ROZDZIAŁ 1 TRENDY W ANALITYCE I MONITORINGU ŚRODOWISKOWYM

Jacek Namieśnik

Katedra Chemii Analitycznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk

STRESZCZENIE Procedury i techniki analityczne, które znajdują praktyczne zastosowanie w analityce szerokiego spektrum analitów występujących w próbkach środowiskowych, są przedmiotem zainteresowania coraz większej grupy analityków. W rozdziale przedstawiono informacje dotyczące celów i zadań oraz kierunków rozwoju analityki i monitoringu środowiskowego.

Szczególną uwagę zwrócono na niektóre z tendencji rozwojowych, które można zaliczyć do dwóch specyficznych kategorii:

- opracowanie i walidacja nowych procedur analitycznych, - projektowanie, budowa oraz próby zastosowania w praktyce analitycznej nowych typów urządzeń

kontrolno-pomiarowych. 1. WPROWADZENIE W literaturze coraz powszechniejsze staje się stosowanie terminu „analityka” w celu określenia działań z zakresu chemii analitycznej. Stosowane tego terminu ma podkreślać interdyscyplinarny charakter działań chemików-analityków dążących do uzyskania informacji w badanych obiektach materialnych.

Analityka jest typowym przykładem dyscypliny naukowej, w której wykorzystywane są osiągnięcia zarówno w zakresie badań podstawowych jak i stosowanych z szeregu innych dyscyplin. Należy w tym miejscu wymienić: - różne obszary chemii (w szczególności chemię fizyczną i biochemię), - fizykę, - informatykę, - elektronikę, automatykę i robotykę, - inżynierię materiałową, - biologię, - instrumentację (nauka o budowie i wykorzystaniu przyrządów kontrolno-

pomiarowych), - chemometrię.

Nawet pobieżna analiza źródeł literaturowych nieodparcie prowadzi do wniosku,

że analiza składników śladowych i ultraśladowych jest tą dziedziną analityki chemicznej, która coraz bardziej zyskuje na znaczeniu. Wniosek ten jest zgodny nie tylko z opiniami analityków, ale i z odczuciami specjalistów z innych dziedzin. Zgodnie z definicją zaproponowaną przez IUPAC, pod pojęciem „składnik śladowy” rozumie się te składniki badanych próbek, które występują na poziomie stężeń niższym niż 100 ppm (100 µg/g). Oczywiście granica ta jest czysto umowna i nie ma charakteru wielkości stałej. Jeszcze całkiem niedawno, bo około 30 lat temu, pod terminem „analiza

Rozdział 1

2

śladowa” rozumiano czynności zmierzające do oznaczania składników na poziomie stężeń o jeden rząd wielkości większy (tj. powyżej 1,000 ppm lub 0,1 %).

W chwili obecnej, oznaczanie składników na poziomie stężenia 100 ppm nawet w próbkach o złożonej matrycy nie stanowi już problemu i jest wykonywane rutynowo w wielu laboratoriach analitycznych. Taki postęp zawdzięcza się m.in. dynamicznemu rozwojowi instrumentacji czyli nauki o projektowaniu i wykorzystaniu urządzeń pomiarowo-kontrolnych. Można więc oczekiwać, że definicja terminu „składnik śladowy” ulegnie wkrótce zmianie [1].

W tabeli 1 przedstawiono podstawowe klasyfikacje metod analitycznych wykorzystywanych w badaniach środowiskowych W kolejnej tabeli (tabela 2) zaprezentowano podział metod i technik analitycznych ze względu na oznaczanie stężenia analitu w badanej próbce.

Z łatwością można wyróżnić trzy obszary nauki i technologii, które stymulują

rozwój technik i metod analitycznych, wykorzystywanych przy oznaczaniu składników występujących na niskich i bardzo niskich poziomach zawartości w różnorodnych próbkach. Należą do nich: - wytwarzanie substancji charakteryzujących się wysokim stopniem czystości. Do

chwili obecnej najczystszym otrzymanym kiedykolwiek przez człowieka materiałem jest german o czystości 11 N, co oznacza, że suma wszystkich zanieczyszczeń w nim obecnych nie przekracza 10-9 %, tzn. 10 ppt,

- biochemia i inżynieria genetyczna, - ochrona środowiska.

Oznaczanie analitów występujących na niskich poziomach stężeń sprawiło, że do codziennego użytku zostały wprowadzone specjalne sposoby określania tych stężeń. W tabeli 3 zestawiono jednostki stosowane do określenia stężeń składników śladowych

Względy ekotoksykologiczne oraz dążność do zwiększenia dokładności opisu

stanu środowiska stawiają przed chemikami-analitykami wielkie wyzwania w zakresie konieczności oznaczania stężenia szerokiej gamy analitów w próbkach o złożonym (a niekiedy także zmiennym) składzie matrycy. Można wyróżnić dwa podejścia do zagadnienia oznaczenia analitów występujących w badanych próbkach na niskich poziomach zawartości: 1. Wykorzystanie bardziej czułych, selektywnych lub nawet specyficznych

detektorów. To podejście można zilustrować na przykładzie zastosowania detektora foto-jonizacyjnego (ang. Photoionizator Detector -PID), który jest bardziej czuły i selektywny niż detektor płomieniowo-jonizacyjny, dotychczas powszechnie używany w chromatografii gazowej.

2. Wprowadzenie do procedury analitycznej dodatkowego etapu: izolacji i/lub wzbogacania analitów przed etapem ich oznaczania końcowego. Ten dodatkowy etap zapewnia:

- uproszczenie matrycy (na skutek przeniesienia analitów z próbki do odpowiedniego rozpuszczalnika czy też strumienia gazu),

- usunięcie z badanej próbki -przed etapem oznaczeń końcowych – przynajmniej części składników przeszkadzających (interferentów),

- podniesienie stężenia analitu w próbce do poziomu wyższego niż granica wykrywalności metodyki i/lub stosowanego przyrządu.

Rozdział 1

Tabela 1. Podstawowe klasyfikacje współczesnych metod analizy chemicznej wykorzystywanych w badaniach środowiskowych.

Parametr klasyfikujący Typy metod analitycznych Dodatkowe wyjaśnienia Sposób powiązania z obowiązującym układem miar SI (miejsce w łańcuchu porównań zapewniającym spójność pomiarowa (traceability).

• metody pierwotne (bezpośrednie) (primary methods),

• metody stosunków – (ratio methods), • metody wtórne – (secondary methods).

Wykorzystywane do bezpośredniego pomiaru wielkości optymalnych w układzie SI. Klasycznym przykładem jest technika spektrometrii mas rozcieńczenia izotopowego (ang. Isotopic Dilution Mass Spectrometry – IDMS).

Zasada pomiaru. • metody bezwzględne (absolutne),

• metody względne.

Metody oparte na pomiarze takich wielkości jak masa, objętość, czas, ładunek elektryczny – w zasadzie nie wymagają kalibracji. Metody oparte na zasadzie porównywania sygnałów pochodzących od analitu obecnego w próbce wzorcowej i w próbce badanej - niezbędny jest etap kalibracji.

Sposób badania próbki. • metody bezpośrednie, • metody pośrednie.

Odpowiednie urządzenie pomiarowe (czujnik) umieszczony jest bezpośrednio w badanym obiekcie w celu uzyskania informacji analitycznej (pomiar PH, pomiar przewodnictwa elektrycznego). W większości przypadków ze względu na: - bardzo niskie poziomy stężeń analitów,

- złożony skład matrycy i obecność interferentów zachodzi konieczność odpowiedniego przygotowania próbki i w związku z tym pomiar ilości (stężenia analitu) przeprowadza się w odpowiednim ekstrakcie uzyskiwanym w wyniku właściwego przygotowania pobranej próbki.

Rodzaj informacji analitycznej. • metody służące do określania stężeń

chwilowych analitów w badanym obiekcie materialnym,

• metody służące do określania stężeń ważonych w czasie (za okres pobierania próbki).

Metody wykorzystywane w badaniach jakości środowiska przy określeniu ekspozycji indywidualnej.

Rozdział 1

Miejsce uzyskania informacji analitycznej w badanym obiekcie materialnym.

• metody pomiarów in situ, • metody laboratoryjne.

Do tego celu wykorzystuje się odpowiednie ruchome laboratoria bądź też przewoźne czy też przenośne urządzenia kontrolno-pomiarowe.

Sposób uzyskiwania informacji analitycznej.

• metody oparte na wykorzystaniu urządzeń z bezpośrednim odczytem ilości/stężenia analitu,

• metody ze wstępnym przygotowaniem próbki i obliczeniem stężenia/ilości analitu na podstawie wyników pomiarów przeprowadzonych w laboratorium.

Metody wykorzystywane zazwyczaj w badaniach polowych do szybkiego uzyskiwania informacji analitycznych (często o charakterze półilościowym).

Sposób pobrania reprezentatywnej próbki.

• metody sedymentacyjne, • metody izolacyjne, • metody aspiracyjne.

Próbka analitów jest zbierana w wyniku procesu swobodnej migracji analitu do powierzchni urządzenia, próbka jest zbierana do pojemnika (próbnika) o określonej objętości, próbka analitów jest pobierana w wyniku przepuszczania strumienia będącego medium przez pułapkę (np. rurka sorpcyjna).

Poziom automatyzacji • metody manualne, • metody automatyczne, • metody monitoringowe.

Większość czynności (zarówno w terenie jak i w laboratorium) związanych z przygotowaniem próbki jest wykonywana ręcznie. Wszystkie czynności, łącznie z operacjami pobierania i przygotowania próbek, realizowane są z wykorzystaniem odpowiedniego przyrządu. Specyficzna odmiana metod automatycznych-urządzenia wykorzystywane w badaniach monitoringowych muszą się charakteryzować następującymi cechami: - możliwością uzyskiwania informacji w czasie rzeczywistym (real time) lub z niewielkim opóźnieniem czasowym,

- możliwością prowadzenia pomiarów w sposób ciągły, - długim okresem tzw. pracy autonomicznej.

Rozdział 1

5

Tabela 2. Podział metod i technik analitycznych ze względu na stężenie analitu w próbce.

Ogólna nazwa analitu Stężenie analitu Przykłady oznaczeń Składnik submikrośladowy. < 1 ppt

(< 10-8 %) Oznaczanie dioksyn w próbkach o różnej matrycy.

Składnik ultramikrośladowy. < 1 ppb (< 10-6 %)

Oznaczanie trihalogenometanów w wodzie pitnej i moczu ludzkim.

