AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΩΑΝΝΗΣ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ Χημικός ΑΠΘ ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΧΡΩΜΙΟΥ(VI) ΜΕ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΕ ΡΟΗ (FIA) ΚΑΙ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΦΑΣΗΣ (SPE) ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΙΚΡΟΣΤΗΛΗΣ OASIS ΤΜ -HLB ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΑΤΟΜΟΠΟΙΗΤΗ ΦΛΟΓΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘ. Α. Ν. ΑΝΘΕΜΙΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΩΑΝΝΗΣ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ Χημικός ΑΠΘ ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΧΡΩΜΙΟΥ(VI) ΜΕ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΕ ΡΟΗ (FIA) ΚΑΙ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΦΑΣΗΣ (SPE) ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΙΚΡΟΣΤΗΛΗΣ OASIS ΤΜ -HLB ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΑΤΟΜΟΠΟΙΗΤΗ ΦΛΟΓΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘ. Α. Ν. ΑΝΘΕΜΙΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

3 3 Aφιερωμένο στη σύζυγο μου για τη συμπαράσταση της.

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ H παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Σπουδών με τίτλο «Προχωρημένη Χημική Ανάλυση» του Τμήματος Χημείας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ. κατά τη διάρκεια του ακαδημαϊκού έτους Σκοπό της μεταπτυχιακής αυτής εργασίας αποτέλεσε η μελέτη και η ανάπτυξη μιας νέα αυτόματης και ευαίσθητης μεθόδου για τον εκλεκτικό προσδιορισμό ιχνών χρωμίου (VI) σε περιβαλλοντικά δείγματα. Ο προσδιορισμός του Χρωμίου στηρίχτηκε στο συνδυασμό των τεχνικών της εκχύλισης στερεάς φάσης (solid phase Extraction, SPE) σε συνεχή ροή (on-line) και της φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης με φλόγα (Flame Atomic Absorption Spectrometry, FAAS). H προσυγκέντρωση του χρωμίου βασίστηκε στην on-line συμπλοκοποίηση του με το χηλικό αντιδραστήριο διαίθυλο-διθειοκαρβαμιδικό νάτριο (DDTC) και στην συγκράτηση του συμπλόκου Cr(VI)-DDTC στο προσροφητικό υλικό της μικροστήλης OASIS TM HLB. To προσροφητικό υλικό είναι ένα μακροπορώδες πολυμερές που αποτελείται από δυο μονομερή σε αναλογία 1:1, το λιπόφιλο divinylbenzene (DVB) και το υδρόφιλο N-vinylpyrrolidone. Για την άμεση και ποσοτική παραλαβή του προσδιοριζόμενου συστατικού από τη στήλη προσυγκέντρωσης χρησιμοποιήθηκε ως διαλύτης έκλουσης καθαρή μεθανόλη (ΜeΟΗ). Για την ανάπτυξη της μεθόδου μελετήθηκαν και προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι λειτουργίας του προτεινόμενου συστήματος, οι οποίες επηρεάζουν το σχηματισμό του συμπλόκου, την προσρόφηση και την έκλουση κατά τον προσδιορισμό του χρωμίου, προκειμένου να μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία σε φυσικά δείγματα νερών (πόσιμο νερό, θαλασσινό νερό κ.α).θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επίκουρο Καθηγητή κ Α.Ν. Ανθεμίδη για την υπόδειξη του θέματος της διπλωματικής εργασίας, τη συνεχή καθοδήγηση και τις χρήσιμες συμβουλές του και για το αμείωτο ενδιαφέρον του καθ όλη τη διάρκεια διεκπεραίωσης της. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αν Καθηγητή κ. Γ.Ζαχαριάδη και τον Λέκτορα κ. Π. Τζαναβάρα, μέλη της εξεταστικής επιτροπής για τις εποικοδομητικές υποδείξεις τους και τη βοήθεια τους στην εκπλήρωση της διατριβής. Θερμές ευχαριστίες και στα υπόλοιπα μέλη του εργαστηρίου Αναλυτικής Χημείας για την άψογη συνεργασία και τη δημιουργία ενός ευχάριστου εργασιακού περιβάλλοντος. 4

5 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Ατομική φασματοσκοπία Βασικές αρχές Ατομικής Φασματοσκοπίας Οργανολογία φασματομέτρων ατομικής απορρόφησης Πηγές ακτινοβολίας Μέθοδοι ατομοποίησης Θάλαμος ανάμιξης Φλόγα Ανάλυση με Έγχυση δείγματος σε ροή (FIA) Oρισμός της FIA Χαρακτηριστικά γνωρίσματα της FIA Αρχή της τεχνικής FIA Έλεγχος της διασποράς Πλεονεκτήματα της FIA Συνδυασμός της τεχνικής έγχυσης σε ροή (FI ) με την ατομική φασματομετρία Χαρακτηριστικά της τεχνικής FI-AS Παράγοντες που επηρεάζουν τη διασπορά στα 26 συστήματα FI-AS 3.3. Οργανολογία των FI-AS συστημάτων Συστήματα προώθησης αντιδραστηρίων Συστήματα on-line προσυγκέντρωσης που συνδυάζονται με 34 την ατομική φασματομετρία. 5. Προσυγκέντρωση και/ ή διαχωρισμός με εκχύλιση στερεάς 37 5

6 φάσης Αρχή της τεχνικής της εκχύλισης στερεάς φάσης Πλεονεκτήματα της εκχύλισης στερεάς φάσης Προβλήματα και αντιμετώπιση Αξιολόγηση των συστημάτων on line προσυγκέντρωσης Συστήματα οn line προσυγκέντρωσης με στήλη προσυγκέντρωσης 5.6. Διασπορά κατά το στάδιο της φόρτωσης της στήλης προσυγκέντρωσης Διασπορά κατά το στάδιο της έκλουσης της στήλης προσυγκέντρωσης Τύποι στηλών προσυγκέντρωσης Υλικά πλήρωσης στηλών OASIS HLB Xρώμιο Γενικά για το εξασθενές χρώμιο και τη χημεία του Χρήσεις του μεταλλικού χρωμίου Επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία Χρώμιο και μηχανισμοί καρκινογένεσης Βιβλιογραφική ανασκόπηση προσδιορισμού Cr Σκοπός εργασίας 86 6

7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Εισαγωγή Οργανολογία Μικροστήλη προσυγκέντρωσης Αντιδραστήρια Περιγραφή της μεθόδου Βελτιστοποίηση των παραμέτρων της μεθόδου Επιλογή του συμπλεκτικού αντιδραστηρίου και του διαλύτη έκλουσης Επίδραση της οξύτητας του δείγματος Επίδραση της συγκέντρωσης του συμπλεκτικού αντιδραστηρίου Eπίδραση της παροχής έκλουσης (Elution flow rate) Επίδραση της παροχής φόρτωσης (loading flow rate) Επίδραση του χρόνου προσυγκέντρωσης Χαρακτηριστικά απόδοσης της προτεινόμενης μεθόδου, FI- SPE-FAAAS 8.Mελέτη των παρεμποδίσεων στον προσδιορισμό χρωμίου, Cr(VI) 9. Εφαρμογές της μεθόδου στην ανάλυση πραγματικών δειγμάτων 10. Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

8 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Ατομική φασματοσκοπία Οι μέθοδοι ατομικής φασματοσκοπίας (Atomic spectroscopy) είναι ανάμεσα στις πιο διαδεδομένες αναλυτικές μεθόδους ενόργανης ανάλυσης για τον προσδιορισμό διαφόρων στοιχείων σε περιβαλλοντικά δείγματα αλλά και γενικότερα στη χημεία τη βιοχημεία συμπεριλαμβανομένης και της κλινικής ανάλυσης. Η ατομική φασματοσκοπία χρησιμοποιείται για τον ποσοτικό προσδιορισμό περισσότερων από 70 στοιχείων του περιοδικού πίνακα (Fe, Cu, Al, Pb, Ca, Zn, Cd, κ.α). Τα τυπικά όρια ανίχνευσης βρίσκονται σε επίπεδα κλασμάτων των mg L -1 (ppm) ή μg L -1 (ppb). Όλες οι τεχνικές ατομικής φασματοσκοπίας βασίζονται στον προσδιορισμό των στοιχειών σε ατομική μορφή και στην αέρια φάση. Στην αέρια φάση τα άτομα είναι απαλλαγμένα από αλληλεπιδράσεις με άλλα άτομα με τα οποία για παράδειγμα αλληλεπιδρούν στην υγρή ή την στερεά φάση. Ως εκ τούτου τα ηλεκτρονικά φάσματα των ατόμων προέρχονται αποκλειστικά από τριών ειδών διαδικασίες: Aπορρόφηση ακτινοβολίας από την οποία προκύπτει η Φασματοσκοπία Ατομικής Απορρόφησης (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS) Εκπομπή ακτινοβολίας από την οποία προκύπτει η Φασματοσκοπία Ατομικής εκπομπής (Atomic Emission Spectroscopy, AES) και 8

9 Φθορισμό από την οποία προκύπτει η Φασματοσκοπία Ατομικού Φθορισμού ( Atomic Fluorescense Spectroscopy). Kαι στις τρεις μεθόδους λόγω ελαχιστοποίησης των αλληλεπιδράσεων οι φασματικές γραμμές είναι στενές και περιορισμένες σε αριθμό. Έτσι το κάθε στοιχείο μπορεί να ταυτοποιηθεί με ακρίβεια από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που απορροφά ή εκπέμπει. Τα βασικά πλεονεκτήματα των τεχνικών ατομικής φασματοσκοπίας είναι : Η λειτουργία είναι απλή και μπορεί να αυτοματοποιηθεί. Τα όρια ανίχνευσης είναι επαρκή για τις περισσότερες απαιτήσεις προσδιορισμών. Η επαναληψιμότητα σε συνθήκες ορθής εργαστηριακής πρακτικής είναι καλύτερη από 1 % σχετική τυπική απόκλιση. Η οργανολογία δεν είναι απαγορευτικά ακριβή. Το κόστος λειτουργίας είναι σχετικά χαμηλό Βασικές αρχές Ατομικής Φασματοσκοπίας Η κίνηση μακροσκοπικών αντικειμένων περιγράφεται από τους νόμους του Νεύτωνα δηλαδή τη κλασική μηχανική. Στην κλίμακα αυτή μπορούμε εύκολα να προσδιορίσουμε την ταχύτητα, την επιτάχυνση, την κινητική και δυναμική ενέργεια καθώς και την βαρυτική επίδραση. Στην ατομική κλίμακα ωστόσο (ηλεκτρόνια πρωτόνια) οι νόμοι του Νεύτωνα δεν ισχύουν. Στην ατομική κλίμακα τα χαρακτηριστικά των ατομικών σωματιδίων περιγράφονται από την κβαντική μηχανική. Στα προβλήματα χημείας καλείται ως κβαντική χημεία η οποία περιγράφει τις ενέργειες, τις ηλεκτρονικές και γεωμετρικές ιδιότητες των ατόμων και μορίων. Σύμφωνα λοιπόν με τις αρχές της κβαντικής χημείας απορρόφηση ή εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας hv μπορεί να συμβάλει μόνο όταν το σύστημα (άτομο ή μόριο) έχει δυο ενεργειακές στάθμες Ε1, Ε2 που διαφέρουν κατά hv. 9

10 = hv όπου, h η σταθερά Plank. H εξίσωση αυτή με βάση τη σχέση μήκους κύματος συχνότητας c= λv γίνεται: = hc/λ Από τη σχέση αυτή προκύπτει ότι κάθε ένα στοιχείο του περιοδικού πίνακα απορροφάει ή εκπέμπει ακτινοβολία σε συγκεκριμένο μήκος κύματος. Τα μήκη κύματος εκφράζονται σε νανόμετρα (1 nm = 10-9 m ή 1 nm = 10 Angrtrom). Για παράδειγμα το στοιχειακό ασβέστιο απορροφάει σε μήκος κύματος λ = 422,7 nm ενώ ο στοιχειακός σίδηρος σε λ = nm. Τα άτομα μπορούν να διεγερθούν με θέρμανση ή με απορρόφηση ακτινοβολίας σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα π.χ. από το Ε1 στο Ε2. Στη συνέχεια μπορούν μεταπίπτοντας σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο να εκπέμψουν ακτινοβολία. Η διαδικασία δίνεται παρακάτω: Μ + hv M* M + hv Όπου Μ: ουδέτερο άτομο Μ*: διεγερμένο άτομο h: η σταθερά του Planck v: η συχνότητα 10

11 αν n* είναι ο αριθμός των ατόμων στο διεγερμένο ενεργειακό επίπεδο Ε2 και ν ο αριθμός των ατόμων στη βασική κατάσταση Ε1 τότε ισχύει η σχέση Boltzmann: = A όπου, Α: σταθερά αναλογίας που περιέχει το λόγο των στατιστικών βαρών του υψηλού και του χαμηλού ενεργειακού επιπέδου, k: σταθερά του Βoltzman, Τ: η απόλυτη θερμοκρασία. Οι τυπικές τιμές για τα περισσότερα στοιχεία σε φλόγα θερμοκρασίας 3000ο Κ είναι στη περιοχή από Συνεπώς περισσότερα άτομα βρίσκονται στη βασική κατάσταση. Για να έχουμε σήμα απορρόφησης η ΑΑS χρησιμοποιεί τις γραμμές συντονισμού αυτών των ατόμων στη βασική κατάσταση. Έτσι η ποσότητα εκπομπής για κάθε συγκεκριμένο μήκος κύματος επηρεάζεται ελάχιστα από αλλαγές στη θερμοκρασία μιας και ο αριθμός των ατόμων στη βασική κατάσταση παραμένει σχεδόν σταθερός. Για να γίνει κατανοητό αυτό μπορούμε να πούμε τα εξής: Με βάση τη γραμμή του μήκους κύματος του ασβεστίου 422,7 nm στους 3000 ο Κ ο λόγος είναι περίπου 3, ενώ στους 2000 ο Κ είναι 21, Δηλαδή σε υψηλότερες θερμοκρασίες (3000 ο Κ) υπάρχουν περίπου 100 φορές περισσότερα άτομα στο διεγερμένο επίπεδο και άρα ικανά για εκπομπή ενώ το ποσοστό των ατόμων στο βασικό ενεργειακό επίπεδο πάει από 99,999 σε 99,99999 % το οποίο αντιπροσωπεύει ασήμαντη αλλαγή. 11

12 1.2. Οργανολογία φασματομέτρων ατομικής απορρόφησης Κάθε φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης αποτελείται από 4 κυρίως μέρη. 1. Την πηγή ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία παράγεται από ειδική λυχνία η οποία παράγει τα επιθυμητά μήκη κύματος. 2. Τη συσκευή ατομοποίησης. Στην ατομική φασματομετρία είναι απαραίτητο το δείγμα να βρίσκεται στην αέρια μορφή. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες μεθόδους οι οποίες περιγράφονται στη συνέχεια. 3. Τον ανιχνευτή. 4. Το σύστημα καταγραφής δεδομένων. Aυτό συνήθως περιλαμβάνει αναλογικό ψηφιακό μετατροπέα ενισχυτές και κάποιο ηλεκτρονικό υπολογιστή Πηγές ακτινοβολίας Η ιδανική πηγή ακτινοβολίας πρέπει να έχει δυο βασικές ιδιότητες: α) Στενές φασματικές γραμμές. β) Υψηλές εντάσεις στο σωστό μήκος κύματος. Η πηγή ακτινοβολίας πρέπει να μπορεί να εκπέμψει σε πιο στενή περιοχή μηκών κύματος από το φάσμα του στοιχείου που θα αναλυθεί. Όλες οι μέθοδοι ατομικής φασματομετρίας στηρίζονται στο γεγονός ότι τα φάσματα των ατόμων σε αντίθεση με αυτά των μορίων έχουν μορφή οξείας γραμμής εύρους μικρότερου των 0,01 nm σε συνδυασμό με το ότι κάθε στοιχείο έχει το δικό του χαρακτηριστικό φάσμα με αποτέλεσμα τη μικρή αλληλοεπικάλυψη των φασματικών γραμμών των διαφόρων στοιχείων του δείγματος. Για παράδειγμα οι γραμμές απορρόφησης στην αέρια φάση έχουν συνήθως εύρος 10-2 nm ενώ η εκπομπή είναι 10-3 nm. Πολλές φορές είναι δυνατόν οι γραμμές απορρόφησης ενός 12

13 παρεμποδιστή να επικαλύπτονται με αυτές του μελετούμενου στοιχείου. Στη περίπτωση αυτή η χρήση πηγής με στενές φασματικές γραμμές έχει το πλεονέκτημα ότι καθιστά δυνατή την αποφυγή των σημάτων του παρεμποδιστή. Στον Πίνακα 1.3 παρατίθενται τα χαρακτηριστικά μήκη κύματος των πιο κοινών παρεμποδιστών. Πίνακας 1.3. Μήκη κύματος κοινών παρεμποδιστών. Κύριο στοιχείο / Παρεμποδιστής Μήκος κύματος Cu / Eu Si / V Fe / Pt Al / V Hg / Co Mn / Ca Zn/Fe Cu Eu Si V Fe Pt Al V Hg Co Mn Ca Zn Fe 324, , , , , , , , , , , , , ,859 13

14 H χρήση πηγής με στενές γραμμές διευρύνει την περιοχή γραμμικής απόκρισης του οργάνου σε σύγκριση με μια πηγή ευρέως φάσματος. Μια εναλλακτική πρακτική είναι να βάλουμε φίλτρα ώστε να αποκόπτεται το φάσμα του παρεμποδιστή και να εκτείνει την περιοχή εφαρμοσιμότητας του νόμου του Beer. Κατά αρχή αυτό είναι ισοδύναμο με τη χρήση πηγής με στενές γραμμές. Ωστόσο τεχνικά αυτό προκαλεί σοβαρή μείωση στο λόγο (σήμα / θόρυβο). Η πηγή ακτινοβολίας πρέπει να είναι ιδιαίτερα φωτεινή, τουλάχιστον τόσο φωτεινή όσο το μέλαν σώμα στη θερμοκρασία του ατομοποιητή, στο επιθυμητό μήκος κύματος. Οι χρησιμοποιούμενες πηγές ακτινοβολίας είναι: Λυχνίες κοίλης καθόδου Λυχνίες εκκένωσης χωρίς ηλεκτρόδια Λυχνίες βαθμωτής θερμοκρασίας. Η πιο γνωστή είναι η λυχνία κοίλης καθόδου η οποία παράγει στενές γραμμές και υψηλές εντάσεις στο σωστό ατομικό μήκος κύματος. Η λυχνία κοίλης καθόδου αποτελείται από ένα κλειστό γυάλινο σωλήνα ο οποίος φέρει παράθυρο χαλαζία έτσι ώστε να επιτρέπεται η διέλευση των υπεριωδών ακτινοβολιών. Απέναντι από το παράθυρο βρίσκονται τα ηλεκτρόδια της λυχνίας. Η κάθοδος της έχει κοίλο σχήμα και αποτελείται από μέταλλο για το οποίο προορίζεται να χρησιμοποιηθεί. Έχει μορφή ημι-κυλίνδρου και προστατεύεται από γυάλινο περίβλημα. Η άνοδος της λυχνίας είναι ένα σύρμα από δύστηκτο μέταλλο, συνήθως βολφράμιο ή νικέλιο. Ο χώρος πληρούται με ένα αδρανές αέριο (νέο ή αργό) το οποίο βρίσκεται σε πίεση μερικών Torr. Mεταξύ των ηλεκτροδίων εφαρμόζεται τάση μερικών εκατοντάδων Volt και παρατηρείται συνεχής πυρακτωμένη ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ των ηλεκτροδίων. Συνήθως για κάθε στοιχείο χρησιμοποιείται διαφορετική λυχνία κοίλης καθόδου, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχουν λυχνίες που χρησιμοποιούνται για δυο ή τρία διαφορετικά στοιχεία. 14

15 Στα όργανα AAS συναντώνται 4 βασικές διατάξεις πηγών ακτινοβολίας: Α. Μονής δέσμης φωτός. Β. Διπλής δέσμης φωτός Γ. Διπλού διαύλου διπλής δέσμης φωτός Δ. Διπλής δέσμης φωτός διαδοχικών πολλαπλών στοιχείων. Το σύστημα διπλής δέσμης φωτός επιτρέπει ταυτόχρονο προσδιορισμό συγκεντρώσεων και λόγων δυο στοιχείων χρησιμοποιώντας όμοιες παραμέτρους ατμοποίησης και φλόγας. Ένα σύστημα διπλής δέσμης προτιμάται από ένα σύστημα μονής δέσμης φωτός αφού αντισταθμίζει τις αλλαγές στην ένταση της λάμπας ή τον ηλεκτρονικό θόρυβο Μέθοδοι ατομοποίησης Η καρδιά της ατομικής απορρόφησης είναι ο ατομοποιητής, ο βασικός ρόλος του οποίου είναι η μετατροπή όλων των μορφών του προσδιοριζόμενου στοιχείου που υπάρχουν στο δείγμα σε άτομα στη βασική τους κατάσταση. Το στάδιο της ατομοποίησης είναι ουσιαστικά αυτό που καθορίζει την διακριτική ικανότητα, την ευαισθησία της τεχνικής αλλά και το είδος των πιθανών παρεμποδίσεων. Τον ατομοποιητή απαρτίζει ένας θάλαμος ανάμιξης που συνδέεται με έναν καυστήρα. Για την αύξηση της ευαισθησίας είναι απαραίτητη η αύξηση του αριθμού των ατόμων στο χώρο της φλόγας. Η απαίτηση αυτή υλοποιείται με τη χρήση καυστήρων τύπου σχισμής με μήκος 10 cm και πλέον. Η ακτινοβολία διατρέχει τη φλόγα κατά τη διεύθυνση του επιμήκους άξονα της. Το μήκος της σχισμής μπορεί να μικραίνει με σαφή καθορισμό της οπτικής διαδρομής με στρέψη της κεφαλής του λύχνου κατά τη συγκεκριμένη γωνία. 15

