Průtoková injekční analýza ve spojení s ICP-OES

MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV CHEMIE

Průtoková injekční analýza ve spojení s ICP-OES Bakalářská práce

Denisa Doležalová

Vedoucí práce: doc. Mgr. Karel Novotný, Ph.D.

Brno 2015

Bibliografický záznam Autor:

Denisa Doležalová Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav chemie

Název práce:

Průtoková injekční analýza ve spojení s ICP-OES

Studijní program:

Chemie

Studijní obor:

Chemie

Vedoucí práce:

doc. Mgr. Karel Novotný, Ph.D.

Akademický rok:

2014/2015

Počet stran:

46

Klíčová slova:

indukčně vázané plazma; optická emisní spektrometrie; injekční průtoková analýza

Bibliographic Entry Author:

Denisa Doležalová Faculty of Science, Masaryk University Department of Chemistry

Title of Thesis:

Flow Injection Analysis in combination with ICP-OES

Degree Programme: Chemistry

Field of Study:

Chemistry

Supervisor:

doc. Mgr. Karel Novotný, Ph.D.

Academic Year:

2014/2015

Number of Pages:

46

Keywords:

inductively coupled plasma; optical emission spectroscopy; flow injenction analysis

Abstrakt Tato práce je zaměřená na vývoj metod analýzy kapalných vzorků, jejichž objem se pohybuje v řádech desítek mikrolitrů. Pro tyto účely byla testována optická emisní spektrometrie s

indukčně vázaným

plazmatem

(ICP-OES) s

ultrazvukovým

zmlžovačem NOVA a koncentrickým zmlžovačem DuraMist. Byl sledován vliv průtoku vzorku a nosného plynu pro dosažení maximální účinnosti zmlžování. Dále byl sledován vliv těchto parametrů na signál olova pro nalezení vhodných podmínek pro metodu injektování malých objemů roztoku metodou FIA. Vliv objemu a koncentrace nadávkovaného vzorku na signál byl následně testován s použitím standardního roztoku olova. Cílem této práce je najít co nejvhodnější podmínky pro měření tak, aby mohly být dále využity pro analýzu praktických vzorků.

Abstract This thesis is focused on developing methods for analyzing liquid samples in volume of tens of microliters. For these purposes has been tested inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) with ultrasonic nebulizer NOVA and concentric nebulizer DuraMist. It has been observed the effect of flow rate of sample and carrier gas to achieve maximum efficiency of nebulization. It has been studied the influence of these parameters on the signal of lead to find suitable conditions for the method of injecting small volumes of solution by FIA method. Effect of volume and concentration of the dispensed sample to the signal was subsequently tested using a standard lead solution. The aim of this thesis is to find the most appropriate conditions for measurement so that they can be further used for the analysis of practical samples.

Poděkování Na tomto místě bych chtěla poděkovat doc. Mgr. Karlu Novotnému, Ph.D. za ochotu a cílené vedení práce. Poděkování patří také Mgr. Lucii Krajcarové a Mgr. Barboře Ticové za pomoc při měření a vyhodnocování dat. V neposlední řadě děkuji svým rodičům a příteli za podporu při studiu.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Průtoková injekční analýza ve spojení s ICP-OES vypracovala samostatně s využitím uvedených pramenů literatury.

V Brně dne…………………………..

………………………………... Denisa Doležalová

Obsah 1.

Úvod

8

2.

Teoretická část

9

2.1. ICP-OES 2.1.1. Zdroj záření

10

2.1.3. Detektory

10 10

2.2.1. Ultrazvukový zmlžovač

13

2.2.2. Mlžné komory

14

2.2.3. Transport aerosolu

15

2.2.1. Nespektrální interference

16

2.2.2. Vliv minerálních kyselin

17

2.2.3. Analýza vzorků s biologickou matricí

17

2.2.4. Analýza suspenzí

18

2.3. FIA

19

2.4. FIA ve spojení s ICP-OES

22

Experimentální část

23

3.1. Instrumentace

23

3.1.1. ICP-OES

23

3.1.2. Ultrazvukový zmlžovač

23

3.1.3. Koncentrický zmlžovač

24

3.2. Experimentální podmínky a postup měření 4.

9

2.1.2. Optický systém 2.2. Zmlžování roztoků

3.

9

Výsledky a diskuze

24 26

4.1. Účinnost ultrazvukového zmlžovače

26

4.2. Účinnost koncentrického zmlžovače

28

4.3. Použití roztoku Pb jako modelového vzorku

30

4.3.1. Vliv podmínek na signál Pb

30

4.3.2. Dávkování malých objemů vzorku

33

5.

Závěr

42

6.

Seznam symbolů a zkratek

43

7.

Literatura

45

1. Úvod V praxi je často potřeba analyzovat malé objemy vzorků (biologické, geologické, životního prostředí,...). Mezi metody stopové analýzy jimiž lze takto stanovit prvky patří spektrální metody. Často používané v laboratořích jsou zařízení ICP-OES (optické emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem). Mají využití při kvalitativní i kvantitativní analýze. Jednou z výhod tohoto zařízení je možnost stanovení široké škály prvků. Důležitým je proces transportu aerosolu do plazmatu a volba zmlžovače. Lze použít pneumatické zmlžovače, ale pro dosažení lepších účinností při dávkování malých objemů je vhodné použít zmlžovač ultrazvukový. Zmlžovač lze propojit s metodou průtokové injekční analýzy FIA, která umožňuje dávkování malých objemů vzorků do kontinuálního toku nosného media a zvyšuje reprodukovatelnost metody. Cílem této práce je najít optimální podmínky pro stanovení vzorků řádově desítek mikrolitrů. V teoretické části se práce zabývá metodou ICP-OES a její instrumentací. Dále se zabývá procesem zmlžování, který značně ovlivňuje mez detekce a reprodukovatelnost stanovení. Uvedeny jsou jednotlivé typy zmlžovačů a jejich konstrukce. Jsou popsány děje související s procesem zmlžování a samotná metoda FIA. V experimentální části se práce zabývá vlivem podmínek na účinnost a intenzitu signálu ze kterých lze vyhodnotit optimální podmínky měření a dále propojit metodu s FIA.

8

2. Teoretická část 2.1. ICP-OES V emisním spektrometru s indukčně vázaným plazmatem dochází k excitaci částic ze vzorku v argonovém plazmovém výboji a vyhodnocováno je spektrum záření těmito částicemi vyzařované. Obecným principem atomové emise je buzení atomů ze stavu o nižší energii do stavu o vyšší energii, poté následuje vyzáření fotonu při přechodu atomu na nižší energetickou hladinu. Emisní spektra mají čárový charakter. OES (optická emisní spektrometrie) je založena na detekci záření, které je emitováno atomy nebo popřípadě ionty. Vlnové délky emitovaného záření jsou specifické pro daný druh atomu. Metodu lze použít v kvalitativní i kvantitativní analýze. Pro kvantitativní analýzu je potřeba provést kalibraci, která se provádí s pomocí standardů o známé koncentraci sledovaných prvků. Aby mohla být atomová spektra detekována, je nutné, aby byly atomy excitovány do vyšších energetických stavů, čehož lze docílit termickým buzením (např. teplota v analytické zóně ICP výboje je kolem 50 000 K). Nejprve se tedy vzorek zahřeje, atomizuje a poté dojde k excitaci nebo také k ionizaci. Následně dochází k emisi záření s vlnovými délkami odpovídajícím energii jednotlivých přechodů (a to i ze zakázaných, které ovšem mají nízkou intenzitu) [1]. Budicí zdroj

Disperzní zařízení

Detektor

Elektronika

Výstupní signál

Obrázek 1: Základní schéma ICP OES 2.1.1. Zdroj záření Zdrojem energie pro excitaci částic je indukčně vázané plazma. Daný roztok je vnesen do injektoru plazmové hlavice proudem argonu (nosný plyn). Kapalné (vodné) vzorky jsou zmlžovány pomocí zmlžovače a mlžné komory (viz. dále). Díky prstencovitému tvaru výboje lze nosným plynem se vzorkem do středu prorazit tzv. analytický kanál. V kanálu výboje dochází k vysušení a odpaření aerosolu. Vzniklý aerosol se atomizuje, dále excituje a ionizuje [2].

9

2.1.2. Optický systém Záření vstupuje štěrbinou do přístroje, rozkládá se v monochromátoru a zaostřovacím systémem se zobrazuje spektrum na detektor. Jako disperzní zařízení mohou být použity např. Echelle monochromátory, které mají poměrně vysokou rozlišovací schopnost. Tato schopnost závisí mimo jiné i na počtu vrypů speciální mřížky typu Echelle pracující ve vysokých řádech spektra. Na rozdíl od klasických monochromátorů (Czerny Turner, PaschenRunge) leží vrypy ve stupňovitém uspořádání, kdy se záření odráží od jejich plochy. Většinou se mřížka vyrábí s hustotou 8 až 80 vrypů na milimetr. K dosažení dvourozměrného spektra s hodnotami vlnové délky a řádu spektra je nutno použít ještě jeden disperzní prvek. Světlo může být rozloženo hranolem, který používá lom světla (různý index lomu pro různé vlnové délky) a slouží k separaci jednotlivých řádů spektra. Další možností je použití další optické mřížky s daným počtem vrypů uspořádaných pravidelně s určitou vzdáleností. Díky tomuto rozložení dochází k dvojrozměrnému rozložení vlnových délek a vzniká spektrum zvané echellogram [1, 2].

