Przygotowanie próbek do badań cz. 1 – mineralizacja mokra

Przygotowanie próbek jest etapem niezwykle ważnym w całej procedurze analitycznej i jak każdy etap niesie ze sobą ryzyko popełnienia błędu. 

W zależności od rodzaju badanej matrycy  przygotowanie próbki może obejmować m.in.:

• sączenie,
• mielenie, homogenizację,
• ekstrakcję,
• mineralizację (rozkład).

W części I zostaną przybliżone zagadnienia związane z procesami mineralizacji ze szczególnym uwzględnieniem mineralizacji mokrej w systemach otwartych i zamkniętych. 

O czym mowa?

Mineralizacja to całkowity rozkład substancji do prostych, stałych związków nieorganicznych, poprzez ostrożne utlenianie lub odparowanie. Na skutek tego procesu, z próbki jest całkowicie usuwany wodór, węgiel, siarka i azot, które odparowują w postaci pary wodnej i odpowiednich gazowych tlenków, zaś pozostałość to tlenki i sole innych pierwiastków obecnych w analizowanej substancji.

Procesy mineralizacji możemy podzielić na:

OTWARTE		ZAMKNIĘTE
MOKRA	SUCHA	MOKRA	SUCHA
rozpuszczanie w wodzie roztwarzanie w kwasach z użyciem przewodnictwa cieplnego roztwarzanie w kwasach z użyciem energii mikrofalowej mineralizacja UV roztwarzanie ultradźwiękowe	spopielanie mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej	roztwarzanie z wykorzystaniem przewodnictwa cieplnego roztwarzanie z wykorzystaniem energii mikrofalowej	metoda Schönigera spalanie w tlenie w  systemie dynamicznym mikrofalowo indukowane spalanie w tlenie

Odrobina historii

Historia wykorzystywania procesów mineralizacji do wstępnego przygotowania próbek jest stosunkowo obszerna i przedstawia się w następujący sposób. Już na początku IX w Berzelisu przy użyciu kwasu fluorowego przeprowadził przemianę SiO₂ w SiF₄. W 1844r Duflosopisał zastosowanie HCl+KClO₃ jako pierwszych odczynników użytych do rozkładu na mokro natomiast klasyczna mieszanina utleniająca – HNO₃+H₂SO_4, stosowana w mineralizacji mokrej do rozkładu próbek organicznych, była badana od 1841r przez Dangera i Flandina.

Powszechnie stosowana metoda Kjeldahla wykorzystywana  do oznaczania azotu Kjeldahla, swoje początki miała już w roku w 1883, kiedy to Kjeldahl przy pomocy wrzącego stężonego kwasu siarkowego przeprowadził rozkład materiału biologicznego.

Johan Kjeldahl, 1849 – 1900 (źródło: Wikipedia)

Wróćmy do sedna

Mineralizacja mokra w systemie otwartym to najstarsza i powszechnie stosowana metoda do rozkładu próbek. Polega na zamianie składników matrycy na proste związki nieorganiczne. Próbka przeprowadzona jest do kwaśnego roztworu przy użyciu stężonych kwasów oraz energii cieplnej dostarczanej z zewnątrz (płyta grzewcza, palnik itp).  Jest to technika tania a wszystkie istotne parametry (czas, temperatura, wprowadzanie odczynników rozkładu) mogą być kontrolowane w sposób bezpośredni. Główną zaletą rozkładu na mokro, nad rozkładem na sucho jest szybkość tego procesu.

Proces przeprowadzania próbki do roztworu jest niezwykle ważny i niesie ze sobą możliwość zanieczyszczenia. Istotną rolę odgrywają naczynia do mineralizacji. Są one częstą przyczyną wystąpienia zawyżonych próbek ślepych. Bezwzględnie podczas każdej mineralizacji należy przygotować próbkę ślepą. Pierwiastki mogą być rozpuszczane z materiału naczynia lub ulegać desorpcji ze ścian naczynia, dlatego dobierając parametry stosowanych naczyń należy uwzględnić: odporność na kwasy i zasady, wytrzymałość na wysoką temperaturę, właściwości powierzchni, reaktywność z innymi związkami, zanieczyszczenia itp. Stosując naczynia wielorazowe bezwzględnie należy pamiętać o właściwym sposobie mycia, tak aby wyeliminować tzw. efekt pamięci. W tym celu zalecane jest gotowanie w stężonym kwasie azotowym.

