Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Analytická chemie životního prostředí
Anorganické polutanty
Jan Kuta
Osnova
1. Zpracování a stabilizace environmentálních vzorků
2. Volumetrické metody v analýze vod
3. Organoleptické analýzy a (ne)rozpuštěné látky
4. Anionty ve vodách
5. Anorganické plyny v ovzduší
6. Základní parametry půd – pH a TOC
7. Analytika (toxických) kovů
Charakteristika environmentálních analýz
Specifika environmentální analytická chemie
• Velká škála analytů tj. různorodost analytických technik
• Velká koncentrační rozpětí tj. pro některé analyty rozdíly v obsazích v
určitých matricích i několik koncentračních řádů → hrozba kroskontaminací
v průběhů přípravy a analýzy, robustní metody pracující v
širším koncentračním rozsahu …
• Různé typy matric, komplikované matrice → nutné vyvinout různé
extrakční postupy, různé interference (ovlivnění výsledu) pro stejný
analyt v různých matricích
• Špatná homogenita některých materiálů (např. půdy a sedimenty)
• Nízká stabilita některých analytů v matricích – např. sorpce analytů na
stěny vzorkovacích nádob, nízká tepelná stabilita, změny způsobené
mikrobialní aktivitou
• …
3
Zpracování a stabilizace vzorků
Při transportu a úpravě vzorků je nutno zamezit
• Ztrátám analytů rozkladem např.
– Oxidací vzdušným kyslíkem – naplnit nádoby po okraj
– Mikrobiální aktivitou – tmavé sklo, aditiva
– UV zářením – tmavá skla
– Tepelným rozkladem – chlazení v chladících boxech
• Sorpcí analytů na stěny vzorkovací nádoby
– Kritické u vod - např. stanovení toxických kovů ve vodách – zakyselení
• Reakcím vedoucí k chemickým změnám jako např. tvorbě koloidů
(sorpce a spolusrážení analytů)
• Kontaminaci z okolního prostředí
– Při vzorkování a transportu
– Při úpravě v laboratoři jako je homogenizace, sítování, sušení …
• Změnám při analýze/extrakci – transformace analytů
4
Zpracování a stabilizace vzorků - voda
Složení vod
• H2O 
• Anorganické kationty a anionty (TDS desítky až stovky mg/L pro
sladké vody, slané vody - 30 – 40 g/L (např. mrtvé moře 300 g/kg)
• Rozpuštěná organická hmota (DOC) – huminové kyseliny, fenoly
• Rozpuštěné plyny – O2, CO2 …
• Přechodné kovy – přirozeně se vyskytující i jako kontaminanty
• Koloidní částice a unášené částečky sedimentů
• Antropogenní kontaminanty (pesticidy, surfaktanty …)
Znečištění vod
• Primární – látky dostávající se do vody (různé povahy od toxických
kovů, aniontů přes POPs a bakterie)
• Sekundární – např. eutrofizace vod po kontaminaci toku
fosforečnany a dusičnany - tvorba toxických metabolitů sinic …
5
Zpracování a stabilizace vzorků - voda
Stabilizace vzorků vod
• Filtrovaná vs. nefiltrovaná voda
– Filtrace obvykle přes 0,45 µm resp. 0,22 µm membránový filtr –
oddělení koloidních částic resp. mikroorganismů od rozpuštěných látek
– Koloidní částice mohou sorbovat např. TMs a POPs
6
Zpracování a stabilizace vzorků - voda
Stabilizace vzorků vod
• Neexistence jednotného postupu stabilizace pro všechny analyty
• Vždy volit podle typu analytu/ů
• Analyzovat co nejdříve případně stabilizovat
• Velké ztráty hrozí obzvláště v případě plynných analytů, které nelze
stabilizovat (O2, CO2, Cl2) - dostatečně naplněné nádoby, chladit na