16 Στα σύγχρονα εμπορικά όργανα η ατομοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με μια από τις παρακάτω μεθόδους. 1. Με φλόγα 2. Με φούρνο θερμαινόμενου γραφίτη 3. Χημική ατομοποίηση σχηματισμός υδριδίων 4. Με πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων Ενδεικτικά όρια ανίχνευσης των μεθόδων αυτών για επιλεγμένα στοιχεία παρατίθενται στο παρακάτω πίνακα. Πίνακας 1.4. Ενδεικτικά όρια ανίχνευσης των μεθόδων ατομικής φασματομετρίας(μg L -1 ). ΑΑS ΑΑS ΑΕS Φλόγα ΙCP Στοιχείο Φλόγα Φούρνος Γραφίτη Al 30 0, As 100 0,02 0, Ca 1 0,02 0,1 0,02 Cd 1 0, Cr 3 0,01 4 0,3 Cu 2 0, ,1 Fe 5 0, Hg 500 0,1 0, Mg 0,1 0, ,05 Mn 2 0, ,06 16

17 Mo 30 0, ,2 Na 2 0,0002 0,1 0,2 Ni 5 0, ,4 Pb 10 0, Sn 20 0, V 20 0,1 10 0,2 Zn 2 0,0005 0, Θάλαμος ανάμιξης Το διάλυμα του δείγματος εισέρχεται στο χώρο του θαλάμου υπό μορφή νέφους σταγονιδίων (αεροζόλ) και αφού αναμιχθεί με το καύσιμο μείγμα (καύσιμο αέριο και οξειδωτικό μέσο) εισέρχεται στη φλόγα του καυστήρα σχισμής. Τα σχετικώς μεγάλα σταγονίδια υγροποιούνται σε κατάλληλες επιφάνειες πρόσκρουσης (κοχλίας συγκράτησης) έτσι ώστε μόνο το λεπτότατο και ομοιόμορφο αερόλυμα να εισάγεται στη φλόγα Φλόγα Η εκλογή του μίγματος των αεριών εξαρτάται από τη θερμοκρασία ατμοποίησης του δείγματος. Τα πιο διαδεδομένα μίγματα φλόγας για τη φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης καθώς και τα χαρακτηριστικά τους δίνονται στον Πίνακα.1.6. Οι τιμές που δίνονται είναι μόνο ενδεικτικές. Οι τιμές της ταχύτητας καύσης και της θερμοκρασίας δικαιολογούν το γεγονός ότι διαφορετικά μίγματα φλόγας χρειάζονται διαφορετικούς καυστήρες. 17

18 Πίνακας 1.6. Μίγματα αερίων στην FAAS. Παροχή της Mέγιστη Προσεγγιστική στοιχειομετρικής ταχύτητα πειραματική φλόγας καύσης(cm s -1 ) θερμοκρασία ( L min -1 ) ( Κ) Οξειδωτικό μέσο Καύσιμο Οξειδωτικό Kαύσιμο Αέρας Προπάνιο 8 0, Αέρας Υδρογόνο Αέρας Ακετυλένιο 8 1, Υποξείδιο του αζώτου Ακετυλένιο Η φλόγα αέρα-προπανίου χρησιμοποιείται σπάνια σήμερα εξαιτίας της χαμηλής της θερμοκρασίας η οποία προσφέρει ανεπαρκή ατομοποίηση. Η φλόγα αέρα υδρογόνου βρίσκει ιδιαίτερα εφαρμογή στην ατομική φθορισμομετρία αλλά και στην ατομική απορρόφηση για στοιχεία που η αναλυτική τους φασματική γραμμή βρίσκεται σε χαμηλά μήκη κύματος. Η πιο διαδεδομένη φλόγα είναι αυτή αέρα ακετυλενίου. Είναι σταθερή, εύκολη στη χρήση και παράγει επαρκή ατομοποίηση που επιφέρει υψηλά επίπεδα ευαισθησίας ενώ είναι απαλλαγμένη από πρεμποδίσεις για τα περισσότερα στοιχεία. Η ατομοποίηση λαμβάνει χώρα τόσο εξαιτίας της υψηλής ενθαλπίας και της θερμοκρασίας της φλόγας όσο και εξαιτίας χημικών επιδράσεων. Τελειώνοντας η φλόγα μίγματος υποξειδίου του αζώτου ακετυλενίου διακρίνεται τόσο για την επίτευξη υψηλής θερμοκρασίας όσο και του αναγωγικού της χαρακτήρα. Τα στοιχεία που προσδιορίζονται καλύτερα με αυτή τη φλόγα είναι Al, B, Ba, Be, Mo, Nb, Re, Sc, Ta, Ti, V, W, Zr, οι Λανθανίδες και οι Ακτινίδες. 18

19 2. Ανάλυση με Έγχυση δείγματος σε ροή (FIA) 2.1. Oρισμός της FIA Η τεχνική FIA είναι ως γνωστό ότι παρουσιάζει μεγάλη προσαρμοστικότητα. Ο λόγος αυτός είναι που μας κάνει να μπορούμε να της προσδώσουμε πολλούς και διαφορετικούς ορισμούς. Σύμφωνα λοιπόν με τους πρωτοπόρους Ruzicka και Hansen ως FIA ορίζεται: Η μέθοδος που βασίζεται στην έγχυση υγρού δείγματος σε κινούμενο αδιαίρετο τμήμα συνεχoύς ρεύματος κατάλληλου υγρού. Το εγχυόμενο δείγμα σχηματίζει μια ζώνη η οποία μεταφέρεται σε ανιχνευτή ο οποίος καταγράφει συνεχώς την απορρόφηση, το δυναμικό ηλεκτροδίου οποιαδήποτε άλλη φυσική παράμετρο καθώς αυτή διαρκώς μεταβάλλεται με τη διέλευση των συστατικών του δείγματος. H FIA βασίζεται στο συνδυασμό της έγχυσης του δείγματος στην ελεγχόμενη διασπορά του και στον επακριβή συγχρονισμό. Mε μια άλλη προσέγγιση του ορισμού από τον Zhaolun Fang η FIA ορίζεται ως: Μια μη χρωματογραφική μέθοδος ποσοτικής ανάλυσης συνεχούς ροής που εφαρμόζεται με επαναλαμβανόμενο χειρισμό της ζώνης του δείγματος και του αντιδραστηρίου μέσα σε ένα ρεύμα ροής σε κατάσταση μη θερμοδυναμικής ισορροπίας. 19

20 2.2. Χαρακτηριστικά γνωρίσματα της FIA Tα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα της FIA είναι τα εξής: α) συνεχή ροή χωρίς διακοπτόμενα τμήματα. β) απευθείας έγχυση εισαγωγή του δείγματος. γ) ελεγχόμενη διασπορά της ζώνης του δείγματος. δ) επαναλήψιμοι χρόνοι λειτουργίας. ε) ποσοτική αποτίμηση σε συνθήκες που δεν επικρατεί απαραίτητα θερμοδυναμική ισορροπία Αρχή της τεχνικής FIA Προκαθορισμένος και απόλυτα αναπαραγώγιμος όγκος δείγματος εγχύεται σε ρεύμα υγρού (μεταφορέας) το οποίο ρέει συνεχώς (Σχήμα 2.3). Η ζώνη του δείγματος συμπαρασύρεται από το ρεύμα των αντιδραστηρίων οπότε επέρχεται η ανάμιξη του με αυτά εξαιτίας εξαναγκασμένης μεταφοράς και διάχυσης. Η ανάμιξη αυτή είναι προϋπόθεση για τη μετατροπή της προσδιοριζόμενης ουσίας σε ανιχνεύσιμο προϊόν αντίδρασης. Η ανάμιξη δεν είναι ομοιογενής ούτε είναι υποχρεωτικό να φθάσει σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. 20

21 Σχήμα 2.3. Η αρχή της τεχνικής FIA Έλεγχος της διασποράς Κατά τον προσδιορισμό με την τεχνική FIA η ζώνη του δείγματος διασπείρεται ή αραιώνεται επαναλήψιμα στο ρεύμα της ροής από τη στιγμή της έγχυσης μέχρι τον ανιχνευτή. Η όλη διεργασία ονομάζεται διασπορά (dispersion) και ορίζεται ως η διάχυση ή η αραίωση του δείγματος στο υπό μελέτη σύστημα FIA. Στα συστήματα της FIA η διασπορά της ζώνης του δείγματος ή των αντιδραστηρίων διαφέρει σημαντικά από αυτή που λαμβάνει χώρα σε μεθόδους κλασσικής χημικής ανάλυσης εξαιτίας της δυναμικής κατάσταση και της συνεχούς ροής. H διασπορά D εμφανίζεται εξαιτίας της ανάμιξης τμήματος του δείγματος συγκέντρωσης C o με το ρεύμα των αντιδραστηρίων και μπορεί να εκτιμηθεί σύμφωνα με τους Ruzicka και hamsen από τη μεταβολή του ύψους της κορυφής με: D = C ο / C max Όπου C max είναι η μέγιστη συγκέντρωση της ζώνης του δείγματος μετά τη διασπορά. 21

22 Έτσι το D είναι κατά προσέγγιση μέτρο της αραίωσης του δείγματος στο σύστημα FIA. Το κέντρο της ζώνης του δείγματος κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από ότι στα άκρα εξαιτίας της επιβράδυνσης που υφίσταται το υγρό λόγω επαφής με τα τοιχώματα. Το φαινόμενο ονομάζεται αξονική διασπορά. Τα μόρια που έρχονται σε επαφή με τα τοιχώματα κινούνται και προς το κέντρο του σωλήνα, ενώ αυτά που βρίσκονται στο κέντρο κινούνται με κατεύθυνση προς τα τοιχώματα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται <<ακτινική διασπορά>>. Σχήμα 2.4. Το φαινόμενο της διασποράς του δείγματος σε διάταξη FIA. Επειδή η συγκέντρωση του δείγματος είναι μεγαλύτερη στο κέντρο του φορέα, το καταγραφόμενο σήμα παρουσιάζει όπως είναι φυσικό ένα μέγιστο (Σχήμα 2.4). Η διασπορά είναι πρακτικά αραίωση, που υφίσταται το δείγμα κατά τη διαδρομή του από τη στιγμή της έγχυσης μέχρι που αυτό φτάνει στον ανιχνευτή. Επηρεάζεται από τον όγκο του δείγματος, την ταχύτητα ροής καθώς και από το μήκος και την εσωτερική διάμετρο των σπειραμάτων αντίδρασης. 22

23 2.5. Πλεονεκτήματα της FIA H τεχνική της έγχυσης δείγματος σε συνεχή ροή ως αυτοματοποιημένη τεχνική παρουσιάζει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: α) μεγάλη επαναληψιμότητα των μετρήσεων. β) μείωση του κόστους ανάλυσης. γ) μεγάλη αξιοπιστία των μετρήσεων (περιορισμό των σφαλμάτων του προσωπικού). δ) αξιοποίηση πολύπλοκων αναλυτικών μεθόδων οι οποίες με την κλασσική μέθοδο δεν εφαρμόζονται λόγω αστάθειας του χημικού συστήματος. Τα πλεονεκτήματα της FIA έναντι άλλων τεχνικών είναι: 1) Επαναληψιμότητα: Όλες οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε μια ανάλυση όπως έγχυση δείγματος, η διασπορά της ζώνη του, ο χρόνος μεταφοράς του ως τον ανιχνευτή είναι επαναλήψιμες και ελεγχόμενες. 2) Ταχύτητα: Η ταχύτητα των προσδιορισμών είναι μεγάλη και συνδέεται άμεσα με τη συχνότητα των εγχύσεων που κυμαίνεται από εγχύσεις ανά ώρα. 3) Eκλεκτικότητα: Η επίδραση παρεμποδιστών ελαχιστοποιείται τόσο εξαιτίας της κινητής φύσης της FIA που επιφέρει μικρό χρόνο ανάλυσης ως και με τη χρήση ειδικών διατάξεων (π.χ στήλες για ιοντοανταλλαγή εκχύλιση διαπίδυση κ.α). 4) Ακρίβεια: H ακρίβεια είναι πολύ καλή και μπορεί να συγκριθεί με την αντίστοιχη κλασσικών μεθόδων ανάλυσης. 5) Ευαισθησία: Η ευαισθησία στην FIA είναι πολύ ικανοποιητική. 6) Προσαρμοστικότητα: Mπορούν να χρησιμοποιηθούν σχεδόν όλοι οι ανιχνευτές και υπάρχει δυνατότητα προσυγκέντρωσης. 23

24 7) Αποτελεί κλειστό χημικό σύστημα. 8) Χαμηλό κόστος: Tα επιμέρους τμήματα του αναλυτή είναι φτηνά και επίσης το λειτουργικό κόστος είναι χαμηλό (η FIA αποτελεί μια μικροχημική τεχνική καθώς έχει κατανάλωση δείγματος μl και αντιδραστηρίων μl). 3. Συνδυασμός της τεχνικής έγχυσης σε ροή (FI) με την ατομική φασματομετρία Ο συνδυασμός της τεχνικής της αυτόματης έγχυσης δείγματος σε συνεχή ροή με την τεχνική της ατομικής φασματομετρίας (FI- AS) προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Zagatto et al. τo 1979 με σκοπό την αραίωση του δείγματος και τη προσθήκη κατάλληλου αντιδραστηρίου πριν την εισαγωγή δείγματος στο νεφoποιητή με αποτέλεσμα τη μείωση της κατανάλωσης του δείγματος και την αύξηση της συχνότητας των αναλύσεων. Αρχικά η τεχνική αυτή δε γνώρισε μεγάλη άνθιση. Από ένα σημείο όμως και μετά η τεχνική αυτή εμφάνισε μεγάλη ανάκαμψη ειδικά από την περίπτωση εκείνη όπου αποδείχθηκε η εξαιρετική ικανότητα της να χειρίζεται δείγματα με εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις αλάτων καθώς επίσης και δείγματα με επιβαρυμένο υπόστρωμα. Στη χρήση της τεχνικής FI-AS η εισαγωγή δείγματος με συγκέντρωση αλάτων είναι τετραπλάσια από τη συμβατική με ανάλογη αύξηση της ευαισθησίας χρησιμοποιώντας έγχυση δείγματος 150μl. Διάλυμα 40% w/v σε άλατα μπορεί να εισάγεται στο νεφοποιητή για μεγάλες χρονικές περιόδους χωρίς ο νεφοποιητής να εμφανίζει σημάδια φραγμού και χωρίς να επηρεάζεται η ευαισθησία του οργάνου. Υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής δειγμάτων πολύ μικρών όγκων με αποτέλεσμα οι επιδράσεις των διαλυτών να ελαχιστοποιούνται. Η μεγαλύτερη ανάπτυξη όμως της FI FAAS συντελέστηκε όταν αποδείχθηκε η δυνατότητα της να χειρίζεται με ευκολία κουραστικές και χρονοβόρες χειροκίνητες διεργασίες προκατεργασίας δειγμάτων για τη φασματομετρία ατομικής απορρόφησης. Διεργασίες on line διαχωρισμού και 24

25 προσυγκέντρωσης αποδείχθηκαν ιδανικές για την αύξηση τόσο της ευαισθησίας όσο κα της εκλεκτικότητας των μεθόδων της ατομικής φασματοσκοπίας. Το πεδίο των on line τεχνικών προκατεργασίας περιλαμβάνει γενικά την εκχύλιση υγρού υγρού την εκχύλιση στερεάς φάσης, την καταβύθιση, την συγκαταβύθιση, την ηλεκτροχημική απόθεση τη δημιουργία τιμών και τη διαλυτοποίηση δειγμάτων Χαρακτηριστικά της τεχνικής FI-AS O συνδυασμός της τεχνικής έγχυσης σε ροή με την ατομική φασματομετρία αποτελεί ένα από τα πιο επιτυχημένα πεδία εφαρμογών της FI. Όλα τα βασικά χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα της FI τεχνικής διατηρούνται όταν συνδυάζεται αυτή με την ατομική φασματοσκοπία ως ανιχνευτικό σύστημα. Τα πλεονεκτήματα της FI AS είναι: Ευαισθησία Με on line προσυγκέντρωση ή αραίωση του δείγματος παρατηρείται αύξηση της ευαισθησίας και του εύρους της αναλυτικής περιοχής. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα χρήσης διαφόρων οργανικών διαλυτών ως μεταφορείς για τον περιορισμό της διασποράς του μετρούμενου δείγματος. Εκλεκτικότητα Με on line διαχωρισμό ή μετατροπή του υποστρώματος επιτυγχάνεται εξαιρετική βελτίωση της εκλεκτικότητας. Δείγματα με υψηλές συγκεντρώσεις διαλυμένων ουσιών ως και 40 % w/v μπορούν να αναλυθούν χωρίς προβλήματα στο νεφοποιητή. Εισαγωγή του δείγματος με περισταλτική αντλία ή αντλία σύριγγας μειώνει την επίδραση υποβάθρου που οφείλεται σε μεγάλες τιμές του ιξώδους. Οικονομία 25

26 Ελάττωση της κατανάλωσης του δείγματος και αντιδραστηρίων με την έγχυση μικροποσοτήτων της τάξης των μl (μείωση > 90%) αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα στην κλινική ανάλυση. Μεγάλες συχνότητες ανάλυσης δειγμάτων (> 500 h -1 ). Αξιοπιστία Επιτυγχάνεται ελάττωση του κινδύνου επιμόλυνσης με τη χρήση αυτόματων διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε κλειστό αδρανές σύστημα με αποτέλεσμα η τεχνική αυτή να είναι πολύ αξιόπιστη σε ιχνοαναλύσεις Παράγοντες που επηρεάζουν τη διασπορά στα συστήματα FI-AS Oι σπουδαιότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη διασπορά του εγχυόμενου δείγματος και οι οποίοι απαιτείται να βελτιστοποιηθούν είναι οι παρακάτω: Α) Ο όγκος του εγχυόμενου δείγματος. Β) Η παροχή του μεταφορέα, των αντιδραστηρίων και του εκλουστικού. Γ) Οι γεωμετρικές διαστάσεις των σωληνώσεων και η διαμόρφωση της on line διάταξης. Δ) Η μορφή της διαμερισμένης ροής σε συστήματα με δυο μη αναμίξιμες φάσεις (εκχύλιση υγρού υγρού). 26

27 3.3. Οργανολογία των FI-AS συστημάτων Συστήματα προώθησης αντιδραστηρίων Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των συστημάτων FI AS είναι ο ανιχνευτής, ο οποίος συνοδεύεται από το δικό του σύστημα αναρρόφηση ης / προώθησης των υγρών δειγμάτων και ονομάζεται πνευματικός νεφοποιητής (pneumatic nebulizer). Επομένως δε χρειάζονται άλλα συστήματα προώθησης των υγρών διαλυμάτων. Λόγω δημιουργίας φυσικών παρεμποδίσεων, αποφεύγεται πλέον η χρήση πνευματικών νεφοποιητών και αντικαθίστανται από περισταλτικές αντλίες για την επίτευξη μεγαλύτερης ακρίβειας και επαναληψιμότητας, ομαλής ροής και προσαρμοστικότητας Σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1 Περισταλτική αντλία. Οι απαιτήσεις των συστημάτων προώθησης συνοψίζονται παρακάτω: 1) Επαναλήψιμες παροχές σε όλο το εύρος λειτουργίας. 2) Ροή ελεύθερων παλμών. 3) Δυνατότηταα χειρισμού πολλών καναλιών (4-6). 4) Δυνατότηταα ξεχωριστής ρύθμισης της παροχής καθενός καναλιού. 5) Αντοχή στα διαβρωτικά αντιδραστήρια. Τα συστήματα προώθησης που χρησιμοποιούνται συνήθως για την προώθηση υγρών αντιδραστηρίων είναι: οι περισταλτικές αντλίες και οι αντλίες σύριγγας. 27

28 Περισταλτικές αντλίες Μεγάλη εφαρμογή όχι μόνο στη FIA αλλά και σε άλλα συστήματα συνεχούς ροής βρίσκουν οι περισταλτικές αντλίες (Σχήμα 3.2). Τα απαερωμένα διαλύματα του μεταφορέα και των αντιδραστηρίων προωθούνται μέσω ενός συστήματος διανομής, το οποίο αποτελείται από ένα περιστρεφόμενο κύλινδρο ο ποίος φέρει περιφερειακά άλλους μικρότερους κυλίνδρους (R) και ένα έκκεντρο (B) το οποίο συγκρατεί και συμπιέζει λεπτούς πλαστικούς σωλήνες, κυρίως από PVC, με ομοιόμορφη εσωτερική διάμετρο (0,35 1,5 mm) όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.3. Η αντλία πρέπει να περιστρέφεται με απόλυτα σταθερή ταχύτητα ώστε να παράγεται ομαλή ροή. Έχουν τη δυνατότητα προώθησης αντιδραστηρίων σε περισσότερα από ένα κανάλια (πολυκαναλικές) και περιστρέφονται με σταθερή ταχύτητα rpm. Σχήμα 3.2 Απεικόνιση λειτουργίας περισταλτικής αντλίας. H προώθηση των αντιδραστηρίων γίνεται με δυο τρόπους α) διανομή υπό πίεση (πχ μεταφορέας, αντιδραστήρια) και β) διανομή δια μέσου αναρρόφησης (πχ αυτόματη δειγματοληψία, πλήρωση του βρόγχου του δείγματος της βαλβίδας έγχυσης, συνεχή αραίωση). Τα μειονεκτήματα της περισταλτικής αντλίας είναι: 1) Οι ροές που δημιουργούν δεν είναι τελείως ελεύθερες παλμών και οι διακυμάνσεις μετριάζονται με τη χρήση ευκάμπτων ελαστικών σωλήνων. 28

