PŘÍKLADY APLIKACÍ AAS Následující odstavce upozorňují na některá úskalí, které analýza vybraných typů materiálů může v praxi přinést. Neklade si za cíl popsat postup analýzy konkrétního analytu v určitém typu matrice. Nejběžnější typy vzorků jsou rozděleny podle matrice na anorganické, organické a biologické materiály. Voda a vodné roztoky Nejvhodnějším materiálem pro analýzu diskutovanou technikou jsou vzorky kapalné, jejíchž základem je vodná matrice. Tento typ aplikací AAS je nejlépe rozpracovaný. Přes zdánlivou jednoduchost i zde mohou nastat interference, v důsledku kterých jsou produkované výsledky nesprávné. Při volbě odpovídajícího postupu úpravy vzorku a stanovení analytu je nutné vědět, zda se mají stanovit pouze rozpuštěné prvky, nebo se má stanovit celkový obsah prvku. Pokud se stanovují pouze rozpuštěné prvky, vzorek se nejprve filtruje membránovým filtrem s velikostí pórů 0,45 µm a filtrát se konzervuje přídavkem koncentrované kyseliny dusičné tak, aby ph vzorku bylo menší než 2. Pro krátkodobé uskladnění postačí přídavek 1,5 ml kyseliny na 1 dm 3 vody. Alkalické vzorky s vysokou pufrační kapacitou se okyselí 5 ml kyseliny na 1 litr vody. Zachycené částice na filtru představují tzv. suspendované kovy. Pro stanovení jejich obsahu je nutné filtr převést vhodným postupem do roztoku. Pojmem celkový obsah kovů ve vodě se rozumí všechny kovy vázané v anorganické i organické sloučenině, která je v jakékoli podobě obsažena ve vodě. Za tímto účelem je nutné nejen vzorek konzervovat, ale před analýzou mineralizovat, aby případné nerozpuštěné sloučeniny byly beze zbytku převedeny na rozpustnou formu. Kyselinou extrahovatelné kovy se získají přídavkem horké kyseliny ke vzorku před jeho filtrací uvedeným způsobem. Kyselinou konzervovaný vzorek se uchovává v chladničce při teplotě 4 C, při které nedochází k nežádoucímu vypařování vzorku. Pokud je koncentrace kovů řádově v mg/l, je stabilní po dobu 6 měsíců. Jestliže se koncentrace prvků pohybuje řádově na úrovni µg/l měly by se i stabilizované vzorky analyzovat co nejdříve po odběru. Výjimkou jsou vzorky s obsahem Hg, které jsou stabilní pouze 5 týdnů. Při skladování těchto vzorků je vhodnější ke konzervaci použit roztok dichromanu draselného v 50% kyselině dusičné. V diskutované skupině vzorků je možno rozlišovat řadu charakteristických skupin, lišících se v koncentrační úrovni stanovovaných prvků i složitosti matrice: napájecí vody a kondenzáty pocházejí z tepelných elektráren z výroby vodní páry pro parní turbiny. Sleduje se menší skupina prvků, jejichž koncentrace se pohybují řádově v µg/l. Vzorky neobsahují ani vyšší koncentrace anionů, není zapotřebí eliminovat interference a matriční vlivy. S ohledem na koncentrační úroveň analytů je vhodné volit techniku ETA. popř. HG. pitná voda - v tomto typu vodného roztoku se zpravidla sleduje koncentrace zdraví škodlivých látek, jejichž koncentrace se pohybují řádově v µg/l. Tím je opět daná i technika atomizace - HG, CV a ETA. Kromě běžného grafitového atomizátoru byly provedeny experimenty s atomizátorem wolframovým, který umožňuje ve srovnání s atomizátory grafitovými zvýšit rychlost atomizace. Pro zjištění koncentrace alkalických kovů a kovů alkalických zemin, popř. Zn, Fe lze zvolit FA. povrchová voda - výběr sledovaných analytů mnohdy závisí na účelu, za jakým se analýza provádí. Kontrola stavu znečistění je vázána na platné zákony a vyhlášky. Často postačí zjištění, zda koncentrace sledovaného prvku je pod nebo nad limitní koncentrací. Limitní koncentrace daná vyhláškou pak nepřímo určuje techniku atomizace a tedy postup analýzy. odpadní voda - vzorky označované termínem odpadní vody zdaleka nemusí obsahovat jen vodu jako rozpouštědlo, často obsahují neidentifikovatelnou směs organické (nevodné) a vodné fáze. Postup analýzy je možné modifikovat na základě zadání analýzy. Je vhodné např. oddělit vodnou a nevodnou fázi a pak analyzovat každou fázi jednotlivě. Pokud jsou obě fáze dobře mísitelné, je možné vzorek po mineralizaci analyzovat jako vodný roztok. Takto upravený vzorek lze analyzovat několika analytickými metodami. APAS/AplikaceAAS - 1 -
