Környezetvédelmi mérések követelményei

Az előadások a következő témára: "Környezetvédelmi mérések követelményei"— Előadás másolata:

1 Környezetvédelmi mérések követelményei
A méréseknek megbízhatóságát megbízhatóan igazolni kell. Az elvégzett mérések máshol is elvégezhetőnek kell lennie. A mérés határait (koncentráció, mátrix, műszer) be kell tartani. A méréseknek összhangban kell lenni a rendeletekben megadott határértékekkel. Az eredményeknek jogilag is védhetőknek kell lenni.

2 Validálás és hitelesítés értelme
Az analitikai laboratóriumokkal szemben támasztott igények megkövetelik, hogy a laboratóriumok mérési eredményei megbízhatóak, ellenőrizhetőek és visszakereshetőek legyenek. Ennek megfelelően egy analitikai módszer kidolgozásakor feltétlenül szükséges a tevékenység teljesítményét jellemző paraméterek meghatározása, statisztikai értékelése és megfelelő jelentés formájában történő dokumentálása.

3 Validálást, egy teljes hitelesítési folyamatot egy új módszer bevezetésnél végig kell csinálni.
Máshol bevezetett módszer, szabvány átvételénél csak részleges hitelesítést kell végrehajtani. Minden mérés sorozat előtt, a mintával összhangban kalibrálni kell a mérő műszert. A méréssorozat során 5-8 mérésenként minőségi ellenőrző méréssel (quality control QC) ellenőrizni kell a rendszer változatlanságát.

4 Referenciaanyag (RM, Reference Material)
Ahhoz, hogy a mérés hiteles legyen megfelelő referencia anyaggal, standarddal kell rendelkezni a minőségi azonosításhoz, és a mennyiségi viszonyításhoz. A hitelesített referencia anyagok, mérési eszközök (ISO tanúsítvány) használatával elkerülhető ezek saját hitelesítése. Egyes jellemző mátrixokra is lehet referencia anyagot ( pl. agyag) kapni.

5 Szelektivitás és/vagy specifikusság (Selectivity / specificity)
Egy módszer szelektivitása arra vonatkozik, hogy a módszer milyen mértékben képes az adott alkotó meghatározására egyéb zavaró alkotók jelenlétében. Specifikus az a módszer ami, csak egyetlen anyagra vonatkozik (pl. MS fragmentáció, O2 elektród). Csoport szelektív módszer az anyagok csoportját mutatja közös egy közös tulajdonságáguk alapján (pl. NPD, immunreakciók). Univerzális módszer az anyagok széles spektrumára érzékeny (pl. savasság, FID, 254 nm abszorbancia). A zavaró jelek a vak mintában is jelet adnak, a kalibráló egyenesnek nem origó a tengelymetszete.

6 Linearitás (Linearity)
Az analitikai mérőgörbe linearitásán azt értjük, hogy a mérőgörbe adott tartományában, az ún. lineáris tartományban, adott megbízhatósággal egyenesnek tekinthető. A linearitást a méréstartományt lefedő koncentrációjú minták elemzésével határozzuk meg. Az eredményekből a legkisebb négyzetek módszerével számítjuk ki a regressziós egyenest az alkotó koncentrációja függvényében.

7 Mérésének kalibráló egyenese
A kalibrálás egyenesét regressziós egyenessel, a legkisebb négyzetek alapján számítjuk. Általános elvárás, hogy az R2> 0,98 legyen.

8 Érzékenység (Sensitivity)
Az mérés érzékenysége (a) az analitikai mérőgörbe meredeksége, a mért analitikai jelnek (J) a koncentráció (c) vagy az anyagmennyiség szerinti deriváltja. Ily módon az érzékenység, azaz az egységnyi koncentrációváltozásra eső jelváltozás egyszerűen számítható, az a = J/c összefüggés alapján (pl. UV, AAS). Relatív érzékenység (f): a mérés érzékenységének és egy vonatkoztatási anyagra (belső standard, s index) kapott érzékenységnek a viszonya (hányadosa), a relatív jelek és a hozzájuk tartozó koncentráció (vagy tömeg) hányadosok adataiból szerkesztett analitikai mérőgörbe meredeksége. J/Js = f(c/cs) a mennyiségi elemzés belső standard módszerének alkalmazásakor használatos (pl GC).

