Adam Hulanicki
Rozdział 3. Parametry analityczne procedury pomiarowej
3.1. Precyzja, dokładność i niepewność pomiarów
3.2.
3.3.
Adam Hulanicki
3.4.
3.5.
Rozdział 4. Spójność pomiarów chemicznych
4.1. Metody kalibracji w pomiarach analitycznych
Adam Hulanicki
4.2. Wzorce i materiały odniesienia
Adam Hulanicki
4.3. Kalibracja i spójność pomiarów chemicznych
Ewa Bulska
Rozdział 5. Oznaczanie składników śladowych
5.1. Analiza śladowa
Adam Hulanicki
5.2. Kierunki rozwoju analizy śladowej w ostatnich latach
Beata Godlewska-Żyłkiewicz, Barbara Wagner
Rozdział 6. Specjacja chemiczna
6.1. Specjacja i analiza specjacyjna
Adam Hulanicki
6.2. Rozwój procedur pomiarowych w analizie specjacyjnej
Anna Ruszczyńska, Marcin Wojciechowski
Rozdział 7. Analiza procesowa
7.1. Podstawy analizy procesowej
Adam Hulanicki
7.2. Analiza procesowa – uwarunkowania i instrumentacja
Marek Trojanowicz
Rozdział 8. Analiza powierzchni
8.1. Analiza powierzchni – analiza rozmieszczenia
Adam Hulanicki
8.2. Kierunki rozwoju i nowe możliwości analizy powierzchni
Mikołaj Donten
Rozdział 9. Analiza przepływowa
9.1. Metody analizy przepływowej
Adam Hulanicki
9.2. Od skomplikowanych do najprostszych. Trendy w analityce przepływowej
Izabela Lewińska, Łukasz Tymecki
9.3. Analizatory dyskretne
Adriana Palińska-Saadi
Rozdział 10. Techniki sprzężone
10.1. Techniki sprzężone w chemii
Adam Hulanicki
10.2. Techniki rozdzielania
Krystyna P yrzyńska
Rozdział 11. Czujniki chemiczne
11.1. Rodzaje czujników chemicznych 165
Adam Hulanicki
11.2. Czujniki chemiczne – nowe możliwości i wyzwania 193 Agata Michalska, Krzysztof Maksymiuk
Rozdział 12. Miniaturyzacja w analizie chemicznej
Adam Hulanicki
Rozdział 13. Ocena jakości wyników pomiarów chemicznych
13.1. Zapewnienie jakości w analizie chemicznej
Adam Hulanicki
13.2. Ważność wyników pomiarów chemicznych
Ewa Bulska
Źródła błędów Czas wykonania
Rys. 2.1. Udział przygotowania próbki w całkowitym błędzie i czasie wykonania analizy
Te ogólne zagadnienia stawiają przed analitykiem bardzo konkretne wymagania. Dotyczyć one mogą na przykład wytrzymałości określonego materiału konstrukcyjnego, stali, stopu, tworzywa sztucznego czy kompozytu, oddziaływania tego materiału na środowisko, na inne obiekty, a także na człowieka. Takimi bezpośrednimi wymaganiami mogą być warunki określające zanieczyszczenie środowiska jako całości oraz jego konkretnych elementów, transport zanieczyszczeń w przyrodzie i określenie ich antropogennych lub endogennych źródeł. Problematyka ta wiąże się z zagadnieniami rolnictwa, produkcji żywności i nieraz może być bardzo specyficzna, jak np. stwierdzenie obecności organizmów genetycznie modyfikowanych. Formułowanie problemu na ogół jest prezentowane nie przez analityka, dlatego też zadaniem jego powinna być ocena problemu z punktu widzenia chemii analitycznej, możliwości i zagrożeń, które mogą niekorzystnie wpływać na wynik analizy. Wymaga to, aby analityk był choć częściowo zorientowany w problematyce, której dotyczy zagadnienie. Trudno jednak wymagać, aby każdy analityk miał pogłębioną wiedzę zarówno w zakresie ochrony środowiska, jak i analizy klinicznej, kryminalistycznej czy metalurgii. W każdej z tych dziedzin inna jest np. technika i filozofia pobierania próbek do analizy i inna ocena wyników. Dlatego też konieczna jest, choć w pewnym stopniu, ogólna wiedza w zakresie dziedziny, w której wykonuje się analizę. Najkorzystniejsza sytuacja istnieje wówczas, gdy analityk może znaleźć wspólny język ze zleceniodawcą (tab. 2.1).
