1

Analityka w Kontroli Jakości

Wydział InŜynierii Materiałowej i CeramikiKatedra Chemii Analitycznej

Kraków marzec 2011

Analityka

ANALITYKA(ANALYTICAL SCIENCE)

Interdyscyplinarna nauka zajmująca się tworzeniem i praktycznym wykorzystaniem metod pozwalających na określenie ze znaną precyzją i dokładnością składu chemicznego układów materialnych. Przedmiotem analityki jest:

• informacja o rodzaju i ilości składników włącznie z ich przestrzennym uporządkowaniem i rozmieszczeniem a takŜe zmianami w czasie;

• metodyka niezbędna do uzyskania informacji o składzie.

Wynikiem badań analitycznych jest informacjauzyskiwana poprzez materialne lub energetyczne oddziaływanie na badany obiekt.

Przedmiot i zadania analityki

Analiza jakościowa

Próbka

co?

ile?

postać

struktura

gdzie?

Analiza ilościowa

Specjacja

Analiza strukturalna

Analiza procesowa

Obszar zastosowań analityki

Analityka

teoretyczna stosowana

Opracowanie nowych metod, aparatury, procedur

•Naukowo-badawcza

•Biologiczno-medyczna

•Środowiskowa

•Kontrolno-pomiarowa

Zakres analityki

• ANALITYKA SKŁADU – określa skład próbki tj. jakie substancje i w jakiej ilości występują w próbce

O – 30±1%; Co – 2.4±0.2%; Al – 4.4±0.1%; Si – 14.5±0.5%; Ba – 46±1%

Analityka procesowa

Analityka procesowa zajmuje się badaniem zmian stęŜenia składnika w czasie

Zastosowanie:• kontrola procesów przemysłowych;• badanie procesów zachodzących w

środowisku naturalnym;• badanie procesów zachodzących w

organizmach Ŝywych;• badanie przebiegu reakcji i procesów

chemicznych.

2

Analityka procesowa Analityka strukturalna

Analityka strukturalna określa jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali atomowej poszczególnych składników próbki (ustalenie budowy cząsteczki, ciała stałego, cieczy).

alamozyt LSDLudzka kinazabiałkowa

Analityka rozmieszczenia

Analityka rozmieszczenia – określa jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali makro poszczególnych składników próbki.

Specjacja

Specjacja to występowanie róŜnych fizycznych i chemicznych form danego pierwiastka lub indywiduów w badanym materiale

Analiza specjacyjna polega na identyfikacji form fizycznych i chemicznych pierwiastka i ich ilosciowe oznaczanie w badanym obiekcie.

Frakcjonowanie polega na wyodrębnieniu wybranej grupy związków danego pierwiastka(ów) o określonych właściwościach.

D.Barałkiewicz, E.Bulska; Specjacja chemiczna wyd. Malamut 2009

Cele analizy specjacyjnej

Specjacja szczegółowa - identyfikacja i oznaczanie wszystkich form pierwiastka w badanym obiekcie.Specjacja grupowa – oznaczenie łącznej zawartości indywiduów chemicznych o zbliŜonych właściwościach.Specjacja funkcjonalna – oznaczenie grupy indywiduów chemicznych o określonej aktywności chemicznej i/lub biologicznej.Specjacja operacyjna (frakcjonowanie) – to wydzielenie i oznaczenie grupy związków chemicznych w określonych warunkach (określona operacja analityczna, określone medium ekstrakcyjne).Specjacja fizyczna – występowanie danego pierwiastka w określonej formie fizycznej.Specjacja cytologiczna – rozmieszczenie danego pierwiastka w komórkach organizmów Ŝywych.

Metody określania ilości składnika

• ZAWARTOŚĆ – ilość składnika (wyraŜona w jednostkach masy, objętości lub w molach) zawarta w próbce.

