Univerza v Ljubljani Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerzitetni študijski program Kemija Izbirni sklop Analizna kemija Avtomatizirana analiza Seminar 2006 Predavatelj: prof. dr. Boris Pihlar Seminarska naloga je bila pripravljena v okviru študijskih obvez dodiplomskega izbirnega predmeta Avtomatizirana analiza (30-0041). Delo ni lektorirano in vsebinsko ni korigirano s strani predavatelja ali drugih univerzitetnih institucij. Avtor in institucija ne jamčita za pravilnost podatkov in navedb ter ne izključujeta možnosti, da so v objavljenem gradivu napake ali druge nepravilnosti. Gradivo predstavljeno v tem delu je avtorska lastnina, oziroma last navedenih virov, iz katerih je bilo povzeto.
OSNOVNA LITERATURA: Talanta 52 (2000) 3 11 Evaluation of different SIA sample buffer configurations using a fluoride-selective membrane electrode as detector Jacobus (Koos) F. van Staden, Raluca-Ioana Stefan, Semaghiul Birghila Department of Chemistry, University of Pretoria. Pretoria 0002, South Africa
SEKVENČNO INJEKCIJSKA ANALIZA KOT ORODJE ZA DOLOČITEV RAZLIČNIH OBLIK VZOREC-PUFER Z UPORABO FLUORIDNO MEMBRANSKE SELEKTIVNE ELEKTRODE KOT DETEKTORJA Seminarska naloga pri predmetu Avtomatizirana analiza Avtorica: Mija Osolnik Mentor: prof.dr. Boris Pihlar Ljubljana, junij 2006 3
POVZETEK Z raziskavo štirih kromatografskih vrhov različnih pufer-vzorec SIA konfiguracij, kot na primer pufer vzorec; vzorec-pufer; pufer vzorec pufer in vzorec pufer-vzorec z zadnjima dvema s sendvič SIA tehniko sta bile ocenjeni z uporabo fluoridne membranske elektrode kot detektorja. Najboljše karakteristke, obliko vrhov kot tudi izkoristek in natančnost so bile dobljene s konfiguracijo pufer-vzorec. Za nizke koncentracije je najbolj primerna sendvič SIA tehnika pri primernem pufru in ph vrednosti. Uporaba poceni elektrolita z minimalno porabo pufra, poceni in robustno tehniko je SIA metoda primerna za on-line določitev koncentracije fluorida. 4
1. OSNOVE...6 2. EKSPERIMENTALNI DEL...7 2.1. Reagenti in raztopine...7 2.1.1. Fluoridna delovna raztopina...7 2.1.2. TISAB II puferna raztopina (Total Ionic Strength Adjustment Buffer)...7 2.1.3. Fosfatna puferna raztopina...7 2.1.4. Raztopina NaCl...7 2.1.5. Priprava raztopine zobne paste...8 2.2. Aparatura...8 2.3. Opis SIA konfiguracij...9 3. REZULTATI IN DISKUSIJA...11 3.1. Optimizacija...11 3.1.1. Hitrost tekočine...11 3.1.2. Volumen vzorca...11 3.1.3. Volumen pufra...11 3.1.4. Premer in dolžina cevi...12 3.2 Odzivne karakteristike ionsko selektivne elektrode v SIA sistemu...13 3.4. Selektivnost fluoridne elektrode...14 4. ZAKLJUČEK...15 5. LITERATURA...17 5
1. OSNOVE Fluoriranje vode postaja izredno pomembno, študije vpliva fluoriranja vode na zobno fluorozo in zobni karies. Maksimalna vrednost fluorida v vodi ne sme presegati vrednosti 1,5 µg/l. Na drugi strani pa količina fluorida v zobni pasti prispeva k kvaliteti zobne paste. Za vzdrževanje kvalitetnega življenja, mora biti vsebnost fluorida v vodi in zobni pasti stalno pod nadzorom. Ionsko selektivna elektroda je primerna za direktno določitev fluorida tako v zobni pasti kot tudi v vodi. Zaradi širokega območja zaznave je primerna kot detektor tako v SIA kot tudi FIA tehniki. Leta 1900 je Ruzicka predstavil zadnji razvoj v pretočnih injekcijskih tehnikah, sekvenčne injekcijske analize. SIA je uporabna za on-line