metody bada sk adu chemicznegogalaxy.uci.agh.edu.pl/~kca/mbsc_w2_z.pdf2013-10-25 3 regresja...

2013-10-25

1

W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”

METODY BADAŃ SKŁADU CHEMICZNEGO

Obliczenia w chemii analitycznej

Podstawowe jednostki SI

Wielkość fizyczna Nazwa jednostki Skrót

Masa kilogram kg

Długość metr m

Czas sekunda s

Temperatura kelwin K

Liczność substancji mol mol

Natężenie prądu elektrycznego amper A

Światłość kandela cd

Międzynarodowy Układ Jednostek (SI) jest oparty na siedmiupodstawowych jednostkach.


Przedrostki w jednostkach

Przedrostek Skrót Mnożniktera- T 1012

giga- G 109

mega- M 106

kilo- k 103

hekto- h 102

deka- da 101

decy- d 10-1

centy- c 10-2

mili- m 10-3

mikro- μ 10-6

nano- n 10-9

piko- p 10-12

femto- f 10-15

atto- a 10-18

Aby wyrazić za pomocą kilku cyfr niewielką lub dużą wartość wielkości mierzonej, stosuje się przedrostki do nazw jednostek.


Masa - jest niezmienną miarą ilości materii w obiekcie.

Ciężar jest siłą przyciągania, działającą między obiektem a otoczeniem, głównie ziemią. Ciężar powiązany jest z masą relacją:

w – ciężar obiektu; m – masa; g – przyspieszenie ziemskie

zawartość – ilość składnika, wyrażona w jednostkach masy, (objętości) zawarta w próbce

stężenie – zawartość składnika w ściśle określonej ilości próbki

Jeżeli znana jest wielkość badanej próbki (M) to zawartość (m) i stężenie (c) mogą być wzajemnie przeliczane:

M

mc cMm

gmw


Roztwory i ich stężenia

Stężenie molowe (molowość), cB, substancji chemicznej, B, w roztworze jest równe liczbie moli, nB, tej substancji zawartych w 1 litrze roztworu. Jednostka stężenia molowego to mol/L.

Vn

c BB

Stężenie procentowe. Powszechnie stosowane są trzy sposoby wyrażania stężenia w procentach.

- procent masowy (m/m) – (masa substancji rozpuszczonej / masy roztworu) x 100%

- procent objętościowy (V/V) – (objętość substancji rozpuszczonej / objętości roztworu) x 100%

- procent masowo - objętościowy (m/V) – (masa substancji rozpuszczonej [g] / objętość roztworu [L]) x 100%


Część na milion (ppm) i część na miliard (ppb) to sposób wyrażania stężenia bardzo rozcieńczonych roztworów.

Dla rozcieńczonych wodnych roztworów, których gęstości w przybliżeniu równe są 1.00 mg/L, 1 ppm ≈ 1.00 mg/L.

][

][tan

kgroztworumasa

mgnejrozpuszczocjisubsmasacppm

Stężenie często wyrażane jest w postaci pX, która oznacza ujemny logarytm dziesiętny stężenia molowego cząstek X

zaletą takiej notacji jest możliwość wyrażania stężeń, różniących się o wiele rzędów wielkości, za pomocą małych dodatnich liczb.

np. stężenie H+ = 10-3 mol/L to pH+ = -log[10-3] = 3

]log[XpX


2013-10-25

2

BEZWZGLĘDNEI POŚREDNIE METODY

ANALIZY


Metody bezwzględne (absolutne)

- to metody nie wymagające wzorcowania. Są z reguły oparte na reakcjach chemicznych przebiegających całkowicie i zgodnie ze znaną stechiometrią.

Metoda Wielkość mierzona

Grawimetria masa produktów reakcji strącania

Miareczkowanie objętość titranta

Gazometria objętość gazu

Kulometria ładunek

Elektrograwimetria masa substancji wydzielonej na elektrodzie

Termograwimetria ubytek masy


Metody porównawcze

- wymagają kalibracji względem znanych wzorców. Należy do nich większość metod instrumentalnych, w przypadku których mierzony parametr jest funkcją stężenia analitu.

kalibracja - proces, w którym wyznaczana jest zależność funkcyjna pomiędzy mierzonym sygnałem a wielkością określającą ilość oznaczanego składnika.

Numeryczne wyrażenie kalibracji polega na wyznaczeniu funkcji

pomiarowej, F, zwanej także funkcją kalibracyjną.

y - mierzony sygnał (SEM, prąd, natężenie promieniowania, itp.)x - wielkość związana z ilością oznaczanej substancji (stężenie, masa, itp.)

