1

Metody przygotowania próbek

do oznaczania

techniką GC i HPLC

Przygotowanie próbek z analitycznego punktu widzeni a• Proces pomiarowy

Analiza jakościowa czy ilościowaMetody obliczenia wyniku

KRYTERIA WYBORU METODY ANALITYCZNEJ

Sprawność metody analitycznej – proces walidacjidokładność, poprawnośćprecyzja, czułość, granica oznaczalności, zakres oznaczania, selektywność, przepływność - wydajność metody analitycznej (throughput), stopień zautomatyzowania, elastyczność - uniwersalność (ruggedness), mobilnośćmetody (portability), uciążliwość dla środowiska (greenness), koszt jednostkowego oznaczenia.

2

3

POBIERANIE PRÓBEK

• Wybranie miejsca pobrania próbki reprezentatywnej

• Wybranie metody pobierania właściwej dla charakteru próbki oraz miejsca pobierania

• Wybór odpowiednich naczyń do pobierania próbek

• Utrwalenie próbki: zabezpieczenie przed utratą lotnych analitów oraz wskutek adsorpcji lub absorpcji składników trudnolotnych

• Kontrolowanie zmian fizycznych i chemicznych składników próbki

• Metody utrwalania próbek nietrwałych

• Warunki dostarczania próbek do laboratorium

• Przechowywanie – warunki i czas

• Wstępne czynności postępowania z próbkami do badań

Ekstrakcja analitu z próbek

Wzbogacanie ekstraktu

Podstawy procesów ekstrakcji

Analiza związków organicznych

• Ekstrakcja substancji trudnolotnych z próbek ciekłych

• Ekstrakcja substancji trudnolotnych z próbek stałych

• Ekstrakcja substancji lotnych i wysokolotnych z próbek ciekłych i stałych

Analiza związków nieorganicznych

• Przygotowanie próbek do oznaczania zawartości metali

• Metody przygotowania próbek do oznaczania zawartości DNA Technika PCR

Pobieranie próbki

Utrwalenie próbki

Transport, przechowanie, wstępna obróbka,

Homogenizacja, suszenie

Ekstrakcja analitu

Wzbogacanie

Frakcjonowanie i izolowanie analitu

Analiza

4

Przygotowanie próbek do oznaczania dioksyn w żywno ści

Próbki gazowe

•1. Spaliny z kominów – paleniska domowe i energetyczne•2. Spaliny ze spalarni odpadów komunalnych, szpitalnych i

niebezpiecznych•3. Spaliny z pojazdów mechanicznych (źródła ruchome)•4. Gazy z instalacji przemysłowych w tym z zamkniętych obiegów

technologicznych•5. Powietrze na stanowisku pracy•6. Powietrze atmosferyczne•7. Powietrze z górnych warstw atmosfery

Cel wzbogacania próbek

� Wzbogacenie próbki w mikroskładniki– usunięcie matrycy próbki

� uzyskanie granicy oznaczalności

5

Podstawowe czynności przygotowania próbki do analizy GC

Próbki gazowe nie wzbogacone

� osuszenie

Próbki gazowe wzbogacone

� ekstrakcja rozpuszczalnikowa� usunięcie H2O� zatężenie ekstraktu* * o ile możl iwe lub konieczne� termiczna desorpcja� wzbogacenie przez wymrożenie (pułapki kriogeniczne)

Próbki ciekłe nie wzbogacone

substancje trudno lotne (POP, TZO)� bezpośrednie wprowadzenie do GC

(woda i czyste rozpuszczalnki organiczne)� wzbogacenie przez ekstrakcję ciecz/ciecz, osuszenie i

zatężenie� wzbogacenie przez ekstrakcję SPE, ekstrakcja

rozpuszczalnikiem i zatężenie

substancje lotne (VOC)� bezpośrednie wprowadzenie do GC� analiza fazy nadpowierzchniowej (head-space)� analiza przez rugowanie gazem obojętnym i wyłapanie

(purge & trap)

Próbki ciekłe wzbogacone do fazy stałej

� ekstrakcja rozpuszczalnikiem

� usunięcie H2O

� odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika (zatężenie)

