1
VYUŽITÍ TEPELNÉHO ZMLŽOVAČE V AAS JAN KNÁPEK Katedra analytické chemie, Přírodovědecká fakulta MU, Kotlářská 2, Brno 611 37
Obsah 1. Úvod 2. Tepelný zmlžovač 2.1 Princip 2.2 Konstrukce 2.3 Optimalizace 3. Využití 4. Závěr 5. Literatura Klíčová slova: tepelný zmlžovač, AAS, HPLC, těkavé cheláty 1. Úvod
Atomová absorpční spektrometrie je optická analytická metoda využívaná již od poloviny 20. století. Základním principem této metody je absorpce záření volnými atomy v plynném stavu, které vznikají v atomizátorech. Atomovou absorpční spektrometrii dělíme podle způsobu atomizace na plamenovou (F – AAS ) a elektrotermickou (ET – AAS). V poslední době je výhodné spojování separačních a analytických metod v jeden celek. U atomové absorpční spektrometrie je možné spojení s HPLC nebo FIA systémy. Při spojování těchto technik vyvstávají problémy s dávkováním vzorku. Při spojení ET – AAS s HPLC nebo FIA je možné využít tzv. tepelného zmlžovače neboli termospreje 1,2. Termosprej byl původně vyvinut jako spojovací článek mezi kapalinovou chromatografií a hmotnostní spektrometrií. Později byl aplikován v metodách atomové spektrometrie, včetně ICP – AES, ICP – MS 4,5.
2
2. Tepelný zmlžovač
Tepelný zmlžovač – termosprej je zařízením, které vytváří aerosol prudkým ohřevem kapaliny nad bod varu 1.
2.1 Princip
Kapalina protéká vyhřívanou křemennou kapilárou. Vlastní tvorba aerosolu má několik fází. V první fázi teplota procházející kapaliny rychle vzrůstá a jakmile je dostatečná začíná proces vypařování. Dochází k tvorbě bublinek v kapalině. V druhé fázi teplota postupně klesá, zvyšuje se tlak a začínají se objevovat kapičky v parách. Na začátku třetí fáze dochází opět k prudkému nárůstu teploty a v kapiláře proudí jen páry a polosuché částice. Teplotní závislost procesu vypařování a schéma je na obr. 1 3.
°C
Kapalina
Bubliny v kapalině
Kapičky v parách
Pára
Obr. 1: Teplotní profil a schéma tvorby aerosolu 3
Na obrázku 1 je názorně ukázána tvorba aerosolu v tepelném zmlžovači. Tímto procesem je dosaženo vysoké zmlžovací účinnosti a 4 – 10 x vyšší citlivosti oproti pneumatickému zmlžování 1.
3
2.2 Konstrukce
Tepelný zmlžovač se skládá z trubice z nerezové oceli vnějšího průměru 1,6 mm a vnitřního průměru 0,5 mm. Je vyhřívána pomocí elektrického proudu. Do této trubice je zasunuta kapilára z taveného křemene o vnitřním konstantním průměru 0,15 mm nebo kapilára s hrotem (zúžením) o průměru 0,050 mm. Zmlžovač těchto parametrů byl použit pro popis optimalizace systému v kapitole 2.3 5. V jiných pracech
3,6,7
jsou používány taktéž křemenné kapiláry obalené
pláštěm z nerezové oceli, ale o vnitřním průměru 50-500 µm a délce 20 – 45 cm. Ve spojení termospreje s ICP jsou používány kapiláry i 3 metry dlouhé 6. Rozsah teplot při kterých tepelný zmlžovač pracuje je 25 – 300 °C v závislosti na použitém rozpouštědle 3. Na obrázku 2 převzatého z cit. 7 je popsáno schéma průtokového injekčního tepelného zmlžovače pro ET – AAS.
1
1 – evakuovaná komora, 2 – tlakový ventil, 3 – spojení s vakuem, 4 – tlakový ventil, 5 – vedení k transformátoru, 6 – dva termočlánky, 7 – injekční ventil, 8 – injekční stříkačka, 9 – tepelný zmlžovač, 10 – vstup stlačeného vzduchu, 11 – křemenná kapilára, 12 – vzorkovací smyčka, 13 – odpad
Obr. 2: Schéma průtokového injekčního tepelného zmlžovače pro ET – AAS 7
4
Další schéma
3
zapojení tepelného zmlžovače do atomového absorpčního
spektrometru s elektrotermickou atomizací ukazuje obr. 3.