Składnik mikrośladowy. < 1 ppm (< 10-4 %)

Oznaczanie tlenku węgla w powietrzu atmosferycznym.

Składnik śladowy. < 100 ppm (< 0.01%)

Oznaczanie metanu w powietrzu atmosferycznym.

Składnik uboczny (domieszka).

< 1% Oznaczanie ditlenku węgla w powietrzu atmosferycznym.

Składnik główny. 1-100% Oznaczanie tlenu w gazach odlotowych, oznaczanie tlenu w gazach spalinowych.

Tabela 3. Jednostki stosowane do określania stężenia składników występujących w badanych próbkach na niskich poziomach stężeń. Nazwa jednostki

stężenia część na

tysiąc część na milion

część na bilion

część na trylion

część na kwadrylion

część na kwintylion

część na sekstylion

Stężenie objetościowo-objętościowe.

vpth (ppth v/v)

vpm (ppm v/v)

vpb (ppb v/v)

vpt (ppt v/v)

vpq (ppq v/v)

vpqui (ppqui v/v)

vps (pps v/v)

Stężenie masowo-masowe.

ppth ppm ppb ppt ppq ppqui pps

Stężenie procentowe (%).

10-1 10-4 10-7 10-10 10-13 10-16 10-19

Ilość analitu w próbce o masie 1 grama.

1 milligram

(1 mg)

1 microgram

(1 µg)

1 nanogram (1 ng)

1 picogram (1 pg)

1 femtogram

(1 fg)

1 attogram (1 ag)

1 zeptogram(1 zg)

2. ETAPY PRZYGOTOWANIA PRÓBEK ŚRODOWISKOWYCH DO ANALIZY Różnorodność próbek środowiskowych, wynikająca z ich różnego stanu skupienia, miejsca pobierania, składu matrycy, jak również typu analitów i ich stężenia, sprawia, że zebranie wszystkich informacji na temat etapu przygotowania próbek staje się niezwykle trudne. W trakcie przygotowywania próbek do analizy, niezbędne jest wykonanie różnych operacji i czynności- zarówno na miejscu (in situ) podczas pobierania próbek jak i po ich dostarczeniu do laboratorium. Sposób postępowania z próbką w dużym stopniu zależy od wybranej techniki oznaczeń końcowych. Niezależnie jednak od typu próbki i oznaczanego w niej analitu chemicy-analitycy napotykają na specyficzne problemy w przypadku oznaczania składników występujących w próbce na niskim poziomie stężenia. Każdy etap przygotowania próbki niesie ze sobą ryzyko straty analitu lub zanieczyszczenia badanej próbki. Dlatego

Rozdział 1

6

też, specjalne środki ostrożności muszą zostać podjęte w celu uniknięcia tych niepożądanych zjawisk [3,4].

Oprócz przypadkowych błędów, w przypadku analizy śladowej, występuje zwiększone prawdopodobieństwo wystąpienia błędów systematycznych. Najbardziej powszechne źródła błędów systematycznych to: - różnice w lotności składników próbki, - procesy adsorpcji i desorpcji składników próbki na ściankach naczyń i pojemnika

(efekt pamięci ścianki), - zanieczyszczenie próbki spowodowane kontaktem z powietrzem laboratoryjnym, - zmiany w składzie próbki wywołane przez dodawanie do próbki różnych

odczynników na etapie jej przygotowania do analizy, - wpływ czynnika ludzkiego. W tabeli 4 zestawiono podstawowe czynności i operacje wykonywane w czasie przygotowania próbek środowiskowych do analizy.

W analityce próbek środowiskowych szczególną rolę odgrywają techniki chromatograficzne. Są one powszechnie wykorzystywane na etapie rozdzielania złożonych mieszanin na poszczególne składniki przed etapem ich końcowego oznaczenia. W tabeli 5 zestawiono specyficzne zadania związane z różnymi etapami przygotowania próbek do analizy chromatograficznej [3]. 3. ZIELONA CHEMIA ANALITYCZNA Wprowadzenie koncepcji zielonej chemii jest ściśle powiązane z coraz powszechniejszą akceptacją koncepcji zrównoważonego rozwoju (ekorozwoju) oraz z obserwowaną tendencją do ich zastosowania, zarówno na skalę technologiczną jak i laboratoriach. Zaczynając od tej ogólnej przesłanki, można rozwinąć cały zestaw bardziej szczegółowych zasad, które powinny stać się przewodnikiem dla chemików i inżynierów, w celu wykonywania różnych czynności i operacji w sposób przyjazny dla środowiska poprzez minimalizację szkodliwych oddziaływań na nie. Koncepcja Zielonej chemii opiera się na zestawie dwunastu zasad zaproponowanych w 1998 roku. Zasady można znaleźć na stronie internetowej Amerykańskiego Towarzystwa Chemików (htttp://www.acs.org/education/greenchem/principles.html).

Chemia analityczna i monitoring odgrywają istotną rolę w oszacowaniu wielkości wpływu chemików na środowisko. Ze względu na stosowanie w praktyce różnorodnych metod i technik analitycznych, liczba wykrywanych analiz w skali globalnej wzrasta w lawinowym tempie. Przykładem ilustrującym ten trend może być rozmiar zbioru procedur analitycznych, które posiada Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (U.S. EPA). Zbiór ten liczy przeszło 3500 procedur opracowanych w celu oznaczenia tylko w próbkach wody ponad 4000 analitów (np. w wodach powierzchniowych, wodzie pitnej, wodach ściekowych itp.)

Zasady zielonej chemii można również wprowadzić w laboratoriach analitycznych, bowiem czynności analityczne można przeprowadzać zarówno w sposób przyjazny jak i nieprzyjazny dla środowiska. Można, zatem wysunąć wniosek, że skoro rośnie presja w stronę dalszego rozwoju zielonej chemii, rozwój ten bez istnienia zielonej chemii analitycznej może spowodować wzrost zagrożenia dla środowiska.

Rozdział 1

7

Tabela 4. Etapy przygotowania próbek środowiskowych do etapu oznaczeń końcowych.

Typ próbki Czynności i operacje Próbki

gazowe Próbki ciekłe

Próbki stałe

1. Wykonywane in situ : - odpylanie, - osuszanie,

- usuwanie składników przeszkadzających (np. odtlenianie),

- usuwanie materii zawieszonej, - konserwacja chemiczna,

- derywatyzacja, - izolacja i/ lub wzbogacanie analitów,

- transport.

+ +

+

+ +

+ + + + +

+ +

2. Wykonywane w laboratorium: - osuszanie, - rozdrabnianie, - homogenizacja i mieszanie, - konserwacja, - analiza sitowa, - mineralizacja (rozkład), - izolacja i/ lub wzbogacanie analitów, - derywatyzacja, - ekstrakcja analitów,

- oczyszczanie ekstraktów i usuwanie składników przeszkadzających,

- frakcjonowanie i dzielenie próbki (ekstraktu) - kalibracja i walidacja przyrządów oraz metodyk analitycznych - dozowanie próbki do urządzenia kontrolno- pomiarowego.

+

+ + +

+ +

+

+

+

+ +

+ + + +

+ + + +

+

+ + + + + + + + +

+ + + +

+ 3.1 Zielona chemia analityczna – nowe podejście w zakresie analityki chemicznej Wcześniej wspomniane dwanaście zasad zielonej chemii można z łatwością zastosować w celu sformułowania głównych cech determinujących zielony charakter chemii analitycznej. Przedstawione poniżej reguły można traktować jako główne priorytety: - eliminacja (lub, co najmniej, znaczące zmniejszenie) ilości zużywanych

odczynników, w szczególności rozpuszczalników organicznych, - redukcja emisji oparów i gazów, jak również wytwarzania ciekłych i stałych

odpadów w laboratoriach analitycznych, - eliminacja z procedur analitycznych odczynników wykazujących wysoką

toksyczność i/lub ekotoksyczność (np. zastępowanie benzenu przez inne rozpuszczalniki),

- redukcja zużycia pracy i energii w procedurach analitycznych (w przeliczeniu na pojedynczy analit).

W tabeli 6 zestawiono przykłady zastosowania zasad zielonej chemii w laboratoriach analitycznych.

Rozdział 1

8

Tabela 5. Zadania etapu przygotowania próbek do analizy z wykorzystaniem technik chromatograficznych. Lp. Zadanie Sposób realizacji: 1. Zapewnienie stabilności i

homogeniczności próbki na etapie transportu i przechowania.

- rozdrabnianie, - homogenizacja, - analiza sitowa, - osuszanie, - liofilizacja, - konserwacja chemiczna, - konserwacja termiczna;

2. Usunięcie z próbki składników przeszkadzających (interferentów).

- usuwanie pyłu z próbek gazowych, - osuszanie próbek gazowych, - usuwanie tlenu z gazów, - usuwanie zawiesiny z próbek wody;

3. Chemiczna konwersja do postaci łatwej do: - wzbogacania, - rozdzielania, - oznaczeń końcowych.

- derywatyzacja in situ, - derywatyzacja w kolumnie, - derywatyzacja w wycieku z kolumny;

4. Wymiana matrycy próbki na matrycę „przyjazną” w stosunku do stosowanego przyrządu pomiarowego.

- ekstrakcja analitu przy użyciu: a) strumienia gazu nośnego, b) płynu w stanie nadkrytycznym,

- wykorzystanie procesów membranowych na etapie izolacji i wzbogacania analitów,

- zastosowanie desorpcji termicznej jako dogodnego sposobu wprowadzania analitów uwolnionych ze złoża stałego sorbenta na czoło kolumny chromatograficznej;

5. Podniesienie stężenia analitu w próbce do analizy do poziomu umożliwiającego przeprowadzenie analizy ilościowej.

- wykorzystanie szerokiego spektrum technik wzbogacania analitów (w wielu przypadkach operacja ta jest połączona z etapem wymiany matrycy);

6. Zmniejszenie ilości zużywanych odczynników (w tym także rozpuszczalników).

- wykorzystanie bezrozpuszczalnych technik przygotowania próbek do analizy.

4. ROLA I ZADANIA ANALITYKI ŚRODOWISKOWEJ I MONITORINGU Zgodnie z coraz bardziej powszechnymi opiniami, analityka i monitoring zanieczyszczeń środowiskowych składają się z dwóch filarów, na których bazuje cała nauka środowiskowa. W opiniach niektórych specjalistów istnieje oddzielna dziedzina analityki chemicznej zwana ekoanalityką. Trzeba jednak pamiętać, że ani analityka, ani monitoring bezpośrednio nie dają podstaw do rozwiązania jakichkolwiek problemów z zakresu zanieczyszczenia lub degradacji poszczególnych elementów środowiska. Stanowią one jedynie skuteczne narzędzia, których użycie może dostarczyć

Rozdział 1

9

informacji niezbędnej dla wiarygodnej oceny stanu środowiska oraz zmian w nim zachodzących.

