Analytická chemie životního prostředí - anorganické polutanty
Laboratorní cvičení (C6120)
Návody k úlohám
Josef Komárek a Jan Kuta
Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta
Brno 2013
Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem
a státním rozpočtem České republiky
2
Obsah
Předmluva................................................................................................................................... 3
Analýza vod................................................................................................................................ 4
Stanovení chemické spotřeby kyslíku (CHSK)...................................................................... 4
Potenciometrické stanovení pH.............................................................................................. 8
Stanovení neutralizační kapacity.......................................................................................... 11
Stanovení chloridů ve vodách .............................................................................................. 17
Stanovení síranů ve vodách.................................................................................................. 20
Stanovení dusitanů ve vodách.............................................................................................. 23
Stanovení fluoridů ve vodách............................................................................................... 27
Stanovení arsenu ve vodách ................................................................................................. 29
Stanovení rtuti ve vodách..................................................................................................... 40
Analýza půd.............................................................................................................................. 51
Tavení vzorků, stanovení SiO2............................................................................................. 51
Stanovení rizikových prvků v půdách.................................................................................. 55
Výluhy půd, stanovení fosforu............................................................................................. 62
Analýza biologického materiálu............................................................................................... 65
Suchý rozklad vzorku. Analýza obilovin ............................................................................. 65
Mokrý rozklad. Stanovení kovů ve vlasech ……………………………………………….71
Mokrý rozklad v autoklávu. Analýza mléka ........................................................................ 86
3
Předmluva
Skripta obsahují návody k praktickým úlohám pro předmět C6120 Analytická chemie
životního prostředí - anorganické polutanty - laboratorní cvičení. Tento předmět je určen
zejména pro studenty studijního programu Chemie, ale zapisují si ho i studenti jiných
studijních programů.
V posledních letech došlo k inovaci tohoto laboratorního cvičení a jejím cílem bylo
uzpůsobit cvičení tak, aby bylo dobrou přípravou pro praxi. Měla by vést k lepšímu
porozumění anorganické analýzy vzorků životního prostředí. Důraz je kladen na učení se
novým dovednostem a správným návykům při praktické analýze vod, půd a biologických
materiálů. Analýza je prováděna na reálných vzorcích. Všechny získané dovednosti mohou
studenti použít nejen v další výuce, při řešení svých bakalářských a magisterských
diplomových prací, ale též v projektech doktorského studia, při řešení výzkumných úkolů
a později jako absolventi při své práci.
Praktické úlohy se týkají analýzy vod, půd a biologického materiálu. Návody na
provedení úloh stanovení důležitých ukazatelů v pitných vodách vychází z knihy (učebnice)
Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod (SNTL
Praha 1986). Postupy uvedené v této učebnici jsou často základem ČSN pro tato stanovení.
Pro analýzu půd bylo využito postupů používaných v Ústředním kontrolním a zkušebním
ústavu zemědělském v Brně a uvedených v metodických příručkách Analýza půd I a II. Jejich
postupy jsou zpracovány s ohledem na nové mezinárodní a evropské normy. Analýza
biologického materiálu je zaměřena především na provedení rozkladů vzorků pro prvkovou
analýzu. Pro vlastní stanovení analytů ve vzorcích vod, půd a biologického materiálu se
využívá jak klasických metod, tak metod instrumentálních, od gravimetrie po ICP-MS.
Skripta byla vytvořena v rámci realizace projektu OPVK, který je spolufinancován
z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.
Autoři
4
Analýza vod
Stanovení chemické spotřeby kyslíku (CHSK)
I. Úvodní část
1. Definice CHSK
CHSK je množství kyslíku potřebné na oxidaci organických látek přítomných ve vodě.
Určuje se na základě spotřeby silného oxidačního činidla pro tuto oxidaci, která probíhá za
přesně daných podmínek. Vyjadřuje se jako hmotnost kyslíku odpovídající ekvivalentní
spotřebě oxidačního činidla na 1 litr vody, často v mg l-1
. Hodnota CHSK je tedy mírou
celkového obsahu organických látek ve vodě a ukazuje na znečištění vody organickými
látkami. Pro pitné vody je CHSK závazný ukazatel, pro povrchové vody ukazatel kyslíkového
režimu vody.
2. Postupy oxidace
Organické látky se oxidují různými oxidačními činidly za různých podmínek a podle
typu do různého stupně. Znamená to, že oxidace probíhá rozdílně v různě kyselém prostředí,
při různé teplotě po různou dobu, případně za využití katalyzátoru. Z toho důvodu mají
metody na stanovení CHSK uzanční charakter. Podle použitého oxidačního činidla se
používají dvě metody. Jedna využívá manganistan draselný (CHSKMn), druhá dichroman
draselný (CHSKCr). Oxidace dichromanem je účinnější, protože používá vyšší koncentraci
činidla, delší dobu reakce (2 hod) při vyšší teplotě a katalýzu Ag solí. Přídavek Ag2SO4
zkracuje dobu potřebnou pro plnou oxidaci organických látek a také eliminuje rušivý vliv
chloridů (nedochází k oxidaci chloridů z důvodu tvorby nerozpustného AgCl).
Kromě organických látek se oxidují i některé látky anorganické povahy (dusitany,
chloridy, Fe2+
atd.), které je vhodné stanovit ve vzorcích jinými metodami a spotřebu
oxidačního činidla na tyto látky odečíst od celkové spotřeby.
Výhodou metody stanovení CHSKMn je její jednoduchost, nízká spotřeba KMnO4
a krátká doba zahřívání. Podle autora se někdy nazývá Kubelova metoda. Nevýhodou je však
nízký stupeň oxidace většiny organických látek.
Nevýhodou metody stanovení CHSKCr v pitných a neznečištěných povrchových
vodách, je horší reprodukovatelnost stanovení, a proto se často (s vyjímkou některých států)
pro tyto vody používá méně účinná metoda s KMnO4. Pro stanovení CHSK odpadních vod se
všude používá pouze dichromanová metoda. U nás je normou určena pro stanovení CHSK
v pitné vodě manganistanová metoda, v povrchové vodě manganistanová i dichromanová
metoda a v odpadní vodě pouze dichromanová metoda.
3. Stanovení CHSKMn podle Kubela
Metoda je založena na oxidaci organických látek pomocí KMnO4 v silně kyselém
prostředí kyseliny sírové za desetiminutového varu. K oxidaci musí být použit alespoň 40%-ní
přebytek KMnO4. Množství KMnO4 spotřebované na oxidaci látek se určí po ukončení
oxidace manganometrickou nepřímou titrací. Po přídavku známého množství standardního
roztoku kyseliny šťavelové se její nadbytek titruje roztokem KMnO4.
Oxidace roztokem KMnO4 probíhá podle reakce
MnO4
+
5 e+
8 H+
↔ Mn2+
+ 4 H2O
a oxidace kyseliny šťavelové manganistanem pak
2 MnO4
+
5 (C2O4)2+
16 H+
↔ 2 Mn2+
+ 10 CO2 + 8 H2O.
5
Metoda se používá ke stanovení CHSKMn v pitných a přírodních vodách. Bez ředění vzorku je
vhodná pro vody s CHSKMn ≤ 10 mg l-1
, při ředění pro vody s hodnotou CHSKMn do 100
mg l-1
.
4. Úprava vzorku
Pokud se vzorky nezpracují do 24 hod po odběru, měly by být konzervovány 2 ml
zředěné H2SO4 (1 : 2) na 100 ml vzorku.
5. Rušivé vlivy
Při oxidaci organických látek dochází také k oxidaci některých látek anorganických.
V pitných a přírodních vodách jsou to dusitany, sulfan, sulfidy, železo (II) a chloridy.
Sulfan, sulfidy, dusitany a Fe(II) se oxidují kvantitativně a jejich rušivý vliv lze
odečíst na základě změřeného obsahu těchto sloučenin. Z ekvivalenčních poměrů potom 1 mg
NO2
odpovídá
0.35 mg O2, 1 mg H2S 0,47 mg O2 a 1 mg Fe(II) 0,14 mg O2. Chloridy ruší při
koncentraci ≥ 300 mg l-1
, což je v pitné a přírodní vodě u nás výjimečné. Jinak je nutné
vzorek zředit.
II. Metoda stanovení CHSKMn
1. Pomůcky
• Varné baňky (250-300 ml) s plochým dnem. Baňky by měly být vyvařeny s okyseleným
roztokem manganistanu.
• Krycí hodinová skla nebo nálevky se seříznutým stonkem.
• Varná tělíska jako keramické střepy nebo korálky promyté v okyseleném roztoku KMnO4.
2. Chemikálie
• Ředící voda – redestilovaná voda. Ta se používá k přípravě zředěné kyseliny sírové
v objemovém poměru 1:15, k určení slepého pokusu a k případnému ředění vzorků. Nesmí
se používat deionizovaná voda prošlá kolonou s organickým měničem iontů.
• Kyselina sírová zředěná v objemovém poměru 1:15 nebo 1:2 se připraví z 1 objemového
dílu koncentrované H2SO4 (ρ = 1,84 g ml-1
), který se za míchání přidává k 15 nebo
2 objemovým dílům ředící vody. Po ochlazení se roztok zředěný 1:15 použije na přípravu
standardních roztoků kyseliny šťavelové. K roztoku zředěnému 1:2 a teplému asi 40 o
C se
přidává roztok manganistanu draselného do slabě růžového zbarvení.
• Standardní roztok 0,05 mol l-1
kyseliny šťavelové (C2O4H2) se připraví rozpuštěním
6,3033 g (COOH)2 . 2H2O ve zředěné H2SO4 (1:15) a doplněním na 1000 ml zředěnou
H2SO4 1:15. Roztok je při uchovávání v tmavé láhvi v chladničce stálý asi půl roku.
• Standardní roztok 0,005 mol l-1
kyseliny šťavelové (C2O4H2) se připraví ze 100 ml
standardního roztoku 0,05 mol l-1
kyseliny šťavelové (C2O4H2) doplněním na 1000 ml
zředěnou H2SO4 (1:15). Tento roztok lze připravit též rozpuštěním 0,6303 g (COOH)2 .
2H2O ve zředěné H2SO4 (1:15) a doplněním touto kyselinou na 1000 ml. 1 ml roztoku 0,005
mol l-1
C2O4H2 odpovídá 0,08 mg CHSKMn. Roztok je stálý nejdéle 2 týdny. Uchovává se
v chladničce.
• Manganistan draselný, zásobní roztok o koncentraci c(KMnO4) ≈ 0,02 mol l-1
. Roztok se
připraví rozpuštěním 3,2 g KMnO4 v 1 l destilované vody a přechovává se v tmavé láhvi za
občasného promíchávání. Roztok je možné použít až po 2 až 3 týdnech. Před použitím se
musí nechat alespoň jeden den bez míchání.
• Manganistan draselný, odměrný roztok o koncentraci c(KMnO4) ≈ 0,002 mol l-1
. Roztok se
připraví ze 100 ml zásobního roztoku zředěním na 1000 ml destilovanou vodou. Po několika
6
dnech se roztok upraví tak, aby se jeho koncentrace nelišila o více než ± 0,0001 mol l-1
. 1 ml
0,002 mol l-1
KMnO4 odpovídá 0,08 mg CHSKMn. Při stanovení koncentrace odměrného
roztoku KMnO4 se ke 100 ml ředící vody (příp. vytitrovaného roztoku vzorku po stanovení
CHSKMn) přidá 10,0 ml standardního roztoku 0,005 mol l-1
C2O4H2 a 5 ml zředěné kyseliny
sírové 1:2 (v případě vytitrovaného roztoku bez přídavku H2SO4). Směs se zahřeje k varu
a za horka se titruje 0,002 mol l-1
KMnO4 do slabě růžového zbarvení. Podle výsledku
titrace se koncentrace roztoku KMnO4 upraví.
3. Postup stanovení
Do varné baňky se vloží několik varných tělísek, nadávkuje 100 ml vzorku, přidá 5 ml
zředěné H2SO4 (1:2), 20,0 ml 0,002 mol l-1
KMnO4) a vše se promíchá. Na hrdlo varné baňky
se položí hodinové sklo nebo se do hrdla vloží nálevka s uříznutým stonkem a směs se zahřívá
tak, aby se do 5 min uvedla k varu a var se udržuje přesně 10 min. K horkému roztoku se
ihned přidá 20,0 ml 0,005 mol l-1
kyseliny šťavelové. Odbarvený horký roztok se ihned titruje
0,002 mol l-1
KMnO4 do slabě růžového zbarvení. Teplota vzorku při titraci nesmí klesnout
pod 80 o
C. Spotřeba manganistanu se odečte s přesností alespoň na 0,05 ml.
Dojde-li k odbarvení roztoku za varu nebo k jeho zhnědnutí a nebo je spotřeba 0,002
mol l-1
KMnO4 >12 ml (tj. 60% přidaného KMnO4) je třeba roztok vzorku zředit a stanovení
opakovat. U ředěných vzorků nesmí být spotřeba menší než 4 ml (tj. 20% přidaného množství
KMnO4).
K slepému stanovení se odměří 100 ml ředící vody a zpracuje se stejným způsobem
jako vzorek. Spotřeba odměrného roztoku nesmí být větší než 0,2 ml.
4. Výpočet a vyjadřování výsledků
CHSKMn se vypočítá jako hmotnostní koncentrace kyslíku odpovídající množství
manganistanu draselného spotřebovaného při titraci vzorku po oxidaci organických látek
a přídavku standardního roztoku kyseliny šťavelové.
CHSKMn = [(Ve – Vs) ft c(KMnO4) A0 . 103
] / V0
kde CHSKMn je chemická spotřeba kyslíku vzorku vody (mg l-1
),
Ve objem odměrného roztoku manganistanu draselného, spotřebovaného
při titraci vzorku (ml),
Vs objem odměrného roztoku manganistanu draselného, spotřebovaného
při titraci slepého stanovení (ml),
V0 objem vzorku použitý při stanovení CHSKMn (ml),
ft titrační přepočítávací faktor (ft = 5/2)
c(KMnO4) látková koncentrace odměrného roztoku manganistanu draselného
(mol l-1
), c(KMnO4) ≈ 0,002 mol l-1
A0 atomární hmotnost kyslíku (g mol-1
), A0 = 16 g mol-1
.
Po dosazení se vzorec zjednoduší na tvar
CHSKMn = [(Ve – Vs) c(KMnO4) . 40 . 103
] / V0
Při koncentracích 0 – 10 mg l-1
se výsledek zaokrouhluje na 0,1 mg l-1
, při 10 – 100
mg l-1
na 1,0 mg l-1
.
7
III. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod. SNTL
Praha (1986).
2. Chalupa M. a kol.: Metody rozboru pitné vody. MLVH ČSR Praha (1975).
3. Nollet L.M.L.: Handbook of water analysis. CRC Press, Taylor & Francis Group (2007).
4. Česká norma. Jakost vod - Stanovení chemické spotřeby kyslíku manganistanem
(CHSKMn) 75 7519, ČSN EN ISO 8467 (1997).
8
Potenciometrické stanovení pH
1. Princip
Potenciometrické stanovení pH spočívá v měření rozdílu potenciálů mezi dvěma
elektrodami ponořenými do vzorku vody. Jedna z nich je referenční, s konstantním, dobře
reprodukovatelným potenciálem, a k ní se vztahuje potenciál druhé elektrody měrné. Jako
měrná elektroda se k potenciometrickému měření pH nejběžněji používá skleněná elektroda
a jako referenční kalomelová nebo argentchloridová elektroda.
Skleněná elektroda je tvořena tenkou skleněnou membránou, nejčastěji ve tvaru
baničky. Ta je naplněna tlumivým roztokem (pH1) a ponořuje se do měřeného roztoku (pH2).
Na obou fázových rozhraních vzniknou potenciální rozdíly E1 a E2, které se měří dvěma
referenčními elektrodami, které pouze odvádějí potenciál. Potenciál vzniká výměnou iontů
mezi roztokem a membránou, popř. difúzním dějem. Při měření touto elektrodou neruší obsah
oxidujících a redukujících látek.
Za předpokladu, že potenciály obou referenčních elektrod jsou stejné a difúzní
potenciály EL1 a EL2, které mají opačné znaménko, jsou si velmi blízké, platí při teplotě 25 o
C
E2 – E1 = 0,0592 (pH2 - pH1).
Protože však nejde o absolutní měření, není třeba znát hodnotu pH1, a tak pro výpočet platí
pH2 = pH1 + (E2 – E1) / 0,0592 = K + E / 0,0592.
Podíl mezi rozdílem potenciálů a rozdílem pH je tzv. elektrodová funkce (Nernstova odezva)
a rovná se 59,2 mV na jednotku pH. Změna reakce roztoku o 1 pH vyvolá tedy změnu
potenciálu o 59,2 mV.
Při prvním ponoření skleněné elektrody do vody křemičitan podléhá hydrolýze a na
povrchu skleněné membrány se vytvoří vrstva hydratované kyseliny křemičité. Po určité době
dojde k rovnováze mezi roztokem a povrchem elektrody. Rovnovážnému stavu odpovídá
daná hodnota potenciálu závislá na pH, teplotě a na složení skla. Vymění-li se vnější roztok za
jiný, změní se potenciál elektrody podle rovnice
E = konst + RT/F ln aH+
kde E je potenciál elektrody, R - plynová konstanta, T - termodynamická teplota,
F - Faradayova konstanta, aH+ - aktivita vodíkových iontů.
Ideální elektrodové sklo by mělo vykazovat rychle se ustavující teoretickou odezvu
v co největším rozmezí pH. I když vně baničky bude stejný roztok, utvoří se na skleněné
membráně potenciál, tzv. asymetrický potenciál. Je způsoben rozdílnou strukturou vnitřního
a vnějšího povrchu elektrody. Asymetrický potenciál je individuální pro každou elektrodu a je
dalším důvodem, že pro měření pH je potřeba provádět kalibraci pomocí tlumivých roztoků.
Potenciál skleněné elektrody je v poměrně širokých mezích lineární funkcí pH roztoku,
v němž je elektroda ponořena. Odchylky od lineárního průběhu jsou jednak v alkalické oblasti,
jednak v roztocích silně kyselých. Odchylka v alkalické oblasti se projevuje tak, že od daného
pH (9 až 10) je naměřena hodnota pH nižší než skutečná. To vede k pozitivní chybě a je dána
tím, že v alkalické oblasti reaguje elektroda nejen na koncentraci H+
, ale i na koncentraci Na+
obsažených ve vzorku. V roztocích s nízkým pH naopak dochází k negativní chybě
9
a naměřené pH má vyšší hodnotu než je pH skutečné. To se vysvětluje vnikáním vodíkových
iontů do gelovité vrstvy hydratované kyseliny křemičité.
Referenční kalomelová elektroda je tvořena rtutí, pokrytou vrstvou chloridu rtuťného
ponořenou do roztoku chloridových iontů o známé koncentraci. Používá se nasycený roztok
chloridu draselného (4,16 mol l-1
KCl), a proto jde o nasycenou kalomelovou elektrodu. Její
potenciál při teplotě 25 o
C je 0,241 V. Referenční argentchloridová elektroda je tvořena
postříbřeným Pt drátkem nebo plíškem, který je pokrytý vrstvičkou chloridu stříbrného
a ponořený do roztoku chloridu draselného nebo sodného, či do kyseliny chlorovodíkové. Její
potenciál je dán rovnicí E = E0
AgCl,Ag - 0,0592 log aCl
,
přičemž standardní potenciál E0
AgCl,Ag
= 0,222 V.
2. Použití
Pomocí pH metru lze stanovit pH v oblasti hodnot od 1 do 14 u všech vod, u mezních
hodnot se používají korekční grafy.
3. Rušivé vlivy
Stanovení je ovlivněno teplotou, a to jednak termodynamicky, což je eliminováno
kompenzačním zařízením pH-metru, jednak teplotní závislostí disociačních konstant
tlumivých složek vzorku, což lze vyloučit úpravou teploty roztoku. Skleněná elektroda musí
být před prvním použitím nejméně 24 hod máčena ve vodě a její měřící část musí být stále
ponořena ve vodě.
Funkce skleněné elektrody je omezena znečištěním, zvláště zamaštěním. Zamaštěné
elektrody se otírají jemnou tkaninou namočenou v etheru nebo detergentu, pak se oplachují
destilovanou vodou, máčí se v 2% HCl a znovu se oplachují v destilované vodě. Elektrodu
můžeme také čistit ethanolem nebo benzenem. Potom ji ošetřujeme obdobně jako
v předchozím případě. Po těchto operacích je vždy nutná kalibrace.
4. Přístroje
• pH-metr se skleněnou měrnou elektrodou a referenční kalomelovou nebo
argentchloridovou elektrodou. Přístroj může být vybaven jedinou kombinovanou elektrodou.
5. Chemikálie
• Tlumivý roztok o pH 1,68. 12,710 g hydrogenšťavelanu draselného KH3(C2O4)2 . 2H2O p.a.
se rozpustí v čerstvě povařené a ochlazené destilované vodě a při teplotě 20 o
C se touto
vodou doplní na 1 l. Roztok má při teplotě 20 o
C pH=1,675.
• Tlumivý roztok o pH 4,00. 10,12 g hydrogenftalátu draselného C6O4.COOK.COOH p.a.
vysušeného při teplotě 110 o
C se rozpustí v čerstvě převařené a ochlazené vodě prosté CO2
a při teplotě 20 o
C se touto vodou doplní na 1 l. Roztok má při teplotě 20 o
C pH=4,002, při
25 o
C pH=4,008.
• Tlumivý roztok o pH 6,88. 3,39 g KH2PO4 p.a. a 3,53 g Na2HPO4 p.a. vysušených po dobu
2 hod při teplotě 110 o
C se zároveň rozpustí v čerstvě převařené a ochlazené destilované
vodě prosté CO2 a při teplotě 20 o
C se touto vodou doplní na 1 l. Roztok má při teplotě
20 o
C pH=6,881, při 25 o
C pH=6,865.
• Tlumivý roztok o pH 9,22. 3,80 g Na2B4O7 .10H2O p.a., uzavřeného delší dobu
v exsikátoru nad bromidem sodným, se rozpustí v čerstvě převařené a ochlazené destilované
vodě prosté CO2 a při teplotě 20 o
C se touto vodou doplní na 1 l. Roztok má při teplotě
20 o
C pH 9,225, při 25 o
C pH=9,18.
• Pro přípravu tlumivých roztoků je nutno použít destilovanou vodu o konduktivitě menší
než 0,2 mS m-1
. Je možné použít tlumivé roztoky připravené komerčně.
10
6. Postup
pH-metr okalibrujeme použitím tlumivých roztoků o známém pH v blízkosti
očekávaného pH vzorku postupem obdobným vlastnímu stanovení ve vzorku. Elektroda se
před měřením opláchne destilovanou vodou, popř. i vzorkem, a ponoří se do vzorku. Hodnota
pH se odečítá po jejím ustálení.
Správný chod přístroje je nutno často kontrolovat standardními tlumivými roztoky.
7. Zaokrouhlování výsledků
Výsledné hodnoty pH se zaokrouhlují na 0,05 až 0,1 podle druhu použitého přístroje
s uvedením, že jde o potenciometrickou metodu.
8. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod. SNTL
Praha (1986).
11
Stanovení neutralizační kapacity
I. Úvodní část
1. Definování neutralizační kapacity
Neutralizační kapacita vody vyjadřuje schopnost vody vázat určité látkové množství
kyseliny (kyselinová neutralizační kapacita) nebo zásady (zásadová neutralizační kapacita) do
zvolené hodnoty pH. Její stanovení se provádí titrací vody silnou kyselinou nebo zásadou do
příslušné hodnoty pH. Vychází se ze spotřeby jednosytné kyseliny nebo jednosytné zásady při
titraci 1 litru vody do zvolené hodnoty pH. Výsledek se pak udává v mmol l-1
, vypočtených ze
spotřebovaného látkového množství H+
nebo OHna
titrovaný objem vody. Používají se
zkratky, pro kyselinovou neutralizační kapacitu KNK a pro zásadovou neutralizační kapacitu
ZNK. Jako dolní index k těmto zkratkám se uvádí zvolená hodnota pH.
2. Volba hodnoty pH
Hodnota pH se volí podle účelu, k němuž má stanovení neutralizační kapacity sloužit.
Např. u průmyslových odpadních vod je to pH 7 a jde o odhad spotřeby kyseliny nebo zásady
pro neutralizaci odpadní vody. U přírodních vod, pitných a užitkových vod, jde o pH 4,5 a 8,3.
Tyto hodnoty pH odpovídají titračním exponentům uhličitanového systému CO2 – HCO3
-
–
CO3
2,
který v těchto vodách zpravidla převažuje.
3. Stanovení neutralizační kapacity
Neutralizační kapacita se obvykle stanovuje titrací HCl nebo NaOH o koncentraci
0,1 mol l-1
a vypočítá se podle vztahů
KNK = Ve c . 103
/ V0
ZNK = Ve c . 103
/ V0
kde KNK je kyselinová neutralizační kapacita (mmol l-1
), ZNK zásadová neutralizační
kapacita (mmol l-1
), Ve spotřeba odměrného roztoku kyseliny nebo zásady při titraci vzorku
(ml), c koncentrace odměrného roztoku jednosytné kyseliny nebo zásady (mol l-1
) a V0 objem
titrovaného vzorku vody (ml).
U přírodních vod se obvykle stanovují
ZNK4,5 - zásadová neutralizační kapacita do pH 4,5 (zjevná acidita),
ZNK8,3 - zásadová neutralizační kapacita do pH 8,3 (celková acidita),
KNK8,3 - kyselinová neutralizační kapacita do pH 8,3 (zjevná alkalita),
KNK4,5 - kyselinová neutralizační kapacita do pH 4,5 (celková alkalita).
II. Stanovení zásadové neutralizační kapacity
1. Stanovení zásadové neutralizační kapacity do pH 4,5 a 8,3
Silně kyselou reakci vody o pH < 4,5 způsobuje přítomnost silných minerálních
kyselin a jejich kyselých solí. V takovém případě se stanovuje ZNK4,5. U přírodních
a užitkových vod je pH většinou 5,5-7,5 a na jeho hodnotě se podílí rozpuštěný CO2
a hydrogenuhličitany. V takových vodách nelze stanovit ZNK4,5. U přírodních vod může být
pH vody ovlivněno i přítomností huminových kyselin vznikajících rozkladem organických
zbytků rostlin. Za jejich nepřítomnosti lze titrací vzorku vody silnou zásadou do pH 8,3 určit
obsah volného CO2 podle reakce
CO2 + OH=
HCO3
-
.
12
Zároveň se však titrují i slabé anorganické i organické kyseliny nebo jejich soli podléhající
hydrolýze. U vod o pH < 4,5 se při stanovení ZNK8,3 titrují i přítomné silné kyseliny a jejich
hydrogenanionty. Stanovení volného CO2 za těchto podmínek však nepřichází v úvahu,
protože volný CO2
se v takových vodách téměř nevyskytuje.
2. Princip
ZNK4,5 se stanovuje titrací vzorku vody 0,1 mol l-1
NaOH na methylovou oranž nebo
na směsný indikátor. ZNK8,3 se stanovuje titrací vzorku vody 0,1 mol l-1
NaOH, příp.
0,01 mol l-1
NaOH, na fenolftalein.
3. Použití
Stanovení ZNK4,5 nebo ZNK8,3 se používá při analýze přírodních a užitkových vod, při
ZNK > 0,05 mmol l-1
. Stanovení ZNK4,5 má význam při analýze vod, které obsahují silné
minerální kyseliny a jejichž hodnota pH je menší než 4,5 (důlní vody, některé odpadní vody).
ZNK8,3 lze stanovit pouze u vod, jejichž hodnota pH < 8,3. Indikace hodnoty pH se běžně
provádí vizuálně na fenolftalein. Pokud je pH vody určeno převážně jen uhličitanovým
systémem CO2 - HCO3
,
lze z hodnoty ZNK8,3 stanovit přibližný obsah volného CO2 ve vodě.
4. Rušivé vlivy
Pokud se neprovádí stanovení přímo na místě odběru je nejlépe vodu vést na dno
vzorkovnice hadičkou, nechat chvíli přetékat, uzavřít bez vzduchových bublin a chránit před
oteplením. Vzorek je nutno zpracovat do 24 hod po odběru.
Pokud jsou vzorky zabarvené nebo zakalené používá se potenciometrická titrace.
Pokud je ve vzorku při vizuální indikaci bodu ekvivalence přítomen volný chlor, rozkládá
indikátory a musí se odstranit přídavkem ekvivalentního množství roztoku thiosíranu (roztok
2,5 g Na2S2O3 .5H2O / 100 ml v destilované vodě).
Nezřetelnému přechodu způsobenému hydrolýzou solí silných kyselin a slabých zásad
se zabrání urychlením hydrolýzy titrací za tepla (2 min varu před titrací). Lze pak stanovit jen
ZNK8,3 a není započítán CO2, který při varu vyprchá.
5. Chemikálie
• Voda prostá oxidu uhličitého. Před použitím se voda zbaví rozpuštěného CO2 varem po
dobu 15 min a ochlazením na teplotu laboratoře. Je možné CO2 odstranit také
probubláváním vzorků vody inertním plynem po dobu 20 min. Po odstranění CO2 by se
voda měla ihned použít.
• Hydroxid sodný, c(NaOH) = 15 mol l-1
. Zásobní roztok se připraví rozpuštěním 625 g
NaOH p.a. v 800 ml destilované vody a několik dní se nechá stát. Na dně se usadí Na2CO3
a čirý roztok neobsahuje uhličitany. Uchovává se v dobře těsnící láhvi z polyethylenu.
• Hydroxid sodný, odměrný roztok, c(NaOH) = 0,1 mol l-1
. 6,7 ml zásobního roztoku NaOH
se zředí čerstvě převařenou (15-30 min varu) a rychle ochlazenou destilovanou vodou
a doplní se na 1 l. Roztok se musí chránit před vzdušným CO2 a každých 14 dní připravovat
čerstvý. Titr tohoto roztoku se stanoví na kyselinu šťavelovou. 20 ml 0,1 mol l-1
NaOH se
nadávkuje do bílé porcelánové misky, přidají se 3 kapky fenolftaleinu a titruje se odměrným
roztokem 0,05 mol l-1
kyseliny šťavelové (6,3034 g (COOH)2 .2H2O p.a. uchovávané
v exsikátoru nad CaCl2 se rozpustí v čerstvě převařené destilované vodě a při teplotě 20 o
C
se touto vodou doplní na 1 l) za míchání tyčinkou do odbarvení indikátoru. Obsah misky se
odpaří na vodní lázni do sucha. Odparek se pak rozpustí v malém množství horké, čerstvě
převařené destilované vody. Když roztok zrůžoví, dotitruje se roztokem kyseliny šťavelové
13
do odbarvení. Obsah misky se znovu odpaří do sucha a celý postup se opakuje tolikrát, až
znovu rozpuštěný odparek zůstává bezbarvý. Koncentrace NaOH se vypočítá z celkové
spotřeby kyseliny šťavelové.
o Přesnou koncentraci odměrného roztoku NaOH lze také stanovit použitím hydrogenftalátu
draselného. 10,212 g C6H4COOK.COOH, vysušeného při teplotě 110 o
C, se rozpustí
v čerstvě převařené destilované vodě a při teplotě 20 o
C se s ní doplní na 500 ml. 20,0 ml
tohoto 0,1 mol l-1
roztoku se nadávkuje do titrační baňky, zředí se vyvařenou a ochlazenou
destilovanou vodou na 100 ml, přidá se 5-10 kapek fenolftaleinu a titruje se odměrným
roztokem 0,1 mol l-1
NaOH. Na konci titrace je dosaženo slabě růžové zbarvení, které vydrží
alespoň 30 s. Stanovení je výhodné opakovat tak, že se k roztoku hydrogenftalátu přidá
najednou celé množství roztoku NaOH spotřebované při první titraci, potom se přidá
fenolftalein a dotitruje se do slabě růžového zbarvení.
Přesná koncentrace odměrného roztoku NaOH v mol l-1
se pro 0,1 mol l-1
NaOH
vypočte podle vztahu
c(NaOH) = 0,1 V1 / V2
kde c(NaOH) je přesná koncentrace odměrného roztoku NaOH v mol l-1
V1 - objem roztoku standardu hydrogenftalanu draselného v ml (20 ml)
V2 - spotřeba odměrného roztoku NaOH v ml.
• Hydroxid sodný, odměrný roztok, c(NaOH) = 0,01 mol l-1
. 100 ml čerstvě připraveného
0,1 mol l-1
NaOH se zředí čerstvě převařenou (15-30 min varu) a rychle ochlazenou
destilovanou vodou a doplní se na 1 l. Roztok je třeba velmi pečlivě chránit před vzdušným
CO2 a jednou týdně připravovat čerstvý.
o Přesná koncentrace tohoto odměrného roztoku NaOH se stanovuje na hydrogenftalát
draselný. 2,0423 g C6H4COOK.COOH, vysušeného při teplotě 110 o
C, se rozpustí v čerstvě
převařené destilované vodě a při teplotě 20 o
C se s ní doplní na 1 l. 20,0 ml tohoto 0,01 mol
l-1
roztoku se nadávkuje do titrační baňky, zředí se vyvařenou a ochlazenou destilovanou
vodou na 100 ml, přidá se 5-10 kapek fenolftaleinu a titruje se odměrným roztokem 0,01
mol l-1
NaOH do slabě růžového zbarvení, které vydrží alespoň 30 s. Stanovení je výhodné
opakovat tak, že se k roztoku hydrogenftalátu přidá najednou celé množství roztoku NaOH
spotřebované při první titraci, potom se přidá fenolftalein a dotitruje se do slabě růžového
zbarvení.
Přesná koncentrace odměrného roztoku NaOH v mol l-1
se vypočte pro 0,01 mol l-1
NaOH podle vztahu
c(NaOH) = 0,01 V1 / V2
kde c(NaOH) je přesná koncentrace odměrného roztoku NaOH v mol l-1
,
V1 - objem roztoku standardu hydrogenftalanu draselného v ml (20 ml),
V2 - spotřeba odměrného roztoku NaOH v ml.
• Methylová oranž, 0,05%ní indikátorový roztok se připraví rozpuštěním 0,05 g sodné soli
methylové oranže ve 100 ml horké destilované vody a po vychladnutí se zfiltruje.
• Fenolftalein, 0,5%ní indikátorový roztok se připraví rozpuštěním 0,5 g fenolftaleinu
v 50 ml 96%ního ethanolu a zředí se 50 ml destilované vody. K roztoku se po kapkách
přidává roztok NaOH o koncentraci 0,01 mol l-1
do prvního postřehnutelného růžového
zbarvení.
• Směsný indikátor se připraví rozpuštěním 0,2 g bromkresolové zeleně ve 100 ml 96%ního
ethanolu a 0,015 g methylové červeně v 50 ml 96%ního ethanolu, a následným smícháním
obou roztoků. Uchovává se v tmavé láhvi.
14
6. Postupy stanovení
6.1. Postup stanovení ZNK4,5.
Ke 100 ml vzorku se přidají dvě kapky methylové oranže nebo směsného indikátoru
a titruje se odměrným roztokem 0,1 mol l-1
NaOH do barevné změny indikátoru (u methylové
oranže do žlutého, u směsného indikátoru do modrého zbarvení). Pokud je vzorek vody po
přidání indikátorů zbarven modře nebo žlutě stanovení ZNK4,5 se neprovádí.
6.2. Postup stanovení ZNK8.3.
100 ml vzorku se nadávkuje do titrační baňky, přidá se 5-10 kapek fenolftaleinu
a titruje se 0,01 mol l-1
NaOH za opatrného míchání se zamezením ztrát CO2, do stálého slabě
růžového zbarvení, které vydrží alespoň 30 s. Pokud je vzorek vody po přidání fenolftaleinu
zbarven růžově až červeně stanovení ZNK8,3 se neprovádí.
7. Výpočet a vyjadřování výsledků
ZNK4,5 (mmol l-1
) a ZNK8,3 (mmol l-1
) se vypočítají podle vztahů
ZNK4,5 = Ve c(NaOH) . 103
/ V0
ZNK8,3 = Ve c(NaOH) . 103
/ V0
kde Ve je spotřeba odměrného roztoku NaOH při titraci vzorku (ml), c(NaOH) koncentrace
odměrného roztoku NaOH (mol l-1
) a V0 objem vzorku (ml).
Pro hodnoty ZNK 0,02-1,0 mmol l-1
se výsledky zaokrouhlují na 0,02 mmol l-1
, 1,0-
2,0 mmol l-1
na 0,05 mmol l-1
, 2,0-5,0 mmol l-1
na 0,1 mmol l-1
a 5,0-10,0 mmol l-1
na 0,2
mmol l-1
.
III. Stanovení kyselinové neutralizační kapacity
1. Stanovení kyselinové neutralizační kapacity do pH 8,3 a 4,5
Většina přírodních vod reaguje na fenolftalein (pH 8,3) kysele a na methyloranž (pH 4,5)
zásaditě, tedy pH < 8.3 a > 4,5. Hodnota pH > 8,3 je u přírodních a užitkových vod vyvolána
přítomností uhličitanových a hydroxidových iontů. Potom se provádí stanovení KNK8,3 na
základě reakcí
OH+
H+
= H2O
CO3
2+
H+
= HCO3
-
,
přičemž pH 8,3 představuje titrační exponent druhé reakce. Vyšší pH však nemusí být
způsobeno přítomností hydroxidů, ale důsledkem intenzivní fotosyntézy vodních rostlin a řas.
Pokud reakce na fenolftalein není alkalická, nejsou přítomny hydroxidy ani normální uhličitany,
ale pouze hydrogenuhličitany. Při KNK < 1 mol l-1
je nebezpečí náhlého poklesu pH, při KNK ≈ 1
- 2 mol l-1
častého kolísání pH, při KNK ≈ 2 - 5 mol l-1
již pH nekolísá nebo jen málo a při KNK
≈ 5 mol l-1
se již pH téměř nemění, avšak tyto hodnoty se vyskytují jen zřídka.
Při stanovení KNK4,5 probíhá vedle uvedených reakcí ještě reakce
HCO3
+
H+
= H2CO3
s titračním exponentem 4,5 a kromě hydrogenuhličitanů se zároveň titrují také silné a slabé
zásady, anionty slabých kyselin a další anionty, které hydrolyzují za uvolňování iontů OH-
.
2. Princip
KNK8,3 se stanovuje titrací vzorku vody 0,1 mol l-1
HCl na fenolftalein. KNK4,5 se
stanovuje titrací vzorku vody 0,1 mol l-1
HCl na methylovou oranž nebo směsný indikátor.
15
3. Použití
Stanovení KNK8,3, resp. KNK4,5 se používá při analýze přírodních a užitkových vod.
