Plazma indukcyjnie sprężona:

Określenie składu chemicznego substancji oparte na badaniu widm atomowych nazywa się analizą spektralną. Wykorzystuje ona 3 rodzaje zjawisk optycznych: *emisję ICP-OES, ICP-MS *Absorpcję AAS *Rozproszenie AFS promieniowania elektromagnetycznego. Spektrometria atomowa oparta jest na badaniu widm atomowych.

Atomowa spektroskopia emisyjna:

Atomy, cząsteczki lub jony są wzbudzane za pomocą określonego czynnika zewnętrznego, dostarczającego energię: *płomień, *łuk elektryczny, *wyładowanie iskrowe, *plazma

Plazma:

- w biologii - składnik krwii - substancja żywych komórek roślinnych i zwierzęcych (cytoplazma)

- w fizyce - stan skupienia materii, odznaczający się odpowiednio dużą jonizacją cząsteczek, zbliżoną do jonizacji całkowitej.

- w chemii analitycznej plazmą jest zjonizowany gaz, będący mieszaniną swobodnych jonów dodatnich i elektronów. Ładunek dodatni i ujemny układu w przybliżeniu jest taki sam.

Plazma indukcyjnie sprzężona ICP (inductivity coupled plasma)

- wysokotemperaturowa plazma (zwykle argonowa) wytworzona w polu magnetycznym wysokiej częstości radiowej (27MHz lub 40MHz)

Metody analityczne, wykorzystujące plazmę indukcyjnie sprzężoną ICP jako źródło rozbudzenia i jonizacji: 1. Optyczna spektrometria emisyjna (ICP-OES\ ICP-AES) 2. Spektrometria mas ICP-MS. Pierwsze prace dotyczące możliwości zastosowania plazmy indukcyjnie sprzężonej do celów analitycznych przedstawili:

*1964 Greenfield w ICP-OES
*1978 Gray w ICP-MS

*1993 Myers I Hieftie ICP-TDF-MS

Oprócz plazmy ICP stosowane są jeszcze: *plazma o częstości mikrofalowej sprzężonej indukcyjnie HIP *plazma prądu stałego DCP

Rozkład temperatury w plaźmie ICP waha się od 5tys K na zewnątrz do 10tys K w centrum. Tak wysokie temperatury zapewniają wysoką wydajność wzbudzenia i jonizacji próbki. W temp. Ok. 6000K większość pierwiastków jest w 90% zjonizowana.

ICP-MS powstają głównie jony dodatnie, pojedynczo naładowane.

Proces wzbudzania plazmą sprzężoną indukcyjnie ICP. Cztery główne procesy w aerozolu: *desolwatacja *odparowywanie * atomizacja *jonizacja

W strefie wstępnego ogrzewania usuwany jest rozpuszczalnik poprzez odparowanie. Następnie cząstki aerozolu zamieniane są w pary i ulegają procesu atomizacji oraz jonizacji, czyli rozładowań na atomy i jony.
ICP-OES

Wzbudzone atomy, cząsteczki lub jony wracając do stanów podstawowych pozbywają się energii emitując promieniowanie o określonej długości fali. Atomy danego pierwiastka cechuje charakterystyczny zbiór wartości energii promieniowania elektromagnetycznego, które może być emitowane. W konsekwencji uzyskuje się zbiór długości fal promieniowania emitowanego, który pozwala zidentyfikować jakościowo dany pierwiastek.. Określanie intensywności wyemitowanego promieniowania dotyczy głównie pierwiastków, ponieważ duża energia źródła wzbudzenia niszczy strukturę cząsteczkową próbki i otrzymane widma są ściśle związane ze strukturą elektronową atomu.
Sposoby obserwacji plazmy:

W spektrometrach ICP stosuje się dwa systemy ustawiania palnika:
radialny (pionowy) oraz osiowy (poziomy)

Radialny:

Podczas obserwacji plazmy w systemie radialnym, próbka przemieszcza się ze znaczną prędkością w kierunku prostopadłym do osi optycznej układu.Wynika z tego krótki czas ekspozycji oraz znaczny poziom szumów.

Osiowy:

System poziomej obserwacji plazmy charakteryzuje się współosiowością układu optycznego i strumienia plazmowego, a co za tym idzie większą objętością i czasem ekspozycji próbki.

W niektórych spektrometrach ICP-OES istnieje możliwość równoczesnej obserwacji plazmy poziomej i pionowej, natomiast w ICP-MS ustawienie palnika jest wyłącznie poziome.

Proces rebulizacji próbki:

Próbka w postaci roztworu za pomocą pompy perystaltycznej poddawana jest do nebulizera, gdzie w procesie nebulizacji wytwarzany jest aerozol. Zawiera on krople o różnych wielkościach, jednakże do plazmy, aby zapewnić jej stabilność, powinny dotrzeć tylko krople o wielkości mniejszej niż 10μm.

Krople o większych rozmiarach: *w komorze mgielnej zachodzi ich kondensacja i ich usuwanie z układu. W przypadku nebulizacji pneumatycznej do plazmy dostaje się tylko ok. 1-2% próbki o właściwej wielkości kropel. Wyższą wydajność nebulizacji można uzyskać stosując nebulizery ultradźwiękowe, w których aerozol powstaje na skutek drgań membrany.

Inne metody wprowadzania próbek do plazmy:

*odparowanie elektrotermiczne ETV (niewielkie ilości cieczy i ciał stałych)

*Ablacja (odparowywanie pod wpływem wiązki laserowej)

*generowanie lotnych wodorków (głównie do oznaczenia pierwiastków, tworzących lotne wodorki: As Bi Ge Pb Sb Se Sn Te)

Pomiar metodą ICP-OES:
Każdy atomowy spektrometr emisyjny ICP składa się z układu doprowadzającego próbkę, źródła wzbudzania ICP, analizatora (polichromator, monochromator), detektora (fotopowielacz, detektor płomieniowy CID) oraz komputerowego systemu przetwarzania danych.

