2leonardo.unibuc.ro/ro/products/textbook/chapteriii.doc · web viewamoniac, nh3 200 - 230 0,8...

CAPITOLUL III. METODE AUTOMATE DE ANALIZĂ PENTRU MONITORIZAREA ŞI CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI

CAPITOLUL III

METODE AUTOMATE DE ANALIZĂ PENTRU MONITORIZAREA ŞI CONTROLUL

POLUĂRII MEDIULUI

305


III.1. INTRODUCERE

În ultimele decenii se poate constata folosirea pe scară din ce în ce mai mare a automatizării în numeroase domenii ale ştiinţei şi tehnicii, şi în mod deosebit în domeniul monitorizării calităţii mediului. Acest lucru a fost posibil datorită progreselor deosebite realizate în ramuri tehnologice de vârf, cum ar fi micromecanica, microelectronica şi în special în construcţia calculatoarelor.

Automatizarea unor procese sau tehnologii prezintă avantaje deosebite, asupra cărora nu vom insista, permiţând realizarea unor performanţe şi a unor preţuri de cost avantajoase ale produselor obţinute, inaccesibile în alt mod.

Şi în domeniul chimiei analitice automatizarea şi-a găsit un domeniu larg de aplicare, în prezent fiind din ce în ce mai dificil, iar în anumite cazuri chiar imposibil, să se rezolve problemele ce stau în faţa unui chimist analist fără a utiliza metode automate de analiză.

În general automatizarea proceselor analitice se poate realiza în mai multe moduri. S-au realizat astfel analizoare automate ale unor probe discrete, analizoare în flux şi analizoare robotice. Dintre acestea, foarte importante sunt analizoarele bazate pe principiul analizei în flux.

În ultimele decenii metodelor de analiza în flux li s-a acordat o mare atenţie fiind aplicate pentru rezolvarea unor probleme analitice de rutină sau de cercetare. Caracteristica comună a acestor metode constă în faptul că măsurătorile sunt efectuate utilizând un canal analitic prin care circulă proba de analizat şi reactivii. Dispozitivele costruite pentru aplicarea acestor metode de analiză sunt caracterizate prin simplitate din punct de vedere mecanic şi siguranţă de funcţionare. De asemenea, anumite caracteristici importante ale metodelor de analiză în flux, cum ar fi viteza de efectuare a analizelor şi reproductibilitatea determinărilor sunt foarte ridicate.

Folosirea computerelor pentru a dirija, controla şi diagnostica aparatura folosită, precum şi pentru a prelucra datele experimentale obţinute, a ridicat şi mai mult performanţele analizoarelor în flux, multe dintre acestea putând funcţiona în regim complet automat.

Analizoarele în flux pot fi utilizate pentru efectuarea determinărilor analitice ‘on line’ sau ‘off line’.

În varianta ‘on line’ analizorul în flux este plasat chiar lângă locul de unde se prelevează probele de analizat. Astfel, probele pot fi luate (în general automat) dintr-un flux industrial, un canal de evacuare a apelor reziduale etc. Analiza începe imediat după luarea probei, rezultatul analizei fiind obţinut într-un timp scurt de la câteva zeci de secunde la maximum câteva minute. Procedându-se în acest mod, rezultatele analizelor se obţin în timp ‘real’ putându-se acţiona eficient, ori de câte ori este necesar. Analizoarele în flux on line sunt în general analizoare dedicate analizei unor

306


anumite specii chimice, pentru anumite domenii de concentraţii. Aceste analizoare, în general, trebuie să aibă o construcţie mai robustă şi aceasta datorită locului în care funcţionează şi în care pot fi trepidaţii, variaţii mari de temperatură etc.

În varianta off line analizorul în flux este plasat la o anumită distanţă de locul de luare a probelor, într-un laborator. Probele, recoltate din diferite puncte, sunt aduse la laborator pentru efectuarea analizei. Între prelevarea probei şi efectuarea analizei poate trece un timp lung (ore sau chiar zile) ceea ce deseori constituie un mare inconvenient.

Există şi modalitatea de efectuare a determinărilor în flux in line. În acest caz un parametru, sau o anumită specie de analizat dintr-un flux industrial, sunt determinaţi cu ajutorul unui senzor introdus în fluxul respectiv.

În cele ce urmează se face o scurtă prezentare a metodelor automate de analiză în flux cu aplicaţii în controlul calităţii mediului, precum şi a altor metode automate de analiză care au aplicaţii importante în domeniul menţionat.

307


III.2. TEHNICI DE ANALIZĂ ÎN FLUX

III.2.1. INTRODUCERE ÎN CFA, SFA, FIA ŞI SIA

Mihaela Carmen CHEREGI, Mihaela BADEA, Andrei Florin DĂNEŢ

Metodele de analiză în flux, necunoscute acum jumătate de secol, sunt din ce în ce mai folosite în laboratoarele analitice. Prima lucrare publicată în acest domeniu a apărut în 1957, scrisă de SKEGGS care introduce conceptul de analiză în flux segmentat (SFA). De atunci şi până în prezent au fost obţinute multe îmbunătăţiri şi chiar simplificări ale acestor metode.

Importanţa şi interesul manifestat în folosirea metodelor de analiză în flux continuu pentru controlul calităţii apelor sunt reflectate şi prin numeroasele review-uri publicate în acest domeniu şi care prezintă atât concepte generale cât şi aplicaţii pentru determinarea anumitor analiţi. Majoritatea acestor lucrări ştiinţifice sunt dedicate analizei prin injectare în flux (FIA) şi în ultimii ani analizei secvenţiale în flux (SIA). Explicaţia acestui fapt este că: fie unele tehnici sunt deja mature şi este greu să se aducă noi contribuţii (SFA) fie nu s-au dezvoltat foarte rapid (analiza prin multicomutare în flux şi analiza în flux cu multi-seringi).

III.2.1.1. Analiza în flux continuu (CFA)

Analiza în flux continuu (CFA) reprezintă o tehnică în care concentraţia analitului este măsurată neîntrerupt într-un flux de lichid sau gaz. Scopul CFA este acela de a elimina o serie de operaţii manuale, cum ar fi amestecarea probelor cu reactivii în vase de sticlă individuale, prin înlocuirea lor cu fluxuri continue de soluţii de reactivi, care circulă printr-un sistem închis de tuburi. Cu alte cuvinte, în CFA proba este convertită într-un flux continuu cu ajutorul unui sistem de pompare, fluxul circulând printr-un tub cu diametru mic. Adăugarea reactivilor necesari se face prin pomparea lor continuă, prin alte tuburi ce prezintă puncte de confluenţă cu tubul probei. Amestecarea probei cu reactivii şi reacţia chimică are loc în timpul transportului acesteia către detector, care este prevăzut cu o celulă în flux şi unde semnalul analitic este înregistrat în mod continuu. Principala dificultate o reprezintă prevenirea contaminării probelor adiacente între ele, această contaminare cauzînd în etapa de înregistrare, suprapuneri sau pierderi ale semnalelor analitice. În general, pentru a diminua contaminarea, timpul dintre aspirările probelor trebuie optimizat prin reducerea numărului de determinări şi prin folosirea unor soluţii de spălare (de ex. apă) după fiecare probă. Cu cât este mai mare numărul de probe analizate în unitatea

308


de timp, cu atât va fi mai mare contaminarea probelor adiacente. Din acest motiv, viteza de determinare într-un analizor continuu este restricţionată.

Schema generală a unui sistem CFA este prezentată în figura III.2.1.a şi acesta constă din: - o pompă (P) ce este utilizată pentru a furniza fluxurile: transportor, de probă şi de

reactivi, prin tuburi înguste; - un tub spiralat care constituie mini-reactorul (RC) în care proba se amestecă şi

reacţionează cu componentele fluxului transportor sau cu reactivii, formând specii ce sunt măsurate de un detector în flux;

- un înregistratorar/computer (PC) care înregistrează semnalele CFA tipice.Analizoarele în flux continuu au o construcţie flexibilă şi mult mai simplă din

punct de vedere mecanic decât cele pentru probe discrete. Transportul probelor şi al reactivilor în sistemele CFA necesită folosirea unei pompe adecvate şi cele mai des utilizate, în construcţia de analizoare în flux continuu, sunt pompele peristaltice multicanal. Aceste dispozitive folosesc tuburi flexibile pentru realizarea fluxurilor, tuburi care nu trebuie să fie atacate de soluţiile cu care se lucrează, fapt ce poate constitui o limitare a folosirii acestora în CFA. Soluţiile corozive sau puternic reactive nu pot fi pompate prin tuburile pompei (utilizate în mod obişnuit) şi din acest motiv s-au fabricat tuburi din noi tipuri de materiale plastice şi sintetice (de ex. Viton) dar care sunt mai scumpe decât cele obişnuite.

(a)

(b)

309

C WRC

P

B

A

S

DC W

RC

P

B

A

S

D

CW

RC

P

A

SD

KL

CW

RC

P

A

SD

KL


(c)

Fig. III.2.1. Schema unui sistem CFA. (a) metoda amestecării continue; (b) metoda amestecării continue în flux-stopat – reactivul A este continuu aspirat si amestecat alternativ cu fluxul de probă S şi cu cel transportor C; (c) titrări în flux continuu. P1 – pompă cu viteză contantă, P2 – pompă cu viteză variabilă controlată de computer. P – pompă; RC – reactor (spirală de reacţie); D – detector; KL – dispozitiv cinematic de control al sondei de aspirare; C – flux transportor; S – probă; A, B – reactivi; W – rezidii; ttr – timp de titrare.

Tehnica în flux continuu reprezintă cel mai flexibil mod de a efectua un număr mare de operaţii analitice necesare pentru a realiza o analiză chimică. Pe lângă diluarea probei, încălzirea, amestecarea şi introducerea reactivilor, operaţii efectuate şi într-un analizor pentru probe discrete, în sistemul în flux se pot efectua şi separări prin dializă, difuzie gazoasă, distilare, extracţie cu solvenţi sau alte tipuri de pretratamente chimice, direct asupra probei, în timpul transportului ei către detector.

Un număr mare de detectori pot fi utilizaţi în sistemele în flux, dar detectorul spectrofotometric este cel mai des folosit.

Tipuri de metode în flux continuuMetodele de analiză în flux pot fi clasificate în trei grupe:

1. Metode cu amestecare continuă – care se caracterizează prin introducerea probei în sistem, amestecarea ei cu fluxul transportor sau reactivul, măsurarea semnalului analitic în timp ce zona de reacţie trece prin celula în flux a detectorului, după care este trimisă la rezidii (sistem deschis “open system”, fig. III.2.1.a) sau este recirculată (sistem închis “closed system”). De asemenea, proba poate fi inserată în sistem şi în mod intermitent, prin intercalarea de soluţii de spălare între probe pentru a evita contaminarea lor.

2. Metode cu amestecare continuă în flux stopat (fig. III.2.1.b) – fluxul este stopat în diferitele etape ale procesului analitic pentru a evita intrarea aerului în sistem atunci când se mută tubul de aspirare din vasul cu probă în cel cu reactivi sau cu soluţii de spălare. O sondă controlată de un dispozitiv cinematic, aspiră un anumit volum de probă printr-un tub introdus în soluţia probei după care pompa este oprită. Sonda este scoasă şi imersată în rezervorul cu reactiv, iar pompa este

310

WRC

P1

A

SD

P2

ttrttr

Sem

nala

nalit

ic

timp (s)

WRC

P1

A

SD

P2

ttrttrttrttr

Sem

nala

nalit

ic

timp (s)


repornită. În metodele cinetice de analiză, fluxul este stopat când zona probei se găseşte în celula detectorului pentru a monitoriza evoluţia reacţiei chimice.

3. Titrări în flux continuu – proba este inserată în mod continuu în sistem fie prin păstrarea constată a debitului său şi varierea debitului titrantului, (fig. III.2.1.c), fie prin păstrarea constantă a debitelor celor două fluxuri. Concentraţia reactivului creşte însă linear în flux în timpul procesului de titrare (reactivul putând fi generat printr-o reacţie electrochimică), până la atingerea şi depăşirea punctului de echivalenţă. Concentraţia analitului va fi dată de timpul scurs între cele două puncte de echivalenţă (fig. III.2.1.c).

Aplicaţii ale sistemelor CFAMonitorizarea ionului cianură, un ion foarte toxic, a fost realizată folosind un

sistem CFA (fig. III.2.2) şi metoda spectrofotometrică clasică de analiză (cu acid barbituric şi cloramină T). După cum arată şi figura III.2.2, fluxul de cloramină T este amestecat cu proba şi după spirala de reacţie RC1 se întâlneşte cu fluxul de piridină / acid barbituric. O a doua spirală de reacţie, RC2, permite obţinerea produsului de reacţie colorat a cărui absorbanţă este măsurată la 578 nm. Această metodă, care poate fi realizată şi prin FIA şi prin FIA-inversă, permite o comparaţie între rezultatele obţinute cu aceste tehnici şi tehnica CFA.

Fig. III.2.2. Schema sistemului CFA folosit pentru determinarea spectrofotometrică a cianurilor. P – pompă peristaltică; RC – spirale de reacţie; D – detector; W – rezidii.

III.2.1.2. Analiza în Flux Segmentat (SFA)

Analiza în flux segmentat (SFA) a fost prima contribuţie în dezvoltarea metodelor automate de analiză. Ea a fost prezentată prima oară într-o lucrare ştiinţifică a Dr. L. SKEGGS (Universitatea din California, SUA) în 1957. Studiile lui SKEGGS au fost materializate în proiectarea primului sistem dinamic de măsurare continuă, cu

311

Cloramină TRC1=25 cm

P

Piridină -Acid barbituric

Probă

Tampon (pH=6.3)

D W

RC2=525 cm

35° CCloramină TRC1=25 cm

P

Piridină -Acid barbituric

Probă

Tampon (pH=6.3)

DD WW

RC2=525 cm

35° C


introducerea secvenţială a probelor şi utilizarea unei celule în flux. Contaminarea probelor adiacente a fost eliminată de către bulele de aer introduse între segmentele de lichid.

Cîteva corporaţii internaţionale, cum ar fi TECHNICON, SKALAR, BURKARD etc., au contribuit la dezvoltarea şi comercializarea de analizoare bazate pe ideile lui SKEGGS.

Aspecte generale şi aparaturăSFA se caracterizează prin folosirea unuia sau a mai multor fluxuri de lichid

în care probele sunt introduse prin aspirare şi sunt separate de bule de aer pentru a evita contaminarea lor. Astfel, fluxul de lichid final este format din segmente mici şi discrete de lichid separate între ele de bule de aer sau de un alt gaz, ce umple perfect partea interioară a tubului. Proba şi reactivii sunt ametecaţi în timpul trecerii lor printr-o spirală de sticlă ce poate fi plasată într-o baie termostatată la o anumită temperatură, atunci când este necesară creşterea vitezei de reacţie.

Mult timp, tehnica a reprezentat una dintre cele mai acceptate şi folosite metode pentru automatizarea proceselor analitice din laboratoarele de analize de rutină şi cercerare. SFA prezintă avantajul analizei de până la 120 de probe pe oră şi al posibilităţii determinării simultane a 16 analiţi.

Schema unui sistem SFA este prezentată în figura III.2.3 şi cuprinde o serie de module, fiecare îndeplinind o anumită funcţie, cum ar fi: prelevarea probei; propulsia soluţiilor; transportul probelor; încălzirea; separarea; detecţia analitului cu un detector echipat cu celulă în flux, înregistrarea datelor şi interpretarea lor; toate acestea fiind cuplate între ele on-line.

Tub de reacţie

Unitate deseparare

Sistem deîndepărtare

a bulelor de aer

AerSchimbător automat

de probe

Pompă

Diluant

Reactiv

Rezidii

Aer

Detector

Celulă în fluxBaie

termostatată

Tub de reacţieTub de reacţie

Unitate deseparare

Sistem deîndepărtare

a bulelor de aer

AerSchimbător automat

de probe

Pompă

Diluant

Reactiv

Rezidii

Aer

Detector

Celulă în flux

Detector

Celulă în fluxBaie

termostatată

Fig. III.2.3. Schema unui sistem SFA.

Dispozitivul de prelevare al probelor – constă dintr-un schimbător automat de probe şi o sondă de aspirare mobilă.

Dispozitivul de propulsie – are scopul de a furniza fluxurile de probă, reactivi şi aer. În general acesta este o pompă peristaltică multi-canal (fig. III.2.13) dar pot fi folosite şi pompe cu piston sau presiunea exercitată de un gaz. Debitele fluxurilor

312


trebuie ajustate şi menţinute cât mai constante prin folosirea de tuburi flexibile de material plastic care rezistă presiunii mecanice la care sunt supuse.

Spirale de amestecare şi reacţie – tuburile prin care circulă proba şi reactivii prezintă puncte de confluenţă pentru care se folosesc conectori de tip “T”; amestecarea reactanţilor are loc în spirala de reacţie, un tub de sticlă, teflon sau polietilenă. Tubul spiralat este montat orizontal şi amestecarea reactanţilor se realizează prin inversiuni repetate ale zonelor de lichid. Lungimea spiralei determină timpul necesar reacţiei chimice să aibă loc (timpul de rezidenţă) şi de aici se calculează numărul de probe ce pot fi analizate în unitatea de timp.

Dispozitivul de încălzire, dispozitivul de separare continuă – se introduc în sistemul SFA, daca este necesar, şi se cuplează în serie cu celelalte componente. Pentru încălzire sunt folosite băile termostatate sau fire electrice ce înconjoară spirala pentru a favoriza dezvoltarea reacţiei chimice. Pentru separare sunt folosite dispozitive de dializă, extracţie lichid-lichid, micro-coloane de sorbţie sau schimbători de ioni, filtre. Aceste dispozitive sunt plasate înaintea spiralelor de reacţie pentru a elimina potenţialii interferenţi.

Dispozitivul de îndepărtare a bulelor de aer – scopul lui este acela de a îndepărta bulele de aer introduse înainte ca fluxul de lichid să intre în celula în flux a detectorului. Îndepărtarea lor este necesară pentru a preveni înregistrarea de semnale parazite datorate prezenţei lor în detector. Acest dispozitiv nu este însă necesar pentru sistemele apărute recent, semnalele parazite sunt eliminate de un computer cuplat la analizor capabil să discearnă între acestea şi cele corespunzătoare produsului de reacţie.

Detectorul – orice detector optic sau electrochimic echipat cu o celulă în flux poate fi folosit în SFA. Bulele de aer sunt eliminate în mod eficient din fluxul de lichid dacă tubul pentru rezidii al celulei în flux este cuplat la pompă peristaltică (fig. III.2.4). Debitul fluxului lichidului ce intră în celulă trebuie sa fie mai mare decât debitul fluxului de rezidii aspirat de pompă.

Unitatea de înregistrare şi prelucrare a datelor – trebuie pregătită să lucreze în mod continuu şi să fie la fel de simplă ca şi un înregistrator y–t sau se poate utiliza un microprocesor/computer de înaltă performanţă care pe lângă înregitrarea semnalelor să permită şi stocarea, prelucrarea şi interpretarea datele experimentale, afişând direct rezultatul dorit. Cele mai moderne sisteme SFA sunt complet asistate de un computer.

313


Fig. III.2.4. Schema unei celule în flux spectrofotometrice cu dispozitiv de îndepărtare a bulelor de aer.

Principii şi aspecte cinetice ale SFAO caracteristică deosebită a SFA este aceea că, în sistem pe lângă probă şi

reactivi, mai este aspirat şi aer prin unul din tuburile pompei şi acesta produce o segmentare a fluxului de lichid în momentul în care se întâlneşte cu acesta. Segmentarea este menţinută pe tot parcursul sistemului, în diferite stadii ale analizei chimice, până la intrarea în celula detectorului când aerul este eliminat şi fluxul continuu de lichid este restabilit. Introducerea aerului permite ca fiecare probă individuală să fie împărţită într-un anumit număr de zone discrete şi acest fapt conduce la o serie de avantaje. Primul, bulele de aer determină menţinerea integrităţii fiecărei zone de probă. Al doilea avantaj, prezenţa bulelor de aer favorizează amestecarea lichidelor într-o zonă datorită fricţiunilor pe peretele tubului. Amestecarea omogenă a fiecărei zone de lichid se realizează şi prin rotirea ei în mod repetat la trecrea prin spirala de amestecare. Pentru o eficienţă maximă a omogenizării, lungimea ficărei zone de lichid trebuie să fie mai mică decât jumătate din diametrul spiralei. Al treilea avantaj, presiunea pe care o exercită bula de aer aspura peretelui interior al tubului permite îndepărtarea picăturilor de lichid de la proba precedentă, prevenind astfel contaminarea probei următoare.

Măsurătorile realizate în sisteme SFA sunt efectuate în condiţii de echilibru fizic (omogenizarea probei cu reactivii în zona de lichid cuprinsă între două bule de aer consecutive) şi chimic (reacţia analitică atinge starea de echilibrul chimic înainte ca zona de lichid să ajungă la detector). Astfel, în sistemele SFA semnalele înregistrate ating valoarea lor maximă şi deci construcţia şi operarea lor trebuie să permită stabilirea acestor echilibre.

314

Sursă de radiaţii

Fotocelulă

Flux de lichidcuplat la un canal

al pompei

Flux segmentat

Aer către rezidii

Sursă de radiaţii

Fotocelulă

Flux de lichidcuplat la un canal

al pompei

Flux segmentat

Aer către rezidii


Principalele avantaje ale determinărilor realizate într-un analizor SFA şi anume precizia şi rapiditatea sunt puternic influenţate de parametrii operaţionali ai acestuia, cum ar fi: gradul de contaminare al probelor adiacente şi de amestecare al reactanţilor; timpul de rezidenţă al probei în sistem etc.

Semnalul analiticPerformanţa unui sistem care analizează probe discrete la intervale regulate de

timp este legată de dinamica fluxului de lichid. Un flux continuu de lichid care circulă printr-un tub prezintă un profil parabolic al vitezelor de curgere, viteza fluxul fiind mai mare în centru şi mai mică la pereţii tubului datorită forţelor de frecare (fig. III.2.5.a). Prin faptul că partea centrală a lichidului avansează şi partea laterală ramâne în urmă se explică contaminarea probelor de la una la alta. Segmentarea fluxului de lichid cu bule de aer reduce această contaminare prin bariera pe care o crează acestea între probele adiacente. Aşa cum se poate observa şi din figura III.2.5.b, fiecare zonă de lichid cuprinsă între două bule este foarte bine omogenizată datorită fricţinuilor ce iniţiază o curgere mai mult turbulentă decât laminară iar contaminarea între probe este prevenită prin completa separare a zonelor de lichid. Bulele curăţă continuu sistemul prin înlăturarea picăturior de pe pereţii tubului, înlăturând astfel într-o anumită măsură filmul de lichid ce ar putea contamina probele următoare. Cu toate acestea, bulele nu pot îndepărta şi filmul de lichid staţionar de pe suprafaţa interioară a peretelelui tubului.

(a) (b)

Fig. III.2.5. (a) Profilul parabolic al vitezei de curgere a lichidului prin tuburi înguste. (b) Amestecarea reactanţilor în segmentele de lichid.

Răspunsul standard furnizat de un detector pentru un sistem SFA şi parametrii caracteristici acestuia sunt prezentaţi în figura III.2.6. El este obţinut după trecerea zonei amestecului de reacţie, plasată între două zone de reactiv sau soluţii de spălare, şi după ce bulele de aer au fost eliminate, prin celula în flux a detectorului. Semnalul SFA este compus din trei părţi: o porţiune crescătoare, un platou (valoare sa maximă) şi o porţiune descrescătoare, cu o alură inversă faţă de cea crecătoare şi care atinge în final linia de bază. Studiile teoretice realizate asupra semnalului SFA au demonstrat că porţiunea crescătoare depinde exponenţial de concentraţie. Concentraţia măsurată în funcţie de timp este expimată prin următoarea ecuaţie:

315


unde C este concentraţia la echilibru a analitului (la maximul picului) iar Ct este concentraţia la un anumit timp, t.

Semnificaţia parametrilor prezentaţi în figura III.2.6 este: tr – timpul scurs de la începutul aspirării probei şi până la intrarea ei în celula în flux, cunoscut sub numele de timp de rezidenţă; tin – timpul de aspirare al probei, timpul în care sonda de aspirare se găseşte în containerul probei şi tout – timpul cât sonda este în afara containerului probei şi aspiră soluţii de spălare/aer. În plus faţă de aceşti parametri, foarte importanţi pentru caracterizarea semnalelor şi calcularea performanţelor sistemului SFA sunt: faza de lag (tL) şi timpul de semispălare (tw1/2). Aceşti din urmă parametri oferă o corelaţie între valoare maximă a semnalului, fracţiunea din valoarea maximă a semnalului obţinută la un anumit timp şi gradul de contaminare al probelor succesive.

Graficul log Ct în funcţie de timp este prezentat în figura III.2.7. Faza de lag corespunde primei porţiuni a semnalului şi ea este definită ca intervalul de timp scurs de la începutul semnalului şi atingerea platoului. Este expimată numeric ca valoarea obţinută din intersecţia prelungirii porţiunii lineare cu axa timpului. Timpul de semispălare este definit ca timpul necesar pentru ca semnalul, într-un un anumit punct, să scadă la jumătate din valoarea sa şi el este calculat direct din panta porţiunii lineare a graficului.

Fig. III.2.6. Semnalul standard obţinut cu sisteme SFA. tr – timp de rezidenţă; tin – timpul de aspirare al probei; tout – timpul de aspirare al soluţiei de spălare / aer.

316

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)trtin tout

tr

tL

tw1/2

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)trtin tout

tr

tL

tw1/2


Fig. III.2.7. Graficul obţinut la reprezentarea fazei de lag tL şi a timpului de semispălare tw1/2 (log Ct = f(tw1/2))

Contaminarea probelorContaminarea probelor apare în special în porţinile nesegmentate ale fluxului

care din punctul de vedere al sistemului SFA sunt următoarele:a. Sistemul de aspirare, sonda este contaminată atât în interior cât şi în

exterior cu proba precedentă, dacă nu se folosesc soluţii de spălare;b. sistemul de curgere, filmul subţire şi static de lichid care se formează la

deplasarea zonelor de lichid şi care nu poate fi îndepărtat de bulele de aer. La ajungerea într-un anumit punct, o parte a probei se amestecă şi este încorporată în segmentul celei de a două (fig. III.2.8.a).

c. tubul de legătură dintre dispozitivul de îndepărtare a bulelor de aer şi detector. El favorizează amestecarea între probele succesive din moment ce nici o barieră fizică nu mai există între ele. Acest tub trebuie să fie deci cât mai scurt şi îngust posibil pentru a preveni difuzia axială.

Efectul contaminării asupra semnalelor SFA comparat cu noţiunile teoretice este prezentat în figura III.2.8.b. O contaminare pronunţată rezultă în suprapunerea puternică a semnalelor care devin inutilizabile din punct de vedere analitic.

317

timp (s)

log

Ct

-0.5

-1.0

-1.5

-10 0 10 20 30 40 50

tL

(faza de lag)

log 2

log 2

tw1/2 tw1/2

timp (s)

log

Ct

-0.5

-1.0

-1.5

-10 0 10 20 30 40 50

tL

(faza de lag)

log 2

log 2

tw1/2 tw1/2


Contaminarea probelor (fig. III.2.8) poate fi determinată prin introducerea secvenţială a trei probe (S1, S2, S3), prima şi ultima având aceeaşi concentraţie şi S2 o concentraţie mult mai mare.

(a)

(i) (ii)

(iii)

(b)

Fig. III.2.8. Contaminarea în sistemele SFA. (a) Contaminarea probelor S1 şi S2

produsă de filmul subţire de lichid de la suprafaţa peretelui tubului. (b) Efectul contaminării asupra semnalelor SFA obţinute prin introducerea a trei probe consecutive (S1, S2, S3). (i) semnale SFA ideale; (ii) semnale SFA corespunzătoare unei contaminări reduse; (iii) semnale SFA corespunzătoare unei contaminări puternice.

318

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S1

S2

S3

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S1

S2

S3S3

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S1

S2

S3

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S1

S2Se

mna

l ana

litic

timp (s)

S1

S2

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S1

S2

S3

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S1

S2

S3

Direcţia fluxului

Tim

p Aer Aer

Aer Aer Aer

Aer

Aer

S2 S1

S1S2

Direcţia fluxului

Tim

p Aer Aer

Aer Aer Aer

Aer

Aer

S2 S1

S1S2


Dacă nu există contaminare, valoarea maximă a semnalelor pentru S1 şi S3 ar trebui să fie indentică; dacă al treilea semnal este mai mare decât primul, atunci în sistemul SFA există o suprapunere a probelor. Faptul că semnalul dintre probe poate să nu atingă linia de bază este normal în determinările de rutină atât timp cât el atinge starea de echilibru, adică prezintă un platou. Gradul de contaminare poate fi exprimat folosind tw1/2 şi tL. Dacă timpul dintre aspirarea a două probe adiacente este notat cu tb,

valoare ecuaţiei va reprezenta gradul de contaminare: . Este

evident că, valoari cât mai mici pentru tL şi tw1/2 conduc la performanţe foarte bune ale analizorului.

Referindu-ne la figurile III.2.8.a şi III.2.9 trebuie remarcat faptul că o probă nu se găseşte într-un singur segment de lichid (aşa cum este prezentat în figuri pentru simplificare) ci este distribuită în mai multe segmente succesive de lichid.

În concluzie, bulele de aer nu sunt complet eficiente în prevenirea contaminării probelor. Ţinând cont de acest fapt, firma TECHNICON a introdus o soluţie de spălare (fig. III.2.9). Etapele de funcţionare ale analizorului, în acest caz, vor fi următoarele:

1. aspirare de aer;2. aspirarea probei (S1);3. aspirare de aer;4. aspirarea soluţiei de spălare;5. aspirare de aer;6. aspirarea probei următoare (S2).

Fig. III.2.9. Profilul fluxului de lichid la aspirarea soluţiei de spălare (WS) între două probe adiacente (S1, S2).

Acest ciclu este repetat până când ultima probă este analizată. Rolul soluţiei de spălare este acela de a elimina contaminarea în toate cele trei parţi ale sistemului SFA unde apare de obicei, prin:a. spălarea sondei de aspirare în interior şi exterior;b. eliminarea sau diluarea substanţială a filmului subţire şi static de lichid de la

suprafaţa peretelui interior al tubului format de partea “întârziată” a probei;

319

Direcţia fluxului

Aer Aer AerS2 WS S1WSAer Aer

12345612 Secvenţă

Direcţia fluxului

Aer Aer AerS2 WS S1WSAer Aer

12345612 Secvenţă


c. stabilirea unei bariere de lichid între zonele de probă, în tubul dintre dispozitivul de eliminare a bulelor de aer şi celula în flux a detectorului, reducând astfel posibilitatea contaminării zonelor de reacţie în acest tub.

Numărul de probe ce pot fi analizate în unitatea de timpFrecvenţa probelor analizate este definită ca numărul de probe ce pot fi

analizate în unitatea de timp şi este una dintre cele mai reprezentative caracteristici ale SFA cu ajutorul căreia performanţele analizorului sunt evaluate. Ţinând cont de acest fapt, o determinare este fezabilă, numai dacă semnalul atinge valoarea sa maximă într-un timp suficient de scurt care să permită înregistrarea şi achiziţionarea sa. Acesta înseamnă că tin, timpul de aspirare al probei, şi tr, timpul de rezidenţă al probei, trebuiesc foarte mult micşorate. Cu toate acestea, aceşti timpi nu pot fi micşoraţi foarte mult pentru a nu împiedica atingerea stărilor de echibibru, fizic şi chimic.

Contaminarea este un alt factor ce influenţează frecvenţa probelor analizate. Utilizarea soluţiilor de spălare micşorează numărul probelor analizate în unitatea de timp. Timpi mari pentru faza de lag şi pentru timpul de semispălare impun o creştere a volumului probei aspirate şi deci frecvenţa probelor analizate scade.

