Chemia analityczna. Podejście praktyczne - E. Hywel Evans, Mike E. Foulkes
«
»
Reflow text when sidebars are open.
Wiedza i umiejętności
Po przeczytaniu tego rozdziału, zapoznaniu się z ćwiczeniami i problemami oraz przejrzeniu uwag, powinieneś być w stanie:
1. zrozumieć sześć kroków prowadzących do rozwiązania problemu analitycznego, 2. zdefiniować, czym jest problem analityczny, 3. opracować zarys strategii rozwiązania problemu, która może zostać zastosowana w chemii analitycznej.Prawdopodobnie wszystkim nam znane są dramatyczne wersje kryminalnych historii pokazywanych w telewizji, z laboratoriami zajmującymi się rozwiązywaniem problemów w ich tle. W historiach tych istnieje pozornie łatwy przepływ informacji pochodzący zarówno ze śladów pozostawionych na miejscu zdarzeń, jak i z dowodów rzeczowych. W szkole lub na uniwersytecie, gdzie kurs chemii wymaga od studenta przeprowadzenia analizy danego materiału, zwykle odbywa się to w kontrolowanych warunkach i gdy problem jest dobrze zdefiniowany, a procedury jasno określone. Dość często ma to na celu zademonstrowanie konkretnej techniki analitycznej lub wskazanie na dany aspekt chemii. W prawdziwym życiu taki stan rzeczy, jeśli w ogóle, spotykany jest niezwykle rzadko, a każdy etap rozwiązywania problemu analitycznego wymaga zadania szeregu właściwych i dobrze przemyślanych pytań. Mimo że w dzisiejszych czasach chemicy analitycy coraz częściej są zaangażowani w prace przemysłowe, środowiskowe, kliniczne i inne, to rozwiązanie każdego z tych problemów wciąż zaczyna się i polega na zadawaniu sobie właściwych pytań w trakcie trwania całego procesu analitycznego.
Analityk często musi sformułować rozwiązanie problemu, które pochodzi z zadanych wcześniej dwóch lub więcej pozornie różnych, ale powiązanych ze sobą pytań. Rozważmy następujące pytanie: Czy próbka wody z odwiertu, pobrana z mojej działki, jest zdatna do picia? A teraz porównajmy je z następnym pytaniem: Czy poziom azotanów w pobranej przezze mnie próbce wody gruntowej jest powyżej maksymalnego zalecanego stężenia azotanów w wodzie pitnej według przyjętych norm? Drugie pytanie odnosi się do pierwszego, ale jest zdecydowanie bardziej złożone. Analizując oba pytana, można śmiało stwierdzić, że podejście przyjęte w celu udzielenia odpowiedzi na oba z nich i zapewnienia rozwiązania problemu analitycznego w każdym przypadku będzie zawierało się w podobnych ramach.
Ramy te, lub inaczej podejście analityczne1, to logiczna seria kroków, które należy wykonać w celu odpowiedzi na pytania, takie jak: Ile antymonu jest w wodach mineralnych zawartych w plastikowych butelkach?, Czy poziom dwutlenku siarki emitowanego z elektrowni zasilanej gazem przekracza ustalone limity?, a nawet, jak już wcześniej wspomniano Czy ta próbka wody nadaje się do picia? Podczas gdy nacisk na każdy z tych kroków różni się w zależności od dostępnych źródeł literaturowych, ogólne ramy można przedstawić jako sześć kroków lub etapów.
Sześć kroków do rozwiązania problemu analitycznego to:
Zdefiniowanie problemu
Co?, Ile?, Dlaczego? oraz Jak?
Pobranie próbki
Jak zdobyć odpowiednią i reprezentatywną próbkę?
Przygotowanie próbki
Co należy zrobić, aby próbka była odpowiednio przygotowana do pomiarów analitycznych?
Pomiary
Określenie najbardziej adekwatnej dla danej próbki techniki pomiarowej oraz w jaki sposób zbierane będą dane analityczne.
Ocena
Przekształcenie uzyskanych danych z kroku 4. w wartości mierzalne możliwe do interpretacji.
Walidacja
Określenie przydatności uzyskanych danych dla całego procesu.
Aby zrozumieć istotę rozwiązywania problemu analitycznego, należy przyjrzeć się bliżej powyższym krokom. W ten sposób, w dalszych rozdziałach Czytelnik otrzyma krótką, ale jednocześnie rzeczową definicję podanych pojęć. Rozwiązując problem analityczny krok po kroku, należy najpierw zdefiniować problem.
Czyli Co?, Ile?, Dlaczego? oraz Jak?
W tym miejscu analityk musi naprawdę uważnie rozważyć serię ważnych pytań, które powinny następować jedne po drugich. Pierwsze dwa pytania dotyczą tego "co ma zostać zmierzone?" oraz "dlaczego należy to zmierzyć?". Na podstawie odpowiedzi na te dwa proste pytania, pojawi się wiele dalszych, bardziej dociekliwych pytań, które, miejmy nadzieję, dostarczą analitykowi wymaganych informacji; oznacza to, że analityk będzie w stanie sam zdefiniować problem analityczny, przyczynę przeprowadzanych analiz oraz właściwości próbki, które mają zostać określone. Pytanie "w jaki sposób?" jest faktycznie skierowane do analityka, który musi rozważyć kwestię: "jak powinienem rozwiązać ten problem analityczny w bezpieczny i możliwy do oceny sposób?". Odpowiedź na to pytanie pomaga zbudować pierwsze ramy dla wszystkich kolejnych kroków.
Jako przykład może posłużyć przyjrzenie się pytaniu dotyczącego cukierków, czyli "Ile naturalnych barwników spożywczych znajduje się w każdym z ośmiu różnych cukierków?". Na pytanie "Co?" została częściowo udzielona odpowiedź: interesujący nas analit to różne barwniki spożywcze stosowane w ośmiu kolorach cukierków oraz ilości każdego z nich.