Uzgodnienie wszystkich wymagań i oczekiwań zleceniodawcy z możliwościami analityka, który będzie wykonywał analizę, jest istotne, aby nie powodować późniejszych nieporozumień i nie doprowadzać do działań, które okażą się zbędne lub niewłaściwie zaplanowane. Zleceniodawca nieraz może się nie orientować w realnych możliwościach chemii analitycznej i zadaniem analityka jest już we wstępnej rozmowie wskazać, co jest wykonalne, a także jakie dodatkowe informacje, o których zleceniodawca może jeszcze nie wiedzieć, można by uzyskać. Co analityk musi wiedzieć o zadaniu, które przed nim stoi? Niezbędne informacje można sformułować następująco: – Co jest przedmiotem oznaczenia, a więc analitem? Czy chodzi o oznaczenie jednego składnika, czy większej ich liczby? Czy ważny jest tylko skład elementarny (pierwiastkowy),
Cele i realizacja procesu analitycznego
Tabela 2.1. Zakresy współpracy zleceniodawcy (Z) i analityka (A) w trakcie realizacji procesu analitycznego
Etapy procesu analitycznego Relacja Przykłady działań
Ogólne określenie problemuZ zanieczyszczenie wód podziemnych azotanami
Określenie analitycznych aspektów problemu
Z → Austalenie strategii pobierania próbek
Wybór procedury analitycznejA → Zmetoda spektrofotometryczna
Pobieranie próbek
Preparowanie próbki
Pomiar
Ocena wyniku
Wnioskowanie
Końcowe sprawozdanie
Z + Aotrzymywanie reprezentatywnej próbki
A np. sączenie, maskowanie interferencji
A pomiar absorbancji
A sporządzenie wykresu analitycznego, kwantyfikacja
A korelacja z masą próbki, dokładność, niepewność
A → Zzalecenia dalszych działań
czy chodzi o oznaczanie indywiduów cząsteczkowych, które mogą ulegać przemianom w trakcie analizy? Przykładem mogą tu być trudności występujące w analizie specjacyjnej.
– Jakiego rodzaju materiał jest przedmiotem badania? Jaki jest jego stan skupienia i czy w przybliżeniu znany jest skład matrycy, a więc składników głównych, ubocznych, a nawet śladowych?
– Czy materiał do analizy dostępny jest w dowolnych ilościach, czy też są to obiekty unikalne, dostępne w jednym egzemplarzu, tak jak w analizie obiektów zabytkowych? Ważna jest informacja, jak będą pobierane próbki i kto je będzie pobierał i dostarczał do laboratorium.
– Czy należy być przygotowanym na powtarzające się serie próbek, czy metoda analityczna powinna być przystosowana do ciągłych pomiarów, ewentualnie do stałego monitoringu? W takiej sytuacji konieczna jest również przewidywana szybkość zmian składu, a przede wszystkim zawartości analitu.
– Jaki jest czas przeznaczony na wykonanie analizy? W tym przypadku analityk musi wykazywać dużą ostrożność w określeniu terminu zakończenia analizy, chyba że jest to bardzo typowe, rutynowe oznaczenie.
Jaka jest dopuszczalna niepewność otrzymywanych wyników? Ten element charakterystyki jest bardzo ważny, gdyż nie ma sensu pomiar ze względnym odchyleniem standardowym 5%, jeśli istotna dla ostatecznych wniosków zmienność zawartości jest w granicach kilku procent. Taka sytuacja może występować na przykład w pomiarze zawartości niektórych elektrolitów w surowicy krwi, gdzie większa zmienność już świadczy o odchyleniach od normy. – Na postawie wniosków wstępnych wypływających z uzyskania powyższych informacji należy określić, jakiej wielkości koszty mogą wchodzić w grę i czy są one adekwatne do tego, czym dysponuje zleceniodawca. Koszty te muszą obejmować zarówno ewentualny koszt inwestycyjny, jak i amortyzację posiadanej aparatury, koszty eksploatacyjne, koszty zatrudnienia odpowiednio kwalifikowanego personelu.
Uzyskanie powyższych informacji jest podstawą racjonalnego zaplanowania całego procesu analitycznego.
9
z atomizerem kwarcowym, w którym następuje rozkład lotnych wodorków arsenu, antymonu, selenu i kilku innych pierwiastków. Postępowanie takie pozwala na uniknięcie szeregu czynników zakłócających nieraz tę metodę, związanych z reakcjami ubocznymi odczynnika (NaBH4) i interferencjami wywołanymi przez obecność metali ciężkich.
Układy przepływowe pozwalają również na wstępne zatężenie analitu z dużej objętości pierwotnej próbki. Do tego celu można stosować wstępne reaktory z wymieniaczami jonowymi, a także wytrącanie lub współstrącanie analitu, który jest następnie wymywany małą objętością aktywnego rozpuszczalnika.