Schemat blokowy aparatury stosowanej w metodzie ICP-OES

Próbka→ Układ doprowadzający próbkę→ Źródło promieniowania ICP→ Analizator→ Detektor→ System przetwarzania danych→ Wyniki (jakościowe\ilościowe)

ICP-MS

*źródło informacji - jony powstające w plaźmie

*analiza jakościowa - sygnał przy określonym stosunku masy do ładunku (m/z)

*analiza ilościowa - natężenie wiązki jonów badanej próbki

Zależność natężenia linii spektralnej (ICP-OES) Czy też natężenia wiązki jonów (ICP-MS) od stężenia pierwiastków w próbce należy ustalić najpierw doświadczalnie na podstawie kalibracji np. poprzez pomiar krzywej wzorcowej.

Schemat blokowy spektrometru ICP-MS składa się z układu wprowadzania próbki, źródła jonów ICP, interfejsu, analizatora mas (kwadrynol, czasu przerobu, TOF, sektorowy analizator magnetyczno-elektrostatyczny), detektora (powiększasz elektronowy) i procesora sygnału:
Próbka→ Układ doprowadzający próbkę→ Źródło jonów→ Interfejs→ ↓ Opcja komory zderzeniowej →Detektor →Przetwarzanie sygnału → Wyniki

Możliwości analityczne ICP-OES i ICP-MS :

*analiza większości pierwiastków układu okresowego

*metoda ICP-MS - możliwość identyfikacji układu izotopowego

Nie oznacza się:

*gazów szlachetnych

*pierwiastków o krótkim czasie półtrwania

*atomów H, C, O, N, F

Zakresy stężeń:

*pod względem zakresu oznaczanych stężeń ICP-OES i ICP-MS wzajemnie się uzupełniają

*ICP-MS od pg/g (ppt) do kilkudziesięciu ng/g (ppb)

*ICP-OES od ng/g (ppb) do kilku procent

Porównanie wybranych parametrów analitycznych metod ICP-OES i ICP-MS:

Parametr	ICP-OES	ICP-MS
Granica wykrywalności	0,5-50 ppb	<10ppt
Zakres liniowy	10^5	10^7
Precyzja (RSD)	0,3-2%	0,1-3%

Koszty (malejąco)

1.Flame AAS

2.GF AAS

3.ICP-OES

4.ICP-MS

Wybór metody:

Stężenie→	Flame AAS	ICP OES
		GF AAS	ICP MS
		Liczba analiz →

LA-ICP-MS:

Próbka→ Wprowadzenie→ Plazma→ Interfejs→ Analizator mas→ Detektor
↓ Opcja komory zderzeniowejCCT →Wynik

Jony próbki wzbudzone w plaźmie przechodzą przez interfejs do analizatora mas. Plazma wytwarzana jest pod ciśnieniem atmosferycznym, natomiast analizator znajduję się w układzie próżniowym. Dlatego też interfejs składa się z dwóch stożków: próbkowania i skimera. Stanowi pomost pomiędzy układem wysokiego i niskiego ciśnienia.

Jony z plazmy są zasysane do strefy o stopniowo zmniejszającym się ciśnieniu. Średnice otworów w stożkach nie przekraczają 1mm i ich rozmiar wpływa na ilość jonów docierających do analizatora oraz na próżnię. Za stożkami znajdują się soczewki elektrostatyczne, które ogniskują i ukierunkowują wiązkę jonów równolegle do osi analizatora, w którym zostają rozdzielone zgodnie ze stosunkiem ich masy do ładunku.

Interferencje:

W technikach wykorzystujących plazmę indukcyjnie sprzężoną (ICP-OES oraz ICP-MS) mamy do czynienia z różnymi czynnikami zakłóceniowymi prawidłowy pomiar. Należą do nich:

*Interferencje fizyczne - związane z właściwościami fizycznymi roztworu

*Interferencje matrycowe - związane z wpływem pierwiastków obecnych w matrycy

*Interferencje chemiczne - związane z oddziaływaniami chemicznymi pomiędzy badanymi pierwiastkami a innymi składnikowymi próbki oraz otaczającym plazmę powietrzem.

*Interferencje spektralne - związane głównie z nakładaniem się sygnałów linii, pochodzących od kilku pierwiastków (ICP-OES) oraz interferencje izobaryczne i poliatomowe (ICP-MS)

Interferencje spektralne (ICP-MS)

*Interferencje izobaryczne występują wtedy, gdy różne pierwiastki przeszkadzają sobie, tworząc jony o takim samym stosunku m/z

*interferencje poliatomowe, których głównymi źródłami są argon, woda, kwasy stosowane do przygotowywania próbek oraz powietrze otaczające plazmę. Powstają, gdy cząstki wieloatomowe lub jony podwójnie naładowane mają ten sam stosunek m/z jak badany izotop:

Izotopy analizowane	Głownie interferuje
^24Mg	^12C^12C
^39K	^38Ar^1H
^40Ca	^40Ar
^56Fe	^40Ar^16O/^40Ca^16O
^63Cu	^40Ar^23Na
^75As	^40Ar^35Cl
^80Se	^40Ar^40Ar

Interferencje poliatomowe można usunąć m. in. Poprzez zastosowanie:

*nowoczesnej technologii komory kolizyjnej, nazywanej również zderzeniową, CCT

*wprowadzone jony wieloatomowe zderzają się z gazem (He, H₂, NH₃, He/NH₃) i nie ulegają rozbiciu na nie interpretujące cząstki składowe lub atomy.

Redukcja interferencji może przebiegać poprzez dysocjację, w wyniku kolizji, reakcję chemiczną lub przeniesienie ładunku.

Schemat wykorzystywania komory zderzeniowej do eliminacji interferencji jonu ⁴⁰Ar¹⁶O z jonem ⁶⁶Fe z zastosowaniem jako gazu Helu.

