2. A KÖRNYEZETANALITIKAI CÉLÚ MINTAVÉTELRŐL Terepen végzett környezetvédelmi mintavétel esetében a feladat - minden esetben a gyakorlatvezető irányításával - hallgatónként legalább 1-1 (esetenként több) minta begyűjtése a terület különböző pontjairól. A mintákat a hely pontos megjelölésével (terepi pozíció, mélység, stb.) és időpont, továbbá a mintavevő személyt feltüntető címkével kell ellátni. A helyszínen fénykép is készíthető. A mintavétel során a gyakorlatvezető határozza meg a vizsgálandó komponens jellegét (szervetlen vagy szerves) és kémiai minőségét. Szükséges lehet a vett minták helyszíni tartósítása is; a következő fejezetek erre vonatkozóan is adnak leírást. A
szennyezett
területek
vizsgálatakor
különböző
típusú
veszélyhelyzetek
jelentkezhetnek, amelyek hatása sokféle lehet. Ezért a mintavételezést körültekintően, a balesetvédelmi szempontokra is figyelemmel kell megszervezni. Útmutató lehet ebben a tekintetben például a MSZ 21470-1:1998 jelű hazai szabvány. Erősen szennyezett mintákkal való érintkezés eredményeként előfordulhat akut mérgezés, de a rendszeres mintavétel krónikus mérgezést is eredményezhet. Az egyén különböző módon, eltérő szituációkban és kockázattal találkozhat a káros anyagokkal. A veszélyeztetés fennállhat érintés, nyelés és lélegzés során, valamint a munkaeszközök és a topográfiai körülmények által fizikai sérülések formájában. A bőrön kiütést, irritációt vagy más tüneteket okozhat a közvetlen érintkezés olyan vegyi anyagokkal, mint aromás szénhidrogének,
fenolok,
egyes
olajok
és
zsírok,
króm(VI)
vegyületek,
herbicidek,
peszticidek és egyéb szennyezők. Ha a bőr sérült, gyorsabb a felszívódás és a bakteriális fertőzések (tetanusz, gennyesedés) hamarabb jelentkeznek. A szennyezőanyag bekerülhet a szervezetbe étellel, itallal, dohányzás által, esetleg szennyezett kéz- vagy kesztyű archoz, szájhoz való érintésével. Mivel a nyálkahártya általában érzékenyebb a bőrnél, ezért kevesebb szennyezőanyag is kiválthat káros reakciót, fertőzést, gyomor- és bélpanaszokat. A toxikus gázok belélegzésének hatása az enyhe fejfájástól, a szédüléstől a halálig terjedhet. A fizikai eszközök, fúrók, gépek óvatlan használata szintén különböző mérvű sérüléseket vagy halálos baleseteket okozhat. Kémiai szennyezés esetén kesztyű, nedves talajon a gumicsizma, arcvédő maszk és az overall csökkenti az érintkezés kockázatát. A kesztyű ellenálló műanyagból vagy gumiból készüljön. Szükség szerint alkalmazhatók vízhatlan, sav- és tűzálló overallok. A szemek védelmére védőszemüveg, az arc védelmére védőmaszk írható elő esetenként. Fontos a megfelelő személyi higiénia. A szennyezett területen való mozgás felverheti a port, így időlegesen szükség lehet a térség elhagyására, amíg a por le nem ülepszik. Szélsőséges esetekben a légzőkészülékkel ellátott teljes védőöltözet nyújthat csak védelmet a veszélyes kémiai anyagokkal szemben. Gázszennyezés esetén a munkálatokat úgy kell végezni, hogy a gázok kilépése a lehető legkisebb mértékű legyen, illetve azok kilépve gyorsan felhíguljanak. A mintavevők háttal álljanak a szélnek. Ha feltételezhető, hogy légzőkészülék használata válik szükségessé
(független külső levegőforrás), az érintetteket előzetesen oktatásban kell részesíteni. Zárt térben vagy a talajfelszín alatt végzett munkáknál gázfejlődés gyanúja esetén gázjelző berendezések használata van előírva. A teret folyamatosan ellenőrizni kell éghető és
mérgező
gázokra,
valamint
oxigéntartalomra
vonatkozóan.