Pytanie "Dlaczego?" zidentyfikuje przyczynę zaproponowanego problemu analitycznego oraz miejmy nadzieję, pozwoli na lepsze skupienie się na całym procesie. Aby na nie odpowiedzieć, należy najpierw uświadomić sobie, że wszystkie produkty żywnościowe są monitorowane i istnieją wymogi prawne dotyczące różnych ich składników m.in. barwników, zwłaszcza w materiałach cukierniczych. Dlatego naszym zadaniem będzie dostarczenie wyników pomiarów zawartości barwników obecnych w próbkach cukierków i porównanie ich z wszelkimi wymogami regulacyjnymi. Przyjrzymy się temu zagadnieniu w dalszych częściach rozdziału, ale już teraz możemy zauważyć, że prawdopodobnie odpowiedź na postawione przez nas pytanie "Jak?" będzie się zmieniała i rozwijała w zależności od kroku, który aktualnie podejmiemy.
Zanim przejdziemy do następnego etapu, musimy być świadomi, iż jeśli pierwszy nasz krok jest błędny i przyjmiemy nieprawidłowy scenariusz, to spowodujemy nieodpowiedni pomiar analitu i wprowadzenie ogromnych błędów w cały proces analityczny. Jeśli nie zostaną zadane właściwe pytania, a odpowiedzi nie zostaną poprawnie zinterpretowane, to praktycznie w 100% możemy być pewni, że nasz scenariusz zawiera błąd! W późniejszych rozdziałach omówione zostaną źródła tych błędów i oceniona zostanie ich wielkość w całym procesie analitycznym, natomiast teraz, aby dokończyć nasze rozważania, opierać się będziemy na założeniu, że problem analityczny został poprawnie zdefiniowany w pierwszym kroku.
Czyli o tym, jak zdobyć odpowiednią lub inaczej, "reprezentatywną" próbkę.
W tym kroku analityk ocenia warunki wymagane do pobrania odpowiedniej próbki, aby móc odpowiedzieć na pytanie(a) postawione w kroku 1. Zakładając, że właściwie zadałeś wszystkie pytania i poprawnie zdefiniowałeś problem i zagrożenia (zdrowie i bezpieczeństwo), to właśnie fizyczny etap pobierania próbek wprowadza największe błędy we wszystkich krokach i może wymagać dokładnego planowania i dużej przezorności. W celu rozwiązania problemu analitycznego z kroku pierwszego, wymagane będzie określenie pewnej formy pomiaru materiału. Aby to zrobić, analityk musi uzyskać reprezentatywną próbkę materiału, który ma zostać przeanalizowany. Przez reprezentatywną próbę rozumiemy próbkę, wynikającą bezpośrednio z planu pobierania próbek, od której można oczekiwać, że odpowiednio odzwierciedli właściwości interesującej nas populacji macierzystej2. Alternatywnie, reprezentatywną próbkę można zdefiniować jako taką, która ma identyczny skład z wyjściowym materiałem sypkim lub partią, z której została pobrana3. W rezultacie właściwość, którą chcesz zmierzyć, na przykład gęstość próbki, obecność toksycznego związku lub stężenie docelowego pierwiastka, powinna być taka sama jak w oryginalnym materiale, z którego została pobrana w ramach odpowiednio określonych granic. Ta właściwość musi zatem być również stabilna w uzyskanej próbce; nie może się zmienić! Pod względem technicznym mówimy więc, że integralność próbki musi być zachowana.
Prosta próbka wodna, taka jak aromatyzowany napój niegazowany pobrany z dużej kadzi produkcyjnej w fabryce napojów, stwarza stosunkowo niewiele problemów w zakresie błędów pobierania próbek. Można uznać, że wszystkie składniki produktu do picia będą wykazywać jednorodny rozkład, jeśli kadź jest wydajnie i ciągle mieszana, tak że porcja 1 ml napoju miałaby taki sam skład jak zawartość całej 10 000 litrowej kadzi. Niestety, ten bezproblemowy przykład jest bardzo rzadki, a uzyskanie odpowiedniej próbki do analizy zależy w dużej mierze od rodzaju materiału wyjściowego i środowiska. Niektóre efekty związane z poborem próbek można zilustrować na dwóch przykładach - znanym już pytaniu o cukierki oraz nowym o musli.
Przykład 1.1
Pytanie o cukierki
Poszczególne cukierki można rozważyć jako spłaszczone sferoidy o krótszej osi długości ok. 5 mm (0,2 cala) i dłuższej osi ok. 15 mm (0,6 cala). Występują w ośmiu kolorach: czerwonym, pomarańczowym, żółtym, zielonym, niebieskim, fioletowym, różowym i brązowym, a każdy z cukierków może zostać uznany jako taki o równym rozmiarze, kształcie, masie i gęstości - na myśl może przyjść tu Czytelnikowi słynna marka, ale inne produkty są również do nabycia. Ponieważ każdy z nas ma swój ulubiony kolor, to od razu nasuwa się wybór ulubionego cukierka. Możemy nawet, po spożyciu całej paczki cukierków, wykonać nienaukowy i oczywiście, stronniczy szacunek jej zawartości, na przykład, w tym opakowaniu nie było tak wielu niebieskich cukierków, co zwykle! Ponieważ, z wyjątkiem koloru, wszystkie cukierki są identyczne, masz jedną na osiem szans na wybranie danej opcji kolorystycznej. Ale jakie jest prawdopodobieństwo wyciągnięcia wszystkich ośmiu kolorów, w dowolnej kolejności, z zaledwie ośmiu losowań, z większości powiedzmy 512 cukierków w słoiku, zawierających 64 z każdego koloru? Dodatkowo, jeśli każdy cukierek waży średnio 1,3 g, to jakie kolory wybierzesz, jeśli wylosujesz najpierw 20,8 g, a następnie 52,0 g ze swojego materiału wyjściowego zawierającego 512 cukierków? I wreszcie, jeśli każdy cukierek ma masę od 1,2 do 1,4 g, to jaką faktyczną naważkę próbki dostaniesz, jeśli znana jest próbka podstawowa, i jakie kolory zawiera każda z nich, jeśli odważysz 10 kolejnych próbek, każdą po 52 g ze źródła masowego 512 cukierków? Warto w tym miejscu zauważyć, że pobieranie próbek oparte na populacji (liczbie jednostek) z jednej strony i masie z drugiej może dostarczyć pewnych interesujących różnic.
