Minerální látky a stopové prvky

Minerální látky a stopové prvky Vymezení: složky obsažené v popelu potraviny (zbytek po úplné oxidaci organické hmoty) K, Na, Mg, Ca, P, Cl, Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo, Cr, V, Se, I, F, B, Si, Pb, Cd, Hg, As, Al, Sn... Proč je stanovujeme? kontrola složení výrobku, suroviny (nutriční hledisko) přirozený obsah esenciálních prvků fortifikace potravin sloučeninami Fe, Ca kontrola hygienické jakosti obsah toxických prvků hledisko technologické jakosti Popel hrubý ukazatel celkového obsahu minerálních látek vážkové stanovení popela po zuhelnění a zpopelnění vzorku (žíhání v porcelánovém kelímku 500-600 C) tzv. písek (popel nerozpustný v 10 % HCl křemičitany) vážkové stanovení konduktometrické stanovení popela 1

Analytický postup při stanovení prvku příprava vzorku k analýze a příprava slepých vzorků (nejčastěji rozklad) (separace a zakoncentrování prvku) měření koncentrace prvku v upravených vzorcích a slepých vzorcích zpracování dat určení mezí detekce a stanovitelnosti výpočet obsahu prvku ve vzorku Příprava vzorku k analýze Při následném použití destruktivních metod rozklad extrakce zředěnými roztoky kyselin (HCl, HNO 3, EDTA) ředění kapalných vzorků diluentem (zř. HNO 3, roztok surfaktantu) příprava suspenze práškového vzorku ET AAS (slurry technique) Při následném použití nedestruktivních metod vysušení (lyofilizace) a zatavení do ampule 2

Některé nedestruktivní metody INAA instrumentální neutronová aktivační analýza ozáření vzorku proudem neutronů (aktivace cílového nuklidu), např. 55 Mn + n 56 Mn + γ vymírání radionuklidů s krátkým poločasem rozpadu měření γ -záření při rozpadu radionuklidu ( 56 Mn) γ - spektrometrem XRF rentgenová fluorescenční spektrometrie (X-ray fluorescence) Rozklad vzorku Cíle: odstranění organické matrice vzorku (oxidace) převedení analytů do roztoku Rozklad: úplný (mineralizace) nebo částečný (solubilizace) rozklad na suché cestě klasický suchý rozklad (zpopelnění) moderní verze suchého rozkladu rozklad na mokré cestě za atmosférického tlaku v otevřených nádobách za zvýšeného tlaku v uzavřených nádobách 3

Klasický suchý rozklad (zpopelnění) probíhá v otevřené nádobě (křemenný nebo Pt kelímek, Pt miska, kádinka z borosilikátového skla) za atm. tlaku a vysoké teploty (max. 450-550 C); oxidační agens je vzdušný kyslík popel výluh popela navážka1-25 g sušiny pomocná činidla: HNO 3, Mg(NO 3 ) 2, K 2 SO 4, H 2 SO 4 použitelnost: nevhodné pro stanovení těkavých prvků (Hg) při stanovení As, Se, P nutný přídavek Mg(NO 3 ) 2 Průběh zpopelnění Fáze procesu Teplota, čas Zařízení Poznámka 1. sušení <110 C 1-2 h sušárna nebo program. pec možnost přídavku pomocného činidla* 2. zuhelnění <350 C 8-20 h topná deska nebo program. pec pomalý nárůst teploty 3. spalování 450-500 C 12-20 h programovatelná pec po ukončení možnost přídavku pomocného činidla ** 4. vyluhování popela 20-100 C 0,5-1 h topná deska nebo ultrazvuková lázeň výsledná koncentrace kyseliny : 0,1-1 M * zpravidla Mg(NO 3 ) 2 ** přídavek HNO 3, odpaření do sucha, žíhání v peci 1-4 h při 450-500 C 4