4 °C – zvýšení rozpustnosti plynů
• Teplota, pH, Cl2, chuť, pach a barva by měly být stanoveny okamžitě
• CO2, ZNK, KNK - optimálně v den odběru (NELZE stabilizovat)
• CHSK, BSK, vodivost a rozpuštěné látky do 24 h
Stabilizace
• Stopové prvky - 0,5 ml HNO3 popř. HCl /100 ml
• CHSK, HN4
+ a některé anionty 0,1 m H2SO4 na 100 ml
• Dusičnany, dusitany, sírany, fosforečnany - chloroform
7
Zpracování a stabilizace vzorků - ovzduší
Složení ovzduší
• Spodních 10 km atmosféry
• N2 (78,1 %), O2 (20,9 %), Ar (0,9 %)
• Dále vodní páry, CO2, Ne, He v menší míře H2S, CO …
Znečištění ovzduší
• Polétavý prach (pm 10, pm 2,5, pm 1)
• Anorganické plyny, především NOx a SOx
• Těžké kovy na prachových částicích, těkavá Hg volně
• POPs a VOCs (PAHs, PCBs, dioxiny …) – volně i na částicích
8
MZP 2007:
Emise PAHs
Mittal Ostrava
Zpracování a stabilizace vzorků - ovzduší
Zpracování vzorků vzduchu
• Anorganické plyny (O3, SOx, NOx, …) obvykle in-situ měření pomocí
instrumentálních technik (fluorescence, coulometrie)
– Případně záchyt do vhodného roztoku pomocí promývačky či na
filtru impregnovaném vhodnými činidly (více v kapitole o analytice
anorganických plynů) – zde relativně stabilní
• Toxické kovy
– krom Hg vždy na částicích - záchyt na nitrocelulózových filtrech
(zde stabilní, pozor na kontaminaci z prostředí) → rozklad filtru
– Záchyt v absorpčních roztocích, v případě Hg – amalgamace
9
Zpracování a stabilizace vzorků – půda a sediment
Složení půd a sedimentů
• Půda vs. sediment – složení podobné
• Heterogenní matrice, proměnlivé složení
• Různé typy půd podle chemického a zrnitostního složení (písčité,
hlinité, černozemně, jíly…)
• Anorganické složky – minerály (převážná část) – hlinito-křemičitany,
SiO2, oxo/hydroxidy Al-Fe-Mn, sulfidy, uhličitany
• Organická hmota – huminové a fulvo kyseliny, zbytky nerozložených
organismů
Vlastnosti půd a sedimentů
• Omezená migrace polutantů na rozdíl od vzduchu či vody
• Sorpce polutantů na půdní částice (akumulace)
• Vzorkování - kritický problém (nerovnoměrné zatížení půd a
sedimentů, různé zrnitostní složení – různě velký sorpční povrch)
• Vertikální a horizontální profily pro studium kontaminace prostředí v
prostoru a čase
10
Zpracování a stabilizace vzorků - půda a sediment
Zpracování vzorků půd a sedimentů
• Po vzorkování - analyty obvykle stabilní, vyjma vysoce těkavých
látek (VOCs) , popř. redox citlivých sloučenin (sulfidy)
• Po odběru obvykle sušení – od laboratorní teploty po 105 °C podle
těkavosti analytu např. pro Hg nikdy více než 40°C
• Lyofylizace - sublimace vody (led) za sníženého tlaku (nevhodná pro
velké objemy)
• Následuje sítování
– Odstranění kamenů a bioty, obvykle síta s velikostí ok 1 mm nebo 2 mm
– Případně rozsítování na jednotlivé velikostní frakce
11
Zpracování a stabilizace vzorků - půda a sediment
Zpracování vzorků půd a sedimentů
• Následuje mísení vzorku a dělení vzorku na subvzorky – manuálně
či strojově
• V případě nutnosti (obzvláště v analýzách, kde se vychází z malých
navážek – řádově jednotky až stovky mg) dále mletí vzorku pomocí
vibračních čí kulových mlýnu – pozor na kontaminace z mlecích
nádobek !!!!