2.1.3. Detektory Záření prošlé přes optický systém je převáděno detektorem na elektrický signál. Používané fotodetektory využívají fotoelektrického jevu a termojevů. CCD (charge coupled device) je polovodičový detektor sestavený tak, že na fotodiodu dopadá záření a generuje v polovodiči páry elektron-díra. Optický signál je přeměněn na elektrický náboj, který se převádí na napětí. Nejmodernější polovodičový detektor je CID (charge injected device). Řadí se mezi nejvýkonnější detektor polovodičového typu s nejlepšími parametry na trhu.

2.2. Zmlžování roztoků Ve zmlžovači dochází ke vzniku aerosolu. Roztok je do zmlžovače čerpán zpravidla peristaltickou pumpou, která umožňuje udržovat konstantní průtok vzorku. Rychlost průtoku vzorku ovlivňuje mimo jiné intenzitu signálu a rychlost vymývání vzorku ze zmlžovače a mlžné komory. Peristaltická čerpadla jsou zhotovena z řady válců, které posouvají roztok hadičkami. Hadičky se vyrábí z inertních materiálů tak, aby byly vhodné pro daný roztok, většinou jsou sestrojeny pro slabě kyselé vodné roztoky. Měly by být kontrolovány, zda nejsou opotřebované, protože vyžadují častější výměnu. 10

Opotřebení hadiček způsobuje snížení výkonu pumpy a může negativně ovlivnit stálý průtok vzorku. Problému lze předcházet promytím hadiček po skončení analýzy a jejich uvolněním při nepoužívání přístroje [3]. Důležitou roli při zmlžování hraje poměr rychlosti proudění plynu a kapaliny. Zmlžovače jsou vyráběny ze skla popřípadě z polymerů zejména pro analýzu roztoku obsahujících kyselinu fluorovodíkovou. Stabilita zmlžovače závisí na průtoku nosného plynu, peristaltické pumpě, teplotě ve zmlžovací komoře, konstrukci zmlžovače a tvorbě solí u ústí plynové kapiláry. Zmlžovače lze rozdělit do dvou hlavních skupin. První hlavní skupinu tvoří pneumatické zmlžovače. Aerosol zde vzniká přiváděním kapaliny před trysku, ze které vychází proud plynu. Proto jsou to zmlžovače závislé na průtoku plynu. Sem patří kapilární zmlžovače a zmlžovače na Babingtonově principu. Pro kapilární zmlžovače je důležité, aby vzorek byl bez pevných nečistot a měl menší obsah solí. V ICP spektrometrii je účinnost pneumatických zmlžovačů menší než 3% a u plamenové atomové absorpční spektrometrie je to 15% a méně. Mezi kapilární zmlžovače patří koncentrický a křížový zmlžovač. Koncentrický zmlžovač byl sestrojen Meinhardem a projevuje sací účinek. Vyrábí se ve více variantách, které se liší provedením trysky. Vhodnost použití daného typu závisí na vlastnostech roztoku (např. koncentrace rozpuštěných látek). Roztok je přiváděn kapilárou k ústí zmlžovače, kde vzniká podtlak vlivem proudícího nosného plynu. Působením nízkého tlaku a vysoké rychlosti nosného plynu se vytváří aerosol. Roztoková kapilára zmlžovače má vnitřní průměr 200 až 300 µm. Díky těmto malým rozměrům zmlžovač poskytuje výbornou citlivost a stabilitu. Ve standardním provedení je účinnost zmlžovače až 5%. U ústí trysky dochází ke krystalizaci, které lze předejít zvlhčováním nosného plynu. Již 0,1 % rozpuštěných pevných látek může způsobovat problém. Standardně se vyrábí z borosilikátového skla s účinností až 5%, s nasávacími průtoky 1, 2 a 3 ml/min. Dalším typem je zmlžovač z křemenného skla a dále model MicroMist pro průtoky 50 až 600 µl/min, který má reprodukovatelnost 1% RSD a je vhodný zejména pro propojení s HPLC. Model SeaSpray se vyrábí pro mikroprůtoky 100 až 400 µl/min a pro průtoky 1 až 3 ml/min. Pro roztoky s pevnými částicemi byl navržen zmlžovač Conikal, který je schopný zmlžovat roztoky s částicemi do 75 µm s reprodukovatelností 1% RSD. V případě částic s velikostí do 150 µm lze použít zmlžovač Slurry. Pro zmlžování roztoků s kyselinou fluorovodíkovou byl sestrojen zmlžovač PolyCon vyrobený z Polyimidu a to pro průtoky 50 až 800 µl/min a 2 až 5 ml/min. Používá se v průmyslu polovodičů. 11

Mezi další zmlžovače odolné kyselině fluorovodíkové patří MicroFlow. Tyto zmlžovače jsou schopné nasávat organická rozpouštědla bez peristaltického čerpadla. Zmlžovače OpalMist jsou odolné nejen vůči organickým rozpouštědlům, ale také alkalickým roztokům a kyselině fluorovodíkové. Stejně tak jsou odolné mikrocentrické zmlžovače CETAC [1, 4]. U křížového (cross-flow) neboli úhlového zmlžovače je účinnost závislá na průtoku nosného plynu. U pravoúhlých zmlžovačů je výhodné oproti koncentrickým, že u nich tolik nedochází k zarůstání solemi. V porovnání s koncentrickým zmlžovačem není vytváření malých kapének příliš efektivní. Zmlžovač je zkonstruován tak, že rychlý proud nosného plynu směřuje kolmo ke kapiláře. Větší průměr kapiláry redukuje problémy s ucpáváním [2, 3, 5].

Obrázek 2: Princip křížového zmlžovače U Babingtonova zmlžovače vzniká aerosol v kulovém žlábku nebo žlábku písmene V tím, že kapalinový film stékající po jeho stěnách je narušován. Druhou možností je žlábkový V-groove, který má kapiláru, pomocí které je schopen zmlžovat jak roztoky, tak suspenze. Výhodou je smáčení plynové kapiláry roztokem, které zabraňuje krystalizování solí a tedy zarůstání. Pro komerční účely byl sestrojen zmlžovač VeeSpray. Vyrábí se z křemene nebo korundu. Při průtocích 0,6 – 3,0 ml/min zmlžuje roztoky a to částice do velikosti 300 µm s 1% RSD. Další typ zmlžovače tvoří Burgenerův zmlžovač, který je vyroben z PTFE. Má větší stabilitu a účinnost v porovnání s některými Babingtonovými zmlžovači. Pracovní roztok a plyn jsou k ústí zmlžovače vedeny téměř paralelně. K dalším typům patří síťkový a fritový zmlžovač. Druhou hlavní skupinu tvoří vysokotlaká tryska, hydraulický vysokotlaký zmlžovač, tepelný zmlžovač-termosprej, ultrazvukový zmlžovač. Tato zařízení jsou nezávislá na průtoku nosného plynu. Ve vysokotlaké trysce se aerosol rychle dostává z kapiláry do mlžné komory nebo proti nárazové kuličce. Kapilára může být nerezová 12

nebo křemenná. V tepelném zmlžovači se roztok v kapiláře nárazově zahřívá nad bod varu. Používá se vysokotlaká pumpa, která je schopna dosáhnout tlaku 10-40 MPa. Lze dosáhnout účinnosti až 60%, ale aerosol je potřeba desolvatovat [2, 3].

2.2.1. Ultrazvukový zmlžovač V ultrazvukovém

zmlžovači

se

aerosol

vytváří

kmitáním

keramického

piezoelektrického krystalu. Piezoelektrický krystal udává frekvenci pro radiofrekvenční zdroj (frekvence 200 kHz až 10 MHz), který je zdrojem podélných stojatých vln a působením tlaků vytváří jemný a monodisperzní aerosol. Vlnová délka povrchu vlny je dána vztahem: λ =(

1/3

Průměr kapének potom: D = 0,34 λ Vysoká účinnost může způsobovat zahlcení plazmatu rozpouštědlem, což může způsobit zhasnutí výboje či zhoršení jeho excitačních vlastností. Z tohoto důvodu je výhodné použití desolvatační jednotky. Pokud jde do plazmatu velké množství vzorku, neúměrně se zvyšuje pozadí spektra. Při desolvataci se aerosol dostane do vyhřívané zóny, zde dojde ke zplynění a následně k ochlazení v chladící zóně. Proběhne kondenzace a do plazmatu vchází suchý aerosol. Ultrazvukový zmlžovač používaný v experimentální části této práce nemá desolvatační jednotku, což může při vyšších účinnostech zatížit plazma (rozpouštědlem) [1, 3, 5]. Před vstupem do plazmatu se odvede část zkondenzovaného roztoku pomocí mlžné komory. V porovnání s klasickými pneumatickými zmlžovači jsou detekční limity nižší. Za axiálního pozorování je možné ve spojení s ICP dosáhnout mezí detekcí podobných ICP-MS. Nevýhodné jsou zvýšené paměťové efekty a delší promývací čas. Nepříznivě působí i vysolovací efekty. Proto se tyto zmlžovače využívají zejména při analýze vod, zejména tedy u vzorků s málo solnou matricí. Ve spojení s ICP poskytuje asi desetkrát nižší detekční limit než pneumatický zmlžovač [1, 2].