Szczególną uwagę należy zwrócić na zachowanie koniecznych warunków  podczas przeprowadzania próbek do roztworu. Przeprowadzanie próbek do roztworu powinno:

• przebiegać szybko,
• przebiegać ilościowo,
• być łatwe do przeprowadzenia,
• maksymalnie ograniczać możliwość zanieczyszczeń i strat analitu,
• być dobrane optymalnie do oznaczania danego analitu, np. oznaczanie Pb metodą FAAS – roztwarzanie próbek w wodzie królewskiej jest właściwe natomiast nie jest optymalne dla oznaczenia Pb metodą GFAAS i ICP-MS ze względu na występowanie zbyt dużych interferencji wywołanych obecnością chloru,
• zostać wykonane przy użyciu odczynników o wysokim stopniu czystości oraz w czystych i trwałych naczyniach, przy zastosowaniu odpowiedniego sprzętu.

Do dnia dzisiejszego w wielu laboratoriach stosuje się standardowe kuchenki czy płyty grzejne. Stosowanie takiego sprzętu przez długi czas, doprowadza do zewnętrznego zanieczyszczenia próbek. Dlatego niezwykle ważne jest posiadanie odpowiedniego sprzętu.

W handlu systemy te pozbawione są wad charakterystycznych dla tradycyjnych systemów ze stali nierdzewnej lub aluminium, ponieważ wykonane są z grafitu lub pokryte warstwą fluoropolimeru, w celu uniknięcia możliwości wprowadzenia zanieczyszczeń metalami podczas pracy z próbkami.

W większości metod rozkładu na mokro używane są mieszaniny stężonych kwasów (HCl, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄, HF) lub H₂O_2. W zależności od mineralizowanej matrycy oraz wykonywanych analiz stosujemy odpowiednią do tego celu mieszaninę zazwyczaj dwóch lub trzech kwasów. Metoda rozkładu próbek na mokro charakteryzuje się dużą efektywnością w odniesieniu, zarówno do materiałów nieorganicznych, jak i organicznych.

Przygotowując próbki do analiz instrumentalnych możemy korzystać z wymienionych poniżej metod. Wybór danej metody uzależniony jest od techniki badawczej. Do dyspozycji mamy:

• rozkład pełny (przy użyciu mieszaniny kwasów: HF, HNO₃, HCl, HClO₄),
• rozkład częściowy – trawienie kwasami,
• spopielanie w piecach i rozkład popiołu w kwasach,
• ekstrakcja próbek w roztworze wodnym,
• ekstrakcja próbek rozpuszczalnikami,
• stapianie z topnikami,
• spiekanie.