Podsumowanie:

*Plazma indukcyjnie sprzężona jako źródło wzbudzania w metodach emisji atomowej umożliwia przeprowadzenie analiz wielopierwiastkowych z dużą szybkością i niskimi granicami wykrywalności

*ICP znajduje zastosowanie do analizy wielu złożonych materiałów (gleby, próbki geologiczne, materiały biologiczne, próbki związane z ochroną środowiska)

*możliwość wykorzystania ICP w analizie specjacyjnej (połączenie z metodami chromatograficznymi)

Certyfikowany materiał odniesienia (CRM) jest to materiał opatentowany certyfikatem (atestem), charakteryzujący się wartością lub wartościami danej właściwości, które certyfikowano, zgodnie z procedurą zapewniającą odniesienie do dokładnej realizacji jednostki miary, w której wyrażane są wartości danej właściwości, każda wartość certyfikowanej powinna być przy tym przypisana niepewność odpowiadająca określonemu poziomowi ufności

Zastosowanie materiałów odniesienia:

*są one stosowane do sprawdzenia (walidacji) nowej metody analitycznej, sprawdzania kwalifikacji laboratorium itd.

*bywają także stosowane jako próbki kontrolne w rutynowych sprawdzaniach prawidłowości pracy laboratoriów z zastosowaniem kart kontrolnych.

*istnieją przypadki stosowania CRM-ów jako wielopierwiastkowych wzorców do kalibracji aparatury pomiarowej

*jeżeli analityk uzyskuje prawidłowy wynik dla materiału odniesienia (wynik zgodny z atestem), można zakładać, że uzyska też prawidłowe wyniki, analizując nieznane próbki, pod warunkiem, że rodzaj ich matrycy i pomiaru zawartości pierwiastków śladowych są podobne do analogicznych cech CRM.

Włosy:

Włosy pokryte są zewnętrzną osłonką - cuticula - z komórek ułożonych na kształt rybiej łuski. Włosy kryją sekrety własnego właściciela. Kumulują się w nich metale ciężkie, narkotyki, substancje chemiczne. W 12cm włosie zapisany jest cały rok życia człowieka. Testy na obecność narkotyków we włosach zdobywają coraz większą popularność na świecie. W Polsce tego rodzaju analizy przeprowadzone były tylko w laboratoriach kryminalistycznych.

Zalecenia WHO:

*alternatywą dla analizy krwii i moczu jest badanie ludzkich włosów

*wskaźnik zanieczyszczenia metalami toksycznymi

*biowskaźniki w określaniu skażenia środowiska

Pod względem chemicznym włos zbudowany jest:

*ok. 80% białek (głównie keratyna)

*10-15% wody

*5-10% pigmentów, minerałów, lipidów

Tkanka włosa (keratyna) zawiera dużo cysteiny (C₃H₇NO₂S) grupa tiulowa SH, mostki siarczkowe

*właściwości chelatujące - silnie wiąże metale Fe, Cu, Mg, Zn, Mn, Se.

Stężenie pierwiastków śladowych we włosach jest znacznie wyższe niż ich stężenie we krwi i moczu. Ułatwia to procedurę pomiarową i zmniejsza błędy analityczne, np.Ca we włosach-200X,Mg we włosach-30x,Zn we włosach 100x,Cu we włosach kilkanaście razy większa. Ważną cechą włosa stałość składu chemicznego, zewnętrzna keratynowa otoczka włosa zapobiega utracie endogennych składników oraz wnikaniu składników egzogennych do włosa z otoczenia.

Łatwość usuwania zanieczyszczeń z otocznia(procesy mycia) : Wiele prac przedstawia wpływ różnych procedur mycia na usuwanie pierwiastków z powierzchni włosa. Wyniki są bardzo korzystne, gdyż pozwalają stwierdzić, usunąć zanieczyszczenia zewnętrzne nie zmniejszając zawartości pierwiastków endogennych związanych z białkami. Fazy życia włosa: anagen: włos rośnie(1000 dni),katagen: włos przestaje rosnąć, odpoczywa (10 dni), telogen: włos obumiera i wypada. Cały cykl rozpoczyna się na nowo(100 dni) .Dzieje się tak wskutek wypychania starego włosa przez nowy. Wzdłuż włosa nie jest stałe-są one wbudowane w strukturę włosów w trakcie ich wzrostu. Dostarcza informacji o ich aktualnej zawartości w organizmie, jak również w dłuższym okresie czasu.

Dlaczego włos? nieinwazyjny pobór do analizy łatwość przechowywania i przesyłania próbek bez zmiany składu

do analizy bieżącego poziomu pierwiastków(aktualnego stanu organizmu) pobieramy 1-sze 2-3 cm włosów od skóry

Co zawiera włos?

Pierwiastki niezbędne życia tzw. Biopierwiastki

makropierwiastki >0,01%

Makroelementy lub makropierwiastki to takie, których stężenie w płynach ustrojowych i tkankach wynosi powyżej 1µg/g mokrej tkanki. Do makropierwiastków należą:Cl,P,Mg,K,Na,Ca,

mikropierwiastki <0,01%

Mikroelementami-mikropierwiastkami śladowymi są te ,których stężenie w organizmie jest poniżej 1µg/g mokrej tkanki. Mikropierwiastkami są: As, Cr, Sn, Zn, F, I, Co, Si, Li, Mn, Cu, Mo, Ni, Se, V(wanad),Fe

Pierwiastki toksyczne mają tendencję do gromadzenia się w narządach miąższowych, przede wszystkim wątrobie, nerkach, trzustce

Przy przewlekłym narażeniu na pierwiastki toksyczne mogą się one odkładać również w innych tkankach, np. ołów i glin w kościach, ołów, rtęć, glin w tkance mózgowej, kadm w cebulkach włosów

Rtęć w tkankach płynach ustrojowych człowieka:

µg/g

Włosy 0,01-5,2

Zęby 2,3-2,8

Krew 0,002-0,009

Mocz 0,001-0,133

Zawartość rtęci we włosach jest 1-3 rzędów więcej niż we krwi.

Zawartość pierwiastków we włosach zależy od:

sposobu odżywiania, ogólnego stanu zdrowia, wieku, płci, sposobu życia, zanieczyszczenia środowiska

Informacje: pierwiastkowa analiza włosa

ocena stanu mineralnego organizmu-określenie bardzo ściśle ilości pierwiastków magazynowanych przez organizm

w połączeniu z innymi danymi analitycznymi stanowi ona uzupełniającą metodę diagnostyczną dla lekarzy i toksykologów

Włosy są cennym materiałem biologicznym dla potrzeb diagnostyk:

klinicznej

toksykologicznej

kryminalistycznej

Znalazły również zastosowanie w badaniach pośmiertnych w medycynie sądowej.