kontroliranje okoljskih parametrov. SIA tehnika je vzdržljiva, prilagodljiva in okretna za določanje več parametrov, med tem ko je FIA preprostejša in lažja za uporabljati, ima večjo proizvodnjo vzorca in je kontrolirana ročno. Dobra stran tehnike je tudi izbira ventila z različnim številom vhodnih ventilov, ki dovoljujejo različne operacije. Pri sekvenčnem pretočnem sistemu je konfiguracija komponent sledeča: peristaltična črpalka, enojni ventil s priklopi, reakcijska cev, detektor. SIA temelji na selekcijskem ventilu in zaporednim injiciranjem komponent. Dobimo kup dobro definiranih con, ki so nato injicirane skozi reakcijsko cev v detektor. Zamenjava smeri pretoka ustvari območje v katerem se vzorec in reagent premešata zaradi kombinirane aksialne in radialne disperzije. Popolno mešanje reakcijskih komponent lahko dosežemo brez potovanja celotne dolžine L, s premikanjem injekcijske cone nazaj in naprej. Vsako stopnjo mešanja in želeno dolžino reakcijskega časa lahko dosežemo z izborom dolžine in števila obrnjenih pretokov. Potreba po prepotovanju celotne dolžine kanala v eni smeri je bistvena pri klasičnem pretočnem injekcijskem sistemu in je potrebna samo zaradi prenosa vzorca iz injektorja, skozi točko mešanja do reakcisjke cevi v detektor in v odpad. V članku je predstavljena SIA tehnika kot orodje za določitev profilov štirih različnih pufer vzorec SIA konfiguracij s pomočjo ionsko selektivne elektrode kot detektorja in določitev fluorida v vodovodni vodi in zobni pasti. 6
2. EKSPERIMENTALNI DEL 2.1. Reagenti in raztopine Vsi reagenti so bili pripravljeni iz analitsko čistih kemikalij, z izjemo de-ionizirane vode, ki je bila pripravljena iz Modulab sistema (Continental Water System, San Antonio, TX). De-ionizirana voda se je uporabljala za pripravo vseh vodnih raztopin in razredčitev le teh. 2.1.1. Fluoridna delovna raztopina Osnovna standardna raztopina fluorida koncentracije 10-1 mol/l je bila pripravljena iz 4.2 g suhega NaF raztopljenega v 1 l deionizirane vode. Delovne raztopine so bile pripravljene z razredčenjem osnovne standardne raztopine. 2.1.2. TISAB II puferna raztopina (Total Ionic Strength Adjustment Buffer) Ta raztopina se uporablja za prekrivanje interferenc, ki jih povzročajo visoko naravnane ionske moči in za izogibanje kompleksnosti fluorida. Puferna raztopina je bila pripravljena iz 57 ml mrzle acetatne kisline in 58.5 g suhega NaCl, vse skupaj raztopljeno v 500 ml destilirane vode. PH raztopine je bilo potrebno uravnati na 5.5 z uporabo 5 mol/l raztopine NaOH. Tako pripravljena raztopina je bila kvantitativno prenesena v litersko steklenico in dopolnjena z deionizirano vodo do oznake. 2.1.3. Fosfatna puferna raztopina Raztopina, ki je služila kot puferna raztopina je bila pripravljena iz 71.64 g/l Na 2HPO 4*12H 2O in 27.6 g/l NaH 2PO 4*H 2O raztopljenega v deionizirani vodi. 2.1.4. Raztopina NaCl 1 mol/l raztopina NACl je bila uporabljena kot nosilna tekočina. Pripravljena iz 58.5 g suhega NaCl raztopljenega v 1 l deionizirane vode. 7