Charakterystyka kwasów stosowanych w roztwarzaniu próbek

Rodzaj kwasu	Charakterystyka	Zastosowanie
HCl (kwas solny)	Jeden z najmocniejszych kwasów nieorganicznych. Ze względu na małą zdolność utleniania stosowany  jest najczęściej w połączeniu z innymi kwasami. Rozkłada węglany, fosforany, borany, siarczany	Stosowany do ekstrakcji  zanieczyszczeń antropogenicznych z próbek środowiskowych. Roztwarza lepiej tlenki żelaza i manganu niż kwas azotowy, jednak jest źródłem dużych interferencji w met. GFAAS i ICP-MS
HNO3	Stężony, gorący kwas azotowy jest silnym utleniaczem. Jako reagent używany jest samodzielnie, jednak w systemach otwartych ma ograniczone właściwości utleniające, dlatego występuje w połączeniu z HCL, HF, H2O2	Stosowany do rozkładu związków organicznych, próbek biologicznych, botanicznych. Jest kwasem o wysokiej czystości, doskonałe zastosowanie w technikach GFAAS, ICP-MS
HF	Jest to kwas nieutleniający, najbardziej niebezpieczny kwas mineralny w laboratorium. Stosowany w mieszaninach kwasów pozwala na całkowity rozkład  złożonych matryc organiczno-nieorganicznych	Jest to kwas działający najefektywniej na połączenia Si-O. Dlatego największe zastosowanie odnosi się do roztwarzania materiałów krzemianowych gdzie zastosowanie ma mieszanina HF z HClO4. Przy stosowaniu HF w naczyniach otwartych może występować częściowa utrata fluorków: As, B, Ti, Sb
Woda królewska	Mieszanina silnie utleniająca. Silnie żrąca. Rozkłada złoto, platynę, pallad, siarczki, arsenki, selenki oraz niektóre minerały Mo, W. Kwasy łatwo dostępne o wysokim stopniu czystości. Woda królewska powinna być używana zaraz po przygotowaniu, ponieważ stojąc traci swoją moc.	Rozkład metali szlachetnych. Rozkład próbek środowiskowych: gleby, osady, odpady Interferencje w met. GFAAS, ICP-MS w systemach otwartych utlenia As, Sb, Ge może również utleniać Pb.

 

Rutynowo w laboratorium  mineralizacja otwarta mokra ma zastosowanie do przygotowania próbek: wód technologicznych, powierzchniowych, ścieków, gleb, osadów, odpadów, popiołów, żużli, szlamów. Natomiast mineralizacja zamknięta mokra ma zastosowanie do przygotowanie próbek min. wód do spożycia, wód podziemnych, ścieków oczyszczonych, ziół, artykułów żywnościowych. W dalszej części przedstawiono przykładowe rozwiązania sprzętowe wykorzystywane w procesie mineralizacji próbek.

Sprzęt  i materiały pomocnicze – mineralizacja mokra  otwarta

Blok grzewczy

Bloki grzewcze DigiPrep posiadają grafitową płytę grzewczą, która dodatkowo pokryta jest PFA/FEP. Zastosowanie takiego rozwiązania, umożliwia długotrwałe użytkowanie sprzętu oraz zabezpiecza przed  korozją, która głównie wpływa na zanieczyszczenie próbki. Sterowniki wraz z portem USB umożliwiającym przesyłanie parametrów mineralizacji do komputera. Istnieje możliwość zapisu 12 ustawionych metod. Termopara (DigiProbe), która umożliwia kontrolę temperatury próbki pokryta jest powłoką  fluoropolimerową, zapobiegającą korozji, a tym samym zanieczyszczeniu próbki. Urządzenie wyposażone jest w System DigiSet, kontrolujący poziom odparowywanej próbki i wyłączający blok przy odpowiednim jej poziomie. Mineralizator wyposażony jest w wyciąg, który jest rewelacyjnym rozwiązaniem podczas mineralizacji próbek przeznaczonych do oznaczania metali śladowych. Nie ma możliwości zanieczyszczenia próbki z korodujących dygestoriów czy zanieczyszczonego powietrza.

Naczynia do mineralizacji DigiTube

1. Naczynia dostosowane do bloków grzewczych serii DigiPrep o poj. 15ml, 50 ml oraz 100ml
2. Naczynia jednorazowego użytku
3. Posiadające Certyfikat jakości. Spełniają wymagania naczyń klasy A. Certyfikowana poj. 25 ml, 50 ml, 100 ml

4. Naczynia z polipropylenu i polietylenu, zapewniają pracę w temperaturze max do 160 °C, nie reagują z używanymi odczynnikami itp.

Naczynia te mogą spełniać funkcje:

• naczyń do mineralizacji,
• cylindrów miarowych,
• kolb miarowych,
• naczyń do przechowywania próbek,
• naczyń do podajnika próbek.

Zestaw do filtracji próbek

W skład tego zestawu wchodzą: statyw, filtry oraz pompa.