Még
a
beavatkozás
megkezdése előtt ki kell dolgozni a mentés és a biztonságos elvonulás módját, amely feltételezi
a
munkaterületen
kívüli
személyek
általi
riasztást,
mentőkötelek
és
légzőkészülékek használatát. Biológiai szennyezés esetén további óvintézkedések szükségesek. A fertőzött szennyvízzel való érintkezés veszélye esetén vízálló ruházat van előírva. Ha fennáll a tífuszés a tetanuszfertőzés veszélye, ajánlott a terület vizsgálatában részt vevő személyeket védőoltásban részesíteni.
2.1. TALAJMINTÁK BEGYŰJTÉSE Az
egyes
vizsgálatokhoz
(szabványelőírások
szerint)
talajból
minimálisan
a
táblázatban jelölt mennyiségeket kell begyűjteni. Ha többféle vizsgálatra van szükség, akkor arányosan növelni kell a mintamennyiséget.
Tervezett vizsgálat
Mintamennyiség, g
Szervesanyag-, pH- és szárazanyag tartalom meghatározása
250
Fizikai vizsgálatok (kötöttség, sűrűség)
500
Szervetlen szennyező anyagok vizsgálata
300
Dioxin és furán vizsgálata
500
Poliaromás szénhidrogének (PAH) és poliklórozott bifenilek (PCB)
400
vizsgálata Halogénezett szénhidrogének vizsgálata
300
Szermaradványok (növényvédőszer) meghatározása
300
Illékony halogénezett szénhidrogének (VOC) vizsgálata
300
Összes szénhidrogén meghatározása (TPH)
300
Előzetes vizsgálat esetén legalább 5 mintavételi helyről kell mintát venni, a szennyezés jellegétől és a talaj tulajdonságaitól függő mélységből. Feltételezhetően homogén eloszlású (általában szervetlen) szennyezés vizsgálatakor átlagmintákat képzünk. Egy-egy átlagmintát több, a mintavétel céljától függő számú, azonos tömegű, részminta (leszúrás, lefúrás) anyagából kell keverni, amelyeket a mintavételi területen kijelölt pontokon kell venni. Az átlagminták azonos szintből származó talajtömeget tartalmazzanak. Nem szabad azonban átlagmintát képezni a következő esetekben:
• • •
Ha illékony anyagokat kell meghatározni. Ilyenkor a mintát, amennyire csak lehet, eredeti állapotában kell analizálni. Ha a szennyezés várhatóan homogén eloszlású, de ismert pontforrásból ered. Ekkor pontmintákat kell venni a pontforrástól különböző távolságokban. Ha a vizsgálandó talaj tulajdonságait vagy a szennyezők meghatározását az összekeverés módosíthatja.
Ismeretlen szennyező források, vagy homogén szennyezettségű területek vizsgálata során alkalmazható a négyzetrácsos módszer. Az első mintavételi hely a vizsgálandó terület átlójának felezőpontja. A mintavételi helyek közötti távolságot általában úgy választjuk meg, hogy az a vizsgálandó terület átlója hosszának kb. 4%-a legyen. A mintákat a kimért négyzetek középpontjából kell venni. Pontszerű talajszennyező forrás esetében a forrás körül koncentrikus köröket jelölünk ki úgy, hogy az egyes körök sugarai rendre 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 stb. méter hosszúságúak legyenek. A fő és mellékégtájaknak megfelelő sugarak metszéspontjaiban jelöljük ki a mintavételi helyeket. Autópályák, utak, vasutak, csatornák (lineáris szennyező források) mentén a mintavételi irányok merőlegesek a lineáris szennyező forrásra, és azok szélétől 5, 10, 20, 50 és 100 méter távolságra legyenek. Ezek a mintavételi pontok, irányok követik a lineáris szennyező forrást. Így például utak mentén annak nyomvonalát végig követhetik a mintavételi helyek. Ásványi olajat szállító csővezetéknél a mintavételi helyeket a vezeték mindkét oldalán 5, 10 és 20 méter távolságban kell kijelölni. A szervetlen komponensek meghatározása esetén a mintákat műanyag zacskókba vagy edényekbe kell gyűjteni. Szerves komponensek elemzésekor a mintákat olyan jól záródó üvegedénybe kell gyűjteni, amelynek dugója vagy zárókupakja teflonbevonatú. Tartósítást általában nem kell végezni, csak bizonyos minták és komponensek esetében (lásd később).
