
aerozole i pyły:• materia organiczna • substancje zaadsorbowane na powierzchni:
– dioksyny, furany, WWA, PCB– Metale ciężkie
Próbki ciekłe - źródła
• woda deszczowa, śnieg, lód • woda wodociągowa (woda pitna)• woda energetyczna (kotłowa)• wody powierzchniowe• wody głębinowe• woda ze strefy nienasyconej• woda morska• ścieki przemysłowe• ścieki niebezpieczne• ścieki komunalne• film powierzchniowy (rozlewy olejowe)
Próbki ciekłe - anality
• Rozpuszczone gazy i związki nieorganiczne
• Substancje zawieszone
• Substancje biogenne
• Trihalometany
• Lotne związki organiczne
• Pestycydy
• Surfaktanty
• Metale ciężkie i związki metaloorganiczne
• Polichlorowane bifenyle, dioksyny i furany
• Fenole
• WWA
Próbki stałe - źródła
• gleba• Osady denne i ściekowe,• pyły i aerozole (z elektrofiltrów)• lotne pyły ze spalarni stałych odpadów• materiał roślinny• ściółka leśna• odpady niebezpieczne• odpady przemysłowe• odpady komunalne• popioły
Próbki stałe - anality
• związki nieorganiczne:– aniony i kationy
• związki organiczne
• związki organiczne zaadsorbowane na powierzchni:– Dioksyny, PCB, WWA
– związki ropopochodne
– związki metaloorganiczne
– pestycydy
Pobieranie próbek środowiskowych do analizy
Próbka reprezentatywna
Miejsce poboru próbki
Miejsce poboru próbki Miejsce
poboru próbki
Miejsce poboru próbki
Miejsce poboru próbki
Próbka pierwotna
Wykazuje istotne właściwości charakterystyczne dla całego układu
Próbka analityczna
Zanieczyszczenie próbki Utrata lotnych składników Reakcja ze składnikami powietrza Rozkład pod wpływem ciepła lub UV
1. Próbki chwilowe
2. Próbki pobierane w sposób ciągły
Reprezentatywność- przestrzenna - głębokościowa
Odniesienie do parametrów środowiskowych-Typ materiału -Stosunki wodne-Meteorologia
HeterogenicznośćPowtarzalność
zakosami Po przekątnej
heksagonalna losowa
Wstępna obróbka próbek środowiskowych
• nadanie odpowiednich cech fizycznych i usunięcie z niej interferentów
– Większość metod analitycznych wymaga przeprowadzenia próbki do roztworu
• utrwalenie składu próbki
• przeniesienie analitów do matrycy odbierającej
– Łatwość wydobycia z matrycy odierającej
• wzbogacenie (zatężanie) analitów
– Anality środowiskowe wystepują jako ślady
Zanieczyszczenia
• Pyłowe
– PM10
– PM2,5
• Gazowe
– SO2, NOx, CO, benzen, LZO (lokalne, regionalne)
– CO2, CH4, NO (globalne)
Przygotowanie próbek gazowych
Powietrze atmosferyczne
Frakcja gazowaSubstancje pod postacią
gazów i par
Frakcja pyłowa Frakcja aerozolowa
Cząstki stałe i ciekłe o śr 1-100 um
Pyły biogenne 10-20 umPyły antropogenne 0,2 – 0,8 um
Związki b. lotne
Związki śr. lotne
Filtracja (włókniny filtracyjne – polipropylen, poliester, wiskoza i in.)
