‹#› 1 Moderní metody analýzy životního prostředí Jana Klánová klanova@recetox.muni.cz ‹#› 2 Advances in environmental analytical chemistry Jana Klánová klanova@recetox.muni.cz ‹#› 3 Literature: Reeve R.: Introduction to environmental analysis Fifield F.W., Haines P.J.: Environmental analytical chemistry Skoog D.A., Leary J.J.: Principles of instrumental analysis Hewitt C.N.: Instrumental analysis of pollutants Keith L.H.: Environmental sampling and analysis Popl M, Fahnrich J.: Analytická chemie životního prostředí ‹#› 4 What does it mean “advances“ in analytical chemistry? • New types of pollutants (not necessary persistent) • New types of combined techniques for instrumental analysis • Analysis of bioavailable or toxic fractions rather than total analysis (selective sampling or extraction techniques) • Interdisciplinary relations, application of methods from other fields of science (biochemistry, molecular biology, photochemistry, geology, mineralogy, geochemistry) ‹#› 5 Air-Surface Exchange of Persistent Substances • •Michael McLachlan •ITM, Stockholm University • • •The Advances and Trends in Environmental Chemistry and Ecotoxicology of Persistent, Toxic Substances •Summer school, Brno, 11-17 July 2005 ‹#› 6 Phases in the Atmosphere •What phases do organic chemicals associate with in the atmosphere? • ‹#› 7 Phases in the Atmosphere •What phases do organic chemicals associate with in the atmosphere? •Gas phase •Particulate matter •Water •Ice/Snow ‹#› 8 Surfaces in the Environment •Which surfaces are important for exchange of organic chemicals with the atmosphere? • ‹#› 9 Surfaces in the Environment •Which surfaces are important for exchange of organic chemicals with the atmosphere? •Water •Soil •Vegetation •Snow/Ice ‹#› 10 Exchange Processes •What processes can transfer organic chemicals from the atmosphere to surfaces? ‹#› 11 Exchange Processes •What processes can transfer organic chemicals from the atmosphere to surfaces? •Deposition of water (wet deposition of dissolved chemical) •Deposition of ice/snow •Wet deposition of particulate matter •Dry deposition of particulate matter •Gaseous deposition ‹#› 12 Exchange Processes (II) •What processes can transfer organic chemicals from surfaces to the atmosphere? ‹#› 13 Exchange Processes (II) •What processes can transfer organic chemicals from surfaces to the atmosphere? •Aerosol generation •Volatilisation ‹#› 14 Phase Distribution in the Atmosphere •Between the gas phase and water ‹#› 15 Phase Distribution in the Atmosphere •Between the gas phase and water •according to the Henry’s Law constant (KAW=H/RT) •Dependent on temperature •Equilibrium generally reached, but perhaps not locally •Surface adsorption can contribute to levels in very small water droplets (fog) ‹#› 16 Phase Distribution in the Atmosphere (II) •Between the gas phase and particulate matter ‹#› 17 Phase Distribution in the Atmosphere (II) •Between the gas phase and particulate matter •Combination of dissolution, surface adsorption, and absorption in organic matter •Absorption believed to dominate for POPs, described by KPA = fOCKOC/KAW •Temperature dependent •Equilibration believed to be rapid, but not much experimental evidence ‹#› 18 Phase Distribution in the Atmosphere (III) •Between the gas phase and snow ‹#› 19 Phase Distribution in the Atmosphere (III) •Between the gas phase and snow •Surface adsorption •Dependent on surface area of snow •Little experimental evidence on magnitude and kinetics of partitioning ‹#› 20 Deposition of Rain and Snow •Dissolved/sorbed chemical ‹#› 21 Deposition of Rain and Snow •Dissolved/sorbed chemical •Surface independent (exception fog) •Flux is the product of concentration in rain/snow and the rain rate e.g. NRD (mol m-2 h-1) •What is the relevant temperature? •Steady state may be a good assumption for compounds with high KAW ‹#› 22 Deposition of Rain and Snow •Chemical associated with particulate matter ‹#› 23 Deposition of Rain and Snow •Chemical associated with particulate matter •Surface independent •Flux is the product of concentration on PM, the rain rate, and the scavenging efficiency Q e.g. NRP (mol m-2 h-1) •Q depends on particle size, cloud physics •Steady state not a good assumption! •”bulk” Q often used (20,000 – 200,000) ‹#› 24 Dry Deposition of Particulate Matter ‹#› 25 Dry Deposition of Particulate Matter •Surface dependent! •Flux is the product of concentration on PM and a dry particle deposition velocity vP e.g. NP (mol m-2 h-1) •vP depends on particle size, surface, turbulence •Mechanisms: diffusion, impaction, sedimentation •CP also depends on particle size •Steady state does not exist but may be a good approximation over long time scales ‹#› 26 Gaseous Deposition • • ‹#› 27 Gaseous Deposition •Surface dependent! •Thermodynamically governed phase distribution/partitioning •Flux can be calculated from Fick’s Law using the concentration gradient between the gas phase and surface and a dry gaseous deposition velocity vG • ‹#› 28 Gaseous Deposition •Partition Coefficients ‹#› 29 Gaseous Deposition •Partition Coefficients •For water from Henrys Law Constant, affected by POM, DOM, temp., salinity •For soil from KOC/KAW for neutral species, KOC can be predicted from KOW, affected by quality of OM, temp., relative humidity, concentration (non-linearity!) •For vegetation few data, non-linear function of KOA, function of species, age, temp. ‹#› 30 Gaseous