Výhody a nevýhody zpopelnění vysoká účinnost rozkladu velké navážky vzorku rozklad většího počtu vzorků nízké náklady malá spotřeba reagencií malá bezpečnostní rizika ztráty analytů (těkavé prvky Hg, Tl, Se, As, P )* postup není univerzální nenípříliš vhodné pro kapalné vzorky kontaminace vzorků časová náročnost * ztráty P, As, Se jsou minimální při použití Mg(NO 3 ) 2 jakožto pomocného činidla pro zpopelnění výhodné při stanovení As nebo Se metodou HG-AAS Klasický mokrý rozklad tj. rozklad kyselinami při atmosférickém tlaku za zvýšených teplot obecně více univerzální (avšak nevhodný pro stanovení halogenidů F -, Cl -, Br - ) doba rozkladu: hodiny desítky hodin navážka 0,5-3 g sušiny, méně (0,2-1g) při použití HClO 4 v mineralizační směsi (riziko exploze!) důležitý faktor vhodně zvolený teplotní režim (vliv na výtěžnost, bezpečnost práce) pro stanovení Hg polouzavřená skleněná aparatura se zpětným chladičem a pojistnou trubicí s HNO 3 5

Činidla pro rozklad na mokré cestě Činidla zředěná HCl HCl+HNO 3 (3+1) HNO 3 +H 2 SO 4 HNO 3 HNO 3 +H 2 O 2 HNO 3 +H 2 SO 4 + H 2 O 2 HNO 3 +H 2 SO 4 + HClO 4 HNO 3 + HClO 4 t ( C) 60-120 60-120 60-180 60-120 60-120 60-180 60-210 60-200 Poznámka pouze hydrolýza solubilizace pro rozklad vzorků půd nejběžnější směs, ztráty Se (As), nerozpustné sírany Ca, Sr, Ba, Pb malá účinnost rozkladu, ztráty Hg malá účinnost rozkladu, ztráty Hg nižší ztráty Se, As vysoká účinnost rozkladu, vhodné pro stanovení Se, As, Hg; ztráty Pb; riziko exploze! beze ztrát Pb, vyšší ztráty Hg; vyšší riziko exploze! Po dokončení rozkladu se obvykle ze směsi odpaří HNO 3. Rozklad na mokré cestě za zvýšeného tlaku v praxi nejvíce rozšířená metoda uzavřené reakční nádoby z teflonu (PTFE) teplotní limit cca 240 C z křemenného skla používány teploty až 320 C navážka0,2-1 g sušiny (velká navážka exploze!) činidla: HNO 3,HNO 3 +H 2 O 2,HNO 3 +HF (jen v teflonu) ohřev celé nádoby konvekcí mikrovlnný ohřev snadná regulace procesu 6

Rozklad na mokré cestě za zvýšeného tlaku bezpečnost: oxidací vzorku se uvolňují oxidu dusíku, CO 2 a vodní pára tlak v nádobce roste (jednotky až desítky MPa); reakční nádobky v masivních pouzdrech, zařízení jsou vybavena tlakovými příp. i teplotními čidly a tlakovými pojistkami (při překročení limitu vypnutí mikrovln, řízená expanze) účinnost rozkladu: při t do 200 C jen částečný rozklad (tlaková solubilizace); pro úplný rozklad nutná t > 280 C (nezbytné jen při použití voltametrických metod stanovení prvků) délka procesu (rozklad a chlazení): obvykle desítky minut Výhody a nevýhody tlakového rozkladu minimální ztráty analytu minimální kontaminace vyřazení HClO 4 ze směsi zvýšení bezpečnosti vyřazení H 2 SO 4 odstranění interferencí malá spotřeba kyselin rychlost rozkladu (mikrovlnný ohřev) možnost robotizace dražšízařízení malé navážky vzorek musí být homogenní nižšíúčinnost rozkladu při t do 200 C výsledný roztok v HNO 3 interference při stanovení As, Se, Sb, Sn metodou HG-AAS 7

