Analýza anorganických látek - Průtokové metody

11. PRŮTOKOVÉ METODY

Úvod. Průtoková injekční analýza (FIA). Příklady speciálních technik. Příklady aplikací.

• 11.1 Úvod
  • 11.1.1 Průtokový systém se segmentovaným tokem (SCFA)
  • 11.1.2 Průtokový injekční systém (FIA)
  • 11.1.3 Sekvenční injekční systém (SIA)
• 11.2 Průtoková injekční analýza (FIA)
  • 11.2.1 Instrumentace
• 11.3 Příklady speciálních technik
  • 11.3.1 Rozklad vzorků
  • 11.3.2 Ředění vzorku a kalibrace
  • 11.3.3 Separační a obohacovací techniky
  • 11.3.4 FIA jako modul pro přípravu vzorků v kombinovaných technikách
• 11.4 Příklady aplikací
  • 11.4.1 Anionty
  • 11.4.2 Ionty kovů
  • 11.4.3 Stanovení specií prvků
  • 11.4.5 Aplikace z pohledu matrice vzorků

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Analýza anorganických látek, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Úvod

Neustálý rozvoj takových odvětví, jako je lékařství, farmacie, ochrana a tvorba životního prostředí, kontrola průmyslové a zemědělské produkce atd., klade stále větší nároky na provádění chemických analýz s dostatečnou přesností a správností pomocí dostupné a jednoduché instrumentace při minimální spotřebě chemikálií a vzorků. Tyto nároky splňuje většina v současnosti vyráběných automatických analyzátorů s různým stupněm automatizace provozu. Jejich postupný vývoj vedl od mechanizace jednotlivých pracovních operací až po plnou automatizaci nebo robotizaci. V počáteční fázi šlo především o uplatnění diskontinuálních analyzátorů, které věrně napodobovaly pracovní postupy. Tyto analyzátory, které jsou konstruovány na mechanických principech, nalezly široké použití především v rutinních klinických laboratořích. Jsou však velmi náročné na přesnou funkci jednotlivých pracovních operací. Jejich adaptace na jiné typy analýz a implementace separačních technik jsou obtížné.

V pozdější době nalezly podstatně širší uplatnění analyzátory založené na přesném a opakovaném dávkování analyzovaného vzorku do kontinuálního toku a následné segmentaci toku reakční směsi nemísitelnou fází (průtoková analýza se segmentovaným tokem kapaliny – SCFA) nebo plynulého toku kapaliny (průtoková injekční analýza - flow injection analysis - FIA). Vzhledem k nutnosti odstraňování nemísitelné fáze (nejčastěji segmentů vzduchu) z toku reakční směsi, její kompresibilitě, vyšší spotřebě chemikálií a vzorků postupně nacházela stále větší uplatnění jednodušší průtoková injekční analýza – FIA. Ta se vyznačuje v porovnání s SCFA především jednodušší konstrukcí, jednodušší manipulací se segmenty reakční směsi, nižší spotřebou chemikálií a vzorků a především pak vyšší variabilitou a výrazně bohatší možností adaptace široké škály separační a zakoncentrovávacích technik.

V praxi se používají různá technická řešení průtokových metod, ale všechna mají jedno společné: roztoky jsou transportovány pomocí čerpadel nebo hydrostatického tlaku v inertních hadičkách (sklo, teflon, PVDF atd.), všechny komponenty jsou spojené on-line tak, aby na konci průtokového systému bylo možno selektivně detekovat nějaký produkt chemické reakce, fyzikálně-chemického nebo fyzikálního procesu. V podstatě to znamená, že všechny kroky chemické analýzy, mnohokrát i odběr a úprava vzorku, případný separační krok a chemické reakce se uskutečňují v uzavřeném systému. Z hlediska analýzy přestavují průtokové systémy obrovský krok vpřed, protože mohu eliminovat manuální práci (pipetovaní roztoků, separační postup, míchání roztoků, vyplachovaní atp.), čímž se analytické metody z hlediska automatizace do značné míry vyrovnají současným spektroskopickým a chromatografickým metodám.