Deposition •Deposition Velocity ‹#› 31 Gaseous Deposition •Deposition Velocity •Two film resistance model •Air-side resistance depends on meteorology, surface roughness, diffusion coefficient in air •Surface-side resistance to major reservoir - water: surface film, turbulence, diff coeff. - soil: diffusion in soil air and soil water, vertical sorbed phase transport -vegetation: diffusion through cuticle, stomata •Dominant resistance depends on partition coeff. ‹#› 32 Presence Availability Activity Total mass Fraction of total mass Measure that drives diffusion and partitioning How much is there? How much is available for ... ? How high is the diffusive pressure into other media? Exhaustive Extraction Depletive Extraction/ Sampling Equilibrium Sampling Devices P. Mayer, F. Reichenberg ‹#› 33 General scheme of environmental analysis - Sampling - homogenization - conservation - transport - storage - Sample preparation - extraction - clean-up - selective elution - concentration - derivatization - - Sample analysis - Data interpretation ‹#› 34 Passive sampling Can environmental concentrations of pollutants be calculated from the analyte levels accumulated in an integrative passive sampler? - Calibration conditions should approximate field conditions - Performance Reference Compounds ‹#› 35 Calibration of a passive sampler in a flow-through system Peristaltic pump 30 ml/min Peristaltic pump 100 ml/min Exposure tank Water Waste water Stirrer Chemicals in MeOH Water reservoir Samplers Analytes In MeOH B. Vrana, R. Greenwood, G. Mills ‹#› 36 Persistent Organic Pollutants Resistent to chemical, biochemical, photochemical degradation Long life-time in the environment (years) Physical properties supporting a high degree of mobility in the environment Can be bioaccumulated in food chains Toxic properties at low levels (ng-mg.kg-1) or toxic metabolites Main groups: technical chemicals, pesticides and industrial by-products ‹#› 37 Fate of the pollutants in the environment - Transport Persistent toxic substances (based on their octanol/water Kow and octanol/air Koa partitioning coefficients) are often a subject of the transport in the environment (within or between compartments), including a long-range transport - Bioconcentration (bioconcentration factor) - Bioaccumulation (bioaccumulation factor) - Biomagnification (between the trophic levels of the foodchain) ‹#› 38 Measurements of substances in the environment Screening - is it possible to detect the substance in environmental samples? Survey - how big is the problem? Monitoring - long-term measurements of the temporal trends and/or - large scale measurements of the spatial distribution Modeling - where is the substance ? ‹#› 39 Continuous analysis is required to develop a functional monitoring program for the evaluation of the chemical contamination of the environment - problem definition - survey for determination of the extent of the problem - development of the optimal analytical procedures - evaluation of the current status and future development - human exposures and risk evaluations - sugestion of applicable measures - legislation for efficient evaluation - monitoring for the effectiveness evaluation of the measures ‹#› 40 ‹#› 41 Specific problems of environmental analysis - wide range of concentrations and properties of analytes - limited stability of the matrices and analytes - non-homogenity of the samples - application of advanced methods of extraction from environmental matrices - monitoring on the levels close to the detection limit (trace and ultratrace analysis) - risk of secondary contamination - costs of instrumentation, chemicals, standards ‹#› 42 General scheme of analytical procedure - sampling - conservation - transport - storage - sample preparation - extraction - clean-up, interferent removal - fractionation - concentration - derivatization - analytical procedure - data interpretation ‹#› 43 Sampling - initial stage - selection of analytes - selection of sampling sites - number of samples, sampling frequency - sampling methods and strategy - quality assurance - representative samples - sufficient size - stability - optimal data value : cost ratio ‹#› 44 Quality assurance - sufficient documentation (number and code of the sample, sampling site, date and time, site-specific information, meteorological data, responsible person, sampling methods) - preservation of the sample quality (inert containers, immediate transport, proper storage, cooling, freezing, lyofilization, analysis) ‹#› 45 Air Air is a key medium - responds quickly to sources Air concentrations fluctuate widely in the space and time Various concentrations in the gas/particulate phases - compromise over the sample time/volume/technique Short-term sampling/bulking ? Air sampling ‹#› 46 Air sampling - ambient air - permanent gases - volatile compounds - particules - indoor air - working environment - emissions - imissions ‹#› 47 Air sampling techniques - sampling of the volatile compounds using a fixed volume container (canister, gas-tight syringe) - absorption of the gas in solution (container with the absorption liquid, absorption liquid impregnated filter – the volume calibration is a necessity) - gas sorption on various sorbents (detection tubes with activated carbon, silica, polymers, denuders – not for the aerosols) - particule sampling (high volume sampling using the quartz and polyurethane foam