29 2) Υπάρχει κίνδυνος δημιουργίας παλμών στατικού ηλεκτρισμού όταν χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές ηλεκτρόδια ιόντων. Προώθηση οργανικών διαλυτών Το πρόβλημα προώθησης οργανικών διαλυτών, όπως η μέθυλο ισοβούτυλο κετόνη ΙΜΒΚ οι οποίοι δεν αναμειγνύονται με το νερό και διαβρώνουν τους σωλήνες της περισταλτικής αντλίας αντιμετωπίζεται με την τεχνική της φιάλης εκτόπισης (displacement bottle technique). H τεχνική αυτή χρησιμοποιεί φιάλες με χοντρά γυάλινα τοιχώματα οι οποίες έχουν βιδωτά πώματα και εσωτερικά έχουν κωνικό σχήμα (Σχήμα 3.3). Με κατάλληλο χειρισμό του πώματος απομακρύνεται ο αέρας που περιέχεται στη φιάλη προς αποφυγή ανομοιόμορφης ροής λόγω της ελαστικότητας του. Αξιοποιώντας την ιδιότητα των υγρών να είναι ασυμπίεστα σε συμβατικές πιέσεις, προωθείται μέσω της περισταλτικής αντλίας νερό μέσα στη φιάλη και ταυτόχρονα εξωθείται από αυτήν με την ίδια ροή αντίστοιχη ποσότητα οργανικού διαλύτη προς το σύστημα FI. 29

30 Σχήμα 3.3. Φιάλες εκτόπισης για την προώθηση οργανικών διαλυτών α) Οργανικός διαλύτης με πυκνότητα μεγαλύτερη του νερού β) οργανικός διαλύτης με πυκνότητα μικρότερη του νερού. Αντλίες σύριγγας Οι πρώτες αντλίες σύριγγας (syringe pumps) που χρησιμοποιήθηκαν λειτουργούσαν με τη βοήθεια ενός περιστρεφόμενου έκκεντρου που ήταν συνδεδεμένο με το πιστόνι της σύριγγας. Η μορφή της αντλίας αυτής ήταν ημιτονοειδής. Αργότερα κυκλοφόρησαν οι αντλίες σύριγγας με σταθερή ροή όπου το πιστόνι είναι από PTFE και κινείται προς τις δυο κατευθύνσεις ηλεκτρονικά (Σχήμα 3.4). 30

31 Σχήμα 3.4. Αντλία συριγγας. Οι περισταλτικές αντλίες είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες αντλίες στα αναλυτικά εργαστήρια, αλλά έχουν υψηλό κόστος αγοράς. Τα βασικά πλεονεκτήματα των αντλιών σύριγγας έναντι των περισταλτικών αντλιών είναι τα εξής. 1) Η προκύπτουσα ροή είναι τελείως ελεύθερη παλμών. 2) Είναι δυνατή η προώθηση πολύ μικρών όγκων ρευστών με εξαιρετική ακρίβεια και επαναληψιμότητα. 3) Είναι ανεπηρέαστες από τα διάφορα διαβρωτικά αντιδραστήρια. 4) Υπάρχει η δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας για πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα χωρίς να μεταβάλλονται τα χαρακτηριστικά απόδοσης τους. 5) Κίνηση της αντλίας προς τις δυο κατευθύνσεις. Παρά τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, οι αντλίες σύριγγας χρησιμοποιούνται σε πολύ μικρότερο βαθμό από τις περισταλτικές αντλίες. Τα βασικά μειονεκτήματα τους είναι: 31

32 1) Απαιτούν ξαναγέμισμα της σύριγγας λόγω της μικρής χωρητικότητας της, η οποία κυμαίνεται από 1-10 ml με αποτέλεσμα να αυξάνεται ο χρόνος του κύκλου της ανάλυσης. 2) Προωθούν ένα μόνο κανάλι με αποτέλεσμα το κόστος αγοράς ανά κανάλι να είναι υψηλό. Συστήματα εισαγωγής δείγματος Τα συστήματα εισαγωγής που χρησιμοποιούνται είναι τα παρακάτω: 1) Η βαλβίδα έγχυσης. 2) Η Παλινδρομική βαλβίδα μετατροπής της ροής. 3) Η σωληνωτή βαλβίδα τριών δρόμων. 4) Η βαλβίδα επιλογής. Το πιο διαδεδομένο σύστημα εισαγωγής δείγματος από τα παραπάνω είναι η βαλβίδα έγχυσης. Με τη χρήση περιστροφικών βαλβίδων έγχυσης (rotary injection valves) επιτυγχάνεται εισαγωγή απόλυτα επαναλήψιμου όγκου δείγματος μέσα στο ρεύμα του μεταφορέα χωρίς διατάραξη της ροής. Ο πιο χρησιμοποιούμενος τύπος βαλβίδας έγχυσης είναι η βαλβίδα 6- οδών 2 θέσεων, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.5. Ο όγκος του εγχυόμενου δείγματος καθορίζεται από τις γεωμετρικές διαστάσεις (μήκος, διάμετρος) του βρόγχου. 32

33 Σχήμα 3.5. Διάγραμμα λειτουργίας περιστρεφόμενης βαλβίδας αντλίας έγχυσης απλού βρόγχου έξι καναλιών δύο θέσεων Στη θέση πλήρωσης, το δείγμα αναρροφάται μέσω του βρόγχου (θέσεις 1,4) και παρασύρει το δείγμα που βρίσκεται μέσα στο βρόγχο. Ταυτόχρονα, το δείγμα συνεχίζει να αναρροφάται (θέσεις 2,3) και οδηγείται προς τα απόβλητα. Η παροχή θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε ο βρόγχος να γεμίζει πλήρως μέχρι την επόμενη έγχυση. Η περιστροφή της βαλβίδας θα πρέπει να ελέγχεται από ηλεκτροκινητήρα με μικροεπεξεργαστή, ώστε να επιτυγχάνεται μεγάλος βαθμός επαναληψιμότητας. Οι βαλβίδες που χρησιμοποιούνται στα συστήματα FI-AS πρέπει να έχουν τη δυνατότητα εκτέλεσης πολλαπλών διεργασιών, να έχουν τη δυνατότητα αυτοματοποίησης και να είναι ανθεκτικές στους διάφορους διαλύτες. 33

34 4. Συστήματα on-line προσυγκέντρωσης που συνδυάζονται με την ατομική φασματομετρία. Μια αποτελεσματική τεχνική για τη βελτίωση του ορίου ανίχνευσης, της εκλεκτικότητας και της επαναληψιμότητας των μεθόδων της ατομικής φασματομετρίας είναι η προσυγκέντρωση και ο/ή διαχωρισμός του προσδιοριζόμενου συστατικού. Επιπλέον επιτυγχάνεται αύξηση της συχνότητας των αναλύσεων, ελαχιστοποίηση των επιμολύνσεων, μείωση των παρεμποδίσεων και μείωση της κατανάλωσης του δείγματος και των αντιδραστηρίων. Συγκεκριμένα η τεχνική FI online προσυγκέντρωσης προσφέρει αυτόματο χειρισμό του δείγματος και των αντιδραστηρίων σε αντίθεση με τις τεχνικές προσυγκέντρωσης που εφαρμόζονται χειροκίνητα. Οι τελευταίες απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή ώστε να αποφεύγεται επιμόλυνση του δείγματος με αποτέλεσμα να καταλήγουν να είναι χρονοβόρες και κουραστικές. Οι διάφορες τεχνικές προσυγκέντρωσης και (ή) διαχωρισμού που συνδυάζονται με την ατομική φασματομετρία κατατάσσονται ανάλογα με τη φύση των χρησιμοποιούμενων φάσεων όπως παρουσιάζονται στο Σχήμα

35 Σχήμα 4.1. Ταξινόμηση των διαφόρων on line τεχνικών προσυγκέντρωσης. Μερικά από τα σημαντικά πλεονεκτήματα των τεχνικών προσυγκέντρωσης είναι: 1) Βελτίωση του ορίου ανίχνευσης, της εκλεκτικότητας και της επαναληψιμότητας. 2) Αυτοματοποίηση των μεθόδων. 3) Ελαχιστοποίηση των επιμολύνσεων. 4) Μείωση των παρεμποδίσεων και της κατανάλωσης του δείγματος και αντιδραστηρίων. των 5) Αύξηση της συχνότητα των αναλύσεων. 35

36 Οι on -line τεχνικές προσυγκέντρωσης που χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερο βαθμό σε συνδυασμό με την ατομική φασματοσκοπίαα για τον προσδιορισμό μετάλλων είναι η εκχύλιση υγρού-υγρού (LLE) και η εκχύλιση στερεής φάσης (SPE). Παρακάτω αναφέρονται ορισμένες μικροτεχνικές τους η εφαρμογή των οποίων αυξάνεται συνεχώς Σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2. Tαξινόμηση μικροτεχνικών της LLE και της SPE. Η εκχύλιση υγρού-υγρού είναι πολύ χρήσιμη και έχει εφαρμοστεί ευρέως σε περιβαλλοντικές, γεωργικές και αγροτικές αναλύσεις. O συνδυασμός της LLE με τη FIA έχει ως αποτέλεσμα την αποφυγή χρήσης μεγάλων ποσοτήτων διαλυτών εκχύλισης και απελευθέρωση τους στο περιβάλλον. Βασίζεται στη σχετική 36

37 διαλυτότητα των προσδιοριζόμενων συστατικών ή προϊόντων τους σε δυο μη αναμίξιμες φάσεις (υδατική και οργανική), στοχεύοντας στη βελτίωση της εκλεκτικότητας και αύξηση της ευαισθησίας της μεθόδου, καθώς και στον πιο αποτελεσματικό διαχωρισμό του προσδιοριζόμενου συστατικού από το υπόστρωμα. Για την απομόνωση του είναι απαραίτητη η ποσοτική απομάκρυνση του από το υδατικό υπόστρωμα του δείγματος με την προσθήκη μη αναμίξιμων διαλυτών. Από την άλλη οι παράγοντες παρεμπόδισης πρέπει να παραμείνουν στην υδατική φάση. Η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας αυτής στηρίζεται στη συγγένεια του προσδιοριζόμενου συστατικού με το διαλύτη εκχύλισης, στην αναλογία των φάσεων και στον αριθμό των εκχυλίσεων. Παρά το γεγονός ότι με την LLE επιτυγχάνεται αποτελεσματική απομάκρυνση των παρεμποδίσεων, η τεχνική αυτή θεωρείται ακριβή, αργή και χαρακτηρίζεται από μεγάλη κατανάλωση τοξικών οργανικών ουσιών, οι οποίες είναι τοξικές τόσο για το περιβάλλον όσο και για τη δημόσια υγεία. Επιπλέον για τον χειρισμό των FI συστημάτων διαχωρισμού υγρού-υγρού απαιτείται υψηλότερος βαθμός εμπειρίας και επιδεξιότητας του χρήστη από άλλα on-line συστήματα διαχωρισμού. Συγκριτικά με την on-line SPE όπου επιτυγχάνεται αποτελεσματικότητα διαχωρισμού της τάξεως του % στην on-line LLE η ανάκτηση κυμαίνεται από 70-90%. 5. Προσυγκέντρωση και/ ή διαχωρισμός με εκχύλιση στερεάς φάσης. Η εκχύλιση στερεάς φάσης (SPE) είναι μια τεχνική με την οποία γίνεται προσυγκέντρωση και (ή) διαχωρισμός του προσδιοριζόμενου συστατικού με απώτερο σκοπό την αύξηση της εκλεκτικότητας και των ορίων ανίχνευσης της αναλυτικής μεθόδου. Η SPE γίνεται απαραίτητη αν ληφθούν υπόψη τα εξής: 1) Ο αυξημένος αριθμός δειγμάτων που πρέπει να αναλυθούν. 37

38 2) Οι απαιτήσεις για ανίχνευση και ποσοτικό προσδιορισμό διαφόρων συστατικών\ο αριθμός των στοιχειών που υπάρχουν στα δείγματα που πρόκειται να αναλυθούν σε συνδυασμό με τις χαμηλές συγκεντρώσεις αυτών στα δείγματα Αρχή της τεχνικής της εκχύλισης στερεάς φάσης Στην τεχνική της SPE το προσδιοριζόμενο συστατικό αλληλεπιδρά με τη στερεή φάση (προσροφητικό υλικό) και κατακρατείται σε αυτή, ενώ τα υπόλοιπα συστατικά του δείγματος εξέρχονται από το σύστημα χωρίς συνήθως να υφίστανται καμία αλληλεπίδραση. Στην εκχύλιση της στερεάς φάσης, η εκλεκτικότητα της προσρόφησης σε διάφορα προσροφητικά υλικά οφείλεται στη μεγάλη ποικιλία χημικών δράσεων, οι οποίες αναπτύσσονται ανάμεσα στα μόρια της ουσίας που πρόκειται να απομονωθεί και στις ενεργές ομάδες του προσροφητικού. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές επηρεάζονται από τη σύνθεση του διαλύτη, την ιονική ισχύ και την τιμή του ph του διαλύματος και διακρίνονται σε: 1) Ιονικές αλληλεπιδράσεις: Λαμβάνουν χώρα ανάμεσα στις φορτισμένες ομάδες του ιοντοανταλλάκτη και στα αντίθετα φορτισμένα ιόντα της ένωσης που πρόκειται να απομονωθούν. 2) Δεσμοί υδρογόνου: Οι δεσμοί υδρογόνου αναπτύσσονται όταν το υδρογόνο είναι ισχυρά ενωμένο με ηλεκτραρνητικό άτομο. 3) Αλληλεπιδράσεις διπόλου- διπόλου και διπόλου επαγόμενου διπόλου : οφείλονται στην αλληλεπίδραση μεταξύ διπολικών μορίων. 4) Δυνάμεις διασποράς: Οι δυνάμεις διασποράς αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων και απαγόμενων διπόλων. Είναι ελκτικές ή απωστικές και είναι πιο ασθενείς από τις αλληλεπιδράσεις εξαιτίας δεσμών υδρογόνου και διπόλου-διπόλου. 38

39 5.2. Πλεονεκτήματα της εκχύλισης στερεάς φάσης Τα πλεονεκτήματα της εκχύλισης στερεάς φάσης συνοψίζονται παρακάτω. 1) Υπάρχει δυνατότητα εκλεκτικής παραλαβής συγκεκριμένων ενώσεων από ποικίλης σύστασης υπόστρωμα. 2) Χρησιμοποίει μικρότερους όγκους διαλύτη και επιτυγχάνεται μεγάλη προσυγκέντρωση με αποτέλεσμα την μεγάλη ευαισθησία στην ανάλυση. 3) Δε σχηματίζονται γαλακτώματα. 4) Απαιτούνται μικροί όγκοι προκατεργασίας. Άρα μεγάλη ταχύτητα. 5) Μπορεί αν εφαρμοστεί είτε on- line είτε off-line. 6) Eπιτυγχάνεται ικανοποιητική απομάκρυνση παρεμποδίσεων. 7) Υπάρχει δυνατότητα αυτοματοποίησης της μεθόδου για ταυτόχρονη προκατεργασία περισσότερων του ενός δειγμάτων. 8) Εξασφαλίζει υψηλές ανακτήσεις ( >90%) για τις προς ανάλυση ενώσεις και υψηλή καθαρότητα. 9) Οι μικροστήλες που χρησιμοποιούνται είναι αναλώσιμες. 10) Επιτυγχάνεται η δυνατότητα ανάλυσης τόσο πτητικών όσο και μη πτητικών ενώσεων. 11) Η μεγάλη εκλεκτικότητα που επιτυγχάνεται λόγω της μεγάλης ποικιλίας των προσροφητικών που χρησιμοποιούνται. 39

40 5.3. Προβλήματα και αντιμετώπιση Παρά τη μεγάλη αποτελεσματικότητα της SPE και τα πλεονεκτήματα της, όπως κάθε τεχνική μπορεί να παρουσιάσει ορισμένα προβλήματα Έτσι είναι δυνατόν να, 1) Υπάρχει ανεπαρκή συγκράτηση των συστατικών. Η λύση σε αυτή τη περίπτωση μπορεί να είναι η προκατεργασία του δείγματος για τη διαφοροποίηση του υποστρώματος. 2) Ανεπαρκή έκλουση των συστατικών. Η λύση σε αυτή τη περίπτωση είναι η χρήση ενός ισχυρότερου εκλουστικού ή ενός λιγότερο ισχυρού προσροφητικού. 3) Ανεπαρκής καθαρισμός του υποστρώματος του δείγματος. Σε αυτή τη περίπτωση η χρήση ενός κατάλληλου διαλύτη για τη πλύση της μικροστήλης και ενός πιο εκλεκτικού προσροφητικού είναι ιδανική. 4) Μη επαναλήψιμη ανάκτηση του συστατικού. 5) Η λύση σε αυτή τη περίπτωση είναι ο έλεγχος της χωρητικότητας ή εκλεκτικότητας του συστήματος. Ακόμη και ο έλεγχος κάθε σταδίου προκατεργασίας του δείγματος για τυχόν απώλειες. 40

41 5.4. Αξιολόγηση των συστημάτων on- line προσυγκέντρωσης Παράγοντας εμπλουτισμού (enrichment factor, EF) O παράγοντας εμπλουτισμού είναι ένα κριτήριο για την εκτίμηση της απόδοσης των συστημάτων προσυγκέντρωσης. Ως παράγοντας εμπλουτισμού ορίζεται ο λόγος ΕF= Όπου C s και C e είναι οι συγκεντρώσεις του προσδιοριζόμενου συστατικού πριν και μετά την προσυγκέντρωση. Πρακτικά όμως ο υπολογισμός του EF δεν είναι τόσο εύκολος και άμεσος επειδή συνήθως η συγκέντρωση της προσδιοριζόμενης ουσίας στο συμπύκνωμα, C e είναι άγνωστη. Εναλλακτικά είναι αποδεκτός ο υπολογισμό του EF από το πηλίκο της κλίσης της καμπύλης αναφοράς στη γραμμική περιοχή της πριν και μετά την προσυγκέντρωση του προσδιοριζόμενου συστατικού στηριζόμενοι στο σήμα του ανιχνευτή. 41

42 Παράγοντας αύξησης της απορρόφησης (enhancement factor, N) O παράγοντας αύξησης της απορρόφησης Ν είναι πιο γενικός όρος από τον EF και αναφέρεται στην αύξηση του λαμβανόμενου σήματος του ανιχνευτή και όχι μόνο εξαιτίας της συγκέντρωσης αλλά εξαιτίας και άλλων παραγόντων όπως για παράδειγμα η διοχέτευση οργανικών διαλυτών σε συστήματα που έχουν ανιχνευτή FAAS. O διαχωρισμός μεταξύ N και ΕF είναι χρήσιμος για να μπορούν να γίνουν αξιόπιστοι υπολογισμοί της απόδοσης της προσυγκέντρωσης. Στο σημείο αυτό είναι απαραίτητο να επισημανθεί πως οι δυο όροι παράγοντας αύξησης της απορρόφησης (N) και παράγοντας εμπλουτισμού (EF) χρησιμοποιούνται από τους περισσότερους ερευνητές χωρίς διαχωρισμό ενώ συνηθισμένο είναι και το φαινόμενο του συμβολισμού του παράγοντα αύξησης της απορρόφησης με EF. Απόδοση προσυγκέντρωσης (concentration efficiency, CE) O παράγοντας εμπλουτισμού, αν και απαραίτητος δε μας παρέχει πάντα επαρκείς πληροφορίες για την απόδοση αυτού. Υψηλές τιμές του παράγοντα εμπλουτισμού δεν σχετίζονται απαραίτητα με υψηλές αποδόσεις προσυγκέντρωσης, αφού αυτές μπορούν να επιτευχθούν με μακρά προσυγκέντρωση πχ μερικών ωρών ή ημερών καταναλώνοντας αρκετά μεγάλη ποσότητα δείγματος. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται και το κριτήριο της απόδοσης συγκέντρωσης. Ως απόδοση προσυγκέντρωσης ορίζεται το γινόμενο του EF επί την συχνότητα των αναλύσεων το λεπτό. Εάν f είναι η συχνότητα των αναλύσεων ανά h τότε η απόδοση συγκέντρωσης δίνεται από τη σχέση: CE= EF(f/60 ) 42

