ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ» ΣΟΦΙΑ Π. ΞΥ ΙΑ Χηµικός ΑΠΘ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΛΚΟΥ ΜΕ ΕΓΧΥΣΗ ΣΕ ΡΟΗ (FI) ΚΑΙ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΦΑΣΗΣ ΣΕ ΣΕΙΡΑ (ON-LINE SPE) ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΜΙΚΡΟΣΤΗΛΗ BOND ELUT PLEXA PCX KAI ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΑΤΟΜΟΠΟΙΗΤΗ ΦΛΟΓΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α.Ν. ΑΝΘΕΜΙ ΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2 Περιεχόµενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Αυτοµατοποίηση στη Χηµική Ανάλυση Πλεονεκτήµατα αυτόµατων µεθόδων Ταξινόµηση αυτόµατων µεθόδων Flow Injection Analysis FIA Βασική αρχή και πλεονεκτήµατα της FIA Ατοµική Φασµατοσκοπία Atomic Spectroscopy (AS) Συνδυασµός της FIA και της Φασµατοµετρία Ατοµικής Απορρόφησης (AAS) ιασπορά της ζώνης του δείγµατος σε συστήµατα FI AS Συστήµατα προώθησης σε συστήµατα FI FAAS On Line Τεχνικές Προσυγκέντρωσης Αξιολόγηση των on line συστηµάτων προσυγκέντρωσης On line εκχύλιση υγρού υγρού Εκχύλιση στερεάς φάσης Βασικές αρχές της SPE On line προσυγκέντρωση µε SPE και Ατοµική Φασµατοµετρία (AS) Λειτουργία on line συστήµατος προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη ιασπορά σε on line συστήµατα προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη Έκλουση της στήλης σε on line SPE σύστηµα προσυγκέντρωσης Είδη στηλών προσυγκέντρωσης Προσροφητικά υλικά στηλών προσυγκέντρωσης Bond Elut Plexa PCX ΧΑΛΚΟΣ Τοξικότητα του χαλκού Βιβλιογραφική ανασκόπηση Σκοπός της διπλωµατικής εργασίας. 52 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Οργανολογία Προσροφητικό υλικό Αντιδραστήρια. 56 2

3 4. Περιγραφή της µεθόδου Βελτιστοποίηση παραµέτρων της µεθόδου Επιλογή διαλύτη έκλουσης Επίδραση της οξύτητας του δείγµατος Επίδραση της παροχής φόρτωσης του δείγµατος (Loading flow rate) Επίδραση της παροχής του διαλύτη έκλουσης (Elution flow rate) Επίδραση του χρόνου προσυγκέντρωσης Μελέτη των παρεµποδίσεων στον προσδιορισµό του χαλκού Αναλυτικά χαρακτηριστικά της προτεινόµενης FI-SPE-FAAS µεθόδου Εφαρµογές της µεθόδου στην ανάλυση πραγµατικών δειγµάτων Συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Μονογραφίες Abstract

4 Αφιερωμένο στους γονείς μου Παναγιώτη και Πηνελόπη για τη συμπαράστασή τους 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατοποιήθηκε εξολοκλήρου στο Εργαστήριο Αναλυτικής Χηµείας του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ.) στο πλαίσιο του Μεταπτυχιακού Προγράµµατος Σπουδών (ΜΠΣ) µε κατεύθυνση "Προχωρηµένη Χηµική Ανάλυση" του Τµήµατος Χηµείας της Σχολής Θετικών Επιστηµών του Α.Π.Θ., κατά τη διάρκεια του ακαδηµαϊκού έτους Στην εργασία αυτή αναπτύχθηκε µία νέα πρωτότυπη, αυτόµατη και ευαίσθητη µέθοδος για τον προσδιορισµό ιχνών µετάλλων σε περιβαλλοντικά δείγµατα. Η µέθοδος βασίζεται στο συνδυασµό των τεχνικών της on line εκχύλισης στερεάς φάσης (FI-SPE) και της φασµατοµετρίας ατοµικής απορρόφησης µε φλόγα (FAAS) και εφαρµόστηκε για τον προσδιορισµό του χαλκού σε περιβαλλοντικά δείγµατα. Η διαδικασία της προσυγκέντρωσης των ιόντων χαλκού Cu(II) στηρίχτηκε στην on line προσρόφησή τους στο προσροφητικό υλικό της µικρο στήλης Bond Elut Plexa PCX. Το προσροφητικό αυτό υλικό είναι µια κατιονανταλλακτική ρητίνη η οποία αποτελείται από τον υδρόφοβο µη πολικό πυρήνα στυρολίου διβινυλοβενζολίου (PS DVB) και µια υδρόφιλη επιφάνεια, στην οποία βρίσκονται ελεύθερες οµάδες υδροξυλίου, πλήρως απελευθερωµένη από αµίδια. Μελετήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν την προσρόφηση των ιόντων του χαλκού στη µιρκο στήλη, όπως η οξύτητα και η παροχή φόρτωσης του δείγµατος, ο χρόνος προσυγκέντρωσης καθώς επίσης και η παροχή του διαλύτη έκλουσης. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Α. Ανθεµίδη για την υπόδειξη του θέµατος της διπλωµατικής εργασίας, τη συνεχή καθοδήγησή του και το αµείωτο ενδιαφέρον του, καθώς επίσης και για τις χρήσιµές συµβουλές του καθ όλη τη διάρκεια της διεκπεραίωσής της. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Γ. Ζαχαριάδη και τον κ. Π. Τζαναβάρα, µέλη της τριµελούς εξεταστικής επιτροπής, για τις εποικοδοµητικές υποδείξεις τους και τη βοήθειά τους στην ολοκλήρωση της διπλωµατικής αυτής εργασίας. Κλείνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω και όλα τα µέλη του Εργαστηρίου Αναλυτικής Χηµείας για την άψογη συνεργασία τους κατά τη διάρκεια της διατριβής. 5

6 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Αυτοµατοποίηση στη Χηµική Ανάλυση Τα τελευταία χρόνια, οι συνεχώς αυξανόµενες ανάγκες της κοινωνίας, οδήγησαν στη δηµιουργία νέων προβληµάτων στη χηµική ανάλυση, τα οποία κανείς δε µπορούσε να φανταστεί πριν από λίγα χρόνια. Η επίλυση αυτών των προβληµάτων απαιτεί λήψη αναλυτικών πληροφοριών ενός µεγάλου αριθµού εργαστηριακών προβληµάτων. Η ανθρώπινη δραστηριότητα (υγεία, οικολογία, βιοµηχανία) βασίζεται στην ανάγκη για αυξανόµενο και αυστηρότερο έλεγχο ενός µεγάλου αριθµού δειγµάτων, στα οποία ένας σηµαντικός αριθµός συστατικών πρέπει να προσδιοριστεί σε πάρα πολύ χαµηλή συγκέντρωση. Το κόστος των αναλύσεων πρέπει να είναι χαµηλό και τα πειραµατικά αποτελέσµατα πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο αξιόπιστα και άµεσα διαθέσιµα. Σήµερα, η επίλυση αυτών των προβληµάτων γίνεται µε µερική ή πλήρη αντικατάσταση του ανθρώπινου δυναµικού, δηλαδή την αυτοµατοποίηση µιας αναλυτικής συµβατικής ή χειροκίνητης τεχνικής (batch technique) ή και ολόκληρου αναλυτικού εργαστηρίου, σε µια εργαστηριακή διαδικασία. Ο όρος αυτοµατοποίηση ορίζεται ως η χρήση συνδυασµού µηχανών και οργάνων µε σκοπό την αντικατάσταση, τη βελτίωση, την επέκταση ή και τη συµπλήρωση της ανθρώπινης προσπάθειας κατά την εκτέλεση ενός συγκεκριµένου έργου, στο οποίο τουλάχιστον ένα κύριο στάδιο ελέγχεται από ένα σύστηµα ανάδρασης (feedback system), χωρίς την ανθρώπινη επέµβαση. Το σύστηµα ανάδρασης είναι µια ενόργανη συσκευή, η οποία µπορεί ταυτόχρονα να δέχεται ή να δίνει εντολές, µε σκοπό την τροποποίηση µιας δεδοµένης διεργασίας µιας αυτόµατης διάταξης. Τα τελευταία χρόνια, η εισαγωγή της αυτοµατοποίησης στη χηµική ανάλυση οδήγησε τους περισσότερους κατασκευαστικούς οίκους αναλυτικών οργάνων στη µερική ή πλήρη αυτοµατοποίηση των προϊόντων τους, µε αποτέλεσµα να παρουσιαστούν στην επιστηµονική αγορά διάφοροι τύποι αυτόµατων αναλυτών. Τα γενικά χαρακτηριστικά των αναλυτικών µεθόδων όπως η ακρίβεια, η επαναληψιµότητα, η ευαισθησία, η εκλεκτικότητα κ.α. µπορούν να βελτιωθούν µε την εφαρµογή αυτόµατων συστηµάτων. 6

