Organická analýza - Organická elementární analýza - Stanovení Hg a C, H, N, S

12 ORGANICKÁ ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA

12.7 Stanovení rtuti

• 12.7.1 Vlastnosti rtuti
• 12.7.2 Stanovení rtuti
  • 12.7.2.1 Přímé stanovení celkového obsahu Hg
• 12.7.3 Sledování vlivu obsahu rtuti v životním prostředí na zdraví člověka
  • 12.7.3.1 Stanovení anorganicky a organicky vázané rtuti ve vlasech

12.8 Stanovení C, H, N, S spalovacími analyzátory

• 12.8.1 Charakteristické vlastnosti elementárních analyzátorů
  • 12.8.1.1 Způsoby detekce prvků C, H, N, S
  • 12.8.1.2 Navážky vzorku
  • 12.8.1.3 Spalování vzorku
  • 12.8.1.4 Měřicí rozsah analyzátorů
• 12.8.2 Obvyklé kombinace měřených prvků
  • 12.8.2.1 Analyzátory CHNS
  • 12.8.2.2 Analyzátory CNS
  • 12.8.2.3 Analyzátory SC
  • 12.8.2.4 Analyzátory stanovení obsahu kyslíku

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

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

Stanovení rtuti

Rtuť byla známá již před naším letopočtem a v době alchymistů byla hojně používána. V přírodě se vyskytuje nejčastěji ve formě sulfidů (cinabarit – HgS), a to zejména v pásmech dávné vulkanické činnosti. Při normálních teplotách je kapalná (b. t. -38,9˚C, b. v. 356,6˚C), s těžkými kovy tvoří snadno amalgámy. Ve sloučeninách, v závislosti na jejich typu, tvoří jak iontové tak kovalentní vazby. Její sloučeniny jsou toxické a zejména organosloučeniny rtuti jsou v poslední době velmi sledované. Methylovaný metabolit rtuti obsahuje CH₃Hg skupinu (dále v textu označován zkráceně jako methylrtuť - „MeHg“). Rtuť se v organické formě vyskytovala i ve fungicidech, používaných při ošetřování osiva, a začal se řešit i problém amalgamových plomb. Právě z toxikologických důvodů je důležité provádět kontrolu výskytu rtuti a jejích chemických forem nejen v průmyslových provozech, kde se rtuť používá k různým výrobám (chemické provozy, výroby svítidel, měřicích přístrojů…), ale i při sledování zátěže lidské populace v závislosti na životním prostředí (voda, rostliny, půda, ovzduší, potraviny – zejména ryby a rybí produkty). Jako vhodné ukazatele expozice člověka jsou vzorky vlasů (dlouhodobá expozice, rozlišení vnější a vnitřní expozice) a krev a moč (nedávná expozice).

Vlastnosti rtuti

Toxický účinek rtuti je dán především vysokou afinitou Hg²⁺ iontů k –SH skupinám biomolekul, která způsobuje změnu propustnosti membrán a poškození vnitrobuněčných enzymů. Mezi jednotlivými chemickými formami („speciemi“) rtuti jsou značné rozdíly jak v metabolismu, tak i toxicitě, přičemž jednotlivé formy mohou přecházet jedna v druhou.

-elementární rtuť Hg⁰: ve vodě nerozpustná forma rtuti, která se prakticky nevstřebává v trávicím ústrojí. Páry rtuti se vstřebávají plícemi a díky své nerozpustnosti ve vodě vnikají prostou difúzí hluboko do plic. Působením enzymů může elementární rtuť přecházet na rtuťnaté ionty, které se váží na -SH skupiny.

• anorganické sloučeniny rtuti: vyznačují se různou rozpustností ve vodě, což výrazně ovlivňuje toxicitu jednotlivých sloučenin (např. málo rozpustný chlorid rtuťný je poměrně málo toxický na rozdíl od chloridu rtuťnatého).

• organické sloučeniny rtuti: jsou z toxikologického pohledu velmi zajímavé. Alkylderiváty jsou obecně více toxické než arylderiváty. Co se týká methylrtuti, ta se velmi rychle vstřebává plícemi a ve velkém rozsahu také v trávicím ústrojí.

