cM m - AGH

2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Obliczenia w chemii analitycznej
Międzynarodowy Układ Jednostek (SI) jest oparty na siedmiu
podstawowych jednostkach.
METODY BADAŃ SKŁADU
CHEMICZNEGO
Podstawowe jednostki SI
Wielkość fizyczna
Nazwa jednostki
Masa
kilogram
kg
Długość
metr
m
Czas
sekunda
s
Temperatura
kelwin
K
Liczność substancji
mol
Natężenie prądu elektrycznego
amper
A
Światłość
kandela
cd
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Przedrostki w jednostkach
Skrót
Mnożnik
teragigamegakilohektodekadecycenty-
T
G
M
k
h
da
d
c
1012
109
106
103
102
101
10-1
10-2
mili-
m
10-3
mikro-
μ
10-6
nano-
n
10-9
piko-
p
10-12
femtoatto-
f
a
10-15
10-18
Masa - jest niezmienną miarą ilości materii w obiekcie.
Ciężar jest siłą przyciągania, działającą między obiektem a
otoczeniem, głównie ziemią. Ciężar powiązany jest z masą relacją:
w  mg
w – ciężar obiektu; m – masa; g – przyspieszenie ziemskie
zawartość – ilość składnika, wyrażona w jednostkach masy,
(objętości) zawarta w próbce
stężenie
– zawartość składnika w ściśle określonej ilości próbki
Jeżeli znana jest wielkość badanej próbki (M) to zawartość (m)
i stężenie (c) mogą być wzajemnie przeliczane:
c
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Roztwory i ich stężenia
Stężenie molowe (molowość), cB, substancji chemicznej, B, w
roztworze jest równe liczbie moli, nB, tej substancji zawartych w 1 litrze
roztworu. Jednostka stężenia molowego to mol/L.
cB 
mol
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Aby wyrazić za pomocą kilku cyfr niewielką lub dużą wartość
wielkości mierzonej, stosuje się przedrostki do nazw jednostek.
Przedrostek
Skrót
nB
V
Stężenie procentowe. Powszechnie stosowane są trzy sposoby
wyrażania stężenia w procentach.
- procent masowy (m/m) – (masa substancji rozpuszczonej / masy
roztworu) x 100%
- procent objętościowy (V/V) – (objętość substancji rozpuszczonej /
objętości roztworu) x 100%
- procent masowo - objętościowy (m/V) – (masa substancji
rozpuszczonej [g] / objętość roztworu [L]) x 100%
m
M
m  cM
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Część na milion (ppm) i część na miliard (ppb) to sposób
wyrażania stężenia bardzo rozcieńczonych roztworów.
c ppm 
masa  subs tan cji  rozpuszczonej  [mg ]
masa  roztworu  [kg ]
Dla rozcieńczonych wodnych roztworów, których gęstości w
przybliżeniu równe są 1.00 mg/L, 1 ppm ≈ 1.00 mg/L.
Stężenie często wyrażane jest w postaci pX, która oznacza
ujemny logarytm dziesiętny stężenia molowego cząstek X
pX   log[ X ]
zaletą takiej notacji jest możliwość wyrażania stężeń, różniących
się o wiele rzędów wielkości, za pomocą małych dodatnich liczb.
np. stężenie H+ = 10-3 mol/L to pH+ = -log[10-3] = 3
1
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Metody bezwzględne (absolutne)
- to metody nie wymagające wzorcowania. Są z reguły oparte na
reakcjach chemicznych przebiegających całkowicie i zgodnie ze
znaną stechiometrią.
BEZWZGLĘDNE
I POŚREDNIE METODY
ANALIZY
Metoda
Wielkość mierzona
Grawimetria
masa produktów reakcji strącania
Miareczkowanie
objętość titranta
Gazometria
objętość gazu
Kulometria
ładunek
Elektrograwimetria
masa substancji wydzielonej na elektrodzie
Termograwimetria
ubytek masy
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Metody porównawcze
- wymagają kalibracji względem znanych wzorców. Należy do nich
większość metod instrumentalnych, w przypadku których mierzony
parametr jest funkcją stężenia analitu.
W praktyce wyznaczenie funkcji kalibracyjnej przebiega w trakcie
procesu kalibracji empirycznej (doświadczalnej). W tym celu należy:
- dokonać szeregu pomiarów w roztworach standardowych o różnym
stężeniu substancji oznaczanej - zwykle 3-10 roztworów
kalibracja - proces, w którym wyznaczana jest zależność
funkcyjna pomiędzy mierzonym sygnałem a wielkością określającą
ilość oznaczanego składnika.
- pomiar w każdym roztworze standardowym powtarzany jest co
najmniej 2-krotnie, a do dalszej interpretacji wykorzystywana jest ich
wartość średnia
Numeryczne wyrażenie kalibracji polega na wyznaczeniu funkcji
pomiarowej, F, zwanej także funkcją kalibracyjną.