Metody badań:

1. atomowa spektrometria emisyjna z plazmą indukcyjnie sprzężoną ICP-AES

2. spektrometria mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-MS

3. ablacja laserowa LA-ICP-MS

4. atomowa spektrometria emisyjna AAS

5. analizator rtęci

6. neutronowa analiza aktywacyjna NAA

7. analiza fluorescencyjna

8. chromatografia

Analiza powierzchni włosa:

- techniki mikroskopowe

- spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu TOF-SIMS

Normy zawartości pierwiastków we włosach:

- badanie modelowe Gordusa - normy we włosach populacji amerykańskiej

- włosy zdrowych, młodych 20-25 letnich studentów amerykańskiej Akademii Marynarki Wojennej

Makropierwiastki [μg/g]

Ca 220,0-1600

K 5,0- 40,0

Mg 20,0-130,0

Na 10,0-130,0

P 134,0-240,0

Si 3,94-16,4

Cr 0,01-0,63

Cu 5,48-40,0

Fe 5,46-13,7

Mn

Mo

Se

Zn

PODSUMOWANIE
Zalety analizy pierwiastkowej włosa”

1. doskonała metoda diagnostyczna pozwalająca na rozpoznanie tendencji chorobowych(można w ten sposób wyprzedzić chorobę i zastosować najlepszą metodę leczenia- profilaktykę)

2. wykrywanie długookresowych zmian w kumulacji biopierwiastków lub ich niedoboru

3. możliwość określenia odpowiedniego sposobu odżywiania oraz suplementacji witaminowo- mineralnej

4. możliwość oszacowania poziomów metali toksycznych w organizmie

5. zastosowanie w analizach kryminalistycznych i toksykologicznych

MOŻLIWOŚCI ANALITYCZNE ABLACJI LASEROWEJ W POŁĄCZENIU Z TECHNIKĄ ICP-MS

Wprowadzenie próbek do plazmy

Ablacja- polega na odparowaniu materiału z powierzchni próbek ciał stałych w wyniku wyładowania łukowego lub iskrowego

Nowoczesną techniką jest ablacja laserowa, gdzie odparowanie następuje na skutek działania wiązki lasera.

LASER- wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania (Laser Amplification of Stimulated Emission of Radiation).

Laser- urządzenie do wytwarzania wiązki promieniowania elektromagnetycznego w zakresie optycznym (nadfiolet, widzialne, podczerwień), ściśle monochromatycznego, spójnego o małej rozbieżności i dużym natężeniu.

Typy laserów:

1. długość fali emitowanego promieniowania- rodzaj przejść kwantowych, między którymi zachodzi akcja laserowa

2. rodzaj ośrodka czynnego:

1. gazowe

2. ciekłe

3. na ciele stałym

Stałe impulsowe- np.: neodymowy (kryształ granatu YAG- Ytrium Aluminum Garnet z domieszką Nd³⁺)

Gazowe- np.: helowo- neonowe, argonowe, azotowe, CO₂ z domieszką helu i azotu (promieniowanie o określonej długości fali)

Cieczowe- np.: laser barwnikowy z rodaminą (ciągła zmiana długości fali)

Laser 266 mm Ograniczenie

Stosowany do Wydajność ablacji nie jest wystarczająca dla

szerokiej gamy próbek matryc takich jak: kalcyt, kwarc

Laser 213 mm

- dla większości matryc poprawa wydajności absorpcji

- poprawa wydajności transportu do plazmy (mniejszy rozmiar cząstek)

- dla większej matrycy poprawa kształtu- lepsza rozdzielczość.

WYKŁAD 4 dn. 23.10.2009

Laser Ablation Basic („ablatio”)

Rezultatem oddziaływania wysokoenergetycznej wiązki lasera z ciałem stałym jest odparowanie i usunięcie materiału w postaci neutralnych atomów i molekuł, dodatnich i ujemnych jonów z wystawionej na to promieniowanie powierzchni ciała stałego.

Dokładny mechanizm ablacji jest bardzo skomplikowany (dużo zjawisk fizycznych).

W analizie chemicznej, impulsowy laser na bazie ciała stałego jak np.: laser neodymowy Nd:YAG okazał się niezwykle użyteczny, gdyż umożliwia bezpośrednie wprowadzenie próbek ciał stałych do plazmy.

Wykorzystuje się go jako źródło bardzo dużej energii o specjalnych własnościach. Może być użyty do analizy różnych materiałów stałych (przewodzących i nieprzewodzących) o różnej wielkości i kształcie.

Laser in chemical analysis:

1. jako źródło bardzo dużej energii o specjalnych własnościach

2. wiązka lasera ogniskowana na bardzo małej powierzchni próbki

3. miejscowe odparowanie materiału

4. natychmiastowa analiza

Ablacja laserowa umożliwia bezpośrednie wprowadzenie próbek ciał stałych do plazmy

LA-ICP-MS

Mass Spectrometry in Inductively Coupled Plasma with Laser Ablation

LA-ICP-TOF-MS

Zdecydowana wyższość spektrometrów TOF w przypadku próbek unikatowych w porównaniu z innymi analizatorami mas polega na możliwości jednoczesnej rejestracji wszystkich mas różnych pierwiastków odparowanych podczas pojedynczego strzału lasera.