2.2. VÍZMINTÁK BEGYŰJTÉSE ÉS TARTÓSÍTÁSA Ha a feltételezhetően szennyezett talajvíz szintje 5 m-nél magasabban van a területen, akkor a talajmintavételhez kapcsolódóan a talajvízből minden esetben mintát kell venni. Talajvíz mintavétel nyílt feltárással és fúrással egyaránt történhet. Ha nyílt feltárást alkalmazunk, akkor a mintavétel a feltárást követően merítéssel lehetséges. Ha a feltárásnál későbbi időpontban történik a mintavétel, akkor tisztító szivattyúzást kell végezni a mintavétel előtt. Fúrás esetén a talajvíz-mintát kizárólag a vizsgálandó rétegből (mélységből) vegyük. A tisztító szivattyúzást kanalazással (alkalmas edénnyel történő kimeregetéssel) vagy kishozamú szivattyúzással végezzük. Jégminta esetében a terep különböző helyeiről jégdarabokat gyűjtünk össze, és ezeket különálló mintaként kezeljük a továbbiakban. A jégdarabokat egy tiszta felületre
helyezve
késsel
vagy
vésővel
minden
oldalán
letisztogatjuk
az
alakos,
durva
szennyezésektől, majd egy tárolóedénybe átrakva engedjük lassan olvadozni, hogy a megolvadt, még mindig szennyezett külső rétegtől megszabaduljunk. Szükség szerint újabb edénybe átrakva még további tisztulást érhetünk el. jégdarabok
megmaradt,
immár
tiszta
belső
magját
Végül a részben már elolvadt egy
tiszta
edényben
téve,
szobahőmérsékleten megvárjuk a teljes elolvadást; a keletkező folyadékminta lesz a mintánk. A mintavétel során úgy is eljárhatunk, - különösen apróbb jégdarabok esetén hogy a gyűjtött mintát tiszta szitára szórjuk, majd kevés meleg vízzel mossuk/öblítjük, és lecsöpögtetés után a maradványokat a tiszta tárolóedénybe tesszük, ahol az teljesen felolvad. Nagyobb, mesterségesen fagyasztott (táblás) jég külső és a legbelső rétegét külön kell mintavételezni. Ha étkezési jégből (jégdara, jégkockák, stb.) kell mintát venni, akkor a fogyasztóhoz kerülő részt jellemző átlagösszetétel meghatározása lehet a cél. Esővíz mintázásakor olyan tiszta edényt használunk, amely felső része széles, az alsó része tölcsérszerűen levezeti az esővizet az alsó, mintavételi edény aljáig. Ha az esővíz tiszta részét kívánjuk mintázni, akkor az első néhány percben gyűjtött víz eldobható, és csak az ezután gyűjtött vizet visszük analizálni. Az átlagos esővízösszetétel vizsgálatához kezdettől fogva gyűjtendő az esővíz. Az edény teljes tartalmából (összerázás után) veszünk analitikai mintákat. Hó mintavételezése, amennyiben az éppen hulló hó, ugyanúgy történik, mint az esővíz esetében, csak a tölcsérben engedjük a havat felolvadni. A terepre hullott hóból gyűjtőlapáttal mintákat kell szednünk. Ennek során meg kell keresni azokat a helyeket, ahol a legvastagabb és még érintetlen a hóréteg. A felszíni, szennyezett rétegeket (pl. fűtésből, gépjármű közlekedésből származó korom, állatnyomok) néhány cm vastagságban lefejtjük a lapáttal, és eldobjuk, vagy az alsóbb, tisztább rétegekből gyűjtünk mintákat. Amennyiben tudjuk, hogy a minták száma vagy jellege miatt nem lesz módunk a laboratóriumba szállítás után azonnali analízisre, akkor a vízmintákat tartósítanunk kell. A tartósítási módszert a későbbi vizsgálatok figyelembevételével, a következő táblázatból kell kiválasztani – mint látható, egyes vizsgálatok esetében logikusan nem is lehetséges tartósítás (pl. hőmérséklet, íz, jódszám, pH, vezetőképesség, stb. vizsgálata). A tartósítás ellenére minden esetben célszerű a mintákat néhány napon belül, legkésőbb a következő heti gyakorlat idején megelemezni. A mintatartó edény tiszta, jól záródó (lehetőleg gáztömör) legyen.