Działania zaprezentowane na rysunku 1 mogą zostać wykonywane dzięki zastosowaniu szerokiego spektrum procedur, technik analitycznych oraz urządzeń kontrolno-pomiarowych. Monitoring powinien być rozważany jako specyficzna dziedzina analityki środowiska, w której są wykorzystywane w pełni zautomatyzowane urządzenia pomiarowo-kontrolne umożliwiające uzyskanie informacji o badanych obiektach w czasie rzeczywistym.

Rolę i zadania analityki oraz monitoringu środowiskowego obrazuje schemat przedstawiony na rysunku 1. Rys. 1. Cele i zadania analityki i monitoringu środowiskowego.

Wykorzystanie analitykii monitoringu środowiskowego

Badania ekotoksykologiczne

Oszacowanie emisji

Pomiar imisji

Badania procesów zachodzą- cych w środowisku

Identyfikacja źródeł emisji

zanieczyszczeń

Oszacowanie zasięgu oddziaływania źródeł emisji zanieczyszczeń

Ocena efektywności zabiegów

sozotechnicznych

Standardowa ocena jakości poszczególnych elementów środowiska (zgodność z normami i

przepisami)

Badania poziomu tła i trendów

długookresowych

Badania dróg przemieszczania się

zanieczyszczeń

Badania przemian chemicznych,

biochemicznych i fotochemiczneych

zanieczyszczeń środowiska

Badanie wpływu zanieczyszczeń na

zmiany klimatyczne

Pomiar ekspozycji

Badania procesów kumulacji i

metabolizmu zanieczyszczeń

przez organizmy żywe

Rozdział 1

10

Tabela 6. Przykłady działań na rzecz wprowadzenia zasad zielonej chemii analitycznej w laboratoriach analitycznych

Lp. Cel Sposób zastosowania Uwagi Przykłady 1

Całkowita eliminacja odczynników i rozpuszczalników z laboratorium analitycznego.

Wykorzystanie na możliwie szeroką skalę tzw. bezpośrednich technik analitycznych.

Techniki bezpośrednie umożliwiają oznaczenie analitów w badanej próbce bez wstępnego jej wstępnego przygotowania.

• metoda elektrochemiczne (elektrody jonoselektywne),

• spektroskopia absorpcji atomowej z termicznym wzbudzeniem w płomieniu grafitowym (GFAAS),

• spektroskopia emisji atomowej ze wzbudzeniem w indukowanej plazmie (AES-ICP),

• techniki analizy powierzchni (SEM, SIMS, AES, XPS/ESCA, ISS),

• fluorescencja promieniowania rentgenowskiego, • zdalne techniki pomiaru stopnia zanieczyszczenia

atmosfery (Lidar, Sodar); 2

Zmniejszenie ilości zużywanych odczynników.

Zmniejszenie wielkości próbek do analizy (zmniejszenie skali oznaczeń), prowadzenie analiz in situ,

Oszczędności ekonomiczne, związane z ograniczeniem zakupów odczynników i reagentów wysokiej czystości. Działalność prośrodowiskowa związana ze: - zmniejszeniem ilości odczynników (w

postaci roztworów)zrzucanych do ścieków komunalnych,

- utylizacją przeterminowanych odczynników,

- eliminacją konieczności stosowania konserwantów chemicznych (dla zapewnienia stabilności składu ich transportu i przechowywania);

uzyskiwanie informacji analitycznych w czasie rzeczywistym lub z minimalnym opóźnieniem czasowym. Może to mieć istotne znaczenie

• mikrosystemy całkowitej analizy chemicznej (µ-Total Chemical Analysis Systems, µ-TAS),

• wykorzystanie technologii chipów i mikrochipów do budowy aparatury analitycznej (ang. laboratory on the chip),

• zastosowanie immunoanalizy (Immunoassays - IMA), • radioimmunoanalizy (Radioimmunoassays - RIA), • immunoanalizy enzymatycznej (Enzyme

immunoassays - EIA);

Rozdział 1

zastosowanie tzw. suchych technik przygotowania próbek do analizy.

przy: - zapobieganiu katastrofom i awariom

instalacji chemicznych (pożary, wybuchy, wycieki),

- podejmowania decyzji, co do konieczności zmian w reżimie procesu technologicznego.

3

Eliminacja lub redukcja ilości rozpuszczalników używanych w toku procedury analitycznej.

Wprowadzenie do praktyki analitycznej tzw. bezrozpuszczalnikowych technik przygotowania próbek.

Ekonomiczne oszczędności związane z: - redukcją zakupu rozpuszczalników o

wysokiej czystości, - eliminacją konieczności organizacji

systemu zbierania i utylizacji zlewek rozpuszczalnikowych.

Działalność prośrodowiskowa ze względu na: - zmniejszenie ryzyka zrzucania do ścieków

zlewek rozpuszczalnikowych, - zmniejszanie ekspozycji personelu

laboratoryjnego na pary lotnych związków organicznych.

• ekstrakcja za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym (SFE),

• system ekstrakcji membranowej sprzężonej, bezpośrednio (on-line) z urządzeniem pomiarowym,

• ekstrakcja analitów do strumienia gazu płuczącego, • ekstrakcja do fazy stałej (SPE) w połączeniu z

desorpcją termiczną;

4 Zmniejszenie emisji par i gazów.

Hermetyzacja naczyń i urządzeń. Redukcja ekspozycji personelu laboratoryjnego na potencjalnie szkodliwe.

5

Zmniejszenie praco- i czasochłonności operacji.

Automatyzacja i robotyzacja czynności laboratoryjnych, równoczesne oznaczanie wielu analitów w pojedynczym cyklu analitycznym, szersze wykorzystanie technik łączonych.

Zmniejszenie energochłonności w przeliczeniu na analizę lub oznaczany składnik.

• techniki chromatograficzne i pokrewne: chromatografia gazowa z ekstrakcją do fazy stałej (SPE-GC), wysokosprawna chromatografia cieczowa z ekstrakcją do fazy stałej (SPE-HPLC), chromatografia z fazą ruchomą w stanie nadkrytycznym poprzedzona ekstrakcją za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym (SFE-SFC).

Rozdział 1

12

5. ROZWÓJ ANALITYKI ŚRODOWISKOWEJ I MONITORINGU Studia literaturowe prowadzą do wniosku, że w analityce środowiskowej występują liczne tendencje w zakresie stosowania poszczególnych procedur i technik analitycznych w praktyce. Tendencje te można podzielić na dwie kategorie: • Rozwój, walidacja oraz zastosowanie nowych procedur analitycznych. • Projektowanie i budowa nowych urządzeń pomiarowo-kontrolnych

oraz oprzyrządowania analitycznego wykorzystywanego do: - transportu i obróbki wstępnej próbek środowiskowych, - wzbogacania próbek w celu ich oznaczania końcowego, - walidacji i kalibracji urządzeń pomiarowych, - separacji, wykrywania i identyfikacji analitów, - statystycznej i chemometrycznej obróbki danych analitycznych.

Te dwa typy tendencji rozwojowych zostały zestawione w tabeli 7. 5.1. Bezrozpuszczalnikowe techniki przygotowania próbek do analizy W ostatnich latach obserwuje się gwałtowny rozwój technik bezrozpuszczalnikowego przygotowania próbek do analizy. Klasyfikację tych technik przedstawiono na rysunku 2. Duże zainteresowanie tym podejściem wiąże się zarówno z aspektami ekotoksykologicznymi jak i ekonomicznymi. W wyniku wprowadzenia tych technik do praktyki laboratoryjnej unika się przede wszystkim emisji toksycznych rozpuszczalników do środowiska. Drugą korzyścią płynącą z wykorzystania metod bezrozpuszczalnikowych jest fakt, że stosowanie rozpuszczalników o wysokim stopniu czystości wiąże się z wysokimi nakładami na ich zakup, a ponadto konieczna jest utylizacja (bądź recyrkulacja) zlewek. [6]. 5.2. Rola analizy specjacyjnej w analityce środowiskowej i monitoringu Zgodnie z oficjalną definicją, zaproponowaną przez IUPAC, pod pojęciem analizy specjacyjnej rozumie sie proces identyfikacji i oznaczania różnych form fizycznych i chemicznych, w jakich dany pierwiastek występuje w badanej próbce. Początkowo analityka specjacyjna była związana wyłacznie z biogeochemicznym cyklem metali w środowisku wodnym. Już w latach pięćdziesiątych obecnego wieku w geochemii rozróżniano dwie formy występowania metali: metale w formie rozpuszczonej oraz metale związane z substancją zawieszoną.

Na tym etapie wystarczała operacja filtracji próbki wody przy użyciu filtra o średnicy porów 0,45 µm, by uzyskać właściwe rozdzielenie obu faz. W późniejszym okresie na skutek rozwoju elektrochemicznych metod analitycznych, możliwa stała się identyfikacja różnych form występowania metali w postaci rozpuszczonej – wolne jony oraz formy złożone jonów. Prowadzone równolegle badania symulacyjne możliwych stanów równowagi pomiędzy jonami i ligandami organicznymi jak i nieorganicznymi, pozwoliły na stwierdzenie, że w środowisku wodnym może występować bardzo szeroka gama form związków chemicznych metali. Obecnie analityką specjacyjną objęte są nie tylko metale, ale i inne pierwiastki- i to w próbkach różnego typu. Analityka specjacyjna odgrywa istotną rolę w : - badaniach cykli biogeochemicznych poszczególnych pierwiastków, - określaniu toksycznego i ekotoksycznego działania poszczególnych pierwiastków, - kontroli jakości produktów żywnościowych, - badaniu leków i produktów farmaceutycznych, - kontroli przebiegu procesów technologicznych, - badaniach klinicznych.

Rozdział 1

13

Tabela 7. Główne trendy w dziedzinie analityki środowiskowej i monitoringu. Typ trendu Specyficzny kierunek rozwojowy Komentarz

Rozpowszechnienie technik bezrozpuszczalnikowego przygotowania

próbek do analizy.

Jest to przykład zastosowania zasad „zielonej chemii” w praktyce analitycznej.

Rozwój analityki specjacyjnej. Analityka specjacyjna jest procesem prowadzącym do identyfikacji i oznaczania różnych składników jak i ich postaci fizycznych.