1 – filtr, 2 – deionizovaná voda, 3 – vysokotlaká pumpa, 4 – katexová kolona, 5 – injekční stříkačka, 6 – vzorkovací smyčka, 7 – injekční ventil, 8 – tlakový ventil, 9 – regulátor tlaku, 10 – kontrola teploty, 11 – termočlánky, 12 – tepelný zmlžovač, 13 – transformátor, 14 – časovač, 15 – evakuovaná komora, 16 – pec, 17 – výběr teplot, 18 – systém evakuace pece
Obr. 3: Schéma zapojení termospreje do atomového absorpčního spektrometru s ETA
3
2.3 Optimalizace
Hlavními faktory, které ovlivňují činnost termospreje jsou: provozní teplota, přítomnost nebo nepřítomnost desolvatačního systému, rozměry kapiláry a průtok vzorku. V literatuře
5
je popsán způsob optimalizace systému použitého
v plamenové AAS. Při vzájemné kombinaci několika teplot 160, 180, 205 a 240 °C a průtoků 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 ml/min byly sledovány základní analytické charakteristiky jako mez detekce, přesnost měření, linearita kalibračních křivek. V tabulce 1, která je převzata z cit. různé průtoky.
5
jsou uvedeny hodnoty meze detekce pro
5
Tab. 1: Provozní teploty a meze detekce pro Cu při různých průtocích (F - AAS) 5 Průtok [ml/min]
Teplota [°C]
Mez detekce [µg/l]
1,0
160
56
1,5
180
60
2,0
205
67
2,5
240
65
Z hodnot uvedených v tabulce je zřejmé, že nejlepší mez detekce je při průtoku 1,0 ml/min 5. Na obrázku 4 je vidět, že při průtoku 1,5 ml/min je signál mědi vs. koncentrace lineární a relativní směrodatná odchylka měření plamenovou AAS je menší než 4 %. Při vyšších průtocích
se hodnota relativní směrodatné
odchylky pohybuje mezi 10 – 15 %.
Obr. 4: Vliv průtoku na sklon kalibrační křivky pro Cu 5
V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty mezí detekce při stanovení Mg, Cu Zn, Cd při použití rozdílných tepelných zmlžovačů a za přítomnosti Ca jako interferentu. Pro srovnání je uveden pneumatický zmlžovač.
6
Tab. 2: Meze detekce pro různé systémy (F – AAS) 5 Prvek
Mez detekce - Mez
detekce
–
Mez detekce –
zúžená kapilára kapilára bez zúžení 500 ppm Ca
Pneumatický zmlžovač
Mg
1
30
-
Cu
9
50
13
64
Zn
8
12
10
27
Cd
7
-
11
31
Z tabulky 2 je zřejmé, že mez detekce při stanovení Mg, Cu, Zn, Cd plamenovou AAS je s použitím tepelného zmlžovače výrazně nižší ve srovnání z pneumatickým zmlžovačem. Z téže tabulky je také patrné, že meze detekce jsou výrazně nižší u zúžené kapiláry. V práci 5 sledovali vliv distribuce různých velikostí kapiček aerosolu na měření
absorbance. Byly testovány kapiláry
různého průměru, a bylo zjištěno, že nejvýhodnější je zavádění hrotu na konec křemenné kapiláry. Aplikace kapiláry s hrotem zvyšuje přesnost měření ve srovnání s kapilárou bez hrotu a pneumatickým zmlžovačem. Dalším krokem optimalizace je
sledování vlivu interferentů na měřené
výsledky. Pro tyto měření byly použity roztoky s vysokým obsahem vápníku (500 – 1000 ppm Ca). Nebyl zjištěn žádný významný vliv interferentu na měřené výsledky. Při vysokých koncentracích vápníku je nutné snížit provozní teplotu (1 – 3°C), aby nedocházelo k ucpávání kapiláry 5.
