Przed wykonaniem analizy badanej próbki, konieczne jest jej wcześniejsze przygotowanie. W metodach analitycznych takich jak: spektrofotometria UV, potencjometria, spektofluorymetria, atomowa spektrometria absorpcyjna, kulometria proces wcześniejszego przygotowania próbek d analizy jest konieczny.
Proces przygotowania badanej próbki do analizy obejmuje następujące etapy:
- przeniesienie badanej próbki do określonego roztworu;
- rozdzielanie analitu;
- zatężanie;
- likwidowanie czynników, które mogą przeszkadzać w pomiarze.
Analizowane próbki są najczęściej przenoszone do roztworu w wyniku roztwarzania lub rozpuszczania. Z rozpuszczaniem mamy wtedy do czynienia, gdy energia sieci krystalicznej jest mniejsza niż energia solwatacji. Najważniejsze jest jednak to, aby zastosowany do rozpuszczenia rozpuszczalnik był idealnie czysty. Nie może zaistnieć sytuacja, że rozpuszczalnik wpływa na pomiar analityczny, poprzez zanieczyszczanie próbki. Często zdarza się tak, że badana substancja nie jest w stanie rozpuścić się żadnym rozpuszczalniku, nie tylko w wodzie. Rozpuszczanie częściowe nie wchodzi w grę. Do takich substancji należą: gleba, metale, substancje biologiczne. Aby całkowicie przenieść całkowicie próbkę do roztworu musimy zastosować roztwarzanie. Proces roztwarzania opiera się na reakcjach chemicznych, które doprowadzają do rozkładu analizowanej próbki. Substancje, które nie chcą się rozpuszczać w powszechnie stosowanych rozpuszczalnikach przenosimy do roztworu poprzez roztwarzanie z kwasami. Czasami także badana próbka jest stapiana z topnikami.
Mineralizacja stosowana jest do wstępnego przygotowania próbki do analizy. To podstawowy proces podczas wstępnego przygotowania próbek przeznaczonych do analizy pierwiastków głównych, ale także pobocznych oraz śladowych. Najprościej mówiąc, mineralizacja polega na reakcji rozkładu oraz reakcji utlenienia substancjo organicznych wchodzących w skład analizowanej próbki. Mineralizacja zależy od rodzaju badanej substancji, typu metody stosowanej do późniejszego oznaczania oraz od rodzaju analizowanych pierwiastków. Możemy wyróżnić następujące klasyczne rodzaje mineralizacji:
- mineralizacja sucha i rozpuszczanie popiołu;
- mineralizacja mokra i działanie kwasem;
- mineralizacja ze stapianiem.
Do nowocześniejszych metod mineralizacji zaliczamy:
- mineralizacje w tlenie;
- mineralizacje w plazmie (niskotemperaturowa);
- mineralizacje promieniami UV;
- mineralizacje z ultradźwiękami;
- mineralizacje ciśnieniową;
- mineralizacje mikrofalową.
Mineralizacje suchą stosujemy w procesie przygotowawczym do właściwej analizy dla próbek organicznych. Ten rodzaj mineralizacji polega na dokładnym spopieleniu materiału pochodzenia organicznego w muflowym piecu. Temperatura powinna wynosić 450-550oC. Otrzymujemy rozpuszczalny popiół, który roztwarzamy w kwasie azotowym (V) lub kwasie chlorowodorowym.
Mineralizacja mokra polega na działaniu kwasów (najczęściej dwa kwasy mineralne z dodatkiem utleniaczy). Niszczona jest w ten sposób substancja organiczna, rozpuszczeniu ulęgają uwolnione pierwiastki, wydzielana jest krzemionka. Do najczęściej stosowanych utleniaczy zaliczamy: kwas chlorowodorowy, kwas azotowy (V), kwas chlorowy (VII), nadtlenek wodoru, kwas ortofosforowy.
Mineralizacja ze stapianiem stosowana jest dla próbek, w skład których wchodzą substancje trudne w rozkładzie, nawet z zastosowaniem kwasów mineralnych. Ten typ mineralizacji polega na powolnym stapianiu próbki będącej w konsystencji proszku w grafitowym tyglu, który jest umieszczony w piecu. Pod wpływem ochłodzenia stop jest w stanie rozpuścić się w kwasie. Głownie jest to kwas solny. Jeżeli w badanej próbce znajduje się krzemionka, to musimy przeprowadzić ją do formy nierozpuszczalnej i przesączyć jednocześnie przemywając kwasem.
Mineralizacja w plazmie (niskotemperaturowa) wymaga sporego nakładu czasu. Cały proces trwa kilkanaście godzin. Strumień czystego tlenu, który jest wzbudzony w polu wysokiej częstotliwości generatora, kierowany jest na analizowana próbkę. W ten sposób wzbudzony powoduje utlenienie próbki. W tej metodzie nie dochodzi do zanieczyszczeń badanych substancji, gdyż nie jest konieczne stosowanie jakichkolwiek odczynników.