2.1.5. Priprava raztopine zobne paste 5 g vzorca zobne paste (Aquafresh) je bil odtehtan v 100 ml čašo v katero so dodali 5 ml deionizirane vode in 5 ml koncentrirane HCl ter vzorec homogenizirali. Vzorec so zapufrali s TISAB II (1:1 (v/v)). Lonček so nato za minuto postavili v vodno kopel temperature 90 C. Ko se je vse skupaj ohladilo, so vsebino iz čaše prenesli v 1 l volumetrično steklenico, ki so jo z deionizirano vodo dopolnili do oznake. 2.2. Aparatura Slika sekvenčne injekcijske analize je predstavljena na Sliki 1. Sestavljena je iz: - Gilson Minipuls peristaltične črpalke - 10 vhodnega električnega ventila (Model ECSD10P, Valco Instruments, Houston, Texas); - Orionova ionosko selektivna elektroda (Model 94-04) v kombinaciji z referenčno elektrodo (Model 90-02, Orion Research Incorporated Laboratory products Group) priklopljeno na analizator Orion Research Microprocessor Ionalyzer (Model 901). Slika 1: Shema aparature Dobljeni podatki in kontrola je bila izvršena z uporabo vmesnika PC 30-B»interface board«(eagle Electric, Cape Town, South Africa). Pridobvanje in kontrola podatkov se je izvajala z uporabo vmesnika. Za zadrževalno tuljavo in rekcijsko kolono je bila uporabljena plastična cevka iz tigon-a. 8
2.3. Opis SIA konfiguracij Sekvenčni mehanizem za en cikel SIA sistema za vsako od različnih vzorec-pufer konfiguracij je opisan kot sledi: pufer- vzorec (BS) (Tabela 1); vzorec-pufer (SB) (Tabela 2); pufer-vzorec-pufer (BSB) (tabela 3); vzorec-pufervzorec) (Tabela 4). V Tabeli 1 je prikazan mehanizem enega cikla ionsko selektivne elektrode v SIA sistemu, v zaporedju injiciranja pufer vzorec. Tabela 1: Mehanizem obratovanja SIA pri konfiguraciji pufer-vzorec (BS) Tabela 2: Mehanizem obratovanja SIA pri konfiguraciji vzorec pufer (SB) Zamenjava smeri pretoka ustvari območje v katerem se vzorec in reagent premešata zaradi kombinirane aksialne in radialne disperzije. 9
Tabela 3: Mehanizem obratovanja SIA pri konfiguraciji pufer-vzorec pufer (BSB) Tabela 4: Mehanizem obratovanja SIA pri konfiguraciji vzorec pufer-vzorec (SBS) 10
3. REZULTATI IN DISKUSIJA 3.1. Optimizacija Za zagotoviti visoko občutljivost in natančnost je potrebno optimizirati številne kemijske parametre. Optimizacija je bila opravljena z uporabo konfiguracije v zaporedju injiciranja pufer-vzorec (BS) v SIA zadrževalno tuljavo. Dobljeni optimalni pogoji so bili uporabljeni tudi pri ostalih treh konfiguracijah SB, SBS in BSB. 3.1.1. Hitrost tekočine Vpliv hitrosti tekočine na občutljivost in natančnost je bila določevana. Dobljeni rezultati so predstavljeni na Sliki 2. Za določitev optimalne hitrosti pretoka tekočine je bilo uporabljeno 270 µl vzorca za vsak cikel. Preostanek volumna je bil konstanten za vsako vrednost pretoka, kar vodi do zaključka, da pri daljših časih rabimo nižjo hitrost tekočine, in obratno za krajše čase, višjo hitrost. Za optimalno hitrost tekočine je bil določen pretok 3.61 ml/min. Slika 2: Optimizacija pretoka 3.1.2. Volumen vzorca Optimizacija tega parametra je pomembna za zagotoviti učinkovito mešanje s puferno raztopino. Preizkušani so bili različni volumni vzorca. Za optimalne delovne pogoje je bil izbran 270 µl volumen vzorca (R.S.D.=0.14%). 3.1.3. Volumen pufra Različni volumni TISAB puferne raztopine so bili izsesani v SIA sistem za določitev volumna puferne raztopine. Na sliki 3 so predstavljeni rezultati. Optimalni volumen pufra znaša 300 µl (R.S.D.=0.31%). 11