- aby wyniki oznaczenia uzyskane na podstawie kalibracji były
poprawne matryca próbki i roztworów standardowych powinna być
identyczna.
y  F (x )
y - mierzony sygnał (SEM, prąd, natężenie promieniowania, itp.)
x - wielkość związana z ilością oznaczanej substancji (stężenie, masa, itp.)
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Otrzymany drogą eksperymentu zestaw par liczb (xi; yi)
xi
– stężenie roztworu wzorcowego
yi
– uśredniona wartość sygnału
Współczynnik korelacji liniowej
Współczynnik korelacji, r, wskazuje na stopień liniowości
zależności między wartościami x i y.
stanowi dane kalibracyjne.
xi
Średni prąd
piku [μA]
yi
0
0.0401
10
0.1251
20
0.2256
30
0.3269
40
0.4478
50
0.5258
60
0.6511
70
0.7163
Wysokość piku [A]
Stężenie
Cd2+ [μM]
i N
r
0.8
 [( x
i 1
i
 x)( y i  y )
iN
 i  N
2 
2 
   x i  x      y i  y   
  i 1

 i 1
1/ 2
0.6
0.4
Zakres możliwych
wartości r wynosi –1 ≤ r ≤ 1.
Sygnał
od próbki
0.2
y = 0.00998x + 0.033
r = 0.9987
Interpolowane stężenie
analitu w próbce
0.0
0
20
40
Stężenie [M]
60
Wartość 1 wskazuje na
idealną korelację liniową
między x i y, podczas gdy
wartość 0 wskazuje na brak
takiej korelacji.
2
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Regresja liniowa (y = F(x) = a + bx)
Odpowiednio nachylenie, b, i punkt przecięcia z osią y, a.
Regresja liniowa umożliwia obliczenie nachylenia, b, i punktu
przecięcia z osią rzędnych, a, linii o najlepszym dopasowaniu.
W metodzie najmniejszych kwadratów, zakłada się że znaczące
są jedynie błędy związane z pomiarem sygnału (y) natomiast błędy
związane z pomiarem stężenia (x) można pominąć.
Odchylenia poszczególnych punktów w kierunku osi y od
obliczonej linii regresji nazywane są resztami y.
iN
b
 [( x
i 1
i
 x)( y i  y )
iN
 x
i 1
 x
2
i
a  y  bx
Stosując dodatkowe równania można ponadto obliczyć:
Metoda najmniejszych kwadratów
minimalizuje sumę kwadratów reszt y.
reszty y
- granice przedziału ufności dla mas lub stężeń analitu przy
wybranym przedziale ufności
n
min  ( y i  ( a  bxi )) 2
- granice wykrywalności i oznaczalności analitu.
i 1
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Porównanie ze wzorcem - kalibracja jednopunktowa
Stężenie analitu w próbce, cx, dające sygnał, sx, jest obliczane na
podstawie sygnału, ss, otrzymanego dla roztworu standardowego o
stężeniu, cs, mierzonego w tych samych warunkach pomiarowych:
cx 
- szacunkowe odchylenie standardowe dla nachylenia, b, i punktu
przecięcia, a
cs  sx
ss
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Metoda dodatku wzorca
Stężenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany
sygnału po dodaniu do próbki wzorca analitu.
Objętość dodawanego wzorca powinna być zaniedbywalnie mała w
stosunku do objętości próbki.
Dodatek może być pojedynczy lub wielokrotny.
Metoda daje prawidłowe wyniki, jeżeli wyraz wolny liniowej funkcji
pomiarowej nie różni się istotnie od zera.
pod warunkiem, że:
- stężenie analitu w próbce i w roztworze standardowym jest podobne
- matryca próbki i roztworu standardowego jest prawie identyczna
- wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej
metody analitycznej nie różni się istotnie od zera.
Metoda dodatku wzorca jest szczególnie przydatna gdy odtworzenie
matrycy próbki jest trudne lub niemożliwe.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Metoda dodatku próbki
Stężenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany
sygnału roztworu standardowego po dodatku próbki.
Metoda jest przydatna gdy stężenie analitu w próbce jest bardzo
wysokie lub gdy rozcieńczenie matrycy próbki eliminuje pochodzące
od niej interferencje.
Metoda wzorca wewnętrznego
PARAMETRY METOD
ANALITYCZNYCH
Wzorzec wewnętrzny to substancja odniesienia, chemicznie i
fizycznie podobna do analitu, której dodaje się do próbek, wzorców i
ślepych prób.
Wykres kalibracyjny obrazuje zależność stosunku sygnałów
analitu i wzorca wewnętrznego od stężenia analitu.