Mineralizacja w tlenie występuje w dwóch odmianach:
- mineralizacja w tlenie z zastosowaniem bomby tlenowej. W tego typu mineralizacji badaną próbkę musimy umieścić w specjalnej "łódeczce" w naczyniu ciśnieniowym. Jest to tzw. bomba tlenowa. Naczynie z kwarcu napełniamy tlenem (ciśnienie wynosi wtedy około 2-30atm). Prąd elektryczny inicjuje reakcje spalania. Ten sposób mineralizacji jest wykorzystywany w przygotowaniu próbek biologicznych oraz zawierających żywność;
- mineralizacja w tlenie metoda Schoninera z zastosowaniem specjalnego aparatu Schoningera. Ciśnienie panujące w aparacie wynosi 0,1atm. W aparacie jest obecny także roztwór pochłaniający, czyli nadtlenek wodoru lub kwas siarkowy (VI). Ten rodzaj mineralizacji stosowany jest w przygotowaniu do analizy próbek pochodzenia roślinnego. Analiza ma na celu oznaczaniu pierwiastków głównych.
Mineralizacja promieniowaniem UV polega na kierowaniu światła mineralizowanej próbki, znajdującej się w naczyniu kwarcowym ultrafioletową (λ=254 nm) lampą wysoko- lub niskociśnieniową. Mineralizacja promieniowaniem UV stosujemy dla próbek ścieków, wód, napojów, płynów ustrojowych.
Mineralizacja z ultradźwiękami polega na ulokowania próbki będącej w naczynku reakcyjnym w ultradźwiękowej łaźni. Do naczyńka reakcyjnego dodajemy kwasy i utleniacze. Mineralizacja z ultradźwiękami jest wykorzystywana w roztwarzaniu próbek środowiskowych o konsystencji stałej.
Mineralizacja ciśnieniowo-mikrofalowa to "mix" dwóch metod, tj. mineralizacji ciśnieniowej z wykorzystaniem "bomby teflonowej" i mineralizacji mikrofalowej. W metodzie mineralizacji ciśnieniowo-mikrofalowej wykorzystywana jest substancja mineralizująca. Ważnym przyrządem jest generator mikrofalowy- magnetron. Gdy substancje stapiamy z solami metali, to wykorzystana jest energia chemiczna i cieplna. W przypadku mineralizacji ciśnieniowo- mikrofalowej mamy do czynienia z oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego. Częstotliwość takiego promieniowania wynosi 2450 MHz. Wytwarzane jest ciepło, które jest wykorzystywane w reakcjach chemicznych powodujących rozkładanie się próbki. Energia wytworzona w wyniku promieniowania mikrofalowego jest absorbowana przez cząstki polarne, takie jak: kwasy nieorganiczne, woda. Promieniowanie to jest lepszym źródłem ciepła niż w przypadku klasycznej konwekcji bądź przewodnictwa cieplnego. Przede wszystkim jest szybsza i skuteczniejsza. W mineralizacji ciśnieniowej próbka reaguje z mineralnymi kwasami w wysokiej temperaturze w bombie teflonowej (zamknięte naczynie teflonowe). Dzięki wydzielającemu się ciśnieniu stosowane są wysokie temperatury. Czas reakcji dzięki temu jest krótszy. Naczynie teflonowe umieszczamy w metalowej ciśnieniowej obudowie. Może być ogrzewane mikrofalowo. Ciekawym rozwiązaniem jest układ mający na celu kontrolować temperaturę. Bardzo istotną rzeczą do zapamiętania jest to, że naczynia, które są stosowane w mineralizacji mikrofalowej są wykonane ze specyficznego materiału (szkło kwarcowe, teflon). Są przepuszczalne dla mikrofalowego promieniowania. Teflon i szkło kwarcowe jest odporne na działanie mocnych kwasów. W mineralizacji ciśnieniowo-mikrofalowej reakcje rozkładu przebiegają w naczyniu teflonowym, ewentualnie kwarcowym (może zastosować wtedy bardzo wysoka temperaturę). Naczyńko to ma objętość od 30 do 250ml. Umieszczone jest w płaszczu stalowym, do którego doprowadzana jest energia mikrofalowa. Promieniowanie mikrofalowe dosyć szybko podgrzewają układ reakcyjny. W urządzeniu takim musi być zainstalowany miernik temperatury oraz system zabezpieczeń przed bardzo wysokim ciśnieniem.