Stanovení rtuti

Analytické metody můžeme rozdělit podle požadavků (citlivost metody, dostupnost, rozsah koncentrací) na stanovení celkové koncentrace rtuti ve vzorcích, a (zejména v posledních letech) v některých případech i na sledování jejích chemických forem v souvislosti s dalšími studiemi.

• přímé stanovení celkové koncentrace rtuti ve vzorcích různého původu - nejčastěji je používána metoda atomové absorpční spektroskopie (zejména technika „studené páry CV AAS“), a další spektroskopické metody jako atomová fluorescenční spektroskopie (AFS), ICP MS (zejména pro vzorky s komplexnějšími požadavky na stanovení dalších prvků), spektrofotometrie, a v neposlední řadě vysoce specifická metoda neutronové aktivační analýzy (NAA), která se vyznačuje vysokou citlivostí a tím, že po ozáření vzorku již nehrozí při manipulaci případná kontaminace vzorku.

• studie chování jednotlivých chemických forem rtuti V posledních letech jsou v souvislosti se sledováním vlivu životního prostředí na zdravotní stav obyvatelstva ve vybraných matricích velmi žádaná stanovení různých chemických forem rtuti, které se vyznačují rozdílnou toxicitou (zejména ve vlasech, v potravinách, krvi, aj.). Z těchto požadavků vyplývá nutnost použití separačních metod (plynová a kapalinová chromatografie, extrakční metody aj.), s následným stanovením koncentrace rtuti v dané frakci.

PŘÍMÉ STANOVENÍ CELKOVÉHO OBSAHU Hg

V ČR je nejčastěji používanou metodou pro stanovení koncentrace rtuti v různých typech vzorků specifická metoda CV AAS na jednoúčelovém spektrometru AMA 254 (Advanced Mercury Analyzer, Altec Praha) viz Obr. Ta umožňuje při jednoduché obsluze přímé měření kapalných i pevných vzorků jak bez předchozí úpravy, tak i po separačních postupech. Ta umožňuje při jednoduché obsluze přímé měření kapalných i pevných vzorků jak bez předchozí úpravy, tak i po separačních postupech.

Vzorek je nadávkován do lodičky a zaveden do rozkladné pícky. Odtud, po rozkladu v proudu kyslíku, je směs vedena přes katalyzátor do amalgamátoru, kde dojde k zachycení rtuti. Rtuť z amalgamátoru je uvolněna krátkodobým ohřevem, a proudem nosného plynu je pak vedena do optického systému (rtuťová výbojka, detektor) s následným měřením.

2 THETA: Schéma přístroje AMA-254: lodička (1), rozkladná pec (2), katalyzátor (3), amalgamátor (4), uvolňovací pec (5), Hg výbojka (6), optický systém s kyvetami (7), detektor (8)

Další specifickou metodou pro stanovení rtuti v komplikovaných matricích je metoda neutronové aktivační analýzy (NAA), která je jednou z nejdůležitějších metod stopové a ultrastopové prvkové analýzy. Její výhodou je vysoká citlivost a skutečnost, že po aktivaci vzorku případná následná kontaminace z okolí nemá vliv na výsledky měření.

V případě studií vlastností a chování jednotlivých chemických forem je možné provádět jejich separaci a určení v kontrolovaných podmínkách. V případě stanovení rtuti v různých typech vzorků je vzorek ozářen neutrony a rtuť se stanoví měřením izotopu ²⁰³Hg (poločas rozpadu 47 dní) γ-spektrometrií buď nedestrukčně - tzv. instrumentální NAA (INAA) nebo po radiochemické separaci (radiochemická NAA-RNAA). Určitým omezením této metody je práce s radioaktivním materiálem.

Sledování vlivu obsahu rtuti v životním prostředí na zdraví člověka

Kromě měření celkového obsahu rtuti v životním prostředí (ve vodách, ovzduší, půdách, různých provozech, zubním lékařství apod.) je pro člověka z hlediska toxicity důležité i sledování obsahu rtuti v organizmu. Obecně lze říci, že pro sledování rizik spojených se rtutí a otravami jsou pro biologické monitorování vhodnými matricemi krev, moč (nedávná expozice) a vlasy (dlouhodobá expozice – přírůstek přibližně 1 cm/měsíc). Vzorky vlasů se navíc vyznačují tím, že je lze použít i jako indikátor specifické expozice methylrtutí. Je to dáno tím, že forma methylrtuti, která ukazuje na příjem rtuti zejména z ryb a mořských plodů, jednou zabudovaná do vlasů v nich zůstává beze změny. Příklad metody pro stanovení rtuti ve vlasech je uveden dále.