minerální a mořská voda - vyznačují se vysokým obsahem rozpuštěných solí, které mohou při analýze zejména stopových množství některých analytů způsobovat nežádoucí vlivy jako je např. neselektivní absorpce. Výhodné je při stanovení nízkých koncentrací použít techniku ETA v kombinaci Se Zeemanovskou korekcí pozadí, která může eliminovat např. některé interference způsobené přítomností Fe, Al a P při stanovení As, Tl, Sb nebo Pb. Ne vždy tato korekce pozadí vyřeší vše a je proto vhodnější oddělit analyt od matrice vzorku. stanovení Ag, As, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Fe, K, Na, Ni, Pb, Se a Zn je zpracováno v českých normách "Jakost vod", jejichž úplný seznam lze získat mimo jiné na internetových stránkách Českého normalizačního institutu. vodné výluhy a extrakty na bázi vodného roztoku nelze považovat za "vodu". Takový pohled na vodné výluhy je pouze analytickou náhražkou. Ve skutečnosti se jedná o kapalnou fázi s převažujícím obsahem vody. Vedle vodných výluhů odpadů se v posledních letech uvedený typ vzorků rozšiřuje o další problémové matrice vycházející z roztoku na bázi vody - roztoky po sekvenční extrakci. Většinou se roztoky extrakčních činidel připravují jako zředěné roztoky s obsahem např. CaCl 2, MgCl 2, octanu amonném, kyseliny askorbové, šťavelové, octové, dusičné, lučavce královské, apod. Interakcí činidla se vzorkem různého charakteru mohou vznikat stabilní komplexy popř. i nerozpustné soli. Výsledný extrakt obsahuje velmi různorodé kationy i aniony, komplexní sloučeniny matričních i stopových prvků. Analýzu stopových prvků v minerální a mořské vodě a často i ve vodných výluzích metodou ETA doprovází tzv. neselektivní absorpce. Je nutné před vlastní analýzou použít některou z metod oddělení analytu od matrice vzorku, nebo použít přístroj se Zeemanovskou korekcí pozadí. Ani Zeemanovská korekce pozadí však nemusí odstranit všechny problémy spojené s analýzou silně zasolených vod. Pokud laboratoř nemá k dispozici hydridovou nebo elektrotermickou techniku atomizace musí před stanovením nízkých koncentrací použít prekoncentrační techniky. Anorganické materiály Anorganické materiály, tedy materiály, jejichž základ tvoří matrice anorganického charakteru, jsou nejčastěji analyzovanými materiály, a to jak na obsah matričních, tak stopových prvků. V analýze anorganických materiálů si AAS našla široké uplatnění a nahradila do značné míry postupy klasické analýzy. Toto postavení si udržuje zejména při analýze stopových prvků, zatímco při stanovení vyšších koncentrací se v současnosti více uplatňuje ICP OES. Vzorky uvedeného typu se však mohou výrazně lišit a lišit se tedy bude i postup analýzy. Mezi vzorky anorganického charakteru bezesporu patří geologické materiály, mezi které lze zařadit: horniny (různé minerály, sedimenty) rudy s převažujícím obsahem určité složky U těchto materiálů je nejobtížnějším krokem kvantitativní převedení ana1ytu do roztoku, jelikož se jedná převážně o silikátovou matrici. Mineralizaci vzorku kyselinami je nutné volit s ohledem na stanovovaný prvek. Při použití kyseliny fluorovodíkové je vhodné k výslednému roztoku před stanovením přidat CsCl, působící jako ionizační pufr a kyselinu trihydrogenboritou, která váže přebytek kyseliny fluorovodíkové. Vznikající kyselina tetratluoroboritá navíc působí jako uvolňující činidlo pro Al, Si a Ti při stanovení v plameni acetylén oxid dusný. Některé obtížně rozložitelné materiály je vhodnější vytavit. Stanovení matričních i stopových prvků současně často vyžaduje více způsobů převedení vzorku do roztoku, které se liší nejen postupem, ale také navážkou vzorku. Vlastní stanovení lze pak rozdělit na stanovení matričních prvků, při kterém se uplatní více technika FA a analýzu stopových prvků, při které se využije technika ETA nebo HG. S ohledem na matrici vzorku je vhodnější při ETA použít Zeemanovskou korekci pozadí, umožňující zejména u roztoků připravených tavením eliminovat nepříznivý vliv vysoké APAS/AplikaceAAS - 2 -