Solution vs. Solid Samping - Solution

+	-
niższe limity detekcji	pewne matryce do rozpuszczenia
lepsza dokładność i precyzja	problemy kontaminacji
stabilny sygnał	niebezpieczne chemikalia
łatwa analiza ilościowa	czas przygotowania próbki

Solution vs. Solid Sampling - Solid

+	-
analiza próbek stałych o dowolnym kształcie i matrycy	ograniczona dostępność standardów
bezpośrednia informacja chemiczna z próbki stałej	ograniczona liczba próbek w porównaniu do autosamplera
informacja przestrzenna i z wnętrza próbki- depth profiling

Optimization

KONIECZNOŚĆ KONTROLOWANIA STĘŻENIA RTĘCI W ŚRODOWISKU

Paracelsus uważał, że materia (w tym także ciało człowieka) jest zbudowana z „siarki” (to, co palne), „rtęci” (to, co ulega sublimacji) i „soli” (pozostałość po wypaleniu).

Rtęć(hydrarguyrum) jest jedynym metalem, który w temperaturze pokojowej występuje w postaci płynnej (żywe srebro), łatwo ulatniającym się jako bezwonny, bezbarwny gaz.

Najczęściej spotykaną w przyrodzie postacią rtęci jest cynober- HgS, który jest surowcem do metalurgicznego otrzymywania tego metalu:

Z większości metali (poza Fe, Pt, Mn, Ni) tworzy amalgamaty. Złoto, srebro i cyna rozpuszczają się w rtęci już w temperaturze pokojowej, pozostałe w podwyższonej.

Rtęć łączy się w związki nieorganiczne (chlorki, azotany, siarczany) oraz tworzy bardzo dużą grupę związków metaloorganicznych np.: metylortęć, fenylortęć, dimetylortęć.

Jony Hg²⁺ mogą tworzyć wiele trwałych kompleksów z białkami i innymi związkami a przede wszystkim ze związkami zawierającymi grupy SH.

Wieloletnie badania pozwoliły na zrozumienie zasad migracji rtęci w środowisku naturalnym, umożliwiły otrzymanie danych o mechanizmach przemian, uświadomiły skalę negatywnego wpływu tego pierwiastka na poszczególne składniki biosfery.

Źródła emisji rtęci do środowiska:

- naturalna emisja(wyziewy wulkaniczne i podwodne)

- ingerencja człowieka

Udział rtęci emitowanej w wyniku działalności człowieka ocenia się na 30-60%, co w decydujący sposób wpływa na zakłócenie systemu.

Formy rtęci występujące w przyrodzie można podzielić na podstawie ich właściwości na:

- łatwo lotne np.: Hg⁰, (CH₃)₂Hg

- łatwo rozpuszczalne w wodzie np.: Hg²⁺, HgCl₂

- trudno rozpuszczalne kompleksy organiczne np.: CH₃, Hg⁺, CH₃HgS^-

Mikroorganizmy głównie bakterie i grzyby biorą znaczny udział w przeobrażeniach związków rtęci, powodując, że jedne formy przechodzą w drugie, co w decydujący sposób wpływa na obieg tego materiału.

Lotność związków rtęci kształtuje się w następującej kolejności:

Hg>Hg₂Cl₂>HgCl₂>HgS>HgO

natomiast ilość odparowanej rtęci podwaja się przy wzroście temperatury o każde 10⁰C

Rtęć w glebie:

- silne powinowactwo rtęci do związków z siarką oraz do materii organicznej(węgiel, torf, ropa naftowa)

- naturalne stężenie rtęci w powierzchniowych warstwach gleb waha się w granicach od 0,05 do 0,3ppm.

(najwięcej w glebach organicznych Kanady 0,41 i niektórych wulkanicznych 0,3)

Rozmieszczenie związków rtęci w glebach uzależnione jest od warunków oksydacyjno- redukujących. W glebach o przewadze warunków utleniających dominują formy Hg²⁺, Hg₂²⁺; w glebach o warunkach redukcyjnych występują głównie związki rtęci z siarką, a w glebach o warunkach przejściowych najczęstsze są alkilowe(metylowe) siarczki rtęci.

Rtęć dostaje się do wód:

- z opadów atmosferycznych

- z wypłukiwania Hg z gleb

- ze spływem wód gruntowych i powierzchniowych

- ze ściekami komunalnymi i przemysłowymi

- z transportu wodnego

Szacuje się, że do Bałtyku dostaje się 90 ton Hg/rok.

W wodzie morskiej Hg jest adsorbowana głównie w osadach i uaktywniana w procesach bio-metylacji.

WYKŁAD 5 dn. 30.10.2009

SPEKTROMETRIA MAS JONÓW WTÓRNYCH (SIMS)

Jest stosowana do analizy składu chemicznego powierzchni ciał stałych.

Metoda polega na wybijaniu jonów pierwiastków oraz molekuł z powierzchni ciała stałego pod wpływem bombardowania jej krótkimi seriami zjonizowanych atomów. Masy wybijanych jonów i molekuł wyznaczane są na podstawie pomiaru czasu przelotu pomiędzy powierzchnią badanej próbki a detektorem cząstek naładowanych.

Jony najlżejsze poruszają się najszybciej czyli H⁺, H₂⁺ a możemy obserwować jony CH₂⁺, CH₃⁺

Piki ulegają rozmyciu jeśli powierzchnia jest nierówna i powstaje rozrzut prędkości jonów. Jony szybsze pokonują dłuższą drogę i czas przelotu jest dłuższy. Róźnica w czasie przelotu niwelowana jest poprzez zastosowanie detektora.

Jest kilka rodzajów źródeł jonów pierwotnych m.in. LMIG- źródło z wykorzystaniem zjawiska emisji jonowej.

Igła wolframowa pokryta cienką warstwą galu lub bizmutu.