A vizsgált paraméter, komponens Hőmérséklet Szín Szag Íz Átlátszóság Zavarosság Lebegőanyag Vezetőképesség pH Savasság Lúgosság Összes vas Mangán Ammónia Nitrit Nitrát Organikus nitrogén Összes nitrogén Szulfát CO2-formák Foszfát Szilikát Oldott oxigén BOI O2 fogyasztás Fenolok Anionos detergens Réz Kadmium Króm Nikkel Cink Alumínium Ezüst Ólom Arzén Szulfid Szulfit Cianid Klór Zsírsavak Jódszám
A tartósítás módja, illetve a tartósítószer koncentrációja cc. H2SO4 cc. HNO3 CHCl3 Egyéb Hűtés cm3/L cm3/L cm3/L 3-4 ºC 2-4
igen igen igen
2-4
1 1 1 1 1
5 5
igen igen
2-4 2-4 2-4 2-4 2-4 2-4
igen igen igen
igen igen
2-4
0,5
1-10
1
igen
5 5 5 5
5 3
2-4
NaOH, 4g/L
cc. HCl, 1 cm3/L
cc. HCl, 5 cm3/L Cd-acetát,1g/L NaOH, 0,4g/L Glicerin,10 cm3/L NaOH, pH = 11
igen igen
igen
igen igen
igen
2.3. NÖVÉNYI MINTÁK BEGYŰJTÉSE A feltételezhetően szennyezett területen keresünk olyan növényzetet, amely legalább 40-50 cm magasra nőtt. Kijelölünk ezek közül néhány példányt. Növényhatározó segítségével a növényeket azonosítjuk, majd ásóval a teljes gyökérzettel együtt kiemeljük az egész növényt. A gyökérzetről kézzel (kesztyűben) lefejtjük a talaj zömét. A gyökérzethez közeli talajmaradványból kémiai analízis számára begyűjthetünk 200-300 g-ot. Ezt a mintát a talajmintákkal egyező módon kezeljük. Vízzel lemossuk a gyökérzetet és műanyag zsákba csomagolva a laboratóriumba szállítjuk még aznap a növényeket. A laboratóriumban feldaraboljuk a növényeket legalább annyi részre, ahány hallgató van a csoportban. A darabolásnál arra törekedjünk, hogy a gyökér csúcsától a növény csúcsáig minden szakaszból keletkezzen minta. (pl. a gyökércsúcsok, gyökér középső rész, gyökér tőrész, szár alja, középső része, csúcs rész, oldalhajtás töve, középső része, csúcsa, levél az alsó, középső, felső ágáról, stb.)
Galbács G.–Galbács Z.–Sipos P.: Műszeres analitikai kémiai gyakorlatok
MIN A NYOMANALITIKAI CÉLÚ MINTAVÉTEL, MINTAELŐKÉSZÍTÉS ALAPELVEI
A műszeres analitikai kémiai technikákat, amelyek általában a klasszikus analitikai kémiai módszereknél nagyságrendekkel kisebb kimutatási határral rendelkeznek, majdnem mindig nyomanalitikai feladatokra — ppm és az alatti koncentrációk mérése — alkalmazzuk. Ebből következően az analitikai feladat fontos részét képező mintavétel, -tárolás és előkészítés műveleteit is körültekintőbben, kissé más szemlélettel kell végeznünk, mint a klasszikus analitikában. Az alábbiakban röviden összefoglaljuk az ezzel kapcsolatos alapelveket.
