ANALITYKA I MONITORING ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA I... · - techniki PROBLEMY ANALITYCZNE Badania naukowe i prace rozwojowe ... Farmaceuta, twórca biurety i metody analizy miareczkowej,

07.09.2010 IALO Gdynia 1

ANALITYKA I MONITORING ZANIECZYSZCZEŃŚRODOWISKA

Jacek NamieśnikKatedra Chemii Analitycznej, Wydział

Chemiczny, Politechnika Gdańskaul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

e-mail: [email protected]


2010MIĘDZYNARODOWY ROK

BIORÓŻNORODNOŚCI (International Year of Biodiversity)

ogłoszony przez ONZ

2011MIĘDZYNARODOWY ROK CHEMII

(International Year of Chemistry – IYC 2011)ogłoszony przez IUPAC i UNESCO

(www.chemistry2011.org)


LICZBA ZNANYCH ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH

źródło: CHEMICAL ABSTRACT SYSTEM (CAS)12/04/2009 00:06:37 EST

Liczba znanych substancji chemicznych (organicznych i niorganicznych): 51 254 327

Liczba znanych reakcji chemicznych (jednoetapowych i wieloetapowych): 21 327 729

Liczba związków chemicznych dostępnych w obrocie handlowym: 37 783 505

Liczba związków chemicznych podlegających uregulowaniom prawnym: 279 594

JAK DOTRZEĆ DO AKTUALNYCH DANYCH?http://www.cas.org/cgi-bin/cas/regreport.pl


Wzajemne oddziaływania pomiędzy społeczeństwem i analityką chemiczna

SPOŁECZEŃSTWO ANALITYKA CHEMICZNA

Problem:Społeczne

zapotrzebowanie nainformacje chemiczne

Problemanalityczny

Uzyskanie potrzebnejinformacji analitycznej

Procesanalityczny


PRACA ANALITYKÓW – ODPOWIEDŹ NA ZAPOTRZEBOWANIE SPOŁECZNE

SPOŁECZEŃSTWO(Zapotrzebowanie na

informacje)

ANALITYKA CHEMICZNA

NOWE WYZWANIA DLA ANALITYKÓW W

ZAKRESIE:

- nauki- techniki

PROBLEMY ANALITYCZNE

Badania naukowe i prace rozwojowe

KSZTAŁCENIE SPECJALISTÓW

WYKORZYSTANIE

- technik i metodyk analitycznych- aparatury kontrolno-pomiarowej

INFORMACJE I OSIĄGNIĘCIA W INNYCH

DZIEDZINACH NAUKI I TECHNIKI


CHEMIA ŚRODOWISKA75%

25%

CHEMIANIEORGANICZNA

CHEMIAANALITYCZNA

CHEMIAFIZYCZNA

BIOCHEMIA

INŻYNIERIACHEMICZNA

CHEMIAORGANICZNA


Abu Ali al-Hassan ibn al-Hassan ibn al-Haytham 965-1040 (Ptolemeusz Drugi, Fizyk)Dokonał analizy światła na podstawowe barwy, jego praca nt. optyki została uznane przez Newtona za najdonioślejszą w historii fizyki

Galleo Galilei (Galileusz) 1564-1642

Pierwszy stwierdził, że wyniki pomiarów nigdy nie będą zgodne z założeniami teoretycznymi z uwagi na niedokładność pomiarów

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ibn_al-Haytham.png

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Galileo.arp.300pix.jpg

http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://art.webesteem.pl/3/img/szynkiewicz_pryzmat.jpg&imgrefurl=http://art.webesteem.pl/3/swiatlo.php&usg=__xi6h7wwQhuhmBR8qnpQSLhzSLg4=&h=133&w=300&sz=16&hl=pl&start=8&tbnid=MTCuTi6qIkiSnM:&tbnh=51&tbnw=116&prev=/images%3Fq%3Dpryzmat%26gbv%3D2%26hl%3Dpl%26sa%3DG


René Descartes (Kartezjusz) 1596-1653

Rozprawa o Metodzie

Postawy podejścia naukowego do pomiaru

Antoine Laurent Lavoisier 1743-1794

Obalenie teorii flogistonu

Prawo zachowania masy

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Frans_Hals_-_Portret_van_Ren%C3%A9_Descartes.jpg

http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Antoine_lavoisier_color.jpg