43 Mε τον CE γίνεται τελικά δυνατή η σύγκριση της αποδοτικότητας της προσυγκέντρωσης και σε συστήματα στα οποία η προσυγκέντρωση στηρίζεται σε διαφορετικές αρχές διαχωρισμού Συστήματα οn line προσυγκέντρωσης με στήλη προσυγκέντρωσης Τα βασικά στάδια σε ένα FI σύστημα on-line προσυγκέντρωσης υγρού -στερεού (SPE) είναι: 1) Στάδιο φόρτωσης (loading) του δείγματος. Στο στάδιο αυτό, καθορισμένος όγκος δείγματος περιέχει το προσδιοριζόμενο συστατικό ή τον παρεμποδιστή περνά μέσα από τη στήλη προσυγκέντρωσης ή τον πλεκτό αντιδραστήρα (knotted reactor, KR) και συγκρατείται στην επιφάνεια ενός στερεού προσροφητικού υλικού η στην εσωτερική επιφάνεια του KR. 2) Στάδιο της έκλουσης (elution). Στα στάδιο αυτό με τη βοήθεια ενός εκλουστικού διαλύματος (ανόργανου ή οργανικού) γίνεται η παραλαβή των συγκρατούμενων συστατικών. Η φόρτωση του δείγματος γίνεται με δυο τεχνικές : Την τεχνική με βάση τον όγκο και την τεχνική με βάση το χρόνο, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 5.1. Συγκρίνοντας τις δυο τεχνικές, η τεχνική με βάση τον όγκο απαιτεί περισσότερο χρόνο αφενός για να γεμίσει ο βρόγχος της βαλβίδας έγχυσης με δείγμα και αφετέρου για την πλήρη παραλαβή του δείγματος εξαιτίας της διασποράς σε σχέση με την τεχνική με βάση το χρόνο. 43

44 Σχήμα 5.1. Σχηματική απεικόνιση του σταδίου φόρτωσης του δείγματος, (Α) με βάση τον όγκο και ( Β) με βάση το χρόνο. Η μέτρηση του δείγματος που προσυγκεντρώνεται στη στήλη, όπως έχει ήδη προαναφερθεί μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Ο πρώτος βασίζεται στη μέτρηση του χρόνου και ο δεύτερος στην απευθείας μέτρηση του όγκου του δείγματος που διοχετεύεται στη στήλη. Μετά την εισαγωγή καθορισμένου όγκου δείγματος, εισάγεται με τη βαλβίδα έγχυσης ορισμένη ποσότητα εκλουστικού στο ρεύμα του μεταφορέα και κατόπιν στη στήλη προσυγκέντρωσης. Το προσδιοριζόμενο συστατικό εκλούεται ποσοτικά στον όγκο του εκλουστικού και μεταφέρεται στον ανιχνευτή (FAAS) για μέτρηση όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα 5.2. Σχήμα 5.2. Βασική διάταξη συστήματος οn-line προσυγκέντρωσης με στήλη για FAAS S και E βαλβίδες δείγματος και εκλουστικού, P: περισταλτική αντλία και C: μικροστήλη προσυγκέντρωσης. Aν και οι μεγάλες περιοχές δείγματος στη στήλη είναι γενικά επιθυμητές καθώς προσδίδουν στο σύστημα υψηλές τιμές στους συντελεστές αύξησης της απορρόφησης 44

45 (EF) και στην αποτελεσματικότητα της προσυγκέντρωσης (CE) υπάρχουν ορισμένοι περιοριστικοί παράγοντες. Οι κυριότεροι από αυτούς είναι οι κινητικές ιδιότητες των προσροφητικών και η αδυναμία των αντλιών να διατηρούν ομαλή ροή παρά τη παρουσία υψηλών πιέσεων αντίδρασης της στήλης. Συνήθως ο περιοριστικός παράγοντας είναι οι κινητικές ιδιότητες ορισμένων προσροφητικών. Οι κινητικές ιδιότητες των υλικών πλήρωσης παίζουν καθοριστικό ρόλο στην καταλληλότητα χρήσης ενός προσροφητικού υλικού στις στήλες προσυγκέντρωσης στα συστήματα της FIA. Επίσης οι υπερβολικά υψηλές τιμές παροχής κατά το στάδιο της φόρτωσης της στήλης έχουν σαν αποτέλεσμα την μη αποτελεσματική προσρόφηση του προσδιοριζόμενου συστατικού εξαιτίας του ανεπαρκούς χρόνου επαφής με το υλικό πλήρωσης. Για το λόγο αυτό η αύξηση της ευαισθησίας δεν είναι απολύτως ανάλογη με την αύξηση του χρόνου φόρτωσης του δείγματος στη στήλη. Με αύξηση της παροχής επέρχεται μείωση στο συντελεστή κατανομής μεταξύ των δυο φάσεων, της στερεάς φάσης του προσροφητικού και της υγρής φάσης του διαλύτη. Στα συστήματα που βασίζονται στην μέτρηση του χρόνου, για καθορισμένο όγκο δείγματος κατά την αύξηση της παροχής φόρτωσης της στήλης υπάρχει πάντα μια τιμή στην οποία παρατηρείται μέγιστη απορρόφηση ενώ για μεγαλύτερες τιμές η απορρόφηση μειώνεται λόγω ανεπαρκούς χρόνου επαφής. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι ο καθορισμός της βέλτιστης τιμής παροχής φόρτωσης του δείγματος στη στήλη πρέπει να γίνεται έπειτα από συνολική εκτίμηση της αύξησης της ευαισθησίας και εκλεκτικότητας του συστήματος. Πολλές φορές επέρχεται ένας συμβιβασμός μεταξύ των δύο αυτών παραμέτρων. Σε ότι αφορά την έκλουση, χρησιμοποιούνται ισχυροί οργανικοί και ανόργανοι διαλύτες σε αντίθεση με τις κλασσικές τεχνικές που χρησιμοποιούν και ασθενείς διαλύτες. Στα FI συστήματα θα πρέπει η έκλουση να είναι σύντομη και άμεση καθώς σε αντίθετη περίπτωση θα έχουμε αύξηση του εύρους της καταγραφόμενης κορυφής και μείωση του μεγίστου ύψους του σήματος. Όλοι οι διαλύτες δεν είναι κατάλληλοι για έκλουση, δηλαδή διαλύτες οι οποίοι προσβάλλουν το υλικό σε λιγότερο από 100 εκλούσεις δεν είναι κατάλληλοι για τη διαδικασία. Ορισμένοι διαλύτες ισχυρώς βασικοί ή όξινοι μπορεί να είναι πολύ αποτελεσματικοί και να μην προσβάλλουν το υλικό, αλλά να δημιουργούν 45

46 προβλήματα στο τμήμα της εκνέφωσης (nebulizer) στον ανιχνευτή εξαιτίας διαβρώσεων. Η εν ο ροή εξουδετέρωση και αραίωση του εκλουστικού είναι εφικτή αλλά συνεπάγεται μείωση της ευαισθησίας. Στα συστήματα FI-FAAS η χρήση οργανικών διαλυτών για την έκλουση της στήλης επιφέρει μια επιπλέον αύξηση της τιμής της απορρόφησης. Αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για επιλογή του κατάλληλου διαλύτη έκλουσης. Σε ότι αφορά τη παροχή του εκλουστικού μέσα στη στήλη, χωρίς να λάβουμε υπόψη μας πιθανούς περιορισμούς των ανιχνευτικών συστημάτων (αναρρόφηση νεφοποιητή) η βέλτιστη τιμή εξαρτάται από το πόσο αποτελεσματική είναι η εκλουστική ικανότητα του χρησιμοποιημένου διαλύτη. Για την μέγιστη τιμή του παράγοντα αύξησης του σήματος (Ν) η ροή του εκλουστικού θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματικότερη έκλουση και μικρότερη διασπορά του προσδιοριζόμενου συστατικού Διασπορά κατά το στάδιο της φόρτωσης της στήλης προσυγκέντρωσης. Με τον όρο διασπορά στα συστήματα on-line προσυγκέντρωσης εκτός από τη διασπορά του προσδιοριζόμενου συστατικού μέσα στον διαλύτη έκλουσης, πρέπει να λάβουμε υπόψη και τη διασπορά του προσδιοριζόμενου συστατικού μέσα στη στήλη (στάδιο φόρτωσης έκλουσης). Στη στήλη η διασπορά του δείγματος επηρεάζεται επιπλέον και από άλλους παράγοντες σε σύγκριση με αυτήν που λαμβάνει χώρα στα σωληνάκια του συστήματος. Μερικοί από αυτούς είναι η διάταξη του συστήματος ροής, η θέση της και οι γεωμετρικές διαστάσεις της στήλης, οι ιδιότητες τόσο του προσροφητικού όσο και του εκλουστικού συστήματος και τέλος οι συνθήκες λειτουργίας του συστήματος δηλαδή οι παροχές φόρτωσης και έκλουσης του δείγματος στη στήλη. Σε συστήματα 46

47 που η στήλη είναι πακτωμένη κατά τέτοιο τρόπο ώστε το προσροφητικό να είναι ακίνητο μέσα στη στήλη, οι επιδράσεις στη διασπορά είναι περιορισμένες. Όταν το υλικό πλήρωσης που χρησιμοποιούμε είναι αδρανές τότε η συνεισφορά του στη διασπορά του δείγματος και η συμπεριφορά του είναι τελείως διαφορετική από όταν το υλικό είναι ενεργό. Το σημείο όπου βρίσκεται η μεγαλύτερη ποσότητα δείγματος είναι το σημείο εισαγωγής, δηλαδή στην αρχή της στήλης. Στο στάδιο της έκλουσης χρησιμοποιείται η τεχνική της αντίστροφης ροής, δηλαδή η έκλουση γίνεται με αντίθετη φορά από αυτή του σταδίου φόρτωσης. Αυτή η τεχνική εφαρμόζεται για την ελαχιστοποίηση της διασποράς του δείγματος κατά το στάδιο της έκλουσης και για την αποφυγή της διατάραξης του υλικού πλήρωσης που μπορεί να συμπυκνωθεί σε κάποιο σημείο της στήλης, με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η ροή στο σύστημα Διασπορά κατά το στάδιο της έκλουσης της στήλης προσυγκέντρωσης Στις μεθόδους on-line προσυγκέντρωσης με την εκχύλιση στερεάς φάσης χρησιμοποιούνται συνήθως ισχυροί διαλύτες έκλουσης, οι οποίοι δεν πρέπει να προσβάλλουν το υλικό πλήρωσης της στήλης σε αντίθεση με τις off-line μεθόδους (batch) όπου γίνεται και χρήση ασθενών διαλυτών. Έτσι οι διαλύτες που χρησιμοποιούνται κατά το στάδιο έκλουσης της στήλης είναι ισχυροί οργανικοί και ανόργανοι. Η έκλουση στα συστήματα αυτά πρέπει να γίνεται σύντομα και άμεσα έτσι ώστε να μην παρατηρείται μείωση του μέγιστου ύψους και αύξηση του εύρους της κορυφής. Η ζώνη του δείγματος που εκλούεται από τη στήλη οδηγείται είτε απευθείας στον ανιχνευτή είτε μετατρέπεται πρώτα σε ανιχνεύσιμο προϊόν και μετά οδηγείται στον ανιχνευτή. 47

48 Όταν η εισαγωγή του δείγματος γίνεται απευθείας στον ανιχνευτή όπως στο φλογοφασματόμετρο και στο επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα, τότε η μεταφορά πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συντομότερη προς αποφυγή άσκοπης διασποράς του προσυγκεντρωμένου προϊόντος. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση βραχύτερων και στενότερων σωληνώσεων. Αν και σε αυτό το τμήμα του συστήματος η διασπορά παραβλέπεται για την επίτευξη βέλτιστων συνθηκών απαιτείται ελαχιστοποίηση της εφαρμόζοντας μικρές στήλες προσυγκέντρωσης με στενή ζώνη δείγματος. Ο σωλήνας που συνδέει τη στήλη με τον ανιχνευτή συνίσταται να μην υπερβαίνει τα 20 cm σε μήκος και τα 0,35 mm σε διάμετρο Τύποι στηλών προσυγκέντρωσης Τα γεωμετρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά της στήλης επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος προσυγκέντρωσης συνεχούς ροής. 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. Η διάμετρος της στήλης εκτείνεται από 1,5 mm έως και 7,5 mm. Στο επόμενο Σχήμα 5.3 παρουσιάζονται τρεις μορφές στηλών που χρησιμοποιούνται σε συστήματα οn-line προσυγκέντρωσης. 48

49 Σχήμα 5.3. Mορφές στηλών που χρησιμοποιούνται σε συστήματα on-line προσυγκέντρωσης Α: Στήλη σταθερού μεγέθους με εσωτερική κυλινδρική κοιλότητα και συνδέσεις push -fi, B: Στήλη σταθερού μεγέθους,ε εσωτερική κυλινδρική κοιλότητα και βιδωτές συνδέσεις, C: κωνική στήλη κατασκευασμένη από ακροφύσιο (tip) πιπέτας με συνδέσεις push- fit. Οι απαιτήσεις μιας στήλης προσυγκέντρωσης που χρησιμοποιείται σε on line συστήματα είναι οι ακόλουθες: 1) 2) 3) 4) 5) Μεγάλη χωρητικότητα προσρόφησης. Μικρή διασπορά. Μικρή υδροδυναμική επίδραση στο σύστημα ροής. Μεγάλη αξιοπιστία και σταθερότητα για μεγάλες χρονικές περιόδους λειτουργίας. Μεγάλη διάρκεια ζωής. Τουλάχιστον μερικών εκατοντάδων κύκλων. 49

50 Η βελτίωση της σχεδίασης της στήλης για την επίτευξη μέγιστης απόδοσης και χαμηλής κατανάλωσης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως ο όγκος του δείγματος, η παροχή του δείγματος, το είδος και το μέγεθος του υλικού πλήρωσης, οι φυσικοχημικές ιδιότητες του υλικού προσρόφησης για το προσδιοριζόμενο συστατικό και η ένταση των παρεμποδιστών Υλικά πλήρωσης στηλών Οι κινητικές ιδιότητες των υλικών πλήρωσης των στηλών παίζουν καθοριστικό ρόλο κατά την επιλογή τους. Οι ιδιότητες που πρέπει να έχουν τα υλικά πλήρωσης των στηλών FΙ συνοψίζονται στα παρακάτω: 1) Να παρουσιάζουν φυσική και χημική σταθερότητα για τουλάχιστον 500 κύκλους προσυγκέντρωσης. 2) Να εμφανίζουν αμελητέα διόγκωση η συρρίκνωση κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας. 3) Οι κινητικές τους ιδιότητες πρέπει να επιτρέπουν εύκολη συγκράτηση και γρήγορη έκλουση του προσδιοριζόμενου συστατικού από κατάλληλο εκλουστικό διάλυμα. Η μεγάλη ποικιλία των διαθέσιμων προσροφητικών υλικών εξηγεί μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητες της εκχύλισης στερεάς φάσης που είναι η εκλεκτικότητα. Η εκλεκτική εκχύλιση ενός στοιχείου από ιόντα αποτελεί πρόκληση για την εύρεση του κατάλληλου υλικού ικανού να δεσμεύει εκλεκτικά το μεταλλικό ιόν. Τα προσροφητικά υλικά μπορούν σε πρώτη φάση να κατηγοριοποιηθούν σε ανόργανα (silica gel-sio 2, alumina -Al 2 O 3, magnesia-mgo και άλλα είδη οξειδίων ) Σχήμα 5.4 και σε οργανικά Σχήμα

51 Η χρήση ιοντοανταλλακτικών ρητίνων ως προσροφητικά υλικά είναι αρκετά συχνή με αντιπροσωπευτικά παραδείγματα τα chelex 100 και CPG-8Q. To chelex 100 εμφανίζει πολύ καλή εκλεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα, εντούτοις η χρήση του σε συστήματα FI on line προσυγκέντρωσης έχει μειωθεί εξαιτίας των αργών κινητικών του ιδιοτήτων και του γεγονότος ότι οι γεωμετρικές του διαστάσεις υφίστανται σημαντική μεταβολή κατά τη χρήση του. Το CPG-8Q από τη πλευρά του είναι ένας χηλικός ιοντοανταλλάκτης που συνίσταται από γυάλινα πορώδη σφαιρίδια στην επιφάνεια των οποίων βρίσκεται ακινητοποιημένη η 8- υδροξυκινολίνη και χαρακτηρίζεται από εξαιρετικές μηχανικές και κινητικές ιδιότητες με σχετικά όμως μικρή χωρητικότητα. Η χρήση του για ανάλυση δειγμάτων φυσικού νερού είναι περιορισμένη. Άλλες ιοντοανταλλακτικές ρητίνες που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι οι Chinese origin 122 resin, Chinese resin 501, Amberlite IRA-743, Poly (dithiocarbamate) (PDTC) και carboxymethylated poly (ethylenimine ) isocyanate (CPPI) Iοντοανταλλάκτες χωρίς χηλική ομάδα συνήθως δεν είναι αρκετά εκλεκτικοί ώστε να χρησιμοποιηθούν σε FI συστήματα στα οποία η χωρητικότητα της στήλης είναι περιορισμένη και ο χρόνος επαφής του δείγματος με το προσροφητικό υλικό εξαιρετικά μικρός. Παρόλο αυτά, ορισμένα προς προσδιορισμό κατιόντα μπορούν να μετατραπούν σε ανιονικά συστήματα (πχ σύμπλοκα χλωρίου του Τi) και να συγκρατηθούν σε ισχυρά βασικούς ιοντοανταλλάκτες παρουσία άλλων κατιονικών συστατικών του υποστρώματος που δρουν παρεμποδιστικά στην ανάλυση. Τέτοιες στήλες έχουν χρησιμοποιηθεί και ως μέσα καθαρισμού και απομάκρυνσης ανιονικών παρεμποδιστών. Στη βιβλιογραφία έχουν αναφερθεί περιπτώσεις προσυγκέντρωσης ορισμένων ανιόντων σε στήλες με ανιοανταλλάκτη. Η χρήση των τελευταίων περιορίζεται κυρίως στον εν ροή διαχωρισμό κατιονικών παρεμποδιστών. Η συγκράτηση μέταλλο συμπλόκων με μικρή πολικότητα από την υδατική φάση με τη χρήση ενός μη πολικού ή μετρίως πολικού προσροφητικού υλικού και προσρόφηση αντίστροφης φάσης εμφανίζει πλεονεκτήματα σε σχέση με ιονοανταλλακτικά συστήματα. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο προσροφητικό υλικό 51

52 για τη συγκράτηση των μέταλλο-συμπλόκων είναι το C 18. Η έκλουση των συμπλκοποιημένων μετάλλων πραγματοποιείται με κατάλληλους διαλύτες, όπως η μεθανόλη και αιθανόλη. Τα συστήματα με προσροφητι ικό C 18 χρησιμοποιούνται συχνότερα για συγκράτηση οργανικών μεταλλικών συμπλόκων. Παρεμποδίσεις από κοινά στοιχεία όπως το ασβέστιο και το μαγνήσιο εμφανίζονται σε πολύ μικρότερο βαθμό σε σύγκριση με συστήματα που χρησιμοποιούν χηλικούς ιοντοαναλλάκτες. Δυστυχώς το συχνά μικρό μέγεθος των κόκκων του προσροφητικού υλικού 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. C 18 Σχήμα 5.4. Προσροφητικά υλικά με ανόργανο υπόβαθρο. 52

53 Η πηκτή πυριτίου (silica gel) έχει χρησιμοποιηθεί ως προσροφητικό υλικό κυρίως σε συστήματα με ανιχνευτή ICP με την όξινη μορφή της για τη προσυγκέντρωση όξο ανιόντων. Χαρακτηρίζεται από μεγάλη σταθερότητα για μακρά χρονικά διαστήματα τόσο σε όξινες όσο και σε βασικές συνθήκες. Έχει μεγάλη μηχανική αντοχή και μπορεί να υποστεί με θερμική επεξεργασία. Ακόμη μπορεί να συνδυαστεί με χειλικά προσροφητικά με μεγάλη σταθερότητα ή να αντιδράσει με αυτά για ακόμη μεγαλύτερη σταθερότητα. Παρουσιάζει μεγάλη προσροφητική ικανότητα για ιόντα όπως Cu, Ni, Co, Zn και Fe. H προσροφητική ικανότητα της ενεργής αλουμίνας εξαρτάται άμεσα από το ph. H προτεινόμενη τιμή του ph είναι 7,5 8. Για όξινο ph επιτυγχάνεται μεγάλη μείωση της ενώ για βασικό, χαμηλή ευαισθησία καθώς και υδρόλυση του προσροφητικού υλικού. Έχει βρεθεί ότι με μετατροπή της επιφάνειας της ενεργής αλουμίνας επιτυγχάνεται προσρόφηση των διαφόρων ουσιών με μεγάλη εκλεκτικότητα. Από την άλλη, οι οργανικές προσροφητικές ουσίες μπορούν να ταξινομηθούν σε πολυμερή και μη πολυμερή. Τα πολυμερή υπήρξαν μέχρι πρόσφατα τα περισσότερο χρησιμοποιούμενα, έχοντας το πλεονέκτημα της επιλογής τιμών ph από ολόκληρη την κλίμακα ph. To μειονέκτημα τους αφορά τον πολύ καλό καθαρισμό τους πριν τη χρησιμοποίηση τους. Στο πρόσφατο παρελθόν μελετήθηκαν τα προβλήματα που παρουσιάζουν τα προσροφητικά C 18 και έγινε σύγκριση αυτών των προσροφητικών με τα πολυμερή δεσμευμένα σε πηκτή πυριτίου. 53