Z obou hodnot lze vypočítat obsah hydrogenuhličitanů, uhličitanů nebo hydroxidových iontů.
Metoda je vhodná ke stanovení KNK > 0,05 mmol l-1
.
4. Rušivé vlivy
Pokud jsou vzorky vody barevné nebo zakalené, používá se potenciometrická titrace.
Volný chlor, který narušuje indikátor, může být odstraněn přídavkem ekvivalentního
množství roztoku thiosíranu sodného (2,5 g Na2S2O3 .5 H2O / 100 ml v destilované vodě).
Přesné určení bodu ekvivalence ruší také vyšší obsah volného CO2, a tedy i CO2
uvolněný z většího množství uhličitanů při titraci. Při přesnějším stanovení KNK4,5 se proto
CO2 z titrované směsi vypuzuje provzdušňováním a titrační exponent se volí pH 5,0.
5. Chemikálie
• Kyselina chlorovodíková, odměrný roztok, c(HCl) = 0,1 mol l-1
, připraví se z 8,5 ml
koncentrované HCl p.a. následným zředěním destilovanou vodou na 1 l. Koncentrace se určí
na 0,05 mol l-1
roztok uhličitanu sodného připraveného rozpuštěním 5,2996 g Na2CO3 p.a.
(vysušeného při 250 o
C) v čerstvě převařené a ochlazené destilované vodě a doplněním na
1 l. 20 ml tohoto roztoku se zředí převařenou destilovanou vodou na 100 ml, přidají se
3 kapky směsného indikátoru a titruje se 0,1 mol l-1
HCl až zmizí zelenomodré zbarvení
titrovaného roztoku. Musí se dodržet podmínky jako při vlastním stanovení neutralizační
kapacity, včetně provzdušňování. Odměrný roztok kyseliny se pak podle potřeby upraví,
aby jeho koncentrace byla v rozmezí 0,099 až 0,101 mol l-1
. Potom se znovu určí
koncentrace.
Výpočet látkové koncentrace roztoku kyseliny chlorovodíkové
c(HCl) = m V1 / [53,00 .(V2 – V3)]
kde c(HCl) je koncentrace připraveného odměrného roztoku HCl v mol l-1
,
m - hmotnost uhličitanu sodného použitého k přípravě roztoku (g)
V1 - objem roztoku uhličitanu sodného použitého k titraci (ml)
V2 - spotřeba odměrného roztoku HCl při titraci roztoku uhličitanu sodného
(ml),
V3 - spotřeba odměrného roztoku HCl při slepém stanovení (ml).
• Kyselina chlorovodíková, odměrný roztok, c(HCl) = 0,02 mol l-1
.
Do odměrné baňky objemu 500 ml se pipetuje 100 ml roztoku 0,1 mol l-1
HCl. Doplní se
po rysku vodou a dobře promíchá. Roztok se připravuje před vlastním použitím.
• Fenolftalein, 0,5%ní roztok se připraví rozpuštěním 0,5 g fenolftaleinu v 50 ml 96%ního
ethanolu a zředěním 50 ml destilované vody. K roztoku se po kapkách přidává 0,01 mol l-1
NaOH do prvního postřehnutelného růžového zbarvení.
• Methylová oranž, 0,05%ní roztok se připraví rozpuštěním 0,05 g sodné soli methylové
oranže ve 100 ml horké destilované vody a po vychladnutí se zfiltruje.
6. Postup
6.1. Postup stanovení KNK8,3.
Ke 100 ml vzorku vody se přidají dvě kapky fenolftaleinu. Nezbarví-li se roztok
růžově je hodnota KNK8,3 rovna nule. Růžově zbarvený roztok se titruje 0,1 mol l-1
HCl (při
KNK8,3 = 4-20 mmol l-1
) nebo 0,02 mol l-1
HCl (při KNK8,3 = 0,4-4 mmol l-1
) proti bílé
podložce až do odbarvení indikátoru. Zaznamenává se spotřeba kyseliny v ml.
Roztok se uchová pro stanovení KNK4,5.
16
6.2. Postup stanovení KNK4,5.
Odměří se 100 ml vzorku nebo se použije vytitrovaný vzorek po stanovení KNK8,3.
Pro přibližné stanovení se přidají 3 kapky methylové oranže a titruje se 0,1 mol l-1
HCl do
cibulového zbarvení (pH 4,5).
7. Výpočet a vyjadřování výsledků
Hodnoty KNK8,3 (mmol l-1
) a KNK4,5 (mmol l-1
) se vypočítají podle vztahů
KNK8,3 = Ve c(HCl) . 103
/ V0
KNK4,5 = Ve c(HCl) . 103
/ V0
kde Ve je spotřeba odměrného roztoku HCl při titraci vzorku (ml), c(HCl) koncentrace
odměrného roztoku HCl (mol l-1
) a V0 původní objem vzorku (ml).
Při hodnotě KNK 0,005-1,0 mmol l-1
se výsledek zaokrouhluje na 0,005 mmol l-1
, při
1,0-2,0 mmol l-1
na 0,01 mmol l-1
, při 2,0-5,0 mmol l-1
na 0,02 mmol l-1
a při 5,0-10,0
mmol l-1
na 0,05 mmol l-1
.
IV. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod. SNTL
Praha 1986.
2. Česká technická norma – Jakost vod – Stanovení zásadové (neutralizační) kapacity (ZNK)
ČSN 75 7372, 2001.
3. Česká norma – Jakost vod – Stanovení kyselinové neutralizační kapacity (KNK) 75 7371,
ČSN EN ISO 9963-1, 1996.
17
Stanovení chloridů ve vodách
I. Úvodní část
1. Výskyt chloridů
Chloridy jsou běžnou součástí všech přírodních vod. Ve sladkých vodách, podzemních
a povrchových vodách je koncentrace chloridů obvykle <100 mg l-1
. Vyšší koncentrace
chloridů daná geologickým původem není v našich povrchových vodách obvyklá. Naopak
v odpadních splaškových vodách a v některých vodách průmyslových (z papíren, z ropných
vrtů, galvanický průmysl, změkčování vody) jsou často vysoké koncentrace chloridů, a proto
větší množství chloridů v přírodní vodě může být ukazatelem znečištění těmito vodami.
Chloridové ionty patří mezi ukazatele základního chemického složení povrchových vod a při
vypouštění odpadních vod do povrchových vod patří obsah chloridů k závazným ukazatelům.
Podle normy pro pitnou vodu je maximální přípustná koncentrace chloridových iontů v pitné
vodě 100 mg l-1
, větší nalezená koncentrace chloridů má význam jako potenciální indikátor
fekálního znečištění. Pouze když je koncentrace chloridů ve vodě prokazatelně ovlivněna
geologickým složením podloží, je přípustná koncentrace iontů Cl-
350 mg l-1
.
2. Stanovení chloridů
Chloridy se stanovují běžně ve všech typech vod. Vzorky odebrané pro jejich stanovení se
nekonzervují. V uzavřené nádobě vydrží až 28 dní bez konzervace. Ke stanovení se nejčastěji
používá odměrné stanovení, a to metodou argentometrickou nebo merkurimetrickou. Normy
pro pitné a povrchové vody uvádějí obě metody, argentometrickou jako rozhodčí.
Argentometrická titrace vychází z metody uvedené Mohrem v roce 1856. Chloridové ionty se
titrují roztokem AgNO3 v neutrálním nebo slabě alkalickém prostředí. Jako indikátor se
používá K2CrO4, který s Ag+
tvoří červenohnědou sraženinu Ag2CrO4. Rozpustnost AgCl je
dosti vysoká, takže mez stanovení je nižší okolo 2 mg l-1
. V případě vzorků s nízkou
koncentrací chloridů se přidá před titrací známé množství Clke
vzorku a výsledky se korigují
na slepý pokus. Tímto způsobem mohou být analyzovány vzorky o koncentraci 0,5-300 mg l-1
Cl.
Při merkurimetrické titraci se využívá tvorby silného nedisociovaného komplexu Cls
Hg2+
.
Kromě těchto titračních metod se pro stanovení nízkých koncentrací chloridových iontů
(0,01-10 mg l-1
) doporučuje spektrofotometrická metoda s thiokyanatanem rtuťnatým.
K roztoku vzorku se přidá Hg(SCN)2. Chloridové ionty tvoří slabě disociující HgCl2
a uvolňují ekvivalentní množství SCN.
Tyto ionty tvoří s Fe3+
intenzívně červeně zbarvený
komplex podle následujících rovnic
2 Cl+
Hg(SCN)2 → HgCl2 + 2 SCN-
SCN+
Fe3+
→ Fe(SCN)2+
.
Absorbance se měří při 460 nm.
Při spektrofotometrickém stanovení s difenylkarbazonem reagují chloridy s přebytkem
Hg(NO3)2 za tvorby slabě disociovaného komplexu HgCl2. Volné Hg2+
ionty reagují
s difenylkarbazonem a tvoří modře zbarvený komplex s maximem absorbance při 560 nm. Se
vzrůstající koncentrací chloridů tedy klesá absorbance roztoku. Další spektrofotometrická
metoda stanovení je založena na reakci chloridů s chloranilátem rtuťnatým, při které se vedle
tvorby HgCl2 uvolňuje ekvivalentní množství červeno-purpurových chloranilátových iontů.
Ty se proměřují při 530 nm.
Pro rychlé stanovení chloridů v pitných vodách lze použít iontově selektivní chloridovou
elektrodu (např. Orion 94-17-96-17). Kalibrace se provádí se standardními roztoky
a vynesením závislosti napětí na negativním logaritmu koncentrace chloridů.
18
II. Merkurimetrické stanovení chloridů
1. Princip
Chloridy se titrují odměrným roztokem dusičnanu rtuťnatého při pH 2,5 ± 0,1. Jejich
reakcí vzniká rozpustný, ale prakticky nedisociovaný chlorid rtuťnatý (disociační konstanta
HgCl2 je 2,6 .10-15
). Konec titrace je indikován difenylkarbazonem, který dává s přebytkem
rtuťnatých iontů červenofialově zbarvený komplex.
Základem merkurimetrického stanovení je chemická reakce
2 Cl+
Hg2+
= HgCl2.
2. Oblast použití
Metoda je vhodná pro stanovení chloridů ve všech typech vod. Bez objemové úpravy
vzorku před stanovením lze stanovit chloridy v koncentraci 4 až 200 mg l-1
. Při menší
koncentraci chloridů (4-100 mg l-1
) se provádí titrace odměrným roztokem o koncentraci 0,01
mol l-1
Hg(NO3)2 a při koncentraci 10 – 200 mg l-1
Clse
titruje odměrným roztokem
o koncentraci 0,025 mol l-1
. Při koncentraci chloridů pod 10 mg l-1
se dosáhne správnějších
výsledků tím, že se vzorek před stanovením zkoncentruje odpařením.
3. Rušivé vlivy
Nesprávně nastavená hodnota pH před titrací vzorku značně ovlivňuje ostrost
barevného přechodu!
Stanovení ruší bromidy a jodidy, které spotřebovávají Hg(NO3)2 stejnou reakcí jako
chloridy. Siřičitany, chromany a Fe(III) ruší v koncentraci nad 10 mg l-1
. Správné vystižení
bodu ekvivalence je znemožněno intenzívním zákalem a barvou vzorku. Bromidy a jodidy je
třeba stanovit zvlášť a výsledek jejich stanovení ekvivalentně odečíst. Vliv chromanů a iontů
Fe3+
se odstraní ředěním vzorku.
4. Chemikálie
• Dusičnan rtuťnatý, odměrný roztok, c[Hg(NO3)2] = 0,025 mol l-1
(nebo 0,01 mol l-1
). 8,5 g
(nebo 3,4 g) Hg(NO3)2 .1/2H2O se zvlhčí 1 ml koncentrované HNO3, rozpustí v malém
množství redestilované vody a doplní na objem 1 l. K přípravě roztoku lze použít i oxid
rtuťnatý. 5,5 g (nebo 2,2 g) HgO se rozpustí v malém přebytku koncentrované HNO3. To
znamená, že na 5,5 g (nebo 2,2 g) HgO se použije asi 4 ml (nebo 2 ml) koncentrované
HNO3 (ρ = 1,4 g cm-3
) a opatrně se ředí destilovanou vodou na objem 1 l. 1 ml tohoto
odměrného roztoku odpovídá asi 1,773 (nebo 0,709) mg Cl.
Titr odměrného roztoku se
stanoví titrací 5 ml standardního roztoku NaCl o koncentraci 0,05 mol l-1
(příp. 0,02 mol l-1
)
NaCl, doplněného redestilovanou vodou na 100 ml, stejným způsobem jako při vlastním
stanovení chloridů ve vzorku. Hodnota přepočítávacího faktoru ft pro toto stanovení titru je
½.
• Chlorid sodný, standardní roztok c(NaCl) = 0,05 mol l-1
(příp. 0,02 mol l-1
).
• Kyselina dusičná, roztok c(HNO3) ≈ 0,2 mol l-1
. 12,7 ml koncentrované HNO3 (ρ = 1,4 g
cm-3
) bez chloridu sodného se odměří do asi 500 ml destilované vody. Po zamíchání se
roztok doplní destilovanou vodou na 1 l.
• Difenylkarbazon, bromfenolová modř – směsný indikátorový roztok. 0,5 g
difenylkarbazonu a 0,05 g bromfenolové modře se rozpustí ve 100 ml 96% ethanolu. Roztok
se přechovává v tmavé láhvi a při nízké teplotě. Není neomezeně stálý.
• Hydroxid sodný, 0,4% roztok. 4 g NaOH se po rozpuštění v destilované vodě doplní touto
vodou na 1 l. Roztok je vhodný k předúpravě pH těch vzorků, jejichž pH je menší než asi
3,8. Lze použít též odměrný roztok NaOH o koncentraci 0,1 mol l-1
.
19
5. Postup
Do titrační baňky se odměří 100 ml zfiltrovaného vzorku vody nebo menší množství
vzorku doplněné destilovanou vodou na 100 ml. Přidají se 0,3 ml směsného indikátorového
roztoku a po kapkách se přidává roztok kyseliny dusičné, až barva indikátoru přejde
z modrozelené do žluté. Pak se přidá navíc 0,25 ml kyseliny dusičné, čímž je dosaženo pH
titrovaného vzorku o hodnotě 2,5 ± 0,1. Následně se vzorek titruje odměrným roztokem
dusičnanu rtuťnatého do změny zbarvení na fialové, dané vznikem červenofialového
komplexu iontu Hg2+
s difenylkarbazonem.
Množství odměrného roztoku dusičnanu rtuťnatého, potřebného k vyvolání barevné
změny se zjistí slepým stanovením se 100 ml redestilované vody.
Vzorky, jejichž pH je nižší než asi 3,8, odpovídající hodnotě pK bromfenolové modře,
se po přídavku směsného indikátorového roztoku zbarví žlutě. Proto je třeba ke vzorku přidat
roztok hydroxidu sodného až do vzniku barevné změny bromfenolové modře, tj. do změny
barvy ze žluté do modrozelené. Až po této úpravě pH se pokračuje ve stanovení, tzn. přidá se
roztok kyseliny dusičné do změny barvy bromfenolové modře z modrozelené do žluté, pak se
přidá navíc 0,25 ml kyseliny dusičné a vzorek se titruje odměrným roztokem dusičnanu
rtuťnatého.
6. Výpočet a vyjadřování výsledků
Látková koncentrace chloridů ve vzorku se vypočítá podle
c(Cl)
= (Ve - Vs) ft c[Hg(NO3)2]. 103
/ V0)
kde c(Cl)
je látková koncentrace iontů Clve
vzorku (mmol l-1
),
Ve spotřeba odměrného roztoku Hg(NO3)2 při titraci vzorku (ml),
Vs spotřeba odměrného roztoku Hg(NO3)2 při slepém stanovení
(ml),
V0 původní objem vzorku při titraci (ml),
c[Hg(NO3)2] látková koncentrace odměrného roztoku Hg(NO3)2 (mol l-1
),
ft titrační přepočítávací faktor pro merkurimetrické stanovení
chloridů, ft = 2.
Hmotnostní koncentraci chloridů ve vzorku lze vypočítat ze vztahu
cm(Cl)
= c(Cl)
ACl
kde
cm(Cl)
je hmotnostní koncentrace chloridů ve vzorku (mg l-1
),
c(Cl)
látková koncentrace chloridů ve vzorku (mmol l-1
),
ACl atomární hmotnost Cl (35,453 g mol-1
).
Pro koncentrace chloridů (Cl)
1-10 mg l-1
se výsledky zaokrouhlují na 0,1 mg l-1
, 10-
50 mg l-1
na 1 mg l-1
, 50-100 mg l-1
na 2 mg l-1
, 100-200 mg l-1
na 5 mg l-1
a 200-500 mg l-1
na
10 mg l-1
.
III. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod. SNTL
Praha (1986).
2. Nollet L.M.L.: Handbook of water analysis. CRC Press, Taylor & Francis Group (2007).
20
Stanovení síranů ve vodách
I. Úvodní část
1. Výskyt síranů
Sírany se vyskytují téměř ve všech vodách, a to zejména ve formě aniontu SO4
2-
.
V podzemních a povrchových vodách je jejich obsah v desítkách až stovkách mg l-1
,
v minerálních a důlních vodách je obsah vyšší. Mezní hodnota pro pitné vody je 250 mg l-1
SO4
2-
.
2. Metody stanovení
Ke stanovení síranů ve vodách se nejčastěji používají gravimetrické metody a metody
titrační. Lze použít též metody spektrometrické, nefelometrické nebo elektrolytické.
Gravimetrické stanovení je založeno na tvorbě málo rozpustné sraženiny síranu barnatého.
Odměrné metody jsou založeny na reakci síranových iontů s Pb2+
nebo Ba2+
. Ke
spektrofotometrickému stanovení lze využít reakci síranů s chromanem barnatým nebo
thorinem. Používá se též reakce s chloranilanem barnatým. Metoda s thorinem je vhodná pro
stanovení síranů ve vodách s malým obsahem rozpuštěných solí a lze stanovit obsah 1,5-15
mg l-1
. Sírany je možné stanovit vedle sulfidů, siřičitanů a thiosíranů spektrometricky v UV
oblasti. Maxima absorpce byla pozorována při vlnových délkách 210 nm (SO4
2),
230 nm (S2-
),
220 nm (S2O3
2)
a 230 nm (SO3
2).
Sraženina síranu barnatého může být za určitých podmínek
udržována dostatečně dlouhou dobu ve vznosu, a tak může být použita k nefelometrickému
stanovení. Naměřené hodnoty zcela neodpovídají Lambert-Beerovu zákonu, jsou však
reprodukovatelné. Polarografické stanovení je založeno na reakci SO4
2se
sraženinou
chromanu barnatého a chromany uvolněné výměnnou reakcí se stanoví při pH 9,7 s hodnotou
půlvlnového potenciálu -0,36 V.
II. Titrační stanovení síranů dusičnanem olovnatým
1. Princip
Stanovení je založeno na reakci síranových iontů s ionty Pb2+
. Konec reakce, při níž
vzniká málo rozpustná sraženina síranu olovnatého, je indikován barevnou změnou dithizonu,
který reaguje s Pb2+
za vzniku fialově červeného chelátu. Indikátor mění barvu ze zelené do
fialově červené. Rozpustnost sraženiny síranu olovnatého se snižuje přídavkem acetonu nebo
ethanolu.
2. Použití
Metoda je vhodná pro vzorky s obsahem síranů nad 50 mg l-1
bez objemové úpravy
vzorku.
3. Rušivé vlivy
Stanovení ruší všechny kationty s výjimkou alkalických kovů a iontů NH4
+
, protože
reagují s dithizonem. Součástí pracovního postupu je proto odstranění kationtů iontovou
výměnou pomocí katexu.
4. Pomůcky
Kolona naplněná katexem v cyklu H+
.
21
Překapávací skleněná trubice naplněná silně kyselým měničem kationtů s průměrem
zrn 0,5 mm až 1,0 mm. Před naplněním kolony se katex nechá nabobtnat ve vodě nejméně
12 hod. Nabobtnalý katex se plní do kolony naplněné vodou.
Regenerace katexu se provádí promýváním naplněné kolony zředěnou kyselinou
chlorovodíkovou (1,1 násobek objemu katexu v koloně). Následně se katex promývá
destilovanou vodou dokud promývací voda obsahuje chloridy. Přítomnost chloridů se zkouší
pomocí roztoku AgNO3. K 5 ml promývací vody se přidá 0,1 mol l-1
HNO3 do zřetelné kyselé
reakce a 1 ml 0,1 mol l-1
AgNO3. Pokud promývací voda chloridy neobsahuje, zůstane roztok
čirý, pokud se zakalí pokračuje se v promývání.
Mikrobyreta.
5. Chemikálie
• Dusičnan olovnatý, odměrný roztok c[Pb(NO3)2] = 0,01 mol l-1
. 3,312 g Pb(NO3)2 p.a.
sušeného při teplotě 180 o
C po dobu 2 hod se rozpustí v destilované vodě okyselené 4 ml
kyseliny dusičné (ρ = 1,4 g cm-3
) a touto vodou se doplní na 1000 ml. Koncentrace
odměrného roztoku se stanoví titrací 10 ml standardního roztoku síranu sodného
o koncentraci 0,01 mol l-1
Na2SO4 podle dále uvedeného postupu.
• Dithizon – indikátorová směs. Dithizon se smísí s kyselinou benzoovou v objemovém
poměru 1 : 50 a směs se rozetře na jemný prášek.
• Ethanol (96% nebo 97%, v/v) nebo aceton. Ethanol lze nahradit ethanolem denaturovaným
isopropanolem v objemovém poměru 9:1.
• Síran sodný, standardní roztok o koncentraci 0,01 mol l-1
Na2SO4. 1,4205 g Na2SO4 p.a.
předem vysušeného při teplotě 200 o
C se rozpustí v destilované vodě, převede se do
odměrné baňky o objemu 1000 ml a doplní destilovanou vodou po značku.
• Kyselina chlorovodíková zředěná, k regeneraci katexu. Opatrně se smísí 14 ml
koncentrované kyseliny chlorovodíkové (ρ = 1,18 g cm-3
) s vodou a doplní na 100 ml.
• Dusičnan stříbrný, roztok 0,1 mol l-1
AgNO3. 1,7 g AgNO3 se rozpustí v 80 ml vody
a roztok se doplní vodou na 100 ml. Roztok se uchovává v tmavé skleněné láhvi a je stálý,
pokud je uchováván ve tmě.
• 0,1 mol l-1
HNO3
6. Postup
Vzorek vody se nechá prokapávat kolonou naplněnou měničem kationtů v cyklu H+
.
První podíl, asi 50 ml eluátu, se vylije. Zbytek se jímá do suché nádoby a použije k titraci.
Z takto upraveného vzorku se odebere objem 10 až 20 ml s obsahem 1 až 20 mg SO4
2.
Při
koncentracích nižších se pipetuje objem vzorku úměrně vyšší a zkoncentruje se odpařením na
10 až 20 ml. K roztoku se přidá dvojnásobný objem ethanolu nebo acetonu a dithizon
(indikátorová směs) do zřetelně zelené barvy, ale ne intenzivní. Roztok se titruje odměrným
roztokem dusičnanu olovnatého za použití mikrobyrety ze zelené do fialově červené barvy.
Titrovat je vhodné při denním světle, při umělém světle je ekvivalentní bod obtížně
postřehnutelný.
7. Výpočet a vyjadřování výsledků
Látková koncentrace síranů se vypočítá podle vzorce
c(SO4
2)
= (ft Ve c[Pb(NO3)2]. 103
) / V0
kde
c(SO4
2)
je látková koncentrace síranů (mmol l-1
),
ft titrační přepočítávací faktor, ft = 1,
22
Ve spotřeba odměrného roztoku při titraci vzorku (ml),
c[Pb(NO3)2] koncentrace odměrného roztoku (mol l-1
),
V0 původní objem titrovaného vzorku (ml).
Pro přepočet na hmotnostní koncentraci platí
cm(SO4
2)
= c(SO4
2)
MSO4
kde
cm(SO4
2)
je hmotnostní koncentrace síranů (mg l-1
),
c(SO4
2
látková koncentrace síranů (mmol l-1
),
MSO4 molární hmotnost iontů SO4
2(96,06
g mol-1
).
Výsledky vyjádřené v hmotnostní koncentraci se uvádějí nejvýše na tři platné číslice.
Pro koncentrace síranů (SO4
2)
20-99 mg l-1
se výsledky zaokrouhlují na 0,1 mg l-1
, 100-200
mg l-1
na 1 mg l-1
.
III. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod.
SNTL Praha (1986).
2. Chalupa M. a kol.: Metody rozboru pitné vody. MLVH ČSR Praha (1975).
3. Česká technická norma – Jakost vod – Stanovení rozpuštěných síranů – Odměrná
metoda s dusičnanem olovnatým ČSN 75 7477 (2010).
23
Stanovení dusitanů ve vodách
I. Úvodní část
1. Výskyt dusitanů
Dusitany bývají obsaženy ve všech typech vod. Koncentrace dusitanů v podzemních
a povrchových vodách je však zpravidla velmi malá (řádově setiny a desetiny mg l-1
),
v odpadních splaškových vodách poměrně větší (řádově jednotky až desítky mg l-1
). Dusitany
vznikají ve vodách zpravidla při biochemické redukci dusičnanů nebo při biochemické
oxidaci amoniakálního dusíku. Z tohoto důvodu patří dusitany (podobně jako amoniakální N)
mezi významné indikátory fekálního znečištění přírodních vod. Norma připouští maximálně
0,5 mg l-1
dusitanů v pitné vodě. Indikátorovou hodnotu dusitany ztrácejí, jestliže jsou
anorganického původu. Dusitany mohou totiž vznikat ve vodách i chemickou redukcí
dusičnanů kovy, např. v podzemních vodách obsahujících Fe a Mn. Dusitany mohou ve
vodách vznikat z dusičnanů také fotochemickou cestou. Proto je důležité posuzovat
indikátorovou hodnotu dusitanů v pitné vodě komplexně. Dusitany jsou však samy o sobě
v pitné vodě zdravotně závadné, protože způsobují methemoglobinemii.
2. Dusitany ve vodách
Stanovení dusitanů je nezbytnou součástí rozboru pitných vod. Stanovení dusitanů je
součástí dusíkových bilancí. Dusitany jsou ve vodě velice nestálé, a proto je nutno vzorky
analyzovat ihned po odběru nebo vzorky ochladit na teplotu 3 až 4 o
C a stanovit co nejdříve
(tj. v den odběru). Není-li to možné, je nutné vzorky vody konzervovat např. 3 ml CHCl3 na
1 l vzorku.
3. Stanovení dusitanů
Metody stanovení dusitanů ve vodách využívají schopnosti kyseliny dusité diazotovat
aromatické aminokyseliny. Vznikající diazoniové soli jsou kopulovány s jiným arylaminem
za vzniku azobarviva, které je vhodné pro spektrofotometrické stanovení. Již v roce 1889
Griesse a Hosvaye navrhli metodu kdy je diazotována kyselina sulfanilová a vzniklá
diazoniová sůl kopulována α-naftylaminem. Obě reakce probíhají v prostředí kyseliny octové.
Protože bylo zjištěno, že průběh obou reakcí je silně závislý na reakční době, na pH prostředí
a na druhu kyseliny použité k okyselení vzorku, vzniklo mnoho modifikací této metody.
Nejlepších výsledků bylo dosaženo modifikací kdy kyselina sulfanilová je diazotována
v prostředí kyseliny chlorovodíkové a diazoniová sůl je kopulována α-naftylaminem
v prostředí upraveném octanovým tlumičem na hodnotu pH 2 až 2,5. Avšak α-naftylamin byl
v roce 1966 označen jako karcinogenní látka, a proto jsou doporučovány modifikace
s náhradou jiným nekarcinogenním arylaminem, např. 1-naftylamin-7-sulfonovou kyselinou
a N-(1-naftyl)-ethylendiamindihydrochloridem. Právě druhý způsob je nejrozšířenější. I ten
má však více modifikací a k diazotaci je používána buď kyselina sulfanilová nebo sulfonamid.
Sulfonamid byl navržen pro větší čistotu komerčních preparátů, větší stabilitu roztoků a větší
reakční rychlost jeho diazoniové soli při kopulační reakci. Modifikace jsou založeny také na
rozdílném prostředí pro diazotaci a kopulaci, např. v prostředí hydrogensíranu draselného,
kyseliny chlorovodíkové nebo fosforečné.
24
II. Metoda stanovení dusitanů se sulfanilovou kyselinou a N-(1-naftyl)-ethylendiamindihydrochloridem
absorpční spektrofotometrií
1. Princip metody
Sulfanilová kyselina je diazotována v prostředí hydrogensíranu draselného kyselinou
dusitou (z dusitanů ve vzorku) na diazoniovou sůl. Vniklá diazoniovaná sůl je kopulována
s N-(1-naftyl)-ethylendiamindihydrochloridem na červené azobarvivo. Intenzita vzniklého
zbarvení je úměrná koncentraci dusitanů ve vzorku.
Během stanovení probíhají tyto chemické reakce:
2. Oblast použití
Metodu je možné použít pro stanovení dusitanů ve všech typech vod. Bez ředění vzorku
lze stanovit dusitany o koncentraci NO2
-
0,05 až 0,5 mg l-1
.
3. Rušivé vlivy
Stanovení ruší nerozpuštěné látky, barva, zákal, silná oxidační a redukční činidla, Fe.
Pokud se neodstraní zákal či barva filtrací ani odstředěním, je nutno vzorek čiřit suspenzí
hydroxidu hlinitého. K 100 ml vzorku vody se přidá 5 ml suspenze hydroxidu hlinitého, směs
se promíchá, nechá usadit a čirý roztok se opatrně zfiltruje. První podíl filtrátu se vylije. Ke
stanovení dusitanů se použije část filtrátu a výsledek se koriguje podle zředění vzorku
přídavkem suspenze.
4. Přístroje a pomůcky
• Spektrometr
5. Chemikálie
• Destilovaná voda bez obsahu dusitanů a mědi. Destilovaná i deionizovaná voda často
obsahuje stopy iontů NO2
.
Proto se pro velmi přesná stanovení doporučuje používat
destilovanou vodu, která je zbavena stop NO2
redestilací
destilované vody s přídavkem
manganistanu draselného, a to buď z alkalického prostředí, nebo z kyselého prostředí. Na
každý 1 l destilované vody se přidá asi 0,3 ml zásobního roztoku manganistanu draselného
(připraveného pro stanovení CHSKMn) a 1 ml koncentrované kyseliny sírové (ρ = 1,84
g cm-3
). Takto připravený roztok pro destilaci musí být růžový. Redestiluje se
v celoskleněné pyrexové aparatuře a prvních 50 ml destilátu se vylije. Jímají se další frakce,
které nemají obsahovat ani stopu manganistanu. Jeho přítomnost v destilátu lze zjistit reakcí
25
s o-tolidinovým činidlem (žluté zbarvení). Touto redestilací se voda zbaví také mědi. Ionty
mědi katalyzují rozklad diazoniové soli.
• Sulfanilová kyselina, roztok. 3,46 g kyseliny sulfanilové a 27,2 g KHSO4 se rozpustí
v destilované vodě a touto vodou se doplní na 1 l.
• N-(1-naftyl)-ethylendiamindihydrochlorid, kopulační roztok. 0,040 g N-(1-naftyl)ethylendiamindihydrochloridu
se rozpustí ve 100 ml destilované vody. Roztok se uchovává
v tmavé láhvi a ve tmě. Potom je stálý asi 1 měsíc.
• Dusitan sodný, standardní zásobní roztok o koncentraci cm(NO2
)
≈ 100 mg l-1
. 0,15 g
NaNO2 předem vysušeného při teplotě 105 o
C se rozpustí v destilované vodě a touto vodou
se doplní na 1 l. Přesný obsah iontů NO2
se
stanoví nepřímo ze spotřeby manganistanu
draselného na oxidaci dusitanu v kyselém prostředí. Do jodační baňky se k 50,0 ml 0,002
mol l-1
KMnO4 přidá 5 ml kyseliny sírové (ρ = 1,84 g cm-3
) zředěné v objemovém poměru
1 : 1. Pak se přidá 100 ml zásobního roztoku dusitanu tak, že špička pipety sahá pod hladinu
roztoku manganistanu. Směs se zamíchá a po 10 minutách se přidají asi 2 g tuhého KI.
Jodační baňku je třeba zazátkovat. Roztok je pak nutno míchat, až se krystalky jodidu
rozpustí. Přidá se škrobový maz a titruje se odměrným roztokem 0,01 mol l-1
Na2S2O3 do
odbarvení. Slepé stanovení se provede stejným způsobem, jen místo roztoku dusitanu se
přidá 100 ml destilované vody. 1 ml použitého roztoku thiosíranu sodného odpovídá 0,23
mg NO2
-
.
Skutečná koncentrace dusitanu ve standardním zásobním roztoku se vypočítá podle
c(NO2
)
= [(Vs – Ve) ft c(Na2S2O3) MNO2 103
] / V0
kde c(NO2
)
je hmotnostní koncentrace iontů NO2
ve
standardním zásobním roztoku v mg l-1
,
Vs spotřeba odměrného roztoku Na2S2O3 při titraci slepého stanovení v ml,
Ve spotřeba odměrného roztoku Na2S2O3 při titraci 100 ml standardního zásobního
roztoku dusitanu v ml,
ft titrační přepočítávací faktor pro titrační stanovení NO2
,
ft=1/2,
c(Na2S2O3) látková koncentrace odměrného titračního roztoku Na2S2O3 v mol l-1
,
MNO2 molární hmotnost iontů NO2
(g
mol-1
), MNO2 = 46 g mol-1
,
V0 objem standardního zásobního roztoku dusitanu odebraný pro stanovení
v ml, V0 = 100 ml.
Standardní zásobní roztok dusitanu je nestálý, proto se doporučuje konzervace, a to
přídavkem chloroformu (1 ml na 1 l roztoku). Chloroform je nutno přidat až po stanovení
skutečné koncentrace (titru) iontu NO2
.
Konzervovaný roztok uchovávaný v chladu je stálý
asi 1 měsíc.
Pracovní standardní roztoky dusitanu se připravují vždy čerstvé těsně před použitím.
• Manganistan draselný, odměrný roztok o koncentraci c(KMnO4) = 0,002 mol l-1
.
• Thiosíran sodný, odměrný roztok o koncentraci c(Na2S2O3) = 0,01 mol l-1
.
• Hydroxid hlinitý, suspenze ve vodě. 125 g KAl(SO4)2 . 12 H2O nebo
NH4Al(SO4)2 .12 H2O se rozpustí v 1 l destilované vody, roztok se zahřeje na teplotu 60 o
C
a za míchání se pomalu přidává 55 ml koncentrovaného roztoku amoniaku (ρ = 0,91 g cm-3
).
Sraženina se promývá dekantací destilovanou vodou, dokud nevymizí reakce na volný
amoniak. Čerstvě připravená suspenze hydrolyzátů hlinitých solí zaujímá objem asi 1 l.
6. Kalibrační závislost
Připraví se kalibrační roztoky o koncentracích iontů NO2
-
0,05 až 0,6 mg l-1
a zpracují se
dále uvedeným postupem. Roztoky se proměřují při vlnové délce λ = 540 nm. Naměřené
hodnoty absorbance se po odečtení hodnoty slepého stanovení vynesou do kalibračního grafu
proti koncentraci iontů NO2
v
mg l-1
.
26
7. Postup stanovení
K 25 ml čirého vzorku o koncentraci c(NO2
)
≤ 0,6 mg l-1
se v odměrné baňce o objemu
50 ml přidá 2,5 ml roztoku kyseliny sulfanilové, směs se promíchá a nechá stát po dobu
10 min. Pak se přidá 2,5 ml kopulačního činidla, roztok se promíchá a nechá stát dalších
20 min. Po této době se doplní vodou po rysku, promíchá a měří se absorbance při vlnové
délce λ = 540 nm. Zbarvení je stálé nejméně 24 hodin. Stejným způsobem se měří absorbance
slepého stanovení s destilovanou vodou.
8. Výpočet výsledků a jejich vyjadřování
Hmotnostní koncentrace iontů NO2
v
mg l-1
ve vzorku se určí ve vzorku z kalibrační
křivky s přihlédnutím k ředění vzorku před stanovením.
Pro koncentrace dusitanů (NO2
)
0,02-0,05 mg l-1
se výsledky zaokrouhlují na 0,002 mg l-1
,
0,05-0,1 mg l-1
na 0,005 mg l-1
, 0,1-0,2 mg l-1
na 0,01 mg l-1
, 0,2-0,5 mg l-1
na 0,02 mg l-1
a 0,5-1,0 mg l-1
na 0,05 mg l-1
.
III. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod. SNTL
Praha (1986).
27
Stanovení fluoridů ve vodách
I. Úvodní část
1. Výskyt fluoridů
Fluoridy se dostávají do vody zvětráním nerostů a vyluhováním z půdy. Vyskytují se
téměř ve všech povrchových i podzemních vodách. Jejich obsah však bývá malý, nepřevyšuje
1 mg l-1
. Koncentrace fluoridu ve vodách je limitována rozpustností fluoridu vápenatého
a hořečnatého. Jelikož se fluorid vápenatý ve vodě rozpouští méně než fluorid hořečnatý,
závisí rovnovážná koncentrace fluoridů ve vodě zejména na obsahu vápníku.
Vyšší obsah fluoridů lze nalézt ve vodách znečištěných odpadními vodami ze
sklářského nebo chemického průmyslu, příp. důlními vodami. U pitných vod má obsah
fluoridů velký význam zejména ze stomatologického hlediska. Za optimální je považována
koncentrace 1,0 mg l-1
F.
Nejvyšší mezní hodnota je 1,5 mg l-1
F-
.
2. Stanovení fluoridů
Ke stanovení fluoridů ve vodách se nejčastěji používají metody spektrofotometrické
a potenciometrické. Spektrofotometricky lze stanovit fluoridy např. po reakci se
zirkonalizarinem, zirkoneriochromcyaninem, lanthanalizarinkomplexonem, ceralizarinkomplexonem,
fenylazo-dihydroxynaftalensulfonanem sodným a zirkonoxichloridem,
xylenolovou oranží a zirkonoxichloridem, zirkon-solochromcyaninem, aj. Fluorimetrická
metoda využívá zirkon-kvercetinového komplexu. Fluoridy lze stanovit také odměrně, např.
titrací dusičnanem thoričitým na indikátor alizarinsulfonan.
Stále častěji se využívá potenciometrické stanovení fluoridů pomocí iontově selektivní
elektrody.