Zalety:

- można uzyskać wiązkę jonów o dużym natężeniu

- konstrukcja działa umożliwia uzyskiwanie wiązek o małych średnicach

Rozdzielczość masowa- odnosi się do szerokości piku w połowie jego wysokości

Porównanie parametrów analizatorów mas stosowanych w spektrometrach SIMS:

Rodzaj	Rozdzielczość	Zakres mas	Współ. transmisji	Rodzaj detekcji	Względna czułość
kwadropulowy	10^2 - 10^-3	<10^3	0,01 - 0,1	sekwencyjny	1
magnetyczny	10^4	>10^4	0,1 - 0,5	sekwencyjny	10
time of flight (TOF)	>10^3	10^3 - 10^4	0,5 - 1	jednoczesny	10^4

Metoda SIMS jest stosowana do badań praktycznie wszystkich rodzajów materiałów i umożliwia następujące badania:

- określenie składu molekularnego warstw powierzchniowych próbki

- identyfikację spektroskopową grup funkcyjnych monowarstwy na podłożu metalicznym

- badania składu wewnątrz próbki

- badania reakcji powierzchniowych(chemisorpcja, dyfuzja, depozycja, reakcje z gazami i plazmą)

TOF-SIMS

Jest to technika uniwersalna, nadająca się do analizy powierzchni zarówno substancji organicznych jak i nieorganicznych włączając: metale, półprzewodniki, polimery, katalizatory proszkowe, leki, papier, włókna tkanin, włókna dzianin, materiały biologiczne, zaawansowane technologicznie materiały wieloskładnikowe.

Spektrometr TOF- SIMS umożliwia cztery rodzaje pomiarów:

1. badania dużego obszaru warstwy powierzchniowej (0,01 - kilka mm²), pozwalają na badania powierzchni poddanej tarciu, korozji, właściwości adhezyjnych, identyfikacji zanieczyszczeń i innych

2. wizualizacja powierzchni połączona z analizą mikroobszarów pozwala na badania powierzchni heterogenicznej (rozdzielczość od kilku μm do 50nm)

3. analiza śladów (czułość 10^-18mol)

4. badania składu wewnątrz próbki (usuwanie kolejnych monowarstw poprzez ich rozpylanie strumieniem jonów pozwala na określenie profili stężeniowych w głąb próbki)

WYKŁAD 6 dn. 13.11.2009

METYLACJA RTĘCI

Biochemiczne szlaki metylacji rtęci:

- z udziałem tlenu- proces zachodzi na poziomie komórkowym z udziałem enzymów

- bez udziału tlenu- proces zachodzi poprzez bakterie, bez udziału enzymów

Metylacja rtęci znacznie zwiększa zdolność pokonywania bariery biologicznej, co powoduje, że w organizmach morskich (głownie w rybach) znajduje się metylortęć.

Metylortęć stanowi:

1. 0,1 - 1,5% całkowitej rtęci w osadach

2. ~2% całkowitej rtęci w wodzie morskiej

3. ~80 - 90% całkowitej rtęci w rybach

Losy rtęci w organizmie człowieka:

Do organizmu człowieka rtęć może przedostać się trzema sposobami:

1. z pożywieniem- alkilowe związki rtęci

2. poprzez układ oddechowy- party rtęci

3. poprzez skórę- pary rtęci

Działanie toksyczne rtęci wiąże się z jej powinowactwem do:

1. grup sulfonowych

2. karboksylowych

3. aminowych

4. aminokwasów

i polega na blokowaniu biochemicznych funkcji tych związków.

Wydajność wchłaniania związków alkilortęciowych z przewodu pokarmowego wynosi około 95%, natomiast nieorganicznych połączeń rtęci około 70%.

Stosunek stężenia metylortęci w mózgu do stężenia we krwi wynosi 5:1.

Ogólnie uważa się, że jedną z najwcześniejszych zmian biochemicznych przed wystąpieniem objawów fizjologicznych w zatruciach metylortęcią jest zaburzona biosynteza białka.

Selen jest pierwiastkiem zmniejszającym toksyczność rtęci poprzez blokowanie łączenia się jej z grupami białek i aminokwasów.

Biologiczny okres półtrwania rtęci w mózgu wynosi kilka lat, w nerkach 64 dni, we krwi 2 - 4 dni.

Średnie pobieranie rtęci przez dorosłego człowieka oblicza się na 20mg/dzień, w Polsce 9-33mg/dzień.

Dopuszczalne tygodniowe pobieranie rtęci ustalono na 300mg, w tym 200mg metylortęci, dziennie 43mg (WHO, 1972).

Ryby- nagromadzenie rtęci w żywności pochodzenia morskiego i lądowego stwarza ryzyko dla człowieka, głownie przez spożywanie ryb, zwłaszcza tuńczyków i rekinów.

Wchłanianie rtęci przez rybę odbywa się przez skrzela oraz z pokarmem.

Okres półtrwania rtęci w organizmie ryb wynosi kilkaset dni, stąd zawartość tych związków w rybach starszych jest większa.

U drapieżnych ryb stężenie metylortęci może przekroczyć nawet 1μg/kg masy ciała.

Katastrofa ekologiczna - Zatoka Minamata, Japonia, 1953 - 1970

Przyczyna: odprowadzenie do zatoki morskiej ścieków z fabryki aldehydu octowego zawierających rtęć. Na skutek spożywania ryb zanotowano poważne zatrucia u 1000 osób, z czego 200 zmarło.

Rośliny- pobierają rtęć z gleby jak również bezpośrednio z powietrza. Rtęć jest silnie wiązana z grupami sulfhydrylowymi białek. Do najbardziej wrażliwych na nadmiar rtęci należą buraki cukrowe, kukurydza i róże.

Zawartość rtęci jest badana w roślinach konsumpcyjnych ze względu na niepożądane występowanie w żywności.

Najczęstszy jej zakres w warzywach i owocach mieści się w granicach 5-30 ppb.

Katastrofa- Irak, 1971-1972

Przyczyna: spożywanie chleba, do wypieku, którego użyto mąkę ziarna siewnego zaprawionego organicznymi związkami rtęci. 6530 osób zatrutych, 459 zmarło.

NORMY

Normy, określające największe dopuszczalne ilości rtęci w żywności ustalone w różnych państwach są różne:

- Szwecja i Japonia dopuszcza zawartość w 1kg żywności 1mg Hg

- Norwegia 1,5mg Hg

- Polska 0,5 mg Hg

Obecna wiedza nie pozwala do końca i z całą pewnością stwierdzić, czy przyjęte normy są właściwe

OZNACZANIE RTĘCI

Automatyczny analizator rtęci MERCURY SP-3D japońskiej firmy Nippon Instrument Corporation.