Separace a zakoncentrování analytu obvykle v jedné operaci separace nutná jen při nedostatečné selektivitě analytické metody (spektrofotometrická stanovení) nebo v případě silných rušivých vlivů matričních složek vzorku (analýza extrémně komplikovaných vzorků metodou ET AAS) zakoncentrování použití pro stanovení stopových prvků v případech, kdy analytická metoda není dostatečně citlivá; podmínka: větší množství vzorku k dispozici Pokud to analytický úkol a povaha vzorku umožní, krok separace a zakoncentrování se vynechává. Přednost mají vysoce citlivé a selektivní metody, které separaci nevyžadují. Metody separace a zakoncentrování chelatační extrakce tvorba nepolárního komplexu kovu (skupiny kovů) s organickým chelatačním činidlem a extrakce do organického rozpouštědla (malý objem organické fáze zakoncentrování) příklad: komplexy s APDC extrakce do MIBK N C zvýšení citlivosti stanovení kovů metodou F AAS sorpce na iontoměničích např. zakoncentrování iontů přechodných kovů na chelatačních ionexech a separace od alkalicých prvků a aniontů (např. sorpce na Chelexu 100 při ph 3-7, promytí vodou a eluce 2M HNO 3 použití pro vzorky vod) S S NH 4 + 8

Metody separace a zakoncentrování konverze analytu na těkavou formu a oddělení do plynné fáze využití např. v tzv. hydridové technice AAS nebo ICP-AES při stanovení As, Se, Sb, Te, Sn převedením na hydridy (AsH 3 ) nebo v technice studených par při stanovení Hg elektrolytické nahromadění první krok při stanovení kovů a metaloidů rozpouštěcí voltametrií nebo potenciometrickou rozpouštěcí analýzou elektrodepozice analytu v elektrotermickém atomizátoru před stanovením metodou ET AAS Přehled analytických metod klasické chemické metody vážkové a titrační spektrofotometrické metody fluorimetrie (stanovení Se) atomová absorpční spektrometrie atomová emisní spektrometrie plamenová atomová (optická) emisní spektrometrie F AES, F OES (plamenová fotometrie) atomová (optická) emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-AES, ICP-OES hmotnostní spektrometrie (zejména ICP-MS) elektrochemické metody: potenciometrie, polarografie a voltametrie 9

Přehled analytických metod dalšímetody HPLC: stanovení aniontů (NO 3 -, SO 4 2-, NO 2 -, NO 3 - Cl -, F -, I -...) GC: stanovení Se, stanovení sloučenin Hg a Sn isotachoforesa NAA XRF PIXE Stanovení prvků vážkovými a titračními metodami Základní omezení: jen pro majoritní prvky Vážkové stanovení vápníku sráženíca 2+ šťavelanem amonným jako CaC 2 O 4, forma k vážení CaSO 4 Vážkové stanovení hořčíku resp. fosforu sráženímg 2+ fosforečnanem amonným jako NH 4 MgPO 4.6H 2 O sráženípo 4 3- hořečnatou solucí jako NH 4 MgPO 4.6H 2 O forma k vážení Mg 2 P 2 O 7 10

Komplexometrické stanovení vápníku a hořčíku dvojí zpětná titrace 1. stanovení celkového množství Mg + Ca alikvotní podíl vzorku + amoniakální tlumivý roztok + nadbytek chelatonu 3 a titrace přebytku chelatonu odměrným roztokem Mg 2+ na eriochromovou čerň T (modrá vínová) 2. stanovení Ca alikvotní podíl vzorku + KOH ( ph 12 vysrážení Mg(OH) 2 ) + nadbytek chelatonu 3 a titrace přebytku chelatonu odměrným roztokem Ca 2+ na fluorexon (vznik žlutozelené fluorescence) Titrační stanovení chloridů Příprava vzorku: zpopelnění, výluh popela v horké vodě (+ HNO 3 ) extrakce Cl - ze vzorku horkou vodou, čiření extraktu (Carrez) Argentometrické stanovení Mohrova metoda: Ag + + Cl - AgCl indikátor K 2 CrO 4 (přebytek AgNO 3 červenohnědý Ag 2 CrO 4 ) možnost potenciometrické indikace Volhardova metoda: zpětná titrace přebytku Ag + thiokyanatanem na indikátor NH 4 Fe(SO 4 ) 2 Merkurimetrické stanovení: Votočkova metoda Hg 2+ + 2 Cl - HgCl 2 indikátor nitroprussid sodný Na 2 [Fe(CN) 5 NO] (přebytek Hg(NO 3 ) 2 bílý zákal Hg[Fe(CN) 5 NO]) 11