II. Stanovení fluoridů absorpční spektrofotometrií po reakci se zirkonalizarinem
1. Princip metody
Při reakci fluoridů se zirkoničitými ionty vzniká bezbarvý komplexní fluorid, jehož
stálost je větší než stálost barevného komplexu - červeného laku zirkoničitých iontů
s alizarinem. Uvolnění ekvivalentního množství alizarinu z komplexu se projeví změnou
zbarvení. Úbytek intenzity zbarvení červeného laku vlivem přítomnosti fluoridů odpovídá
jejich koncentraci.
2. Oblast použití
Metodu lze použít ke stanovení fluoridů v pitných a povrchových vodách
v koncentracích od 0,05 do 2,5 mg l-1
.
3. Rušivé vlivy
Stanovení je rušeno látkami, které reagují s reakčním činidlem nebo tvoří komplexní
fluorid. Při stanovení 1 mg l-1
Fpůsobí
negativní chybu -0,1 mg l-1
přítomnost 1800 mg l-1
Cl,
0,2 mg l-1
Al3+
, 5 mg Fe3+
nebo 0,2 mg l-1
Ag+
. Pozitivní chybu +0,1 mg l-1
způsobuje
přítomnost 400 mg l-1
SO4
2,
5 mg l-1
PO4
3,
příp. 1,1 mg l-1
polyfosforečnanů. Rušivý vliv se
odstraní přídavkem příslušné rušivé látky k řadě pracovních roztoků pro přípravu kalibrační
křivky.
Stanovení ruší KNK4,5 nad 1 mmol l-1
a k odstranění se používá ekvivalentní množství
kyseliny chlorovodíkové. Při stanovení působí rušivě též chlor. K jeho odstranění se přidává
ke vzorku 0,05 ml 0,5% roztoku arsenitanu sodného.
28
4. Přístroj a pomůcky
• spektrofotometr, vlnová délka 520 až 550 nm, kyvety. K zjištění optimální vlnové délky je
vhodné proměřit absorpční spektrum pro roztok s nejvyšší koncentrací F(proti
destilované
vodě). Měření vzorků a kalibračních roztoků pak provádět pro vlnovou délku s nejvyšší
změřenou hodnotou absorbance.
5. Chemikálie
• Alizarinová červeň S, roztok. 0,75 alizarinové červeně S se rozpustí v destilované vodě
a touto vodou doplní na 1 l.
• Dichlorid-oxid zirkoničitý, roztok. 0,354 ZrOCl2 .8H2O se rozpustí v 600 až 800 ml
destilované vody, přidá se 33,3 ml kyseliny sírové (ρ =1,84 g cm-3
) a směs se promíchá.
K roztoku se přidá 100 ml kyseliny chlorovodíkové (ρ =1,19 g cm-3
) a směs se opět
promíchá. Po ochlazení se roztok převede do odměrné baňky a její obsah se doplní
destilovanou vodou na 1 l. Roztok lze používat po 1 h stání. Uchovává se v tmavé láhvi.
• Fluorid sodný
Zásobní roztok. 1 ml roztoku odpovídá 0,1 mg F.
0,221 g NaF p.a. vysušeného při teplotě
105 o
C se rozpustí v destilované vodě a doplní na 1 l.
Pracovní roztok. 1 ml roztoku odpovídá 0,01 mg F.
100 ml zásobního roztoku se doplní
destilovanou vodou na 1 l. Připravuje se vždy čerstvý roztok.
Kalibrační roztoky se připraví v koncentracích: 0; 0,05; 0,15; 0,25; 0,50; 1,0; 1,5; 2,5 mg l-1
F-
.
6. Postup
Do Erlenmeyerovy baňky se odměří 100 ml čirého vzorku s obsahem do 2,5 mg l-1
F-
,
přidá se 5 ml roztoku alizarinové červeně S a 5 ml roztoku dichlorid-oxidu zirkoničitého. Po
dokonalém promíchání se směs nechá stát po dobu 60 min při 20 o
C. Pak se měří absorbance
při optimální vlnové délce (z rozsahu 520-550 nm).
7. Výpočet a vyjadřování výsledků
Změřené absorbance se vynesou do grafu proti koncentraci kalibračních roztoků
uvedené v mg l-1
. Hmotnostní koncentrace fluoridů se vypočítá z hodnoty odečtené
z kalibrační křivky s přihlédnutím k objemu vzorku použitého ke stanovení.
Pro koncentrace fluoridů (F)
0,05-0,2 mg l-1
se výsledky zaokrouhlují na 0,01 mg l-1
, 0,2-
0,5 mg l-1
na 0,02 mg l-1
, 0,5-1,0 mg l-1
na 0,05 mg l-1
a 1,0-2,5 mg l-1
na 0,1 mg l-1
.
III. Použitá literatura
1. Horáková M., Lischke P., Grünwald A.: Chemické a fyzikální metody analýzy vod. SNTL
Praha (1986).
2. Chalupa M. a kol.: Metody rozboru pitné vody. MLVH ČSR Praha (1975).
3. Nollet L.M.L.: Handbook of water analysis. CRC Press, Taylor & Francis Group (2007).
29
Stanovení arsenu ve vodách
I. Úvodní část
1. Výskyt arsenu
Arsen se vyskytuje v atmosféře, v půdě, vodě, flóře, v tkáních lidského i zvířecího
organismu [1]. Může existovat v reálných vzorcích v různých formách, které vykazují různou
mobilitu, dostupnost a toxicitu v životním prostředí nebo biologickém systému. Sloučeniny
arsenu jsou nakloněny k různým transformacím, jako methylace, demethylace, oxidace,
redukce, hydrolýza a reakce se sloučeninami síry. Tyto efekty mohou vést ke změnám forem
i po odebrání vzorku. Toxické působení různých forem arsenu je dáno v pořadí As (III) >
As (V) > monomethylarsonát (MMA) > dimethylarsinát (DMA) > arsenobetain (AsB) > další
organické sloučeniny arsenu. Sloučeniny arsenu se ukládají v játrech a ledvinách,
charakteristická je také jejich akumulace ve vlasech, nehtech a kůži. Mohou přestoupit i přes
placentu, kde způsobují poškození plodu. Zasahují též nervový systém. Arsen bývá také
označován jako protoplazmatický jed, protože může pronikat buněčnými membránami do
protoplazmatického prostoru a hluboce postihovat živou hmotu. Je klasifikován i jako
kapilární jed, protože způsobuje propustnost stěn krevních kapilár. Nejtoxičtější arsenitany
i arseničnany mohou mít při dlouhodobé expozici karcinogenní charakter (rakovina kůže
a plic). Akutní otravy jsou spojeny s bolestmi hlavy a někdy i zažívacími potížemi, které
mohou vyústit v selhání krevního oběhu a smrt. Chronické otravy způsobují záněty kůže,
trvalé zažívací potíže a poškození nervového systému [2].
Zdroje kontaminace půd i vod mohou být různé: arsenové pesticidy a herbicidy, tavení
kovových rud, dřevařská konzervační činidla, aditiva do skla nebo léčiva pro veterinární
medicínu. Přítomnost arsenu ve vodě povrchové, podzemní i mořské je spojena především
s geochemickým prostředím. Arsen tvoří součást jezerních nánosů, sopečných ložisek,
geotermálních pramenů a odpadů z těžby fosilních paliv.
2. Arsen ve vodách
Většina environmentálních vod obsahuje As v nízkých hladinách. Koncentrace µg l-1
a sub-µg l-1
jsou v pitných vodách a vodách oceánů. Podle vyhlášky MZČR č. 252/2004 Sb.
je nejvyšší mezní hodnota arsenu v pitné vodě 10 µg l-1
. Avšak mnohem vyšší hladiny As
(> 0,1 µg ml-1
) mohou být nalezeny v geotermálních vodách a odpadních vodách. Minoritní
frakce MMA a DMA se vyskytují v mořských vodách v koncentracích sub-µg l-1
.
Protože se arsen v přírodních vodách vyskytuje především v anionické formě, ztráty
komplexací s huminovými látkami nebo sorpcí na stěnách nejsou kritické. Uchovávání vzorků
vod beze ztrát As pro stanovení celkového obsahu je možné po více měsíců jak ve skleněných,
tak v plastových lahvích. Problematické je konzervování vzorků, když se stanovují jednotlivé
formy arsenu.
Vážným problémem jsou suspendované částice, protože část As může být adsorbována na
hydratovaných oxidech Fe a Mn, např. v říčních vodách a vodách v ústích řek, nebo přítomna
v organicky vázaných formách v planktonu, řasách a dispergovaných částicích sedimentu.
Tudíž vyšší výsledky pro As mohou být získány při analýze nefiltrovaných okyselených
vzorků, což je způsobeno vyluhováním As sloučenin z dispergovaných částic po okyselení.
Ačkoliv změny forem a celkového obsahu As v odebraném vzorku nejsou okamžité, někteří
autoři doporučují filtraci ihned po odebrání vzorku, rozhodně před jeho okyselením. Frakce
částic (> 0,45 µm) je vhodné pak analyzovat zvlášť po rozkladu [3].
Termodynamicky stabilní formy anorganického arsenu ve vodách bohatých kyslíkem jsou
HAsO4
2(mořská
voda) a H2AsO4
(sladké
vody), tedy As (V), zatímco u kyslíkem chudých
30
vod je rovnováha posunuta k As (III). U vzorků přírodních sladkých i mořských vod byla při
uchovávání v polyethylenových lahvích bez přídavku konzervačního činidla pozorována
pomalá oxidace As (III), která při 20 o
C probíhala rychleji než při ochlazení. Zatímco
přídavek kyseliny na pH =2 v čerstvých vodách oxidaci As (III) téměř úplně omezuje, As (III)
v mořské vodě se nezávisle na teplotě ve 3 dnech plně oxiduje na As (V). Skladování mořské
vody pro stanovení poměru koncentrací forem As (III) / As (V) se proto nedoporučuje.
Stanovení z nekonzervovaného vzorku musí být provedena do jednoho dne. Jiné přírodní
vody (říční, pozemní, pitné, spodní) mohou být při okyselení na pH 2 bez změny poměru
koncentrací těchto forem uchovávány až 100 dní. Při zamezení přístupu kyslíku mohou být
vzorky filtrovaných vod uchovávány v chladu při 4 o
C bez dalších přídavků. Methylované
formy arsenu ve filtrovaných, okyselených vzorcích vod jsou relativně stabilní. Pro
vyvarování se problémů při stanovení forem arsenu je nejlépe provádět stanovení do několika
hodin od odběru vzorků [1].
3. Stanovení AAS
Hlavní rezonanční čára arsenu je 193,7 nm. Protože v této oblasti citlivost detektoru
klesá a ztráty záření na optických prvcích rostou, závisí pro tento prvek poměr signál/šum
silně na jakosti spektrometru. Důležitý vliv má také zdroj záření, přičemž bezelektrodová
výbojka podává lepší výsledky. Rezonanční čára 193,7 nm je izolována ve spektrálním
intervalu 0,7-1 nm. Rozšířený rozsah a lineárnější kalibrační křivka může být získána při
197,2 nm, ale s 1,5x nižší citlivostí. Arsen se výhodně stanovuje AAS s hydridovou technikou
(HGAAS) [1].
4. Hydridová technika v AAS
Pro stanovení AAS je třeba analyt přeměnit na těkavý hydrid. Potom následuje jeho
uvolnění ze vzorku, vedení do atomizátoru a atomizace. Hydridy se tvoří redukcí analytu
tetrahydridoboritanem sodným (NaBH4). Redukční činidlo se přidává ve formě pelet nebo
roztoku v 0,1-1 mol l-1
NaOH, příp. KOH. Hydroxid se přidává ke stabilizaci roztoku činidla.
Účinnost tvorby hydridů je téměř 100%. Přeměnu na těkavé hydridy lze využít u As, Bi, Ge,
Pb, Sb, Se, Sn, Te, In a Tl. Reakce lze zjednodušeně popsat:
BH4
+
3 H2O + H+
→ H3BO3 + 4 H2
BH4
+
analyt + H+
→ hydrid (g).
Generátory hydridů lze rozdělit na dávkové, průtokové kontinuální a FIA generátory.
V dávkovém generátoru - reakční nádobce dochází ke smíchání vzorku upraveného kyselinou
s tetrahydridoboritanem. Vytvořené hydridy a vodík jsou odváděny nosným plynem.
V kontinuálních generátorech dochází ke smíchání toku vzorku, toku NaBH4 a nosného plynu
v kapilárách. Oddělení plynu nastává v separátoru fází. U FIA generátorů je diskrétní objem
vzorku dávkován pomocí dávkovacího ventilu do toku nosné kapaliny, nejčastěji HCl.
Promíchání zóny vzorku s HCl probíhá v kapiláře, smíchání s NaBH4 a argonem ve
směšovací jednotce. Atomizace hydridů může probíhat v difúzním plameni Ar(N2)-H2,
v elektrotermickém atomizátoru, v plamínku uvnitř křemenné trubice a ve vyhřívané
křemenné trubici.
5. Atomizátor
Nejčastěji používané hydridové atomizátory jsou křemenné trubice (QTA). Jsou to
T trubice s horizontálním ramenem v optické ose (optická trubice). Prostřední ramínko
T trubice slouží pro vedení hydridu tokem plynu z generátoru. Podle vedení kyslíku pro
optimální podmínky se rozdělují QTA do dvou typů – plamínek v trubici a externě vyhřívaná
křemenná trubice [4,5]. Vyhřívaná trubice je velice populární, protože je dodávána komerčně.
31
Atomizátor s plamínkem uvnitř trubice používá kapiláru umístěnou do vstupního ramene
T trubice k vedení malého toku kyslíku na podporu palivově bohatého H2 – O2 difuzního
mikroplamene. Tento plamínek je neviditelný a hoří na konci kapiláry. Nevyžaduje se externí
ohřev. Avšak nosný plyn musí obsahovat velké množství vodíku k podpoře mikroplamínku.
V něm jsou H radikály tvořeny reakcí mezi kyslíkem a vodíkem, přičemž tvorba mraku
H radikálů je omezena na malý objem na konci kapiláry.
Vyhřívaná trubice využívá buď elektrický odporový ohřev nebo ohřev plamenem C2H2 –
vzduch. Zahřívá se optická trubice atomizátoru na teplotu 700 – 1100 o
C. Nosný plyn je argon
nebo dusík. Pro atomizaci hydridů je vyžadováno malé množství vodíku. Ten je přítomen
vzhledem k rozkladu NaBH4 použitého pro generování hydridů. Vyhřívaný QTA nepotřebuje
speciální trubici pro vedení kyslíku, ale určitý obsah kyslíku je nezbytný pro dosažení
optimální citlivosti. Poptávka po kyslíku je pokryta stopami kyslíku přítomného v roztoku
vzorku, v roztoku činidla a plynech. Na začátku horké zóny atomizátoru je mrak radikálů
tvořen analogicky jako u plamínku v trubici. Pozice mraku je kontrolována teplotním profilem
v atomizátoru, průtokem nosného plynu a tvarem atomizátoru. Mrak vyplňuje pouze malý
objem atomizátoru.
V obou typech je hydrid za optimálních podmínek plně atomizován v mraku reakcí
s extrémně energetickými H radikály. Vytvořené volné atomy analytu jsou pak
transportovány dále do optické trubice. Existují dvě cesty, které vedou k odstranění atomů
analytu z optické trubice. Jedna je mechanicky, prouděním pomocí toku plynu. Druhá cesta
jsou chemické reakce. Protože volné atomy analytu nemohou z termodynamického hlediska
existovat vně mraku radikálů, začínají zanikat bezprostředně po opuštění mraku. Ačkoliv
přesný mechanismus zániku atomů není jasný, je dokázáno, že je kriticky ovlivněn stavem
vnitřního povrchu atomizátoru a že produkty jsou odstraněny z optické osy tokem nosného
plynu [4-6].
QTA poskytuje dlouhou dobu pobytu volných atomů v optické ose a následně velmi
vysokou citlivost. Navíc pozadí je nízké, takže limit detekce je velmi dobrý. Avšak jsou zde
také nedostatky jako nízká odolnost k atomizačním interferencím, nedostatečná linearita
kalibračních závislostí a nízká dlouhodobá stabilita citlivosti. Poslední je vázáno na změny
vnitřního povrchu atomizátoru. Příčinou je, že získaná citlivost je kontrolována reakcemi
volných atomů na povrchu a ty jsou dány kvalitou tohoto povrchu atomizátoru [4,6].
Zdroj všech potíží v QTA je, že volné atomy po opuštění H radikálového mraku, podléhají
chemickým reakcím. V důsledku toho, všechny nedostatky QTA mohou být eliminovány,
když se analyt udržuje ve stavu volných atomů. Této situace se dosáhne návratem atomizace
zaniklých atomů. Reatomizace jednou zaniklých atomů analytu v optické trubici QTA však je
nemožná. Pouze produkty reakcí mohou být reatomizovány v přídavném mraku H radikálů.
Mrak radikálů může být tvořen pouze v jiném plameni nebo vedením přídavného kyslíku do
optické trubice. Tyto dvě možnosti jsou vlastně analogické. Příčinou je, že vedením kyslíku
do horké části atomizátoru (předpokládajíc malou frakci přítomného vodíku) se vytvoří
mikroplamen. Právě to je principem nového atomizátoru hydridů – mikroplamenového
křemenného multiatomizátoru [6].
6. Mikroplamenový křemenný multiatomizátor
Multiatomizátor je uspořádán tak, aby umožňoval vícenásobný vstup vzduchu do
externě vyhřívaného horizontálního ramene atomizátoru a zároveň se maximálně podobal
konvenčnímu křemennému atomizátoru [6]. Střední část horizontálního ramene se skládá ze
dvou koncentrických trubic. Vnitřní trubice má ve stěně podél celé délky malé otvory. Vnější
koncentrická trubice horizontálního ramene je bez otvorů. Dutina mezi oběma horizontálními
koncentrickými trubicemi slouží pro přívod vzduchu, který vstupuje otvory do vnitřní trubice.
Vnější část horizontálního ramene je identická s ramenem konvenčního křemenného
32
atomizátoru. Také vstupní rameno ve tvaru T je složeno ze dvou koncentrických trubic.
Hydridy nesené nosným plynem a vodíkem (z generátoru hydridů) vstupují do optické trubice
přes vnitřní trubici vstupním ramenem analogicky jako u konvenčních atomizátorů. Vzduch je
zaváděn do horizontální dutiny mezi vnitřní a vnější trubici vstupního ramene. Průtok
vzduchu je ovládán přes vzduchové čerpadlo. Ve skutečnosti jediný rozdíl mezi
multiatomizátorem a konvenčním atomizátorem spočívá ve dvojitém uspořádání stěn
v centrální části horizontálního ramene, v otvorech ve vnitřní koncentrické trubici a dvojitém
uspořádání stěn vstupního ramene. Délka a vnitřní průměr horizontálního ramene a stejně tak
vstupního ramene je u obou typů atomizátorů shodná [6].
Obr. 1. Mikroplamenový křemenný multiatomizátor (schéma).
Účinnost atomizátoru je srovnatelná s konvenčními atomizátory. Mezi nejdůležitější
rysy patří potlačení interferencí a nižší zakřivení kalibračních křivek. Srovnatelná je také
citlivost a poměr signálu k šumu. Významný rozdíl mezi multiatomizátorem a konvenčním
atomizátorem je v odolnosti proti interferencím. Nízká odolnost konvenčních atomizátorů
proti interferencím při atomizaci hydridů je dobře známa. Interference při hydridové technice
AAS jsou zapříčiněny v důsledku přítomnosti dalších prvků tvořících hydridy. Škála
interferencí je velice široká a vliv rozdílných experimentálních podmínek je různý a liší se jak
pro jednotlivé analyty, tak pro interferenty. Může to být přičítáno zejména rozdílům v designu
a rozměrech atomizátoru, v atomizační teplotě, v procesu generování hydridů a v průtoku
nosného plynu. Multiatomizátor vykazuje podstatně lepší toleranci vůči interferencím [6].
7. Atomizace ve vyhřívané křemenné trubici
Mechanismus jednoduché termické disociace
2 AsH3 → 2 As + 3 H2
je z několika příčin nepravděpodobný. K dosažení optimální citlivosti s křemennou trubicí je
dostačující teplota 800-900 o
C, zatímco v grafitové trubici při ETAAS je potřeba 2200-2600
o
C. Přimíchání nepatrného množství vzduchu nebo kyslíku k nosnému plynu má značný vliv
33
na citlivost stanovení a umožňuje úplnou atomizaci již při teplotách okolo 700 o
C. Výrazný
vliv na atomizační signál má povrch křemene [1].
Při 900 o
C bez přítomnosti vodíku se ze samotného AsH3 žádné atomy As netvoří.
K atomizaci v křemenné trubici je vedle vodíku potřeba také nepatrné množství kyslíku,
přičemž jeho potřeba při nižších teplotách je větší. Za normálních analytických podmínek
může potřeba kyslíku od rozpuštěného vzduchu v měřeném roztoku být uspokojivá. Reakcí
vodíku s kyslíkem vznikají H-radikály
H + O2 = OH + O
O + H2 = OH + H
OH + H2 = H2O + H
a ty se podílí na atomizaci AsH3 třístupňovým mechanismem
AsH3 + H → AsH2 + H2
AsH2 + H → AsH + H2
AsH + H → As + H2
V křemenné trubici se tedy reakcí kyslíku s vodíkem tvoří ve vyhřívané zóně mrak H radikálů.
Pozice tohoto mraku je určena teplotním profilem uvnitř atomizátoru, průtokem a složením
nosného plynu a konstrukcí atomizátoru. Vlastní funkcí ohřevu trubice je nastartovat reakci
mezi kyslíkem a vodíkem a udržovat ji. Trvá však synergický efekt mezi přívodem kyslíku
a teplotou na citlivost v teplotním rozsahu 600-1000 o
C. Čím vyšší je teplota, tím nižší je
potřeba kyslíku pro optimální citlivost [1].
Počet H radikálů je hlavně určen přívodem kyslíku do atomizátoru. Pro účinnou atomizaci
není rozhodující počet H radikálů nýbrž příčná hustota mraku radikálů. Proto je spotřeba
kyslíku určena průměrem té části atomizátoru, kde se mrak nachází. Proudění plynu je takové,
že se mrak radikálů nachází v přívodní části atomizátoru a tato přívodní část musí mít co
nejmenší vnitřní průměr.
Rychlost dalších reakcí atomů analytu závisí na kontaktu volných atomů s povrchem
křemene, tzn. na průtoku plynu a reaktivitě povrchu. Zatímco ve velké části atomizátoru
převládá laminární proudění, tam kde je přívodní trubice připojena na absorpční trubici
dochází k výrazné turbulenci. V turbulentní zóně nastávají značné ztráty atomů analytu,
zatímco tyto v laminární zóně jsou významné jen při pomalém proudění. Ztráty reakcemi se
stěnou budou značně urychleny znečištěním povrchu, zvláště za zvýšené teploty. To
vysvětluje pozorované rozdíly v citlivosti mezi atomizátory stejných rozměrů. Ke snížení
kontaminace povrchu se používá postup čištění HF, který zřetelně snižuje reaktivitu povrchu.
8. Podmínky pro tvorbu AsH3
Optimální množství, příp. koncentrace NaBH4 závisí na systému, ale nemá kritickou úlohu.
Typické koncentrace jsou 2-3% (m/v) s dávkovým systémem, 0,5-1% pro průtokový systém
a 0,2-1% pro FIA systém. Roztok se připravuje denně čerstvý. Stabilita je zlepšena
zalkalizováním s 0,1-2% NaOH a vakuovou filtrací přes membránu 0,45 µm.
Atomizační signál je však závislý na oxidačním stavu a použitém hydridovém systému.
AsH3 je generován z roztoků As (III) v širokém aciditním rozsahu od 9-10 mol l-1
HCl po
neutrální pH. Z As (V) se hydrid netvoří při pH > 0,3-0,5. Typické reakční prostředí je 0,5-5
mol l-1
HCl. Hladiny 5-6 M nejsou však praktické vzhledem k možné korozi zařízení.
V dávkovém systému rozdíl mezi As (III) a As (V) činí asi 25-30%. V průtokovém systému
tento rozdíl závisí na délce reakční cívky a dosahuje až desetinásobku. Tento rozdíl je závislý
též na pH, z čehož vyplývá možnost stanovení As (III) selektivně při pH 4-5. Z těchto důvodů
musí být arsen při stanovení celkového obsahu v jednom oxidačním stavu. Reakční rychlost je
vyšší pro As (III), zatímco As (V) často produkuje nižší a širší signál. Potom výška píku může
být až 10x nižší než pro As (III). Efekt oxidačního stavu na analytický signál může být snížen
nebo eliminován prodloužením reakční doby, vyšší koncentrací NaBH4 a příp. měřením
34
integrální absorbance. Když není vyžadována maximální citlivost stanovení, tak může být
úprava vzorku zvolena jako oxidační rozklad, kdy veškerý As je ve formě As (V).
Pro měření je preferován As (III), a proto je požadována předredukce. Jodid (K nebo Na)
je typické předredukovadlo As (V) na As (III)
H3AsO4 + 3 I+
2 H3O+
= H3AsO3 + I3
+
3 H2O.
Široce se používá KI v 5 M HCl. Vyšší koncentrace HCl je upřednostněna pro rychlejší
předredukci jodidem. Za těchto analytických podmínek je také rušení přechodných prvků ve
velkém přebytku sníženo. Rychlost a úplnost vratné reakce závisí na koncentraci I,
aciditě
vzorku, teplotě, matrici vzorku a přítomnosti oxidovadel v mineralizátu vzorku. Někdy se
používají směsná předredukovadla pro zlepšení provedení. Směs KI-kyselina askorbová
(0,1-5%) redukuje vznikající jod a zlepšuje stabilitu vznikajících roztoků. Směs hydroxylamin
hydrochlorid – KI se používá pro analýzu kyselých mineralizátů/výluhů pro lepší toleranci
k oxidovadlům a k ostatním interferentům [1]. Jak vysoký obsah kyseliny, tak KI sám
představují problém, zvláště když se pracuje s velkými objemy v dávkovém systému. Z tohoto
důvodu se jako předredukční činidlo doporučuje také L-cystein. Kromě toho lze použít také
thiomočovinu, sulfid sodný nebo TiCl3.
9. Úprava vzorku
Příprava vzorku je určitě nejkritičtější částí stanovení arsenu. As se může ztrácet během
rozkladu organické matrice nebo rozpouštění pevných vzorků ve formě halidů (AsCl3, AsF3),
hydridů a organokovových sloučenin arsenu. Proto jsou při rozkladu nutné silné oxidační
podmínky až všechny sloučeniny arsenu jsou zoxidovány na arseničnan a převedeny do
roztoku. Po rozkladu se arsen pro HGAAS stanovení převede redukcí na trojmocný. Avšak
některé organoarsenové formy (DMA, arsenobetain) jsou extrémně odolné k mokré oxidaci.
Protože tyto formy jsou přítomné v mořské flóře a fauně, v kalech a sedimentech, v moči,
v mnoha environmentálních vodách, mohou zůstat podceněny při přímém stanovení HG
technikou v těchto neupravených nebo neúplně rozložených vzorcích. Např. běžné mokré
rozklady s HNO3 v otevřených nebo tlakových nádobkách nestačí při analýze moči, mořských
potravin, a občas i u jednodušších matricí (vlasy). HNO3 nerozloží MMA, DMA, arsenobetain,
fenylarsonovou kyselinu. Ovšem rozklad s HNO3 může být dokončen např. se směsí HNO3HClO4-H2SO4
[7].
Řada uváděných postupů přímého HGAAS stanovení arsenu ve vodách se vyznačuje
nedoceněním celkového obsahu arsenu. Hodně autorů získalo vyšší výsledky celkového
obsahu při některých úpravách vzorků jako mokrý rozklad nebo UV ozáření vzorků vod. To
platí zejména pro vzorky obsahující organicky vázaný arsen, jako odpadní vody a mořské
vody. DMA (méně MMA) vykazuje mnohem nižší signál při přímém stanovení. Tyto rozdíly
se více projevují s FIA systémem a u kontinuálního systému než u dávkového systému.
Fenylarsonát, arsenobetain a jiné tzv. „skryté“ sloučeniny arsenu (např. v pobřežních vodách)
netvoří vůbec žádný hydrid.
Jako zvláště účinný se ukázal rozklad s HNO3-HClO4, jakož i suché spalování s MgOMg(NO3)2.
Protože však práce s HClO4 je spojena s určitým nebezpečím, používá se méně.
Při stanovení arsenu s využitím suchého spalování nebyly pozorovány žádné ztráty.
Alternativou slouží odkuřování s H2SO4-H2O2. Některé postupy spoléhají na přídavky
katalyzátorů jako Mo(VI), V(V) nebo silných oxidovadel jako K2Cr2O7, KMnO4 nebo K2S2O8.
Uvádí se, že alkalický peroxodisíran je účinnější než kyselé roztoky tohoto činidla [8,9]. Do
postupů se zahrnují mokré rozklady s HNO3-HClO4-H2SO4, HNO3-H2SO4-K2Cr2O7, K2S2O8,
přestože roste slepý pokus, mez detekce a náklady [8,10-12]. Slibné přístupy pro on-line
předúpravu vzorku jsou UV fotooxidace a chemické působení alkalickým roztokem K2S2O8,
ale obě techniky jsou ještě zdokonalovány [8,9,13,14]. Pro stanovení tzv. „skrytého“ arsenu
35
v pobřežních vodách se ukazuje být postačující postup s UV ozářením, který je také
použitelný pro stanovení arsenu v říční vodě.
K nedostatkům hydridové techniky patří, že vyšší obsah jiných hydridotvorných prvků,
jakož i přechodných prvků jako Cu a Ni může rušit. U silněji kontaminovaných vod je proto
nutná opatrnost a případně upřednostnit stanovení AAS s elektrotermickou atomizací
(ETAAS). Potenciálními interferenty v analýze odpadních vod jsou Cu, Co, Ni a vzácné kovy,
některé rozpuštěné plyny (CO2, H2S) a pěnotvorná činidla. Příležitostné kontroly se
standardními přídavky jsou velmi vhodné.
II. Vlastní metoda stanovení
Metoda byla vypracována především na základě ČSN EN ISO 11969 – Jakost vod –
Stanovení arsenu - Metoda atomové absorpční spektrometrie (technika hydridů). Ta je
identická s evropskou normou EN ISO 11969; 1996. Kromě toho byly použity přístupy
uvedené v literatuře a využívané v laboratořích zabývajících se stanovením arsenu.
1. Oblast použití
Metoda je vhodná pro stanovení arsenu, i organicky vázaného, v pitných, podzemních
a povrchových vodách, v koncentračním rozsahu od 1 µg l-1
do 20 µg l-1
As. Při vyšších
koncentracích je nutno vzorek vhodně ředit.
2. Princip metody
Metoda je založena na měření absorpce atomů arsenu vzniklých tepelným rozkladem
AsH3. Za podmínek stanovení je na hydrid kvantitativně převáděn pouze As (III). Aby
nedocházelo k chybám stanovení, je nutné před stanovením převést ostatní oxidační formy
arsenu na trojmocný arsen. Ten se redukuje na plynný hydrid AsH3 reakcí
s tetrahydridoboritanem sodným v prostředí kyseliny chlorovodíkové. Absorbance se měří při
vlnové délce 193,7 nm.
3. Chemikálie
• Kyselina chlorovodíková konc., ρ = 1,18 g ml-1
.
• Zředěná kyselina chlorovodíková, 1 díl HCl + 9 dílů vody.
• Kyselina dusičná konc., ρ = 1,40 g ml-1
.
• Tetrahydridoboritan sodný, 0,8% roztok. Asi ve 20 ml vody se rozpustí 0,055 g hydroxidu
sodného a přidá se 0,8 g NaBH4. Roztok se doplní vodou na 100 ml. Připravuje se v den
použití.
• Jodid draselný (KI), 20% (m/v) vodný roztok.
• Kyselina askorbová, 10% (m/v) vodný roztok.
• K2S2O8, 4% (m/v) roztok ve 4% (m/v) NaOH.
• Standardní roztok As(III), 1000 mg l-1
As. K 1,320 g As2O3 v 1 l odměrné baňce se přidají
2 g NaOH a vše se rozpustí v malém objemu vody. Objem baňky se doplní vodou po rysku.
Roztok je stálý nejméně jeden rok.
• Zásobní roztok As(III) I, 10 mg l-1
As. Do odměrné baňky na 100 ml se odpipetuje 1 ml
standardního roztoku As(III) o koncentraci 1000 mg l-1
As. Po přidání 2 ml konc. HCl se
objem doplní vodou po rysku. Roztok je stálý jeden měsíc.
• Zásobní roztok As(III) II, 0,1 mg l-1
As. Do odměrné baňky na 100 ml se odpipetuje 1 ml
zásobního roztoku As(III) I o koncentraci 10 mg l-1
As. Po přídavku 2 ml konc. HCl se
objem doplní vodou po rysku. Roztok se připravuje v den použití.
36
4. Přístroje a pomůcky
• Atomový absorpční spektrometr Perkin-Elmer, vybavený hydridovým systémem,
korektorem pozadí a vhodným zdrojem záření (bezelektrodová arsenová výbojka, výbojka
s dutou katodou).
Příprava přístroje k měření
Po zapnutí spektrometru se nastaví tyto parametry: vlnová délka 193,7 nm,
propouštěný spektrální interval 0,7 nm, napájení bezelektrodové výbojky 8 W, příp. 16 mA
pro výbojku s dutou katodou, čtení průměrného signálu v intervalu 2 s, příp. 5 s. Poloha
absorpční trubice se optimalizuje na maximální propustnost světelného paprsku.
Hydridový systém (schéma obr. 2)
Roztoky vzorků a roztok NaBH4 jsou čerpány odděleně pomocí kapilár
a peristaltického čerpadla. Pomocí T kusu jsou oba roztoky smíchány a vedeny reakční
kapilárou k dalšímu T kusu. Na ten je napojen nosný plyn argon, který přivádí vznikající
hydridy do separátoru fází. Průtok argonu se nastaví pomocí průtokoměru jehlovým ventilem.
Kapalina ze separátoru fází je odváděna pomocí peristaltického čerpadla do odpadu. Plynná
fáze přechází přes membránu v separátoru do atomizátoru - křemenné T trubice, vyhřívané
pomocí mikroprocesorové jednotky.
Obr.2. Schéma hydridového systému.
Obsluha peristaltického čerpadla Ismatec
Čerpadlo se zapíná/vypíná zeleným tlačítkem on/off. Vlastní čerpání kapaliny se
zapíná a vypíná stlačením červeného tlačítka RUN/STOP. Čerpadlo je nastaveno na průtoky
1,2 ml min-1
pro hadičku o vnitřním průměru 0,51 mm a 3,9 ml min-1
pro hadičku o vnitřním
průměru 1,02 mm. V případě změn je třeba postupovat podle návodu výrobce.
Obsluha a nastavení mikroprocesorové řídící jednotky (obr. 3).
Vyhřívání bloku zařízení AEHT 01 se spustí zapnutím hlavního vypínače (ON).
Červená dioda (HEAT) indikuje, že vyhřívání je zapnuto. Červený knoflík SETTING
37
TEMPERATURE REPRESENTATION přepíná mezi aktuální a požadovanou teplotou
v atomizační trubici, zobrazovanou na displeji TEMPERATURE o
C. Jeho stisknutím
a pomocí potenciometru TEMPERATURE SETTING se nastaví nebo zkontroluje
požadovaná teplota 900 o
C. Pomocí RATE OF FLOW, sloužícímu k nastavení průtoku
vzduchu z vestavěného vzduchového čerpadla se nastaví průtok 25 ml min-1
. Jednotka se
vypíná hlavním vypínačem (OFF). Po vypnutí jednotky bude displej stále zobrazovat teplotu
v atomizační trubici a přístroj se sám automaticky vypne cca po 30 min, kdy dojde k jejímu
ochlazení na okolní teplotu.
• Tlaková láhev s argonem.
• Skleněné nádobí, které se čistí těsně před použitím teplou zředěnou kyselinou
dusičnou (10%) a propláchne redestilovanou vodou.
Obr. 3. Mikroprocesorová řídící jednotka
5. Odběr vzorků
Vzorky se odebírají do polyethylenových vzorkovnic nebo vzorkovnic
z borosilikátového skla, předem vymytých kyselinou dusičnou (např. 10%) a propláchnutých
redestilovanou vodou. Odebraný vzorek se po případné filtraci přes membránový filtr
o velikosti pórů 0,45 µm konzervuje 5 ml HNO3 na litr vzorku vody, pH vzorku musí být < 2.
6. Příprava kalibračních roztoků a roztoku slepého stanovení
Pro koncentrační rozsah 1 µg l-1
až 20 µg l-1
As se dávkuje 0 ml, 1 ml, 5 ml, 10 ml, 15
ml a 20 ml zásobního roztoku arsenu II o koncentraci 0,1 mg l-1
As do řady 100 ml
odměrných baněk. Potom se do každé baňky přidá po 0,5 ml konc. HNO3 a objemy se doplní
vodou po rysku. Roztoky odpovídají koncentracím 0 µg l-1
, 1 µg l-1
, 5 µg l-1
, 10 µg l-1
, 15 µg
l-1
a 20 µg l-1
As. Kalibrační roztoky se připravují denně čerstvé a zpracovávají stejným
způsobem jako vzorek.
Roztok slepého stanovení se připraví odpipetováním 0,5 ml konc. HNO3 do odměrné
baňky na 100 ml a doplněním objemu vodou po rysku. Roztok se zpracuje stejným způsobem
jako vzorek.
7. Předběžná úprava vzorku
Sloučeniny s organicky vázaným arsenem se rozloží UV fotolýzou Je-li známo, že
analyzovaný vzorek neobsahuje organicky vázaný arsen, je v tomto případě dovoleno postup
rozkladu vynechat.
38
Ke 20 ml roztoku vzorku se přidají 3 ml roztoku K2S2O8. Vzorek v křemenné
zkumavce se umístí do zařízení pro UV fotolýzu, případně se použije průtokové zařízení pro
UV fotolýzu. Tento rozklad se provádí po dobu 15 min.
8. Redukce As (V) na As (III)
Před vlastním stanovením je třeba sloučeniny As převést na As (III). Jako redukční
činidlo se používá KI, který má zároveň funkci maskovacího činidla pro potlačení interferencí
Cu, Ag, Hg, Fe (III).
Ke 20 ml nerozloženého vzorku se přidá 2,5 ml konc. HCl a 1 ml roztoku KI. Roztok
se zamíchá a po 15 min se přidá 1 ml roztoku kyseliny askorbové. Takto upravený vzorek
nesmí obsahovat volný jod. V případě vzorku rozloženého s K2S2O8 se přidají 3 ml konc.