13

Na celosvětovém trhu se výrobou ultrazvukového zmlžovače zabývá firma CETAC. Prodává zařízení U5000AT+ Ultrasonic Nebulizer. Obsahuje funkci AutoTune, která snímá změny ve složení vzorku. Díky tomuto nepřetržitému sledování je zajištěn konzistentní aerosol a zařízení je bezobslužné. Optimalizováno je na ICP-OES nebo ICP-MS. Oproti jiným zmlžovačům poskytuje hodnoty detekčních limitů nižší až desetkrát a současně vyšší účinnost ve spojení s ICP. Tento zmlžovač dosahuje účinnosti 10-15%. U běžných pneumatických zmlžovačů se účinnost pohybuje mezi 2-3 %. Firma udává pro Pb 230.35 hodnotu detekčního limitu 1 µg/l a zároveň hodnotu pro koncentrický zmlžovač 27 µg/l. Specifikace: Průtok vzorku 0,5-2,5 ml/min Průtok plynu 0,5-1,5 l/min Napájení 520 W; 50-60 Hz Desolvatační teplota topná 120 až 160°C Desolvatační teplota chladící -20 až 10°C Přístroj v sobě zahrnuje desolvatační systém. Pomocí regulátoru lze nastavit teplotu v kondenzační a v topné zóně systému. Aerosol je unášen ze zamlžovací komory argonem přes vyhřívanou trubici a dále přes elektrotermicky chlazený kondenzátor. Do ICP vstupují částice zbavené přebytečného rozpouštědla a tím se zabraňuje jeho přetížení. Dlouhodobá stabilita signálu, tedy po deseti hodinách, je v průměru 0,40% RSD. U přístroje U6000AT+ byl přidán k U5000AT+ membránový desolvátor, který slouží jako druhá fáze desolvatace. Poskytuje lepší detekční limit pro ICP-MS (zejména pro draslík a železo) a také umožňuje analýzu těkavých organických látek. Desolvatační zmlžovací systém CETAC Aridus II umožňuje zvýšit citlivost a redukovat interference oxidů a hydridů. Je sestaven pro spojení s ICP-MS. Má zmlžovač a vyhřívanou mlžnou komoru s PTFE membránou, která snižuje elektrostatické účinky. Aerosol je vstřikován do vyhřáté mlžné komory a tím je udržován v plynné fázi. Pára vstupuje do další vyhřívané části desolvátoru. K odstranění rozpouštědla pomůže i protiproud argonu, který prostupuje porézní stěnou membrány. Netěkavé složky vzorku neprojdou přes membránu a pokračují do ICP-MS [6]. 2.2.2. Mlžné komory V mlžné komoře se odloučí velké kapky díky odstředivým silám, inerčnímu záchytu a gravitační sedimentaci. Mezi nejpoužívanější mlžné komory patří Scottova, cyklonová 14

a konická. Na trhu se objevují v různých modifikacích. U některých se vyskytuje chladicí plášť, který tepelně stabilizuje tvorbu a současně transport aerosolu. U analýzy těkavých organických rozpouštědel se zamezí odpařování použitím chlazené komory, která také eliminuje problém se zatížením plazmatu. Pro zvýšení stability signálu je výhodné termostatování mlžné komory. Nejběžnější komorou je komora dle Scotta. Dochází zde k odstranění částic pomocí dvojitého průchodu aerosolu, kde se směr proudu mění o 180°. Proces probíhá ztrátou gravitační, setrvačnou a v turbulentním proudění. Cyklonová komora je charakteristická tangenciálním vstupem aerosolu s nosným plynem. Aerosol vchází přes vstup na okraj nádoby, aby bylo dosaženo klesajícího spirálového pohybu, na zbylé kapičky v komoře působí odstředivá síla. V dolní části změní aerosol směr a pohybuje se spirálovitě vzhůru. Paměťový efekt lze snížit použitím komor, které jsou odnímatelné s ručním promýváním. V porovnání s komorou Scottovou má kratší dobu promývání a vyšší účinnost. Konická komora má zčásti kulovitý tvar, zde se částice aerosolu tříští a ty velké nárazem zanikají. Jedná se tedy o sekundární modifikace aerosolu [1, 2, 4].

2.2.3. Transport aerosolu Pro přesnou analýzu je důležitý reprodukovatelný transport vzorku do zmlžovače. Je nutné zohlednit faktory např. daný objem a koncentraci. Hlavní problém reprodukovatelnosti měření na ICP-OES způsobuje průtok vzorku do plazmatu. Přívod a odtok roztoku do zmlžovače zajišťuje peristaltická pumpa s hadičkami. Upravený aerosol se dostává do injektorové trubice plazmové hlavice [7]. Distribuce velikosti aerosolu je důležitá pro účinnost a přesnost měření. Aerosol je složen z plynu či směsi plynu a částečky. Plyn obvykle obsahuje výpary rozpouštědla. Částečky mohou mít průměr až několik set mikrometrů. Pro charakterizaci kapky může být použit jak průměr, medián nebo jiné vhodné vyhodnocení [5]. Snaha o efektivnější zmlžování roztoku je zaměřena na vytvoření aerosolu s co největším počtem malých kapének o rozměrech do 1 µm. Proces vzniku aerosolu a jeho přenosu do výboje lze popsat třemi ději: primární, sekundární procesy a terciární procesy. Primární proces Jde o proces vytvoření polydisperzního aerosolu. V procesu se projeví kinetická energie vibrující destičky či proudícího plynu. Z malé trysky vychází proud plynu 15

a v kontaktu s přivádějící kapalinou vytváří aerosol. Dochází ke tříštění na aerosol. Podle závislosti rychlosti proudění plynu vůči rychlosti proudění kapaliny se vytvoří útvary: kapky (do 5 m/s), strunovité útvary (do 50 m/s), ploché a kapsovité útvary (při vyšší rychlosti) a to především u pneumatických zmlžovačů. Závisí na vlastnostech roztoku. Sekundární procesy Modifikací primárního aerosolu se vytvoří sekundární aerosol. K jeho vzniku dochází nárazem, který způsobí ztráty a zmenšení částic. U ústí zmlžovače se obvykle vyskytuje pevná překážka (ve vzdálenosti do 1 mm). Částice tedy interagují s tokem plynu. Podstatný je vliv povrchově aktivních látek, které mají vliv na povrchové napětí. V cyklonovém zmlžovači a ve zmlžovači dle Scotta tento děj neprobíhá. Nevýznamnou roli hraje příčná složka rychlosti proudění, podstatná je axiální složka. Terciální procesy Terciální procesy probíhají v mlžné komoře a v trase na ni navazující (plazmová hlavice).

Důležitou

roli

hraje

konstrukce

mlžné

komory

a

částí

v trase,

které na ni navazují. Mezi důležité faktory patří odpařování rozpouštědla. Důležitým faktorem je teplota v trase transportu aerosolu, která ovlivňuje účinnost a jak moc bude plazma zatížené parami rozpouštědla. Patří sem i ztráty vzniklé nárazem na zakončení mlžné komory. U cyklonových mlžných komor se projevují odstředivé ztráty a u válcových a kónických mlžných komor ve spojení s pneumatickými zmlžovači ztráty v turbulentním toku. Na účinnost a rychlost transportu vzorku vstupujícího do plazmatu má vliv proces odpařování aerosolu. Pokud je aerosol generován jiskrovou nebo laserovou ablací, projeví se gravitační ztráty, a to především v částech vedení aerosolu, které jsou horizontální [2, 7]. 2.2.1. Nespektrální interference Při použití budicího zdroje je nutno počítat s nespektrálními interferencemi způsobené vzorkem. Vztah používaný pro nespektrální interference:

16

X=

Patří mezi interference multiplikativní. Intenzita se může zvýšit nebo snížit. Závislost na koncentraci interferentu je možno sledovat za stálé koncentrace analytu [2]. Podstatné jsou také interference plazmatu. Nejmenší vliv mají tyto interference při optimálních podmínkách zdroje. Omezení vlivu interferencí na správnost měření lze provést použitím porovnávacího prvku. Jedná se např. o interference snadno ionizovatelných prvků [1]. 2.2.2. Vliv minerálních kyselin Činnost zmlžovače je ovlivněna fyzikálními vlastnostmi kapaliny (hustota, viskozita, povrchové napětí). Velikost kapének ovlivňuje účinnost vnášení analytu do plazmatu, procesy v plazmatu a tedy i citlivost měření. Efekty změn ve fyzikálních vlastnostech vzorku jsou nejvíce patrné při použití roztoků minerálních kyselin např. sírové a fosforečné. Peristaltické či vstřikovací čerpadlo nepřekoná následky měnící se hustoty. Pumpa nemůže zmírnit důsledky způsobené změnou viskozity, pouze dodává roztok konstantní rychlostí do zmlžovače, kde dojde k rozprašování. Metoda vnitřního standardu může způsobit řadu komplikací, které mohou vést ke zkreslení výsledků, proto tuto metodu nelze všeobecně doporučit. Roztok omývá zmlžovač a mlžnou komoru v podstatě nepřetržitě. Problém s plazmovými interferencemi lze řešit přídavkem kyseliny či organické sloučeniny o nízké koncentraci [5]. Byl pozorován pokles signálu atomových a iontových čar při axiálním měření za použití koncentrovanějších kyselin. Maxima se nemění stejně jako tvar rozdělení intenzit. Při zvýšeném průtoku plynu se vlivem kyseliny snižuje pokles intenzity, což poukazuje na ovlivňování zmlžování a transport aerosolu, přičemž podmínky pro excitaci zůstávají zachovány. Vliv má také příkon do plazmatu. Nejprudčeji klesne intenzita při nízkých koncentracích kyseliny. Problém s těmito interferencemi lze řešit pomocí metody vnitřního standardu [1, 4]. 2.2.3. Analýza vzorků s biologickou matricí Biologické materiály jako krev, moč a další tělní tekutiny patří mezi komplikované matrice a jejich analýza je komplikovanější. Podmínky pro rutinní analýzu zpravidla zahrnují:

17

a) snížení požadovaného objemu vzorku (Množství analyzovaných vzorků je příliš malé nebo se vyskytují v elementárních koncentracích. Zde nepostačí ICP-OES ve spojení s pneumatickým zmlžováním.) b) větší riziko kontaminace c) nutnost zvýšení citlivost a eliminace interferencí [5]

2.2.4. Analýza suspenzí Analyzovat lze práškový materiál nebo materiál, který lze na prášek upravit. Před samotnou analýzou je vzorek upraven na suspenzi nebo se k němu přidají stabilizující látky. Mlžené komory jsou pro tyto účely navrženy tak, aby dráha aerosolu vstupujícího do plazmatu byla co nejmenší [1]. Vzorek je analyzován způsobem, při němž nedochází k chybám ředění případně ke kontaminaci rozpouštědly. Konkrétní techniky závisí na fyzikálních vlastnostech vzorku. Analyzovat lze prášky, vodivé a nevodivé pevné látky, homogenní a heterogenní pevné látky [8]. Laserová ablace Jedná se o jednu z metod analýzy pevných látek. Výhodou metody je umožnění analýzy povrchové, lokální a dokonce hloubkových profilů. Aby mohl být zaměřen konkrétní bod, je k laseru připojen optický mikroskop.

Přesně zaostřený laserový

paprsek s dostatečnou energií je zaměřen na vzorek a způsobí odpařování z povrchu vzorku. Oblak páry a částice uvolněné z povrchu jsou neseny proudem argonu do plazmatu, kde dále dochází k atomizaci, ionizaci a excitaci. Problém může být s úpravou vzorku a při určování optimálních podmínek zdroje [1]. Jiskrová ablace Jiskrová ablace se používá zejména pro vodivé roztoky. Oproti laserové ablaci není tolik závislá na složení matrice. Teplota jiskry se pohybuje až do 40 000 K. Spolu s laserovou ablací se zařazuje mezi metody vzorkování používané zejména v průmyslu[7, 9].

18

2.3. FIA V polovině minulého století dosáhla rozmachu analytická spektrometrie včetně metod AAS, OES a později MS spolu s ICP. Pokroky byly zaznamenány i v zavádění vzorku. Průtoková injekční analýza (FIA) patří mezi metody dávkování vzorku, při které se zavádí vzorek do kontinuálního toku nosného media. Mediem často bývá kapalina nebo ve speciálních případech plyn (plynová difuze). Rychlost průtoku může být konstantní nebo jeho změna může být předem naprogramována. FIA lze rozdělit do 4 kategorií: FI (Flow Injection) SI (Sequential Injection) BI (Bead Injection) SIC (Sequential Injection Chromatography) V metodách FI se vzorek vstřikuje do proudu nosného plynu. Metody jsou založeny na jednosměrném toku nosného media a činidla jsou přidávána ve společně se potkávajících bodech [10]. Roztok vzorku difunduje do činidla, dochází k disperzi a vytvoří se reakční produkt. Detektor zaznamenává barvu, či jiný parametr produktu. Nejdříve se měří přesný objem analytu v proudu činidla. Typický FI systém pracuje s rychlostí průtoku pro každý kanál v rozmezí 1 až 2 ml/min. Vstřikovaný objem vzorku se pohybuje od 50 do 300 µl, s kanálem dlouhým až 2 m o vnitřním průměru 0,8 mm. Frekvence vzorkování je 1 až 2 vzorky za minutu. Z FIA se vyvinuly další metody jako SIA (sequential injection analysis) a LOV (Labon-Valve). Princip FIA je založen na vytvoření koncentračního gradientu injektovaného roztoku a na reprodukovatelném a přesném načasování. Umožňuje provedení nových analytických postupů, které by běžnými postupy byly obtížné či neuskutečnitelné. SIC využívá spojení s chromatografií. Ve spojení s ICP spektrometrií se může pracovat s velmi malým množstvím objemu, což je důležité např. při analýze krve a podobných materiálů a výhodou je zejména možnost multielementární analýzy. U metod SI a BI dochází k postupnému nástřiku vzorku a činidel do nosného média. [5, 8]. Objem vzorku je injektován do kontinuálně proudícího proudu media a vzorek je unášen proudem. Metoda FIA je založena na kontrolované disperzi vzorku v nosném mediu. Mísení je nehomogenní a není nezbytné, aby bylo dosaženo rovnováhy. Podstatou je přesné načasování při každém měřícím cyklu zajišťující přesnost a reprodukovatelnost. 19

To jak velký objem vzorku je nadávkován, má značný vliv na disperzi. U vysokých objemů 800 µl a více nedochází k směšování. Zóna vzorku není ovlivněna smísením s okolním nosným mediem. Hovoříme o limitované disperzi. Koncentrační gradient je popsán disperzním gradientem D. Dle velikosti disperzního koeficientu dělíme disperzi na tři druhy: omezená pro D = 1-3, střední pro D = 3-10 a velká pro D = 10. Hodnota disperze udává kolikrát je nižší signál injektovaného vzorku do FIA systému v porovnání s kontinuálním měřením (zmlžováním). Hovoříme o poměru vstřikované koncentrace a maximální koncentrace. Matematicky vyjádřeno: D = c0 / cmax [11]. V úzkých trubicích (0,3 až 0,8 mm vnitřního průměru) se vyskytuje zpravidla laminární tok. Když je vzorek vnesen do takového toku, dochází v čase k rozmývání zóny vzorku a vytvoří se signál podobný Gaussově profilu. Je zde pozorována axiální disperze zóny jako následek konvekčních procesů, ale v praxi se vyskytuje i radiální difuze. Molekuly na špičce zóny vzorku se pohybují ven (zóny malého průtoku), zatímco ty na konci zóny difundují do míst vyššího průtoku. Šířky píků se liší, rozšiřují se s délkou transportní dráhy. Vyšší objemy vzorku způsobují růst výšky a šířky píku. Na signál mají vliv další technické parametry jako vnitřní průměr, délka trubičky a průtoková rychlost čerpání.