12
Zpracování a stabilizace vzorků – biologických materiálů
Zpracování vzorků bioty
• Pozor na transformace analytů, co nejdříve po odběru zpracovat
• Separace jednotlivých částí, pokud je potřeba
• Následuje obvykle sušení, vhodněji lyofilizace
• Dále mletí, drcení, mixování … platí zde to samé, co v případě půd
a sedimentů – pozor na kontaminace z mlecích nádobek (např.
kovových nožů mixéru)
• ALE mnohé vzorky obsahují tuky a silice – vzorky se špatně melou
- vhodné je vzorky nejprve zmrazit (zkřehčit) pomocí tekutého
dusíku = kryogenní mletí
13
Volumetrické metody pro základní parametry vod
• Volumetrické = titrační = odměrné metody
• Stále používané – jednoduché a vysoce přesné (ve srovnání s
instrumentálními metodami) zvláště u koncentrovaných vzorků
• Přímé a zpětné titrace
• Acido-bazické, srážecí, komplexometrické, redoxní
• Bod ekvivalence – vizuálně na indikátor, pH, vodivost
CHSK (chemická spotřeba kyslíku)
• Míra organického znečištění vod (přírodní i antropogenní původ)
• Oxidace organických látek za přebytku silného oxidačního činidla
• Hmotnost kyslíku ekvivalentní spotřebě silného oxidačního činidla
na oxidaci organických látek v 1 litru vody
• Zpětná titrace (oxidace v nadbytku ox. činidla)
• Základní ukazatel jakosti pitných, povrchových i odpadních vod
14
Volumetrické metody pro základní parametry vod
CHSKMn
• Oxidace roztokem manganistanu draselného
• Nižší stupeň oxidace, ale snazší na provedení
• Používá se pro pitné a méně kontaminované povrchové vody
CHSKCr
• Oxidace roztokem dichromanu draselného
• Vyšší stupeň oxidace (téměř úplná) – lepší vypovídací hodnota o
organickém znečištění
• Náročnější na provedení tzn. horší reprodukovatelnost
• Používá se především pro odpadní vody a kontaminované
povrchové vody
15
Volumetrické metody pro základní parametry vod
Stanovení neutralizační kapacity
• Schopnost vody vázat určité množství kyseliny nebo zásady do
předem zvolené hodnoty pH
• Výsledky v mmol/l
• pH povrchových vod obvykle v oblasti 4,5 – 9,5
• U přírodních vod pH ovlivňuje především uhličitanový systém pufruje
výkyvy pH: CO2 ↔ HCO3
- ↔ CO3
2•
U odpadních vod můžou hrát i dominantní roly jiné látky
ZNK (zásadová neutralizační kapacita)
• Spotřeba jednosytné zásady (obvykle 0,1M NaOH) při titraci 1 l vody
do zvolené hodnoty pH
Pro povrchové, pitné a užitkové vody
• Celková acidita - titrace do pH 8,3 (ZNK8,3)
• Zjevná acidita - titrace do pH 4,5 (ZNK4,5)
16
Volumetrické metody pro základní parametry vod
KNK (kyselinová neutralizační kapacita)
• Spotřeba jednosytné kyseliny (obvykle 0,1M HCl) při titraci 1 l vody
do zvolené hodnoty pH
• Celková alkalita - titrace do pH 4,5 (KNK4,5)
• Zjevná alkalita – titrace do pH 8,3 (KNK8,3)
• hodnoty pH – proč 4,5 a 8,3?
17
2 4 6 8 10 12
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
Fraction
pH
CO 3
2 −H 2CO 3 HCO 3
−
[CO 32 −]TO T = 10 .00mM
Volumetrické metody pro základní parametry vod
Další užívané volumetrické metody
Stanovení tvrdosti vody
• Stanovení Ca2+ a Mg2+ vedle sebe komplexometrickou titrací
• Titrace obou kationtů pomocí EDTA na erichromčerň-T
• Titrace Ca2+ pomocí EDTA na murexid (barevny komplex pouze pro
Ca) → Mg spočten z rozdílu
• Sírany – srážecí titrace pomocí PbNO3 za vzniku málo rozpustného
PbSO4 (indikátor dithizon)
• Chloridy – srážecí titrace pomocí AgNO3 za vzniku málo
rozpustného AgCl (indikátor chroman – tvorba Ag2CrO4)
18
Celkové rozpuštěné a nerozpuštěné látky
• Důležité ukazatele jakosti vod
• Celkové látky – odpaření odměřeného množství vody při na vodní
lázni následné vysušení odparku při 105 °C do konstantní
hmotnosti
• Nerozpuštěné látky – zachycení pevných látek na filtru – vysušení
filtru při 105 °C a vážení
• Rozpuštěné látky – viz celkové po filtraci
• Přibližné hodnoty – termicky rozklad hydrogenuhličitanů na
uhličitany a dále na CO2, zůstává krystalová voda
TDS (total dissolved solids) = celkové rozpuštěné látky
Minerálky TDS nad 1 g/l (Vincentka dokonce 10 g/l)
Povrchové vody obvykle stovky mg/l
19
Organoleptické vlastnosti vody
• Organoleptika je smyslové posuzování, využívá hlavní smyslové
vjemy k hodnocení vlastností (vzhled, vůně, chuť ap.)