PM-10, PM-5, PM-2,5(<5um frakcja respirabilna)
Pyły/aerozole
• Filtry z włókna szklanego lub kwarcowego• Filtry bibułowe o różnej twardości• Filtry bibułowe impregnowane włóknem szklanym • Filtry membranowe z teflonu• Akrylowe filtry membranowe• Poliwęglanowe filtry membranowe• Celulozowe filtry membranowe• Filtry membranowe z PCV• Filtry z mikrowłókna aerozolowego
Klasyfikacja lotności
• bardzo lotne twrz < 100oC
• lotne 100oC < twrz < 250oC
• średnio lotne 250oC < wrz < 400oC
• nielotne twrz > 400oC
Analizator PM2,5
Przygotowanie próbek gazowych
Filtr PM
Frakcja PM
Frakcja gazowa
Analiza
AdsorpcjaAbsorpcja
Stru
mie
ń p
ow
ietr
za (
wym
usz
on
y)
Desorpcja
Pobór próbek gazowych
Próbka powietrza
Metody dynamiczne (aspiracyjne)
Metody bierne (dyfuzyjne)
Rurki sorpcyjne z filtremWęgiel aktywnyŻele krzemionkowe Kopolimery porowate
Ciecz w absorberze lub na nośniku
Próbniki (dozymetry) pasywneSorbent oddzielony membraną
- Sorbenty polimerowe
Kilka godzin kilka dni
Metoda dynamiczna (aspiracyjna)
przepływomierz
pompaPobór powietrza
Filtr PMRurka z sorbentem
C = Cads / m3
Metoda bierna (dyfuzyjna)
Warstwa dyfuzyjna
sorbent
samorzutne przenikanie cząsteczek jednej fazy układu w głąb fazy drugiej, spowodowane bezładnym ruchem cieplnym, oraz chaotycznym ruchem cząstek
rodzaj wypełnienia próbników
roztwór absorpcyjny w
płuczce
rurki absorpcyjne ze stałym
sorbentem
rurki sorpcyjne wypełnione
nośnikiem z ciekłą fazą
pułapka kriogeniczna
Desorpcja analitów z sorbentów
Desorpcja termiczna
Sprzęgnięta z aparaturą pomiarową
Ekstrakcja rozpuszczalnikiem
Ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym
Zatężanie poprzez odparowanie
rozpuszczalnika
Sorbent
Węgiel aktywny
Żel krzemionkowy
Polimery porowate
Lotne związki organiczne:Chlorowcopochodne,
rozpuszczalniki, octany alkohole
Związki polarne:Alkohole, fenole,
chlorofenole, chlorobenzeny, aminy
Kwasy i zasady organiczne, fenole, związki z wieloma
grupami funkcyjnymi
analityrozpuszczalnik ekstrakcyjny
Disiarczek węgla, chlorek metylenu, eter
Metanol, eter, etanol, woda
Eter, heksan, disiarczek węgla, alkohole
Przygotowanie próbek wody
• Zanieczyszczenia rozpuszczone
• Zanieczyszczenia w postaci zawiesiny (>0,5 um)
– Filtracja w trakcie pobierania lub zaraz po pobraniu
– Filtry z PTFE, włókna szklanego, poliwęglanowe, celulozowe
• Długie przechowywanie próbek prowadzi do
– Niekorzystnych reakcje chemiczne (utlenianie, redukcja, hydroliza itp.)
– Reakcji biochemicznych (biodegradacja)
– Reakcji fotochemicznych (fotoliza)
Konserwacja i przechowywanie
• Schładzanie próbki (0-5oC)
• Zamrożenie próbki (-20oC)
• Chemiczna konserwacja– Obniżanie pH zapobiega wytrącania osadów tlenków i
wodorotlenków
– Dodawanie biocydów (chloroform, HgCl2, sole Cu(II) )
• Derywatyzacja analitów
Metody zatężania zanieczyszczeń z wód
metody
fizyczne
metody
fizykochemiczne
metody chemiczne
wymrażanie adsorpcja kompleksowanie
destylacja absorpcja tworzenie związków
trudnorozpuszczalnychliofilizacja ekstrakcja cieczą
ekstrakcja gazem
ekstrakcja jonowa
Planowanie przygotowania próbki
• Właściwości fizykochemiczne analitu– Prężność par
– Rozpuszczalność
– Stała hydrolizy
– Obecność ładunku
• Współczynnik podziału Log K
• Obecność interferentów – Związki wielkocząsteczkowe
– Siarka elementarna
– Związki zbliżone do analitów
f. wodna
f. organiczna
A
A
K = -----------[A]org
[A]wod
Współczynnik podziału
Wyrażany jako Log Kow lub Log P
Składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny. Stopień ekstrakcji zależy od powinowactwa związków do rozpuszczalnika organicznego
Związki o wysokim powinowactwie do wody nie są ekstrahowane. Ekstrakcje można prowadzić jedno stopniowo lub kilku stopniowo. Związki obecne w rozpuszczalniku mogą zanieczyszczać próbkę.