Wykorzystanie wskaźników sumarycznych (parametrów całkowitych) do oceny stopnia

zanieczyszczenia środowiska.

Parametry sumaryczne są miarą całkowitej zawartości danego pierwiastka w badanej próbce lub w specyficznej grupie zanieczyszczeń.

Wzrost znaczenia bioanalityki i biomonitoringu.

W praktyce tendencja ta przejawia się poprzez: - wykorzystanie rezultatów badań próbek bioty do oceny stopnia zanieczyszczenia nieożywionej części środowiska, - obserwację fluory i fauny, - wprowadzenie do praktyki analitycznej technik immunoanalizy (np. Enzyme Linked Immunosorbent Assay -ELISA).

Metodyczny

Oznaczanie bardzo niskich stężeń analitów w próbkach o bardzo skomplikowanej matrycy.

Techniki chromatograficzne stanowią doskonałe narzędzie umożliwiające uzyskanie informacji o szerokim spektrum analitów obecnych w badanych próbkach.

Nowe rozwiązania konstrukcyjne detektorów, czujników oraz bioczujników.

Prowadzone są intensywne prace nad opracowaniem nowych typów czujników, bioczujników i detektorów. Na coraz szerszą skalę do praktyki analitycznej wprowadzane są zestawy czujników określane terminami „elektroniczny nos” i „elektroniczny język”.

Rozwój techniki pomiarowych in situ. Osobiste dozymetry i osobiste stałe monitory wykorzystywane do oceny indywidualnego napromieniowania tworzą specjalną klasę przenośnych urządzeń pomiarowych.

Miniaturyzacja przyrządów pomiarowych. Przejawem tej tendencji są informacje na temat mikrosystemów analitycznych: - laboratorium na chipie (ang. laboratory on a chip), - mikrosystemów całkowitej analizy chemicznej (ang. micro-Total Chemical Analysis Systems µ-TAS).

Instrumentalny

Zastosowanie systemów eksperckich. Systemy eksperckie, zwane też systemami bazującymi na wiedzy (knowledge-base systems,) wykorzystują model procesu ludzkiej logiki. Pozwalają one na pewien stopień komputeryzacji ekspertyz analitycznych.

Rozdział 1

Wykorzystanie technik wielowymiarowych. Techniki wielowymiarowe polegają na połączeniu dwóch różnych technik chromatograficznych celem rozdzielenia składników bardzo skomplikowanych mieszanin. W technikach tych składniki mieszaniny są najpierw rozdzielane według jednej właściwości (np. prężność pary w chromatografii gazowej z wykorzystaniem niepolarnych faz stacjonarnych), a tak rozdzielone składniki są poddawane dalszej separacji wg innej właściwości (np. polarność w chromatografii gazowej z wykorzystaniem polarnych faz stacjonarnych). Techniki wielowymiarowe mogą być oparte na wykorzystaniu tego samego typu chromatografii (np. GCxGC, LCxLC) lub dwóch różnych typów chromatografii (np. LCxGC, GCxSFC). Dzięki zastosowaniu dwóch różnych mechanizmów rozdzielania zdolność rozdzielcza technik wielowymiarowych jest znacznie większa niż zdolność większości technik jednowymiarowych. Techniki wielowymiarowe stosowane są głównie w analizie bardzo skomplikowanych mieszanin (np. produkty ropopochodne, próbki pochodzenia biologicznego, produkty pirolizy). W przypadku analiz wybranych związków (target analysis) metody wielowymiarowe pozwalają na znaczne uproszczenie metod przygotowania próbki.

Zastosowanie próbników pasywnych. Ten sposób pobierania próbek analitów charakteryzuje się następującymi zaletami w stosunku do innych technik: - prostota budowy urządzeń i łatwość ich obsługi w warunkach terenowych, - wyeliminowanie wszelkich urządzeń aktywnych (pompy, urządzenia natężenia przepływu strumienia próbki)

wymagających zasilenia w prąd elektryczny. Rozwój technologii szybkich testów. Wyróżnia się trzy główne typy testów wykorzystywanych w praktyce (do pomiarów półilościowych):

- testy suche, - testy półsuche, - testy mokre.

Rozwój zdanych technik czujnikowych (ang. remote sensing techniques).

Główne osiągnięcia w tej dziedzinie to zastosowanie technik LIDAR (ang. Light detection and ranging) oraz techniki SODAR (ang. Sound detection and ranging).

Instrumentalny

Wykorzystanie Systemu Informacji Geograficznej (Geografic Information System –

GIS).

Rozwój tego systemu związany jest z: - zaawansowaniem w metodologii zbierania danych, - rozwojem techniki zdalnych czujników, - wykorzystaniem satelitarnego systemu lokalizacji obiektów (ang. Global Positioning System – GPS).

Można wyróżnić pięć głównych typów analityki specjacyjnej. W tabeli 8 zawarto krótką charakterystykę jej podstawowych typów oraz przykłady ich zastosowania.

Rozdział 1

Rys. 2. Klasyfikacja bezrozpuszczalnikowych metod przygotowania próbek do analizy.

Ekstrakcja za pomocą płynu w stanie

nadkrytycznym (SFE)

Wykorzystanie dozymetrów pasywnych typu permeacyjnego na etapie pobierania próbek analitów i desorpcji termicznej na etapie

ich uwalniania i dozowania do urządzenia analitycznego.

TECHNIKI BEZROZPUSZCZALNIKOWEGO

PRZYGOTOWANIA PRÓBEK DO ANALIZY

Ekstrakcja analitów z próbki z

wykorzystaniem

Bezpośrednie oznaczanie analitów w strumieniu gazu nośnego,

analiza fazy nadpowierzchniowej (ang. Head Space Analysis – HSA).

Zatrzymywanie analitów na czole chłodzonej kolumny

chromatograficznej (ang. Whole Column Cryotrapping – WCCT).

Wykorzystanie techniki wymrażania analitów i ich

termicznego uwalniania przed etapem oznaczeń końcowych (ang.

Cryotrapping – CT).

Ekstrakcja membranowa

Bezpośrednie oznaczanie analitów w strumieniu gazu

lub cieczy omywających zewnętrzną stronę membrany.

Zatrzymywanie analitów ze strumienia gazu na warstwie sorbenta i ich uwalnianie w procesie termicznej desorpcji przed etapem oznaczeń

końcowych, na przykład: • ekstrakcja membranowa połączona z zatrzymywaniem analitów na

złożu sorbenta (ang. Membrane Extraction with Sorbent Interface – MESI),

• ekstrakcja z wykorzystaniem membrany rurkowej (ang. Hollow Fiber Sampling Analysis –HFSA),

• ekstrakcja membranowa z zatrzymywaniem analitów (w układzie on-line) na mikrozłożu sorbenta (ang. On-line Membrane Extraction Microtrap – OLMEM),

• ekstrakcja i zatrzymywanie analitów w membranie (ang. Membrane Purge and Trap – MPT),

• ekstrakcja z wykorzystaniem porowatej membrany polimerowej (ang. Pulse Introduction Membrane Extraction – PIME),

• urządzenie z membraną półprzepuszczalną do pobierania analitów z wykorzystaniem techniki pasywnej (ang. Semi Permeable Membrane Devices –SPMD).

Wykorzystanie membrany ekstrakcyjnej jako medium zatrzymującego anality w połączeniu z termiczną desorpcja (ang.

Thermal Membrane Desorption Application –TMDA).

Dozowanie analitów do spektrometru mas,

spektrometria mas z wlotem membranowym (ang. Membrane Inlet Mass Spectrometry –

MMS).

Wykorzystanie pułapek ze złożem stałego sorbenta, na przykład:

• technika jednoczesnego wypłukiwania i wychwytywania analitów na złożu stałego sorbenta (ang. Purge and Trap – PT),

• techniki jednoczesnego wypłukiwania i wychwytywania analitów na złożu stałego sorbenta z zamkniętym obiegiem strumienia gazu płuczącego(ang. Closed Loop Stripping Analysis – CLSA),

• pułapki zawierające złoże polidimetylosiloksanu (packed PDMS trap).

• mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej (ang. Solid Phase Microextraction – SPME),

• mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej z fazy nadpowierzchniowej (ang. Head Space-Solid Phase Microextraction - HS-SPME).

Wykorzystanie odcinka kolumny kapilarnej jako pułapki do zatrzymywania analitów ze strumienia gazu lub cieczy, na

przykład: • pułapka kapilarna z filmem medium zatrzymującego

(ang. Coated Capillary Microextraction –CCME), • pułapki z filmem medium zatrzymującego o dużej

grubości (ang. Thick Film Open Tabular Trap – TFOT, Thick Film Capillary Trap – TFCT).

Ekstrakcja do fazy stałej (SPE)

Wykorzystanie złoża sorbentu wewnątrz igły strzykawki do pobierania próbek analitu(ang. Inside Needle Capillary

Absorption Trap –INCAT).

Rozdział 1

Tabela 8. Krótka charakterystyka podstawowych typów analityki specjacyjnej. Typ analizy specjacyjnej

Obszar zastosowania Uwagi Przykłady

SPECJACJA FIZYCZNA Analityka

zanieczyszczeń środowiska (powietrze, woda, gleba).

Ten typ analityki specjacyjnej jest niezwykle ważny np. z punktu widzenia badań procesów chemicznych i biochemicznych zachodzacych w poszczególnych elementach środowiska.

Oznaczanie: - śladowych ilości metali (w postaci frakcji rozpuszczonej oraz frakcji

związanej z zawiesiną), - związków organicznych (np. wielopierścieniowych węglowodorów

aromatycznych, dioksyn, polichlorowanych bifenyli) występujących zarówno w postaci gazowej jak i w postaci związanej z frakcją pyłów i aerozoli,

- śladowych ilości metali występujących w różnych formach w glebach i osadach dennych (po zastosowaniu ekstrakcji sekwencyjnej).

SPECJACJA CHEMICZNA Specjacja przesiewowa

Analityka zanieczyszczeń środowiska, analityka zanieczyszczeń żywności, ekotoksykologia.

Jest to bez wątpienia najprostszy przypadek analityki specjacyjnej, gdy w oparciu o odpowiednie testy czy też z wykorzystniem właściwych procedur analitycznych dąży się do wykrycia i ilościowego oznaczenia ściśle określonego jednego analitu np. ze względu na jego szczególnie wysoką ekotoksyczność lub rolę jaką on odgrywa w cyklu biogeochemicznym tego pierwiastka.

Oznaczanie: - trójbutylocyny w wodzie morskiej, osadach i tkankach, - oznaczanie metylortęci w próbkach tkanek.