Friedrich Mohr 1806 - 1879

Farmaceuta, twórca biurety i metody analizy miareczkowej,wagi do mierzenia ciężaru właściwego

James Marsh 1790-1846Woolwich, asystent Faraday’aMetoda ilościowego oznaczania arsenu 1836 rok 1 μg As

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Mohr_Karl_Friedrich.jpg

http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://mustardgas.org/0066.jpg&imgrefurl=http://mustardgas.org/photos.htm&usg=__GRsPsT2O66L1H2krww_BwD46TyY=&h=464&w=600&sz=59&hl=pl&start=1&tbnid=gOJk6h7vtCFPxM:&tbnh=104&tbnw=135&prev=/images%3Fq%3DGutzeit%2Barsenic%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Dpl%26sa%3DN


Carl Fresenius 1818-1897

Farmaceuta, założył laboratorium rolniczo-farmaceutyczne - pierwszy podręcznik analizy jakościowej (1841)- pierwszy podręcznik analizy ilościowej (1846)

http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Carl_Remigius_Fresenius.jpg


Chromatografia bibułowa chlorofilu

Profesor mikrobiologii i botaniki 1908-1916 na Politechnice Warszawskiej

Twórca chromatografii

Michaił Cwiet 1872-1919

http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Chromatography.jpg

http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Tswett_01.jpg&filetimestamp=20080816121045


12

Analityka i monitoring zanieczyszczeńśrodowiska

chemia środowiska

technologia remediacyjna

ekotoksykologia legislacja

Siły napędowe analityki i monitoringu zanieczyszczeń środowiska



WZROST ZALUDNIENIA A PRODUKCJA CHEMICZNA

ogólnoświatowa produkcja substancji i odczynników chemicznychwzrost zaludnienia

Plan

owan

y w

skaź

nik

wzr

ostu

RokZałożenia:-produkcja wyrobów chemicznych wzrasta o 3% w skali roku-zaludnienie globu wzrasta tempie 0.77% / rokŹródło: OECD Raport, 2001


Klasyfikacja zanieczyszczeńśrodowiska ze względu na ich „status” prawny

Zanieczyszczenia środowiska

Związki podlegające uregulowaniom prawnym

Związki nie podlegające uregulowaniom prawnym (niezidentyfikowane

zanieczyszczenia)

Dioksyny(PCDD+PCDF)

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

Polichlorowanebifenyle

Kompleksy metali

Bromowane opóźniacze zapłonu

Alkilofenole

Estrogeny

Pestycydy chloroorganiczne

Fitoestrogeny

Bisfenol A

Pochodne ftalanów

ENDOCRINE DISRUPTING COMPOUNDS- EDC’s

Związki wywołujące zakłócenia równowagi hormonalnej w

organizmach żywych (związki endokrynne)

Surfuktanty niejonowe i produkty ich rozkładu i

metabolizmu

Pozostałości farmaceutyków

Środki higieny osobistej

Syntetyczne związki zapachowe


EDUKACJA

DOSTĘPNE TECHNIKII METODYKI ANALITYCZNE

BADANIA NAUKOWE I PRACEROZWOJOWE

ANALITYKACHEMICZNA

BADAN IAPODSTAWOWE

BADAN IASTOSOWAN E


M. Valcarcel, A. Ros, TrAC, 13, 17 (1994)

KLASYCZNA CHEMIA

ANALITYCZNA

SYSTEM JAKOŚCI

Projektowanie, planowanie, kontrola jakości, oszacowanie jakości, wprowadzenie zmian i korekt

ANALITYKA CHEMICZNA


ZAPOTRZEBOWANIE NA INFORMACJE ANALITYCZNE

Wyniki analizy reprezentatywnych próbek powinny być źródłem informacji

niezbędnych do:Określenia stanu (jakości) badanego obiektu materialnego,Potwierdzenia postawionej hipotezy badawczej,Podjęcia właściwej decyzji (administracyjnej, gospodarczej i prawnej),Podniesienia poziomu świadomości społeczeństwa.


RODZAJE INFORMACJI ANALITYCZNYCH ZAWARTE W WYNIKU ANALITYCZNYM

I. Informacje jakościowe 1. Czy analit występuje w próbce? TAK/NIE

II. Informacje ilościowe1. Czy analit występuje w próbce na poziomie

wyższym niż dopuszczalny? TAK/NIE2. Jakie jest stężenie/ilość analitu w próbce?3. W jakiej formie fizycznej lub postaci chemicznej analit występuje

w próbce?