filters, respirable - < 5um- fraction sampling cascade and cyclone impactors, VAPS universal sampler) - passive samplers (PUF, XAD, semipermeable membrane) ‹#› 48 ‹#› 49 ‹#› 50 Polyurethane Foam Filter PUF Air Pump Sampling Techniques High-Volume sampler Particulate Phase Gas Phase Glass Fiber Filter GFF Particles Gas ‹#› 51 ‹#› 52 ‹#› 53 ‹#› 54 ‹#› 55 Passive sampling This technique provides a cheap and powerful tool for obtaining detailed spatially and temporaly resolved data and evaluating the trends. A number of exciting developments have been made in this field in recent years; the feasibility of passive samplers has been demonstrated for the local, national and regional scale monitoring. KJones_5 ‹#› 56 ‹#› 57 •Time dependence of the analyte concentration in collecting media ‹#› 58 Semipermeable membrane device Polyethylene, low density, thickness 75 – 90 mm, sleeve of 91 cm * 2,5 cm with 1 ml of trioleine SPMD ‹#› 59 SPMD for air sampling ‹#› 60 resin-filled stainless steel fine mesh cylinder coarse mesh carabine & loop stainless steel lid bottom part of stainless steel shelter adjustable hose clamps 10.5 cm 15.5 cm XAD-Resin Based Passive Air Sampling System for POPs Wania F. et al., Environ. Sci. Technol., 37,1352-1359 (2003) ‹#› 61 pasiv_sampler_whole PUF based passive samplers ‹#› 62 The advantages of passive air samplers: ÄLow cost ÄHigh spatial and temporal sampling resolution ÄNo power supply needed ÄEasy deployment and little operator training required ‹#› 63 Their disadvantages: ÄCurrent techniques are ‘semi-quantitative’, requiring knowledge of the sampling rate (m3 of air sampled/day) ÄOptimization of the sampling rates requires the assessment of meteorological parameters (wind speed, temperature) ÄSampling is efficient for the gas phase component, but generally poorer for the particulate phase ÄTime to gas phase-sampler equilibrium varies between POPs ‹#› 64 Selection of sampling sites Points to consider: ÄPotential source of contamination (local sources, air or water transport, distance to the urban or industrial facilities) ÄTerrain configuration – inversion valley, lowland, hills ÄLocation of sampling sites – height (1.5 -2 m – respiratory zone – local sources; 6-10 m –evaluation of the long-range transport - vicinity of sampling site – natural or anthropogenic barriers, hills, trees, buildings – traps for dust, „immission shadow“ - surface in the sampling site – grassland is the best; sand, soil, asphalt or other surfaces are potential sources of contamination ‹#› 65 ÄMeteorological conditions before and during the sampling - wet deposition (rain, snow,) – scavenging effects - wind speed: low – effect of local sources, high – emissions are dispersed, effect of the long-range transport - wind direction – important for selection of the sampling site - temperature: high – evaporation of highly volatile compounds from the soils and other surfaces; low – effect of the local heating systems - humidity: low – higher amount of dust and particles, increased sorption of contaminants; high – effect of the humidity on the sampling etc. process ÄOther – i.e. nature of dust ‹#› 66 Combined samplers for PAH sampling P1011826 P1011807 active sampler passive samplers P1010004a ‹#› 67 Atmospheric deposition - wet (delivered by rain and snow, major in the clean and background sites) - dry (sedimentation of atmospheric dust particles, prevailing in urban sites) Atmospheric deposition sampling - wet (sampling of rain only, automatic devices) - dry (deposition in the sampling containers is a function of the air concentration of particles and the sedimentation rate) - sum of the wet and dry deposition (open containers) ‹#› 68 - Vertical deposition – rain, snow, particles - Horizontal deposition - aerosol, fog Horizontal sampling of aerosols is the analogy to the gas phase sampling - membrane filters (Sympor) - flow measurement (rotameter) - volume measurement (gas meter) - air pump Sampling of wet atmospheric deposition ‹#› 69 Horizontal sampling of fog and icing pasivní kolektor P1010031 Fan kolektor rotační arm kolektor passive active ‹#› 70 Fog samplers mlhoměr1 aktivní kolektor2 Passive Active ‹#› 71 A) manual samplers Samplers for vertical deposition P1011670 P1011616 P1011775 P1011628 P1011779 ‹#› 72 B) automatic samplers (dry or wet deposition) - Automatic switch of configuration for dry and wet deposition (sensor for the change of conductivity with the first drop) - Colection area 0,2 - 1,0 m2 (teflon, PE, steel, glass) – a lid is closed between the sampling events) - Sampling reservoir of sufficient volume (bottles on carusel), inert materials, thermostat (4-10°C), sample conservation (HCl, HNO3, H2SO4, chloroform) - Simple and robust construction, resistent to extreme meteorological conditions Samplers for vertical deposition ‹#› 73 P1011620o P1011764o P1011797 Colective area Lid Reservoir of sample Samplers for vertical deposition ‹#› 74 P1011767 P1011769 P1011782 P1011781 Sensor for „first“ drop (flake) Closed Open Samplers for vertical deposition ‹#› 75 Water pollution - organics Primary – waste water, deposition, leaching Natural (humic substances, phenols,..) Ä Anthropogenic (oil pollution, pesticides, detergents, PCBs) P1010063 ‹#› 76 P1013858u P1013582 (1) rezan Natural „pollution“ ‹#› 77 PIC00005 Spolana2 P1013679o2 Industrial waste waters smolnik-odkalisko ‹#› 78 P1013673o P1013577 (1) P1013580 (1) P1013676 