Rozdział 1

Specjacja grupowa

Analityka zanieczyszczeń środowiska, analityka zanieczyszczeń żywności, ekotoksykologia.

W przypadku tego typu analityki specjacyjnej chodzi o sumaryczne określenie poziomu stężenia określonej grupy związków bądź też całkowitego stężenia danego pierwiastka występującego w związkach chemicznych na określonym poziomie utlenienia.

1. Oznaczanie: - stężenia związków chromu (Cr VI) - ChZT i BZT w próbkach wody i ścieków. 2. Określenie: - poziomu zawartości materii organicznej w próbkach poprzez wyznaczenie wartości tzw. parametrów sumarycznych np. TOC w wodzie czy też sumy węglowodorów (TH) w powietrzu, - oddzielnie poziomu stężeń trzech form występowana rteci (rtęć elementarna, organiczna i nieorganiczna).

Specjacja dystrybucyjna

Analityka zanieczyszczeń środowiska, Ekotoksykologia.

Ten typ specjacji związany jest przede wszystkim z analizą próbek biologicznych.

Oznaczanie: - poziomu metali śladowych w surowicy krwi, plazmie i krwinkach, - poziomu dioksyn (polichlorowane dibenzodioksyny i polichlorowane dibenzofurany) w poszczególnych tkankach ryb, - poziomu metali ciężkich w częściach roślin.

Specjacja indywidualna

Analityka zanieczyszczeń środowiska, analityka zanieczyszczeń żywności, ekotoksykologia.

Jest to najtrudniejsza do realizacji forma analizy specjacyjnej. Szczególną rolę będą tutaj odgrywać różne techniki frakcjonowania i separacji a przede wszystkim techniki chromatograficzne i tzw. techniki łączone.

Rozróżnianie i oznaczanie w próbce wszystkich indywiduów chemicznych zawierających w swoim składzie dany pierwiastek.

Rozdział 1

18

5.3. Zastosowanie parametrów sumarycznych do oceny stopnia zanieczyszczenia różnych elementów środowiska. Badania analityczne próbek środowiskowych mogą być źródłem informacji dotycząc: - składu pierwiastkowego poszczególnych zanieczyszczeń, - specjacji zanieczyszczeń, - sumarycznych parametrów określających całkowitą zawartość danego pierwiastka

w określonej grupie składników badanej próbki. Biorąc pod uwagę różnorodność związków, mogących stanowić zanieczyszczenie badanego elementu środowiska, ich rozdzielenie, oznaczenie i identyfikacja może się okazać niezwykle trudnym i kosztownym zadaniem.

Wykorzystanie odpowiednich parametrów sumarycznych pozwoliłoby w wielu przypadkach na znaczne ograniczenie ilości niezbędnych analiz oraz na szybszą wstępną ocenę stanu środowiska.

Pierwszymi parametrami sumarycznymi wykorzystywanymi w praktyce analitycznej były: - Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu – ChZT (ang. Chemical Oxygen Demand-

COD), - Biologiczne Zapotrzebowanie Tlenu - BZT (ang. Biological Oxygen Demand- BOD)

w próbkach ciekłych i stałych, - Suma Węglowodorów (ang. Total Hydrocabons- TH) w powietrzu. Obecnie najlepiej znanym parametrem, który znalazł liczne zastosowanie w analityce środowiskowej jest Ogólny Węgiel Organiczny – OWO (ang. Total Organic Carbon, TOC). Wartość analityczną tego parametru uznano już w 1931 roku. Od tego czasu pojawiła sie ogromna liczba informacji na temat oznaczania OWO w różnego typu próbkach.

Podstawowe techniki oznaczania OWO w wodzie są w zasadzie takie same od ponad 25 lat. Materia organiczna obecna w badanej próbce jest utleniana do CO2 w dwojaki sposób: - w procesie niskotemperaturowego utleniania na mokro w obecności utleniacza (ang.

Wet Chmical Oxidation – WCO), - w procesie wysokotemperaturowego utleniania katalitycznego (ang. High

Temperature Catalic Oxidation – HTCO).

Często wykorzystuje się dodatkowe czynniki wspomagajace proces utleniania (np. promieniowanie ultrafioletowe). Powstały ditlenek węgla jest mierzony przy wykorzystaniu mikrokulometrii, technik konduktometrycznych, detektora płomieniowo-jonizacyjnego (po procesie metanizacji) czy też z wykorzystaniem detektora IR. Jako że wiele próbek wody zawiera węgiel w postaci nieorganicznej (jony węglanu i wodorowęglanu), zazwyczaj usuwa się te indywidua, stosując w tym celu techniki odgazowywania poprzedzające etap oznaczania poziomu zawartości OWO lub stosuje się bezpośrednie oznaczanie Ogólnego Węgla Nieorganicznego – OWN (ang. Total Inorganic Carbon, TIC) jako pierwszy etap pośredniego oznaczania zawartości OWO. Są dwa główne powody, dla których techniki oznaczania zawartości OWO nabierają coraz większego znaczenia: - poziom zawartości OWO jest miarą poziomu zanieczyszczeń wód związkami

organicznymi oraz stopnia biodegradacji wód powierzchniowych i wód ściekowych, - określenie wartości parametru OWO jest bardzo użyteczne przy określaniu

skuteczności operacji oczyszczania wód i ścieków.

Rozdział 1

19

Tradycyjne techniki pomiaru ilości materii organicznej takie jak ChZT i BZT charakteryzują się wieloma wadami i niedogodnościami.

Techniki oznaczania wartości parametru BZT są oparte na pomiarze zawartości tlenu rozpuszczonego, który jest zużywany w procesie utleniania materii organicznej obecnej w wodzie w ściśle określonym czasie. Jest wiele wątpliwości co do odtwarzalności pomiarów, a czułość pomiarów nie jest zbyt wysoka. Natomiast oznaczanie ChZT jest związane z użyciem drogich i toksycznych odczynników, a wyniki pomiarów mogą być obciążone poważnym błędem związanym z występowaniem w badanych próbkach związków nieorganicznych lub też składników organicznych, które nie ulegają utlenieniu.

Pomiary zawartości OWO są wykorzystywane w celu określenia poziomu zanieczyszczenia związkami organicznymi wód różnego typu (od wody wysokiej czystości wykorzystywanej w przemyśle elektronicznym i generatorach prądu elektrycznego do próbek ścieków przemysłowych i komunalnych).

Typowy poziom zawartości OWO w wodzie może się wahać w granicach od poziomu niższego niż 1 µg C/dm3 (1 ppb) do poziomu powyżej 1000mg C/dm3 (1000 ppm) – w przypadku wód ściekowych.

W ostatnich latach szczególnego znaczenia nabierają pomiary OWO w wodzie o wysokim stopniu czystości. Obecność nawet śladowych ilości materii organicznej (rzędu 1 ppb C) w wodzie używanej w przemyśle elektronicznym może powodować poważne zakłócenia w procesie produkcyjnym, takie jak: - niepożądana depozycja tlenków, - defekty w warstwie fotooporowej (w wyniku zmian we właściwościach

adhezyjnych), - zakłócenia właściwości elektrycznych (obniżenie wartości napięcia przebicia oraz

wysokie natężenia prądu upływu).

Obecność materii organicznej w wodzie wykorzystywanej w energetyce może prowadzić do przyspieszenia procesów korozyjnych. Jest także oczywiste, że niedopuszczalna jest obecność choćby składowych ilości składników organicznych (a w szczególności endotoksyn) w wodzie wykorzystywanej w przemyśle farmaceutycznym, np. do produkcji płynów infuzyjnych.

Metody i techniki wykorzystywane w praktyce do wyznaczania wartości parametrów sumarycznych można sklasyfikować biorąc pod uwagę następujące cechy: 1. Obszar praktycznego wykorzystania:

- badania powietrza atmosferycznego, - badania wody i ścieków, - badania gleby.

2. Rodzaj wyznaczanego parametru: - całkowita zawartość danego pierwiastka we wszystkich zanieczyszczeniach - obecnych w próbce, - zawartość danego pierwiastka w określonej grupie zanieczyszczeń obecnych

w próbce. 3. Sposób prowadzenia analizy:

- bezpośrednio w próbce, - po ekstrakcji zanieczyszczeń (analiza ekstraktu).

4. Sposób ekstrakcji zanieczyszczeń z badanej próbki. 5. Techniki mineralizacji zanieczyszczeń przed etapem oznaczeń końcowych.

Rozdział 1

20

W tabeli 9 zawarto krótki opis technik wykorzystywanych przy oznaczaniu parametrów sumarycznych na przykładzie oznaczania zawartości węgla w próbkach gazowych. Tabela 9. Klasyfikacja nazewnictwa sumarycznych wskaźników stopnia zanieczyszczenia wód (na przykładzie oznaczania zawartości węgla).

Kryterium klasyfikacyjne

Nazwy parametrów

Rodzaje połączeń chemicznych.

Suma węgla organicznego (Total Organic Carbon –TOC) (ogólny węgiel organiczny) – OWO

Suma węgla nieorganicznego (Total Inorganic Carbon – TIC) (CO

2

3-, HCO3

-, CO2rozp.)

Całkowita zawartość węgla (Total Carbon –TC) TC= TOC+TIC

Forma występowania związków chemicznych.

Węgiel organiczny rozpuszczony (Dissolved Organic Carbon – DOC)

Węgiel organiczny zawieszony (Suspended Organic Carbon – SOC)

Suma węgla organicznego (Total Organic Carbon – TOC)TOC = DOC+SOC

Lotność związków organicznych.

Lotny węgiel organiczny (Volatile Organic Carbon – VOC)

Nielotny węgiel organiczny (Non- Volatile Organc Carbon - NVOC)

Węgiel organiczny rozpuszczony (Dissolved Organic Carbon – DOC) DOC = VOC+NVOC

Sposób izolacji związków organicznych z próbek wody:

Ekstracja za pomocą rozpuszczalnika.

Ekstrahowalny węgiel organiczny (Extractable Organic Carbon -EOC)

Nieekstrahowalny węgiel organiczny (Non- Extractable Organic Carbon – NEOC)

Węgiel organiczny rozpuszczolny (Dissolved Organic Carbon – DOC) DOC = EOC+NEOC

Adsorpcja na sorbencie.

Adsorbowalny węgiel organiczny (Adsorbable Organic Carbon – AOC)

Nieadsorbowalny węgiel organiczny (Non- Adsorbable Organic Carbon – NAOC)

Węgiel organiczny rozpuszczony (Dissolved Organic Carbon – DOC) DOC = AOC+NAOC

Ekstrakcja za pomocą strumienia gazu.