ANALITYKA SPECJACYJNA4. W jakiej części badanego obiektu występuje analit?

ANALITYKA ROZMIESZCZENIA5. Jakie są fluktuacje czasowe stężenia analitu?


Pojęcia podstawowe

C (stężenie analitu)

najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS, MDS)

CQL granica oznaczalności (Quantitation Limit – QL)

CDL granica wykrywalności (Detection Limit – DL) 0


Domena chemicznej niewiadomej

WZROST RÓŻNORODNOŚCI CHEMICZNEJ W ZAKRESIE NISKICH STĘŻEŃCh.G. Daughton, Renewable Res. J., 23, 6-22 (2005)


JEDNOSTKI SJEDNOSTKI SŁŁUUŻĄŻĄCE DO WYRACE DO WYRAŻŻANIA STANIA STĘŻĘŻEEŃŃ SKSKŁŁADNIKADNIKÓÓW W ŚŚLADOWYCH I ULTRALADOWYCH I ULTRAŚŚLADOWYCHLADOWYCH

Nazwa jednostki stężenia

Część na tysiąc

Część na milion

Część na bilion

Część na trylion

Część na kwadrylion

Część na kwintylion

Część na sekstylion

SSttęężżeenniiee oobbjjęęttoośścciioowwoo--oobbjjęęttoośścciioowwee

SSttęężżeenniiee mmaassoowwoo--mmaassoowwee

vvpptthh ((pppptthh vv//vv))

pppptthh

vvppmm ((ppppmm vv//vv))

ppppmm

vvppbb ((ppppbb vv//vv))

ppppbb

vvpptt ((pppptt vv//vv))

pppptt

vvppqq ((ppppqq vv//vv))

ppppqq

VVppqquuii ((ppppqquuii vv//vv))

ppppqq

vvppss ((ppppss vv//vv))

ppppss

SSttęężżeenniiee pprroocceennttoowwee

((%%))

1100--11

1100--44

1100--77

1100--1100

1100--1133

1100--1166

1100--1199

1100--2222

IIlloośśćć aannaalliittuu ww pprróóbbccee oo

mmaassiiee 11 ggrraammaa

11 mmiilliiggrraamm ((11mmgg))

11 mmiikkrrooggrraamm ((11μμgg))

11 nnaannooggrraamm ((11nngg))

11 ppiikkooggrraamm ((11ppgg))

11 ffeemmttooggrraamm ((11ffgg))

11 aattttooggrraamm ((11aagg))

11 zzeeppttooggrraamm ((11zzgg))

11 jjookkttooggrraamm ((11yygg))


23

Wykorzystanie różnych technik instrumentalnych do oznaczania różnych poziomów stężeń analitów

Ilość analitu

[g]

Przeliczenie masyanalitu na jego

stężenie w próbce omasie 1 g

Liczbacząsteczek

analituTechnika instrumentalna

Miligram (mg) 10-3 1ppth 1018 Miareczkowanie

Mikrogram(μg)

10-6 1ppm 1015 Spektrofotometria

Nanogram(ng)

10-9 1 ppb 1012 Chromatografia gazowa

Piktogram(pg)

10-12 1 ppt 109 Spektometria mas

Femtogram(fg)

10-15 1 ppq 106 Spektometria mas

Attogram (ag) 10-18 1 ppqui 103 Trwają poszukiwania odpowiedniej techniki

analitycznej

Mologram 10-21 1 pps 101 Trwają poszukiwania odpowiedniej techniki

analitycznej


Określenie stopnia czystościLiczba „dziewiątek” N % [m/m]

Suma zanieczyszczeń[ppm]

Przykłady materiałów

1. Typowe wyroby przemysłu metalurgicznego2N5 99,5 5000 WC, TiC

2N85 99,85 1500 Al.. i jego stopy

2. Czyste metale3N 99,9 1000 Nb, Ta

3N7 99,97 300 Mo

4N 99,99 100 W, Ta + GC

3. Materiały wysokiej czystości (High Purity Materials-HP) (Ultra High Purity Materials- UHP)5N 99,999 10 HP-Mo, W, Al.

6N 99,9999 1 UHP-Mo, W, Al.