Obr. 5: Srovnání citlivosti pro stanovení hořčíku při použití kapiláry s hrotem (50 µm) a přímé kapiláry (150 µm) 5
7
Křemenná kapilára termospreje nabízí dobré analytické parametry při hodnotách průtoků typických pro HPLC (1 – 10 ml), což umožňuje spojení HPLC a atomové absorpční spektrometrie. Příměsí organického rozpouštědla není významně ovlivněna činnost termospreje. Při použití organických rozpouštědel je důležité zvolit vhodnou pracovní teplotu. Pro běžně používané roztoky mobilních fází pro HPLC nejsou významné rozdíly v pracovních charakteristikách zmlžovače ve srovnání s vodnými roztoky 5.
Obr. 6: Fotografie grafitových trubic (a – d) (popis v textu) 7
Na obrázku 6 jsou snímky grafitových trubic pro elektrotermickou atomizaci, které porovnávají dávkování 1% roztoku NaCl autosamplerem a pomocí termospreje. Jedná se o trubice dlouhé 28 mm, vnitřního průměru 6 mm a vnějšího průměru 8 mm. Do trubic (a) a (c) je dávkován roztok autosamplerem o objemu 10 a 40 µl. Do trubic (b) a (d) je dávkován stejný roztok o stejných objemech pomocí termospreje 7. Z obrázků je patrné rozložení vzorku a velikost krystalů NaCl při použití termospreje. Roztoky dávkované termosprejem jsou
8
proti vzorkům dávkovaných autosamplerem více soustředěny do jednoho místa a velikost krystalů je mnohem menší. Optimalizace je jedním z nejdůležitějších kroků. Při jednotlivých aplikacích se samozřejmě charakteristiky mění a je důležité systém pro každé použití optimalizovat. Výše popsaná optimalizace se týká plamenové AAS a stanovení kovových iontů ve vodných roztocích.
3. Využití
Jak již bylo uvedeno v předchozí kapitole je možné spojení atomové absorpční spektrometrie s HPLC. Látky které je možné analyzovat tímto spojeným systémem jsou většinou organické molekuly, které jsou schopny do své molekuly vázat kov. V cit.
5
je uvedeno použití tohoto systému na analýzy
komplexů tvořených syntetickými chinolinovými antibiotiky v jejichž struktuře je vázán nějaký ion kovu.
Jinou aplikací je stanovení metalothioneinů, což jsou proteiny s vysokým obsahem cysteinu v jejichž struktuře jsou vázány dvojmocné ionty kovů jako Cu, Zn, Cd, Co apod. . Autoři v cit.
8
použili pro stanovení metalothioneinů
průtokový injekční termosprej ve spojení s HPLC. Průtok 1 ml/min, velikost dávkovací smyčky 97 µl. Na obrázku 7 je chromatogram stanovení metalothioneinu, izolovaného z koňských ledvin, pomocí systému HPLC – termosprej – AAS. Monitorovaným analytem bylo kadmium. Obdobným způsobem jako kadmium byly stanovovány měď a olovo. Meze detekce jsou Cd 1,9 ng, Cu 8,5 ng a Pb 27 ng 8.
9
Obr. 7: HPLC – termosprej – F-AAS chromatogram metalothioneinu z komerčního extraktu z koňských ledvin ( 4,9 µg proteinu), analyt Cd 8 Další aplikací termospreje je analýza těkavých chelátů. Jedná se o spojení FIA techniky s AAS. Na obrázku 8 je schéma zapojení takového systému. Těkavé
cheláty,
nejčastěji
acetylacetonáty,
trifluoroacetylacetonáty,
hexafluoroacetylacetonáty a dithiokarbamáty, jsou syntetizovány přímo v procesu analýzy. Jedná se o těkavé cheláty, které se po syntéze v termospreji pouze vypaří. Cheláty se při postupu do atomizátoru nesmí rozložit. V práci
4
byl pro toto stanovení použit termosprej tvořený křemennou
kapilárou dlouhou 50 cm s vnitřním průměrem 0,2 mm, která byla vložena do trubice z nerezové oceli a odporově vyhřívána. K atomizaci bylo použito křemenné trubice vyhřívané plamenem acetylen – vzduch.