HCl a dále se postupuje stejně. Analogicky se upraví kalibrační roztoky a roztoky slepého
stanovení.
9. Pracovní postup
Do kádinky s upraveným roztokem vzorku se vloží kapilára a roztok se nasává
peristaltickým čerpadlem průtokovou rychlostí 3,9 ml min-1
do hydridového systému. Předtím
se průtok nosného plynu argonu nastaví na 50 ml min-1
. Roztoky vzorků (nebo kalibrační
roztoky a roztoky slepého stanovení) se v transportní trase oddělují promývacím roztokem
zředěné kyseliny chlorovodíkové. Druhou kapilárou se současně nasává z kádinky roztok
tetrahydridoboritanu sodného rychlostí 1,2 ml min-1
. Po ustálení signálu se tento zaznamenává.
Postup se opakuje s dalšími roztoky. K výpočtu se použije průměr ze získaných výsledků.
Průměry hodnot slepého stanovení a kalibračních roztoků se používají k sestrojení kalibrační
křivky.
Před vlastním měřením absorbance kalibračních roztoků se pro ustanovení rovnováhy
v generátoru nasává cca 3 min promývací roztok zředěné HCl a roztok NaBH4. Poté se
několikrát krátce nasaje malé množství nejvyššího kalibračního roztoku stanovovaného prvku
a znovu se nasává cca 3 min promývací roztok.
Vlastní měření se provádí s frekvencí vzorkování:
sání vzorku/promývacího roztoku čtení absorbance
45 s vzorek/kalibrační roztok dosažení rovnovážného signálu
20 s, příp. 30 s vzorek/kalibrační roztok 10 x integrace 2 s, příp. 6 x 5 s
10 s promývací roztok proplach systému
10. Výpočet výsledků základním kalibračním postupem a vyjadřování výsledků
Koncentrace arsenu v roztoku se vypočítá srovnáním absorpční odezvy roztoku vzorku
s odezvou roztoků známé koncentrace (kalibračních roztoků), tedy z kalibrační křivky. Do
výpočtu musí být zahrnuty veškeré ředící úkony. Výsledky se vyjadřují v µg l-1
, nejvýše na tři
platné číslice a jedno desetinné místo.
11. Údržba křemenné trubice multiatomizátoru
Při vniknutí kapiček z generátoru hydridů do atomizátoru dochází ke změně
povrchových vlastností vnitřního povrchu křemenné trubice a tím ke zhoršení citlivosti
a přesnosti. Potom je nutné vyloužit vnitřní trubici multiatomizátoru ve směsi koncentrované
HNO3 a koncentrované HF v poměru 7:3 nebo v samotné koncentrované HF po dobu 5-10
min. Poté se trubice pečlivě vypláchne destilovanou vodou a nechá vyschnout. Vysychání
může být urychleno připojením trubice na vakuum [6].
Upozornění: V případě, že reakční směs nedopatřením vnikne do atomizátoru, okamžitě
vypněte vyhřívání. Potom propláchněte multiatomizátor kyselinou tak, jak je uvedeno výše.
V žádném případě nepoužívejte k sušení trubice stlačený vzduch, který by mohl kontaminovat
39
vnitřní povrch trubice. Atomizátor se nesmí dotýkat žádných kovových předmětů, mohlo by
tak dojít ke snížení citlivosti. Nedotýkejte se holýma rukama zahřívaných částí atomizátoru –
stopy alkálií mohou urychlit rozrušování křemenného povrchu.
III. Použitá literatura
1. Welz B., Sperling M.: Atomabsorptionsspektrometrie. Wiley-VCH, Weinheim 1997.
2. Kafka Z., Punčochářová J.: Chem. Listy 96, 611-617 (2002).
3. Anderson R.K., Thompson T., Culbard E.: Analyst 111, 1153-1158 (1986).
4. Dědina J., Matoušek J.: J. Anal. Atom. Spectrom. 15, 301-304 (2000).
5. Dědina J., Tsalev D.: Hydride generation atomic absorption spectrometry. Wiley,
Chichester 1995.
6. Návod k použití zařízení pro atomizaci hydridů AEHT 01. RMI, Lázně Bohdaneč, 2002.
7. Stoeppler M., Apel M.: Fresenius Z. Anal. Chem. 317, 226-227 (1984).
8. Atallah R.H., Kalman D.A.: Talanta 38,167-173 (1991).
9. Cullen W.R., Dodd M.: Appl. Organometall. Chem. 2, 1-7 (1988).
10. Yamamoto M., Fujishige K., Tsubota H., Yamamoto Y.: Anal. Sci. 1, 47-50 (1985).
11. Cox D.H.: J. Anal. Toxicol. 4, 207-211 (1980).
12. Kinard J.T., Gales Jr. M.: J. Environ. Sci. Health A16, 27-50 (1981).
13. Tsalev D.T., Sperling M., Welz B.: Analyst 117, 1735-1741 (1992).
14. Pretorius L., Kempster P.L., Van Vliet H.R., Van Staden J.F.: Fresenius J. Anal. Chem.
342, 391-393 (1992).
40
Stanovení rtuti ve vodách
I. Úvodní část
1. Výskyt rtuti
Sloučeniny rtuti patří mezi nejjedovatější látky. Jejich přítomnost v životním prostředí
má neblahé účinky na všechny živé organismy. Různé formy tohoto prvku (anorganické
i organické) se do prostředí dostávají z přírodních i antropogenních zdrojů. Zastoupení rtuti
v přírodě je velmi nízké [1]. Hlavními zdroji rtuti jsou zvětrávání a sopečná aktivita. Kromě
těchto přírodních pochodů hraje stále větší roli průmyslové znečištění. Určitý význam má
i rtuť obsažená ve fosilních palivech. I když je její obsah v uhlí a ropě docela nízký,
významný obsah kovu je pak při spalování uvolněn do atmosféry. Těkavá rtuť, která je
produktem inhalací, zvětrávání a sopečné činnosti, je z atmosféry vymývána srážkami
a hromadí se ve vodách a půdách. Sem se také dostává z průmyslových vod. Velká část rtuti
reaguje za vzniku nerozpustných sloučenin, např. HgS a HgSe. V sedimentech dochází
k alkylaci anorganických forem rtuti za vzniku organokovových sloučenin, které se kumulují
v organismech a zasahují potravní řetězec. V této formě rtuť nejčastěji vstupuje do lidského
těla [1,2]. Toxické účinky sloučenin rtuti jsou dány jejich molekulovou strukturou, stabilitou,
cestami biotransformace a rychlostí vylučování. Rtuťnaté sloučeniny poškozují ledviny
a střevní trakt. Díky vysoké afinitě k SH-skupinám jsou ochotně absorbovány erythrocyty
a bílkovinami plazmy. Páry rtuti jsou rozpustné v tucích, při vdechnutí způsobují bolest hlavy,
zánět močového měchýře a ztrátu paměti. Z organokovových sloučenin rtuti se v životním
prostředí nejčastěji objevují halogenidy methylrtuti, které jsou přibližně 10x toxičtější než její
anorganické formy. Jsou neurotoxické a mají silnou tendenci se bioakumulovat v potravních
řetězcích, zvláště ve vodních ekosystémech [3,4]. Methylrtuť je rozpustná v tucích, po
vstřebání v trávicím traktu vstupuje do krve, z níž se dostává do mozku. V membránových
proteinech a enzymech se váže na SH-skupiny a způsobuje tak nevratné poškození
centrálního nervového systému. Vysoká koncentrace methylrtuti způsobuje u těhotných žen
poškození plodu [1].
2. Obsah rtuti ve vodách
Obsah rtuti ve vodách je různý pro různé druhy vod. Celková koncentrace rtuti ve
vodách se pohybuje v rozmezí 0,2 – 100 ng l-1
, v některých případech může být ještě nižší.
Podle vyhlášky MZČR č. 252/2004 Sb. je nejvyšší mezní hodnota rtuti v pitné vodě 1 µg l-1
.
Obsah rtuti ve vodách oceánů se liší od obsahu tohoto prvku v říčních a sladkých vodách.
V oceánech může být nižší než je mez detekce metod obvykle používaných při jejím
stanovení (0,1 µg l-1
). Ve sladkých vodách se koncentrace rtuti pohybuje v rozmezí
0,5 -100 ng l-1
[5]. Povrchová voda v neznečištěných oblastech obsahuje přibližně 20 ng l-1
rtuti, podzemní voda 10 – 50 ng l-1
a vody řek protékajících průmyslovými oblastmi mohou
obsahovat až 1 µg l-1
rtuti.
3. Stanovení rtuti AAS
Rtuť ve vzorku lze stanovit různými technikami atomové absorpční spektrometrie
(AAS), které se navzájem liší citlivostí a způsobem atomizace vzorku. Jsou to plamenová
AAS, AAS s elektrotermickou atomizací, metoda studených par (CVAAS) a termooxidační
metoda. Pro stanovení rtuti se využívá měření absorpce záření na rezonanční čáře rtuti
253,7 nm. Analýza vzorků s nízkým obsahem rtuti se provádí především metodou studených
par a termooxidační metodou. K absorpci záření v těchto případech dochází v průtokových
absorpčních kyvetách [1,2]. Pro stanovení rtuti využívající termooxidační rozklad vzorku
s následným zachycením rtuti v amalgamátoru byly vyvinuty speciální analyzátory, TMA 254
41
(1985) a AMA 254 (1990) české výroby (Altec). Podle normy TNV 75 7440 je možné
stanovit rtuť ve vodách pomocí analyzátorů AMA a TMA o koncentraci od 0,2 µg l-1
do
50 µg l-1
. Stanovení nižších koncentrací rtuti než 0,2 µg l-1
je možné po zkoncentrování
vzorku opakovaným dávkováním a odpařením vzorku přímo v dávkovacím zařízení
systému [6].
4. Metoda studených par v AAS
Ke stanovení rtuti AAS se nejčastěji používá metoda studených par. Je to redukčněvyvíjecí
metoda pro vydestilování rtuti z roztoků a využívá toho, že rtuť má jako jediný kov
dostatečnou tenzi par (0,16 Pa) při 20 °C. Pro AAS je monoatomická pára rtuti získaná
redukcí v roztoku vedena proudem plynu do absorpční průtokové trubice - kyvety, umístěné
do cesty paprsku zdroje záření. Páry rtuti lze vyvíjet v cirkulačním, průtokovém nebo
průtokovém injekčním (FI) systému. Jednoduché aparatury jsou konstruovány na principu
uzavřeného neboli cirkulačního systému. V uzavřeném okruhu se čerpá vzduch přes reakční
nádobu a absorpční kyvetu. Po asi 1 minutě od přidání redukčního činidla se ustaví rovnováha
mezi koncentrací rtuti ve vodné fázi a v plynné fázi. Hodnota rozdělovací konstanty je 0,4 a je
nezávislá na většině proměnných, jako je koncentrace rtuti, procentový obsah fází (rozmezí
poměru vzduch:voda 1:3 až 4:1) a koncentrace kyseliny (HCl nebo HNO3). Konstanta závisí
na koncentraci H2SO4 a teplotě roztoku (vyšší koncentrace kyseliny a teplota zvyšují
koncentraci rtuti v plynné fázi) [2]. Při postupu s cirkulací par dosahuje absorpční signál
konstantní hodnoty [2]. Dalším používaným systémem je technika bez cirkulace par, tzv.
průtoková metoda, ve které páry jednorázově procházejí kyvetou. Získaný dynamický signál
má tvar asymetrického píku.
V poslední době se k vyvíjení par rtuti používají FI systémy (obr.1), ve kterých
dochází k reakci diskrétně dávkovaného objemu vzorku s redukčním činidlem v průtokovém
kapilárním systému a s oddělením par rtuti v separátoru fází. Potom často následuje
zkoncentrování pomocí amalgamace např. v elektrotermickém atomizátoru na platformě
pokryté Ir se záchytem při 160 °C a atomizací při 2100 °C, na Ir výstelce, na grafitu pokrytém
Au se záchytem při 20 °C a atomizací při 700 °C, a na Au/Pt síťce. Páry rtuti jsou vedeny do
atomizátoru teflonovou kapilárou a křemennou špicí [7].
5. Postupy redukce
Redukci Hg2+
v roztoku lze provést SnCl2 v kyselém prostředí, formaldehydem
v alkalickém prostředí, kyselinou askorbovou (pH = 11), cínatanem sodným, hydrazinem
nebo NaBH4. Nejčastěji používanými redukčními činidly jsou SnCl2 a NaBH4 [8,9]. Při
použití chloridu cínatého je vzorek probubláván inertním plynem nebo vzduchem a rtuť se
vytěsní z roztoku. Při reakci s NaBH4 v kyselém prostředí dochází k uvolňování vodíku, který
spolu s proudem inertního plynu transportuje většinu kovové rtuti z roztoku do absorpční
kyvety. NaBH4 lze použít pouze v systému bez cirkulace par, v uzavřeném systému by vlivem
velkého objemu uvolněného vodíku docházelo ke značnému zvýšení tlaku [2]. V některých
matricích je však citlivost vůči NaBH4 různá. Zatímco anorganická rtuť je přímo redukována
na elementární rtuť, methylrtuť při nízkých koncentracích tetrahydridoboritanu poskytuje jako
meziprodukt hydrid methylrtuti, a teprve při vyšší koncentraci NaBH4 se redukuje na rtuť.
Protože SnCl2 v kyselém prostředí neredukuje organicky vázanou rtuť, lze jeho účinkem
stanovit pouze obsah anorganické rtuti ve vzorku. Pro stanovení celkového obsahu rtuti je ve
všech případech vyžadována mineralizace vzorku. Mineralizace organických forem rtuti se
provádí použitím kombinace silné kyseliny a oxidačního činidla (H2O2, K2Cr2O7, KMnO4,
K2S2O8), příp. zvýšené teploty, UV nebo mikrovlnného záření [10].
42
Obr.1. Schéma FI systému generování studených par (převzato z [7]).
6. Prekoncentrační postupy
Nutnost stanovit rtuť v nejnižších koncentracích vede k vývoji obohacovacích technik.
Mnoho těchto technik je založeno na ušlechtilosti rtuti, díky níž se může elektrochemicky
nebo chemicky vázat např. na měď [2]. Jako nejlepší se ukázala kombinace redukce
a uvolnění rtuti s následnou amalgamací. Tento postup eliminuje vliv rozdělovací rovnováhy
a vliv zředění rtuťového oblaku do velkého objemu použité aparatury. Rtuť se zkoncentruje
ve formě par v malém objemu amalgamační náplně, ze které ji lze po kvantitativním
zachycení pouhým zahřátím náplně opět uvolnit. Náplň, nejčastěji vzácný kov, je ve formě
vrstvy drátků, kovové vaty, gázy nebo filmu na nosiči např. azbestu nebo křemelině.
Nejčastějším způsobem zadržení rtuťové páry je amalgamace na zlatě a stříbře, lze použít také
měď, palladium nebo platinu [9,11]. Páry rtuti mohou být také zachyceny na vrstvě aktivního
uhlí, ve směsi I2 – KI napuštěné do porézní hmoty, koprecipitací s CdS nebo v kyselém
roztoku KMnO4 [2].
Amalgamace na zlatě a stříbře probíhá při teplotě 20 – 100 °C, uvolnění par rychlým
zahřátím při teplotě 500 – 700 °C pro zlato nebo 350 °C pro stříbro. Amalgamační technika
zlepšuje citlivost a mez detekce metody. Vyšší citlivost je dána kvantitativním vydestilováním
rtuti z roztoku a umístěním celého oblaku par rtuti v absorpční průtokové kyvetě. Proto je
nutné dodržovat podmínky pro dobu amalgamace, dobu ohřevu amalgamátoru, průtok plynu
pro vypuzení Hg oblaku a vzdálenost amalgamační trubice od průtokové kyvety [11].
S použitím této techniky se získá vyšší a užší signál než bez použití amalgamace [2].
Pro stanovení nízkých koncentrací rtuti ve vzduchu se používá dvoufázová
amalgamace (obr.2). Jeden amalgamátor je vyhříván pomocí cívky tvořené nichromovým
drátem, druhý analytický zachycovač wolframovou lampou. Mez detekce přístroje je 0,01 ng,
mez detekce metody činí 0,04 ng, což odpovídá 21 ng m-3
Hg ve vzduchu [12].
43
Obr.2. Schéma metody studených par s dvoufázovou amalgamací (převzato z [12])
7. Interference
Páry rtuti obsahují vodní páru, případně i kapičky vody. Voda se odstraní pomocí
vysoušedel. Nejčastěji se k zadržení vody používá Mg(ClO4)2. Výzkumy ukázaly, že vodní
pára neabsorbuje záření na absorpční čáře rtuti. Je však nezbytné, aby se zamezilo tvorbě
větších kapek vody a kondenzaci vody v absorpční kyvetě. Místo použití vysoušedel lze
zahřát kyvetu na 120-200 °C [2]. Chyby při stanovení rtuti mohou být způsobeny neselektivní
absorpcí záření v přítomnosti těkavých organických látek. Tento vliv se z větší části odstraní
ještě před redukcí sloučenin rtuti přídavkem manganistanu a probubláváním inertním plynem
po dobu 10 minut. Vliv lze odstranit použitím korektoru pozadí [8].
Zvláštní pozornost si zasluhuje efekt některých anorganických iontů přítomných
v roztoku v okamžiku redukce. Většina aniontů NO3
,
Cl,
SO4
2,
ClO4
,
F,
PO4
3má
malý vliv.
Bez úpravy vzorku nastává snížení absorpčního signálu v přítomnosti SO3
2,
S2,
S2O3
2,
Br,
Ia
SCN.
Vliv je různý při různých postupech redukce [2]. Některé rušivé vlivy těžkých kovů
a hydridotvorných prvků jsou vyšší při použití NaBH4 než při použití SnCl2. Také při použití
průtokových systémů mohou být rušivé vlivy těžkých kovů menší [8]. Negativní vliv byl také
pozorován v přítomnosti solí palladia, platiny a zlata [2]. Chlorid cínatý působí znečištění
cínem, takže dochází k rušivým vlivům při následném použití tetrahydridoboritanu sodného.
Proto je nezbytné používat při redukci oddělené systémy pro každé redukční činidlo [2,8].
8. Kontaminace a odběr vzorků
Okamžitá analýza vzorků přímo na místě odběru je prakticky proveditelná pouze
v málo případech. Většina vzorků musí být dopravena do laboratoře k následné analýze nebo
se uchovává jako srovnávací vzorky [13]. Během skladování může docházet k procesům
transformace a degradace jednotlivých chemických specií, takže v době analýzy se obsah
specií ve vzorku může významně lišit od obsahu ve vzorku původním. Analytická data pak
neposkytují informace o speciích v původním systému. Zvláště u vod, v nichž je koncentrace
rtuti velmi nízká, představují jakékoliv nepatrné ztráty významnou část z počátečního
množství a výsledky jsou tak zatíženy chybou [14].
Ztráty různých forem rtuti z roztoku mohou být způsobeny adsorpcí na stěnách nádob,
těkavostí rtuti a jejích sloučenin, ale také přeměnou specií rtuti. Přítomnost stopových
množství redukčních činidel (mikroorganismy, huminové kyseliny, nečistoty) v roztoku má za
následek redukci Hg2+
na Hg+
, který spontánní disproporcionací poskytuje Hg2+
a elementární
těkavou rtuť. Procesy přeměny zahrnují vznik těkavých sloučenin nebo vysoce stabilních
44
komplexů rtuti a amalgámů po redukci Hg2+
na Hg0
[14]. Nejsledovanější specie rtuti jsou
methylrtuť a anorganická rtuť. Mezi fyzikální a chemické parametry ovlivňující stabilitu patří
koncentrace specií rtuti, složení matrice, materiál skladovací nádoby, pH vzorku, teplota
a světlo [14]. Ztráty v nádobách jsou vyšší při nízké koncentraci rtuti, především u methylrtuti.
V neokyseleném roztoku s koncentrací methylrtuti 10 µg l-1
došlo po 1 týdnu ke snížení
koncentrace o 10%, po 2 týdnech o 50%, přičemž roztok s koncentrací 100 µg l-1
byl
stabilnější [14]. Ztráty methylrtuti závisí též na iontové síle prostředí. V prostředí 0,5 mol l-1
NaCl dochází k větším ztrátám než v deionizované vodě. Rychlost ztrát klesá v pořadí mořská
voda s bakteriemi – mořská voda – deionizovaná voda [14].
Volba nádoby závisí na jejích povrchových vlastnostech a nečistotách. Jako
nevyhovující materiál se ukazuje polyethylen, ve kterém dochází k rozkladu a přeměně
organicky vázané rtuti na anorganickou formu a k adsorpci či redukci rtuti vlivem přítomnosti
aktivních míst jako jsou uhlíkové radikály, karbonylové skupiny a aditiva (aminy, thioly,
fenolické skupiny). Nevhodné jsou také polypropylen a PVC. Rozporné jsou údaje
o použitelnosti PTFE [2,14]. Nejlepší výsledky vykazuje Pyrex sklo. V poslední době se pro
pitnou a říční vodu doporučuje používat PET (polyethylen tereftalát) láhve, jejichž vlastnosti
se výrazně neliší od PTFE. Jejich výhodou je nízká cena a možnost recyklace [14].
Není jednoznačný názor o vlivu pH na stabilitu solí rtuti. Obecně se však doporučuje
skladovat vzorky při nízkém pH [14]. Mírné zvýšení teploty nemá vliv na stabilitu roztoků,
ale chlazené vzorky vykazují lepší výsledky než vzorky uchovávané při laboratorní teplotě
[14]. Působením UV záření dochází k okamžitému rozkladu methylrtuti, a proto se
doporučuje uchovávat vzorky ve tmě [14]. K zamezení ztrát anorganické rtuti z roztoku je
vhodná kombinace nízkého pH, vysoké iontové síly (omezuje adsorpci na stěny) a oxidačních
činidel (udržují rtuť ve dvojmocném stavu). Jako konzervační činidla lze tedy použít
minerální kyseliny nebo silná oxidační činidla [14]. Vhodným stabilizačním činidlem pro
vzorky vod je přídavek HNO3, HCl a K2Cr2O7, jako méně spolehlivá se jeví stabilizace
pomocí HNO3 a také stabilizace s H2SO4 a KMnO4 [13]. Množství oxidačního činidla by mělo
být nízké, aby se zamezilo kontaminaci vzorku a omezila se zvýšená spotřeba redukčního
činidla.
Je nutné věnovat pozornost také kontaminaci roztoku. Ta může být způsobena rtutí
adsorbovanou ve skle a rtutí v nosném plynu. Doporučuje se používat vysoce čistou
deionizovanou vodu. Nosný plyn bez rtuti lze připravit filtrací za použití teflonové membrány
a vychytávací trubice z křemene s náplní pokrytou zlatem [5]. Všechno skleněné nádobí se
doporučuje namočit do 40% HNO3 na 1 týden, potom umýt deionizovanou vodou a opět
podrobit působení 10% HNO3 po dobu 1 týdne. Nové materiály se čistí saponátem nebo
organickým rozpouštědlem, potom směsí HCl a HNO3 a nakonec deionizovanou vodou.
Materiály se suší v sušárnách s laminárním tokem čistého vzduchu [5].
9. Úprava vzorků vod pro stanovení rtuti
Pro stanovení celkového obsahu rtuti ve vzorku vody metodou studených par je nutné,
aby všechny formy organické rtuti byly převedeny na anorganickou (iontovou) formu.
Nejčastěji se využívá mineralizace vzorku roztokem KMnO4 nebo K2Cr2O7 v H2SO4 [2].
Nadbytek KMnO4 se odstraní přídavkem hydroxylaminu do odbarvení roztoku. Vzorek je
možné alternativně podrobit působení směsi HNO3/H2SO4 s přídavkem V2O5 jako
katalyzátoru nebo HNO3 s přídavkem molybdenanu. Normy ČSN EN 1483 a ČSN EN 12338
doporučují mineralizaci vzorku vody směsí KMnO4, HNO3 a H2SO4 s následným přídavkem
K2S2O8 [8,9]. Tyto normy dovolují i jiné alternativy, jako je mineralizace pomocí ultrazvuku,
mineralizace v autoklávu nebo v mikrovlnné peci. Manganistan a peroxodisíran nemohou být
použity jako oxidační činidlo u vzorků s relativně vysokým obsahem chloridů (např. mořská
45
voda), protože dochází k oxidaci na plynný Cl2. K mineralizaci mořské vody se využívá
fotooxidace UV zářením [2].
II. Metoda stanovení rtuti ve vodách bez zkoncentrování
Metoda byla vypracována především na základě české technické normy ČSN EN 1483
Jakost vod – Stanovení rtuti. Je českou verzí evropské normy EN 1483; 1997. Ze dvou
možných metod, z nichž jedna používá jako redukční činidlo chlorid cínatý a druhá
tetrahydroboritan sodný, byla s ohledem na matrici vzorků vybrána první varianta. Metoda je
vhodná ke stanovení koncentrace rtuti ve vodě, např. v podzemní, povrchové a odpadní vodě,
v rozsahu koncentrací od 0,1 µg l-1
do 10 µg l-1
. Vyšší koncentrace se stanoví po zředění
vzorku.
1. Oblast použití
V přírodních vodách se obecně vyskytují sloučeniny rtuti jen ve velmi nízkých
koncentracích, menších než 0,1 µg l-1
. K úplnému rozkladu všech sloučenin rtuti je nezbytná
mineralizace vzorku. Mineralizace se může vynechat pouze tehdy, je-li jisté, že koncentraci
rtuti lze měřit i bez této předběžné úpravy.
2. Princip metody stanovení rtuti po redukci chloridem cínatým bez zkoncentrování
Jednomocná nebo dvojmocná rtuť se redukuje na elementární formu chloridem
cínatým v kyselém prostředí. Elementární rtuť se z roztoku uvolní probubláváním proudem
vzduchu a páry rtuti se vedou do absorpční kyvety. Absorbance se měří při vlnové délce 253,7
nm pomocí atomového absorpčního spektrometru. Koncentrace rtuti se vypočte z kalibrační
křivky.
3. Chemikálie
• Použitá voda by měla být redestilovaná.
• Kyselina dusičná konc., ρ = 1,40 g.cm-3
• Kyselina sírová konc., ρ = 1,84 g.cm-3
• Kyselina chlorovodíková konc., ρ = 1,16 g.cm-3
• Manganistan draselný, roztok: 5 g KMnO4 se rozpustí ve 100 ml vody.
• Dichroman draselný, konzervační roztok: 5 g K2Cr2O7 se rozpustí v 500 ml HNO3 a zředí
vodou na 1000 ml. (Dichroman draselný je jedovatý, opatrně při manipulaci s tuhou látkou
i s roztoky.)
• Peroxodisíran draselný, roztok: 40 g K2S2O8 se rozpustí v 1000 ml vody.
• Hydroxylamin hydrochlorid, roztok: 10 g NH2OH.HCl se rozpustí ve 100 ml vody.
• Chlorid cínatý, roztok: 5 g SnCl2.2H2O se rozpustí ve 30 ml kyseliny chlorovodíkové.
Roztok se zředí vodou na 100 ml. Doporučuje se odstranit stopy rtuti asi 30 min
probubláváním roztoku dusíkem, příp. vzduchem.
• Zásobní roztok Hg2+
I, c = 100 mg l-1
Hg: k 10 ml standardního roztoku 1,000 g l-1
Hg2+
se
přidá 1 ml konzervačního roztoku a roztok se zředí na 100 ml vodou. 1 ml tohoto roztoku
obsahuje 0,1 mg rtuti. Roztok je stálý nejméně 1 rok.
• Zásobní roztok Hg2+
II, c = 1 mg l-1
Hg: k 1 ml zásobního roztoku I se přidá 1 ml
konzervačního roztoku a roztok se zředí vodou na 100 ml. 1 ml tohoto roztoku odpovídá
1 µg rtuti. Roztok je stálý asi 1 týden.
• Roztok Hg2+
pro přípravu kalibračních roztoků, c = 50 µg l-1
Hg: k 5 ml zásobního roztoku
Hg2+
II se přidá 1 ml konzervačního roztoku a roztok se zředí na 100 ml vodou. 1 ml tohoto
roztoku obsahuje 50 ng rtuti. Roztok se připravuje v den použití.
46
• Zředěná HNO3 pro čištění laboratorního skla: 150 ml koncentrované kyseliny dusičné se
zředí na 1000 ml vodou.
4. Přístroje a pomůcky
• Atomový absorpční spektrometr Perkin-Elmer s deuteriovou korekcí pozadí.
• Zdroj záření pro stanovení rtuti: výbojka s dutou katodou nebo bezelektrodová výbojka.
• Přídavné zařízení pro stanovení rtuti (obr.3):
- průtoková absorpční kyveta uchycená do držáku, který je umístěn do spektrometru
místo hořáku
- vzduchové cirkulační membránové čerpadlo s výkonem 0,6 l min-1
, s hadičkami
z teflonu, silikonu (uzavřený systém)
- skleněné nádobky na 250 ml s plochým dnem a zábrusem
- promývací vsuvka s otvory pro probublávání
- trubice s vysoušedlem Mg(ClO4)2
- trojcestné kohouty
- vychytávací trubice s amalgamační náplní - křemelinou pokrytou zlatem a vrstvou
aktivního uhlí.
• Odměrné baňky, pipety.
Veškeré laboratorní sklo se před použitím čistí zředěnou kyselinou dusičnou a potom
několikrát vyplachuje vodou.
• Dávkovače Dispensette, Brand.
Obr.3. Schéma zařízení pro stanovení rtuti redukcí SnCl2 bez zkoncentrování.
5. Odběr a předběžná úprava vzorků
K odběru vzorků vod se používají vzorkovnice z borito-křemičitého skla (příp.
křemene, polysulfonových (PSU) nebo tetrafluorethylen-hexafluorpropylenových (FEP)
polymerů). Doporučuje se do vzorkovnice před odběrem odměřit 10 ml konzervačního
roztoku a při odběru objem doplnit vzorkem na 1000 ml. Roztok by měl mít pH≈1
a žlutooranžovou barvu.
47
6. Příprava kalibračních roztoků a roztoku pro slepé stanovení
Do sedmi odměrných baněk na 100 ml se postupně napipetuje 0 ml, 1 ml, 2 ml, 4 ml,
6 ml, 8 ml a 10 ml roztoku Hg2+
o koncentraci 50 µg l-1
. Do každé z těchto odměrných baněk
se přidá 1 ml konzervačního roztoku. Objem odměrných baněk se doplní vodou po rysku
a promíchá. Kalibrační roztoky obsahují 0 µg l-1
, 0,5 µg l-1
, 1 µg l-1
, 2 µg l-1
, 3 µg l-1
, 4 µg l-1
a 5 µg l-1
rtuti. Připraví se bezprostředně před každou řadou měření.
Pro slepé stanovení se připraví stejný objem roztoku jako je objem měřených vzorků
a dávkuje se 10 ml konzervačního roztoku na každých 1000 ml redestilované vody. Slepé
stanovení se začleňuje do každé řady analýz.
7. Mineralizace manganistanem draselným a peroxodisíranem draselným
Do 250 ml nádobky se odpipetuje 100 ml stabilizovaného vzorku vody. Opatrně se
přidá 15 ml roztoku manganistanu draselného, 1 ml kyseliny dusičné a 1 ml kyseliny sírové.
Po každém přídavku se směs důkladně promíchá. Po 15 min stání se přidá 10 ml roztoku
peroxodisíranu draselného. Volně uzavřená nádoba se umístí na vodní lázeň a obsah se
mineralizuje 2 hod při 95 °C. Během mineralizace je nutno zajistit přebytek manganistanu
draselného. V případě potřeby se přídavek manganistanu zvýší nebo se postup opakuje
s menším objemem vzorku. Roztok se nechá zchladnout na teplotu laboratoře. Mineralizáty se
analyzují co nejdříve. Stejným způsobem, za použití odpovídajícího objemu vody
a konzervačního roztoku místo vzorku, se zpracuje roztok pro slepé stanovení a také
kalibrační roztoky. Pokud je obsah organických látek ve vzorku nízký je možné koncentraci
manganistanu snížit nebo zvolit alternativní metodu mineralizace, např. pouze s malým
množstvím manganistanu bez zahřívání.
8. Pracovní postup
Po zapnutí atomového absorpčního spektrometru se nastaví tyto parametry: vlnová
délka 253,7 nm, propouštěný spektrální interval 0,7 nm, proud 5 mA pro výbojku s dutou
katodou. Poloha absorpční kyvety se seřídí na maximální propustnost světelného paprsku.
Pokud byl vzorek mineralizován, přidá se bezprostředně před měřením 5 ml roztoku
NH2OH.HCl. Přídavek 5 ml obecně stačí k redukci přebytku oxidačních činidel a k rozpuštění
sraženiny oxidu manganičitého. Pokud se roztok nevyjasní, přidá se další NH2OH.HCl. Potom
se přidají 2 ml roztoku chloridu cínatého a nádobka se okamžitě uzavře promývací vsuvkou.
Zapne se čerpadlo. V uzavřeném systému s cirkulačním čerpadlem prochází vzduch reakční
nádobkou, přes vysoušedlo a absorpční kyvetu tak dlouho, dokud není dosaženo konstantní
hodnoty absorbance. Po ukončeném měření absorbance se přepnou trojcestné kohouty a páry
rtuti jsou z průtokové absorpční kyvety vedeny do vychytávací trubice, aby nedocházelo ke
kontaminaci ovzduší. Po vychytání rtuti (nulová absorbance) se trojcestné kohouty přepnou
do původní polohy, promývací vsuvka se vyjme, opláchne vodou a čerpadlo vypne. Stejným
způsobem jako vzorky vody se měří kalibrační roztoky a roztok pro slepé stanovení.
9. Výpočet výsledků a jejich vyjadřování
Sestrojí se kalibrační křivka a vypočítá rovnice lineární kalibrační funkce.
Koncentrace rtuti cHg ve vzorku v µg l-1
se vypočte podle vzorce:
cHg = [(A – As).VM]/b.Vp
kde A je absorbance vzorku vody, As absorbance roztoku pro slepé stanovení,
b směrnice kalibrační křivky v l µg-1
,
Vp objem vzorku použitý k přípravě měřeného roztoku v ml,
VM objem měřeného roztoku v ml.
Výsledky se uvádějí v µg l-1
a zaokrouhlují na 0,1 µg l-1
, např. 0,6 µg l-1
, 1,0 µg l-1
Hg.
48
III. Metoda pro stanovení rtuti ve vodách po zkoncentrování amalgamací
Metoda byla vypracována především na základě ČSN EN 12338 Jakost vod – Stanovení
rtuti. Je českou verzí evropské normy EN 12338; 1998. Metoda je vhodná ke stanovení rtuti
v podzemních, povrchových i odpadních vodách v koncentracích od 0,01 µg l-1
do 1 µg l-1
.
1. Princip metody stanovení rtuti po redukci chloridem cínatým se zkoncentrováním
amalgamací
Rtuť přítomná ve vzorku se redukuje na elementární formu roztokem SnCl2, a poté se
vede proudem inertního nosného plynu, příp. vzduchu, přes velký povrch ušlechtilého kovu
na který se adsorbuje. Rtuť se uvolní rychlým ohřátím adsorbentu a proudem nosného
inertního plynu vede do absorpční kyvety, kde se měří absorbance při 253,7 nm.
2. Chemikálie
• Při stanovení se používají chemikálie analytické čistoty s nejnižším možným obsahem rtuti.
Pracovní roztoky a kyseliny se připravují stejným způsobem a o stejné koncentraci jako
v kap. II.3. Kalibrační roztoky rtuti se připraví tak, aby odpovídaly koncentraci rtuti
v měřených roztocích v rozsahu 0,05 µg l-1
až 0,5 µg l-1
.
3. Přístroje a pomůcky
Měření se provádí na atomovém absorpčním spektrometru s přídavným zařízením jako
v kap. II.4., pouze navíc je
• amalgamační trubice - křemenná trubice o délce 13 cm s vsunutou 1 cm vrstvou gázy ze
zlata a platiny. Je umístěna do topného zařízení ovládaného ze zdroje. Au/Pt gáza je
v trubici uchycena bodovým zúžením křemenné trubice a smotky z křemenné vaty. Kromě
gázy lze alternativně použít náplň vychytávacích trubic – křemelinu pokrytou zlatem.
• topné zařízení - odporová topná cívka. Amalgamační trubice (φ 5 mm) je v délce 2 cm
omotána 2 x 9 závity odporového drátu (průřez 0,5 x 0,12 mm, 17,9 Ω m-1
) a uchycena
v bezpečnostním krytu. Zdroj umožňuje nastavit délku topného impulsu a příkon do topného
elementu. Po zapnutí zdroje topení se nastaví ovladače času a výkonu (teploty) na příslušné
hodnoty. Při provádění ohřevu se pak sepne spínač puls.
Obr.4. Schéma zařízení pro stanovení rtuti redukcí SnCl2 se zkoncentrováním amalgamací.
49
4. Úprava a odebírání vzorku
Vzorky se odebírají a upravují podle postupu uvedeného v kap. II.5. a II.7.
5. Postup zkoušky
Před měřením se nastaví parametry atomového absorpčního spektrometru a seřídí
absorpční kyveta jako v kap. II.8. Pokud byl vzorek mineralizován KMnO4, odbarví se
přídavkem NH2OH.HCl jako v kap.II.8. Potom se přidají 2 ml roztoku chloridu cínatého,
nádobka se okamžitě uzavře promývací vsuvkou a zapne se čerpadlo. V uzavřeném systému
s cirkulačním čerpadlem prochází vzduch reakční nádobou, přes vysoušedlo, amalgamační
trubici a absorpční kyvetu. Po 4 min. zkoncentrování se vyjme promývací vsuvka, opláchne
vodou, vypne se čerpadlo a přepnou se trojcestné kohouty. Otevře se přívod argonu a po
ustálení průtoku 100 ml min-1
se zachycená rtuť uvolní rychlým 30 s zahřátím náplně na
600 °C spuštěním topného zařízení. Rtuťové páry se převedou proudem inertního plynu do
absorpční kyvety a měří se výška, příp. plocha píku. Z průtokové absorpční kyvety jsou páry
rtuti vedeny do vychytávací trubice, aby nedocházelo ke kontaminaci ovzduší. Před dalším
měřením může být amalgamační trubice z vnějšku chlazena stlačeným vzduchem. Po
ochlazení trubice se průtok argonu vypne a trojcestné kohouty přepnou do původní polohy.
Stejným způsobem jako vzorky vody se měří kalibrační roztoky a roztok pro slepé stanovení.