MINTAVÉTEL ÉS MINTATARTÓSÍTÁS A „valódi” mintákat legtöbbször nem analízisre készen kapjuk (pl. ampullába zárva), hanem azokat előbb be kell gyűjteni. Akár gáz, folyadék vagy szilárd mintát veszünk, azt úgy kell begyűjteni, hogy a kivett részlet a vizsgálandó területre/tárgyra nézve reprezentatív legyen (átlagminta). Természetesen célunk lehet lokális jellegű (pont-) minták begyűjtése is, de ez a ritkább feladat. A mintavétel jelentőségét nem lehet eléggé hangsúlyozni: a mérendő minta azon hányadát, amelyet a hibásan kivitelezett mintavétel miatt nem gyűjtöttünk be (elveszítettünk) már soha nem fogjuk tudni megmérni. A mintavétel és -tárolás edényét is körültekintően kell megválasztani. Manapság ehhez leginkább kémiailag ellenálló, megfelelő tisztaságú, könnyű, jól zárható és olcsó műanyag edényeket használunk folyadék és szilárd minták esetében. Megemlítendő, hogy a nyomanalitika igényeit (pl. szennyezésmentesség) leggyakrabban csak egyszer használatos edények elégítik ki. Gázmintavételhez általában fém- és üvegedényeket használunk. Műanyag edények itt azért nem váltak be, mert a gázok kisebb-nagyobb mértékben képesek beoldódni a műanyagokba — ez a beoldódott gáz idővel kidiffundálhat, így „elszökhet” a mintákból vagy keresztszennyezést is okozhat. A kémialag nem teljesen inert anyagú edények használatával általában azt kockáztatjuk, hogy a minta és tároló edény között korrózió vagy adszorpció, stb. játszódik le (pl. üvegedények nem alkalmazhatóak olyan oldatok tárolására, amelyekben ppm alatti koncentrációban szeretnénk alkálifémeket mérni). Semmiképpen ne mulassszuk el a mintával alaposan átöblíeni a mintavételi eszközt/tároló edényt.
19
Tároláshoz a mintákat leggyakrabban kezelni kell, így pl. szilárd mintákat szárítani szükséges. A víztartalmat 105 ºC-on tömegállandóságig történő melegítéssel (pl. szárítószekrényben 5-10 órai szárítással) távolíthatjuk el. A száraz minta a továbbiakban összetétel megváltozás nélkül (pl. penészedés nélkül) tárolható, amennyiben a jól záró (üveg vagy műanyag) edénnyel a külső nedvesség hozzájutását meggátoljuk. Gázok tárolásánál leginkább az edény falába bejutó és azon átjutó, esetleg a lezáró csapok (szelepek) zsírzó anyagába oldódó gázrészlet okozhat problémát. A folyadék minták esetében a probléma összetett, a tartósítás módját és lehetőségeit igencsak behatárolja az analitikai feladat és a mérendő komponens jellege, illetve a mérendő koncentrációk nagysága. Vízminták esetében gyakori gond azok bakteriális szenyezettsége, amely az oldott gázok, szerves vegyületek, szervetlen ionok átalakítása révén hamisíthatja meg az analitikai eredményt. A vízmintához adott fertőtlenítő anyagok vagy savak (5 mL tömény, nagytisztaságú salétromsav vagy sósav 1 L vízmintához adagolva) meggátolják a minta összetételének bakteriális eredetű megváltozását. A savval történő tartósítás további előnye, hogy a pH eltolásával megelőzi a fémek hidroxid-formájú csapadékjainak képződését. Természetes vizekben pl. a Fe-ionok gyakoriak; ennek hidroxidja kicsapódva és kiülepedve az edény aljára nemcsak csökkenti a minta vastartalmát, de mint jó adszorbens, magával „rántja” felületéhez kötve a többi, nyomnyi mérendő komponenst is. A tárolást segíti az is, ha a vízmintát a levegő kizárásával vesszük meg, az edényt színültig töltjük. Természetesen vannak analitikai feladatok, amikor a savanyítás nem megengedhető, mert a tömény sav a mérendő szerves vegyületeket elroncsolhatja, egyes mérendő szervetlen vegyületeket (pl. hidrogén-karbonátokat) elbonthat, oxidálhatja a mérendő komponenst vagy oldhatatlan vegyület képződésével annak kiválását okozhatja.