Aparat ten umożliwia szybki pomiar małych zawartości rtęci w próbkach: stałych, ciekłych i gazowych oraz łatwopalnych z dużą czułością i dokładnością, bez konieczności przygotowania próbki(mineralizacji).

Aparat składa się z trzech części:

1. analizatora rtęci MA

2. kolektora MA-1

3. detektora MD-1 w postaci CVASA

Rtęć jest oznaczana metodą bezpłomieniowej absorpcyjnej spektrometrii atomowej techniką zimnego płomienia.

Parametry techniczne analizatora:

1. zakres pomiarowy: 0,01 - 100 ng Hg z rozdzielczością 0,01ng

2. granica oznaczania: 0,01 ng

3. możliwość analizy próbek ciekłych metodą redukcji chlorkiem cyny II (zgodnie z PN)

4. oczyszczanie par rtęci przed amalgamacją i pomiarem, spaliny nie są wprowadzane do kuwety pomiarowej

5. spaliny po rozkładzie próbek oraz pary rtęci są pochłaniane w filtrze wylotowym

6. sterowanie pracą i akwizycją wyników poprzez komputer

7. wizualizacja procesu pomiarowego na ekranie monitora

8. pomiar wysokości piku dla zakresów 0-2 ng i 0-20 ng

9. pomiar pola pod pikiem dla zakresu 0-200 ng i 0-1000 ng

10. możliwość oznaczania rtęci w paliwach lotnych zgodnie z normą UOP/IFP

Metoda z wykorzystaniem dodatków:

Metoda ta stosowana jest do próbek stałych i ciekłych. W celu minimalizacji wpływu matrycy stosuje się tu dwa dodatki:

- dodatek B - aktywny tlenek glinu

- dodatek M - węglan sodu i wodorotlenek wapnia (1 i 1)

Podstawowe aspekty badania zawartości rtęci w benzynie:

- ekologia

- problemy w eksploatacji katalizatorów samochodowych

- magazynowanie paliw - 20 ppb ropa naftowa, 5ppb oleje napędowe

MIKROSKOPIA

Mikroskopy (przyrządy służące do obserwacji małych obiektów) można sklasyfikować według różnych kryteriów:

1. według rodzaju promieniowania oświetlającego obiekt (mikroskopy optyczne, elektronowe, jonowe, ultradźwiękowe)

2. według metody obrazowania

1. mikroskopy konwencjonalne, w których szeroką wiązką promieniowania oświetlamy całe pole obserwacji i tworzymy powiększony obraz obiektu, rzeczywisty bądź pozorny

2. mikroskopy skaningowe, gdzie badaną próbkę skanujemy wąską wiązką promieniowania a obraz próbki odtwarzamy na kliszy fotograficznej

3. mikroskopy holograficzne, w których przez rejestrację w materiale o amplitudzie i o fazie promieniowania zaburzonego przez obiekt przechowujemy jego trójwymiarowy obraz

3. według odległości detektora od obiektu

1. mikroskopy tunelowe, czyli mikroskopy bliskiego pola, tam gdzie odległość jest porównywalna z charakterystyczną długością oddziaływania obiektu z promieniowaniem próbkującym

4. według uzyskiwanej informacji

1. mikroskopy określające kształt obiektu

2. mikroskopy badające skład pierwiastkowy, chemiczny lub strukturę krystaliczną próbki

3. mikroskopy mierzące właściwości mechaniczne, elektryczne

MIKROSKOPY ELEKTRONOWE

Pierwszym mikroskopem elektronowym był mikroskop transmisyjny zbudowany na wzór klasycznego mikroskopu optycznego.

Elektrony z działa elektronowego, przyspieszane wysokim napięciem 10 - 100kV, a następnie ogniskowane przez jedną lub kilka soczewek kondensora, oświetlają pole widzenia w płaszczyźnie przedmiotu.

Parametry: zdolność rozdzielcza mikroskopu jest określona rozmiarem plamki wiązki skanującej, rozproszeniami elektronów z tej wiązki w próbce oraz absorpcją w materiale próbki promieniowania rejestrowanego przez detektor. Średnica plamki wiązki skanującej wynosi zwykle kilka nanometrów.

Skaningowa mikroskopia elektronowa jest to metoda która pozwala na badanie cech strukturalnych obiektów.

Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM) jest to urządzenie które wykorzystuje strumień ukierunkowanych elektronów, które linia po lini omiatając powierzchnię badanej próbki tworzą jej obraz. Pod wpływem wiązki elektronów próbka emituje różne sygnały (m.in. elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie przetwarzane na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego.

Mikroskop skaningowy składa się z:

1. działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wiązka elektronów,

2. kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów,

3. komory próbki, gdzie ma miejsce interakcja elektronów wiązki z próbką,

4. zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę

5. systemu przetwarzania sygnałów na obraz.

Zasady powstawanie obrazu w SEM

Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie jest obrazem rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem wirtualnym skonstruowanym na bazie sygnałów emitowanych przez próbkę. Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii prostokątnego obszaru na powierzchni próbki. Obszar skanowania odpowiada fragmentowi próby oglądanemu na obrazie. W każdym momencie czasu wiązka oświetla tylko jeden punkt w obszarze skanowania. Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają zróżnicowanie próbki w poszczególnych punktach. Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które w nowoczesnych mikroskopach są przetwarzane na serię wartości liczbowych , z których tworzony jest obraz cyfrowy.

Powiększenie

W mikroskopii skaningowej powiększeniem nazywamy stosunek wymiarów liniowych obszaru skanowania oglądanego na ekranie do odpowiadających im wymiarów liniowych analizowanego obszaru na próbce.

Rozdzielczość

Rozdzielczość odpowiada rozmiarom najmniejszych obiektów, które jesteśmy w stanie zobaczyć przy pomocy mikroskopu. Określa ona granicę, poza którą mikroskop nie jest w stanie odróżnić dwóch bardzo małych sąsiadujących obiektów od pojedynczego obiektu. Rozdzielczość jest określana w jednostkach długości, zwykle Angstremach lub nanometrach. Lepsza rozdzielczość nazywana jest „wyższą”, mimo że określa ją liczba jest niższa. Np. rozdzielczość 10 jest wyższa (lepsza) niż rozdzielczość 20 Å.

