Spektrometria emisyjna indukcyjnie sprzężonej plazmy (ICP OES) – Analiza pierwiastkowa soków owocowych marki Frugo

Dominika Sadura, Ilona Kopeć, Mariusz Michalczyk

Cel ćwiczenia

Wyznaczenie zawartości wybranych pierwiastków głównych i śladowych w soku owocowym FRUGO – czarnym, z wykorzystaniem techniki optycznej spektrometrii emisyjnej plazmy indukcyjnie sprzężonej.

Wykonanie ćwiczenia

Do sześciu zlewek o poj. 150 cm³ dodano po 10,00 cm³ próbki soku oraz 15,00 cm³ stężonego kwasu azotowego (V). Do czterech z nich dodano odpowiednie ilości wzorca wielopierwiastkowego, aby w dwóch stężenie pierwiastków wynosiło 0,25 ppm, a dwóch kolejnych 0,50 ppm (wg Tabeli 1). Przygotowano również równolegle próbę ślepa (kwas w ilości 15,00 cm³). Procedura postępowania z próbką ślepą była identyczna, jak z próbkami badanymi. Zawartość wszystkich zlewek ogrzewano w łaźni piaskowej do całkowitego wydzielania tlenków azotu i odparowaniu do minimalnej objętości, po czym dodawano ok. 3 cm³ nadtlenku wodoru i ogrzewano aż do zaniku reakcji (ustąpienie bąbelków na powierzchni roztworu i maksymalne odbarwienie). Po ochłodzeniu roztwory przeniesiono ilościowo do kolb o poj. 25 cm³ i uzupełniono wodą do kreski. Po dokładnym wymieszaniu roztwory przesączono do pojemników polietylenowych i pozostawiono do pomiarów w spektrometrze ICP-OES.

Do wykonania krzywej wzorcowej użyto stężonego roztworu wzorca wielopierwiastkowego
100 ppm, z którego sporządzono roztwory wzorcowe o stężeniach 0; 0,5; 1 i 2 ppm w kolbach o poj. 25 cm³ wg Tabeli 2. Roztwory także zakwaszono kwasem azotowym (V) dodając do każdego 1,00 cm³ kwasu.

Próbka	Dodana objętość wzorca [µl]
Sok + wzorzec 0,25 ppm	62,5
Sok + wzorzec 0,50 ppm	125

Tabela 1 Objętości wzorca wielopierwiastkowego o stężeniu 100 ppm dodane do próbek, aby uzyskać stężenia wzorca 0,25 i 0,50 ppm, w kolbie o poj. 25 cm3.

Roztwór wzorcowy	Dodana objętość wzorca [µl]
0,00 ppm	0
0,50 ppm	125
1,00 ppm	250
2,00 ppm	500

Tabela 2 Objętości wzorca wielopierwiastkowego o stężeniu 100 ppm użyte do wykonania roztworów wzorcowych o odpowiednich stężeniach w kolbie o poj. 25 cm3.

Wyniki pomiarów ICP-OES

Poniższa tabela przedstawia wyniki pomiarów intensywności w metodzie ICP-OES dla badanych próbek soków – z wzorcem i bez. W Tabeli 2 ujęto natomiast pomiary tła niezbędne do wyznaczenia granicy wykrywalności.

pierwiastek	Dł. Fali [nm]	Stężenie wzorca [ppm]	Próbki badane	Próbka + wzorzec 0,25 ppm	Próbka + wzorzec 0,5 ppm
		0	0,5	1	2
C^1	193,1	31	27
Zn^2	202,5	16	1558	2924	5830
Zn^3	213,9	47	2380	4236	8677
Ni	221,6	151	1463	3175	5737
Cu	224,7	5	1143	2124	3883
Cd	228,8	14	6314	11477	23617
Mn	259,4	53	2975	6003	10877
Fe	259,9	426	777	2429	3084
Mg^4	280,3	429	3359	6717	13207
Mg^5	285,2	33	274	531	1073
Ca	317,9	45	95	186	307
Cu	324,8	52	4205	8029	14230
Ar	356,8	769	743
Sr	407,8	42	21413	38626	76080

Tabela 3 Wyniki pomiarów ICP-OES pod kątem występowania określonych pierwiastków w próbkach soku. Zaznaczone na żółto pola to jednostki intensywności promieniowania odczytanie z programu pomiarowego w dniu 21.11.14

pierwiastek	Dł. Fali [nm]	10 niezależnych pomiarów tła (j.u. intensywności)
Zn	202,5	341
Zn	213,9	523
Ni	221,6	1685
Cu	224,7	83
Cd	228,8	42
Mn	259,4	536
Fe	259,9	6237
Mg	280,3	16293
Mg	285,2	1732
Ca	317,9	1487
Cu	324,8	259
Sr	407,8	2460