koncentrace tavidla. Nelze však vyloučit ani použití některé separační techniky. půdy a zvětralé horniny Půdy se analyzují ze dvou důvodů. Kontroluje se zemědělská velkovýroba a sleduje se kontaminace půd toxickými prvky. V obou přístupech se v plné míře uplatňuje AAS. Analýza půd na cizorodé látky zahrnuje nejen analýzu celkového obsahu těchto látek, ale také jejich obsah v různých extraktech (nejpoužívanějším extrakčním činidlem je kyselina dusičná o koncentraci látkového množství 2 mol/l). Problematika stanovení prvků v extraktech, jejichž základ je voda, byla popsána v předcházejícím odstavci. Dalšími velmi rozšířenými analyzovanými materiály jsou materiály kovové, které lze opět rozdělit do několika skupin: železné kovy (např. surové železo, oceli, litiny) neželezné kovy drahé kovy slitiny V analýze vzorků uvedeného typu lze rozlišit tři základní koncentrační úrovně; analýza matričních, legujících a stopových prvků. Jako u předcházejících typů materiálů při stanovení koncentrace matričních a legujících prvků se uplatňuje především plamenová atomizace. Koncentrace stopových prvků se stanovují technikou ETA nebo HG. S ohledem na matrici je vždy nutné ověřit případné spektrální interference. S mineralizací kovů nebývají obtíže. Výjimkou mohou být vysoce rezistentní kovy a slitiny (W, Fe-W atd.) a nově vyvíjené kovové materiály s obsahem např. Zr, B, Ce, La. Problematická může být také analýza prvků, které se v kovu vyskytují ve formě karbidů, nitridů apod. V řadě případů však nelze analýzu legujících, matričních i stopových prvků realizovat z roztoku připraveného pouze jedním postupem. Pro analýzu obzvlášť nízkých obsahů některých prvků je nezbytné zkoncentrování i před analýzou ETA. Např. stanovení Au a Pd ve slitinách Zn, Cd, In, Pb a Ni se provádí po vysrážení dithizonem. Stanovení stopových prvků v In a Sn o vysoké čistotě se používá elektrochemické rozpouštění stanovovaných prvků. O rozmanitosti stanovení stopových koncentrací v uvedených materiálech svědčí práce Loskotové zabývající se stanovením stopových koncentrací Sn a Sb v ocelích technikou ETA se Zeemanovskou korekcí pozadí, stanovením Pb a Bi v litinách, nebo stanovením koncentrace Ti metodou ETA. I přes mnohé nevýhody metody přídavku standardu je vhodné v takovýchto případech ji použít, zvlášť když nejsou analyzovány velké série vzorků. Třetí z technik atomizace - hydridová, se rovněž využívá při analýze kovových materiálů. Také v této oblasti uplatnění AAS již existují normované postupy, které je možno získat na zmíněných internetových stránkách ČNI. Velmi široký okruh materiálů tvoří stavební materiály, do kterých lze zařadit jak přírodní suroviny, tak konečné výrobky: kameniva a písky suroviny pro výrobu cementu a cement suroviny pro výrobu skla, keramiky a cihel cihlářské a keramické výrobky, výrobky ze skla Rozsah analýzy těchto materiálů je daný technologickými požadavky. Příkladem může být analýza filtrátu, připraveného rozpouštěním cementu v kyselině chlorovodíkové, ve kterém se stanovují koncentrace Ca, Si, Fe a Al. Organické materiály Také v materiálech s organickou matricí se sledují obsahy různých prvků a AAS má své uplatní. Do diskutované skupiny materiálů je možné zařadit: APAS/AplikaceAAS - 3 -
