Kalibracja w spektrometrii atomowej -

marzenia, a rzeczywistość

Z. Kowalewska

Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Przemysłu Rafineryjnego S.A., ul. Chemików 5, 09-411 Płock, zofia.kowalewska@obr.pl

• zależność wielkości sygnału analitycznego od zawartości oznaczanego pierwiastka liniowa w szerokim zakresie stężeń,

• wielkość sygnału dla tej samej ilości pierwiastka oznaczanego zawartego próbce i wzorcu taka sama niezależnie od obecności matrycy,

• wielkość sygnału dla tej samej ilości pierwiastka oznaczanego zawartego próbce i wzorcu taka sama niezależnie od formy analitu.

Marzenia chemika analityka

0

6

0 6X

Y

Przedział ufności krzywej kalibracyjnej y=ax+bRegresja liniowa zwykła. Punkt (xśr, yśr) stanowi środek zakresu roboczego

Parametry krzywej

kalibracyjnej:absasbsy/xrsmvm

∑=

−

−++= n

iśrp

śrpxyxp

xxa

yynma

ss

1

22

2/

)(

)(11

Niepewność (wariancja sxp2) wyznaczania nieznanej wartości xp:• rośnie ze wzrostem rozrzutu punktów pomiarowych scharakteryzowanego przez odchylenie standardowe resztowe sy/x,• maleje ze wzrostem liczby wzorców (n) i pomiarów (m),• maleje ze wzrostem współczynnika kierunkowego prostej a (wzrostem czułości),• rośnie ze wzrostem odległości sygnału yp od średniej wartości ydla zakresu kalibracji

2

)(1

2

/ −

−=∑=

n

yys

n

iii

xy

PN-ISO 8466-1

PN-ISO 8466-2

Nieliniowa funkcja kalibracji drugiego stopnia

y=a+bx+cx2

Nieliniowa funkcja kalibracji drugiego stopnia

y=a+bx+cx2

PN-ISO 8466-2

Przedział ufności:

Najprostszy wariant metody najmniejszych kwadratów (regresję liniową zwykłą) można stosować przy następujących założeniach:• zmienna niezależna x jest znana dokładnie, jej błąd jest zaniedbywalny (niepewności stężeń wzorców są zaniedbywalne w stosunku do niepewności pomiaru),• wszystkie pomiary są statystycznie niezależne (brak trendów, efektów pamięciowych),• rozkład zmiennej zależnej jest normalny,• wszystkie punkty krzywej kalibracyjnej są równnocenne -precyzja nie zależy od poziomu stężenia, wariancje wartości yi dla poszczególnych punktów pomiarowych „i” są podobne.

Założenia warunkujące zastosowanie regresji liniowej zwykłej

Zależność natężenia światła przechodzącego od stężenia

Zależność absorbancji od stężenia

A=log (Io/It)

A=εlc

Krzywe kalibracyjne -

oznaczanie Ni za pomocą FAAS

Emisja lampy niklowej (HCL) w pobliżu linii rezonansowej 232,0 nm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40 50 60

Para

met

r pi

ku

Stężenie Cu, mg/L

Krzywe kalibracji Cu (ETAAS)

D/H

D/A

Z/H

Z/A

Cu

Krzywa kalibracyjna w przypadku występowania „roll over” (ETAAS)

0

1

0 10

Stężenie analitu

Abs

orba

ncja

3 µg Cu

Absorpcja atomowa

Tło

0

5

0 5

Stężenie analitu

Licz

ba z

licze

ń

Krzywa kalibracyjna zaburzona problemami transportu analitu (ETV-ICP-MS)

Krzywa kalibracyjna

w przypadku interferencji jonizacyjnych w FAAS

0

5

0 5

Stężenie analitu

Abs

orba

ncja

+ bufor dejonizujący

bez buforu dejonizującego

M = M+ + eM = [M+] [e] / [M]

Akronim Nazwa techniki Forma analitu

AAS Absorpcyjna spektrometria atomowa

Atom w stanie podstawowym

AES Emisyjna spektrometria atomowa

Atom w stanie wzbudzonym

ICP-OES Emisyjna spektrometria optyczna ze wzbudzeniem w

plazmie indukcyjnie sprzężonej

Atom lub jon w stanie

wzbudzonym

ICP-MS Spektrometria mas z jonizacją w plazmie

indukcyjnie sprzężonej

Jon

Krzywa kalibracyjna bez efektów matrycy (-) oraz zaburzona efektami absorpcji (…) lub wzmocnienia (- -) WD XRF