6. Výpočet a vyjadřování výsledků
Při výpočtu se postupuje stejně jako v kap. II.9. Výsledky se uvádějí v µg l-1
a zaokrouhlují na 0,01 µg l-1
.
IV. Použitá literatura
1. Emteborg H.: Speciation of mercury in enviromental and biological matrices at ultratrace
levels based on capillary gas chromatography and atomic spectrometry. Umea University,
Sweden (1995).
2. Welz B.: Atomabsorptionsspectrometrie. Wiley-VCH Weinheim (1997).
3. Ikingura J.R., Akagi H.: Methylmercury production and distribution in aquatic systems.
Science of the Total Environment 234, 109-118 (1999).
4. Fournier F., Karasov W.H., Kenow K.P., Meyer M.W., Hines R.K.: The oral bioavailability
and toxicokinetics of methylmercury in common loon (Gavia immer) chicks. Comparative
Biochemistry and Physiology Part A 133, 703-714 (2002).
5. Cossa D., Sanjuan J., Cloud J., Stockwell P. B., Corns W. T.: Automated technique for
mercury determination at sub-nanogram per litre levels in natural waters. J. Anal. Atom.
Spectrometry 10, 287- 291 (1995).
6. Odvětvová technická norma vodního hospodářství Jakost vod-stanovení rtuti
jednoúčelovým atomovým absorpčním spektrometrem. TNV 75 7440 (1998).
7. Sinemus H.W., Kleiner J., Radziuk B., Stabel H.H.: Automatisierung und Optimierung der
Quecksilberbestimmung mittels Kopplung von Kaltdampf-Technik und ETAAS. CANAS 93,
657-664 (1993).
8. Česká technická norma, Jakost vod – Stanovení rtuti. ČSN EN 1483 (1997).
9. Česká technická norma, Jakost vod – Stanovení rtuti – Metody po zkoncentrování
amalgamací. ČSN EN 12338 (1999).
10. Segade S. R., Tyson J. F.: Determination of inorganic mercury and total mercury in
biological samples by flow injection-cold vapor-atomic absorption spectrometry using sodium
borohydride as the sole reducing agent. Spectrochim. Acta Part B 58, 797-807 (2003)
11. Kunert I., Komárek J., Sommer L.: Determination of mercury by atomic absorption
spectrometry with cold vapour and electrothermal techniques. Anal. Chim. Acta 106, 285-297
(1979).
50
12. Chang M. J., McDaniel R. L., Naworal J. D., Self D. A.: A rapid method for determination
of mercury in mainstream cigarette smoke by two-stage amalgamation cold vapor atomic
absorption spectrometry. J. Anal. Atom. Spectrometry 17, 710-715 (2002).
13. Štefanidesová V., Seidlerová J., Dvorská P.: Stabilizace standardních roztoků pro
stanovení rtuti metodou AAS. Chemické Listy 96, 117-119 (2002).
14. Li-Ping Yu, Xiu-Ping Yan: Factors affecting the stability of inorganic and methylmercury
during sample storage. Trends Anal. Chem. 22, 245-253 (2003).
15. Komárek J., Červenka R.: Stanovení rtuti a jejích forem technikami AAS a AFS. Skripta
Kurzu AAS pro pokročilé II (2006).
16. Červenka R.: Disertační práce MU (2011).
51
Analýza půd
Tavení vzorků, stanovení SiO2
I. Úvodní část
1. Úvod
Při rozkladu vzorku tavením vzniká analyt a tavenina zcela odlišného fázového složení,
než má původní tuhý vzorek. Navíc je proces tavení a rozpouštění taveniny doprovázen
tvorbou plynných zplodin. Při tavení vznikají nové fáze s převažující krystalickou strukturou,
látky sklovitého charakteru s neuspořádanou nebo mikrokrystalickou stavbou. Rozpouštění
má proběhnout v jedné operaci s minimálními časovými nároky.
Tavení představuje hluboký zásah do struktury analyzovaného materiálu. Ve srovnání
s původní látkou vznikají nové fáze s odlišným složením a strukturou, rozpustné ve vodě nebo
snadno rozložitelné kyselinami. Podle rozpustnosti v tavenině postupně při ochlazování
krystalují jednotlivé nově vytvořené sloučeniny. Utuhlá tavenina tedy nepředstavuje
homogenní hmotu, ale směs krystalů často i s amorfní či kryptokrystalickou složkou. Dochází
k distribuci souboru analyzovaných prvků mezi vznikající tuhé fáze. Podle režimu tavení
i regulace ochlazování taveniny se dá v celém jejím objemu vytvořit sklovitá hmota
s homogenní distribucí všech analyzovaných složek. Jakmile však po určité době dojde
k odskelnění, poruší se homogenita taveniny. Homogenní roztok se dá získat rozpuštěním
celého objemu taveniny v kyselinách.
Proces tavení a vhodný způsob zpracování taveniny má vést k totálnímu rozrušení
původní struktury vzorku a k přeměně i rezistentních tuhých látek na sloučeniny snadno
rozpustné v kyselinách. Tento způsob totální destrukce tuhé fáze je i dnes aktuální, jak
dokazuje stále zlepšované instrumentální vybavení automatických taviček a jejich uplatnění
v analytické praxi.
2. Tavení
Tavidlo nebo směs tavidel se volí podle charakteru vzorku a především s ohledem na
požadovaná stanovení. Tavení se používá pro rozklad geomateriálů, minerálních
i organických půd. Vzniklá tavenina se rozpouští v kyselinách. U vzorků půd a jílů předchází
tavení mineralizace organických látek na suché cestě. Jako tavidla se používají Na2CO3,
K2CO3, CsCO3, Na2O2, NaOH, KOH, K2S2O7, LiBO2, Li2B4O7, nejčastěji však Na2CO3
a v poslední době též směs LiBO2 a Li2B4O7.
Tavení s alkalickými uhličitany patří v silikátové analýze k nejstarším a nejvíce
oblíbeným způsobům rozkladu. Tato tavidla se osvědčila zvláště při rozborech materiálů
s vysokým obsahem oxidu křemičitého. Jako tavidla se používají v analytických laboratořích
nejčastěji uhličitan sodný nebo sodnodraselný, zřídka též čistý uhličitan draselný. Uhličitan
lithný nebo cesný slouží jako tavidlo pouze ve vyjímečných případech. Způsob aplikace
uvedených tavidel se obvykle řídí požadavky finální analytické metody. Jednotlivá tavidla se
liší teplotou tání, což souvisí nejen s jejich specifickými účinky, ale též s teplotou termické
disociace tavidla.
Při termickém rozkladu se uvolňuje alkalický oxid a oxid uhličitý:
Me2CO3 ↔ Me2O + CO2
Uhličitan lithný, podobně jako cesný, začíná odštěpovat oxid uhličitý již při 600 o
C, uhličitan
sodný nad 900 o
C a draselný až při 950 o
C. V atmosféře oxidu uhličitého se tyto hodnoty
posunují k vyšším teplotám.
52
Tepelná stabilita tavidla ovlivňuje nejen volbu nádob, ale i efektivitu celého procesu.
Uvolněný alkalický oxid zvyšuje korozi obvykle používaných platinových kelímků. Koroze
se též zvyšuje s rostoucí teplotou taveniny i dobou rozkladu. Míra koroze souvisí též se
složením analyzovaného materiálu i s přídavkem oxidačních činidel k tavidlu. Při zvýšeném
podílu oxidantů se tavení provádí v niklových kelímcích nebo miskách. Tavení s přídavkem
alkalického dusičnanu snižuje, zvláště v plameni plynového hořáku, redukci a interakci
sloučenin železa se stěnami platinových nádob (legování).
Protože většina tavidel obsahuje i zájmové prvky (Na, K, Cs), volí se také jako tavidlo
boritany. Boritany představují tavidla se specifickými vlastnostmi, která nemají oxidační
účinky. Boritany tají za vzniku silně viskózních tavenin, které podle způsobu chlazení tuhnou
na krystalické nebo sklovité struktury, na rozdíl od uhličitanů s lehce tekutými taveninami.
Proces tavení probíhá v krátkém časovém intervalu a zpravidla nedochází k uvolňování plynů.
Převedení taveniny do roztoku však trvá déle než u uhličitanů, protože boritany více přilnou
ke stěnám nádob a v kyselinách se rozpouštějí pomaleji. Tavení s boritany litnými je nyní
hodně rozšířené. Při rozkladu tavením je limitujícím faktorem nízká navážka, která vyžaduje
dokonalou homogenizaci a velmi jemné pomletí tak, aby vzorek prošel sítem o délce oka 0,25
mm. Postup rozkladu půd tavením s boritanem lithným je zahrnut do souboru ISO norem
(ISO 14869-2). Je určen pro následné stanovení Na, K, Mg, Ca, Ti, Mn, Fe, Al a Si. Přítomné
organické látky se odstraňují, aby se zamezilo redukci na kovy. Vzorek se taví se směsí
tetraboritanu lithného a metaboritanu lithného a tavenina se rozpustí ve zředěné kyselině
dusičné.
Spalování organických látek ve 200 mg vzorku probíhá v kelímcích umístěných do
pece s postupným zvyšováním teploty na 450 °C v průběhu 1 hod a při této teplotě 3 hod.
Následné tavení vzorku se provádí v platinovém nebo grafitovém kelímku s 5-7 násobkem
směsi tetraboritanu lithného a metaboritanu lithného (1+4) při 1 000 - 1 100 °C do roztavení
boritanů a rozpuštění vzorku po dobu asi 10-30 min. Přednost je dávána kelímkům ze slitiny
platiny a zlata (95:5). Teplota tání Li2B4O7 je 915 °C a LiBO2 845 °C. Tavenina se rozpouští
ve 200 ml 0,5 mol l-1
kyseliny dusičné za intenzívního míchání (zpravidla 20-30 min). Roztok
je stálý nejdéle 3 dny, později může docházet k hydrolýze nebo polymeraci a vysrážení.
3. Nádoby z platiny
Platinové kelímky a misky patří k vybavení laboratoří. Teplota tání čisté platiny je
1772 o
C. Materiál nádob obsahuje kromě platiny vždy příměs ostatních platinových kovů,
zejména palladia a rhodia. Stejné kelímky a misky slouží bez jakékoliv úpravy jejich povrchu
a struktury analytikům po dobu několika generací. Ale i takový rezistentní materiál se
v dlouhodobé časové periodě mění. Mikrostruktura nádob závisí na technologii jejich výroby
a při aplikaci různých technik rozkladu podléhá však pozvolna zjevné i skryté destrukci. Při
střídavém zahřívání na vysoké teploty materiál rekrystalizuje a stěny se stávají poréznější. To
umožňuje průnik tavenin i roztoků intergranulárními cestami hlouběji do materiálu jejich stěn.
Míra rekrystalizace se dá omezit vnášením tzv. disperzoidů. Přídavek ve formě kovového
zirkonia k platině se technologickým zpracováním převádí na oxid a rozptyluje do
intergranulárního prostoru. Tím se nejen brzdí rekrystalizace materiálu, ale též se zlepšují
jeho mechanické vlastnosti. Přitom se zabraňuje deformaci stěn opakovanými teplotními
změnami. Podobně působí i příměs iridia. Během dlohodobého používání v analytických
laboratořích jsou platinové misky i kelímky narušovány legováním nečistot a jejich difuzí do
hlubších vrstev. Nádoby se tak stanou hlavním zdrojem kontaminantů, které postupně
přecházejí do reakční směsi. Např. v kelímcích, ve kterých se rozkládají silikáty kyselinou
fluorovodíkovou proniká tato kyselina intergranulárním prostorem rekrystalovaných nádob
dovnitř stěn. Tyto nádoby nejsou, ani po důkladném vyčištění, vhodné pro stanovení
submiligramových množství fluoridů. Ani po několikanásobném čištění platinové nádoby
53
tavením s hydrogensíranem draselným a po opakovaném loužení vyžíhaného kelímku ve
zředěné kyselině chlorovodíkové neklesá obsah legovaného železa ve stěnách tak, aby bylo
možné stanovení jeho stopového množství.
Použité platinové nádoby se nesmí čistit kyselinou chlorovodíkovou s přídavkem
oxidačních činidel. Přitom se uvolňuje aktivní chlor podobně jako při působení lučavky
královské. V analytických laboratořích se pro čištění nádob obvykle používá zředěná kyselina
chlorovodíková po periodickém žíhání kelímku nebo misky v oxidační atmosféře. Míra
znečištění nádob závisí na způsobu jejich předchozího použití. Po rozborech značně
komplikovaného materiálu, kde se kombinuje kyselinový rozklad s tavením nerozloženého
podílu, je čištění náročnější. Účinná je i tavenina uhličitanu sodného s tetraboritanem sodným
v hmotnostním poměru (3+1), která rozpouští oxidické filmy na stěnách platinových nádob.
Rychlejší, ale ne vždy účinný, je hydrogensíran draselný. Míra koroze stěn kelímku silně
závisí na jejich kvalitě. Ztráta hmotnosti nádoby činí řádově desetiny miligramu platiny.
Zvyšuje se s dobou interakce vzorku s nádobou, s agresivitou tavidla i teplotou tavení.
Alkalicko-oxidační tavidla (uhličitan sodný nebo draselný s přídavkem alkalického dusičnanu
nebo peroxidu sodíku) atakují stěny nádob zvláště při prodloužené reakční době. Musí se
kontrolovat teplota taveniny a snižovat reakční doba na nezbytné minimum. Tavení
s alkalickými hydroxidy vede k destrukci platinových nádob, a proto je nepřípustné.
II. Stanovení SiO2 v půdách a silikátech
1. Princip
Navážený vzorek se rozloží vytavením s uhličitanem sodným. Tavenina se vylouží
vodou, rozpustí ve zředěné kyselině chlorovodíkové, oxid křemičitý se vyloučí odpařením
k suchu a stanoví vážkově. Před rozkladem půd tavením se nejprve spálí v peci organické
látky.
Stanovení oxidu křemičitého má za základ vylučování gelu kyseliny křemičité
dehydratací z roztoku kyseliny chlorovodíkové. Vyloučený podíl kyseliny křemičité, ve formě
gelu SiO2 . x H2O, se odfiltruje. Sraženina v platinovém kelímku se po vysušení a vyžíhání
převede na oxid křemičitý v tzv. „surovém stavu“ a ten se v kelímku zváží.
Oxid křemičitý se odstraní odkouřením s kyselinou fluorovodíkovou a sírovou za
zvýšené teploty ve formě těkavého fluoridu křemičitého a po vyžíhání se kelímek s odparkem
opět zváží. Z rozdílu hmotností je zjištěna hmotnost přečištěného oxidu křemičitého, která se
použije k výpočtu jeho obsahu v analyzovaném vzorku.
2. Chemikálie
• Kyselina chlorovodíková konc., 1+1, 1%
• Kyselina sírová zředěná 1+4
• Kyselina fluorovodíková konc.
• Uhličitan sodný bezvodý
• Dusičnan sodný
3. Provedení
1 g vzorku se naváží do platinového kelímku. Jedná-li se o jíl, opatrně se vyžíhá na
Mékerově kahanu za účelem odstranění organických látek. Ve vzorcích půd se spálí organické
látky v peci. U živců, pegmatitů a vyvřelých hornin je žíhání vzorků zbytečné. Po vychladnutí
se ke vzorku přidá 10 g uhličitanu sodného a 0,1 g dusičnanu sodného. Obsah kelímku se
důkladně promíchá skleněnou tyčinkou nebo platinovým drátkem a převrství malým
množstvím (0,5 g) uhličitanu sodného. Kelímek se přikryje platinovým víčkem a pozvolna se
zahřívá v plameni Mékerova kahanu nebo v elektrické peci, až dojde k natavení směsi. Pak se
54
teplota zvýší (900-950 o
C) a obsah kelímku se úplně roztaví. Po ukončení vývoje reakčních
plynů se tavenina udržuje za občasného promíchávání krouživým pohybem v tekutém stavu
a na závěr rozkladu se opět krouživým pohybem přenese na stěnu kelímku.
Pro stanovení obsahu oxidu křemičitého a hlavních složek se po skončeném tavení
kelímek nechá vychladnout, utuhlá tavenina se i s kelímkem přenese do porcelánové
odpařovací misky a vyluhuje horkou vodou. Po úplném rozpadu taveniny se kelímek vyjme,
opláchne a pod sklíčkem se přidává konc. kyselina chlorovodíková, až roztok přestane šumět,
v nadbytku ještě asi 5 ml. Rychlost rozpouštění závisí na dokonalém rozpadu taveniny.
Kelímek se přežíhne a případně vzniklý oxidický modrošedý nálet na stěnách vyžíhaného
kelímku se rozpustí malým množstvím kyseliny chlorovodíkové a přidá se k roztoku
v odpařovací misce. Tento roztok se zahřeje, aby se vypudil oxid uhličitý a po opláchnutí
víčka se odpaří na vodní lázni, pískové lázni nebo pod infralampou do sucha. Odparek se
ovlhčí konc. kyselinou chlorovodíkovou, vzniklé krystaly se rozdrtí a obsah misky se znovu
odpaří do sucha.
Miska s odparkem se vloží do sušárny, kde se ponechá při teplotě 110 o
C asi půl
hodiny. Po vychladnutí se odparek ovlhčí asi 5 ml konc. kyseliny chlorovodíkové, nechá stát
5-10 minut, přilije se asi 100 ml horké vody a důkladně promíchá tyčinkou. Asi po 5-10
minutách se odfiltruje vyloučený oxid křemičitý (filtrem střední hustoty), který se promyje 3x
dekantací horkým 1% roztokem kyseliny chlorovodíkové a nakonec na filtru důkladně horkou
vodou. Filtrát se jímá do 250 ml odměrné baňky. Filtr s vyloučeným oxidem křemičitým se
spálí v původně použitém platinovém kelímku, který byl po vyčištění přežíhán a zvážen.
Kelímek se zakryje cca z poloviny platinovým víčkem a filtrační papír se zpopelní nejprve
nad oxidačním plamenem Mékerova kahanu a poté se zpopelnění filtračního papíru a vyžíhání
sraženiny dokončí žíháním 2-4 hodiny v elektrické peci při 1000 o
C. Po vychladnutí
v exsikátoru se kelímek s SiO2 zváží. Žíhání a vážení se opakuje do dosažení konstantní
hmotnosti. Zjištěná hmotnost se zaznamená.
K vyžíhané sraženině v kelímku se přidají 2 ml kyseliny sírové (65%) a 5 ml kyseliny
fluorovodíkové (38%) a kelímek se zakryje víčkem. Po rozpuštění sraženiny se reakční směs
zvolna odkouří na topné desce nebo pískové lázni k suchu, kelímek s odparkem se opatrně
přežíhne nad oxidačním plamenem Mékerova kahanu, až ustane vývoj plynných reakčních
produktů a vyžíhání se dokončí v elektrické peci při 1200 o
C do konstantní hmotnosti. Po
vytemperování na laboratorní teplotu v exsikátoru se kelímek se zbytkem zváží a zjištěná
hmotnost se zaznamená.
4. Výpočet
Obsah SiO2 se vypočítá v procentech podle
w(SiO2) = 100 . ms/mv
kde w(SiO2) je obsah SiO2 ve vzorku (%)
ms hmotnost SiO2 v kelímku (g)
mv hmotnost vzorku (g)
III. Použitá literatura
1. Křesťan V. a autorský kolektiv: Analýza skelných materiálů a surovin pro jejich výrobu.
Práh (2011).
2. Weiss D. a kol.: Metody chemické analýzy silikátových hornin. ÚÚG Praha (1973).
3. Weiss D. a kol.: Metody chemické analýzy nerostných surovin. ÚÚG Praha (1983).
4. Zbíral J. a kol.: Jednotné pracovní postupy. Analýza půd II. Ústřední kontrolní a zkušební
ústav zemědělský. Brno (2011).
55
Stanovení rizikových prvků v půdách
I. Úvodní část
1. Úvod
Do skupiny cizorodých látek v životním prostředí se zahrnují v zemědělských půdách
tzv. rizikové prvky, mezi které patří arsen, kadmium, kobalt, chrom, měď, rtuť, thalium,
molybden, nikl, olovo, zinek a někdy i vanad a beryllium. Jsou často označovány jako těžké
kovy nebo potenciálně nebezpečné prvky.
2. Stanovení celkových obsahů rizikových prvků
Pro stanovení celkových obsahů rizikových prvků se používají rozklady vzorků, které
probíhají zpravidla v oxidačním prostředí. Tím dojde k mineralizaci organických látek.
Mineralizace probíhá spalováním organických látek na suché cestě nebo za použití kyseliny
dusičné na mokré cestě. Silikáty se odstraní odkouřením s kyselinou fluorovodíkovou.
Fluoridy se převedou do roztoku kyselinou boritou. Tento postup má řadu variant. Rozklad
může být prováděn v otevřeném nebo uzavřeném systému, s klasickým nebo mikrovlnným
ohřevem. Použít lze také kyselinu chloristou v kombinaci s kyselinou fluorovodíkovou.
Kromě toho se používá také tavení např. s boritanem lithným a rozpuštění taveniny
v kyselinách. Tavení se provádí po předchozí mineralizaci na mokré cestě. V ISO normách
jsou zahrnuty pouze dva postupy, rozklad se směsí HF-HClO4 a tavení se směsí Li2B4O7-
LiBO2.
Stanovení skutečných celkových obsahů rizikových prvků těmito postupy je poměrně
málo časté. Důvodem je náročnost postupů rozkladu vzorků půd, ale také to, že celkový obsah
nevypovídá o mobilitě stanovovaných prvků v půdě. Celkový obsah má určitý vliv na
rozpustnost a množství přístupných obsahů sledovaných kovů rostlinami, ale i jako ukazatel
toxicity půd. Celkové (totální) obsahy jsou významné pro stanovení jejich zásoby v půdě
s možností posouzení jejich potencionálního uvolnění. Toto stanovení má význam při
zjišťování biochemické akumulace sledovaných kovů v půdě.
3. Extrakce půd pro stanovení celkových obsahů rizikových prvků
Častější je použití metod stanovení uzančních celkových obsahů rizikových prvků, tzv.
pseudototálních obsahů. Tyto obsahy jsou dobrým ukazatelem kontaminace půdy. Z hlediska
provedení jsou postupy stanovení méně pracné a řada z nich je zahrnuta do souboru norem.
Jedním takovým celosvětovým standardním postupem je extrakce půdy horkou lučavkou
královskou. V ČR se pro stanovení indikačních mezí používá extrakt 2 mol l-1
HNO3 za
laboratorní teploty a pro stanovení hraničních hodnot extrakce půdy lučavkou královskou za
varu. Metoda extrakce 2 mol l-1
HNO3 tak plní funkci screeningové metody. Frakce, která se
těmito postupy z půdy neuvolní do roztoku, obsahuje nepřístupné formy sledovaných prvků.
Výhodou extrakčních postupů je použití poměrně velké navážky a běžná úprava vzorků bez
nutnosti jemnějšího mletí vzorků.
4. Extrakce půd pro stanovení mobilních obsahů rizikových prvků
Pro odhad přechodu rizikových prvků z půdy do potravního řetězce, do spodních vod
apod. se často doporučuje stanovení jejich mobilní resp. snadno mobilizovatelné frakce. Pro
určení aktuální mobility rizikových prvků se využívají extrakce se zředěnými roztoky
neutrálních solí (chlorid vápenatý, dusičnan sodný, dusičnan amonný), voda za normální
teploty nebo za varu, zředěné roztoky chelatačních činidel (kyselina
diethylentriaminopentaoctová-DTPA, EDTA) a zředěné roztoky slabých kyselin (kyselina
octová, kyselina citronová) a 0,43 mol l-1
HNO3. Koncentrace stanovovaných prvků
56
v extraktu je nízká a stanovení vyžaduje použití citlivých analytických metod (ET-AAS, ICPMS).
Použité chemikálie musí být vysoce čisté, protože zvláště při vyšší koncentraci
extrakčního činidla (1 mol l-1
NH4NO3) může být obsah některých prvků v chemikáliích
stejný i vyšší než obsah extrahovaný z půdy. Nejpropracovanější postup je extrakce půd
roztokem dusičnanu amonného. Často se používá i extrakce vodou, roztokem chloridu
vápenatého a roztokem 0,43 mol l-1
HNO3.
II. Úprava půdních vzorků
Pro fyzikálně-chemické analýzy se vzorky upravují sušením, drcením, proséváním,
dělením a mletím.
1. Princip
Ze vzorku se odstraní větší kameny a části rostlin. Pak se vzorek suší a v průběhu
sušení se postupně rozmělňují půdní agregáty. Suchý vzorek se následně prosévá přes síto
o velikosti ok 2 mm nejlépe na půdním deaglomerátoru tak, aby nedocházelo k drcení skeletu.
Vzorek se pak v případě potřeby reprezentativně rozdělí. Získaný laboratorní vzorek se
použije pro jednotlivé navážky u požadovaných stanovení. Pokud je pro některá stanovení
potřebná navážka menší než 2 g, vzorek se upraví mletím tak, aby beze zbytku prošel sítem
s velikostí ok 0,25 mm, příp. 0,15 mm. Takto se připraví vzorky jemnozemě I a II.
2. Pomůcky a přístroje
• sušárna
• půdní prosévačka
• achátová miska
• síto s 2 mm otvory, u vzorků humusového horizontu lesních půd se použije síto o velikosti
ok 1 mm
• síto o délce ok 0,25 mm, příp. 0,15 mm.
3. Postup
Odebraný půdní vzorek se vysuší rozprostřený do tenké vrstvy (max. 5 cm, lépe do
2 cm) na suchém a větraném místě. Vzorek nesmí být při sušení kontaminován. Nesmí se
sušit na slunci a teplota nesmí přesáhnout 40 o
C. Kromě vysušení na vzduchu je možnost
sušení v sušárně s nucenou cirkulací vzduchu při teplotě 40±2 o
C nebo lyofilizací. V průběhu
sušení je třeba půdní agregáty rozmělňovat ručně nebo za pomocí dřevěné paličky. Při
lyofilizaci se agregáty rozpadnou bez rozmělňování.
Jemnozem I
Z vysušeného půdního vzorku se odstraní větší částice skeletu, rostlinné a živočišné
zbytky a vzorek se potom opatrně rozmělní v půdní prosévačce nebo ručně tak, aby nebyly
rozdrceny částice skeletu. Částice skeletu větší jak 2 mm se oddělí prosátím sítem o velikosti
otvorů 2 mm. Větší části skeletu se odstraňují již před zahájením sušení. Zvláště u těžkých
jílovitých půd je nutné rozrušit hrudky ještě před úplným vysušením vzorku.
Jemnozem II
Z jemnozemě I se oddělí reprezentativní část o hmotnosti nejméně 5 g. Z tohoto podílu
vzorku se pečlivě vyberou zbytky rostlinného a živočišného původu. Vzorek se potom rozetře
v achátové misce tak, aby prošel beze zbytků sítem o délce strany oka 0,25 mm, příp. 0,15
mm.
K zamezení kontaminace vzorku je vhodné pro rozmělnění používat kulové nebo
vibrační keramické příp. achátové mlýnky. Upravené vzorky se mohou skladovat
57
v papírových sáčcích nebo plastových či skleněných uzavřených lahvích se širokým hrdlem
na suchém a dobře větraném místě mimo dosah slunečního záření po dobu 5 i více let (podle
stanovovaných parametrů).
III. Extrakce půd 2 mol l-1
HNO3 pro stanovení celkových obsahů rizikových prvků
1. Rozsah použití
Postup je určen pro vzorky půd, sedimentů a kalů. V mineralizátu je možné stanovit
všechny zmíněné rizikové prvky.
2. Princip
Upravený vzorek se extrahuje 2 mol l-1
HNO3 za laboratorní teploty.
3. Přístroje a pomůcky
• třepačka
• stříkačkové membránové filtry (velikost ok 0.45 µm)
• skleněná pipeta o objemu 10 ml
• polypropylenové centrifugační zkumavky o objemu 15 ml
• polypropylenové zkumavky o objemu 10 ml pro uchovávání vzorku
4. Chemikálie
• kyselina dusičná, koncentrovaná, 65% (m/m), c = 14,4 mol l-1
, ρ(HNO3) = 1,4 g cm-3
• kyselina dusičná, zředěná, c(HNO3) = 2 mol l-1
. 139 ml koncentrované kyseliny dusičné se
zředí vodou na výsledný objem 1000 ml.
5. Postup
Do centrifugační zkumavky se naváží (1,00±0,01) g vzorku a přidá se pipetou 10 ml
2 mol l-1
HNO3. Po důkladném protřepání se vzorek extrahuje 60 min na horizontální třepačce
při frekvenci 180 ot min-1
. Po extrakci se vzorek centrifuguje při 6000 ot min-1
po dobu 10
min. Supernatant je následně filtrován přes stříkačkový membránový filtr do čisté a suché
plastové zkumavky o objemu 10 ml, přičemž první 2 ml filtrátu se použijí pro propláchnutí
filtru.
IV. Extrakce půd 1 mol l-1
NH4NO3 pro stanovení mobilních obsahů rizikových prvků
1. Rozsah použití
Postup je určen pro vzorky půd. V extraktu je možné stanovit mobilní frakce všech
zmíněných rizikových prvků.
2. Princip
Extrakce půd roztokem 1 mol l-1
NH4NO3 probíhá při vlastním pH půdy. Po ustavení
rovnováhy mezi půdou a extrakčním roztokem se stanovuje obsah jednotlivých prvků
v extraktu pomocí ICP-MS.
3. Přístroje a pomůcky
• třepačka
• stříkačkový membránový filtr
• skleněná pipeta o objemu 10 ml
• polypropylenové centrifugační zkumavky o objemu 15 ml
58
• polypropylenové zkumavky o objemu 10 ml pro uchovávání vzorku
4. Chemikálie
• dusičnan amonný, extrakční roztok, c(NH4NO3) = 1 mol l-1
. 80,04 g NH4NO3 se rozpustí
v asi 800 ml vysoce čisté vody a objem se upraví na 1000 ml.
• kyselina dusičná, koncentrovaná, 65% (m/m), c = 14,4 mol l-1
, ρ(HNO3) = 1,4 g cm-3
5. Postup
Do centrifugační zkumavky se naváží (4,00±0,01) g vzorku a přidá se pipetou 10 ml
1 mol l-1
NH4NO3. Po důkladném protřepání se vzorek extrahuje 120 min na horizontální
třepačce při frekvenci 180 ot min-1
. Po extrakci se suspenze centrifuguje při 6000 ot min-1
po
dobu 10 min. Supernatant je následně filtrován přes stříkačkový membránový filtr do čisté
a suché plastové zkumavky o objemu 10 ml, přičemž první 2 ml filtrátu se použijí pro
propláchnutí filtru. Aby se zamezilo ztrátám analytů sorpcí na stěny nádobky, je potřeba filtrát
okyselit přídavkem koncentrované kyseliny dusičné v množství 0,1 ml na 10 ml extraktu.
V. Stanovení kovů metodou ICP-MS
1. Úvod do ICP-MS
Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) je moderní
metoda prvkové analýzy s uplatněním v různých oblastech analytické chemie. V klasickém
uspořádání se přístroj skládá ze zmlžovacího systému, iontového zdroje, kónusů, iontové
optiky, hmotnostního analyzátoru a detektoru. Jedinečný je především způsob ionizace
analytů, který je pro oblast hmotnostní spektrometrie velmi netypický. Indukčně vázané
plazma (ICP) je velmi silný ionizační zdroj, kde dochází k rozrušení všech původních vazeb
ve vzorku a tím i ztrátě informací o struktuře sloučenin. Zdrojem iontů v ICP-MS je argonové
plazma o teplotě 6000 - 10000 °C, které je udržováno pomocí střídavého vysokofrekvenčního
magnetického pole tzv. indukční vazbou. Více informací o ICP a ICP-MS lze nalézt např. ve
sborníku 5. kurzu ICP spektrometrie (ISBN 9788090373280), který je dostupný v Knihovně
univerzitního kampusu PřF MU.
Zjednodušeně lze princip stanovení popsat následujícím způsobem. Kapalný vzorek je
čerpán peristaltickým čerpadlem ke zmlžovači, který z kapalného vzorku vytváří aerosol.
Aerosol dále prochází přes mlžnou komoru, kde dochází k odstranění větších částic (aerosol
by měl obsahovat maximum částic s velkostí pod 1 µm). Následně vstupuje do ICP, kde velmi
rychle dochází k odpaření vody, atomizaci molekul a ionizaci atomů především do stavu M+
.
Ionty z ICP procházejí přes 2-3 vzorkovací kónusy do vakuové oblasti hmotnostního
spektrometru a pomocí iontové optiky jsou vedeny do hmotnostního analyzátoru.
V hmotnostním analyzátoru (obvykle jednoduchý kvadrupól) jsou jednotlivé ionty rozděleny
dle poměru hmotnost/náboj a detekovány elektronásobičem.
Z hlediska analytických vlastností se ICP-MS vyznačuje především možností
stanovení naprosté většiny prvků periodické tabulky a to včetně i pro atomovou spektrometrii
netypických prvků, jako jsou halogeny (vyjma fluoru), síra či fosfor. Další důležitou
vlastností je možnost stanovení více prvků vedle sebe v jednom analytickém kroku, který
netrvá obvykle déle, než několik minut. Spolu s atomovou absorpční spektrometrií
s elektrotermickou atomizací (ETAAS) se jedná o nejcitlivější metodu prvkové analýzy
s mezemi detekce v oblasti ng l-1
. Nicméně existují jistá omezení ohledně množství a složení
matrice vzorků, která může významně ovlivnit kvalitu výsledků. V prvé řadě je to přítomnost
nerozpuštěných látek, které mohou blokovat zmlžovač a ovlivňovat tvorbu aerosolu. Toto je
kritické především u koncentrických zmlžovačů, použitím např. žlábkových zmlžovačů
(Babingtonův typ) se riziko blokace minimalizuje. Významné problémy mohou způsobit také
59
vyšší koncentrace rozpuštěných látek ve vzorku. Matriční prvky společně s plazmovým
plynem (Ar) mohou vytvářet tzv. polyatomické ionty, které mohou interferovat na hmotách
analytů. Tyto interference se nazývají spektrální. Jako příklad lze uvést ion 75
ArCl+
, který
může navyšovat signál iontu 75
As+
. Dalším problémem spojeným s vysokými koncentracemi
rozpuštěných látek jsou tzv. nespektrální interference. V tomto případě jde o ovlivnění signálu
stanovovaných analytů prostřednictvím různých jevů, které však nesouvisejí s hmotnostními
překryvy iontů. Matrice muže ovlivnit míru ionizace analytů v ICP, prostorové rozložení
iontů v iontovém paprsku a pod. V neposlední řadě může docházet k depozici matrice na
vzorkovacích kónusech a iontové optice, což způsobuje přístrojový drift.
Z praktického hlediska je vhodné analyzovat roztoky neobsahující žádné nerozpuštěné
látky a rozpuštěné látky anorganické povahy do koncentrace 1 g l-1
. Vzhledem k tomu, že
v atomové spektrometrii se analyzují většinou kyselé roztoky, upřednostňuje se pro
konzervaci vzorků a rozklady organických či biologických materiálů kyselina dusičná.
Kyselina dusičná je složená z prvků, které se přirozeně vyskytují ve vodě a okolní atmosféře
(H, N, O). Na rozdíl od jiných kyselin, které ve struktuře mají atomy i jiných prvků (Cl, S, P,
F) se tak snižuje riziko tvorby spektrálních interferencí. Další vlastností kyseliny dusičné je,
že plazma je tolerantní k relativně vysokým koncentracím HNO3 (až 40 %) ve srovnání s HCl
(18 %), H2SO4 (1 %) či dokonce H3PO4 (0,1 %). Analýza roztoků obsahujících HF je možná
pouze při použití teflonových zmlžovačů a mlžných komor, poněvadž HF reaguje se
skleněnými součástmi zmlžovacího systému.
2. ICP-MS přístroj a jeho nastavení
Měření budou prováděna na přístroji Agilent 7500ce ICP-MS. Jde o kvadrupólový
hmotnostní spektrometr, jehož součástí je kolizně reakční cela, která slouží k redukci
spektrálních interferencí. Pro účely našeho měření bude použito helium jako kolizní plyn.
Polyatomické ionty pocházející z matrice mají větší iontový průměr než jednoduché ionty
analytů a tím i vyšší pravděpodobnost srážky s pracovním plynem v kolizní cele. Interferenty
srážkami ztrácejí kinetickou energii a při správně nastavené potenciální bariéře na výstupu
z cely neprocházejí interferenty dále do hmotnostního spektrometru. Nespektrální interference
budou korigovány pomocí porovnávacích prvků Ge, Rh a Bi. Do kalibračních grafů se pak
bude vynášet poměr signálu analytu k signálu porovnávacího prvku. Tento poměr by při dané
koncentraci měl ideálně být nezávislý na složení matrice. Důležité parametry nastavení
přístroje jsou shrnuty v tab.1.
3. Pomůcky
• Odměrné baňky o objemu 25 nebo 50 ml
• Automatické pipety s nastavitelným objemem v rozsahu 0,01 – 5 ml
4. Chemikálie
• kyselina dusičná, koncentrovaná, 65% (m/m), c = 14,4 mol l-1
, ρ(HNO3) = 1,4 g cm-3
• vysoce čistá voda
• kalibrační standard Astasol s koncentrací analytů Cr, Ni, Cu, As, Cd, Sb a Pb
100 mg l-1
• zásobní standard porovnávacích prvků (Ge, Rh, Bi) o koncentraci 100 mg l-1
5. Pracovní postup
5.1. Příprava kalibračních roztoků. Ředění vzorků
Připraví se sada kalibračních roztoků o koncentraci analytů 0-5-20-150-500 µg l-1
. Pro
přípravu kalibračních roztoků se použije zásobní kalibrační standard o koncentraci Cr, Ni, Cu,
As, Cd, Sb a Pb 100 mg l-1
. Kalibrační roztoky obsahují jako matrici zředěnou kyselinu
60
dusičnou o koncentraci odpovídající 1 ml kyseliny na 100 ml roztoku. Roztok porovnávacích
prvků se připraví ředěním zásobního roztoku vysoce čistou vodou na koncentraci 200 µg l-1
v 50 ml odměrné baňce s přídavkem 0,5 ml kyseliny dusičné. Roztok porovnávacích prvků se
přimíchává k roztoku vzorku v průběhu měření pomocí peristaltického čerpadla. Roztok po
extrakci 2 mol l-1
HNO3 se před měřením 10x zředí pomocí vysoce čisté vody.