7 1.1. Πλεονεκτήµατα αυτόµατων µεθόδων Η αυξηµένη συχνότητα αναλύσεων, η αξιοπιστία των αποτελεσµάτων, το µειωµένο κόστος ανάλυσης και εργασίας καθώς επίσης και η αξιοποίηση πολύπλοκων αναλυτικών µεθόδων, αποτελούν µερικά από τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα των αυτόµατων µεθόδων. Για να θεωρείται συµφέρουσα όµως η εφαρµογή µίας αυτόµατης µεθόδου, παρά τα πλεονεκτήµατα που εµφανίζει, θα πρέπει να συντρέχουν και άλλοι λόγοι οι οποίοι απαιτούν την εφαρµογή της όπως για παράδειγµα ο µεγάλος αριθµός των προς ανάλυση δειγµάτων ή η ποσότητά τους να είναι µικρή και τα δείγµατα πολύτιµα, οι αναλύσεις να βασίζονται σε πολύπλοκες µεθοδολογίες, να υπάρχει η ανάγκη για καλύτερα αναλυτικά χαρακτηριστικά απόδοσης, να απαιτείται άµεση λήψη και αξιολόγηση των αναλυτικών αποτελεσµάτων και τέλος το κόστος της αυτοµατοποιηµένης ανάλυσης να είναι µικρότερο από αυτό της µη αυτοµατοποιηµένης Ταξινόµηση αυτόµατων µεθόδων Μια αυτόµατη µέθοδος χηµικής ανάλυσης βασίζεται στην αντικατάσταση µιας χειροκίνητης διεργασίας/µέτρησης, από µία, είτε συνεχή είτε διαδοχική διεργασία/µέτρηση. Οι µέθοδοι αυτοί µπορούν να ταξινοµηθούν σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα τον τρόπο µεταφοράς και χειρισµού των δειγµάτων και των αντιδραστηρίων. Οι κατηγορίες είναι: Αναλυτές διακριτών αναλύσεων (Discrete analyzers): Στους αναλυτές αυτούς κάθε δείγµα διατηρεί την ακεραιότητά του καθώς καθ όλη τη διάρκεια των αναλυτικών σταδίων βρίσκεται µέσα σ ένα ξεχωριστό υποδοχέα ή κοιλότητα. Το δείγµα µεταφέρεται µηχανικά στα διάφορα τµήµατα του αναλυτή, όπου γίνονται διαδοχικά τα διάφορα αναλυτικά στάδια (αραίωση, ανάµιξη, θέρµανση, κτλ.) και τελικά το προϊόν της αντίδρασης µεταφέρεται στον ανιχνευτή, όπου και καταγράφεται ένα σήµα, ανάλογο του κάθε συστατικού. Το κυριότερο πλεονέκτηµα των αναλυτών αυτών είναι η αποφυγή της επιµόλυνσης των δειγµάτων, καθώς αυτά έρχονται σε επαφή µόνο µε τον υποδοχέα που τα περιέχει, ενώ µειονέκτηµά τους θεωρείται η πολύπλοκη µηχανική κατασκευή τους. 7

8 Ροµποτικοί αναλυτές (Robotic analyzers): Στους ροµποτικούς αναλυτές χρησιµοποιούνται µικρο-ροµπότ µεγάλης ακρίβειας, τα οποία µιµούνται τις κινήσεις ενός ανθρώπινου χειριστή σ όλα τα στάδια της αναλυτικής διεργασίας. Οι κινήσεις του µικροροµπότ αλλά και η λειτουργία των διαφόρων τµηµάτων του αναλυτή ελέγχονται από µικροϋπολογιστή. Αναλυτές ροής (Flow analyzers): Οι αναλυτές ροής διακρίνονται σε: α) Αναλυτές συνεχούς ροής µε διακοπτόµενα τµήµατα ή αεροδιαχωριζόµενης ροής (Segmented flow analyzers - SFA). Στους αναλυτές αυτούς η εισαγωγή του δείγµατος γίνεται σε ένα διακοπτόµενο µε φυσαλίδες αέρος ρεύµα µεταφορέα ή αντιδραστηρίου ώστε να εξουδετερώνεται η επιµόλυνση των δειγµάτων. β) Αναλυτές συνεχούς ροής χωρίς διακοπτόµενα τµήµατα (Unsegmented flow analyzers). Ανάλογα µε τον τρόπο µε τον οποίο γίνεται η εισαγωγή του δείγµατος στο ρεύµα του µεταφορέα, οι αναλυτές αυτής της κατηγορίας διακρίνονται σε: α) Αναλυτές συνεχούς ροής (Continuous Flow Analyzers CFA) και β) Αναλυτές στους οποίους το δείγµα εγχύεται σε ρεύµα συνεχούς ροής (Flow Injection Analyzers FIA). 2. Flow Injection Analysis FIA Η τεχνική της FIA παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1975 από τους J. Ruzicka και E.H Hansen, ως: «υγρό δείγµα εγχύεται σε ρεύµα συνεχώς κινούµενου αντιδραστηρίου µέσα σε µακρύ και στενό σωλήνα. Το εγχυόµενο δείγµα και το ρεύµα του αντιδραστηρίου κατά την πορεία τους προς τον ανιχνευτή συνεχούς ροής αλληλοδιασπείρονται και αντιδρούν µεταξύ τους, ενώ το προϊόν της αντίδρασης σχηµατίζει µια ζώνη µε συγκέντρωση συνεχούς βαθµίδωσης». Επίσης ο Fang στη µονογραφία του, αναφέρει: «η FIA είναι µια αναλυτική τεχνική σε ροή, η οποία πραγµατοποιείται µε απόλυτα επαναλήψιµο χειρισµό των ζωνών του δείγµατος και των αντιδραστηρίων µέσα σε ένα ρεύµα ροής, σε συνθήκες µη θερµοδυναµικής ισορροπίας». Ένας αναλυτής FIA αποτελείται από µία περισταλτική αντλία (peristaltic pump) για την προώθηση του ρεύµατος του µεταφορέα (carrier) και του αντιδραστηρίου (reagent) 8

9 µέσω σωληνώσεων µικρής διαµέτρου, µια βαλβίδα εισαγωγής (injection valve) δείγµατος στο ρεύµα του µεταφορέα, ένα σπείραµα αντίδρασης (reaction coil) µέσα στο οποίο αντιδρά το δείγµα µε τα συστατικά του µεταφορέα και τέλος από τον ανιχνευτή (detector) µε την κυψελίδα συνεχούς ροής (flow cell) όπου µετριέται συνεχώς µια αναλυτική παράµετρος του σχηµατιζόµενου προϊόντος (Σχήµα 2.1). Σχήµα 2.1. Απεικόνιση ενός συστήµατος FIA Βασική αρχή και πλεονεκτήµατα της FIA Αυστηρά καθορισµένος όγκος υγρού δείγµατος εγχύεται, µε τη βοήθεια βαλβίδας έγχυσης, µε άριστη επαναληψιµότητα, σε υγρό ρεύµα µεταφορέα, το οποίο κινείται συνεχώς, χωρίς διακοπτόµενα τµήµατα (Σχήµα 2.2). Η ανάµιξη δεν είναι οµοιογενής και δεν είναι απαραίτητο να έχει επιτευχθεί κατάσταση θερµοδυναµικής ισορροπίας. 9

10 Σχήµα 2.2. Αρχή λειτουργίας της τεχνικής FIA. Η έγχυση καθορισµένου όγκου δείγµατος, η ελεγχόµενη διασπορά της ζώνης του εγχύοµενου δείγµατος και ο επαναλήψιµος χρόνος της µετακίνησης της ζώνης του δείγµατος από το σηµείο έγχυσης µέχρι τον ανιχνευτή, αποτελούν τις αρχές πάνω στις οποίες βασίζεται η λειτουργία της FIA. Η εµφάνιση της τεχνικής FIA, οριοθέτησε µια νέα εποχή στις αυτοµατοποιηµένες µεθόδους ανάλυσης. Συνοπτικά τα κυριότερα πλεονεκτήµατά της είναι η εκλεκτικότητα, η ακρίβειά και η µεγάλη επαναληψιµότητά της, η οικονοµία χρόνου, η απλότητα και το µικρό κόστος κατασκευής της, η πολλαπλότητα χρήσης και η προσαρµοστικότητά της. Αποτελεί κλειστό χηµικό σύστηµα και είναι µια µικροχηµική τεχνική. Ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ικανότητα της να παρέχει τη δυνατότητα αραίωσης ή προσυγκέντρωσης του δείγµατος, κάτι το οποίο επιτυγχάνεται µε την παρεµβολή στον αναλυτή FIA µιας κατάλληλης διάταξης. 3. Ατοµική Φασµατοσκοπία Atomic Spectroscopy (AS) Ο κλάδος της φασµατοσκοπίας που µελετά την αλληλεπίδραση της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας µε τις κβαντωµένες ενεργειακές καταστάσεις των ατόµων αποτελεί την ατοµική φασµατοσκοπία η οποία διακρίνεται στην ατοµική εκποµπή, την ατοµική απορρόφηση και τον ατοµικό φθορισµό. 10

11 Οι τεχνικές της ατοµικής φασµατοσκοπίας στηρίζονται στην ατοµοποίηση του δείγµατος σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες και στον προσδιορισµό της συγκέντρωσης των ατόµων, µε την µέτρηση της απορρόφησης, της εκποµπής ή του φθορισµού στο χαρακτηριστικό µήκος κύµατος του κάθε στοιχείου. Οι τεχνικές αυτές χαρακτηρίζονται από υψηλή ευαισθησία, µεγάλη ταχύτητα και ευκολία στην ανάλυση και για το λόγο αυτό βρίσκονται στις πρώτες θέσεις των κυριότερων αναλυτικών τεχνικών. Οι τεχνικές της ατοµικής φασµατοσκοπίας είναι: α) η φασµατοµετρία ατοµικής απορρόφησης (AAS), η οποία βασίζεται στην απορρόφηση ενέργειας από ελεύθερα άτοµα στη βασική τους κατάσταση, β) η φασµατοµετρία ατοµικής εκποµπής (AES), η οποία βασίζεται στην αυθόρµητη εκποµπή ακτινοβολίας ελεύθερων ατόµων όταν η διέγερσή τους πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια θερµικής ή ηλεκτρικής ενέργειας και γ) η φασµατοµετρία ατοµικού φθορισµού (AFS), η οποία βασίζεται στην εκποµπή ακτινοβολίας φθορισµού των ελεύθερων ατόµων όταν διεγείρονται. Στον Πίνακα 3.1 παρουσιάζονται συνοπτικά οι διάφορες τεχνικές της Ατοµικής Φασµατοµετρίας (AS). Πίνακας 3.1. Ταξινόµηση τεχνικών Ατοµικής Φασµατοµετρίας Από τις τεχνικές της ατοµικής φασµατοµετρίας, η φασµατοµετρία ατοµικής απορρόφησης και εκποµπής είναι οι πιο δηµοφιλής, αφού καλύπτουν ένα τεράστιο εύρος αναλυτικών εφαρµογών, µε πλέον εφαρµόσιµη τη φασµατοµετρία ατοµικής απορρόφησης µε ατοµοποιητή φλόγα (Flame Atomic Absorption Spectroscopy FAAS). Οι τεχνικές αυτές πολύ γρήγορα εφαρµόστηκαν σε αναλύσεις ρουτίνας µε αξιόπιστα αποτελέσµατα 11