Tabela 4 Wyniki pomiarów tła niezbędne do wyznaczenia granic wykrywalności dla każdego pierwiastka. Liczba linii dla pierwiastków i ich rodzaj taka sama jak w Tabeli 1. Zaznaczono na żółto intensywności promieniowania w jednostkach umownych, odczytane z programu pomiarowego w dniu 21.11.14

Szczegóły obliczeń

Na wstępie wartości pomiarów intensywności skorygowano o wartość dla próbki ślepej
(Int= Int_próbki – I_tła). Na podstawie intensywności próbek roztworów wzorcowych uzyskano równanie krzywej wzorcowej I w postaci:

Int = a × C_pierwiastka[ppm], (1)

Przekształcono do postaci umożliwiającej obliczenie stężenia próbek tj.

$C_{\text{pierwiastka}}\lbrack ppm\rbrack = \frac{\text{Int}}{a}$, (2)

gdzie 1 [ppm] = 1 [µg/cm³]. Uwzględniono rozcieńczenie 2,5-krotne (25 cm³ w kolbie/10 cm³ próbki).

Wynik przedstawiono w postaci wartości średniej z dwóch pomiarów wraz z odchyleniem standardowym:

$s = \sqrt{\frac{{(pomiar - srednia)}^{2}}{n - 1}}\ \lbrack ppm\rbrack$, (3)

gdzie n= liczba pomiarów, oraz względnym odchyleniem standardowym:

$RSD\ \lbrack\%\rbrack = \ \frac{s}{srednia} \times 100\ \%$ (4)

W ten sposób otrzymano stężenia pierwiastków metodą krzywej wzorcowej I. Wartość stężenia pierwiastków w próbkach uzyskano również korzystając z metody dodatku wzorca. Krzywa wzorcowa II zawierała 3 punkty: dla próbki (x=0), próbki z dodatkiem wzorca 0,25 ppm (x=0,25) oraz próbki z dodatkiem wzorca 0,5 ppm (x=0,5). Uzyskano krzywą wzorcową II w postaci:

Int = a × C_pierwiastka[ppm] + b (5)

Przekształcono do postaci umożliwiającej obliczenie stężenie w próbkach, tj. $C_{\text{pierwiastka}}\lbrack ppm\rbrack = \left| \frac{Int - b}{a} \right|$ (6)

Stężenie pierwiastka w próbkach bez dodatku wzorca było równe modułowi wartości na przecięciu krzywej z osią OX.

Wartość odzysku wzorca (w %) wyznaczono w następujący sposób:

• Obliczono stężenie w próbkach z dodatkiem wzorca korzystając z równania krzywej wzorcowej II (6);

• Od stężenia w próbkach z dodatkiem wzorca (średnia z 2 próbek) odjęto stężenie dla próbki bez dodatku wzorca (6, wstawiając za Int=0), a otrzymaną różnicę podzielono przez stężenie dodanego wzorca (0,25 lub 0,50 ppm) i pomnożono razy 100 %.

• Procedurę można zapisać wzorem:

$\text{Odzysk\ }\left\lbrack \% \right\rbrack = \frac{C_{\text{dodatek\ wzorca}}\lbrack ppm\rbrack - C_{\text{bez\ wzorca\ }}\lbrack ppm\rbrack}{0,25\ lub\ 0,50\text{\ ppm}} \times 100\ \%$ (7)

Granicę wykrywalności obliczono z wykorzystaniem wzoru:

$LOD = \ \frac{3 \times s\ (dla\ 10\ pomiarow\ tla)}{wsp.\ kierunkowy\ krzywej\ wzorcowej\ I\ (y = ax)}\ \times 1000\lbrack ppb\rbrack$ (8)

W dalszej części raportu przedstawiono wyniki obliczone w oparciu o wyżej przedstawioną procedurę. Dla pierwiastków: Zn, Ni, Cu, Cd i Mn krzywe wzorcowe oraz stężenia zostały wygenerowane przez program GraphPad Prism 5.01 (wersja z marca 2007). Dla pierwiastków Fe, Mg, Ca, Cu i Sr do obliczeń wykorzystano program Microsoft Excel 2010.