Stosowna jest do eliminacji wpływu parametrów operacyjnych
metody na odpowiedź analitu.
3
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
PRECYZJA WYBRANYCH METOD ANALITYCZNYCH
Technika RSD [%]
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
ZAKRES STOSOWALNOŚCI
m
1
10
Analiza wagowa
Analiza miareczkowa
Spektrofotometria
Woltamperometria
impulsowa
Woltamperometria
stripingowa
ASA płomień
Kulometria
Aktywacja neutronowa
ICP-MS
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
CZAS POMIARU
KRYTERIA WALIDACJI
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Rozrzut wyników analitycznych
Walidacja metod analitycznych (wg ISO)
Materiał
Pierwiastek
Liczba
laboratoriów
Rozstęp wyników
Liście tytoniu
Oriental
CTA-OTL-1
Cr
Cs
Ni
Pb
43
17
43
40
0.038 – 11.6 μg/g
0.117 – 11.8 μg/g
48.20 – 8083 μg/g
0.051 – 19.5 μg/g
Uwagi:
- rozstęp wyników analiz wykonywanych przez różne laboratoria np.
uczestniczących w porównaniach międzylaboratoryjnych może sięgać
nawet kilku rzędów wielkości
- generalnie, za rozrzut wyników odpowiedzialne są błędy analityczne.
- to proces ustalania parametrów charakteryzujących sprawność
działania i ograniczeń metody oraz sprawdzenie jej przydatności do
określonych celów.
Na ich (parametrów) podstawie określa się czy metoda spełnia
stawiane przed nią wymagania związane z zamierzonym
zastosowaniem wyników analitycznych.
Pojecie „walidacja” obejmuje szerszy zakres zagadnień niż
testowanie, które polega jedynie na znajdowaniu błędów i
nieprawidłowości systemu, tj. różnic pomiędzy wynikami
spodziewanymi a uzyskanymi.
Walidacja pozwala uzyskać pewność, że proces analizy przebiega
w sposób rzetelny i daje wiarygodne wyniki.
4
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Etapy procesu walidacji
Podstawowe kryteria walidacji:
- określenie celu metody analitycznej i jej zakresu
- specyficzność / selektywność
- zdefiniowanie testowanych parametrów oraz kryteriów ich akceptacji
- dokładność
- ustalenie planu i przebiegu eksperymentów walidacyjnych
- precyzja (powtarzalność i odtwarzalność)
- sprecyzowanie wymagań co do sprzętu
- czułość, zakres i liniowość
- granica wykrywalności
- przygotowanie odczynników i roztworów wzorcowych
- eksperymenty walidacyjne i korekta parametrów metody
- interpretacja wyników
- sprawdzenie kryteriów akceptacji
- opracowanie standardowej procedury operacyjnej (SPO)
- określenie kryteriów rewalidacji
- granica oznaczalności
- elastyczność metody.
Badanie elastyczności (stabilności) metody powinno udowodnić
niezawodność analizy po wprowadzeniu niewielkich (celowych) zmian
parametrów procesu.
Jeżeli pomiar jest wrażliwy na zmianę warunków to powinny one być
odpowiednio kontrolowane i dokładnie opisane w procedurze.
- sporządzenie raportu
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Selektywność metody analitycznej
- definiuje się jako możliwość oznaczenia jednego składnika (lub
grupy składników) wobec innych, w złożonej próbce rzeczywistej,
bez interferencji składników towarzyszących.
Selektywność metody charakteryzuje się za pomocą współczynnika
selektywności, Sel(i, j):
Sel (i, j ) 
Specyficzność metody analitycznej
- metoda jest idealnie selektywna (specyficzna), gdy w złożonej
mieszaninie sygnał, Yi, jest generowany tylko przez analit i, czyli:
Yi  f  xi 
w przypadku próbek rzeczywistych jest wiele substancji, które
mogą wpływać na wartość sygnału:
Yi  f  x i , x A , x B ,..., x N 
w takim przypadku mówi się o interferencjach poszczególnych
składników próbki na sygnał analitu.
Yi

Yj
ai xi
N
a
j A
j
xj
ai, aj – czułość metody wobec analitu, i, oraz substancji, j.
xi, xj – stężenie (ilość) analitu, i, oraz substancji, j.