)(xFy


W praktyce wyznaczenie funkcji kalibracyjnej przebiega w trakcie procesu kalibracji empirycznej (doświadczalnej). W tym celu należy:

- dokonać szeregu pomiarów w roztworach standardowych o różnym stężeniu substancji oznaczanej - zwykle 3-10 roztworów

- pomiar w każdym roztworze standardowym powtarzany jest co najmniej 2-krotnie, a do dalszej interpretacji wykorzystywana jest ich wartość średnia

- aby wyniki oznaczenia uzyskane na podstawie kalibracji były poprawne matryca próbki i roztworów standardowych powinna być identyczna.


Otrzymany drogą eksperymentu zestaw par liczb (xi; yi)

xi – stężenie roztworu wzorcowego

yi – uśredniona wartość sygnału

stanowi dane kalibracyjne.

Wys

okość

piku

[A

]

Stężenie [ M]

y = 0.00998x + 0.033r = 0.9987

0.0

0 20 40 60

0.2

0.4

0.6

0.8Stężenie Cd2+ [μM]

xi

Średni prąd piku [μA]

yi

0 0.0401

10 0.1251

20 0.2256

30 0.3269

40 0.4478

50 0.5258

60 0.6511

70 0.7163

Sygnał od próbki

Interpolowane stężenieanalitu w próbce


Współczynnik korelacji liniowej

Współczynnik korelacji, r, wskazuje na stopień liniowościzależności między wartościami x i y.

2/1

1

2

1

2

1

))([(

Ni

ii

Ni

ii

i

Ni

ii

yyxx

yyxxr

Zakres możliwych wartości r wynosi –1 ≤ r ≤ 1.

Wartość 1 wskazuje na idealną korelację liniowąmiędzy x i y, podczas gdy wartość 0 wskazuje na brak takiej korelacji.


2013-10-25

3

Regresja liniowa (y = F(x) = a + bx)

Regresja liniowa umożliwia obliczenie nachylenia, b, i punktu przecięcia z osią rzędnych, a, linii o najlepszym dopasowaniu.

W metodzie najmniejszych kwadratów, zakłada się że znaczące są jedynie błędy związane z pomiarem sygnału (y) natomiast błędy związane z pomiarem stężenia (x) można pominąć.

Odchylenia poszczególnych punktów w kierunku osi y od obliczonej linii regresji nazywane są resztami y.

Metoda najmniejszych kwadratów minimalizuje sumę kwadratów reszt y.

2

1

))((min i

n

ii bxay

reszty y


Odpowiednio nachylenie, b, i punkt przecięcia z osią y, a.

Stosując dodatkowe równania można ponadto obliczyć:

- szacunkowe odchylenie standardowe dla nachylenia, b, i punktu przecięcia, a

- granice przedziału ufności dla mas lub stężeń analitu przy wybranym przedziale ufności

- granice wykrywalności i oznaczalności analitu.

Ni

ii

i

Ni

ii

xx

yyxxb

1

2

1

))([(

xbya


Porównanie ze wzorcem - kalibracja jednopunktowa

Stężenie analitu w próbce, cx, dające sygnał, sx, jest obliczane na podstawie sygnału, ss, otrzymanego dla roztworu standardowego o stężeniu, cs, mierzonego w tych samych warunkach pomiarowych:

pod warunkiem, że:

- stężenie analitu w próbce i w roztworze standardowym jest podobne

- matryca próbki i roztworu standardowego jest prawie identyczna

- wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie różni się istotnie od zera.

cc s

sxs x

s


Metoda dodatku wzorca

Stężenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału po dodaniu do próbki wzorca analitu.

Objętość dodawanego wzorca powinna być zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki.

Dodatek może być pojedynczy lub wielokrotny.

Metoda daje prawidłowe wyniki, jeżeli wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej nie różni się istotnie od zera.

Metoda dodatku wzorca jest szczególnie przydatna gdy odtworzenie matrycy próbki jest trudne lub niemożliwe.


Metoda dodatku próbki

Stężenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmianysygnału roztworu standardowego po dodatku próbki.

Metoda jest przydatna gdy stężenie analitu w próbce jest bardzowysokie lub gdy rozcieńczenie matrycy próbki eliminuje pochodząceod niej interferencje.

Metoda wzorca wewnętrznego

Wzorzec wewnętrzny to substancja odniesienia, chemicznie i fizycznie podobna do analitu, której dodaje się do próbek, wzorców i ślepych prób.