Próbki stałe� ekstrakcja rozpuszczalnikowa (aparat Soxhleta, ASE, USE,

MWAE, SFE)

� usunięcie H2O

� usunięcie matrycy techniką wielostopniowej chromatografii kolumnowej, HPLC, HPTLC lub SFC

� odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika (zatężenie)

6

Podstawowe grupy organicznych zanieczyszczeńśrodowiska oznaczanych techniką GC

• Lotne związki organiczne (VOC, VVOC)Przemysł, transport, energetyka, źródła naturalne• Chlorofluorowęglowodory (CFCs, freony)

Rozpuszczaln iki organiczne, ciecze ekstrakcyjne i chłodzące• Węglowodory alifatyczne - C5-C24

Przemysł, transport, energetyka• Węglowodory aromatyczne (BETX) - benzen, etylobenzen, toluen i ksyleny.Niepełne spalanie – energetyka, komunikacja, metalurg ia, koksochemia• Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA, PAHs) Niepełne spalanie – energetyka, komunikacja, metalurg ia, koksochemia• Pestycydy oraz herbicydy chloroorganiczne i fosforoorganiczne Agrochemia• Chlorowane bifenyle (PCBs) Energetyka i elektrotechnika (kondensatory i transformatory przemysłowe)Chlorowane dioksyny i furany (PCDDs/PCDFs) Niekontrolowane spalanie odpadów, przepracowane oleje kondensatorowe

Coriolis MS

Coriolis® MS offer flexib ility with a choice of operating modes:Autonomous Sampling: Th is mode, triggered by the operator wearingIndividual Protective Equipment (IPE), can be used by recon teams or firstresponders to rapidly collect a sample that can be used by an “Identifier” to identify the biological threat. Biological Sentry Mode: For long term surveillance, the Coriolis® MS canfunction in a standby mode and, when triggered by the Detector, will collecta sample that can be used by the “Identifier” to identifythe biologicalthreat. This mode has already been tested successfully with the warn ingsystem, MAB of Proengin. Long Time Collection: for the surveillance of a criticalevent, the long timecollection mode (several hours) can be used to continuously collect a sample that is fully representative of a given period of time. In this mode ofoperation, an external power source is required.

7

Pobieranie próbek ciekłych � Bez wzbogacania� Ze wzbogacaniem

Metody wzbogacania próbek ciekłych:

Metody pasywne

� dyfuzja przez membranę (SPM, SPMD – Semipermeable Membrane Device)

Metody dynamiczne

� adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorpcja)� ekstrakcja do ciała stałego (SPE – Solid Phase Extraction)� mikroekstrakcja do fazy stałe j (SPME – Solid Phase

MicroExtraction)

Pobieranie próbek stałych

� Bez wzbogacania

Konserwowanie próbek przed analizą

Próbka musi być reprezentatywna

Zmianie mogą ulegać własności fizyczne, chemiczne i biologiczne powodujące zmiany składu chemicznego badanej próbki

Zmiany fizyczne mogą być spowodowane

1. parowaniem (desorpcją) analitu,

2. sorpcją do powierzchni naczynia,

3. dyfuzją przez jego ścianki

4. Separacja faz, zmiany w zakresie specjacji

Konserwowanie próbek przed analizą

Zmiany chemiczne mogą być spowodowane:

1. reakcjami fotodegradacji i/lub fotosyntezy

2. utlenianiem tlenem atmosferycznym

3. wytracaniem analitu wskutek tworzenia sięnierozpuszczalnych soli (związków)

4. Zmianą pH środowiska próbki (pochłanianie CO2)

8

Konserwowanie próbek przed analizą

Zmiany biologiczne mogą być spowodowane:

1. Biodegradacja aerobowa lub anaerobowa i reakcje enzymatyczne

Utrata analitu wskutek parowania / desorpcji (lotność)

Substancje o wysokiej prężności pary nad roztworem lub ciałem stałym mogą być utracone wskutek ich lotności. Naczynia z próbkami ciekłymi należy napełniać do pełna, lub przestrzeńwolną wypełnićargonem (azotem).