Wymywalny węgiel organiczny (Purgeable Organic Carbon –POC)

Niewymywalny węgiel organiczny (Non- Purgeable Organic Carbon – NPOC)

Węgiel organiczny rozpuszczony (Dissolved Organic Carbon – DOC) DOC = POC+NPOC

Sumaryczne parametry są również wykorzystywane przy ocenie jakości powietrza atmosferycznego. W kolejnej tabeli (tabela 10) przedstawiono krótki opis rozwiązań metodycznych, które mogą być wykorzystywane przy oznaczaniu takich parametrów sumarycznych, jak: - suma węglowodorów, - suma węglowodorów niemetanowych.

Rozdział 1

21

Tabela 10. Techniki oznaczania sumy weglowodorów w powietrzu.

Oznaczany

parametr

Sposób realizacji Uwagi

Strumień badanego powietrza jest kierowany bezpośrednio do detektora

płominiowo-jonizacyjnego (FID).

Sygnał detektoranie nie jest

proporcjonalny do ilości

atomów węgla (ze względu na

obecność heteroatomów w

cząsteczkach analitów).

Stężenie metanu jest

wielokrotnie wyższe od

sumarycznego stężenia

pozostałych związków i

trudno jest na tle stężeń

zaobserwować wahania w

poziomie stężeń sumy

pozostałych związków.

Strumień powietrza po usunięciu CO i CO2 jest kierowany poprzez złoże

katalizatora do detektora absorpcji promieniowania podczerwonego

(NDIR).

Sygnał detektora jest

proporcjonalny do ilości

atomów węgla. Wadą jest

stosunkowo niska czułość

detektora NDIR.

Suma

węglowodorów

(Total Hydrocarbons

– TH).

Strumień powietrza po usunięciu CO i CO2 jest kierowany do detektora FID

poprzez:

- złoże katalizatora (celem utlenienia związków organicznych),

- złoże reduktora (metaliczny nikiel na nośniku) ogrzewanego do

temperatury 400°C celem konwersji CO2 do CH4 (w obecnosci H2).

W tym przypadku uzyskuje

się bardzo wysoką czułość

oznaczania zawartości TH.

Strumień powietrza kierowany jest do detektora FID poprzez złoże

katalizatora (gdzie następuje selektywna mineralizacja węglowodorów

niemetanowych). W wyniku przemiennego kierowania strumienia

powietrza do detektora (poprzez katalizator lub z pominięciem katalizatora)

możliwe jest oznaczenie CH4 oraz TNMHC.

Najważniejszym problemem

jest znalezienie właściwego

katalizatora i termperatury

pracy, w której nastąpi

ilościowe utlenienie

wszystkich związków

organicznych z wyjątkiem

metanu.

Próbka powietrza podawana jest do kolumny chromatograficznej, na której

następuje oddzielenie CO, CO2 i CH4 od pozostałych związków

organicznych. Anality kolejno opuszczają kolumnę poprzez metanizator i

kierowane są do detektora FID. Pozostałe związki analitu zatrzymane na

czole kolumny chromatograficznej po zmianie kierunku przepływu

strumienia gazu nośnego wymywane są z kolumny (w postaci jednego piku)

i kierowane do detektora.

Jest to przykład periodycznej,

chromatograficznej techniki

oznaczania zawartości

TNMHC.

Suma

węglowodorów

niemetanowych

(Total Non Methane

Hydrocarbons –

TNMHC).

Strumień powietrza przepuszczany jest przez pułapkę kriogeniczną, w

której następuje selektywne zatrzymywanie związków organicznych (z

wyjątkiem metanu). Po etapie pobierania próbki następuje gwałtowne

ogrzanie pułapki i wymycie analitów za pomocą strumienia gazu nośnego

do detektora.

Poważnym problemem jest

para wodna zatrzymywana w

pułapce w postaci lodu.

Rozdział 1

22

Strumień powietrza przepuszczany jest kolejno przez:

• reaktor do katalitycznego specyficznego utleniania CO,

• absorber do selektywnego zatrzymywania CO2,,

• reaktor do selektywnego katalitycznego utleniania związków

organicznych (wobec CH4 ) do CO2,..

Pozostały CO2 (równoważny węglowi zawartemu w utlenionych związkach

organicznych) zatrzymywany jest na wartstwie sita molekularnego. Po

termicznym uwolnieniu możliwe jest oznaczenie CO2 za pomocą różnych

technik.

Procedura postępowania jest

bardzo skomplikowana, a

wieloetapowość postępowania

może być źródłem błędów.

5.3. Bianalityka i biomonitoring Zastosowanie nowoczesnych technik analizy chemicznej umożliwia uzyskanie wyników, które są źródłem informacji o stanie poszczególnych elementów środowiska. Zazwyczaj prowadzenie takich badań przy pomocy tych technik jest niezwykle praco- i czasochłonne i wymaga udziału wysoko wykwalifikowanego personelu, co w sposób istotny wpływa na koszt przeprowadzenia badań analitycznych. Ponadto, wiele z tych technik może być stosowanych wyłącznie w warunkach laboratoryjnych, co z kolei zwiększa opóźnienie czasowe pomiędzy etapem pobrania próbki a uzyskaniem wyniku analizy.

Od dłuższego już czasu obserwuje się wzrost zapotrzebowania na specyficzne i szybkie techniki analityczne, które umożliwiłyby prowadzenie badań analitycznych w układzie on-line i bez opóźnienia czasowego. Takie możliwości oferują metody z zakresu bioanalityki i biomonitoringu.

Idea wykorzystania pojedynczych organizmów żywych, bądź też ich populacji, do rejestrowania i oceny pewnych charakterystycznych cech środowiska jest oparta na ekologicznym teoremacie o istnieniu równowagi pomiędzy czynnikami środowiskowymi a wymaganiami życiowymi różnych gatunków organizmów żywych. Twierdzenie to ujrzało światło dzienne już w XVI wieku. W tym okresie obecność pewnych gatunków roślin w poszyciu wiązano z obecnościa rud w ziemi, a skład gatunkowy roślinności był wykorzystywany do jakościowej oceny żyzności gleby.

Wraz z początkiem ery przemysłowej i wzrostem ilości zanieczyszczeń emitowanych do środowiska, stało sie jasne, że organizmy żywe są w stanie nie tylko wykazywać cechy charakterystyczne ich „naturalnego” biotopu, ale ponadto dostarczać informacji o zmianach zachodzących tam w wyniku antropopresji.

Już w roku 1866 Nylander dokonał oceny zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego na podstawie analizy składu gatunkowego porostów naturalnie występujacych w Luksemburgu.

Od tego czasu opublikowana została ogromna liczba prac na temat możliwości wykorzystania organizmów zywych (bakterii, grzybów, roślin jak i zwierząt) i to zarówno ze środowiska wodnego jak i lądowego- jako źródła informacji o stanie abiotycznej części środowiska.

Metody biologiczne znajdują coraz szersze zastosowanie w badaniach środowiskowych – pojawiają sie coraz to nowe rozwiązania metodyczne w tym zakresie. Ten gwałtowny rozwój bioanalityki i biomonitoringu pociąga za sobą pojawienie sie coraz częstszych przypadków nieporozumień terminologicznych.

Ogólna klasyfikacja metod biologicznych wykorzystywanych w zakresie analityki i monitoringu środowiska została przedstawiona na rysunku 3. W tym miejscu Autor pragnie zwrócić uwagę na dendroanalizę jako jedną z użytecznych technik biomonitoringu środowiska.

Rozdział 1

23

Drzewa z regionów klimatu umiarkowanego są formami odznaczającymi się corocznym zauważalnym naturalnym przyrostem słojów. Określają one dokładny wiek drzew. Metale znajdujące się w otaczającym środowisku i dostające się do drzew, transportowane są wraz z wodą przez tkanki słojów i akumulowane w drewnie. W związku z tym powstała idea badania przyrostów z kolejnych lat i oznaczania w nich zawartości pierwiastków śladowych wg chronologicznego wzrostu.

Ta metodyka badawcza jest określana terminem dendroanaliza. Umożliwia ona nie tylko stwierdzenie obecnego poziomu akumulacji pierwiastków metalicznych, ale także przebiegu tego procesu w latach wcześniejszych. Może więc ona stanowić przykład techniki retrospektywnej.

Dodatkowo, sąsiadujące drzewa powinny wykazywać podobny stopień akumulacji zanieczyszczeń, co z kolei można wykorzystać do ustalenia zasięgu (rozległości) oddziaływania zanieczyszczeń środowiskowych.

Rys. 3. Klasyfikacja metod biologicznych wykorzystywanych w analityce i monitoringu środowiskowym. Natomiast w tabeli 11 zestawiono podstawowe informacje o typach biowskaźników i biomonitorów wykorzystywanych w badaniach środowiskowych.

METODY BIOLOGICZNEW ANALITYCE

BIOMONITORING BIOANALITYKA

Zastosowanie wskaźników biologicznych : - wskaźniki wizualne, Biologiczny System Wczesnego Ostrzegania (ang. Biological Early Warning System – BEWS), - dendroanaliza, - analizy składu gatunkowego, - wskaźniki retrospektywne (analiza pyłkowa, analiza okrzemkowa), - wskaźniki prognostyczne (zakwity wody, sukcesje roślinne).

Analiza próbek materii ożywionej (próbniki zintegrowane).

Zastosowanie bioczujników w klasycznym monitoringu chemicznym.

Wykorzystanie składników biologicznych jako podstawy poszczególnych części procedury analitycznej (immunosorbenty, biokatalizatory, biokolumny)

Wykorzystanie bioczujników:- czujniki enzymatyczne i biopowinowactwa, - czujniki bakteryjne i tkankowe.

Zastosowanie biotestów (immunoanaliza), radioimmunoanaliza (ang. Radioimmunoanalysis –RIA), immunoanaliza enzymatyczna (ang. Enzyme Immunoanalysis -EIA).

Rozdział 1

Tabela 11. Krótki opis podstawowych typów biowskaźników i biomonitorów wykorzystywanych w badaniach środowiskowych.

Parametr klasyfikujący Nazwa biowskaźnika/ biomonitora Dodatkowy opis wskaźnika/ monitora Biowskaźniki/ biomonitory procesu akumulacji zanieczyszczeń (accumulative indicator).

Organizmy, które akumulują jeden lub więcej pierwiastków i/ lub związków chemicznych ze środowiska.

Sposób działania.

Biowskaźniki/ biomonitory do oceny efektów lub oddziaływania zanieczyszczeń na środowisko (sensitive indicator).