Wykres kalibracyjny obrazuje zależność stosunku sygnałówanalitu i wzorca wewnętrznego od stężenia analitu.

Stosowna jest do eliminacji wpływu parametrów operacyjnych metody na odpowiedź analitu.


PARAMETRY METOD ANALITYCZNYCH


2013-10-25

4

PRECYZJA WYBRANYCH METOD ANALITYCZNYCH

ICP-MS

Aktywacja neutronowa

Kulometria

ASA płomień

Spektrofotometria

Analiza miareczkowa

Analiza wagowa

Technika RSD [%]

Woltamperometriastripingowa

Woltamperometriaimpulsowa

10-3

10-2

10-1

100

101


ZAKRES STOSOWALNOŚCI


m

CZAS POMIARU


KRYTERIA WALIDACJI


Rozrzut wyników analitycznych

Materiał Pierwiastek Liczba laboratoriów

Rozstęp wyników

Liście tytoniu Oriental

CTA-OTL-1

Cr

Cs

Ni

Pb

43

17

43

40

0.038 – 11.6 μg/g

0.117 – 11.8 μg/g

48.20 – 8083 μg/g

0.051 – 19.5 μg/g

Uwagi:

- rozstęp wyników analiz wykonywanych przez różne laboratoria np. uczestniczących w porównaniach międzylaboratoryjnych może sięgać nawet kilku rzędów wielkości

- generalnie, za rozrzut wyników odpowiedzialne są błędy analityczne.


Walidacja metod analitycznych (wg ISO)

- to proces ustalania parametrów charakteryzujących sprawność działania i ograniczeń metody oraz sprawdzenie jej przydatności do określonych celów.

Na ich (parametrów) podstawie określa się czy metoda spełniastawiane przed nią wymagania związane z zamierzonym zastosowaniem wyników analitycznych.

Pojecie „walidacja” obejmuje szerszy zakres zagadnień niż testowanie, które polega jedynie na znajdowaniu błędów i nieprawidłowości systemu, tj. różnic pomiędzy wynikami spodziewanymi a uzyskanymi.

Walidacja pozwala uzyskać pewność, że proces analizy przebiega w sposób rzetelny i daje wiarygodne wyniki.


2013-10-25

5


Etapy procesu walidacji

- określenie celu metody analitycznej i jej zakresu

- zdefiniowanie testowanych parametrów oraz kryteriów ich akceptacji

- ustalenie planu i przebiegu eksperymentów walidacyjnych

- sprecyzowanie wymagań co do sprzętu

- przygotowanie odczynników i roztworów wzorcowych

- eksperymenty walidacyjne i korekta parametrów metody

- interpretacja wyników

- sprawdzenie kryteriów akceptacji

- opracowanie standardowej procedury operacyjnej (SPO)

- określenie kryteriów rewalidacji

- sporządzenie raportu

Podstawowe kryteria walidacji:

- specyficzność / selektywność

- dokładność

- precyzja (powtarzalność i odtwarzalność)

- czułość, zakres i liniowość

- granica wykrywalności

- granica oznaczalności

- elastyczność metody.

Badanie elastyczności (stabilności) metody powinno udowodnić niezawodność analizy po wprowadzeniu niewielkich (celowych) zmian

parametrów procesu.

Jeżeli pomiar jest wrażliwy na zmianę warunków to powinny one być odpowiednio kontrolowane i dokładnie opisane w procedurze.



Selektywność metody analitycznej

- definiuje się jako możliwość oznaczenia jednego składnika (lub grupy składników) wobec innych, w złożonej próbce rzeczywistej, bez interferencji składników towarzyszących.

Specyficzność metody analitycznej

- metoda jest idealnie selektywna (specyficzna), gdy w złożonej mieszaninie sygnał, Yi, jest generowany tylko przez analit i, czyli:

w przypadku próbek rzeczywistych jest wiele substancji, które mogą wpływać na wartość sygnału:

ii xfY

NBAii xxxxfY ,...,,,w takim przypadku mówi się o interferencjach poszczególnych

składników próbki na sygnał analitu.


N

Ajjj

ii

j

i

xa

xa

Y

YjiSel ),(

Selektywność metody charakteryzuje się za pomocą współczynnika selektywności, Sel(i, j):

ai, aj – czułość metody wobec analitu, i, oraz substancji, j.xi, xj – stężenie (ilość) analitu, i, oraz substancji, j.

W procesie określania selektywności należy:

- rozpoznać czynniki nie interferujące, obecne w analizowanej próbce

- zminimalizować ilość składników przeszkadzających przez ich oddzielenie lub zamaskowanie

- dokładnie kontrolować obecność substancji przeszkadzających.