Agricultural pollution ‹#› 79 Eutrophication Eutrophication-1 ‹#› 80 Types of waters a) atmospheric b) surface c) subsurface d) groundwater a) drinking b) household c) technological d) waste Purpose ‹#› 81 Equipments and apparatus for surface sampling P1013131u P1013137u ‹#› 82 B) Equipments and apparatus for depth sampling (depth samplers) P1013136u P1013001a ‹#› 83 Material and construction of samplers and sample bottles Sampling bottle or transport container is in the contact with the sample from sampling to treatment Material has to be resistent to samples and their components - must not reduce or enrich the content of analyte - no bactericide effects - must allow sterilization or conservation - glass, plastic, stainless steel Samplers - anticorrosive steel, (Cr, Ni, W, Mo, Al), inert plastics - mechanicly resistent ‹#› 84 Advantages of integrative samplers Techniques include: Fish Mussels – the international ‘Mussel Watch’ programme for coastal waters Passive samplers – e.g. SPMDs ‹#› 85 SPMDs - Semipermeable Membrane Devices SPMD_Princip J. N. Huckins et al., Chemosphere 20(5): 533-552 (1990) ‹#› 86 spmd_photo •mimics uptake of dissolved contaminants by biota (estimation of bioaccumulation) (designed by Huckins et al.; U.S. Geological Survey) Semipermeable Membrane Device (SPMD) Thin film of triolein (“lipid phase”) encolsed in a lay-flat LDPE membrane. •applicable for sampling of more hydrophobic POPs in water and air ‹#› 87 foto227 Albrecht_im_Spittelwasser Safira4 Water monitoring using SPMDs Elke_ in_Mulde ‹#› 88 Membrane-enclosed SPME fibre for passive water sampling Membrane Coil spring (stainless steel) PDMS-coated SPME fibre Fluid filling ‹#› 89 Silicon rubber based samplers ‹#› 90 Mussels cage 12200009 ‹#› 91 Processing of mussels mussles dripping mussel homogenisation mussel homogenisation process mussel homogenised in bottles ‹#› 92 KJones_11 Monitoring of fish ‹#› 93 Sampling of sediments and soils - most difficult matrix for sampling - heterogenous materials, limited migration - influenced by biological activity, fertilization, rain - pilot sampling to gain the first information about the variability - several samples are mixed to produce the composite sample - common sampling depth 15-20 cm (unless interested in the soil or sediment profile) ‹#› 94 Soils and sediments High environmental burdens – important for global balances Slow response times Background soils and sediments reflect spatial differences in cumulative atmospheric deposition/net air-surface exchange Very heterogeneous - important questions of depth, ecosystem type etc. Can show spatial trends, but poor for time trends ‹#› 95 Historical data collection of samples from the bottom depth horizons with the limited sediment mobility Actual state: sampling of the upper horizon (max. 15 cm) of the bottom sediment sampling using the sedimentation traps in the profile of the river The choice of the sampling method is derived from the granularity of sediments. Sediment sampling ‹#› 96 Granulometric distribution of sediments Granulometry of sediments [mm] Stones > 63,00 Rough gravel 63,00 - 20,00 Medium gravel 20,00 - 6,30 Fine gravel 6,30 - 2,00 Rough sand 2,00 - 0,63 Medium sand 0,63 - 0,20 Find sand 0,20 - 0,063 Clay < 0,063 Colloid and rough dispersion 10-4 - 10-6 ‹#› 97 Most important Sediment fraction with granularity finer than 1 mm is responsible for majority of sorption processes Coloid and rough dispersions of endogennous and autigennous components. freeze-core7a2 P1010005u ‹#› 98 P1010001 Odber3 Probe for sampling of fine compact sediment ‹#› 99 Piston probe Grab probe Sediment sampling ‹#› 100 P1013126u1 P1013129uv P1013128u P1013126u2 Deep probe ‹#› 101 P1011707 P1011699u Grab probe P1011705p P1011702p ‹#› 102 Collection of samples from reservoirs Samples are not collected randomly, but along the transect across the reservoirs (lake, pond, dam). Sampling protocol has to include a direction of transect and the localization of the sampling sites. Individual samples characterize the thickness of sediment layer in the selected sampling depth. A recommended size of the composite sample is approximately one kilogram of the dry weight (2-3 kg of wet sample). ‹#› 103 Colletion of samples from streams and rivers One composite sample is collected every 1 000 m over the length of stream. Every mixed sample consists of at least 3 individual samples taken 100 m apart. Samples are collected in the cross profile of stream. Sampling sites are described in sampling protocol. The recommend mass of composite sample is approximately 1 kg of the dry weight (3-5 kg of wet sample). ‹#› 104 Sediment sampling by „scraper“ sampler sedimenty ‹#› 105 Freezing sampling FRCORE2 Freezing medium Tube probe Disperser of media flow Frostbitten sediment ‹#› 106 Freezing sampling – installation of the probe freeze-core4a freeze-core6a ‹#› 107 Sediment traps TRAP4_M FIGURE2 ‹#› 108 Sampling of suspended matter (US Geological Survey) ‹#› 109 Sampling by diver POTAPENI2a Winter zmP5110005 Summer ‹#› 110 Basic soil components ‹#› 111 Types of soil monitoring Ä Agricultural, arable soils of various types (field, gardens) Grasslands Forest soils Protected areas Industrial areas ‹#› 112 Methods of soil sampling Sampling area: Arable soils and grassland – 7 - 10 ha (according to soil conditions and production area) for one sample Hop-garden – area for the collection of 1 mixed sample – 3 ha Vineyard - 2 ha Database – one sample per 1km2; 1 mixed sample is composed of 30 nicks uniformly cover the ing whole investigated area Sampling depth: Arable land - 30 cm Grasslands - 15 cm with removal of upper turf layer Hop-garden - 40 cm with removal of upper 10 cm layer Vineyards – sampling of two layers 0-30 and 30 -60 cm Intensive orchards - 30 cm. ‹#› 113 Soil sampling Choice of sampling device is based on the type of analysis (sampling probe, tube) (mg/kg) Depth of sampling – based on the goal of monitoring 0 - 5; 5 – 10 cm ....pesticides applied by spraying, ambient air 0 - 30; 30 – 60 cm ....