• STĘśENIE – zawartość składnika w ściśle określonej ilości próbki

3

Wynik analizy chemicznej

Wynikiem rzetelnej analizy chemicznej jest informacja o ilości oznaczanego składnika oraz o oszacowanym błędzie tego oznaczenia. Najczęściej wynik podawany jest w postaci:

ε±Śr

x

gdzie:• xŚR – średnia co najmniej dwóch niezaleŜnych wyników

równoległych analiz wyraŜona w jednostkach zawartości lub stęŜenia oznaczanego składnika.

• ± ε – dokładność wyniku podana w formie przedziału ufności (na zdefiniowanym poziomie istotności – zwykle 0.95) lub inaczej wyraŜonego błędu (np. błędu względnego).

Wynik analizy chemicznej

Dokładność oznaczenia ε podawana jest najczęściej w postaci jednej cyfry znaczącej (np. 0.03) a w wyjątkowych przypadkach dwóch cyfr znaczących. Liczba określająca dokładność określa takŜe ilość miejsc znaczących wyniku (np. 2.34 ± 0.04 mg Cu lub 0.34 ± 1 wzgl.% Cu).

PROCES ANALITYCZNY

OBIEKT POMIARU

Wynik analizy chemicznej

SYGNAŁ

WYNIK POMIARU

WYNIK ANALIZY

INFORMACJA

ZMIENNEUKRYTE

BADANYOBIEKT

PROBLEM

STRATEGIA POBIERANIA

PRÓBKI

POBIERANIE

PRÓBKI

PRZYGOTOWANIE PRÓBKI

POMIAR

REJESTRACJA/OCENA

KALIBRACJA

INERPRETACJA

PERCEPCJA ROZWIĄZANIE

PROBLEMU

SYSTEMPOMIAROWY

METODY

CHEMO-

METRYCZNE

Proces analityczny

Postępowanie analityczne:• etapy: badany obiekt do wyniku analizy.

Metoda analityczna:• etapy: przygotowanie próbki do interpretacji wyniku.

Zasada pomiaru:• etap: pomiar

Parametry procesu analitycznego

• Dokładność (accuracy)• Precyzja (precision)• Czułość (sensitivity)• Zakres liniowości (linear range)• Granica wykrywalności (detection limit)• Granica oznaczalności (determination limit)• Selektywność (selectivity)• Specyficzność (specifity)• Powtarzalność (repeatability)• Odtwarzalność (reproducibility)

Parametry metod analitycznych

• Dokładność (accuracy) - stopień zgodności pomiędzywynikiem pomiaru a wartością referencyjną (którą moŜebyć wartość prawdziwa, oszacowana lub oczekiwana). Dokładność wyraŜana jest poprzez błąd bezwzględny (tj. róŜnicę między wartością zmierzoną a wartościąreferencyjną) lub błąd względny.

• Precyzja (precision) - wielkość charakteryzująca rozrzut wyników uzyskiwanych przy wielokrotnym oznaczaniu składnika daną metodą w zdefiniowanych warunkach. Precyzja wyraŜana jest przez odchylenie standardowe (lub względne odchylenie standardowe) wyników.

4

X

X X

X X

METODA

precyzyjna i dokładna precyzyjna i niedokładna

nieprecyzyjna i dokładna nieprecyzyjna i niedokładna

Parametry metod analitycznych

• Czułość (sensitivity) - jest to stosunek przyrostusygnału analitycznego do odpowiadającego mu przyrostustęŜenia. Definiowana jest zatem jako nachyleniefunkcji pomiarowej (kalibracyjnej) F:

• Zakres liniowości (linear range) - przedział stęŜenia, w którym czułość metody ma wartość stałą.

SdF

dc=

czułość

zakres liniowości

Parametry metod analitycznych

• Granica wykrywalności (detection limit) - stęŜenieskładnika dla którego otrzymany sygnał moŜe byćodróŜniony z duŜym prawdopodobieństwem od sygnałuślepej próby. Pozwala to na półilościowe stwierdzenieobecności danego składnika w próbce.