Możliwość precyzyjnej kontroli czasu reakcji jest bardzo ważna przy stosowaniu elektrochemicznych detektorów. Szeroko wykorzystuje się do tego celu elektrody jonoselektywne. Regulowanie czasu kontaktu roztworu analitu z elektrodą jonoselektywną daje dodatkowe korzyści wynikające z tego, że selektywność elektrod może zależeć od czasu ich kontaktu z roztworem. Elektrody jonoselektywne czułe na jony sodu, potasu, wapnia, magnezu i chlorkowe są powszechnie wykorzystywane w układach przepływowych do analizy krwi, surowicy krwi i innych płynów biologicznych.
Wśród elektrochemicznych metod detekcji wymienić należy również detekcję amperometryczną. Ze względów konstrukcyjnych dogodne są elektrody stałe, np. platynowe lub węglowe. Prostym przykładem jest oznaczanie azotanów(V), po ich redukcji do azotanów(III) w reaktorze zawierającym wiórki kadmowanej miedzi. Do strumienia zawierającego jony azotanów(III), w ilości równoważnej oznaczanemu analitowi, doprowadza się roztwór jodku potasu, który reaguje następująco:
NO2– + 2 I– + 2 H+ → NO + I2 + H2O
a obecność odwracalnego układu redoks I2/I– powoduje powstanie prądu w układzie dwóch elektrod platynowych, do których przyłożone jest napięcie stałe 50 mV (rys. 9.7).
próbka cm 3 min–1
Rys. 9.7. Schemat układu do biamperometrycznego oznaczania azotanow(V) w przepływie ze wstrzykiwaniem próbki; P — pompa, S — zawór wstrzykowy, C — kolumna z kadmowaną miedzią jako reduktorem, R1, R2, R3 — spirale reakcyjne, D — detektor, W — do ścieku. Liczby oznaczają długość przewodu w spirali w cm
Możliwość kontroli czasu procesu jest również atrakcyjna w procedurach, w których wykorzystuje się zjawiska katalityczne. W pierwszym rzędzie wyróżnić tu należy stosowanie enzymów, które są immobilizowane w specjalnych minireaktorach. Reaktor z immobilizowaną oksydazą glukozy (cholesterolu, kwasu mlekowego) może służyć do oznaczania glukozy (cholesterolu, kwasu mlekowego) z wykorzystaniem detekcji chemiluminescencyjnej. Wśród produktów reakcji enzymatycznej znajduje się nadtlenek wodoru, który zmieszany z luminolem i heksacyjanożelazianem(III) powoduje powstanie chemiluminescencji. Jej intensywność
Analiza przepływowa
w określonej chwili jest mierzona za pomocą fotodiod, a otrzymany sygnał analityczny, w formie zarejestrowanego przez komputer piku, jest proporcjonalny do szybkości reakcji, a w konsekwencji do stężenia substratu (rys. 9.8).
a)
b)
Rys. 9.8. a) Schemat układu do chemiluminescencyjnego oznaczania glukozy z reaktorem enzymatycznym w przepływie ze wstrzykiwaniem próbki; P — pompa perystaltyczna, S — zawór wstrzykowy, RE — reaktor zawierający unieruchomiony enzym (oksydazę glukozową), D — detektor z dwoma fotodiodami, W — do ścieku, b) Zintegrowany mikroukład do analizy wstrzykowej zawierający elementy układu a (bez pompy); N — strumień roztworu nośnego, R1 i R2 — doprowadzenie roztworu luminolu i heksacyjanożelazianu(lll); KP — kuweta przepływowa, PD — podstawa mikrodetektora (za zgodą W iley Interscience [Ružička J., Hansen E.H., Flow Injection Analysis, wyd. 2, J. Wiley Interscience, New York 1988])
W konstrukcji czujników światłowodowych może być stosowany pojedynczy światłowód, który służy zarówno do doprowadzenia wiązki świetlnej do badanego obiektu — próbki analitycznej — jak i do odbioru sygnału optycznego i doprowadzenia go do detektora. Jest to czujnik jednoświatłowodowy (rys. 11.9a). Często wygodnym układem, niewymagającym rozdzielenia wiązek za pomocą zwierciadła, jest czujnik dwuświatłowodowy (rys. 11.9b), w którym jeden światłowód przekazuje promieniowanie ze źródła do próbki, a drugi od próbki do detektora. Jako źródła promieniowania w czujnikach stosowane mogą być układy używane w spektrofotometrach, które mają możliwość wyprowadzenia i wprowadzenia wiązki promieniowania za pomocą światłowodów. W pewnym sensie komplikuje to konstrukcję czujnika. Z tego względu preferowane jest stosowanie laserów, laserowych diod półprzewodnikowych i diod elektroluminescencyjnych z ewentualną korekcją monochromatyzacji za pomocą filtrów interferencyjnych. Jako detektory stosowane są fotodiody i fototranzystory. Do ważnych charakterystyk należy zakres długości fali, w którym detektor wykazuje odpowiednią czułość, mały prąd ciemny i krótki czas odpowiedzi.