Poniżej przedstawiono uzyskane wyniki metali ciężkich po mineralizacji w bloku grzewczym (mineralizacja mokra, otwartej przy użyciu bloku grzewczego DigiPrep Mini) w różnych temperaturach i w różnym czasie.

Badania przeprowadzono na Certyfikowanych Materiałach Odniesienia osadu ściekowego Sewage Sludge BE-1 oraz gleby EnviroMAT Contaminated  Soil (SS-1) stosując roztwarzanie próbek w wodzie królewskiej.

Zestawienie wyników Certyfikowanego Materiału odniesienia Sewage Sludge BE-1

Badany pierwiastek	WARUNKI MINERALIZACJI
	120º, 60’/%R	120º, 90’/%R	150º, 60’/%R	Wartość certyfikowana [mg/kg]
Pb	51,8/91,0	52,3/91,7	67,8/119	57
Cd	1,15/78,9	1,74/91,6	1,6/83,7	1,9
Ni	16,3/116	14,4/103	15,7/112	14
Zn	429/113	396/104	421,7/111	381
Cu	406/99,6	412/101	387/95	408
Cr	34,0/100	33,3/97,9	37,6/111	34
Hg	1,0/80,0	1,1/85	1,5/115	1,3
Ca	27699/96,7	28059/98	27917/97,5	28636
Mg	3705/97,3	3781/99	3765/98	3808

Zestawienie wyników Certyfikowanego Materiału odniesienia EnviroMAT Contaminated  Soil (SS-1)

Badany parametr	Warunki mineralizacji			Wartość Certyfikowana [mg/kg]
	120º,60’/%R	120º, 90’/%R	150º, 60’/%R
Cd	3,0/93, 8	3,1/96,9	3,2/100	3,2
Ni	54,6/92,2	60,0/101,4	58,9/99,5	59,2
Zn	1198/108	1149/103	1146/102,8	1114
Cu	394/97,8	409/101	398/98,8	403
Cr	95,4/92,6	110/107	104/101	103
Hg	0,31/75,6	0,37/90,2	0,40/97,6	0,41
Pb	816/107	824/108	830/108,6	764

Porównanie mineralizacji mokrej, otwartej z mineralizacją mokrą, zamkniętą z wykorzystaniem energii mikrofalowej. Przedmiotem doświadczenia był Certyfikowany Materiał odniesienia Sewage Sludge BE-1

Badany parametr	Mineralizacja mikrofalowa zamknięta/%R	Mineralizacja otwarta/blok grzewczy /%R	RPD%	Wartość Odniesienia [mg/kg]
Pb	56,2/ 98,6	52,3/91,8	3,59	57
Hg	1,4/107	1,1/ 85	12	1,3
Zn	390/102,4	396/104	0,80	381
Cr	35,1/103	33,3/98	2,63	34

 

Sprzęt  i materiały pomocnicze – mineralizacja zamknięta

Ogromną rolę podczas mineralizacji mokrej w systemach zamkniętych odgrywają naczynia. Muszą one być wykonane z odpowiedniego materiału:

• przepuszczalnego dla promieniowania mikrofalowego,
• odpornego chemicznie w stosunku do stężonych kwasów (teflon, kwarc — nieodporny na działanie kwasu fluorowodorowego),
• obojętnego chemicznie,
• termicznie odpornego i pozbawionego zanieczyszczeń.

Stężenie pierwiastków w bardzo rozcieńczonych roztworach może szybko ulegać zmianom w wyniku zjawisk adsorpcji i desorpcji zachodzących na powierzchni naczyń. Aby zminimalizować straty i możliwość zanieczyszczenia    roztworu należy:

• używać naczyń z kwarcu, teflonu, tarflenu lub węgla szklistego (zwykłe szkło nie jest materiałem odpowiednim);
• mycie i kondycjonowanie naczyń prowadzić za pomocą gorących oparów kwasów i pary wodnej;
• pomocniczy sprzęt laboratoryjny (np. do cięcia, rozdrabniania, suszenia) powinien być wykonany ze stali szlachetnej lub tworzyw syntetycznych, niebarwionych, łatwych do mycia.