STANOVENÍ ANORGANICKY A ORGANICKY VÁZANÉ RTUTI VE VLASECH

Jednoduchá separační metoda pro stanovení rtuti ve vlasech byla publikována v roce 1994. Je založena na skutečnosti, že ve 2 mol/l HCl je poměr rozdělovacích koeficientů pro Hg²⁺ anorganicky vázanou a methylrtuť 10⁴. Tento rozdíl umožňuje oddělit přímo ze vzorku vlasů jedinou extrakcí methylrtuť, zatímco anorganicky vázaná rtuť zůstává ve vlasu. Dané formy rtuti po extrakci lze měřit na jednoúčelovém spektrometru AMA 254.

• Stanovení celkové rtuti (Hgtot): vzorek umytých (doporučení IAEA, WHO: aceton – trojnásobné promytí demi-vodou – aceton) a při pokojové teplotě vysušených vlasů se přesně naváží do lodičky přístroje AMA 254. Naměřená rtuť odpovídá celkové koncentraci rtuti.

• Stanovení methylrtuti (MeHg): methylrtuť se extrahuje z umytých vlasů 2 mol/l kyselinou chlorovodíkovou (v/m = 40 ml/g), na rozdíl od anorganicky vázané rtuti, která zůstává za těchto podmínek vázaná ve vlasech. Alikvotní podíl extraktu je nadávkován přímo do lodičky přístroje AMA 254, naměřená rtuť odpovídá obsahu methylrtuti.

• Obsah anorganicky vázané rtuti je vypočítán z rozdílu: Hganorg = Hgtot - MeHg

• Poznámka: mytí vlasů, kvantitativnost separace, stabilita a možnost kontaminace byly ověřovány radiochemicky a bylo potvrzeno, že vázaná rtuť ve vlasech je stabilní. Při uchovávání vzorků nebo jejich zpracování ve rtutí kontaminovaném prostředí však dochází k následné kontaminaci vlasů sorpcí rtuti z tohoto prostředí.

Použití stanovení rtuti ve vlasech pro forenzní účely.

Obsah celkové rtuti ve vlasech zůstává nezměněn po několik století, což umožňuje potvrzení nebo vyvrácení expozice rtuti (případně otravu rtutí) i u historicky významných osobností. Taková zkoumání byla provedena např. s vlasy Tychona Brahe nebo Isaaca Newtona.

Stanovení C, H, N, S spalovacími analyzátory

Pod pojmem organická elementární analýza se obyčejně rozumí stanovení obsahu prvků C, H, N a S analytickými přístroji, pracujícími na principu spalování vzorku. Vzorek je spálen při vysokých teplotách v proudu čistého kyslíku. V průběhu spalovaní vzorku dochází k oxidaci prvků, obsažených ve vzorku. Dusík se oxiduje na NOₓ, vodík na H₂O, uhlík na CO₂ a síra na SO₂. Z plynů vzniklých spálením vzorku se následně stanoví obsah stanovovaných prvků - C, H, N a S.

Průkopníkem spalovací metody byl francouzský chemik Jean Baptiste Dumas (1800 – 1880), který svoji metodu aplikoval na stanovení obsahu dusíku. Až díky postupnému vývoji v oblasti elektrotechniky, elektroniky, automatizace a přístrojové techniky bylo možné začít s výrobou elementárních analyzátorů na spalovacím principu, tak jak je známe dnes. Současné elementární analyzátory jsou ovládány řídícím PC. Uživatelský software pak zabezpečuje správný průběh analýz, široké možnosti statistického zpracovaní a archivaci naměřených výsledků. Důležitou součástí řídícího softwaru je i automatizovaná diagnostika přístroje.