Factorii ce afectează calitatea semnalelor SFATrei aspecte sunt importante şi au repercursiuni mari asupra calităţii

semnalelor SFA şi deci asupra performanţelor analizorului. Acestea sunt:1. dispersia probei – se referă la împraştierea probei aspirate în sistemul în flux ca

rezultat al filmului static de lichid format la suprafaţa peretelui interior al tubului şi care reduce eficienţa separării segmentelor de lichid cu bule de aer. Influenţa unor variabile experimentale asupra dispersiei a fost studiată şi acestea sunt clasificate ca:

a. variabile ale sistemului: diametru interior al tubului; debitul fluxurilor; timpul de rezidenţă; viteza segmentării (exprimată ca număr de bule de aer ce circulă printr-un tub de o anumită lungime şi diametru interior pe secundă);

b. variabile ale probei: vâscozitate; tensiune superficială; coeficient de difuzie al ionilor sau moleculelor.

2. amestecarea probă – reactiv , zona de probă (conţinând proba şi reactivul/reactivii sau soluţii de diluare) dintre două bule de aer trebuie să fie omogenizată. Acest echilibru fizic este atins în timpul deplasării zonei de probă prin sistem către detector, (tr). Doi parametri contribuie la omogenizarea zonei:

a. compresibilitatea bulelor de aer care produce o accentuare a regimului turbulent de curgere a lichidului şi care forţează în acest fel amestecarea;

b. dispunerea în spirală a tubului care favorizează difuzia radială prin forţa centrifugă şi rotirea repetată a segmentelor de lichid care scurtează timpul de omogenizare.

320


Factorii care influenţează cel mai puternic ametecarea în sistemele SFA sunt: diametrul interior al tuburilor; lungimea zonelor / segmentelor de lichid; debitul fluxurilor şi caracteristicile soluţiei: vâscozitate; densitate; coeficientul de difuzie al reactanţilor.

3. stabilitatea curgerii – rezultate exacte şi reproductibile se obţin în SFA dacă profilul curgerii este stabil. Toate segmentele de lichid sau aer trebuie să aibă aceeaşi lungime. Factorii responsabili de iregularităţi ale lungimii sunt: instabilitatea debitului fluxului; pulsaţiile pompei peristaltice; variaţia temperaturii (care afectează compresibilitatea bulelor de aer); impurităţile din tubul de probă sau reactiv etc.

Aplicaţii ale SFACele mai multe aplicaţii ale analizoarelor SFA comercializate de firma

TECHNICON sunt în domeniul analizelor biologice din laboratoarele clinice. Dar, aceste analizoare pot fi uşor adaptate şi pentru rezolvarea unor probleme din alte domenii cum ar fi: controlul mediului, analize farmaceutice, controlul alimentelor, agricultură sau analize industriale. Companii precum SKALAR proiectează şi construiesc analizoare cu aplicaţii non–clinice.

Aplicaţiile analizoarelor SFA pot fi clasificate funcţie de tipul detectorului utilizat. Astfel, 70–75 % dintre metodele SFA folosesc spectrometria moleculară de absorbţie în VIS–UV, 10–14 % folosesc potenţiometria cu electrozi ion – selectivi şi un procent mult mai mic nefelometria sau fluorimetria.

Figura III.2.10.a prezintă un montaj pentru determinarea amoniacului (ion amoniu) din probe de apă. Proba este aspirată în sistem (eventul filtrată înainte), amestecată cu EDTA (reactiv de mascare a ionilor potenţial interferenţi, prin precipitatele pe care le pot forma) şi apoi cu fluxurile de fenolat şi hipoclorit de sodiu pentru a forma albastru de indofenol, a cărui culoare a fost intensificată cu ajutorul unui flux de nitroprusiat de sodiu. După îndepărtarea bulelor de aer din flux, absorbanţa produsului de reacţie este măsurată la 630 nm. În acest fel, amoniul a putut fi determinat în domeniul de concentraţii 0,02 – 2 mg/mL şi cu o frecvenţă a probelor de 60 probe/h.

În figura III.2.10.b este prezentat un sistem SFA pentru determinarea ionului clorură din ape. Se foloseşte o unitate de dializă pentru eliminarea potenţialilor interferenţi. Reactivul este un amestec de Hg(SCN)2 şi Fe(NO3)3, care în prezenţa analitului generează apariţia unei coloraţii roşii datorită formării complexului Fe(SCN)2+ ca rezultat al faptului că ionul complex HgCl+ este mult mai stabil decât Hg(SCN)2. Reacţia este foarte sensibilă şi permite determinarea clorului în domeniul de concentraţii 1 – 20 mg/L.

321


(a)

(b)

Fig. III.2.10. (a) Schema unui sistem SFA folosit pentru determinarea amoniacului din diferite tipuri de ape. (b) Schema unui sistem SFA folosit pentru determinarea clorurii din ape.

III.2.1.3. Analiza prin injectare în flux (FIA)

Analiza prin injectare în flux (FIA) este o variantă a analizelor în flux, care nu necesită segmentarea cu bule de aer pentru a preveni contaminarea dintre probele succesive. Ea utilizează un flux nesegmentat în condiţiile în care împraştierea probei este minimizată şi probe succesive pot fi introduse la intervale scurte de timp.

322

Schimbător automat de probe

Pompă

Rezidii

Rezidii (aer) Soluţie de

spălareAer

Apă

Probă

Aer

Apă

Reactiv de culoare

480 nm

Rezidii

Dializor



Pompă

Rezidii

Rezidii (aer) Soluţie de

spălareAer

Apă

Probă

Aer

Apă

Reactiv de culoare

480 nm480 nm

Rezidii

Dializor


Pompă

Rezidii

Rezidii (aer)

630 nm

Soluţie despălare

Aer

EDTA

Probă

Fenolat

Hipoclorit

Nitroprusiat



Pompă

Rezidii

Rezidii (aer)

630 nm

Soluţie despălare

Aer

EDTA

Probă

Fenolat

Hipoclorit

Nitroprusiat


Deşi sistemele în flux nesegmentat există de mult timp, doar în 1975 J. RUZICKA şi E.H. HANSEN pe de o parte şi K.K. STEWART et al. pe de altă parte, au demonstrat, independent unui de alţii, că sistemele de analiză prin injectare în flux pot fi utilizate pentru analize automate rapide şi precise, dacă sunt selectate condiţii adecvate fluxului de lichid. Acest concept este cunoscut sub numele de analiză prin injectare în flux (FIA), denumire propusă de J. RUZICKA şi E.H. HANSEN.

De la apariţie, tehnica şi-a găsit numeroase aplicaţii atât în laboratoare, cât şi în controlul proceselor industriale şi şi-a simplificat denumirea în FI. FI nu este un instrument de analiză ci o tehnică de prelucrare/tratare a soluţiilor. Abilitatea ei de a controla şi monitoriza aspectele cinetice ale analizelor automate este pe deplin recunoscută azi şi, din acest motiv, a fost considerată ca având un “avantaj cinetic”.

În prezent, scopul FIA este acela de a pătrunde cât mai mult în domeniile controlului calităţii şi poluării mediului; biotehnologiei şi al studiului chimiei vieţii. Versatilitatea tehnicii FI, perfecta ei adaptare şi compatibilitate cu un computer o transformă într-o interfaţă ideală între computer şi sistemul (bio)chimic.

PrincipiiFIA se bazează pe inserarea / injectarea unei probe lichide într-un flux

purtător continuu nesegmentat constituit dintr-un lichid adecvat. Proba injectată formează o zonă care este transportată de către purtător printr-un tub spiralat (sau nu) către detector. Detectorul măsoară un anumit parametru fizic al probei (absorbanţa, potenţialul unui electrod, pH-ul etc.) ce se modifică continuu în timp ce zona de probă trece prin celula în flux, cu alte cuvinte, concentraţia speciei de determinat se modifică continuu în timp. Purtătorul poate conţine un reactiv, care să reacţioneze cu analitul pentru a forma un produs detectabil, ori poate fi constituit dintr-o soluţie inertă şi în aces caz, purtătorul serveşte doar pentru transportul probei către detector. Astfel, răspunsul detectorului în FIA este rezultatul a două procese, ambele de natură cinetică, şi anume: un proces fizic de dispersie al zonei de probă în fluxul purtător; un proces chimic de formare a speciilor chimice.

Schema celui mai simplu sistem FIA este prezentată în figura III.2.11 şi constă din: - o pompă (P) care este folosită pentru a propulsa fluxul purtător printr-un tub

îngust; - un dispozitiv de injectare (V) care introduce un volum bine definit de probă (S) în

fluxul purtător într-o manieră reproductibilă; - un tub spiralat denumit şi tub de reacţie (RC) în care zona de probă se dispersează

şi reacţionează cu componentele purtătorului, formând specii chimice ce sunt măsurate de un detector prevăzut cu celulă în flux;

- un înregistrator. Un înregistrator tipic pune în evidenţă un semnal care are forma unui pic a cărui înălţime este direct proporţională cu concentraţia analitului.

Timpul scurs între momentul injectării S şi apariţia maximului picului, care reprezintă răspunsul analitic, corespunde timpului de rezidenţă T, perioadă în care are

323


loc reacţia chimică. Pentru un sistem FIA bine proiectat şi caracterizat printr-un răspuns rapid, (T + tb) trebuie să fie în general mai mic de 30 secunde, aceasta însemnând efectuarea a cel puţin două determinări pe minut. Volumele de probă injectate sunt de obicei de 10 – 200 L ceea ce necesită maximum 0,5 mL de reactiv pentru o determinare. Acest lucru face ca FIA să fie o tehnică microanalitică automată capabilă să efectueze cel puţin 100 de determinări pe oră, cu un consum foarte mic de probă şi reactivi.

(a)

(b)

Fig. III.2.11. (a) Schema unui sistem FIA. (b) semnanlul tipic înregistrat. P – pompă; V – dispozitiv de injectare; RC – reactor (spirală de reacţie); D – detector; C – purtător; S – probă ; R – reactiv; W – rezidii; H – înălţimea semnalului; T – timpul de rezidenţă; tb – lăţimea picului la bază, timpul cât zona de probă trece prin celula în flux.

324

C

S

Vi

W

RC

D

P

R

C

S

Vi

W

RC

D

P

R

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

H

T

S

tb

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

H

T

S

tb


În plus, pe lângă frecvenţa mare a probelor analizate şi obţinerea rapidă a semnalului analitic, cel mai important aspect al metodei FIA este conceptul de dispersie controlată a zonei de probă, un concept total nou în chimia analitică la acea vreme (1975) şi care permite proiectarea unui sistem FIA adecvat automatizării unui proces analitic..

Pentru a explica alura răspunsului în FIA este recomandat să se examineze figura III.2.12. După injectarea probei în fluxul purtător, zona de probă formată nu va circula prin tub ca un segment compact. Într-un sistem FIA zona de probă injectată se dispersează în conformitate cu profilul parabolic al vitezelor de curgere, caracteristic curgerii laminare. Acest profil parabolic se formează datorită faptului că moleculele probei de lângă pereţii tubului se deplasează mai încet din cauza forţelor de frecare, decât moleculele din centrul tubului care se deplasează mult mai rapid. Practic, soluţia de la suprafaţa pereţilor tubului nu se deplasează deloc în timp ce soluţia din centrul tubului se deplasează cu o viteză de două ori mai mare decât viteza medie de deplasare a lichidului.

Fig. III.2.12. Diferitele moduri de trasport al materiei într-un tub.

Dezvoltarea acestui profil parabolic al concentraţiei nu este dorit în FIA deoarece el diluează şi împrăştie proba conducând la scăderi ale sensibilităţii. Acest inconvenient este controlat prin utilizarea unor condiţii care să favorizeze trasferul de masă în direcţie radială, prin difuzie. Moleculele rămase în urmă la suprafaţa interioară a pereţilor tubului tind să difuzeze spre regiuni din centrul tubului şi astfel le creşte viteza de deplasare. Moleculele din centrul tubului, din vârful profilului parabolic, tind să se deplaseze spre pereţi, încetinindu-şi astfel viteza. Efectul net este acela de a reduce gradul de împrăştierea a probei şi de a favoriza amestecarea probei cu reactivul. Deoarece procesul de difuzie este unul lent, analizele în FIA sunt efectuate la viteze mici care să permită difuziei să aibă loc. De asemenea, diametrul tuburilor sunt mici astfel încât distanţa de la peretele tubului la centru său este mică şi moleculele probei nu trebuie să difuzeze pe distanţe mari. Transferul de masă în direcţie radială este şi el indus de spiralarea tubului dintre dispozitivul de injectare şi detector, forţa centrifugă care apare datorită spiralării determină apariţia unor forme

325

umax=2u

Injectare Convecţie Convecţie şidifuzie

Difuzie

timp (s)Direcţia de deplasare a fluxului purtător

umax=2uumax=2u

Injectare Convecţie Convecţie şidifuzie

Difuzie

timp (s)Direcţia de deplasare a fluxului purtător


secundare de curgere a lichidului în direcţie radială. Intensitatea acestui efect depinde de: debitul fluxului, diametrul tubului şi de spiralare.

Semnalul dat de detector refectă gradul de difuzie sau de diluare care se produce în timpul transportului zonei de probă prin sistemul FIA, iar forma lui tipică este cea a unui pic asimetric. Amestecarea dintre purtător şi soluţia probei nu este omogenă dar, deoarece este perfect reproductibilă, FIA conduce la înregistrarea unor semnale reproductibile.

Este important de recunoscut că metodele FIA sunt dinamice în sensul că nici echilibrul fizic (amestecare omogenă) şi nici cel chimic (reacţia analitică) nu sunt necesare de atins şi că în timpul transportului probei spre detector se formează gradienţi de concentraţie.

Dispersia zonei de probăAnumite analize în FIA, folosite pentru a determina compoziţia iniţială a

probei, cum ar fi: determinările de pH, măsurătorile de conductanţă, determinările prin spectrometrie de absorbţie atomică, necesită ca soluţia de probă sa fie transportată spre celula în flux ca un segment nediluat şi într-un mod cât mai reproductibil. Pe de altă parte, pentru majoritatea sistemelor FIA descrise în literatura de specialitate, speciile chimice monitorizate au fost obţinute printr-o reacţie chimică “on-line”. Condiţia de a realiza astfel de determinări este aceea ca în timpul transportului, zona de probă să fie amestecată cu reactivii şi un timp suficient de reacţie trebuie alocat pentru a se produce compusul dorit într-o concentraţie suficientă pentru a putea fi detectat. În alte cazuri, proba trebuie diluată într-un anumit raport, care sa permită semnalului analitic să se găsească în domeniul dinamic de răspuns al detectorului. În cazul analizelor de urme, diluţia probelor trebuie evitată pentru a obţine un maxim de sensibilitate. Toate aceste cerinţe pot fi îndeplinite prin ajustarea dispersiei probei ţinând seama de: a) cât de mult trebuie diluată proba iniţială în drumul său către detector şi b) cât de mult timp trebuie să treacă de la injectarea probei până la înregistrarea semnalului.

J. RUZICKA şi E.H. HANSEN au introdus conceptul de coeficient de dispersie, D, ce a fost definit ca raportul dintre concentraţiile probei, înainte şi după ce procesul de dispersie a avut loc în elementul de fluid în care se face măsurarea semnalului analiti:.

unde C0 este concentraţia iniţială a probei, înainte de a fi diluată, Cmax este maximul de concentraţie a probei ce se deplasează către detector. În cele mai multe metode FIA, înregistrarea semnalului analitic se bazează pe măsurarea înălţimii picului H, şi astfel coeficientul de dispersie poate fi exprimat ca raportul dintre înălţimea semnalului pentru proba iniţială (H0) şi înălţimea semnalului pentru proba dispersată în flux (H). În mod similar se defineşte şi coeficientul de dispersie pentru reactiv:

326


Dar D poate fi calculat în orice punct de pe porţiunea ascendentă sau descendentă a semnalului FIA. Ţinând cont că semnalul FIA este caracterizat de un număr infinit de valori Cg, unde Cg este concentraţia analitului în oricare punct de pe gradientul de concentraţie, D poate fi definit ca:

Valorile lui Dg pot varia de la infinit (Cg = 0) la 1 (Cg = Cmax). Astfel, D = 1 indică faptul că proba nu a fost diluată în centrul zonei injectate iar D = 3 indică un factor de diluţie egal cu 3. În funcţie de D, sistemele FIA pot fi clasificate în sisteme cu dispersie limitată (1<D<3); cu dispersie medie (3<D<10) şi cu dispersie mare (D>10). Sistemele FIA în care determinările analitice se bazează pe reacţii chimice trebuiesc construite în aşa fel încât să permită obţinerea unui D egal sau mai mare de 3, permiţând o amestecare adecvată între probă şi purtător cu o scădere nesemnificativă a sensibilităţii datorită diluării.

Există tendinţa de a privi D numai ca o caracteristică a montajului, dar trebuie avut în vedere şi că factorii care afectează dispersia probei injectate vor afecta, de asemenea, şi valoarea lui D.

Un număr mare de studii experimentale au ajuns la concluzia că D este influenţat de:1. volumul de probă. D descreşte cu volumul de probă injectat deoarece un volum

mare conduce la o zonă injectată mai întinsă în sistemul FIA şi deci la o sensibilitate mai bună.

2. lungimea reactorului, tubul dintre dispozitivul de injectare şi detector. D creşte cu rădăcina pătrată a lungimii reactorului. Dar reactorul trebuie să fie suficient de lung pentru a permite dezvoltarea produsului de reacţie.

3. debitul fluxului. D creşte cu debitul fluxului, dar pentru debite foarte mari apare o pierdere în sensibilitate din cauza timpului mai scurt pentru dezvoltarea reacţiei chimice.

Parametrii caracteristici pentru un sistem FIA cu dispersie medie sunt prezentaţi în tabelul III.2.1.

Tabel III.2.1. Parametrii unui sistem FIA cu dispersie medie.

327


Parametru ValoareVolumul de probă injectată (L) 10 – 200

Debitul fluxului purtător (mL/min) 0,3 – 2,5Lungimea tubului de reacţie (cm) 10 – 200

Diametrul interior al tuburilor (mm) 0,3 – 0,8Volumul celulei în flux (L) 8 – 40

Frecvenţa probelor (h-1) 60 – 360Timpul necesar pentru o determinare (sec) 10 – 60

AparaturăAparatura utilizată în FIA este simplă, aşa cum este arătat şi în figura

III.2.10. Cerinţele pentru proiectarea unui sistem FI includ un debit al fluxului lipsit de pulsaţii şi uşor controlabil, o injectare reproductibilă a probei, un detector prevăzut cu o celulă în flux şi un sistem de înregistrare a semnalelor. Analizoarele în flux comercializate astăzi, de un număr de producători din diferite ţări, se prezintă sub forma unor unităţi integrate ce cuprind valva(e), pompa(e), detector, schimbător automat de probe şi un computer care controlează / stochează datele experimentale. Caracteristica lor distinctivă este aceea de tratare automată a probelor, sute de probe putând fi analizate în unitatea de timp.

PompeO seringă cu piston, presiunea unui gaz şi pompele peristaltice sunt câteva

dispozitive folosite pentru propulsia fluxului(rilor) de lichid. Avantajul seringii cu piston este acela că furnizează un flux lipsit de pulsaţii iar dezavantajul: seringa trebuie umplută periodic. Cel mai folosit şi adecvat dispozitiv pentru propulsia fluxurilor de lichid îl reprezintă pompa peristaltică, deoarece ea prezintă mai multe canale şi funcţie de diametrele interioare ale tuburilor folosite furnizează fluxuri cu debite egale sau diferite. Schema unei pompe peristaltice este arătată în figura III.2.13.

Popularitatea folosirii pompei peristaltice poate fi atribuită construcţiei sale, ea foloseşte un rotor acţionat electric pentru a roti setul de role. Rolele presează tubul flexibil când se deplasează de-a lungul lui. Lichidul va urmări sensul de rotaţie al rolelor până când tubul nu mai este comprimat. Prin presarea simultană a tubului de două sau trei role se previne curgerea lichidului în sens invers sensului de rotaţie al rotorului iar lichidul este împins mai departe în sistem. Aceste presări repetate datorate rolelor conduc la pomparea lichidului, care nu este niciodată lipsit de pulsaţii. Prin presarea tubului pe rotor, cu ajutorul unei plăci semicilindrice, lichidul este aspirat în tubul pompei şi la ieşire are o anumită presiune. Această presare duce la formarea de vacuum, care antrenează fluidul în tub şi se realizează astfel operaţia de aspirare. Deoarece tubul flexibil al pompei peristaltice este introdus cu un capăt în containerul soluţiei, acesta trebuie menţinut mereu foarte curat, operaţie care este uşor de realizat.

328


Fig. III.2.13. Schema unuie pompe peristaltice. 1 – tub flexibil din plastic rezistent; 2 – rotor; 3 – role; 4 – opritoare. Săgeţile indică sensul de circulaţie al lichidului prin tubul pompei.

Pompele peristaltice nu sunt niciodată lipsite de pulsaţii. O pompă bine construită trebuie să îndeplinească următoarele condiţii pentru a fi folosită în FIA:

a) pornirea şi oprirea ei să se facă în mod instantaneu, permiţând un control precis al tuturor fluxurilor pentru funcţionarea în flux stopat sau intermitentă;

b) să aibă multe role plasate cât mai aproape una de alta care să se aibă viteză mare de rotaţie şi astfel tuburile sa fie comprimate frecvent pentru perioade scurte de timp, generând un număr mare de pulsaţii dar de amplitudine redusă. Pompele de tip Gilson Minipulse şi Ismatec Minipump sunt exemple de pompe peristaltice care furnizează debite ale fluxurilor ce pot fi reglate, generează fluxuri aproape lipsite de pulsaţii şi pornesc şi se opresc instantaneu. O nouă tendinţă o reprezintă folosirea unei pompe peristaltice individuale controlată de computer care face posibil ca fiecare canal analitic să fie complet controlat de computer şi care poate selecta şi metoda de analiză caracteristică fiecărui tip de probă.

Injectarea probeiPentru a economisi reactiv, a creşte timpul de rezidenţă cu o minimă dispersie

a probei şi pentru a obţine o zonă de probă bine definită, au fost proiectate sisteme ingenioase de analiză în flux cu diferite tipuri de dispozitive pentru introducerea probei. Aceste dispozitive au evoluat în timp de la seringa folosită în primul montaj FIA, descris de J. Ruzicka şi E.H. Hansen, la dispozitive echipate cu unităţi de injectare automată sau multiplă, culminând cu cele mai răspândite astăzi, valvele de injectare cu şase căi, care sunt de fapt valve de injectare prin rotaţie. Valva de injectare are o buclă cu un volum foarte bine definit şi utilizarea ei reprezintă cea mai

329

1

2

3

4

1

2

3

4


uşoară cale de inserare perfect reproductibilă a volumului de probă în purtător, fără ca debitul acestuia să fie perturbat. Figura III.2.14 prezintă o schema unei valve de rotaţie şi modul de operare al acesteia.

Etapele de umplere şi injectare, ce impun rotirea parţii mobile între două poziţii, constituie însuşirea comună a acestor dispozitive. Bulele de aer şi crearea de presiuni trebuie evitate în timpul injectării deoarece acestea pot modifica caracterul fluxului în sistemul FIA, afectând dispersia şi precizia. Dimensiunile buclei valvei de injectare definesc volumul de probă injectată.

Fig. III.2.14. Schema unei valve de injectare cu patru căi folosită în FIA. Şi modul său de operare. S – probă; R – reactiv; FT – flux purtător; RC – spirală de reacţie; L – bucla valvei; W – rezidii.

Sistemul de transport, reactori, conectoriTuburile pompelor pot fi construite din mai multe tipuri de materiale, ele au

două opritoare pentru a putea fi dispuse în jurul părţii mobile a acesteia. Aceste opritoare sunt adesea codate după culori pentru a desemna valoare debitului ce poate fi obţinută cu ajutorul lor. Alegerea tipului de material din care este confecţionat tubul depinde de natura lichidului folosit.

Tubul plasat între valva de injectare şi detector constituie spirala de dispersie sau de reacţie, el are un diametru interior uniform de 0,3 – 2 mm (cel mai folosit fiind cel de 0,5 mm). Este un tub din teflon, spiralat foarte strâns pentru a se realiza amestecarea probei cu reactivul.

Reactorii cu umplutură inertă de tipul perlelor de sticlă inactive chimic sunt folosiţi pentru a îmbunătăţi amestecarea fără a creşte dispersia. Cu ajutorul acestor reactori se obţin dispersii perfect controlate şi reproductibile ale zonei de probă precum şi o frecvenţă mare a probelor analizate.

Când metoda analitică se bazează pe titrări în flux este necesară utilizarea unei camere de amestecare şi în acest caz determinările se realizează prin măsurarea lăţimii

330

S

FT

to RC

W

1

2

3 4

5

6

Poziţia de umplere a buclei valvei

L S

FT

to RC

W

1

2

3 4

5

6S

FT

to RC

W

1

2

3 4

5

6

Poziţia de umplere a buclei valvei

L

Poziţia de injectare

S

FT

to RC

W

1

2

3 4

5

6L

Poziţia de injectare

S

FT

to RC

W

1

2

3 4

5

6L S

FT

to RC

W

1

2

3 4

5

6L


picurilor înregistrate. Deoarece, acest dispozitiv are un volum interior (Vm) mult mai mare decât volumul de probă (Vi), în camera de amestecare zona de probă va fi amestecată omogen şi instantaneu cu soluţia de reactiv.

Alte tipuri de unităţi folosite în sistemele FIA au fost descrise în literatura de specialitate pentru realizarea unor operaţii analitice direct asupra zonei de probă injectată, cum ar: - unităţi de dializă şi difuzie gazoasă (fig. III.2.15.a) în care separarea analiţilor se

realizează prin trecerea lor dintr-un flux donor în unul acceptor se realizează cu ajutorul unei membrane permeabile care separă cele două fluxuri;

- unităţi de extracţie cu solvenţi (fig. III.2.15.b) care sunt constituite din două componente speciale:

un segmentor care crează segmente regulate de fază organică şi apoasă;un separator al fazei organice de cea apoasă.

- reactori împachetaţi “packing reactors” în care materialul de umplutură poate fi o răşină schimbătoare de ioni folosită pentru preconcentrarea şi/sau îndepărtarea speciilor interferente; enzime imobilizate folosite pentru transformarea selectivă a analitului; agenţi de oxidare sau reducere care acţionează direct asupra analitului sau care generează reactivul “in-situ” pentru ca apoi acesta să reacţioneze cu analitul.

Componentele unui montaj FIA şi anume: sistemul de transport / reacţie dintre valva de injectare şi detector trebuie menţinute într-o poziţie fixă deoarece orice deplasare a acestora poate afecta caracteristicile fluxului şi difuzia probei. De asemenea, conectorii trebuie construiţi astfel încât să nu producă neregularităţi ale fluxurilor de lichid.

Orice instrument ce este compatibil cu metodologia de lucru în flux continuu poate fi cuplat cu injectarea în flux. Spectrometria, nefelometria, fluorescenţa, chemiluminescenţa, absorbţia şi emisia atomică, potenţiometria cu electrozi ion-selectivi / electrozi modificaţi sau tranzistori cu efect de cîmp, amperometria, voltametria cu electrod rotitor sunt cele mai întâlnite tehnici de detecţie utilizate în FIA.

331


(a)

(b)

Fig. III.2.15. (a) Schema unei unităţi de dializă / difuzie gazoasă folosită în montaje FIA. (b) Schema unei unităţi de extracţie cu solvenţi folosită în montaje FIA. (i) segmentor fazei organice, (ii) separatorul de faze.

332

Bloc inferior

Orificii de prindere

Canalul fluxului

Vedere interioară

Vedere laterală

Bloc inferior Ieşire flux

donorIntrare flux

donor

Bloc superior

Membrană

Intrare flux acceptor

Ieşire flux acceptor

Bloc superior

Bloc inferior

Orificii de prindere

Canalul fluxului

Vedere interioară

Vedere laterală


donorIntrare flux

donor

Bloc superior

Membrană




donorIntrare flux

donor

Bloc superior

Membrană



Bloc superior

Fază apoasă + analit

Fazăorganică

Fir deteflon

rezidii

Fază organică+ analit

(i) (ii)

Fază apoasă + analit

Fazăorganică

Fir deteflon

rezidii

Fază organică+ analit

(i) (ii)


Detectori. În general, detectorii cromatografici care au celule cu volume mai mici de 20

L pot fi utilizaţi cu succes în FIA. Pe de altă parte, detectorii convenţionali dotaţi cu celule în flux arată că instrumentul poate fi adaptat şi poate funcţiona cu celule în flux de volum şi cu ferestre foarte mici. Cele două tipuri de celule în flux folosite în măsurătorile spectrofotometrice sunt prezentate în figura III.2.16.

(a) (b)

Fig. III.2.16. Schema celulelor în flux spectrofotometrice. (a) configuraţie de tip “Z”şi (b) configuraţie de tip “U”.

Determinări cineticeCea mai importantă caracteristică a sistemelor FIA care o deosebeşte de

celelalte tehnici în flux continuu este formarea unui gradient de concentraţie al probei foarte bine definit atunci când aceasta este injectată într-un flux purtător. Conceptul de gradient conferă FIA capabilitatea de a efectua operaţiunii analitice care nu pot fi realizate prin analiza în flux continuu convenţională. Multe tehnici cu gradienţi au fost dezvoltate, incluzând titrările, diluarea şi calibrarea cu gradienţi, baleiajul pe gradienţi, tehnica FIA în flux stopat şi injectarea simultană a două zone, care se suprapun parţial sau total şi care permit realizarea de studii de selectivitate şi aplicarea metodei adiţiilor standard.

Un semnal FIA reprezintă variaţia concentraţiei de la zero la Cmax în care nu există nici un element de fluid care să aibă o concentraţie egală cu cel alăturat. Oricărui element de fluid de pe gradientul de concentraţie îi corespunde un anumit coeficient de dispersie (D), el putând fi corelat cu perioada fixă de timp calculată din momentul injectării. În tehnicile cu gradienţi, unul din aceste elemente este selectat pentru a fi măsurat în flux continuu sau în flux stopat.

Principiul diluării cu gradineţi se bazează pe selectarea unui punct în care se vor realiza măsurătorile, altul decât maximul picului. Avantajul acestei tehnici este acela al obţinerii rezultatelor după preselectarea unei perioade de timp de la momentul

333

hh


injectării (fig. III.2.17.a), diluarea manuală a probei fiind evitată şi domenii largi de concentraţii putând fi adaptate domeniului dinamic de măsurare al detectorului.

(a)

(b) (c)

Fig. III.2.17. Reprezentarea schematică a tehnicilor FIA cu gradienţi. (a) Diluarea cu gradienţi. Picurile înregistrate pentru diferite concentraţii de colorant, cel mai concentrat fiind de 1%; t1…4 – diferiţi timpi la care se fac măsurătorile pe gradienţii de concentraţie; curbe de calibrare. (b) calibarea cu gradienţi. Picuri obţinute la injectarea unor etaloane ale probei de analizat. t1..4, diferiţi timpi la care se fac măsurătorile pe gradientul de concentraţie al probei celei mai concentrate. (c) FIA în flux stopat: a – pompare continuă; b, c, d - curbele vitezelor de reacţie înregistrate pentru diferite perioade de stopare a fluxului.