roztoky s organickými, nevodnými rozpouštědly Plamenová i elektrotermická technika atomizace dovoluje analyzovat vzorky s organickým rozpouštědlem, ale celý postup je mnohem složitější. U plamenové atomizace existují určitá omezení při přímém zmlžování vzorků, způsobená problémy ve zmlžovacím procesu těkavých rozpouštědel, která ve zmlžovací komoře rychle desolvatují. Spalováním některých rozpouštědel (např. chloroformu) vznikají jedovaté produkty nebo jsou spalována nedokonale za vzniku svítivého plamene (např. benzen, toluen) a mění plamen na redukční. Organická rozpouštědla dodávají do plamene další palivo. Poměr paliva a okysličovadla se musí optimalizovat za podmínek sání daného organického rozpouštědla. Obvykle se snižuje průtok paliva, zvýší se průtok okysličovadla nebo se sníží rychlost sání vzorku zmlžovačem. Další problém může nastat při přípravě kalibračních standardů. Vhodnější organokovové sloučeniny, rozpustné přímo v nevodných rozpouštědlech, jsou komerčně málo dostupné. Kalibrační standardy by navíc měly být připraveny z obdobné organokovové sloučeniny, v jaké je stanovovaný prvek vázán v reálném vzorku. Tento požadavek není možné splnit i z toho důvodu, že tato skutečnost není známá. Použití metody standardních přídavků některé problémy s kalibrací odstraňuje, ale systematicky neřeší. Přesto je vhodnější, protože určitě eliminuje transportní rušivé vlivy, včetně kinetiky vypařování rozpouštědel. Použití ET A k analýze vzorků s organickými rozpouštědly není omezeno jejich těkavostí a toxicitou. Vhodná volba teplotního programu umožňuje použít jakékoli rozpouštědlo, jelikož termický rozklad lze upravit přívodem kyslíku. Ve srovnání s plamenovou atomizací nejsou pozorovány problémy s kalibrací. Rozklad organokovových látek použitých pro přípravu kalibračních roztoků lze opět ovlivnit teplotním programem, nebo lze pomocí kyslíku sloučeniny převést na jednotnou oxidickou formu. Jediným omezením může být použití kovových atomizátorů (W nebo Mo), protože v průběhu atomizačního procesu vzniká reaktivní uhlík, který reaguje s materiálem atomizátoru, mění jeho vlastnosti a tím výrazně i jeho životnost. surová ropa a ropné produkty Analýza vzorků těchto typů je dobře popsána v normovaných postupech, jako je např. stanovení Na, Ni, V nebo nízkých koncentrací Pb v benzínu (23-25). Problematikou interferencí ve vzorcích uvedeného typu se zabývá práce Sychry (26). oleje, maziva Kovy i nekovy v nových motorových olejích pocházejí především z aditiv (např. B, Ba, Ca, V, Mg, Mo, P, Sb, Zn), které zlepšují jejich užitné vlastnosti. Proto se sleduje jejich koncentrace v olejích. Obsah kovů v oleji je také mírou opotřebení motoru. Vedle prvků pocházejících z aditiv se stanovuje Al, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Ti a W. V důsledku špatné funkce filtru mohou obsahovat také Na nebo K. K úpravě vzorků lze použít mineralizaci kyselinou dusičnou, méně časté jsou metody kyselého nebo alkalického tavení olejů. Předpokládaná koncentrace stanovaného prvku určuje způsob atomizace. Biologické materiály Biologické materiály v analytické chemii mají výjimečné postavení. Jedná se o velice rozmanité materiály, obvykle se specifickou organickou matricí pocházející z živých organismů. S touto skutečností pak souvisí i nároky na podmínky uchovávání vzorků. Více než u jiných materiálů je nutné dodržovat systém uchovávání vzorků, který se od jiných materiálů liší. Např. pro uchování stability vzorku tkáně nestačí ji uchovávat v chladničce, protože se nezabrání sorpcím na stěnách nádoby. Zmrazení sice umožní delší dobu skladování, ale není vhodné pro všechny typy biologických materiálů (např. plnou krev). Tyto materiály musí být zpracovány v co nejkratším termínu, jak z hlediska potřeby klinické praxe, tak z hlediska jejich nestálosti. Pod souhrnné označení biologické materiály lze zařadit: klinické materiály Klinické materiály jsou sledovány z hlediska zdravotního stavu pacienta i případné kontaminace toxickými prvky. Zatímco pro stanovení alkalických kovů je dostačující technika plamenové atomizace, obsahy APAS/AplikaceAAS - 4 -