Rozpuszczalniki: chloroform, chlorek metylenu, toluen, węglowodory, octan etylu
Ekstrakcja cieczą - Wszystkie typy związków
rozpuszczalnik
próbka
Składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny. Stopień ekstrakcji zależy od powinowactwa związków do rozpuszczalnika organicznego
Związki o wysokim powinowactwie do wody nie są ekstrahowane. Ekstrakcje można prowadzić jedno stopniowo lub kilku stopniowo. Związki obecne w rozpuszczalniku mogą zanieczyszczać próbkę.
Rozpuszczalniki: chloroform, chlorek metylenu, toluen, węglowodory, octan etylu
Ekstrakcja cieczą - Wszystkie typy związków
Składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny. Stopień ekstrakcji zależy od powinowactwa związków do rozpuszczalnika organicznego
Związki o wysokim powinowactwie do wody nie są ekstrahowane. Ekstrakcje można prowadzić jedno stopniowo lub kilku stopniowo. Związki obecne w rozpuszczalniku mogą zanieczyszczać próbkę.
Rozpuszczalniki: chloroform, chlorek metylenu, toluen, węglowodory, octan etylu
Ekstrakcja cieczą - Wszystkie typy związków
Próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem. Zagęszczone związki są następnie uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem.
Najczęściej stosowane adsorbenty: węgiel aktywny, polimery porowate, pianka poliuretanowa, wymieniacze jonowe. Adsorbenty te mają wysoką pojemność sorpcyjną, lecz związki mogą ulegać reakcji bądź niecałkowitej desorpcji.
Adsorpcja - Wszystkie typy związków
adsorbent
Próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem. Zagęszczone związki są następnie uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem.
Najczęściej stosowane adsorbenty: węgiel aktywny, polimery porowate, pianka poliuretanowa, wymieniacze jonowe. Adsorbenty te mają wysoką pojemność sorpcyjną, lecz związki mogą ulegać reakcji bądź niecałkowitej desorpcji.
Adsorpcja - Wszystkie typy związków
Próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem. Zagęszczone związki są następnie uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem.
Najczęściej stosowane adsorbenty: węgiel aktywny, polimery porowate, pianka poliuretanowa, wymieniacze jonowe. Adsorbenty te mają wysoką pojemność sorpcyjną, lecz związki mogą ulegać reakcji bądź niecałkowitej desorpcji.
Adsorpcja - Wszystkie typy związków
Ekstrakcja do fazy stałej (ekstrakcja ciecz –ciało stałe)
• SPE – (ang. solid phase extraction)
• Wykorzystanie zjawiska podziału miedzy dwie fazy
• Anality zatrzymywane na powierzchni złoża sorbentu, pod warunkiem większego powinowactwa do fazy stałej
• Sorbenty na bazie żeli krzemionkowych lub polimerów
Kondycjonowanie1.
Odpad
Próbka2. Przemywanie3. Eluowanie analitu4.
Zatężony analit
Kondycjonowanie (aktywowanie miejsc aktywnych), w zalezności od typu sorbentu
Płukanie rozpuszczalnikiem podobnym do matrycy (najczęściej woda)
Ładowanie próbki Wymywanie zanieczyszczeń Eluowanie zaadsorbowanych analitów Desorpcja termiczna analitów Mineralizacja całego złoża sorbentu
Wypełnienia SPE
Na kolumienkach SPE można:
– izolować od matrycy i zagęszczać różnorodne grupy związków chemicznych w czasie jednej ekstrakcji,
– przeprowadzać stopniową elucję pozwalającą na uzyskanie jednorodnych grup związków, co minimalizuje problemy w chromatograficznej analizie właściwej,
– dzięki wysokiemu współczynnikowi podziału i małej objętości eluatu można przeprowadzić bezpośrednią jego analizę bez strat z powodu zagęszczania, co jest bardzo ważną zaletą tej metody, zwłaszcza w analizach śladów,
– zagęszczać w warunkach polowych duże objętości próbek (np. wody) w kilkumililitrowej kolumience z materiałem sorpcyjnym, co ułatwi transport dużej ilości prób i zabezpiecza nietrwałe anality przed rozkładem w czasie upływającym między pobraniem próbki a jej analizą.