MINTAELŐKÉSZÍTÉS A mintaelőkészítés módját döntően az adott analitikai feladat elvégzéséhez rendelkezésre álló technika, mérési módszer szabja meg. Általános, logikus alapelv, hogy ha hasonló képességű, alternatív mérési módszerek is rendelkezésünkre állnak, mindig válasszuk azt, amelyik a lehető legkisebb mértékű előzetes mintakezelést igényli. Érdemes meggondolni azt is, hogy nyomanalitikai méréseknél az alkalmazott reagenseknek, segédanyagoknak a tisztasága különlegesen nagy kell hogy legyen, ezért az analitikai tisztaság sokszor nem kielégítő. Gondoljunk csak a mintasavanyítás fent is leírt esetére: egy legfeljebb 0,01 m/m% szennyezést tartalmazó analitikai tisztaságú savból 5 mL hozzáadása 1 L mintához még mindig 0,1 ppm nagyságrendű szennyezéseket vihet be. Különösen gondos, körültekintő mintaelőkészítésre van szükség pl. az atomi tömegspektrometriás módszer alkalmazásakor, ahol az izotópösszetétel megőrzése is fontos. Folyadék (pl. vízminták) vagy többfázisú minták esetében gyakran szükséges szűrni. Ilyen eset például, ha egy folyadékmintában egy komponens oldott koncentrációját akarjuk meghatározni. Ezt 0,45 µm pórusméretű műanyag (pl. polikarbonát, teflon, stb.) szűrővel, 20
Galbács G.–Galbács Z.–Sipos P.: Műszeres analitikai kémiai gyakorlatok
vákuumszűréssel végezzük; a szűrletben mérhető koncentrációt szokás oldott koncentrációnak nevezni. Máskor a szűrés az analitikai eljárás kényessége miatt szükséges (pl. HPLC). Kis térfogatú mintákat fecskendőre szerelhető a kis pórusméretű (0,2 vagy 0,45 esetleg 2 µm) szűrőbetéteken szűrjük meg. Fontos megjegyezni, hogy a klasszikus (nagy mennyiségű mintákkal és nem nyomnyi komponenseket meghatározó) analitikai szűréskor tanult eljárást, miszerint üvegbottal segítjük a szűrőtölcséren lévő csapadék mosását, a nyomanalitikában nem szabad alkalmazni! Az üvegbot és a rajta sokszor használt gumigyűrű ugyanis rengeteg szennyezést visznek be, amely nyomanalitikai méréseknél megengedhetetlen. Hasonló okokból kifolyólag üveg vagy porcelán tölcséreket, szűrőtámasztó betéteket, papír szűrőlapokat sem szokás általában használni. Helyette nagy tisztaságú, ellenálló műanyagból (pl. poli-tetrafluoroetilén, PTFE) készült szűrőkészletek terjedtek el. A szilárd mintákat gyakran aprítani, porítani szükséges, pl. hogy a későbbi savas roncsolás gyorsabban játszódjon le. A megszárított minta ilyenkor achát mozsárban vagy zirkon golyósmalomban lisztfinomságúra porítható. Érdemes emlékezni azonban, hogy mind az achát, mind a zirkon nagy keménységű, természetes eredetű (tehát szennyezéseket is tartalmazó) anyagok, így kimondottan kemény minták, kőzetek hosszú idejű őrlésekor hozzájárulhatnak maguk is a minta elszennyezéséhez. Sajnos jobb megoldás nem létezik, mint hogy ilyenkor vakmintákkal ellenőrizzük a golyókból/mozsárból bejutó szennyezések mennyiségét. Az aprítás alapszabálya, hogy a lassabban aprítódó részeket — amelyek a keményebb mintakomponenseket tartalmazzák — nem szabad eldobni, hanem az aprítást addig kell folytatni, amíg a teljes mintamennyiség át nem jut a kívánt lyukméretű (100 esetleg 60 µm-es) szitán. A szitálást a fémszennyezés bevitelének elkerülésére műanyag szálakból készült szitán célszerű végezni; ezek korrózióra sem hajlamosak, így tisztításuk is egyszerűbb.