9 Torzítatlanság (Accuracy)
A torzítatlanság (vagy pontosság) a rendszeres hiba kimutatására szolgál, a különböző koncentrációknál meghatározható rendszeres hibák átlagolódásával keletkező mérési jellemző (pl. vakérték). A rendszeres hibát úgy definiálhatjuk, mint a hiba egy olyan elemét, amely ugyanazon alkotó ismételt mérése során állandó marad vagy kiszámítható módon változik. Független az elvégzett mérések számától és ezáltal azonos mérési körülmények között a mérések számának növelésével nem csökkenthető.

10 Rendszeres hibák A hiba, torzítás (bias) leírható matematikai függvénnyel.

11 Precizitás (Precision)
A precizitás a mérési gyakorlatban a véletlen hiba mérőszáma. A véletlen hiba rendszerint a befolyásoló mennyiségek előre nem látható változásaiból ered. Az analitikai eredmény véletlen hibája nem korrigálható, de a mérések számának növelésével rendszerint csökkenthető. Értéke általában függ az alkotó koncentrációjától, ezért a koncentrációfüggést is meg kell határozni és dokumentálni kell. Mértéke a becsült tapasztalati szórás (standard deviáció, SD), vagy a százalékos szórás (relatív standard deviáció, RSD%). _ xi az egyes mérések értéke, xi az n párhuzamos mérés átlaga.

12 A relatívszórás egyre nagyobb lesz a koncentráció tartomány csökkenésével

13 Szórás függhet a koncentrációtól

14 Ismételhetőség és/vagy reprodukálhatóság (Repeatibility/Reproducibility)
Az ismételhetőség a precizitás azon fajtája, amely ismételhető körülmények között elvégzett kísérletekre vonatkozik: azonos minta, azonos módszer, azonos műszer, azonos kezelő, azonos laboratórium, rövid időintervallum a párhuzamos mérések között. A reprodukálhatóság a precizitás azon fajtája, amely reprodukálható körülmények között elvégzett kísérletekre vonatkozik: azonos minta, azonos vagy különböző módszer, különböző műszer, különböző analitikus, különböző laboratórium, hosszabb időintervallum a párhuzamos mérések között.

15 Stabilitás (Stability)
A stabilitásvizsgálat a mérésre előkészített minta kémiai stabilitásának (pl. párolgás, hidrolízis, rohadás) meghatározását jelenti. Segítségével ugyanis a mérés időbeni korlátai határozhatók meg, azaz egy olyan időintervallum, amelyen belül az előkészített minták elemzési folyamatát be kell (lehet) fejezni. Az eredmények szórása, és az átlagtól való eltérésüket változása nem követhet egyirányú tendenciákat. A méréssorozat közben kontrol (QC) mintákkal kell a mérés körülményeinek változatlanságát ellenőrizni.

16 Kimutatási határ (Limit of detection, LOD)
Egy alkotó kimutatási határa (Ck) az a koncentráció, vagy anyagmennyiség, amelyhez tartozó válaszjel (Jk) értéke megegyezik a vakminta közepes válaszjelének (Jvak) és a vakminta válaszjeléhez tartozó tapasztalati szórás (SDvak) háromszorosának összegével.

17 Meghatározási határ (Limit of quantitation, LOQ)
Egy alkotó meghatározási határa (alsó méréshatár) az a legkisebb koncentráció, vagy anyagmennyiség, amely még elfogadható pontossággal és precizitással határozható meg. A meghatározási határ megfelelő standard minta segítségével állapítható meg. Általában ez az analitikai mérőgörbe legalsó értékelhető pontja. Extrapolációval történő meghatározása nem fogadható el. A meghatározási határ megadásakor fel kell tüntetni az ehhez elfogadott pontossági és precizitási követelményt is. Értékének meghatározásához a vakminta válaszjeléhez tartozó tapasztalati szórás tízszeresével kell számolnunk.

18 Zavartűrőképesség (Ruggedness)
Zavartűrés (eszköz- és környezetállóság) különböző mérési körülmények (laboratóriumok, paraméter változás) hatása a módszer teljesítményére. A módszer zavartűrését úgy vizsgáljuk, hogy szándékosan változtatjuk a mérés körülményeit (laboratóriumok, elemző személyek, készülékek, reagensek, elemzési napok, stb.) és vizsgáljuk azok következményeit. Szokásos számértékkel való kifejezése a reprodukálhatósághoz hasonló, relatív szórás, RSD %. Gyakran a precizitás meghatározása során, annak részeként adják meg.