většiny toxických kovů se musí stanovit technikou ET A nebo hydridů. Vedle nízkých obsahů většiny toxických kovů v tělních tekutinách i svalovině je postup analýzy dále limitován omezeným množstvím vzorku. Analýza nemineralizovaných tělních tekutin je obtížná, časově náročná a z hlediska kontaminací nevhodná. Při plamenové atomizaci se optimalizuje ředění, při kterém lze použít vodu nebo 1% roztok EDTA. Analýza mineralizovaných vzorků je jednodušší a rušivé vlivy se v podstatě nepozorují. Stanovení alkalických kovů mohou doprovázet ionizační interference. Více než u jiných vzorků doprovází stanovení technikou ETA interference a musí se optimalizovat především krok pyrolýzy. I když je vhodnější analyzovat vzorky po rozkladu, sporadicky jsou vypracovány metody přímého stanovení, např. stanovení Cr v krvi plamenovou atomizací (29). Stanovení těžkých kovů v mateřském mléce je popsáno v práci (30), stanovení Se v krevním séru v práci (31). potraviny, poživatiny a krmiva Činnost chemických laboratoří v oblasti analýzy potravin je zaměřena na sledování významných analytů, které mohou výrazně ovlivnit kvalitativní ukazatele potravin, poživatin i krmiv. Vedle makro složek a mikrosložek se v převážné míře jedná o stopovou analýzu kontaminantů, negativně ovlivňujících zdravotní stav obyvatelstva i chovného dobytka. Na rozdíl od klinických materiálů nejsou problémy s množstvím vzorků a do jisté míry s jeho časovou stabilitou. Různorodost matrice však opět klade velký důraz na ověření možných interferentů a volby správného postupu mineralizace. Na tuto oblast analýzy jsou specializované laboratoře hygienické služby. materiály rostlinného nebo živočišného původu Tyto materiály se analyzují zejména z hlediska znečištění životního prostředí a často jsou tedy zařazovány do kategorie vzorků životního prostředí. Sledují se obvykle stopové koncentrace toxických prvků, pro které se využívá technika elektrotermické atomizace. Vzorky se analyzují po mineralizaci z vodného nebo kyselinového roztoku. Volba mineralizace závisí na typu vzorku (seno, jehličí, listí atd.). Před vlastním stanovením se musí pečlivě definovat teplotní program, aby se v jeho průběhu potlačily nežádoucí vlivy, jak ukazuje práce (33). Dalším příkladem uplatnění AAS je analýza aerosolu, který je zachycen na rostlinách. Odpady Analýza odpadů se v posledních desetiletích stala významnou složkou analytické chemie. Zahrnuje analýzu látek všech skupenských stavů. Zpravidla se jedná o zjištění koncentrace toxických složek ohrožujících životní prostředí. Proto se musí vzorky deklarované jako odpad vždy považovat za vysoce toxický materiál a podle toho s nimi v laboratoři nakládat. O původu vzorků je proto nutné získat co nejvíce informací. Odpady představují nejširší spektrum látek, od látek s definovaným složením po nejrůznější směsi s komplikovanou anorganickou, organickou a biologickou matricí, až po vzorky o naprosto neznámém složení. Vedle extrémní různorodosti se většina odpadů vyznačuje vysokou chemickou, fyzikální a fázovou heterogenitou. Navíc nezanedbatelným parametrem mnoha odpadů je jejich fyzikální, chemická nebo biologická nestálost. Kategorizace odpadů definuje až 800 druhů odpadů. Mezi nejvíce zastoupené patří: odpady z energetické výroby (popely, popílky, úlety), odpady metalurgického průmyslu jak z výroby železa, tak neželezných kovů (úlety, strusky, vyzdívky, formovací směsi), odpady ze strojírenské výroby a zpracování kovů (kaly, okuje, galvanické lázně, odpadní soli, odpady z odmašťování), odpadní nátěrové hmoty, ředidla, sedimenty na bázi barev, odpady cihlářské výroby, odpady z výroby keramiky a skla, APAS/AplikaceAAS - 5 -