7-9 N 0,1-0,001 Si (4000 t/r)

7N 99,99999 0,1

9N 99,999999 0,001

Procesy chemiczne dla mikroelektroniki

11N 99,999999999 10-5 Ge (najczystsza substancja

wyprodukowana przez człowieka)


Najczystszy wytworzony materiał

GERMAN (Ge)

11 NGe 99,999999999%∑ zanieczyszczeń 0,000000001 % ∑ zanieczyszczeń 10 ppt

W próbce Ge o masie 1 grama suma zanieczyszczeń wynosi 10 nanogramów (ng).


CO WYMUSZA ROZWÓJ ANALITYKII MONITORINGU ŚRODOWISKOWEGO

1. Wymogi coraz surowszej, bardziej wszechstronnej i coraz dokładniejszej oceny jakości środowiska.

2. Względy ekotoksykologiczne.


Wymogi stawiane urządzeniom analitycznym wykorzystywanym w monitoringu środowiskowym

1. Wymogi metodyczne

Wysoka czułość pomiarów

Uzyskiwanie informacji analitycznych w sposób ciągły w czasie rzeczywistym bądź tylko z niewielkim opóźnieniem czasowym

Wysoka rozdzielczość wyników (charakteryzowana przez krótki czas odpowiedzi przyrządu)

Długi okres pracy autonomicznej.


Wymogi stawiane urządzeniom analitycznym wykorzystywanym w monitoringu środowiskowym cd.

2. Wymogi techniczne Automatyczne zerowanie i kalibracja przyrządu; Zabezpieczenie pracy przyrządu przed nagłymi przerwami w zasilaniu, Wyposażenie przyrządu w: -Niezależne źródła zasilania -Moduł do kalibracji -System do napełniania i uzupełniania poziomu roztworów i regentów (monitory elektrochemiczne)

-Urządzenia zabezpieczające przed zgaśnięciem płomienia (monitory oparte na wykorzystaniu detektorów FID i FPD)

Możliwość automatycznej regulacji lub wymiany zużytych filtrów.


ekotoksykologiczne

Identyfikacja źródełemisji zanieczyszczeń

Ocena efektywnościzabiegów

sozotechnicznych

Oszacowanie zasięguoddziaływania źródeł

emisji zanieczyszczeń

Standardowa ocenajakości elementów

środowiska(zgodność znormami i

przepisami)

Badanie tła i trendówdługookresowych

Pomiar ekspozycji

Badanie przemianchemicznych,

biochemicznych ifootchemicznychzanieczyszczeńśrodowiska

Badanie drógprzemieszczania się

zanieczyszczeń

Wykorzystanie analityki i monitoringuśrodowiskowego

Oszacowanie emisji

Pomiar imisjiBadania procesówzachodzących wśrodowisku

Badania procesówkumulacji i

metabolizmuzanieczyszczeńprzez organizmy

żywe

Badanie wpływuzanieczyszczeń nazmiany klimatyczne

Badania ekotoksykologiczne


Dystrybucja i los związków cynoorganicznych w środowisku wodnym


PODSTAWOWE KIERUNKI ROZWOJOWE W ZAKRESIE

ANALITYKI I MONITORINGU ŚRODOWISKOWEGO

1. Metodyczne kierunki rozwojowe analityki i monitoringu środowiskowego

− Rozpowszechnienie analityki specjacyjnej

− Wykorzystanie wskaźników sumarycznych do oceny stopnia

zanieczyszczenia środowiska

− Dążność do oznaczania coraz niższych stężeń analitów w próbkach o bardzo

skomplikowanej matrycy

− Poszukiwanie metod przydatnych do oznaczania wielu analitów z jednej

próbki w jednym cyklu analitycznym

− Wzrost znaczenia bioanalityki i biomonitoringu

− Wykorzystanie szybkich testów do wstępnej oceny jakości poszczególnych

elementów środowiska


2. Kierunki rozwojowe w zakresie instrumentacji

− Nowe rozwiązania konstrukcyjne czujników i detektorów

− Wprowadzenie do praktyki analitycznej technik łączonych

− Komputeryzacja, automatyzacja i robotyzacja przyrządów kontrolno-

pomiarowych

− Zastosowanie systemów eksperckich

− Miniaturyzacja przyrządów pomiarowych (wprowadzenie do praktyki

analitycznej „elektronicznego nosa” oraz „elektronicznego języka”)

− Budowa przyrządów pasywnych oraz przeznaczonych do pomiarów In

situ w tym również z bezpośrednim odczytem ilości (stężenia) analitu

− Rozwój zdalnych technik oceny stopnia zanieczyszczenia środowiska

− Wykorzystanie techniki filmowej, dokumentacji fotograficznej oraz

systemu informacji geograficznej w ocenie jakości środowiska.


