Bestemmelse af sporstofkoncentrationer af metaller i komplekse matricer

Bestemmelse af sporstofkoncentrationer af metaller i komplekse matricer Udført under automatiske konditioner er ekstraktion/tilbageekstraktion en særdeles attraktiv metode til at opnå fornøden selektivitet og sensitivitet ved kemisk måling. Her beskrives et sequential injection (SI)-system til online ekstraktion/tilbageekstraktion med detektion ved ETAAS og ICPMS til bestemmelse af sporstofkoncentrationer af metaller i komplekse matricer Af Elo Harald Hansen, ehh@kemi.dtu.dk og Jianhua Wang, Kemisk Institut, DTU Ved brug af såvel elektrotermisk atomabsorptionsspektrometri (ETAAS) som induktivt koblet plasmamassespektrometri (ICPMS) er matrixinterferens pga. høje saltkoncentrationer et hyppigt problem ved analyse af sporstofkoncentrationer af metalioner i mange forskellige prøvetyper - f.eks. biologiske væsker, miljøprøver eller havvand. Tilstedeværelsen af salte vil ved ETAAS føre til excessivt høje baggrundssignaler som ydermere kan variere som funktion af matricens sammensætning. I ICPMS kan saltkoncentrationer over ca. 0.2% (m/v) medføre»mekaniske«problemer (afsætning af salte på»sampling cone«og dermed signaldepression) og kan pga. isobarisk overlap eller dannelse af polyatomiske ioner give anledning til spektrale interferenser. Derfor er det i begge tilfælde vigtigt, at man kan separere analytionerne fra matricen, inden de præsenteres for den valgte detektor. Væskeekstraktion En af de mest effektive separationsmetoder er væskeekstraktion. Eftersom de fleste gængse prøver findes på vandig form, effektueres ekstraktionen konventionelt fra en vandig til en organisk fase. Men her løber man igen ind i problemer: Det er heller ikke den optimale matrix at introducere til de to detektortyper. I modsætning til flamme-aas, t 49 dansk kemi, 83, nr. 9, 2002

Figur 1. SI-system til ekstraktion/tilbageekstraktion under anvendelse af detektion med ETAAS. PP, peristaltisk pumpe; SP i, stempelpumper; SV, selektionsventil. IV, injektionsventil; PS i, faseseparatorer (figur 3); CS, bæreopløsning; IBMK, isobutylmethylketon (organisk ekstraktionsfase); BEx, vandig tilbageekstraktionsfase; W, affald; og EC i, ekstraktionscoils (udformet som knyttede reaktorer for at opnå en effektiv blanding af de enkelte væskeelementer). Systemet er vist dels i»load«-positionen, hvor prøven forbehandles online i SI-systemet og dels i»inject«-position, hvor ekstraktet overføres til grafitrøret i ETAASdetektoren. hvor anvendelse af et organisk opløsningsmiddel faktisk ofte kan være en fordel (fører til dannelse af fine dråber i flammen), er det en ulempe i ETAAS, hvor det kan indebære en forringelse af målingens reproducerbarhed. Endvidere har det pga. mindre overfladespænding end vand en tendens til at»brede«sig i grafitrøret, hvilket kan føre til lavere målefølsomhed. Ved ICPMS bør organiske opløsningsmidler simpelthen frarådes, idet de kan medføre deponering af kulstof på»sampler«og»skimmer cones«og kan give anledning til dannelse af polyatomiske interferenser pga. kombination af C med O, Ar, S eller Cl. Kombineret SI-væskeekstraktions-/tilbageekstraktionssystem Løsningen på problemet er at kombinere væskeekstraktion ind i en organisk fase med tilbageekstraktion til en vandig fase, som derpå kan introduceres i detektorerne. Ganske overraskende har dette koncept ikke nydt større bevågenhed hverken i litteraturen eller i det praktiske laboratoriearbejde. Det skyldes utvivl- Figur 2. SI-system til ekstraktion/tilbageekstraktion under anvendelse af detektion med ICPMS. Betegnelserne er som angivet i figur 1. Introduktionen af ekstraktet foretages dog vha. en ekstra stempelpumpe, som fører ekstraktet over i injektionsanordningen vist i figur 4 (DIHEN). dansk kemi, 83, nr. 9, 2002 50