2THETA: Automatizace roztokové analýzy a) manuální postup, b) automatizovaný postup, c) kontinuální průtokový analyzátor se segmentovaným tokem (SCFA), A .- vzduch, S – vzorek, R – reakční činidlo.

Průtokový systém se segmentovaným tokem (SCFA)

Technika SCFA (segmented continuous flow analysis – kontinuální průtoková analýza se segmentovaným tokem, nazývaná také jako kontinuální průtoková analýza (CFA – continuous flow analysis) je v praxi jedna z nejstarších a nejrozšířenějších analytických průtokových metod. Metodu SCFA vyvinul Leonard Skeggs v roce 1951 pro urychlení a usnadnění analýz klinických vzorků a v laboratořích se objevil komerčně vyráběný systém firmy Technicon pod názvem AutoAnalyzer. V současnosti se používá hlavně v klinické analýze a v analýze vzorků vod, extraktů půd a hnojiv. Většinou se využívá fotometrické a potenciometrické detekce s předřazeným separátorem fází, který má za úkol odstranit z toku reakční směsi vzduchové bublinky. V některých případech, kdy jejich přítomnost neruší záznam analytického signálu (např. metody atomové spektrometrie aj.) lze pracovat i bez jeho použití. Elektrochemická měření jsou, vzhledem k přítomnosti vzduchových bublinek a rychlému sledu zón vzorků, výjimkou.

Princip metody SCFA spočívá v kontinuálním dávkování roztoku vzorku a roztoku činidla do průtokového systému, přičemž jednotlivé takto upravené vzorky jsou po dokonalém smíchání v trubičkách (sklo, teflon, PVDF aj.) o vnitřním průměru c. 1,5 mm vzájemně odděleny (segmentovány) od sebe nejčastěji vzduchovými bublinkami.

Průtokový injekční systém (FIA)

Průtoková injekční analýza (FIA – flow injection analysis) byla vyvinuta v roce 1975 Růžičkou a Hansenem v Dánsku. Na rozdíl od metody SCFA jsou roztoky přes průtokový systém čerpány v tenkých teflonových hadičkách (0,5 až 1 mm) bez vzduchových bublinek (naopak je tu velká snaha se vyhnout vzniku bublinek v systému, protože působí problémy). Proudění kapalin má převážně laminární profil.

Jednotlivé vzorky jsou od sebe odděleny roztokem reakčního činidla nebo nosného média (kapaliny nebo vody). Vzorek a reakční činidla se smíchávají v důsledku tzv. řízené disperze, t.j. využívá se laminární profil proudění, který způsobuje rozmývaní zón injektovaných roztoků a tím i jich promícháni (pro zvýšení tohoto efektu se často zařazují tzv. míchací cely nebo knotted tubes). Tato řízená disperze vede k časově přesně definovaným tvarům výsledného analytického signálu (píkům). Řízená disperse se však dá použít i na jednoduché zabezpečení potřebného, mnohonásobného zředění vzorku, což SCFA metoda neumožňuje.

Průtoková injekční analýza (FIA)

Průtoková injekční analýza (FIA) je založena na koncepci dávkování diskrétních objemů vzorků a činidel do kontinuálního nesegmentovaného toku nosiče (kapalina, směs činidel nebo vzorku), které dovoluje reprodukovatelnou tvorbu diskrétní reakční zóny vzorku a následnou chemickou reakci analytu s vhodným analytickým reakčním činidlem. Zóny jsou podrobeny přesnému a reprodukovatelnému sledu chemických operací v čase a jsou transportovány k detekčnímu zařízení. Nezbytným předpokladem pro tuto techniku je přesné a reprodukované dodržení definovaných experimentálních podmínek pro každý jednotlivý vzorek.