Na potrzeby naszego przykładu pobierania próbek (cukierków) i rozwiązania problemu, który przedstawiono w kroku 1, czyli ile naturalnego barwnika spożywczego znajduje się w każdym z ośmiu różnych cukierków?, podzielimy nasze źródło 512 cukierków na 8 mniejszych partii, gdzie każda partia ma 64 cukierków tego samego koloru. Z każdej partii losujemy 12 cukierków, a cały proces powtarzamy jeszcze cztery razy, tak aby każda pojedyncza partia generowała pięć mniejszych podzbiorów próbek. Pod koniec procesu mamy 40 podzbiorów próbek z pięcioma powtórzeniami każdego koloru. Każda replika jest identyfikowana przez unikalny numer, gotowy do przygotowania w następnym kroku (rys. 1.1).
Rys. 1. 1. Schemat pokazujący proces pobierania próbek dla przykładu 1.1
PRZYKŁAD 1.2
Wyzwanie musli
Z entuzjazmem konsumujemy płatki śniadaniowe, a jedną z tak zwanych zdrowych opcji w zbilansowanej diecie są mieszanki musli. Na rynku znajduje się wiele odmian musli "owoce i orzechy" w postaci płatków owsianych pełnoziarnistych, pszenicy i jęczmienia, nasion słonecznika i suszonych owoców, takich jak sułtanki i rodzynki, morele, daktyle i jabłka oraz orzechy, np. orzechy laskowe, orzechy włoskie, migdały, orzechy brazylijskie oraz kokosowe. Etykieta na opakowaniu określa procent wagowy składników wraz z informacjami żywieniowymi.
Każdy ekspert poinformuje Cię, że etykietowanie jest bardzo ważną częścią prezentacji produktów żywnościowych4, a więc etykiety muszą spełniać pewne kryteria - muszą być jasne, nie wprowadzać konsumenta w błąd oraz zawierać wykaz składników, jeśli jest ich dwa lub więcej. Istnieje również wymóg ujawnienia ilości składników w kolejności malejącej dla niektórych towarów. Według naszej receptury podanej powyżej, w mieszance musli możemy się spodziewać do 14 lub 15 różnych składników. Każdy ze składników ma inny rozmiar, kształt, gęstość i skład, czyli tworzą one bardzo heterogenną mieszaninę, czyli taką, która zmienia się w całym zakresie. Teraz, biorąc pod uwagę, że 14 lub więcej głównych składników może wahać się od 25% do 2% wagowo, a cząstki mogą mieć wielkość od 20 mm do 2 lub 3 mm, przy różnym kształcie i gęstości, możliwość poboru próbki reprezentatywnej staje się nie lada wyzwaniem. Wyobraź sobie zadanie polegające na sprawdzeniu zakładanej zawartości 2% rodzynek w musli marki supermarketowej - ile próbki muszę wziąć, aby była reprezentatywna i ile z tych próbek powinienem wziąć, aby wykazać, że są one powtarzalne?
Teraz oczywiste jest, że jeśli weźmiemy mniejszy zbiór próbek z większego źródła masowego, możemy łatwo wprowadzić błędy pobierania próbek. Musimy być ostrożni w określaniu, w jaki sposób pobierana jest próbka, aby mogła być uznana za reprezentatywną. Będzie to tematem naszego następnego rozdziału. W końcu, jeśli nie możesz pobrać próbki z materiału masowego lub źródłowego, który odzwierciedla wymagane właściwości do pomiaru, to czy warto w ogóle przejmować się analizą?
Czyli o tym, co należy wykonać, aby pobrać próbkę w odpowiedniej formie gotowej do pomiaru.
Na tym etapie analityk musi ocenić procedury niezbędne do przygotowania próbki, aby była gotowa do pomiaru. Zakładając, że uzyskano odpowiednią reprezentatywną próbkę, analityk musi upewnić się, że analit będący przedmiotem zainteresowania (lub jego właściwość) jest w stabilnej postaci odpowiedniej do proponowanej techniki pomiaru, która ma być zastosowana. Próbki mogą być ciałami stałymi, cieczami lub gazami - albo w pojedynczej próbce występuje mieszanina wszystkich trzech. Niezależnie od formy i składu, reprezentatywna próbka musi zostać przetworzona tak, aby mierzona właściwość w materiale źródłowym nie została utracona lub zmieniona, to znaczy aby zachowana została integralność próbki. Należy to wziąć pod uwagę, ponieważ wiele technik pomiarowych wymaga, aby stan fizyczny przetworzonej próbki miał określoną postać, często próbka musi być na przykład w stanie ciekłym. Ponadto, metoda przygotowania próbki zależy od późniejszej techniki pomiaru, która musi umożliwiać pomiar właściwości na poziomie, jaki jest w przygotowanej próbce. Powrócimy teraz do naszych próbek cukierków i rozważymy wyzwanie analityczne, które sobie postawiliśmy: identyfikację niektórych naturalnych dodatków do żywności używanych do uzyskiwania różnych kolorów i określenia ich stężenia. Poszczególne rodzaje cukierków zawierają naturalne barwniki spożywcze5, bo barwione są cytrynami (barwa żółta), rzodkiewką (czerwona), spiruliną (niebieska), szafranem (żółty), czarną marchewką (purpurowa), rośliną Hibiskus sabdariffa (czerwona) i czerwoną kapustą (czerwona). Każdy z nich zawiera różne związki, które dają początek kolorom, które widzimy. Dlatego, w zależności od materiału źródłowego, możemy szukać karotenoidów, antocyjanów, safranin lub fikocyjanin. Niektóre z tych związków są rozpuszczalne w wodzie, a niektóre nie, i aby upewnić się że wyodrębnimy wszystkie naturalne barwniki z każdego cukierka, należy otrzymać oddzielne podzbiory próbek, każdą zawierającą 12 cukierków jednego koloru i przejść dwuetapowy proces ekstrakcji, wg schematu pokazanego na rysunku 1.2.