Tehnica de calibrare cu gradienţi este o extensie a celei prezentate mai sus. Scopul ei principal este acela de a evita calibrarea repetată obişnuită prin folosirea unei serii de soluţii etalon, din moment ce informaţia analitică este deja cuprinsă în

334

D1

D2

D3

D4S S

t1 t2 t3 t41%

0.75 %

0.50 %

0.25 %

Răs

puns

ana

litic

t1t2

t3

t4

0.25 0.50 0.75 1 %

Răs

puns

ana

litic

timp (s)

10 s

D1

D2

D3

D4S

D1

D2

D3

D4S S

t1 t2 t3 t41%

0.75 %

0.50 %

0.25 %

S

t1 t2 t3 t41%

0.75 %

0.50 %

0.25 %

Răs

puns

ana

litic

Răs

puns

ana

litic

t1t2

t3

t4

0.25 0.50 0.75 1 %

Răs

puns

ana

litic

t1t2

t3

t4

0.25 0.50 0.75 1 %

t1t2

t3

t4

0.25 0.50 0.75 1 %

Răs

puns

ana

litic

R

ăspu

ns a

nalit

ic

timp (s)

10 s10 s

0.25 0.50 0.75 1

t1t2t3t4

SRăs

puns

ana

litic

Scanare

10 s3 min

t0%0.25 0.50 0.75 10.25 0.50 0.75 1

t1t2t3t4

SRăs

puns

ana

litic

Scanare

10 s10 s3 min3 min

t0%

a

b

c

d

S

25 s

Răs

puns

ana

litic

timp (s)

a

b

c

d

S

25 s25 s

Răs

puns

ana

litic

timp (s)


câteva din segmentele de fluid ale zonei de probă corespunzătoare celui mai concentrat etalon (fig. III.2.17.b).

Conceptul de FIA în flux stopat se bazează pe combinarea măsurătorilor realizate prin stoparea fluxului cu diluarea cu gradienţi. Tehnica se caracterizează prin creşterea timpului de rezidenţă, folosind un reactor scurt şi micşorând debitul fluxului purtător. Prin alegerea unor intervale de stopare – pornire adecvate, timpul de reacţie va creşte iar viteza reacţiei chimice va fi proporţională cu concentraţia analitului. (fig. III.2.17.c), pentru o reacţie de ordin zero. Această tehnică permite ajustarea raportului reactiv / probă prin selectarea unor perioade de timp de stopare corespunzătoare.

Tehnici FIA bazate pe multideterminare şi multidetecţieO altă tendinţă în dezvoltarea FIA o constituie proiectarea şi optimizarea de

sisteme bazate pe multidetecţie şi multideterminare. Aceste tehnici sunt folosite pentru determinări cinetice sau simultane a doi sau mai mulţi componeţi dintr-o singură probă injectată.

Multidetecţia – se injectează o singură probă şi se înregistrează două sau mai multe semnale în mai multe moduri:- folosind un singur detector, semnalele fiind decalate în timp;- folosind un detector dinamic, un parametru fizic sau chimic poate fi măsurat

continuu într-un anumit domeniu (absorbanţă faţă de lungimea de undă; intensitatea unui curent electric faţă de potenţial etc.) pe întreaga zonă de probă dispersată;

- folosind mai mulţi detectori de acelaşi tip plasaţi în serie sau în paralel.Multidetecţia (fig. III.2.18) se poate realiza în mod succesiv, obţinându-se mai

multe date pentru un anumit parametru măsurat sau simultan, folosind un singur detector care poate realiza determinări simultane ale diferiţilor parametri de lucru ai instrumentului.

Multideterminarea – a unuia sau a mai multor analiţi dintr-o probă se poate face în mod secvenţial, realizând un număr de injectări egal cu numărul de analiţi de determinat, sau simultan, determinând mai mulţi analiţi dintr-o singură probă injectată (fig. III.2.18).

Luând în considerare definiţiile date pentru cele două tehnici FIA, rezultă că multideterminarea poate fi realizată prin multidetecţie dar multidetecţia nu înseamnă neapărat şi multideterminare.

În continuare, sunt prezentate două exemple de determinări simultane.(a). Determinarea simultană a Fe(III) şi Ti(IV) (fig. III.2.19.a) – ambii analiţi

reacţionează cu tironul (R). Într-un flux purtător de HCl de concentraţie 1 M sunt injectate simultan două volume de probă prin intermediul a două valve de injectare (Vi1, Vi2). Zona de probă injectată cu Vi1 trece prin coloana de reducere (RedC) unde Fe(III) este redus la Fe(II), ion care nu reacţionează cu tiron. Zona de probă injectată cu Vi2 reacţionează cu tironul şi zona amestecului de reacţie este transportată către spectrofotometru unde absorbanţa complecşilor Fe(III) şi Ti(IV) cu tironul este

335


măsurată. Pentru fiecare dublă injectare se înregistrează două picuri, primul corespunzând absorbanţei complexului Fe(III)+Ti(IV)–tiron şi cel de al doilea doar absorbanţei complexului Ti(IV)–tiron. Pe baza înălţimii celor două picuri înregistrate se vor calcula apoi concetraţiile speciilor Fe(III) şi Ti(IV), folosind curbe de calibrare.

(b) Determinarea simultană a azotitului şi azotatului (fig. III.2.18.b) – se bazează pe măsurarea absorbanţei produsului de reacţie format între azotit şi sulfanilamidă (R1) şi N-(1-naftil)-etilendiamină (R2). Zona de probă injectată este împărţită în două sub-zone folosind un conector de tip “T”. Una dintre sub-zone este tratată cu R1, ionul azotit este diazotat cu sulfanilamidă şi apoi produsul de diazotare este cuplat cu R2 pentru a forma un colorant azo a cărui absorbanţă se măsoară. Cealaltă sub-zonă trece prin coloana de reducere (RedC) care conţine cadmiu-cuprizat şi unde are loc reducerea azotatului la azotit. Sub-zona este apoi tratată în acelaşi fel ca şi prima sub-zonă şi amestecul total de reacţie este transportat către spectrofotometru unde se măsoară absorbanţa corespunzătoare azotitului şi azotatului din proba injectată. Concentraţiile ionilor azotit şi azotat sunt evaluate din înălţimile picurilor folosind curbele de calibrare.

(a)

336

P

C

S

Vi

W

RC1

DRC2

RC3

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S

P1

P2

P3

T1 T2

P

C

S

Vi

W

RC1

DRC2

RC3

P

C

S

Vi

W

RC1

DDRC2

RC3

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S

P1

P2

P3

T1 T2

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S

P1

P2

P3

T1 T2

Sem

nal a

nalit

ic

timp (s)

S

P1

P2

P3

T1 T2


(b)

Fig. III.2.18. Schemele sistemelor FIA pentru multidetecţia succesivă. (a) separarea zonei injectate în trei sub-zone egale care ajung decalate în timp la detector. Fiecare injectare furnizează 5 puncte de calibrare 3 maxime ale picurilor (P1, P2, P3) şi 2 minime între picuri (T1, T2). (b) mai mulţi detectori plasaţi în serie, răspunsul lor fiind calculat de un microprocesor. P – pompă peristaltică; Vi – valvă de injectare; RC – spirală de reacţie; D – detector; C – flux purtător; S – probă ; R – reactiv, W – rezidii.

(a)

(b)

Fig. III.2.19. (a) Schema sistemului FIA folosit oentru determinarea simultană a Fe(III) şi Ti(IV) cu Tiron. (b) Schema sistemului FIA folosit pentru determinarea simultană a azotitului şi azotatului. P – pompă peristaltică; Vi – valvă de injectare; RedC – coloană de reducere; D – detector; C – flux purtător; S – probă ; R – reactiv, W – rezidii (explicaţii în text).

337

C

S

Vi

WD1

P

D2 D3 D4 D5C

S

Vi

WD1

P

D2 D3 D4 D5C

S

Vi

WD1

P

D2 D3 D4 D5

C W

P

R1

S

Vi

DRedC

R2

C W

P

R1

S

Vi

S

Vi

DDRedCRedC

R2

C W

P

R

S

Vi1

S

Vi2

DRedCC W

P

R

S

Vi1

S

Vi1

S

Vi2

DDRedC


III.2.1.4. Analiza secvenţială în flux (SIA)

Analiza secvenţială în flux a fost introdusă în 1990 de către J. RUZICKA şi G.D. MARSHALL de la Universitatea din Washington, şi a fost prezentată ca un nou concept al proceselor de analiză în flux. Această tehnică, pentru automatizarea analizelor, se bazează pe acelaşi principiu ca şi FIA, în ceea ce priveşte noţiuea de dispersie controlată şi de introducere reproductibilă a probelor şi oferă diferite posibilităţi, cu o serie de avantaje şi dezavantaje. Tehnica a devenit într-un timp scurt foarte populară şi a fost rapid introdusă atît în laboratoarele de cercetare, cît şi în cele de analiză şi control datorită simplităţii şi robusteţii aparaturii necesare, uşurinţei şi eficienţei cu care pot fi controlate variabilele hidrodinamice şi datorită gradului înalt de flexibilitate al acesteia. Pe de altă parte, SIA s-a dovedit a fi o tehnică care poate fi proiectată pentru lucrul cu mai mulţi parametri, ce prezintă un mare interes în domeniul monitorizării mediului. Cu un astfel de sistem, apele reziduale pot fi analizate în 15 minute din punctul de vedere al conţinutului de ioni de amoniu, azotat, ortofosfat şi al conţinutului de azot total, fosfor total şi detergenţi. Cu toate aceste avantaje, SIA prezintă şi două dezavantaje majore: frecvenţa probelor analizate care este mai scăzută decât în cazul sistemelor în flux uzuale şi dificultăţile care apar la amestecarea probei cu reactivii.

SIA este un sistem cu o singură linie, controlat complet de un computer şi care poate fi configurat pentru a realiza foarte multe din operaţiile convenţionale în FIA, cu un mimim de modificări fizice ale sistemului care să permită efectuarea de determinări pentru diferite tipuri de analiţi.

PrincipiiUn montaj SIA şi modul de funcţionare al acestuia sunt ilustrate în figura

III.2.20. Cea mai importantă componetă a sistemului este valva de selecţie multi-port folosită în locul valvei de injectare convenţionale, aceasta constituind prima diferenţă între SIA şi FIA. Aceasta valvă introduce volume de purtător, etaloane şi reactiv foarte precis măsurate într-o spirală de reţinere (HC) prin conectarea portului comun al valvei la o pompă bi-direcţională care poate fi oprită – pornită cu multă precizie. Portul comun se poate cupla cu oricare alt port prin rotirea electrică a valvei. Tubul de reţinere (HC) este un tub spiralat plasat între valvă şi pompă şi care are rolul de a preveni intrarea soluţiilor aspirate (injectate) în pompă. În prima etapă, sistemul este umplut cu soluţie de spălare sau de purtător, soluţie care este aspirată în HC de către pompa reversibilă care funcţionează în sens direct. A două etapă o constituie introducerea probei. Fiecare ciclu de determinare începe prin rotirea valvei multi-port în poziţia de introducere a probei. Un volum precis de probă (câţiva L) este aspirat în spirala de reţinere prin funcţionarea pompei în sens invers. Pompa este oprită în timpul rotaţiei valvei pentru a evita crearea de suprapresiuni. În etapa a treia, valva este rotită în poziţia de introducere a reactivului şi un volum precis măsurat de reactiv este

338


aspirat în HC. Astfel, soluţiile de probă şi reactiv sunt injectate secvenţial în HC, una lângă cealaltă, de unde şi numele acestei tehnici. Un al doilea reactiv, poate fi aspirat şi injectat de cealaltă parte a probei. În final, valva este rotită în poziţia corespunzătoare detectorului şi pompa propulsează secvenţa de zone obţinută în HC, către detector. Zonele adiacente penetrează una în alta datorită curgerii laminare a fluxului prin tuburi cu diametru mic şi difuziei. Dacă amestecarea în direcţie axială este favorizată prin selectarea unei geometrii adecvate a spiralei, zonele ce conţin analitul şi reactivul se vor amesteca şi se va produce o specie detectabilă, pentru care se va înregistra un semnal asemănător celui din FIA. Zona complexă, reactiv / produs de reacţie /reactiv poate să fie transportată în mod continuu către detector sau poate să fie stopată în celula în flux a detectorului, în acest caz măsurându-se viteza reacţiei de formare a produsului. În această ultimă situaţie, informaţii cinetice se pot extrage din semnalul SIA. La valva multi-pot poate fi cuplat un număr oricât de mare de dispozitive (spirale de reacţie, camere de amestecare şi detectori) şi poate fi aspirat un număr foarte mare de soluţii. De exemplu, o serie de etaloane poate fi “cuplată” în mod permanent la valvă, putându-se realiza o calibrare automată oricând este necesar.

Cel mai important avantaj al SIA faţă de FIA este acela că nu este necesară reconfigurarea fizică sistemului de transport în funcţie de timpul analizei efectuate. Volumul de probă injectat, timpul de reacţie, diluarea probei, raportul reactiv/analit sau calibrarea sistemului sunt controlate din tastatura computerului.

În concluzie, SIA este o tehnică complet computerizată care permite configurarea sistemului pentru a realiza operaţii analitice complexe, cu un consum foarte mic de probă şi reactivi (L/analiză).

339


Fig. III.2.20. Schema unui sistem SIA. P – pompă reversibilă cu o singură linie (pompă bi-direcţională de înaltă precizie); HC – tub de reţinere; Vp – valvă multi-port; D – detector; S – probă; R – reactiv; St – soluţii etalon; W – rezidii. Săgeţile indică sensul de funcţionare al pompei, de aspirare al soluţiilor.

Parametri operaţionali în SIA“Prin ce diferă SIA de FIA şi care sunt limitările acesteia?”

Caracteristica principală a FIA este că zona de probă injectată circulă către un punct de confluenţă unde două fluxuri se întâlnesc într-un mod continuu şi în acest mod volume egale de reactiv sunt adăugate fiecărui element de lichid din fluxul purtător. Astfel se formează un gradient de concentraţie al analitului în timp ce concentraţia reactivului rămâne constantă. În schimb, în SIA nu există puncte de confluenţă. O valvă multi-port este folosită pentru a forma succesiunea de zone de lichid într-o spirală de reţinere. Această valvă nu îndeplineşte funcţia de punct de confluenţă deoarece ea conectează, în acelaşi timp, doar două porturi. Rezultatul este o barieră bine delimitată între zonele de lichid adiacente, obţinându-se doar o suprapunere parţială a picurilor de probă şi reactiv (fig. III.2.21.b).

Parametrul cel mai important în SIA este gradul de penetrare (sau suprapunere) a zonelor adiacente. Acesta depinde de volumele de lichid introduse, de diametrul şi lungimea tuburilor, de geometria spiralei de reacţie şi de debitele fluxurilor produse de pompa peristaltică. Gradul de penetrare şi coeficientul de dispersie se determină din semnalul înregistrat. În figura III.2.21 sunt prezentate suprapunerile zonelor de lichid rezultate la introducerea de volume diferite de probă şi reactiv în FIA şi în SIA.

340


(a) (b)

Fig. III.2.21. (a) Formarea gradientului de concentraţie a probei S, în FIA unde fluxul de reactiv R, este introdus prin intermediul unui punct de confluenţă. (b) Penetrarea mutuală a zonelor de probă, S, şi a reactiv, R, în SIA. Produsul de reacţie – porţiunea haşurată. În SIA este necesară folosirea unui computer pentru a controla zonele de probă injectate altfel.

Volumul zonei creşte foarte puţin cu suprapunerea dar nu şi dispersia, care se măreşte apreciabil. Crescând unul sau ambele volume de lichid, suprapunerea zonelor descreşte, în timp ce dispersia la maximul acesteia este mai mică. În general, volumul de probă injectată trebuie să fie mai mic decât volumul corespunzător jumătăţii maximului semnalului şi volumul de reactiv trebuie să fie de cel puţin două ori mai mare decât volumul de probă. Reacţia chimică este instantanee dacă reactivul este într-o concentraţie mai mare decât a analitului iar semnalul maxim înregistrat se obţine la punctul de izodispersie (punctul corespunzător suprapunerii maxime).

Imbunătăţirea preciziei fără a descreşte foarte mult zona de penetrare se poate realiza prin folosirea unor tuburi cu diametre interioare de 0,9 – 1,5 mm. În SIA sunt utilizaţi reactori lineari care permit o penetrarea mai accentuată a zonelor datorită dispersiei axiale, spre deosebire de cei spiralaţi preferaţi în FIA.

AparaturaÎn lucrările anterioare referitoare la SIA se folosea o pompă cu piston de

presiune joasă pentru a furniza fluxurile de lichid care aveau un caracter sinusoidal, neconstant rezultat din mişcarea neuniformă a pistonului dar reproductibil. Pompe peristaltice de înaltă precizie au fost testate pentru propulsarea fluxurilor şi performanţele obţinute au fost comparate cu cele ale pompelor cu piston. Ciclul de prelevare a probelor este mai mic decât cel al pompelor cu piston, pompa având nevoie de a fi reumplută periodic şi astfel, pompele peristaltice sunt mult mai mult

341

R

timp (s)

S

IH

timp (s)

S

IH

RR

timp (s)

S

IH

R

timp (s)

S

IH

timp (s)

S

IH

R

timp (s)

S

IH

R


folosite în laborator. Pe de altă parte, dezavantajul pompelor peristaltice este acela că foloşte tuburi elastice care au un timp de viaţă mai redus. Pentru a înlătura acest inconvenient, o autobiuretă s-a folosit în SIA pentru a furniza fluxurile de lichid.

S-a demonstrat că pompele cu piston au o precizie cu 0,3 % mai bună decât pompele peristaltice şi autobiuretele a căror precizie este de aproximativ 1 %.

În concluzie, un sistem SIA se compune dintr-o valvă de selecţie multi-port (de obicei 10 căi / porturi) acţionată electric, o pompă peristaltică de înaltă precizie, un detector prevăzut cu celulă în flux, tuburi / reactori, conectori şi un computer. Softuri adecvate trebuie să fie disponibile pentru a controla direcţia fluxului de lichid, debitul şi sincronizarea pompei, a poziţie valvei multi-port şi de a stoca şi procesa datele experimentale obţinute. Câteva dintre softurile disponibile comercial pentru SIA sunt: Atlantis, MATLAB, Microsoft QuicBasic, Labview, AUTOANALYSIS, FlowTEK, DARRAY, FIALab etc.

III.2.1.5. Sisteme tandem

Combinarea diferitelor tehnici de analiză în flux continuu descrise anterior cu o instrumentaţie performantă a devenit de mare interes. Este foarte bine cunoscut succesul obţinut de cuplarea FIA cu spectrometria de absorbţie atomică (SAA), atât în flacără, cât şi cu atomizarea electrotermică sau cu generare de hidruri, succes susţinut şi de numărul mare de articole publicate în acest domeniu, de lucrări prezentate la diferite manifestări ştiinţifice sau de cartea publicată de J.L BURGUERA în 1989 şi intitulată: Flow Injection Atomic Spectrometry. Astfel, cuplarea SAA cu SIA aduce pe lângă avantaje şi o serie de “provocări” legate de sincronizarea funcţionării în flux discontinuu a SIA cu operarea continuă a nebulizatorului sau a celulelor de cuarţ în flux, în timp ce cuplarea cu operarea discontinuă a tubului de grafit reprezintă o opţiune atractivă. Tehnicile în flux continuu au fost cuplate şi cu alte tehnici cum ar fi cromatografia de gaze, electroforeza capilară sau spectrometria de masă. S-au obţinut astfel sisteme “hibrid” care prezintă avantajele ambelor metode şi elimină unele dintre dezavantaje: determinările multicomponet, un număr mare de probe analizate în unitatea de timp în FIA sau SIA. Un cuplaj relativ recent îl reprezintă cel dintre spectrometria în infraroşu cu transformată Fourier şi FIA/SIA sau cel dintre FIA/SIA şi sisteme de digerare enzimatică ce pot furniza informaţii cinetice, cuplaj care tinde să devină o metodologie foarte utilizată în bioanaliză. O altă tehnică care îşi face apariţia este spectrometria Raman care datorită calităţilor şi limitarilor ei este o “ţintă” pentru FIA, aceasta putând să îi îmbunătăţească performanţele.

342


III.2.2. ANALIZOARE AUTOMATE ÎN FLUX

Mihaela Carmen CHEREGI, Mihaela BADEA, Andrei Florin DĂNEŢ

Existenţa acceptată a unei legături între conservarea mediului înconjurător şi standardele de viaţă a condus la necesitatea unui control continuu şi riguros a unui număr mare de parametri de mediu. Din ce în ce mai multe probe de mediu sunt trimise zilnic către laboratoarele de analize de rutină pentru a satisface aceste solicitări crescânde ale societăţii umane. Analizele tradiţionale se realizează cu metode off-line, ceea ce presupune că toate probele de analizat sunt aduse în laborator. Aceste măsurători off-line pot conduce la o mare întârziere între trimiterea probei către laborator şi aflarea rezultatului, mai ales când personalul şi instrumentaţia sunt foarte solicitate. Una dintre tendinţele curente în analiza parametrilor de mediu o reprezintă folosirea de instrumente analitice automate, care poate să nu fie foarte selectivă dar permite detectarea situaţiilor alarmante şi efectuarea unei analize complete a probelor, atunci când este cazul. Cu o astfel de intrumentaţie se obţine o monitorizare rapidă, astfel facilitându-se reglarea proceselor şi permiţându-se asigurarea şi control calitaţii.

Obţinerea de informaţii chimice de înaltă calitate într-un timp real necesită utilizarea unui sistem rapid, exact, sigur, robust, care nu necesită prezenţa continuă a analistului, cu un consum redus de reactivi de tipul analizoarelor în flux disponibile comercial. Anumite analize de mediu sunt dificil de realizat într-un sistem complet automatizat, în schimb, probele în soluţie apoasă sunt foarte potrivite pentru a fi analizate cu ajutorul tehnicilor în flux.

Dintre tehnicile în flux continuu, analiza prin injectare în flux (FIA) este o tehnică foarte bine definită, eficientă, o metodologie de tratare a probelor în laboratoarele de analiză şi de proces analitic on-line, cu un domeniul larg de aplicabilitate în controlul poluării mediului. Poate că acesta este şi motivul pentru care susţinătorii FIA sunt de acord cu afirmaţia: “Aceasta este o tehnică care permite chimiştilor să automatizeze şi să optimizeze foarte uşor metode de analiză pe cale umedă convenţionale utilizate în laboratoarele de analize de rutină. Este posibil chiar să fie programat un analizor să treacă de la determinarea unui analit la altul în timpul analizei probei.... Dar FIA nu a fost niciodată un produs simpatizat de companiile producătoare de instrumentaţie analitică, doar companii mici produc astfel de analizoare”. Cu toate avantajele pe care le prezintă această tehnică, ea este încă destul de puţin folosită de chimişti în laboratoare, probabil din cauza automatizării care este destul de costisitoare sau pentru că FIA a apărut cam târziu, abia în 1975.

FIA oferă câteva avantaje faţă de prelucrarea manuală a soluţiilor, cum ar fi: compatibilitatea cu un computer, tratarea automată a probelor, controlul strict asupra condiţiilor de reacţie. De asemenea, datorită adaptabilităţii sale la prelucrarea probelor, FIA poate fi cuplată cu majoritatea detectorilor spectrometrici şi

343


electrochimici şi poate fi aplicată unei varietăţi de analize: de mediu, clinice, industriale etc. Alte aplicaţii includ monitorizarea în timp real a proceselor chimice, regenerarea automată a filmului sensibil în traductorii chimici şi metodele electrochimice, cum ar fi în: voltametria hidrodinamică şi măsurătorile cu electrozi ion-selectivi.

Rezultatele obţinute în ultimul timp în computerizare, microfluidică şi hardware au facilitat apariţia de noi tehnici prin injectare în flux. Tehnici noi de dezagregare on-line în UV, tehnici combinate FIA / SIA, încorporarea de electrozi ion-selectivi şi îmbunătăţirea prelucrării datelor experimentale sunt doar cîteva exemple ilustrative. Compania Global FIA, Inc. prin introducerea de medii mixte (perle, bule, lichide nemiscibile) în sistemele în flux a deschis o nouă sferă de aplicaţii. Metodele FIA sunt supuse în prezent protocoalelor de standardizare stabilite de Organizaţia Internaţională de Standarde şi Agenţia de Protecţie a Mediului din Statele Unite.

Tabelul III.2.2 prezintă lista câtorva analizoare în flux continuu şi caracteristicile acestora care pot fi diferite în tehnologie, preţuri, tipuri de probe şi frecvenţa de analiză a acestora.

344


Tabel. III.2.2. Analizoare în flux continuu disponibile comercial şi caracteristicile acestora.

Produs QuikChem 8000QuikChem® FIA+ QuikChem®FIA + IC QuikChem®IC + LabTOC2100

FIAstar 5000 FIAstar5010

CNSolution 3000 Flow Solution IV Flow Solution 3000

SIA2000-SFIAflo2000SFA 2000DUOflo2000WATERLAB 2000ALERT 2000 – S (industrial process monitor)

Compania LAHAT® INSTRUMENS, INC. 6645 W. Mill Road, Milwaukee, WI 53218, U.S.A.

TECATOR AB,Box 70, S-263 21 Hoganas,SWEDEN

ALPKEM -OI ANALYTICAL HEADQUARTERS151 Graham Road, PO Box 9010 College Station, Texas 77842-9010, U.S.A

BURKARD SCIENTIFIC Ltd.PO Box 55, Uxbridge, Middx, UB8 2RT, U.K.

Adresa de Web

www.lachatinstruments.com

www.foss.dk www.oico.com www.burkardcientific.co.uk

Aplicaţii Determinarea carbonului organic şi anorganic din probe de mediu, industriale, în agricultură, alimente şi băuturi.

Analize pe cale umedă a unor substanţe nutitive şi a altor parametri în apă, sol, carne, alimente.

Analize de mediu, oceanografice, din agricultură şi din industrie.

Analize de apă, sol, alimente şi băuturi, a unor procese industriale, din agricultură şi biochimie.

Frecvenţa probelor

6 - 90 probe/h 60 – 180 probe/h 30 – 75 probe/h 30 – 120 probe/h

Volumul de probă injectat

2 L – 2 mL 20 – 400 L 40 – 200 LBucle de injectare de diferite volume, minim 10 L.

Detector Fotometru, EIS, spectrometru în flacără, amperometru, pH-metru, fluorimetru.

Fotometru digital cu dublu fascicol care reduce zgomotul liniei de bază pentru o mai bună exactitate şi o limită de detecţie mai scăzută a determinărilor.

Amperometru, EIS, pH, fotometru, detectori tandem, extinderea domeniului de detectori.

Fotometru, fluorimetru, fotometru în flacără, detector de chemiluninescenţă.

345

http://www.burkardcientific.co.uk/

http://www.burkardcientific.co.uk/

http://www.oico.com/

http://www.foss.dk/

http://www.lachatinstruments.com/

http://www.lachatinstruments.com/


(tabel III.2.2. continuare)

Produs FIMS 100 FIMS 400 FIAS Flow Injection Systems FI-MH

EVOLUTION IISINGLE: “one-shut” AnalyzerThe INTEGRALIntegral FUTURACHEMLINE

ASIA Flow Injection analyzer (modular FIA)

FIAlab 2500FIAlab 3000

Compania The PERKIN ELMER Corporation761 Main Avenue, Norwalk, CT 06859-0012, U.S.A

ALLIANCE INTRUMENTSZone d’activites les bosquets 4, BP 31, 95540 Mery-sur-Oise, FRANCE

ISMATEC SAFeldeggstrasse 6,

CH-8152 Glattbrugg/Zurich, GERMANY

FIAlab®

INSTRUMENTS Inc.

1440 Bel-Red Riad, Suite 208 Bellevue WA 98007-3926 ,U.S.A.

Adresa de Web

www.perkin -elmer.com www.inforoute.cgs.fr/alliance

www.ismatec.com www.flowinjection.com

Aplicaţii Controlul mediului, medicină, alimentaţie, agricultură, geologie, industrie, cercetare şi învăţământ.

Analize de apă, vin, tutun, din agricultură, alimente, din industrie.

Monitorizarea mediului, controlul calităţii alimentelor şi băuturilor, monitorizarea şi controlul proceselor chimice şi biochimice, studiul de senzori.

Studii de mediu, de cercetare în laboratoarele chimice, de biotehnologie, analiză de droguri, controlul unor procese industriale.

Frecvenţa probelor

120 – 180 probe/h 6 – 120 probe/h 30 – 120 probe/h


< 500 L 10 L 20 – 1000 L

Detector Absorbţie atomică, ICP-OES, ICP-MS

Fotometru cu fibre optice.

Fotometru, EIS, biosenzori.

Fotometru, fluorimetru, detector de luminescenţă, FTIR, MS, detectori electrochimici.

346

http://www.flowinjection.com/


http://www.ismatec.com/

http://www.inforoute.cgs.fr/alliance

http://www.inforoute.cgs.fr/alliance

http://www.perkin/


(tabel III.2.2. continuare)

Produs Skalar San+ Analyzes:San++

FormacsLT

FormacsTN

PrimacsSC

Primacs SN

Robotic AnalyzerSP 100BODcompact

Fluorecence AnalyzerFluoImagerToxicity AnalyzerToxTracer

PISCESTM 9000 (portable SIA system)

FloPro 4PFloPro 9P

ASI/Eppendorf Variable Analyzers

Compania SKALAR’s Head OfficePO Box 3237, 3800 DE Breda, NEATHERLANDS

COSTELLATION TECHNOLOGY, 7887 Bryan Dairy Road., Suite 100, Largo, Florida 33777, U.S.A.

Global FIA, Inc.PO BOX 480, Sixth St, Fox Island, WA 98333, U.S.A.

AMKO Systems, Inc.,250 W. Beaver Creek Road, Unit 6, Richmond Hill, Ontario, Canada

Adresa de Web

www.skalar.com www.contech.com www.globalfia.com www.amkosystems.com

Aplicaţii Analize de ape, detergenţi, fertilizatori, produse farmaceutice, sol, plante, bere, vin, alimente, tutun.

Analize de ape din mediu, industriale, de proces.

Analiţi organici şi anorganici, procese on-line, industriale, de rutină în laboratoare.

Analize chimice, de mediu, din biotehnologie, farmaceutice, alimente, băuturi.

Frecvenţa probelor

20 – 140 probe/h 1–3 min/probă 20 probe/h


Pînă la 0,3 mL/min <2,5 L Diferite volume 2 – 100 L

Detector Fotometru, fotometru în flacără, fluorimetru, EIS, pH-metru, conductometru, detector UV-VIS, IR, de CL.

Spectrofotometru UV-VIS integrat pentru măsurători de absorbanţă şi fluorescenţă.

Spectrofotometru UV-VIS, detector de chemiluminescenţă, amperometru.

Colorimetru, EIS, detector de conductivitate.

EIS - electrozi ion selectivi; MS – spectrometru de masă, FTIR – spectrometru în IR cu transformată Fourier, ICP – torţă de plasmă cuplată inductiv, CL-chemiluminescenţă.

347

http://www.amkosystems.com/

http://www.amkosystems.com/

http://www.globalfia.com/

http://www.contech.com/

http://www.skalar.com/


III.2.2.1. Sisteme continue şi discontinue

Există multe diferenţe conceptuale în analiza în flux şi aceste metode pot fi clasificate în: analiza în flux segmentat (SFA); analiza în flux complet continuu (CCFA) şi analiza prin injectare în flux (FIA) cu variantele ei analiza prin injectare secvenţială (SIA) şi analiza prin injectare de perle (BIA). Sute de metode automate, cum ar fi: testele standard pentru analize de mediu pe cale umedă, analizele din agricultură sau analizele corespunzătoare unor procese industriale sunt disponibile pentru fiecare tehnică în parte.