Vzorek je dávkován do plynulého toku nosného média, které může obsahovat reakční činidlo (přímá FIA). V případech, kdy objem vzorku není limitujícím faktorem nebo některá z komponent reakční směsi je obtížně dostupná nebo finančně nákladná, může být roztok reakčního činidla dávkován do kontinuálního toku vzorku (reverzní FIA), případně činidlo i vzorek mohou být současně dávkovány do dvou nezávislých toků nosného media a míchány ve FIA systému (merging zones FIA). Vzorek je pak podroben procesu řízené disperze v laminárním toku, přičemž tvoří typický koncentrační profil, který je zaznamenáván detekčním systémem ve formě charakteristických píků. Velikost odezvy ve formě výšky nebo plochy píků je pro stejné nebo podobné vzorky obvykle lineární funkcí koncentrace analytu ve vzorku.

Průtoková injekční analýza je charakterizována jako metoda pro aplikaci rychlých chemických reakcí, avšak vzhledem ke své vysoké reprodukovatelnosti operací může být použita i v celé řadě dalších případů. Výjimečná časová reprodukovatelnost jednotlivých pracovních operací umožňuje uplatnění i takových chemických reakcí, které byly při klasickém stacionárním uspořádání z hlediska reprodukovatelnosti pro praxi nepoužitelné.

Instrumentace

Každý průtokový analyzátor se skládá ze čtyř základních modulů, kterými jsou dopravní nebo čerpací modul, dávkovací modul, reakční modul (manifold) a detekční a vyhodnocovací modul. Kromě toho jsou obsaženy zásobníky reakčních činidel a vzorků a odpadní nádoba. Pro stanovení jediného analytu i pro vícesložkovou analýzu majoritních i minoritních koncentrací analytu v přítomnosti jediného reakčního neselektivního činidla nebo směsi vysoce selektivních činidel (multiligandová prvková vícesložková analýza) postačuje jednoduchý jednokanálový manifold. Zařízení většinou sestává z vícekanálového peristaltického čerpadla nebo dvou pístových bezpulzních čerpadel, dávkovacího ventilu, mísící komory (T-kusu, Y-kusu, „tee-screen“ kusu aj.), mísící a reakční cívky, průtokové cely detektoru (UV-VIS DAD, AAS atd.). Analytický signál z detektoru je snímán počítačem a zaznamenáván ve formě píků, jejichž výška nebo plocha je lineární funkcí koncentrace analytu.

Příklady speciálních technik

Rozklad vzorků

Průtokové metody jsou vhodné pro předpravu vzorků, a to jak pro jejich rozklad pomocí mikrovlnné energie, tak i pro UV-fotooxidační rozklad v přítomnosti silných oxidačních činidel (H2O2, K2S2O8 aj.), případně lze oba způsoby snadno kombinovat. Většinou se v takových případech používá techniky „merging zones“, kdy se zóny vzorku a reakčního činidla před vstupem do modulu pro rozklad dokonale promíchají. V případě využití mikrovlnné energie je dostatečně dlouhá reakční cívka s jednotlivými zónami směsi vzorku a digesčního činidla (silné kyseliny, louhu, aj.) zavedena do mikrovlnné pece, kde probíhá rozklad. V druhém případě je dostatečně dlouhá reakční cívka z transparentního materiálu (křemen, transparentní teflon aj.) umístěna koncentricky kolem intenzivního zdroje UV záření a pro zvýšení účinnosti je možno kolem této cívky z vnější strany umístit reflexní plochu (obalit Al folií). Nosný tok s jednotlivými zónami směsi vzorku a oxidačního činidla pak prochází cívkou po požadovanou dobu a při tom probíhá UV fotooxidační degradace. Pro urychlený odvod tepla z UV lampy je nutné celé zařízení chladit proudem vzduchu z ventilátoru, umístěného v ose zařízení. Operaci lze provádět při značném snížení nároků na čas (minuty vs. hodiny), s minimální spotřebou chemikálií a vzorků a s minimem kontaminací. Manipulace nevyžaduje velkých zkušeností, je jednoduchá a může být realizována přímo v toku nebo při tzv. zastaveném toku (stop flow operation) v případě, že rozklad probíhá příliš pomalu. Při tomto způsobu rozkladu je vesměs dosahováno dostačující efektivity a reprodukovatelnosti.