Rys. 1.2 Schemat przedstawiający proces przygotowania próbki dla kolorowych cukierków pobranych w przykładzie 1.1
Czyli o określeniu właściwej techniki pomiarowej, którą należy zastosować, warunkach jej zastosowania i generowaniu podstawowych danych.
W tym kroku analityk identyfikuje szczegóły technik i metod, które mają być użyte w procesie pomiaru, a następnie je wykorzystuje. Obejmuje to konkretne oprzyrządowanie wraz z wszelkimi warunkami pracy i procedurami gromadzenia danych, które mają być zastosowane. Analit, który ma być zmierzony, jest tu oczywiście celem, dlatego konieczne jest przeprowadzenie pomiaru jakościowego w celu jego prawidłowej identyfikacji i pomiaru ilościowego w celu określenia, jaka jest jego ilość. Podczas tego procesu analityk musi wziąć pod uwagę odpowiednie pytania dotyczące selektywności i czułości. Czułość to zmiana sygnału na jednostkę zmiany ilości analitu. Wartość ta wpływa na to, jak małe stężenie może być wykryte (innym czynnikiem jest hałas, jak opisano w rozdziale 9). Im bardziej selektywna jest technika celowania w analit, tym lepiej, ponieważ często zmniejsza to zakłócenia w pomiarze. Niektóre techniki są bardziej czułe niż inne, dlatego ważne jest, aby określić, czy wybrana technika jest wystarczająco czuła, aby zmierzyć analit w przygotowanej próbce i czy ma odpowiedni zakres liniowy. Walidacja przy użyciu odpowiedniego referencyjnego lub certyfikowanego materiału referencyjnego (CRM) powinna również być uwzględniona w tym etapie.
Sposób wykonania tego kroku jest szczegółowo opisany w rozdziałach 4 i 5.
Czyli o pobieraniu danych z etapu pomiaru i przekształcaniu ich w wartości.
W tym kroku dane uzyskane w kroku czwartym są przekształcane w wartości, które są przydatne, to znaczy mogą być wykorzystane do oceny, aby pomóc rozwiązać pierwotny problem. Skorygowane wartości zostają opracowane dla wszystkich etapów rozcieńczania. W związku z tym, dane pomiarowe zostałyby przywrócone do tej właściwości oczekiwanej w oryginalnej reprezentatywnej próbce, czy to w postaci stałej, cieczy czy gazu. Konieczna jest także ocena wielkości możliwych zakłóceń i niepewności metodologicznej i rozważenie ich na tym etapie, ponieważ jak zauważyliśmy, żadna technika analityczna nie jest wolna od interferencji!
Omówiono to bardziej szczegółowo w rozdziałach 5, 6 i 8. Na koniec powinieneś uzyskać niezbędne informacje na temat właściwości analitu w oryginalnym źródle lub materiale źródłowym.
W tym kroku analityk przygląda się całemu procesowi, który został podjęty, oryginalnemu problemowi do rozwiązania, wymaganiom analizy (dlaczego? i co?) i krytycznie ocenia go, pytając: "Czy ukończyłem, z odpowiednią pewnością statystyczną, to co postanowiłem zmierzyć i ocenić?". Jeśli konieczne jest porównanie zestawu wartości obliczonych dla próbek z dowolnymi wartościami regulacyjnymi lub orientacyjnymi, analityk zrobiłby to za pomocą odpowiednich testów statystycznych oraz biorąc pod uwagę ograniczenia nałożone w sekcji oceny. Analiza wszelkich zmian, które wynikają z pomiarów próbek (zmiany przestrzenne i/lub czasowe), zostałaby tutaj uwzględniona. Jeżeli istnieją ograniczenia, z jakiegokolwiek powodu (np. błędy pobierania próbek, dokładność, precyzja, zakłócenia), wówczas przydatność ich do tego celu powinna zostać krytycznie omówiona i umieszczona w kontekście całego procesu analitycznego. Zostanie to opisane w rozdziałach 7-9.
Wszystkie wymienione kroki przedstawiono w formie schematu na rysunku 1.3, aby zademonstrować przebieg procesu analitycznego.
Rys. 1.3 Schemat przedstawiający ogólny proces analityczny
Jeśli teraz powrócimy do pytania o cukierki i zastanowimy się nad pierwotnym pytaniem: "Ile naturalnych barwników spożywczych znajduje się w każdym z ośmiu różnych cukierków?", to warto zauważyć, że musielibyśmy wziąć ponad pół kilograma próbki z ponad 18 pakietów w celu uzyskania ok. 40 próbek lub naważek do analizy. Każdy z ośmiu kolorów ma pięć powtórzeń, a w każdej powtórzonej próbce znajduje się 12 cukierków. Te naważki są każdorazowo ekstrahowane dwiema metodami znanymi z rozpuszczania naturalnych barwników, a rodzaje i ilości obecnych barwników są mierzone, obliczane z powrotem w oryginalnych próbkach i porównywane ze standardami i wymogami regulacyjnymi za pomocą testów statystycznych.
Zanim przyjrzymy się różnym etapom pobierania próbek, aby bardziej szczegółowo ocenić dane, w kolejnych rozdziałach warto jeszcze raz wrócić do naszego pierwotnego kroku w podejściu analitycznym: określenie problemu i badanego obiektu.