(based on the depth of root systems) heavy metals, pesticide residua, xenobiotics, nutrients: N, P, K Average sample - 30 stabs (nicks) - lowland - 9,5 ha one sample - mountains - 6,5 ha Distribution of vpichů regularly whole area (cross the field) ‹#› 114 P1013132u P1013133u P1013122u P1013124u P1013139u Soil sampling ‹#› 115 Sampling scheme on the monitoring plot Široký šikmo nahoru no. 1 no. 2 no. 3 no. 4 individual sampling to get four composite samples 25 m 40 m soil pit PIC00002 ‹#› 116 Homogenisation, sieving, dividing of samples km100 s100 as200 pt100_comfortset S 17, kvartovací kříž Quarter cruise Dividing of sample Crushing, grinding, homogenization ras Sieving ‹#› 117 Basal soil monitoring program - setting the soil characteristics Unrepeated parameters monitored at establishing the monitoring plot Ärecording of the identification information of a monitoring plot Äsoil pit description Äanalyses of physical parameters (complete analyses of disturbed and undisturbed soil samples) Parameters monitored in six years period Äactive and exchangeable soil reaction Äcontents of available nutrients - P, K, Mg, Ca analysed by several methods Äcontents of microelements (B, Mo, Mn, Zn, Cu, Fe) Äsorption capacity (S, T, V) Äorganic matter content (Cox ) Ärisk element contents in nitric acid (As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, V, Zn) and aqua regia (Al, As, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Mo, Ni, P, Pb, V, Zn) extraction and total Hg content Yearly monitored parameters Äcontent of mineral nitrogen Ächosen microbiological and biochemical parameters Äcontents of selected organic pollutants (persistent organochloric pesticides, PCBs, PAHs, PCDDs/Fs) Äcontents of risk elements in plants on contaminated plots ‹#› 118 ÄPOPs bioaccumulate in animals because of their high lipid content and their long lifetimes ÄSome POPs bioconcentrate up food chains ÄChoice of species/matrix? ÄSpecies range and ecosystem differences ÄHigh variability in biological systems ÄBirds eggs; marine mammals Wildlife ‹#› 119 Human foodstuff Link between ‘environment’ and ‘exposure’ Many countries already have food sampling programmes Agricultural animals – wide distribution & ‘control’ - milk, eggs ühigh concentrations üclear AIR – GRASS – COW – FOOD link üeasily homogenised, pooled to represent a large area vBUT, also affected by husbandry practices EU milk monitoring, for source and exposure reduction ‹#› 120 Link between ‘environment’ and ‘exposure’ ‹#› 121 Human tissues Humans - truly global distribution, which allows complete spatial mapping of POPs in the global environment. Direct, integrated measurements of exposure – is the source and exposure reduction working ? Blood – variable but easy to sample; existing programmes ? Milk – babies are a key sub-group; better integrator? ‹#› 122 Úprava vzorků před extrakcí - sušení volně na vzduchu nebo lyofilizací - přesítí přes síto s oky 2 mm (odstranění hrubého písku) (jíl je < 2um) - mletí nebo rozetření v misce - subvzorkování pro zachování homogenity - uchovávání v uzavřených prachovnicích - chránit před světlem a teplem ‹#› 123 Odběry sedimentů a odpadních kalů - vzorky s vysokým obsahem vody, nehomogenní, vyžadují zvláštní úpravu - odebírá se několik vzorků a promíchá se - podle hloubky odběru se dá usuzovat na stáří kontaminace - používají se drapákové vzorkovače a bagry pro vzorkování bez vertikální struktury - tyčové vzorkovače pro vzorkování profilu ‹#› 124 Úprava vzorků před extrakcí - odstranění kamenů a vody (dekantací) - sušení volně na vzduchu nebo lyofilizací - rozemletí a separace frakce vhodné zrnitosti (<63um) - subvzorkování pro zachování homogenity - uchovávání v uzavřených prachovnicích - chránit před světlem a teplem - je možné uchovávat zmražený a extrahovat vlhký - pro odstranění síry se přidává prášková měď ‹#› 125 Odběr biotických vzorků - flóra - sběr, trhání nadzemních částí aspoň 3cm nad zemí - fauna - pasti, sítě, lov, vyhrabávání Vzorky jsou nestabilní, biologicky aktivní, s časem mění své složení. Chráníme je před vyšší teplotou a světlem, skladujeme ve vzduchotěsně uzavřených kontejnerech, zpracujeme co nejdříve. ‹#› 126 Úprava vzorku před extrakcí Rostlinné vzorky - usušíme (nejlépe lyofilizací) - rozetřeme v třecí misce, rozmixujeme - homogenizujeme Živočišné vzorky - lyofilizujeme - rozmixujeme, homogenizujeme - lze extrahovat bez sušení, s přídavkem síranu sodného ‹#› 127 SPMD - Semipermeable membrane device - selektivní vzorkovač organických polutantů - dialyzní vak nebo membrána, lipidická náplň - založeno na průniku látek polopropustnou membránou - jde o integrativní pasivní vzorkovač - selektivní pro lipofilní sloučeniny - vzorkuje pouze biodostupnou frakci - odhad distribuce mezi vodou a vzorkovačem: Kow - pro vzorkování