• Teplota, barva, zákal, průhlednost, pach chuť
• Teplota
– Optimální teplota pitné vody 8 – 12 °C
• Barva
– Vodu barví Fe3+ (do rezava), huminové látky (do žlutohněda), jíly a
fytoplakton (do zelena) + antropogenní látky
– Čistá voda světlo ve VIS spektru téměř neabsorbuje (modrá-silná vrstva)
– Stanovení – subjektivně příp. objektivně (srovnání se standardy, instr.)
20
Organoleptické vlastnosti vody
• Zákal
– Suspendované látky organického i anorganického původu (jílové
minerály, hydratované oxidy železa a manganu, bakterie, plankton a
dispergované organické látky)
– Turbidimetrické stanovení – pitná voda max. 5 ZF jednotek
• Průhlednost
– Sloupec vody (v cm), při kterém přestane být vidět bílý spodek tzv.
Secciho desky
21
Organoleptické vlastnosti vody
• Pach
– Původ: „přírodní“ látky jako H2S a látky biologického původu (rozklad
org.) popř. antropogenního původu (splašky, průmyslové odpadní vody)
– Sekundární – chlorace vody
– Vyjádření:
• Prahová koncentrace látky (v mg/l), která způsobuje pach
• Jako míra pachu - vyjádřená zředěním, při kterém je pach ještě postižitelný
– Stanovení
• Ředění posuzované vody bezzápašnou (při 20 a 40 °C)
• Několik posuzovatelů – kdy je pach ještě postižitelný
• Chuť
– Osvěžující, chutnou a dobrou vodu tvoří určitá (optimální) koncentrace
anorganických složek vody
– Ovlivněna především koncentracemi Ca, Mg, Fe, Mn, HCO3
-, Al2O3
– Optimální pH 6,5 – 7,5 (při 8 mýdlová chuť). Při větších koncentracích
hořčíku se sírany vzniká hořká chuť a při kombinaci chloridů a sodíku
má voda slanou chuť
– Metoda – degustační zkoušky 
22
Anorganické anionty ve vodách
Zdroje
• Zvětrávání minerálů zemské kůry
• Atmosférické srážky
• Aplikace umělých hnojiv
• Živočišné opady
• Odpadní vody – polyfosforečnany z pracích prostředků (tmyčky)
• Některé toxické (dusitany – nitrace aminů na karcinogenní
nitrosaminy), některé způsobují eutrofizaci (PO4
3-, NO3
-)
Analytické metody
• Volumetrické metody (viz předchozí část prezentace)
• Iontově selektivními elektrodami
– užívané v terénu (např. pro NO3
-), ale interference a malá citlivost
• Iontová chromatografie
• Spektrofotometrie – přímá i po selektivní reakci
• elektromigrační metody - kapilární elektroforéza a izotachoforéza
23
Anorganické anionty ve vodách
Iontová chromatografie
• Použitelná pro většinu aniontů (F-, Cl-,NO3
-, SO4
2-, HCO3
-, HPO4
2- ..)