19 Robosztusság (Robustness)
A módszer robosztusságát úgy vizsgáljuk, hogy szándékosan változtatjuk a mérési módszer paramétereit (pl. pH, ionerősség, hőmérséklet, stb.) és vizsgáljuk azok következményeit, meghatározzuk hatásukat (ha van), annak szignifikáns voltát. A megállapításokat jegyzőkönyvben dokumentáljuk. A robosztusság vizsgálatát sokszor érdemes a módszer fejlesztésének már a korai szakaszában elvégezni.

20 Méréstartomány (Range)
A mennyiségi elemzés céljára a módszer méréstartományát az alkotókat különböző koncentrációban tartalmazó minták elemzésével, a válaszjel meghatározásával kell megállapítani, amelyre az adott feladatnál kielégítő pontosság és precizitás érhető el. Az analitikai mérőgörbét (min 5 pont + vak) az alkotókat különböző koncentrációban tartalmazó minták elemzési eredményeiből regresszióval számíthatjuk ki, általában a legkisebb négyzetek módszerének alkalmazásával. A mérés érvényességét csak interpolációval lehet meghatározni.

21 Kalibrációs görbe A görbe alján a háttérzaj vagy másodlagos effektusok
(pl. adszorpció), a görbe tetején a túltelítés miatt tér el a görbe az egyenestől. A méréseknél ellenőrizni kell, hogy a lineáris szakaszon vagyunk, ha egyenes görbeillesztést használunk. Hígítással, tömé- nyítéssel a minta koncentrációját az egyenes szakaszra vihetjük.

22 Az eredmények elfogadásának kritériumai
Az eredményeknek a 95% konfidencia intervallumba (Student eloszlás t értéke, SD) kell esni. A szórások elfogadhatóságát több körülmény befolyásolja (pl.mátrix, minta előkészítés, mérési eszköz). Ismételhetőséget varianciaanalízissel határozzuk meg (F-próba, t-próba).

23 Két módszer eredményeinek összehasonlítása
Az F és a t próbák szolgálnak a módszerek összehasonlítására, felcserélhetőségére.

24 Visszanyerési tényező (Recovery)
A környezeti mérések során rendszerint nem tudjuk a jelenlévő anyagot teljes mennyiségét mérni (pl. extrakciós vesztesség, anyag visszamarad a mátrixban), ezért a visszanyerés hatásfokát az adott mátrixra és méréstartományra meg kell mérni. Ahol R, visszanyerés; ci, mért érték; cref, várt érték. A várt értéket irodalmi adatok, vagy a hozzáadott (spike, surrogate standard) anyagok mennyisége adja.

25 Standard almafa levél analízis bizonylata

26 Környezetvédelmi analitikai szabványok
Ha meglévő szabványt használunk, akkor csak az adott szabvány laborban, mátrixban való alkalmazhatóságát kell vizsgálni. Saját, egyedi szabvány esetén teljes validálás szükséges. Számos cég a megfelelő ISO tanúsítvánnyal adja termékeit vagy rendszeresen hitlesíti (műszer, vegyszer, standard), amivel a saját hitelesítést meg lehet spórolni. Bizonyos hitelesítéseket rendszeresen a mérőnek el kell végezni.

27 Új szabvánnyal körmérést szoktak végezni bevezetésük előtt
Standard hiba: FSZ-NS-1 minta esetén 4,6 % FSZ-NS-2 minta esetén 4,3 %

28 Klasszikus analitikai módszerek
Csapadékképzéses reakciók: Gravimetria (SZOE, víztartalom), csapadékos titrálások (szulfát, klorid) Sav-bázis reakciók (savasság, lúgosság, fenol) Redox reakciók (KOI, S2-) Komplexképzéses reakciók (Ca, keménység)

29 Gravimetria Gravimetria tömeghatározási módszer, ahol a meghatározandó komponenshez fokozatosan re-agenst adunk, és a levált csapadék tömegét mérjük. Kold = [Kz+]v+ [Az-]v-/[Kv+ Av- ] Kold = oldhatósági egyensúly K, A = kation, anion v-, v- = kation és anion sztöhiometriai együtthatói Z+, z- = kation és anion töltése Kold értékek: BaSO4, 1,09 x10-10; AgCl, 1.78 x10-10

30 Gravimetria folyamata
Lecsapás reagenssel Oldat és csapadék elválasztása (szűrőpapír, üvegszűrő) Csapadék mosása Csapadék hőkezelése (oldószer elpárologtatása) (égetés, szárítás, izzítás) Csapadék mérlegelése Eredemény kiszámítása

31 Gravimetria jellemzői
Makró mutatók (10-1 –10-2 M/L) Főleg szervetlen ionok (hidroxidok, szulfátok, halogenidek, esetleg szerves komplexek) Gyenge szelektivitású, pontos (0,1%) Olcsó, lassú Alkalmazás: Összes oldott és oldhatatlan anyag, szárazanyag, bepárlási maradék, izzítási maradék, szulfát, SZOE, víztartalom