10
a) proces syntézy: 1 – peristaltické čerpadlo, 2 – injekční ventil, 3 – reaktor, b) proces odpařování: 4 – kompresor, 5 – injekční ventil, 6 – kapilára, 7 – tepelný zmlžovač – termosprej, 8 – vytápěcí systém, c) atomizace a analýza: 9 – křemenná trubice, 10 – hořák, 11 – výbojka s dutou katodou
Obr. 8: Schéma spojení FIA – termosprej – F-AAS 4
V tabulce 3 jsou uvedeny základní parametry pro stanovení Al, Cr, Co při využití on-line syntézy chelátů. Stejně jako u jiných aplikací proběhla i zde optimalizace systému. Z rozmezí průtoků 1 – 16 ml/min byl jako nejvýhodnější používán průtok 6,5 ml/min. Jako optimální dávkovaný objem byl použit objem 0,5 ml. Výsledky experimentů shrnuje tabulka 4 a srovnává je s použitím pneumatického zmlžovače. Citlivost stanovení pro jednotlivé prvky se zvýšila u Al – 3x, Co – 4x a Cr – 20x, proti zmlžování vzorku do plamene 1,4.
11
Tab. 3: Základní parametry pro on – line syntézu chelátů 4 λ [nm]
Ligand
Proud
Šířka
pH
vypaření termospreje
štěrbiny výbojky
Al
Acetylacetonát
309,3 0,5
25
[°C]
[°C]
[mA]
[nm]
Teplota
Teplota
4,5 185
200
4,5 98
115
8
208
225
Trifluoroacetylacetonát
8
118
133
Tetramethyldithiokarbamát
8
175
190
3
165
180
Hexafluoroacetalacetonát
3
148
165
Trifluoroacetylacetonát
3
170
185
Diethyl dithiokarbamát
3
225
240
Tetramethyldithiokarbamát
3
240
255
Trifluoroacetylacetonát Cr Acetylacetonát
357,9 0,7
Co Acetylacetonát
25
240,7 0,2
15
Tab. 4: Srovnání analytických parametrů termospreje a pneumatického zmlžovače (nebulizéru) při použití diethyldithiokarbamátu jako ligandu 4 Co Parametr Citlivost
Termosprej
Cr Zmlžovač
Termosprej
Al Zmlžovač
Termosprej
Zmlžovač
0,05
0,2
0,03
0,6
0,07
0,2
1-9
1-28
0-6
0-5
0,5-8
0-10
0,13
0,98
0,3
0,01
0,25
0,24
8,35
1,23
5,67
0,83
6,38
1,72
µg/ml Lineární rozsah kalibrační křivky
µg/ml Mez detekce µg/ml RSD (%)
Z tabulky je patrné, že citlivost a mez detekce se při použití tepelného zmlžovače ve většině případů zlepšují, lineární rozsah je přibližně srovnatelný, jen směrodatná odchylka se zvyšuje.
12
4. Závěr
Dávkování vzorku pomocí tepelného zmlžovače neboli termospreje je použitelné v plamenové AAS i v ET – AAS. Obecně použití termospreje zlepšuje analytické parametry a rozšiřuje možnosti použití atomové absorpční spektrometrie. Systém může být použit jako vhodný detektor pro HPLC. Separovat lze všechny látky v jejichž struktuře je nějaký ion kovu, který lze stanovit AAS. Při spojení s FIA systémem je možné provádět on – line analýzy.
13
5. Literatura 1. Komárek J.: Atomová absorpční spektrometrie, MU Brno, 2000. 2. Zýka J. a kol.: Analytická příručka II, SNTL/Alfa, Praha 1988. 3. Bank P.C., de Loos-Vollebregt M.T.C., de Galan L.: Spectrochim. Acta 43B, 983 – 987 (1988). 4. Jiménez M.S., Mir M.M., Castillo J.R.:J. Anal. At. Spectrom. 8, 665 – 669 (1993). 5. Veber M., Andrenšek S.: XIV. Seminář o AS – PROCEEDINGS, Vysoké Tatry – Podbanske, (1998). 6. Conver T.S., Yang J., Koropchak J.A.: Spectrochim. Acta Part B 52, 1087 – 1104 (1997). 7. Bank P.C., de Loos-Vollebregt M.T.C., de Galan L.: Spectrochim. Acta 44B, 571 – 579 (1989). Larsen E.H., Blais J-S.: J. Anal. At. Spectrom. 8, 659 – 664 (1993