Przyjrzeliśmy się już pytaniom "co?" i "dlaczego?" i zadaliśmy sobie pytanie "co mierzymy i dlaczego to mierzymy?". Oczywiście, te podstawowe informacje są ważne i powinny być znane z wystarczającą szczegółowością, aby możliwe było uzyskanie odpowiedzi na trzecie pytanie: czy dwie podane właśnie odpowiedzi mają sens, tzn. czy są logicznie powiązane? To pytanie może wydawać się dziwne, ale w rzeczywistości jest to pytanie krytyczne.
Zanim przejdziemy dalej, powinniśmy ustalić uzgodniony termin na to, co ma być mierzone. Rozważmy przypadek, w którym próbka wody ze zbiornika rybnego jest wysyłana do laboratorium analitycznego z prośbą o pomiar poziomu azotanów. W tym przypadku "co" jest azotanem i nazywamy to analitem. Jest to termin, który będzie się powtarzał w tej książce, więc dobrze jest teraz umieścić go w pamięci.
Następnie analityk zadaje pytanie "dlaczego", dlaczego poziom azotanów ma zostać zmierzony? Odpowiedź: ponieważ wiele egzotycznych ryb tropikalnych zmarło w tej wodzie. Analityk ponownie pyta "dlaczego"; dlaczego podejrzewają, że azotan jest problemem (jest toksyczny)? Odpowiedź: ponieważ po szybkim sprawdzeniu przez właścicieli akwarium całkowitej zawartości azotu w wodzie, okazało się, że wynosi ona ok. 5 mg - L -1. Analityk wykonuje teraz szybkie obliczenia w swojej głowie i zauważa, że całkowita zawartość NO3- możliwa od 5 mg - L-1 całkowitej zawartości azotu będzie wynosiła tylko nieco ponad 22 mg - L-1. Jest to wartość niewystarczająca do spowodowania śmiertelnego środowiska dla ryb.
Jednak analityk wie, że gdyby całkowita zawartość azotu była obecna w formie jonów amonowych (NH3/NH4+) lub azotynowych (NO2-), mogłoby to stworzyć znacznie bardziej toksyczne środowisko i ich pomiar byłby logicznie uzasadniony. Ponadto obecność i poziomy NH3/NH4+ oraz NO2- informowałyby również hodowcę ryb egzotycznych o warunkach, które tworzą toksyczne środowisko i co należy zmienić, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu tego zjawiska. Efekt byłby miarą wartości dodanej, a wszystko dlatego, że zadawano właściwe pytania. Dlatego ważne jest, aby określić, czy potrzebujesz rozwiązania ilościowego i/lub jakościowego w rozwiązaniu problemu (koncepcje te omówiono ponownie w rozdziale 5).
Ćwiczenie 1.1. Prawidłowe pytanie?
Jesteś analitykiem w laboratorium ogólnodostępnym, a jeden z obywateli właśnie poprosił cię o spotkanie. Kiedy wchodzi do twojego laboratorium, niesie ze sobą plastikową butelkę z nakrętką, zawierającą przezroczystą, bezbarwną ciecz. Zapisz 10 najważniejszych pytań, które powinieneś zadać, po tym, jak usłyszysz: "Czy ta woda jest zdatna do picia?"
Po zakończeniu tego ćwiczenia zapoznaj się z uwagami podanymi na końcu tego rozdziału.
Ćwiczenie 1.2. Stężenie azotanów, azotynów i amonu
Korzystając z powyższego scenariusza jako przypadku do zbadania, oblicz rzeczywiste maksymalne możliwe stężenia azotanów, azotynów, amoniaku i amonu obecnych w wodzie w akwarium, biorąc pod uwagę, że całkowita zawartość azotu wynosi (a) 5,0 mg - L-1 i (b) 7,0 mg - L-1. Jak porównać te wartości z wartościami wytycznymi podanymi w wodzie pitnej i w wodzie rzecznej? Jako punkt wyjścia dla wartości wody pitnej i rzecznej, możesz skorzystać z linków: http://www.dwi.gov.uk/consumers/advice-leaflets/standards.pdf oraz https://www.water-research.net/index.php/nitrate.
Po zakończeniu tego ćwiczenia zapoznaj się z uwagami podanymi na końcu tego rozdziału.
Widzimy, że scenariusz odnoszący się do każdego przypadku powinien być przedstawiony jak najbardziej szczegółowo, aby umożliwić sformułowanie logicznego rozwiązania. Oznacza to zadawanie pytań, aż problem zostanie zdefiniowany. Tam, gdzie istnieje ważna wartość legislacyjna, regulacyjna lub doradcza związana z oceną scenariusza, wartości te należy podać na tym pierwszym etapie. Przecież te wartości będą stanowić część przyczyny analizy i, jak zobaczymy, będą również używane w innych krokach. Czwarte pytanie brzmi "jak". Jak radzić sobie z problemem analitycznym? Istnieje stare przysłowie mówiące, że "nie ma potrzeby ponownego wymyślania koła". W wielu przypadkach odkryjesz, że konkretna metoda analityczna została już opracowana przez kogoś innego i opublikowana w literaturze naukowej. Dostępnych jest wiele metod, ale tylko zatwierdzone metody walidacyjne6 są preferowane (patrz rozdziały 6 i 9). Nawet jeśli istnieje wiele kroków związanych z rozwiązywaniem problemu analitycznego, może się okazać, że w niektórych przypadkach już opublikowano metody spełniające wszystkie wymagania (szczególnie te, które są uważane za zatwierdzone). Dzieje się tak często, ponieważ wspomniane wcześniej ramy regulacyjne już istnieją.
Może się również zdarzyć, że będziesz musiał połączyć więcej niż jedną metodę, aby zbudować swój proces analityczny i umożliwić rozwiązanie problemu (patrz rozdziały 6 i 9). Dlatego niektóre elementy projektu i modyfikacje mogą wpływać na twoje czwarte pytanie. Oczywiście, gdy pojawia się coś naprawdę nowego, być może będziesz musiał rozważyć każdy z kroków od początku! Ale to sprawia, że wiedza, zrozumienie i doświadczenie analityka są tak ważne.