W procesie określania selektywności należy:
- rozpoznać czynniki nie interferujące, obecne w analizowanej próbce
- zminimalizować ilość składników przeszkadzających przez ich
oddzielenie lub zamaskowanie
- dokładnie kontrolować obecność substancji przeszkadzających.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Dokładność
Dokładność metody wyznacza się:
- to stopień zgodności pomiędzy wynikiem oznaczonym, xi, lub
średnia, x, z n oznaczeń a prawdziwą zawartością analitu w badanej
próbce, ζ. Rozróżnia się dwa przypadki:
- przeprowadzając analizę próbki, w której zawartość analitu jest
dokładnie znana
1) Dokładność pojedynczego oznaczenia, xi, (ζ - jest nieznane)
określa się jako błąd systematyczny:
E xi   x i  x
lub
% E xi 
E xi
x
 100
2) Dokładność w odniesieniu do metody. Określa się na podstawie
wartości, x, z n wyników uzyskanych na tej samej próbce i tą samą
metodą a badaną próbką jest CRM, w której prawdziwa zawartość
analitu, ζ, jest dokładnie znana.
Ex   x  
lub
%E x 
Ex

 100
- przez porównanie wyników uzyskanych walidowaną metodą z
wynikami otrzymanymi metodą referencyjną, której dokładność jest
powszechnie znana
- badając odzysk znanej ilości analitu dodanego do matrycy, nie
zawierającej substancji oznaczanej
- wyznaczając odzysk znanej ilości analitu dodanego do badanej
próbki.
Odzysk analitu
W tym celu, próbkę badaną dzieli się na dwie równe części i do
jednej dodaje się znaną ilość analitu, si. Po przeprowadzeniu całego
procesu analitycznego z próbką bez dodatku, x, i z próbką z
dodatkiem analitu, x + si, oblicza się odzysk, R.
5
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
R
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Precyzja
x  si   x  100%
- to wielkość charakteryzująca rozrzut wyników uzyskiwanych przy
wielokrotnym oznaczaniu danego składnika konkretną metodą w
zdefiniowanych warunkach.
si
si - dodatek analitu
Obie próbki (x oraz x + si) muszą być analizowane tą samą
metodą i w tych samych warunkach.
Odzysk zależy od rodzaju matrycy, zastosowanej procedury
analitycznej i od stężenia analitu w próbce.
Stężenie analitu
Akceptowalny wg AOAC
(Association of Official
Analytical Chemists) średni
odzysk w zależności od
stężenia analitu w próbce.
Miarą precyzji jest najczęściej odchylenie standardowe, s,
względne odchylenie standardowe, RSD, lub współczynnik
zmienności, CV.
Precyzja obejmuje dwa pojęcia: powtarzalność i odtwarzalność.
Średni odzysk [%]
1%
97 – 103
0.1%
95 – 105
100 ppm
90 – 107
10 – 0.1 ppm
80 – 110
10 ppb
60 – 115
1 ppb
40 – 120
a) metoda dokładna i precyzyjna; b) precyzyjna ale niedokładna;
c) metoda dokładna ale nieprecyzyjna; d) metoda niedokładna i nieprecyzyjna
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Powtarzalność
Liniowość metody analitycznej
- wyraża precyzję oznaczeń wykonanych w krótkim odstępie czasu,
przez tego samego analityka i w tych samych warunkach (te same
odczynniki, ten sam sprzęt itd.).
Zależność Y = f(c) dla badanej próbki jest prostoliniowa tylko w
ograniczonym zakresie, stąd wyróżnia się dwa zakresy:
W ramach badań powtarzalności wyznacza się wartość średnią,
przedział ufności, odchylenie standardowe, względne odchylenie
standardowe czy współczynnik zmienności uzyskanych wyników.
- dynamiczny zakres wskazań przyrządu
- liniowy zakres wskazań (zakres roboczy)
Przy niskich stężeniach zakres liniowy ograniczony jest dolną granicą
oznaczalności, QL, (wpływ szumów i efekty matrycy).
Koniec zakresu prostoliniowego to punkt, w którym odchylenie od
prostoliniowości przekracza 3%, czyli:
Odtwarzalność
- pozwala ocenić, czy metoda prowadzi do tych samych rezultatów
w różnych laboratoriach, z różnymi analitykami, na innym sprzęcie i
w innych warunkach, przy zachowaniu tych samych wymagań.
W przypadku oceny odtwarzalności badania są prowadzone
analogicznie jak w przypadku powtarzalności i wyznaczane są te
same parametry statystyczne: wartość średnią, przedział ufności itd..
Typowe relacje (c-CV): 1000ppm – 5%; 1ppm – 16%; 1ppb – 45%
Yteor  Yrzecz  0.03Yteor
Yteor - wartość wyznaczona metodą najmniejszych kwadratów
Yrzecz - sygnał rzeczywisty wyznaczony eksperymentalnie
Innym kryterium liniowości wskazań jest współczynnik korelacji, r.