Efekt absorpcji

Efekt wzmocnienia

217,0nm/D

283,3nm/D217,0nm/Z

Oznaczanie ołowiu za pomocą ETAAS

A

a

0

0,7

0 5

Sygn

ał a

nalit

yczn

y

Stężenie analitu

Originalna krzywa kalibracyjna

Krzywa kalibracji zmieniona przez efekty

nieaddytywne

Krzywa kalibracji zmieniona przez efekty addytywne

Krzywa kalibracji –efekty złożone

Założenia metody dodatku wzorca

• Liniowa zależność sygnału analitycznego od stężenia analitu

• Jednakowe zachowanie w procesie analitycznym analitu oryginalnie zawartego w próbce i dodanego jako domieszka

• Liniowy przebieg ekstrapolowanego odcinka krzywej kalibracyjnej, który jest rzeczywistym przedłużeniem znanego odcinka krzywej kalibracji

• Stężenie matrycy stałe we wszystkich pomiarach

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

-2 0 2 4

Abs

orba

ncja

Stężenie

Oznaczanie Ca w katalizatorach

hydroodsiarczania za pomocą

ICP-DRC-QMS

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Zaw

arto

śćC

a, %

ICP-OES

ICP-MS, Z=44, DRC -

ICP-MS, Z=42, DRC +, RPq=0,25ICP-MS, Z=42, DRC +, RPq=0,45ICP-MS, Z=42, DRC +, RPq=0,65

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Odz

ysk

Ca

doda

nego

do

rozt

wor

u

Metoda dodatku wzorca i kolejnych rozcieńczeń

Pomiarom poddawane są:- roztwór próbki- roztwór próbki z dodatkiem wzorca- roztwór próbki z dodatkiem „buforu interferującego”- roztwór próbki z dodatkiem „buforu interferującego”

oraz dodatkiem wzorca

Założenia:

- Brak interferencji addytywnych- Jednakowe zachowanie analitu oryginalnie zawartego w

próbce i wprowadzonego jako domieszka

• L. Pszonicki, „Rola metod ekstrapolacji przy interpretacji sygnałów analitycznych” w „Problemy jakości analizy śladowej w badaniach środowiska przyrodniczego” (Red. A. Kabata-Pendias, B. Szteke), Wydawnictwo Edukacyjne Z. Dobkowskiej, Warszawa 1998• L. Pszonicki, W. Skwara, Talanta, 36 (1989), 1265.

0

1

0 1

Współczynnik rozcieńczenia 1/n

Poz

orne

stę

żeni

e an

alitu

0

1

0 1

Współczynnik rozcieńczenia 1/n

Poz

orne

stę

żeni

e an

alitu

0

1

0 1

Współczynnik rozcieńczenia 1/n

Poz

orne

stę

żeni

e an

alitu

0

1

0 1

Współczynnik rozcieńczenia 1/n

Poz

orne

stę

żeni

e an

alitu

Wyniki oznaczeń Mn w glebach metodą FAAS

Wyniki otrzymane

metodą dodatku wzorca:

520 mg/kg i

270 mg/kg

Effect of mineralized heavy petroleum matrix in ICP-MS

0

50

100

150

200

250

300

Residue 1 Residue 2Res

ults

of C

u de

term

inat

ion,

ng/

g

GFAAS FAAS ICP-MSICP-MS 1:50 ICP-MS IS In ICP-MS IS Rh

Eliminacja interferencji spektralnychw ICP-MS

Przykład korekcji matematycznejOznaczanie 64Zn w obecności 64Ni

I64Zn = I64całkowity - (I60Ni x 26.2/0.92)I-prąd jonowy

26.2 - wzbogacenie izotopu 60Ni, 0.92 - wzbogacenie izotopu 64Ni

Założenie: pomiar izotopu 60Ni nie jest obarczony interferencjami

Możliwe składowe sygnału analitycznego w ETAAS

J. M. Andrade at al, JAAS, 23 (2008) 15-28

Rozpuszczalnik+ matryca

Rozpuszczalnik

Analit Analit

Roztwór próbki Roztwór wzorca

?