12 και χρησιµοποιούνται σε πολλές πρότυπες µεθόδους. Μία τυπική διάταξη φασµατοµετρίας ατοµικής απορρόφησης µε φλόγα δίνεται στο Σχήµα 3.1. Σχήµα 3.1.Τυπική διάταξη φασµατοµετρίας ατοµικής απορρόφησης µε φλόγα. 4. Συνδυασµός της FIA και της Φασµατοµετρίας Ατοµικής Απορρόφησης (AAS) Πρώτη φορά ο Zaggatto et al. to 1979 πρότεινε το συνδυασµό της τεχνικής έγχυσης δείγµατος σε ροή (FIA) µε την τεχνική της ατοµικής φασµατοµετρίας (AS) µε σκοπό την αραίωση του δείγµατος και την προσθήκη κατάλληλου αντιδραστηρίου πριν την εισαγωγή του δείγµατος στο νεφοποιητή, µε αποτέλεσµα τη µείωση της κατανάλωσης του δείγµατος και την αύξηση της συχνότητας των αναλύσεων. Η πρόταση αυτή άργησε να γίνει δεκτή και αυτό γιατί η συχνότητα αναλύσεων των δειγµάτων µε τη συµβατική (χειροκίνητη) AAS στις περισσότερες περιπτώσεις ήταν ικανοποιητική και η ελάττωση του δείγµατος που επιτυγχανόταν ενδιέφερε ορισµένες µόνο εφαρµογές. Ωστόσο η δυνατότητα της FIA να χειρίζεται γρήγορα και εύκολα χειροκίνητες διεργασίες προκατεργασίας δειγµάτων για την AAS οδήγησε στη µεγάλη ανάπτυξη της. ιεργασίες on line διαχωρισµού ή/και προσυγκέντρωσης, όπως η εκχύλιση υγρού υγρού, η εκχύλιση υγρού στερεού και η εκχύλιση υγρού αερίου, αποδείχθηκαν ιδανικές για την αύξηση τόσο της ευαισθησίας όσο και της εκλεκτικότητας των µεθόδων της ατοµικής φασµοτοσκοπίας. 12

13 Ο συνδυασµός της FIA µε την ατοµική φασµατοµετρία (AS) καταφέρνει εκτός από το να διατηρεί όλα τα βασικά χαρακτηριστικά της FIA, να παρουσιάζει και τα εξής πλεονεκτήµατα: Ευαισθησία: Ο αυστηρός έλεγχος της διασποράς του δείγµατος και η on line προσυγκέντρωση ή αραίωσή του, οδηγούν σε αύξηση της ευαισθησίας αλλά και του εύρους της αναλυτικής περιοχής. Επιπλέον διάφοροι οργανικοί διαλύτες µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως µεταφορέας προκειµένου να µειωθεί η διασπορά του δείγµατος και να αυξηθεί η ευαισθησία λόγω της θετικής επίδρασης του διαλύτη στη φλόγα. Αξιοπιστία: Η ελάττωση του κινδύνου επιµόλυνσης λόγω χρήσης αυτόµατων διεργασιών, οι οποίες λαµβάνουν χώρα σε ένα κλειστό αδρανές σύστηµα, οδηγεί σε αύξηση της αξιοπιστίας. Εκλεκτικότητα: Εξαιρετική βελτίωση της εκλεκτικότητας επιτυγχάνεται µε on line διαχωρισµό ή µετατροπή του υποστρώµατος ενώ η εισαγωγή του δείγµατος µε χρήση περισταλτικών αντλιών ή αντλιών σύριγγας µειώνει την επίδραση του υποβάθρου που οφείλεται σε µεγάλες τιµές ιξώδους. Οικονοµία: Η έγχυση µικροποσοτήτων της τάξης µl αποτελεί σηµαντικό πλεονέκτηµα καθώς ελαττώνεται η κατανάλωση δείγµατος και αντιδραστηρίων. Επιτυγχάνονται επίσης µεγάλες συχνότητες ανάλυσης δειγµάτων ( > 500 h -1 ) ιασπορά της ζώνης του δείγµατος σε συστήµατα FΙ AS Η έχγυση συγκεκριµένης ποσότητας δείγµατος στο ρεύµα του µεταφορέα, σε FI συστήµατα, οδηγεί σε διασπορά αυτής καθώς κινείται προς τον ανιχνευτή σχηµατίζοντας έτσι µια ζώνη µέσα στην οποία η συγκέντρωση του προσδιοριζόµενου συστατικού δεν είναι σταθερή αλλά συνεχούς βαθµίδωσης. Ως διασπορά της ζώνης του δείγµατος ή απλά διασπορά (dispersion) ορίζεται η αραίωση που υφίσταται ένα συγκεκριµένο τµήµα της ζώνης του εγχυόµενου δείγµατος, καθώς αυτό κινείται από το σηµείο έγχυσης µέχρι τον ανιχνευτή. Η διασπορά σε FI συστήµατα χαρακτηρίζεται από εξαιρετική επαναληψιµότητα και δυνατότητα ελέγχού της µέσω των διαφόρων γεωµετρικών παραµέτρων και παραµέτρων ροής του ίδιου του συστήµατος. Η ποσοτική έκφραση του µεγέθους της διασποράς δίνεται από το συντελεστή διασποράς (dispersion coefficient, D) ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της αρχικής συγκέντρωσης του συστατικού (C 0 ) πριν τη διεργασία της διασποράς προς τη 13

14 συγκέντρωσή του (C) µετά τη διεργασία της διασποράς, σε κάθε τµήµα ζώνης του δείγµατος. Η εξίσωση µε βάση την οποίας υπολογίζεται ο D είναι: D = C 0 / C Η συγκέντρωση C του δείγµατος αναφέρεται στο σηµείο εκείνο της ζώνης του, στο οποίο οφείλεται το σήµα του ανιχνευτή, έτσι σε κάθε σηµείο της λαµβανόµενης κορυφής αντιστοιχεί ένας συντελεστής διασποράς. Στη µέγιστη τιµή του λαµβανόµενου σήµατος ισχύει η εξίσωση: D s max = C s 0 / C s max max Όπου D s είναι ο συντελεστής διασποράς που αντιστοιχεί στη µέγιστη συγκέντρωση του δείγµατος C max s. Σε ένα FI-AS σύστηµα οι κυριότεροι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τη διασπορά του εγχυόµενου δείγµατος είναι η παροχή του µεταφορέα, των αντιδραστηρίων και του εκλουστικού, ο όγκος του εγχυόµενου δείγµατος, η µορφή της διαµερισµένης ροής σε συστήµατα µε δύο µη αναµίξιµες φάσεις (εκχύλιση υγρού υγρού) καθώς και οι γεωµετρικές διαστάσεις των σωληνώσεων καθώς επίσης και η διαµόρφωση της διάταξης. Στο Σχήµα 4.1 φαίνεται η επίδραση του εγχυόµενου όγκου και της παροχής του µεταφορέα στην απορρόφηση σε ένα FI FAAS σύστηµα. 14

15 Σχήµα 4.1. Επίδραση του εγχυόµενου όγκου και της παροχής του µεταφορέα στην απορρόφηση σε ένα FI-FAAS σύστηµα. Γραµµοσκιασµένες περιοχές, Α: Συνθήκες στις οποίες καταγράφεται σήµα > 90 % του σήµατος σε κατάσταση steady state, και Β: συνθήκες στις οποίες καταγράφεται το % του steady state σήµατος Συστήµατα προώθησης σε σύστηµα FI FAAS Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των συστηµάτων FI AS είναι ότι ο ανιχνευτής FAAS έχει το δικό του σύστηµα αναρρόφησης/προώθησης υγρών δειγµάτων, που ονοµάζεται πνευµατικός νεφοποιητής (pneumatic nebulizer) και δε χρειάζεται επιπλέον συστήµατα προώθησης. Στη συµβατική FAAS παρουσιάζονται φυσικές παρεµποδίσεις οι οποίες σχετίζονται µε τη διεργασία της αναρρόφησης η οποία µπορεί να επηρεάζεται από το ιξώδες, την επιφανειακή τάση, την πυκνότητα αλλά και το ύψος της στάθµης των υγρών δειγµάτων καθώς επίσης και από τις σωληνώσεις του συστήµατος. Συνεπώς στα συστήµατα FI AS που απαιτείται αξιοπιστία, ακρίβεια, επαναληψιµότητα, οµαλή ροή και προσαρµοστικότητα, πρέπει να αποφεύγεται η χρήση του πνευµατικού νεφοποιητή. Οι απαιτήσεις των συστηµάτων προώθησης που χρησιµοποιούνται στη FI AS είναι: 1. Ροή ελεύθερη παλµών. 2. Επαλήψιµες παροχές σε όλο το εύρος λειτουργίας. 15