• SF: silný aniontový měníč (obvykle -(CH3)3
+ na polymerním nosiči)
• MF: Kyselina ftalová či hydroxybenzoová, síla eluce se dá nastavit
hodnotou pH MF a koncentrací pufru (konc. v mM)
• Obvykle vodivostní detekce
24
Anorganické anionty ve vodách
Spektrofotometrická stanovení
• Vhodná pro většinu aniontů (nejdou simultánně stanovit vs. IC,CE)
• Přímá v UV oblasti např. pro dusičnany (205 – 250 nm,diodové pole)
• Fotometrie po reakci s chromoforem (arom. jádra, komplex s kovem)
25
Anorganické anionty ve vodách
Spektrofotometrická stanovení - příklady
• Dusičnany se salicianem sodným – nitrace v prostředí H2SO4
• Fosforečnany za tvorby fosfomolybdenové modři
• Dusitany diazotací s kyselinou sulfanilovou a následnou kopulační
reakcí za tvorby azobarviva
• Fluoridy se Zr kationty a alizarinem S
26
Anorganické anionty ve vodách
Kapilární elektroforéza a izotachoforéza
• Elektromigrační metody – separace v kapiláře po aplikaci vysokého
napětí – separace na základě iontových pohyblivostí
• Vhodné pro většinu aniontů
• Fotometrická nebo vodivostní detekce
• Kapilární elektroforéza (CE) – možné stanovit vedle sebe anionty i
kationty díky elektro-osmotickému toku
27
Anorganické plyny v ovzduší
• Sledovány především oxidy síry a dusíku – NOx, SOx, (CO, NH3)
• Zdroje: spalovací procesy
• Metody analýzy – in-situ analyzátory a po záchytu v laboratoří
SOx
• V atmosféře především SO2,v kouřových plynech SO2/SO3= 40-80/1
• SO3 rychle vzdušnou vlhkostí rychle hydratován na H2SO4
Fluorimetrická metoda
• in-situ metoda
• Excitace při 190-230 nm, max. emise při 320 nm
28
Anorganické plyny v ovzduší
Konduktometrická metoda
• in-situ metoda – měření změny vodivosti v absorpčním roztoku
• Coulometrický monitor
• Fotometrie West-Gaeke po záchytu v impingeru
• Titrační metoda SF po záchytu v impingeru (po oxidaci jako H2SO4)
29
Anorganické plyny v ovzduší
NOx
• NOx = NO a NO2 (N2O není považován za škodlivinu)
• NO2 - spalovací procesy
• NO – krom spalování, původ v metabolismu bakterií za anaerobních
podmínek → ale oxidace vzdušným kyslíkem na reaktivnější NO2
Stanovení NOx
• Chemiluminiscence - in-situ metoda (automatické analyzátory)
• Fotometrie po záchytu v absorpčním roztoku
• Coulometrie – automatické analyzátory
Chemiluminiscence
• Převedení NO2 (katalitická redukce) na NO a excitace reakcí s O3
• Emise v oblasti 700 – 900 nm
• Stanovení celkové koncentrace NOx
30
Anorganické plyny v ovzduší
Chemiluminiscence
31
Fotometrie
• Záchyt NO2 v alkalickém roztoku (NaOH)
• Diazotace se sulfanilovou kyselinou a kopulace schromoforem
• Absorpční spektrofotometrie při 540 nm
Základní parametry půd z hlediska env. chemie
Stanovení pH půdního roztoku
• Přímě měření kontaktní elektrodou (dostatečná vlhkost půdy)
• V suspenzi s deionizovanou vodou, 1M KCl nebo 0,01M CaCl2
• V suspenzi: pH půdního roztoku vs. vyměnitelné pH
• V suspenzi: 1:5 (půda : činidlo), třepání, stání → skleněná elektroda
Stanovení organického uhlíku
• Schopný interagovat s polárními i nepolárními látkami
• Stanovení:
• Odstranění uhličitanů (odkouření
s HCl)
• Spálení org. uhlíku v proudu O2
• IR detekce vzniklého CO2
32
Kovy, polokovy, nekovy – prvková analýza
33
Kovy a metaloidy - formy
• V ŽP v naprosté většině ve formě sloučenin (mimo Au, Hg)
Vzduch
• Hg elementární, RGM (HgCl2), alkylované těkavé formy - Me2Hg, Me3As,
(CH3CH2)4Pb
• Kovy na prachových částicích