Dokładność

- to stopień zgodności pomiędzy wynikiem oznaczonym, xi, lub średnia, x, z n oznaczeń a prawdziwą zawartością analitu w badanej próbce, ζ. Rozróżnia się dwa przypadki:

1) Dokładność pojedynczego oznaczenia, xi, (ζ - jest nieznane) określa się jako błąd systematyczny:

2) Dokładność w odniesieniu do metody. Określa się na podstawie wartości, x, z n wyników uzyskanych na tej samej próbce i tą samą metodą a badaną próbką jest CRM, w której prawdziwa zawartość analitu, ζ, jest dokładnie znana.

xxE ixi 100%

x

EE i

i

x

xlub

xExlub 100%

x

x

EE


Dokładność metody wyznacza się:

- przeprowadzając analizę próbki, w której zawartość analitu jest dokładnie znana

- przez porównanie wyników uzyskanych walidowaną metodą z wynikami otrzymanymi metodą referencyjną, której dokładność jest powszechnie znana

- badając odzysk znanej ilości analitu dodanego do matrycy, nie zawierającej substancji oznaczanej

- wyznaczając odzysk znanej ilości analitu dodanego do badanej próbki.

Odzysk analitu

W tym celu, próbkę badaną dzieli się na dwie równe części i do jednej dodaje się znaną ilość analitu, si. Po przeprowadzeniu całego procesu analitycznego z próbką bez dodatku, x, i z próbką z dodatkiem analitu, x + si, oblicza się odzysk, R.

2013-10-25

6


si - dodatek analitu

Obie próbki (x oraz x + si) muszą być analizowane tą samą metodą i w tych samych warunkach.

Odzysk zależy od rodzaju matrycy, zastosowanej proceduryanalitycznej i od stężenia analitu w próbce.

Akceptowalny wg AOAC (Association of Official Analytical Chemists) średni odzysk w zależności od stężenia analitu w próbce.

Stężenie analitu Średni odzysk [%]

1% 97 – 103

0.1% 95 – 105

100 ppm 90 – 107

10 – 0.1 ppm 80 – 110

10 ppb 60 – 115

1 ppb 40 – 120

%100

i

i

sxsx

R


Precyzja- to wielkość charakteryzująca rozrzut wyników uzyskiwanych przy wielokrotnym oznaczaniu danego składnika konkretną metodą w

zdefiniowanych warunkach.

Miarą precyzji jest najczęściej odchylenie standardowe, s, względne odchylenie standardowe, RSD, lub współczynnik zmienności, CV.

Precyzja obejmuje dwa pojęcia: powtarzalność i odtwarzalność.

a) metoda dokładna i precyzyjna; b) precyzyjna ale niedokładna;c) metoda dokładna ale nieprecyzyjna; d) metoda niedokładna i nieprecyzyjna


Powtarzalność

- wyraża precyzję oznaczeń wykonanych w krótkim odstępie czasu, przez tego samego analityka i w tych samych warunkach (te same odczynniki, ten sam sprzęt itd.).

W ramach badań powtarzalności wyznacza się wartość średnią, przedział ufności, odchylenie standardowe, względne odchylenie standardowe czy współczynnik zmienności uzyskanych wyników.

Odtwarzalność

- pozwala ocenić, czy metoda prowadzi do tych samych rezultatów w różnych laboratoriach, z różnymi analitykami, na innym sprzęcie i w innych warunkach, przy zachowaniu tych samych wymagań.

W przypadku oceny odtwarzalności badania są prowadzone analogicznie jak w przypadku powtarzalności i wyznaczane są te same parametry statystyczne: wartość średnią, przedział ufności itd..

Typowe relacje (c-CV): 1000ppm – 5%; 1ppm – 16%; 1ppb – 45%


Liniowość metody analitycznej

Zależność Y = f(c) dla badanej próbki jest prostoliniowa tylko w ograniczonym zakresie, stąd wyróżnia się dwa zakresy:

- dynamiczny zakres wskazań przyrządu- liniowy zakres wskazań (zakres roboczy)

Przy niskich stężeniach zakres liniowy ograniczony jest dolną granicą oznaczalności, QL, (wpływ szumów i efekty matrycy).

