Kalibracja w spektrometrii atomowej -
marzenia, a rzeczywistość
Z. Kowalewska
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Przemysłu Rafineryjnego S.A., ul. Chemików 5, 09-411 Płock, [email protected]
• 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