Obrázek 3: Porovnání píků [12] A…vzduchem segmentovaný kontinuální průtok B… FIA

20

Obrázek 4: FIA pík a jeho charakteristiky [12] S…místo nástřiku H…výška píku W…šířka píku na dané hladině A…plocha píku T…doba trvání odpovídající výšce píku t…šířka píku odpovídající základně Nejčastěji je vzorek vháněn pomocí peristaltické pumpy, v níž je čerpán hadičkami pomocí válců. Moderní pumpy mají osm až deset válců, které jsou sestaveny do kruhu tak, že vždy polovina válců stlačuje hadici. Průtok je ovlivňován částečně otáčkami motoru a částečně vnitřním průměrem hadiček. Pokud hadičky pumpy mají stejné vnitřní průměry, pak se při konstantní rychlosti v hadičce za stlačení naplní do stejné míry kapalinou určující průtok vzorku. Rozmezí vnitřního průměru komerčně dostupných hadiček se pohybuje v intervalu 0,25 – 4 mm, které umožňují průtok vzorku 0,5 µl/min - 40 ml/min. Peristaltická čerpadla většinou dostačují pro aplikace FIA, neboť umožňují rovnoměrný tok kapalin v širokých rozmezích průtoků a jsou dostupné v multikanálovém uspořádání. Dalším a současně dražším zařízením je injekční pumpa, která oproti peristaltickým čerpadlům umožňuje jednokanálové čerpání, zatímco vícecestné uspořádání by znamenalo použití několika jednotlivých pump. Vstřikování není kontinuální, protože dochází k periodickému plnění přepínacího ventilu. Vstřikovací ventil může být smyčka podobně jako v HPLC. Většinou zahrnuje rotor, stator a jednotlivé otvory. Ve FIA jsou používané plastické trubice s úzkým otvorem. Obvykle mají vnitřní průměr 0,5-0,8 mm a jsou vyrobeny z PVC. Bývají stočené, aby se omezila disperze. Délka by měla být co nejkratší, jelikož při delší dráze je větší pravděpodobnost, že dojde k naředění vstřikovaného vzorku [8]. 21

Vzorek Peristaltická pumpa

Nosný proud

Detektor

Odpad

Reakční cívka Obrázek 5: Schéma instrumentace: zdroj proudu kapaliny (peristaltická pumpa), injekční systém (dávkovací ventil), reakční zóna (cívka), detektor

2.4. FIA ve spojení s ICP-OES Patří mezi účinné analytické průtokové metody se selektivní detekcí. Výhodou metody FIA je použití malého objemu vzorku, který se pohybuje v řádu 100 µl. Daný objem je dávkován reprodukovatelně (odstranění bublinek ze systému)

s

umožněním

automatizace, takže se omezuje možnost vzniku chyb. Pro spolehlivé určení analytu s použitím plazmatu musí být během doby měření zajištěn bezproblémový chod výboje [13, 14]. Zařízení FIA ve spojení s ICP minimalizuje problémy při použití klasických zmlžovacích systémů. V konvenčím ICP-OES odchází 97-99% celkového čerpaného objemu vzorku do odpadu. Touto problematikou se zabývali Greenfield [15,16] a Gallego [17], kteří publikovali několik článků komentujících vyhlídky propojení FIA s ICP-OES do budoucna. McLeod [18] a spolupracovníci stanovili osm prvků ve vzorku krevního séra nadávkováním 20 µl vzorku.

22

3. Experimentální část 3.1. Instrumentace 3.1.1. ICP-OES Měření bylo prováděno na ICP-OES spektrometru iCAP 6500 Duo (Thermo) vybaveného Echelle monochromátorem a CID detektorem. Lze na něm měřit jak v axiálním, tak radiálním pozorování, v práci měření probíhalo za axiálního pozorování. Vzorek byl čerpán pomocí peristaltického čerpadla, složeného z dvanácti válců a vybaveného čtyřmi kanály. Během měření byly zapojeny dva, z nichž jeden čerpal vzorek a druhý čerpal roztok z mlžné komory. U peristaltického čerpadla je možno dosáhnout až 125 otáček za minutu. 3.1.2. Ultrazvukový zmlžovač V tomto případě se jednalo o jednoduchý ultrazvukový zmlžovač NOVA (OPTOLabVaršava) bez topné a desolvatační jednotky. Zařízení se skládá ze zmlžovače a mlžné komory přímo napojené na injektor spektrometru. Samotný zmlžovač je napojen na chladicí zařízení, které se skládá z nádrže na vodu, čerpadla, chladiče a ventilátoru. Napájeno je napětím 230 V o frekvenci 50 Hz. Roztok je čerpán peristaltickou pumpou na povrch piezoelektrického krystalu, který je řízen oscilátorem. Typická frekvence je 1,65 MHz. Aerosol vstupuje přímo do ICP injektoru. Nosný plyn (Ar) byl přiváděn přes průtokový ventil z integrovaného zdroje. Konstrukce zmlžovače se skládá z keramických prvků, křemenné destičky a skleněné komory (Obr.6 a 7).

Obrázek 6,7: Konstrukce zmlžovače NOVA [19] 23

3.1.3. Koncentrický zmlžovač Pro experimentální účely byl použit koncentrický zmlžovač DuraMist ARG-07-DM1. Je vyroben z inertního a pevného materiálu PEEK. Patří mezi zmlžovače odolné vůči roztokům HF až v 5% koncentracích, schopný analyzovat až 20% roztoky pevných rozpuštěných látek. Poskytuje výsledky s nízkými paměťovými efekty, nízkými hodnotami RSD díky koncentrické geometrii. Díky své konstrukci má vysokou citlivost, výbornou přesnost a asi 2% reprodukovatelnost. Je srovnatelně účinný jako zmlžovač SeaSpray, s poněkud menším výkonem. Je vhodný jak pro ICP-OES tak ICP-MS. Měření bylo prováděno s cyklonovou komorou.

3.2. Experimentální podmínky a postup měření Pro zjištění závislosti průtoku vzorku do zmlžovače na otáčkách pumpy (RPM) byla použita destilovaná voda. Bylo prováděno vážení přečerpaného objemu vody za jednotku času. Z kádinky s destilovanou vodou o známé hmotnosti se hadičkou pomocí pumpy čerpalo množství vody do zmlžovače. Ve zmlžovači se část vody přeměnila na aerosol. Určité množství vody se dostalo do plazmatu a zbytek do odpadu. Odpad byl jímán do kádinky a následně byl zvážen na analytických vahách. Z hodnot průtoku vzorku do zmlžovače a průtoku vzorku do odpadu byl získán průtok vzorku do plazmatu a následně byla určena účinnost zmlžování. Toto měření bylo prováděno jak na ultrazvukovém, tak koncentrickém zmlžovači. Tabulka 1: Podmínky měření s ultrazvukovým zmlžovačem (USN) a koncentrickým zmlžovačem (CN) Zmlžovač

USN

CN

RPM

3; 5; 7; 12

3; 5; 7; 10; 25; 50

Výkon generátoru (W)

1150; 1350

Průtok nosného plynu

0,5; 0,7; 0,9

(l/min)

24

Tabulka 1: Podmínky měření pro zmlžovače USN a CN. Hodnoty měřeného výkonu generátoru a průtoku nosného plynu jsou pro oba zmlžovače shodné. Lze vyčíst hodnoty otáček pumpy za minutu (RPM) lišící se pro jednotlivé zmlžovače. Použité hadičky se lišily svými vnitřními průměry Øi. Pro USN byla použita hadička značená oranžovou a zelenou barvou (Øi

=0,38 mm), pro CN hadička značená

oranžovou a bílou (Øi = 0,64 mm) a v obou případech byla použita odpadní hadička (Øi = 1,02 mm). Tabulka 2: Závislost průtoku vzorku do zmlžovače na RPM Průtok vzorku do zmlžovače (µl/min) RPM (Otáčky pumpy)

USN - oranžová a zelená (Øi = 0,38 mm)

Směrodatná odchylka výběrová pro n =3

CN - oranžovou

a bílá (Øi = 0,64 mm)

Směrodatná odchylka výběrová pro n=3

3

37,7

0,5

115,5

1,2

5

61,6

0,3

186,8

0,6

7

86,4

0,3

268,2

5,9

10

-

-

368,7

2,9

12

147

1

-

-

25

-

-

869

19

50

-

-

1730

18

Tabulka 2 Závislost průtoku vzorku do zmlžovače na otáčkách pumpy. Průtok roztoku do zmlžovače byl měněn nastavením otáček pumpy při zachování stejného typu hadiček pro daný typ zmlžovače.

25

4. Výsledky a diskuze Cílem práce bylo nalezení optimálních podmínek pro analýzu vzorků malých objemů. K tomuto účelu bylo použito zařízení ICP OES ve spojení s koncentrickým a ultrazvukovým zmlžovačem. Nejdříve byla proměřena účinnost zmlžování při různých podmínkách pro oba zmlžovače. Byly zvoleny parametry průtoku nosného plynu blízké 0,7 l/min, což je hodnota doporučená výrobcem pro běžné podmínky. Nejdříve bylo měřeno při vyšším výkonu do plazmatu 1150 W a dále za maximálního možného výkonu 1350 W. Ultrazvukový zmlžovač byl při vysokých průtocích vzorku příliš zahlcován, proto byly vybrány oproti koncentrickému zmlžovači nižší hodnoty průtoků vzorku.