54 Σχήμα 5.5. Προσροφητικά υλικά με οργανικό υπόβαθρο. Τα πολυμερή της σειράς του XAD (Amberlite XAD) έχουν χρησιμοποιηθεί περιστασιακά σε συστήματα προσυγκέντρωσης. Πρόκειται για ρητίνες με ισχυρά υδρόφοβο χαρακτήρα και όχι ιοντοανταλλακτική ικανότητα. Εξαιτίας αυτού του υδροφοβικού χαρακτήρα στο PS-DVB, η συγκράτηση των στοιχείων σε αυτού του είδους προσροφητικά υλικά απαιτούν τη προσθήκη ενός συμπλόκου στο δείγμα. Το XAD 7 και XAD 8 είναι πολυακρυλικά πολυμερή. Το πολυμερές DVB-VP έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε προσδιορισμό πολικών οργανικών ουσιών σε δείγματα νερού. Η χρήση του είναι προτιμότερη σε σχέση με τα κλασσικά προσροφητικά αφού μπορεί να διαβραχεί κατά την εξαγωγή χωρίς να χάσει την ικανότητα του να κατακρατεί ουσίες. Ακόμη είναι σταθερό για ολόκληρη την κλίμακα του ph. Ο αφρός πολυουρεθάνης (PUF) έχει χρησιμοποιηθεί τελευταία με επιτυχία για την on line συγκέντρωση και διαχωρισμό διαφόρων στοιχείων όπως Co, Pb, Zn, Ni, Cd και Ga τόσο με τη μορφή τεμαχίων όσο και με τη συμπαγή μορφή διατηρώντας τη σπογγώδη αρχική δομή του. 54

55 Το πολυτετραφθοαιθυλένιο (PTFE) αποτελεί άριστο προσροφητικό υλικό για την πλήρωση στηλών προσυγκέντρωσης. Χρησιμοποιήθηκε με τη μορφή ξυσμάτων για την προσρόφηση συμπλόκων του χαλκού με πυρρολίδινο διθειοκαρβαμιδικό αμμώνιο (APDC). Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ικανοποιητικά λόγω μη εμφάνισης αυξημένης τιμής πίεσης αναχαίτισης. Η μορφή αυτή του PTFE παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των σφαιριδίων PTFE κυρίως κατά το στάδιο έκλουσης, όταν χρησιμοποιείται η MIBK (μη πολικός διαλύτης) για την άμεση παραλαβή του προσυγκεντρωμένου συστατικού. To PTFE σφαιρίδια με τη χρήση του ΜΙΒΚ συσσωματώνονται λόγω αφενός της πλήρης διαβροχή τους από τον οργανικό διαλύτη και αφετέρου λόγω της ελαστικότητας τους με αποτέλεσμα να φράσουν τη ροή. Επίσης ως υλικό προσρόφησης χρησιμοποιήθηκαν μαγιά και άλγη ακινητοποιημένη σε γυάλινα πορώδη σφαιρίδια (CPG) για τον προσδιορισμό ιχνών μετάλλων. Η εκλεκτικότητα των υλικών αυτών δε φαίνεται να είναι σημαντική παρά τις καλές κινητικές τους ιδιότητες για ορισμένα μέταλλα. Το πολύ-χλωροτρίφθορο αιθυλένιο (PCTFE) με εμπορική ονομασία Neoflon ή Kel-F αποτελεί ένα υδρόφοβο μη πολικό προσροφητικό υλικό το οποίο χαρακτηρίζεται από μηχανική σταθερότητα και χημική αδράνεια. Έχει χρησιμοποιηθεί για το on-line προσδιορισμό του χαλκού μολύβδου χρωμίου και καδμίου με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα. Εκτός από τα παραπάνω προσροφητικά υπάρχουν και κάποια άλλα γραμμικά πολυμερή όπως η πολυανιλίνη (PANI) η πολύ Ν- μεθυλανιλίνη (PNMA), η πολυδιφαίνυλαμίνη (PDPA) και το πολυπυρρόλιο (PPy). Tα πολυμερή αυτά λόγω της γραμμικότητας τους έχουν συγκεκριμένες επιφάνειες προσρόφησης χαμηλότερες των 40m 2 g -1. Παρόλα αυτά η παρουσία των ατόμων αζώτου στη δομή τους βελτιώνει και τη συγκράτηση των πολικών συστατικών. Άλλες δυο κατηγορίες βελτιωμένων πολυμερών προσροφητικών για την εκχύλισης πολικών συστατικών αποτελούν οι μονόλιθοι (monoliths) και οι πολλαπλοί ομόκεντροι νανοσωλήνες άνθρακα (multi- walled carbon nanotubes, MWCNTs). Οι μονόλιθοι αποτελούν άκαμπτες δομές με κατάλληλη ισορροπία μεταξύ μικρών πόρων (επιφάνεια προσρόφησης για απαιτούμενες αλληλεπιδράσεις) και 55

56 μεγάλων πόρων (επιτρέπουν τη ροή υγρών σε χαμηλές πιέσεις). Οι μονολιθικές στήλες χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της ευκολίας προετοιμασίας τους από μεγάλη ποικιλία υλικών και των ικανοποιητικών αποτελεσμάτων που επιτυγχάνονται. Έχουν εφαρμοστεί τόσο σε συνδυασμό με την υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (HPLC) όσο και με την τριχοειδή ηλεκτροφόρηση (CEC) για τον προσδιορισμό μικρών μορίων πεπτιδίων, πρωτεϊνών κ.α. Οι νανοσωλήνες άνθρακα (Σχήμα 5.6) είναι κυλινδρικές επιφάνειες που σχηματίζονται από δικτυώματα ατόμων άνθρακα (grapheme). Οι κύλινδροι αυτοί είναι κλειστοί και στις δυο πλευρές με καπάκια που περιέχουν πενταγωνικούς δακτύλιους. Όταν υπάρχουν πολλοί ομόκεντροι κύλινδροι ατόμων άνθρακα τότε προκύπτουν οι MWCNTs (Σχήμα 5.7) λόγω των ηλεκτρικών, μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων τους οι MWCNTs έχουν πολλές δυνατότητες σε διάφορα πεδία. Εκτός των διαφόρων εφαρμογών τους, χρησιμοποιούνται και στη χημική ανάλυση για την εκχύλιση οργανικών ενώσεων σε υδατικά διαλύματα. Σχήμα 5.6. Νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs). 56

57 Σχήμα 5.7. Πολλαπλοί ομόκεντροι νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs). Περιγραφική στατιστική αποτελεσμάτων Παρακάτω παρατίθενται διάφοροι ορισμοί των κυριοτέρων παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στη στατιστική μελέτη των αποτελεσμάτων των μετρήσεων μιας αναλυτικής μεθόδου. 1. Μέση τιμή (mean) Eίναι η αριθμητική τιμή που αποκτάται με διαίρεση του αθροίσματος μιας σειράς μετρήσεων προς τον αριθμό των μετρήσεων. 2. Διάμεση τιμή (median) Είναι η τιμή γύρω από την οποία κατανέμονται εξίσου όλες οι τιμές μιας σειράς μετρήσεων. Αν η σειρά των μετρήσεων είναι περιττός αριθμός η διάμεση τιμή 57

58 προσδιορίζεται απευθείας αν είναι άρτιος τότε είναι ο μέσος όρος του κεντρικού ζεύγους τιμών. Στην ιδανική περίπτωση μέση και διάμεση τιμή ταυτίζονται. 3. Ακρίβεια μεθόδου (accuracy) Eφαρμόζεται με το απόλυτο σφάλμα (absolute error), E, δηλαδή τη διαφορά μεταξύ της τιμής x j μιας μετρούμενης ιδιότητας ή συγκέντρωσης ή άλλου μεγέθους και της πραγματικής τιμής της μ: Ε = x j μ 4. Ανάκτηση (recovery) Eκφράζει την ακρίβεια της μεθόδου και υπολογίζεται με βάση την τιμή της μετρούμενης συγκέντρωσης σε ένα δείγμα, όταν είναι γνωστή η πραγματική τιμή του είτε από πιστοποίηση, είτε από προσθήκη από τον αναλυτή είτε από εφαρμογή άλλης πρότυπης μεθόδου. Υπολογίζεται δε από τη σχέση: R % = X j.100/μ 5. Επαναληψιμότητα της μεθόδου (repeatability) Εκφράζεται με τη σχετική τυπική απόκλιση (relative standard deviation), s r, δηλαδή το λόγο της τυπικής απόκλισης s μιας σειράς Ν μετρήσεων της ίδιας θεωρητικής συγκέντρωσης προς τη μέση τιμή των μετρήσεων αυτών (η σχετική τυπική απόκλιση εκφράζεται επίσης και επί τοις εκατό) s r = s / 58

59 H σειρά των μετρήσεων αποτελείται από μετρήσεις του ίδιου δείγματος αλλά στις ίδιες εργαστηριακές συνθήκες. Mια μέθοδος είναι τόσο πιο επαναλήψιμη, όσο μικρότερη είναι η υπολογιζόμενη σχετική τυπική απόκλιση. 6. Αναπαραγωγικότητα (reproducibility) Εκφράζεται επίσης με τη σχετική τυπική απόκλιση s r δηλαδή το λόγο της τυπικής απόκλισης s μιας σειράς Ν μετρήσεων της ίδιας θεωρητικής συγκέντρωσης, προς τη μέση τιμή των μετρήσεων αυτών. Η διαφορά της όμως από την επαναληψιμότητα είναι ότι αυτή αναφέρεται σε σειρά Ν μετρήσεων που λαμβάνονται επί του ιδίου δείγματος αλλά με διαφορετικές εργαστηριακές συνθήκες. Πολλές φορές η επαναληψιμότητα και η αναπαραγωγικότητα περιγράφονται συνολικά σαν αβεβαιότητα του προσδιορισμού (uncertainty). 7. Eυαισθησία μεθόδου S (sensitivity) Oρίζεται ως η κλήση της ευθείας ελάχιστων τετραγώνων (καμπύλη αναφοράς της μεθόδου) και εκφράζει τη μεταβολή του μετρούμενου μεγέθους ή σήματος ή ιδιότητας, ανά μονάδα μεταβολής της συγκέντρωσης του προσδιοριζόμενου στοιχείου. 8. Όριο ανίχνευσης (detection limit) LOD Ορίζεται ως η ελάχιστη συγκέντρωση του προσδιοριζόμενου στοιχείου σε διάλυμα ή οποία μπορεί να ανιχνευθεί με βεβαιότητα 99,6%. 59

60 Στην πράξη εκφράζει τη συγκέντρωση του στοιχείου που δίνει τιμή μέτρησης x L ίση με τη μέση τιμή των μετρήσεων μιας σειράς από λευκούς προσδιορισμούς, αυξημένη κατά το τριπλάσιο της τυπικής απόκλισης s b αυτών των προσδιορισμών. x L = b + k s b To όριο ανίχνευσης πρακτικά υπολογίζεται από την εξίσωση c L = x L b / S Kαι επειδή για πιθανότητα 99,6 % είναι κ=3 προκύπτει ότι : c L (k=3) = 3s b / S Όσο μικρότερη είναι η τυπική απόκλιση s b ή όσο μεγαλύτερη είναι η ευαισθησία μιας μεθόδου, τόσο μικρότερο γίνεται το όριο ανίχνευσης. 9. Όριο ποσοτικού προσδιορισμού (quantitation limit ), c Q ή LOQ To όριο ποσοτικού προσδιορισμού εκφράζει τη συγκέντρωση του στοιχείου που δίνει τιμή μέτρησης x Q ίση με τη μέση τιμή των μετρήσεων b μιας σειράς από λευκούς προσδιορισμούς, αυξημένη κατά το δεκαπλάσιο της τυπικής απόκλισης s b αυτών των προσδιορισμών x Q = b + 10 s b Το όριο ποσοτικού προσδιορισμού υπολογίζεται από την εξίσωση: η οποία παίρνει τη μορφή: c Q = Q 60

61 c Q = 10. Γραμμική ή δυναμική περιοχή της μεθόδου (linear or dynamic range) Αυτή αποτελεί το εύρος συγκεντρώσεων του στοιχείου που δίνουν τιμές της μετρούμενης ιδιότητας ανάλογα με τη συγκέντρωση. Πρακτικά περιγράφεται από την περιοχή συγκεντρώσεων όπου η καμπύλη αναφοράς είναι ευθεία γραμμή ή τουλάχιστον περιγράφεται ικανοποιητικά από την εξίσωση της ευθείας παλινδρόμησης. Στην τελευταία περίπτωση, η προσαρμογή των πειραματικών τιμών στην ευθεία παλινδρόμησης περιγράφεται ποσοτικά από το γραμμικό συντελεστή συσχέτισης r. Όταν ο συντελεστής r είναι μεγαλύτερος από 0,99 ( r>0,99) η γραμμικότητα είναι ικανοποιητική εξαιρετική. ενώ για r >0,999 η γραμμικότητα είναι 11. Εκλεκτικότητα (selectivity) Περιγράφεται από το σύνολο των ουσιών που παρεμποδίζουν σε σημαντικό βαθμό τον ακριβή προσδιορισμό του συστατικού. Συνήθως υπολογίζονται οι οριακές συγκεντρώσεις στις οποίες οι ουσίες αυτές (παρεμποδιστές) προκαλούν θετική ή αρνητική απόκλιση στη μέτρηση της τάξης του 1% έως 5%. 61

62 6. OASIS HLB H OASIS HLB είναι ένα εμπορικά διαθέσιμο παγκοσμίως αναγνωρισμένο προσροφητικό υλικό, το οποίο χαρακτηρίζεται ως μικροπορώδες πολυμερές με συγκεκριμένη επιφάνεια προσρόφησης της τάξεως των 800 m 2 g -1 περίπου. Είναι κατασκευασμένο από δυο μονομερή το λιπόφιλο divinylbenzene DVB και το υδρόφιλο Ν- vinylpyrrolidone σε αναλογία 1:1. CH 2 CH HC CH 2 Divinylbenzene CH 2 N CH O N-vinylpyrrolidone 62

63 To προσροφητικό υλικό της μικρο- στήλης OASIS HLB είναι σταθερό σε ακραίες τιμές ph από 1 έως 14, έχει μεγάλη χωρητικότητα και είναι ανεπηρέαστο από τους συνηθισμένους οργανικούς διαλύτες (μεθανόλη, αιθανόλη, ακετονιτρίλιο). Χαρακτηρίζεται από πολύ μεγάλη ικανότητα συγκράτησης τόσο πολικών όσο και μη πολικών συστατικών με χωρητικότητα τρεις φορές τουλάχιστον μεγαλύτερη από άλλα προσροφητικά υλικά, που βασίζονται στο διοξείδιο του πυριτίου όπως το C 18 και μεγάλη επανηληψιμότητα. Επίσης το φαινόμενο της υδρόφοβης συσσωμάτωσης (hydrophobic collapse) που παρατηρείται σε ανάλογα υλικά εξουδετερώνεται. Το προσροφητικό υλικό OASIS ΤΜ HLB είναι στιβαρό με πολύ καλά χαρακτηριστικά επίδοσης και εφαρμόζεται με τη τεχνική της αντίστροφης φάσης σε απλές μεθόδους ακόμη και σε ξηρή κατάσταση. Ένα χαρακτηριστικό του προσροφητικού αυτού είναι οι εξαιρετικές ανακτήσεις που προκύπτουν. Τα περισσότερα πολικά συστατικά όπως καφεΐνη, ανιλίνη και φαινόλη μπορούν να απομονωθούν σε σταθερά υψηλά επίπεδα ακόμη και από δείγματα με συγκεντρώσεις της τάξεως των pg ml -1 χωρίς να υπάρχει ανησυχία για χαμηλές ανακτήσεις, όπως συμβαίνει στη περίπτωση του C 18 καθώς και άλλων πολυμερών προσροφητικών. Στη σειρά OASIS περιλαμβάνονται και οι εξής κατηγορίες (Σχήμα 6.1). 63

64 Σχήμα 6.1. Σχηματική αναπαράσταση των προϊόντων OASIS. ΟASIS MCX: Στήλη που στηρίζεται σε κατιονική ανταλλακτική και αντίστροφης φάσης προσροφητικό υλικό για βάσεις. Εμφανίζει υψηλή εκλεκτικότητα σε βασικά μόρια. ΟASIS WAX: Mίγμα ανιοανταλλακτικού και αντίστροφης φάσης προσροφητικού. ΟASIS WCX: Μίγμα ασθενούς κατιοναταλλκτικού και αντίστροφης φάσης προσροφητικού. Συγκρατεί και απελευθερώνει ισχυρές βάσεις. 64

65 ΟASIS MAX: Mίγμα ανιο-ανταλλακτικού και αντίστροφης φάσης υλικό για οξέα. Υψηλή εκλεκτικότητα για όξινα υποστρώματα. προσροφητικό Το υλικό ΟASIS-ΗLBB είναι διαθέσιμο σε μορφή διαχωριστικής μικροστήλης, σε πέντε μεγέθη (60μm, 30 μm, 25 μm, 15 μm και 5 μm) ) και δίνει τη δυνατότητα επιλογής του κατάλληλου προϊόντος ανάλογαα με τον όγκο, το ιξώδες και τη θολερότητα του δείγματος. Οι μικροστήλες ΟASIS-ΗLB έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τον προσδιορισμό διαφόρων οργανικών ενώσεων με διάφορος ανιχνευτές, όπως HPLC, LC/ /MS/MS [1]. 7. Xρώμιο Το χρώμιο είναι χημικό στοιχείοο με σύμβολο Cr και ατομικό αριθμό 24. Είναι αργυρόλευκο γυαλιστερό και σκληρό μέταλλο με υψηλό σημείο τήξης. Το όνομά του προέρχεται από την ελληνική λέξη «χρώμα», επειδή έχει πολλές έγχρωμες ενώσεις. H βιομηχανία το χρησιμοποιεί για την παρασκευή εντυπωσιακών μεταλλικών αντικειμένων. Οι ενώσεις του είναι συνήθως τοξικές. Το χρώμιο ανακαλύφθηκε από τον Louis-Nicholas Vauquelin το (Εικόνα 7.1). Εικόνα Louisφαρμακοποιός. Nicholas Vauquelin( ), Γάλλος Φυσικός και 65

66 Το χρώμιο δεν απαντάται ελεύθερο στην φύση. Εξάγεται από τα ορυκτά του, κυριότερο από τα οποία είναι ο χρωμίτης (FeCr 2 O 4 ). Το χρώμιο είναι το 21 ο πιο συνηθισμένο στοιχείο στην επιφάνεια της γης με μέση συγκέντρωση 100 μg L -1. Ενώσεις του χρωμίου βρίσκονται στο περιβάλλον εξαιτίας του εμποτισμού πετρωμάτων με υδατικά διαλύματα αποβλήτων που περιέχουν χρώμιο. Η συγκέντρωση του στο χώμα είναι μεταξύ 1 και 3000 mg kg -1, στο θαλασσινό νερό 5 με 800 μg L -1 και στα ποτάμια και τις λίμνες 26 μg L -1 με 5,2 mg L - 1. Η σχέση μεταξύ του Cr +3 και του Cr +6 εξαρτάται άμεσα από το ph και τα οξειδωτικά στοιχεία της περιοχής, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις το Cr +3 υπερισχύει, παρόλο που σε μερικές περιοχές τα υπόγεια ύδατα μπορούν να περιέχουν έως και 39 μg χρωμίου συνολικά και τα 30 μg από αυτά να είναι Cr +6. Το χρώμιο, επίσης, είναι αξιοσημείωτο για τις μαγνητικές του ιδιότητες: είναι το μόνο στερεό στοιχείο που μπορεί, όταν βρίσκεται στη φύση σαν στοιχείο και όχι σε ενώσεις, να μην έλκεται μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου (ή χαμηλότερη). Πάνω από τους 38 ο C έρχεται σε παραμαγνητική κατάσταση. Ισότοπα του Χρωμίου Το χρώμιο που προκύπτει φυσιολογικά αποτελείται από 3 σταθερά ισότοπα: το 52 Cr, το 53 Cr και το 54 Cr με το πρώτο από τα τρία να υπερισχύει σε ποσοστό ύπαρξης από τα άλλα δύο (83,789%). Δεκαεννιά ισότοπα του χρωμίου έχουν βρεθεί με πιο σταθερά από αυτά τα 50 Cr (διάρκεια ημιζωής : παραπάνω από 1, χρόνια) και 51 Cr (διάρκεια ημιζωής: 27,7 μέρες). Όλα τα υπόλοιπα ισότοπα έχουν διάρκεια ημιζωής μικρότερη από 24 ώρες και η πλειοψηφία αυτών έχει διάρκεια ημιζωής μικρότερη του ενός λεπτού. Βιολογική σημασία Το τρισθενές χρώμιο (Cr(III) ή Cr 3+ ) απαιτείται σε ελάχιστες ποσότητες για τη γλυκόζη και το μεταβολισμό των λιπιδίων στους ανθρώπους και η απώλειά του μπορεί να προκαλέσει αρρώστια ονομαζόμενη απώλεια χρωμίου. Αντίθετα το 66