Koniec zakresu prostoliniowego to punkt, w którym odchylenie od prostoliniowości przekracza 3%, czyli:

Yteor - wartość wyznaczona metodą najmniejszych kwadratówYrzecz - sygnał rzeczywisty wyznaczony eksperymentalnie

Innym kryterium liniowości wskazań jest współczynnik korelacji, r. Przyjmuje się, że dla 3 powtórzeń krzywej kalibracji z pięcioma roztworami dla każdej krzywej r > 0.999.

teorrzeczteor YYY 03.0

Czułość metody analitycznej

- to nachylenie krzywej kalibracji, stąd czułość określa zmianę sygnału analitycznego, Y, na skutek zmiany stężenia, c, analitu lub jego ilości.

Im większa zmiana sygnału przy małej zmianie stężenia analitu, tym większa czułość pomiaru.

c

Ya

W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego” W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”

Granica wykrywalności i oznaczalności

Funkcję kalibracyjną można przedstawić jako:

Y - mierzony sygnałYB - sygnał ślepej próby (bez analitu)a - czułość metody (nachylenie krzywej kalibracyjnej)x - stężenie (zawartość) analituEY - błąd pomiaru

Sygnał, Yx, zależny od stężenia analitu x ma wartość:

Wartość sygnału ślepej próby, YB, i precyzja jego wyznaczenia ma istotne znaczenie dla określenia granicy wykrywalności i granicy oznaczalności.

Yb EaxYY

bx YYY Yx EaxY

2013-10-25

7


Granica wykrywalności (detection limit, DL)

- to najmniejsze, wykrywalne stężenie analitu, xDL, generującego sygnał, YDL, który może być statystycznie odróżniony od sygnału ślepej prób, Yb.

Sygnał, YDL, określany jest eksperymentalnie w ten sposób, że n-krotnie mierzy się sygnał ślepej próby, Yb, i oblicza wartość średniej, Yb, oraz odchylenie ślepej próby, sb. Stąd sygnał na granicy wykrywalności:

Granicę wykrywalności, xDL, wyraża równanie:

a - czułość metody

bbDL sYY 3

a

sx b

DL

3


Granica oznaczalności (quantification limit, QL)

- to stężenie analitu, xQL, generującego sygnał, YQL, znajdujący się w dolnym, prostoliniowym zakresie krzywej kalibracyjnej, taką precyzją, aby wartość współczynnika zmienności CV ≤ 10%.

Granicę wykrywalności, xQL, wyraża równanie:

as

x bQL

10

W przypadku analiz, w których matryca wywiera znaczny wpływ na wartość sygnału ślepej próby, Yb, obliczając wartości xDL i xQL

uwzględnia się wartość sygnału, Yb.

a

sYx bb

DL

3

a

sYx bb

QL

10


Każdy pomiar wytwarza, oprócz sygnałów pożądanych, nazywanych sygnałami analitycznymi, także sygnały niepożądane, nazywane szumami i dryftem.

Zarówno szumy, jak i dryft są fluktuacjami przypadkowymi i nie zawierają informacji analitycznych.

Poziom szumów bada się bez analitu wywołującego sygnał a ich wartość wyznacza się:

- mierząc różnicę między najwyższą i najniższą wartością szumów

- obliczając wartość odchylenia standardowego dla n wartości sygnałów szumu.

Testy stosowane do oceny wiarygodności wyników oznaczenia:

- zgodności wyników oznaczeń równoległych

- zgodności wyników uzyskanych dwoma niezależnymi metodami

- wykonanie porównań międzylaboratoryjnych

- zastosowanie metody dodatku roztworu wzorcowego (odzysk)

- porównanie uzyskanych wyników oznaczenia z wynikami analizy materiałów odniesienia (CRM)

W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu pewności wyniku pomiaru stosuje się zwykle kombinację dwu lub więcej, niezależnych, dobrze scharakteryzowanych metod analitycznych.


JAKOŚĆ W LABORATORIACH ANALITYCZNYCH


JAKOŚĆ WYNIKÓW POMIARÓW

ANALITYCZNYCH

Spójność Niepewność

Materiały odniesienia

Walidacja metod analitycznych

Badania międzylaboratoryjne

Elementy składowe systemu kontroli i zapewnienia jakości


2013-10-25

8

Organizacje akredytujące i ich wzorce jakości

Nazwa organizacji Wzorzec jakości

Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)

Dobra Praktyka Laboratoryjna (GLP)

Międzynarodowa Organizacja Wzorców (International Standard Organization, ISO)

wzorce jakości serii ISO 9000

ISO Guide 25 – ogólne wymagania odnośnie fachowości w kalibrowaniu i testowaniu laboratoriów

Europejski Komitet Normalizacji (ComitéEuropéen Standard Organization, CEN)

seria EN 29 000;

seria EN 45 000

Brytyjski Instytut Standaryzacji (British Standards Institution, BSI)

wzorzec jakości BS 5750;

seria BS 7500

Narodowa Służba do Pomiarów i Akredytacji (National Measurement Accreditation Service, NAMAS)