4.1. Účinnost ultrazvukového zmlžovače Účinnost systému závisí na účinnosti zmlžovače. Obecně lze účinnost zmlžovače definovat jako roztok jdoucí do odpadu dělený vstupujícím roztokem. Může být vyjádřena jako poměr, ale i v procentech. V práci bylo z navážených hodnot zjištěno, jaký objem vody byl načerpán do zlmžovače a dále objem vystupující do odpadu. Objem byl přepočten na průtok vzorku v jednotkách µl/min. Účinnost byla spočítána tak, že průtok vzorku do odpadu byl odečten od původního průtoku vzorku do zmlžovače (tím byl vypočítán průtok vzorku do plazmatu) a to bylo poděleno původním průtokem do zmlžovače a následně převedeno na procenta. Jako vzorek byla pro sledování účinnosti zmlžování použita destilovaná voda. První kádinka byla naplněna vodou, druhá kádinka nikoli. Kádinky byly překryty parafinem pro zamezení odpařování. Do první kádinky byla vložena hadička čerpající roztok do zmlžovače a do druhé se jímal odpad z mlžné komory. Hmotnost vody v každé kádince byla zvážena na analytických vahách vždy před a po zmlžování. Byl zaznamenán čas zmlžování a ze získaných dat byl vypočítán průtok vzorku do zmlžovače, do odpadu a z rozdílu těchto průtoků i průtok do plazmatu. Poměr průtoku vody do plazmatu a do zmlžovače potom udává účinnost zmlžování. Získané hodnoty účinnosti jsou znázorněny na obrázcích 8, 9.

26

90 80

Průtok nosného plynu (Ar):

70 Účinnost [%]

60 50 40

0,5 l/min

30

0,7 l/min 0,9 l/min

20 10 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Průtok vzorku do zmlžovače [µl/min]

Obrázek 8: Závislost účinnosti USN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1150 W

90 80

50


40

0,5 l/min

30

0,7 l/min

20

0,9 l/min

70 Účinnost [%]

60

10 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160


Obrázek 9: Závislost účinnosti USN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1350 W Z obrázků 8 a 9 lze porovnat závislost účinnosti USN na průtoku vzorku zkoumaný pro dva výkony generátoru (1150 a 1350 W) a tři hodnoty průtoku nosného plynu (0,5; 27

0,7 a 0,9 l/min). Na obou grafech při průtocích plynu 0,7 a 0,9 l/min jsou účinnosti při nižších průtocích vzorku do zmlžovače vyšší zejména u hodnot 37,7 až 61,6 µl/min a se zvyšujícím se průtokem do zmlžovače mají tendenci klesat. Celkově v porovnání s těmito hodnotami jsou intenzity při průtoku plynu 0,5 l/min nižší. Sestupná tendence účinnosti při průtoku plynu 0,5 l/min nastává již při průtoku vzorku do zmlžovače 61,6 µl/min. Hodnoty pro výkon 1150 W a 1350 W se příliš neliší. Nepatrně menší účinnost při vyšším výkonu přiváděném do plazmatu by mohla souviset s větším odporem proti transportu hmoty v analytickém kanále.

4.2. Účinnost koncentrického zmlžovače Účinnost byla měřena stejným způsobem jako u ultrazvukového zmlžovače. Byl naměřen objem vody, která za minutu nateče a vyteče ze zmlžovače. Průtok vzorku do odpadu byl dělen průtokem vzorku do zmlžovače a výsledek byl převeden na procenta. Při měření byla použita hadička se vstupujícím roztokem jiného vnitřního průměru a jiná komora. Byly zvoleny vyšší průtoky vzorku. Závislost účinnosti na průtoku vzorku do zmlžovače jsou na obrázcích 10 a 11.

35 30


Účinnost [%]

25 20

0,5 l/min

15

0,7 l/min 10

0,9 l/min

5 0 0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000


Obrázek 10: Závislost účinnosti CN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1150 W

28

35 30


Účinnost [%]

25 20

0,5 l/min

15

0,7 l/min 10

0,9 l/min

5 0 0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000


Obrázek 11: Závislost účinnosti CN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1350 W Na obrázcích 10 a 11 je znázorněna závislost účinnosti koncentrického zmlžovače na průtoku vzorku do zmlžovače opět pro dva výkony a tři hodnoty průtoku nosného plynu. Nejvyšší hodnoty účinnosti vykazují malé průtoky vzorku do zmlžovače tedy při 115,5 µl/min. Účinnost s rostoucím průtokem vzorku klesá až po průtok vzorku 368,7 µl/min a dále se hodnoty začínají ustalovat. Výkon přiváděný do plazmatu nemá na hodnotu účinnosti pozorovatelný vliv. Vysoká účinnost při malých průtocích vzorku a vysokých průtocích nosného plynu patrně souvisí s odpařováním vody ve zmlžovači, neboť nebyl k dispozici zvlhčovač argonu. V případě reálných vzorků jde o negativní jev, který může způsobit vznik pevných solí, které ucpávají zmlžovač. Tyto jevy způsobují obecně problém hlavně ve vyšších množstvích rozpuštěných látek (např.: 1%). Tento efekt by bylo možné ověřit tak, že by se sledovala koncentrace analytu v odpadu. Pokud by byla zjištěna vyšší koncentrace než v původním roztoku, dalo by se usuzovat na odpaření rozpouštědla. Z porovnání grafů USN a CN zmlžovače je patrné, že při nižších průtocích dosahuje USN vyšší účinnosti. Graf znázorňuje pro výkon 1350 W USN při průtoku vzorku do zmlžovače 147 µl/min účinnost 47 % a u CN při průtoku vzorku 115,5 µl/min 29

účinnost pouze 19 %. Při měření hraje hlavní roli vliv distribuce velikosti částic aerosolu a jeho rychlost transportu do plazmatu. U ultrazvukového zmlžovače průtok plynu neovlivňuje vznik aerosolu, ale unáší jej do plazmatu a tím určuje rychlost transportu aerosolu do plazmatu. Ultrazvukový zmlžovač dosahuje vyšší účinnosti.

4.3. Použití roztoku Pb jako modelového vzorku Za stejných podmínek jako v předchozím případě byly zmlžovány roztoky s koncentrací Pb 5 mg/dm3. Intenzity signálů na atomové čáře Pb(I) 216,9997 nm a iontové čáře Pb(II) 220,3558 nm byly sledovány v závislosti na průtoku vzorku, nosného plynu a výkonu do plazmatu pro oba typy zmlžovačů. Proces zmlžování významně ovlivňuje přesnost a reprodukovatelnost výsledků. Je nutné dát si pozor, aby všechny na sebe napojené části těsnily. Intenzita signálu závisí na charakteru vzorku, který může způsobovat paměťové efekty a často je potřeba jej pro analýzu upravit. Mezi hlavní parametry ovlivňujícími ICP byl pozorován: výkon plazmatu, průtok vzorku zmlžovačem a průtok nosného plynu. Tyto efekty spolu navzájem souvisí. 4.3.1. Vliv podmínek na signál Pb Měření bylo prováděno roztokem olova o koncentraci 5 mg/dm3, který byl připraven napipetováním 2,5 ml standardu Astasol a doplněn destilovanou vodou na objem 500 ml. Byly přidány 2 ml 65% HNO3. Počet opakování byl 3 a doba promývání mezi jednotlivými měřeními byla 30 s. Průtok pomocného plynu byl nastaven na 0,5 l/min a průtoku vnějšího plynu na 12 l/min. Měření bylo prováděno za axiálního pozorování. Na obrázcích 12 a 13 byly pro názornost vybrány výsledky pro čáru Pb(I) 216,9997 nm.

30

Intenzita Pb 216,9997 [a.u.]

1200 1000


800 600

0,5 l/min

400

0,7 l/min

200

0,9 l/min

0 0

20

40

60

80

100

120

140

160


Obrázek 12: Závislost intenzity USN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu


do plazmatu 1150 W

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Průtok nosného plynu (Ar): 0,5 l/min 0,7 l/min 0,9 l/min 0

20

40

60

80

100

120

140

160


Obrázek 13: Závislost intenzity USN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1350 W Na obrázcích 12 a 13 je znázorněna závislost intenzity na průtoku vzorku do zmlžovače. Zobrazeny jsou hodnoty naměřené při průtocích plynu 0,5; 0,7 a 0,9 l/min a pro výkony 1150 W a 1350 W na každém grafu zvlášť. Z obrázků vyplývá, že intenzity pro výkon 1350 W jsou znatelně vyšší, protože olovo patří mezi prvky, které vyžadují větší energii pro excitaci. Vyšší výkon tedy zvyšují citlivost. Pro průtoky plynů 0,5 a 0,9 l/min s rostoucím průtokem vzorku narůstá také intenzita, 31

ale při průtoku plynu 0,7 l/min mají hodnoty relativně ustálený charakter. S vyššími průtoky plynu je do plazmatu vnášeno více roztoku a hodnoty intenzit rostou.