Voda – rozpuštěné formy
• Kationty + komplexované (H2O, OH-, CO2, org. cheláty) = KOVY
• Anionty (i methylované) - As, Sb, Se, Si, Te = METALOIDY
V pevných matricích (sediment, půda, prach, sušená biomasa)
• Oxidy, hydroxidy, soli anorganických i organických kyselin, sorbované ionty
• Komplikovanější organické sloučeny - proteiny …
34
Kovy a metaloidy - zdroje
• Jsou všudypřítomné a jsou tu od vzniku země
• Kovy jsou nedegradibilní – pouze se mění forma
• Nevyrábí se - dochází pouze k redistribuci a změně formy
Zdroje
• Přírodní
– Primární minerály zemské kůry
– Sekundární – vznikají zvětrávání primárních minerálů
– Různými procesy (oxidace, redukce, změna pH … a následné
rozpouštění) se dostávají do vod
• Antropogenní
– Těžební činnosti, spalovací procesy, průmysl (kovy v surovinách,
přechod do odpadních vod), splachy ze střech, výroba a použití
pesticidů …
35
Kovy a metaloidy - toxicita
Těžké vs. toxické kovy
• Těžké – hustota ≥ 5 g/cm3 - ne každý kov je toxický nebo „těžký“
• Be „netěžký” toxický kov, Fe a Mn těžké netoxické
Esenciální kovy
• Nepostradatelné pro správnou funkci organismu - Fe, Cu, Mg, Se, Zn,
Mn, Cr …
• Některé z nich mají velmi toxické formy – Se, CrVI,
Toxicita
• Nejrizikovější - sloučeniny Hg, As, Cd, Pb, organocíny (TBT)
• Karcinogenní – Ni, Be, CrVI, AsIII, Cd
• Závislé od formy – CrIII netoxické, CrVI velmi (T+)
36
Příklad - As
• Přirozeně se vyskytující prvek (půdy v ČR průměr cca 8 mg/kg,
povrchové vody 0,1 – 2 ug/l...)
• Arsen vázaný v minerálech – primární a sekundární minerály
Primární - v minerálech společné s S, Fe a O např. auripigment (As2S3),
realgar (AsS), arsenopyrit (FeAs)
Sekundární – nerozpustné arseničnany – Scorodite FeAsO4*2H2O
• Anionty anorganických kyselin tj. arsenitany a arseničnany
• Methylované anionty anorganických kyselin – produkty biomethylace
• Další sloučeniny arsenobetaim, arsenocholin, arsenocukry, arsenolipidy
…
Důsledky: jednotlivé formy se mohou významné lišit svým chováním v
prostředí i toxicitou
37
Arsen - příklad
2 4 6 8 10 12 14
-1 .0
-0 .5
0 .0
0 .5
1 .0
ESHE/V
pH
A s(OH )3
A sH 3
A sO (OH )2
−
A sO 2 (OH )2 −
A sO 33 −
A sO 43 −
H 2A sO 4 −
H 3A sO 4
HA sO 4
2 −
A s(c )
[A s(OH )3 ]TO T
= 10 .00 µM
t= 25 °C
Arsen - příklad
2 4 6 8 10 12 14
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
Fraction
pH
A s(OH )3
A s(OH )2
+
A sO 4
3 −
H 2A sO 4 −
HA sO 42 −
EH = 0 .30V [A s(OH )3 ]TO T
= 10 .00 µM
t= 25 °C
Biomethylace As
www.ehponline.org/members/2005/7634/7634.html
40
Metody analýzy kovů a polokovů
Obecný postup analýzy:
• Odběr vzorků a zpracování před analýzou (homogenizace, sušení)
• Úprava vzorku před analýzou (extrakce, rozklady)
• Analýza (zde hlavně prvkově specifické metody)
Rozdělení metod – strukturní vs. prvkově specifické
– Prvkově specifické – techniky ICP a AAS, RTG fluorescence …
– Molekulárně specifické – techniky MS (ESI, EI, APCI), NMR, RTG
difrakce
Rozdělení metod dle matrice
– V pevném stavu – RTG, jiskrová a oblouková spektrometrie,
laserové techniky, GD-MS/OES, ETV-MS/AAS
– V roztoku – ICP + AAS, elektrochemické metody (potenciometrie,
polarimetrie), molekulová spektrometrie, volumetrické metody
41
Metody analýzy kovů
Toxické kovy - analytika ŽP – požadavky:
– Nízké meze detekce
– Univerzálnost použití – různé matrice – vody, půdy, sedimenty,
biologické materiály různé povahy …
– Pokud možno vysoká produktivita (většinou měříme více prvků)