16 3. Αντοχή στα διαβρωτικά αντιδραστήρια. 4. υνατότητα χειρισµού πολλών καναλιών (4 6). 5. υνατότητα ξεχωριστής ρύθµισης της παροχής καθενός καναλιού. Τα συστήµατα προώθησης που χρησιµοποιούνται συνήθως για την προώθηση του δείγµατος και των αντιδραστηρίων είναι κυρίως οι περισταλτικές αντλίες και οι αντλίες σύριγγας. Περισταλτικές αντλίες Οι περισταλτικές αντλίες (Σχήµα 4.2) είναι οι πιο συχνά χρησιµοποιούµενες αντλίες όχι µόνο στη FIA αλλά και σε άλλα συστήµατα συνεχούς ροής. Αποτελούνται από ένα περιστρεφόµενο κύλινδρό (ηλεκτρικά ελεγχόµενο) ο οποίος φέρει περιφερειακά άλλους µικρότερους κυλίνδρους έλασης (R) και ένα έκκεντρο ή ιµάντα τάσης ο οποίος συγκρατεί και συµπιέζει τους ειδικούς ελαστικούς σωλήνες επάνω στους κυλίνδρους έλασης (Σχήµα 4.3). ιακρίνονται ανάλογα µε τον αριθµό των εύκαµπτων σωλήνων που µπορούν να συγκρατούν σε µονοκαναλικές και πολυκαναλικές. Σχήµα 4.2. Απεικόνιση περισταλτικής αντλίας. 16

17 Σχήµα 4.3. Λειτουργία περισταλτικής αντλίας. Οι εύκαµπτοι ελαστικοί σωλήνες που χρησιµοποιούνται µπορεί να είναι κατασκευασµένοι από PVC, σιλικόνη ή άλλο υλικό, ανάλογα µε την χρήση που προορίζονται. Συνήθως όµως χρησιµοποιούνται σωλήνες από διαφανές PVC, µε οµοιόµορφη εσωτερική διάµετρο (0,35-1,5 mm), ενώ κάθε σωλήνας φέρει δύο έγχρωµα κολάρα (C), κολληµένα σε συγκεκριµένη απόσταση µεταξύ τους (Σχήµα 4.4). Σχήµα 4.4. Ελαστικοί σωλήνες περισταλτικών αντλιών από PVC. Σκοπός των κολάρων αυτών είναι αφενός µεν να συγκρατείται ο σωλήνας γύρω από τους περιστρεφόµενους κυλίνδρους έλασης της αντλίας, και αφετέρου δε να γνωστοποιούν την εσωτερική διάµετρο του σωλήνα βάσει ενός κώδικα χρωµάτων και κατ επέκταση την παροχή του ρεύµατος για συγκεκριµένη ταχύτητα περιστροφής της αντλίας. 17

18 Φιάλες εκτόπισης Για την προώθηση οργανικών διαλυτών, οι οποίοι δεν αναµιγνύονται µε το νερό και διαβρώνουν τους εύκαµπτους σωλήνες της περισταλτικής αντλίας (όπως η µέθυλο ισοβούτυλο κετόνη, MIBK), χρησιµοποιούνται οι φιάλες εκτόπισης (displacement bottle technique), οι οποίες είναι ειδικές γυάλινες φιάλες µε χοντρά τοιχώµατα που διαθέτουν ειδικό βιδωτό πώµα. Το πώµα είναι εσωτερικά κωνικό και µε κατάλληλο χειρισµό αποµακρύνεται ο αέρας που περιέχεται στη φιάλη. Η περισταλτική αντλία προωθεί το νερό µέσα στη φιάλη και ταυτόχρονα αντίστοιχη ποσότητα οργανικού διαλύτη αποµακρύνεται από τη φιάλη και οδηγείται στο FI σύστηµα (Σχήµα 4.5). Σχήµα 4.5. Φιάλες εκτόπισης για την προώθηση οργανικών διαλυτών, µε οργανικούς διαλύτες πυκνότητας µεγαλύτερης και µικρότερης του νερού αντίστοιχα. ORG: οργανικός διαλύτης, AQ: νερό, T: σωλήνας από PTFE. Αντλίες σύριγγας Οι πρώτες αντλίες σύριγγας (syringe pumps) που χρησιµοποιήθηκαν ήταν απλές στην κατασκευή τους, καθώς λειτουργούσαν µε τη βοήθεια ενός περιστρεφόµενου έκκεντρου το οποίο ήταν συνδεδεµένο µε το πιστόνι µιας σύριγγας και έδιναν τη δυνατότητα χειρισµού δραστικών υγρών (οργανικοί διαλύτες, ισχυρά οξέα και βάσεις). 18

19 Αργότερα κυκλοφόρησαν οι αντλίες σύριγγας µε σταθερή ροή. Οι αντλίες αυτές αποτελούνται από µία γυάλινη σύριγγα και πιστόνι κατασκευασµένο συνήθως από PTFE, το οποίο µπορεί να κινείται και προς τις δύο κατευθύνσεις µε ρυθµιζόµενη ταχύτητα, µε βοήθεια ηλεκτρικά ελεγχόµενου βηµατικού κινητήρα τύπου stepper (Σχήµα 4.6). Σχήµα 4.6. Αντλία σύριγγας. Παρά το γεγονός ότι οι αντλίες σύριγγας έχουν ροή τελείως ελεύθερη παλµών και παρουσιάζουν τη δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας για την προώθηση, µε εξαιρετική ακρίβεια και επαναληψιµότητα, µικρών όγκων ρευστών για µεγάλα χρονικά διαστήµατα χωρίς να µεταβάλλονται τα χαρακτηριστικά απόδοσης και ταυτόχρονα να παραµένουν ανεπηρέαστες από τα διάφορα διαβρωτικά αντιδραστήρια, στα αναλυτικά εργαστήρια προτιµάται η χρήση των περισταλτικών αντλιών για την προώθηση του δείγµατος και των αντιδραστηρίων και αυτό γιατί οι αντλίες σύριγγας προωθούν µόνο ένα κανάλι και απαιτούν συχνό επαναγέµισµα της σύριγγας, καθώς η χωρητικότητά της κυµαίνεται από 1 10 ml µε αποτέλεσµα να αυξάνεται ο χρόνος ανάλυσης. Σύστηµα πολλαπλών συριγγών Το 1999 ο Cerda et al. παρουσίασε για πρώτη ένα σύστηµα πολλαπλών συριγγών (multi syringe system) το οποίο σε συνδυασµό µε τη flow injection analysis (MSFIA), αποτελεί µια εναλλακτική τεχνική των ήδη υπαρχόντων, FIA και SIA, προσπαθώντας να συνδυάσει την ικανότητα εφαρµογής πολλαπλών καναλιών της FIA και τη δυνατότητα επιλογής συγκεκριµένου όγκου δείγµατος και αντιδραστηρίου της SIA. 19

20 Η καρδιά της τεχνικής αυτής είναι µια πολλαπλή σύριγγα (multi syringe burette) (Σχήµα 4.7), η οποία αποτελείται από τέσσερεις σύριγγες, διαφορετικής ή ίδιας χωρητικότητας, τοποθετηµένες σε σειρά και οι οποίες λειτουργούν ταυτόχρονα µε τη βοήθεια ενός ψηφιακού βηµατικού κινητήρα (stepper motor) ελεγχόµενες από ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στο επάνω µέρος της κάθε σύριγγας υπάρχει βαλβίδα τριών δρόµων (καναλιών) (three way valve), η οποία συµβάλει στη µείωση της κατανάλωσης τόσο του δείγµατος όσο και των αντιδραστηρίων, καθώς η προώθησή τους στο κύκλωµα ροής γίνεται µόνο τη στιγµή που πρόκειται να γίνει ο αναλυτικός προσδιορισµός. Επίσης παρέχεται η δυνατότητα επιστροφής των υγρών στα δοχεία αποθήκευσης χωρίς να υπάρχει η πιθανότητα επιµόλυνσή τους καθώς δεν έρχονται σε επαφή µε κανένα άλλο κανάλι. Σχήµα 4.7. Multi syringe system. Με την εφαρµογή των multi syringe συστηµάτων δίνεται η δυνατότητα προώθησης διαβρωτικών υγρών δειγµάτων και αντιδραστηρίων χωρίς να απαιτείται επιπλέον σύστηµα προώθησής τους, κάτι το οποίο γίνεται µε τη χρήση των περισταλτικών αντλιών. Τα συστήµατα αυτά είναι σε θέση να λειτουργούν υπό µέτριες πιέσεις ανάδρασης (backpressure), γεγονός ιδιαίτερα χρήσιµο όταν απαιτείται η προώθηση δείγµατος ή αντιδραστηρίου σε συστήµατα που χρησιµοποιούν στήλες προσυγκέντρωσης πληρωµένες µε κοκκώδη προσροφητικά υλικά. Τέλος, η εφαρµογή τους συµβάλει στην αύξηση της συχνότητας δειγµατοληψίας καθώς επίσης και στη µείωση του απαιτούµενου χρόνου ανάλυσης, καθώς µε ένα µόνο γέµισµα της κάθε σύριγγας λαµβάνονται περισσότερα του ενός σήµατα. 20