• Granica oznaczalności (determination limit) - stęŜenieprzy którym dana metoda analityczna jest wystarczająco precyzyjna i dokładna aby uzyskaćzadowalające oznaczenia ilościowego danego składnika.

Parametry metod analitycznych

• Selektywność (selectivity) - zdolność metody do dawania sygnału analitycznego tylko dla pewnej grupysubstancji a nie reagownia na obecność innychsubstancji. Metoda selektywna ma ograniczoną ilośćsubstancji interferujących.

• Specyficzność (specifity) - zdolność metody do dawania sygnału analitycznego tylko dla jednejsubstancji a nie reagownia na obecność innychsubstancji. W metodzie specyficznej nie ma wpływuinterferencji.

Parametry metod analitycznych

• Powtarzalność (repeatability) - precyzja metodyuzyskana w warunkach praktycznie identycznych (ten sam wykonawca, materiał, próbka, aparatura, laboratorium, niewielkie odstępy czasowe).

• Odtwarzalność (reproducibility) - precyzja metodyuzyskana w warunkach porównywalnych (taki sammateriał ale mogą być róŜni wykonawcy, sprzęt, laboratorium względnie długie odstępy czasu pomiędzyanalizami).

5

Proces analityczny

UDZIAŁ POSZCZEGÓLNYCH ETAPÓW PROCESU ANALITYCZNEGO W CAŁKOWITYM BŁĘDZIE I

CZASIE WYKONANIA ANALIZY

Błąd

Czas wykonania

Badany

obiekt

Próbka analityczna

Analiza chemiczna jest zwykle przeprowadzana dla niewielkiej części obiektu badanego nazywanego próbką. Niezbędnym wstępnym krokiem w procesie analitycznym jest pobranie próbki (sampling).

Pobranie próbki – operacja w wyniku której uzyskiwana jest próbka reprezentatywna dla obiektu badanego i określonego celu analizy.

Próbka reprezentatywna i niereprezentatywna

6

Pobór próbki

Właściwości badanego obiektu wpływające na sposób pobrania ipostępowania z próbką:• stan skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz);• skład fazowy;• jednorodność;• wielkość;• twardość;• lotność;• trwałość.specjalne techniki są stosowane do ciągłego pobierania próbek

oraz do próbek biologicznych i mikrobiologicznych.

Wielkość próbki P którą naleŜy pobrać zaleŜy od zakresu oznaczalnościA metody analitycznej i zawartości G oznaczanego składnika w próbce:

gdzie:A – oznaczalność metody (uwzględniająca czynności związane z

przygotowaniem próbki) [g];G – zawartość oznaczanego składnika w próbce (mx masa oznaczanego

składnika, my masa matrycy próbki):

][gG

AP =

yx

x

mm

mG

+=

Pobór próbki

• Wielkość próbki n którą naleŜy pobrać z obiektu dyskretnego N (np. tabletki) w sposób uproszczony moŜe być określona metodąpierwiastka kwadratowego:

• Bardziej wiarygodne wyniki dają obliczenia wielkości próbki oparte o metody statystyczne takie jak rozkład hipergeometryczny, rozkład binormalny czy twierdzenia Bayes’a. Metody statystyczne wymagająprzyjęcia poziomu ufności oraz określenia jaka ilość obiektów pobranych do analizy moŜe przekraczać graniczne stęŜenie oznaczanej substancji

Nn =

Strategie poboru próbki

Losowe pobieranie próbek - próbki sąw sposób losowy pobierane z całego obiektu badanego.Systematyczne pobieranie próbek -próbki są pobierane w oparciu o zadany schemat geometryczny lub czasowy.

Strategie pobierania próbek

• Warstwowe pobieranie próbek - obiekt badany dzielony jest najpierw na szereg części - warstw (stratum), a w kaŜdej warstwie dalsze pobieranie próbek odbywa się w sposób losowy.

• Reprezentatywne pobieranie próbek - podobnie jak w warstwowym badany obiekt dzielony jest na części, dalsze próbkowanie w warstwie jest prowadzone tak by warstwa była reprezentowana proporcjonalnie do swojej wielkości.