Wady:
- tło pozostawione przez użyty rozpuszczalnik
- konieczność regeneracji złoża przed kolejnym użyciem
- czasem małe wartości odzysku analitu, spowodowane oddziaływaniami między sorbentem a substancją analizowaną
- zatykanie złoża poprzez zawiesiny obecne w próbce
- czasami słaba odtwarzalność spowodowana różnicami między kolejnymi partiami sorbentu.
Przygotowanie próbek stałych Przeprowadzanie próbek do roztworu
Analiza pierwiastków śladowych
• Roztwarzanie w kwasach (mineraliacja)
• Spopielanie • Ekstrakcja sekwencyjna
Analiza analitów organicznych
Ekstrakcja • wytrząsanie z rozpuszczalnikiem • W aparacie Soxhleta • W strumieniu rozpuszczalnika• Cieczą w stanie nadkrytycznym
Łaźnia ultradźwiękowa, podwyższone ciśnienie i temperatura, środowisko mikrofal
Aparat Soxhleta
• Substancja ekstrahowana nie kontaktuje się w nim z gorącymi parami rozpuszczalnika
• nie ma zagrożenia bezpowrtonego porywania przez pary rozpuszczalnika estrahowanego analitu
• cykliczny proces opróżniania zbiornika z rozpuszczalnikiem działa jak mechaniczne płukanie i jednocześnie przyspiesza wymianę rozpuszczalnika w bezpośrednim otoczeniu ekstrahowanej substancji
Przygotowanie próbek stałych Rozpuszczanie/Roztwarzanie
• Sole w ekstrakcji sekwencyjnej (NH4Cl, NH4OAc, MgCl2, KNO3)
• Rozcieńczone kwasy • Stężone kwasy utleniające
HNO3, HClO4, • Woda królewska HCl : HNO3
Ekstrakcja (kilkukrotna)
• Eter naftowy
• n-heksan
• Cykloheksan
• Czterochlorek węgla
• Toluen
• Eter dietylowy
• Chloroform
• Chlorek metylenu
pomiarZatężanie (odparowanie), oczyszczanie (SPE)
pomiar
Pomiar
• Metody bezwzględne – nie wymagające wzorcowania
– Grawimetria - oznaczanie masy
– Miareczkowanie – objętość titranta
– Gazometria – objętość gazu
– Kulometria – ładunek
– Termograwimetria – ubytek masy
Metody względne (porównawcze)
• Metody porównawcze (większość metod instrumentalnych) wymagają kalibracji względem znanych wzorców
• Mierzony parametr fizyczny jest funkcją stężenia substancji analizowanej (analitu):
Y = f(c)
gdzie Y – wielkość mierzona, c – stężenie analitu
Y = c x a
gdzie a – współczynnik proporcjonalności, wyznaczony w procesie kalibracji
Metody względne (porównawcze)
–Metoda krzywej kalibracyjnej
–Metoda dodawania wzorca
–Metoda wzorca wewnętrznego
Metoda krzywej kalibracyjnej
Pomiar
wyniki
Y
c
Y = ac +b
Roztwory wzorca zewnętrznego
Y
c
Y = ac +b
a – nachylanie prostej, określa czułość metody im większa zmiana sygnału przy małej zmianie stężenia analitu tym większa czułość pomiaru
Y
c
Yx
cx
ss acY
acY
Gdy b = 0
próbka
standard
s
sss
cY
Yc
c
c
Y
Y
Metoda dodatku wzorca
Próbka przygotowana
do analizypomiar Wynik Y0
Próbka z dodatkiem
wzorcapomiar Wynik Yi
Do próbki dodajemy wzorzec o znanym stężeniu
)( si ccaY
acY 0
c
Ya 0 )(0
si ccc
YY
0
0
YY
cYc
i
s
Korekta stężenia c w związku ze zmianą objętości
W wyniku dodania wzorca zmienia się objętość próbki, stąd:
VYvVY
vVcYc
i
s
0
0
)(
)(
vV
Vc
Gdzie V – objętość próbkiv – objętość dodanego wzorca
Nie potrzebne w przypadku mikroilości
Warunki:
• Zależność Y od c musi mieć przebieg prostoliniowy
• Wielkość a musi być stała
• Wielkość b musi być równa 0
Metoda wzorca wewnętrznego
222
111
caY
caY
Próbka przygotowana
do analizypomiar Wyniki: Y1 - analit
Y2 - wzorzec wew.