21 Περιστροφική βαλβίδα έγχυσης Η εισαγωγή του δείγµατος στο ρεύµα του µεταφορέα σε ένα FI-AS σύστηµα µπορεί να γίνει µε περιστροφική βαλβίδα έγχυσης (rotary injection valve), µε σωληνωτή βαλβίδα τριών δρόµων (three way solenoid valve) και µε βαλβίδα επιλογής, ο πιο διαδεδοµένος τρόπος ωστόσο είναι η χρήση της βαλβίδας έγχυσης. Με τη χρήση των περιστροφικών βαλβίδων έγχυσης (rotary injection valves) σε ένα FI-AS σύστηµα επιτυγχάνεται εισαγωγή απόλυτα επαναλήψιµου όγκου δείγµατος στο ρεύµα του µεταφορέα χωρίς να παρατηρείται διατάραξη της ροής. Ο συνηθέστερος τύπος βαλβίδας έγχυσης είναι η βαλβίδα 6 οδών 2 θέσεων, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.8. Ο όγκος του εγχυόµενου δείγµατος καθορίζεται από τις γεωµετρικές διαστάσεις (µήκος και διάµετρος) του βρόγχου. Σχήµα 4.8. Λειτουργία περιστροφικής βαλβίδας απλού βρόγχου 6 οδών 2 θέσεων. Οι δυο θέσεις στις οποίες λειτουργεί η περιστροφική βαλβίδα έγχυσης είναι, η θέση πλήρωσης ή φόρτωσης του δείγµατος (filling ή loading) και η θέση έγχυσης (injection). Στη θέση πλήρωσης (Σχήµα 4.8α) το δείγµα αναρροφάται µέσω του βρόχου (θέσεις 1,4) ενώ ο µεταφορέας ρέει µέσω των σηµείων 5 και 6 προς το τµήµα της αντίδρασης. Στη θέση έγχυσης (Σχήµα 4.8β) το ρεύµα του µεταφορέα ρέει διαµέσου του βρόχου (θέσεις 1,4) παρασύροντας το δείγµα που βρίσκεται µέσα στο βρόχο ενώ ταυτόχρονα το δείγµα συνεχίζει να αναρροφάται (θέσεις 2,3) και να οδηγείται προς τα απόβλητα. Η παροχή του δείγµατος θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε ο βρόγχος να γεµίζει πλήρως µέχρι τη στιγµή της επόµενης έγχυσης ενώ η περιστροφή της βαλβίδας είναι προτιµότερο να γίνεται µε 21

22 ηλεκτροκινητήρα ελεγχόµενο από µικροεπεξεργαστή ώστε να επιτυγχάνεται ο µέγιστος βαθµός επαναληψιµότητας. 5. On line Τεχνικές Προσυγκέντρωσης Προκειµένου να βελτιωθεί το όριο ανίχνευσης, η εκλεκτικότητα αλλά και η επαναληψιµότητα των µεθόδων της ατοµικής φασµατοµετρίας (ΑS) λαµβάνουν χώρα διάφορες τεχνικές µία εκ των οποίων είναι και η προσυγκέντρωση/διαχωρισµός του προσδιοριζόµενου συστατικού. Οι τεχνικές προσυγκέντρωσης όταν χρησιµοποιούνται χειροκίνητα (batch ή off-line) είναι συνήθως χρονοβόρες ενώ χρειάζεται προσοχή στο χειρισµό των δειγµάτων και των αντιδραστηρίων για να αποφεύγεται η µόλυνσή τους. Η τεχνική FI προσφέρει αυτόµατο χειρισµό του δείγµατος και των αντιδραστηρίων µε αποτέλεσµα ο συνδυασµός της AS µε τα διάφορα FI συστήµατα on line προσυγκέντρωσης/διαχωρισµού να προσφέρει σηµαντικά πλεονεκτήµατα όπως, βελτίωση του ορίου ανίχνευσης, βελτίωση της εκλεκτικότητας και της επαναληψιµότητας, µείωση των παρεµποδίσεων κ.α. Οι διάφορες τεχνικές on line προσυγκέντρωσης/διαχωρισµού που συνδυάζονται µε την AS κατατάσσονται ανάλογα µε τη φύση των χρησιµοποιούµενων φάσεων (Σχήµα 5.1) ως εξής: 22

23 Σχήµα 5.1. Ταξινόµηση των διαφόρων on line τεχνικών προσυγκέντρωσης. Οι on line τεχνικές προσυγκέντρωσης που χρησιµοποιούνται, σε µεγαλύτερο βαθµό, σε συνδυασµό µε την AS για τον προσδιορισµό µετάλλων είναι η εκχύλιση υγρού υγρού (LLE) και η εκχύλιση στερεάς φάσης (SPE) Aξιολόγηση των on line συστηµάτων προσυγκέντρωσης Παράγοντας εµπλουτισµού (Enrichment factor, E) Ο παράγοντας εµπλουτισµού είναι ένα βασικό κριτήριο για την εκτίµηση της απόδοσης των συστηµάτων προσυγκέντρωσης. Κατά τον Fang ως παράγοντας εµπλουτισµού ορίζεται ο λόγος: E = C e / C s Όπου C s και C e είναι οι συγκεντρώσεις του προσδιοριζόµενου συστατικού πριν και µετά την προσυγκέντρωση. Πρακτικά όµως ο υπολογισµός του E, δεν είναι δυνατός διότι δεν είναι γνωστές οι πραγµατικές συγκεντρώσεις και είναι συνήθως δύσκολος ο προσδιορισµός της C s. Συνεπώς ο υπολογισµός µπορεί εναλλακτικά να γίνει από την κλίση της καµπύλης αναφοράς στην γραµµική περιοχή της, πριν αλλά και µετά την προσυγκέντρωση της προσδιοριζόµενης ουσίας. E = S s / S e 23

24 Παράγοντα αύξησης σήµατος (Enhancement factor, N) Πολλές φορές τα καταγραφόµενα σήµατα επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες άσχετους µε τη διαδικασία της προσυγκέντρωσης. Για παράδειγµα, µπορεί να παρατηρηθεί αύξηση της απορρόφησης στη FAAS συνεπώς και του σήµατος όταν στο νεφοποιητή εισάγεται οργανικός διαλύτης έκλουσης (π.χ. ΜΙΒΚ) ο οποίος βελτιώνει τις ιδιότητες της φλόγας και επιπλέον παρουσιάζει µικρότερο ιξώδες µε αποτέλεσµα την αύξηση της ευαισθησίας. Όταν δεν είναι δυνατόν να διαφοροποιηθούν οι διάφοροι εξωτερικοί παράγοντες, τότε η συνολική αύξηση του σήµατος εκφράζεται από τον παράγοντα αύξησης σήµατος Ν ή Ν t και χρησιµοποιείται αντί του παράγοντα εµπλουτισµού Ε. Εφόσον υπάρχουν διάφοροι µηχανισµοί αύξησης του σήµατος, ο συνολικός παράγοντας αύξησης δίνεται από το γινόµενο των επιµέρους ανεξάρτητων παραγόντων και του παράγοντα εµπλουτισµού: Ν t = N 1 N 2 N n E Απόδοση συγκέντρωσης (Concentration Efficiency, CE) Ο παράγοντας εµπλουτισµού Ε, αν και απαραίτητος στην αξιολόγηση ενός συστήµατος προσυγκέντρωσης, δεν είναι αρκετός για την αξιολόγηση της απόδοσής του. Υψηλές τιµές του Ε δεν σηµαίνουν και υψηλές αποδόσεις προσυγκέντρωσης, καθώς υψηλές τιµές του E µπορούν να επιτευχθούν απλά µε µακρά προσυγκέντρωση π.χ. µερικών ορών. Γι αυτό το λόγο χρησιµοποιείται ένα άλλο κριτήριο, που ονοµάσθηκε απόδοση συγκέντρωσης. Ως απόδοση συγκέντρωσης (CE), ορίζεται το γινόµενο του παράγοντα εµπλουτισµού Ε, µε τη συχνότητα δειγµατοληψίας. Εάν f είναι η συχνότητα δειγµατοληψίας ανά ώρα (sampling frequency, f) τότε η απόδοση συγκέντρωσης δίνεται από τη σχέση: CE = E (f / 60) σε min -1 Ο CE είναι πολύ σηµαντικός γιατί µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως κριτήριο για τη σύγκριση µεθόδων προσυγκέντρωσης που βασίζονται σε διαφορετικές διατάξεις. 24

25 5.2. On-line εκχύλιση υγρού υγρού Η εκχύλιση υγρού υγρού (Liquid Liquid Extraction, LLE) έχει εφαρµοστεί ευρέως σε περιβαλλοντικές, φαρµακευτικές, γεωργικές και αγροτικές αναλύσεις ρουτίνας και παρά το γεγονός ότι βελτιώνει την εκλεκτικότητα και αυξάνει την ευαισθησία της µεθόδου και οδηγεί σε αποτελεσµατικό διαχωρισµό του προσδιοριζόµενου συστατικού από το υπόστρωµα, η τεχνική στη συµβατική της µορφή θεωρείται ακριβή και αργή ενώ χαρακτηρίζεται από µεγάλη κατανάλωση τοξικών οργανικών ουσιών, οι οποίες είναι επιβλαβής για τον άνθρωπο όσο και το περιβάλλον. Ωστόσο η ικανότητα της FIA να διαχειρίζεται εύκολα και γρήγορα τις χειροκίνητες διεργασίες της LLE οδήγησε στο συνδυασµό της LLE µε την FIA. Οι πρώτες εφαρµογές της FI εκχύλισης υγρού υγρού (FI LLE) παρουσιάστηκαν το 1978 από δυο ανεξάρτητες ερευνητικές οµάδες, των Karlberg The Lander και Bergamine et al. ενώ από τότε µέχρι σήµερα έχουν γίνει πολλές βελτιώσεις στα επιµέρους τµήµατα ενός συστήµατος on line LLE. Σχήµα 5.2. Τυπικό σύστηµα FI LLE. Η on line LLE περιλαµβάνει τη µεταφορά µάζας µεταξύ δυο (σχεδόν) µη αναµίξιµων φάσεων, την υδατική και την οργανική. Η µεταφορά µάζας µεταξύ των δύο φάσεων δε λαµβάνει χώρα σε µία στατική καθορισµένη διεπιφάνεια αλλά στη διεπιφάνεια µεταξύ των τµηµάτων της υδατικής και οργανικής φάσης, οι οποίες βρίσκονται σε συνεχή ροή. Ένα τυπικό FI LLE σύστηµα (Σχήµα 5.2) αποτελείται από (1) το τµήµα σχηµατισµού του προϊόντος αντίδρασης (αντλίες προώθησης των ρευµάτων, εισαγωγή δείγµατος, αντιδραστήρας), (2) το τµήµα προώθησης του οργανικού διαλύτη (φιάλη εκτόπισης), (3) 25