NAMAS


WZORCE I MATERIAŁY ODNIESIENIA

Pierwotne wzorce fizyczne i chemiczne

Wzorzec masy (1 kg)

Wzorzec jednostki masy atomowej (izotop C12)

Stała Faradaya (F = 9.64845·107 C)

Liczba Avogadro (N = 6.02209·1023 cząstek/mol)


WZORCE STOSOWANE W ANALITYCE

wzorce podstawowe – są stosowane do kalibracji instrumentów isystemów pomiarowych w celu zapewnienia długoterminowejwiarygodności i rzetelności procedury pomiarowej.

wzorce chemiczne – substancje chemiczne o wysokiej czystości i znanym stechiometrycznym składzie. (Wzorce pierwotne i wtórne)

materiał odniesienia (RM) – stosowany w celu wykazania dokładności, rzetelności i porównywalności wyników analitycznych.

certyfikowany lub standardowy materiał odniesienia (CRM / SRM) - materiał odniesienia, którego jedną lub więcej wartości określonych właściwości certyfikowano (atestowano) za pomocą obowiązującej procedury, opatrzony certyfikatem, wydanym przez odpowiednią instytucję (np. BAS Bureau of Analytical Standards).


PROCES ANALITYCZNY

OBIEKT POMIARU

PRÓBKA

SYGNAŁ

WYNIK POMIARU

WYNIK ANALIZY

INFORMACJA

ZMIENNEUKRYTE

BADANYOBIEKT

PROBLEM

STRATEGIA POBIERANIA

PRÓBKI

POBIERANIE

PRÓBKI

PRZYGOTOWANIE PRÓBKI

POMIAR

REJESTRACJA/OCENA

KALIBRACJA

INTERPRETACJA

PERCEPCJA ROZWIĄZANIE

PROBLEMU

SYSTEMPOMIAROWY

METODY

CHEMO-

METRYCZNE


Obiekt badany Próbka

Próbka pomniejszona i homogeniczna

Próbka roztworzona- obiekt pomiaru


Pomiar Sygnał

Sygnał zarejestrowany Wynik analizy

Co2O3 2.4 ± 0.2%

Al2O3 24.4 ± 0.8%

SiO2 54.5 ± 1.5%

Ba0 4.6 ± 0.4%


2013-10-25

9

BADANY OBIEKT


PRÓBKA ANALITYCZNA

Analiza chemiczna jest zwykle przeprowadzana dla niewielkiej części obiektu badanego nazywanego próbką.

Niezbędnym, wstępnym krokiem w każdym procesie analitycznym jest pobranie próbki.

Sposób pobrania próbki decyduje o ostatecznym wyniku analizy.

Pobranie próbki

- to operacja w wyniku, której uzyskiwana jest próbka reprezentatywna dla obiektu badanego i określonego celu analizy

- rozróżnia się czynne i bierne pobieranie prób.

Technika bierna jest oparta na swobodnym przepływie cząsteczek analitu z badanego medium do medium ad(ab)sorbującego, w wyniku różnicy potencjału chemicznego analitu w obu mediach.


POBRANIE PRÓBKI

Bez względu na sposób i warunki pobrania próbki analityk musi być pewien, że próbka analityczna reprezentuje całość badanego materiału.

Pobieranie próbek jest często najtrudniejszym etapem całego procesu analitycznego i wprowadza najwięcej błędów.


Specjalne techniki stosowane są do ciągłego pobierania próbek oraz do próbek biologicznych i mikrobiologicznych.

Właściwości badanego obiektu wpływające na sposób pobraniai postępowania z próbką:

- stan skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz)

- skład fazowy

- jednorodność

- wielkość

- twardość

- lotność

- trwałość


Wielkość próbki, P, którą należy pobrać z obiektu ciągłego zależy od zakresu oznaczalności, A, metody analitycznej i zawartości, G,oznaczanego składnika w próbce:

A - zakres oznaczalności metody (uwzględnia czynności związane z przygotowaniem próbki)

G - zawartość oznaczanego składnika w próbce (mx - masa oznaczanego składnika, my - masa matrycy próbki)

][gG

AP

yx

x

mm

mG


Wielkość próbki, n, którą należy pobrać z obiektu dyskretnego, N, (np. tabletki) może być określona w sposób uproszczony metodą pierwiastka kwadratowego:

Bardziej wiarygodne wyniki dają obliczenia wielkości próbki oparte ometody statystyczne (rozkład hipergeometryczny, rozkład binormalnyczy twierdzenia Bayes’a).