În timp ce sistemele în flux “clasice” pot opera foarte bine fără ajutorul computerului, ele sunt neeconomice din punctul de vedere al consumului de reactiv şi generarea de rezidii, deoarece soluţiile sunt pompate în mod continuu. Variantele recente SIA şi BIA care se bazează pe utilizarea unui flux discontinuu, consumă reactiv doar atât cât este necesar pentru tratarea probei, reactivul fiind injectat şi nu pompat în fluxul purtător. Recent, folosirea de computere şi disponibilitatea de softuri dedicate, face ca SIA şi BIA sa fie larg accesibile, deşi aceste noi variante prezintă o adaptabilitate mai redusă în operare în comparaţie cu FIA. Principiile FIA şi SIA sunt prezentate în Capitolul III.2.1. BIA combină avantajele analizelor în fază solidă cu noutatea prelucrării probei într-un flux purtător de microperle (diametru perlelor 30 – 150 m), permiţând astfel reînnoirea automată a suprafeţei acestora şi tratări post-analiză. Modul de operare este asemănător cu cel al SIA cu deosebirea că în locul soluţiei de reactiv se folosesc perle în suspensie ce au adsorbit pe suprafaţa lor reactivul. Suspensia de perle injectată este reţinută în celula în flux a detectorului unde vine în contact cu soluţia de analit, tampon sau reactivi auxiliari. Reacţiile chimice au loc la suprafaţa perlei şi determinarea se realizează în timp real, direct pe faza solidă sau în faza lichidă eluată. Monitorizarea simultană a modificărilor fazei solide şi lichide permite realizarea de multideterminări. La sfârşitul ciclului unei determinări, perlele sunt curăţate, colectate şi reintroduse în sistem în mod automat. BIA are aplicaţii în diverse domenii ale cercetării cum ar fi: obţinerea de noi senzori chimici, în bioanaliză, cromatografia de afinitate, în spectrofotometrie şi electrochimie.

III.2.2.2. Analizoare automate în flux comerciale

Sistemele de analiză pot fi clasificate în sisteme de analiză continue şi sisteme de analiză a unor probe discrete (batch). Un sistem continuu măsoară constant o proprietate fizică sau chimică a probei şi furnizează un semnal care variază în timp, un semnal tranzient. Un sistem discret analizează proba în mod individual şi informaţia este furnizată în fiecare etapă a procesului analitic. În fiecare dintre cazuri, informaţia asupra variabilei măsurate este monitorizată, sau echipamentul este controlat printr-un sistem de feedback. Tehnicile bazate pe analiză în flux se împart în trei categorii: flux

348


segmentat cu bule de aer, flux nesegmentat continuu, analiza prin injectare în flux şi cu variantele ei – SIA şi BIA. Multicomutarea şi prelevarea binară a probelor poate fi implementată atât în sistemele în flux segmentat cât şi în cele în flux nesegmentat şi avantajele şi dezavantajele acestora au fost remarcate de B.F. REIS et al.

Sistemele automate în flux sunt construite pentru a analiza un număr mare de probe, cu determinarea unuia sau mai multor analiţi. Instrumentele automate efectuează următoarele operaţii:1. Prelevarea probei (dintr-o cupă a schimbătorului automat de probe, sau printr-un

canal al montajului);2. Inserarea probei;3. Diluarea şi adăugarea de reactivi;4. Dezvoltarea reacţiei chimice;5. Transportul produsului de reacţie către detector;6. Înregistrarea datelor experimentale obţinute;7. Procesarea datelor.

Caracteristica distinctivă a analizoarelor în flux comerciale o reprezintă capacitatea lor de prelevare automată a probelor şi mulţi analişti şi producători de instrumente analitice adaugă această calitate unui număr mare de sisteme, cum ar fi: spectrometria de masă automată cu electrospray, cromatografia ionică, HPLC sau spectrometria atomică. În plus, analiza imunochimică sau relativ noile tehnici tandem în flux sunt adecvate automatizării, obţinându-se în acest mod o reproductibilitate foarte bună a determinărilor. Determinările sunt mult mai uşor de optimizat în timpul desfăşurării lor deoarece protocoalele analitice şi parametrii sistemului sunt controlaţi de un computer.

În anumite cazuri, tipuri noi de pompe au fost confecţionate. Timpul unei pompe peristaltice multicanal a trecut şi un nou tip de pompă este acum în dezvoltare, pompa peristaltică controlată de computer. LACHAT Instruments arată că: “Un sistem poate fi construit pentru a efectua patru procedee analitice, şi se pot selecta unul, două, trei sau chiar patru pentru a analiza diferite tipuri de probe”. Astfel, aceste noi dispozitive fac posibilă ca funcţionarea fiecărui canal analitic să fie complet controlată de un computer şi, de asemenea, alegerea metodei de determinare pentru proba de analizat.

În afară de aspectele menţionate până acum, este important ca firmele producătoare să specifice următoarele aspecte la prezentarea unui analizor automat în flux:a. Frecvenţa probelor – numărul de probe ce pot fi analizate în unitatea de timp

trebuie estimat în funcţie de gradul de contaminare admis a probelor adiacente. Este de asemenea recomandat să se specifice consumul de probă şi / sau reactivi la calcularea frecvenţei probelor.

b. Caracteristicile analitice – precizie, exactitate, sensibilitate, limită de detecţie, selectivitate, domeniul dinamic de concentraţii, care trebuie calculate din datele

349


experimentale în concordanţă cu regulile IUPAC. Analizorul trebuie sa fie validat folosind o metodă standard cu intervale de încredere.

c. Robusteţe – care trebuie discutată din două puncte de vedere: dependenţa semnalului analitic de variaţia parametrilor de lucru (temperatura, concentraţia reactivului, debitele fluxurilor etc.) şi stabilitatea instrumentului, care poate fi dată de: deplasarea şi / sau deviaţia liniei de bază şi / sau a semnalului analitic. Stabilitatea curbei analitice, preţul şi condiţiile de întreţinere trebuie, de asemenea, specificate.

d. Caracter portabil – adaptabilitatea la alte condiţii de mediu, adaptabilitatea la determinări in situ, în vivo, ca analizor de proces pentru monitorizări on-line etc.

După ce analizorul automat în flux a fost caracterizat, este recomandat să se mai menţioneze unele informaţii suplimentare, de exemplu cum se pot obţine: diluarea electronică, prelevarea in-line a probelor gazoase; multicomutarea, respectarea strictă a tehnicilor bine definite ale analizei în flux etc.

Exemple de analizoare comercial şi caracteristicile lor1. BURKARD Scientific este o companie britanică. Analizoarele automate

chimice din seria BURKARD Series 2000 fac parte din domeniul sistemelor de înaltă calitate care îndeplinesc toate cerinţele de azi pentru analize chimice de rutină.

Analizoarele Series 2000 efectuează determinări de ioni, nutrienţi şi metale la nivele mai coborâte decât cel al ppb-urilor. Atât analize discrete cât şi controlul on-line al proceselor pot fi realizate în sisteme cu configuraţii mono- sau mult-canal. Sistemele sunt modulare permiţând utilizatorului să achiziţioneze doar ceea ce are nevoie, de la un sistem analitic cu o singură line cu introducerea manuală sau automată a probei, la sisteme cu mai multe linii a căror funcţionare şi procesare de date este asistată de un computer. Analizoarele oferă un domeniul larg de aplicaţii bazate pe tehnologiile analizei în flux segmentat (SFA), prin injectare în flux (FIA) şi a analizei bazată pe folosirea de electrozi ion selectivi (SIA). Tehnicile includ distilări on-line şi dezagregări în UV, calibrare automată on-line şi prepararea etaloanelor, diluări şi re-determinări.

FIAflo 2000 este un analizor nou de injectare în flux cu multiple utilizări şi de mare precizie pentru determinări colorimetrice şi în UV. El a fost proiectat pentru economie de reactivi şi este uşor de folosit în laboratoarele moderne, oferind: analize rapide, flexibilitate, 2 până la 6 canale, până la 4 metode simultane de încălzire, usurinţă în schimbarea montajului de determinare chimică, alegerea oricărui detector pentru performanţe maxime, procesarea datelor şi controlul analizorului cu softul Windows®.

Instrumentul cuprinde trei unităţi separate care reprezintă modulul analitic de bază, introducerea automată a probelor şi stocarea automată a datelor experimentale. Analiza poate începe odată cu pornirea modulului analitic care constă dintr-un montaj care se asamblează la o unitate centrală. Unităţi gata asamblate sunt disponibile pentru

350


multe metode cunoscute de analiză şi când este posibil ca un sistem cu o singură linie să poată fi folosit pentru două determinări asemănătoare. Tuburile pompelor şi conexiunile valvei sunt poziţionate convenabil şi sunt colorate pentru identificare. Sunt necesare doar câteva minute pentru schimbarea metodei analitice. Metodele BURKARD combină ultimile îmbunătăţiri ale performaţelor cu consumul redus de reactiv. FIAflo 2000 oferă prelevarea complet automată a probelor cu ajutorul unui carusel sau a unui schimbător XYZ. Diluarea automatizată accentuată a probelor este disponibilă ca opţiune pe XYZ. Cu toate acestea, pentru a uşura operaţia de diluare, unui procesor de date MicroStream i-a fost extins domeniul de concentraţii astfel încât să permită printarea semnalelor corespunzătoare unor concentraţii de până la 10 ori mai mari decât concentraţiile etaloanelor folosite pentru trasarea curbei de calibrare. Când instrumentul nu este prevăzut cu schimbător automat de probe, un injector bazat pe timp, ieftin este disponibil pentru a asigura umplerea cu precizie a buclei valvei. În plus, fiecare valvă are un buton standard de injectare manuală cu ajutorul căruia analistul poate stabili procedeul analitic. Detectori colorimetrici de înaltă sensibilitate şi în UV cuplaţi cu FIAflo sunt echipaţi cu celule în flux cu drum optic cuprins între 3 şi 50 mm. Există şi o serie de detectori alternativi pentru chemiluminescenţă, fluorescenţă, şi potenţiometrici cu electrozi ion-selectivi care pot fi interfaţaţi cu analizorul. FIAflo 2000 este furnizat împreună cu MicroStream, un sistem multi-funcţional performant bazat pe software Windows®. MicroStream creşte viteza de calculare şi prezentare a rezultatelor analitice. Astfel, un sistem ieftin cu un singur canal poate fi perfecţionat pentru a efectua până la patru operaţii analitice inependente. Noul soft de control al calităţii verifică acurateţea analizelor şi toate rezultatele pot fi descărcate în alte tipuri de softuri şi LIMS. MicroStream este compatibil cu toate programele din Windows®. FIAflo 2000 este folosit pentru determinarea de: substanţe nutritive, ioni şi metale din diferite tipuri de probe incluzând: ape; sol; ape marine; fertilizatori; alimente şi băuturi, produse chimice / farmaceutice, controlul calităţii.

Analizorul chimic automat SIA2000-S este foarte ieftin şi adaptabil pentru aplicaţii bazate pe folosirea electrozilor ion-selectivi. Este ideal pentru laboratoarele care se confruntă cu un număr redus de probe. Construcţia modulară a sistemului SIA2000-S permite achiziţionarea individuală a: schimbătorului automat de probe, unităţii de reacţie analitică, procesorului de date sau a înregistratorului, permiţând astfel o cunoaştere mai bună a cerinţelor analistului. Posibilitatea adăugării de noi unităţi oferă avantajul ca opţiunile să fie identificate pe măsură ce volumul de muncă creşte şi modulul analitic poate fi interfaţat cu un alt instrument. Modulul de analiză cuprinde o pompă peristaltică multicanal de viteza fixă sau variabilă, o valvă de injectare, baie de încălzire prevăzută cu două spirale din teflon şi o celulă în flux ce cuprinde electrodul de referinţă şi cel de lucru. O interfaţă permite ca răspunsul electrodului sa fie amplificat, liniarizat şi înregistrat de un înregistrator sau un sistem computerizat de prelucrare a datelor. Specii ionice, mono- şi bivalente pot fi determinate într-un domeniu larg de concentraţii cu o excelentă liniaritate a curbei de

351


calibrare. Tabelele metodelor BURKARD SCIENTIFIC furnizează informaţii despre debitul fluxului, reactivi, dimensiunile buclei probei şi configuraţiile montajelor pentru determinări standard şi specifice. Numărul de probe ce poate fi analizat pe unitatea de timp ajunge la 40. Construcţia simplă a analizorului permite o schimbare rapidă a electrozilor celulei în flux. Când montajul conţine o valvă de injectare, timpi reproductibili pentru umplerea buclei pot fi obţinuţi cu un cronometru de tip Burkard BT2000.

Iniţial proiectat pentru determinarea ionului fluorură din ape, aplicaţiile analizorul au fost extinse şi la analize clinice, din agricultură, industriale. Speciile chimice care pot fi determinate cu acesta sunt: amoniac, azotit şi azotat în probe de sol; sodiu şi clorură în probe clinice; fluorură în sol şi ape; SO2 total şi liber din bere şi vinuri; pH-ul şi conductibilitatea soluţiilor.

ALERT 2000-S este un analizor chimic pentru monitorizarea continuă on-line a proceselor industriale, ape (potabile, de râu, de mare, de canal) şi efluenţi. Este un sistem flexibil care poate fi livrat pentru măsurători locale, pentru o singură determinare sau sub formă de sisteme cu mai multe linii pentru monitorizarea la distanţă pe arii geografice extinse. Unitatea analitică cuprinde o valvă multiport, o pompă de înaltă precizie, un minireactor, un detector şi o baza de date pre-programată ce conţine opţiuni de control şi indicatori geografici. Proba este introdusă continuu în sistem cu ajutorul unei pompe cu diafragmă de un debit adecvat. La intervale regulate de timp, proba şi etaloanele de calibrare sunt pompate la anumite debite ale fluxurilor în minireactor, unde ele pot fi diluate şi amestecate cu reactivii pentru a forma un compus colorat ce se determină apoi în visibil sau UV cu un detector colorimetric. Semnalul analogic amplificat este trimis la un convertor de date “Data A-D”, analizat şi printat în mod continuu arătând valorile concentraţiei probei. Din datele procesate primite, dacă limitele de concentraţie ale analitului sunt depăşite, se va acţiona asupra pompelor de proces pentru a restabili condiţiile optime. Analizorul are întrerupătoarele principale izolate şi situate înăuntrul fiecărui compartiment. Modulul analitic are întrerupător ON-OFF şi întrerupătoare pentru pompa probei şi cea a reactivilor. pH-metrul are o sursă de curent separată, de tensiune mică. Partea principală a sistemelor ALERT 2000-S o constituie un computer industrial. Acesta este un sistem constituit dintr-un computer cu una sau mai multe carduri analogice şi alte carduri standard pentru industrie. Comutatoarele şi intrările / ieşirile digitale opţionale, opto-izolate permit computerului să opereze valvele, pompele şi sursa de curent electric şi, astfel, să aibă un control direct aupra analizorului, avertizorului etc. Pentru controlul proceselor industriale, trei unităţi sau funcţii PID pot fi agăugate. Fiecare ALERT 2000-S este proiectat pentru a satisface diferite necesităţi şi este disponibil în trei configuraţii: Monitorizarea locală cu ALERT 2000 ce are un panou de comandă şi un VDU.

352


Monitorizare locală cu conectare la un computer Homebase via RS232 (ALERT 2000 cu o singură linie pentru distanţe de până la 100 metri) sau RS422/RS485 (cu mai multe linii pentru distanţe de până la1200 metri).

Monitorizarea pe distanţe foarte mari folosind un ALERT 2000 cu una sau mai multe linii, conectat la computer Homebase prin telefon.

Configuraţiile de mai sus arată cum ALERT 2000-S poate comunica cu operatorul şi depind de cât de de aproape este unitatea de punctul de analiză al probei.

Alte opţiuni ale sistemului includ teste de corecţii ale sistemului de detecţie. Din punctul de vedere al comunicării, analizorul poate fi cuplat la reţeaua de telefonie prin conexiuni radio. ReMAC permite accesul în sistemul de date al analizorului şi în procedeele de audit. Documentele şi datele pot fi descărcate în Homebase şi graficele mai vechi sau mai noi ale testelor realizate pot fi vizualizate şi printate. De asemenea, ReMAC permite controlul complet la distanţă prin restabilirea limitelor de determinare, activarea sau dezactivarea unor funcţii etc.

ALERT 2000-S are un spectru larg de aplicaţii în domeniul monitorizării on-line a apelor reziduale; apelor industriale; proceselor industriale; alimente şi băuturi; medicamente; controlul calităţii.

Toate analizoarele BURKARD pot fi închise / deschise automat şi controlate de un computer. Un sistem de monitorizare a secvenţei soluţiei de spălare / reactiv asigură ca toate canalele reactivilor să fie conectate automat la soluţia de spălare, la terminarea unei analize. Computerul modifică apoi poziţia valvei spre reactivi şi o nouă analiză poate începe. Alte opţiuni ale computerului de control sunt: detectarea concentraţiei reactivului, funcţii speciale şi interfaţarea cu alte instrumente.

2. Timpul de analiză cu sistemele FIAstar 5000 este de 20-60 secunde, permiţând analistului să efectueze 60-180 probe/h (fig. III.2.22). Folosirea unui detector digital cu dublu facicul permite realizarea de măsurători într-un domeniu dinamic larg, de la -unităţi de absorbanţă la 2,5 unităţi de absorbanţă. Aceasta reduce necesitatea diluării probei. Domeniul dinamic este în realitate limitat de linearitatea curbei de calibrare (legea Lambert-Beer) şi este infuenţat de efectele indicilor de refracţie. La valori mici ale absorbanţei, efectele indicelui de refacţie pot deveni semnificative şi pot cauza erori apreciabile în determinare. În sistemul FIAstar 5000 determinările sunt efectuate prin măsurători simultane la lungimi de undă de referinţă şi de lucru şi cum efectele indicelui de refracţie nu sunt puternic dependente de lungimea de undă pot fi eliminate prin realizarea diferenţei între referinţă – lucru. În realitate această diferenţă reduce sau elimină şi efectele datorate bulelor de aer, nemaifiind necesară eliminarea bulelor de aer sau dezaerarea reactivilor. Detectorul dublu-fascicul reduce toate efectele care nu sunt specifice lungimii de undă, fapt ce conduce la un semnal mult mai stabil şi la o îmbunătăţire semnificativă a limitei de detecţie. Pentru mulţi analiţi sunt atinse limite de detecţie mai mici de ppb.

Prin folosirea unui computer şi a softului SoFIA (fig. III.2.23), analizorul poate fi transformat într-un sistem complet automat, capabil să evalueze, printeze şi

353


stocheze rezultatele analizelor de rutină şi să controleze întregul sistem FIAstar din tastatura calculatorului. Calibrarea şi re-calibarea pot fi realizate rapid, uşor şi pot fi vizualizate pe ecran.

Fig. III.2.22. Analizorul FIAstar 5000.

Fig. III.2.23. Softul SoFIA software pentru analizorul FIAstar 5000.

354


3. ALLIANCE Instruments este o companie franceză care produce şi comercializează analizoare automate pentru industrie şi laboratoarele de analize de rutină sau de cercetare.

CHEMLINE este primul analizor on-line care oferă un răspuns corect problemelor de fiabilitate, exactitate şi uşurinţă în întreţinere.

CHEMLINE este singurul care conţine un mini-reactor bazat pe un nou principiu de analiză denumit STEP-CHEM (fig. III.2.24) realizat de compania ALLIANCE Instruments. Principiul este următorul: probele şi reactivii sunt amestecaţi în mini-reactorul echipat cu 10 valve monitorizate de un calculator. Prin deplasarea pistonului acţionat de un motor se introduc volume precise de lichid (până la 10 L dacă este necesar) în minireactor. a. Proba este aspirată în mini-reactor prin deschiderea unei valve specifice şi deplasarea în

jos a pistonului. Un volum precis este introdus în mini-reactor după care valva este închisă.

b. Primul reactiv este introdus în mini-reactor prin deschiderea celei de a două valve dedicate. Pistonul de deplasează în jos pentru a permite aspirarea unui volum corespunzător de reactiv după care valva se închide.

c. Amestecarea probei cu reactivul se efectuează prin deplasarea pistonului şi admisia unui gaz (aer sau azot) prin cea de a treia valvă. Această etapă poate fi repetată o dată sau de mai multe ori.

d. Reacţia chimică are loc în mini-reactor timp de câteva minute. În timpul acestei etape, toate valvele sunt închise şi pistonul oprit.

e. Dacă este necesar, un al doilea reactiv poate fi adăugat sau poate fi realizată o diluare, folosind acelaşi principiu.

f. Ultima etapă este aceea de efectuare a măsurătorii prin deplasarea de către piston a soluţiei către detector care poate fi: un colorimetru; un detector în IR; un spectrometru UV sau un electrod ion-selectiv. În acest caz este utilizată o altă valvă situată deasupra mini-reactorului.

g. După încheierea unei determinări, pot exista trei posibilităţi: Începerea unei noi determinări;Efectuarea unei operaţii complete de spălare;Trasarea curbei de calibrare.

h. Dacă este important să se crească viteza reacţiei chimice prin încălzire, să se distile proba sau să se facă o dezagregare cu radiaţii UV, o altă valvă va fi selectată pentru a trimite soluţia către modulul corespunzător: baie termostată; unitate de distilare; lampă de UV etc. Aceeaşi valvă va permite reîntoarcerea soluţiei în mini-reactor dacă mai trebuie efectuată o altă reacţie chimică.

Toate operaţiile: deplasarea pistonului, deschiderea şi închiderea valvelor etc. sunt controlate de un microprocesor, fiecare etapă fiind complet programabilă. Acest nou principiu permite o foarte bună precizie a volumelor inserate şi garantează o excelentă calitate a determinărilor. Înainte sau în timpul determinării se poate efectua o diluare, nivelul şi gradul de diluare fiind programabile. Unitatea analitică nu necesită o întreţinere deosebită.

355


Doar câteva garnituri şi o-ringuri trebuie schimbate o dată la şase luni. Acest nou mod de amestecare a probelor cu reactivii fără folosirea unui pompe peristaltice oferă un avantaj semnificativ: o muncă de întreţinerea foarte uşoară (nu se schimbă tuburi sau altceva pentru a întreţine reproductibilitatea măsurătorilor). Nu este necesar să se oprească analizorul în timp ce utilizatorul reumple rezervoarele lui CHEMLINE cu reactivi.

În cele mai multe cazuri, detecţia colorimetrică este realizată în domeniul 400-800 nm. Colorimetrul include o lampă de halogenură de wolfram şi lentile care focalizează radiaţia luminoasă pe o celulă în flux cu drum optic 10, 30 sau 50 mm. Detecţia este dicromatică: radiaţia transmisă este împărţită în două fascicule echivalente de către o prismă şi măsurată la două lungimi de undă. Valoarea finală se obţine prin diferenţă. Acest tip de detecţie elimină efectele matricei, cum ar fi culoarea probei în special atunci când ea se modifică.

Două softuri sunt disponibile: 1. unul permite analizorului să funcţioneze de sine-stătător, operaţiile principale pe care le poate executa fiind:

- Managementul tuturor specificaţiilor analitice;- Calibrarea automată utilizând de la 1 la 5 puncte;- Arhivarea şi transmiterea datelor experimentale;- Alarme de nivel înalt şi scăzut;- Auto-diluarea;- Re-determinarea în cazul apariţiei unor probleme;- Diagnosticare.

2. al doilea sub WINDOWS pentru întreţinere şi operare care permite:- Controlul complet la distanţă;- Diagnosticarea la distanţă;- Instalarea metodelor, programelor şi raportarea rezultatelor.

Instalarea analizorului CHEMLINE trebuie să se facă cât mai apropare posibil de puncul de prelevare al probelor pentru a putea permite monitorizarea on-line. Analizorul este folosit pentru monitorizarea calităţii apelor: amoniac; azot total; cloruri; cianură; fier; azotaţi; fenoli; fosfaţi; silicaţi; carbon organic total şi pentru procesele de control în analizele industriale.

Analizorul SINGLE a fost proiectat pentru controlul şi analiza unor parametri importanţi pentru laborator sau pentru producţie. El cuprinde:- o sondă şi cupe cu soluţii de spălare (un schimbător de probe cu 12 cupe); - o unitate analitică compusă din: pompă; mini-reactor; una sau două băi de termostatare;

un colorimetru cu filtre pentru domeniul 340-880 nm; un compartiment pentru reactivi, baloane cotate şi valve de splare, două soluţii standard şi două valve micro-electrice.

- o unitate controlată de un microprocesor care cuprinde un soft pentru procesarea datelor şi controlul sistemului, un panou pentru accesarea tuturor funcţiilor, o imprimantă şi meniul softului. SINGLE poate fi utilizat pentru determinări de rutină prin simpla inserare a probei şi apăsarea tastei “analyze”.

356


Fig. III.2.24. Prezentarea schematică a noului principiu de analiză: STEP-CHEM.357


Calibrarea se face pornind de la linia de bază (considerată zero) şi trei etaloane (trei puncte). Dacă se obţine un coeficient de corelaţie în afara limitelor acceptate, operatorul este avertizat printr-un mesaj de eroare şi o nouă calibrare trebuie realizată. Rezultatul final este calculat ca fiind valoarea medie a 200 de măsurători şi este validat doar dacă coeficientul de varianţă este sub 0,5 %.

SINGLE este în special folosit pentru determinarea de: fenoli, cianuri, carbon organic total în ape reziduale; acidităţii şi zaharurilor în vinuri; azotaţi în produse alimentare.

Analizorul EVOLLUTION II se distinge prin folosirea unei pompe moderne proporţionale şi a unui colorimetru modern echipat cu fibre optice bazat pe principiul dicromatismului. Schimbătorul de probe conţine 104 cupe şi analizorul poate analiza un număr de 60 probe/h folosind până la opt metode de analiză, incluzând diluarea acolo unde este cazul. Sistemul are încorporat un computer ce procesează datele experientale, vizualizează şi printează semnalele înregistrate într-un timp real. EVOLUTION II este folosit pentru determinarea de substanţe nutritive în apa de mare; fenoli, cianuri şi detergenţi în apele reziduale.

De ultimă generaţie în categoria analizoarelor în flux continuu este analizorul INTEGRALFutura, ce combină tehnologia microfuidelor cu îndepărtarea automată a influenţei bulelor de aer, componente electronice moderne, control computerizat şi procesare de date. Fiecare unitate FUTURA poate fi considerată un analizor independent şi este direct conectată la un computer.

III.2.2.3. În viitor: microfluide

Noile cercetări din domeniul microfluidicii infuenţează puternic metodologiile în flux continuu. Mulţi producători de echipament pentru analiza în flux dezvoltă în prezent analizoare bazate pe metodologia microfluidelor, cunoscute sub numele de sisteme de microanaliză sau dispozitive laborator pe un chip (’lab-on-chip devices’). În viitor, aceste dispozitive vor înlocui complet macro-sistemele existente. Ele vor avea încorporată o unitate de filtrare in-line pentru a îndepărta impurităţile din probă şi pentru a evita înfundarea sistemului de analiză.

Compania LACHAT consideră utilizarea unor volume de soluţii de ordinul microlitrilor un compromis perfect între reducerea consumului de reactiv şi adaptarea la probele reale.

Compania FIAlab a realizat un analizor microfluidic numit “lab-on-valve” (LOV – laborator pe o valvă), care operează în varianta SIA. Întregul analizor este miniaturizat, are o structură monolit cu: o valvă multi-port montată deasupra lui; o pompă tip seringă ce propulsează volume de ordinul microlitrilor de lichid şi este compatibil cu spectrometria UV-VIS sau de fluorescenţă.

Astăzi, manipularea probelor, reactivilor şi a suspensiilor de perle reprezintă o tehnologie diferită de cea inţială a sistemelor în flux continuu, deşi principiile sunt

358


aceleaşi: introducerea probelor, dispersia controlată, reproductibilitatea măsurătorilor, care rezultă în controlul precis al parametrilor fizici şi chimici.

Cuplarea electroforezei capilare cu analiza în flux continuu este o descoperire recentă care oferă un răspuns rapid şi o foarte bună rezoluţie a separarilor. Utilizarea unui flux electroosmotic ca sistem de propulsie a lichidelor în sistemele în flux, asemănător celui din electroforeza capilară, poate înlocui pompa convenţională şi poate fi folosit în aceste tipuri de montaje de analiză. Ca urmare a acestei cuplări, au apărut şi alte metodologii în flux: FIA, SIA sau SIA capilară care pot fi implementate în domenii de tipul: radiochimiei, biosenzorilor, analiza în urme, identificarea de droguri.

BIBLIOGRAFIE

1. J. Ruzicka, E.H. Hansen, Anal. Chim. Acta, 1975, 78, 145.2. “Metode Automate de Analiza in Flux”, A.F. Danet, Ed. Univ. Bucuresti,

Bucuresti, 1992.3. “Flow Injection Analysis”, J. Ruzicka, E.H. Hansen, John Wiley & Sons, Inc.,

New York, 1981.4. “Flow Injection Analysis. Principles and Applications”, M. Valcarcel, M.D.

Luque de Castro, Ellis Horwood Ltd., 1987.5. “Flow Injection Analysis”, J. Ruzicka, E.H. Hansen, Second Edition, John

Wiley & Sons, Inc., New York, 1988.6. “Flow Injection Atomic Spectroscopy”, J.L. Burguera (Ed.), Marcel Dekker,

New York, 1989.7. “Flow Injection Analysis. A Practical Guide”, B. Karlberg, G.E. Pacey,

Elsevier Sci., Publ. Co. Inc. The Neatherlands”, 1989.8. “Flow Injection Separation and Preconcentration”, Z.L. Fang, VCH, Verlags-

gesellschaft, Weinheim, Germany, 1993.9. “Flow Injection Analysis. Principles, Techniques and Applications”, W.

Frenzel, Technical Univ. Berlin, Berlin, Germany, 1993.10. “Flow Analysis with Atomic Spectrometric Detectors”, A. Sanz-Mendel (Ed),

Elsevier, 1999.11. “Flow Injection Analysis of Pharmaceuticals: Automation in the Laboratory”,

J. Martinez Calatayud (Ed), Taylor,& Francis, London, England, 1997.12. “Flow Injection Analysis: Instrumentataion and Applications”, M.

Trojanowicz, Word Scientific, River Edge, New York, 1999.13. J. Ruzicka, E.H. Hansen, Trends Anal. Chem., 1998, 17, 6.14. E.H. Hansen, J. Ruzicka, Trends Anal. Chem.,1983, 2, 5.15. R.R. Kowaslki, J. Ruzicka, G.D. Christian, Trends Anal. Chem.., 1990, 9, 8.16. E.A.G. Zagatto, B.F. Reis, C.C. Oliveira, R.P. Sartini, M.A.Z. Arruda, Anal.

Chim. Acta, 1999, 400, 249.17. T. Gubeli, G.D. Chistian, J. Ruzika, Anal. Chem., 1991, 63, 2407.

359


18. A.N. Araujo, J.L. Costa Lima, M.L.M.F.S. Saraiva, R.P. Sartini, E.A.G. Zaggato, J. Flow Injection Anal., 1997, 14, 151.

19. G.D. Chistian, Analysit, 1994, 119, 2309.20. A. Cladera, E. Gomey, J.M. Estela, V. Cerda, A.Alvarey-Osario, F. Rincon, Int.