vody, vzduchu, půd, kalů - nevýhoda: vztah mezi celkovým a biodostupným množstvím polutantů ‹#› 128 Techniky přípravy environmentálního vzorku Cílem je přenos analytu do jiné chemické fáze vhodné k analýze, odstranění interferentů a zakoncentrování. Hlavní techniky: - extrakce rozpouštědlem ( Soxhlet, Soxtec, mikrovlnná a ultrazvuková extrakce, superkritická fluidní extrakce) - extrakce a mikroextrakce na pevnou fázi (SPE, SPME) - separace na semipermeabilní membráně - analýza rovnovážné plynné fáze (head space) - kolonová kapalinová chromatografie - gelová permeační chromatografie ‹#› 129 ‹#› 130 Příprava vzorků ovzduší - filtry z odběrových zařízení jsou extrahovány organickým rozpouštědlem (Soxhlet, Soxtec, ultrazvuková, mikrovlnná, superkritická extrakce) - čištění vzorků zahrnuje odstranění interferujících látek, které se extrahují spolu s analytem (např. rozkladem kyselinou sírovou) - frakcionace jednotlivých analytů sloupcovou kapalinovou chromatografií (silikagel, modifikovaný silikagel, florisil) - zakoncentrování ‹#› 131 ‹#› 132 Příprava vzorků vod - při vysoké koncentraci a čistotě je možná přímá analýza - extrakce - plynem (statický head space) - plynem se zakoncentrováním na sorbentu (dynamický head space, purge and trap) - kapalinou (rovnovážná distribuce) - na tuhou fázi (SPE, SPME) klíčový je výběr extrakčního sorbentu a elučního rozpouštědla ‹#› 133 ‹#› 134 ‹#› 135 Příprava vzorků půd a sedimentů - extrakce organickým rozpouštědlem (Soxhlet, Soxtec, ultrazvuková, mikrovlnná, superkritická extrakce) - u sedimentů je nezbytné odstranění síry práškovou mědí - čištění vzorků (např. rozkladem kyselinou sírovou) - frakcionace analytů sloupcovou kapalinovou chromatografií (silikagel, modifikovaný silikagel, florisil) - zakoncentrování ‹#› 136 Příprava biotických vzorků - extrakce organickým rozpouštědlem (Soxhlet, Soxtec, ultrazvuková, mikrovlnná, superkritická extrakce) - čištění vzorků (např. rozkladem kyselinou sírovou) - odstranění vysikomolekulárních látek (lipidů) pomocí gelové permeační chromatografie - frakcionace analytů sloupcovou kapalinovou chromatografií (silikagel, modifikovaný silikagel, florisil) - zakoncentrování ‹#› 137 Nejčastější techniky stanovení organických látek v environmentálních vzorcích jsou chromatografické: - GC - HPLC - CE - GC-MS, LC-MS - HRGC ‹#› 138 Chromatografie je fyzikální metoda separace, při které jsou separované sloučeniny distribuovány mezi dvěma fázemi, z nichž jedna je stacionární a druhá mobilní. Chromatografický proces probíhá díky opakované sorpci a desorpci sloučenin ve vzorku během kontaktu se stacionární fází. Separace sloučenin je způsobena rozdílností distribučních konstant jednotlivých sloučenin v daném separačním systému. Výsledkem tohoto procesu je rozdílná migrace chromatografovaných sloučenin. ‹#› 139 Chromatogram je grafickou prezentací odezvy detektoru na koncentraci analytů ve vzorku, slouží pro kvalitativní i kvantitativní hodnocení. Základním kvalitativním údajem je retence (retenční čas), závisí na chromatografované látce a chromatografickém systému, dává základní informaci o složení směsi. Pro identifikaci píků je třeba další informace, např. chromatografické standardy sledovaných látek. Pro kvantitativní stanovení se provádí odečet výšky nebo plochy píků, je třeba kalibrace systému. Kvalita systému se hodnotí mírou separace a účinností kolony. ‹#› 140 Klasifikace chromatografických technik podle: - skupenství mobilní fáze (GC, LC) - tvaru chromatografického lože (plošné, kolonové) - polarity chromatografického systému (normální, reverzní) - změny experimentálních podmínek (izokratické, gradient) - separačního děje (adsorpční, rozdělovací, iontoměničová, gelová, afinitní) - použití (analytická, preparativní) ‹#› 141 Plynová chromatografie - mobilní fází je plyn (inertní a dostatečně čistý, např. He) - stacionární fází je adsorbent s velkým povrchem nebo kapalina zakotvená na povrchu inertního nosiče - chromatografický děj probíhá na koloně (kolony náplňové a kapilární, různého průměru) - náplňové - modifikovaná stacionární fáze - kapilární kolony - úprava vnitřního povrchu křemenné kapiláry, deaktivace, chemická modifikace, smočení, imobilizace, síťování ‹#› 142 Instrumentace - zdroj nosného plynu (tlakové láhve, filtry) - pneumatický systém (regulátory tlaku a průtoku) - injektor (split, splitless, vyhřívání) - termostat kolony (gradientové programování teploty) - detektory - univerzální a selektivní - destruktivní a nedestruktivní - koncentrační a hmotové ‹#› 143 ‹#› 144 ‹#› 145 Typy GC detektorů - plamenový ionizační FID (hořící plamínek, elektrody) - selektivní na dusík a fosfor NPD (alkalický kov) - elektronového záchytu ECD (radioaktivní izotop, kolize) - tepelně vodivostní TCD, katarometr (žhavené vlákno) - plamenový fotometrický FPD - atomový emisní AED - fotoionizační PID - elektrický vodivostní ELCD ‹#› 146 ‹#› 147 ‹#› 148 ‹#› 149 ‹#› 150 Spojení GC s jinými technikami - GC-MS - GC-AED - GC-FTIR - vícerozměrná chromatografie (GC-GC) - vícemodální chromatografie (GC-LC) ‹#› 151 Kapalinová chromatografie - mobilní fází je kapalina, často směs různých rozpouštědel - stacionární fází je sorbent (nejčastěji chemicky modifikovaný silikagel, alumina, polymer, uhlík) - chromatografický děj probíhá na koloně - normální a reverzní uspořádání - eluce izokratická nebo gradientová - změna teploty, tlaku, složení mobilní fáze ‹#› 152 Instrumentace - filtrace a odplynění mobilní fáze - čerpadla mobilní fáze (regulátory tlaku a průtoku) - automatické dávkovače a injektory - termostat kolony - detektory ‹#› 153 ‹#› 154 Typy detektorů - fotometrické (měří se absorbance,UV, DAD) - luminiscenční (emise světla při přechodu molekuly z excitovaného do základního stavu, fluorescence a fosforescence) - elektrochemické (konduktometrické, amperometrické, coulometrické) - refraktometrické - hmotnostně spektrometrické ‹#› 155 Aplikace kapalinové chromatografie - podle použití - analytická - preparativní - podle fáze - normální - reverzní - podle interakcí - adsorpční - iontově výměnná (ionexy) - exkluzní (GPC- separace molekul na základě jejich velikosti a tvaru) - spojení s dalšími technikami - LC-MS - LC- NMR ‹#› 156 ‹#› 157 Další separační techniky - superkritická fluidní chromatografie - kapilární elektroforéza ‹#› 158 Základy hmotnostní spektrometrie - MS a NMR jsou dvě rozhodující techniky ve strukturní analýze - MS má výhodu jednoduchého spojení se separačními technikami - MS je destruktivní technika, molekuly jsou ionizovány odtržením elektronu (nevratný proces), vzniklý molekulární ion má hmotnost m a náboj z (měříme poměr m/z), je nestabilní a dále fragmentuje - ve spekru sledujeme molekulární ion i fragmenty ‹#› 159 Princip metody - separace ionizovaných moleku analyzované látky a jejích fragmentů podle velikosti poměru m/z (podle hmotnosti) - identifikace na základě distribuce hmotností molekulového ionu a vzniklých fragmentů - techniky - scan - SIM ‹#› 160 Instrumentace hmotnostní spektrometrie - iontový zdroj - pro ionizaci nárazem elektronu (tvrdá) - záchytem elektronu (negativní ion) - chemická ionizace (ionizuje se ionizační médium, např. methan, měkká technika) - FAB, API, FI, FD atd. - analyzátor - kvadrupólový - iontová past (trojrozměrný hyperbolický Q) - jednoduchá nebo vícenásobná fokusace - elektrické nebo magnetické pole - detektor - elektronový násobič - fotonásobič ‹#› 161 ‹#› 162 ‹#› 163 ‹#› 164 ‹#› 165 Spojení MS se separačními technikami - GC může být připojena přímo, kapilární kolona je vedena do iontového zdroje - u LC a CE je třeba odstranit nadbytek mobilní fáze, HPLC a MS musí být spojeno přes interface: - particle beam (PB,tryskový separátor těžších molekul) - thermospray (TSI,ionizace při vypařování ionů,měkká) - electrospray (ESI,) - APCI (ionty z mobilní fáze působí jako reakční plyn) ‹#› 166 Interpretace hmotnostních spekter Hmotnostní spektra zobrazují hmotnost molekuly a jejích fragmentů, obvykle jsou normalizovaná na největší pík ve spektru (base peak). Nejběžnějším typem jsou EI spektra (vzniklá ionizací nárazem elektronu při 70 eV).Existují knihovny hmotnostních spekter (Willey, NBS75). Postup: - zjištění molekulárního iontu (CI, snížení napětí EI) - dusíkové pravidlo - izotopický efekt - elementární složení - počet kruhů a dvojných vazeb - fragmentační pravidla ‹#› 167 ‹#› 168 ‹#› 169 ‹#› 170 ‹#› 171 Stanovení PAHs - extrakce rozpouštědlem (dichlormethan, chloroform, hexan-ether) např. v Soxhletově extraktoru - výtěžnost metody je třeba sledovat - nebezpečí kontaminace ze skla,solventů, sorbentů, - frakcionace kolonovou chromatografií na silikagelu (oddělení od více a méně polárních), eluce hexan-DCM - GPC pro biotu (oddělení vysokomolekulárních látek) - zakoncentrování,u těkavých pozor na ztráty odpařením - stanovení pomocí GC-MS (SIM) nebo HPLC (fluorescenční detekce) ‹#› 172 ‹#› 173 Stanovení PCBs - extrakce rozpouštědlem v Soxhletově extraktoru - nebezpečí kontaminace ze skla,solventů, sorbentů, vše je třeba předem čistit, včetně odběrových médií - frakcionace kolonovou chromatografií na modifikovaném silikagelu (kyselina sírová), spolu s pesticidy - koplanární PCB separujeme na kolonce s aktivním uhlím - GPC pro biotu (oddělení vysokomolekulárních látek) - zakoncentrování - stanovení pomocí GC-ECD, GC-MS (SIM) ‹#› 174 ‹#› 175 Stanovení organochlorových pesticidů - extrakce rozpouštědlem podle typu matrice (Soxhlet) - nebezpečí kontaminace ze skla,solventů, sorbentů - frakcionace kolonovou chromatografií na silikagelu modifikovaném kyselinou sírovou - driny a endosulfany se snadno rozkladaji, je nutná frakcionace na florisilu, hexan-ether(dichlormethan) - GPC pro oddělení vysokomolekulárních látek - zakoncentrování - stanovení pomocí GC-ECD, GC-MS (SIM, MS-MS) ‹#› 176 ‹#› 177 Stanovení PCDDs a PCDFs - extrakce rozpouštědlem podle typu matrice (Soxhlet) - extrakce tuků perkolací (s bezvodým síranem sodným) - zmýdelnění biologických vzorků alkalickou hydrolýzou s KOH a následná extrakce hexanem - čištění vzorků na kombinované koloně (silikagel modifikovaný postupně kyselinou sírovou, NaOH, dusičnanem stříbrným - frakcionace kolonovou chromatografií (florisil, alumina) - selektivní separace planárních sloučenin na aktivním uhlí ‹#› 178 Koncová analýza PCDDs/Fs - výhradně HRGC-HRMS - kapilární kolony 50-60m (DB-5, DB-17, DB-DIOXIN) - elektronová ionizace, negativní chemická ionizace - technika sledování vybraných iontů SIM - technika MS-MS u iontové pasti GC-MS ‹#› 179 Základy GLP a QA/QC - výsledky analýz mohou mít značné společenské důsledky, ovlivňovat závažná rozhodnutí - mohou vznikat pochybnosti o věrohodnosti údajů - požadavky na kontrolu kvality (validace a verifikace metod, kalibrace, analýza slepých a terénních vzorků, duplicitní a obohacené vzorky, referenční materiály, regulační diagramy, účast v mezilaboratorních testech) - akreditace