Charakteristické vlastnosti elementárních analyzátorů

ZPŮSOBY DETEKCE PRVKŮ C, H, N, S

Současné elementární analyzátory, pracující na spalovacím principu, využívají různé způsoby detekce na kvalitativní a kvantitativní stanoveni prvků C, H, N a S. Obsah dusíku se obyčejně stanovuje po redukci oxidů dusíku NOₓ vzniklých spálením vzorku na elementární dusík měřením tepelné vodivosti TC detektorem (TC - thermal conductivity). Porovnává se tepelná vodivost plynu vzniklého spálením vzorku s tepelnou vodivostí referenčního plynu – typicky He, Ar nebo CO₂. Pokud jsou plyny vytvořené spálením vzorku nosným plynem unášené přes chromatografickou kolonu, dojde na chromatografické koloně k separaci jednotlivých plynů, které pak budou vstupovat do detektoru v definovaných časových segmentech. Tato konstrukce analyzátoru umožňuje použití pouze jednoho TC detektoru. Čas analýzy pro stanovení obsahu C, H, N za takových podmínek pak trvá u současné instrumentace asi 10 až 15 minut.

Někteří výrobci elementárních analyzátorů s cílem zkrátit čas analýzy používají na stanoveni každého prvku samostatný detektor. V tomto případě použití separační kolony plynů není potřebné. Obsah uhlíku se stanoví ze vzniklého CO₂ měřením poklesu intenzity infračerveného záření definované vlnové délky s maximální absorbancí pro CO₂ (NDIR - Non-Dispersive Infra-Red). Obsah vodíku se stanoví ze vzniklé H₂O, obsah uhlíku z CO₂ a obsah síry z SO₂ podobným způsobem, infračervenými detektory (NDIR), pracujícími na vlnových délkách specifických pro daný prvek. Čas analýzy u přístrojů osazených samostatnými selektivními detektory pro každý jednotlivý prvek je okolo 4 - 5 minut pro stanovení všech čtyř prvků.

NAVÁŽKY VZORKU

Elementární analyzátory dělíme také podle velkosti navážky vzorku na přístroje pracující s mikro- či s makronavážkami vzorku.

Pod mikro navážkami rozumíme navážky vzorků do cca 10 mg. Takové přístroje se používají pro elementární analýzu čistých chemikálii, které jsou dobře homogenizovatelné. Hlavní využití takové přístroje nacházejí zejména v oblasti vědy a výzkumu nebo ve farmaceutickém průmyslu. Vzorky se povětšinou navažují do cínových anebo stříbrných kapslí.

Pod makro navážkami rozumíme větší navážky vzorku, které mohou dosahovat hmotnosti až 3 g. Makro analyzátory jsou určené pro vzorky, u kterých se nedá zajistit potřebná homogenita jako u čistých chemikálií a/nebo pro vzorky, u kterých by se z mikro navážky neuvolnilo dostatečné množství plynu pro spolehlivé stanovení obsahu prvků (potraviny, půdní vzorky, paliva...). Vzorky se navažují do cínových fólií, v případě kapalin pak do cínových kapslí, případně do keramických spalovacích lodiček pro vícenásobné použiti.

Cín se ukazuje jako nejvhodnější materiál, protože se dá vyrobit bez příměsi stanovovaných prvků a rovněž má dobré vlastnosti pro manipulaci se vzorkem.

SPALOVÁNÍ VZORKU

Spalovací pícky jsou obyčejně vestavěnou, integrovanou částí analyzátoru. Spalovaní vzorku probíhá v proudu čistého kyslíku při vysokých teplotách. Ke spalovaní vzorků organického původu pro stanovení obsahu prvků C, H a N postačuje spalovací teplota v rozsahu 900 - 1000 °C. Pro stanovení obsahu síry je potřebná spalovací teplota v rozsahu 1400 – 1500 °C. Takováto teplota je pak vyžadována pro uvolnění síry ze všech svých forem, a to i z materiálů, které považujeme za vzorky organického původu. Ohřev spalovacích pecí je obyčejně elektrický odporový.