PORÓWNANIE METOD MINERALIZACJI MOKREJ W SYSTEMACH ZAMKNIĘTYCH I OTWARTYCH

MINERALIZACJA MIKROFALOWA ZAMKNIĘTA

MINERALIZACJA OTWARTA W BLOKU GRZEWCZYM

NACZYNIA TEFLONOWE (efekt pamięci – odpowiednie mycie naczyń) CZAS MINERALIZACJI: uwzględniając czas rozkładu i chłodzenia  oraz  rodzaj matrycy od 30 do 60 min WYSOKI STOPIEŃ ROZKŁADU PRÓBKI KONTROLA PARAMETÓW MINERALIZACJI (wykres temp., ciśnienia) NIE  MA MOŻLIWOSCI UTRATY LOTNYCH PIERWIASTKÓW NAWAŻKA OD 0,1-3 g badanej próbki Dla materii organicznej <0,5 g Dla materii  nieorganicznej <3 g PO MINERALIZACJI ROZTWORY KLAROWNE, BEZBARWNE LUB LEKKO ZÓŁTE ZDECYDOWANIE LEPSZE ZASTOSOWANIE PRZY ROZTWARZANIU PRÓBEK ŻYWNOŚCI (Oznaczanie Pb, Cd) NIE STOSUJE SIĘ DO ROZTWARZANIA PRÓBEK, KTÓRE W REAKCJI Z KWASAMI WYTWARZAJĄ DUŻE  ILOŚCI PRODUKTÓW GAZOWYCH WYSOKI KOSZT ZAKUPU NIE WYMAGA NADZORU NISKIE WARTOŚCI DLA PRÓBEK ŚLEPYCH (kwasy)

NACZYNIA JEDNORAZOWE ( DigiTube) CZAS MINERALIZACJI:  w zależności od matrycy, nie krócej niż 60 min. NIECAŁKOWITY STOPIEŃ ROZKŁADU KONTROLA PARAMETRÓW MINERALIZACJI MOŻLIWA STRATA LOTNYCH PIERWIASTKÓW (zmniejszenie lotności poprzez stosowanie szkiełka zegarkowego) NAWAŻKA: 0,5- 10 g badanej próbki Dla materii organiczniej <5 g Dla materii nieorganicznej <10g PO MINERALIZACJI ROZTWORY KLAROWNE, ŻÓŁTE, LEKKO ŻÓŁTE LUB BEZBARWNE ZASTOSOWANIE DO WIĘKSZOŚCI MATRYC. Należy brać pod uwagę możliwości strat analitów przy niektórych matrycach (żywność Pb, Cd, Zn). PRÓBY PRZEMYSŁOWE, ŚRODOWISKOWE UZYSKUJA DOBRE REZULTATY ROZTWARZANIA NISKIE KOSZTY WYŻSZE WARTOŚCI DLA PRÓBEK ŚLEPYCH(kwasy, naczynia, powietrze) MIERALIZACJA PROBEK OSADU ŚCIEKOWEGO –mineralizacja mokra w systemie otwartym

 

RZYKŁADOWE METODYKI DOTYCZĄCE ROZTWARZANIA PRÓBEK

1. Roztwarzanie wody technologicznej w kwasach

EPA Method 3005 A

Roztwarzanie próbek wody zanieczyszczonej w celu oznaczenia pierwiastków: Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Cr, Hg, Fe, Mn, Mo, Na, K

Sprzęt i materiały:

1. Płyta grzejna lub inny równoważny sprzęt utrzymujący temp. 90-95ºC
2. Naczynka do roztwarzania
3. Cylinder miarowy
4. Kolby miarowe
5. Filtry
6. Okulary ochronne

Odczynniki:

1. Woda destylowana
2. Stężony kwas HNO₃ o wysokim stopniu czystości, w którym zawartość pierwiastków jest <MDL
3. Stężony kwas HCl o wysokim stopniu czystości, w którym zawartość pierwiastków jest <MDL

Procedura:

1. Zakwaszoną i przefiltrowana próbkę, mieszamy i przenosimy 100 ml do zlewki
2. Do naczyń dodajemy 2 ml HNO₃ i 5 ml HCl, ogrzewamy w temp. 95 ºC do uzyskania obj. 20 ml
3. Ostygnięta próbkę spłukujemy woda i uzupełniamy do objętości 100ml.  Jeżeli jest taka potrzeba próbkę sączymy.