J. Environ. Anal. Chem., 1991, 45, 143.21. B.F. Reis, M.F. Gene, E.A.G. Zagatto, J.L.F.C. Lima, R.A.S. Lapa, Anal. Chim

Acta, 1994, 239, 12922. C.E. Lenehan, N.W. Barnett, S. Lewis, Analyst, 2001, 127, 997.23. A. Cladera, C. Tomas, E. Gomey, J.M. Estela, V. Cerda, Anal. Chim. Acta,

1995, 302, 297.24. F. Mas, A. Cladera, J.M. Estela, V. Cerda, Analyst, 1998, 302, 297.25. V.P. Andreev, G.D. Chistian, Anal. Lett., 2001, 34, 1569.26. G. Chistian, Anal. Chim. Acta, 2003, 499, 5.27. J.F. Staden, Anal. Chim. Acta, 2002, 467, 61.28. E.A.G. Zagatto, J.F. van Staden, N. Maniasso, R.I. Stefan, G.D. Marshall, Pure

Appl. Chem., 2002, 74(4), 58529. www.flowinjection.com 30. www.fia.unf.edu/fad/fad/html 31. www.foss.dk 32. www.perkinelmer.de 33. www.zelana.com/lachat 34. www.fia.unf.edu 35. www.oico.com

III.2.3. APLICAŢII ALE TEHNICII DE ANALIZĂ ÎN FLUX ÎN CONTROLUL ŞI MONITORIZAREA MEDIULUI

José MARTÍNEZ CALATAYUD, Mónica CATALÁ ICARDO

III.2.3.1. Introducere

Cerinţele analitice în controlul şi monitorizarea mediului impun folosirea de multisenzori portabili mai mult decât a analizoarelor din laboratoarele de analiză.

Dezvoltarea semnificativă a sistemelor portabile de monitorizare (ultimii 10-15 ani) este o consecinţă clară a dezvoltării recente a senzorilor chimici, biochimici, a senzorilor de gaz şi a senzorilor de unică folosinţă. Combinarea senzorului cu traductorul electronic (electrod – electrochimic, tranzistor – optic, semiconductor – impedanţă etc.) permite conversia răspunsului de recunoaştere moleculară (sau ionică) într-un semnal electric pentru a stabili concentraţia analitică a substanţei ce urmează să fie determinată.

360

http://www.oico.com/

http://www.fia.unf.edu/

http://www.zelana.com/lachat

http://www.perkinelmer.de/

http://www.foss.dk/

http://www.fia.unf.edu/fad/fad/html



Foarte multe eforturi au fost făcute pentru a transforma aparatura existentă (disponibilă comercial sau realizată în laborator) în dispozitive portabile, dezvoltate pentru diferite domenii de activitate cum ar fi cel biomedical, industrial, în exploatarea minieră, studii oceanografice, producerea apei potabile, în monitorizarea şi controlul poluării mediului, testarea calitaţii apelor precum şi în poluarea atmosferică. Viitorul utilizării acestor dispozitive portabile este în mod clar legat de fabricarea unor dispozitive de monitorizare robuste, compacte, cu un preţ scăzut, durabile şi uşor de transportat.

Procedeele în flux combinate cu utilizarea unor detectori miniaturizaţi se potrivesc foarte bine cu instrumentele de monitorizare portabile de tip multisenzor. Celulele în flux miniaturizate cu un preţ de cost scăzut care conţin senzori electrochimici (potenţiometrici, conductometrici etc.) au fost punctul de plecare în stabilirea diferenţelor faţă de tehnicile analitice tradiţionale (prelucrarea probei şi transport), fiind urmate apoi de detectorii spectrometrici de tip LED. Următorul pas a fost combinarea diferitelor celule în acelaşi montaj sau reţelele multi-senzor. Exemple sunt dispozitivele FIA portabile cu trei sau patru senzori pentru ionii de calciu, potasiu, azotat şi clorură.

Analizoarele de gaz bazate pe senzori potenţiometrici multicelulă au fost deasemenea propuse şi dezvoltate pentru o serie de gaze toxice: dioxid de sulf, compuşi organici volatili şi monoxid de carbon sau oxizi de azot. Au fost proiectate şi câteva dispozitive portabile pentru probe lichide sau gazoase care depind de tipul pompei şi de senzori.

Un sistem în flux pentru controlul şi monitorizarea completă a mediului trebuie să conţină modulul de prelevare a probei, dispozitivul de analiză în flux, detectorul şi înregistratorul. Partea centrală a sistemului, dispozitivul în flux (FIA, SIA, multiseringă, multicomutare etc.), se integrează bine restului sistemului datorită usurinţei de a se conforma cerinţelor “procedurii standard recomandate” propusă de obicei în modul discontinuu de analiză (batch analysis). Metodele de analiză se potrivesc cu orice tip de detector analitic cu condiţia utilizării unei celule în flux şi în mod normal nu este complicat de a optimiza concentraţia probei sau a reactivilor pentru a corespunde cu condiţiile experimentale din “batch analysis”.

Un avantaj al procedurilor în flux asupra sistemelor batch (în baterie) este dat de îmbunătăţirea preciziei, deoarece timpul de analiză este reproductibil şi dispersia probei controlată.

Un alt punct interesant constă în capacitatea metodelor în flux de a modifica matricea probei (pretratarea probei) prin integrarea diferitelor etape experimentale cum ar fi preconcentrarea analitului (schimbători de ioni, extracţie lichid-lichid şi difuzie gazoasă) sau diluţie, filtrarea probelor tulburi sau care conţin suspensii solide etc.

Aceste pretratări ale probei au ca avantaj îmbunătăţirea performanţelor detectorului. De exemplu, când matricea probei este filtrată, unii constituenţi care măresc linia de bază sunt eliminaţi şi astfel filtrarea îmbunătăţeşte detectabilitatea

361


compusului de interes. Preconcentrarea analitului determină o limită de detecţie mai scăzută. Tehnicile de analiză în flux sunt relativ recente; analiza în flux segmentat este “tatăl dinastiei”; apoi apariţia FIA a dus la o utilizare explozivă şi larg răspândită a metodologiei în flux. Noi metodologii în flux se dezvoltă continuu şi apar noi modalităţi, în această ordine: FIA-monosegmentată, SIA, multiseringă, laborator pe o valvă, multicomutare etc. Nu în cele din urmă, avantajul esenţial al metodologiei în flux asupra altor metodologii automate este cel economic; un aspect de o importanţă covârşitoare, atunci când controlul şi monitorizarea mediului necesită un număr imens de analize zilnice.

Tehnicile de analiză în flux sunt foarte bine adaptate la determinarea in situ a analiţilor din apă (aproximativ 2500 referinţe până în 2003) şi într-o măsura mai mică la analiza aerului. O privire de ansamblu asupra procedurilor analitice în flux dă un rezultat clar. FIA este de departe preferată şi este cea mai utilizată metodologie. Multe review-uri pot fi găsite în literatura de specialitate în ceea ce priveşte monitorizarea apelor folosind FIA, iar detectorul consacrat este spectrometrul de absorbţie UV-VIS. O problemă diferită ridică monitorizarea solului (nutrienţi şi poluanţi) din regiuni cu agricultură intensivă datorită naturii solide a matricei. Majoritatea poluanţilor din solurile poluate afectează şi calitatea apei.

Pentru controlul şi monitorizarea mediului, trebuie proiectate sisteme disponibile comercial robuste, compacte, portabile (chiar submersibile) şi multi-parametrice. Majoritatea dispozitivelor în flux au fost proiectate iniţial pentru unul sau mai mulţi parametri şi pentru analiza off-line. În plus, miniaturizarea dispozitivelor în flux are ca efect scăderea consumului de probă şi reactivi. Cerinţele actuale care merită evidenţiate sunt proiectarea unor sisteme miniaturizate multiparametrice care să îndeplinească condiţiile analizei on-line complete.

Monitorizarea mediului necesită probe de apă şi probe atmosferice; amândouă conţinând matrici diferite (cum ar fi apa potabilă, apa de mare, apa reziduală, ape subterane de adâncime), fiecare matrice incluzând un numar mare de componenţi, cum ar fi: constituenţi obişnuiţi ai probei şi poluanţi dintr-o sursă externă. O clasificare simplă va împărţi constituenţii şi poluanţii din probele de ape în anioni (majoritatea nutrieţilor sunt incluşi în acest grup), cationi şi compuşi organici.

Pe de altă parte, aşa cum a fost menţionat mai sus, există diferite metodologii în flux. O viziune de ansamblu asupra problemei, implică în mod necesar selectarea unor exemple pentru a ilustra posibilităţile prezente.

În continuare este prezentată o selecţie a câtorva exemple bazate pe diferite metodologii în flux dedicate fiecărui din următoarele domenii:(a) Monitorizarea şi controlul apei: apa de mare din zonele de coastă, azotiţi şi azotaţi; sedimente; sedimente acvatice, oxigen dizolvat; apa de ploaie, ceaţa şi zapadă, apa oxigenată; sulf (IV); apa reziduală.(b) Monitorizarea şi controlul atmosferei: zone urbane, etanol; loc de muncă, NO2; ambient atmosferic, ozon şi SO2.

(c) Poluanţii solului, pesticide.362


III.2.3.2. Controlul şi monitorizarea apei

Monitorizarea apei de mare, azot (nutrienţi)Adaptarea metodelor clasice în “batch” (în baterie) la sistemul de analiză în

flux înseamnă în multe cazuri schimbarea câtorva etape. Determinarea azotului total este realizată prin determinarea azotatului sau amoniului, după etapa de digestie prin metoda tradiţională Kjeldhal; o alternativă pentru o metodă în flux fiind fotodegradarea cu ajutorul oxidanţilor chimici.

Pe de altă parte, multe metode spectrofotometrice în flux pentru determinarea azotiţilor sunt bazate pe procedeele GRIESS sau SHINN. Determinarea azotatului se realizează similar cu a azotitului după ce în prealabil are loc un proces redox de conversie a azotatului la azotit, într-un reactor împachetat cu cadmiu cuprizat.

O altă alternativă ce se potriveste metodelor în flux constituie reducerea omogenă cu hidrazină; fotoreducerea prin iradiere cu o lampă de mercur de joasă presiune sau pe baza unor procese enzimatice.

Un număr mare de montaje FIA au fost folosite pentru determinarea azotaţilor, azotiţilor, amoniului şi azotului total cu ajutorul detecţiei spectrofotometrice. Pentru mai multe informaţii despre chimia acestor procedee se poate vedea capitolul III.4 ‘Automatizarea metodelor spectrofotometrice’.

Specierea azotului, determinarea secvenţială a azotitului (reacţia SHINN), azotatului (reactor cu cadmiu cuprizat) şi a azotului total (azotat + azotit) (fotodegradare UV) pot fi uşor integrate într-un dispozitiv compact în flux cum este cel prezentat în figura III.2.25.

Fig. III.2.25. Schema montajului de analiză în flux pentru determinarea azotiţilor şi azotaţilor din probele de apa.VI: Valva de injectare cu un volum de 260 L; D: Detector la 540 nm şi 20 mm lungime a drumului optic; lungimea reactorului 1m; P, pompa peristaltică; W, rezidii; debit (mL min-1): proba filtrată 0,80; flux transportor, 0,32; sulfanilamida, 0,16; diclorhidrat de naftiletilendiamină, NED, 0,16.

0.45 m Probă

Flux transportor

VISulfanilamidă

NED

P reactor

Cu/Cdreactor

Prefiltru

D

W

Filtru seringă0.45 m

Probă

Flux transportor

VISulfanilamidă

NED

P reactor

Cu/Cdreactor

Prefiltru

D

W

Filtru seringă

363


Monitorizarea azotaţilor din apele de coastă şi estuarPrincipala problemă în monitorizarea in situ este schimbarea suferită de probă

în timpul prelevării şi păstrarii. Aceste cerinţe analitice obligă la proiectarea şi construcţia unor laboratoare portabile capabile să funcţioneze în diferite condiţii de mediu. Aceasta a fost rezolvată pentru situaţii mai puţin dificile cum ar fi aerul de la locul de muncă; râuri, lacuri etc; pentru cazuri mai complicate numărul soluţiilor multiparametrice disponibile este rar. În mod sigur, unele situaţii nu sunt rezolvate, de exemplu la prelevarea apei de la mare adâncime din lacuri, mări sau estuare; concentraţia de aer dizolvat în proba originală creşte până când aceasta este adusă la laboratorul de bord al vaporului (pe lângă alte incoveniente) şi dezavantajele sunt inerente.

Un exemplu recent şi reprezentativ pentru eforturile de rezolvare a acestei probleme îl constituie dispozitivul de determinare a azotatului în ape de estuar şi de coastă cu un “analizor prin injectare în flux submersibil” a cărui dimensiune, greutate, flotabilitate scăzută şi uşurinţă în exploatare au fost studiate cu mare atenţie. În funcţie de cerinţele de moment, instrumentul poate fi operat în mod manual (diagnosticare) sau automat (monitorizare pe termen lung) şi poate opera ca un instrument de laborator sau la bordul unui vapor sau ca submersibil. Instrumentul a fost probat la bordul unui vapor pentru determinarea concentraţiei de azotat în Marea Nordului şi submersibil de-a lungul estuarului Tamar.

Metoda chimică se bazează pe binecunoscută reacţie GRIESS modificată pentru azotit (pentru detalii vezi capitolul II) cu reducerea anterioară a azotatului într-un reactor cu cadmiu cuprizat (figura III.2.25). O unitate de filtrare on-line este deasemenea inclusă.

Figura III.2.26 descrie diagrama bloc a analizorului prin injectare în flux, submersibil, construit într-o carcasă presurizată realizată dintr-o singură bucată de PVC. Determinarea se realizează cu un detector în flux încorporând o diodă care emite lumină verde foarte intensă (LED) ca sursă de lumină şi o fotodiodă. Atât lungimea celulei în flux cât şi volumul probei pot fi modificate pentru a obţine un domeniu de detecţie cât mai larg. S-au obţinut: un domeniu linear de concentraţii cuprins între 2,8 – 100 g/L azot şi 100 – 2000 g/L; o limita de detecţie de 2,8 g/L (folosind un drum optic de 2 mm şi un volum de probă de 250 L).

364


Fig. III.2.26. Diagrama bloc a unui analizor submersibil în flux. W: rezidii; P: pompa; C: flux transportor; SV: 3-valvă cu trei căi; FC/SSD: Celula în flux/detector în stare solida; VI: valva de injectare

Determinarea FIA a oxigenului dizolvat (OD) din sedimente prin metoda WINKLER

Titrarea WINKLER este o metoda tradiţională, robustă pentru determinarea oxigenului dizolvat în apă, OD. În prima etapă are loc oxidarea coloizilor de hidroxid de Mn(II) de către oxigen. Adăugarea acidului sulfuric în prezenţa unui exces de iodură de potasiu dizolvă hidroxidul de mangan oxidat producând triiodura care este titrată în final cu tiosulfat în prezenţă de amidon pentru indicarea punctul de viraj (vezi detalii în capitolul II). Procedura clasică nu pare potrivită pentru măsurători respirometrice exacte. Câteva sugestii au apărut în literatură pentru automatizarea măsurătorilor de OD şi unele dintre ele conţin sisteme FIA.

Exemplul selectat se bazează pe monitorizarea spectrofotometrică a triiodurii; montajul este de tip rFIA (FIA inversă, unde proba este fluxul transportor, iar reactivii sunt injectaţi în fluxul de probă) pentru a evita blocajul tuburilor acolo unde soluţia de

W CNED Sulfanilamidă

Intrare standardIntrare probă

Conector lasursa de tensiune

“O” ring

Bucla pentruprobă

P1 : reactivi

P2: Standard/probă

Dispozitiv de distribuţie

PVC

SV

FC/SSDVI

Coloana de reducere

Reactor

Conector “T”

W CNED Sulfanilamidă

Intrare standardIntrare probă

Conector lasursa de tensiune

“O” ring

Bucla pentruprobă

P1 : reactivi

P2: Standard/probă

Dispozitiv de distribuţie

PVC

SV

FC/SSDVI

Coloana de reducere

Reactor

Conector “T”

365


ioni Mn(II) se întâlneşte cu fluxul alcalin (hidroxid de potasiu). Proba de apă constituie fluxul transportor în care soluţia ionilor Mn(II) este injectată. Fluxul rezultat se întâlneste cu amestecul alcalin – KI; iar produsul de reacţie (hidroxidul de mangan oxidat) este solubilizat prin întâlnirea cu fluxul soluţiei de acid sulfuric. Triiodura este determinată spectrofotometric la 440 nm.

Figura III.2.27 prezintă montajul în flux care a fost aplicat cu succes atât în determinări de laborator cât şi pe teren.

Fig. III.2.27. 1, soluţie de MnSO4 – injectare 50 L; 2, probă de apă (cu rol de flux transportor); 3, amestec de KI şi NaOH; 4, soluţie acidă de iodură – soluţie de spălare; şi 5, H2SO4. Debit 1,4 mL min-1. R1, reactor cu lungimea de 100 cm; W, rezidii, Iv, valva de injectare; s-v, valva solenoidală cu trei căi; D, detector; şi P, pompă peristaltică.

III.2.3.3. Monitorizarea şi controlul apei de ploaie

Apa oxigenată şi caracteristicile sale oxidante au efecte asupra chimiei atmosferei; cum ar fi conversia rapidă a SO2 dizolvat în acid sulfuric, principalul component al ploii acide; alţi oxidanţi prezenţi în atmosferă cum ar fi ozonul prezintă aceleaşi procese, dar mai lent şi implică prezenţa unor catalizatori metalici.

Determinările amperometrice ale apei oxigenate din apa de ploaie s-au realizat într-un montaj în flux dotat cu pompe de aer de acvariu pentru producerea fluxului. Dispozitivul este prevăzut cu un reactor enzimatic în fază solidă umplut cu o răşină de tip Amberlite pe care a fost imobilizată catalază, iar detectorul este format din electrozi de aur modificaţi cu platină prin electrodepunere. Apa oxigenată este determinată amperometric la un potenţial de 0,60 V vs un electrod de referinţă de Ag/AgCl ca electrod auxiliar fiind folosit un tub de inox.

366


Proba este injectată în fluxul transportor, soluţia unui electrolit; acest canal despărţindu-se în două canale independente identice. Unul dintre ele conţine reactorul în fază solidă pentru eliminarea completă a apei oxigenate. Ambele canale (cu şi făra reactor) se unesc într-un singur canal conducând proba (tratată şi netratată) la celula electrochimică. Diferenţa dintre cele două semnale indică concentraţia de apă oxigenată.

Imobilizarea catalazei are loc prin tratarea răşinii cu glutaraldehidă care se leagă de grupările amino ale Amberlitului (IRA-743); apoi este adăugată enzima şi la final reactorul este spălat.

Celula electrochimică conţine un set de minielectrozi de aur. Electrodepunerea platinei a fost realizată dintr-o soluţie 2x10-3 mol L-1 K2PtCl6 la un pH=4,8 şi la un potenţial de –1,00 V, timp de 15 minute.

Durata de funcţionare a reactorului, respectiv a electrozilor de Au-Pt, este cuprinsă între 15 respectiv 7 zile. Numărul de analize ce poate fi realizat este de 90 pe oră şi reproductibilitatea sub 1%. Montajul a fost testat folosind un colector de probe pentru apa de ploaie plasat în afara laboratorului.

Montajul în flux propus este prezentat în figura III.2.28.

Fig. III.2.28. E: electrolit; AP: pompa de aer pentru acvariu: AV: valvă de acvariu; Iv: valva de injectare; TR: reactor tubular; D: potenţiostat şi celulă electrochimică; W: rezidii.

A fost menţionată, de asemenea. şi determinarea amperometrică a apei oxigenate şi a sulfului(IV) în apa de ploaie, ceaţă, zăpadă şi gheaţa din atmosferă. Bisulfitul este măsurată direct; iar restul de S(IV) prezent sub formă de hidroxi metan sulfonat (HMS) sau care formează alţi aducţi carbonilici este determinat indirect prin eliberarea sulfului în urma unui tratament alcalin.

Microcelula electrochimică conţine doi electrozi de platină (indicator şi auxiliar) confecţionaţi în laborator. Electrodul de referinţă este de Ag/AgCl şi este plasat la extremitatea microcelulei tubulare. Electrodul de lucru este montat pe un tub de Nafion, care este un schimbător cationic cu rol în separarea apei oxigenate şi a bisulfitului (este permeabil numai pentru apa oxigenată). Selectivitatea dorită este obţinută printr-un control atent al pH-ului. La pH-uri mari (mediu alcalin) HO2

- este întâi oxidat (0,30 V), iar bisulfitul nu interferă în măsurătoare. La pH-uri acide şi un

E

E AP

AV

TR

W

D

IvE

E AP

AV

TR

W

D

Iv

367


potenţial de 0,65 V, SO2 va fi primul oxidat cu o interferenţă aproape nulă a apei oxigenate.

Procesul de determinare a HMS cuprinde două etape: prima este cea de măsurare a S(IV) neprotejat; iar în cea de-a doua etapă tot HMS este convertit în S(IV) prin creşterea pH-ului la 11-12.

Montajul este prezentat în figura III.2.29. Compuşii prezenţi în matrice şi care prezintă un potenţial scăzut de oxidare (vs Ag/AgCl) interferă în măsurători. Un proces enzimatic auxiliar de distrugere a apei oxigenate (catalaza) şi sulfitului (sulfit oxidaza) determină evitarea interferenţelor fierului, formaldehidei etc. Limita de detecţie este de 2 x10-8 mol L-1, iar frecvenţa de analiza de 30 probe pe oră.

Fig. III.2.29. Sistem FIA pentru determinarea apei oxigenate a bisulfitului şi hidroxi metan sulfonatului. ME: flux auxiliar, 0,024 la 0,06 mL min-1, 0,1 mol L-1 KOH sau 0,1 mol L-1 HClO4 pentru H2O2 sau HSO3

- respectiv HMS; AE: fluxul de electrolit principal, 0,075 la 0,18 mL min-1, 0,4 mol L-1 KOH sau 0,4 mol L-1 HClO4 pentru H2O2 sau HSO3

- respectiv HMS; debitul apei, 0,24 la 0,54 mL min-1; P: pompa peristaltică; Iv valva de injectare (200 L volumul buclei); D: celula electrochimică şi polarografică.

III.2.3.4. Calitatea apei, ape reziduale

Ca un rezumat al metodelor automate în flux este descris montajul SIA pentru monitorizarea diferiţilor parametrii de calitate folosind metode analitice uzuale.

Montajul multiparametric SIA pentru monitorizarea in-situ şi în timp real a calităţii apelor reziduale este descris în figura III.2.30. Acesta este construit pentru determinarea carbonului organic total (TOC), necesarului biochimic de oxigen (BOD), necesarului chimic de oxigen (COD), suspensiilor totale (TSS), azotatului, azotitului, amoniului, azotului total, fosfatului şi fosfaţilor totali. Probabil în acord cu mulţi autori, SIA este adecvată mai mult decât orice altă metodă automată în flux, determinării simultane a mai multor parametri.

Când un detector bazat pe o reţea de diode este încorporat în unul din porturile libere ale celei de a doua valve de injectare, în 3 minute se poate realiza evaluarea unor parametri suplimentari, cum ar fi detergenţii.

DP

Ivapă

AE

ME

DP

Ivapă

AE

ME

368


Fig. III.2.30. Schema montajului multiparametric SIA pentru determinarea in-situ şi monitorizarea în timp real a calitatii apelor reziduale.

III.2.3.5. Monitorizarea şi controlul atmosferic

Creşterea dramatică a poluării mediului reprezintă practic o provocare pentru controlul şi monitorizarea analitică; o provocare în care analiştii sunt “ajutaţi” de noile schimbări în ceea ce priveşte regulile legislative; în multe cazuri cu diferenţe semnificative între ţări, chiar şi între ţări vecine ce împart aceleaşi probleme.

În monitorizarea atmosferică sistemele de prelevare a probelor sunt formate din module diferite: în primul rând este necesar un dispozitiv pentru colectarea probei; un dispozitiv de captare a poluantului şi ansamblul de măsurare a acestuia. Dispozitivul de analiză trebuie sa fie capabil sa măsoare volumul de aer analizat. Metodele de luare a probelor frecvent utilizate sunt filtrarea (pasivă sau activă), sedimentarea, precipitarea electrostatică, centrifugarea şi prelevarea prin impact, filtrarea fiind cea mai comună. Modulele diferite implicate în analiză trebuie să fie construite dintr-un material care să nu introducă poluanţi în probă. Aceste considerente trebuie avute în vedere şi pentru următoarele etape ale analizei. Trebuie

Spectrofotometru

apaMolibdat de

amoniu

rezidii

detectori

tampon

Celulă de difuzie gazoasă

Pompăcu piston

rezidiiaer

Bucla de staţionare


proba

Indicatoracido-bazic-

ReactivGriess

Sursă UV

SpectrofotometruSpectrofotometru

apaMolibdat de

amoniu

rezidii

detectori

tampon

Celulă de difuzie gazoasă

Pompăcu piston

rezidiiaer



proba

Indicatoracido-bazic-

ReactivGriess

Sursă UV

369


ţinut cont de aceste precauţii primare în prelevarea, transportul probei şi păstrarea ei. Prelevarea necorespunzătoare a probei poate disturba sistemul şi poate rezulta o analiză nereprezentativă. Prelevarea probelor din atmosferă nu determină alterarea sistemului original şi nu cauzează perturbări în mediul ambiant.

Studiile privind poluarea aerului necesită diferite proceduri de analiză în concordanţă cu tipul de mediu ce trebuie monitorizat Analizele de la locul de muncă diferă de procedurile ce trebuie aplicate pentru analizele mediului dintr-o arie industrială. Studiul atmosferei locului de munca este specific şi se bazează pe determinarea nivelului poluanţilor la care muncitorii sunt expuşi; de exemplu uneori este recomandată o micro-prelevare de probe (muncitorul pastrează o etichetă absorbantă pe care o trimite la sfarşitul zilei la laborator).

Monitorizarea etanolului în aerul ambiantExistă multe acţiuni antropogene a căror consecinţă este schimbarea în chimia

atmosferică. Noi compuşi sunt eliberaţi în atmosferă în cantităţi mari. Dependenţa economică a multor ţări de importul de petrol duce la căutarea unor alternative la combustibilii fosili. Un exemplu semnificativ este extinderea utilizării etanolului drept combustibil pentru vehicule (foarte important în unele ţări cum ar fi Brazilia) rezultând într-o creştere a concentraţiei în atmosferă a alcoolului de eşapament. În final rezultă o schimbare clară în compoziţia atmosferei, cu o extindere dramatică în mediul urban.

Pentru cunoaşterea interacţiilor chimice în gazele atmosferice trebuie dezvoltate metodele analitice pentru monitorizarea conţinutului de etanol din aerul ambiant. Alcoolul nears constituie un ingredient important în fotooxidare sau în reacţiile cu radicali hidroxil. Probele de etanol în soluţie sunt complet diferite de cele gazoase.

Metoda următoare prezintă un procedeu enzimatico-fluorimetric pentru monitorizarea etanolului din aerul ambiental. În timpul prelevării aerului, etanolul reacţionează cu alcool dehidrogenaza, ADH, şi nicotinamidadenindinucleotidul, (NAD+), producând NADH; care este monitorizat prin fluorescenţă.

Schema şi modul de operare sunt constituite din următoarele etape (vezi figura III.2.31).a. Aerul este aspirat printr-un filtru cu KI pentru eliminarea interferenţei ozonului. b. O buclă de spălare (cu o lungime de 100 cm) din sticlă borosilicat constituie

dispozitivul de prelevare. Acesta este tratat cu acetonă şi 40 % HF; apoi este spălat cu apă pură pentru a obţine o suprafaţă hidrofilă. Proba este barbotată prin soluţia absorbantă; un amestec de 1 mmol L-1 NAD+ şi 7,5 UI mL-1 ADH la pH = 9 în tampon fosfat.

370


c. Produsul de reacţie, NADH, este transportat către celula în flux a detectorului unde fluorescenţa este măsurată la 460 nm (lungimea de undă la care are loc excitarea este de 360 nm).

d. O corecţie este necesară pentru a evita ca bulele de la solventul volatil să ajungă la detector; debitul în canalul B este mai mic decât în canalul A şi excesul de soluţie este eliminat prin canalul C.

e. Montajul în flux (cu excepţia detectorului şi pompei) sunt montate într-o incintă termostatată pentru determinări pe teren.

Fig. III.2.31. A: soluţie absorbantă: ADH, NAD+, tampon fosfat; P: pompa peristaltică; D: detector de fluorescenţă; V: valva de injectare. Explicaţii în text.

Sistemul funcţionează astfel: QA= 0,23 mL min-1; QB= 0,15 mL min-1; debitul de gaz = 1 L min-1 şi umiditatea standard 70 %. Calibrarea este pe domeniul 0 – 112 mg mL-1. Domeniul dinamic nu este liniar cum este în cazul reacţiilor enzimatice. Deviaţia standard calculată a fost 6,5 % (44 mg mL-1, n = 5) şi timpul necesar pentru analiza unei probe este 2,3 min.

Determinarea NO2 din aer după preconcentrare on-lineÎn monitorizarea aerului din mediu, nivelul analiţilor trebuie să fie foarte mic

şi proba nu poate fi analizată aşa cum este prelevată din mediu, ceea ce impune o pretratare a probei on-line pentru realizarea unui procedeu automat şi continuu.

Aşa numita celulă cu cromato-membrană, CMC, a fost utilizată în diferite sisteme FIA pentru preconcentrarea şi separarea on-line a probei (gaz-lichid, lichid-lichid, sisteme heterogene etc.). Aceasta este un dispozitiv de lucru în flux continuu în care membrana efectuează un fel de “separare cromatografică”; când două faze diferite (polară şi solvent organic sau aer) sunt de o parte şi de alta a membranei, are loc transferul analiţilor între cele două faze. Dispozitivul este inclus în montajul FIA.

A

C

A

C

DP V

Buclă de spălareFiltru de ozon

B

debitmetru, pompă

aer

A

C

A

C

DP V

Buclă de spălareFiltru de ozon

B

debitmetru, pompă

aer

371


Exemplul selectat în acest scop este determinarea dioxidului de azot din aer care se poate face atât în laborator, cât şi pe teren. Metoda analitică este cea consacrată pentru azotit, dar mai întâi dioxidul de azot trebuie transformat în azotit. Pentru această conversie este folosit “dispozitivul de distribuţie a concentraţiei în celula cu cromato-membrană” confecţionat dintr-un bloc de PTFE cu micro şi macro pori.

Etapele pentru determinarea în flux sunt următorii: (vezi figura III.2.32):1. Soluţia absorbantă de trietanolamină este trimisă spre CMC cu un debit de 0,5 mL

min-1 pentru a fi umplută celula care conţine CMC, iar apoi pompa este oprită. A doua pompă este utilizată pentru a transporta proba de aer (20 L) spre celula cu CMC cu debitul de 7 mL min-1. NO2 este transferat din aer spre reactivul absorbant şi transformat în ioni azotit.

2. Rotind valva 2 soluţia rezultată este injectată în sistemul FIA şi se întâlneşte cu amestecul de sulfanilamidă şi NED (reactiv Saltzman) dezvoltând culoarea corespunzătoare care va fi monitorizată în celula în flux a spectrometrului.

3. Prin repunerea în funcţiune a pompei P3, dar în sens invers, aerul fără NO2 intră în celula CMC uscând-o pentru ca aceasta să-şi poată relua ciclul de funcţionare .

Fig. III.2.32. Sistem în flux cu cromato-membrană. RS, soluţie de reactiv (amestec de sulfanilamida şi NED); AS, soluţie absorbantă; SL, proba standard (NaNO2); V1 şi V2, valve de injectare; P1, pompă cu două canale (debite 0,05 şi 0,25 pentru tuburi FIA respectiv FIA); P2, pompă peristaltică (0,5 mL min-1); P3, pompă tip seringă (7 mL min-1); DG, unitate de degazare; D, detector. CMC, celula cu cromatomembrană.

Ansamblul portabil este constituit dintr-un sistem micro-FIA cu un tub de PTFE cu diametrul interior de 0,25 mm; care este închis într-o casetă (dimensiunea casetei 16x16x32 cm) iar detectorul spectrofotometric este de tip LED (diodă care emite lumină) alimentat la 12 V (baterie). Pentru determinările de laborator

P2

P3

RS

AS

AS

aer

DG

SL

V1

V2

D

CMC

P1

P2

P3

RS

AS

AS

aer

DG

SL

V1

V2

D

CMC

P1

372


dispozitivul FIA a fost format dintr-un tub cu diametrul interior de 0,5 mm. Limita de detecţie este de 0,9 g L-1 iar ciclul complet este de aproape 5 minute.