Tab.1: Parametry měření
Parametr Hodnota
Sběr signálu
Izotop analytu/izotop porovnávacího prvku
52
Cr/72
Ge, 60
Ni/72
Ge, 63
Cu/72
Ge, 75
As/72
Ge,
111
Cd/103
Rh, 121
Sb/103
Rh, 208
Pb/209
Bi
Integrační doba na jednotlivých izotopech (1 cyklus) 0,5 s pro analyty a 0,3 s pro porovnávací prvky
Počet cyklů 5
Zmlžovací systém
Zmlžovač MicroMist (koncentrický zmlžovač)
Mlžná komora Scottův typ
Teplota v mlžné komoře 2 °C
Průtok vzorku
0,4 ml min-1
pro roztok vzorku; 0,125 ml min-1
pro roztok porovnávacích prvků
Indukčně vázané plazma
Příkon do plazmatu 1500 W
Průtok plazmového plynu (Ar) 15 l min-1
Vzorkovací hloubka 8 mm
Průtok zmlžovacího plynu 0,75 ml min-1
Průtok přídavného plynu 0,25 ml min-1
Iontové čočky
Extract 1 Typicky mezi 1 až 4 V
Extract 2 Typicky mezi -130 až - 180 V
Omega bias-ce Typicky mezi -16 až -30 V
Omega lens -ce Typicky mezi 1 až 3 V
Kolizní cela
Cell entrance -30 V
Cell exit -50 V
OctP RF 200 V
OctP Bias -19 V
Průtok plynu celou (He) 5,5 ml min-1
Kvadrupól a detektor
QP focus -10 V
QP Bias -15 V
Ostatní parametry (rozlišení, napětí na detektoru ...) Automatické ladění
5.2. Uvedení přístroje do chodu a vlastní analýza
Po spuštění se přístroj nechá přibližně 20 minut proplachovat 5% kyselinou dusičnou
(minimálně do doby, než klesne teplota v mlžné komoře na požadované 2 °C). Poté se nastaví
v dialogovém okně „tune“ parametry uvedené v tabulce č.1. Ladění napětí na iontových
čočkách (především první extrakční) se provádí před každým měřením pro dosažení
maximální citlivosti přes celý hmotnostní rozsah měření. Pomocí kalibračního roztoku
s nejvyšší koncentrací analytů se naladí tzv. P/A faktor (detektor může pracovat v pulzněanalogovém
módu, což umožňuje linearitu kalibračních křivek přes několik koncentračních
řádů). Vyvolá se vytvořená metoda (obsahující mimo jiné i program peristaltického čerpadla
a další parametry) a spustí analýza. Při analýze se postupuje od kalibračního standardu
61
s nejvyšší koncentrací po kalibrační standard s nejnižší koncentrací, následně se proměří slepé
pokusy a na závěr extrakty z půd. Analýza extraktů s matricí 1 mol l-1
NH4NO3 předchází
analýze extraktů s matricí 2 mol l-1
HNO3.
6. Vyhodnocení
Kalibrační závislost se sestrojí z poměru signálu analytů k signálu porovnávacího
prvku. Tentýž přepočet se provede i pro signály vzorků a slepých pokusů. Pomocí kalibrační
závislosti se vypočte koncentrace prvků v roztocích slepých pokusů a vzorků v µg l-1
. Střední
hodnota koncentrace analytů v slepých pokusech se odečte od koncentrace analytů ve
vzorcích. Spočte se mez detekce metody (LOD) jako trojnásobek směrodatné odchylky (SD)
koncentrace analytů ve slepých pokusech a porovná s koncentracemi analytů ve vzorcích.
Je-li ve vzorcích koncentrace nižší, než je hodnota LOD, dále se s hodnotou nepočítá.
Koncentrace prvků po odečtení střední hodnoty slepého pokusu se přepočte na obsah prvků
v půdě v jednotkách µg g-1
– v úvahu se bere ředění vzorků, celkový objem a navážka vzorku.
Vypočte se střední hodnota obsahu prvků ve vzorku, jeho směrodatná a relativní směrodatná
odchylka (RSD). U prvků, které se nacházejí pod LOD se nahradí hodnota obsahu značkou
<LOD - LOD je třeba přepočítat na µg g-1
.
Protokol by měl obsahovat následující informace:
1. Tabulky signálů analytů a porovnávacích prvků v kalibračních roztocích, slepých
pokusech a vzorcích. Poměry signálu a vypočtené koncentrace (i pro kalibrační
roztoky).
2. Parametry lineární regrese ve formě y = ax + b, kde parametry a a b budou vypočteny
s přesností alespoň na 3 platné číslice.
3. Vypočtené střední hodnoty u slepých pokusů, jejich SD a vypočtené LOD.
4. Vypočtené střední hodnoty obsahů prvků v půdě, jejich SD a RSD.
VI. Použitá literatura
1. Zbíral J. a kol.: Jednotné pracovní postupy. Analýza půd II. Ústřední kontrolní a zkušební
ústav zemědělský. Brno (2011).
2. Zbíral J., Honsa I. a kol.: Jednotné pracovní postupy. Analýza půd I. Ústřední kontrolní
a zkušební ústav zemědělský. Brno (2010).
3. Kanický V., Otruba V., Vaculovič T., Holá M.: Sborník 5. kurzu ICP spektrometrie.
Spektroskopická společnost Jana Marka Marci. Brno (2009)
4. Kuta J.: ICP-MS v analýze vzorků životního prostředí. 6. kurz ICP spektrometrie.
Spektroskopická společnost Jana Marka Marci. Brno (2011)
62
Výluhy půd, stanovení fosforu
I. Úvodní část
1. Stanovení přístupných látek v půdě
Látky nezbytné pro výživu rostlin jsou v půdě přítomné ve formě půdního roztoku,
výměnně vázané na povrchu minerálních a organických koloidů, fixované v jílových
minerálech, vázané v organické hmotě, v biomase aj. Pro rostliny dostupný podíl tvoří jen
malou část z celkového obsahu v půdě (od několika desetin až po 1%) a je představován
hlavně živinami rozpuštěnými v půdním roztoku, poutanými v sorpčním půdním komplexu
a živinami vázanými v půdě ve sloučeninách rozpustných ve slabých kyselinách nebo
zásadách. Obsah se stanovuje tak, že činnost kořenového systému rostlin se nahrazuje
působením vhodné chemické sloučeniny, která tyto látky extrahuje.
Těchto extrakčních roztoků je používána celá řada. Pro stanovení přijatelného fosforu
např. činidlo podle Melicha 2, obsahující fluorid amonný pro zvýšení rozpustnosti forem
fosforu vázaných na železo a hliník, chlorid amonný příznivě ovlivňující desorpci draslíku,
hořčíku a vápníku a potřebná kyselost vyluhovacího roztoku je nastavena kyselinou octovou
a kyselinou chlorovodíkovou. Tento vyluhovací roztok dobře modeluje přístupnost látek
v půdě pro rostliny.
Na základě snahy o stanovení více prvků v jednom extraktu pomocí víceprvkových
měřících postupů byl tento vyluhovací roztok upraven na roztok Mehlich 3, který obsahuje
0,2 mol l-1
CH3COOH, 0,015 mol l-1
NH4F, 0,013 mol l-1
HNO3, 0,25 mol l-1
NH4NO3 a 0,001
mol l-1
EDTA. Činidlo má lepší schopnost pufrovat pH při extrakci tak, aby nedocházelo
k jeho zvýšení nad 2,9, kdy již nemá přídavek fluoridu vliv na uvolňování fosforu. Fluorid
amonný je zachován pro zvýšení rozpustnosti různých forem fosforu vázaných na hliník.
EDTA umožňuje rozšířit použití metody i ke stanovení mědi a jiných mikroelementů.
Dusičnan amonný příznivě ovlivňuje desorpci draslíku, hořčíku a vápníku. Kyselá reakce je
nastanena kyselinou octovou a kyselinou dusičnou. Extrakční roztok podle Melicha 3 na
rozdíl od předchozího roztoku obsahuje místo chloridu amonného a kyseliny chlorovodíkové
dusičnan amonný a kyselinu dusičnou, navíc pak EDTA. Může mít nižší korozivní účinky na
přístrojovou techniku a umožňuje též stanovení Cu, Zn, Fe, Al, S, Mn, B a jiných prvků. Pro
jejich stanovení se využívají metody atomové spektrometrie.
2. Fosfor v půdě a jeho stanovení
V půdě je fosfor obsažen ve formách anorganických a organických. Významným
přirozeným zdrojem fosforu v půdě je apatit. Zvětráváním apatitů a jiných fosfátových
minerálů se uvolňují anionty kyseliny fosforečné a přechází do jiných, tzv. sekundárních,
velmi rozmanitých forem minerální nebo organické povahy, z nichž některé slouží jako zdroj
fosforu. Převážná část minerálních sloučenin fosforu v půdě je ve vodě nerozpustná, a proto
tento fosfor je pro rostliny málo přístupný. Podíl vodorozpustných sloučenin je velmi malý.
Tvoří jej např. fosforečnany alkalických kovů a dihydrogenfosforečnan vápenatý.
Fosfor ve výluhu tvoří se směsným činidlem složeným z kyseliny sírové,
molybdenanu amonného, kyseliny askorbové a vinanu antimonylo-draselného
fosfomolybdenovou modř modrého zbarvení, jehož intenzita je přímo úměrná koncentraci
fosforu v roztoku. Absorbance se měří po 2 hod stání při vlnové délce 750 nm. Zbarvení je
stabilní minimálně 1 hod.
63
II. Příprava půdního extraktu podle Mehlicha 2
1. Princip
Půda se extrahuje kyselým roztokem, který obsahuje fluorid amonný pro zvýšení
rozpustnosti různých forem fosforu vázaných na železo a hliník. V roztoku je přítomen
i chlorid amonný, který příznivě ovlivňuje desorpci draslíku, hořčíku a vápníku. Kyselá
reakce vyluhovacího roztoku je nastavena kyselinou octovou a kyselinou chlorovodíkovou.
Pří stanovení obsahu fosforu v karbonátových půdách metoda v některých případech
selhává, jednak vlivem uvolňovaného oxidu uhličitého, který ruší spektrofotometrické
stanovení, a jednak nedostatečným uvolňováním fosforu do extrakčního roztoku.
2. Přístroje
• třepačka
3. Chemikálie
• Kyselina octová, ledová
• Chlorid amonný
• Fluorid amonný
• Kyselina chlorovodíková, (koncentrovaná (h = 1,19 g ml-1
)
• Extrakční roztok podle Mehlicha 2: v 750 ml redestilované vody se postupně rozpustí 11,5
ml ledové kyseliny octové, 10,7 g chloridu amonného, 0,56 g fluoridu amonného a přidá se
1 ml koncentrované kyseliny chlorovodíkové. Objem se doplní vodou na 1000 ml.
4. Pracovní postup
Do uzavíratelné PE nádobky o objemu 250 ml se naváží 10 g upraveného půdního
vzorku. Přidá se 100 ml extrakčního roztoku podle Mehlicha 2 a po uzavření se extrahuje na
třepačce 10 min. Po extrakci se suspenze ihned filtruje přes hustý filtrační papír. Těsně před
filtrací se obsah promíchá.
Extrakt není stálý, všechna měření je třeba provést v den přípravy.
III. Spektrofotometrické stanovení fosforu
1. Princip
Fosfor se stanovuje v půdním extraktu spektrofotometricky jako fosfomolybdenová
modř. Ortofosforečnany reagují v prostředí kyseliny sírové za katalytického účinku Sb(III)
s molybdenanem amonným a vzniká heteropolykyselina – kyselina molybdátofosforečná.
Redukcí kyselinou askorbovou přechází žlutý komplex této heteropolykyseliny na
fosfomolybdenovou modř, vhodnou pro spektrofotometrické stanovení. Intenzita modrého
zbarvení se měří při vlnové délce 750 nm.
2. Přístroje a pomůcky
• Spektrofotometr
• Dávkovací pipety
3. Chemikálie
• Kyselina sírová zředěná, c (H2SO4) = 2,5 mol l-1
: 133 ml konc. kyseliny sírové (h = 1,84
g.ml-1
) se opatrně nalije do asi 700 ml redestilované vody v kádince. Po vychladnutí se
objem převede do odměrné baňky na 1000 ml a baňka se doplní vodou po značku.
64
• Molybden – antimonité činidlo: 6,0 g molybdenanu amonného se rozpustí v asi 200 ml
vody. Odděleně se rozpustí asi ve 100 ml vody 0,146 g vínanu antimonylo-draselného.
(Vínan antimonylo-draselný je toxická látka). Oba roztoky se postupně přidají k 500 ml 2,5
mol l-1
H2SO4 a po vytemperování se objem upraví na 1000 ml. Roztok se uchovává
v chladničce maximálně 2 měsíce.
• Redukční a vybarvovací roztok: ve 224 ml molybden-antimonitého činidla se rozpustí
1,182 g kyseliny askorbové a objem se upraví redestilovanou vodou na 2000 ml. Pokud
roztok není čirý, přefiltruje se. Při uchování v chladničce je roztok stálý asi týden.
• Zásobní standardní roztok fosforu: 1.0984g dihydrogenfosforečnanu draselného se rozpustí
ve vodě. Po rozpuštění se kvantitativně převede do odměrné baňky na 1000 ml a doplní po
značku. 1 ml roztoku obsahuje 0,25 mg P.
4. Pracovní postup
4.1. Příprava roztoků pro kalibraci
Ze standardního roztoku fosforu se do odměrných baněk na 100 ml pipetuje: 0; 2; 4;
6 a 8 ml. Potom se baňky doplní extrakčním roztokem po značku. Roztoky obsahují: 0; 0,5;
1,0; 1,5 a 2,0 mg P ve 100 ml, což odpovídá: 0; 50; 100; 150 a 200 mg fosforu na 1 kg půdy.
4.2. Vlastní provedení
Do odměrných baněk na 25 ml se pipetuje 1 ml půdního extraktu, slepého pokusu
nebo roztoku pro kalibraci a doplní po značku vybarvovacím molybdenovým činidlem. Dvě
hodiny po promícháni se roztoky měří na spektrofotometru při vlnové délce 750 nm proti
vodě v kyvetě o optické délce 10-20 mm. Při překročení rozsahu kalibrační křivky je třeba
extrakt zředit vyluhovacím roztokem a postup opakovat.
5. Výpočet obsahu
Obsah fosforu v mg na kg půdy se zjistí z kalibračního grafu, který je v celém rozsahu
měřených koncentrací zpravidla lineární. Výsledky se udávají na celá čísla v mg kg-1
P.
IV. Použitá literatura
1. Zbíral J., Honsa I. a kol.: Jednotné pracovní postupy. Analýza půd I. Ústřední kontrolní
a zkušební ústav zemědělský. Brno (2010).
65
Analýza biologického materiálu
Suchý rozklad vzorku. Analýza obilovin
I. Úvodní část
1. Klasický suchý rozklad
Převážná většina analytických měřících technik vyžaduje vzorek v kapalné fázi
s odstraněnou organickou osnovou. Rozklad biologického materiálu tak spočívá v destrukci
organické matrice na vodu a oxidy, ale také v převedení sledovaných prvků na takovou formu,
která je analyzovatelná běžnými instrumentálními metodami. Nejstarší metodou rozkladu
biologických vzorků je klasický suchý rozklad. Jde o rozklad na vzduchu, v otevřeném
systému a při atmosférickém tlaku. Skládá se ze čtyř kroků: sušení, zuhelnění, zpopelnění
a loužení popela, tj. převedení nespalitelného podílu do roztoku. První tři fáze mohou být
provedeny v jednom zařízení, v teplotně programovatelné muflové peci, nebo v různých
zařízeních. K sušení lze použít laboratorní horkovzdušnou sušárnu, lyofilizátor, ale také
topnou desku. Vlastní spalování se může provádět nad plynovým kahanem, v elektrické
kelímkové nebo muflové peci. Zuhelnění je vystavení vzorku teplotám 200-400 o
C. Je to
nejkritičtější část klasického suchého rozkladu. Lze použít buď velmi pozvolný nárůst teploty
nebo rychlejší nárůst s časovými prodlevami. Zpopelnění se nejčastěji provádí při teplotách
450-500 o
C. Konečné teploty je dosaženo pozvolným nárůstem a zpopelňuje se obvykle 10-16
hod. K loužení popela se nejčastěji používá zředěných kyselin HCl a HNO3. Účinnost loužení
lze zvýšit zahříváním vzorku, aplikací malého množství koncentrované kyseliny v první fázi
loužení, mícháním tyčinkou a nejlépe v ultrazvukové lázni. Při klasickém suchém rozkladu se
často zařazuje ke zvýšení účinnosti rozkladu přídavek pomocných činidel s oxidačními
schopnostmi, jako HNO3 a Mg(NO3)2. Pomocné činidlo tak může urychlit oxidaci, podpořit
tvorbu stabilních sloučenin analytu, zabránit jeho ztrátě, potlačit interakci složek popela se
stěnami reakční nádobky nebo jen zvýšit množství popela. Nejčastěji se používá oxid
hořečnatý, dusičnan hořečnatý, kyselina sírová nebo síran draselný. Jejich aplikace je před
zahájením zuhelňování, např. několik ml 10% vodného roztoku Mg(NO3)2, nebo po
skončeném spalování, např. 1 ml konc. HNO3 [1,2].
2. Rozklad v nízkoteplotním kyslíkovém plazmatu
Při mineralizaci na suché cestě zpopelněním na vzduchu při teplotách kolem 500 o
C je
možné zpracovávat i relativně velké navážky vzorku, ale proces je časově náročný a hrozí
kontaminace vzorku a ztráty analytu vytěkáním. Jednou z možností mineralizace na suché
cestě, odstraňující některé uvedené nevýhody zpopelnění v muflové peci, je použití
kyslíkového plazmatu generovaného ve vysokofrekvenčním výboji za sníženého tlaku [3,4].
Plazmata za sníženého tlaku (tlak pod 10 kPa) jsou díky nízké srážkové frekvenci
elektronů s těžkými částicemi plazmatu neizotermní, tj. soubory jednotlivých částic (atomy,
ionty, elektrony) mají rozdílnou teplotu. V nízkoteplotním vysokofrekvenčním (10-50 MHz)
plazmatu vytvořeném v kyslíku za tlaku 100-1000 Pa dosahuje teplota elektronů až 20 000
o
C při teplotě neutrálních atomů a molekul 100-300 o
C a iontů kolem 1000 o
C. Ve výboji
vzniká velké množství excitovaných molekul kyslíku, atomárního kyslíku v základním stavu,
excitovaných atomů kyslíku a jeho iontů. Vysoká je také koncentrace molekul a atomů
kyslíku v metastabilních stavech s vysokým energetickým obsahem (přes 10 eV). Zářivá
deexcitace metastabilních stavů molekuly O2
*
má malou pravděpodobnost a projevuje se
žlutozelenou fluorescencí plynu odváděného do vývěvy. Excitované molekuly, atomy a příp.
ionty kyslíku reagují přímo s uhlíkem molekul povrchu vzorku na CO2. Podobně reaguje
66
kyslík s dalšími atomy (S, P, H,..) obsaženými v molekulách povrchu vzorku. Destrukci
molekul urychluje „bombardování“ povrchu vzorku rychlými elektrony a ionty [3,4].
Jak bylo uvedeno, spalování probíhá pouze na povrchu materiálu, a tedy i v dutinách
porézních materiálů, do kterých mohou difundovat metastabilní molekuly a atomy kyslíku.
Naopak materiály, které tvoří na svém povrchu sklovitou vrstvu natavením, např. cukry, se
mineralizují velmi obtížně. Problémy mohou být u vzorků s malým obsahem popela, např. při
spalování celulosy, grafitu nebo aktivního uhlí. Pak je nutné přidat ke vzorku např. síran
sodný nebo dusičnan hořečnatý [3,4].
Protože aktivní částice jsou schopny difundovat hluboko do vzorku kapilárními póry,
které mineralizaci rozšiřují, dochází k dokonalému spalování např. obilek pšenice nebo semen
smrku či borovice i bez jejich rozdrcení. Čistě bílý popel zůstává ve tvaru původních zrn a je
dobře rozpustný ve zředěných kyselinách. Dobře se mineralizují i vzorky živočišných tkání
pokud byly vysušeny lyofilizací nebo vakuově [3,4].
Příkladem zařízení pro tento typ rozkladu je přístroj firmy Plazma International
Corporation IP 1101, Kalifornie. Výkon generátoru, pracujícího na frekvenci 13,5 MHz, je
1500 W. Vysokofrekvenční energie je vedena na elektrody šesti paralelních válcových komor
o průměru 8 cm a délce 15 cm. Přívod kyslíku je přes jehlový ventil a průtokoměr, maximálně
1 l min-1
. Pracovní tlak v rozsahu 10-500 Pa zajišťuje olejová rotační vývěva. Vzorek se
v tenké vrstvě rozprostírá na skleněné spalovací lodičce o rozměrech 6x12 cm. Po zapálení
výboje v kyslíku je jeho barva purpurová, za asi 30 s přejde pozvolna na modrobílou,
způsobenou emisí CO2. Ukončené spalování vzorku je indikováno změnou barvy výboje na
purpurovou, danou emisí O2. Spalování trvá 3 až 5 hodin [3,4].
3. Další způsoby suchého rozkladu
Dalším způsobem suchého rozkladu je spalování v kyslíku za vysokého tlaku
(analogie kalorimetrické bomby). Zde hrozí nebezpečí kontaminace korozí zařízení. Určitou
modifikací uzavřeného systému je mineralizace daná kombinací suchého rozkladu při 300-
400 o
C se zaváděním superoxidační směsi plynů O2, O3 a NOx nad spalovaný vzorek.
Vedlejším produktem procesu je kyselina dusičná, kterou je možné použít k loužení vzniklého
popela [1,2].
4. Obiloviny
Z rostlinných materiálů jsou nejvýznamnějším zdrojem proteinů pro výživu člověka
obiloviny, v první řadě pšenice. Obsah proteinů u vnějších částí obilného zrna je výrazně
vyšší než u vnitřní části. Proto obsah proteinů v mouce značně závisí na stupni jejího vymletí
a také na druhu, odrůdě rostliny a dalších faktorech. Tmavé celozrnné mouky mají vyšší
obsah proteinů než bílé. Rozdíl bývá až 4%. Pšeničná mouka obsahuje obvykle 7-13%, ale
také až 15% bílkovin [5]. Základní chemické složení obilovin je uvedeno v tab. 1.
Tab. 1. Základní chemické složení obilovin (%) [5]
obilovina voda proteiny lipidy škrob minerální látky
pšenice 13,2 11,7 2,2 59,2 1,5
žito 13,7 11,6 1,7 52,4 1,9
ječmen 11,7 10,6 2,1 52,2 2,3
oves 13,0 12,6 5,7 40,1 2,9
rýže 13,1 7,4 2,4 70,4 1,2
kukuřice 12,5 9,2 3,8 62,6 1,3
67
Rostlinná pletiva obsahují proměnlivá množství minerálních složek. U rostlin je obsah
minerálních látek závislý na obsahu prvků v půdě, na vlastnostech půdy, způsobu a míře
hnojení, na klimatických podmínkách, na stupni zralosti plodiny aj. [6]. Obsah minerálních
prvků v pšenici, pšeničné mouce a rýži v mg kg-1
je uveden v tab.2.
Tab. 2. Obsah minerálních prvků v pšenici, pšeničné mouce a rýži v mg kg-1
[6]
prvek pšenice pšeničná
mouka
rýže
loupaná
sodík 80 20-30 60
draslík 3500-5000 1100-1300 1000
vápník 230-500 130-260 50-110
hořčík 700-1500 210-1300 260-430
fosfor 3000-4100 1000-3500 770-1200
chlor 670 360-480 60-270
síra 1300-1500 1300-1400 690-860
jod 0,024-0,043 0,017-0,025 fluor
0,2-0,9 0,1-1,4 0,3-0,6
bor 0,7-1,4 0,3-2,0 0.7-0,8
křemík 20-190 30-70 30-90
železo 33-66 12-25 6,0-23
zinek 26-38 8-36 10-15
měď 4,0-14 2,0-6,5 0,6-2,8
mangan 35-49 7,3-36 5,3-15
nikl 0,05-0,89 <0,01-0,3 0,1
kobalt 0,007-0,089 0,005-0,09 0,01-0,02
molybden 0,1-0,8 0,1-0,3 0,1-0,3
chrom 0,007-0,06 0,01-0,03 0,01-0,03
hliník 4-14 4-14 5-6
olovo 0,02-0,65 0,004-0,05 0,003-0,08
kadmium 0,02-0,35 0,01-0,09 0,004-0,14
rtuť 0,0001-0,006 0,002-0,004 0,002-0,008
arsen 0,005-0,29 0,01-0,17 0,04-0,31
selen - 0,016 0,024-0,034
Celkový obsah chromu v lidském těle je asi 5 mg. Za přiměřenou denní dietární dávku
chromu se považuje množství 50-200 µg. Uváděné intervaly koncentrací chromu
v biologických materiálech jsou široké, např. 0,003-0,16 mg kg-1
ve vepřových játrech, 0,002-
0,23 mg kg-1
v rybách, 0,001-0,13 mg kg-1
v mrkvi, 0,005-20 mg kg-1
v cibuli, 0,01-0,12 mg
kg-1
ve špenátu, 0,01-0,13 mg kg-1
v sýrech a 0,001-0,03 mg kg-1
v zelí. U potravin, které při
své výrobě a skladování přicházejí do styku s kovovými materiály (např. s nerez ocelí) může
být původně velmi nízký obsah na úrovni µg kg-1
podstatně zvýšen kontaminací. Bohatým
zdrojem biologicky využitelného chromu jsou pivovarské kvasnice. Toxické účinky
chromitých solí se projevují až při vysokých dávkách. Mnohem toxičtější jsou sloučeniny
šestimocného chromu. Způsobují poruchy růstu a poškození jater a ledvin [6].
5. Úprava vzorků obilovin
Úprava těchto vzorků závisí na druhu obiloviny. Dle požadované analýzy se vzorek
pomele na šrot nebo v případě pšenice na mouku. Mouka se připravuje pouze ze vzorků
68
pšenice. U ječmene, žita, ovsa a kukuřice se připravuje šrot. Podle druhu analyzované
obiloviny se vybírá mlýnek. Pomleté vzorky se uchovávají v plastových nádobách [7].
II. Rozklad obilovin spalováním v muflové peci
1. Princip
Navážka upraveného vzorku obilovin se spaluje v muflové peci při 500 °C za
postupného zvyšování teploty. Popel se převede kyselinou dusičnou a chlorovodíkovou do
roztoku.
2. Přístroje a pomůcky
• Elektrická muflová pec
• Spalovací porcelánové misky
3. Chemikálie a roztoky
• konc. HNO3
• 2 mol l-1
HNO3
• 6 mol l-1
HCl
• Hydroxid sodný p.a., 1 mol l-1
4. Pracovní postup
Do porcelánové misky se naváží 5-10 g zhomogenizovaného vzorku (mouky, šrotu)
s přesností ± 0,001 g a miska se vloží do studené muflové pece, kde se spaluje podle
následujícího teplotního a časového režimu: teplota/nárůst/trvání 300 °C/2 hod/1 hod
a 500 °C/2 hod/12 hod. Pokud není popel bílý, přidá se po vychladnutí misky 1 ml
deionizované vody a 1 ml konc. HNO3. Miska se umístí na topnou desku nebo na síťku nad
kahanem a zahřívá při zapnutém odtahu digestoře až do odpaření do sucha. Po úplném odpaření
do sucha se miska vloží do vychladlé pece a vzorky se zahřívají podle teplotního a časového
programu: teplota/nárůst/trvání – 300 °C/1 hod/1 hod a 500 °C/1 hod/2 hod [8,9].
Získaný popel v misce se po ochlazení opatrně zaleje 2 ml 2 mol l-1
HNO3 a 3 ml
6 mol l-1
HCl, miska se přikryje hodinovým sklem a nechá projít varem nad kahanem se
síťkou. Vyluhuje se za občasného promíchání až do rozpuštění popela. Hodinové sklo se
sejme a kondenzát se opláchne deionizovanou vodou zpět do misky. Celý obsah misky se
kvantitativně převede do 100 ml kádinky a zneutralizuje 1 mol l-1
NaOH. Současně
s mineralizátem se připraví slepý vzorek [8,9].
III. Spektrofotometrické stanovení chromu 1,5 – difenylkarbazidem
1. Princip
Chrom ve vzorku se předběžně oxiduje bromnanem na Cr(VI). Ten ve formě Cr2O7
2reaguje
s 1,5-difenylkarbazidem v kyselém prostředí za vzniku červenofialového komplexu
Cr(III) s 1,5-difenylkarbazonem, který vzniká oxidací činidla a proměřuje se
spektrofotometricky. Optimální acidita pro stanovení je pH=1.
2. Přístroje a pomůcky
• Spektrofotometr
• Odměrné baňky 50 ml
• Mikropipeta
69
3. Chemikálie
• Dichroman draselný, p.a.
• Difenykarbazid - ethanolový roztok 0,25 %: 0,25 g difenylkarbazidu a 4 g anhydridu
kyseliny ftalové se rozpustí v ethanolu a doplní do 100 ml. Roztok se přefiltruje, přechovává
v hnědé láhvi v ledničce a je stálý 2 dny.
• Bromid draselný p.a., 10% roztok
• Chlornan sodný, 0,05 mol l-1
• Fenol p.a., 1,2% roztok
• 2 mol l-1
H2SO4
• Standardní roztok 1,000 g l-1
Cr (VI): 2,829 g předsušeného dichromanu draselného se
rozpustí v destilované vodě, přidá se 20 ml HNO3 a roztok se doplní vodou do 1000 ml.
• Pracovní roztok se upravuje na koncentraci 10 µg ml-1
Cr.
4. Pracovní postup
a) Sestrojení kalibrační křivky
Do sady 50 ml odměrných baněk se odměří 0 – 1,5 ml pracovního roztoku
o koncentraci 10 µg ml-1
Cr(VI). Přidá se 30 ml redestilované vody, 2,5 ml 2 mol l-1
H2SO4
a 1 ml 0,25% ethanolového roztoku difenylkarbazidu. Po každém přídavku se obsah promíchá,
stejně tak po doplnění vodou na 50 ml. Po 10 minutách se proměří absorbance proti vodě při
vlnové délce 540 nm [10].
b) Vlastní provedení
K mineralizátu ve 100 ml kádince se přidá 0,5 ml 10% roztoku bromidu draselného,
0,5 ml 0,05 mol l-1
NaClO a roztok se 3 minuty vaří. Objem roztoku by neměl přesáhnout
30 ml, v případě potřeby se roztok pozvolna odpaří na tento objem. Horký roztok se zfiltruje
do 50 ml odměrné baňky, filtr se promyje několika mililitry horké vody a přidá se 2,5 ml
1,2% roztoku fenolu. K vychladlému roztoku se přidá 2,5 ml 2 mol l-1
H2SO4, 1 ml 0,25%
roztoku difenylkarbazidu, obsah baňky se doplní po značku vodou, promíchá a po
10 minutách se proměří absorbance roztoku při vlnové délce 540 nm. Stejně se postupuje
u slepého pokusu [10].
5. Výpočet
Obsah chromu cCr v mg kg-1
se vypočítá podle vztahu
cCr = mCr / mv,
kde mCr je hmotnost chromu v 50 ml měřeného roztoku v µg a mv hmotnost vzorku v g.
IV. Použitá literatura
1. Mader P., Čurdová E.: Chem. Listy 91, 227 (1997).
2. Mader P., Kolihová D.: Rozklady rostlinných materiálů pro atomovou spektrometrii.
Sborník přednášek semináře Zpracování vzorků pro atomovou spektrometrii II, str. 34-38,
Radějov, 13.-16.5.1996.
3. Otruba V., Kalášek J.: Chem. Listy 97, 64 (1993).
4. Otruba V.: Mineralizace v nízkotlakém kyslíkovém plazmatu. Sborník přednášek semináře
Zpracování vzorků pro atomovou spektrometrii II, str. 51-54, Radějov, 13.-16.5.1996.
5. Velíšek J.: Chemie potravin 1. OSSIS Tábor (1999).
6. Velíšek J.: Chemie potravin 2. OSSIS Tábor (1999).
7. Kolektiv: Jednotné pracovní postupy. Úprava vzorků krmiv a rostlinného materiálu.
ÚKZÚZ, Brno (2008).
70
8. Zbíral a kol.: Jednotné pracovní postupy. Analýza rostlinného materiálu. ÚKZÚZ, Brno
(2005).
9. Koplík R.: Laboratoř analýzy potravin a přírodních produktů. Stanovení minerálních látek.
VŠCHT Praha.
10. Javorský P. a kol.: Chemické rozbory v zemědělských laboratořích. MZVŽ.1988.
71
Mokrý rozklad. Stanovení kovů ve vlasech
I. Úvodní část
1. Expozice kovy
Lidé a obecně živočichové potřebují ke správné funkci těla kromě kyslíku, vody,
bílkovin, vitamínů apod. také dostatečný přísun nerostných látek a stopových prvků. Potravní
návyky a environmentální podmínky mohou ovlivňovat hladiny těchto prvků ve tkáních
a biologických tekutinách a tím i následně jejich účast v biochemických reakcích a na
biochemických mechanismech. Některé kovy a jejich sloučeniny jsou nezbytné pro lidské
zdraví (např. Fe, Zn), přestože jsou potenciálně škodlivé pokud jsou konzumovány ve velkém
množství. Řada esenciálních prvků je klíčovou součástí metaloenzymů nebo jsou spojené
s rozhodujícími biologickými funkcemi, jako transport kyslíku nebo hormonální aktivita. Na
druhé straně mnoho neesenciálních prvků je tak rozšířeno v prostředí, že jsou snadno
detekovány ve tkáních a tekutinách lidského těla. Některé jsou relativně příznivé, ale jiné
takové jako Pb, Cd, Hg a As jsou dosti toxické, dokonce při stopových koncentracích.
Sledování úlohy esenciálních prvků a posuzování expozice jednotlivců toxickými prvky má
význam pro lidské zdraví. Esenciální prvky jsou ty, které vyžaduje organismus k udržování
jeho normálních fyziologických funkcí [1].
2. Materiály k analýze
Většina metod používaných ke sledování nedostatku stopových prvků nebo k odhadu
expozice toxickými prvky spoléhá na analýzu vzorků krve, séra, plasmy a/nebo moči. Avšak
výběr vhodného vzorku závisí na několika faktorech, jako je vhodnost a invazivnost odběru
vzorků, a možnosti jejich kontaminace [1]. Prvky, které jsou pro organismus toxické, např.
těžké kovy (kadmium), se kumulují v orgánech jako ledviny nebo játra. Použití těchto vzorků
je však problematické. V klinické praxi lze použít biopsii, ale u divokých zvířat to není reálné,
znamenalo by to usmrcení živočichů [2].
Byla proto zkoumána možnost netradičních neinvazních odběrů vzorků slin, vlasů
a nehtů. Právě vlas je biologický vzorek, který lze snadno a neinvazivně odebrat, odběr je
levný, vzorek snadno uskladnitelný a transportovatelný do laboratoře k analýze. Tyto
vlastnosti dělají vlasy atraktivním materiálem pro biomonitorování [3]. Vlasy jsou důležitou
složkou vylučovacího metabolismu a tím i vhodným typem vzorku, který lze použít k určení
stupně kontaminace živočichů. Proto jsou vlasy využívány jako vhodné vzorky u lidí
i u divokých zvířat [2].
Tyto přednosti vedou k rozšířenému použití vzorků vlasů pro analýzu stopových prvků
k posouzení ohrožení přírody a lidí různými kontaminanty přítomnými v prostředí nebo na
pracovišti. Avšak využití výsledků analýzy vlasů má určitou hranici danou např. výskytem
exogenních kontaminantů. Jejich zdrojem mohou být usazeniny kožního mazu, potu, zbytky
znečištěného vzduchu nebo kosmetických či farmaceutických produktů [1]. Projevuje se vliv
stáří, pohlaví a místo bydliště či pobytu [4]. Další omezení jsou nedostatečná znalost kinetiky
stopových prvků začleněných do vlasů a nedostatek epidemiologických dat k podpoře
předpovědi ohledně vlivů na zdraví podle specifické koncentrace prvku ve vlasech. Použití
analýzy vlasů ve zdravotnických studiích roste se sledováním korelace hladin prvků v těchto
vzorcích s těmi nalezenými v krvi nebo plazmě [1].
3. Sledování obsahu prvků ve vlasech a korelace s různými parametry
Ačkoliv někteří jednotlivci jsou vystaveni toxickým prvkům zejména na pracovišti,
pro většinu lidí hlavní cestou expozice toxickými prvky je strava. Informace týkající se příjmu
potravy je důležitá pro posouzení zdravotních rizik. V posledních letech je snaha použít lidské
72
vlasy jako detektor stopových prvků k odhadu environmentálních expozičních hladin
a posouzení nutričního stavu, stejně jako prostředek k určení nemocí [5-7]. Zkoumá se využití
znalosti hladin prvků ve vlasech k posouzení nemocí, metabolických poruch, ale prvky jsou
přítomny ve vlasech v širokém rozmezí koncentrací [8].
U mladé dospělé populace ve Španělsku byly analyzovány vlasy a současně byl
sledován potravní vstup. Významné rozdíly v obsahu prvků ve vlasech byly získány mezi
muži a ženami stejného stáří. Žádná korelace však nebyla nalezena mezi příjmem stopových
prvků a odpovídajícími hladinami ve vlasech. Z toho je možné usoudit, že vlasy mají
omezené použití pro odhad nutričního stavu esenciálních a toxických prvků [9].
Při sledování vlivu požívání čaje, čaje s citronem, kávy a mléka na minerální složení
vlasů 80 studentek Wroclavské univerzity bylo zjištěno, že použití citronu významně zvýšilo
obsah Fe a Cr ve vlasech, zatímco pití mléka vedlo ke zvýšení obsahu arsenu [10].
Provedením analýz krvi, moči a vlasů studentů lékařství v Rakousku bylo zjištěno, že
určité genetické dispozice jsou spojeny s metabolismem olova a rtuti. Zátěž olovem a rtutí
v této populaci Rakouska byla nízká. Ve vlasech bylo nalezeno 0,08-22,1 µg g-1
Pb (medián
0,66 µg g-1
Pb, n=189) a 0,003-3,69 µg g-1
Hg (medián 0,202 µg g-1
Hg, n=306). Negenetické
indicie hladiny olova byly konzumace vína, konzumace drůbeže, výška a váha studentů, léky.
Rozhodujícím činitelem pro expozici rtutí byla konzumace ryb a mořských potravin,
chronická nemoc, výška a váha studentů, počet amalgamových výplní. Genetická dispozice
měla slabší vliv na zátěž těla olovem a rtutí než negenetické faktory. Obsah olova v moči
a rtuť ve vlasech se jeví jako vhodná data geneticky modifikovaného metabolismu kovu [11].