26 τον τµηµατοποιητή φάσεων, (4) το σπείραµα εκχύλισης, (5) το διαχωριστή φάσεων και τέλος (6) τον ανιχνευτή Εκχύλιση στερεάς φάσης Η εκχύλιση στερεάς φάσης (Solid Phase Extraction, SPE) αποτελεί µία ευρύτατα χρησιµοποιούµενη τεχνική προσυγκέντρωσης και διαχωρισµού του προς ανάλυση δείγµατος. Η SPE αντικαθιστά αποτελεσµατικά την εκχύλιση υγρού υγρού και χρησιµοποιείται κυρίως για τις ακόλουθες δύο αναλυτικές διαδικασίες: Προσυγκέντρωση (pre-concentration) της προσδιοριζόµενης ουσίας (αναλύτη) η οποία µπορεί να βρίσκεται σε µεγάλους όγκους δειγµάτων και σε εξαιρετικά χαµηλές συγκεντρώσεις. Επιπλέον η παρουσία διάφορων ενώσεων στο αρχικό δείγµα είναι πολύ πιθανό να παρεµποδίζει την απευθείας µέτρηση. Στις περιπτώσεις αυτές οι µεγάλοι όγκοι δειγµάτων οδηγούνται σε SPE έτσι ώστε η συνολική ποσότητα του αναλύτη να οδηγηθεί στη στερεά φάση από την οποία µπορεί να παραληφθεί εύκολα µε µικρό όγκο διαλύτη, απαλλαγµένη ταυτόχρονα από άλλα συστατικά που τυχόν παρεµπόδιζαν τη µέτρηση. Καθαρισµός δείγµατος. Με τη διαδικασία της SPE πολλές φόρες επιδιώκεται η δέσµευση ουσιών από ένα δείγµα οι οποίες παρεµποδίζουν τη διαδικασία µέτρησης και όχι η δέσµευση του ίδιου του αναλύτη Βασικές αρχές της SPE Στην εκχύλιση στερεάς φάσης (SPE), το προσδιοριζόµενο συστατικό έχει την ικανότητα να αλληλεπιδρά µε τη στερεά φάση (προσροφητικό υλικό) και να συγκρατείται σε αυτήν, ενώ τα υπόλοιπα συστατικά του δείγµατος εξέρχονται από το σύστηµα συνήθως χωρίς να υφίστανται καµία µεταβολή στη σύστασή τους. Στη συνέχεια µε κατάλληλο διαλύτη έκλουσης γίνεται η έκλουση και παραλαβή του προσδιοριζόµενου συστατικού από το προσροφητικό υλικό, για περαιτέρω επεξεργασία. Η ικανότητα συγκράτησης των προσδιοριζόµενων συστατικών στα διάφορα προσροφητικά υλικά που χρησιµοποιούνται στην SPE οφείλεται στη µεγάλη ποικιλία των χηµικών δράσεων, οι οποίες αναπτύσσονται µεταξύ των µορίων της ουσίας που θέλουµε να προσδιορίσουµε και στις ενεργές οµάδες που διαθέτει το κάθε προσροφητικό υλικό. Οι χηµικές αυτές δράσεις διακρίνονται σε: α) Ιονικές αλληλεπιδράσεις: όπου λαµβάνουν χώρα ανάµεσα στις φορτισµένες οµάδες του ιονανταλλάκτικού προσροφητικού υλικού και στα αντίθετα φορτισµένα ιόντα της ένωσης 26

27 που πρόκειται να αποµονωθούν, β) Αλληλεπιδράσεις διπόλου διπόλου: οι οποίες αναπτύσσονται από την αλληλεπίδραση διπολικών µορίων, γ) εσµοί υδρογόνου: οι οποίοι αναπτύσσονται από την αλληλεπίδραση του υδρογόνου µε ένα ηλεκτραρνητικό άτοµο π.χ. F, O, S, N και τέλος δ) υνάµεις διασποράς ή δυνάµεις Van der Waals, όπου αναπτύσσονται µεταξύ µορίων και επαγόµενων διπόλων, ελκτικές ή απωστικές και είναι οι ποιο ασθενείς από όλες τις προηγούµενες. Ένα από τα πιο βασικά γνωρίσµατα της SPE είναι η µεγάλη εκλεκτικότητα που εµφανίζει, γεγονός που οφείλεται στη µεγάλη ποικιλία προσροφητικών υλικών (στερεά φάση) που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε αυτή. Επίσης, εξασφαλίζει υψηλές ανακτήσεις (>90%) για τις προς ανάλυση ενώσεις και ταυτόχρονα υψηλή καθαρότητα. Λόγω του ότι χρησιµοποιεί µικρούς όγκους διαλύτη και επιτυγχάνει µεγάλη προσυγκέντρωση εµφανίζει µεγάλη ευαισθησία. Επειδή δεν απαιτείται µεγάλη προκατεργασία του δείγµατος θεωρείται µια ιδιαίτερα γρήγορη τεχνική. Μπορεί να εφαρµοστεί είτε on line είτε off line και να επιτυγχάνει ικανοποιητική αποµάκρυνση των παρεµποδίσεων και τέλος, δίνεται η δυνατότητα αυτοµατοποίησης της µεθόδου µε αποτέλεσµα να είναι δυνατή η προκατεργασία περισσοτέρων του ενός δειγµάτων. Παρά τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά που εµφανίζει η SPE και τα πλεονεκτήµατα που έχει, είναι απόλυτα φυσικό όπως κάθε τεχνική, να παρουσιάζει και αυτή κάποια προβλήµατα, όπως: 1) Η ανεπαρκής συγκράτηση των συστατικών στο προσροφητικό υλικό, ένα πρόβληµα το οποίο λύνεται µε προκατεργασία του δείγµατος για διαφοροποίηση του υποστρώµατος. 2) Η ανεπαρκής έκλουση των συστατικών από το προσροφητικό υλικό, κάτι το οποίο λύνεται µε χρήση ισχυρότερου εκλουστικού ή λιγότερου ισχυρού προσροφητικού. 3) Ο ανεπαρκής καθαρισµός του υποστρώµατος του δείγµατος, πρόβληµα το οποίο µπορεί να λυθεί µε επιπλέον έκπλυση της στερεάς φάσης της SPE ή χρήση ποιο εκλεκτικού προσροφητικού και 4) Η µη επαναλήψιµη ανάκτηση του συστατικού, γεγονός το οποίο αντιµετωπίζεται είτε µε έλεγχο της χωρητικότητας ή εκλεκτικότητας του συστήµατος, είτε µε έλεγχο κάθε σταδίου προκατεργασίας του δείγµατος για απώλειες. 6. On line προσυγκέντρωση µε SPE και Ατοµική Φασµατοµετρία (AS) Ανάλογα µε την αρχή του διαχωρισµού και του µέσου που χρησιµοποιείται για τη συγκράτηση του προσδιοριζόµενου συστατικού, οι τεχνικές on line προσυγκέντρωσης 27

28 εκχύλισης στερεάς φάσης (SPE) που χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό µε την AS διακρίνονται σε: Μεθόδους µε βάση τη συγκράτηση. Αυτές πραγµατοποιούνται σε on-line στήλες πληρωµένες µε προσροφητικό υλικό ή σε πλεκτούς αντιδραστήρες (Knotted Reactors, KR). Μεθόδους µε βάση την καταβύθιση ή συγκαταβύθιση: Οι οποίες πραγµατοποιούνται µε τη χρήση on line φίλτρα ή KR Λειτουργία οn line συστήµατος προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη Ένα on line σύστηµα προσυγκέντρωσης µε στήλη και ανιχνευτή FAAS αποτελείται από δύο βαλβίδες έγχυσης για την εισαγωγή του δείγµατος και του εκλουστικού καθώς και τη στήλη προσυγκέντρωσης µε το κατάλληλο προσροφητικό υλικό, τα επιµέρους τµήµατα είναι συνδεδεµένα µε το φασµατόµετρο ατοµικής απορρόφησης (Σχήµα 6.1). Σχήµα 6.1. Βασική διάταξη συστήµατος on line προσυγκέντρωσης µε στήλη για FAAS. S και Ε: βαλβίδες έγχυσης του δείγµατος και του εκλουστικού αντίστοιχα, P: περισταλτική αντλία, C: στήλη προσυγκέντρωσης. Με την έναρξη της λειτουργίας του on line συστήµατος προσυγκέντρωσης, η βαλβίδα έγχυσης εισάγει ορισµένο όγκο δείγµατος στο ρεύµα του µεταφορέα το οποίο διέρχεται µέσα από τη στήλη προσυγκέντρωσης όπου και συγκρατείται το προσδιοριζόµενο συστατικό. Στη συνέχεια, η βαλβίδα έγχυσης εισάγει ορισµένη ποσότητα εκλουστικού διαλύτη στο ρεύµα του µεταφορέα το οποίο καθώς περνά µέσα από τη στήλη συµπαρασύρει το προσδιοριζόµενο συστατικό που έχει συγκρατηθεί και το εκλούει ποσοτικά, ενώ το έκλουσµα µεταφέρεται στον ανιχνευτή για µέτρηση. 28