Ředění vzorku a kalibrace

Díky kontrolované a řízené disperzi v laminárním toku jsou zóny analytu velmi reprodukovatelné a koncentrace jednotlivých složek se postupně snižuje definovaným způsobem, lze této skutečnosti využít k postupnému ředění koncentrovaných roztoků pouze prodloužením mísící a reakční kapiláry. Během transportu zón v jednokanálovém uspořádání je charakter zón kontrolovaný a tedy i výsledný analytický signál časově přesně reprodukovatelný (matematicky popsatelný), této skutečnosti lze využít i ke konstrukci kalibračních křivek analytu.

Separační a obohacovací techniky

Přes výrazný pokrok v citlivosti a selektivitě poskytované moderní analytickou instrumentací hrají klasické separační a obohacovací techniky, jako například extrakce v systému kapalina-kapalina nebo kapalina-plyn, extrakce pevnou fází, sorpce na měničích iontů, srážení či spolusrážení atd. stále významnou roli, a to především v souvislosti s neustále stoupajícími nároky v oblasti stopové a ultrastopové analýzy a určování fyzikálně-chemických forem prvků (prvkové speciaci). Rovněž řešení problémů spojených s komplikovanou matricí vzorků se bez úpravy vzorků neobejde.

Mikrokolonová separace a zkoncentrování

Jednoduché jednokanálové uspořádání manifoldu pro FIA s detekcí pomocí plamenové atomové absorpční nebo emisní spektrometrie (FAAS, AES) a dalšími typy detektorů umožňuje zařazení obohacovací mikrokolonové jednotky. To umožňuje rychlé a vysoce citlivé stanovení řady prvků. Zkoncentrování na kolonách se sorbetem, ať už klasického typy měničů iontů, sorbentech chemicky modifikovaných nebo s chemicky vázanými chelatačními skupinami je jednou z perspektivních oblastí. V klasickém provedení je poměrně zdlouhavé oproti vlastnímu měření analytického signálu.

Extrakce v systému kapalina-kapalina (FIE)

Techniky separací a zkoncentrování pomocí extrakce v systému kapalina-kapalina (tzv. průtokové injekční extrakce - FIE) pracují na principu segmentace kontinuálního toku reakční směsi segmenty nemísitelného organického extrakčního rozpouštědla, které rozdělí zónu vzorku (reakční směsi) na několik separátních zón.

Techniky membránových separací a zkoncentrování

Techniky membránových separací a zkoncentrování iontových (dialýza, elektrodialýza, iontová výměna), plynných (difúze, permeace) i lehce těkavých nepolárních látek (pervaporizace) nachází stále širší použití v průtokové injekční analýza. Tyto techniky mohou být použity k separaci analytu od nežádoucích složek matrice (interferujících složek, mechanických částic, vysokomolekulárních látek atd.), zkoncentrování analytu ve stacionárním nebo pomalu proudícím akceptorovém toku a konečně i k případnému ředění vzorku nebo dávkování reakčních činidel bez nežádoucího zředění vzorku.

(Ko-)Precipitační techniky separace a zkoncentrování

Precipitační nebo koprecipitační techniky separace a zkoncentrování se využívají pro odstranění interferujících složek matrice jejich převedením na ve vodě nerozpustné sloučeniny, které se následně odfiltrují in-line filtrem. Analyt prochází filtrem beze změny a dále probíhá úprava vzorku dle požadované analytické koncovky.