Cynk – 202,5 nm (linia jonowa)

Równanie krzywej wzorcowej I:

Int = 2926 × C,  r² = 0, 9996

Stężenia pierwiastków w badanych próbkach:

Próbka	Intensywność po odjęciu tła (j.u)	Stężenie^6 [µg/cm^3]
A	456	0,390
B	116	0,100
średnia [µg/cm^3]	0,245
s [µg/cm^3]	0,205
RSD [%]	83,7

Tabela 5 Obliczone stężenia cynku w próbkach soku metodą krzywej wzorcowej I.

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 1 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla cynku.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 3013 × C + 216, 4,  r² = 0, 9750

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie cynku w próbce bez wzorca [ppm]	0,072
Stężenie cynku w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,285
Stężenie cynku w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,604
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	85,2
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	106,4

Tabela 6 Obliczone stężenie cynku oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Wyznaczenie granicy wykrywalności:

Parametr	Wartość
Odchylenie standardowe 10 pomiarów tła	7,495
LOD [ppb]	7,685

Tabela 7 Granica wykrywalności metody analitycznej dla cynku.

Wyniki pomiarów stężenia cynku otrzymane z linii jonowej nie mogą być uznane za wiarygodne z powodu dużego rozrzutu wyników pomiarów dla próbek badanego soku bez wzorca. RSD dochodzi tu, do 84 %, zatem, mimo, że obydwa interpolowane stężenia znajdują się powyżej granicy wykrywalności, ich rozbieżność nie pozwala na dokładne określenie stężenia cynku w próbce. Taki wynik może być rezultatem interferencji związanych z matrycą próbki, niedokładnym przygotowaniem próbki bądź błędem aparaturowym.

Cynk – 213,9 nm (linia atomowa)

Równanie krzywej wzorcowej I:

Int = 4339 × C,  r² = 0, 9984

Stężenia pierwiastków w badanych próbkach:

Próbka	Intensywność po odjęciu tła (j.u)	Stężenie [µg/cm^3]
A	642	0,370
B	152	0,088
średnia [µg/cm^3]	0,230
s [µg/cm^3]	0,198
RSD [%]	85,8

Tabela 6 Obliczone stężenia cynku w próbkach soku metodą krzywej wzorcowej I.

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 2 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla cynku.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 5060 × C + 364, 7,  r² = 0, 9980

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie cynku w próbce bez wzorca [ppm]	0,072
Stężenie cynku w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,237
Stężenie cynku w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,506
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	66,0
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	86,8

Tabela 7 Obliczone stężenie cynku oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Wyznaczenie granicy wykrywalności:

Parametr	Wartość
Odchylenie standardowe 10 pomiarów tła	11,55
LOD [ppb]	7,986

Tabela 8 Granica wykrywalności metody analitycznej dla cynku.

Podobnie, jak w przypadku linii jonowej, tak i przy odczycie dla długości fali odpowiadającej linii atomowej dla cynku wyniki pomiarów nie są wiarygodne ze względu na wysoki rozrzut wyników pomiarów dla próbek bez wzorca (RSD ok. 86 %). Ponownie, zatem uzyskane wyniki obarczone są dużym błędem. Należy jednak zauważyć, że metoda analityczna z dodatkiem wzorca dała identyczny wynik stężenia dla linii atomowej i jonowej. Można, zatem wnioskować, że obie są jednakowo czułe i w równym stopniu nadają się do celów analitycznych, a błąd leży po stronie aparaturowej.

Nikiel – 221,6 nm (linia jonowa)

Równanie krzywej wzorcowej I:

Int = 2930 × C,  r² = 0, 9890

Stężenia pierwiastków w badanych próbkach:

Próbka	Intensywność po odjęciu tła (j.u)	Stężenie [µg/cm^3]
A	448	0,383
B	432	0,368
średnia [µg/cm^3]	0,375
s [µg/cm^3]	0,010
RSD [%]	2,67

Tabela 9 Obliczone stężenia niklu w próbkach soku metodą krzywej wzorcowej I.

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 3 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla niklu.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 3190 × C + 423, 2,  r² = 0, 9987

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie niklu w próbce bez wzorca [ppm]	0,132
Stężenie niklu w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,640
Stężenie niklu w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,906
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	203,2
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	154,8

Tabela 10 Obliczone stężenie niklu oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Wyznaczenie granicy wykrywalności:

Parametr	Wartość
Odchylenie standardowe 10 pomiarów tła	17,29
LOD [ppb]	17,70

Tabela 11 Granica wykrywalności metody analitycznej dla niklu.