Sprzęt do poboru próbek

7

Sprzęt do poboru próbek Sprzęt do poboru próbek

Opis próbek

• Etykietowanie próbek -pojemniki z próbkami musząbyć zaopatrzone w etykiety zawierające następującąinformację:

• miejsce pobrania próbki (dokładna lokalizacja);

• czas pobrania próbki (data, godzina);

• ilość pobranych próbek (szczególnie w przypadku pobierania wielu próbek);

• metoda stabilizacji lub konserwacji próbki;

• dla jakiej metody analitycznej próbka jest pobrana;

• informacje dodatkowe (kto pobrał, opis próbki itd.)

Pakowanie próbek

• Pojemniki na próbki - wymagania:• muszą być wykonane z materiału obojętnego, nie

oddziałującego z próbką (takŜe poprzez adsorpcję i absorpcję);

• muszą mieć wystarczającą wytrzymałość aby nie ulegaćuszkodzeniu podczas pobierania próbki, transportu i przechowywania;

• muszą mieć odpowiednią wielkość

Opakowania dla próbek Opakowania próbek

8

Przechowywanie próbek

Przechowywanie próbek - próbki powinny byćanalizowane najwcześniej jak to jest moŜliwe. JeŜeli konieczne jest przechowywanie stosowane sąnastępujące warunki:

• obniŜona temperatura (ok. 4°C);• głębokie zamroŜenie (-20°C; -40°C lub temperatura

ciekłego azotu);• liofilizacja;• zastosowanie stabilizatorów i konserwantów oraz innych

substancji przeciwdziałających zmianom próbki (np. zakwaszenie w celu zapobieŜenia adsorpcji śladów metali cięŜkich na ścianach naczynia).

Przygotowanie próbki

Etap „przygotowanie próbki”polega na przekształceniupobranej próbki poprzez operacje (takie jak: pomniejszanie, rozdrobnienie, homogenizacja, mineralizacja, roztwarzanie, rozpuszczanie, rozdzielanie, zatęŜanie, prasowanie) w obiekt pomiaru zgodnie z wymaganiami stosowanej metody pomiaru.

Typy procedur rozkładu próbek

• Rozkład „na sucho” (spopielanie)• Rozkład „na mokro” (rozpuszczanie, roztwarzanie w

rozpuszczalnikach)• Stapianie/spiekanie

Spopielanie

Mineralizacja sucha (spopielanie)• W UKŁADZIE OTWARTYM - ogrzewanie próbki (w

piecu muflowym lub płomieniem palnika) do temperatury 450 - 550°C (czasem nawet do 1000°C) w tyglu (porcelanowym, kwarcowym, platynowym) do całkowitego rozkładu substancji organicznej (zwykle proces trwa ok. 3 godz.). Zalety - prostota, niska ślepa próba, wielkośćpróbki dowolna. Wady - straty składników lotnych, moŜliwe straty mechaniczne, długi czas procesu, proces dwustopniowy (otrzymany popiół musi byćrozpuszczony/roztworzony).

Spopielanie

W UKŁADZIE ZAMKNIĘTYM - bomba tlenowa

• Metoda polega na spaleniu małej ilości substancji organicznej (poniŜej 20 mg) w zamkniętej kolbie zawierającej tlen. Produkty spalenia są gazowe i zostająilościowo zaabsorbowane przez roztwór wody obecny w naczyniu.