Průměrný obsah Cd ve vlasech Japonců byl 5,01 µg g-1
. Tato hodnota je vyšší než
u obyvatel jiných zemí, jako Pakistán 0,38 µg g-1
, Libye 0,53 µg g-1
, Polsko 0,13 µg g-1
a Korea 0,053 µg g-1
. Obsah Cd v prostředí je však v Japonsku vyšší než v jiných zemích.
Obsahy Cd jsou vyšší v japonské stravě a klinických materiálech jako ledviny a výkaly. To
vede k předpokladu, že vysoký obsah Cd ve vlasech lidí je ovlivněn japonským prostředím
a stravou [2].
Průměrný obsah Cd ve vlasech makaků japonských (Macaca fuscata) byl 3,05 µg g-1
(n=45). Přestože tato hodnota je nižší než u lidí, je vyšší než u živočichů žijících na jiných
územích, jako ježek západní v Evropě (Erinaceus europaeus, 0,04 µg g-1
) nebo sob polární
v Rusku (Rangifer tarandus, 0,63 µg g-1
). U lemura (Lemur catta) na Madagaskaru byl obsah
Cd nízký (pod limitem detekce). Vysoké obsahy jsou tak ovlivněny prostředím. Studie
naznačuje, že monitorování může být prováděno použitím vzorků vlasů japonských makaků.
I u nich však záleží, v které oblasti Japonska žijí [2].
Pokud jde o rtuť, bylo zjištěno, že její obsah ve vlasech pozitivně koreluje s obsahem
rtuti v krvi [12]. Byly publikovány střední hodnoty obsahu rtuti ve vlasech 3,25 µg g–1
(v rozsahu 0,50–12,2 µg g–1
) [13] a 4,1 µg g–1
(v rozsahu 1,4–15,0 µg g–1
) [14]. Vyšší hodnoty
Hg byly přisuzovány příjmu rtuti z mořských produktů [15]. Byla také prokázána pozitivní
korelace mezi obsahem rtuti ve vlasech a příjmem potravy u lidí 35 zemí. Při měření obsahu
rtuti ve vlasech a v krvi byly nalezeny průměrné hodnoty 5,09 µg g–1
a 0,0109 µg ml–1
[12].
Ve dvou případech smrtelné otravy iontovou rtutí byly zjištěny koncentrace v krvi 2,95 and
11,7 µg ml–1
[16], měření Hg ve vlasech však nebylo provedeno. V případě nepříliš vysoké
intoxikace rtutí byly uvedeny hodnoty 200 - 800 µg g–1
[17].
Koncentrace Fe, Cu, Mn, Zn, Pb, Ni a Ca ve vlasech učňů - mužů (15-19 let) ze
severního Portugalska vystavených nízkým dávkám (14 hod týdně) par od obloukového
sváření oceli byly sledovány po 2 roky učňovských let k hodnocení vlivu expozice. Výsledky
byly srovnány s těmi od kontrolní skupiny stejného věku, pohlaví a geografického prostoru.
Významné sezónní změny a to vyšší hladiny v létě byly pozorovány u vlasů učňů pro Mn, Cu,
Pb a Ni, u kontrolní skupiny též u Zn a Ca [18]. Tyto změny byly pozorovány i dříve, např.
u dospělých jedinců byly nalezeny vyšší koncentrace Cd a Pb ve vlasech v létě, podobně
73
koncentrace Cu v létě a zimě, a vyšší koncentrace Zn v zimě [19]. Avšak u dětí 3-7 let byly
nalezeny koncentrace Cu a Pb vyšší v zimě [20].
Průměrné koncentrace kovů ve vlasech učňů (a také kontrolní skupiny) byly řádově
podobné. To značí, že žádný zřetelný vliv expozice při nízkých dávkách se neprojevuje na
koncentraci kovů ve vlasech. Nicméně průměrné koncentrace Fe, Ca, Cu, Ni a Zn ve vlasech
byly významně nižší u učňů než u kontrolních subjektů. Zejména u Fe a Ca to bylo
neočekávané, protože jejich endogenní a exogenní začlenění se předpokládalo. Nízká hladina
Fe byla však také nalezena v krvi. Na druhé straně koncentrace Cu byla nižší ve vlasech učňů,
ale vyšší v krvi. Průměrné koncentrace Mn byly podobné u vlasů z obou skupin navzdory
množství v parách při sváření. Výsledky naznačují, že když jsou subjekty exponovány
současně různými polutanty, některé z nich vedou ve vlasech ke snížení koncentrace jiných.
Proto koncentrace prvků ve vlasech se nezdá být dobrým indikátorem při nízké expozici
z povolání [18].
Hladiny zkoumaných prvků ve vlasech u Brazilské dospělé populace byly 0,05 – 6,7
µg g-1
Mn, 0,02 – 37,6 µg g-1
Cu, 0,02 – 30,6 µg g-1
Pb a 0,9 – 12,6 µg g-1
Sr. Mezi hladinami
prvků ve vlasech a krvi byla nalezena slabá korelace. Vlasy tu nebyly vhodným materiálem
pro hodnocení deficitu Cu, Mn a Sr nebo expozice Pb [1].
Výsledky některých studií naznačují, že obsah kovů ve vlasech lze použít k diagnóze
některých běžných nemocí. Bylo zjištěno, že ve vlasech jednotlivců trpících infekcemi
dýchacích cest a astmatem byl vyšší obsah Zr, ve vlasech lidí sužovaných závratěmi byl nižší
obsah Ca, La a Sr, a ve vlasech lidí trpících migrénou byl obsah W vyšší než ve vlasech
zdravých lidí. Hladina K ve vlasech nervózních lidí byla 3x vyšší než ve vlasech lidí bez
potíží s nervozitou. Jednotlivci stěžující si na ztrátu vlasů měli sníženou hladinu Cu ve
vlasech. U jednotlivců s lupy a lámavými nehty byl obsah Ca a La ve vlasech vyšší než ve
vlasech lidí bez těchto potíží [21].
4. Spolehlivost analýzy vlasů
Změny v prvkovém složení vlasů jsou dosti vysoké. Hodně faktorů týkajících se
jednotlivých charakteristik ovlivňuje hladinu prvků ve vlasech. Každý jednotlivec žije
v odlišném prostředí, má rozdílnou stravu a životní návyky a následkem toho se podrobuje
odlišným hladinám expozice. Biomonitorovací studie poskytují informace okolo expozice
různými prvky. Avšak nedostatek kontrolovaných podmínek, tak jako těch v laboratorních
experimentech může vycházet v mnoha zmatečných závěrech. Z těchto důvodů všechny
studie vyžadují velké populace a použití statistických metod v rozpracování výsledků [21].
V literatuře je často zdůrazňováno, že interpretace získaných dat je obtížná, protože je
nedostatek referenčních hodnot. Tato mezera je postupně zaplňována. Např. byly získány
referenční hodnoty pro americkou, korejskou či italskou populaci. Avšak tyto hodnoty se
mohou lišit, protože byly použity různé analytické metody. Také v Polsku byly sledovány
referenční hodnoty pro polské studenty. Byly získány následující rozsahy 733–4047 µg g-1
Ca,
8,51–35,0 µg g-1
Cu, 22,9–115 µg g-1
K, 0,158–1,042 µg g-1
La, 1,05–9,46 µg g-1
Sr, 0,043–
0,788 µg g-1
Zr [21].
Minerální analýza lidských vlasů může být považována za nástroj předpovědi mnoha
onemocnění. Vlasy jsou ve středu pozornosti vzhledem k jejich jedinečné možnosti ukázat
zpětně informace o výživě a expozici jednotlivců. Mnoho stopových prvků se kumuluje ve
vlasech v hladinách přinejmenším 10x vyšších než v krevním séru nebo moči [21].
To je však nutné zdůraznit, že existuje spor okolo použití vlasů jako indikátoru
environmentální expozice i zdravotního stavu. Před analýzou vlasů by měla být zvážena
oprávněnost použití tohoto nástroje pro hodnocení expozice nebo účinku na zdraví. Je
potřeba určit referenční rozsahy, lépe porozumět biologickým změnám v růstu vlasů s věkem,
pohlavím, rasou a národností [21].
74
5. Odběr vzorků
Odběr a příprava vzorků zaujímají při analýzách nezanedbatelné místo. Špatně
odebraný vzorek, případně znečištěný během přípravy, nebo naopak neuvažování o možnosti
ztrát analytu sorpcí na stěny nádob nebo při rozkladech zcela znehodnotí následnou snahu
o správné stanovení. Je nutné před vlastním měřením znát historii vzorku od odběru až
k finálnímu zpracování, neboť sebepřesnější měření kontaminovaných vzorků nemá smysl.
Problémem odběru klinických materiálů a přípravy vzorků k analýze se zabývá i IUPAC,
Commission of Toxicology, která vypracovala studii, týkající se daných problémů, a která má
sloužit jako doporučení pro získání kvalitních výsledků.
Vzorky vlasů se odebírají do PE sáčků nebo nádobek. Papírové obálky nejsou vhodné
pro možnou kontaminaci vzorku ze složek lepidla a slin. Pro odběr se doporučují vlasy
z temene a to těsně od hlavy do vzdálenosti přibližně 2,5 cm. Kadeř vlasů může být sepnutá
na spodu a uchována v označeném sáčku [1]. Byly popsány odběry 0,25 g vlasů 2,5 cm od
pokožky z 5 nebo 6 ploch na zadní části hlavy [8] a vlasy pouze 2 cm těsně u kůže na temeni
hlavy [18]. Vlasy byly stříhány 5 cm dlouhé také bezprostředně po čtyřech postupných mytích
vlasů s Johnson Baby šamponem a sušeních. Pro stříhání vlasů byly použity nové chirurgické
nůžky z nerezové oceli. Šampon byl vybrán pro jeho složení, z kovových kationtů byly
přítomny pouze ionty Na+
[21]. Vzorky vlasů umyté šamponem byly rozloženy bez dalších
mycích kroků. Kyseliny nebo organická rozpouštědla používaná při extrakci exogenních
kontaminantů k jejich odstranění jsou na druhé straně také zdrojem kontaminací [21].
U dlouhých vlasů je možné stříhat celé prameny až k pokožce, u kratších vlasů rovnoměrně
po celé hlavě. Protože vlas vyroste přibližně o 12 mm za měsíc, při ustřihnutí vlasů, např.
o délce 6 cm a zbytku na hlavě dlouhém také 6 cm, vypovídá analýza o 5-ti měsíčním období,
které skončilo před půl rokem.
Kosmetická barviva a barvy na vlasy jsou jedním z prostředků znečištění těžkými
kovy. Výsledky ukazují, že barvení vlasů může měnit obsah těžkých kovů v nich, ale stupeň
vlivu je odlišný pro různé prvky. Obsahy Mn, Fe, Ni, Cu, Cd a Sb v barvených vlasech byly
vyšší než v nebarvených, ale obsahy As, Cr, Zn, Ag, Pb a Hg byly nižší. Příčinou je, že barvy
na vlasy obsahují více Mn, Fe, Ni, Cu, Cd a Sb, ale méně As, Cr, Zn, Ag, Pb a Hg a barvení
vlasů může potlačovat metabolismus a vylučování As, Cr, Zn, Ag, Pb a Hg z lidského těla
[22]. Stříhání vlasů k analýze je vhodné ne dříve než 10 týdnů od provedení zkrášlujících
procedur.
6. Úprava vzorků vlasů
Před vlastním stanovením se provádí mytí podle doporučení WHO a IAEA (aceton,
3x demineralizovaná voda, aceton) a sušení v bezprašném prostředí. Mytí vlasů se provádí
z důvodu odstranění exogenní kontaminace. U některých prvků je však zabudování nečistot
z vnějšího prostředí do matrice natolik pevné, že je nelze mytím odstranit. V tomto případě
pak není možné odlišit endogenní a exogenní původ. Porovnání různých způsobů mytí je
uvedeno v tab. 1. Z této tabulky je zřejmé, že rozdíly mezi různými postupy mytí nejsou
podstatné. U Cu, Hg, Se a Zn se vliv mytí projevil jen nepatrně, což svědčí právě o vazbě
mezi exogenním kontaminantem a vlasem.
Vzorky vlasů jsou často rozřezány na 1 cm délky, omyty před analýzou, např. podle
postupu s acetonem, vodou a acetonem [23], následně vysušeny a z každého vzorku 1 cm
vlasů je naváženo pro analýzu 20 mg [1]. Vlasy byly také myty 16 hod za míchání v 75 ml
1% (w/v) laurylsulfátu, pak byly odfiltrovány, promyty několikrát vodou, sušeny 24 hod při
100 o
C, váženy a uzavřeny do malých polyethylenových nádobek [18]. V laboratoři lze vlasy
rozstříhat a umýt podle modifikované metody International Atomic Energy Agency (IAEA)
[24]. Vlasy jsou prvně rozstříhány na kousky přibližně 0,3 cm a promíchány pro získání
podvzorků. Po rozstříhání je každý vzorek vlasů 4x promýván 1:200 (v/v) zředěným Tritonem
75
X-100. Potom jsou vzorky promyty acetonem a nechány k usušení. Pak následuje 3x promytí
deionizovanou vodou, 2x acetonem a osušení. Vzorky jsou pak dosušeny v peci při 75 o
C [8].
Tab.1: Srovnání různých postupů mytí vlasů pro odstranění exogenní kontaminace (µg g-1
)
[25].
Prvek Nemyté A/V/V/V/A DT/V E/V/A TR/V
As 0,28 0,03 0,04 0,07 0,02
Cu 21,4 19,9 20,6 21,5 22,2
Pb 4,94 0,38 0,44 0,49 0,41
Hg 2,36 2,37 2,32 2,40 2,21
Se 1,21 1,03 1,08 1,01 0,98
Zn 220 209 197 217 207
Al 23,8 9,34 6,21 6,99 7,80
Co 6,70 0,13 0,11 0,13 0,12
A – aceton, V – demineralizovaná voda, DT – detergent, E – ether, TR – Triton X - 100
7. Rozklad vzorků vlasů
Při analýze vlasů se vychází většinou z mineralizátů, přičemž nejčastěji se k jejich
rozkladu používá kyselina dusičná, případně její směs s kyselinou chloristou, peroxidem
vodíku nebo kyselinou sírovou. Samostatnou kapitolou je stanovení rtuti, kde se s výhodou
může použít přímého navažování vzorků a následné analýzy pomocí analyzátoru AMA 254.
Příprava vlasů pro stanovení prvků je kritická část postupu analýzy.
Otevřený rozklad vyžaduje často kombinaci kyselin a zahřívání (na topné desce).
Reprodukovatelný rozklad je též závislý na šikovnosti či dovednosti obsluhy. Kyseliny
používané pro otevřený rozklad nemusí být ideální např. pro ICP-MS stanovení prvků.
Kyseliny mohou obsahovat měřené prvky (S v H2SO4), nebo přispívají k rušivým hmotám
(např. Cl z HClO4 může tvořit 35
Cl16
0, která ruší s 51
V).
Pro mineralizaci vzorků vlasů bylo 0,3 g vzorku rozloženo v mikrovlnném zařízení ve
2,5 ml konc. HNO3 a po rozkladu byl vzorek zředěn vodou na 20 ml [18]. Při uzavřeném
mikrovlnném systému byl vzorek rozkládán např. při 150 o
C a tlaku 9 atm a digesce byla
úplná. Výkon byl však limitován počtem autoklávů v mikrovlnném systému.
Byla navržena metoda mikrovlnné digesce za atmosferického tlaku a za nízké teploty
(APLTMD) při použití 0,2 g vlasů a 3 ml konc. HNO3. K promytému vzorku vlasů v 50 ml
polypropylenové centrifugační zkumavce byly přidány 3 ml koncentrované HNO3, zkumavka
byla uzavřena víčkem s otvorem 0,3 cm. Pak byla umístěna do mikrovlnného zařízení a směs
byla zahřáta na 115 o
C. Výhodou použití mikrovln je jejich schopnost ohřívat vzorek přímo.
Jak byl vzorek zahříván ve spodní části zkumavky na 115 o
C, horní část zůstala relativně
chladná. Zkumavky byly uzavřené a tím byly minimalizovány ztráty HNO3. Byly umístěny ve
4 koncentrických řadách (52 vzorků) v talíři, který během vyhřívacího programu nepřetržitě
rotoval. Tím bylo minimalizováno kolísání ohřevu. Po rozkladu, ochlazení, přidání vnitřního
standardu (pro ICP-MS) byl vzorek zředěn na 50 ml. Tento způsob rozkladu umožňuje
analýzu velkého množství vzorků za den a metoda může být upravena pro navážky vzorků
0,08-0,3 g. Výhodou APLTMD je nižší kontaminace a manipulace se vzorkem, vyšší přesnost,
spolehlivost a četnost vzorků [8].
76
8. Metody stanovení prvků ve vlasech
8.1. AAS
K analýze vlasů se využívá často atomová absorpční spektrometrie. Vzhledem
k obsahu prvků ve vlasech se využívá jak plamenové, tak elektrotermické AAS. Plamenová
AAS byla použita pro stanovení Ca a Zn, AAS s elektrotermickou atomizací pro stanovení Cu,
Fe, Ni, Cr, Pb a Mn [18]. Atomovou absorpční spektrometrií byl stanoven též obsah kadmia
[2].
8.2. ICP-MS a ICP-OES
ICP-MS je metoda často používaná k měření vzhledem k multiprvkovému charakteru,
velké citlivosti a schopnosti stanovit velký rozsah koncentrací. Analýza vlasů vyžaduje
podobně jako u AAS a ICP-OES vzorek v kapalném stavu. Rozložený vzorek je kyselý a toto
prostředí stabilizuje prvky v roztoku. Kapalný vzorek pak obsahuje prvky v chemické formě,
která je snadno a reprodukovatelně atomizována a ionizována [8]. V tab.2 jsou uvedeny
používané vnitřní standardy.
Obsah 39 prvků (Ag, Al, As, B, Ba, Bi, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, La, Li, Mg,
Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Pt, Rb, S, Sb, Se, Si, Sn, Sr, Ti, Tl, V, W, Y, Zn, Zr) ve vlasech byl
určen pomocí ICP-OES (makroprvky) a ICP-MS (mikroelementy a toxické prvky). Obsah As,
Co, Cd, Cr, Mn, Ni, Pb a V byl určen ICP-MS, Hg pomocí AMA-254 a zbývající prvky ICPOES.
0,5 g vzorku vlasů bylo solubilizováno 5 ml koncentrované kyseliny dusičné
a rozloženo v mikrovlnném zařízení. Po mineralizaci byly vzorky zředěny ultračistou
deionizovanou vodou na 50 ml. Vzorky pak byly analyzovány přímo ICP-OES na obsah
makroprvků a po 10-násobném zředění ICP-MS na obsah mikroelementů, toxických prvků
a jiných stopových prvků [21]. Pomocí ICP-MS byl po rozkladu vzorků vlasů metodou
APLTMD stanoven obsah Li, Be, B, Na, Mg, A1, P, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,
Zn, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, I, Cs, Ba, Pt, Au, Hg, T1, Pb, Bi, Th
a U [8].
Stopové prvky ve vlasech byly určeny ICP-MS podle postupu, kdy 20 mg vlasů bylo
naváženo do 15 ml baňky, byl přidán 1 ml 25% TMAH (tetramethylamonium hydroxid)
a směs ponechána při pokojové teplotě přes noc [26]. Objem byl doplněn na 10 ml 1% HNO3.
Jako vnitřní standard bylo použito rhodium v koncentraci 10 µg l-1
. Potom byly vzorky přímo
analyzovány ICP-MS [1].
Tab.2. Používané vnitřní standardy při stanovení analytů ve vlasech pomocí ICP-MS [8]
Vnitřní standard Analyt
Sc 45 Li, Be, B, Na, Mg, A1, P, K, Ca, Cr, Ti, V, Mn
Ga 71 Co, Ni, Ca, Zn, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Mo
In 115 Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, I, Cs
Lu 175 Ba, W, Pt, Au, Hg, TI, Pb, Bi, Th, U
Nb 93 U, S
8.3. Neutronová aktivační analýza
Pro stanovení stopových koncentrací různých prvků ve vlasech se používá také
neutronová aktivační analýza, která využívá toho, že při ozáření vzorku neutrony vznikají
radioaktivní jádra, a to reakcemi těchto částic s jádry atomů. Ta se pak přeměňují rozpadem
beta na dceřiná jádra, která nemusí být v základním stavu, ale ve stavu excitovaném.
Excitované jádro se pak zbavuje energie vyzářením fotonu záření gama s jednoznačně danou
energií. Pomocí detektoru gama záření tak lze velice přesně identifikovat i velmi malá
77
množství vzniklých radioaktivních jader. Neutronová aktivační analýza byla metodou, která
byla použita např. při analýze stopových koncentrací prvků a zejména rtuti ve vousech Tycho
Braha [27].
Mezi dánskými historiky se objevovaly spekulace, že se mohl Tycho Brahe otrávit
rtutí. Při vyzvednutí ostatků Tycho Braha v roce 1901 byly odebrány také vzorky vousů
astronoma. Jejich část se v roce 1991 dostala do Dánska a dánští vědci našli ve vzorcích rtuť.
V roce 2009 požádali Dánové o novou exhumaci ostatků, v listopadu 2010 proběhlo otevření
hrobky v Týnském chrámu v Praze, v antropologických laboratořích Národního muzea byla
otevřena cínová rakev s ostatky a byly odebrány drobné vzorky, hlavně vousy, vlasy a kosti,
které měly být podrobeny analýze [27].
Vousy byly nejprve jednotlivě mechanicky očištěny od nečistot. Pak bylo nutné najít
pomocí mikroskopu ty se zachovaným kořínkem. Ten slouží k identifikaci počátku a konce
vousu či vlasu. Díky jejich růstu se dá určit, kdy byl zkoumaný člověk vystaven vlivu daného
prvku, tedy rtuti. Vous o celkové délce asi dva centimetry byl rozřezán na části o délce pět
milimetrů. Potom byl každý kousek umýván 10 min v acetonu, následně v redestilované vodě
a pak ještě v acetonu. Rozřezané kousky z 20-25 vousů vážících 200-300 µg byly zataveny do
čistých ampulí. Vzorky v ampulích byly 20 hod ozářovány neutrony v reaktoru. Po ozáření
byly ampule očištěny v lučavce královské, omyty vodou, ochlazeny v kapalném dusíku
a rozbity. Vzorky spolu se střípky byly rozloženy ve 4 ml 1:1 zředěné HNO3 v teflonovém
autoklávu s mikrovlnným ohřevem. Po separaci křemenných střípků byl objem doplněn na
10 ml. Z prostředí 1 mol l–1
HNO3 byla rtuť (203
Hg) vyextrahována diethyldithiokarbamátem
niklu do chloroformu. Tato frakce byla analyzována detektorem. Ke stanovení byla použita
radiochemická neutronová aktivační analýza (RNAA) [27].
Další metodou, která byla využila k analýze ostatků Tycho Braha, byla metoda PIXE
(Proton Induced X-ray Emission). V té se využívá svazek urychlených protonů, které při
průletu ionizují atomy ve vzorku. Místa po vyražených elektronech zaplňují elektrony
z vnějších slupek elektronového obalu a vyzařují při přeskoku charakteristické rentgenové
záření. Každý prvek má charakteristickou energii tohoto záření a lze jej tak identifikovat. Při
použití velice úzkého svazku protonů např. o průměru 1,5 µm je možné sledovat detailní
rozložení rtuti nebo dalších prvků ve vousu či vlasu. S touto µPIXE metodou lze rozlišit
případné povrchové znečištění vzorku. Dva prameny vlasů dekontaminovaných pouze
mechanicky byly analyzovány tímto způsobem [27].
V částech vzorků vlasů Tycho Brahe byly nalezeny koncentrace rtuti od 2,0 µg g–1
do
16,4 µg g–1
, v objemnějších vzorcích vlasů 10,7 µg g–1
and 10,6 µg g–1
. Výsledky metody
µPIXE byly v rozsahu <3 µg g–1
pro 0,5 mm vous u kořínku vousu a 8,2 µg g–1
u konečku,
3,1–7,6 µg g–1
pro 0–2,5 mm od kořínku, a 6,1-11,9 µg g–1
pro 10–15 mm od kořínku [27].
Většina hodnot obsahu rtuti ve vlasech Tycho Braha tak leží v normálním rozsahu. Vzhledem
k předpokládanému růstu vlasů 10 mm za měsíc [28], odebrané vousy odpovídaly přibližně
2 měsíčnímu stáří, tedy 2 měsíce před smrtí. Podle výsledků analýzy se zatížení rtutí snížilo
zejména 2 týdny před smrtí [27]. Podle [27] je tedy zřejmé, že se Tycho Brahe rtutí neotrávil.
Podle autorů je nejpravděpodobnějším vysvětlením výsledků předchozích dánských analýz,
že textilie v hrobu byly nasyceny rtutí pro balzamování a to mohlo způsobit povrchové
znečištění vzorků [27].
II. Analýza vzorků vlasů
1. Úvod
Vzorek vlasů je před vlastním stanovením třeba zbavit exogenní kontaminace
a převést do roztoku. Vzorek se rozkládá v otevřeném systému za použití koncentrované
78
kyseliny dusičné a peroxidu vodíku. Při rozkladu dochází k oxidaci organické hmoty až na
oxid uhličitý, případně jiné vodou rozpustné organické sloučeniny.
2. Chemikálie
• Aceton
• Demineralizovaná voda
• Kyselina dusičná konc., p.a.
• Peroxid vodíku konc., p. a.
• Standardní roztok 0,5 g l-1
Zn: 0,500 g kovového zinku se rozpustí v minimálním objemu
HCl (1+1) a zředí na 1 l pomocí 1% (v/v) HCl.
• Standardní roztok Cd a In o koncentraci 1,000 g l-1
3. Postup pro promývání vzorků vlasů
K odstranění exogenních kovů a prachu z povrchu vlasů se použije jako promývací
medium aceton a demineralizovaná voda v pořadí aceton, 3x demineralizovaná voda, aceton.
V každém rozpouštědle se nechají vlasy louhovat 10 minut za občasného promíchání. Po
promýtí v posledním rozpouštědle se nechají vlasy vysušit na filtračním papíře za laboratorní
teploty mimo dosah veškerých chemikálií (mimo pracovní plochy v digestoři).
4. Postup pro rozklad vzorků vlasů
K analýze se do 150 ml kádinky naváží 0,5 g vzorku. Vzorek se mírně ovlhčí
destilovanou vodou a přidá se 5 ml konc. HNO3. Kádinka se přikryje hodinovým sklíčkem
a roztok se na topné desce přivede k mírnému varu. Po rozložení se přidají 2 ml H2O2. Po
krátkém povaření se opláchne hodinové sklíčko a roztok se nechá vychladnout. Roztok se po
vychladnutí kvantitativně převede do 100 ml odměrné baňky a doplní destilovanou vodou po
rysku. Poté se roztok přefiltruje přes suchý filtr se střední hustotou pórů do 100 ml PE
lahvičky. Zároveň se stejným způsobem provádí slepá stanovení.
5. Stanovení obsahu Zn ve vlasech metodou FAAS
Obsah Zn se stanoví plamenovou atomovou absorpční spektrometrií (FAAS) na
rezonanční čáře 213,9 nm s propouštěným spektrálním intervalem 0,7 nm. Kalibrační roztoky
obsahují 0; 0,25; 0,5; 0,75 a 1 mg l-1
Zn. Obsah Zn se vyhodnotí z kalibrační křivky.
Návod pro obsluhu AA spektrometru novAA 300
1. Po spuštění počítače se přihlásíte do počítače jako “Student”, spustíte program WinAAS
pomocí ikony na ploše.
2. Zapněte přístroj novAA 300, kompresor a otevřete ventil acetylenové láhve (pokud si nejste
jisti, požádejte o pomoc vedoucího cvičení).
3. Pak napíšete své jméno do kolonky “Operator” např. Jan Novák a zvolíte v oblasti “Task
selection:“ možnost “Methods“. Pak klikněte na OK. (viz obr. níže)
79
4. Otevře se vám nabídka “Method” a zde si zvolíte požadovanou metodu. Zvolte metodu
označenou jako “MU Zn / 100mm Martani”. Metoda se načte buď dvojklikem myši na vámi
požadovanou položku v nabídce nebo označením dané metody (modře posvíceno) a kliknutím
na tlačítko “Load”, otevře se vám nové okno a zde potvrdíte volbu klikem myši na OK. (viz
obrázky níže). Pozn.: obrázek (vlevo) zde uvedený je jen orientační, množství metod
uvedených v nabídce se může měnit, proto si prosím před volbou metody pečlivě přečtěte její
název.
80
5. Nastavení hořáku pod úhel 0°: Pro nastavení hořáku požádejte o pomoc vedoucího cvičení.
6. V horní liště zvolte položku”Flame”.
81
• Otevře se vám nové okno pod názvem “Flame and gas control”, pak klikněte na záložku
“Control“ a zkontrolujte, zda je v poli “Flame state” zobrazeno Ready, pak zkontrolujte
pole “Siphon, Waste bottle, Fuel a Air” zda je u nich zobrazeno OK. Pokud je vše
v pořádku klikněte na tlačítko “Ignite flame”, tím dojde k zapálení plamene. Ihned dejte
nasávat kapilárou zmlžovače destilovanou vodu. Pak klikněte na OK. (viz obr. níže).
• Teď jste opět v nabídce jako v bodě 6 (horní obrázek), ale zvolíte položku “Samples”.
Otevře se vám okno pod označením “Samples” a zde jsou již připraveny k měření
jednotlivé roztoky (kalibrační, modelové a neznámý vzorek). Klikněte na tlačítko
“Start/Conc” v pravém spodním rohu obrazovky (viz obr. níže). Tím jste spustili analýzu.
82
• Teď se na obrazovce objeví okno pod názvem “Start conditions” a zde zvolíte možnost
“Start a new report file”a stisknete OK (viz obr. níže).
• Teď se na obrazovce budou postupně zobrazovat okna, která vás provedou celou analýzou.
Nejprve se objeví okno s nápisem “Dip into wash solution!” dejte tedy nasávat
destilovanou vodu, pak se objeví okno s nápisem “Dip into Cal-Zero - 0 mg/l” a dejte
zmlžovat roztok o koncentraci 0 mg l-1
Zn. Tímto způsobem pokračujte dále až do
změření kalibračních roztoků, blanku a neznámého vzorku. Po skončení měření
zmáčkněte klávesu ESC, tím zavřete všechny zobrazené grafy a v okně ”Samples”
klikněte na OK.
• V následujícím kroku si vytisknete a uložíte vámi změřená data. Po skončeném měření se
znovu nalézáte v nabídce jako v bodě 6 (horní obrázek). Zvolte ikonu “Print”. Zobrazí se
vám následující okno (viz obr. níže). Nejprve vyberte vámi změřená data tzn. pro měření
zinku to je MU Zn / 100 mm Martani, kde jako Operator bude vaše jméno tedy v našem
případě Jan Novák. V “Report elements” vyberte “Samples: concentration/content,
Calibration table, Calibration plot and statistics” a klikněte na “Show report”.
83
• Teď si zprávu můžete projít, uložit a vytisknout. Zatrhněte polička
“Print“ a ”Save“ v levém horním okraji okna a klikněte na OK (viz obr. níže)
a v následujícím okně klikněte na “Close“
• Teď jste se opět dostali do nabídky z bodu 6 (horní obrázek), zvolíte “Flame“ a jste
v okně “Flame and gas control“, klikněte na tlačítko “Extinguish flame“, tím dojde
k zhasnutí plamene. Zavřete okno pomocí tlačítka OK.
84
• Opět se dostanete na známou nabídku z bodu 6 (horní obrázek). Tentokrát ale neklikáte na
žádnou z ikon, ale klikněte v horní liště na Start menu, vyskočí na vás okno a v něm
zvolte Yes. Tímto krokem jste se dostali na začátek celého měření jak je popsáno v bodě 3.
• Aplikaci zavřete zmáčknutím tlačítka Exit application.
6. Stanovení obsahu Cd ve vlasech metodou ICP-MS
Obsah Cd se stanoví hmotnostní spektrometrií s indukčně vázaným plazmatem.
Stanovení Cd bude provedeno metodou kalibrační přímky s korekcí na vnitřní standard. Pro
měření se použije izotop 111
Cd a jako vnitřní standard izotop 115
In. Z důvodu přítomnosti
možných spektrálních interferencí (např. 39
K2
16
O2
1
H+
) bude použita pro odstranění
interferencí kolizní cela s průtokem helia 5,5 ml min-1
.
Kalibrační roztoky se připraví v koncentracích 0; 0,25; 0,5; 0,75 a 1 µg l-1
Cd.
Kalibrační roztoky by měly obsahovat stejnou koncentraci HNO3 jako roztoky vzorků. Roztok
vnitřního standardu se připraví o koncentraci 200 µg l-1
In v 2% HNO3 a bude přimícháván
ke vzorkům a standardům v průběhu měření pomocí peristaltického čerpadla.
7. Vyjadřování výsledků
Obsah Zn a Cd ve vzorku se uvádí v µg g-1
.
III. Použitá literatura
1. Rodrigues J.L., Batista B.L., Nunes J.A., Passos C.J.S., Barbosa Jr. F.: Science of the total
environment: 405, 370-376 (2008).
2. Mochizuki M., Anahara R., Mano T., Nakayama Y, Kobori M., Omi T, Matsuoka S., Ueda
F.: Bull Environ Contam Toxicol 89, 577–579 (2012).
3. Barbosa Jr. F., Tanus-Santos J.E., Geriach R.F., Parsons P.J.: Environ Health Perspect:113,
1669–1674 (2005).
4. Beneš B., Sladká J., Spěváčková V., Šmíd J.: Cent. Eur. J. Publ. Health 4, 184–186 (2003).
5. Sanna E., Liguori A., Palmas L., Soro M.R., Floris G.: Ecotoxicol. Environ. Saf. 55, 293–
299 (2003).
6. Dunicz-Sokolowska A., Radomska K., Dlugaszek M. Graczyk A.: Magnes. Res. 19, 35–45
(2006).
7. Dunicz-Sokolowska A., Graczyk, A., Radomska K., Dlugaszek M., Wlazlak E., Surkont
G.: Magnes. Res. 19, 167–179 (2006).
8. Puchyr R.F., Bass D.A., Gajewski R., Calvin M., Marquardt W., Urek K., Druyan M.E.,
Quig D.: Biological Trace Element Research 62, 167-182 (1998).
9. González-Muńoz M.J., Peńa A., Meseguer I.: Food and Chemical Toxicology 46, 3048–
3052 (2008).
10. Wolowiec P., Saeid A., Mikulewicz M., Chojnacka K.: Przemysl chemiczny 91, 1078-
1082 (2012).
11. Gundacker C., Wittmann K.J., Kukuckova M., Komarnicki G.:Environmental research
109, 786-796 (2009).
12. Foo S. C., Khoo N. Y., Heng A., Chua L. H., Chia S. E., Ong C. N., Ngim C.H.,
Jeyaratnam J.: International Archives of Occupational and Environmental Health, 65, 583–
586. (1993).
13. Iyengar V., Woittiez J., Clinical Chemistry, 34, 474–481 (1988).
14. Baselt, R. C.: Disposition of toxic drugs and chemicals in man, Biomedical Publications,
Seal Beach, CA, (2011).
15. Airey, D.,: Environmental Health Perspectives, 31, 303–316 (1983).
85
16. Triunfante P., Soares M. E., Santos S., Tavares S., Carmo H., Bastos M.L.: Forensic
Science International, 184, 1–6 (2009).
17. Gerstner H.B., Huff J.E.: Journal of Toxicology and Environment Health, 2, 491–526
(1977).
18. Teresa M., Vasconcelos S.D., Tavares H.M.F.: The Science of the Total Environment 205,
189-199 (1997).
19. Wilhelm M., Ohnesorge F.K.: Sci. Total Environ. 92, 199-206 (1990).
20. Wilhelm M., Hafner D., Lombeck I., Ohnesorge F.K.: Sci. Total Environ. 10, 199-207
(1991).
21. Michalak I., Chojnacka K., Saeid A.: Chin. Sci. Bull. 57, 3460-3465 (2012).
22. Wei Z.L., Rui Y.K., Shen L.: Spectroscopy and spectral analysis 28, 2187-2188 (2008).
23. Ohmori S.: J Radioanal Nucl Chem: 84, 451–459 (1984).
24. Ryabukin Y.S., IAEA report, IAEA/RL/50, Vienna (1978).
25. Spěváčková V.: Odběry klinických vzorků. Sborník přednášek ze semináře Anorganická
analýza životním prostředí. Komorní Lhotka, 64-70, 1997.
26. Rodrigues J.L., Nunes J.A., Batista B.L., Souza S.S., Barbosa F.: J Anal Atom Spect. 23,
992–996 (2008).
27. Rasmussen K.L., Kučera J., Skytte L., Kameník J., Havránek V., Smolík J., Velemínský
P., Lynnerup N., Bruzek J., Vellev J.: Archaeometry (2012).
28. Benner, B.A. Jr, Levin, B.C.: Hair and human identification, in Hair in toxicology: an
important bio-monitor (ed. D. J. Tobin), Ch. 5, 104–124, The Royal Society of Chemistry,
Cambridge, UK, (2005).
86
Mokrý rozklad v autoklávu. Analýza mléka
I. Úvodní část
1. Mokrý rozklad
Rozklad na mokré cestě se provádí často v HNO3 nebo ve směsi minerálních kyselin
(především HNO3, H2SO4, HClO4), někdy doplněných H2O2, za zvýšené teploty při
atmosférickém tlaku. Podstatou mokrého rozkladu je oxidace vzorku. Biologická matrice je
oxidována příslušnými činidly. Nejprve dochází k rozrušení struktury matrice kyselou
hydrolýzou a následně k oxidaci vzniklých produktů. Rozklad probíhá za nižších teplot než
u suchého rozkladu, protože maximální teplota je určena teplotou varu činidel. Nejúčinnější je
HClO4 za vyšších teplot. Při práci s kyselinou chloristou je však třeba upozornit na rizika.
Nebezpečí exploze se objevuje např. při rozkladu příliš velké navážky vzorku nebo při
přehřátí reakční směsi. Práce s touto kyselinou vyžaduje respektování pravidel bezpečné práce
s ní, páry se mohou usazovat v odtahu a na stěnách digestoře a k explozi může dojít po čase
i při běžné práci v laboratoři [1].