Przyjmuje się, że dla 3 powtórzeń krzywej kalibracji z pięcioma
roztworami dla każdej krzywej r > 0.999.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Czułość metody analitycznej
- to nachylenie krzywej kalibracji,
stąd czułość określa zmianę sygnału
analitycznego, Y, na skutek zmiany
stężenia, c, analitu lub jego ilości.
a
Y
c
Im większa zmiana sygnału przy
małej zmianie stężenia analitu, tym
większa czułość pomiaru.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Granica wykrywalności i oznaczalności
Funkcję kalibracyjną można przedstawić jako:
Y  Yb  ax  EY
Y
YB
a
x
EY
- mierzony sygnał
- sygnał ślepej próby (bez analitu)
- czułość metody (nachylenie krzywej kalibracyjnej)
- stężenie (zawartość) analitu
- błąd pomiaru
Sygnał, Yx, zależny od stężenia analitu x ma wartość:
Yx  Y  Yb
Yx  ax  EY
Wartość sygnału ślepej próby, YB, i precyzja jego wyznaczenia
ma istotne znaczenie dla określenia granicy wykrywalności i
granicy oznaczalności.
6
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Granica wykrywalności (detection limit, DL)
Granica oznaczalności (quantification limit, QL)
- to najmniejsze, wykrywalne stężenie analitu, xDL, generującego
sygnał, YDL, który może być statystycznie odróżniony od sygnału
ślepej prób, Yb.
- to stężenie analitu, xQL, generującego sygnał, YQL, znajdujący
się w dolnym, prostoliniowym zakresie krzywej kalibracyjnej, taką
precyzją, aby wartość współczynnika zmienności CV ≤ 10%.
Sygnał, YDL, określany jest eksperymentalnie w ten sposób,
że n-krotnie mierzy się sygnał ślepej próby, Yb, i oblicza wartość
średniej, Yb, oraz odchylenie ślepej próby, sb. Stąd sygnał na
granicy wykrywalności:
YDL  Y b  3s b
Granicę wykrywalności, xDL, wyraża równanie:
a - czułość metody
x DL 
3s b
a
Granicę wykrywalności, xQL, wyraża równanie:
xQL 
10sb
a
W przypadku analiz, w których matryca wywiera znaczny wpływ
na wartość sygnału ślepej próby, Yb, obliczając wartości xDL i xQL
uwzględnia się wartość sygnału, Yb.
x DL 
Y b  3s b
a
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
xQL 
Y b  10 sb
a
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Każdy pomiar wytwarza, oprócz sygnałów pożądanych, nazywanych
sygnałami analitycznymi, także sygnały niepożądane, nazywane
szumami i dryftem.
Testy stosowane do oceny wiarygodności wyników oznaczenia:
Zarówno szumy, jak i dryft są fluktuacjami przypadkowymi i nie
zawierają informacji analitycznych.
- zgodności wyników uzyskanych dwoma niezależnymi metodami
Poziom szumów bada się bez analitu wywołującego sygnał a ich
wartość wyznacza się:
- zastosowanie metody dodatku roztworu wzorcowego (odzysk)
- mierząc różnicę między najwyższą i najniższą wartością szumów
- obliczając wartość odchylenia standardowego dla n wartości
sygnałów szumu.
- zgodności wyników oznaczeń równoległych
- wykonanie porównań międzylaboratoryjnych
- porównanie uzyskanych wyników oznaczenia z wynikami analizy
materiałów odniesienia (CRM)
W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu pewności wyniku
pomiaru stosuje się zwykle kombinację dwu lub więcej,
niezależnych, dobrze scharakteryzowanych metod analitycznych.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Elementy składowe systemu kontroli i zapewnienia jakości
JAKOŚĆ W
LABORATORIACH
ANALITYCZNYCH
JAKOŚĆ WYNIKÓW
POMIARÓW
ANALITYCZNYCH
Spójność
Walidacja metod
analitycznych
Niepewność
Materiały
odniesienia
Badania
międzylaboratoryjne
7
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Organizacje akredytujące i ich wzorce jakości
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
WZORCE I MATERIAŁY ODNIESIENIA
Nazwa organizacji
Wzorzec jakości
Organizacja Współpracy Gospodarczej i
Rozwoju (Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)
Dobra Praktyka
Laboratoryjna (GLP)
Międzynarodowa Organizacja Wzorców
(International Standard Organization, ISO)
wzorce jakości serii ISO 9000
ISO Guide 25 – ogólne
wymagania odnośnie
fachowości w kalibrowaniu i
testowaniu laboratoriów
Wzorzec masy (1 kg)
Europejski Komitet Normalizacji (Comité
Européen Standard Organization, CEN)
seria EN 29 000;
seria EN 45 000
Wzorzec jednostki masy atomowej (izotop C12)
Brytyjski Instytut Standaryzacji (British
Standards Institution, BSI)
wzorzec jakości BS 5750;
seria BS 7500
Stała Faradaya (F = 9.64845·107 C)
Narodowa Służba do Pomiarów i Akredytacji
(National Measurement Accreditation
Service, NAMAS)
NAMAS
Pierwotne wzorce fizyczne i chemiczne
Liczba Avogadro (N = 6.02209·1023 cząstek/mol)
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
PROCES ANALITYCZNY
WZORCE STOSOWANE W ANALITYCE
wzorce podstawowe – są stosowane do kalibracji instrumentów i
systemów pomiarowych w celu zapewnienia długoterminowej
wiarygodności i rzetelności procedury pomiarowej.