1800 1600


1400 1200 1000 800

0,5 l/min

600

0,7 l/min

400

0,9 l/min

200 0 0

500

1000

1500

2000


Obrázek 14: Závislost intenzity CN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1150 W

2000 Intenzita Pb 216,9997 [a.u.]

1800


1600 1400 1200 1000 800

0,5 l/min

600

0,7 l/min

400

0,9 l/min

200 0 0

500

1000

1500

2000


Obrázek 15: Závislost intenzity CN na průtoku vzorku do zmlžovače při výkonu do plazmatu 1350 W Na obrázcích 14 a 15 je znázorněna závislost intenzity na průtoku vzorku do zmlžovače. Zobrazeny jsou hodnoty naměřené při průtocích plynu 0,5; 0,7 a 0,9 l/min a pro výkony 1150 W a 1350 W na každém grafu zvlášť. Z obrázků vyplývá, 32

že intenzity pro výkon 1350 W jsou znatelně vyšší, podobně jako u ultrazvukového zmlžovače. Závislost má u všech průtoků plynů nejdříve rostoucí charakter až do 368,7 µl/min a později se hodnoty ustalují a to tak, že pro průtok plynu 0,5 l/min je poslední hodnota mírně rostoucí. Pro 0,7 a 0,9 l/min poslední hodnota mírně klesá. Tyto rozdíly jsou ovšem nepatrné a oproti USN lze na grafech pozorovat pro všechny průtoky plynu podobný vývoj. USN vykazuje vyšší hodnoty intenzit než CN. V USN bylo dosaženo nejvyšší intenzity při 1350 W, průtoku plynu 0,5 l/min a průtoku vzorku do zmlžovače 147 µl/min. Získána hodnota intenzity byla 1816. U CN při 1350 W, průtoku plynu 0,5 l/min bylo dosaženo srovnatelné intenzity až pro vyšší průtok vzorku do zmlžovače 869 µl/min. Bylo dosaženo hodnoty intenzity 1760. Rozdíly jsou dány rozdílnou konstrukcí zmlžovače. USN pracuje na principu ultrazvukového zmlžování, má vyšší účinnost oproti CN, proto dosahuje stejných intenzit při nižších průtocích vzorku. USN vykazuje vyšší účinnost pro malé průtoky vzorku, ale naopak menší signály. S narůstajícím průtokem vzorku se signály zvyšují, ale účinnost má naopak klesající tendenci. Pro získání lepší účinnosti navzdory nižším intenzitám, lze zvolit podmínky při průtoku plynu 0,7 l/min, průtoku vzorku 37,7 až 61,6 µl/min a výkonu 1350 W. Pro vyšší hodnoty signálu by bylo třeba větších průtoků vzorku pro průtok plynu 0,5 l/min, jak je patrné na obrázku č.13 při průtoku vzorku 147 µl/min. Jako optimum pro průtoky vzorku v naměřené oblasti je průtok nosného plynu 0,7 l/min, kdy účinnosti i intenzity jsou poměrně vysoké. 4.3.2. Dávkování malých objemů vzorku Měření bylo prováděno na koncentrickém zmlžovači při výkonu generátoru 1350 W, průtoku nosného plynu 0,7 l/min a průtoku vzorku 268,2; 368,7 a 869 µl/min. Vzorek byl promýván po dobu 30 s. Použit byl opět roztok o koncentraci Pb 5 mg/dm3. Vybrané objemy vzorku (25, 50, 75, 100, 200 a 500 µl) byly napipetovány do vialky a dále nasávány hadičkou pumpy do proudu vzduchu a vnášeny do zmlžovače. Při axiálním pozorování byla sledována intenzita signálů Pb v závislosti na čase pro jednotlivé objemy vneseného roztoku Pb. Integrační doba měření byla nastavena na 0,1 s. 33

70

Průtok vzorku [µl/min]:


60 50 40 30

268,2 µl/min

20

368,7 µl/min

10

869,5 µl/min

0 -10 -20

0

5

10

15

20

25

30

Čas [s]

Obrázek 16: Závislost intenzity na čase při průtoku plynu 0,7 l/min při průtocích vzorků 268,2; 368,7 a 869 µl/min pro objem vzorku 25 µl na čase. Se zvyšujícím se průtokem vzorku se zvyšuje maximální intenzita, signál se vyznačuje ostrým náběhem a poklesem. Signál u menších průtoků je zatížen větším šumem a pomalejším náběhem a poklesem. Na obrázcích 17 a 18 je znázorněna intenzity signálu v čase na objemu vzorku při daném průtoku vzorku pro atomovou a iontovou čáru Pb. Dále byly vybrány podmínky měření průtoku plynu 0,7 l/min a průtoku vzorku do zmlžovače 869 µl/min.

34

120

Objem vzorku [µl]:


100 80

25 ul

60

50 ul

40

75 ul

20

100 ul

0 -20

0

50

100

150

200 ul

200

500 ul

-40

Čas [s]

Obrázek 17: Závislost intenzity signálu na čase pro průtok vzorku 869 µl/min a průtoku nosného plynu 0,7 l/min pro čáru Pb(I) 216,9997 nm

400

Objem vzorku [µl]:


350 300 250 200

25 ul

150

50 ul

100

75 ul 100 ul

50

200 ul

0 -50

0

50

100

150

200

250

500 ul

Čas [s]

Obrázek 18: Závislost intenzity signálu na čase pro průtok vzorku 869 µl/min a průtoku nosného plynu 0,7 l/min pro čáru Pb(II) 220,3558 nm

Na obrázcích 17 a 18 lze sledovat náběh a pokles intenzity signálu v čase pro jednotlivé objemy vzorku. Maximální intenzita od objemu vzorku 25 µl vzrostla a dále od 50 µl se ustaluje. Se zvyšujícími se objemy vzorku roste doba trvání signálu. 35

Intenzita signálu u Pb 220,3558 nm byla vyšší s menším šumem. Z integrace signálu byly vypočteny plochy píků. Závislost plochy píků na objemu vzorku pro Pb 216,9995 a 220,3558 nm byla vyhodnocena na obrázcích 19 a 20, kde lze pozorovat lineární závislost.

20000

y = 36,049x + 41,1 R² = 0,9997

18000 16000 14000 A

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0

100

200

300

400

500

600

V [µl]

Obrázek 19: Závislost plochy píku A na objemu vzorku V při průtoku vzorku do zmlžovače 869 µl/min a průtoku nosného plynu 0,7 l/min pro čáru Pb(I) 216,9997 nm

120000 y = 188,26x + 4451,2 R² = 0,9997

100000

A

80000 60000 40000 20000 0 0

100

200

300

400

500

600

V [µl]

Obrázek 20: Závislost plochy píku A na objemu vzorku V při průtoku vzorku do zmlžovače 869 µl/min a průtoku nosného plynu 0,7 l/min pro čáru Pb(II) 220,3558 nm 36

Po sledování objemu byl dále sledován vliv koncentrace. Na obrázku 21 byla z plochy píku A vyhodnocena kalibrační křivka při 869 µl/min a průtoku plynu 0,7 l/min pro objem vzorku 25 µl pro čáru Pb 216,9995 nm pro koncentrace vzorku Pb 1, 5, 15, 20, 25 mg/dm3. 60000 50000

A

40000 30000 20000 10000 0 0

5

10

15

20

25

30

c [mg/dm3]

Obrázek 21: Kalibrační závislost pro čáru Pb(I) 216,9995 nm z plochy píku

Na obrázku 22 byla z výšky píku vyhodnocena kalibrační křivka při 869 µl/min a průtoku plynu 0,7 l/min pro objem vzorku 25 µl pro čáry 216,9995 nm.

37

400 y = 11,77x + 56,4 R² = 0,9999

350

Výška píku

300 250 200 150 100 50 0 0

5

10

15

20

25

30

c [mg/dm3]

Obrázek 22: Kalibrační závislost pro čáru Pb(I) 216,9995 nm z výšky píku Na obrázcích 21 a 22 je znázorněna kalibrační křivka pro koncentrace 1, 5, 15, 20 a 25 mg/dm3. U hodnot koncentrací 1 a 5 mg/dm3 nelze signál rozeznat od pozadí. Ze získaných údajů byla vypočítána mez detekce podle vzorce LOD =

, kde hx

vyjadřuje ustálenou hladinu šumu a s směrnici kalibrační přímky: LOD = (3*5,4)/11,77 = 1,4 mg/dm3 Mez detekce byla vynásobena objemem vzorku a byla získána absolutní mez detekce. LOD = 1,4 mg/dm3 · 25 µl = 35 ng

Na obrázku 23 byla z plochy píku A vyhodnocena kalibrační křivka při 869 µl/min a průtoku plynu 0,7 l/min pro objem vzorku 25 µl pro čáru Pb 220,3558 nm pro koncentrace vzorku Pb 1, 5, 15, 20, 25 mg/dm3.

38

60000 50000

A

40000 30000 20000 10000 0 0

5

10

15 c

20

25

30

[mg/dm3]

Obrázek 23: Kalibrační závislost pro čáru Pb(II) 220,3558 nm z plochy píku

Na obrázku 23 je znázorněna kalibrační křivka z plochy píku pro Pb 220,3558 nm. Její průběh není lineární, ale křivka je zahnutá.

4000 3500 3000

A

2500 2000 1500 1000 500 0 0

1

2

3 c

4

5

6

[mg/dm3]

Obrázek 24: Kalibrační závislost pro čáru Pb(II) 220,3558 nm pro koncentrace do 5 mg/dm3

39

Na obrázcích 25 a 26 z výšky píku byla vyhodnocena kalibrační křivka při 869 µl/min a průtoku plynu 0,7 l/min pro objem vzorku 25 µl pro čáry 220,3558 nm pro koncentrace vzorku Pb 1, 5, 15, 20, 25 mg/dm3.