Ciała stałe należy przykry ć warstwą obojętnej chemicznie cieczy (woda, heksan).

Przechowywanie próbek w temperaturze nie wyższej niż 4ºC, ale nie zamrożonej (woda, gleba).

Zamrażać należy próbki biologiczne

Wybranie odpowiedniego pojemnika na próbki

Ze względu na możliwość zarówno utraty analitu, jak i jego niekontrolowanego wprowadzenia do badanej próbki, a także zmiany jego własności fizycznych i chemicznych naczynie do pobierania próbek musi być właściwie dobrane.

Sposób przechowywania i transportu próbki musi zapewnić utrzymanie jej reprezentatywności.

Pobieranie próbek gazowych� Bez wzbogacania� Ze wzbogacaniem

Metody wzbogacania próbek gazowych:

Metody pasywne� dyfuzja przez membranę

Metody dynamiczne� sorpcja w rozpuszczalnikach (absorpcja, chemisorpcja)� adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorpcja)� wymrożenie (pułapki kriogeniczne)

9

Apparatus for dioxin and PCB sampling from stack gasZestaw urządzeń do pobierania dioksyn i PCB ze spalin

wg. T. Hudyma – EMIO Sp. z o.o Wrocław. Poland

Schemat aparatury do poboru prSchemat aparatury do poboru próóbek bek spalin do oznaczania spalin do oznaczania dioksyn i PCBsdioksyn i PCBs

wg normy UE wg normy UE ENEN--19481948

V,∆∆∆∆p,T,H2O

spaliny

Pyły, kondensat i nasycony adsorbent są przedmiotem oznaczania dioksyn i PCBs

w spalinach

Pomiary dioksyn - „Blachownia” S.A., K ędzierzyn

Pobór próbek do oznaczania dioksyncementownia „Rejowiec” S.A.

2002r.

10

Sampling train for dioxin. PCB and HCB determinationin stack gas from sinter plant – Mittal Steel, Kraków

Pobieranie próbek powietrza

Rurki adsorpcyjne do metod dynamicznych i pasywnych

tzw. rurki Dräger’a

Umieszczenie bezpośrednie próbek w rurkach

11

NAFIONNafion jest kopolimerem kwasu nadfluoro-3,6-dioxa-4-metylo-7okteno-sulfonowego i tetrafluoroetylenu (Teflonu ), otrzymany w 1960r przez Walthera Grot’a. Nafion zawiera szkielet teflonowy do którego dołączone są łańcuchy innego polimeru fluorowęglowego. Łańcuch fluorowęglowy zakończony jest kwaśną grupą sulfonową (-SO3H).

Nafion bardzo łatwo absorbuje wodę, zarówno z fazy gazowej jak i ciekłej. Każda z grup sulfonowych jest w stanie koordynować do 13 cząsteczek wody. Wewnątrz hydrofobowego polimeru kwasowe grupy sulfonowe tworzą kanały jonowe , co umożliwia szybki transport wody. W stosunku do pary wodnej Nafionspełnia rolę bardzo selektywnej membrany półprzepuszczalnej.

Nafion nie jest materiałem mikroporowatym, który rozdziela związki na podstawie wielkości ich cząsteczek. Na przykład, osuszacze nafionowe mogąusun ąć wodę ze strumienia wodoru , mimo że cząsteczka H2 jest dużo mniejsza od cząsteczki wody. Siłą napędową procesu nie jest ciśnienie, a prężność cząstkowa pary wodnej.

Naczynie próżniowe powlekane tantalem do pobierania próbek powietrza

Wysokoobję tościowy próbnik do oznaczania zanieczyszczeń powietrza

12

Próbniki po ekspozycji – ok. 1500 m3 powietrzaWysokoobję tościowy próbnik do oznaczania zanieczyszczeń powietrza

Pipeta gazowa

Wysokoobjętościowypróbnik do oznaczania zanieczyszczeń powietrza

Airpointer – automatyczny analizator zanieczyszczeń powietrza

13

Airpointer – automatyczny analizator zanieczyszczeń powietrza

Analizator VOC w powietrzu

Analizator zanieczyszczeń biologicznych w powietrzu Aktywne pobieranie próbek powietrza