wzorce chemiczne – substancje chemiczne o wysokiej czystości i
znanym stechiometrycznym składzie. (Wzorce pierwotne i wtórne)
materiał odniesienia (RM) – stosowany w celu wykazania
dokładności, rzetelności i porównywalności wyników analitycznych.
certyfikowany lub standardowy materiał odniesienia (CRM / SRM)
- materiał odniesienia, którego jedną lub więcej wartości określonych
właściwości certyfikowano (atestowano) za pomocą obowiązującej
procedury, opatrzony certyfikatem, wydanym przez odpowiednią
instytucję (np. BAS Bureau of Analytical Standards).
PRÓBKA
Próbka pomniejszona
i homogeniczna
Próbka roztworzona
- obiekt pomiaru
PRÓBKI
OBIEKT POMIARU
POMIAR
SYGNAŁ
SYSTEM
POMIAROWY
BADANY
OBIEKT
REJESTRACJA/OCENA
WYNIK POMIARU
PROBLEM
KALIBRACJA
WYNIK
ANALIZY
ZMIENNE
UKRYTE
METODY
CHEMOMETRYCZNE
INTERPRETACJA
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Próbka
STRATEGIA POBIERANIA
PRÓBKI
PRZYGOTOWANIE PRÓBKI
INFORMACJA
Obiekt badany
POBIERANIE
PERCEPCJA
ROZWIĄZANIE
PROBLEMU
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Pomiar
Sygnał
Sygnał zarejestrowany
Wynik analizy
Co2O3
2.4 ± 0.2%
Al2O3
24.4 ± 0.8%
SiO2
54.5 ± 1.5%
Ba0
4.6 ± 0.4%
8
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
PRÓBKA ANALITYCZNA
Analiza chemiczna jest zwykle przeprowadzana dla niewielkiej
części obiektu badanego nazywanego próbką.
Niezbędnym, wstępnym krokiem w każdym procesie analitycznym
jest pobranie próbki.
Sposób pobrania próbki decyduje o ostatecznym wyniku analizy.
Pobranie próbki
BADANY
OBIEKT
- to operacja w wyniku, której uzyskiwana jest
próbka reprezentatywna dla obiektu badanego i
określonego celu analizy
- rozróżnia się czynne i bierne pobieranie prób.
Technika bierna jest oparta na swobodnym
przepływie cząsteczek analitu z badanego medium
do medium ad(ab)sorbującego, w wyniku różnicy
potencjału chemicznego analitu w obu mediach.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
POBRANIE PRÓBKI
Bez względu na sposób i warunki pobrania próbki analityk musi
być pewien, że próbka analityczna reprezentuje całość badanego
materiału.
Pobieranie próbek jest często najtrudniejszym etapem całego
procesu analitycznego i wprowadza najwięcej błędów.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Właściwości badanego obiektu wpływające na sposób pobrania
i postępowania z próbką:
-
stan skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz)
skład fazowy
jednorodność
wielkość
twardość
lotność
trwałość
Specjalne techniki stosowane
są do ciągłego pobierania próbek
oraz do próbek biologicznych i
mikrobiologicznych.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Wielkość próbki, P, którą należy pobrać z obiektu ciągłego zależy od
zakresu oznaczalności, A, metody analitycznej i zawartości, G,
oznaczanego składnika w próbce:
P
A
[g ]
G
- zakres oznaczalności metody (uwzględnia czynności związane z
przygotowaniem próbki)
G - zawartość oznaczanego składnika w próbce
(mx - masa oznaczanego składnika, my - masa matrycy próbki)
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Wielkość próbki, n, którą należy pobrać z obiektu dyskretnego, N,
(np. tabletki) może być określona w sposób uproszczony metodą
pierwiastka kwadratowego:
n N
A
mx
G
mx  m y
Bardziej wiarygodne wyniki dają obliczenia wielkości próbki oparte o
metody statystyczne (rozkład hipergeometryczny, rozkład binormalny
czy twierdzenia Bayes’a).
Metody statystyczne wymagają przyjęcia poziomu ufności oraz
określenia jaka ilość obiektów pobranych do analizy może przekraczać
graniczne stężenie oznaczanej substancji.
9
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
STRATEGIE POBIERANIA PRÓBKI
Losowe pobieranie próbek
- próbki są pobierane w sposób losowy z całego
obiektu badanego (duża liczba próbek).