Miedź – 224,7 nm (linia atomowa)

Równanie krzywej wzorcowej I:

Int = 1993 × C,  r² = 0, 9957

Stężenia pierwiastków w badanych próbkach:

Próbka	Intensywność po odjęciu tła (j.u)	Stężenie [µg/cm^3]
A	1199	1,505
B	1157	1,453
średnia [µg/cm^3]	1,480
s [µg/cm^3]	0,038
RSD [%]	2,53

Tabela 12 Obliczone stężenia miedzi w próbkach soku metodą krzywej wzorcowej I.

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 4 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla miedzi.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 2128 × C + 1175,  r² = 0, 9999

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie miedzi w próbce bez wzorca [ppm]	0,552
Stężenie miedzi w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,277
Stężenie miedzi w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,532
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	< 0 %
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	< 0 %

Tabela 13 Obliczone stężenie miedzi oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Wyznaczenie granicy wykrywalności:

Parametr	Wartość
Odchylenie standardowe 10 pomiarów tła	8,512
LOD [ppb]	12,81

Tabela 14 Granica wykrywalności metody analitycznej dla miedzi.

Kadm – 228,8 nm (linia atomowa)

Równanie krzywej wzorcowej I:

Int = 11780 × C,  r² = 0, 9999

Stężenia pierwiastków w badanych próbkach:

Próbka	Intensywność po odjęciu tła (j.u)	Stężenie [µg/cm^3]
A	<0	(<0,001)
B	<0	(<0,001)
średnia [µg/cm^3]	(<0,001)
s [µg/cm^3]	-
RSD [%]	-

Tabela 15 Obliczone stężenia kadmu w próbkach soku metodą krzywej wzorcowej I.

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 5 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla kadmu.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 9681 × C − 32, 58,  r² = 0, 9993

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie kadmu w próbce bez wzorca [ppm]	0,003
Stężenie kadmu w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,243
Stężenie kadmu w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,503
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	96,0
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	100,0

Tabela 16 Obliczone stężenie kadmu oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Wyznaczenie granicy wykrywalności:

Parametr	Wartość
Odchylenie standardowe 10 pomiarów tła	10,19
LOD [ppb]	2,595

Tabela 17 Granica wykrywalności metody analitycznej dla kadmu.

Mangan – 259,4 nm (linia jonowa)

Równanie krzywej wzorcowej I:

Int = 5570 × C,  r² = 0, 9874

Stężenia pierwiastków w badanych próbkach:

Próbka	Intensywność po odjęciu tła (j.u)	Stężenie [µg/cm^3]
A	234	0,105
B	203	0,090
średnia [µg/cm^3]	0,098
s [µg/cm^3]	0,010
RSD [%]	10,3

Tabela 18 Obliczone stężenia manganu w próbkach soku metodą krzywej wzorcowej I.

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 6 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla manganu.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 4893 × C + 202, 8,  r² = 0, 9995

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie manganu w próbce bez wzorca [ppm]	0,041
Stężenie manganu w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,331
Stężenie manganu w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,591
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	116,0
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	110,0

Tabela 19 Obliczone stężenie manganu oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Wyznaczenie granicy wykrywalności:

Parametr	Wartość
Odchylenie standardowe 10 pomiarów tła	2,263
LOD [ppb]	1,219

Tabela 20 Granica wykrywalności metody analitycznej dla manganu.

Węgiel – 193,1 nm (linia atomowa) – diagnostyka metody analitycznej (brak krzywej I)

Krzywa wzorcowa II:

Rysunek 7 Krzywa wzorcowa w metodzie dodatku wzorca dla węgla.

Równanie krzywej wzorcowej II:

Int = 4625 × C + 802, 8,  r² = 0, 5139

Wyniki:

Parametr	Wartość
Stężenie węgla w próbce bez wzorca [ppm]	0,173
Stężenie węgla w próbce z wzorcem 0,25 ppm [ppm]	0,181
Stężenie węgla w próbce z wzorcem 0,50 ppm [ppm]	0,546
Odzysk wzorca 0,25 ppm [%]	3,2
Odzysk wzorca 0,50 ppm [%]	74,6

Tabela 21 Obliczone stężenie węgla oraz odzysk metodą dodatku wzorca.

Część Ilony

Na końcu tabelka z wynikami wszystkich pierwiastków + wnioski

---

1. Wartości dla linii węgla służą celom diagnostycznym, podobnie jak wartości dla argonu.↩

2. Linia jonowa cynku (wg danych NIST)↩

3. Linia atomowa cynku (wg danych NIST)↩

4. Linia jonowa magnezu (wg danych NIST)↩

5. Linia atomowa magnezu (wg danych NIST)↩

6. Na tym etapie uwzględniono rozcieńczenie próbki 2,5 raza.↩