Organizmy, które wykazują specyficzne lub niespecyficzne zmiany w wyniku ich ekspozycji na określony pierwiastek, związek chemiczny lub też grupę substancji. Mogą to być zmiany: - morfologiczne, - histologiczne,

- w strukturze komórkowej, - w przebiegu procesów metabolicznych, - w zachowaniu, - w strukturze populacji organizmów.

Aktywne biowskaźniki/ biomonitory. Organizmy hodowane zazwyczaj w laboratoriach. Są one wykorzystywane do badań akumulacji pierwiastków lub związków chemicznych czy też specyficznych lub niespecyficznych efektów po ekspozycji przez określony czas, w ściśle określonym miejscu (transplantacja).

Pochodzenie organizmów.

Pasywne biowskaźniki/ biomonitory Organizmy pobierane z ich naturalnego biotopu i poddawane analizie celem określenia akumulacji pierwiastków lub związków chemicznych czy też specyficznych lub niespecyficznych efektów.

Rozdział 1

25

Analiza danych literaturowych prowadzi do jednoznacznego wniosku, że w chwili obecnej szczególnego znaczenia nabierają techniki immunoanalizy. Ze względu na ich specyficzność i związaną z tym eliminację praco- i czasochłonnych etapów przygotowania próbki do analizy nadają się one do prowadzenia badań in situ i są na coraz szerszą skale wykorzystywane w badaniach środowiskowych.

Immunoanaliza (ang. Immunoassay – IMA) nie jest nowym rozwiązaniem, ponieważ od wielu lat jest już wykorzystywana w analizie klinicznej jako wiarygodna, czuła i selektywna metoda oznaczania niskich stężeń związków organicznych we krwi, moczu, ekstraktach tkankowych itp. [9] Poniżej przedstawiono tzw. kamienie milowe (ang. milestones) w rozwoju technik immunoanalitycznych. 1958 – opublikowanie pierwszej pracy na temat testu immunologicznego

przeznaczonego do wykrywania piktogramowych ilości ludzkiej insuliny w próbkach krwi o małej objętości [10].

Za opracowanie tej techniki R.S. Yalow w roku 1977 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. W latach późniejszych ta nowa rewolucyjna technologia znalazła szerokie zastosowanie w biochemii, endokrynologii i analizie klinicznej. 1971 – wprowadzenie technik immunologicznych do analityki środowiskowej [11], 1992 – wprowadzenie do praktyki laboratoryjnej przenośnych zestawów do badań in

situ z wykorzystaniem technik immunochemicznych [12]. Wzrastająca popularność polowych testów immunochemicznych jest głównie związana z łatwym do przeniesienia wyposażeniem i minimalnymi wymaganiami odnośnie przygotowania próbek [13]. 1995 – opracowanie pierwszego handlowo dostępnego testu immunochemicznego

(przeznaczonego do wykrywania pestycydów) [14] Wykorzystanie technik immunoanalizy w praktyce analitycznej powoduje, że: - ogranicza się praco- i czasochłonne operacje przygotowania i oczyszczania próbek

do oznaczeń końcowych, - spada jednostkowy koszt analizy (w związku z ograniczeniem konieczności użycia

skomplikowanych przyrządów kontrolno-pomiarowych). O skali problemu może świadczyć fakt, że tylko w USA wydaje się ponad 1 miliard dolarów na monitorowanie zanieczyszczeń środowiska.

Przykład: w chwili obecnej szczególnym wyzwaniem dla analityków jest oznaczanie dioksyn (PCDD+PCDF) w próbkach o złożonej matrycy. Koszt takiego oznaczenia, którego wykonanie jest praco- i czasochłonne, jest rzędu 1000 – 2000 USD (w zależności od złożoności matrycy). Większą część tych kosztów pochłaniają żmudne i skomplikowane operacje ekstrakcji oraz oczyszczania uzyskanych ekstraktów. Zastosowanie technik immunoanalizy (RIA, EIA) w praktyce analitycznej prowadzi do skrócenia i istotnego uproszczenia toku postępowania analitycznego.

Rozdział 1

26

Z wykorzystaniem immunoanalizy związane są różne nowe rozwiązania metodyczne znajdujące coraz szersze zastosowanie w różnych obszarach analityki chemicznej. Jako przykłady można podać: - chromatografię immunopowinowactwa (ang. Immunoaffinity Chromatography –

IAC), - wstrzykową immunoanalizę przepływową (ang. Flow Injection Immunoanalysis –

FIIA), - próbniki z immunosorbentami np. wykorzystywane na etapie przygotowania próbek

do analizy (ekstrakcja do fazy stałej – SPE).

5.4. Pasywne techniki pobierania próbek analitów Technika pasywnego pobierania próbek analitów oparta jest na wykorzystaniu procesu swobodnego przepływu (opisywanego przez I prawo dyfuzji Ficka) cząsteczek analitu z badanego medium (otaczającego dozymetr w czasie ekspozycji) do wnętrza dozymetru, gdzie ulegają zatrzymaniu. Ten swobodny przepływ jest możliwy dzięki różnicy stężeń analitów w tych dwóch mediach. Transport cząsteczek analitu w kierunku do pułapki (medium zatrzymujące w dozymetrze) trwa aż do momentu ustalenia się stanu równowagi bądź tez do zakończenia etapu pobierania próbek. [9]. W tabeli 12 przedstawiono ogólną klasyfikację pasywnych technik pobierania próbek analitów.

Technika pasywnego pobierania próbek analitów z takich matryc jak gleba czy też osady denne ma stosunkowo krótką historię, a pierwsze publikacje na ten temat pojawiły się zaledwie kilka lat temu. Główną wadą pasywnego pobierania próbek jest trudność w przeliczeniu ilości analitu zgromadzonego w próbniku na stężenie. [15].

W tabeli 13 przedstawiono główne obszary zastosowania próbników pasywnych. Technika ta jest zazwyczaj stosowana do oznaczania stężenia średniego ważonego stężenia (TWA). Jednorazowe pobieranie próbek odwzorowuje warunki występujące jedynie w czasie pobierania danej próbki, stąd dla dokładnego oznaczania stężenia średniego ważonego w czasie, niezbędne jest zgromadzenie takiej ilości próbek, która wystarczyłaby na cały okres prowadzenia badań. W ten sposób ilość pobranych próbek w celu uzyskania samej informacji o wartości TWA może być znacząca. W kolejnych tabelach przedstawiono: - typy dozymetrów wykorzystywanych w badaniach środowiska wodnego (tabela 14), - charakterystykę dozymetrów pasywnych wykorzystywanych w badaniach

środowiska gazowego (tabela 15). W tym zakresie szczególnie szeroko wykorzystywane są urządzenia z półprzepuszczalną membraną (ang. Semipermeable Membrane Device – SPMD).

Urządzenia SPMD są przeznaczone do pasywnego pobierania (in situ) próbek odpowiednich analitów z monitorowanego środowiska wodnego. Urządzenia takie wyposażone są w dwie płaskie membrany wykonane z polietylenu o niskiej gęstości (ang. low density polyethylene – LDPE), a przestrzeń pomiędzy tymi membranami jest wypełniona przez 1 g trioleinę (lipid o wysokiej masie cząsteczkowej), która nie ulega dyfuzji przez membranę.

Rozdział 1

27

Tabela 12. Klasyfikacja urządzeń pasywnego pobierania próbek analitów z badanego medium. Lp. Parametr klasyfikacji Charakterystyka Typ urządzenia pasywnego 1. Rodzaj medium

wykorzystywanego na etapie pobierania próbek analitów.

Urządzenie dedykowane z wewnętrzną pułapką. Organizmy żywe.

Dozymetry pasywne, urządzenie do mikroekstracji do fazy stacjonarnej (SPME), pojedyncza wisząca kropla rozpuszczalnika, biowskaźniki, biomonitory.

2. Typ medium, z którego pobierane są próbki analitów.

Gazowe: - powietrze atmosferyczne, - powietrze wewnętrzne, - atmosfera na stanowisku pracy.

Ciekłe:

- wody powierzchniowe, - woda pitna.

Stałe:

- gleba.

Dozymetry pasywne, SPME, biowskaźniki, biomonitory. Dozymetry pasywne, SPME, biowskaźniki, biomonitory. Dozymetry pasywne, SPME.

3. Rodzaj informacji analitycznej uzyskanej na podstawie ilości analitów zatrzymanych w dozymetrze.

Stężenie średnie ważone w czasie, długookresowe (ang. long-term time-weighted average – TWA), wielkość ekspozycji indywidualnej, stężenie chwilowe (peak monitors), stężenie średnie 8-godzinne.

Monitory powierzchniowe (area monitors), dozymetry osobiste (indywidualne).

4. Sposób uzyskiwania informacji analitycznej.

Obserwacja żywych organizmów, oznaczanie ilości analitu zgromadzonego w dozymetrze.

Biowskaźniki, dozymetry pasywne, SPME, biomonitory.

Rozdział 1

28

Tabela 13. Główne obszary zastosowania technik pasywnego pobierania próbek

Medium Typ próbki Cele pomiarowe Gazowe Powietrze atmosferyczne. Stężenie średnie ważone w

czasie, długookresowe (monitory powierzchniowe).

Powietrze wewnętrzne. Stężenie średnie ważone w czasie, długookresowe.

Atmosfera na stanowisku pracy.

Stężenie średnie 8-godzinne. ----------------------------------Wielkość ekspozycji indywidualnej (dozymetry osobiste).

Ciekłe Wody powierzchniowe. Stężenie średnie ważone w czasie, długookresowe.

Tabela 14. Typy dozymetrów pasywnych wykorzystywanych w badaniach środowiska wodnego Lp. Typ dozymetru pasywnego Krótki opis zasady działania 1. Dozymetry z membraną

półprzepuszczalną (SPM): - zawierające rozpuszczalnik jako medium zatrzymujące, - zawierające sorbent jako medium zatrzymujące.

Dozymetry zawierające odpowiednie medium zatrzymujące poddawane są ekspozycji w badanym medium. Po zakończeniu ekspozycji dozymetry są przenoszone do laboratorium, gdzie przeprowadza się oznaczenia ilości zatrzymywanego analitu (analitów).

2. Urządzenie SPMD. Dozymetr stanowi pojemnik z polietylenu o niskiej gęstości wypełniony trioleiną. Urządzenie typu SPMD służy do pasywnego pobierania próbek hydrfobowych związków organicznych. Urządzenie takie „naśladuje” funkcjonowanie błony biologicznej. Siłą napędową procesu jest zjawisko podziału analitów o charakterze hydrofobowym między wodę i lipid (trioleina), która stanowi medium zatrzymujące anality.