Mineralizacja mikrofalowa jest bardzo dobra metodą do mineralizacji różnego rodzaju próbek. Warunki prowadzenia mineralizacji mikrofalowej uzależnione są od późniejszej stosowanej metody analitycznej. W tego rodzaju mineralizacji stosujemy różne substancje mineralizujące, różną moc promieniowania mikrofalowego oraz różny poziom ciśnienia. Stosowanie mineralizacji mikrofalowej niesie ze sobą wiele korzyści. Najważniejsze zalety mineralizacji mikrofalowej to:
- mało skomplikowany sposób wykonania;
- znakomita powtarzalność;
- dosyć krótki czas przebiegu procesu;
- po mineralizacji mikrofalowej możemy oznaczyć metale ciężkie w dużym zakresie stężeń;
- zużycie odczynników w mineralizacji mikrofalowej jest niewielkie;
- mogą być mineralizowane małe próbki, nawet do 100mg;
- nieskomplikowane dostosowanie parametrów wpływających na przebieg mineralizacji (rodzaj kwasu, ciśnienie, natężenie generatora);
- możliwość całkowitego rozkładu próbek pochodzenia organicznego i nieorganicznego.
Do wad mineralizacji mikrofalowej możemy zaliczyć wysoka cenę aparatu oraz wysokie koszty eksploatacji.
2. Potencjometria bezpośrednia. Elektrody jonoselektywne
W ostatnim stuleciu miał miejsce duży rozwój przemysłu. Zycie człowieka stało się prostsze. Wraz z działalnością przemysłową człowieka wzrosło także zanieczyszczenie wód, gleb, powietrza. Część szkodliwych związków kumuluje się w żywych organizmach pochodzenia zwierzęcego, ale i także roślinnego. Niestety niektóre kumulowane substancje wykazują działanie chorobotwórcze, a nawet toksyczne. Nie są to nowe pierwiastki. W normalnych ilościach ich obecność w środowisku nie jest szkodliwa. Występowanie jednak w nadmiernej ilościach powodują stany chorobowe organizmów żywych. Produkty spożywcze codziennie spożywane mogą zawierać takie substancje. Skażenie środowiska toksycznymi substancjami powoduje obumieranie roślin, obniżanie ich wartości odżywczej. W ten sposób człowiek także jest zagrożony działaniem tych substancji, poprzez spożywanie skażonej roślinności.
Metale możemy na rożne sposoby analizować w badanych próbkach. Wybór określonej metody analitycznej zależy od rodzaju analizowanej próbki, formy występowania badanego metalu oraz jego ilości w próbce. Innymi bardzo istotnymi aspektami, na które trzeba zwrócić uwagę podczas wyboru metody analitycznej jest dolna granica oznaczalności, koszt przeprowadzonego badania, czas potrzebny do przygotowania badanej próbki, prostata stosowanej metody. Materiał obecne jest analizowany z wykorzystaniem metod spektroskopowych, tj. atomowa spektroskopia fluorescencyjna, atomowa spektroskopia absorpcyjna, atomowa spektroskopia emisyjna, spektroskopia wykorzystująca promieniowanie rentgenowskie, spektroskopia masowa. Wykorzystywane są także metody elektroanalityczne takie jak: woltamperometria, potencjometria. W niżej opisanym doświadczeniu będzie wykorzystana metoda potencjometryczna. W tego rodzaju metodach wykorzystujemy zachodzącą zależność pomiędzy aktywnością oznaczanego jonu a potencjałem elektrody, tzn. elektroda wskaźnikową, która jest zamoczona w badanym roztworze. Oczywiście potencjału nie jesteśmy w stanie zmierzyć, dlatego stosujemy pomiar siły elektromotorycznej ogniwa, którego półogniwem jest elektroda wskaźnikowa, której potencjał jest uzależniony od stężenia jonu oraz elektrodę porównawczą, której potencjał jest stały. Obydwa półogniwa są elektrycznie połączone z badanym roztworem. Metoda analityczna polegająca na oznaczaniu potencjometrycznemu można wykonać na dwa sposoby, tzn. sposobem pośrednim i bezpośrednim. Oznaczanie potencjometryczne bezpośrednie polega na oznaczaniu stężenia na podstawie siły elektromotorycznej ogniwa. Kalibracje ogniwa dokonano przy pomocy próbek wzorcowych. Oznaczanie potencjometryczne pośrednie polega na miareczkowaniu potencjometrycznemu (potencjometryczna detekcja punktu końcowego). W tego rodzaju metodzie analitycznej wyznaczamy zmianę siły elektromotorycznej ogniwa spowodowane powolnym i dokładnym dodawaniem mianowanego roztworu miareczkującego. Biorąc pod uwagę wartość zmiany siły elektromotorycznej jesteśmy w stanie wyznaczyć wartość punkt końcowy miareczkowania, zaś stężenie oznaczanego składnika obliczamy z ilości wykorzystanego do miareczkowania tirtranta. Najważniejsze w pomiarach potencjometrycznych są elektrody. Elektrody możemy podzielić ze względu na rodzaj działania. I tak mamy: elektrody pierwszego, drugiego i trzeciego rodzaju, elektrody utleniająco-redukujące.