odpady z papírenského průmyslu a zpracování dřeva, odpady ze zpracování kůže (impregnační roztoky apod.), odpady z agrochemie (zbytky umělých hnojiv, kontaminované zeminy), komunální dopad, čistírenské kaly z čistíren odpadních vod, odpady z chemického čištění a praní, plasty, neznámé odpady ze starých ekologických zátěží, sorpční roztoky a filtry získané v průběhu měření emisi. Z naznačených hlavních charakteristik vyplývá, že odpad je z hlediska analytické chemie velmi komplikovaný objekt. Klade značné požadavky jak na vybavení laboratoře, tak na odborné znalosti a praktické zkušenosti personálu. Více než v jiných oborech aplikované analytické chemie je nutné aktivní zapojení analytika do přípravné fáze analýzy. Základní charakteristikou analýzy odpadů je účelovost. S rozvojem zájmu společnosti o životní prostředí a možnosti recyklace odpadů lze analytický zájem o tento typ vzorků rozdělit na: identifikace materiálové podstaty odpadu, zjednodušeně se tedy jedná o zjištění typu odpadu tak, aby odpad mohl být zařazen do některé dříve definované skupiny. Tento typ analýzy je zpravidla nutný při analýze odpadu ze starých skládek; komplexní chemický rozbor odpadu, který se často redukuje na stanovení matričních a toxických složek, podle kterých lze určit toxicitu odpadu; analýza odpadu v souvislosti s jeho ukládáním, tj. analýza určená platnými zákony a vyhláškami; fázová, chemická a strukturní identifikace včetně způsobu vazby jednotlivých toxických látek na matriční složky za účelem komplexního výzkumu odpadu. Použití AAS v analýze odpadů je komplikováno velkou variabilitou matrice i v rámci jednoho typu odpadů a chemickou komplexností matrice. Typickým příkladem je variabilita matrice popílků ze suchého čištění plynů elektráren nebo hutnických závodů. V plamenové atomizaci lze nespektrální interference potlačit použitím ionizačních pufrů nebo vytěsňujících činidel. V průběhu analýzy hrozí pokles. účinnosti zm1žování v důsledku přítomnosti vysokých koncentrací soli nebo jemných částic. Velký význam má tedy správná optimalizace procesu a důsledná kontrola činnosti celého systému v průběhu práce, a to analýzou kontrolních vzorků. Technika ETA je experimentálně velmi náročná a z hlediska interferencí velmi riziková. Navíc automatická detekce interferencí není zatím možná a běžně používané postupy (přídavky, ředění apod.) jsou u této techniky nejen časově, ale také ekonomicky náročné. Komplikovaná matrice může způsobovat, že při teplotě atomizace se vypařují i jiné sloučeniny zastoupené v matrici, které zvyšují pozadí, výsledný signál je špatně kompenzován a výsledek je nesprávný. V některých případech nemusí použití Zeemanovské korekce pozadí nezaručovat správnost výsledku. V případě generování hydridů se nejčastěji projevují interference v kapalné fázi. Ty mohou způsobovat kontaminující prvky i aniony, případně zbytkové koncentrace organických látek. Základní podmínkou získání správných výsledků je kvalitně provedená mineralizace, což je v případě odpadů mnohdy problematické. Snadnost obsluhy moderních spektrometrů na jedné straně a ne vždy opodstatněné úsilí zvyšování produktivity analytické práce na straně druhé, mnohdy svádí k opomíjení pracovní etiky, což v konečném důsledku může vést k získání nesprávných výsledků. Ať již se atomovou absorpční spektroskopií analyzuje jakýkoli materiál, vždy je nutné věnovat pozornost nejen vlastní analýze jednou z technik atomizace, ale stejně pečlivě se musí provést i všechny operace analytického postupu - odběr vzorku, konzervace a uchovávání vzorku, příprava analytického vzorku. APAS/AplikaceAAS - 6 -