Využívané techniky:
• Atomová absorpce: FAAS, ETAAS, HGAAS
• ICP: ICP-OES a ICP-MS
• RTG v pevné fázi pro vyšší obsahy
• Strukturně specifické: ESI-LC-MS a EI-GC-MS pro kovy s
kovalentní vazbou na jiný prvek
42
AAS
• Atomizace vzorku v plameni nebo ETV kyvetě
• Absorpce záření závislá na koncentraci prvku (Lambert-Beeruv zákon)
• Zdroj záření pro AAS
– jedno a více prvkové lampy - výbojky s dutou katodou (v katodě
prvek, který stanovujeme)
– Kontinuální zdroje – Xe a De výbojky
43
AAS
FAAS (flame atomic absorption spectrometry)
• Kontinuální nasávání vzorku peristaltickou pumpou + zmlžování
• Atomizace v plameni – Acetylen/vzduch (teplota 2300 °C),
acetylen/kyslík (3100 °C), vodík/kyslík (2600 °C)
ETAAS (electrothermal atomic absorption spectrometry)
• Dávkování diskrétních objemů (obvykle desítky µl)
• Možnost dávkování pevných vzorků
• Atomizace v elektrotermickém atomizátoru - atomizátor je tvořen
grafitovou trubicí (kyvetou), která je vyhřívána elektrickým proudem
• Nišší meze detekce, než v případě FAAS. Pro některé prvky
srovnatelné s ICP-MS
44
ICP techniky
• ICP (indukčně vázané plazma) jako atomizační a ionizační zdroj
• Multielementární detekce – lze stanovovat více prvků zaráz bez
nutné hardwarové změny v konfiguraci přístroje
• Použitelné i pro nekovové prvky typu Cl, Br, I, S
• Současné měření stopových i matričních koncentrací prvků
• ICP-OES – UV/VIS emise atomizovaných a ionizovaných prvků
• ICP-MS – hmotnostní spektrometrie iontů z ICP
• ICP-MS – cca 2 – 3 řády lepší LODs, ALE více zatížené
interferencemi
45
ICP-MS
• Inductively Coupled Plasma (ICP) Mass Spektrometry (MS)
• Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem
• ICP jako jedna z metod ionizace v anorganické hmotnostní
spektrometrii
• Tvrdá ionizace – destrukce molekul, atomizace, ionizace M1+
• Prvková analýza - ztráta informací o molekulární formě
• Signál nezávislý na formě (není-li tomu jinak)
• Pro stanovení konkrétních sloučenin – nutnost spojení se separačními
metodami (GC, LC, CE)
46
ICP-OES
• UV/VIS emise atomizovaných a ionizovaných prvků
• Rozklad emitovaného světla na složky pomocí mřížky
• Vlnová délka charakteristická pro prvek (čárová spektra)
• Detekce fotonásobičem
47
Srovnání technik
48
Srovnání technik
49
Matrice roztoků – stabilita a prvky
 Analýza vodných roztoků jako nejběžnější
 Obvykle LDPE a sklo – dekontaminace (48 h 5-10%
HNO3)
 Zpravidla kyselé roztoky – udržení analytu (kovu) v
roztoku → brání hydrolýze, sorpcím analytů na nádoby pro
uchování vzorku, peristaltické hadičky, hadičky pro
dopravu vzorku, skleněné součásti přístrojů
 Běžně používané kyseliny HNO3, HCl, HClO4, H2SO4, H3PO4
 Alkalické roztoky (NH3, tetramethylamonium hydroxid,)
pro anionické analyty (halogeny, S, P, aj.)
;
Příprava vzorků pro analýzu kovů
;
 Analýza vodných roztoků jako nejběžnější – nutno převést
vzorek do roztoku (výluhy, extrakce, rozklady ...)
 Společné pro techniky AAS a ICP, ale pozor na některá
specifika daných metod (TDS, organické látky,
nerozpuštěné látky)
Ředění
 Značně mineralizované vody – do zředěné HNO3
 Biologické materiály – tělní tekutiny (sérum, plasma, moč)
Roztok EDTA, Triton X100, NH3, HNO3, BuOH
Zanášení zlmžovacího systému tuky, srážení proteinů !!!
Příprava vzorků pro analýzu kovů
;
Solubilizace biologických materiálů
 Pevné a kapalné materiály – anionty – Se, I, ...