29 ύο είναι τα βασικά στάδια λειτουργίας ενός on line συστήµατος προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη: α) το στάδιο της φόρτωσης (loading) του δείγµατος και β) το στάδιο της έκλουσης (elution) του δείγµατος. Στο στάδιο φόρτωσης του δείγµατος (loading) ορισµένος όγκος δείγµατος που περιέχει το προσδιοριζόµενο συστατικό (ή τον παρεµποδιστή) περνά µέσα από τη στήλη προσυγκέντρωσης όπου και γίνεται η συγκράτησή του στην επιφάνεια του στερεού προσροφητικού υλικού. Η φόρτωση του δείγµατος µπορεί να γίνει µε δύο τεχνικές την τεχνική µε βάση τον όγκο και την τεχνική µε βάση το χρόνο. Για διαχωριστικούς σκοπούς χρησιµοποιείται συνήθως, λόγω απλότητας και αξιοπιστίας, η τεχνική της έγχυσης δείγµατος µε τη βοήθεια κατάλληλου βρόγχου βαλβίδας έγχυσης, τεχνική η οποία είναι γνωστή ως φόρτωση του δείγµατος µε βάση τον όγκο (volume based) και η ποσότητα του δείγµατος καθορίζεται από τον όγκο του βρόγχου της βαλβίδας έγχυσης. Στην τεχνική φόρτωσης του δείγµατος µε βάση το χρόνο (time based), η ποσότητα του δείγµατος καθορίζεται από την παροχή αυτού και το χρόνο που διαρκεί η φόρτωση. Συγκρίνοντας τις δύο τεχνικές, η τεχνική µε βάση τον όγκο απαιτεί περισσότερο χρόνο σε σχέση µε την τεχνική µε βάση το χρόνο, και αυτό γιατί απαιτείται περισσότερος χρόνος τόσο για να γεµίσει ο βρόγχος της βαλβίδας έγχυσης µε δείγµα αλλά και για την πλήρη παραλαβή του, εξαιτίας της διασποράς που υφίσταται. Σε FI on line συστήµατα προσυγκέντρωσης µε στήλη χρησιµοποιείται κυρίως η τεχνική µε βάση το χρόνο. Σχήµα 6.2. ιάταξη συστήµατος on line προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη. α) στάδιο φόρτωσης του δείγµατος, β) στάδιο έκλουσης. C: στήλη προσυγκέντρωσης, V: βαλβίδα έγχυσης, W: απόβλητα. 29

30 Στο στάδιο της έκλουσης (elution) γίνεται η παραλαβή των συγκρατούµενων στο προσροφητικό υλικό της στήλης συστατικών µε τη βοήθεια ενός εκλουστικού διαλύµατος, οργανικού ή ανόργανου, το οποίο διερχόµενο µέσα από αυτή συµπαρασύρει τα συγκρατούµενα συστατικά τα οποία οδηγούνται για περεταίρω ανάλυση. Στο Σχήµα 6.2 δίνεται η διάταξη ενός on line συστήµατος προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη. Αν και οι µεγάλες παροχές δείγµατος κατά το στάδιο της φόρτωσής του στη στήλη είναι γενικά επιθυµητές καθώς δίνουν στο σύστηµα αυξηµένες τιµές του παράγοντα αύξησης σήµατος (Ν), υπάρχουν ορισµένοι περιοριστικοί παράγοντες για την εφαρµογή τους, οι κυριότεροι από τους οποίους είναι οι κινητικές ιδιότητες των προσροφητικών υλικών της στήλης και η αδυναµία των αντλιών να διατηρούν οµαλή ροή παρουσία υψηλών πιέσεων ανάδρασης (back pressure) που δηµιουργούνται κυρίως από τη στήλη. Μεγάλες τιµές παροχής του δείγµατος οδηγούν σε µη αποτελεσµατική συγκράτηση/προσρόφηση του προσδιοριζόµενου συστατικού στο υλικό πλήρωσης της στήλης, λόγω του µειωµένου χρόνου επαφής τους. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η αύξηση της ευαισθησίας δεν είναι απόλυτα ανάλογη µε την αύξηση της παροχής του δείγµατος που φορτώνεται στη στήλη. Για καθορισµένο όγκο δείγµατος κατά την αύξηση της παροχής φόρτωσης της στήλης υπάρχει πάντα µία τιµή στην οποία παρατηρείται µέγιστη απορρόφηση, ενώ για µεγαλύτερες τιµές παροχής η απορρόφηση µειώνεται λόγω ανεπαρκούς χρόνου επαφής. Γενικά η βέλτιστη τιµή παροχής φόρτωσης του δείγµατος στη στήλη πρέπει να γίνεται έπειτα από συνολική εκτίµηση της αύξησης της ευαισθησίας και εκλεκτικότητας του συστήµατος. Πολλές φορές όµως γίνεται ένας συµβιβασµός µεταξύ των δύο αυτών παραµέτρων ιασπορά σε on line σύστηµα προσυγκέντρωσης SPE µε στήλη Ο όρος διασπορά στα on line συστήµατα προσυγκέντρωσης µε στήλη αναφέρεται στη διασπορά του προσδιοριζόµενου συστατικού τόσο κατά το στάδιο της προσρόφησης/συγκράτησης µέσα στη στήλη προσυγκέντρωσης όσο και στο στάδιο της έκλουσης και επηρεάζεται από τους παρακάτω παράγοντες: 1. Τις γεωµετρικές διαστάσεις της στήλης προσυγκέντρωσης. 2. Τις ιδιότητες του προσροφητικού υλικού της στήλης. 3. Τις ιδιότητες του εκλουστικού. 4. Την παροχή έκλουσης, και 30

31 5. Την γεωµετρία της on line διάταξης. Σε συστήµατα τα οποία το προσροφητικό υλικό είναι πακτωµένο µέσα στη στήλη ώστε να παραµένει ακίνητο οι επιδράσεις στη διασπορά είναι περιορισµένες. Όταν το υλικό πλήρωσης της στήλης είναι αδρανές τότε η συµπεριφορά και η συνεισφορά του στη διασπορά του δείγµατος είναι τελείως διαφορετική από όταν το υλικό είναι ενεργό. Το προσδιοριζόµενο συστατικό καθώς προσροφάτε στη στήλη διασπείρεται κατά τη διεύθυνση της ροής του δείγµατος και η µεγαλύτερη ποσότητά του βρίσκεται στην αρχή της στήλης, στο σηµείο δηλαδή οπού γίνεται η εισαγωγή του δείγµατος. Η διασπορά του προσροφηµένου συστατικού στο στάδιο της έκλουσης εξαρτάται από το συντελεστή κατανοµής αυτού ανάµεσα στη στατική φάση (προσροφητικό υλικό) και την κινητή φάση (διαλύτης έκλουσης). Για την ελαχιστοποίηση της διασποράς στο στάδιο της έκλουσης χρησιµοποιείται η τεχνική της αντίστροφης ροής, όπου η έκλουση γίνεται µε φορά αντίθετη από τη φορά κατά την οποία γίνεται το στάδιο της φόρτωσης Έκλουση της στήλης σε on line SPE συστήµατα προσυγκέντρωσης Στις µεθόδους on line προσυγκέντρωσης µε στήλη για την παραλαβή του προσδιοριζόµενου συστατικού κατά το στάδιο της έκλουσης χρησιµοποιούνται συνήθως ισχυροί οργανικοί ή ανόργανοι διαλύτες, σε αντίθεση µε τις off line µεθόδους όπου γίνεται χρήση κυρίως ασθενών διαλυτών. Στα FI συστήµατα το στάδιο της έκλουσης πρέπει να είναι γρήγορο και άµεσο γιατί αλλιώς παρατηρείται µείωση του µέγιστου ύψους σήµατος και αύξηση του εύρους της καταγραφόµενης κορυφής. Επίσης κατά το στάδιο της έκλουσης προτιµάται η αντίστροφη ροή µέσα από τη στήλη προσυγκέντρωσης σε σχέση µε το στάδιο της φόρτωσης, διότι µε τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η σταδιακή συµπίεση του υλικού προσρόφησης και εποµένως η σταδιακή αύξηση της πίεσης ανάδρασης µε αποτέλεσµα να βελτιώνεται η επαναληψιµότητα. Οι διαλύτες έκλουσης που χρησιµοποιούνται δεν πρέπει να προσβάλουν το υλικό πλήρωσης της στήλης. Υπάρχουν διαλύτες οι οποίοι παρά το γεγονός ότι είναι πολύ αποτελεσµατικοί και δεν προσβάλουν το υλικό της στήλης δηµιουργούν προβλήµατα στους ανιχνευτές λόγω των διαβρωτικών ιδιοτήτων τους. Στις περιπτώσεις όπου το έκλουσµα εισάγεται απευθείας στον ανιχνευτή, όπως στο φλογοφασµατόµετρο (FAAS) και στο επαγωγικά συζευγµένο πλάσµα (ICP), τότε η µεταφορά του πρέπει να γίνεται όσο το δυνατόν πιο γρήγορα για να αποφεύγεται η άσκοπη 31