Stanovení prvků spektrofotometrickými metodami Podstata komplexotvorné reakce: kation kovu + činidlo (organické) barevný produkt oxidačně-redukční reakce: barevný produkt měření absorbance Charakteristika složité pracovní postupy časově náročné (v některých případech omezená selektivita analytických reakcí) citlivost je dána hodnotou b. ε Spektrofotometrické stanovení fosforu vzorek po rozkladu na mokré cestě obsahuje H 3 PO 4 H 3 PO 4 tvoří v kyselém prostředí s přebytkem molybdenanu amonného nebo sodného slabě žlutě zbarvenou kyselinu molybdátofosforečnou H 3 [P(Mo 3 O 10 ) 4 ], která silně absorbuje v UV oblasti (λ max = 310 nm). redukcí molybdátofosforečné kyseliny (např. hydrazinem, askorbovou kyselinou, železnatou solí...) vzniká tzv. molybdenová modř (směs heteropolykyselin molybdenu v oxidačních stupních V a VI); hodnota λ max je 660-820 nm v závislosti na podmínkách redukce; absorbance je úměrná koncentraci fosforu (analogicky jako fosfor reagují také As, Si a Ge) 12

Spektrofotometrické stanovení jodu využívá se katalytického vlivu I - na Sandell-Kolthoffovu reakci alikvotní podíl vzorku + kyselina arsenitá + síran ceričitý I - 2 Ce 4+ + H 3 AsO 3 + H 2 O 2 Ce 3+ + H 3 AsO 4 + 2H + po určité době reakce (např. přesně 20 minut) se měří úbytek Ce 4+ např. na základě další reakce ceričitých iontů: Ce 4+ + Fe 2+ Ce 3+ + Fe 3+ vznikající železité ionty se detekují reakcí s thiokyanatanem ( červené zbarvení, λ=480 nm); kalibrace v intervalu 0-50 ng I kalibrační přímka (A vs. m I ) má zápornou směrnici Spektrofotometrické stanovení železa Fe 3+ poskytuje s thiokyanatanem (rhodanidem) v prostředí HCl červený komplex Fe 3+ + n SCN - [Fe(SCN) n ] 3-n Fe 2+ dává s bipyridylem nebo 1,10-fenanthrolinem při ph 3-6 červený resp. červeno-oranžový komplex; Fe 3+ se předem redukuje hydroxylaminem na Fe 2+ Fe 2+ + 3 bipy [Fe(bipy) 3 ] 2+ (λ=522 nm, ε=8700 l.mol -1.cm -1 ) Fe 2+ + 3 fen [Fe(fen) 3 ] 2+ (λ = 512 nm, ε = 11000 l.mol -1.cm -1 ) N N bipyridyl N N fenanthrolin 13

Stanovení prvků metodami atomové absorpční spektrometrie Základní techniky AAS plamenová: F AAS (flame) elektrotermická: ET AAS (electrothermal), GF AAS (graphite furnace) hydridová: HG AAS (hydride generation) technika studených par CV AAS (cold vapour) Poznámka: hydridová technika, technika studených par, případně další postupy založené na generování těkavých sloučenin se někdy společně označují jako vapour generation technique VG AAS Schéma AAS 1 výbojka s dutou katodou 2 rotující modulátor paprsku 3 absorpční prostředí (plamen, elektrotermický atomizátor) 4 monochromátor a detektor 5 dutá zrcadla 6 polopropustná zrcadla 7 deuteriová výbojka 14