67 εξασθενές χρώμιο (Cr(VI) ή Cr 6+ ) είναι πολύ τοξικό και μπορεί να προκαλέσει μεταλλάξεις, όταν καταπίνεται. Το Cr(VI) δεν έχει αποδειχθεί ως καρκινογόνο σε διάλυμα, παρόλο που μπορεί να προκαλέσει δερματίτιδα εξαιτίας κάποιας αλλεργίας. Η χρήση διατροφικών συμπληρωμάτων με χρώμιο είναι αμφιλεγόμενη εξαιτίας των περίπλοκων αποτελεσμάτων των συγκεκριμένων συμπληρωμάτων. Κάποιες περίπλοκες οργανικές ενώσεις του χρωμίου προκαλούν ζημιά στα χρωμοσώματα των κυττάρων των χάμστερ. Στις Ηνωμένες Πολιτείες οι διατροφικές οδηγίες για την ημερήσια κατανάλωση χρωμίου μειώθηκαν από τα μg για έναν ενήλικα στα 35 μg (για τους άντρες) και 25 μg (για τις γυναίκες). Φυσικές πηγές χρωμίου: Θυμάρι, σιτάρι, μαγιά μπύρας, λαχανικά, φρούτα, κρέας, γαλακτοκομικά προϊόντα και δημητριακά. Το χρώμιο χρησιμοποιείται στα οδοντοτεχνικά κράματα όπως: CoCr και NiCr. Σημαντική εφαρμογή βρίσκει, επίσης, στην κατασκευή χρωμιοχαλύβων, οι οποίοι είναι ανοξείδωτοι, αλλά και στην επιχρωμίωση μετάλλων που επιθυμείται η προστασία τους από τη διάβρωση. Όνομα Χρώμιο Σύμβολο Cr Ατομικός αριθμός 24 Χημική ομάδα Στοιχεία μετάπτωσης Ομάδα Περίοδος Τομέας VΙ B (6) 4 d Ατομικό βάρος 51,9961(6) amu Εμφάνιση Αργυρόλευκο στερεό μέταλλο Βασική ηλεκτρονική διαμόρφωση [Ar] 3d 5 4s 1 Ηλεκτρόνια ανά 2, 8, 13, 1 στοιβάδα Σταθερότερες βαθμίδες οξείδωσης 0, +3, +6 Ηλεκτραρνητικότητα 1,66 (κλίμακα Pauling) Ατομική ακτίνα 140 pm Ομοιοπολική ακτίνα 127 pm 67

68 Ενέργεια ιονισμού 652,9 kj/mole(cr Cr + + e - ) 1.590,6 kj/mole(cr Cr e - ) kj/mole(cr Cr e - ) Ιονική ακτίνα Cr pm Σημείο τήξης C Σημείο βρασμού C Πυκνότητα kg/m 3 (20 C, 1 atm) 7.1. Γενικά για το εξασθενές χρώμιο και τη χημεία του Ίσως δεν υπάρχει χημικό στοιχείo που ταιριάζει επάξια αυτό το όνομα. Τα χρώματα των ενώσεων του χρωμίου και των διαλυμάτων τους ουσιαστικά καλύπτουν όλο το ορατό φάσμα: από το ιώδες (άλατα του Cr(III) έως το βαθύ κόκκινο ορισμένες ενώσεις του Cr(VI)). Eίναι γνωστές ενώσεις του χρωμίου με αριθμούς οξείδωσης από -1 έως +6 ωστόσο οι πιο συνήθεις είναι οι ενώσεις του δισθενούς χρωμίου Cr(II) (ισχυρό αναγωγικό ασταθές παρουσία οξυγόνου) του τρισθενές χρωμίου Cr (III) (οι πλέον σταθερές ενώσεις του χρωμίου) και του εξασθενούς χρωμίου Cr (VI) (χρωμικά και διχρωμικά άλατα : σταθερές ενώσεις αλλά και σχετικά ισχυρά οξειδωτικά). Το χρώμιο βρίσκεται στη φύση κυρίως ως τρισθενές, με κυριότερο ορυκτό τον χρωμίτη Fe(Mg)Cr 2 O 4 που αποτελεί το βασικό μετάλλευμα χρωμίου. Υπάρχουν και ορισμένα σπάνια ορυκτά όπου το χρώμιο είναι εξασθενές από τα οποία το γνωστότερο είναι ο κροκοίτης με χημικό τύπο PbCrO 4 (χρωμικός μόλυβδος). 68

69 Εικόνα 7.2. Δείγμα χρωμίτη, Fe(Mg)Cr 2 O 4 Εικόνα 7.3. Δείγμα κροκοίτη PbCrO 4 Τα άλατα του σχετικά ισχυρού χρωμικού οξέος του Η 2 CrO 4 (pk 1 =1,0, pk 2 = 6,5) παρασκευάζονται εύκολα με οξείδωση του Cr(III) με ήπια οξειδωτικά μέσα σε αλκαλικό περιβάλλον. Έτσι πχ σε αλκαλικά διαλύματα το Cr(III) παρέχει διαλυτά υδρoξυσύμπλοκα τα οποία στη συνέχεια οξειδώνονται προς χρωμικά άλατα με υπεροξείδιο του υδρογόνου (αντιδράσεις 1 και 2). Βιομηχανικά τα χρωμικά άλατα παρασκευάζονται με σύντηξη χρωμίτη με Νa 2 O 2 (υπεροξείδιο του νατρίου). Τα κίτρινα χρωμικά ιόντα με οξύνιση μετατρέπονται αντιστρεπτά σε πορτοκαλόχρωμα διχρωμικά ιόντα (αντίδραση 3). Η ισορροπία χρωμικών - διχρωμικών είναι μια από τις πιο χαρακτηριστικές αντιδράσεις του Cr(VI). To Cr(VI) ως διχρωμικό ιόν είναι σχετικώς ισχυρό οξειδωτικό σε όξινα διαλύματα και παρέχει αντιδράσεις οξειδοαναγωγής με ανόργανες αναγωγικές ουσίες 69

70 όπως π.χ Fe(II), SO 2, όπως και με οργανικές ενώσεις (πχ οξείδωση της αιθανόλης προς ακεταλδεύδη) κατά τις οποίες το Cr(VI) ανάγεται προς Cr(III). Εντυπωσιακή είναι η αντίδραση αυτοοξειδωαναγωγής του διχρωμικού αμμωνίου (αντίδραση 4) που χρησιμοποιείται συχνά σε επιδείξεις χημικών πειραμάτων και είναι γνωστή ως χημικό ηφαίστειο. Τελείως χαρακτηριστική είναι η αντίδραση των διχρωμικών ιόντων με υπεροξείδιο του υδρογόνου σε όξινο διάλυμα. Κατά την αντίδραση αυτή παράγεται μια έντονα κυανή υπεροξειδική ένωση του χρωμίου με πιθανό τύπο CrO(O 2 ) 2 (αντίδραση 5). Το CrO(O 2 ) 2 διασπάται ταχύτατα σε υδατικά διαλύματα (αντίδραση 6) αλλά μπορεί να εκχυλισθεί με οξυγονούχους οργανικούς διαλύτες όπου είναι σταθερότερη. Η αντίδραση σχηματισμού CrO(O 2 ) 2 χρησιμοποιείται για την ποιοτική ανίχνευση τόσο των διχρωμικών ιόντων όσο και και του υπεροξειδίου του υδρογόνου σε πολύ αραιά υδατικά διαλύματα. Άλλη ένωση του Cr(VI) είναι το τριοξείδιο του χρωμίου (ανυδρίτης του χρωμικού οξέος, CrO 3 ) το οποίο διαλύεται εύκολα στο νερό παρέχοντας χρωμικό οξύ. Το CrO 3 είναι αρκετά ισχυρή οξειδωτική ένωση και απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά τη χρήση της γιατί σε επαφή με οργανικά υλικά προκαλεί ανάφλεξη τους. Ενδιαφέρουσα ένωση του Cr(VI) είναι το χλωριούχο χρωμύλιο (CrO 2 Cl 2 ) λόγω της πτητικότητας του. Είναι ένα έντονα κόκκινο υγρό με σημείο βρασμού 117 ο C, πυκνότητα 1,91g ml -1 και σε εμφάνιση θυμίζει υγρό βρώμιο. Αντιδρά έντονα με το νερό παρέχοντας χρωμικό οξύ και αέριο ΗCl. Παρασκευάζεται με απευθείας επίδραση πυκνού θειικού οξέος σε στερεό μίγμα ΝαCl και K 2 Cr 2 O 7 (αντίδραση 7). Η αντίδραση αυτή έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση χλωριούχων αλάτων σε στερεή κατάσταση (από τους παραγόμενους κόκκινους ατμούς) ωστόσο απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή λόγω της πιθανότητας εισπνοής των ατμών του χλωριούχου χρωμυλίου, γεγονός το οποίο συνεπάγεται την απευθείας μεταφορά του τοξικότατου Cr(VI) στους πνεύμονες που αποτελεί και τον πιο επικίνδυνο για την υγεία τρόπο εισόδου Cr (VI) στον οργανισμό. 70

71 7.2. Χρήσεις του μεταλλικού χρωμίου H μεγαλύτερη ποσότητα χρωμίου χρησιμοποιείται στην παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα. Με προσθήκη χρωμίου σε ποσοστό 13% (κατ' ελάχιστο), το οποίο μπορεί να αυξηθεί μέχρι 30%, οι χρωμιοχάλυβες εμφανίζουν μεγαλύτερη αντοχή σε σχέση με τον κοινό χάλυβα στη διάβρωση και στην οξείδωση σε φυσικό και αστικό περιβάλλον. Το χρώμιο σχηματίζει μια αδρανή επικάλυψη Cr 2 O 3, απρόσβλητη από το νερό και τον αέρα, αλλά ταυτόχρονα εξαιρετικά λεπτή ώστε το κράμα να μην χάνει τη λάμψη του. Λουτρό επιχρωμίωσης (chrome plating bath) και μια συλλογή από διάφορα μηχανικά εξαρτήματα με προστατευτική επίστρωση χρωμικού ψευδαργύρου. Βιομηχανικές χρήσεις του εξασθενούς χρωμίου Το Cr(VI) έχει πολλές βιομηχανικές χρήσεις Οι μεταλλοβιομηχανίες χρησιμοποιούν πολλές ενώσεις του Cr(VI) ως επιστρώσεις προστασίας μεταλλικών επιφανειών από τη διάβρωση (anti-corrosion and conversion coatings). Στη 71

72 συγκεκριμένη διεργασία, τμήμα της μεταλλικής επιφάνειας μετατρέπεται με χημικό ή ηλεκτροχημικό τρόπο σε αδρανή επίστρωση. Τυπική είναι διεργασία Cronak για επιφάνειες ψευδαργύρου ή καδμίου κατά την οποία το αντικείμενο εμβαπτίζεται για 5-10 s σε διάλυμα 182 g Na 2 Cr 2 O 7 2H 2 O και 6 ml πυκνού H 2 SO 4. Πολλά χρωμικά και διχρωμικά άλατα χρησιμοποιούνται ως παρεμποδιστές διάβρωσης (corrosion inhibitors) αλλά η υψηλή τους τοξικότητα έχει οδηγήσει τη βιομηχανία στην σταδιακή αντικατάσταση τους. Η διεργασία επίστρωσης με χρωμικά (chromate conversion coating, CCC) εφαρμόζεται για την παθητικοποίηση (passivation) μεταλλικών επιφανειών αλουμινίου, ψευδαργύρου, καδμίου, χαλκού, άργυρου, μαγνησίου, κασσιτέρου και κραμάτων τους. Τα κυριότερα χρωμικά άλατα που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη διεργασία είναι το χρωμικό ασβέστιο, το χρωμικό στρόντιο και ο χρωμικός ψευδάργυρος. Για την ίδια διεργασία χρησιμοποιείται και το τριοξείδιο του χρωμίου. 72

73 Τα χρωμικά συχνά χρησιμοποιούνται ως χρωστικές στη φωτογραφία. Ο χρωμικός μόλυβδος (PbCrO 4 ), γνωστός ως κίτρινο του χρωμίου (Chrome Yellow) είναι μια εξαιρετικής ποιότητας κίτρινη χρωστική, χρησιμοποιείται στο χρωματισμό του βινυλίου, του ελαστικού (rubber) και του χαρτιού, αλλά λόγω της μεγάλης τοξικότητάς του η χρήση του πλέον αποθαρρύνεται. Επίσης οι ενώσεις του Cr(VI) χρησιμοποιούνται σε βαφές υφασμάτων και δέρματος, χρώματα και μελάνια. Εκτεταμένη χρήση των αλάτων του Cr(VI) (κυρίως του χρωμικού νατρίου και αμμωνίου) γίνεται στη βυρσοδεψία για την κατεργασία δερμάτων (δέψη, leather tanning). Η δέψη με χρωμικά είναι ταχύτερη από τη δέψη με φυτικές ταννίνες και τα δέρματα που παράγονται με αυτόν τον τρόπο έχουν μεγαλύτερη αντοχή στην τάση και είναι ιδανικά για δερμάτινες τσάντες και ρούχα. Ενώσεις του Cr(VI) χρησιμοποιούνται ως συντηρητικά ξύλου. Το 1996, το 52% της παραγωγής των ενώσεων Cr στις ΗΠΑ χρησιμοποιούνταν στην παρασκευή ενός συντηρητικού ξύλου, του χρωμιωμένου αρσενικικού χαλκού (chromated copper arsenate, CCA). Το CCA είναι μίγμα χρωμικών αλάτων, οξειδίου του χαλκού και οξειδίου του αρσενικού (As 2 O 5 ). Τα χρωμικά βασικά δρουν ως χημικά στερεωτικά μέσα (chemical fixing) του χαλκού και αρσενικού, τα οποία δρουν ως μυκητοκτόνα/βακτηριοκτόνα και ως εντομοκτόνα, αντίστοιχα. 'Ολες οι παραπάνω ενώσεις του εξασθενούς χρωμίου είναι τοξικότατες. Η Ευρωπαϊκή 'Ενωση αναγνωρίζοντας την επιβλαβή δράση του Cr(VI), ενέκρινε τον Φεβρουάριο του 2003 την Οδηγία 2002/95/EC, που θέτει περιορισμούς στη βιομηχανική χρήση των εξής 6 εξαιρετικά επικίνδυνων χημικών: Pb, Cd, Hg, Cr(VI), πολυβρωμιωμένα διφαινύλια (polybrominated biphenyls, PBBs), πολυβρωμιωμένοι διφαινυλαιθέρες (polybrominated diphenyl ether, PBDEs). Η οδηγία αυτή αναφέρεται ως Οδηγία Περιορισμού Επικινδύνων Ουσιών (Restriction of Hazardous Substances Directive, RoHS). Η μόνη εξαίρεση που αναφέρεται στο Παράρτημα της οδηγίας αφορά στη χρήση του Cr(VI) ως αντιδιαβρωτικού του ανθρακούχου χάλυβα των συστημάτων ψύξης που λειτουργούν με απορρόφηση θερμότητας (βιομηχανικά ψυγεία με συμπιεστές που λειτουργούν με θερμική και όχι ηλεκτρική ενέργεια) Η οδηγία RoHS εφαρμόζεται στα κράτη-μέλη από τον Ιούλιο του 'Ετσι η βιομηχανία έχει στραφεί σε εναλλακτικές επιστρώσεις όπως αυτές με Cr(III), Zn, Ni, 73

74 κ.α., οι οποίες αν και όχι τόσο αποτελεσματικές, είναι λιγότερο επιβλαβείς για το περιβάλλον. Εξασθενές χρώμιο στο περιβάλλον Α. Επίπεδα: Το χρώμιο είναι ευρέως διαδεδομένο στη φύση με φυσική αφθονία στο φλοιό της Γης 100 mg Kg -1. Τα φυσιολογικά επίπεδά του στα μη ρυπασμένα επιφανειακά ύδατα κυμαίνονται στην περιοχή 1-10 μg L -1, ενώ στο πόσιμο νερό οι συγκεντρώσεις του βρίσκονται στην περιοχή 0,4-8 μg L -1. Στον αέρα βρίσκεται σε συγκεντρώσεις <0,1 μg m -3. Η περιεκτικότητα των περισσότερων πετρωμάτων σε χρώμιο κυμαίνεται από 5 έως 1800 mg kg -1. Στα περισσότερα εδάφη υπάρχει σε χαμηλές περιεκτικότητες (2-60 mg kg -1 ). Μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό είναι διαθέσιμο στα φυτά (μέχρι 0,19 mg kg -1 ) και δεν έχει διευκρινιστεί επαρκώς το κατά πόσο το χρώμιο είναι γι' αυτά ένα απαραίτητο ιχνοστοιχείο. Σχεδόν όλο το χρώμιο στη φύση βρίσκεται ως τρισθενές χρώμιο, Cr(III). Το εξασθενές χρώμιο, Cr(VI), που συναντάται στο περιβάλλον, είναι σχεδόν αποκλειστικά ανθρωπογενές (προέρχεται από δραστηριότητες του ανθρώπου). Διάφορες βιομηχανίες εκπέμπουν στον αέρα, στο νερό και στο έδαφος πλήθος ενώσεων του Cr(VI). Το Cr(VI) είναι σταθερό στον αέρα και στο καθαρό νερό, αλλά ανάγεται ταχύτατα προς Cr(III), όταν έρθει σε επαφή με οργανική ύλη στο νερό, στο έδαφος και σε ζωντανούς οργανισμούς. Στην περίπτωση διάθεσης από βιομηχανίες ανεπεξέργαστων αποβλήτων που περιέχουν Cr(VI) σε υδάτινους αποδέκτες, τα επίπεδα του στα ύδατα του αποδέκτη και στα υπόγεια ύδατα μπορεί να φτάσουν μερικές δεκάδες μg L -1, όπως πρόσφατα ανακοινώθηκε στον ημερήσιο τύπο για τα νερά της ευρύτερης περιοχής του Ασωπού. 'Εφτασε όμως και τα 580 μg L -1, τα οποία μετρήθηκαν σε σημείο ελέγχου υπογείων υδάτων της πόλης Hinkley των ΗΠΑ (υπόθεση Erin Brockovich, που μεταφέρθηκε στον κινηματογράφο το

75 Υπόθεση Erin Brockovitch Τον Δεκέμβριο του 1987, η εταιρεία Pacific Gas Company (PG&E), η παγκοσμίως μεγαλύτερη εταιρεία παροχής ηλεκτρικού ρεύματος και φυσικού αερίου, ενημέρωσε τις αρχές της Καλιφόρνιας, ότι ανίχνευσαν εξασθενές χρώμιο σε επίπεδα 580 μg L -1 [το ανώτατο επιτρεπτό όριο για το ολικό χρώμιο που θέτει η πολιτεία είναι 50 μg L -1 ] σε ένα σημείο ελέγχου των υπόγειων υδάτων. Το Cr(VI) χρησίμευε ως αντιδιαβρωτικό σε ψυκτικούς πύργους του σταθμού συμπίεσης του φυσικού αερίου της πόλης Hinkley στην έρημο Mojave. Οι κάτοικοι του Hinkley παρουσίαζαν μια σειρά από προβλήματα υγείας: ηπατικά, καρδιακά, αναπνευστικά, αναπαραγωγικά, γυναικολογικούς καρκίνους, καρκίνους στον εγκέφαλο, στα νεφρά, στο γαστρεντερικό σύστημα, ασθένεια Hodgkins, αποβολές κ.ά. Η PG&E ισχυρίστηκε ότι τα προβλήματα αυτά δεν είχαν σχέση με τα λύματα του σταθμού. Ωστόσο, μέχρι το 1972 η PG&E εν γνώσει της είχε απορρίψει 370 εκατομμύρια γαλόνια λυμάτων που περιείχαν Cr(VI) σε μη στεγανοποιημένες δεξαμενές με αποτέλεσμα το τοξικό Cr(VI) να ρυπάνει τα υπόγεια ύδατα του Hinkley. To 1993 οι κάτοικοι του Hinkley κατέθεσαν μήνυση κατά της PG&E. Η μήνυση αυτή ήταν αποτέλεσμα μιας μαζικής επικοινωνιακής προσπάθειας της Erin Brockovich, υπαλλήλου μιας δικηγορικής εταιρείας της περιοχής. Η Brockovich απεκάλυψε την παρανομία της PG&E και ξεκίνησε μια προσωπική έρευνα η οποία κατέληξε στο δαπανηρότερο δικαστικό διακανονισμό αστικής υπόθεσης. Η PG&E κατέβαλε στους 648 μηνυτές το ποσό των 333 εκατομμυρίων δολαρίων. Επιπλέον, η PG&E δέχτηκε να διακόψει τη χρήση Cr(VI) και να εκτελέσει εργασίες απορρύπανσης. Η υπόθεση δίχασε τους ειδικούς σε θέματα τοξικότητας του χρωμίου, κυρίως επειδή η έκθεση στο Cr(VI) έγινε μέσω του πόσιμου ύδατος. Πολλοί ισχυρίστηκαν ότι ο τρόπος αυτός έκθεσης είναι λιγότερο επικίνδυνος σε σχέση με την εισπνοή, επειδή στο στομάχι το Cr(VI) ανάγεται σε αδρανές Cr(III). Ακόμη ισχυρίστηκαν ότι οι εκθέσεις ήταν πολύ μικρές και ότι τα στοιχεία που τις συνδέουν με τις ασθένειες των κατοίκων του Hinkley ήταν ανεπαρκή. Ωστόσο, άλλοι υποστήριξαν ότι υπάρχουν πολλά κενά στο θέμα της τοξικότητας του χρωμίου και ότι η τοξική μορφή του χρωμίου μπορεί να διεισδύσει σε κάθε τύπο κυττάρου και επομένως να προκαλέσει 75