Metody statystyczne wymagają przyjęcia poziomu ufności orazokreślenia jaka ilość obiektów pobranych do analizy może przekraczaćgraniczne stężenie oznaczanej substancji.

Nn


2013-10-25

10

STRATEGIE POBIERANIA PRÓBKI

Losowe pobieranie próbek

- próbki są pobierane w sposób losowy z całego obiektu badanego (duża liczba próbek).

Systematyczne pobieranie próbek

- próbki są pobierane w oparciu o zadany schemat geometryczny lub czasowy.

Warstwowe pobieranie próbek

- obiekt badany dzielony jest na szereg części (warstw), z każdej warstwy dalsze pobieranie próbek odbywa się w sposób losowy.

Reprezentatywne pobieranie próbek

- podobnie jak dla metody warstwowej badany obiekt dzielony jest na szereg warstw, ale pobieranie próbek z warstw jest prowadzone tak aby każda warstwa była reprezentowana proporcjonalnie do swojej wielkości.


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 analitycznejpróbka jest pobrana

- informacje dodatkowe(kto pobrał, opis próbki, itd.)


PRZECHOWYWANIE PRÓBEK

- obniżona temperatura, do ok. 4°C

- głębokie zamrożenie do -20°C (-40°C), a nawet temperatury ciekłego azotu

- liofilizacja

- zastosowanie stabilizatorów (konserwantów) oraz innych substancji przeciwdziałających zmianom składu próbki

np. zakwaszenie - metoda zapobiegania adsorpcji śladów metali ciężkich na ścianach naczynia.

Próbki powinny być analizowane najwcześniej jak to jest możliwe.

Jeżeli konieczne jest przechowywanie stosowane są następujące warunki:


OPERACJE PRZYGOTOWANIA PRÓBKI

- homogenizacja i pomniejszanie

- suszenie lub liofilizacja

- rozdrabnianie (materiały lite: młyny agatowe; materiały biologiczne: homogenizatory chłodzone ciekłym azotem)

- podział próbki

- rozkład próbek (spopielanie, rozpuszczanie, roztwarzanie, stapianie i spiekanie)

- rozdzielanie i zatężanie (ekstrakcja, wymiana jonowa, zatężanie na nośniku, ekstrakcja do fazy stałej)

- odważanie i odmierzanie


MINERALIZACJA MOKRA (w systemie otwartym)- polega na ogrzewaniu próbki w kwasach utleniających, które roztwarzają jej składniki nieorganiczne, a organiczne utleniają do CO2,

wody i innych lotnych produktów.

Najczęściej stosowane kwasy i ich mieszaniny to:

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


ŹRÓDŁA BŁĘDÓW PODCZAS ROZPUSZCZANIA

Niecałkowite rozpuszczenie próbki

- w idealnym przypadku stosowany odczynnik powinien rozpuścić całą próbkę, a nie tylko sam analit. Próby ilościowego wyługowania analitu z nierozpuszczonej pozostałości są zwykle nieudane.

Straty analitu przez ulatnianie

- podczas rozpuszczania w stężonych kwasach ulatniają się: CO2; SO2; H2S; H2Se; H2Te; SiF4 i BF3. Z gorącego HCl ulatniają się: SnCl4; GeCl4; SbCl3; AsCl3 i HgCl2. Obecność jonów Cl- w H2SO4 i HClO4 powoduje straty lotnych związków: Bi; Mn; Mo; Tl; V i Cr.

Wprowadzanie analitu jako zanieczyszczenia rozpuszczalnika

- zwykle masa roztworu potrzebnego do rozpuszczenia próbki przekracza masę próbki o jeden lub dwa rzędy wielkości.

Reakcje rozpuszczalnika ze ścianami naczynia

- szczególnie istotne w analizie śladów.


2013-10-25

11

MINERALIZACJA UV- stosowana do próbek ciekłych zawierających substancje organiczne.

Próbka naświetlana jest lampą kwarcową (150 - 400 W; 250 nm).

Zwykle do próbki dodaje się substancję utleniającą: H2O2 lub/i HNO3.

MINERALIZACJA MIKROFALOWA- podobna do mineralizacji „na mokro” w kwasach, ale energia jest dostarczana bezpośrednio do próbki.

Do roztwarzania mikrofalowego stosuje się zwykle fale 2 450 MHzi moc 600 - 700 W.

Próbka adsorbuje energię mikrofal w stopniu zależnym od wsp. pochłaniania: 0.6 – kwarc; 1.5 – teflon; 10.6 - szkło boro-krzemowe; 1570 – woda.