Plamenová AAS stanovení kovových prvků, boru a křemíku v koncentracích cca 10-2 -10 2 mg/l roztok vzorku ve zř. minerální kyselině aerosol plamen (odpaření a atomizace) měření absorbance plameny C 2 H 2 -vzduch: atomizace Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, (Co, Cd, Pb jen vysoké koncentrace) C 2 H 2 -N 2 O:atomizace Al,Ca,Mg,Sr,Ba,Sn,(Mo,V,Cr ) rychlá, levná analýza, snadná automatizace F AAS Citlivost měření plamenovou AAS se vyjadřuje nepřímo určením charakteristické koncentrace = koncentrace prvku (v mg/l), která vyvolá absorbanci A=0,0044. Prvek Zn Pb Al Mo λ (nm) 213,9 217,0 309,3 313,3 Plamen vzduch-c 2 H 2 vzduch-c 2 H 2 N 2 O-C 2 H 2 N 2 O-C 2 H 2 Charakteristická koncentrace (mg/l) 0,007-0,010 0,07-0,10 0,75 0,50 15

F AAS Zmlžovač a mlžná komora Systém zmlžovač hořák Aplikace F AAS stanovení Na, K plamen C 2 H 2 -vzduch přídavek deionizačního činidla CsCl stanovení Mg, Ca plamen C 2 H 2 -vzduch nutný přídavek uvolňovacího činidla LaCl 3 plamen C 2 H 2 -N 2 O nutný přídavek deionizačního činidla CsCl nebo KCl stanovení Mn, Fe, Ni, Cu, Zn plamen C 2 H 2 -vzduch (Fe, Ni také C 2 H 2 -N 2 O) 16

Elektrotermická AAS vysoce citlivá metoda pro stanovení prvků v koncentracích 10-2 -10 2 µg/l atomizátor: obvykle grafitová trubice (kyveta) dávkování vzorku (5-50 µl) do atomizátoru jednorázově měřící cyklus: nástřik sušení termický rozklad (pyrolýza) atomizace čištění atomizátoru chlazení teplotní program se volí individuálně podle vlastností analytu, složení vzorku a typu atomizátoru analýza je pomalá (cyklus 1,5-4 min), přístroje jsou drahé vzorek t ( C) atomizace 1800 čištění 2400 Ar chlazení hν sušení 120 pyrolýza 800 650 Procesy probíhající v atomizátoru při stanovení Pb A t (s) sušení: Pb(NO 3 ) 2 (aq) Pb(NO 3 ) 2 (s) pyrolýza: Pb(NO 3 ) 2 (s) PbO(s) + 2 NO 2 (g) + O (g) 3 5 s atomizace: PbO(s) PbO (g) Pb(g) + O(g) PbO(s) Pb(s) + O(g) Pb(s) Pb(g) 17

Aplikace ET AAS stanovení stopových množství Pb, Cd, Tl, Al, Cr, V, Mo, Co, Cu, Sn, (As, Se, Sb) vzorky: mineralizované vzorky (nejčastěji v HNO 3 ) biol. tekutiny (krev, plasma, mléko, moč ) a nápoje bez mineralizace (suspenze tuhých práškových vzorků - slurry) přídavky modifikátorů matrice((nh 4 H 2 PO 4 + Mg(NO 3 ) 2, slouč. Pd ) optimální chování analytu v atomizátoru Prvek Cd Pb λ (nm) 228,8 283,3 pyrolýza ( C) 300-800* 400-8500 atomizace ( C) 1600* 1800* charakter hmotnost (pg) 0,35 12 detekční limit (nástřik 20 µl) 0,01 µg/l 0,25 µg/l * závisí na typu atomizátoru, druhu vzorku a modifikátoru matrice Hydridová technika AAS používá se pro stanovení As, Se, Sb, Te, Bi, Ge, Sn, Pb (kovy a polokovy, které tvoří s vodíkem plynné hydridy) tvorba hydridu probíhá v tzv. hydridovém generátoru (zobrazen je kontinuální typ) v prostředí HCl účinkem NaBH 4 ; analyt se oddělí ze vzorku do plynné fáze a přivádí se do atomizátoru (vyhřívaná křemenná T-trubice) hν hydrid + vodík + nosný plyn 18