Rys. 11.9. Schemat układu pomiarowego czujnika optycznego jednoświatłowodowego (a) i dwuświatłowodowego (b) (za zgodą Oficyny Wydawniczej Politechniki Warszawskiej [Brzózka Z., Wróblewski W., Sensory chemiczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998])
Czujniki chemiczne
Najprostszy rodzaj czujników optycznych nie wymaga specyficznego rozpoznawania analitu, lecz wykorzystuje jego naturalne właściwości optyczne. Czujniki takie są jakby przedłużeniem klasycznego układu spektrofotometrycznego dzięki wyprowadzeniu czynności źródła i detektora poza obręb przyrządu. Wymienić tu można czujnik jonów miedzi, wykorzystujący ich charakterystyczną absorpcję przy 930 nm, czujnik do oznaczania chlorowanych węglowodorów, wykorzystujący ich widmo w zakresie bliskiej podczerwieni, lub czujnik do oznaczania niektórych związków organicznych na zasadzie wzbudzenia fluorescencji przez doprowadzoną światłowodem wiązkę promieniowania.
Jeśli nie ma możliwości bezpośredniego wykorzystania właściwości optycznych analitu, to konieczne jest wprowadzenie wskaźnika do układu receptora, który będzie reagował z analitem. Tego typu czujnik nosi nazwę optody (ang. optode) lub optrody (ang. optrode) na zasadzie podobieństwa do elektrody. Wskaźnik może być unieruchomiony na końcówce światłowodu w wyniku adsorpcji, wymiany jonowej, inkluzji w polimerze lub nawet wiązania kowalencyjnego. Unieruchomienie wskaźnika pozwala na przedłużenie czasu życia czujnika, gdyż utrudnia jego wymywanie z końcówki czujnika. Z tego względu kowalencyjne wiązanie związku wskaźnikowego jest szczególnie korzystne.
Jeśli wskaźnik jest unieruchomiony na końcu światłowodu, to sygnał analityczny powstaje w wyniku pomiaru promieniowania odbitego lub powstającej fluorescencji (rys. 11.10). Można również stosować światłowód, z którego usunięto płaszcz i zastąpiono go membraną zawierającą wskaźnik. W takiej sytuacji promieniowanie przechodzące światłowodem jest modyfikowane i sygnał analityczny związany jest z zanikającą falą powstającą na granicy dwóch ośrodków. Przykładem jest czujnik do oznaczania amoniaku. Błękit bromotymolowy jako wskaźnik pH jest unieruchomiony w warstwie silikonowej i pod wpływem dyfundującego amoniaku zmienia zabarwienie z żółtej na niebieską w zakresie pH 6,0–7,6.
Rys. 11.10. Schemat końcówki światłowodu czujnika optycznego z membraną zawierającą wskaźnik
Oddziaływanie wskaźnika z analitem jest oparte na ustalaniu się równowagi chemicznej, określonej wartością stałej równowagi tworzenia związku o pożądanych właściwościach optycznych.
Dobrym przykładem takiego czujnika są optyczne czujniki pH, zawierające w receptorze wskaźnik pH, np. czerwień fenolową o zakresie zmiany pH od 3,0 do 5,2, osadzoną na kulkach poli(akryloamidowych). Sygnał analityczny powstaje przez pomiar stosunku natężeń wiązek odbitych przy λ = 558 nm (absorpcja formy zasadowej) i przy λ = 600 nm, w punkcie izozbestycznym obu form: kwasowej i zasadowej. W czujnikach pH może być wykorzystana również fluorescencja. Takim czujnikiem jest np. optoda zawierająca kowalencyjnie związany na celulozie kwas 1-hydroksypireno-3,6,8-trisulfonowy (HPTS). W zakresie pH około 5 maksimum fluorescencji przypada przy λ = 405 nm, a w zakresie pH około 9 przy λ = 455 nm. Sygnałem analitycznym jest stosunek obu natężeń. Ze względu na zakres pH odpowiadający wartościom fizjologicznym czujnik ten ma zastosowania medyczne.