Analizorul în flux pentru ozonAutorii nu recomandă clar nici un reactiv pentru determinarea ozonului, dar

au fost testaţi mai mulţi. Ei au realizat un dispozitiv empiric bazat fie pe utilizarea unei picături suspendate, fie pe o reacţie în strat subţire (film de lichid) testând peste 70 de reactivi chemiluminescenţi pentru ozon; fenosafranina, albastrul de metilen şi safranina dau cea mai puternică emisie de lumină.

Partea principală a analizorului este zona de detecţie: a. Picătura suspendată este formată la capătul unui tub capilar de PTFE de 3 cm

lungime şi cu diametrul intern de 200 nm. Reproductibilitatea volumului de soluţie este dată de pompa peristaltică care generează fluxul de lichid.

b. Filmul de reactiv este întins pe o suprafaţă netedă de sticlă, 80 x 6 mm, prevăzută cu un dispozitiv de distribuţie triunghiular pentru evitarea negularităţile de pe suprafaţa filmului lichid. Aplicaţiile analitice sunt studiate numai în reactorul în strat subţire.

c. Reactorul constă dintr-o cameră construită din PVC negru cu dimensiunile de 35 x 200 mm. Fluxul de aer cu ozon cu debitul de 2 L min-1 reacţionează cu reactivul ales de operator.

d. Reactivul chemiluminiscent este pompat spre detectorul plasat la aproximativ 20 mm de fereastra de intrare a sistemului de măsurare a radiaţiei emise.

Sistemul în flux este prezentat în figura III.2.33. Pentru 1 mmol L-1

fenosafranina au fost obţinute următoarele caracteristici: domeniu de aplicare 5,2-330 g m-3; limita de cuantificare 2,1 g m-3, timp de analiză 5 sec / probă. Comparând rezultatele cu metoda UV, acest detector conduce la un consum mai mic de probă, determinările sunt mai rapide şi concentraţiile determinate sunt mai mici; acest lucru poate fi explicat prin faptul că interferenţelor compuşilor aromatici nu pot fi eliminate în cazul detectorului în UV.

DRC

aer

Aerrezidual

PV

Reactiv

Soluţie reziduală

DRC

aer

Aerrezidual

PV

Reactiv

Soluţie reziduală

373


Fig. III.2.33. Schema montajului FIA pentru determinarea ozonului. RC: camera de reacţie; D: detectorul radiaţiei de chemiluminescenţă; V: valvă; P: pompă peristaltică

Determinarea SO2 din atmosferăDioxidul de sulf este unul dintre compuşii care poluează semnificativ şi care

trebuie controlat prin testarea calităţii aerului; multe metode sunt propuse pentru determinarea lui în analizele de aer. Cele mai multe dintre aceste metode sunt caracterizate de lipsa selectivităţii şi sensibilităţii necesare. Etapa de preconcentrare constituie practic pretratamentul probei care în următorul exemplu are loc cu ajutorul unui dispozitiv permeabil pentru gaze. Acest dispozitiv a fost adaptat şi la metodele FIA. A fost raportat în literatură un montaj spectrofotometric de monitorizare prevăzut cu unităţi de prelevare şi preconcentrare on-line capabil pentru determinări pe teren.

Membrana hidrofobă cu micro-pori din polifluorură de vinilden (PVDF) care este cuprinsă între două blocuri de plexiglas serveşte la preconcentrare.

Pe o parte a membranei circulă aerul cu un debit de 0,9 L min -1; iar pe cealaltă parte soluţia absorbantă cu 0,8 mL min-1 conţinând 5x10-4 mol L-1 acid ditiobis(2,2’-dinitrobenzoic) în 0,025 mol L-1 tampon fosfat. Timp de 5 – 8 minute fluxul de lichid este stopat pentru a permite preconcentrarea.

Amestecul rezultat, şi anume SO2 şi reactivul, este injectat cu ajutorul valvei de injectare în fluxul purtător format din acelaşi reactiv, DNTB (debit 0,7 mL min -1) şi monitorizat la 410 nm în celula în flux a detectorului. Este utilizat un minispectrofotometru cu fibră optică (fig. III.2.34).

În această metodă, principalii interferenţi sunt hidrogenul sulfurat şi acidul cianhidric.

374


Fig. III.2.34. Schema montajului FIA (sus) şi a dispozitivului de pre-concentrare (jos) pentru determinarea SO2.Domeniul de aplicare şi limita de detecţie sunt funcţie de timpul de

preconcentrare şi de semnalul de referinţă. De exemplu, pentru un timp de preconcentrare de 5 min şi un flux purtător de soluţie DTNB, domeniul de lucru este de 0 - 4 mg m-3, iar limita de detecţie de 50 g m-3. Însă pentru 8 minute de preconcentrare şi având ca referinţă aer pur, valorile rezultate sunt de 0-3,2 mg m -3 şi respectiv, 35 g m-3. Frecvenţa de analiză este în mod clar corelată cu intervalul de preconcentrare, fiind de 8,5, respectiv 6 h-1.

III.2.3.6. Poluanţii solului

Determinarea pesticidelor prin metoda multicomutării şi detecţie prin foto-luminescenţă

W

V D

P

Probă de gaz

DTNB

DTNB

W

110 mm

40 mm

20 mm

4 mm

60 mm

10 mm25 mm

Intrare gaz

Intrare lichid

Ieşire gaz

Ieşire lichid

W

V D

P

Probă de gaz

DTNB

DTNB

W

110 mm

40 mm

20 mm

4 mm

60 mm

10 mm25 mm

Intrare gaz

Intrare lichid

Ieşire gaz

Ieşire lichid

375


Poluarea apelor de adâncime datorită utilizării excesive a pesticidelor este o nouă problemă antropogenă care afectează sănătatea populaţiei. Pesticidele sunt prezente în mediu datorită utilizării lor în agricultură dar şi în activităţile domestice, aeroporturi, terenuri de golf, marginea şoselelor etc.

Utilizarea masivă a pesticidelor (în ultimele două decenii) este o nouă provocare în uzinele de tratare a apelor. Erbicidele sunt cele mai utilizate pesticide. Numărul fabricilor existente prefigurează o imagine asupra dimensiunii problemei. În Europa sunt produse peste 40 de pesticide în cantitate de 500 tone/an. Cantitatea de pesticide produsă în SUA în 1993 este prezentată în următorul tabel:

Tabel III.2.3. Cantitatea de pesticide produsă în 1993 în SUA.

Pesticide Tone Pesticide ToneAtrazina 31.500-33.750 Clorpirifos 4.500-6.750Metalaclor 27.000-29.250 Clorotalonil 4.500-6.750Alaclor 20.250-22.500 Propanil 3.150-5.400Bromura de metil 13.500-15.750 Dicamba 2.700-4.500Cianazina 13.500-15.750 Terbufos 22.250-3.600Dicloropropena 13.500-15.750 Bentazone 1.800-3.1502,4-D 11.250-13.500 Mancozeb 1.800-3.150Metam sodiu 11.250-13.500 Paration 1.800-3.150Trifluralin 9.000-11.250 Simazina 1.350-2.700Glifosate 6.750-9.000 Butilat 1.350-2.700

Pesticidele sunt combinate cu diverşi aditivi şi co-adjuvanţi pentru a facilita acţiunea lor. Ele sunt eliminate în aer şi concentraţia lor în mediu este în continuă schimbare datorită dispersiei, volatilizării, degradării chimice şi biochimice şi percolării. Aceste procese au loc datorită caracteristicilor fizico-chimice ale fiecărui pesticid în parte dar deasemeni şi datorită caracteristicilor apei, solului şi atmosferei.

Există mai multe metode în flux pentru determinarea pesticidelor. Exemplul selectat se bazează pe o nouă strategie şi anume multicomutarea şi pe folosirea detecţiei chemiluminometrice şi a fotodegradării, pentru formarea compuşilor detectabili. Soluţia apoasă de pesticid este iradiată cu o lampă UV. Fragmentele formate vin în contact cu oxidantul, permanganat de potasiu în mediu de acid sulfuric, înainte de detecţia chemiluminometrică a produşilor rezultaţi. Utilizarea valvelor solenoidale economiseşte reactiv şi constituie o extensie suplimentară a procedeelor ‘chimiei curate’.

Pesticidul asulam (metil-4-aminobenzensulfonil carbamat), are un spectru larg al activităţii biologice. Este utilizat ca insecticid, erbicid şi fungicid; şi cel mai adesea este utilizat ca erbicid pentru controlul ierburilor perene. Asulamul acţionează prin stoparea divizării celulelor şi creşterii ţesuturilor plantelor. Acesta rămâne în sol mai

376


mult decât un sezon. De asemenea, prezintă o mare mobilitate datorită solubilităţii mari în apă a sării sale de sodiu, fiind considerat astfel un potenţial poluant al apelor.

Procesul de monitorizare a fotodegradării a fost recent atestat ca o metodă in situ de control al poluanţilor, iar potenţialul decontaminării fotocatalitice bazat pe lumina solară a trezit mult interes.

Montajul în flux prezentat în figura III.2.35 conţine trei valve solenoidale, fiecare activată de un comutator independent cu două poziţii. Operarea unei valve a fost caracterizată în termenii de N*(t1,t2), unde t1 şi t2 sunt intervalele de timp în care valva a fost ON şi OFF, şi N este numărul ciclurilor ON/OFF. Spre deosbire de sistemele FIA, pompa peristaltică a fost plasată după reactor pentru a aspira proba şi reactivii în celula în flux.

Profilul optim de injectare pentru fiecare dintre cele două sisteme oxidante este descris în figura III.2.36. Folosind permanganat de potasiu, au fost realizate peste 20 microinjectări de pesticid şi mediu de fotodegradare. În timpul ficarei microinjectări, valva 1 a fost ţinută pe ON pentru 0,3 sec pentru a aspira asulamul şi pe OFF pentru 0,1 sec pentru a aspira tamponul utilizat pentru mediu de fotodegradare. Valva V2 a fost ţinută deschisă pentru ca pompa peristaltică să aspire asulam şi mediu tamponat pe toată durata procesului (8 sec). Pe parcursul următoarelor 90 sec, amestecul probă / mediu a fost stopat în foto-reactor pentru iradierea UV. Apoi, valva V3 a fost comutată pe ON pentru 17 sec pentru a deschide fluxul de oxidant, iar V2 a fost utilizată alternant pentru microinjectarea pesticidului fotodegradat (0,7 sec segmentul) şi a oxidantului (0,2 sec segmentul) în 17 cicluri ON/OFF.

377


Fig. III.2.35. Montajul în flux optimizat: Q1: soluţie apoasă cu asulam; Q2: mediu pentru fotodegrare (tampon glicină cu pH 8,3); Q4: flux transportor (apa); Q3: oxidant (K3Fe(CN)6 0,1 molL-1 în NaOH 1 molL-1 sau KMnO4 10-4 molL-1 în H2SO4 1,2 molL-1). Debitul: 9 şi 10 mLmin-1 pentru sistemul Fe(CN)6

3- şi respectiv MnO4-. P:

pompă peristaltică; PMT: tub fotomultiplicator; V1-V3: valve solenoidale; FC: celulă în flux spiralată; PR: fotoreactor format dintr-un tub de PTFE având 173 cm lungime şi 0,8 mm diametrul interior spiralat, în jurul unei lămpi de mercur de 15 W de presiune scăzută (Sylvania) pentru uz bactericid.

Fig. III.2.36. Profilul optim de inserţie pentru obţinerea semnalului tipic analitic pentru sistemul MnO4

-/H2SO4

Două sisteme oxidante au fost studiate: sistemul cu permanganat de potasiu şi sistemul cu fericianură.

Cu sistemul MnO4–/H2SO4, răspunsul a fost linear pe domeniul de concentraţii

0- de 5 ppm asulam; iar deviaţia relativă standard pentru panta a 5 curbe pentru soluţii proaspăt preparate în zile diferite a fost de 3,8%. Aceasta este o metodă chimică

VV11

VV22

PMT

VV33

VV11 QQ11

QQ22

QQ33

QQ44

PPRR

PP

FFCC

1100

ON OFF

VV22 VV33

SV1 = 0, 20*(0,3;0,1), 0,1

SV2 = 97,5, 17

SV3 = 0, 8, 90, 17*(0,7;0,2), 0,5

Ciclu: 12320 segmente; 8 s 90 secunde 17 segmente; 15,3 s

123 secunde

SV1ONOFFONOFFONOFF

SV3

SV2

SV1 = 0, 20*(0,3;0,1), 0,1

SV2 = 97,5, 17

SV3 = 0, 8, 90, 17*(0,7;0,2), 0,5

Ciclu: 12320 segmente; 8 s 90 secunde 17 segmente; 15,3 s

123 secunde

SV1ONOFFONOFFONOFF

SV3SV3

SV2SV2

378


“curată” deoarece consumul de reactiv în ambele cazuri este scăzut (numai 716 μL pentru permanganat de potasiu). Sistemul MnO4

–/H2SO4 s-a dovedit a fi cel mai selectiv.

Foarte puternică s-a dovedit a fi interferenţă calciului în cazul sistemului Fe(CN)6

3-/NaOH, precum şi fotodegradarea azotatului la azotit care reacţionează cu permanganatul. Cuprul dă un semnal de chemiluminescenţă puternic chiar şi la concentraţii mici. Aceasta poate impune o îndepărtare anterioară a cuprului pentru aceste tipuri de probă prin utilizarea unui reactor umplut cu o răşină schimbătoare de ioni. Limita de detecţie a fost de 40 g L–1 asulam. În general timpul de analiză a fost de 120 s.

BIBLIOGRAFIE (în ordinea citării în text)1. Field-portable flow-injection analysers for monitoring of air and water pollution.

P. W. Alexander, L. T. Di Benedetto, T. Dimitrakopoulos, D. B. Hibbert, J. C. Ngila, M. Sequeira and D. Shiels, Talanta, 1996, 43(6), 915 – 925.

2. B. Karlberg, B. Pacey, Flow Injection Analysis, a Practical Guide, Elsevier, New York, 1989.

3. Miniature flow injection analyser for laboratory, shipboard and in situ monitoring of nitrate in estuarine and coastal waters. P. C. F. C. Gardolinski, A. R. J. David and P. J. Worsfold, Talanta, 2002, 58(6), 1015 – 1027.

4. A reverse-flow injection analysis method for the determination of dissolved oxygen in fresh and marine waters. S. Muangkaew, I. D. MaKelvie, M. R. Grace, M. Rayanakorn, K. Grudpan, J. Jakmunce and D. Nacapricha, Talanta, 2002, 58(6), 1285 – 1291.

5. Flow-injection system with enzyme reactor for differential amperometric determination of hydrogen peroxide in rain water, R. Camargo Matos, J.J. Pedrotti and L. Angnes, Anal. Chim. Acta, 2001, 441(1), 73-79.

6. Amperometric flow-injection technique for determination of hydrogen peroxide and sulphur(IV) in atmospheric liquid water, I.G.R. Gutz and D. Klockow, Fresenius' Z. Anal. Chem. 1989, 335(8), 919-923.

7. Application of flowing stream techniques and related compounds to water analysis. Part I. Ionic species: dissolved inorganic carbon, nutrients, M. Miró, J. M. Estela and V. Cerdá, Talanta, 2003, 60(5), 867 – 886

8. An enzymic-fluorimetric method for monitoring of ethanol in ambient air. M. Schilling, G. Voigt, T. Tavares and D. Klockow, Fresenius' J. Anal. Chem., 1999, 364(1-2), 100-105.

9. Absorption, concentration and determination of trace amounts of air pollutants by flow injection method coupled with a chromatomembrane cell system: application to nitrogen dioxide determination. Y. L. Wei, M. Oshima, J. Simon, L.N. Moskvin and S. Motomizu, Talanta, 2002, 58(6), 1343-1355.

10. Determination of ozone in ambient air with a chemiluminescence reagent film detector. C. Eipel, P. Jeroschewski and I. Steinke, Anal. Chim. Acta, 2003,

379


491(2), 145-153.11. Flow injection determination of gaseous sulfur dioxide with gas permeation

denuder-based online sampling and preconcentration. Z.X. Guo, Y.Z. Li, X.X. Zhang, W.B. Chang and Y.X. Ci, Anal. Bioanal. Chem., 2002, 374(6), 1141-1146.

12. A new flow-multicommutation method for the photo- chemiluminometric determination of the carbamate pesticide asulam. A. Chivulescu, M. Catalá-Icardo, J. V. García-Mateo and J. Martínez-Calatayud, Anal. Chim.Acta, 2004, in print.

380


III.3. TEHNICI MODERNE PENTRU MONITORIZAREA POLUANŢILOR DIN AER

III.3.1. LIDAR (Light Detection and Ranging)

Mihaela BADEA, Mihaela-Carmen CHEREGI, Andrei Florin DĂNEŢ

LIDAR-ul constituie echivalentul optic al radarului, şi ca urmare deseori este întâlnit sub denumirea de radar laser. În cazul radarului, undele radio sunt trasmise în atmosferă, care împrăştie o parte din energie înapoi către receptorul radarului. În mod similar, LIDAR-ul transmite şi receptează radiaţia electromagnetică, dar de o frecvenţa mai mare. LIDAR operează în regiunile ultraviolet, vizibil şi infraroşu ale spectrului electromagnetic.

LIDAR este un acronim ce provine de la terminologia în engleză ‘Light Detection and Ranging’ şi constituie o tehnică de analiză la distanţă bazată pe laser, utilizată atât în ştiinţă, cât şi în industrie. LIDAR este utilizat pentru măsurarea cu precizie a distanţelor şi a proprietăţilor obiectelor îndepărtate.

III.3.1.1. Componenţa şi funcţionarea instrumentelor de tip LIDARDiagrama unui sistem LIDAR este prezentată în figura III.3.1. O diagramă

simplificată a unui sistem LIDAR conţine un transmiţător (laser), un receptor (telescop optic) şi un detector.

În LIDAR un laser puternic transmite un puls scurt şi intens de lumină. Pulsul este lărgit pentru a-i minimiza divergenţa, şi este direcţionat prin intermediul unei oglinzi în atmosferă. Pe parcursul drumului său pulsul de lumină este împrăştiat de către constituienţii atmosferici (în special de către azot) şi de către particulele de aerosoli. Lumina împrăştiată înapoi în câmpul de acţiune al telescopului este receptată şi canalizată către detector prin intermediul unei fibre optice sau a unui alt sistem optic. Pentru eliminarea radiaţiilor cu lungimea de undă corespunzătoare luminii emise de laser se utilizează filtre.

381


Fig. III.3.1. Schema unui sistem LIDAR

Cantitatea de lumină receptată este măsurată ca o funcţie de timp (sau distanţă) utilizând fotodetectori, iar semnalele sunt stocate în formă digitală într-un computer.

Sistemele LIDAR utilizează în general detectori extrem de sensibili de tipul tuburilor fotomultiplicatoare pentru a detecta lumina împraştiată înapoi (backscattered light). Tuburile fotomultiplicatoare convertesc cuantele individuale de lumină, fotonii, întâi în curenţi electrici şi apoi în cuante fotonice digitale ce pot fi stocate şi procesate de un computer. Cuantele fotonice recepţionate sunt înregistrate în intervale fixe de timp pe durata reîntoarcerii pulsului.

382


În ultimii ani au fost utilizate diverse tipuri de laser în funcţie de puterea şi de lungimea de undă cerută. Laserii utilizaţi pot fi atât în undă continuă (cw, continuous wave) sau în puls (pulsed). Mediile pentru laseri includ gaze (ex.: heliu, neon sau fluorura de xenon), diode solide, coloranţi şi cristale.

Instrumentele LIDAR sunt foarte utile pentru cercetarea atmosferei deoarece constituie o tehnică de analiză la distanţă, cu o rezoluţie spaţială şi temporală mare, ce poate ajunge în regiuni atmosferice inaccesibile pentru alte instrumente. Această tehnică a făcut posibilă atât determinarea distribuţiei spaţiale a componenţilor atmosferici, cât şi a unor parametri atmosferici cum ar fi temperatura, curenţii de aer, norii etc. Instrumentele LIDAR pot opera de la sol şi din spaţiu furnizând informaţii complementare. În timp ce cele plasate pe sateliţi asigură informaţii globale dar cu o rezoluţie joasă, instrumentele plasate la sol pun în evidenţă detaliile necesare procesului de cercetare a atmosferei.

LIDAR poate folosi diferite tehnici optice cum ar fi cele bazate pe efectele de împrăştiere a luminii de tip Raman şi Rayleigh, absorbţia diferenţială etc.

Pentru a obţine informaţii privind concentraţia unui component, în general este necesară utilizarea a două lungimi de undă. Aceasta a dus la dezvoltarea tehnicii LIDAR bazată pe absorbţie diferenţială, denumită şi DIAL (Differential Absorption Lidar), tehnică ce este des utilizată în analiza atmosferei. În aplicaţiile DIAL standard, o lungime de undă este fixată la o linie de absorpţie puternică a speciei de interes, în timp ce cealaltă este fixată puţin mai încolo de linia de absorbţie, permiţând calcularea densităţii sau concentraţiei constituienţilor ce absorb la acea lungime de undă. Cum lungimea de undă a liniei de absorbţie este specifică pentru fiecare specie absorbantă, se poate determina concentraţia fiecărui component.

III.3.1.2. Aplicaţii ale tehnicii LIDAR în monitorizarea mediului

Monitorizarea ozonuluiUna dintre aplicaţiile principale ale tehnicii LIDAR în monitorizarea mediului

constă în observarea stratului de ozon. Ozonul absoarbe puternic în regiunea UV a spectrului, şi în plus coeficientul său de absorbţie variază mult cu lungimea de undă. Aceste două caracteristici fac ca tehnica DIAL să fie ideală pentru determinarea ozonului. Alegerea exactă a lungimilor de undă utilizate depinde de zona analizată a atmosferei: troposfera (< 300 nm) sau stratosfera (> 300 nm). Un LIDAR aeropurtat are o rezoluţie verticală scăzută (câteva sute de metri), dar este capabil să măsoare stratul de ozon pe o suprafaţă de ~10 km.

Măsurarea poluanţilor în regiuni ale atmosfereiUna dintre cele mai importante aplicaţii ale tehnicii LIDAR provine de la

abilitatea sa de a face măsurători la distanţă (remote measurements) a emisiilor de poluanţi industriali. Aceasta capacitate este de o mare valoare comercială, ceea ce a dus la dezvoltarea şi implementarea multor sisteme LIDAR la nivel mondial.

383


În general, un astfel de sistem LIDAR este montat într-un camion care este condus în perimetrul zonei investigate. LIDAR-ul realizează o scanare bi-dimensională a zonei respective în jurul sursei de emisii poluante, realizând o hartă a concentraţiei a poluanţilor.

Primele aplicaţii ale LIDAR în monitorizarea poluanţilor s-au bazat pe tehnica Raman. Aceasta are avantajul că nu necesită o lungime de undă specifică a laserului, dar are două dezavantaje principale: împraştierea Raman este foarte slabă, iar benzile rotaţionale – vibraţionale ale O2 şi N2 pot masca liniile Raman ale constituienţilor minori. O aplicaţie tipică a tehnicii Raman a fost aceea de a detecta scurgerile de la conductele de gaz – concentraţii de metan de ~ 1 % putând fi detectate cu uşurinţă de la 2 km distanţă.

Aplicaţiile recente în acest domeniu se bazează aproape în exclusivitate pe tehnica DIAL. Datorită faptului că au fost dezvoltaţi noi trasmiţători laser reglabili (în special în domeniul IR) au fost dezvoltate noi aplicaţii DIAL. Cele două regiuni ale lungimilor de undă cele mai utilizate sunt situate în ultraviolet între 230 şi 300 nm, şi în infraroşu între 3 şi 5 m. În prima regiune, gaze ca acidul azotic (226 nm), dioxidul de sulf (287 nm), toluenul (267 nm) şi benzenul (253 nm) au linii de absorbţie înguste, ceea ce le face potrivite pentru detecţia DIAL. Această regiune spectrală nu este influenţată de lumina soarelui (solar-blind) ceea ce face posibilă operarea în timpul zilei.

Un alt poluant care poate fi detectat cu uşurinţă cu tehnica LIDAR în UV este mercurul în stare de vapori. Mercurul este eliberat din cinabru prin prăjirea sa în regiunile în care acesta se extrage (fiind emis în cantitate mare în special la Alamadén, în Spania, unde se găseşte un uriaş zăcământ de cinabru). Cum mercurul prezintă o bandă puternică de absorbţie la 253,7 nm, acesta poate fi detectat cu uşurinţa (într-o concentraţie suficient de mică) prin DIAL.

Dezvoltarea materialelor cu înalte proprietăţi optice nelineare în infraroşu a condus la dezvoltarea unei noi clase de laseri stabili ce emit în infraroşu. Aceste surse în infraroşu sunt reglabile, permiţând obţinerea unor regiuni spectrale foarte înguste şi au deschis noi posibilităţi pentru măsurătorile DIAL în infraroşu. Multe molecule de interes pentru atmosferă şi mediu ce prezintă benzi vibraţional – rotaţionale în infraroşul apropiat (2 – 5 m), pentru care a fost demonstrat că interferenţa cu benzile corespunzătoare CO2 şi vaporilor de apă poate fi evitată, pot fi măsurate cu IR DIAL. Printre acestea se numără metanul (CH4), acetilena (C2H2), etena (C2H4) şi etanul (C2H6). Cea mai importantă aplicaţie pentru acest tip de IR LIDAR constă în măsurarea emisiilor de la uzinele şi depozitele petrochimice.

Un exemplu de LIDAR mobil realizat pentru determinări de poluanţi este cel operat de National Physical Laboratory, Londra, UK. Acesta utilizează doi laseri, unul pentru măsurători în UV şi al doilea pentru măsurători în IR. În tabelul III.3.1 sunt prezentate gazele ce pot fi determinate (inclusiv limitele de detecţie pentru o zonă cu diametrul de 100 m) cu acest instrument. Sistemul este calibrat utilizând celule ce conţin concentraţii cunoscute ale gazelor ce sunt măsurate. Acesta a fost utilizat pentru 384


a măsura compuşi organici volatili de la mai mult de douăzeci unităţi industriale, incluzând rafinării de petrol, staţii petroliere şi fabrici de procesare a etilenei.

În concluzie, se poate spune că instrumentele LIDAR sunt foarte utile pentru cercetarea atmosferei şi monitorizarea mediului deoarece se bazează pe tehnici de analiză la distanţă ce pot ajunge în regiuni atomosferice inaccesibile altor instrumente cu o rezoluţie spaţială şi temporală mare.

Instrumentele LIDAR pot opera la sol şi în spaţiu furnizând informaţii complementare: în timp ce cele aflate pe sateliţi asigură o acoperire globală, dar cu o rezoluţie orizontală slabă, cele aflate la sol pun în evidenţă detaliile pe suprafeţe restrânse dar cu o rezoluţie mare.

Tabelul 3.1.1. Parametri tipici ai unui system DIAL LIDAR

Specie Lungimea de undă a laserului

Limită de detecţie (ppb)

Monoxid de azot, NO 226 nm 5Dioxid de azot, NO2 450 nm 10Dioxid de sulf, SO2 300 nm 10

Ozon, O3 289 nm 5Vapori de mercur, Hg 254 nm 0,5

Benzen, C6H6 253 nm 10Toluen, C7H9 267 nm 10Metan, CH4 3,42 m 50Etan, C2H6 3,36 m 20

Etilenă, C2H4 3,35 m 10Acetilenă, C2H2 3,02 m 40

Acid clorhidric, HCl 3,42 m 20Protoxid de azot, N2O 2,90 m 100

Metanol, CH3OH 3,52 m 200

BIBLIOGRAFIE1. Encyclopaedia of Atmospheric Sciences, Ed. J.R. Holton, J. Pyle and J.A. Currie,

Academic Press, 2002.2. Optical and Laser Remote Sensing, D. K. Killinger and A. Mooradian, eds.,

Springer Verlag, New York, 1982.3. Sunesson, J. A., A. Apituley, and D. P. J. Swart, Differential absorption lidar

system for routine monitoring of tropospheric ozone, Appl. Opt., 33, 7045-7058, 1994.

4. Kempfer, U., W. Carnuth, R. Lotz, and T. Trickl, A wide-range ultraviolet lidar system for tropospheric ozone measurements: Development and application, Rev. Sci.Instrum., 65, 3145-3164, 1994.

385


5. Ferrara, R., B. E. Maserti, H. Edner et al., Mercury emissions into the atmosphere from a chlor-alkali complex measured with the lidar technique, Atmos. Environ., 26A, 1253-1258, 1992.

6. Edner, H., P. Ragnarson, S. Svanberg et al., Atmospheric mercury mapping în a cinnabar mining area, Science Total Environ., 133, 1-15, 1993.

7. Milton, M. J. T., P. T. Woods, B. W. Jolliffe et al., Measurements of toluene and other aromatic hydrocarbons by differential-absorption lidar în the near-ultraviolet, Appl. Phys. B, 55, 41-45, 1992.

III.3.2. TEHNICA DOAS

Mihaela BADEA, Mihaela-Carmen CHEREGI şi Andrei Florin DANEŢ

DOAS derivă de la terminologia în engleză pentru Spectroscopia de Absorbţie Optică Diferenţială (Differential Optical Absorption Spectroscopy). Aceasta denumire a fost utilizată prima data în Europa în anii ’80, dar ca tehnică analitică a fost utilizată în laboratoare de mai bine de 50 de ani. Principalul beneficiu al acestei metode este dat de abilitatea sa de a măsura cantitativ şi simultan diferiţi analiţi din aceeaşi probă cu limite joase de detecţie.

În controlul mediului tehnica DOAS este utilizată pentru măsurarea gazelor. Ideea de a măsura gazele utilizând lumina poate părea ciudată, dar pe baza aceste idei în 1985 doi doctoranzi de la Universitatea din Lund (Suedia) au înfiinţat compania OPSIS (www.opsis.se), care a devenit cel mai important furnizor de intrumente pentru măsurarea gazelor din atmosferă. Din acest motiv, de multe ori tehnica DOAS este denumită şi OPSIS.

III.3.2.1. Principiul tehnicii DOAS

Într-un sistem DOAS clasic (fig. III.3.2), lumina emisă de o sursă de radiaţii (de ex. o lampa cu xenon) este direcţionată de către un transmiţător de-a lungul drumului optic liber (pe o distanţă de la 200 la 1000 metri) către un retroreflector şi este reflectată înapoi către un receptor (telescop). Lumina este apoi transportată cu ajutorul unei fibre optice către monocromator iar ca detector se utilizează o reţea de diode (diode array). Spectrul este analizat pentru a determina concentraţia medie a gazelor poluante prezente de-a lungul drumului optic

386

http://www.opsis.se/


Fig. 3.2.1. Schema unui instrument DOAS

În cazul unui sistem comercial OPSIS, lumina provenită de la un emiţător este proiectată prin mediul supus monitorizării către receptor, care poate fi până la 2 km distanţă. Apoi lumina este transferată printr-o fibră optică către analizorul OPSIS, unde este analizată, putând fi determinată concentraţia unei game largi de compuşi.

Legea Lambert-Beer nu poate fi aplicată direct pentru măsurători atmosferice datorită următoarelor motive:a) În afară absorbţiei de către gaze, absorbţia luminii poate avea loc şi datorită

împrăştierii luminii de către diverse molecule prezente în atmosferă şi aerosoli. În special în cazul aerosolilor această absorbţie nu poate fi corectată cu acurateţea cerută.

b) În atmosferă absorbţia unui anumit număr de specii este aditivă ducând la o absorbţie totală, ceea ce nu permite măsurarea specifică a unei anumite specii.

c) În cazul instrumentelor plasate pe sateliţi, intensitatea radiaţiei detectate poate depinde mult de coeficientul de reflexie de la sol.