Do próbki dodajemy wzorzec wewnętrzny
22
11
2
1
ca
ca
Y
Y
2
1
2
1
c
cf
Y
Y
fa
a
2
1 Współczynnik odpowiedzi,
Warunki:
• Nie może być obecna w analizowanej próbce
• Jej sygnał powinien być blisko sygnału analitu, ale wyraźnie rozdzielony od analitu i innych substancji
• Nie może reagować ani z analitem ani z innymi składnikami
Wzorce
• wzorce przygotowane w laboratorium
• Wzorce komercyjnie dostępne
• Materiały odniesienia
• Certyfikowane materiały odniesienia
Opracowanie wyników pomiarów
• Błędy w analizie
– Błędy przypadkowe• Powodowane zakłóceniami
– Błędy systematyczne• Mają charakter stały, powodują zmianę sygnału zawsze w jednym
kierunku
• Metoda pomiaru, przygotowanie próbki, zanieczyszczenie odczynników
– Błędy grube• Z winy wykonawcy, złe pobranie próbki, zła metoda, złe
opracowanie wyników
Błąd względny i bezwzględnystosowane do serii pomiarowych
n
x
n
xxxxx
n
i
i
n
1321 ....
xEabs xEabs
Błąd bezwzględny Eabs
różnica pomiędzy wartością zmierzoną x a wartością rzeczywistą
xEabs
xEE abs
wzgl100%
xEwzgl
Błąd względny Ewzgl
Rozkład normalny błędów pomiarowych
Rozkład odchyleń (prawdopodobieństwo występowania wyników mniejszych i większych) od wartości rzeczywistej opisuje funkcja Gaussa:
f(x)
s 2s 3s3s 2s s
x
s
2
2
2
)(exp
2
1)(
s
s
xxf
– wartość rzeczywistax – wartość mierzona s - odchylenie standardowe
Odchylenie standardowe s
• jest miarą błędu bezwzględnego pomiaru xi
• Jest miarą odtwarzalności – im mniejsza tym wyniki bardziej skupione wokół wartości rzeczywistej i są bardziej precyzyjne
• w praktyce stosuje się przybliżone odchylenie standardowe s
(n < 30)
1
)(1
2
n
xx
s
n
i
i
• Względne odchylenie standardowe RSD (bezwymiarowe)
100x
sRSD
Odchylenie standardowe s
• Odchylenie standardowe średniej
)1(
)(1
2
nn
xx
n
ss
n
i
i
x
Przedział ufności
• Średnia x nie koniecznie musi być wartością rzeczywistą
• Określa się przedział w którym znajduje się z góry założonym prawdopodobieństwem - przedział ufności L
• Prawdopodobieństwo że znajduje się w przedziale ufności L - poziom ufności p
• Najczęściej p przyjmuje się na poziomie 0,95 lub 0,99
• Duża liczba pomiarów (n > 20):
0,99 dla 58.2
0,95 dla 96.1
pnxL
pnxL
xtsxL
• Mała ilość pomiarów (n < 20):
t – współczynnik w tablicy rozkładu Studenta
Precyzja• Stopień zgodności między wynikami uzyskanymi tą samą
metodą i na tej samej próbce przy wielokrotnym powtarzaniu oznaczeń
• Rozrzut poszczególnych wyników xi przy powtarzanych oznaczeniach n w stosunku do średniej x – im większa precyzja, tym mniejszy rozrzut
• Miarą precyzji jest odchylenie standardowe lub RSD
• Wynik powtarzalny - powtarzalne analizy w tym samym laboratorium
• Wynik odtwarzalny - powtarzalny wynik w różnych laboratoriach
Dokładność
• Stopień zgodności pomiędzy wynikiem oznaczonym xi
lub średnią x z n oznaczeń a prawdziwą zawartością analitu
• Miarą dokładności jest błąd bezwzględny
xEabs
Granice oznaczeń analitów
• Granica wykrywalności – najmniejsze wykrywalne stężenie analitu. Stężenie analitu generującego sygnał YDL, który może być odróżniony od sygnału ślepej próby Yb (tła).
bbDL YY s3
bbQL YY s10
• Granica oznaczalności – stężenie analitu generującego sygnał YQL znajdujący się w dolnym prostoliniowym zakresie krzywej kalibracyjnej z taką precyzją aby zmienność < 10%