Mineralizacja mokra

W SYSTEMIE OTWARTYM• Mineralizacja/roztwarzanie w kwasach - zwykle polega

na ogrzewaniu w kwasach utleniających, które roztwarzają składniki nieorganiczne a organiczne utleniają do dwutlenku węgla, wody i innych lotnych produktów. Najczęściej stosowane kwasy i ich mieszaniny:HNO3 + H2O2 - próbki biologiczneHNO3 + H2SO4 - uniwersalnaHNO3 + HCl - woda królewska - uniwersalnaHNO3 + HClO4 - próbki biologiczne, wybuchowaHF - próbki nieorganiczneHNO3 + HF - uniwersalnaHClO4 - próbki biologiczne, wybuchowa

9

Mineralizacja na mokro Mineralizacja mokra

Mineralizator firmy Büchi

mineralizator

płuczka (scrubber)

Mineralizacja wspomagana promieniowaniem UV

Mineralizacja UV - stosowana do próbek ciekłych zawierających substancje organiczne. Próbka naświetlana jest lampą kwarcową (λ = 250 nm, P = 150 W). Zwykle do próbki dodaje się substancję utleniającą (H2O2, K2S2O8, HNO3).

Mineralizacja w autoklawach

MINERALIZACJA W SYSTEMIE ZAMKNIĘTYMMineralizacja/roztwarzanie w zamkniętych naczyniach ciśnieniowych (bombach) w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu jest bardziej efektywna niŜ w systemie otwartym. Ogrzewanie moŜe byćkonwencjonalne lub mikrofalowe. Stosowana jest temperatura ok. 180°C. Zaletą jest ograniczenie strat związków lotnych.

Mineralizator firmy Büchi

Naczynie wysokociśnieniowe Mineralizacja mikrofalowa

Mineralizacja mikrofalowa - mikrofale są promieniowaniem niejonizującym, powodującym ruchy molekularne poprzez migrację jonów i rotację dipoli, nie powodując zmian struktury molekularnej. Zakres mikrofal obejmuje częstotliwości 300 -300000 MHz. Do roztwarzania mikrofalowego stosuje sięzwykle fale 2450 MHz i moc 600 - 700 W. W trakcie penetracji próbki przez mikrofale adsorbuje ona energię w stopniu zaleŜnym od współczynnika pochłaniania (dissipationfactor) wynoszącego 0.6 dla kwarcu, 1.5 dla teflonu, 10.6 dla szkła borokrzemowego i 1570 dla wody. Mineralizacja mikrofalowa jest podobna do mineralizacji w kwasach, jednak energia jest dostarczana bezpośrednio do próbki (a nie przez ściany naczynia). Dzięki temu proces jest znacznie szybszy. Ze względu na niebezpieczeństwo wybuchy kwas nadchlorowy nie powinien być stosowany. Mineralizacja/roztwarzanie mikrofalowe jest wykorzystywane do rozkładu biologicznych i botanicznych a takŜe geologicznych, środowiskowych i metalurgicznych próbek.

10

Mineralizatory mikrofalowe STAPIANIE

Trudne do roztworzenia materiały (takie jak skały i minerały krzemianowe i glinokrzemianowe, minerały tlenkowe i fosforanowe czy niektóre stopy Ŝelaza) są zamieniane w łatwo rozpuszczalne związki na drodze stapiania z topnikami. Wadąprocesu jest znaczna kontaminacja, wprowadzenie do próbki znacznej zawartości soli, straty składników lotnych i kontaminacja od naczynia. Najczęściej stosowane topniki i ich wykorzystanie zestawione jest w tabeli:

Topnik tt°C Tygiel Zastosowanie

Na2CO3

Na2CO3z KNO3KClO3Na2O2

NaOHKOH

Na2O2

B2O3

851

318380

577

Pt

Pt (z wyj Na2O2), Ni

Au, Ag, Ni

Fe, Ni

Pt

Próbki zawierające krzmiany, glin, fosforany i siarczanyPróbki zawierające S, As, Sb, Cr itd.

Krzemiany, węglik krzemu, róŜne minerały

Siarczki, nierozpuszczalne w kwasach stopy Fe, Ni, Cr, Mo, W, stopy platyny,minerały Cr, Sn, Zr

Krzemiany i tlenki jeŜeli oznacznemają być metale alkaliczne

Zastosowania topnikówMetody rozdzielania i zatęŜania

Dwie całkowicie wymieszane substancja mogą zostaćrozdzielone jeŜeli róŜnią się co najmniej jedną właściwościąfizykochemiczną.