32 Csapadékos titrálások
A titráláskor a vizsgált anyag csapadékot ad a reagenssel, és a vizsgálandó anyag elfogyása után az indikátor lép reakcióba, vagy műszeres titrálási görbekövetés van. Halogenideket, főleg Cl- meghatározására használják AgNO3 reagens, K2CrO4 indikátor Cl- + Ag+AgCl, KoldAgCL = 1,78 x 10-10

33 Vízionszorzat: Kv = [H+] x [OH- ] = 10-14
Sav-bázis titrálások Titrálás alapja a hidrogénion koncentráció változása vizes oldatban,amit indikátorral, vagy a titrálási görbe mérésével észlelünk. H2O  H+ + OH- Vízionszorzat: Kv = [H+] x [OH- ] = 10-14 pH +pOH = 14

34 Természetes vizek pH értékei
Befolyásoló tényezők:CO2, kőzet, biológia, emberi tevékenység

35 Titrálási görbék Átcsapás = pH 7,
meredek görbe Átcsapás > pH 7, lapos görbe, visszatitrálás

36 Sav-bázis titrálások környezeti alkalmazása
pH mérés (helyszíni, műszeres) Vizek összes savassága (p), titrálás erős lúggal (NaOH) Szabad savasság (m) pH 4,5-ig, összes savasság a pH 8,3-ig a lúgfogyás. Normál pH> 4,5 (CO2, huminsavak, helyszíni, műszeres) Vizek lúgossága (p’), titrálás erős savval (H2SO4?) Szabad lúgosság (m’) pH 8,35-ig, összes lúgosság a pH 4,5-ig a sav fogyás. (hidrokarbonátok,) Széndioxid meghatározás

37 Komplexometriás titrálások
Komplex stabilitási állandója: KST= [MY]/[M] [Y] Ahol: [MY], komplex;[M], szabad fémion; [Y], ligandum pH, indikátorok, komplexképzők (EDTA) szerepe Alkalmazás főleg többértékű fémionokra (vízkeménység) 1 német keménységi fok= 0,18 mM alkáli földfém

38 Potenciométer vagy redoxndikátorok
Redox titrálások Redoxi titrálásnál az aktuális redoxpotenciál értéket mérjük a mérőoldat függvényében Zn  Zn2+ + 2e redukált oxidált Nenrst egyenlet A magasabb standard redoxpotenciájú anyaggal mérjük a kisebb redoxpotenciájút Potenciométer vagy redoxndikátorok

39 Környezetvédelmi redox titrálások I.
Kémiai oxigénigény (KOI, COD) KOIMn : 2KMnO4+3H2SO4 = 2MnSO4+3H2O+ 5O Ismert mennyiségű KMnO4, forralás, visszamérés oxálsavval KOICr: K2Cr2O7+4H2SO4 = K2SO4+Cr2(SO4)3+3H2O+ 3O Ismert mennyiségű K2Cr2O7, forralás, visszamérés vas(II)ammónium szulfáttal, Ag2SO4 katalizátor Erősebb oxidálás mint KOI Mn

40 Elektroanalitika Környezetvédelemben felhasznált
Elktroanalitikai módszerek csoportosítása: Potenciometria (pH, Li+, F-) Voltametria (oldott oxigén) Coulometra (AOX) Vezetőképesség mérés, Konduktometria (vezkép) Elektroforézis (Cu2+, ClO4-, Fe2+/Fe3+,

41 Elekrokémiai alapfogalmak
Ha két különböző fém merül elektrolit oldatba, akkor elektromos potenciált mérhetünk a két elektród között. Elektród felületének közelében az ionok feldúsulnak vagy elszegényednek (polarizálódnak, töltésszétválás). A töltésszétválasztás hatására egyensúlyi potenciál alakul ki, amely függ az elektrolit oldattól (anyag koncentráció) és az elektródoktól (anyag) Elektródpotenciál feszültség hatására eltérhet az egyensúlyi potenciáltól Az ionok feszültség hatására elmozdulnak az ellentétes töltésű elektród irányába.