 1 – 25% TMAH, 60 – 90 °C, odstředění
Mineralizace biologických materiálů – suchá cesta
 Spalovaní vzorků – vyluhování popela zředěnými
kyselinami
 Hrozí ztráta těkavých prvků As, Se
Mineralizace biologických materiálů – mokrá cesta
 HNO3 a směsi s H2O2, H2SO4 a HClO4
 Otevřené systémy – tzv. „hot plate“
 Uzavřené systémy
Vhodnější (rychlejší, méně náchylné ke
kontaminaci, menší spotřeba činidel)
Autoklávy a mikrovlnné rozkladné zařízení
Příprava vzorků pro analýzu kovů
;
Půdy a sedimenty
 Různé typy výluhů v závislosti na požadované informaci
 Specifické“ uvolnění z vazby na mineralogickou fázi
 Jednokrokové a sekvenční extrakce
Mobilní a lehce mobilizovatelné formy (iontová výměna)
Roztoky neutrálních solí (NH4NO3, CaCl2, MgCl2 ...)
Frakce v uhličitanech (acetátový pufr, pH 5)
Frakce na oxidech Fe a Mn – NH2OH.HCl, oxalát
„Pseudototál“ – lučavka královská
Celkový rozklad – HF/HClO4
............................
Ovzduší
 Jemný prach (pod 10 μm) - membránové celulózové filtry –
rozklad MW - HNO3/H2O2
 Prach (sběr, podle povahy) + plyny (absorpce v zřeď. HNO3)
Příprava vzorků pro analýzu kovů
;
Geologické materiály – výluh lučavkou královskou
Extrakce kovů mimo silikátovou matrici (blíží se celkovému obsahu)
Mobilizovatelný obsah kovů v prostředí při drastické změně podmínek
Norma ČSN ISO 11466
Pravděpodobně nejvyužívanější typ výluhu ve světě
1. vzorek < 2 mm
2. 3 g vzorku, 7 ml HNO3, předoxidace organických látek, 21 ml HCl
3. 16 hodin stání
4. Zpětný chladič a 2 hodiny var pod refluxem
5. Ochlazení, spláchnutí chladiče, převedení do 100 ml, doplnění
zředěnou HNO3, filtrace, měření.
Příprava vzorků pro analýzu kovů
;
Geologické materiály – celkový obsah
Silikátová matrice – rozklad s HF – tvorba těkavého SiF4
1. Vzorek nejprve sítovaný pod 2 mm a poté mletý
2. HNO3 + H2O2 (předoxidace organických látek), odkouření do sucha
3. HF, HClO4, odkouření do sucha (odtěkání SiF4) HF, odkouření
4. HClO4, odkouření (odstranění maxima HF)
(přídavek nasyceného roztoku H3BO3 – rozpuštění fluoridů Ca, Mg)
5. H2O, svaření (hydrolýza Fe, Al, Ti)
6. HCl / HNO3, digesce (rozpuštění)
7. H2O2, povaření (komplexace Ti)
8. Vychlazení, převedení do definovaného objemu, filtrace, měření
Stanovení kovů a majoritních složek kromě Si (odkouří se jako SiF4),
mírné ztráty As, Se (těkavé fluoridy)
Speciace
• Celkový obsah – nevypovídá o toxicitě,biodostupnosti, esencialitě
• Různé toxikologické vlastnosti a mobilita různých forem prvků
• Potřeba stanovení jednotlivých forem
• Zpravidla separační technika +
– Běžné detektory – nespecifické, nízká citlivost
– Prvkově specifické detektory z oblasti atomové spektrometrie
(AAS, AFS, OES, MS pro strukturu)
– Obvykle GC/LC/CE – ICP-MS popř. GC/LC AFS
• Signál nezávislý na formě analytu, ale ztrácíme strukturní informaci
• Extrakční techniky – rozdílné od stanovení celkových obsahů
– Zamezení změny struktury analytů (redox stav, kovalentní vazby)
– Vylučuje extrakci za silných oxidačních podmínek (typických pro
celkové rozklady)
– Půda, sediment: Extrakce pufry a neoxidujícími kyselinami
– Biota – enzymatické hydrolýzy (nespecifické proteásy), kyselé
neoxidující hydrolýzy (HCl, methansulfonová kyselina)
56
Děkuji za pozornost !
Příprava tohoto předmětu je spolufinancována
Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem
České republiky