Problem 1.1
Definicje
Podczas czytania tego rozdziału natkniesz się na wiele terminów, które nie zostały jeszcze w pełni zdefiniowane. Każda nauka ma swój własny żargon, który sprawia wrażenie, że jest to trochę inny język. Jest to szczególnie widoczne, gdy dwóch lub więcej doświadczonych naukowców omawia swój konkretny obszar tematyczny. Mając to na uwadze, musisz zdefiniować następujące słowa i wyrażenia, aby zobaczyć, jak ważne są one dla chemika analityka. [Podpowiedź: Wyszukiwarka internetowa może pomóc, ale pamiętaj, że źródła zarówno z ogólnoświatowej książki IUPAC, jak i europejskiego przewodnika dotyczącego chemii analitycznej (EuraChem) mogą być bardziej odpowiednie].
Po zdefiniowaniu poniższych pojęć zapoznaj się z uwagami podanymi na końcu tego rozdziału.
(a) Analit (b) Próbka reprezentatywna (c) Poziom regulacji (d) Poziom orientacji (e) Próbka testowa (f) CRM (g) Walidacja (h) Matryca (i) Kalibracja (j) Przedział ufności (k) Dokładność (l) Precyzja (m) Zakłócenia (n) Błędy (o) Dopuszczalne zużycie (p) Granica wykrywalności (q) Granica oznaczalności (r) Czułość (s) Normy (t) Metodologia (u) Separacja (v) Analiza jakościowa (w) Analiza ilościowaProblem 1.2
Scenariusze analityczne
Poniżej przedstawiono ponad 40 scenariuszy problemów analitycznych do wyboru. Spróbuj wybrać taki, który Twoim zdaniem będzie interesujący. W przypadku tego rozszerzonego działania konieczne będzie rozwiązanie problemu w krótkiej formie składającej się z sześciu kroków. Każdy z tych kroków rozszerza tytuł scenariusza i demonstruje część rozwiązania. Możesz sformułować własną fabułę w oparciu o tytuł lub wyszukać opublikowane źródła,
aby przedstawić rozwiązanie. Efektem końcowym powinna być logiczna sekwencja kroków, z których każdy ma swój własny kierunek, który brzmi jak historia naukowa i pokazuje rozwiązanie problemu.
1. Problem ścieków: mocznik w próbce wody morskiej pobranej z nadbrzeża (EA) 2. Problem żywności: rtęć w tuńczyku (FSA) 3. Problem żywieniowy: selen w naszej diecie (FSA) 4. Problem zanieczyszczenia metali: siarka w surówce hutniczej/wielkim piecu (przemysł) 5. Problem zanieczyszczenia powietrza: emisja siarkowodoru z komina spalinowego w elektrowni węglowej (wytwarzanie energii) 6. Problem kliniczny: duża zawartość sodu w próbce krwi (badania szpitalne nowego leku) 7. Problem farmaceutyczny: poziom steroidów (prednizolonu) w tabletce, oznaczenie zanieczyszczeń 8. Problem produkcji metali: poziom manganu w próbce stali nierdzewnej 9. Problem wydobycia: poziom arsenu w próbce rudy (przemysł i EA) 10. Problem gleby: pestycyd (Gamazene / HCCH) znajdujący się w glebie rolnej 11. Problem osadów: poziomy cyny w próbce z pogłębiania mariny (morskie i EA) 12. Problem roślin: fungicyd na bazie miedzi w liściach herbaty (przemysł rolny i FSA) 13. Problem naftowy: ołów w próbce benzyny z zagranicy (cła i akcyza - teraz HMRC) 14. Problem produktów zdrowotnych: krzem w próbce pasty do zębów (przemysł) 15. Problem z wypadkami przy pracy: pył zawierający bor w powietrzu w fabryce po pożarze w zbiorniku topnika LiBO4 (bezpieczeństwo pracy, HSE) 16. Problem monitorowania jądrowego: tlenek uranu w pręcie paliwowym 17. Problem ochrony środowiska: metale z grupy platynowców z pyłu drogowego w centrum miasta 18. Problem z tworzywami sztucznymi: poziomy plastyfikatora w próbce z tworzywa sztucznego (producent PVC) 19. Problem zagrożenia zawodowego: poziomy oparów ołowiu powyżej wanny do lutowania pływakowego (bezpieczeństwo pracy, HSE) 20. Problem odpadów: poziomy NH3/NH4+ w odcieku ze składowiska (problem instalacji WWT) 21. Polichlorowane bifenyle (PCB): obecność PCB w zanieczyszczonym gruncie spod nieużywanej podstacji elektrycznej (EA) 22. Poziom węglanu wapnia (wypełniacz) w danym tworzywie sztucznym: ilość wypełniacza wpływa na właściwości i stanowi problem kontroli jakości (przemysł) 23. Arsen w próbce farby: 200-letni okazały dom z zielonymi ścianami głównego holu, które prawdopodobnie zostały pomalowane arsenianem miedzi 24. Wyciek mleka z gospodarstwa mlecznego do lokalnej rzeki: podejrzewa się, że woda pochodząca z czyszczenia urządzeń do dojenia krów jest uwalniana do zbiorników wodnych i zbiera się prawdopodobnie w sąsiedniej lagunie (DEFRA i EA) 25. Miara biodostępności litu ze związku węglanu litu, stosowanego w leczeniu osób cierpiących na chorobę dwubiegunową (MRC) 26. Podejrzewa się, że dodatek do żywności E110 (żółcień pomarańczowa) jest środkiem barwiącym, obecnym w dużym stężeniu w słodyczsch dla dzieci, ale nieujawnionym (FSA i TS) 27. Poziomy srebra w tkaninie: związki srebra są używane jako biocyd do obróbki tkanin, które mogą być noszone w trudnych warunkach środowiskowych (TS i MoD) 28. Poziomy chlorków i chloru (wolnego) obecne w publicznym basenie (ochrona środowiska i PA) 29. Problem zagrożenia zawodowego: poziomy oparów rtęci w gabinecie stomatologicznym (bezpieczeństwo pracy/ochrona środowiska HSE) 30. Poziomy niektórych WWA (antracen itp.) w dymie papierosowym i skuteczność filtrów (TS i PA) 31. Poziom arsenu i kadmu w glebie działek wykorzystywanych do uprawy produktów spożywczych (EA i PA) 32. Bisfenol A w diecie: poziomy bisfenolu A z butelek z poliwęglanu (PC) dla niemowląt jako najważniejsza przyczyna narażenia niemowląt i/lub z puszek jako zagrożenie dla dorosłych i młodzieży (FSA i PA) 33. Identyfikacja i pomiar poziomu tlenku węgla z wadliwego pieca gazowego (Metropolitan Police/Crown Prosecution/HSE) 34. Pomiar poziomów antymonu w sokach owocowych i butelkach PET, które je zawierają, sprzedawanych powszechnie (HSE, FSA i PA) 35. Oznaczanie polibromowanych eterów difenylowych (PBDE; środki zmniejszające palność) w urządzeniach gospodarstwa domowego i w kurzu; stosowanie niektórych z nich zostało zakazane (HSE, TS i PA) 36. Poziomy ołowiu, kadmu i arsenu w próbce "dolomitu" stosowanego do przygotowania tabletek suplementu diety Ca/Mg (FSA) 37. Oznaczanie poziomów witaminy (A, C, D lub E) w preparacie medycznym do leczenia pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit (MHA) 38. Pomiar poziomu krzemu we krwi uzyskanej od ludzi, którzy przeszli implantację protezami zawierającymi żel silikonowy (HSE) 39. Oznaczanie poziomów glinu i glinokrzemianu w próbkach papieru błyszczącego (QC/QA) 40. Określenie skażenia makroalg (wodorosty morskie) potencjalnie toksycznymi pierwiastkami (DEFRA, FSA i PA) 41. Oznaczanie pozostałości pestycydów i modyfikatorów wzrostu na owocach i warzywach, np. Alar na jabłkach (FSA, PA i DEFRA) 42. Oznaczanie poziomów jodu/jodku w makroalgach (wodorostach) (DEFRA, FSA i PA) 43. Pomiar tributylocyny, środka przeciwporostowego dodawanego do farb i preparatów powierzchniowych do kadłubów statków, z próbki wody morskiej lub osadu (EA, TS i PA)Uwagi do ćwiczenia 1.1
Prawidłowe pytanie?
Jesteś analitykiem w laboratorium ogólnodostępnym, a jeden z obywateli właśnie poprosił cię o spotkanie. Kiedy wchodzi do twojego laboratorium, niesie ze sobą plastikową butelkę z nakrętką, zawierającą przezroczystą, bezbarwną ciecz. Zapisz 10 najważniejszych pytań, które powinieneś zadać, po tym, jak usłyszysz pytanie: "Czy ta woda jest zdatna do picia?"
Szczegóły są tutaj ważne, a następujący wybór możliwych pytań pomoże określić, co jest wymagane w tym przypadku. Na uwadze powinieneś mieć zawsze określenie bezpieczeństwa i ryzyka każdego problemu analitycznego i musisz być świadomy tego, co masz do zrobienia. Powinno to zostać zidentyfikowane na podstawie przesłuchania tak szybko, jak to możliwe [zobacz: http://www.hse.gov.uk/risk/controlling-risks.htm są tam wskazówki dotyczące procesu oceny ryzyka; przewodnik po dokumentach: http://www.hse.gov.uk/pubns/indg163.pdf].
1. Skąd pochodzi próbka [wody]? Prowadzi to do szeregu innych pytań, które mogą pokrywać się z tymi poniżej. Próbka może pochodzić z wnętrza lub z zewnątrz budynku lub z dala od budynku i z otwartej przestrzeni (rzeka, kran zewnętrzny, źródło na działce, woda z odwiertu, drenaż lądowy itp.). 2. Czy próbka pochodziła ze zidentyfikowanego źródła wody pitnej? 3. Kto zasila to źródło wody (dostawy publiczne lub prywatne)?Niektóre źródła wody są uważane za zaopatrzenie w wodę pitną i tym samym są testowane przez władze lokalne w celu sprawdzenia, czy nadają się do spożycia przez ludzi. Analityk pobierze próbki z tego źródła, wiedząc, że jest to jedyne źródło wody pitnej. Jeśli powyższe nie miało miejsca, należy zadać inne pytania:
- Możesz zapytać: "Dlaczego ta próbka musi zostać zbadana?" - Opisz, w jaki sposób pobrano próbkę. - Kiedy pobrano próbkę? - Kto wziął próbkę? - Co było wcześniej w butelce z próbką? - Czy dodano coś do pobranej próbki?AAS
absorpcyjna spektroskopia atomowa
ac
prąd zmienny
AES
emisyjna spektroskopia atomowa
AFS
atomowa spektrometria fluorescencyjna
AMS
akceleratorowa spektrometria mas
ANSI
Amerykański Krajowy Instytut Normalizacyjny
AOI
przedmiot zainteresowania
APDC
pirolidynoditiokarbaminian amonu
ASTM
Amerykańskie Stowarzyszenie Badań i Materiałów
ASV
anodowa woltamperometria stripingowa
BCR
Wspólnotowe Biuro Referencyjne
CCD
urządzenie o sprzężeniu ładunkowym
CE
elektroforeza kapilarna
CEN
Europejski Komitet Normalizacyjny
CRM
certyfikowany materiał referencyjny
CSV
katodowa woltamperometria stripingowa
CV-AAS
atomowa spektrometria absorpcyjna zimnych par
CV-AFS
atomowa spektrometria fluorescencyjna zimnych par
CZE
strefowa elektroforeza kapilarna
dc
prąd stały
DCM
dichlorometan
DDW
dejonizowana woda destylowana
DEFRA
Departament Środowiska, Żywności i Spraw Wiejskich
DNA
kwas deoksyrybonukleinowy