Aceste limitări pot fi depăşite prin aplicarea metodei sepctroscopice de absorbţie optică diferenţială (DOAS). Tehnica DOAS se bazează pe măsurarea spectrului de absorbţie în locul intensităţii luminii monocromatice. Astfel este posibilă separarea, unele de altele, a benzilor de absorbţie caracteristice unor specii prezente în atmosferă, precum şi separarea acestora de către absorbţia datorată împrăştierii luminii de către molecule sau aerosoli.

Această tehnică este aplicată cu ajutorul unor instrumente care pot măsura simultan diverşi poluanţi aflaţi în calea unui singur fascicul de lumină cu o lungime de până la 2000 m.

Dacă, de exemplu, doi analiţi absorb la aceeaşi lungime de undă, absorbţia rezultată va fi dată de suma celor două absorbţii individuale. Aşadar, este posibilă o tratare matematică a semnalului înregistrat, pentru eliminarea interferenţelor.

387


Capacitatea de a diferenţia între benzile de absorbţie adiacente poate fi îmbunătăţită prin utilizarea unui sistem cu o rezoluţie mai mare.

Tehnica DOAS poate fi aplicată doar speciilor al căror spectru conţin benzi de absorbţie suficient de înguste, numărul speciilor ce poate fi determinat prin această tehnică fiind limitat. Posibila absorbţie continuă a urmelor de gaze va fi neglijată de acestă procedură.

III.3.2.1. Domenii spectrale utile pentru măsurătorile DOAS

Cele mai multe instrumente DOAS operează în ultraviolet (UV) şi domeniul imediat vecin din vizibil al spectrului, de la 200 la 460 nm (UV apropiat). La lungimi de undă mai mici domeniul spectral util este limitat de împrăştierea Rayleigh crescută şi de absorbţia O2. Deşi doar un număr limitat de gaze absorb în ultraviolet, spectroscopia în UV are o serie de avantaje practice importante în comparaţie cu spectroscopia în infraroşu (IR), cum ar fi sursele puternice de radiaţie şi fotoreceptorii sensibili. În plus, interpretarea spectrului de absorbţie nu este prea complicată, iar cerinţele privind rezoluţia spectrală a spectrometrelor nu sunt aşa de mari comparativ cu cele impuse de domeniul IR, din moment ce în atmosferă există un număr redus de gaze ce prezintă proprietăţi de absorbţie în domeniul 200 – 400 nm.

La efectuarea măsurătorilor, din întregul domeniu de 200 – 400 nm este selectat un domeniu spectral de aproximativ 60 nm şi se înregistrază spectrul pentru acesta. În general, în orice domeniu spectral un număr de gaze prezintă simultan benzi de absorbţie. Singura excepţie e dată de NO2 care absoarbe în domeniul: 400-500 nm. Metoda celor mai mici pătrate este utilizată pentru determinarea concentraţiei tuturor gazelor ce absorb în domeniul spectral selectat. Totuşi, mici erori inevitabile în determinarea zonelor în care are loc o suprapunere a benzilor de absorbţie a unor gaze duc la apariţia unor interferenţe specifice în determinarea concentraţiilor gazelor analizate. Pentru reducerea acestui tip de erori precum şi a altora domeniul spectral selectat trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:1. intensitate maximă a luminii emise de sursă,2. absenţa picurilor abrupte sau a altor elemente fine în spectrul sursei de radiaţii,3. absorbţie maximă pentru gazul ce urmează a fi detectat,4. absorbţie minimă pentru alte gaze.

Domeniile spectrale în care gazele poluante prezintă absorbţie şi limitele lor de detecţie sunt prezentate în tabelul III.3.2.

III.3.2.2. Modul de analiză al unui instrument DOAS

Prepararea standardelor – Prima etapă constă în înregistrarea (sau obţinerea pe altă cale) la aceeaşi parametri de operare (ex. rezoluţie) a spectrelor compuşilor de analizat, precum şi a altor compuşi ce se presupune că există în zona de analiză, într-o

388


gamă de concentraţii ce sunt anticipate a fi în probă. Aceste spectre sunt înregistrate în memoria computerului integrat în instrumentul DOAS.

Tabel III.3.2. Lista gazelor ce pot fi determinate prin DOAS.

Gaz Domeniu spectral (nm)

Limită de detecţie (ppb)

Amoniac, NH3 200 - 230 0,8Monooxid de azot, NO 200 - 230 1,8Dioxid de azot, NO2 400 - 500 1,0Acid azotos, NOHO 325 - 390 0,9Dioxid de sulf, SO2 280 - 320 0,2Formaldehidă, CH2O 280 - 350 1,2Benzen, C6H6 236 - 263 0,9Toluen, C7H8 250 - 270 1,5Fenol, C6H6O 250 - 280 0,1Etilbenzen, C8H10 238 - 270 2,4Benzaldehidă, C7H6O 257 - 290 0,4Xilen, C8H10 243 - 275 1,2Crezol, C7H8O 253 - 285 0,5Dimetilfenol, C8H10O 255 - 287 0,6Trimetilfenol, C9H13O 260 - 290 1,8Trimetilbenzen, C9H12 240 - 290 2,4Metilbenzaldehidă, C8H8O 266 - 306 1,8

Analiza probei – Analizoarele moderne permit achiziţionarea unui spectru în mai puţin de 0,1 sec. Spectre multiple pot fi colectate şi însumate pentru a îmbunătăţi raportul semnal/zgomot (S/N), şi/sau spectrele individuale pot fi analizate pentru a fi înregistrate modificările în funcţie de timp. Analiţii pre-selectaţi pot fi cuantificaţi prin analiza benzilor specifice de absorbţie, dar de asemenea şi alţi compuşi ˝necunoscuţi˝ pot fi identificaţi prin cercetarea bibliotecii de spectre. În plus, spectrele pot fi înmagazinate pentru analize ulterioare pentru obţinerea unor informaţii suplimentare privind potenţialii compuşi existenţi în zona analizată.

Analiza spectrală – Având în vedere faptul că spectrul de absorbţie constituie o proprietate fizică fundamentală este posibilă calcularea concentraţiei gazului ce absoarbe direct din spectrul măsurat, fără o ˝calibrare˝ a analizorului de fiecare dată cu concentraţii cunoscute ale gazului de referinţă. Această caracteristică reduce timpul şi costul determinărilor.

III.3.2.3. Aplicaţii ale tehnicii DOAS în monitorizarea poluării mediului

389


Tehnica DOAS este aplicată cu succes în monitorizarea continuă a emisiilor, monitorizarea calităţii mediului şi în analiza prafului şi a mercurului. Sistemele de monitorizarea dezvoltate de OPSIS, AIM (www.aimanalysis.com) şi alte companii sunt aprobate de institutele şi autorităţile internaţionale şi se regăsesc într-o gamă largă de aplicaţii în întreaga lume.

OPSIS a proiectat o Metoda Echivalentă aprobată de U.S. EPA pentru monitorizarea O3, NO2 şi SO2 în aer. În plus, poate fi analizată o gamă largă de gaze organice şi anorganice.

Instrumentele bazate pe DOAS sunt caracterizate de:o Monitorizare totală,o Preţ de cost scăzut în special datorită tehnologiei ˝drum optic deschis˝,o Sistem multideterminare,o Monitorizare de înaltă performanţă a poluanţilor, o Nu este necesară recoltarea probei,o Măsurători în timp real,o Simplitate în calibrare,o Servicii minime de întreţinere pentru operare,o Limite de detecţie joase,o Îndeplinirea în totalitate a cerinţelor UE,o Rezistenţă în medii agresive, o Servicii de funcţionare la distanţă şi de deservire prin intermediul unor reţele

ample.

BIBLIOGRAFIE1. Donald L. Fox, Air Pollution, Anal. Chem., 63, 291R-301R, 1991.2. Pasquale Avino, Domenico Brocco, Luca Lepore, Mario V. Russo, Ida Ventrone,

Remote Sensing Measurements for Evaluation of Air Quality în an Urban Area, Annali di Chimica, 94, 704 – 714, 2004.

3. Axelsson, H., A. Eilard, A. Emanuelsson, B. Galle, H. Edner, P. Ragnarson, H. Kloo, Measurement of aromatic hydrocarbons with the DOAS technique, Appl.Spectr., 49, 1254, 1995.

4. Edner, H., P. Ragnarson, S. Spännare, S. Svanberg, Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) system for urban air pollution monitoring, Appl.Opt., 32, 327, 1993.

5. Evangelisti, F., A. Baroncelli, P. Bonasoni, G. Giovanelli, and F.Ravegnani, Differential optical absorption spectrometer for measurement of tropospheric pollutants, Appl.Opt., 34, 2737, 1995.

6. www.opsis.se 7. www.epa.gov/ttn/emc/tmethods.html 8. http://www.epa.gov/compliance/civil/programs/caa/caaenfpriority.html#Fence

390

http://www.epa.gov/compliance/civil/programs/caa/caaenfpriority.html#Fence

http://www.epa.gov/ttn/emc/tmethods.html

http://www.opsis.se/

http://www.aimanalysis.com/


III.3.3. AUTOMATIZAREA ÎN IMUNOANALIZĂ

Jenny EMNEUS

Conceptul de imunoanaliză a fost descris prima dată în 1965, când LANDSTEINER a arătat că anticorpii pot lega selectiv molecule mici (haptene) care sunt legate de molecule cărăuş sau purtătoare cu masă moleculară mare [1]. Acest concept a fost explorat de YALOW şi BERSON, la sfârşitul anilor `50 fiind dezvoltată o metodă de imunoanaliză pentru monitorizarea insulinei umane [2, 3].

Prima aplicaţie bazată pe tehnica de imunoanaliză în domeniul poluării mediului a fost raportată în 1970, când CENTENO şi JOHNSON au dezvoltat anticorpi ce legau selectiv malationul [4]. Câţiva ani mai târziu, aldrinul şi dieldrinul [5], precum şi parationul [6] au fost determinaţi prin radio-imunoanaliză. În 1972, ENGVALL şi PERLMAN au introdus utilizarea enzimelor ca markeri pentru imunoanaliză şi au lansat termenul de ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay - analiza bazată pe enzime legate de imunosorbent) [7]. În 1980, HAMMOCK şi MUMMA [8] au subliniat potenţialul tehnicii ELISA pentru determinarea poluanţilor şi a compuşilor agrochimici. De atunci, utilizarea imunoanalizei pentru determinarea pesticidelor a crescut exponenţial. Mai mult de atât, imunoanaliza a devenit o metodă analitică de bază pentru determinarea produselor ce conţin organisme modificate genetic (OMG) [9].

În anii `90, laboratoarele de imunoanaliză au fost puse faţă în faţă cu multe provocări ce au inclus reproiectarea instumentelor, limitarea spaţiilor în laboratoare, resurse reduse pentru analiză, necesitatea reducerii costurilor precum şi înăsprirea regulilor şi legislaţiei privind funcţionarea laboratoarelor. În ciuda acestor provocări, utilizatorii aşteaptă furnizarea unor servicii mult mai bune de la laboratoarele de imunoanaliză. În aceste condiţii, aceste laboratoare trebuie sa devină mai eficiente prin atragerea unor soluţii inovative pentru a se adapta noilor cerinţe. Una dintre soluţii a constituit-o automatizarea şi integrarea sistemelor de imunoanaliză. Având în vedere faptul că cele mai multe proceduri imunonalitice necesită un volum mare de muncă, automatizarea reduce dependenţa de echipament. Mai mult de atât, atunci când sistemul de analiză este portabil, analiza poate fi realizată în exteriorul laboratorului, lângă locul de prelvare al probei [10].

În ultimii 20 de ani, au fost realizate progrese majore în automatizarea procedurilor de rutină utilizate în chimia mediului. Analizoarele individuale şi cele bazate pe acces aleatoriu la probe au furnizat o gamă largă de teste imunochimice ce răspund cerinţelor unei testări rapide.

Prima tentativă a fost aceea de a automatiza radioimunoanaliza (RIA) şi legat de aceasta la sfârşitul anilor ´70 au fost introduce cîteva sistem automate. Printre acestea se numără: Centria (Union Carbide), Concept 4 (Micromedic), ARIA II

391


(Becton-Dickinon) şi Gammaflow (Suibb) care au frecvenţe de analiză relativ scăzute, menu-uri de testare limitate şi în consecinţă nu au fost la nivelul asteptarilor în ceea ce priveste fiabilitatea lor, precum şi preţul de cost. Automatizarea în imunoanaliză a devenit un succes la introducerea sistemelor ne-izotopice.

În general, un sistem automat de imunoanaliză este compus din instrument (ce poate fi format dintr-o singură parte sau din mai multe), reactivi şi computer. Aceste trei componente sunt interdependente, din moment ce tipul reactivilor va determina proiectarea instrumentului, în timp ce limitările proiectării instrumentului pot duce la modificari ale reactivilor şi chiar a procedurii imunoanalitice. Optimizarea condiţiilor de reacţie, a secvenţelor de adăugare a reactivilor şi ordinea de testare a probelor este controlată printr-un program al computerului. Acest program facilitează procesarea rapidă a datelor şi raportarea rezultatelor. Un astfel de sistem va fi un succes numai dacă toate aceste trei componente funcţionează ca o unitate, un asemenea sistem numindu-se sistem integrat [10].

Ideea clasică a automatizării în imunoanaliză este de a adapta reactivul la un instrument automat pentru imunoanaliză. Într-un asemenea instrument toate etapele necesare procedurii imunonalitice sunt mecanizate (de ex., pipetarea, incubarea, spălarea şi detectarea semnalului analitic). Sistemele automate sunt capabile de a realiza o mare varietate de teste cu o frecvenţă de analiză suficient de mare. Instrumentul poate fi un analizor chimic general în cazul imunoanalizei omogene (când nu este necesară separarea fizică a antigenilor marcaţi de cei nemarcaţi), sau poate fi un analizor dedicat în cazul imunonalizei heterogene (când este necesară o separare fizică a antigenilor legaţi de cei nelegaţi).

Sistemele automate de imunoanaliză omogenă utilizează volume mici de probă şi reactivi şi furnizează un timp rapid de revenire. Curba de calibrare este stabilă de la câteva zile la săptămâni, ceea ce permite realizarea analizelor la orice oră fără a fi necesară o recalibrare a sistemului. Eficienţa este mărită datorită realizarii unei economii de timp şi reactivi, precum şi a controlului computerizat. În acest domeniu, un exemplu ar fi Analizorul TDx (Abbott Laboratories, SUA) cu detecţie de fluorescenţă cu lumină polarizată. Discriminarea între analitul legat şi cel liber se realizează indirect utilizând un marker fluorescent, care emite în mod diferit lumina polarizată în formă liberă sau legată. Analizorul TDx este util în analize de mediu, la determinarea pesticidelor organofosforice [11], a DDT-ului [12], a ierbicidelor propanilice [13] etc.

Imunoanaliza heterogenă este mult mai versatilă decât cea omogenă în ceea ce priveşte automatizarea deoarece nu există nici o limitare în ceea ce priveşte mărimea analitului, putând fi analizate atât molecule mari, cât şi molecule mici. Fracţiile analitului (legat şi nelegat) sunt separate într-o etapă simplă de spălare în care pot fi eliminate, de asemenea, substanţele interferente prezente în probă. În acest mod sensibilitatea metodei câştigă câteva ordine de mărime comparativ cu sensibilitatea imunoanalizei omogene. Dar, imunoanaliza heterogenă implică un volum mai mare de

392


muncă şi este consumatoare de timp, ceea ce necesită, într-adevăr, un analizor dedicat semiautomat sau automat în întregime.

Sistemul de imunoanaliză semiautomat este alcătuit din mai multe blocuri componente. Acestea pot fi cuplate între ele, fie prin intermediul unui computer, fie prin ataşare mecanică. În majoritatea sistemelor semiautomate, aceste blocuri funcţionează separat (de ex., pipetarea / injectarea reactivilor, incubarea amestecului de reacţie, separarea fracţiei legate de cea nelegată prin spălarea fazei solide).

ELISA este una dintre metodele de analiză ce se potriveşte bine sistemelor semiautomate, dar asemnea instrumente se utilizează mai frecvent în analizele clinice (de ex. Amerlite, Kodak [14], Photon QA, Hybritech [15], Commander, Abbott [16]). Pentru analiza de mediu, sistemele semiautomate se bazează de obicei pe sisteme de injectare în flux, bazate pe imunoanaliza heterogenă competitivă. J. YAKOVLEVA et al [17] au raportat în 2002 un system semiautomat de imunoanaliză pentru determinarea atrazinei, sistem ce implică prepararea off-line a probei (amestecarea analitului cu antigenul marcat enzimatic), urmată de analiza automată. Proba este trecută peste suprafaţa unui cip de siliciu pe care este imobilizat anticorpul anti-atrazină, iar apoi substratul enzimatic este injectat pentru a cuantifica concentraţia antigenului marcat ce este legat de suprafaţa imunoactivă, ceea ce indică concentraţia analitului din probă. Atrazina a mai fost analizată utilizând un sistem bazat pe un disc compozit (din metacrilat sau polietenă) modificat cu proteină G [18]. Surfactanţii alchilfenoletoxilaţi [19], sulfonaţii alchilbenzenici [20], 4-nitrofenolul [21] şi 2,4,6-triclorfenolul [22] au fost de asemenea determinaţi utilizând sisteme automate de imunoanaliză aplicate la controlul poluării mediului.

Sistemele complet automate pentru imunoanaliza heterogenă leagă componentele separate ale sistemelor semiautomate şi permit testarea completă plecând de la introducerea probei şi până la raportarea rezultatului. În funcţie de capacitatea sistemului de a conduce analiza, sistemele total automate pot fi clasificate în sisteme de lot sau sisteme în flux.

Un exemplu de sistem automat de lot este sensorul imunochimic portabil pentru screening-ul pe teren utilizat la determinarea TNT, atrazinei şi diuronului bazat pe principiul ELISA [23]. Sistemul constă dintr-o parte micro-fluidică controlată automat şi un cip de unică folosinţă ce adăposteşte toţi reactivii imunochimici (anticorpi, antigen marcat enzimatic). Operatorul trebuie doar să adauge proba şi instrumentul va indica concentraţia analitului din probă.

Un exemplu de sistem imunochimic complet automat este BIACORE (Biacore, Uppsala, Suedia), care poate fi considerat un sistem în flux. Funcţionarea instrumentului se bazează pe principiul SPR (rezonanţa plasmonului de suprafaţă). Acest sistem este prevăzut cu un sistem în flux continuu cu patru canale şi un sistem de microdispersie (ac de seringa) pentru distribuirea tamponului şi a probei la suprafaţa sensorului. Fluxul continuu asigură faptul că nu au loc modificări ale concentraţiei analitului în timpul determinării. Acest analizor poate fi utilizat atât pentru determinări cinetice, cât şi pentru analiza unor probe de mediu.

393


Analizorul "River Analyser" (RIANA) este un alt exemplu de sistem de imunoanaliză complet automat, ce a fost utilizat la determinarea unor poluanţi (de ex. atrazină, acid 2,4-diclorfenoxiacetic, izoproturan, pentaclorfenol, alaclor) [24-26]. RIANA se bazează pe imunoanaliza specifică pentru recunoaşterea analitului utilizând Fluorescenţa de Reflexie Internă Totală pentru detecţie. Sistemul constă dintr-o unitate optică de detecţie, o celulă în flux şi un sistem integrat de injectare în flux. Proba şi anticorpul marcat cu un reactiv fluorescent sunt amestecaţi şi după o perioadă de incubare, amestecul este injectat în sistemul de analiză în flux unde anticorpul rămas nelegat este reţinut la suprafaţa traductorului acoperit cu antigeni imobilizaţi. Fracţia de anticorp legată la suprafaţa traductorului va indica concentraţia analitului din probă.

Impactul automatizării asupra imunoanalizei s-a manifestat în special asupra mecanizării procedurilor de testare şi a consolidării staţiilor de lucru. Accesul larg către automatizare va facilita fluxul de lucru şi va îmbunăţi timpul de obţinere a rezultatelor şi de luare a deciziilor. Automatizarea va schimba funcţia tehnologului de la aceea de tehnician la cea de responabil al controlului de calitate. Prin consolidarea staţiilor de lucru, se va reduce echipamentul de lucru, ca şi numărul operatorilor umani. Capacitatea de a realiza atât analize simple, cât şi multiple, cu o mai mare sensibilitate, exactitate şi precizie, precum şi alte avantaje importante demonstrează beneficiile aduse de automatizare în imunoanaliză.

BIBLIOGRAFIE [1] L. Landsteiner, The specificity of Serological Reactions, (1945) .[2] R.S. Yalow and S.A. Berson, Nature (London), 184 (1959) .[3] R.S. Yalow and S.A. Berson, J. Clin. Invest., 39 (1960) .[4] E.R. Centeno and W.J. Johnson, Int. Arch. Allergy Appl. Immunol., 37 (1970) 1.[5] J.J. Langone and H.v. Vunakis, Res. Common. Chem. Pathol. Pharmacol., 10 (1975) 163.[6] C.D. Ercegovich, R.P. Vallejo, R.R. Gettig, L. Woods, E.R. Bogus and R.O. Mumma, J. Agric. Food Chem., 29 (1981) 559.[7] E. Engvall and P. Perlmann, J. Immunol., 109 (1972) 129.[8] B.D. Hammock and R.O. Mumma, Pesticide Analytical Methodology, (1980) 321-352.[9] G. Shan, C. Lipton, S.J. Gee and B.D. Hammock, Immunoassay, biosensors and other chromatographic methods, Handbook of Residue Analytical Methods for Agrochemicals, (2002) 623-679.[10] D.W. Chan, Automation of Immunoassay, Immunoassay, (1996) 483-505.[11] A.Y. Kolosova, J.-H. Park, S.A. Eremin, S.-J. Kang and D.-H. Chung, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 51 (2003) 1107-1114.[12] S.A. Eremin, A.E. Bochkareva, V.A. Popova, A. Abad, J.J. Manclus, J.V. Mercader and A. Montoya, Analytical Letters, 35 (2002) 1835-1850.[13] A.I. Krasnova, S.A. Eremin, M. Natangelo, S. Tavazzi and E. Benfenati, Analytical Letters, 34 (2001) 2285-2301.394


[14] J.D. Faix, Amerlite immunoassay system, Immunoassay automation: A practical guide, (1992) 117-127.[15] R.F. Frye, The photon-ERA immunoassay analyzer, Immunoassay automation: A practical guide, (1992) 269-292.[16] P.P. Chou, IMx system, Immunoassay automation: A practical guide, (1992) 203-219.[17] J. Yakovleva, R. Davidsson, A. Lobanova, M. Bengtsson, S. Eremin, T. Laurell and J. Emnéus, Anal. Chem., 74 (2002) 2994-3004.[18] S.R. Jain, E. Borowska, R. Davidsson, M. Tudorache, E. Pontén and J. Emnéus, Biosensors & Bioelectronics, 19 (2004) 795-803.[19] M. Badea, C. Nistor, G. Yasuhiro, F. Shigeru, D. Shin, D. Andrei, D. Barceló, V. Francesc and J. Emnéus, Analyst, 128 (2003) 849-856.[20] M. Franek, J. Zeravík, S.A. Eremin, J. Yakovleva, M. Badea, A. Danet, C. Nistor, N. Ocio and J. Emnéus, Fresenius J. Anal. Chem., 371 (2001) 456-466.[21] C. Nistor, A. Oubina, D. Barceló, M.-P. Marco and J. Emnéus, Anal. Chim. Acta, 426 (2001) 185-195.[22] C. Nistor and J. Emnéus, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 375 (2003) 125-132.[23] P.M. Krämer, I.M. Ciumasu, C.M. Weber, G. Kolb, D. Tiemann, I. Frese, H. Löwe and A.A. Kettrup, A new, automated, portable immunochemical sensor system for field screening, IAEAC: The 6th Workshop on Biosensors and BioAnalytical µ-Techniques în Environmental and Clinical Analysis, ENEA - University of Rome "La Sapienza", October 8-12, 2004 - Rome, Italy (2004) .[24] E. Mallat, C. Barzen, R. Abuknesha, G. Gauglitz and D. Barceló, Anal. Chim. Acta, 426 (2001) 209-216.[25] E. Mallat, D. Barceló, C.G. Barzen, G. and R. Abuknesha, TrAC, 20 (2001) 124-132.[26] E. Mallat, C. Barzen, A. Klotz, A. Brecht, G. Gauglitz and D. Barceló, Environ. Sci. Technol., 33 (1998) 965.

395


III.4. SPECTROFOTOMETRIA AUTOMATĂ

José MARTÍNEZ CALATAYUD

Cea mai folosită metodă de detecţie în analiza automată este colorimetria strâns legată de spectrofotometria-UV. Părţile unui colorimetru sau ale unui spectrofotometru sunt: (a) sursa de lumină, care poate fi cel mai frecvent un filament de tungsten; (b) un sistem de filtre pentru selectarea unei anumite benzi spectrale sau un monocromator care separa radiaţiile policromatice în funcţie de lungimea de undă (c) un compartiment ce adăposteşte celulele trasparente pentru proba de analizat (d) un detector sensibil de radiaţii ce converteşte intensitatea luminii într-un curent electric (e) un sistem de evaluare bazat în general pe computere pentru măsurarea şi afişarea datelor.

O metodă spectrometrică implică reacţia analitului pentru a răspunde celor două obiective principale: (a) obţinerea unui produs cu absorbanţă moleculară mare pentru a mări sensibilitatea şi (b) eliminarea interferenţelor.

Metodele automate de analiză pot fi clasificate în trei grupe principale: de lot (discrete), în flux şi robotice; cu o creştere “explozivă” pe parcursul ultimelor decade a metodelor bazate pe câteva tipuri de analiză în flux: analiza prin injectare în flux (FIA); analiza în flux stopat; analiza în flux segmentat; analiza prin injectare secvenţială (SIA) şi o metodologie nouă cunoscută sub denumirea de multicomutare.

Cele mai multe proceduri spectrofotometrice pot fi regăsite în oricare din metodele relatate. Multe dintre ele sunt rezultatul “transpunerii” unui grup de metode clasice într-o metodă automată. Datorită acestui lucru, procesele chimice sunt similare, pornind de la aceeaşi probă şi analit pentru a conduce la acelaşi rezultat, măsurarea spectrofotometrică a aceluiaşi produs chimic final. Diferenţele dintre ele sunt cel mai adesea legate de adaptarea procesului chimic la tipul de automatizare.

Datorită numărului mare de metodologii analitice automate şi de asemenea unui număr larg de analiţi de interes din mediu, acest subcapitol încearcă să dea o viziune panoramică prin descrierea determinării diferiţilor analiţi (tabelul III.4.1) din probe de apă cu ajutorul diferitelor tipuri de metode automate.

III.4.1. NUTRIENŢII: MĂSURAREA ŞI IMPORTANŢA LOR PENTRU MEDIU

Nutrienţii sunt în mare parte compuşi ai azotului şi fosforului, dar în acelaşi timp alte elemente (fier, magneziu şi potasiu, printre altele) sunt de asemenea necesare pentru creşterea bacteriană şi a plantelor.

396


Tabel III.4.1. Exemple de metode spectrometrice automate pentru determinarea poluanţilor

Analit Metoda automată Metoda chimicăAzotit/azotat de amoniu “Laborator pe o valvă” Metoda Griess modificată cu

salicilatFosfat Analiza colorimetrică MolibdatCalciu Analiza prin injectare în

flux, FIACa(II) / o-crezolftaleină la pH 10,0

Cianura Flux segmentat Piridină şi acid barbituricPb(II) Analiza prin injectare

secvenţiala, SIASulfură -resazaurină, Pb(II) drept catalizator

Clor Multicomutare Oxidarea dianisidineiCr(III) şi Cr(VI) FIA şi r-FIA Cr(VI)/1,5-difenilcarbazidă

Concentraţiile de nutrient sunt foarte importante pentru viaţa din apele naturale, deoarece, în exces, ei cauzează creşterea anormală a algelor sau a ierburilor acvatice. În unele instalaţii de tratament a apelor industriale uzate, amoniacul sau acidul fosforic trebuie adăugat ca supliment ţinând cont că o deficienţă a nutrienţilor limitează eficacitatea proceselor de tratament biologic.

Azotul provine în primul rând din formele oxidate ca: azotit, azotat sau forma redusă, amoniacul sau “azotul organic”. În ultimul caz, azotul face parte dintr-un compus organic ca de exemplu: un aminoacid, un acid nucleic, o proteină etc, şi poate fi utilizat ca nutrient după descompunerea azotului organic la formă simplă.

Câteva exemple de metode spectrofotometrice clasice pentru determinarea compuşilor cu azot care au fost automatizate, sunt prezentate în continuare.

Amoniacul este determinat cu reactiv NESSLER, prin metodele cu salicilat sau fenolat, după distilarea dintr-o soluţie alcalină pentru a-l separa de interferenţi. Mai recent în metodele automate, distilarea este înlocuită cu metode bazate pe volatilizare şi separare din matrici printr-o membrană de separare.

Azotul legat organic poate fi determinat prin aceleaşi căi după o dezagregare (procedeul KJELDAHL) care transformă azotul în amoniac.

Azotatul este determinat colorimetric prin metoda GRIESS care a suferit mai multe modificări făcute de diferiţi autori care au propus diverşi reactivi.

Cea mai populară metodă pentru determinarea azotatului constă în reducerea chimică a azotatului la azotit folosind Cu-Cd (alte metale reducătoare sau amalgamuri au fost de asemenea propuse) apoi se analizează azotitul. Azotatul poate fi de asemenea transformat în azotit prin foto-iradiere (domeniul UV) cu o lampă cu mercur la presiune joasă; sau prin reducere chimică în mediu omogen.

Tendinţele chimiei analitice sunt de a combina automatizarea cu miniaturizarea. Un “produs” provenit din miniaturizarea FIA şi SIA este aşa-numitul “laborator pe o valvă”; un aparat compact, automatizat şi miniaturizat construit de

397


RUZICKA şi care se bazează pe principiile SIA utilizând o pompă de tip seringă în locul pompei peristaltice uzuale.

Caracteristicile generale ale acestei noi tehnologii originale sunt studiate în secţiunea III.2.3: APLICAŢII ALE TEHNICILOR ÎN FLUX PENTRU CONTROLUL ŞI MONITORIZAREA MEDIULUI. Miniaturizarea ajunge până la detector, o diodă (LED) prevăzută cu fibre optice de la sursa de lumină spre probă şi de la probă spre detector şi computer. Montajul instrumental (exceptând detectorul) este întotdeauna acelaşi pentru orice metodă sau mod de detecţie; versalitatea fiind obţinută prin intermediul soft-ului.

Două metode spectrofotometrice pentru probele de apă au fost selectate pentru a ilustra utilizarea acestei noi metodologii: azotat/azotit şi amoniac.

III.4.1.1. Azotat/azotit

Metoda se bazează pe reacţia azotiţilor cu sulfanilamidă pentru a forma un colorant azoic care apoi se va cupla cu diclorhidratul N-(1-naftil)-etilendiaminei, formând un produs purpuriu care poate fi determinat cantitativ spectrofotometric la 540 nm.

Domeniul linear de lucru şi sensibilitatea acestei metode sunt variabile, depinzând de modificări minore ca: mărimea probei şi debitele. O sensibilitatea mai mare este obţinută mai uşor folosind volume mai mari de probă (cuprinse în domeniul 80-200 μL) şi debite mici; sau metoda poate fi aplicată pentru concentraţii mari folosind volume mici de probă (25-80 μL) şi debite mari.