Podstawa rozdzielania Metoda

Lotność DestylacjaRafinacja

Współczynnik podziału Chromatografia gaz/cieczChromatografia podziałowaEkstrakcja

Równowaga wymiany Wymiana jonowa

Aktywnośćpowierzchniowa

Chromatogr. adsorpcyjnaChromatogr. gaz/ciało stałeRafinacja piany

Geometria cząsteczki Sita molekularneFiltracja/permacja ŜelowaDyfuzja gazówKompleksy inkluzyjneUltrafiltracjaDializa, elektrodializa

Metody rozdzielania

Migracja Elektroforeza

Rozpuszczalność StrącanieRafinacja strefowa

Potencjał rozkładu Elektroliza

11

Etap „pomiar” obejmuje operacje, które pozwalają z obiektu pomiaru uzyskać wynik pomiaru. Jest to więc po pierwsze metoda pomiarowa (analityczna) i związane z niązagadnienia – sygnały, ich modyfikacja oraz budowa instrumentu pomiarowego (a w szczególności elementów wejściowych tj. detektorów oraz sensorów).

PomiarSCHEMAT BLOKOWY INSTRUMENTU

POMIAROWEGO

DETEKTOR MODYFIKACJASYGNAŁU

Proc

es f

izyk

oche

mic

z ny

PRZETWORNIKWEJŚCIA

ODCZYT

Odb

iorc

a

Detektor np. fotometryczny, konduktometryczny;Sensor (czujnik) np. glukozy, pH, jonów sodowych;Przetwornik wejścia np. przetwornik prąd napięcie, wtórnik napięciowy;Modyfikacja sygnału np. wzmocnienie, logarytmowanie, przetwarzanie A/C;Odczyt np. wyświetlacz ciekłokrystaliczny, rejestrator XY, komputer.

MODYFIKACJASYGNAŁU

SENSOR ODCZYT

Detektor

Detektor – urządzenie, za pomocą którego chemiczne lub fizyczne właściwości substancji przekształcane są na uŜyteczny sygnał analityczny.(Słownik chemii analitycznej – WNT 1984)

Detektor konduktometryczny

Sensor chemiczny

Sensor chemiczny – małe urządzenie, które moŜe być uŜyte do bezpośredniego pomiaru analitu w matrycy próbki.

J.Wang, Analytical Electrochemistry, VCH 1994

Sensor chemiczny jest urządzeniem przetwarzającym informacje chemiczne w sygnał uŜyteczny analitycznie.

Definicja IUPAC

Sensor chemiczny = Czujnik chemiczny

Amperometryczny sensor glukozy i tlenu Budowa sensora chemicznego

12

Klasyfikacja czujników

Z punktu widzenia receptora moŜna czujniki podzielić na:• chemiczne (sensory chemiczne): działanie receptora

opiera się na reakcjach chemicznych (zobojętniania, kompleksowania, redoks) zastosowanych do rozpoznania jonów bądź cząsteczek, lub na rozpoznaniu ich na podstawie wielkości lub kształtu;

• biologiczne (biosensory): zawdzięczają swoje działanie receptorowi biologicznemu, którym najczęściej sąenzymy (w postaci izolowanej lub zawarte w tkankach czy mikroorganizmach), membrany biologiczne oraz ciała i antyciała stanowiące elementy układu odpornościowego organizmu (immunosensory).

Klasyfikacja czujników

Najczęściej stosowany podział czujników opiera się na przetworniku wejścia (transducer), który jest elementem detekcyjnym (np. fotodiodą, kryształem piezoelektrycznym itp.). Element ten przetwarza wielkość fizyczną lub fizykochemiczną powstającą w receptorze na sygnałelektryczny.