MIKROHULLÁM ALKALMAZÁSA A MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MŰVELETEK ELŐSEGÍTÉSÉRE A zárt rendszerben, mikrohullámú energia besugárzással kivitelezett mintaelőkészítés a ma ismert egyik leghatékonyabb és legkorszerűbb eljárás. Az ellenálló anyagból készült speciális reakcióedényekben a mikrohullámú sugárzás felgyorsítja a kémiai reakciókat, ami lehetővé teszi, hogy néhány tíz perc alatt makacs anyagokat is oldatba vigyünk savas roncsolással vagy ugyanilyen gyorsan pároljunk be folyadékmintákat, oldószeres extrakciót végezzünk, stb. A mikrohullámú (kb. 2500 MHz) besugárzással csak a polarizálható, vagy permanens dipólusmomentummal rendelkező molekulákat, vagy ionokat tartalmazó anyagok melegíthetők. A besugárzás hatására ezek a molekulák a gyorsan változó irányú elektromágneses teret követve gyors (forgó/rezgő) mozgásba kezdenek, amihez ionos konvekció is társul; ezek a folyamatok pl. oldatok esetében a belső súrlódás révén gyorsan felmelegítik a minta teljes térfogatát. Ez lényegesen hatékonyabb, gyorsabb a hagyományos melegítési módszereknél, ahol a gázláng, elektromos fűtőszál, stb. mindig kívülről az 21
edényzet közvetítésével melegíti a mintát. Mintaelőkészítés szempontjából nem elhanyagolható előny az sem, hogy nempoláris, ellenálló anyagokból (pl. PTFE, kvarc) a mikrohullám számára átlátszó zárt reakcióedények készíthetők, amelyek megóvják a mintát a szennyezésektől, párolgási veszteségtől, ugyanakkor maguk igen kevéssé melegszenek fel. Ne gondolja azonban, hogy egy mikrohullámú feltáró rendszer ugyanolyan, mint a háztartási mikrohullámú sütők! A mikroprocesszor-kontrollálta laboratóriumi mikrohullámú feltáró rendszerek ugyanis hőmérséklet és/vagy nyomás ellenőrző rendszerrel vannak ellátva, speciális edényzetet használnak, számos biztonsági elemet tartalmaznak, beépített hűtő és elszívó egységgel rendelkeznek, fokozatmentesen szabályozható energiájú mikrohullámú generátort tartalmaznak, stb. Az alábbiakban példaként az Anton Paar cég (Ausztria) Multiwave 3000 típusú modern mintaelőkészítő berendezésén keresztül illusztráljuk a mikrohullámú mintaelőkészítés lehetséges alkalmazásait. Ilyen berendezéssel fog a nyomanalitikai mintaelőkészítéssel foglalkozó laboratóriumi gyakorlaton is találkozni. A legelterjedtebb mikrohullámú eljárás a zárt edényben történő feltárás, vagyis a minták saveleggyel történő roncsolása, oldatbavitele elemanalízist megelőzően (erre nemcsak szilárd minták, hanem pl. iszapok, nagy szervesanyagtartalmú folyadékminták esetén is szükség van). A bemutatott rendszer savas feltáráshoz készült rotorja 8 (vagy akár 16) nyomásálló edényt képes egyszerre befogadni. Az igen jól záró, csavaros fedéllel ellátott vastagfalú PTFE edények bélése is fluoropolimerből készül. Az edények mechanikai szilárdságát egy külső kerámia köpeny is növeli. Kvarcból is készíthető edényzet, amely nagy mechanikai szilárdsága miatt nem igényel kerámia köpenyt – így is 80 bar nyomást képes szabályozottan elviselni, szemben a műanyag edények maximálisan 60 bar üzemi nyomásával. A műanyag bélésű edényzet ugyanakkor HF-ot tartalmazó savelegyek használatára is alkalmas. Védősapka
Biztonsági betét Tömítés Bélés
Védőburkolat
Kerámia köpeny
1. ábra. Zárt edényű savas feltáráshoz tervezett nyolcpozíciós mikrohullámú rotor és egy mintaedény
A speciális kialakítású forgó rendszerű rotor felső részében egy hidraulikus úton érzékelő elektronikus szenzor található, amely a feltárás során folyamatosan méri az edényben 22
Galbács G.–Galbács Z.–Sipos P.: Műszeres analitikai kémiai gyakorlatok