Efekt formy analitu

• Zaleta - analiza specjacyjna

• Wada - oznaczanie całkowitej zawartości analitu

Przykłady efektu analitu w spektrometrii atomowej

• FAAS - oznaczanie Pb w benzynie Sygnał TML 3 x wyższy niż sygnał TEL

• HG AAS – różnice sygnałów dla różnych stopni utlenienia analitu

As(V)/As(III): 0,027/0,0450,035/0,1390,006/0,022

R. Sanchez at al., JAAS, 24 (2009) 391

Chemiczna forma Si

Pneumatic concentric nebulizer+cyclonic spray chamber ■ Cross-flow nebulizer+double pass spray chamber ■ Pneumatic concentric nebulizer+total consumption system

Przykład efektu analitu w ICP-OES

Sygnał ETAAS różnych organicznych form Pb rozpuszczonych w rozpuszczalniku organicznym w

zależności od formy analitu i warunków analizy

Oznaczanie chloruw syntetycznym płynie hydraulicznym

Matryca: fosforany alkilowe

Poziom zawartości: 2-200 mg/kg

Forma analitu: nieznana

Bezpośrednia analiza metodą ICP-OES(P. Janko, E. Zarzycka, Zespół Badań Chemicznych PLL LOT S.A)

- przykład efektu analitu

Badany związek Cl

Prężnośćpar w 20oC,

hPa

Temperatura wrzenia,

oC

Średni odzysk,

%CHCl3 213 61 1103CCl4 121 77 1082C6H6Cl 12 132 330C8H17Cl 1,5 183 116Wzorzec Conostan

- - 99,7

Odzysk dla 5-ciu CRM „Chlorine in lubricating base oil”: 88-101%, średnio 95%

Analityka 2(2008) 20-28

Wpływ etanolu (tlenu) na sygnał chloru

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

Odz

ysk,

%

Zawartość etanolu w izooktanie, %

Oznaczanie chloruw syntetycznym płynie hydraulicznym

Technika oznaczania

Problem analityczny

Odzysk,%

ICP-OES Efekt analitu do 1100

WD XRF Efekt matrycy

Przykładowe składowe niepewności

Dokładny i precyzyjny pomiar analituwe wzorcu

- Niepewność wzorca (oznaczona przez dostawcę)

- Niepewność przygotowania wzorca do analizy- Niepewność pomiaru analitu we wzorcu- Niepewność stałości składu wzorca

Dokładny i precyzyjny pomiar analituw próbce

- Niepewność przygotowania próbki do analizy- Niepewność pomiaru analitu w próbce- Niepewność stałości składu wzorca

Właściwy dobór wzorca i warunków pomiaru

- Niepewność wpływu różnic składu (matryca, analit) wzorca i próbki na wynik oznaczenia

• Charakter zależności kalibracyjnej, a także efekty matrycy i zróżnicowanie efektu analitu mogą w istotny sposób wpływać na dokładność analiz wykonywanych za pomocą technik spektrometrii atomowej

• Znajomość techniki analitycznej nie tylko umożliwia właściwe stosowanie kalibracji (uzyskiwanie poprawnych wyników analitycznych) ale także optymalizację metody w kierunku wyeliminowania wszelkich czynności zbędnych zagrażających środowisku naturalnemu (zielona chemia)

Wnioski

Dziękuję za uwagę

Dyskusja terminologiczna dotycząca metody „wzorca” wewnętrznego: T. Kantor, Spectrochim. Acta Part B, 63 (2008) 518-524

����Kalibracja w spektrometrii atomowej - marzenia, a rzeczywistość���Z. Kowalewska� � �Slide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Zależność natężenia światła przechodzącego od stężeniaZależność absorbancji od stężeniaKrzywe kalibracyjne - oznaczanie Ni za pomocą FAASSlide Number 11Slide Number 12Krzywa kalibracyjna w przypadku występowania „roll over” (ETAAS)Slide Number 14Krzywa kalibracyjna �w przypadku interferencji jonizacyjnych w FAAS Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Założenia metody dodatku wzorcaOznaczanie Ca w katalizatorach hydroodsiarczania �za pomocą �ICP-DRC-QMSMetoda dodatku wzorca i kolejnych rozcieńczeńSlide Number 23Wyniki oznaczeń Mn w glebach metodą FAASEffect of mineralized heavy petroleum matrix in ICP-MSEliminacja interferencji spektralnych�w ICP-MSSlide Number 27Slide Number 28Efekt formy analituPrzykłady efektu analitu w spektrometrii atomowej Slide Number 31Sygnał ETAAS różnych organicznych form Pb rozpuszczonych w rozpuszczalniku organicznym w zależności od formy analitu i warunków analizySlide Number 33Slide Number 34�Wpływ etanolu (tlenu) na sygnał chloru �Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Dziękuję za uwagę