 

2. Roztwarzanie próbek osadów dennych i gleb

EPA Method 3050B

Roztwarzanie próbek osadów dennych i gleb w celu oznaczenia pierwiastków: Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Cr, Hg, Fe, Mn, Mo, Na, K.

Przedstawione są dwie procedury roztwarzania próbek:

1. Roztwarzanie próbek w celu oznaczenia metali metodą FAAS  i ICP-AES
2. Roztwarzanie próbek w celu oznaczenia metali metodą GFAAS i ICP-MS

Sprzęt i materiały:

1. Płyta grzejna, blok grzewczy, urządzenie mikrofalowe  lub inny równoważny sprzęt utrzymujący temp. 90-95ºC
2. Naczynka do roztwarzania
3. Termometr, termopara
4. Cylinder miarowy
5. Kolby miarowe
6. Filtry
7. Okulary ochronne

 

Metoda oznaczania	Oznaczane pierwiastki	Użyte reagenty	Procedura
GFAAS, ICP-MS	As, Be, Cd, Cr, Co, Fe, Pb, Ag, Mo, Se, T	HNO3+ H2O2. Próbka uzupełniana do obj. 100ml	Ogrzewanie w bloku przez ok. 2h w temp. 95 st. C lub użycie mineralizatora mikrofalowego, który skraca czas mineralizacji  do ok. 30 min. Przy zastosowaniu tej metody uzyskuje się znacznie niższe granice oznaczalności
FAAS, ICP-AES	Al, Sb, Ba, Be, Cd, Ca, Cr, Co, Cu, Fe, Pb, V, Mg, Mn, Mo, Ni, K, Na, T, V, Zn	HNO3+HCl (2,5 ml+ 10 ml) Próbka uzupełniana do obj. 100ml	Ogrzewanie w bloku grzewczym w temp. 95 st. C ok. 2h

 

3. Roztwarzanie próbek żywności

Próbka	Mleko 2%	Kaszka	Ryba
Wielkość próbki	1 ml	1 g	1g
Parametry procesu	1 cykl: 7 min./100% 45-42 atm.	4 cykle: a)   1 min/50%, 20-17 at b) 1 min/60%, 30-27 at, 30 sek/0% c) 2 min/70%, 35-52at 30 sek/0% d) 2 min/80%, 45-42 at	4 cykle: a)   1 min/50%, 20-17 at b) 1 min/60%, 30-27 at, 30 sek/0% c) 2 min/70%, 35-52at 30 sek/0% d) 2 min/80%, 45-42 at
Chłodzenie	20 min	20 min	20 min
Rozpuszczalniki	7 ml HNO3	7 ml HNO3+ 3 ml H2O2	7 ml HNO3 +3 mlH2O2

 

PODSUMOWANIE

Przygotowanie próbek niesie ze sobą ryzyko popełnienia dużego błędu, a co za tym idzie uzyskanie niewłaściwego wyniku. Należy zapewnić odpowiednią kontrolę tz. Analiza CRM, RM, HRM, próbka ślepa odczynnikowa, próbki powtórzone z odpowiednią częstotliwością. Nie istnieją uniwersalne metody roztwarzania próbek. Do każdej nowej matrycy należy podejść ostrożnie i indywidualnie dobrać sposób roztwarzania, bazując na dostępnych materiałach aplikacyjnych, normach oraz własnej wiedzy i doświadczeniu.

/Ewelina Siwek