1600 1400

Výška píku

1200 1000 800 600 400 200 0 0

5

10

15 c

20

25

30

[mg/dm3]

Obrázek 25: Kalibrační závislost pro čáru Pb(II) 220,3558 nm z výšky píku

180 y = 31,429x + 0,4762 R² = 1

160

Výška píku

140 120 100 80 60 40 20 0 0

1

2

3 c

4

5

6

[mg/dm3]

Obrázek 26: Kalibrační závislost pro čáru Pb(II) 220,3558 nm z výšky píku pro koncentrace do 5 mg/dm3 Na obrázku 25 lze pozorovat zakřivení kalibrační křivky, proto byly pro stanovení meze detekce vybrány první tři lineární body viz. obrázek 26. 40

LOD = (5,7 · 3)/31,4 = 0,5 mg/dm3 Mez detekce byla vynásobena objemem vzorku a byla získána absolutní mez detekce. LOD = 0,5 mg/dm3 · 25 µl = 12,5 ng Pro iontovou čáru Pb 220,3558 nm se podařilo v porovnání s Pb 216,9995 naměřit vyšší intenzity s menším šumem. Také se podařilo detekovat nižší koncentrace roztoku olova.

41

5. Závěr Práce se zabývá stanovením optimálních podmínek použití ultrazvukového zmlžovače NOVA a koncentrického zmlžovače DuraMist ve spojení s ICP OES pro injekci malých objemů vzorku (řádově desítek mikrolitrů). Zaměřuje se na optimalizaci parametrů průtoku vzorku, výkonu generátoru a průtoku nosného plynu. Zjištěné hodnoty účinnosti zmlžování a intenzity signálu modelového vzorku (Pb) byly zpracovány a vyhodnoceny pro stanovení optimálních podmínek měření. Měření účinnosti zmlžování bylo prováděno pomocí vážení destilované vody a s použitím roztoku olova o koncentraci 5 mg/dm3 a následném měření intenzit na spektrálních čarách Pb(I) 216,9997 nm a Pb(II) 220,3558 nm. Ultrazvukový zmlžovač umožňuje oproti koncentrickému analýzu při menších průtocích vzorků, z výsledků také vyplývají lepší hodnoty účinnosti a dosažitelnost vyšších intenzit. Jako optimální výkon generátoru bylo zvoleno 1350 W. Optimální průtok nosného plynu byl zjištěn 0,7 l/min v daném rozmezí průtoku vzorků. Vhodný průtok vzorku do zmlžovače je důležitý, protože při malém množství jsou intenzity nižší a naopak příliš velké průtoky vedou ke vzniku kapek ve zmlžovači. Pro USN z výsledků vyplývá vysoká účinnost a vyšší signály při průtoku vzorku do zmlžovače 61,6 µl/min popřípadě 86,4 µl/min. Při nižších průtocích vzorku do plazmatu roste účinnost, ale intenzity klesají. Naopak při vyšších průtocích intenzity rostou, ale účinnost zmlžování je nižší. Proto byla tato hodnota určena jako optimální. Při měření je nutno vzít v ohled účel měření, zda upřednostnit vyšší účinnost či vyšší signál. Dále byly dávkovány malé objemy vzorků a za daných podmínek byla pozorována intenzita signálů pro čáry Pb(I) 216,9997 nm a Pb(II) 220,3558 nm. Signály pro atomovou čáru olova byly nižší s vyšším šumem. S vyšším průtokem vzorku byly náběh a pokles intenzit ostřejší. Z kalibračních přímek z plochy píku byla vyhodnocena mez detekce, kdy se u iontové čáry podařilo naměřit nižší koncentrace roztoků. Plocha píku v závislosti na objemu vzorku vykazuje lineární závislost. Pro CN při 869 µl/min a průtoku plynu 0,7 l/min s objemem vzorku 25 µl byl stanoven limit detekce pro iontovou čáru 12,5 ng a pro atomovou čáru 35 ng. Pro zvýšení reprodukovatelnosti metody by bylo vhodné propojení zmlžovače s FIA, která umožňuje dávkování vzorku do kontinuálního toku, menší spotřebu vzorků a snížení paměťového efektu bez snížení přesnosti a citlivosti.

42

6. Seznam symbolů a zkratek Značka

Význam

ε

energie záření

J

h

Planckova konstanta

J∙s

λ

vlnová délka

m

ν,f

frekvence

s-1

ρ

hustota

kg∙ m-3

σ

povrchové napětí

J ∙ m2

Øi

vnitřní průměr

mm

hx

ustálená hodnota šumu

mg ∙ dm-3

s

směrnice kalibrační závislosti

-

Jednotka

43

Zkratka

Název anglicky

Název česky

FIA

flow injection analysis

průtoková injekční analýza

CCD

charged coupled device

CCD detektor

CID

charge injected device

CID detektor

CN

concentric nebuliser

koncentrický zmlžovač

ICP-OES

inductively coupled plasma optical

emisní spektrometr

emission spectrometry

s indukčně vázaným plazmatem

LOV

Lab-on-Valve

LOV

PEEK

Polyether ether ketone

polyetheretherketon

PVC

Polyvinyl chloride

polyvinylchlorid

PSD

particle size distribution

distribuce velikosti částic

RPM

revolutions per minute

počet otáček za minutu

RSD

Relative Standard Deviation

relativní směrodatná odchylka

SIA

sequential injection analysis

sekvenční injekční analýza

USN

ultrasonic nebulizer

ultrazvukový zmlžovač

44

7. Literatura [1] ČERNOHORSKÝ, Tomáš a Pavel JANDERA. Atomová spektroskopie, 1997.

[2] BOSS, Charles B. a Kenneth J. FREDEEN. Concepts, Instrumentation, and Techniques in Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry [online].

1997

[cit.

2014-

11-03].

Dostupné

z:

http://www.atoomspectrometrie.nl/Icpconceptsbook.pdf [3] OTRUBA, Vítězslav. 5. kurz ICP spektrometrie, 2009.

[4] MONTASER, Akbar a D.W. GOLIGHTLY. Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectrometry, Wiley-VCH, 1992. [5] SOMMER, Lumír. Optická emisní spektrometrie v indukčně vázaném plazmatu a vysokoteplotních plamenech, Academia, 1992.

[6] [online]. [cit. 2014-12-29]. Dostupné z: http://www.cetac.com/nebulizers/u5000at.asp [7] OTRUBA, Vítězslav. Spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem : sborník příspěvků semináře, 2001. [8] KELLNER, R., J.-M. MERMET, M. OTTO, M. VALCÁRCEL a H.M. WIDMER. Analytical Chemistry, Wiley-VCH, 1998

[9] ROUESSAC, Francis a Annick ROUESSAC. Chemical analysis: Modern instrumentation methods and techniques, Chichester; John Wiley, 2007.

[10] Flow

injection

analysis.

[online].

[cit.

2015-04-14].

Dostupné

z:

http://www.flowinjectiontutorial.com/

[11] PACEY, Gil E a Bo KARLBERG. Flow injection analysis: a practical guide, Elsevier, 1989. 45

[12] [online]. [cit. 2015-03-04]. Dostupné z: http://ww2.chemistry.gatech.edu/class/analyt/fia.pdf

[13] SCHWEDT, Georg. JOHN WILEY AND SONS. The Essential Guide to Analytical Chemistry, John Wiley & Sons, 1997 [14] BARCELÓ, D. Advances in flow injection analysis and related techniques. [online]. Wilson&Wilson´s, 2008 [cit. 2015-01-10]. Dostupné z: https://books.google.cz/books?id=d0xi1huf3QMC&lpg=PR4&ots=1rAG9dyt0P& dq=Barcel%C3%B3%20Advances%20in%20flow%20injection%20analysis%20a nd%20related%20techniques&hl=cs&pg=PR4#v=onepage&q=Barcel%C3%B3% 20Advances%20in%20flow%20injection%20analysis%20and%20related%20tech niques&f=false

[15] S. Greenfield, FIA Weds ICP-A Marriage of Convenience, Ind. Re. De. 23(8),140145, 1981. [16] S. Greenfield, ICP-AES with FIA, Spectrochim. Acta 38B, 93-105, 1983.

[17] M. Gallego, M.D. Lugue de Castro , and M. Valcaral, Atomic Spectroscopic Techniques in FIA: A Review, At. Spectrosc. 6, 16-22, 1985.

[18] C.W. McLeod, P. J. Worsfold, and A. G. Cox, Simultaneous Multielement Analysis of Blood Serum by Flow Injection – ICP AES, Analyst 109, 327,-332, 1984. [19] RAMSZA, Dr. Inž. Andrzej, Bc. Barbora TICOVÁ a Ing. Václav HELÁN. Zalety i optymalizacja nebulizacji ultradźwiękowej w technice ICP-OES, 2013.

46

Průtoková injekční analýza ve spojení s ICP-OES

Recommend Documents