Determinarea azotaţilor se bazează pe aceeaşi reacţie chimică, mai întâi fiind necesară reducerea azotatului la azotit. Această metodă foloseşte un reactor cu fază solidă integrat într-un montaj în flux, reactorul fiind umplut cu Cu depus pe granule de Cd. Folosirea unei coloane de reducere va da naştere la un semnal proporţional cu concentraţiile totale ale azotitului şi azotatului prezente în probă (figura III.4.1).

Fig. III.4.1. Sistem pentru determinarea spectrometrică automată a azotatului şi azotitului. Reprodus din J. Ruzicka, Flow Injection, 2nd Edition (CD) FIAlab Instruments.

Pompă peristaltică

Linia 1Linia 2

Linia 3

Rezidii

Probă

Azotit

Azotat

Coloană de CdSpectrofotometru

Celulă în fluxîn formă de Z

Rezidii

Sursa de lumină

398


Caracteristicile analitice ale acestei proceduri sunt următoarele:- Domeniul dinamic linear: 0,04 - 10 mg (N) L-1 azotat ; 0,015 – 2,0 mg (N) L-1, azotit.- Limitele de detecţie: azotat , 1,4 μg L-1 şi azotit, 0,7 μg L-1, - Deviaţia relativă standard: 2%,- Frecvenţă de analiză: maximum 98 probe h-1 (36,6 sec/analiză). - Volumul de probă, 200 L.

Această metodă este relativ lipsită de interferenţe presupunând că proba nu prezintă absorbanţă puternică la 540 nm (fig. III.4.2). Na2-EDTA a fost inclus în soluţia tampon pentru a elimina interferenţele posibile provenite de la ionii metalici; cantităţi mari de fier, nichel şi cupru reduc semnalele.

În cazul probelor stocate mai mult de 24 de ore, problemele datorate oxidării atmosferice a azotiţilor pot fi prevenite prin protejarea lor de lumină şi adăugarea de HgCl2

drept conservant.

Fig. III.4.2. Spectrul de absorbţie pentru determinarea azotitului. Reprodus după Ruzika J., Flow Injection, 2nd Edition (CD) FIAlab Instruments, cu permisunea acestuia.

În alte metode în flux a fost realizată reducerea azotatului la azotit cu un foto-reactor care prezintă avantaje clare privind siguranţa mediului, adică: (a) se evită eliminarea unor cantităţile mari de metale toxice în canalizarea publică.(b) materiile sub formă de suspensie sau probele tulburi pot înfunda reactorul cu Cu-Cd, recomandându-se mai întâi filtrarea.(c) Coloana cu Cu-Cd poate fi degradată de probe conţinând mercur solubil sau tiosulfat. Probele ce conţin uleiuri solubile pot dezactiva suprafaţa catalitică. O probă suspectată că ar conţine uleiuri solubile sau grăsimi necesită un pre-tratamenet, uleiul sau grăsimea ar trebui extrase printr-un proces de extracţie lichid-lichid cu un solvent organic. Cd ar trebui recuprizat. (d) Lampa are o stabilitate remarcabilă, ceea ce conduce la îmbunătăţirea reproductibilităţii.

Nitrite / Nitrate Assay

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Wavelength (nm)

Abso

rban

ce

Blank2ppm NO2-

max = 542 nm

Lungimea de undă (nm)

Analiza Azotit / Azotat

Blank 2ppm NO2

-

Abs

orba

nţă

Nitrite / Nitrate Assay

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Wavelength (nm)

Abso

rban

ce

Blank2ppm NO2-

max = 542 nm


Analiza Azotit / Azotat

Blank 2ppm NO2

-

Abs

orba

nţă

399


Foto-reducerea azotatului la azotit cu o lampă de mercur la presiune joasă, a fost folosită pentru diverse scopuri analitice, ca de exemplu: prepararea in situ a azotitului ca reactiv pentru determinări spectrofotometrice ale medicamentelor. În acest context şi foarte recent, acest tip de conversie a fost folosit la determinări simultane ale azotitului şi azotatului din probe de apă.

Azotatul poate fi foto-redus la azotit într-un domeniu cuprins între 200-300 nm, unde azotatul prezintă două benzi UV. Drept sursă de radiaţii UV s-a utilizat o lampă de joasă presiune de 8 W înfăşurată cu o spirală din PTFE cu lungimea de 697 cm, 0,8 mm diametrul intern. pH-ul afectează procesul fotochimic, favorabilă fiind în special regiunea alcalină. Temperatura indică o influenţă negativă, temperatura camerei fiind selectată în final. Este important timpul de iradiere, perioada de timp optimă fiind de 3 min şi 11sec. De asemenea, este necesar a se menţine viteza fluxului (pentru lungimea reactorului selectat) la 1,1 mL min-1.

Prezenţa sensibilizatorilor, a agenţilor de curăţare etc. a fost testată, rezultate bune obţinându-se în prezenţa a 0,001 mol L -1 Na2-EDTA folosit ca activator în reacţie.

III.4.1.2. Amoniacul

Amoniacul este principalul produs de excreţie al peştilor care rezultă din metabolismul compuşilor ce conţin azot din hrana lor. Amoniacul este, de asemenea, format prin degradarea bacteriană a materiilor organice ce conţin azot.

În schema de mai jos se prezintă reacţiile implicate în determinarea amoniacului folosind metoda cu fenoxid de sodiu.

N + OCl - +NCl-OH

NCl + O- O N Cl

O N Cl + O- O N O-

amoniacul hipoclorit cloramina

cloramina fenol

Albastru de indofenol

N + OCl - +NCl-OHN + OCl - +NCl-OH

NCl + O- O N ClNCl + O- O N Cl

O N Cl + O- O N O-O N Cl + O- O N O-

amoniacul hipoclorit cloramina

cloramina fenol

Albastru de indofenol

400


În metoda fenolat modificată reactivul fenolat este înlocuit de salicilat:

Metoda cu salicilat este o modificare a vechii metode cu fenolat, dar care nu necesită folosirea şi evacuarea sărurilor toxice de mercur şi a fenolului. Are loc următoarea succesiune de reacţii:

(a) Prima reacţie constă în adăugarea de hipoclorit pentru a transforma amoniacul în monocloramină,

(b) A doua etapă urmăreşte reacţia dintre monocloramină şi salicilat pentru a forma 5-aminosalicilat,

(c) În final, 5-aminosalicilatul este oxidat de nitroprusiat de sodiu pentru a forma un compus colorat albastru-verzui, care poate fi monitorizat la lungimi de undă cuprinse între 650 nm şi 710 nm.

Pentru a evita lucrul în domenii acide sau alcaline extreme, proba trebuie adusă la un pH neutru.

Mai mulţi componenţi interferă în determinarea amoniacului. Primul este un interferent uzual, turbiditatea probei. Sulfura, hidrazina şi glicina vor intensifica culoarea albastru-verzuie, fiind necesară mai întâi elimnarea acestora. Alţi interferenţi sunt ionii de fier, calciu şi magneziu precum şi anionii anorganici: sulfat, fosfat, azotat şi azotit. Metoda uzuală de preparare a soluţiilor standard pentru calibrare sau folosirea procedurii adiţiilor standard poate reduce sau elimina influenţa interferenţilor.

Caracteristicile analitice sunt: domeniul dinamic linear cuprins între 10 şi 100 mg NH3 L-1 (0,59 mmol L-1 – 58,8 mmol L-1 NH3); deviaţia standard în domeniul de la 10 la 1000 mg, în medie: 3%; numărul probelor analizate pe oră: 112 probe pe oră.

În următoarele figuri se prezintă: ansamblul schematic în flux în care analiza amoniacului este îmbunătăţită folosind o celulă în flux în formă de Z în locul unei metode în flux stopat (figura III.4.3) şi spectrul în vizibil al complexului rezultat (figura III.4.4).

OH

COOH

Acid salicilicOH

COOH

OH

COOH

Acid salicilic

401


Fig. III.4.3. Sistem de analiză în flux pentru determinarea amoniacului bazată pe metoda unidirecţională/sau în flux stopat. Notă: schema de mai sus arată circuitul probei în poziţia de încărcare. Reprodusă după J. Ruzicka, Flow Injection, 2nd Edition (CD) FIAlab Instruments, cu permisiunea acestuia.

Fig. III.4.4. Spectrul de absorbţie al complexului 5-aminosalicilat (linia groasă) generat prin folosirea a 50 mg L-1 NH3 şi analizat după un timp de reacţie de 5 minute. Linia mai subţire este referinţa. Reprodus după J. Ruzicka, Flow Injection, 2nd Edition (CD) FIAlab Instruments, cu permisiunea acestuia.

III.4.1.3. Fosfatul

V a l v e W a s t e

L i n e 1 L i n e 2

T e e W a s t e

Z F l o w C e l l

M i x i n g C o i l 1

P e r i s t a l t i c P u m p


S a m p l e

4 1 2 3

6 5

F I A 2 0 0 0 S e r i e s

a

b

c

d

e f g h

L i g h t S o u r c e

W a s t e

Seria FIA 2000

Pompă peristaltică Spectrofotometru

Celula în flux în forma de Z

Rezidii

Sursa de lumina

Proba

Valva

Spirala de amestecare1

Linia 1

Linia 2

RezidiiSpirala de amestecare 2

V a l v e W a s t e

L i n e 1 L i n e 2

T e e W a s t e

Z F l o w C e l l


P e r i s t a l t i c P u m p


S a m p l e

4 1 2 3

6 5

F I A 2 0 0 0 S e r i e s

a

b

c

d

e f g h

L i g h t S o u r c e

W a s t e

Seria FIA 2000

Pompă peristaltică Spectrofotometru

Celula în flux în forma de Z

Rezidii

Sursa de lumina

Proba

Valva

Spirala de amestecare1

Linia 1

Linia 2

RezidiiSpirala de amestecare 2

5-Aminosalicylate Complex

0.000

0.300

0.600

0.900

1.200

1.500

400 450 500 550 600 650 700 750 800Wavelength (nm)

Abso

rban

ce

NH3: 50 ppmNH3: 0 ppm

675nm max

Complexul 5-aminosalicilat

Abs

orba

nţa


5-Aminosalicylate Complex

0.000

0.300

0.600

0.900

1.200

1.500

400 450 500 550 600 650 700 750 800Wavelength (nm)

Abso

rban

ce

NH3: 50 ppmNH3: 0 ppm

675nm max

Complexul 5-aminosalicilat

Abs

orba

nţa


402


Fosforul este important din punct de vedere biologic; el este un nutrient esenţial pentru creşterea fitoplanctonului. Consumurile excesive pot conduce la eutrofizarea apelor marine de coastă care este însoţită de creşterea anormală a plantelor.

De asemenea, există mai multe forme ale fosfatului, ca de exemplu: pirofosfaţii şi polifosfaţii, precum şi fosfaţii organici. Parametrul de mediu cunoscut ca “fosforul total”, înseamnă suma tuturor acestor forme. Alţi parametrii operaţionali sunt fosforul reactiv total (TRP), fosforul reactiv filtrabil (FRP), şi fosforul filtrabil total (TFP).

Ciclul natural al fosforului nu depinde de o componentă atmosferică semnificativă (spre deosebire de azot), fiind o distribuţie chimică a fosforului între apă şi componentele specifice prin adsorbţie şi procese de precipitare. Alte surse de fosfor sunt sedimentele marine, solurile şi rocile.

Cele mai multe metode de determinare ale fosforului se bazează pe formarea heteropoliacidului fosfomolibdat prin reacţia dintre analit (fosfatul) cu molibdat în mediu acid. În cea de-a doua etapă heteropoliacidul este redus la un compus colorat în albastru intens cu o bandă maximă de absorbţie la 840 nm. (McKELVIE, PEAT, and WORSFOLD, 1995).

PO43- + 12 MoO4

2- + 27 H+ H3PO4 (MoO3)12 + 12 H2O

H3PO4 (MoO3)12 Albastru de fosfomolibden Mo(V)

Ca agenţi de reducere pentru a doua etapă s-au propus acidul ascorbic sau clorura de staniu(II), iar posibilele interferenţe importante sunt date de silicat şi arsenat.

Fosforul determinat astfel este definit ca fosfor reactiv solubil (SRP). Când se suspectează presenţa unor compuşi organici pe bază de fosfor, procesul de analiză începe cu dezagregarea chimică, fotochimică, termică sau cu microunde înaintea reacţiei cu molibdat.

În continuare este prezentat un aparat automat, un analizor colorimetric disponibil comercial pentru determinarea de diferiţi parametrii din probe de apă, fosforul fiind unul dintre ei (Model 31 500) (fig. III.4.5). Proba este introdusă într-un analizor de o pompă cu piston şi amestecată cu o cantitate corespunzătoare de reactiv care este inserat în sistem de o altă pompă cu piston. Amestecul prezintă o culoare corespunzătoare care va fi monitorizată când este introdusă în celulă.

403


Alţi parametrii ce pot fi determinaţi (cu mici modificări de design) sunt cuprul, cromatul, silicea, permanganatul, clorurile libere, tăria ionică, alcalinitatea, ozonul, hidrazina, dioxidul de clor etc.).

Fig. III.4.5. Schema unui analizor disponibil comercial pentru determinarea a diferiţi parametri din ape. L-s, sursa-lampa; W, rezidii; PMT, tub fotomultiplicator; r, reactor; c-c, celula colorimetrică; r-p, pompa pentru reactiv; s-p, pompa pentru probă.

III.4.1.4. Metale

Există numeroase metode colorimetrice pentru determinarea metalelor. Cele mai multe dintre aceste metode sunt foarte folosite în analiza probelor de apă de băut. Pentru alte tipuri de probe, ca apa uzată, prezenţa unor cantităţi mari de substanţe interferente conduce la alegerea altor metode analitice. Cea mai populară metodă folosită astăzi este spectrofotometria de absorbţie atomică în flacără. Spectrometria de emisie de raze X este folosită în special pentru probe solide. Metodele electrochimice ca polarografia sau voltametria de stripping anodic care sunt foarte sensibile sunt folosite cu unele limitări. Unele exemple de metode spectrofotometrice pentru determinarea metalelor sunt relatate mai jos.

Determinarea calciului din probe de apă de băutMetoda se bazează pe formarea complexului dintre calciu şi o-crezolftaleina

[Ca-C32H32N2O12] la pH 10,0. Soluţia tampon de borax şi reactivul (canalul 2 şi respectiv 3, la 0,8 mL min-1) sunt introduse într-un reactor R1 cu lungimea de 50 cm. 20 L de probă sunt introduse cu o valvă de injectare în amestecul rezultat şi după

reactiv

proba

standard

reactiv

proba

standard

404


trecerea prin reactorul R2 (50 cm lungime) sunt conduse spre celulă unde absorbţia este

înregistrată la 575 nm (fig. III.4.6).

Fig.III.4.6. Schema montajului de analiză în flux pentru determinarea calciului din probe de apă de băut. R, reactori; P, pompa peristaltică; Iv, valvă de injectare; D, detector; şi W, rezidii; 2, soluţie tampon; 3, reactiv; ambele fluxuri 1 şi 2 cu debite de 0,8 mL min-1.

Determinarea cromului, specierea Cr(III) şi Cr(VI) Cr(VI) reacţionează cu 1,5-difenilcarbazidă (DCP) rezultând un compus

colorat cu o absorbanţă maximă la 540 nm. Cr(III) nu interferă în această reacţie şi determinarea lui se bazează pe aceeaşi reacţie după oxidarea la Cr(VI) de către Ce (IV). Un montaj în flux poate realiza determinări simultane şi secvenţiale pentru ambele valenţe ale cromului. Figura III.4.7 (s) prezintă montajul în flux pentru determinări secvenţiale. O valvă de selecţie permite trecerea reactivului sau a oxidantului. Prima etapă constă în introducerea probei într-un flux de acid sulfuric care apoi se întâlneşte cu reactivul pentru determinarea Cr(VI). A doua etapă constă în introducerea unei noi probe pentru a fi oxidată de Ce(IV) înainte să întâlnească reactivul, rezultând un semnal proporţional cu cantitatea totală de crom.

Debitele (în mL min-1) au fost de: 0,37; 0,30 şi 1,22 pentru DPC, oxidant şi respectiv acid sulfuric. Pentru oxidare este necesar ca proba să fie trecută printr-o baie de apă încălzită.

405


Fig. III.4.7. Montajul în flux pentru specierea Cr(III) şi Cr(VI). 1, soluţie DCP; 2, oxidant; 3, proba; 4, acid sulfuric ca transportor. a, canal pentru oxidant; şi b, canal pentru DCP. P, pompa peristaltică; Iv, valva de injectare; S, valvă de selecţie; R, reactori; D, detector; W-b, baie de apă la 42 ºC; W, rezidii.

Un montaj în flux similar cu cel descris a fost, de asemenea, propus pentru determinarea As(III) şi As(V).

O alternativă la determinarea secvenţială este specierea simultană într-un montaj în flux în care valva de selecţie a fost înlocuită cu un punct de splitare a fluxului şi de o celulă dublă în flux.

Lucrările de referinţă raportate pentru specierea cromului au fost, de asemenea, aplicate pentru monitorizarea continuă a apei (râuri, canale de irigare etc.). Figura III.4.8 prezintă un montaj FIA pentru monitorizarea continuă a Cr(VI) şi periodică a Cr(III); montajul este de tip FIA-inversă, în care volume diferite ale soluţiei de reactiv sunt inserate cu ajutorul valvei de injectare în fluxul de probă ce constituie fluxul purtător. În sistemul prezentat în figura III.4.8, fluxul transportor constituit din proba de analizat se întâlneşte cu DCP şi astfel se obţine o monitorizare continuă a Cr(VI) prin înregistrarea unui semnal continuu. Atunci când reactivul Ce(IV) este injectat, iar Cr(III) este oxidat se obţine cromul total. Semnalul tranzient rezultat este proporţional cu cromul total prezent în proba de analizat (fig. III.4.9).

406


Fig. III.4.8. Monitorizarea continuă a Cr(VI) şi periodică a Cr(III) folosind FIA-inversă (r-FIA). 1, oxidant Ce(IV); 2, proba de apă ca transportor; şi 3, DCP soluţie. Debitele au fost de: 1,2 şi 1,4 mL min-1 pentru canalul 2 şi 3, respectiv. Lungimea reactorului: 600 cm R1 şi 50 cm R2. Volumul de oxidant introdus a fost de 169 L.

Fig. III.4.9. Tipul de semnale înregistrate cu sistemul r-FIA pentru monitorizarea continuă a Cr(VI) (semnale continue), a); determinări periodice ale Cr(III) (b, picuri) (semnale rapide) echivalente cu concentraţia totală de crom.

Pentru a obţine o monitorizare secvenţială a Cr(III) şi Cr(VI) un sistem alternativ este descris în figura III.4.10, în care fluxul transportor (proba de apă) se separă în două fluxuri diferite ce circulă prin două canale separate, câte unul pentru fiecare stare de oxidare a cromului. O valvă de selecţie permite sau nu permite trecerea produşilor de reacţie rezultaţi de pe fiecare canal către detector. În figura III.4.11 sunt prezentate semnalele înregistrate la determinarea Cr. Absorbanţa compusului colorat se măsoară la 540 nm.

407


Fig. III.4.10. Un montaj r-FIA pentru monitorizarea secvenţială continuă a Cr(III) şi Cr(VI). Fluxurile şi debitele, în mL min-1: Pompa de sus: 1, DCP soluţie; 3, mediu acid la 0,3 mL min-1. Pompa de jos: 1; DCP soluţie; 3, oxidant Ce(IV) în mediu acid la 0,3 mL min-1. Pentru ambele pompe, 2, proba de apă ca flux transportor şi debitul de 1,9 mL min-1. Lungimea reactorului: canalul superior, 20 şi 50 cm pentru R1 şi respectiv R2. Canalul inferior: 600 şi 40 cm, pentru R1 şi respectiv R2.

Fig. III.4.11. Semnalele obţinute la monitorizarea secvenţială continuă a Cr(VI), semnalele a; şi Cr(III) + Cr(VI): cromul total, semnalele b.

Determinarea plumbului din ape cu un montaj de analiză prin injectare secvenţială (SIA)

Metoda se bazează pe efectul catalitic al ionilor de Pb(II) asupra reacţiei redox rezaurină – sulfură, în mediu alcalin. Reacţiile catalitice sunt foarte sensibile şi mai puţin selective. Câteva metale interferă în această reacţie redox: ca de exemplu: Cu(II), Co(II), Ni(II) şi Fe(III) chiar în concentraţii foarte joase. Primele aplicaţii analitice ale acestei reacţii implică folosirea unui număr mare de etape laborioase 408


incluzând folosirea de reactivi toxici necesari pentru a elimina interferenţele. Pentru a îmbunătăţii sensibilitatea şi ţinând cont că plumbul formează iodo-complecşi în mediu acid, faţă de ceilalţi ioni citaţi mai sus, care nu formează iodo-complecşi, această metodă foloseşte mai întâi un pre-tratament al probei cu iodură de potasiu. Iodo-complecşii formaţi sunt reţinuţi într-un reactor în fază solidă (plasat într-un canal exterior al unei valve auxiliare de injectare) umplut cu o răşină schimbătoare de anioni (AG1 X8 ) (fig. III.4.12). Aceşti complecşi reţinuţi au fost eluaţi cu o soluţie de NaOH , 90 L de 0,2 mol L-1. Metoda a fost aplicată probelor de apă de băut şi rezultatele au fost comparate cu cele obţinute prin spectrometrie de absorbţie atomică cu atomizare electrotermică.

Fig. III.4.12. Montajul SIA pentru determinarea spectrofotometrică a Pb(II). P, pompă peristaltică; h-c, tub de reţinere; D, detector; s-v, valvă de selecţie cu 8 căi; W, rezidii; Iv, valvă de injectare prevăzută cu un reactor în fază solidă umplut cu răşină anionică; m-c, cameră de amestecare; şi D, detector. Tuburile de legătură sunt din PTFE cu diametrul interior de 0,8 mm.

III. 4.1.5. Clor

Montajul tandem - multicomutare în fluxO metodă automată pentru determinarea clorului liber din probe de apă se

bazează pe oxidarea dianisidinei, folosită drept reactiv de culoare, când rezultă un produs colorat care poate fi determinat spectrofotometric la 445 nm.

Dianisidina în mediu acid Oxidarea dianisidinei de către clor

MeO

H3N

OMe

NH3+ + - 2 e-

+ 2 H+H2N NH2

OMeMeO

+ +

apă

probă

resazaurin

sulfură

apă

probă

resazaurină

sulfură

apă

probă

resazaurin

sulfură

apă

probă

resazaurină

sulfură

409


Automatizarea metodei se bazează pe noţiunea de “flux tandem” care foloseşte un set de valve solenoidale ce acţionează ca nişte comutatoare independente. Ciclul de operare pentru obţinerea unui semnal analitic tranzient poate fi uşor programat cu ajutorul unui software funcţionând în Windows.

Montajul conţine un set de 3 valve solenoidale ce funcţionează drept comutatori independenţi (fig. III.4.13).

Fig. III.4.13. Montajul tandem în flux pentru determinarea clorului. Q1= Q2= 5,2 mL min-1, Q3= 0,6 mL min-1, Q4= 5,0 mL min-1. Q1: 10-3 mol L-1 o-dianisidină în 1 mol L-

1 acid acetic; Q2: 0,005 mol L-1 NaOH, Q3: proba de analizat; Q4: 0,5 mol L-1 HCl; P, pompă peristaltică; V1, V2, şi V3, valve solenoidale; D, detector; şi W, rezidii.

Proba (canalul Q3) se amestecă cu 0,5 mol L -1 HCl soluţie (Q4); clorul total este convertită în clor liber şi acesta este transportat printr-o membrană de difuzie gazoasă într-un flux de NaOH (Q2). Valvele 2 şi 3 controlează timpul de stopare al fluxului şi apoi timpul de pre-concentrare (volumul de probă şi difuzia clorului prin membrană într-o soluţie (Q2) de bază (soluţie acceptoare). Soluţia bazică astfel obţinută determină descompunerea cantitativă a clorului în hipoclorit ce favorizează procesul de transport prin membrană datorită gradientului de concentraţie. După această etapă de pre-concentrare volumul cuprins între valva 2 şi 3 este trecut prin sistemul în flux şi este amestecat cu soluţia de dianisidină (Q1). O valvă solenoidală (V1) este folosită pentru recircularea reactivului neintrodus.

Sensibilitatea înaltă şi selectivitatea metodei se datorează montajului care este prevăzut cu o unitate de difuzie gazoasă şi care permite îndepărtarea speciilor interferente precum şi pre-concentrarea clorului. Unitatea de separare a fost făcută din două părţi de polimetacrilat, prinse una de alta, adâncitura realizată în cele două bucăţi formând un canal care este divizat în două de o membrană poroasă. Membrana este constituită dintr-un polimer fluorurat inert cu mărimea porilor de 0,5 m, perfect întinsă între cele două blocuri de polimetacrilat (fig. III.4.14 - vedere laterală a unui bloc din unitatea gazoază de difuzie).

DP

Q1

Q4

V3

V1

V2

W W

WQ2

Q3

OFF

OFFOFF

ONONON

W

DP

Q1

Q4

V3

V1

V2

W W

WQ2

Q3

OFF

OFFOFF

ONONON

W

410


Fig. III.4.14. Vedere laterală a unuia dintre blocurile componente al unităţii de difuzie gazoasă.

Pentru un timp de concentrare de 30 de secunde, rezultă o dependenţă lineară a semnalului măsurat funcţie de concentraţie pe domeniul cuprins între 0,05 şi 1,30 g mL-1 clor; limita de detecţie este de 0,05 g mL-1; reproductibilitatea (definită drept RSD pentru 42 picuri ale unei soluţii de clor de 0,72 g mL-1) este de 1,5 % iar numărul de probe analizate într-o oră este de 38 h-1.

III.4.1.6. Cianura

Montaj în flux segmentatCianura este foarte toxică pentru cele mai multe organisme vii, împiedicând

activitatea normală a moleculelor ce conţin metale datorită propietăţii sale de a forma complecşi stabili cu ionii metalici. Cu toate acestea, în concentraţii mici este biodegradabilă de către unele bacterii. Se poate găsi în efluenţii industriali, este folosită în hidrometalurgie şi în diferite industrii.

Acidul cianhidric sau sărurile sale sunt foarte importante în problemele de mediu şi există numeroase metode de determinare a cianurii din aer, apă, la locul de muncă etc. Acidul cianhidric din mediu sau de la locul de muncă este de obicei colectat prin trecerea probei de aer (filtrată pentru a o distinge de cianura legată de particule) printr-o soluţie de hidroxid de sodiu. Determinarea se face printr-o metodă spectrofotometrică. Trebuie subliniate problemele legate de instabilitatea probelor (acidul cianhidric este foarte volatil). Prezenţa dioxidului de carbon în probele de aer analizate poate scădea pH-ul într-o soluţie absorbantă şi poate facilita eliberarea acidului cianhidric gazos. Alte probleme sunt legate de agenţii de oxidare, eventual prezenţi în soluţie care pot transforma cianura în timpul depozitării sau a manipulării sale. Se recomandă pentru stocarea probelor cu cianuri colectarea acestora la un pH 12-12,5 în sticle brune, etanş închise urmată de depozitarea lor cât mai rapid posibil într-un loc rece, la întuneric. De asemenea, se recomandă ca probele să fie analizate imediat după colectare.

411


Este cunoscut faptul că unele cianuri se descompun în atmosferă umedă cu eliberare de acid cianhidric. Sunt folosite de obicei filtre pentru a capta aceste cianuri care pot fi cantitativ separate după o distilare în mediu acid.

Cianurile anorganice din probe de apă pot fi prezente atât sub formă complexată cât şi sub formă de cianuri libere, iar determinarea cianurilor din ape se realizează de obicei sub formă de: cianuri libere, cianuri care se pot clorura şi cianuri totale.

Cianurile sunt de obicei determinate printr-o metodă spectrofotometrică / colorimetrică sensibilă care poate detecta concentraţii de până la 5 ppb în ape. Deoarece cianura dintr-un efluent industrial poate fi legată de ioni metalici, proba este acidifiată şi iradiată cu radiaţii UV pentru a transforma metalo-cianurile în cianuri simple. Acidul cianhidric format este separat uşor de restul matricei prin tratarea probei într-un dializor prevăzut cu o membrană poroasă, ionul de cianură fiind reţinut de un flux acceptor uşor alcalin.

Fluxul alcalin rezultat se amestecă cu cloramina T (sarea de sodiu a N-clor-p-toluensulfonamidei), la pH mai mic de 8 şi cianura este convertită la clorcian (CNCl). În final, clorcianul rezultat formează un compus colorat în violet-roşcat cu piridina şi acidul barbituric.

Figura III.4.15 prezintă schema unui montaj de analiză în flux segmentat pentru determinarea cianurii. În aceasta tehnică fluxurile de lichid sunt segmentate cu bule de aer (introduse periodic).

Fig. III.4.15. Determinarea cianurii în flux stopat. W, rezidii; m, membrana poroasă; D, detector; C, computer; P, pompă peristaltică; L, lampă de UV; R, reactori. Soluţii: 1 şi 4, aer; 2, probă sau referinţă; 3, mediu acid; 5, mediu alcalin; 6, cloramină T; 7, piridină şi soluţie de acid barbituric. Lungimea de undă la care s-au făcut măsurătorile, 570 nm.

Segmentul de lichid cuprins între două bule de aer consecutive este omogen (invers faţă de FIA unde apar gradienţi de concentraţie), iar semnalul specific nu este un pic; teoretic vorbind este un dreptunghi, mai precis un “dreptunghi curbat”.

P

1234567

L

mW

R1 R2 D C

WP

1234567

L

mW

R1 R2 D C

W

412


BIBLIOGRAFIE- H. Muller, B. Frey and B. Schweizer, Techniques for flow analysis in UV-vis Spectroscopy, Perkin Elmer, Publication B2304,30E; Part Number B050-7757. May 92.- M. Valcarcel and M. D. Luque de Castro, Automatic Methods of Analysis, Elsevier, Amsterdam, 1988.- J. Martínez Calatayud, Flow Injection Analysis of Pharmaceuticals. Automation in the Laboratory. Taylor and Francis, Oxford, 1996.- P. J. Elving, E. Grushka and I. M. Kolthoff (editors) Treatise on Analytical Chemistry, (2nd Edition). Part I, Volume 4 , Interscience, New York, 1984.K. A. Robinson and J. F. Rubinson, Contemporary Instrumental Analysis, Prentice Hall, 2000.- G. D. Christian, Analytical Chemistry, (sixth edit.) J. Wiley, New York, 2004.- Grady Hanrahan, Paulo C.F.C. Gardolinski, Martha Gledhill and Paul J. Worsfold. Environmental Monitoring of Nutrients. University of Plymouth, Plymouth (U.K.) 1994. - J. Ruzicka, Flow Injection, 2nd Edition (CD) from FIAlab Instruments. Method adapted from Anderson (Analytica Chimica Acta 110 (1979) p129–137.- Gil Torró, J.V. García Mateo and J. Martínez Calatayud, Analytica Chimica Acta, 1-9 (1998)-J. Ruzicka, Flow Injection, 2nd Edition (CD) from FIAlab Instruments. Goossen and Kloosterboen 1978; Cembella, Anita and Taylor 1986 and Johnes and Heathwaite 1992. - Hansen, E.H., Ruzicka J. and Ghoe A. K., Anal Chim Acta, 1978, 100, 151, Ruziczka).- J. Ruz, A. Rios M. D. Luque de Castro and M. Valcarcel, Anal. Chim. Acta, 186, 1986, 139. - N. C. Aracama, A. N. Araujo and R. Perez-Olmos. Analytical Sciences, 2004, 20, 679.- M. Catalá Icardo, J.V. García Mateo, J. Martínez Calatayud, Anal. Chim., Acta, 2001, 443, 153-163.

413

2leonardo.unibuc.ro/ro/products/textbook/chapteriii.doc · web viewamoniac, nh3 200 - 230 0,8...

Documents