3. Urządzenie o handlowej nazwie „Passive in Situ Concentration/ Extraction sampler” (PISCES).

Proces pobierania próbek analitów z otaczającego medium oparty jest na dyfuzji molekularnej zanieczyszczeń organicznych z wody do medium zatrzymującego (rozpuszczalnik).

4. Dozymetr z ciekłą membraną osadzona na stałym sorbencie (Supported Liquid Membrane – SLM).

Medium zatrzymującym jest porowata membrana (np. z teflonu) impregnowana za pomocą organicznego rozpuszczalnika.

Rozdział 1

29

Tabela 15. Typy dozymetrów pasywnych wykorzystywanych w badaniach środowiska gazowego.

Parametr klasyfikujący Typ dozymetru Dodatkowe wyjaśnienia -dozymetry rurkowe (ang. tube type),

Budowa dozymetru (kształt).

-dozymetry pudełkowe (ang. badge type),

-dozymetry dyfuzyjne, Anality dyfundują do powierzchni warstwy medium zatrzymującego poprzez barierę dyfuzyjną w postaci warstwy stojącego powietrza.

Proces wykorzystywany na etapie transportu analitów z bezpośredniego otoczenia dozymetru do powierzchni medium zatrzymującego w dozymetrze.

-dozymetry permeacyjne,

Anality dyfundują do wnętrza dozymetru poprzez cienką nieporowatą półprzepuszczalną membranę polimerowa (wykonaną z gumy silikonowej, teflonu itp.).

-dozymetr reakcyjny z bezpośrednim odczytem stężenia analitu,

Analit obecny w badanym medium po dotarciu do dozymetru wchodzi w reakcje chemiczną z odpowiednim reagentem osadzonym na nośniku. W wyniku reakcji powstaje produkt o określonej barwie, a wielkość barwnej plamy (długość odcinka złoża o zmienionej barwie) lub intensywność zabarwienia jest proporcjonalna do stężenia analitu w gazie w bezpośrednim sąsiedztwie dozymetru w czasie jego ekspozycji.

-dozymetr reakcyjny z pośrednim odczytem stężenia analitu,

Stężenie analitu w badanym medium gazowym (w czasie ekspozycji dozymetru) jest określane na podstawie zmiany masy, intensywności zabarwienia lub przewodnictwa elektrycznego medium zatrzymującego. Pomiaru dokonuje się za pomocą odpowiedniego przyrządu pomiarowego (zazwyczaj w laboratorium).

Sposób pomiaru stężenia analitu w badanym medium.

-dozymetr sorpcyjny. Anality są zatrzymywane w dozymetrze na drodze adsorpcji fizycznej, absorpcji lub chemisorpcji. Po zakończeniu ekspozycji dozymetry są przenoszone do laboratorium, gdzie anality są uwalnianie z medium zatrzymującego w dozymetrze przed etapem oznaczeń końcowych.

Rozdział 1

30

Jeśli urządzenie SPMD umieści się w środowisku wodnym, następuje proces pasywnej akumulacji hydrofobowych związków organicznych wewnątrz dozymetru. Membrany z polietylenu „naśladują” membrany biologiczne w zdolności do zapewnienia selektywnej dyfuzji związków organicznych. Siłą napędową procesu pobierania próbek hydrfobowych związków organicznych jest zjawisko podziału międzyfazowego (woda-lipidy). Dla danego związku organicznego istnieje ścisły związek pomiędzy wartością współczynnika podziały trioleina - woda (Ktw) i wartością współczynnika podziału oktanol – woda (Kow). Ponieważ wartości liczbowe log Kow dla związków z grupy trwałych zanieczyszczeń środowiska (ang. persistent organic pollutatnts – POP’s) są duże (> 5), dozymetry zawierają trioleinę jako medium zatrzymujące oraz mają dużą pojemność w stosunku do tych związków. Dalszy tok postępowania analitycznego (w laboratorium) jest podobny jak w przypadku zastosowania innych technik wzbogacania na etapie pobierania próbek analitów.

W przypadku stosowania dozymetrów pasywnych etap pobierania próbki jest połączony z etapem izolacji i wzbogacania analitów, które są zatrzymywane wewnątrz dozymetru w odpowiednim medium zatrzymującym (roztwór pochłaniający, reagent chemiczny czy też porowaty adsorbent). Obliczenie wartości średniego ważonego w czasie stężenia analitu w badanym medium w czasie ekspozycji dozymetru dokonuje się na podstawie znajomości: - czasu ekspozycji dozymetru, - ilości analitu zatrzymanego w dozymetrze w czasie jego ekspozycji.

Badania analityczne w celu określenia zatrzymanych analitów są przeprowadzane w laboratorium po zakończeniu ekspozycji. Do tych obliczeń nie jest wymagana natomiast znajomość objętości badanego medium, z którego pobrana została próbka analitów. Konieczne jest więc zastosowanie specjalnych „zabiegów”, aby ostatecznym wynikiem całego postępowania była informacja analityczna pożądana przez analityków czyli stężenie analitu w badanym medium ( w trakcie ekspozycji dozymetru).

Wykorzystanie dozymetrów pasywnych do pobierania próbek analitów prowadzi do znacznego uproszczenia operacji analitycznych wykonywanych in situ. Główne zalety takiego sposobu pobierania próbek są związane z: - eliminacją tzw. urządzeń aktywnych (pompy, aspiratory) wraz z odpowiednimi

źródłami zasilania, - usunięciem z zestawu do pobierania próbek urządzeń do pomiaru objętości pobranej

próbki (gazomierze, przepływomierze).

Powoduje to znaczne uproszczenie całego zestawu i umożliwia osiągnięcie istotnej miniaturyzacji urządzenia. Trzeba przy tym dodać, ze wszystkie pozostałe etapy procedury analitycznej są takie same jak w przypadku stosowania innych technik pobierania próbek z jednoczesnym wzbogacaniem analitów. Chodzi tutaj o takie operacje, jak: - uwalnianie zatrzymanych składników, - ich końcowe oznaczanie, - obróbkę wyników.

Rozdział 1

31

5.4. Zapewnienie jakości uzyskiwanych wyników/ Kontrola jakości (ang. Quality Assurance - QA/Quality Control - QC). Kontrola i zapewnienie jakości wyników uzyskiwanych w laboratoriach analitycznych są bezwzględnie związane z dobrą praktyką laboratoryjną (ang. Good Laboratory Practice - GLP), która jest istotnym składnikiem wszystkich czynności w dziedzinie analityki i monitoringu środowiska.

Definicja zapewnienia jakości uzyskiwanych wyników odnosi się do wszystkich czynności, procedur, sprawdzeń i decyzji podejmowanych w celu zapewnienia reprezentatywności i integralności próbek oraz dokładności i rzetelności uzyskiwanych wyników. Kontrola jakości odnosi się do takich czynności jak monitorowanie i pomiar efektywności procedur zapewnienia jakości uzyskiwanych wyników. Kontrola jakości często obejmuje sprawdzanie zanieczyszczenia sprzętu analitycznego, powielania próbek, pomiarów poza zakresem, braków laboratoryjnych oraz analiz powtarzalnych i materiałów odniesienia.

Kontrola jakości jest istotnym składnikiem programu zapewnienia jakości uzyskiwanych wyników. Dzięki zastosowaniu obu programów można uzyskać właściwe zastosowanie dobrej praktyki laboratoryjnej. W skład systemu zapewniania jakości w laboratorium analitycznym wchodzą zazwyczaj następujące elementy: - akredytacja laboratorium , - walidacja wykorzystywanych procedur analitycznych, - udział w laboratoryjnych testach biegłości.

6. PODSUMOWANIE Wyniki badań próbek środowiskowych powinny być źródłem cennych informacji o stanie środowiska i zachodzących w nim procesów. Ogólnie rzecz biorąc efekty badań środowiskowych można wykorzystać w następujący sposób: - dostarczenie specjalistom z innych dziedzin naukowych argumentów na rzecz

nowych koncepcji i teorii, - wykorzystanie informacji analitycznych przez decydentów na etapie podejmowania

decyzji politycznych i gospodarczych, - podniesienie poziomu świadomości środowiskowej wśród szerokich kręgów

społeczeństwa (na podstawie informacji o stanie środowiska).

Praca ta została przygotowana głównie na podstawie serii publikacji przeglądowych [1-8, 15,16], które zostały opublikowane w czasie ostatnich kilku lat. Więcej informacji na temat omówionych tematów, w szczególności trendów i problemów związanych z analityką i monitoringiem, można znaleźć w niżej wymienionych pracach. LITERATURA [1.] Namieśnik J, Crit. Rev. Anal. Chem., 32, 271 (2002). [2.] Namieśnik J., Crit. Rev. Anal. Chem., 30, 221 (2000). [3.] Namieśnik J., Pol. J. Environ. Stud, 10, 127 (2001). [4.] Namieśnik J., Górecki T., Pol. J. Environ. Stud, 10, 77 (2001). [5.] Namieśnik J., J. Sep. Sci., 24, 151 (2001). [6.] Namieśnik J., Wardencki W., JHRC, 23, 297 (2000). [7.] Kot A., Namieśnik J., Trends Anal. Chem., 19, 69 (2000).

Rozdział 1

32

[8.] Namieśnik J., Górecki T., Am. Lab., 34, 18, (2002). [9.] Sherry J., Environmental immunoassays and other biological methods. Overview and update.

Chemosphere, 34, 1011-1025 (1997). [10.] Yalow R.S., Berson S.A., Assay of plasma insulin in human subjects by immunological methods,

Nature,184, 1648-1649 (1959). [11.] Ercegovich C.D., Analysis of pesticides residues: immunological techniques. W: Pesticides,

identification at the residue level (red. R.F. Gould), ASC, Washington, 1971,162. [12.] Van Emon J.M., Lopez-Avila V., Immunochemical methods for environmental analysis, Anal.

Chem., 64, 78A-88A (1992). [13.] Van Emon J.M., Gerlach C.L., A status report on field portable immunoassays. Environ. Sci.

Technol., 29, 312A-317A (1995). [14.] Meulenberg E. P., Mudler W. H., Stoks P. G., Immunoassays for pesticides. Environ. Sci. Technol.,

29, 553-561 (1995). [15.] Górecki T., Namieśnik J., Trends Anal. Chem., 21, 276 (2002). [16.] Namieśnik J., Zygmunt B., Chromatographia-Suppl, 56, S-9, 2002.