Přístroje, které pracují se vzorky naváženými do cínových fólií nebo kapslí, jsou většinou osazené vertikálně uloženou spalovací trubicí z křemenného skla. Vzorky padají z automatického podavače (je-li jím přistroj vybavený) nebo z místa pro vkládání do spalovací pece. Plyny vzniklé spálením vzorku jsou přes potřebné chemické reagenty nosným plynem (He, Ar nebo CO₂) unášeny do analytické části přístroje.

Přístroje, které pracují se vzorky navažovanými do keramických spalovacích lodiček, jsou povětšinou osazeny horizontálně uloženou píckou z keramického materiálu. Spalovací lodičky se vzorky se do spalovací pece zasouvají a z ní vytahují manuálně, pokud je přístroj vybavený automatickým podavačem vzorků, tak automaticky. Ze spalovací pece jsou plyny vzniklé spálením vzorku po průchodu přes chemické reagenty unášeny inertním nosným plynem či kyslíkem do dalších částí analytického systému.

MĚŘICÍ ROZSAH ANALYZÁTORŮ

Měřicí rozsah analyzátorů je udávaný ve váhových % nebo ppm daného prvku.

Obvyklé kombinace měřených prvků

ANALYZÁTORY CHNS

Možnost současného stanovení obsahu prvků C, H, N a S je zajímavá především pro analýzu paliv. Stanovení těchto prvků je důležité pro výpočet spalného tepla a výhřevnosti paliv. Některé typy analyzátorů umožňují stanovení obsahu všech čtyř prvků jedním spálením, tj. z jedné navážky vzorku. Tyto přístroje jsou osazené samostatnými detektory na stanovení obsahu každého prvku. Z jedné navážky vzorku současně stanoví obsah prvků C, H a N spálením vzorku při teplotě okolo 950 °C a obsah síry se stanoví spálením vzorku v přídavném sírovém modulu při teplotě okolo 1400 °C, která je ideální pro stanoveni obsahu síry ve všech jejích podobách. Analyzátory CHNS používané pro aplikace analýzy paliv musí vyhovovat požadavkům norem ASTM D5373- 08 a ISO 29541 (pro stanovení obsahu prvků C, H a N) a předpisům ASTM 4239 a ISO 19579 (pro stanovení obsahu síry).

2 THETA: Průtokový diagram plynů analyzátoru CHNS se samostatnými detektory

ANALYZÁTORY CNS

Stanoveni obsahu prvků C, N a S je důležité hlavně při analýze půd, hornin a rostlinného materiálu. Pro stanovení obsahu síry je potřebná teplota spalování okolo 1400 °C. Vzorky se obyčejně navažují do keramických spalovacích lodiček s vícenásobným použitím.

ANALYZÁTORY SC

Stanoveni obsahu uhlíku a síry je důležité hlavně pro analýzu půd, geologických vzorků, při výrobě vápna a cementu. Pro stanovení obsahu síry je potřebná spalovací teplota okolo 1400 °C. Pro rozšíření aplikačních možností mohou být analyzátory vybavené dvojitým detektorem na stanovení obsahu síry. Jeden infračervený detektor určený pro nízký obsah síry a druhý pak pro vysoký obsah síry. Detektory se přepínají řídícím softwarem přístroje automaticky.

ANALYZÁTORY STANOVENÍ OBSAHU KYSLÍKU

Analyzátory pro stanovení obsahu kyslíku ve vzorcích organického původu pracují na principu pyrolýzy vzorku v grafitovém spalovacím kelímku. Pyrolýzou se rozumí termický proces rozkladu vzorku při teplotách okolo 1000-1300 °C v inertní heliové nebo argonové atmosféře. Kyslík uvolněný při spalování ze vzorku reaguje s uhlíkem přítomným v grafitového kelímku a vznikají CO a CO₂. Produkty pyrolýzy jsou unášeny proudem inertního nosného plynu přes katalyzátor, kde se CO dále konvertuje na CO₂ a všechen oxid uhličitý je dále unášen na detektor. K detekci kyslíku dochází na detektoru NDIR (Non-Dispersive Infra-Red), který měří absorbanci infračerveného záření definované vlnové délky s maximální absorbancí pro CO₂. Z konstrukčního hlediska jsou pyrolytické pece pro stanovení obsahu kyslíku obyčejně řešeny jako přídavné kyslíkové moduly ke spalovacím analyzátorům CHNS.