Slika 3: Optimizacija volumna puferne raztopine 3.1.4. Premer in dolžina cevi 3.1.4.1. Zadrževalna tuljava Zadrževalna tuljava služi kot zadrževalni rezervar, ki preprečuje vstop v peristaltično črpalko. Premer in dolžina cevi nista ključnega pomena za dosego dobrih rezultatov. Uporabljena je bila 3.5 m dolga (1.6 mm i.d.) cev iz tigon-a. 3.1.4.2. Redukcijska kolona Za optimizacijo redukcijske kolone so bile uporabljene različne dolžine (Slika 4) in premeri (Slika 5) reakcijske kolone. Za optimalne pogoje se je izkazala dolžina 0.3 m in 0.89 i.d.. Slika 4: Optimizacija dolžine reakcijske kolone 12
Slika 5: Optimizacija premera reakcijske kolone 3.2 Odzivne karakteristike ionsko selektivne elektrode v SIA sistemu Odzivne karakteristike za elektrodo so bile določevane s predlaganimi SIA konfiguracijami s TISAB II (ph 5.5) in fosfatnega pufra treh vrednosti ph (5.5; 6.6 in 7.6). Kot je razvidno iz tabele 5, je najboljša meja zaznave (2.03 µg/l) pri BS SIA sistemu z uporabo TISAB II in ph 5.5.Za najširše koncentracijsko delovno območje so se izkazali BS (TISAB II, ph 5.5) in SBS (TISAB II,, ph 5.5) in fosfatni pufer pri ph 6.6. Tabela 5: Odzivne karakteristike selektivne elektrode v različnih SIA konfiguracijah Korelacijski koeficient je višji od 0.99, kar je zadovoljujoče. Ker je koncentracija fluorida v pitni vodi običajno zelo nizka in težko določljiva, je pomemben parameter ločena uporaba različnih SIA konfiguracij za določanje nizkih vrednosti. Kalibracija je bila ponovljena za nizke koncentracijske vrednosti z uporabo vseh štirih SIA konfiguracij. Kar nekaj je primernih možnosti uporabe različnih SIA konfiguracij za določitev nizkih vrednosti fluorida. Za najboljše delovno koncentracijsko območje (10-8 10-6 mol/l) in mejo zaznave (10-10 10-6 mol/l) se je izkazala 13
tehnika SBS in BSB (TISAB II, ph 5.5). Najboljše rezultate daje uporaba pufra TISAB II (ph 5.5) z BS konfiguracijo, ki je primerna za določanje nizkih vrednosti. 3.3. Selektivnost fluoridne elektrode Selektivnost je bila določevana z uporabo različnih raztopin, študij vpliva možnih skupnih interferenc na odzivnost elektrode in interference ostalih ionov. Na odzivnost elektrode ne vpliva prisotnost Cl -, Br -, I - in CO 2-3 ionov, celo ko je molsko razmerje med fluoridom in interferenčnim ionom 1:1000 (rezultati so prikazani v tabeli št. 6). Ta dejavnik pojasnjuje specifičnost elektrode za primarni ion ter uporabo elektrode v sekvenčnem sistemu. Tabela 6: Selektivnostni koeficient fluoridne-iono selektivne elektrode 14
4. ZAKLJUČEK Oblike profilov za štiri različne pufer-vzorec konfiguracije so bile ocenjene z fluoridno elektrodo kot detektorjem. Najboljše odzivne karakteristike in oblike vrhov, kot tudi izkoristek so bile dobljene pri konfiguraciji pufer-vzorec. Dobljeni rezultati so prikazani na slikah od številke 6 do slike številka 10. Za nizke koncentracijske vrednosti, sendvič SIA tehnika je bolj primerna pri uporabi optimalenga ph in pufra. Uporaba poceni elektrode z minimalno porabo pufra ter poceni in robustna instrumentacija je primerna za on-line določitve fluorida. Slika 6: Prikazuje oblike vrhov pri uporabi pufra TISAB II z različnimi konfiguracijami Slika 7: Prikazuje vpliv pufra in ph na kofiguracijo SB 15
Slika 8: Prikazuje vpliv pufra in ph na kofiguracijo BS Slika 9: Prikazuje vpliv pufra in ph na kofiguracijo SBS Slika 10: Prikazuje vpliv pufra in ph na kofiguracijo BSB 16
5. LITERATURA - Jacobus (koos) F. van Staden, Raluca-Ioana Stefan, Semaghiul Birghila: Evaluation of different SIA samplebuffer configurations using a fluoride-selective membrane electrode as detector; Elsevier, Talanta 52 (2000), 3-11 17