Warto zapoznać się działaniem elektrody wskaźnikowej. Ten typ elektrody odgrywa rolę w regulacji zmiany potencjału związanego z obecnością jonów obecnych w badanym roztworze. Oczywiście na ten rodzaj jonów elektroda musi być wrażliwa. Do elektrod wskaźnikowych należą elektrody jonoselektywne (elektrody membranowe). W skład tych elektrod wchodzi ciekła lub stała membrana. Potencjał elektrody jonoselektywnej jest równy potencjałowi na granicy faz roztwór membrana oraz potencjał dyfuzyjny (związany z procesami zachodzącymi w pracującej membranie- części kontaktującej się z badanym roztworem). Potencjał elektrody w skład której wchodzi membrana krystaliczna mają wpływ różnorodne jony, które tworzą trudno rozpuszczalne związki sadzające się na membranie. Elektroda jonoselektywna może być z wymieniaczem jonowym oraz membraną jonowa zbudowana z krystalicznej substancji.
Elektrody porównawcze (elektrody odniesienia) to elektrody, które podczas pomiaru charakteryzują się stałym potencjałem. Potencjał takich elektrod w żaden sposób nie jest uzależniony od stężenia substancji badanej. Najbardziej znana elektrodą tego typu jest elektroda chlorosrebrowa. Schemat tej elektrody wygląda następująco: (Ag/AgCl/KCl). Półogniwo musi być umieszczone w roztworze chlorku potasu/ Chlorek potasu pełni rolę elektrolitu odniesienia. Potencjał tego półogniwa w temperaturze 25oC wynosi +197mV.
Przebieg doświadczenia
Odczynniki:
- kwas azotowy (stęż), 50% wodorotlenek potasu, 2M KNO3, roztwór miedzi (1000mg Cu/l).
Naczynia laboratoryjne:
- kolby miarowe na 50ml i 25ml, zlewki na 50ml, malutkie naczyńka wagowe, pipety na 0,5, 1, 1,5ml, cylinder miarowy, wkraplacz, naczynie teflonowe.
Sprzęt:
- mineralizator mikrofalowy Plazmatronika (Uni Clever), młynek udarowy, miernik uniwersalny.
Pobieramy reprezentatywną próbkę roślinną przeznaczoną do analizy. Następnie próbkę musimy pociąć i wysuszyć w 120oC. Wszystkie próbki należy zemleć w młynku, zważyć na wadze analitycznej (około 1g) i zmineralizować. Mineralizacja jest przeprowadzana w mineralizatorze mikrofalowym Plazmatronika (Uni Clever). Dodajemy 6ml kwasu azotowego i wybieramy odpowiednia procedurę mineralizacji.
Do pięciu kolb miarowych na 50ml sporządzamy roztwory wzorcowe, które zawierają miedź. Stężenie tych roztworów wynosi odpowiednio: 100,0; 10,0; 1mg/l. Dlatego też do odpowiednich kolb należy odmierzyć pipetą porcje roztworu miedzi. Roztwór podstawowy miedzi ma stężenie 1000mg/l. Roztwory wzorcowe miedzi o stężeniu 0,1;0,01mg/l wykonujemy przez rozcieńczenie wcześniej przygotowanego roztworu miedzi o stężeniu 1mgCu/l. Roztwory rozcieńczamy do kreski wodą dwukrotnie destylowaną. Ochłodzony roztwór po mineralizacji przenosimy do kolby miarowej na 25ml. Później dodajemy 1,5 ml 50% roztworu wodorotlenku sodu. Uzyskany roztwór po mineralizacji jest zalkalizowany. pH takiego roztworu powinno wynosić około 3-7. Roztwory rozcieńczamy do kreski wodą dwukrotnie destylowaną. Pipeta na 10ml odmierzamy odpowiednia ilość wzorca i przenosimy do zlewek. Później dodajemy 2M KNO3, który pełni funkcje bufora. Dokonujemy pomiarów na aparacie EMU z użyciem programu do potencjometrii bezpośredniej. Wykonujemy wykres kalibracyjny. Stężenie miedzi w badanej próbce wyznaczamy w następujący sposób: roztwór rozcieńczamy do kreski wodą dwukrotnie destylowaną. Pipeta na 10ml odmierzamy odpowiednia ilość badanej próbki analitu i przenosimy do zlewki. Później dodajemy 2M KNO3, który pełni funkcje bufora. Dokonujemy pomiarów na aparacie EMU z użyciem programu do pomiarów bezpośrednich. Stężenie miedzi obliczamy z równania krzywej. Należy uwzględnić odważkę analizowanej próbki oraz objętość próbki.