Klasyfikacja czujników

Czujniki elektrochemiczne: przetwarzają efekt elektrochemicznego oddziaływania pomiędzy analitem a receptorem na sygnał elektryczny. Ze względu na rodzaj oddziaływania elektrochemicznego czujniki te dzielimy dalej na kilka rodzajów:

• Czujniki konduktometryczne • Czujniki potencjometryczne• Czujniki amperometryczne i woltamperometryczne• Czujniki pojemnościowe

Klasyfikacja czujników

• Czujniki optyczne: przetwornik wejścia transformuje zmiany właściwości optycznych receptora występujące na skutek jego oddziaływań z analitem, na sygnałelektryczny. Wykorzystywane tu właściwości optyczne to absorbancja, reflaktancja, luminescencja (fluorescencja lub fosforescencja), rozpraszanie światła, współczynnik załamania światła a takŜe kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

• Czujniki masowe: przetwarzają zmiany masy powodowane akumulacją analitu na powierzchni receptora na sygnał elektryczny (częstotliwość). W grupie tej występują czujniki piezoelektryczne (np. oparte na mikrowadze kwarcowej) lub wykorzystujące powierzchniową falę akustyczną.

Charakterystyka sensora: • Specyficzność

w rzeczywistości sensory są raczej selektywne niŜ specyficzne i ich odpowiedź (R) moŜe być opisana:

∑≠

++=ij

jjiii CKaCSR

• Czułość (nachylenie funkcji pomiarowej Si) – powinna być jak największa aby umoŜliwi ć detekcję jak najmniejszych zmian stęŜenia analitu.

• Czas odpowiedzi (moŜliwie krótki). • Trwałość (co najmniej kilka miesięcy). • Mały rozmiar i moŜliwość zastosowania nowych

technologii produkcji.

Interpretacja wyniku

Etap „interpretacja wyniku” ma za zadanie przekształcić wynik pomiaru w wynik analizy. Wynikiem pomiaru w zaleŜności od metody moŜe byćwielkość fizyczna lub fizykochemiczna (np. prąd, SEM, natęŜenie promienio-wania, absorbancja itd.) lub krzywa obrazująca zmianę tej wielkości w funkcji niezaleŜnej zmiennej związanej z zastosowaną metodąpomiarową (np. widmo, woltamogram, chromatogram,krzywamiareczkowania). Przekształcenie następuje przez obliczenia stechiometryczne, z zastosowaniem innych zaleŜności dokładnych lub na drodze kalibracji.

13

Kalibracja

• Kalibracja - proces, w którym wyznaczana jest zaleŜność funkcyjna pomiędzy mierzonym w danej metodzie sygnałem, a wielkością określającą ilośćoznaczanego składnika na podstawie danych obarczonych błędami przypadkowymi.

• Kalibracja instrumentu (cechowanie, wzorcowanie) -proces, w którym przenoszona jest nominalna (certyfikowana) wartość przypisana do wzorca (próbki wzorcowej) na rzeczywiste wartości sygnału otrzymywane przy pomiarze danym instrumentem.

Kalibracja instrumentu pomiarowego

Proces regulacji instrumentu pomiarowego prowadzący obniŜenia błędu pomiaru, charakterystycznej dla niegowielkości fizycznej, do poziomu określonego klasądokładności.

Kalibracji instrumentu dokonuje się przy uŜyciu wzorców mierzonej wielkości fizycznej (siły elektromotorycznej, napięcia, oporności, przewodnictwa, luminancji itd.)

Kalibracja instrumentu związana jest z pojęciem spójności pomiarowej

Kalibracja metody

Kalibracja polega na wyznaczeniu funkcji pomiarowej F (zwanej takŜe funkcją kalibracyjną):

y = F(x)gdzie: y - mierzony sygnał (prąd, natęŜenie światła itp.) x -wielkość związana z ilością oznaczanej substancji (stęŜenie, masa itp.).