76 βλάβες σε πολλά και διαφορετικά όργανα. 'Εως ότου γίνει γνωστό το πώς οι διαφορετικές δόσεις και οι τρόποι έκθεσης σε Cr(VI) επιδρούν σε διαφορετικούς πληθυσμούς, είναι πολύ νωρίς για να θεωρηθούν ακίνδυνες οι εκθέσεις μέσω του πόσιμου ύδατος. Β. Νομοθετημένα όρια: Στο πόσιμο νερό έχει θεσπιστεί με την Οδηγία 98/83/EC ως ανώτατο επιτρεπτό όριο ολικού χρωμίου τα 50 μg L -1 Ωστόσο, δεν υπάρχει ανώτατο επιτρεπτό όριο ειδικά για το εξασθενές χρώμιο. Στις ΗΠΑ, η ΕΡΑ έχει θεσπίσει ως ανώτατο επιτρεπτό όριο ολικού χρωμίου στο πόσιμο και υπόγειο νερό τα 100 μg L -1, θεωρώντας αυτό το επίπεδο ασφαλές για την υγεία του ανθρώπου. Στην Ελλάδα, με την ΚΥΑ 4859/726 ρυθμίζονται οι εκπομπές ολικού χρωμίου από απόβλητα βιομηχανιών σε υδάτινους αποδέκτες, σε συγκεντρώσεις που κυμαίνονται (ανάλογα με τον αποδέκτη) από 0,6 έως 3 mg L -1. Οι εκπομπές ρύπων των βιομηχανιών στην Ελλάδα (φυσικά και του εξασθενούς χρωμίου) μπορούν να καθοριστούν από τις Νομαρχιακές Αυτοδιοικήσεις, κατά περίπτωση και κυμαίνονται για το Cr(VI) από 0,3 έως 1 mg L -1 στα υγρά απόβλητα. 'Οριο για το έδαφος δεν έχει θεσπιστεί ακόμα. Η έκθεση σε Cr(VI) από τον αέρα στον εργασιακό χώρο είναι πιο σημαντική και επικίνδυνη. Ο OSHA (Occupational Safety and Health Administration) και ο NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health) των ΗΠΑ έχουν θεσπίσει επιτρεπτά όρια έκθεσης (Permissible Exposure Limits, PELs) και προτεινόμενα όρια έκθεσης (Recommended Exposure Limits, RELs) για τους εργασιακούς χώρους. Το νέο PEL για το Cr(VI) στον αέρα εργασιακού χώρου όπου εκτελούνται συγκολλήσεις μετάλλων (welding) κατά τη διάρκεια 8ώρου (για εβδομάδα 40ώρου) είναι 5 μg m -3, ενώ υπάρχουν δεκάδες ρυθμίσεις κατά περίπτωση Το PEL για διάφορες καρκινογόνες ενώσεις του Cr(VI) στον αέρα εργασιακού χώρου είναι ακόμα μικρότερο: μόλις 1 μg m

77 Γ. Επιπτώσεις και η "μοίρα" του Cr(VI) στο περιβάλλον: Το Cr(VI) θεωρείται ευκίνητο (labile) στο υδάτινο περιβάλλον, παραμένει στη διαλυτή φάση και είναι βιοδιαθέσιμο. Επίσης είναι ισχυρά τοξικό και οι τιμές τοξικότητες LC50 (LC50: Lethal Concentration 50, η συγκέντρωση που θανατώνει το 50% του πληθυσμού του εξεταζόμενου είδους) του Cr(VI) σε διάφορους μικροοργανισμούς κυμαίνονται από 0,032-6,4 mg L -1. Αντίθετα το Cr(III) θεωρείται "μη ευκίνητο", καθώς έχει τάση να προσροφάται στα αιωρούμενα σωματίδια και στο ίζημα και για τον λόγο αυτό θεωρείται ως σχετικά αδρανές, λιγότερο βιοδιαθέσιμο και μειωμένης τοξικότητας ως προς τους υδρόβιους οργανισμούς. Το χρώμιο του εδάφους σε αυτό χώρο στάθμευσης ενός βιομηχανικού πάρκου του New Jersey έχει διαλυθεί σε αυτά τα στάσιμα νερά. Επειδή το χρώμιο μπορεί να διαλυθεί και να διαχυθεί μέσω του εδάφους, αυξημένες συγκεντρώσεις (λόγω εξάτμισης του νερού) μπορεί να παρατηρηθούν μακριά από την αρχική περιοχή ρύπανσης. 77

78 Είναι προφανές ότι ο προσδιορισμός του ολικού χρωμίου στα περιβαλλοντικά δείγματα ελάχιστες πληροφορίες μπορεί να δώσει, ενώ επιβάλλεται ο προσδιορισμός των χημικών ειδών του χρωμίου (speciation analysis) Ιδιαίτερη σημασία έχει ο προσδιορισμός του εξασθενούς χρωμίου στα βιομηχανικά αλλά και στα αστικά υγρά απόβλητα, γιατί συχνά ανιχνεύονται υψηλές συγκεντρώσεις του. Οι υψηλές αυτές συγκεντρώσεις είναι δυνατό να επηρεάσουν και τη βιολογική επεξεργασία τους (κυρίως τη νιτροποίηση), ειδικά σήμερα όπου υπάρχει τάση συνεπεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων σε μονάδες ενεργού ιλύος (activated sludge). Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι η μέθοδος ενεργού ιλύος είναι η πλέον κατάλληλη για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων επιβαρυμένων με Cr(VI), καθώς τούτο ανάγεται προς Cr(III), το οποίο προσροφάται σχεδόν ποσοτικά στις βιοκροκίδες και συσσωρεύεται στη λυματολάσπη. 'Ετσι το τοξικό Cr(VI) απομακρύνεται από τη διαλυτή φάση και προστατεύεται ο τελικός υδάτινος αποδέκτης Επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία A. Εργασιακό περιβάλλον-υψηλές εκθέσεις-πνεύμονες-εισπνοή-κατάποση: Το χρώμιο εισέρχεται στον ανθρώπινο οργανισμό μέσω της αναπνοής και της κατανάλωσης τροφής και ποτών που το περιέχουν. Το τρισθενές χρώμιο, Cr(III), θεωρείται απαραίτητο ιχνοστοιχείο για τον οργανισμό, αφού φαίνεται να συμμετέχει στον παράγοντα ανοχής της γλυκόζης (Glucose Tolerance Factor, GTF). O παράγοντας GTF μαζί με την ινσουλίνη ρυθμίζουν την ποσότητα της γλυκόζης στο αίμα. 'Ελλειψη χρωμίου, όπως παρατηρήθηκε σε πειραματόζωα, προκαλεί αύξηση του σακχάρου στο αίμα και εμφάνιση γλυκόζης στα ούρα Ενδείκνυται η πρόσληψη 30 έως 50 μg Cr(III) ημερησίως, ενώ ποσότητες μέχρι 200 μg δεν έχει αναφερθεί ότι προκαλούν προβλήματα υγείας Αντίθετα, το εξασθενές χρώμιο έχει χαρακτηριστεί ως αποδεδειγμένο καρκινογόνο. Επιδημιολογικές μελέτες σε εργάτες παραγωγής χρωμικών, πιγμέντων και μεταλλικών επιστρώσεων χρωμίου έδειξαν ότι εισπνοή σκόνης που περιέχει Cr(VI) προκαλεί καρκίνο του πνεύμονα και της ρινικής κοιλότητας (sinonasal cavity). Τα 78

79 αποτελέσματα των επιδημιολογικών μελετών έχουν επιβεβαιωθεί και σε εργαστηριακά πειράματα (σε ζώα). Υπάρχουν αρκετά πειραματικά δεδομένα ότι ενώσεις του Cr(VI) καταστρέφουν το DNA και προκαλούν μεταλλάξεις. Επίσης, εισπνοή σωματιδίων που περιέχουν σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI) μπορεί να προκαλέσει έλκος, αιμορραγία, κνησμό και φτέρνισμα. Κατάποση υψηλών ποσοτήτων Cr(VI) μπορεί να προκαλέσει καταστροφή των νεφρών και του ήπατος, έλκος στομάχου και γαστρεντερικό ερεθισμό, ακόμα και θάνατο. Ακόμη, δερματική έκθεση σε ενώσεις του Cr(VI) προκαλεί δερματικά έλκη και δριμείες αλλεργικές αντιδράσεις, ιδιαίτερα από ενδύματα και υποδήματα από δέρμα που έχει κατεργαστεί με Cr(VI). Β. Χρώμιο στο πόσιμο νερό: Μελέτες σε πειραματόζωα έδειξαν ότι η πόση νερού επιβαρυμένου με Cr(VI) μπορεί να προκαλέσει καρκίνο του γαστρεντερικού συστήματος. Ωστόσο, δεν είναι σαφές αν τα επίπεδα που προσδιορίζονται σε πόσιμα ύδατα είναι ικανά να προκαλέσουν καρκίνο. Σύμφωνα με την IARC, το Cr(VI) που προσλαμβάνεται με το νερό μετατρέπεται σε μεγάλο ποσοστό σε Cr(III) στο όξινο περιβάλλον του στομάχου, γεγονός που δεν επιτρέπει την περαιτέρω απορρόφηση του χρωμίου από τον οργανισμό, καθώς το Cr(III) δεν μπορεί να διαπεράσει την κυτταρική μεμβράνη. Τελείως πρόσφατα (Μάιος 2007) από το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας των ΗΠΑ (National Institute of Health, NIH) ανακοινώθηκε ότι κατόπιν αιτήματος μελών του κοινοβουλίου της Καλιφόρνιας και μετά από τις ανησυχίες που προκάλεσε η προβολή της κινηματογραφικής ταινίας "Erin Brockovitch", πραγματοποιήθηκαν πειράματα με ποντίκια και επίμυες στα οποία για δύο χρόνια δινόταν νερό με 14 έως 516 mg L -1 Na 2 Cr 2 O 7. 2H 2 O. Φυσικά οι συγκεντρώσεις αυτές είναι πολύ μεγάλες. Η μικρότερη αντιστοιχεί σε συγκέντρωση Cr(VI) περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από εκείνη του πλέον ρυπασμένου με Cr(VI) νερού της Καλιφόρνιας, που θα μπορούσε να πιει ο άνθρωπος. Τα πειράματα έδειξαν γαστρεντερική απορρόφηση του Cr(VI) και την ανάπτυξη καλοήθων και κακοήθων όγκων σε σημεία και όργανα των πειραματόζωων, όπου πολύ σπάνια εμφανίζονται όγκοι. 79

80 7.4. Χρώμιο και μηχανισμοί καρκινογένεσης Το Cr(VI), ως χρωμικά ιόντα, λόγω δομικής ομοιότητας με τα θειικά και τα φωσφορικά ιόντα, εισέρχεται σαν "Δούρειος 'Ιππος" στα κύτταρα μέσω της κυτταρικής μεμβράνης χρησιμοποιώντας το φυσιολογικό σύστημα διακίνησης αυτών των ιόντων. Στο εσωτερικό των κυττάρων αντιδρά με τις αναγωγικές ουσίες που θα βρει εκεί και ανάγεται σε Cr(III) το οποίο φαίνεται ότι είναι και ο "πραγματικός κίνδυνος". Αντίθετα, οι οκταεδρικής σύνταξης ενώσεις του Cr(III), λόγω του όγκου και της δυσδιαλυτότητας πολλών από αυτές, διαπερνούν την κυτταρική μεμβράνη αργά ή και καθόλου. Γι'αυτό το λόγο το Cr(VI) είναι η επικίνδυνη μορφή του χρωμίου και όχι το Cr(III). Οι δημοσιεύσεις αναφέρονται σε μηχανισμούς δράσης του Cr(VI), όταν εισέρχεται στο κύτταρο και του Cr(III), που παράγεται μέσα στο κύτταρο με αναγωγή του Cr(VI). Η πορεία αναγωγής Cr(VI) σε Cr(III) εντός του κυττάρου μπορεί να προκαλέσει καταστροφή του DNA, όπως οξειδωτικές βλάβες, θραύση των κλώνων του, σχηματισμό ενώσεων προσθήκης Cr(III)-DNA, διακλωνικές συνδέσεις και συνδέσεις πρωτεϊνών-dna. 'Ερευνες έδειξαν ότι με την είσοδο του Cr(VI) στο κύτταρο, αυτό ανάγεται από το πλήθος των αναγωγικών ουσιών και ενζύμων (όπως η γλουταθειόνη) κατά στάδια σε χαμηλότερο επίπεδο σθένους. Τα ενδιάμεσα προϊόντα αναγωγής του χρωμίου με το υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η 2 Ο 2 ), ενός φυσικού συστατικού του κυτταροπλάσματος (σε πολύ μικρές βέβαια συγκεντρώσεις), παράγουν δραστικές οξυγονούχες ρίζες (ιδιαίτερα τη ρίζα υδροξυλίου, ΟΗ ). Οι έρευνες έδειξαν ότι το Cr(V), Cr(IV) και Cr(III) με το Η 2 Ο 2 μπορούν να δημιουργήσουν τις ρίζες ΟΗ με αντιδράσεις (τύπου αντίδρασης Fenton, δηλ. της αντίδρασης Fe(II) με το Η 2 Ο 2 ) όπως: Οι ρίζες OH προκαλούν οξειδωτικές βλάβες στο DNA και συγκεκριμένα παρέχουν την οξειδωμένη μορφή της γουανοσίνης, την 8-υδροξυδεοξυ-γουανοσίνη 80

81 (8-OHdG). Οι δημοσιεύσεις, είναι ενδεικτικές μόνο από το πλήθος των δημοσιεύσεων για πιθανούς μηχανισμούς επίδρασης του Cr(VI) στο DNA. Πρόσφατα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Brown ανακοίνωσαν ένα μάλλον παράδοξο εύρημα. Διαπίστωσαν ότι η αναγωγή του Cr(VI) από το ασκορβικό οξύ (βιταμίνη C) στο εσωτερικό των πνευμονικών κυττάρων προκαλεί μαζικές βλάβες στο DNA. Μικρές δόσεις Cr(VI) σε συνδυασμό με τη βιταμίνη C προκαλούν 15 φορές περισσότερες θραύσεις στα χρωμοσώματα και 10 φορές περισσότερες μεταλλάξεις σε σχέση με τις αντίστοιχες βλάβες που προκαλεί το Cr(VI) απουσία βιταμίνης C. 'Ετσι, σύμφωνα με τη μελέτη αυτή, η κατά τα άλλα ευεργετική για την υγεία βιταμίνη C δρα ως ενισχυτής της τοξικής δράσης του Cr(VI) Από την εργασία αυτή, αλλά και από πολλές άλλες ανάλογες, διαφαίνεται ότι οι επικίνδυνα δραστικές μορφές του χρωμίου μπορεί να εμφανίζονται κατά την πορεία της αναγωγής του Cr(VI) προς Cr(III). 8. Βιβλιογραφική ανασκόπηση προσδιορισμού του χρωμίου To χρώμιο όπως γνωρίζουμε είναι από τα πιο γνωστά στοιχεία που συναντούμε στη γη και βρίσκεται τόσο σε πετρώματα, στο έδαφος στα φυτά στα ζώα στην ηφαιστειακή σκόνη όσο και σε αέρια. Η ιδιότητα του να συγκεντρώνεται στα υπόγεια νερά μας δίνει τη δυνατότητα να το συναντήσουμε και ως στοιχείο στο πόσιμο νερό. Συναντάται κύρια σε δυο οξειδωτικές βαθμίδες ως Cr(III) και Cr(VI) To Cr(III) του οποίου η κατάσταση απαντάται κατά κύριο λόγο στα τρόφιμα αποτελεί απαραίτητο στοιχείο που συμμετέχει τόσο στη ρύθμιση της γλυκόζης στο αίμα όσο και στο μεταβολισμό των λιπιδίων στον οργανισμό [2]. Από την άλλη η ύπαρξη του Cr(VI) σχετίζεται ύστερα από εκτενείς μελέτες με περιπτώσεις υψηλής τοξικότητας στον ανθρώπινο οργανισμό [3] με μεταλλαξιογόνο και καρκινογόνο δράση [4]. 81

82 Απόρροια λοιπόν της υψηλής του τοξικότητας είναι και η έμφαση στις τεχνικές ανάλυσης και προσδιορισμού του. Δεδομένου επίσης της ύπαρξης του Cr σε περιβαλλοντικά και βιολογικά δείγματα σε μικρή ποσότητα και της θέσπισης από τον Παγκόσμιο οργανισμό υγείας στη συγκέντρωση των 0,05 mg L -1 [5] είναι πλέον επιτακτικό η ύπαρξη και η χρήση τεχνικών υψηλής ευαισθησίας και χαμηλών ορίων ανίχνευσης του συγκεκριμένου στοιχείου. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγονται η τεχνική ΙCP- MS [6],η τεχνική ΙCP-OES [7], η τεχνική ΕΤΑΑS [8], η FAAS [9-12], η φασματοφωτομετρία[13], η υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (HPLC )[ 14], καθώς και η τεχνική αντιστρεπτής βολταμετρίας (SV) [15] Από τις παραπάνω τεχνικές ιδιαίτερα αυτές που αναφέρονται στην ατομική φασματομετρία παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω της υψηλής εκλεκτικότητας τους όσο και των χαμηλών ορίων ανίχνευσης. Συγκεκριμένα η φασματομετρία ατομικής απορρόφησης με φλόγα είναι η πλέον διαδομένη καθώς παρουσιάζει χαμηλό κόστος, ευκολία χειρισμού και σχετικά μεγάλου αριθμού αναλύσεων. Η ατομοποίηση του χρωμίου γίνεται σχετικά εύκολα με φλόγα αέρα ακετυλενίου και ο προσδιορισμός του με την χρήση της FAAS δε παρουσιάζει ιδιαίτερες παρεμποδίσεις. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η τεχνική FAAS καθώς και η ICP OES συγκεντρώνουν τα απαραίτητα εκείνα χαρακτηριστικά που τις καθιστούν τις πλέον κατάλληλες για τον προσδιορισμό του Cr. Για το λόγο αυτό, έχουν τις περισσότερες εφαρμογές σε συνδυασμό με κάποιο on-line σύστημα προσυγκέντρωσης. Οι τεχνικές προσυγκέντρωσης στοχεύουν στην ελάττωση των ορίων ανίχνευσης, στην απομάκρυνση των παρεμποδίσεων και στην αύξηση της συγκέντρωσης του προσδιοριζόμενου συστατικού. Οι τεχνικές αυτές είναι καλύτερο να εφαρμόζονται οn- line είτε με σύστημα FI είτε με SI όπου όλες οι διαδικασίες γίνονται αυτόματα με υψηλή επαναληψιμότητα και ο κίνδυνος επιμόλυνσης του δείγματος και των αντιδραστηρίων ελαχιστοποιείται [16,17]. 82

83 Η on line προσυγκέντρωση βασίζεται κυρίως στις μικροστήλες που είναι πληρωμένες με μια ποικιλία προσροφητικών υλικών. Υδροφοβικές προσροφητικές ουσίες όπως το C 18 [18], το activated alumina [19], το cellext [20], το XAD [21], το XAD [22,23], πολυμερικές ρητίνες όπως το Amberlite [24], το πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) [25,26] η πολυαιθερική κετόνη με τη μορφή πλεκτού αντιδραστήρα [27] έχουν χρησιμοποιηθεί στην απορρόφηση των μη ενεργοποιημένων χηλικών αντιδραστηρίων. Η εφαρμογή του πολυχλωροτροφθοροαιθυλένιο (PCTFE) με μορφή χανδρών ως υλικό πλήρωσης για τα FI on line συστήματα προσυγκέντρωσης σε συνδυασμό με την τεχνική FAAS για τον προσδιορισμό ιχνών από μέταλλα όπως Cu, Pb, Cr, και Cd έχει πιστοποιηθεί σε προηγούμενες εργασίες με διάφορα χηλικά αντιδραστήρια[28-30]. Ιδιαίτερη χρήση στο προσδιορισμό του Cr σε περιβαλλοντικά και βιολογικά δείγματα με FAAS έχουν χρησιμοποιηθεί και φυσικά προσροφητικά με μεγάλη προσροφητική ικανότητα όπως το lama glama [31]. Για τη προσυγκέντρωση και το διαχωρισμό του Cr (VI) έχουν εφαρμοστεί αρκετές τεχνικές οι κυριότερες των οποίων απεικονίζονται συνοπτικά στο επόμενο Σχήμα

84 Σχήμα 8.1. Κυριότερες προσδιορισμό του Cr. on-line τεχνικές προσυγκέντρωσης/διαχωρισμού για τον Aναμφισβήτητα, η εκχύλιση στερεάς φάσης (SPE) αποτελεί την πλέον δημοφιλή μέθοδο προσυγκέντρωσης σε on-line συστήματα για τον προσδιορισμό του Cr σε περιβαλλοντικά και βιολογικά δείγματα λόγω της μεγάλης αποτελεσματικότητας διαχωρισμού που επιτυγχάνει. Υπάρχει αρκετό πλήθος εργασιών δημοσιευμένων με εφαρμογή της SPE ως μέθοδο προσυγκέντρωσης και χρήση διαφορετικών προσροφητικών κάθε φορά. Ο Πίνακας 8.1 αποτελεί ένα συγκεντρωτικό πίνακαα με 84

85 χαρακτηριστικά on-line μεθόδων που έχουν εφαρμοστεί για τον προσδιορισμό του Cr(VI) με SPE και FAAS ως ανιχνευτικό σύστημα. Πίνακας 8.1. On- line μέθοδοι για τον προσδιορισμό του Cr(VI) με FI-SPE και FAAS. Αναφορά Προσροφητικό Συμπλεκτικό Εκλουστικό c L s r (%) EF αντιδραστήριο (μg L -1 ) [32] PTFE APDC IBMK 0,8 3,2 80 [18] C 18 DDTC Methanol 0,02 3,5 500 [34] KR (PEEK) APDC IBMK 2 2,1 65 [35] Cellex T - NaOH 1,4 4,5 - [36] Activated Alumina - NH 4 OH 0,8 1,1 25 [37] Lama glama fibers - NaOH 0,3 4,3 - [38] Αctivated Carbon - HNO 3 0, [39] KR APDC Ethanol 0,4 2,1 59 [40] PUF APDC IBMK 2 3,6 28 [41] PCTFE APDC IBMK 0,4 1,8 94 [42] Chromabond NH 2 - HNO 3 11,7 5,21 20 EF : παράγοντας αύξησης σήματος, c L :όριο ανίχνευσης, sr : RSD, 85