Systematyczne pobieranie próbek
- próbki są pobierane w oparciu o zadany
schemat geometryczny lub czasowy.
Warstwowe pobieranie próbek
- obiekt badany dzielony jest na szereg części (warstw), z każdej warstwy
dalsze pobieranie próbek odbywa się w sposób losowy.
Reprezentatywne pobieranie próbek
- podobnie jak dla metody warstwowej badany obiekt dzielony jest na
szereg warstw, ale pobieranie próbek z warstw jest prowadzone tak aby
każda warstwa była reprezentowana proporcjonalnie do swojej wielkości.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
ETYKIETOWANIE PRÓBEK
- pojemniki z próbkami muszą być zaopatrzone w etykiety zawierające
następującą informację:
- miejsce pobrania próbki (dokładna lokalizacja)
- czas pobrania próbki (data, godzina)
- ilość pobranych próbek (szczególnie w przypadku pobierania
wielu próbek)
- metoda stabilizacji lub konserwacji próbki
- dla jakiej metody analitycznej
próbka jest pobrana
- informacje dodatkowe
(kto pobrał, opis próbki, itd.)
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
PRZECHOWYWANIE PRÓBEK
Próbki powinny być analizowane najwcześniej jak to jest możliwe.
Jeżeli konieczne jest przechowywanie stosowane są następujące
warunki:
- obniżona temperatura, do ok. 4°C
- głębokie zamrożenie do -20°C (-40°C), a nawet temperatury
ciekłego azotu
- liofilizacja
- zastosowanie stabilizatorów (konserwantów) oraz innych
substancji przeciwdziałających zmianom składu próbki
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
OPERACJE PRZYGOTOWANIA PRÓBKI
- homogenizacja i pomniejszanie
- suszenie lub liofilizacja
- rozdrabnianie (materiały lite: młyny agatowe; materiały
biologiczne: homogenizatory chłodzone ciekłym azotem)
- podział próbki
- rozkład próbek (spopielanie, rozpuszczanie,
roztwarzanie, stapianie i spiekanie)
- rozdzielanie i zatężanie (ekstrakcja, wymiana jonowa,
zatężanie na nośniku, ekstrakcja do fazy stałej)
- odważanie i odmierzanie
np. zakwaszenie - metoda zapobiegania adsorpcji śladów metali
ciężkich na ścianach naczynia.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
MINERALIZACJA MOKRA (w systemie otwartym)
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
ŹRÓDŁA BŁĘDÓW PODCZAS ROZPUSZCZANIA
- polega na ogrzewaniu próbki w kwasach utleniających, które
roztwarzają jej składniki nieorganiczne, a organiczne utleniają do CO2,
wody i innych lotnych produktów.
Niecałkowite rozpuszczenie próbki
- w idealnym przypadku stosowany odczynnik powinien rozpuścić
całą próbkę, a nie tylko sam analit. Próby ilościowego wyługowania
analitu z nierozpuszczonej pozostałości są zwykle nieudane.
Najczęściej stosowane kwasy i ich mieszaniny to:
Straty analitu przez ulatnianie
- podczas rozpuszczania w stężonych kwasach ulatniają się: CO2;
SO2; H2S; H2Se; H2Te; SiF4 i BF3. Z gorącego HCl ulatniają się:
SnCl4; GeCl4; SbCl3; AsCl3 i HgCl2. Obecność jonów Cl- w H2SO4 i
HClO4 powoduje straty lotnych związków: Bi; Mn; Mo; Tl; V i Cr.
HNO3 + H2O2
HNO3 + H2SO4
HNO3 + HCl
HNO3 + HClO4
HF
HNO3 + HF
HClO4
- próbki biologiczne
- uniwersalna
- woda królewska - uniwersalna
- próbki biologiczne, wybuchowa
- próbki nieorganiczne
- uniwersalna
- próbki biologiczne, wybuchowa
Wprowadzanie analitu jako zanieczyszczenia rozpuszczalnika
- zwykle masa roztworu potrzebnego do rozpuszczenia próbki
przekracza masę próbki o jeden lub dwa rzędy wielkości.
Reakcje rozpuszczalnika ze ścianami naczynia
- szczególnie istotne w analizie śladów.
10
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
STAPIANIE
MINERALIZACJA UV
- stosowana do próbek ciekłych zawierających substancje organiczne.
Próbka naświetlana jest lampą kwarcową (150 - 400 W; 250 nm).
Zwykle do próbki dodaje się substancję utleniającą: H2O2 lub/i HNO3.
Trudne do roztworzenia materiały (skały i minerały tlenkowe
fosforanowe, krzemianowe i glinokrzemianowe, czy niektóre stopy
żelaza) są zamieniane w łatwo rozpuszczalne związki na drodze
stapiania z topnikami.