STAPIANIE

Trudne do roztworzenia materiały (skały i minerały tlenkowe fosforanowe, krzemianowe i glinokrzemianowe, czy niektóre stopy żelaza) są zamieniane w łatwo rozpuszczalne związki na drodze stapiania z topnikami.

Ze względu na korozyjne działanie topnika stapianie prowadzi się w możliwie krótkim czasie i w jak najniższej temperaturze.

SPIEKANIE

-to rozkład próbek przy użyciu minimalnej ilości topnika i w temperaturze niższej niż temperatura stapiania.

Spiekanie prowadzi się z Na2CO3 lub mieszaninie Na2CO3 + K2CO3

z dodatkiem CaO, MgO i ZnO względnie Na2O2.

Wadą obu procesów jest znaczna kontaminacja, wprowadzenie dopróbki znacznej zawartości soli i straty składników lotnych.


METODY ROZDZIELANIA I ZATĘŻANIA

- dwie całkowicie wymieszane substancja mogą zostać rozdzielone jeżeli różnią się co najmniej jedną właściwością fizykochemiczną.

Podstawa rozdzielania Metoda

Lotność Destylacja, Rafinacja

Współczynnik podziału Chromatografia, Ekstrakcja

Równowaga wymiany Wymiana jonowa

Aktywność powierzchniowa Chromatografia, Rafinacja piany

Geometria cząsteczki Filtracja, Dializa, Elektrodializa

Migracja Elektroforeza

Rozpuszczalność Strącanie

Potencjał rozkładu Elektroliza


KONTAMINACJA

Kontaminacja (zanieczyszczenie) - dotyczy niekontrolowanej zmiany stężenia oznaczanego pierwiastka w próbce, która ma miejsce

w trakcie procesu analitycznego.

Kontaminacja jest głównym źródłem niedokładności w śladowej analizie elementarnej.

Problem kontaminacji jest szczególnie istotny gdy:

- oznaczane stężenie jest niższe od 1 ppm

- oznaczany pierwiastek występuje w wysokim stężeniu

- oznaczany pierwiastek występuje w lotnych związkach.


Środowisko laboratoryjne i personel

Prowadzenie operacji i analizy w czystym pomieszczeniu lub komorze

z laminarnym przepływem powietrza.

Czyste pomieszczenia klasyfikowane są na podstawie ilości cząstekpyłu na ft3 (klasa: 100 000, 10 000, 1 000 i 100).

Czyste pomieszczenia stawiają skrajnie wysokie wymagania wobec personelu - wstęp mają jedynie wysoko wykwalifikowani pracownicy w odpowiednim ubraniu.

np. każdy człowiek pozostający w spoczynku „emituje” ok. 6 000 000 cząstek pyłu w ciągu godziny, natomiast już poruszający się wolno ok. 20 razy więcej!!!

ŹRÓDŁA KONTAMINACJIśrodowisko, urządzenia i sprzęt laboratoryjny, odczynniki chemiczne, personel, mikroorganizmy, itp.


MYCIE SZKŁA LABORATORYJNEGO

Przykładowa procedura:

1. umycie w alkalicznym roztworze detergentu

2. staranne opłukanie w wodzie dejonizowanej

3. zanurzenie w 6 M HCl (60C) przez 3 dni lub przez 7 dni (25C)

4. staranne opłukanie w wodzie dejonizowanej

5. zanurzenie w 6 M HCl (60C) przez 3 dni lub przez 7 dni (25C)

6. kilkakrotne opłukanie w wodzie dejonizowanej

7. kondycjonowanie w 0.05 M HNO3 przez co najmniej 7 dni lub do momentu użycia

8. kilkakrotne opłukanie w wodzie dejonizowanej przed użyciem.


2013-10-25

12

Podsumowanie

- zawartość, stężenie – definicje, sposoby wyrażania stężeń

- bezwzględne i pośrednie metody analizy chemicznej

- funkcja pomiarowa, funkcja analityczna, metody kalibracji

- kryteria walidacji

- proces analityczny

- próbka: ogólna, laboratoryjna, reprezentatywna

- wielkość próbki i strategie jej poboru

- metody roztwarzania i mineralizacji próbek

- fizyczne i chemiczne metody rozdzielania i zatężania

- kontaminacja: źródła i zapobieganie

- wzorce i materiały odniesienia


metody bada sk adu chemicznegogalaxy.uci.agh.edu.pl/~kca/mbsc_w2_z.pdf2013-10-25 3 regresja...

Documents