Klasyfikacja biologicznych metod analizy i monitoringu

METODY BIOLOGICZNE W ANALITYCE

BIOMONITORING BIOANALITYKA

wskaźniki retrospektywneanaliza okrzemkowa

analiza pyłkowadendroanaliza

biotesty (immunoanaliza)

wykorzystanie składników biologicznych jako elementu

urządzeń analitycznychbiosorbenty

biokatalizatorybiofiltry

biokolumnybioreaktory

bioczujnikiczujniki biopowinowactwa

czujniki enzymatyczneczujniki tkankoweczujniki bakteryjne

wskaźniki wizualne

biologiczny system wczesnego ostrzegania

wskaźniki składu gatunkowego

wskaźniki prognostycznezakwity wody

sukcesje roślinności

analiza próbek materii ożywionej (biota)


Podstawowe informacje o klasyfikacji metod biologicznych wykorzystywanych w badaniach środowiska

Z wykorzystaniem obu podejść w zakresie stosowania metod biologicznych do celów analitycznych wiążą się trzy pojęcia:

• Biowskaźnik (bioindykator), który może stanowić organizm lub wspólnota organizmów. Biowskaźnik dostarcza informacje o stanie (jakości) środowiska oraz co do natury zmian w środowisku. Oceny stopnia zagrożenia danego elementu środowiska dokonuje się na postawie analizy wizualnej

• Biomonitor, który również stanowi organizm lub wspólnota, które są źródłem informacji na temat ilościowych aspektów jakości środowiska i zmian w nim zachodzących. Źródłem informacji są w tym przypadku wyniku analiz odpowiednio dobranych fitotestów.

• Biomarker to ilościowa miara zmian w układzie biologicznym wywoływana przez oddziaływanie określonych zanieczyszczeń (trucizn środowiskowych- ksenobiotyków).


STRONA DOMOWA KATEDRY

pełną wersje wystąpienia można znaleźć na stronie:

http://www.pg.gda.pl/chem/Katedry/Analityczna/index.php?option=com_content&task=v

iew&id=88&Itemid=55


MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU

„Monitoring i analityka zanieczyszczeńśrodowiska”

I ROK STUDIÓW

http://www.pg.gda.pl/chem/Katedry/Analityczna/index.php?option=com_content&task=v

iew&id=128&Itemid=86


WYKŁADY

popularno-naukowe oferowane przez nauczycieli akademickich zatrudnionych na Wydziale dla

uczniów gimnazjów i liceów

http://www.pg.gda.pl/chem/pl/files/wyklady/oferta_pop.pdf

PROPOZYCJA OBEJMUJE 114 WYKŁADÓW


STUDIA NA WYDZIALE CHEMICZNYM SĄBARDZO ATRAKCYJNE

• szeroka oferta kierunków• studia zamawiane przez MNiSzW

(http://www.pg.gda.pl/chem/pl/zamawiane/)• możliwość kontynuowania pełnych studiów

(I-II-III stopień)


MOŻLIWOŚĆ UCZESTNICTWA W BADANIACH NAUKOWYCH

(w trakcie studiów)• Naukowe Koło Chemików (NKCh)

(http://www.technologia.gda.pl/nkch/)• Koło Studentów Biotechnologi (KSB)

(http://www.ksb.pg.gda.pl/)• Sekcja Studencka Oddziału Pomorskiego

PTCh(http://www.pg.gda.pl/chem/InneJednostki/PTChem/ptch.htm)


RODZINA CHEMICZNA

Zapraszam na Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej

Documents

ANALITYKA I MONITORING ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA I... · - techniki PROBLEMY ANALITYCZNE Badania naukowe i prace rozwojowe ... Farmaceuta, twórca biurety i metody analizy miareczkowej,