DSC
skaningowa kalorymetria różnicowa
DTA
różnicowa analiza termiczna
EA
Agencja Środowiska
ECD
detektor wychwytu elektronów
ED
energia dyspersji (system detekcji)
EDL
lampa z wyładowaniem bezelektrodowym
EDTA
kwas etylenodiaminotetraoctowy
EDXA
spektroskopia rentgenowska z energią dyspersji
EDXS
spektroskopia rentgenowska z rozpraszaniem energii
Eh
miara stanu redoks (utlenienie-redukcja) roztworu; potencjał substancji rozpuszczonych
EI
jonizacja elektronowa
EIE
łatwo jonizowany pierwiastek
EIMS
spektrometria mas z jonizacją elektronową
ELISA
test immunoenzymatyczny
EPA
Agencja Ochrony Środowiska
ESI
jonizacja przez elektrorozpylanie
ESI-MS
spektrometria mas z jonizacją przez elektrorozpylanie
EPR
spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego
ESR
spektroskopia elektronowego rezonansu spinowego
ETA
atomizacja elektrotermiczna
ETAAS
absorpcyjna spektroskopia atomowa z atomizacją elektrotermiczną
ETV
waporyzacja elektrotermiczna
ETV-AAS
absorpcyjna spektroskopia atomowa z waporyzacją elektrotermiczną
EU
Unia Europejska
FAAS
absorpcyjna spektroskopia atomowa z atomizacją w płomieniu
FAES
emisyjna spektrometria atomów pobudzanych termicznie
FAFS
płomieniowa atomowa spektrometria fluorescencyjna
FFF
frakcjonowanie przepływowe w polu
FI
nastrzyk przepływu
FPD
detektor płomieniowo-fotometryczny
FSA
Agencja Standardów Żywności
FT
transformacja Fouriera
FTIR
spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera
FWHM
pełna szerokość w połowie maksimum
GC
chromatografia gazowa
GC-FPD
chromatografia gazowa z detekcją płomieniowo-fotometryczną
GC-MS
chromatografia gazowa ze spektrometrem mas
HCCH
heksachlorocykloheksan
HCL
lampa z katodą wnękową
HDPE
polietylen o dużej gęstości
HG
generowanie wodorków
HG-AAS
atomowa spektrometria absorpcyjna generowania wodorków
HG-AFS
atomowa spektrometria fluorescencyjna generowania wodorków
HG-QT-AAS
atomowa spektrometria absorpcyjna generowania wodorków w kwarcowej rurze
HMRC
Urząd Podatkowy i Celny Jej Królewskiej Mości
HPLC
wysokosprawna chromatografia cieczowa
HSE
Dyrektor ds. BHP
IC
chromatografia jonowa
ICP
indukcyjnie sprzężona plazma
ICP-AES
emisyjna spektroskopia atomowa z indukcyjnie sprzężoną plazmą
ICP-MS
spektrometria mas z indukcyjnie sprzężoną plazmą
ICP-OES
optyczna spektroskopia emisyjna z indukcyjnie sprzężoną plazmą
IR
spektroskopia w podczerwieni
IRMM
Instytut Materiałów i Pomiarów Referencyjnych
ISE
elektrody jonoselektywne
ISO
Międzynarodowa Organizacja Standaryzacji
IUPAC
Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej
LC
chromatografia cieczowa
LC-MS
chromatografia cieczowa ze spektrometrem mas
LGC
Krajowy Instytut Metrologii Wielkiej Brytanii
LLE
ekstrakcja ciecz-ciecz
LOD
granica wykrywalności
LOQ
granica oznaczalności
MAC
maksymalne dopuszczalne stężenie
MALDI
laserowa desorpcja/jonizacja wspomagana matrycą
MHRA
Agencja Regulacyjna ds. Produktów Zdrowotnych i Żywności
MIP
plazma indukowana mikrofalami
MoD
Ministerstwo Obrony
MRC
Rada Badań Medycznych
MRI
obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego
MS
spektrometria mas
m/z
stosunek masy do ładunku
NIES
Narodowy Instytut do Badań Środowiska
NIOSH
Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy
NIST
Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii
NMR
spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego
NRCC
Narodowa Rada Badań Naukowych
OES
optyczna spektroskopia emisyjna
PAH
wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
PBDE
polibromowane difenyloetery
PC
poliwęglan
PCB
polichlorowany bifenyl
PET
poli(tereftalan etylenu)
PGM
metale z grupy platynowców
PMT
rura fotopowielacza
ppb
liczba części na bilion (10-9)
ppm
liczba części na milion (10-6)
ppq
liczba części na kwadrylion (10-15)
ppt
liczba części na trylion (10-12)
PTFE
poli(tetrafluoroetylen)
PVC
polichlorek winylu
QA
zapewnienie jakości
QC
kontrola jakości
QMS
system zarządzania jakością
RF
częstotliwość radiowa
RM
materiał referencyjny
RNA
kwas rybonukleinowy
RSD
względne odchylenie standardowe
SD
odchylenie standardowe
SEM
skaningowa mikroskopia elektronowa
SI
Międzynarodowy Układ Jednostek Miar
SIMS
spektrometria mas jonów wtórnych
SPE
ekstrakcja do fazy stałej
SPME
mikroekstrakcja do fazy stałej
STEM
skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy
TEM
transmisyjna mikroskopia elektronowa
TG
termograwimetria
TGA
analiza termograwimetryczna
TIMS
spektrometria mas z jonizacją termiczną
TLC
chromatografia cienkowarstwowa
TS
Standardy Handlowe
US EPA
Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska
UV
nadfiolet
UV-vis
spektroskopia UV-vis
WD
dyspersja długości fali
WWT
oczyszczalnia ścieków
XRD
dyfrakcja rentgenowska
XRF
fluorescencyjna spektrometria rentgenowska
XRFS
rentgenowska spektrometria fluorescencyjna