FIA jako modul pro přípravu vzorků v kombinovaných technikách

Průtokové analyzátory jsou, díky širokým možnostem zařazení separačních a obohacovacích kroků, velmi vhodné jako moduly pro úpravu a přípravu vzorků v kombinovaných technikách spojujících výhody provádění všech přípravných operací před jejich nadávkováním do dalších elektromigračních či chromatografických metod. Jako příklad mohou sloužit velmi elegantní propojení průtokových metod s kapilární elektroforézou, kapalinovou či plynovou chromatografií.

Příklady aplikací

Anionty

Anionty silných kyselin (NO³¯ , NO²¯ , SO₄²¯ , PO₄³¯ atd.) lze nejjednodušeji stanovit jednokanálovým zařízením s ISE potenciometrickým detektorem. Spektrofotometrická nebo turbidimetrická detekce vyžaduje zařazení dalšího kanálu pro transport reakčního činidla a v případě složitější matrice nebo nízkých koncentrací iontů či zařazení precipitační či koprecipitační techniky ve spojení s turbidimetrickým a eventuálně i spektrofotometrickým detektorem. Anionty některých slabých kyselin (uhličitany, siřičitany, kyanidy, sulfidy atd.) lze stanovit po převedení do plynného stavu a selektivní separaci pomocí semipermeabilní membrány, Kapalný vzorek je například dávkován do nosného donorového toku, který obvykle obsahuje silnou kyselinu, která převede analyt z iontové formy do formy molekulární. Podobně lze aniony některých těkavých kyselin stanovit po zvýšení teploty donorového toku. Plynná fáze je transportována přes semipermeabilní membránu difúzí v plynném stavu nebo permeací v kondenzované formě u mikroporézních nebo neporézních membrán typu fluoroplastů nebo silikonového kaučuku. Obdobně lze stanovit např. amonné ionty, kdy je vzorek dávkován do donorového toku obsahujícího hydroxid alkalického kovu, který je převede na amoniak. Ten je v plynné fázi transportován do akceptorového toku s obsahem kyseliny a tím se převede zpět na amonné ionty.

Látka, která je separována z donorového toku je pak jímána v akceptorovém toku opačné acidity, kde se pak plynná složka převede na formu iontovou. tyto pak detekovat buď konduktometricky nebo spektrofotometricky. Vedle interferujících iontů jsou při této operaci odstraněny také veškeré mechanické nečistoty, makromolekulární látky, koloidní částice i většina substancí způsobujících zabarvení roztoků vzorků, takže odpadá složitá předúprava vzorků.

Ionty kovů

Ionty kovů lze stanovit jednokanálovým FIA zařízením pomocí plamenové fotometrie, atomové absorpční nebo emisní spektrometrie (FAAS, ETA-AAS, AES, ICP AES případně ICP MS). Pokud se použije jako nosné medium vzduch a malý objem vzorku (desítky µl), optimální průtoková rychlost a kalibrační postup, je stanovení iontů kovů obvykle rychlejší a reprodukovatelnější, než klasický manuální postup. Vedle spektrometrických technik lze v případech jednodušších matric použít i elektrochemické detekce (ISE, ampérometrická, coulometrická, potenciometrická ….).

Stanovení specií prvků

Různé valenční stavy daného prvku lze stanovit i pomocí dvou reakčních činidel s rozdílnou selektivitou vůči těmto formám.

Aplikace z pohledu matrice vzorků

Vedle širokého uplatnění FIA v analýze složek životního prostředí (pitná, odpadní, povrchová voda, vzduch, půda) se v poslední době objevují snahy o rozšíření použití v poněkud nezvyklých oblastech, jako je například procesní analýza, analýza mořské vody, kriminalistická (forenzní) analýza a dalších oblastí. Vzhledem k vysoké časové reprodukovatelnosti jednotlivých operací se dají studovat i velmi rychlé kinetické procesy, sledování nestabilních meziproduktů atd.