Kyselina dusičná je častým a mnohdy nejvhodnějším činidlem pro rozklad vzorků, ale
také prostředím pro měření. Koncentrovaná HNO3 je silným oxidačním činidlem, které
uvolňuje stopové prvky z mnoha materiálů a vytváří rozpustné dusičnany. Azeotropní směs
HNO3 s vodou má teplotu varu 122 o
C, což způsobuje při otevřeném rozkladu dlouhou dobu
rozkladu. Proto se přidávají silná oxidační činidla jako H2O2 nebo HClO4. Oxidační vlastnosti
HNO3 se projevují při zředění do koncentrace asi 2 mol l-1
. HNO3 se považuje za nejlepší
kyselé prostředí pro měření pomocí ICP-MS. Lze ji také získat o vysoké čistotě a je tak
vhodným prostředím pro ultrastopovou analýzu [2]. Azeotropní směs kyseliny chloristé
(72,4% HClO4) s vodou má teplotu varu 203 o
C a horká je natolik silné oxidační činidlo, že
může explozivně reagovat s organickými sloučeninami. Zředěná nebo chladná již tyto
výbušné vlastnosti tolik neprojevuje. Z těchto důvodů je nejlepší biologické vzorky, např.
tkáně, předrozložit pouze s HNO3 nebo použít jen směs HNO3 s HClO4, aby se odstranily
reaktivní látky ještě před oxidací s HClO4. Vzorky s vyšším obsahem tuku nebo olejů by se
neměly oxidovat HClO4 ani její směsí [2].
Kvalitní postupy pro rozklad mnoha biologických materiálů spočívají ve směsi HNO3
a HClO4. Pro rostlinné vzorky s vysokým obsahem křemíku je užitečná kyselina
fluorovodíková. Používá se v kombinaci s HNO3 nebo se směsí HNO3 a H2O2 nebo HClO4.
Vypuštění HClO4 vede ke značnému poklesu účinnosti rozkladu. To se kompenzuje buď
přidáním katalyzátoru nebo se pracuje pouze s HNO3, avšak za zvýšeného tlaku [1,3].
Tepelný zdroj i rozkladné nádobky (zkumavky, kádinky, baňky) jsou z hlediska tvaru,
velikosti a materiálu voleny tak, aby byl zajištěn rychlý a rovnoměrný přestup tepla. Reakční
nádoby jsou z teflonu nebo křemenného skla, zdrojem tepla např. topné desky nebo
mikrovlnné záření. Volbou navážky, činidel, jejich množství a vhodným teplotním režimem je
možné dosáhnout téměř dokonalého rozkladu organické matrice vzorku. Teplotní program
rozkladu vychází z teplot varu použitých kyselin a z reaktivity látek obsažených ve vzorku.
Pro různé materiály je třeba modifikovat navážku. Provedení rozkladu s kontrolovaným
a pozvolným teplotním režimem je zpravidla mnohem bezpečnější než klasický způsob
ohřevu nad plamenem. I zde je však nutná nejvyšší opatrnost, zvláště při rozkladu vzorků
směsí obsahující kyselinu chloristou (směs HNO3+H2SO4+HClO4 je bezpečnější, než směs
HNO3+HClO4) [4].
Rozklad se může provádět v otevřeném nebo v uzavřeném systému, s konvenčním
nebo mikrovlnným ohřevem. Mokrý rozklad v otevřeném systému pro mineralizaci
biologického materiálu používá klasické nádobky (kádinky, Erlenmeyerovy a Kjeldahlovy
87
baňky s kulatým dnem). Nádobky jsou křemenné nebo skleněné. Při konvenčním ohřevu se
využívá jako zdroj tepla elektricky vyhřívaná písková lázeň, kovový vyhřívaný blok, topná
deska, topné hnízdo (vše často s termostatem) a IČ lampa. Ohřev reakční směsi probíhá
konvekcí nebo radiací. Výhodou tohoto způsobu rozkladu je jednoduchá manipulace při
přídavku činidel a použití většího množství vzorku. Nevýhodou je možná kontaminace
vzorku, ztráta analytu a velká spotřeba činidel. K mineralizaci biologických materiálů
v otevřeném systému se jako zdroj energie pro rozklad vzorku využívá též mikrovlnné pole.
Tato zařízení pak mohou automaticky zpracovávat vzorek o navážce 0,2-2,0 g sušiny během
20-50 min a kontinuálně přidávat činidla v průběhu mineralizace [1].
Někdy se používá též rozklad v otevřeném systému prováděný pod zpětným
chladičem. Tento způsob vede ke snížení spotřeby reakčních činidel a možných ztrát analytu.
Mokrý rozklad v nádobkách pod zpětným chladičem využívající moderního způsobu ohřevu
pomocí mikrovlnného zařízení umožňuje vyšší navážky vzorku a to až několik gramů [1,5].
2. Rozklad v autoklávu
Obsah uhlíku po rozkladu biologických vzorků v otevřeném systému se pohybuje
v rozmezí 2-46%. Účinnost rozkladu je závislá na teplotě a vysoká teplota je podmíněna prací
v uzavřeném systému, kde vzrůstá tlak. Pro destrukci v uzavřeném systému se používá
autokláv. Úplné destrukce organické matrice při použití 65% HNO3 se dosáhne až při teplotě
vyšší než 280 o
C. Dosažení tak vysoké teploty při mokrém rozkladu je umožněno zvýšeným
tlakem. Tlakový rozklad je rozklad prováděný v uzavřeném systému, tj. v uzavíratelných
teflonových nebo křemenných reakčních nádobkách umístěných ve vnějším plášti.
Mechanická odolnost teflonu je někdy podpořena pláštěm z nerez oceli. Pro tyto autoklávy
ovšem nelze použít k ohřevu mikrovln, protože kov odráží mikrovlnné záření. Rozklad za
vysoké teploty (300 o
C) v uzavřeném systému lze provádět v křemenných nádobkách
umístěných do bloku vyhřívaného konvenčním způsobem podle zvoleného teplotně-časového
programu pod tlakem až 14 MPa [1,3].
Navážka vzorku zpravidla odpovídá množství 0,2-0,5 g sušiny. Mineralizačním
činidlem bývá většinou jen HNO3, případně směs HNO3+H2O2. Rozklad v uzavřeném
systému je obecně mnohem výhodnější než mokrý rozklad v otevřeném systému, protože
zabraňuje ztrátám těkavých prvků (selenu, arsenu, rtuti, cínu), vnější kontaminaci vzorků
a snižuje spotřebu činidel. Může však dojít ke kontaminaci zevnitř zařízení, např. při
tlakovém rozkladu v autoklávu s ocelovým pláštěm může pronikat do teflonové vnitřní
nádobky Fe, Co, Ni, Cu, Cr a Mo, což je nutno brát v úvahu ve stopové analýze. Vzhledem
k menší navážce vzorku se tyto postupy používají zejména ve spojení s vysoce citlivými
analytickými metodami, jako jsou AAS s elektrotermickou atomizací, ICP spektrometrie,
případně metody anodické rozpouštěcí voltametrie. Aplikace plamenové AAS je většinou
možná jen pro stanovení prvků zastoupených ve vyšších koncentracích (např. Na, K, Mg, Ca,
Fe, Zn, Cu) [1]. Při ohřevu kyseliny chloristé v uzavřené nádobě, např. na 240 o
C, její tlak
prudce naroste na 6.105
Pa. Nádoba však zůstane pod tlakem i po jejím ochlazení, protože
došlo k jejímu nevratnému rozkladu za vzniku plynných produktů. Manipulace s nádobou je
pak po ochlazení nebezpečná. Při rozkladu vzorků s mikrovlnným ohřevem se nedoporučuje
používat koncentrovanou kyselinu chloristou [6,7].
Ohřev může být realizován konvekcí nebo absorpcí mikrovlnné energie. Konvenční
ohřev např. v horkovzdušné sušárně je energeticky i časově náročný, protože se nejprve
zahřívá nerezový plášť, pak stěny vlastní nádobky a nakonec vzorek. Po ukončení rozkladu se
musí počítat s dobou pro chlazení celého systému. Nevýhody přímého vyhřívání odstraňuje
mikrovlnný způsob ohřevu reakční směsi. Mikrovlnné záření se generuje magnetronem
a v analytické chemii se používá povolená frekvence 2450 MHz. V praxi se využívá dvou
typů mikrovlnných zařízení. U přístrojů s rozptýleným polem mikrovlnné energie je množství
88
energie místně proměnné, takže mikrovlnná pec je vybavena rotorem s reakčními nádobkami.
Rotace během rozkladu zajistí stejnoměrnou dodávku energie do všech nádobek. Druhým
typem jsou přístroje s fokusovaným mikrovlnným polem, u kterých se energie přivádí pomocí
speciálního vlnovodu přímo do místa, kde dochází k rozkladu vzorku. Tento systém přenosu
energie umožňuje výrazně zvýšit teplotu mineralizace při celkové úspoře energie. Nádoby
používané v mikrovlnných rozkladných zařízeních musí být z takového materiálu, který
zajistí nízkou ztrátu mikrovlnné energie. Podle interakce s mikrovlnným zářením
rozdělujeme látky do několika skupin, a to na látky odrážející mikrovlnné záření (kovy), látky
propouštějící mikrovlnné záření (různé plasty, křemen a sklo) a látky pohlcující mikrovlnné
záření (zejména voda a roztoky kyselin), kde interakcí hmoty a mikrovlnného záření vzniká
teplo. Nádobky používané v mikrovlnných rozkladných systémech musí být z materiálu
s vysokou propustností mikrovlnného záření, jako jsou fluoroplasty (polytetrafluorethylen PTFE,
chemicky modifikovaný PTFE - PFA, perfluorethylenpropylen - FEP), tavený křemen
a sklo. Při výběru materiálu pro rozkladné nádobky se musí pečlivě zvážit jejich chemická
a tepelná odolnost (PTFE a PFA až do 250 o
C, FEP až do 200 o
C, křemenné sklo se používá
do 300 o
C) [1,5]. Vlivem absorpce mikrovlnné energie dochází k ohřevu rozkladné směsi
kyselin a vzorku mnohem rychleji a účinněji. Stěny nádobek se primárně nezahřívají, ale
ohřev nastává interakcí záření a molekul vzorku. Mikrovlnný tlakový rozklad vzorků je tedy
ve srovnání s mineralizací za atmosferického tlaku podstatně rychlejší. V některých případech
lze vzorek rozložit a zchladit na laboratorní teplotu již za 20 minut. Některé typy
mikrovlnných tlakových mineralizátorů umožňují kombinovat rozklad za atmosferického
a zvýšeného tlaku. Účinnost tlakového mikrovlnného rozkladu je dostatečná pro analýzu
získaných mineralizátů metodami atomové spektrometrie [4].
Při aplikaci spektroskopických metod je pro rozklad organické osnovy vzorku vhodná
HNO3. Za normálního tlaku však samotná vzorek úplně nerozloží a oxidační účinek se
zvyšuje přídavkem H2O2. I tak nedochází k úplnému rozkladu, ale k solubilizaci a obsah
zbytkového uhlíku je >5%. Tímto postupem je možné některé analyty s dobrou spolehlivostí
stanovit pomocí AAS nebo ICP-OES. Při rozkladu živočišných vzorků musí být rozklad co
nejdokonalejší, protože některé kovy vytváří s organickými sloučeninami silné komplexy,
které mohou vést k rušivým vlivům např. při použití hydridové techniky. Peroxid vodíku je
možné přidávat i při rozkladu za zvýšeného nebo vysokého tlaku, potom obsah zbytkového
uhlíku je nižší (do 2%). Dobrých výsledků s asi 3% zbytkového uhlíku lze při zvýšeném či
vysokém tlaku dosáhnout i při použití samotné HNO3. Směs konc. HNO3 a H2O2 s malým
přídavkem HCl je možné použít na rozklad biologických vzorků či potravin. Organickou
matrici dobře rozkládá směs HNO3 s přídavkem H2SO4 dokonce i za normálního tlaku.
Použití H2SO4 je však nežádoucí při stanovení prvků ICP-OES a ICP-MS v důsledku rušivých
vlivů transportu a ET-AAS z důvodu vlivu matrice [6].
Tlakový rozklad s konvenčním nebo mikrovlnným ohřevem je vhodný jako součást
analytického postupu pro stanovení prvků plamenovou i bezplamenovou AAS, ICP-OES
a ICP-MS. Tlakové rozklady prováděné kyselinou dusičnou v teflonových nádobkách, pokud
nejsou doplněny o další úpravu mineralizátu např. rozkladem s HClO4, nejsou vhodné pro
voltametrická stanovení kovů. Pro voltametrická měření se doporučuje zpracovávat
biologický vzorek tlakovým rozkladem v křemenných nádobkách za vysoké teploty (nad
280 o
C), což umožní úplné odstranění organické osnovy vzorku [1].
3. Mléko
Mléko a mléčné výrobky představují základní potraviny pro výživu obyvatelstva
včetně kojenců a dětí díky svým nutričním hodnotám. Stejně jako ostatní potraviny
živočišného původu má vysokou výživovou hodnotu. Mléko je zdrojem velmi kvalitních
bílkovin (3,3 %), které mají ve srovnání s bílkovinami masa výhodu, že mají velmi nízký
89
obsah purinových bází. Základní složkou mléka je voda, jejíž obsah se podle původu mléka
pohybuje v poměrně širokém rozmezí. V kravském mléce bývá 87-91% vody [8]. Obsah tuku
mlékárensky neupraveného mléka je v průměru 4 %. Mléčný tuk má vysoký obsah
nasycených mastných kyselin, ale přesto je poměrně dobře stravitelný, protože podstatnou
část tvoří mastné kyseliny s krátkým a středním uhlíkovým řetězcem. Příznivé účinky mají
mléčné fosfolipidy. Mléko obsahuje cholesterol, jehož množství závisí na obsahu tuku ve
výrobku. Obsah cholesterolu v nízkotučných výrobcích je nízký (v odstředěném mléce pouze
18 mg kg-1
), v másle naopak vysoký (2,5 g kg-1
). Ze sacharidů obsahuje mléko téměř výlučně
laktosu (4,7%), která je příčinou trávicích potíží u lidí s laktosovou intolerancí (onemocnění,
kdy organismu chybí v tenkém střevě enzym laktáza, který štěpí tento mléčný cukr). Z dalších
živin je mléko zdrojem řady vitaminů - A, D a karotenů (obsah těchto vitaminů je
v odstředěném mléce velmi nízký), vitaminů skupiny B (zvláště riboflavinu) a minerálních
látek, zejména vápníku, dále zinku a jodu. Mléko je na vápník bohaté a navíc jeho
využitelnost je z mléka podstatně vyšší než z rostlinných zdrojů, a proto jsou mléko a mléčné
výrobky jako zdroj vápníku nenahraditelné. Navíc obsahují laktosu a aminokyseliny, které
využitelnost vápníku zvyšují.
Celosvětově je nejvíce využíváno mléko kravské. V rozvinutých zemích tvoří 98%
vyrobeného mléka, v rozvojových zemích pouze 2/3. Zbývající část tvoří mléka jiného
původu (kozí, ovčí, buvolí, velbloudí) [9]. Základní chemické složení mléka kravského,
kozího, ovčího, kobylího a tuleního v porovnání s lidským mlékem je uvedeno v tab.1.
Tab.1. Složení mléka různého původu (v %, průměrné hodnoty) [10-12]
druh mléka voda proteiny tuk sacharidy minerální
látky
kravské 87,5 3,2 3,9 4,6 0,7
kozí 86,9 3,2 4,5 4,3 0,8
ovčí 79,8 4,6 7,2 4,8 0,9
kobylí 89,8 2,0 1,5 6,2 0,4
tulení 34,0 12,0 4,0 neobsahuje 0,5
lidské 86,5 1,6 4,5 7,1 0,2
Lidé, kteří ze zdravotních důvodů nemohou konzumovat kravské mléko, často
vyhledávají kozí mléko. Množství bílkovin a energetická hodnota kozího a kravského mléka
jsou přibližně stejné, kozí mléko je však v porovnání s kravským mlékem lépe stravitelné,
neboť má odlišné bílkovinné složení a jemnější rozptýlení tuku. Velmi významné je využití
kozího mléka při léčbě zažívacích potíží, hovoří se i o protirakovinných účincích kozího
mléka. Kozí mléko hraje i velmi důležitou roli ve výživě dětí, které jsou alergické na kravské
mléko. Obsahuje vysoce hodnotné bílkoviny (kasein, albumin, globulin), velmi hodnotné
a lehce stravitelné tuky, minerální soli Ca, K, Mg, Na, P, stopové prvky Cu, Zn, Mn, Ti, Cr,
relativně málo Fe, vitamíny A, B1, B2, B12, C, D, E, kyselinu listovou, osm enzymů
(především čerstvě nadojené mléko). Obsah některých minerálních látek v kravském
a mateřském mléce je uveden v tab.2 [13].
3. Analýza mléka
Rozhodující pro obsah kontaminujících chemických prvků v mléce není jen množství
imisí v dané oblasti, ale vedle krmiva pravděpodobně též geologická stavba podloží v dané
lokalitě. Proto jsou i hladiny analytů v mléce velmi proměnlivé. Mléko může obsahovat různá
množství kovů.
Kovy jsou uvolňovány do prostředí lidskou činností a z geologického pozadí. Do půdy
se dostávají z hnojiv nebo atmosferickou depozicí, ale také přírodním zvětráváním hornin.
90
Část kovů je z půdy odebírána rostlinami. Přežvýkavci jsou pak exponováni při pastvě, ale
také polknutím půdy z povrchové vrstvy, která obsahuje vyšší koncentrace kovů. Kovy jsou
distribuovány krví přes metaloproteiny do rozličných tkání a vykazují změny v závislosti na
různých faktorech jako druh a stáří jedince, forma kovu, fyziologie aj. Cesty k vylučování
jsou moč, výkaly a mléko. Přenos minerálů do mléka je vysoce proměnlivý, částečně pro
faktory vztažené k vylučování prsní žlázou (stav tvorby mléka). Zatímco některé kovy jsou
v nízkých dávkách esenciální (Cu, Zn), jiné jsou toxické (Cd, Pb) [14].
Tab.2. Obsah minerálních prvků v kravském a mateřském mléce [13]
mléko kravské plnotučné mateřské
prvek mg kg-1
mg kg-1
vápník 1100-1300 250-310
hořčík 110-140 20
sodík 480-500 160
draslík 1550-1600 530
fosfor 870-980 130-160
chlor 900-980 860
síra 290-330 100-160
zinek 3,4-4,7 1,2
železo 0,35-0,80 0,3-0,7
měď 0,05-0,2 0,26-0,4
molybden 0,01-0,07 0,002-0,01
mangan 0,03-0,09 0,006-0,03
kobalt 0,0004-0,0011 0,0001
nikl <0,003-0,03 0,001-0,01
chrom 0,002-0,02 0,0003
selen 0,003 0,006-0,028
jod 0,016-0,75 0,06-0,18
fluor 0,08-0,1 0,016-0,04
bor 0,02-0,2 0,06-0,08
křemík <2-3 0,7
olovo 0,001-0,002 0,0004-
0,002
kadmium <0,0001-0,001 0,0001-
0,0006
rtuť <0,001 0,0003-
0,001
arsen <0,001-0,003 <0,001
hliník 0,011-0,035 0,004-0,03
Řada prací se zabývá kvantifikací obsahu kovů v mléce a mléčných produktech.
Pro stanovení kovů se nejčastěji používá plamenová atomová absorpční spektrometrie,
atomová absorpční spektrometrie s elektrotermickou atomizací a hmotnostní spektrometrie
s indukčně vázaným plazmatem.
Mikrovlnný rozklad kombinovaný s plamenovou AAS byl použit pro stanovení zinku
a mědi v sušeném mléce. Použitá teplota rozkladu byla 110 o
C, doba rozkladu 21 min
a objem konc. HNO3 4 ml [15]. Mléko a sýr byly lyofilizovány a následně 2-3 g vzorků
spáleny. Popel byl rozpuštěn ve 3 ml konc. HNO3 a před měřením bylo přidáno 15 ml čisté
vody. ETAAS byla použita pro stanovení Cd a Pb, plamenová AAS pro stanovení Zn a Cu
91
[14]. Vzorek kravského mléka o hmotnosti 0,5 g byl také rozložen 5 ml konc. HNO3 na topné
desce zahříváním při 80 o
C po dobu 2-3 hod do vzniku čirého roztoku. Přebytek kyseliny byl
potom odpařen do vlhkého odparku. Po ochlazení byl odparek rozpuštěn a doplněn do 25 ml
0,2 mol l-1
HNO3 a roztok přefiltrován přes 0,45 mm filtr do polyethylenové nádobky.
Stanovení kovů (Fe, Cu, Zn, Pb, Cd) bylo provedeno plamenovou AAS [16]. Prvky
v kravském mléce byly stanoveny plamenovou AAS také po rozkladu vzorku v elektrické
peci při 450 o
C [12]. Vzorek kravského mléka byl také vysušen při 95 o
C a spálen při 450 o
C
s nárůstem teploty < 50 o
C hod-1
. K popelu bylo přidáno 5 ml 6 mol l-1
HCl a pak roztok
odpařen do sucha. Zbytek byl rozpuštěn v 0,1 mol l-1
HNO3 a analyzován pomocí ICP-MS
[17]. Vzorky buvolího mléka byly rozkládány ve směsi HNO3 a HClO4 (4:1). Pro stanovení
Cu, Co, Mn, Zn a Fe pomocí AAS byl rozložený vzorek zředěn destilovanou vodou [18].
V oblasti Comté v pohoří Jura, Francie byly sledovány hladiny Cd, Pb, Zn a Cu
v kravském mléce a jeho produktech [14]. Koncentrace prvků byly určeny AAS v 61 vzorcích
syrového mléka a v 21 vzorcích sýrů. U surových mléčných vzorků byl pouze obsah Zn vždy
nalezen v koncentracích nad limit detekce. Obsah Cd, Pb a Cu byl obvykle (93% pro Cd, 97%
pro Pb, 98% pro Cu) pod mezí detekce. U sýrů obsahy Cd, Cu, Pb a Zn byly vyšší než
v mléce. Srážení mléka pravděpodobně vede ke zkoncentrování způsobenému afinitou kovů
ke kaseinu a tuku. Zatímco koncentrace kovů (vztažená na suchou váhu) v surovém mléce
byly velmi nízké (0,34–1,01 ng g-1
Cd, 0,009–0,126 µg g-1
Pb, 0,28–1,71 µg g-1
Cu počáteční
hodnoty udávají polovinu hodnoty detekčního limitu a 20,6–31,0 µg g-1
Zn),
koncentrace v sýrech byly významně vyšší (0,68–11,4 ng g-1
Cd, 0,02–0,92 µg g-1
Pb, 5,35–
21,3 µg g-1
Cu, 33,7–63,4 µg g-1
Zn). Vyšší koncentrace Cu byly dány pravděpodobně
použitím měděného kotle. Detekční limity stanovení prvků byly pro mléko 0,67 ng g-1
Cd,
0,02 µg g-1
Pb, 0,56 µg g-1
Cu, 0,14 µg g-1
Zn, pro sýr 0,42 ng g-1
Cd, 0,01 µg g-1
Pb, 0,02 µg
g-1
Cu a 0,08 µg g-1
Zn [14].
U kravského mléka z El-Qaliubiya guvernie v Egyptě bylo analyzováno 100 vzorků od
20 krav a byly nalezeny průměrné koncentrace 16,4 µg g-1
Fe, 10,8 µg g-1
Zn, 4,40 µg g-1
Pb,
2,84 µg g-1
Cu a 0,29 µg g-1
Cd. Koncentrace byly vyšší než doporučené mezinárodní
mlékařskou federací [16]. V jižní Podlasii, Polsko bylo analyzováno 90 vzorků kravského
mléka pomocí AAS. Průměrné koncentrace v čerstvém mléce byly 173 ± 84 µg kg-1
Fe, 3,6 ±
0,9 mg kg-1
Zn, 27 ± 17 µg kg-1
Mn a 40 ± 23 µg kg-1
Cu. Nebyl nalezen žádný vztah mezi
stářím krav a koncentrací Zn, Mn a Cu [12]. 144 vzorků kravského mléka bylo analyzováno
na obsah těžkých kovů v oblasti Tekkekoy (doprava, průmysl, zemědělství), Samsun, Turecko
[17]. Obsahy Cu, Fe, Zn, Cr, Ni, Cd, As a Pb byly určeny pomocí ICP-MS. Byly zjištěny
průměrné koncentrace 1,13 mg kg-1
Cu, 0,44 mg kg-1
Fe, 12,9 mg kg-1
Zn, 0,032 mg kg-1
Cr,
0,48 mg kg-1
Ni, 0,006 mg kg-1
Cd, 0,003 mg kg-1
As a 0,04 mg kg-1
Pb. Obsahy mědi byly
mezi 0,62-1,89 mg kg-1
, železa 0,12-0,64 mg kg-1
, zinku 11,60-14,91 mg kg-1
, chromu 0,013-
0,075 mg kg-1
, niklu 0,31-1,13 mg kg-1
, kadmia 0,001-0,013 mg kg-1
, arsenu 0,001-0,007 mg
kg-1
a olova 0,028-0,068 mg kg-1
. Vyšší hladiny Cu, Pb a Cd byly zjištěny v letním období
[17].
Při analýze 496 vzorků buvolího mléka z oblasti Haryana v Indii byly nalezeny střední
hodnoty koncentrací 0,381±0,032 µg g-1
Cu, 3,05±0,23 µg g-1
Fe, 3,57±0,27 µg g-1
Zn,
0,56±0,11 µg g-1
Mn a 0,029±0,019 µg g-1
Co [18].
Podle vyhlášky č. 298/1997 Sb jsou limitní hodnoty (nejvyšší přípustné množství)
v mg kg-1
kontaminujících chemických prvků v mléce 0,4 mg kg-1
Cu, 0,01 mg kg-1
Cd, 0,02
mg kg-1
Pb a 10,0 mg kg-1
Zn.
92
II. Mineralizace mléka v autoklávu
1.Princip
Navážka vzorku se oxiduje směsí kyseliny dusičné a peroxidem vodíku v uzavřeném
systému. Materiál k analýze se umístí spolu s kyselinou dusičnou a peroxidem vodíku do
nádobky z PTFE, uzavře víkem a utěsní v ocelovém plášti. Celý autokláv se vloží do
horkovzdušné sušárny a zahřívá. V uzavřeném autoklávu vzniká zahřátím jeho obsahu tlak,
který urychluje rozklad vzorku. Teplota během rozkladu je udržována na zvolené hodnotě.
Výsledkem je čirý roztok vhodný po zředění k analýze metodami atomové spektrometrie.
2. Využití
Laboratorní autokláv je vhodný k rozkladu těžce rozpustných látek, jako jsou
biologické materiály, včetně kostí. Tento rozklad většinou předchází stanovení prvků
citlivými metodami. Velkou předností autoklávu je využití při stanovení snadno těkavých
prvků, např. Se, Hg, Sn aj., protože nedochází ke ztrátám odpařováním [19].
Protože tlakovým rozkladem lze mineralizovat jen poměrně malé navážky,
u některých vzorků je vhodné před rozkladem provést homogenizaci nebo alespoň upravit
velikost částic materiálu. Homogenizace však nesmí způsobit kontaminaci materiálu
stanovovaným prvkem, např. mletí nožovým mlýnem nebo homogenizace v nožovém mixéru
může vnést do vzorku stopová množství chromu, vanadu, niklu, molybdenu a železa [4].
Kompaktní tuhé materiály (např. pečivo, čokoláda, sýry, živočišné tkáně, ovoce
a zelenina) je vhodné předem nakrájet na plátky nebo kostky plastovým nožem nebo
nastrouhat s použitím skleněného struhadla, aby bylo možné z materiálu odvážit dávku asi
0,5-3 g. Odvažované nebo odměřované množství vzorku se volí podle tab. 3. U vzorků
s vyšším obsahem sušiny nebo vyšším obsahem tuku se volí menší navážka. Překročení
doporučené maximální navážky může vést během rozkladu k prudkému nárůstu tlaku [4].
Tab. 3 Doporučená maximální množství vzorků pro tlakový rozklad [4]
Typ materiálu Maximální hmotnost nebo objem vzorku
Obiloviny (obilné zrno, vločky, mouky) 0,5 g
Pečivo (bez přidaného tuku) 0,8 – 1 g
Ořechy, olejnatá semena 0,4 g
Luštěniny 0,5 g
Ovoce (kromě avokáda) 1,5 – 2 g
Zelenina 2 – 3 g
Koření 0,4 g
Kakao, čokoláda 0,4 g
Mléko plnotučné 5 ml
Sýry 1 – 2 g
Vaječná hmota 1,5 – 2 g
Tuky 0,2 – 0,3 g
Maso, uzeniny, vnitřnosti, ryby 0,8 g
3. Pomůcky a přístroje
• Laboratorní autokláv ZA-1 [11]. Tlaková nádoba o průměru 7 cm a výšce 17 cm má
hmotnost 2,8 kg. Objem reakční nádobky je 100 ml (obr.1).
93
Obr.1. Laboratorní autokláv ZA-1 [19].
• Tyčka a klíč jsou pomocné nástroje, kterými se utahuje nebo povoluje matice na šroubu
a tím stlačuje nebo uvolňuje soustava osmi talířových pružin. Hák je určen k vyjmutí
autoklávu z horkovzdušné sušárny [19].
• Autokláv nesmí být zahříván nad teplotu 200 o
C. Nesmí se ohřívat na vařiči, kahanem
a pod. Ohřívač musí být komorového typu, vybavený regulací teploty a kontrolním
teploměrem, nejlépe horkovzdušná sušárna. Před otevíráním autoklávu se musí náplň
ochladit na teplotu v laboratoři. Doba samovolného ochlazování je minimálně 2 hod [19].
• Po skončení analýzy se vnitřní části nádobky omyjí destilovanou vodou a 30% HNO3.
Před dalším použitím se nádobka propláchne destilovanou vodou, příp. 10% roztokem
kyseliny citronové, dále redestilovanou vodou a vysuší se. Po skončení pracovního cyklu
doporučuje výrobce vyšroubovat matici a autokláv rozdělat na jednotlivé díly, omýt
mýdlem v teplé vodě a osušit. Kovové díly, zejména závity a pružiny se pak ošetří
silikonovým olejem [19].
• Atomový absorpční spektrometr AANov 300.
• Veškeré nádobí musí být čištěno běžným mytím v destilované vodě a dekontaminováno
loužením ve zředěném roztoku HNO3 (1:10) po dobu minimálně 24 hodin. Doporučená
doba loužení je tři týdny. Vyloužené nádobí je umyto deionizovanou vodou, usušeno a do
použití by mělo být uschováno v uzavřených plastových sáčcích.
4. Pracovní postup
4.1. Sestavení autoklávu
Pružiny se navléknou na šroub, potom se nasadí horní těleso s podložkou a našroubuje
se matice. Ta se dotáhne rukou bez použití nástrojů. Tím je nastavena počáteční poloha
matice před stlačením pružiny. Tyčkou a klíčem se podle stupnice na tělese a rysky na matici,
matice utáhne o 1 otáčku po směru hodinových ručiček [19].
Do mineralizační nádobky se nadávkuje 6 ml konc. HNO3 a přidá 0,5 g sušeného
mléka nebo 4 ml polotučného mléka. Směs se opatrně promíchá krouživým pohybem
nádobky. Přidají se 2 ml 30% H2O2 a směs se opět opatrně promíchá. Reakční nádobka se
vloží do spodního tělesa, které je opatřeno výsuvným dnem. Nádobka se zakryje víčkem
a na spodní těleso se našroubuje a rukou dotáhne komplet tělesa horního. Horní matice se
94
klíčem a tyčkou povolí, tím přitlačí pružiny víčko na nádobku a autokláv je připraven
k ohřevu [19].
4.2. Mineralizace a demontáž autoklávu
Sestavený autokláv se vloží do studené sušárny na které se nastaví teplota 160 °C
a nechá se reagovat 3 hodiny. Po ukončení mineralizace se autokláv vyjme pomocí háku nebo
tyčky a nechá se vychladnout. Po důkladném vychladnutí se horní matice utáhne. Horní těleso
se vyšroubuje a zatlačením na výsuvné dno se vyjme reakční nádobka. Je-li autokláv
nedostatečně ochlazen, může při utahování matice nastat únik digesčních zplodin. Proto je
nutné otvírat autokláv v digestoři a otvor na boku horního tělesa mít na odvrácené straně
směrem do digestoře [19].
Nadzdvihnutím víčka nádobky se uvolní část plynných produktů. Uvnitř nádobky je
možné pozorovat hnědě zbarvený nitrosní plyn, který se nechá dostatečně odkouřit. Po sejmutí
víčka se jeho vnitřní část opláchne proudem deionizované vody ze střičky pomocí nálevky do
odměrné baňky o objemu 50 ml. Stejným způsobem se do odměrné baňky převede kvantitativně
i obsah nádobky. Odměrná baňka se doplní deionizovanou vodou po značku a obsah se
promíchá. Potom se obsah filtruje do polyethylenové lahvičky.
III. Stanovení mědi a zinku v mléce atomovou absorpční spektrometrií
1. Použitelnost metody
Metoda je vhodná pro stanovení mědi a zinku v potravinách a matricích biologického
původu.
2. Princip metody
Mineralizát vzorku je zmlžován do plamene C2H2-vzduch a je měřena absorpce záření
volnými atomy mědi a zinku na rezonančních čarách 324,7 nm a 213,9 nm. Koncentrace
prvků v analyzovaných roztocích se určují z naměřených absorbancí metodou kalibrační
křivky.
Výchozími vzorky jsou mineralizáty připravené tlakovým rozkladem v HNO3 a H2O2.
V případě stanovení mědi bývá jejich ředění nezbytné jen u vzorků s jejím vysokým obsahem
(játra, některé houby, čaj), zvlášť pokud byla mineralizována větší navážka. Potom se roztoky
vzorků před měřením ředí pětkrát až desetkrát. Roztoky slepých vzorků se nikdy neředí.
3. Chemikálie
• Standardní roztok Cu2+
o koncentraci 1,000 g l-1
v prostředí 0,5 mol l-1
HNO3
• Standardní roztok Zn2+
o koncentraci 1,000 g l-1
v prostředí 0,5 mol l-1
HNO3
• Zásobní roztok k přípravě kalibračních roztoků pro AAS o koncentraci Cu2+
a Zn2+
100 mg
l-1
se připraví odpipetováním 10 ml standardních roztoků 1,000 g l-1
Cu2+
a Zn2+
do 100 ml
odměrné baňky, okyselením 1 ml 65% HNO3 a doplněním deionizovanou vodou po značku.
Baňka se uzavře zátkou, její obsah se promíchá a přelije do 100 ml PE lahvičky se
šroubovacím uzávěrem.
• 1,5 mol l-1
HNO3 se připraví ředěním koncentrované kyseliny deionizovanou vodou.
4. Pracovní postup
Jednotlivé kalibrační roztoky se připravují ze zásobních roztoků iontů kovů.
Kalibrační roztoky obsahují 0; 0,25; 0,5; 0,75 a 1 mg l-1
Zn a 0; 0,5; 1,0; 1,5 a 2 mg l-1
Cu
v prostředí 1,5 mol l-1
HNO3.
Obsah zinku a mědi se stanoví plamenovou atomovou absorpční spektrometrií
(FAAS). Návod pro obsluhu AA spektrometru novAA 300 a postup při stanovení Zn je
95
uveden v úloze stanovení zinku ve vlasech. Při stanovení Cu se postupuje podobně s metodou
pro měď.
5. Zpracování výsledků
Vyhodnocení koncentrace zinku a mědi ve vzorcích se provede z naměřených
kalibračních křivek.
Obsah prvku ve vzorku (m) v mg kg-1
se vypočte ze vztahu
m = (c – c0) V / mv,
kde c je hmotnostní koncentrace prvku v roztoku vzorku v µg ml-1
, c0 průměrná hmotnostní
koncentrace prvku v sérii slepých vzorků v µg ml-1
, V objem mineralizátu v ml a mv navážka
vzorku v g. Z výsledků paralelně provedených analýz téhož vzorku se vypočítá aritmetický
průměr, případně odhad směrodatné odchylky.
IV. Použitá literatura
1. Mader P., Čurdová E.: Chem. Listy 91, 227 (1997).
2. Bendl J.: Příprava vzorků pro ICP-MS. Sborník přednášek semináře Zpracování vzorků pro
atomovou spektrometrii II, str. 25-28, Radějov, 13-16.5.1996.
3. Mader P., Kolihová D.: Rozklady rostlinných materiálů pro atomovou spektrometrii.
Sborník přednášek semináře Zpracování vzorků pro atomovou spektrometrii II, str.34-38,
Radějov, 13-16.5.1996.
4. Koplík R.: Laboratoř analýzy potravin a přírodních produktů. Stanovení minerálních látek.
VŠCHT Praha.
5. Čurdová E., Koplík R.: Rozklady biologických materiálů. Anorganická analýza v životním
prostředí. Sborník přednášek ze semináře v Komorní Lhotce. 2 THETA. 97-103 (1997).
6. Krakovská E.: Príprava vzoriek pre metódy atómovej spektroskópie. Anorganická analýza
v životním prostředí. Sborník přednášek ze semináře v Komorní Lhotce. 2 THETA. 77-87
(1997).
7. Krakovská E.: Rozpúšťanie a rozklad vzoriek v mikrovlnných zariadeniach. Sborník
přednášek semináře Zpracování vzorků pro atomovou spektrometrii II, str.9-24, Radějov, 13-
16.5.1996.
8. Velíšek J.: Chemie potravin 1. OSSIS Tábor (1999).
9. Gajdůšek S.: Laktologie. MZLU Brno (2003).
10. Ingr I.: Zpracování zemědělských produktů. MZLU Brno (2003).
11. Poustka J.: Analýza mléka a mléčných výrobků. VŠCHT Praha.
12. GórskaA., Oprządek K.: Acta Vet. Brno 80, 203–206 (2011).
13. Velíšek J.: Chemie potravin 2. OSSIS Tábor (1999).
14. Maas S., Lucot E., Gimbert F., Crini N., Badot P.-M.: Food Chemistry 129, 7–12 (2011).
15. Khajeh M.: Journal of the Brazilian Chemical Society 23, 1704-1710 (2012).
16. Malhat F., Hagag M., Saber A., Fayz A.E. : Bull. Environ. Contam. Toxicol. 88, 611–613
(2012).
17. Temiz H., Soylu A.: International J. Dairy Technology 65, 516-522 (2012).
18. Guha A, Gera S., Sharma A.: Asian-Aust. J. Anim. Sci.: 25, 353 - 360 (2012).
19. Laboratorní zařízení k tlakovému rozkladu vzorků ZA-1. JZD „Pokrok“ Zahnašovice, okr.
Kroměříž.