W większości metod analitycznych nie jest znana teoretycznie dokładna postać funkcji pomiarowej. Zwykle znana jest jej przybliŜona postać, która nie moŜe być podstawą oznaczeńanalitycznych (jest natomiast przydatna w określeniu typu funkcji - liniowa, kwadratowa, wykładnicza itp.). Tylko w kilku przypadkach funkcja pomiarowa jest dokładnie znana teoretycznie (analiza wagowa, miareczkowanie, kulometria, elektrograwimetria). W tych metodach konieczna jest kalibracja instrumentu.

Kalibracja empiryczna

W celu wyznaczenia funkcji kalibracyjnej y=F(x) naleŜy:Dokonać szeregu pomiarów w roztworach standardowych o róŜnym stęŜeniu substancji oznaczanej. Zwykle stosuje się 7-10 roztworów o róŜnych stęŜeniach. Pomiar w kaŜdym roztworze standardowym powtarzany jest zwykle 3-razy, a do dalszej interpretacji wykorzystywana jest ich średnia (po ewentualnym odrzuceniu błędów skrajnych i grubych). Aby wyniki oznaczenia na podstawie kalibracji były poprawne matryca próbki i roztworów standardowych powinna byćidentyczna

Kalibracja

Przykładowy zestaw danych kalibracyjnych i przebieg funkcji podany jest na rysunku.

stęŜenie[ppm]0.10.20.30.40.50.60.7

prąd[nA]20.040.659.078.3101118143

Aby otrzymać informację analityczną na podstawie zmierzonego sygnału konieczna jest f-cja analityczna Φ:

x=Φ(y)

Funkcja analityczna Φ jest funkcją odwrotną do funkcji pomiarowej F.

14

Kalibracja

W większości metod analitycznych dąŜy się do liniowej funkcji pomiarowej poniewaŜ:

• moŜliwe jest określenie błędu predykcji (oznaczenia ilościowego);

• odwrócenie funkcji jest trywialne;

• czułość oznaczenia jest stała w całym zakresie stęŜeń.

Inne metody kalibracyjne

PORÓWNANIE ZE WZORCEM (kalibracja jednopunktowa).StęŜenie analitu w próbce cx dające sygnał sx jest obliczane na podstawie sygnału ss otrzymywanego dla roztworu standardowego o stęŜeniu cs mierzonego w tych samych warunkach pomiarowych:

Metoda daje prawidłowe wyniki gdy:• stęŜenia analitu w próbce i roztworu standardowego są w

przybliŜeniu równe;• matryca próbki i roztworu standardowego są identyczne;• wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody

analitycznej nie róŜni się istotnie od zera.

cc s

sxs x

s

= ⋅

Metoda dodatku wzorca

StęŜenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału po dodaniu do próbki, wzorca analitu. Dodatek moŜe być pojedynczy lub wielokrotny. Objętośćdodawanego wzorca powinna być zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki. Metoda daje prawidłowe wyniki jeŜeli wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie róŜni się istotnie od zera.

Metoda dodatku wzorca

Metoda dodatku wzorca jest szczególnie przydatna gdy matryca próbki jest skomplikowana lub nieznana. PoniewaŜ objętośćdodawanego wzorca jest zaniedbywalnie mała w stosunku do objętości próbki zmiany stęŜenia matrycy (a zatem takŜe jej wpływ na wynik) sązaniedbywalne

Metoda dodatku wzorcaPozostałe metody kalibracyjne

Metoda dodatku próbkiStęŜenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału roztworu standardowego po dodatku próbki. Metoda jest przydatna gdy stęŜenie analitu w próbce jest wysokie lub gdy rozcieńczenie matrycy próbki eliminuje pochodzące od niej interferencje.

Metoda wzorca wewnętrznegoStosowna do eliminacji wpływu parametrów operacyjnych metody na odpowiedź analitu. Zakłada, Ŝe wpływ niekontrolowanych fluktuacji parametrów operacyjnych na odpowiedź wzorca i analitu jest taka sama. W celu zastosowania metody do próbki dodaje się wzorca innej substancji (tj. nie analitu) a sygnał analitu mierzony jest w odniesieniu do sygnału wzorca.