Sadza zatrzymana na filtrze

14

--PrPróóbniki bniki zaprojektowane zaprojektowane do tygodniowej, do tygodniowej, miesimiesięęcznej cznej i rocznej ekspozycjii rocznej ekspozycji

SPMDs

PolietylenPUF

POG

Pasywne pobieranie próbek powietrza

• słońce• opady• zmiany kierunku wiatru• zapylenie

Obejma stalowa

PUF disk

Cyrkulacja powietrza

Próbnik

PUF-Disk PAS – Zastosowanie w terenie

Nie wpływają na pomiar:

Pobieranie próbek wody i ścieków

Zabezpieczenie przed fotodegradacją – szkło oranżowe

15

Próbki wody do oznaczania

zawartości metalikonserwuje się za pomocą HNO3.

Próbki pobiera się do naczyń z polietylenu lub polipropylenu.

Nie wolno pobierać w tym celu próbek do naczyń szklanych.

Próbki wody do oznaczania związków organicznychkonserwuje się za pomocą metanolu lub chloroformu.

Próbki pobiera się do naczyń z silanizowanegoszkła lub ze szkła borokrzemianowegozamykanego z teflonowym uszczelnieniem

Nie wolno pobierać w tym celu próbek do naczyń z tworzyw sztucznych

Szkło borokrzemianowe (Pyrex, Simax, Termisil…)

PrPróóbnik do pobierania dioksyn i PCBs bnik do pobierania dioksyn i PCBs z wz wóód i d i scieksciekóóww

Membrana z polietylenu Membrana z polietylenu wypewypełłniona niona trioleintrioleinąą

16

Próbniki SPMD przygotowane do ekspozycji w ścieku

Próbnik SPMDzanurzony w ścieku

Techniki pasywne pobierania próbek analitów

Pobieranie analitów następuje na drodze swobodnego transportu masy przez membranędo medium zatrzymującego, na skutek różnicy potencjałów chemicznych związków w medium zatrzymującym i środowiskiem wodnym, w którym umieszczany jest próbnik .

SPMD paski LDPE MESCO POCIS

Konstrukcja próbnika typu CHEMCATCHER

17

Konstrukcja próbnika typu CHEMCATCHER

Budowa próbnika:

- obudowa

- membrana

- medium zatrzymujące

Próbnik typu Chemcatcher został zaprojektowany na University of Portsmouth, UK.STAMPS = Standardised Aquatic Monitoring of Priority Pollutants by Passive Sampling

Równanie (pierwsze prawo dyfuzji Fick’a) opisuje masę substancji przenoszonąna drodze dyfuzji w określonym czasie ekspozycji, gdzie:

U – dyfuzja, szybkośćprzenoszenia [mg/min],t – czas ekspozycji [min],M – masa substancji w medium zatrzymującym próbnika pasywnego [mg],A – przekrój poprzeczny strefy dyfuzji [cm-2],D – współczynnik dyfuzji substancji wzbogacanej [cm2/min],c0 – stężenie substancji w badanym środowisku [mg/cm3],L – długość strefy dyfuzji [cm].

L

tcDAMtU

⋅⋅⋅==⋅ 0

gdzie:LM – grubość membrany [cm],S – współczynnik permeacji substancji wzbogacanej

ML

tcASM

⋅⋅⋅= 0

W przypadku stosowania membran SPMD, równanie 2 ulega pewnym modyfikacjom. Zakładając, że temperatura badanego środowiska jest stała, a stan równowagi n ie zostałosiągnięty (CL/CW<< KOW), wówczas pobieranie analitów można opisać następująco:

gdzie:CL – stężenie analitu w trio lein ie,D – współczynnik dyfuzji analitu,A – pole powierzchni membrany,KOW – współczynnik podziału Kow analitu (trio leina/woda),CW – stężenie analitu w wodzie,t – czas ekspozycji,V – objętość trioleiny w mlLM – grubośćmembrany.

M

WOWL LV

tCKADC

⋅⋅⋅⋅⋅=

18

Surowa membrana SPMD przed ekspozycją w wodziew próbniku pasywnym