32 διασπορά του προσυγκεντρωµένου προϊόντος. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση βραχύτερων και στενότερων σωληνώσεων. Η βέλτιστη τιµή παροχής του εκλουστικού µέσα στη στήλη εξαρτάται από το πόσο ισχυρά είναι προσροφηµένο το προσδιοριζόµενο συστατικό στη στήλη και από το πόσο µεγάλη είναι η εκλουστική ικανότητα του χρησιµοποιουµένου διαλύτη. Τέλος σε συστήµατα FI FAAS η χρήση ορισµένων οργανικών διαλυτών ως εκλουστικά (π.χ. ΜΙΒΚ) συνεισφέρει σε επιπλέον αύξηση της ευαισθησίας λόγω βελτίωσης τον ιδιοτήτων καύσης του µίγµατος των αερίων, ασετιλίνη/αέρας, γεγονός το οποίο πρέπει να λαµβάνεται σοβαρά υπόψη κατά την επιλογή του κατάλληλου διαλύτη έκλουσης. 7. Είδη στηλών προσυγκέντρωσης Τα γεωµετρικά αλλά και τα µηχανικά χαρακτηριστικά της στήλης προσυγκέντρωσης που χρησιµοποιείται σε ένα on line σύστηµα προσυγκέντρωσης, επηρεάζουν την απόδοση του συστήµατος. Οι χωρητικότητες των µικρο στηλών που χρησιµοποιούνται στην τεχνική της προσυγκέντρωσης κυµαίνονται από 12 µl έως και 400 µl, ανάλογα µε το σκοπό και το στόχο της ανάλυσης. Οι απαιτήσεις των στηλών προσυγκέντρωσης που χρησιµοποιούνται σε συστήµατα on line προσυγκέντρωσης είναι οι εξής: 1. Μεγάλη χωρητικότητα προσρόφησης. 2. Μικρή διασπορά. 3. Μικρή υδροδυναµική επίδραση στο σύστηµα ροής. 4. Μεγάλη διάρκεια ζωής. 5. Μεγάλη αξιοπιστία και σταθερότητα για µεγάλες χρονικές περιόδους λειτουργίας. Για την επιλογή της κατάλληλης στήλης προσυγκέντρωσης καλό είναι να λαµβάνονται υπόψη οι παρακάτω οδηγίες : Για την ίδια τιµή χωρητικότητας στηλών, όσο µεγαλώνει ο λόγος των δύο διαστάσεων (µήκος/πλάτος) της στήλης, τόσο αυξάνει ο παράγοντας εµπλουτισµού (E), µειώνονται οι παρεµποδίσεις, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει η πίεση αναχαίτητης 32

33 (back pressure) µε αποτέλεσµα να περιορίζεται η εφαρµογή υψηλών παροχών στο στάδιο της φόρτωσης. Εποµένως, προτείνονται οι κωνικές φιάλες, οι οποίες εµφανίζουν τις µικρότερες τιµές πίεσης ανάδρασης. Όσο µεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα της στήλης (για τον ίδιο λόγο των διαστάσεών της) τόσο µεγαλύτερος είναι και ο παράγοντας εµπλουτισµού (E) και η ανθεκτικότητα στις παρεµποδίσεις. Στήλες µε βιδωτές συνδέσεις προτιµώνται από αυτές µε συνδέσεις push fit, εξαιτίας της αντοχής τους σε υψηλές πιέσεις. Στο Σχήµα 7.1 απεικονίζονται διάφορες µορφές στηλών που χρησιµοποιούνται σε on line συστήµατα προσυγκέντρωσης. Σχήµα 7.1. Μορφές στηλών που χρησιµοποιούνται σε συστήµατα on-line προσυγκέντρωσης. Α: Στήλη σταθερού µεγέθους µε εσωτερική κυλινδρική κοιλότητα και συνδέσεις push fit, B: Στήλη σταθερού µεγέθους µε εσωτερική κυλινδρική κοιλότητα και βιδωτές συνδέσεις, C: Κωνική στήλη κατασκευασµένη από ακροφύσιο (tip) πιπέτας µε συνδέσεις push fit. 33

34 7.1. Προσροφητικά υλικά στηλών προσυγκέντρωσης Καθοριστικό ρόλο στην επιλογή των προσροφητικών υλικών (υλικά πλήρωσης) µιας στήλης προσυγκέντρωσης παίζουν οι κινητικές ιδιότητες των ίδιων των υλικών. Τα υλικά αυτά θα πρέπει να παρουσιάζουν φυσική και χηµική σταθερότητα για τουλάχιστον 500 κύκλους προσυγκέντρωσης. Να εµφανίζουν αµελητέα διόγκωση ή συρρίκνωση κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας και οι κινητικές τους ιδιότητες να επιτρέπουν εύκολη συγκράτηση και γρήγορη έκλουση του προσδιοριζόµενου συστατικού από κατάλληλο διαλύτη έκλουσης. Η µεγάλη ποικιλία των διαθέσιµων προσροφητικών υλικών εξηγεί µία από τις πιο σηµαντικές ιδιότητες της εκχύλισης στερεάς φάσης που είναι η εκλεκτικότητα. Τα προσροφητικά υλικά µπορούν, σε πρώτη φάση, να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα µε το υπόβαθρό τους σε ανόργανα και οργανικά (Σχήµα 7.2). ΥΛΙΚΑ ΠΛΗΡΩΣΗΣ ΣΤΗΛΩΝ Προσροφητικά υλικά Ανόργανο υπόβαθρο Οργανικό υπόβαθρο Σχήµα 7.2. Υλικά πλήρωσης στηλών. Στα προσροφητικά υλικά µε ανόργανο υπόβαθρο ανήκουν υλικά όπως η πηκτή πυριτίου (Silica gel, SiO 2 ), η αλουµίνα (alumina, Al 2 O 3 ), η µαγνησία (magnesia, MgO) κ.α. όπως φαίνεται και στο Σχήµα 7.3, ενώ στην κατηγορία των προσροφητικών υλικών µε οργανικό υπόβαθρο ανήκουν κυρίως τα πολυµερή φυσικά ή µη, τροποποιηµένη ή µη, όπως απεικονίζεται στο Σχήµα

35 Σχήµα 7.3. Προσροφητικά υλικά µε ανόργανο υπόβαθρο. Σχήµα 7.4. Προσροφητικά υλικά µε οργανικό υπόβαθρο. 35

36 Το πιο συχνά χρησιµοποιούµενο προσροφητικό υλικό για τη συγκράτηση των µέταλλο συµπλόκων είναι το C 18. Η έκλουση των συµπλοκοποιηµένων µετάλλων πραγµατοποιείται µε κατάλληλους διαλύτες, όπως µεθανόλη και αιθανόλη. Τα συστήµατα µε προσροφητικό C 18 χρησιµοποιούνται συχνότερα για συγκράτηση οργανικών µεταλλικών συµπλόκων. υστυχώς, το συχνά µικρό µέγεθος των κόκκων του προσροφητικού υλικού C 18 δηµιουργεί υψηλές πιέσεις ανάδρασης στο σύστηµα ροής και εποµένως η εφαρµογή τέτοιων στηλών περιορίζεται σε µικρού µεγέθους εφόσον χρησιµοποιούνται περισταλτικές αντλίες για την προώθηση των διαλυµάτων. Από τα ποιο γνωστά και παγκοσµίως χρησιµοποιούµενα προσροφητικά υλικά, είναι ο ενεργός άνθρακας (activated carbon ). Στον ενεργό άνθρακα προσροφώνται τόσο οργανικά (φαινόλες και αρωµατικές ενώσεις, ) όσο και ανόργανα συστατικά (As, Pb, Cd, Cr, Cu, Ba κ.α.), τα οποία βρίσκονται σε αραιά υδατικά διαλύµατα. Ο ενεργός άνθρακας έχει χρησιµοποιηθεί ως προσροφητικό υλικό ανάλογο του C 18. Μπορεί να είναι προ φορτωµένος (pro loaded) µε το συµπλεκτικό αντιδραστήριο (π.χ. οξίνη) ή µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως έχει για την άµεση συγκράτηση των µέταλλο συµπλόκων των προσδιοριζόµενων συστατικών. Η µεγάλη ικανότητα προσρόφησης που παρουσιάζει οφείλεται αφενός µεν στου µεγάλου µεγέθους µίκρο και µέσο πόρους που διαθέτει αφετέρου δε στη µεγάλη επιφάνεια επαφής του (τυπικές τιµές m 2 g -1, µεγαλύτερη επιφάνεια συνεπάγεται µεγαλύτερη προσρόφηση). Οι ίνες ενεργού άνθρακα χρησιµοποιούνται παγκοσµίως ως προσροφητικό υλικό κυρίως πτητικών οργανικών ενώσεων. Οι ίνες άνθρακα γενικά εµφανίζουν µεγάλη αντοχή και ελαστικότητα και έχουν µεγαλύτερη περιεκτικότητα γραφίτη σε σχέση µε τον ενεργό άνθρακα λόγω της µεσοφάσης που σχηµατίζεται κατά τη διαδικασία απανθράκωσης των ινών. Η ενεργοποίηση αυτών των ινών µε αέριο (συνήθως CO 2 ) οδηγεί στη δηµιουργία ινών ενεργού άνθρακα. Η επιφάνεια επαφής τους κυµαίνεται µεταξύ m 2 g -1. Οι πιο χαρακτηριστικές ιδιότητες των ινών ενεργού άνθρακα είναι οι εξής: 1. Οµοιόµορφη κατανοµή στο µέγεθος των πόρων µε άµεσο αποτέλεσµα την καλύτερη αλληλεπίδραση µε την προσδιοριζόµενη ουσία. 2. Η µικρή διάµετρος των ινών έχει σαν αποτέλεσµα τη γρήγορη προσρόφηση και εκρόφηση των προσδιοριζόµενων συστατικών. 3. Λόγω υψηλής περιεκτικότητας σε γραφίτη είναι αγώγιµα υλικά και έχουν µεγάλη αντοχή σε υψηλές θερµοκρασίες. 36