86 9. Σκοπός εργασίας Σκοπό της διπλωματικής αυτής εργασίας αποτελεί η μελέτη και η ανάπτυξη μιας νέας αυτόματης, εκλεκτικής και ευαίσθητης μεθόδου για τον ποσοτικό προσδιορισμό ιόντων χρωμίου (Cr) σε περιβαλλοντικά δείγματα (φυσικά νερά) σε επίπεδα ιχνών (μg L -1 ) με την τεχνική της on-line εκχύλισης στερεάς φάσης (SPE) και φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης με ατομοποιητή φλόγα ως ανιχνευτικό σύστημα. Η μέθοδος προσδιορισμού βασίζεται στη χρήση μικροστηλών Oasis TM -HLB σε on-line συστήματα προσυγκέντρωσης και (ή) διαχωρισμού. Ως συμπλεκτικό αντιδραστήριο χρησιμοποιήθηκε το διαίθυλο-διθειοκαρβαμιδικό νάτριο (DDTC). Το σύμπλοκο Cr(VI)-DDTC σχηματίζεται on-line και συγκρατείται από το πολυμερές προσροφητικό υλικό της στήλης, polyvinylbenzene-co-nvinylpyrrolidone. Για την άμεση και ποσοτική παραλαβή του προσυγκεντρωμένου συμπλόκου χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη ποσότητα μεθανόλης (MeOH). Το έκλουσμα μεταφέρεται on-line στο σύστημα νεφοποίησης ατομοποίησης με σκοπό τη μέτρηση της απορρόφησης και τον προσδιορισμό του μετάλλου. Η προτεινόμενη μέθοδος FI-SPE-FAAS εφαρμόστηκε για τον προσδιορισμό του χρωμίου σε φυσικά νερά λόγω της τοξικότητας του μετάλλου και των χαμηλών συγκεντρώσεων αυτού σε περιβαλλοντικά δείγματα. 86

87 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Εισαγωγή Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε και αναπτύχθηκε μέθοδος για το προσδιορισμό του Cr(VI) με σύστημα συνεχούς ροής (on-line) με προσυγκέντρωση σε στήλη και ανιχνευτή φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης. Η προσυγκέντρωση του Cr(VI) επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός διθειοκαρβαμιδικού του διαίθυλοδιθειοκαρβαμιδικό νάτριο (DDTC) οπότε συμπλοκοποιείται αρχικά και στη συνέχεια συγκρατείται σε στήλης OASIS TM -HLB. H έκλουση του συμπλόκου Cr(VI) DDC γίνεται με τη χρήση οργανικών διαλυτών (μεθανόλη). Για την προσυγκέντρωση του Cr (VI) χρησιμοποιήθηκε το ακόλουθο σύστημα: I. Συμπλοκοποίηση on-line του Cr (VI) με ligand DDTC II. Προσρόφηση του σχηματιζόμενου συμπλόκου Cr(VI) DDC με μικροστήλη OASIS TM HLB III. Έκλουση της στήλης με μεθανόλη (ΜeOH) Συμπλοκοποίηση του Cr(VI) με διθειοκαρβαμιδικά Eίναι γνωστό ότι το χρώμιο απαντά στις οξειδωτικές βαθμίδες ΙΙΙ και VI. Η αντίδραση συμπλοκοποίησης του χρωμίου διαφέρει ανάλογα με την οξειδωτική του βαθμίδα. Το χρώμιο αντιδρά με τα διεθειοκαρβαμιδικά (APDC, DDTC) και σχηματίζει το σύμπλοκο Cr (III) PDC Σχήμα 1.1.α. Το εξασθενές χρώμιο που βρίσκεται με τη μορφή του Cr 2 O 2 7 μας δίνει το δις [πυρολιδινο -1-διθειο-S,S ]-[ πυρολιδινο -1-περοδιθειο Ο,S] Cr(III) με συντακτικό τύπο που φαίνεται στο Σχήμα 1.1.β. 87

88 S N N S S Cr S S S N S N S N S S Cr S O S N Σχήμα 1.1. Τα σύμπλοκα του χρωμίου με APDC, a) ο συντακτικός τύπος του τρις- [πυρολιδινο -1-διθειο-S,S ]-Cr(III) και b) o συντακτικός τύπος του δις-[πυρολιδινο-1- διθειο-s,s ]-[πυρολιδινο-1-1περοδιεθιο-ο,s]-cr(iii). 88

89 i) Προσρόφηση του συμπλόκου Το σύμπλοκο που σχηματίζεται προσροφάται σε στήλη OASIS TM HLB. To προσροφητικό υλικό είναι ένα μακροπορώδες πολυμερές που αποτελείται από δυο μονεμερή σε αναλογία 1:1 το λιπόφιλο divinylbenzene (DVB) και το υδρόφιλο N- vinylpyrrolidone. ii) Έκλουση της στήλης με ΜeOH Ως εκλουστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι οργανικοί διαλύτες όπως EtOH, IBMK, acetone και ΜeOH. Όλα τα παραπάνω υγρά είναι άριστα εκλουστικά που αυξάνουν το σήμα απορρόφησης στους ανιχνευτές FAAS λόγω αύξησης της ατομοποίησης. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η MeOH. 2. Οργανολογία Ως ανιχνευτής χρησιμοποιήθηκε φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης με ατομοποιητή φλόγα, μοντέλο Perkin Elmer 5100 PC με διορθωτή θορύβου λυχνία δευτερίου. Το φασματόμετρο ρυθμίστηκε ώστε να λειτουργεί σε FI-FAAS σε συνδυασμό με το σύστημα FIAS-400. Ως φωτεινή πηγή χρησιμοποιήθηκε λυχνία χρωμίου κοίλης καθόδου (Hollow cathode lamp, HCL). Η ένταση λειτουργίας ρυθμίστηκε στα 30 ma. To μήκος κύματος του μονοχρωμάτορα ρυθμίστηκε στα 359,7 nm και το εύρος σχισμής του μονοχρωμάτορα (slit) στα 0,7 nm. Η φλόγα ρυθμίστηκε κατάλληλα, ώστε να αντισταθμίσει την επίδραση του οργανικού διαλύτη, ο οποίος δρα ως ένα επιπλέον καύσιμο κατά τη διάρκεια της έκλουσης. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκε μέσα στο θάλαμο νεφοποίησης, διασκορπιστής ροής τύπου 89

90 φτερωτή (flow spoiler) σύμφωνα με τον κατασκευαστή, για καλύτερες συνθήκες νεφοποίησης. Η παροχή του αέρα ρυθμίστηκε στα 10,0 ml min -1 και η παροχή καυσίμου ακετυλενίου στα 2,0 ml min -1 ώστε να παράγεται αναγωγική φλόγα που είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική ατομοποίηση του χρωμίου. Η ελεύθερη παροχή του νεφοποιητή ήταν 5,6 ml min -1. Για τον αυτόματο χειρισμό της μεθόδου κατά τη διάρκεια της προσυγκέντρωσης χρησιμοποιήθηκε η διάταξη FIAS-400 Perkin Elmer η οποία συνδέθηκε με το φασματόμετρο ατομικής απορρόφησης, Perkin Elmer 5100 PC όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.1. O έλεγχος του συστήματος γινόταν από έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του λογισμικού Benchtop version 7.2. Το FIAS-400 αποτελείται από 2 περισταλτικές αντλίες P1 και P2 και μια βαλβίδα έγχυσης δυο θέσεων και πέντε καναλιών. Σχήμα 2.1. Διάταξη συστήματος FI-FAAS για τον προσδιορισμό Cr. 90

91 Για την προώθηση των υδατικών διαλυμάτων, στις περισταλτικές αντλίες χρησιμοποιήθηκαν εύκαμπτοι σωλήνες κατασκευασμένοι από PVC τύπου Tygon μήκους 35 cm περίπου με διάφορες εσωτερικές διαμέτρους, οι οποίες σε συνδυασμό με τις στροφές της αντλίας καθόρισαν την αντίστοιχη παροχή των διαλυμάτων. Για την προώθηση των οργανικών διαλυτών που δεν είναι συμβατοί με τους σωλήνες των περισταλτικών αντλιών, χρησιμοποιήθηκε μια επιπλέον μικροσύριγγα τύπου MicroCSP-3000 (FIAlab Instruments, Inc) με ενσωματωμένη βαλβίδα τεσσάρων θέσεων, καθώς και μια γυάλινη σύριγγα όγκου 2,5 ml TECAN), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2. Ο έλεγχος και η λειτουργία της αντλίας γινόταν μέσω τους τμήματος FIAlab-3000 και του λογισμικού FIAlab for windws v (FIAlab Instruments). Η όλη διάταξη τελικά ελέγχονταν μέσω του ηλεκτρονικού υπολογιστή του φασματόμετρου Perkin Elmer 5100PC. H ενεργοποίηση των δύο προγραμμάτων γινόταν ταυτόχρονα. 91

92 Σχήμα 2.2. Αντλία σύριγγας για την προώθηση οργανικών διαλυτών (μεθανόλη). Για την εξισορρόπηση της αναρρόφησης του νεφοποιητή της FAAS και της παροχής του εκλουστικού, χρησιμοποιήθηκε πριν την είσοδο του νεφοποιητή ένας σύνδεσμος τύπου Τ. Το όφελος του ήταν η πολύ καλή επαναληψιμότητα του καταγραφόμενου σήματος. Ειδικά στη περίπτωση που η ταχύτητα του εκλουστικού ήταν μικρότερη από 2 ml min -1. Mε τον τρόπο αυτό εξουδετερώνεται η πιθανή παραγωγή φυσαλίδων στους σωλήνες και τη στήλη προσυγκέντρωσης κατά τη διάρκεια του σταδίου έκλουσης. Για τις διάφορες συνδέσεις χρησιμοποιήθηκαν σωλήνες από PTFE εσωτερικής διαμέτρου 0,5 mm. 92

93 3. Μικροστήλη προσυγκέντρωσης Η μικροστήλη προσυγκέντρωσης που χρησιμοποιήθηκε ήταν η εμπορικώς διαθέσιμη αντίστροφης φάσης SPE cartridge, OASIS-HLB (1ml / 30mg, Part Number: WAT , Waters Milford, MA). To προσροφητικό υλικό είναι ένα μακρο-πορώδες πολυμερές που αποτελείται από δυο μονομερή σε αναλογία 1:1, το λιπόφιλο (divinylbenzene (DVB) και το υδρόφιλο N-vinylpyrrolidone. Τα μικροσφαιρίδια έχουν μέσο μέγεθος 30 μm σε ξηρή μορφή και ειδική επιφάνεια προσρόφησης 800 m 2 g -1. Το μήκος του φυσιγγίου (cartridge) της στήλης ελαττώθηκε περίπου στα 2 cm και εφαρμόστηκε μεταξύ των θέσεων 2 και 4 της βαλβίδας έγχυσης, με τη βοήθεια ενός προσαρμογέα και ενός συνδέσμου τύπου "push fit" από PVC (Σχήμα 3.1). Η κατασκευή των παραπάνω εξαρτημάτων έγινε στο εργαστήριο για να διευκολύνει τη γρήγορη αντικατάσταση της μικροστήλης οπότε κρινόταν απαραίτητο, εξαιτίας της σταδιακής απενεργοποίηση του προσροφητικού υλικού. 93

94 Σχήμα 3.1. Μικροστήλη OASIS HLB, και τα εξαρτήματα προσαρμογής. 4. Αντιδραστήρια Όλα τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αναλυτικώς καθαρά από την εταιρία Merck. H παρασκευή των προτύπων διαλυμάτων που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της μελέτης, γινόταν λίγο πριν τη χρήση τους για την αποφυγή αλλοίωσης τους και παρουσίασης σφαλμάτων κατά τον προσδιορισμό. Το νερό που χρησιμοποιήθηκε ήταν υπερκάθαρο και ελήφθη με τη βοήθεια του συστήματος Milli Q (Millipore, Bedford, USA). Όλα τα διαλύματα του χρωμίου ήταν της τάξης των μg L -1 και η παρασκευή τους γινόταν με διαδοχικές αραιώσεις του προτύπου stock διαλύματος των 1000 mg L -1 Cr(VI) (σε 0,5 mol L -1 HNO 3 ). Για τη ρύθμιση της οξύτητας των προτύπων διαλυμάτων του χρωμίου χρησιμοποιήθηκε διάλυμα αραιού 94

95 νιτρικού οξέος. Η παρασκευή του διαλύματος συμπλεκτικού αντιδραστηρίου, διαίθυλο-διθειοκαρβαμιδικό νάτριο DDTC 0,05 % m/v γινόταν καθημερινά με διάλυση κατάλληλης ποσότητας στερεού DDΤC σε νερό. έλος για την έκλουση του προσδιοριζόμενου συστατικού χρησιμοποιήθηκε καθαρή μεθανόλη (MeOH) του οίκου Fisher scientific LC- MS Grade. Η συλλογή των δειγμάτων νερού που αναλύθηκαν έγινε από περιοχές της Bόρειας Eλλάδος. 5. Περιγραφή της μεθόδου Η βελτιστοποιημένη διάταξη για την on line προσυγκέντρωση και προσδιορισμό του χρωμίου(vi) σε περιβαλλοντικά δείγματα με την προτεινόμενη μέθοδο FI-SPE- FAAS παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.1. Η διάταξη αποτελείται από το σύστημα FIAS- 400 το οποίο περιλαμβάνει μια περισταλτική αντλία (P) για την προώθηση του δείγματος και του χηλικού αντιδραστηρίου και μια βαλβίδα έγχυσης 2 θέσεων και 5 καναλιών, την αντλία σύριγγας (SP) για την προώθηση του οργανικού διαλύτη (ΜeOH) και τον ανιχνευτή του φασματόμετρου. 95

96 Σχήμα 5.1. Σχηματική διάταξη συστήματος FI-SPE-FAAS για τον προσδιορισμό του Cr. α ) στάδιο φόρτωσης του δείγματος β ) στάδιο έκλουσης. SP: αντλία σύριγγας, MeOH: εκλουστικός διαλύτης, IV: βαλβίδα έγχυσης, P : περισταλτική αντλία, DDTC: συμπλεκτικό αντιδραστήριο 0,05% m/v DDTC, sample : δείγμα, FC : εξάρτημα αποκατάστασης ροής, W : απόβλητα. 96

97 Στο Σχήμα 5.2 παρουσιάζεται το πρόγραμμα της FIAS-400. Η προτεινόμενη μέθοδος περιλαμβάνει τρία βασικά στάδια λειτουργίας, τα οποία παρουσιάζονται συνοπτικά στον Πίνακα 5.1. Η φόρτωση του δείγματος βασίζεται στη μέτρηση του χρόνου λειτουργίας της αντλίας P, κατά τον οποίο το δείγμα και το αντιδραστήριο προωθούνται στο σύστημα. Σχήμα 5.2. Εικόνα του λογισμικού του συστήματος FIAS-400 των σταδίων λειτουργίας της μεθόδου. Στο πρώτο στάδιο (Σχήμα 5.2(α), στάδιο φόρτωσης) η βαλβίδα IV βρίσκεται στη θέση φόρτωσης (load position ) και η περισταλτική αντλία (Ρ) σε λειτουργία για την προώθηση του δείγματος και του DDΤC με παροχές 10,0 ml και 1,2 ml min -1 αντίστοιχα. Η χρονική διάρκεια του σταδίου καθορίζει το χρόνο προσυγκέντρωσης και κατά συνέπεια την ευαισθησία της μεθόδου. Το σχηματιζόμενο σύμπλοκο Cr(VI)- 97

98 DDΤC προσροφάται στη στήλη προσυγκέντρωσης. Στη συνέχεια (Σχήμα 5.2β στάδιο έκλουσης) η βαλβίδα ΙV γυρίζει στη θέση έκλουσης (elute position) και η λειτουργία της περισταλτικής αντλίας (P) σταματάει για την αποφυγή επιπλέον κατανάλωσης δείγματος και αντιδραστηρίου. Παράλληλα ενεργοποιείται η αντλία σύριγγας (SP) για την προώθηση κατάλληλης ποσότητας μεθανόλης προς τη στήλη προσυγκέντρωσης. Η διάρκεια του σταδίου έκλουσης είναι 20 s κατά τα οποία πραγματοποιείται η έκλουση του προσδιοριζόμενου συστατικού και η μέτρηση του χρωμίου στον ατομοποιητή της FAAS. Τέλος, πραγματοποιείται πλύση της μικροστήλης με μεθανόλη. Για την αποφυγή της διασποράς του εκλούσματος η φορά του διαλύτη έκλουσης (MeOH) είναι αντίθετη με αυτή του σταδίου φόρτωσης του δείγματος. Σχήμα 5.3. Εικόνα του καταγραφόμενου σχήματος κατά τον προσδιορισμό του Cr (VI). 98

99 Η καταγραφόμενη κορυφή της απορρόφησης ήταν οξεία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.3 και το ύψος της ανάλογο του προσδιορισμού του μετάλλου. Σε κάθε περίπτωση πραγματοποιήθηκαν 5 επαναλαμβανόμενες μετρήσεις για κάθε δείγμα. Πίνακας 5.1. Στάδια λειτουργίας της μεθόδου FI-SPE-FAAS. Στάδιο Θέση P SP V Προωθούμε Παροχή Χρόνος Λειτουργία θέση νο διάλυμα ml min -1 (s) 1 Φόρτωση ON - IN Δείγμα DDTC 10,0 1,2 90 Προσυγκέντρ ωση 2 Έκλουση OFF Αναρρόφηση OUT MeOH 2,4 20 Πλήρωση της σύριγγας 3 Έκλουση OFF Προώθηση OUT MeOH 2,4 20 Έκλουση /μέτρηση 4 Έκλουση OFF προώθηση OUT MeOH 2,4 10 Πλύση μικροστήλης 99

100 6. Βελτιστοποίηση των παραμέτρων της μεθόδου Η μελέτη της βελτιστοποίησης της μεθόδου έγινε με βάση τη μονοπαραμετρική μεθοδολογία, σύμφωνα με την οποία η βελτιστοποίηση μιας παραμέτρου γίνεται μεταβάλλοντας την τιμή της, ενώ παράλληλα διατηρούνται σταθερές οι τιμές των άλλων παραμέτρων. Κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε πρότυπο διάλυμα Cr(VI ) συγκέντρωσης 80,0 μg L -1. Mελετήθηκε η επίδραση της οξύτητας του δείγματος, της συγκέντρωσης του συμπλεκτικού αντιδραστηρίου, της παροχής φόρτωσης της στήλης προσυγκέντρωσης, της παροχής του εκλουστικού, καθώς επίσης και του χρόνου προσυγκέντρωσης, αξιολογώντας το ύψος της κορυφής του καταγραφόμενου σήματος απορρόφησης του Cr (VI) Επιλογή του συμπλεκτικού αντιδραστηρίου και του διαλύτη έκλουσης Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την επιλογή του κατάλληλου συμπλεκτικού αντιδραστηρίου και μελετήθηκαν τα ακόλουθα: διαίθυλο διθειοφωσφορικό αμμώνιο NH 4 DDC, διαίθυλο-διθειοκαρβαμιδικό νάτριο DDTC και πυρρολίδινο διθειοκαρβαμιδικό αμμώνιο APDC για την αποτελεσματική συμπλοκοποίηση του Cr(VI) με την προτεινόμενη μεθοδολογία, FI-SPE FAAS. Για πρότυπο διάλυμα Cr(VI) συγκέντρωσης 80,0 μg L -1 και χρόνο προσυγκέντρωσης 60 s ελήφθησαν τα παρακάτω αποτελέσματα. 100

101 Πίνακας Επίδραση του συμπλεκτικού διαλύματος Cr (VI). Αντιδραστήριο DDTC APDC NH 4 DDC αντιδραστηρίου στην απορρόφηση Σχετική απορρόφηση 100% 82% 91% Παρά το γεγονός ότι η επεξεργασία των αποτελεσμάτων επιβεβαίωσε την ικανότητα συμπλοκοποίησης και των τριών αντιδραστηρίων με το χρώμιο, το DDTC έδινε υψηλότερες απορροφήσεις (Σχήμα 6.1) με αποτέλεσμα την αύξηση της ευαισθησίας της μεθόδου. Σχετική Απορρόφηση DDTC, 0.05% APDC, 0.05% NH4DDC, 0..1% Σχήμα 6.1. Επίδραση του συμπλεκτικού αντιδραστηρίου στην απορρόφηση. Για την επιλογή του κατάλληλου εκλουστικού μέσου μελετήθηκαν οι εξής οργανικοί διαλύτες: ακετόνη (Acetone), μεθανόλη (ΜeOH), αιθανόλη (ΕτΟΗ). Kαι οι τρεις οργανικοί διαλύτες που μελετήθηκαν παρουσίασαν ικανοποιητική 1011

102 επαναληψιμότητα και εκλουστική ικανότητα. Τα αποτελέσματα φαίνονται τόσο στον παρακάτω Πίνακα 6.2 όσο και στο διάγραμμα που ακολουθεί Σχήμα 6.2. Cr( VI). Πίνακας 6.2. Επίδραση του διαλύτη έκλουσης στην απορρόφηση διαλύματος Αντιδραστήριο Σχετική απορρόφηση Αιθανόλη 90% Μεθανόλη 100% Ακετόνη 82% Σχετική Απορρόφηση η Ethanol Methanol Acetone Σχήμα 6.2. Επίδραση του διαλύτη έκλουσης στην απορρόφηση. Την καλύτερη εκλουστική ικανότητα σε συνδυασμό με το χαμηλότερο κόστος παρουσίασε η μεθανόλη, η οποία χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια των πειραμάτων. 102