42 Elektrokémiai folyamatok szemléltetése

43 Mérő elektród Referencia elektród
Elektródok típusai Elsőfajú elektródok, fémelektródok (Zn→Zn2+), amelyek saját ionjaik az oldatába merülnek. Másodfajú elektródok, fémelektródok, amelyek saját rosszul oldódó sójukkal vannak bevonva (Ag/AgCl → Cl-) Redoxi elektródok inert fémelektródok (Pt→Fe(II)/Fe(III)) Ionszelektív elektródok félvezető vagy ioncserés alapon elektródok (üvegelektród → pH, LaF3 →F-) Mérő elektród Referencia elektród

44 Elektroanalitikai mérések
Mért paraméter Elnevezés E (cellafeszültség, I = 0) Potenciometria G (vezetés) Konduktometria Q (töltés mennyiség) Coulometria t (migrációs idő) Eletroforészis

45 Potenciometria Feszültséget mérünk a mérő és a referencia
elektród között. A referencia elektród rendszerint H2 (platinaelektród), vagy másodfajú (Ag/AgClKCl) Alkalmazás: pH, ionszelektív (F-, NH4+) , redox (Fe(II)/Fe(III))

46 Nernst egyenlet E=E0 + ln[c]*R*T/nF E: elektródpotenciál
E0: standard elektródpotenciál [c]: mért ion koncentrációja R: egyetemes gázállandó T: abszolút hőmérséklet n: elektronszám változás F: Faraday konstans Feszültség hatására az elektródpotenciál eltérhet az egyensúlyi potenciáltól

47 Ionszelektív elektródok
Üvegalapú elektródok (H+, K+, Li+) Csapadék alapú elektródok (Ag+, Pb2+, F-, CN-, F-, Cl-) Komplexometriás elektródok (Ca2+, K+, NH4+) Ioncserélő elektródok (Pb2+, Cu2+, NO3-, Cl-, ClO4-) Gáz elektródok (CO2 , NH3 , HCN) Más ionok zavaró hatása: ( NH4+ → K+, Na+, H+) Korlátozott pH és koncentráció tartomány

48 pH mérő üvegelektród vázlata
Feszültség mérés (mV-pH) Kalibráló pufferek Titrálásoknál is használható Kiszáradás veszély

49 Voltametria Voltametriánál a az áramerőséget mérjük a feszültség függvényében. A mérendő ionok csak diffúzióval juthatnak az elektród felületéhez. A diffúzióval az elektródra jutott ionok mennyisége, arányos koncentrációjukkal.

50 Oldott oxigén meghatározása voltametriával
Katód O2 + H2O + 2e →2OH- Anód Pb + 2OH- → PbO + H2O + 2e

51 Coulometria Töltés mennyiséget mérjük, amely egy
reakcióban keletkezik. A vizsgálandó anyag az elektród felületén lép reakcióba, vagy az elektródon keletkezett reagenssel. Nyomelemzésre is alkalmas. Szerves halogéntartalom mérés (AOX, EOX) (Extrahálás →Égetés →Elnyeletés savas oldatban → titrálás elektrolitikusan generált Ag ionokkal)

52 Vezetőképesség mérés, Konduktometria
G = 1/R G: Vezetőképesség (μS) R: ellenállás Kollektív paraméter, sótartalom meghatározás

53 Elektroforézis Elektrolitban az ionok feszültség hatására elmozdulnak a velük ellentétes töltésű elektród irányában. Az anyagok migrációs sebessége többek között függ az ionok fajtájától. Az ionok mozgása hőt termel súrlódásuk miatt. Környezetvédelemben felhasznált elektoforézises technikák: gélelektroforézis (immunofehérjék), kapilláris elektroforézis

54 Western blot A nagymolekula súlyú anyagokat előbb gélkromatográfiával elválasztják Az elválasztott anyagokat immunreakcióba viszik. Immunreakciók kimutatására jó (EDC)

55 A kapilláris elektroforézis (CE) előnyei
Egy analízis során számos komponens nagy hatékonysággal meghatározható Nyomnyi mennyiségű anyag nagy mennyiségű mátrix mellett is meghatározható Mérések széles lineáris tartománnyal rendelkeznek Méréseknek anyagszükséglete csekély Gyors módszer

56 Kapilláris elektroforézises készülék vázlata

57 Az ionok migrációs sorrendje

58 Fenolok elválasztása Körülmények: oszlop, 70 cm x 75 µm FSOT; detektor, direkt UV (280 nm); injektálás, hidrodinamikus; elektrolit, 150 mM ammónium acetát N-metilformamid-acetonitrilben (75:25); feszültség, 30 kV.

59 CE alkalmas gyors analízisek elvégzésére

60 Naftilszulfonátok analízise MEKCE-vel

61 Ionok mérése komplexképzéssel

62 CE chip technikával