Obszar oddziaływania

Rejestrowane sygnały powstają nie tylko na powierzchni próbki. Elektrony wiązki penetrują próbkę na pewną głębokość i na swej drodze mogą wielokrotnie oddziaływać z atomami próbki. Obszar, gdzie na skutek tych oddziaływań powstają różnego rodzaju sygnały, które po wydostaniu się na powierzchnię próbki są rejestrowane przez odpowiednie detektory nazywamy obszarem oddziaływania (wzbudzenia) -Rodzaj rejestrowanego sygnału, skład próbki i napięcie przyspieszające decydują o rozmiarze i kształcie obszaru wzbudzenia, a co za tym idzie wpływają na rozdzielczość. W większości przypadków obszar oddziaływania jest większy niż spot, a więc to jego wielkość stanowi faktyczne ograniczenie rozdzielczości.

Skład próbki

Skład próbki wpływa zarówno na głębokość jak i kształt obszaru penetracji. W próbkach o większej gęstości głębokość penetracji i odległość jaką mogą przebyć elektrony pierwotne przed zaabsorbowaniem jest mniejsza. W rezultacie w takich próbkach obszar oddziaływania jest płytszy i ma kształt bardziej spłaszczony (zbliżony do półkuli).

Rodzaj rejestrowanego sygnału

1. Elektrony wtórne - SE (secondary electrons)

Elektrony wtórne to elektrony wyrzucone z wewnętrznych powłok elektronowych (zwykle K) atomów próbki na skutek zderzeń niesprężystych z elektronami pierwotnymi (elektronami wiązki). Ich energia nie przekracza, z reguły 5 eV. Ze względu na niską energię elektrony mogą się wydostać tylko z cienkiej, przypowierzchniowej warstwy próbki. Dzięki temu dają one obrazy o wysokiej rozdzielczości. W obrazie uzyskanym dzięki elektronom wtórnym kontrast związany jest z topografią próbki. Obszar wzbudzenie leży blisko powierzchni, dlatego więcej elektronów wtórnych może uciec z punktów na szczycie wierzchołka, niż z punktów na dnie zagłębienia. A więc partie wypukłe są jasne, natomiast partie wklęsłe są ciemne. Dzięki temu interpretacja obrazów SE jest dość łatwa. Wyglądają one podobnie jak odpowiadające im obrazy w świetle widzialnym (w skali szarości).

2. Elektrony wstecznie rozproszone - BSE (backscattered electrons)

Elektrony wstecznie rozproszone to pierwotne elektrony (elektrony wiązki), które na skutek zderzeń sprężystych z jądrami atomów próbki zostały „odbite” z powrotem od próbki. Elektrony te mają wysoką energię. Przyjmuje się, że może ona wynosić od 50 eV aż do wielkości napięcia przyspieszającego wiązki. Wyższa energia BSE powstaję w większym obszarze oddziaływania (rys. 4), czego rezultatem jest obniżenie rozdzielczości obrazów BSE. W obrazach BSE kontrast jest wynikiem różnicy średniej liczby atomowej pomiędzy poszczególnymi punktami próbki. Obszary próbki zawierające jądra pierwiastków o wysokiej liczbie atomowej rozpraszają wstecznie więcej elektronów dzięki czemu są odwzorowywane na obrazach BSE jako miejsca jaśniejsze. Właściwie zinterpretowane obrazy BSE dostarczają ważnych informacji o zróżnicowaniu składu próbki.

3. Promieniowanie rentgenowskie

Dwa typy oddziaływania elektronów wiązki z ciałem stałym prowadzą do powstania promieniowania rentgenowskiego. Jednym jest rozpraszanie na jądrach atomowych, które prowadzi do powstania ciągłego widma, promienio­wania rentgenowskiego. Drugim jest jonizacja wewnętrznych powłok elektro­nowych atomu prowadząca do powstawania widma charakterystycznego.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie

Widmo charakterystyczne powstaje w wyniku oddziaływania elektronów wiązki
z elektrona­mi wewnętrznych powłok atomów próbki. Normalnie powłoki K i L atomów o liczbach atomowych większych od 10 są zapełnione. Jeśli jeden z elektro­nów K zostanie usunięty, atom może doznać przejścia, w którym elektron L lub M "przeskoczy" na puste miejsce, a wyzwolona przy tym energia potencjalna zostanie wyemitowana jako kwant promieniowania elektromagnetycznego. Typowe wartości energii takich przejść leżą w zakresie rentgenowskim widma promieniowania elektromagnetycznego. Energia tego kwantu jest ściśle określona dla każdego rodzaju przejścia w danym pierwiastku i dlatego jest cechą diagnostyczną.

Spektrometr rentgenowski rejestruje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Zadaniem spektrometru jest zliczenie impulsów promieniowania rentgenowskiego i posegregowanie ich. Spektroskopia promieni rentgenowskich może być przeprowadzona dwiema metodami:

1. metoda dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (Energy Dispersive Spectrometry - EDS). Stosuje się detektory, w których natężenie sygnału wyjściowego jest proporcjonalne do energii padających impulsów, np. liczniki scyntylacyjne, proporcjonalne liczniki przepływowe, detektory Li/Si. W naszym mikroskopie zainstalowany jest detektor Sapphir

2. metoda dyspersji długości fali promieniowania rentgenowskiego (Wave Dispersive Spectrometry - WDS). Stosuje się spektrometr promieni rentgenowskich z kryształem analizującym.

Zalety skaningowej mikroskopii elektronowej:

1. pobieranie małej próbki badanego materiału

2. możliwość badań próbek różnej wielkości

3. wysoka rozdzielczość

4. błyskawiczna ocena składu ilościowego i jakościowego

5. pełny zakres oznaczeń składu chemicznego (od boru do uranu)

6. łatwa preparatyka

Liczba pierwiastków; limit detekcji

Czas analizy

Rodzaj analizy

Wymagania analityczne

Parametry lasera

Wielkość krateru

Częstotliwość

Energia

---