kialakult nyomást és továbbítja azt vezeték nélküli kommunikáció révén a vezérlő egységbe. A hőmérséklet mérését infravörös sugárzás vagy gázbuborék-hőmérő elv révén méri az edényekben egy szenzor. A központi vezérlő egység figyeli a nyomás és hőmérséklet adatokat és a feltárási program, valamint az edényzetre jellemző üzemi határértékek figyelembevételével szabályozza a mikrohullámú sugárzás energiáját. A biztonság növelése érdekében az edényzet egy biztonsági (nyomáshatároló) betétet is tartalmaz; ez az edényzet mechanikai szilárdságát megközelítő 120 bar nyomáson kinyit. Ha ez bekövetkezik, a savas mintagőzök eltávoznak, így a mintát elveszítjük ugyan, de az edényzet nem robban fel. Az elszívó rendszer nemcsak ezeket az esetleg elszabadult savgőzöket távolítja el, hanem a forró reakcióedényeket is gyorsan (kb. 20 perc alatt) lehűti szobahőmérsékletre. Egy másik alkalmazási lehetőséget a minták bepárlása jelenti, amire a feltárások savmaradékainak eltávolítása miatt, vagy bepárlás útján történő dúsítás (töményítés) miatt lehet szükség. Ennél az alkalmazásnál is jól alkalmazható a mikrohullámú melegítés gyorsasága, a hatékony elszívás megléte és hogy a mintákat zárt rendszerben, szennyeződéstől védve melegítjük. A bemutatott rendszer gyártója arra is gondolt, hogy a mintákat ne kelljen a feltárás után másik edénybe áttölteni, amivel a mintaveszteséget kerülhetjük el; a savas feltárás során alkalmazott műanyag edények egyszerűen áthelyezhetők a bepárló rotorba, csak csavaros fedelüket kell lecserélni olyanra, amely a bepárlást (pl. a savgőzök folyamatos elszívását) lehetővé teszi.
2. ábra. Zárt rendszerű bepárláshoz tervezett nyolcpozíciós korszerű mikrohullámú rotor
Egy további mikrohullámú alkalmazási lehetőség a szerves oldószeres extrakció. Fontos megjegyezni, hogy az extrakcióval sokszor együttjáró robbanásveszélyes oldószergőzök kezelése az elszívórendszer módosítását és különleges biztonsági elemekkel való felszerelését igényli, ezért csak kevés mikrohullámú feltáró rendszer képes a feladatot biztonságosan megoldani. A többi rotorhoz képest további különbség, hogy itt a rotor belsejében négy alumínium tartály is megtalálható, amelyek vízzel vannak megtöltve. Minden tartály két-két extrakciós edénnyel van összekötve flexibilis csövek révén, így ha egy biztonsági tárcsa az extrakciós mintaedényekben az üzemi érték feletti nyomás kialakulása miatt működésbe lép, az oldószer ezen a csövön keresztül kifúj és biztonságosan 23
kondenzálódik/elnyeletődik a tartályokban levő vízben. A műanyag edények nyomásálló csavaros fedele speciális kialakítású, amely lehetővé teszi azt is, hogy fecskendővel szükség esetén újabb adag oldószert adjunk a mintához az edény kinyitása nélkül.
3. ábra. Az extrakciós rotor alulnézeti képe a mintaedényekkel és a kondenzációs tartályokkal
A zárt rendszerű mikrohullámú melegítés újabb alkalmazási lehetősége a szárítás. A szilárd minták egy jelentős része (pl. növényi, biológiai vagy környezeti eredetűek) valamint pl. az iszapminták jelentős, változó mértékű nedvességtartalommal bírnak, amelyek eltávolítására már csak azért is szükség van, hogy azokból pontos bemérés készülhessen illetve hogy az analitikai eredményt (koncentrációkat) összemérhető mennyiségű mintára vonatkozóan adhassuk meg. Ez a művelet, amelynek elvégzése a klasszikus módon vegyi fülkét, szárítószekrényt és sok időt igényelt, a zárt rendszerű mikrohullámú berendezésben gyorsan és a minta elszennyezésének veszélye (pl. por a laboratórium levegőjében) nélkül végrehajtható. Nem elhanyagolható előny az sem, hogy a folyamatos és hatékony elszívás megkíméli a felhasználót az egyes minták (pl. szennyvíziszap) szárításával együttjáró kellemetlen szagoktól és minimális a minta túlhevülésének esélye is. Nagy méretű minták közvetlenül a porcelán alaplemezre helyezhetők, míg a porított mintákat óraüveggel lazán lefedett üvegedényben célszerű behelyezni. Légszűrő betétek
O-ring tömítések
Üvegkamra Porcelán fenéklemez
4. ábra. Mikrohullámú szárító rotor metszeti rajza (a nyilak az átszívott levegő haladási útját jelzik)
24