Ze względu na korozyjne działanie topnika stapianie prowadzi się
w możliwie krótkim czasie i w jak najniższej temperaturze.
MINERALIZACJA MIKROFALOWA
- podobna do mineralizacji „na mokro” w kwasach, ale energia jest
dostarczana bezpośrednio do próbki.
Do roztwarzania mikrofalowego stosuje się zwykle fale 2 450 MHz
i moc 600 - 700 W.
Próbka adsorbuje energię mikrofal w stopniu zależnym od wsp.
pochłaniania: 0.6 – kwarc; 1.5 – teflon; 10.6 - szkło boro-krzemowe;
1570 – woda.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
SPIEKANIE
-to rozkład próbek przy użyciu minimalnej ilości topnika i w
temperaturze niższej niż temperatura stapiania.
Spiekanie prowadzi się z Na2CO3 lub mieszaninie Na2CO3 + K2CO3
z dodatkiem CaO, MgO i ZnO względnie Na2O2.
Wadą obu procesów jest znaczna kontaminacja, wprowadzenie do
próbki znacznej zawartości soli i straty składników lotnych.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
METODY ROZDZIELANIA I ZATĘŻANIA
- dwie całkowicie wymieszane substancja mogą zostać rozdzielone
jeżeli różnią się co najmniej jedną właściwością fizykochemiczną.
Podstawa rozdzielania
Metoda
Lotność
Destylacja, Rafinacja
Współczynnik podziału
Chromatografia, Ekstrakcja
Równowaga wymiany
Wymiana jonowa
Aktywność powierzchniowa
Chromatografia, Rafinacja piany
Geometria cząsteczki
Filtracja, Dializa, Elektrodializa
Migracja
Elektroforeza
Rozpuszczalność
Strącanie
Potencjał rozkładu
Elektroliza
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
ŹRÓDŁA KONTAMINACJI
środowisko, urządzenia i sprzęt laboratoryjny, odczynniki chemiczne,
personel, mikroorganizmy, itp.
KONTAMINACJA
Kontaminacja (zanieczyszczenie) - dotyczy niekontrolowanej
zmiany stężenia oznaczanego pierwiastka w próbce, która ma miejsce
w trakcie procesu analitycznego.
Kontaminacja jest głównym źródłem niedokładności w śladowej
analizie elementarnej.
Problem kontaminacji jest szczególnie istotny gdy:
- oznaczane stężenie jest niższe od 1 ppm
- oznaczany pierwiastek występuje w wysokim stężeniu
- oznaczany pierwiastek występuje w lotnych związkach.
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
MYCIE SZKŁA LABORATORYJNEGO
Przykładowa procedura:
1. umycie w alkalicznym roztworze detergentu
Środowisko laboratoryjne i personel
Prowadzenie operacji i analizy w czystym pomieszczeniu lub komorze
z laminarnym przepływem powietrza.
Czyste pomieszczenia klasyfikowane są na podstawie ilości cząstek
pyłu na ft3 (klasa: 100 000, 10 000, 1 000 i 100).
Czyste pomieszczenia stawiają skrajnie wysokie wymagania wobec
personelu - wstęp mają jedynie wysoko wykwalifikowani pracownicy w
odpowiednim ubraniu.
np. każdy człowiek pozostający w spoczynku „emituje” ok. 6 000 000
cząstek pyłu w ciągu godziny, natomiast już poruszający się wolno ok.
20 razy więcej!!!
2. staranne opłukanie w wodzie dejonizowanej
3. zanurzenie w 6 M HCl (60C) przez 3 dni lub przez 7 dni (25C)
4. staranne opłukanie w wodzie dejonizowanej
5. zanurzenie w 6 M HCl (60C) przez 3 dni lub przez 7 dni (25C)
6. kilkakrotne opłukanie w wodzie dejonizowanej
7. kondycjonowanie w 0.05 M HNO3 przez co najmniej 7 dni lub do
momentu użycia
8. kilkakrotne opłukanie w wodzie dejonizowanej przed użyciem.
11
2013-10-25
W II B. Baś „Metody badań składu chemicznego”
Podsumowanie
- zawartość, stężenie – definicje, sposoby wyrażania stężeń
- bezwzględne i pośrednie metody analizy chemicznej
- funkcja pomiarowa, funkcja analityczna, metody kalibracji
- kryteria walidacji
- proces analityczny
- próbka: ogólna, laboratoryjna, reprezentatywna
- wielkość próbki i strategie jej poboru
- metody roztwarzania i mineralizacji próbek
- fizyczne i chemiczne metody rozdzielania i zatężania
- kontaminacja: źródła i zapobieganie
- wzorce i materiały odniesienia
12