a certifikace laboratoří, respektování GLP (předepsaná dokumentace, dodržování pravidel) ‹#› 180 QA/QC Zabezpečení jakosti (Quality assurance) je preventivní činnost (údržba, kalibrace, školení personálu) Řízení jakosti (Quality control) je kontrolní činnost - interní (slepé a obohacené vzorky, CRM) - externí (mezilaboratorní srovnávání a testy způsobilosti) ‹#› 181 Systém jakosti v laboratoři pro GC Základní údržba měřícího zařízení se provádí dle plánu údržby Základní kalibrační křivka je tvořena nejméně pěti koncentračními úrovněmi Při změně kalibračního roztoku se sleduje metrologická návaznost Kvantifikujeme pouze pro oblast lineární odezvy Každý 10. vzorek je kalibrační standard Kontrola čistoty skla a chemikálií S každou sérií se v laboratoři analyzuje slepý vzorek Obsah analytu ve slepém vzorku nesmí překročit 1/20 obsahu analytu ve vzorku Používá se referenční vzorek pro zjištění výtěžnosti metody Výtěžnost metody nesmí klesnout pod 50 % Enormně kontaminované vzorky se ředí tak, aby hodnota odezvy byla přibližné v ½ kalibrační křivky Pozitivní vzorky se konfirmují pomocí GC/MS Vedeme regulační diagramy MPZ a výměna vzorků s dalšími pracovišti Data v elektronické podobě se pravidelně archivují ‹#› 182 Kalibrace zavádí vztah mezi hodnotami udávanými měřícím systémem a hodnotami odpovídajícími obsahu analytu ve vzorku Mez detekce – nejmenší množství analytu ve vzorku, které může být detekováno Mez stanovitelnosti - nejmenší množství analytu které může být stanoveno s přijatelným stupněm správnosti a shodnosti (např. pro chromatografii z poměru signál:šum mez detekce 3:1, mez stanovitelnosti 10:1) Citlivost – velikost nárůstu závisle proměnné vyvolaná nárůstem koncentrace analytu Linearita – vlastnost metody poskytnout výsledek zkoušky v určitém rozsahu přímo úměrné koncentraci Selektivita – stupeň nezávislosti na interferencích Specifičnost – vlastnost metody umožnit zjistit analyt v přítomnosti jiných složek ‹#› 183 Referenční materiál - látka o dostatečně určené vlastnosti tak, aby mohla být použita pro kalibraci Certifikovaný referenční materiál - referenční materiál vybavený certifikátem Přijatá referenční hodnota – odsouhlasená referenční hodnota pro porovnání Výtěžnost – podíl stanoveného množství analytu na jeho celkovém množství ve vzorku Přesnost ( accuracy ) je těsnost shody mezi výsledkem měření a přijatou referenční hodnotou Správnost ( trueness ) těsnost shody mezi průměrnou hodnotou a přijatou referenční hodnotou Shodnost ( precision ) těsnost shody mezi navzájem nezávislými výsledky získanými za definovaných podmínek ‹#› 184 Robustnost – vliv změn matrice na výsledek analytické zkoušky Opakovatelnost – nezávislé výsledky získané za stejných podmínek Střednědobá opakovatelnost – regulační diagramy Reprodukovatelnost – shodnost mezi laboratořemi např. z MPZ Vychýlení, odchylka, bias – rozdíl mezi střední hodnotou zkoušek a přijatou referenční hodnotou Systematická chyba výsledku se mění předvídatelným způsobem Náhodná chyba výsledku se mění nepředvídatelně ‹#› 185 Požadavky GLP na dokumentaci Vzorkování Laboratoř musí mít: - plán odběru vzorků - standardní pracovní postup pro odběr vzorků - dokumentace odběru vzorků ‹#› 186 Plán vzorkování Konkrétní způsob jednotlivých činností vedoucí k odběru reprezentativního vzorku (vzorek by měl v době zkoušek vykazovat stejné vlastnosti jako celý vzorkovaný objekt v časovém intervalu odběru vzorku ) Struktura plánu vzorkování Cíl vzorkování Definice místa odběrů, poznatky z místního šetření Rozsah ukazatelů a koncentračních hladin Požadovaný rozsah analýz, technika vzorkování Volba počtu, doby a četnosti odběru vzorků Zabezpečení jakosti vzorkování Volba analytických metod Ochrana zdraví a zásady bezpečnosti Požadavky na formu a způsob předávání výsledků ‹#› 187 Standardní pracovní postup Písemný návod detailně popisující provádění odběru vzorků Definuje použité vzorkovnice, způsob odběru vzorku, jeho konzervaci a homogenizaci Definuje podmínky přepravy vzorku Struktura standardního pracovního postupu Úvod Vymezení působnosti Oblast použití Definice pojmů, symbolů a zkratek Princip postupu Bezpečnost práce Přístroje a vybavení Pracovní postup Kontrola funkce přístrojů Vnitřní kontrola a řízení jakosti Četnost kontrol ‹#› 188 Titulní list SOP Název metody Číslo metody Řízený/neřizený výtisk Vypracoval Kontroloval Schválil Rozdělovník Datum platnosti Změny ‹#› 189 SOP – standardní operační postup 1.Úvod (všeobecné údaje, oblast použití, princip metody, terminologie, rušivé vlivy, omezení metody, bezpečnost při práci,toxikologické údaje, odpady a jejich likvidace) 2.Normativní odkazy 3.Chemikálie a spotřební materiál (roztoky, činidla, požadavky na jejich čistotu, příprava roztoků, příprava a uchovávání referenčních materiálů, požadavky na laboratorní sklo 4.Vzorkování (odběry vzorků, zásady odběru, plán odběru, podmínky transportu vzorku do laboratoře, konzervace vzorků, příprava k analýze 5.Přístroje a pomocná zařízení (příprava přístroje k měření, požadavky na metrologickou návaznost, kalibrační standard, regulační standard, CRM) ‹#› 190 6. Kalibrace 7. Postup zkoušky – analytické schéma 8. Kontrola kvality metody (interní kontrola- CRM, regulační diagramy, externí kontrola – MPZ, nejistota stanovení, validační protokol (většinou příloha SOP ) 9. Výpočet (vyhodnocení dat, vyjadřování výsledků) 10. Poznámky, doplňky, přílohy …. ‹#› 191 ‹#› 192 ‹#› 193 ‹#› 194