Podstata stanovení As, Se metodou HG AAS mineralizací vzorku (klasický mokrý rozklad směsí HNO 3 + H 2 SO 4 (+HClO 4 ) nebo zpopelnění s Mg(NO 3 ) 2 a výluh v HCl) se analyty oxidují zpravidla do nejvyššího mocenství nutná redukce na nižší mocenství (As V As III, Se VI Se IV ): H 3 AsO 4 + 2 I - + 2 H + H 3 AsO 3 + I 2 + H 2 O H 2 SeO 4 + 2 Cl - + 2 H + H 2 SeO 3 + Cl 2 + H 2 O reakce redukované formy analytu s tetrahydridoboritanem: BH 4 - + H + + 3 H 2 O H 3 BO 3 + 8 H H 3 AsO 3 + 6 H AsH 3 + 3 H 2 O H 2 SeO 3 + 6 H H 2 Se + 3 H 2 O hydrid (AsH 3 resp. H 2 Se) poskytuje v atomizátoru při vysoké teplotě termickou disociací a radikálovými reakcemi za účastí O 2 atomy analytu měří se A při 193,7 resp. 196,0 nm mez detekce: 0,1-0,3 µg/l Elektrochemické metody potenciometrie s ISE: stanovení halogenidů, NO 3-, NO 2 - klasická polarografie (DC) stanovení Zn, Cu, Sn: M 2+ + 2 e - M (M = Zn, Cu) Sn 4+ + 4 e - Sn (jen v prostředí HCl) stanovení I - : I - + 3 BrO - IO 3- + 3 Br - IO 3- + 3 H 2 O + 6 e - I - + 6 OH - diferenční pulsní polarografie (DPP) a voltametrie (DPV) křivky mají tvar píku ve srovnání s DC mnohem nižší detekční limity 19

Voltametrické stanovení Zn DPV E p = -700 mv (1) : 5 ml vzorku v 0,1 M HNO 3 + 1,5 ml 1M CH 3 COONa (2) : (1) + 5 µg Zn, V = 6,75 ml (3) : (1) + 10 µg Zn, V = 7,0 ml Elektrochemické metody rozpouštěcí voltametrie (stripping voltammetry) určena pro stopovou a ultrastopovou analýzu anodická rozpouštěcí voltametrie (ASV, DPASV) na Hg elektrodách: stanovení Cd, Pb, Cu, Zn, Tl, Bi... (viz schéma na další straně) na Au elektrodě: stanovení Hg, Se, As katodická rozpouštěcí voltametrie (CSV, DPCSV): stanovení Se, As, I srovnání voltametrie se spektrometrickými metodami: velmi nízké meze detekce (srovnatelné s ET AAS nebo nižší) analýza je časově náročná, přístroje jsou relativně levné vzorky musí být dokonale mineralizovány 20

E - 0.8 V nahromadění rozpouštění - 0.2 V I t E Voltametrické stanovení Cd a Pb DPASV E d = -750 mv t d = 90 + 20 s (1) : 5 ml vzorku v 0,1M HNO 3 (2) : (1) + 100 ng Cd, Pb, V = 5,1 ml (3) : (1) + 200 ng Cd, Pb, V = 5,2 ml 21

Voltametrické stanovení Cu DPASV E d = -400 mv t d = 10 s (1) : 5 ml vzorku v 0,1M HNO 3 (2) : (1) + 1 µg Cu, V = 5,05 ml (3) : (1) + 2 µg Cu, V = 5,1 ml Další analytické metody ICP-OES: multielementární analýza možnost stanovení všech kovů a některých nekovů (S, P) široký lineární dynamický rozsah detekční limity obvykle srovnatelné s F AAS nebo nižší cena spektrometru srovnatelná s ET AAS, drahý provoz ICP-MS multielementární analýza stanovení všech prvků kromě vzácných plynů, H, C, N, O, F velmi široký lineární dynamický rozsah detekční limity srovnatelné s ET AAS nebo nižší cena spektrometru velmi vysoká až mimořádně vysoká, drahý provoz 22