somt, at det konventionelt har været besværligt og kompliceret at styre de krævede manipulationer reproducerbart, ikke mindst de nødvendige faseseparationer. Det er ikke tilfældet, hvis man gør det i et automatisk analysesystem, som f.eks. sequential injection (SI). SI er en modifikation, eller afart, af flow injection (FI), som oprindeligt blev udviklet ved det gamle Kemisk Laboratorium A (nu Kemisk Institut) ved DTU. Da det er et lukket system, hvor alle operationer kan effektueres online under strengt kontrollerede betingelser, kan man uden risiko håndtere probate organiske opløsningsmidler, beskytte prøverne effektivt mod kontaminering udefra, og man kan eksakt afmåle den mængde ekstrakt, som ultimativt skal introduceres i den anvendte detektor. Grafitrøret i ETAAS kan kun akkommodere et prøvevolumen på ca. 30 μl (maksimalt 50 μl, svarende til 1 dråbe). Det samme gælder for ICPMSinstrumentet med den her benyttede nebulizer. Gennem de to ekstraktionstrin kan man ikke blot opnå en separation, men også en opkoncentrering, hvilket er en stor fordel. Det beskrevne SI-væskeekstraktions-/tilbageekstraktionssystem illustreres her for bestemmelsen af metalionerne Cd(II), Cu(II) og Pb(II). Via reaktion af metalionerne med en passende ligand dannes et uladet kompleks/chelat, som kan ekstraheres over i en organisk fase og dermed separeres fra prøvematricen. Dernæst strippes metalionen ud af komplekset og over i en vandig fase, som så introduceres i detektoren. Af pladsmæssige årsager må denne gennemgang selvsagt blive relativ summarisk, men detaljerede oplysninger kan findes ved at konsultere litteraturen [1,2]. Separations- og opkoncentreringsprocedure Det anvendte SI-system til ekstraktion/tilbageekstraktion med Figur 3. Skitse af de anvendte faseseparatorer med det såkaldte»dual conical gravitational«design, hvor separationen baseres på fasernes forskel i densitet. Separatorerne består i realiteten af to halvdele, som skrues sammen, hvorved der dannes en»dual conical«kavitet, hvori den vandige og den organiske fase adskilles. t 51 dansk kemi, 83, nr. 9, 2002

Figur 4. Skitse af den anvendte nebulizer til prøveintroduktion i ICPMS-instrumentet. Ekstraktet pumpes fra SI-systemet (figur 2) ind fra venstre og kommer ud i enden af den indre kapillar (»fused silica capillary«), som placeres i selve plasmaen. Kapillarens position er meget vigtig for at opnå en tilstrækkelig fin aerosol og ionisering af prøven [3]. efterfølgende detektion ved hjælp af ETAAS er vist i figur 1, mens det tilsvarende SI-system med detektion med ICPMS er vist i figur 2. De operationelle manipulationer i de to systemer er stort set identiske, bortset fra selve prøveintroduktionen i detektoren. Derfor gennemgås systemerne under ét med supplerende kommentarer vedrørende de individuelle prøveintroduktioner. Det førstnævnte system benyttes til detektion af Cd(II), mens det andet demonstreres for bestemmelse af Cu(II) og Pb(II). Som kompleksdanner anvendes i hvert tilfælde ammoniumpyrrolidindithiocarbamat, APDC. Separations- og opkoncentreringsproceduren består af fire trin, som alle styres via en computer, som kan aktivere/ deaktivere de enkelte enheder i SI-systemet (figur 1 og 2), dvs. stempelpumper (SP i ), en peristaltisk pumpe (PP) og en injektionsventil (IV), som alle er grupperet omkring en selektionsventil (SV). SV kan via en central port bringes til at kommunikere med hver af de eksterne porte (1-6) og dermed med de enkelte enheder, dvs. SV er»hjertet«i systemet, hvorigennem væskeflow kan dirigeres. I trin 1 effektueres en prækonditionering af systemet (rensning af slangeforbindelser), dvs. systemet klargøres til behandling af den efterfølgende prøve. I trin 2 (Load, figur 1 top) blandes den metalionholdige prøve (S) med ligand-reagenset APDC (R). Der dannes et uladet kompleks, som kan ekstraheres over i en upolær (organisk) fase. Dette effektueres ved at tilsætte IBMK (isobutylmethylketon) fra SP 1, hvorefter blandingen via ekstraktionscoil EC 1 ledes over i faseseparatoren PS 1. Her adskilles de to faser (en skitse af faseseparatoren er vist i figur 3). Et veldefineret volumen af den organiske ekstrakt aspireres vha. stempelpumpe SP 2 ind i coil HC (såkaldt Holding Coil), hvor det placeres midlertidigt. Under denne sekvens ledes den vandige fase, som indeholder de potentielt generende matrixkomponenter (salte, etc.), samtidig til affald (W, waste). I trin 3 effektueres tilbageekstraktionen af metalionen ind i vandig fase. Dette gøres ved at pumpe den organiske ekstrakt i HC fremad (via den centrale port og port 4 i SV) og blande den med en vandig fase (BEx) fra pumpe SP 3. Efter ekstraktion i coil EC 2 separeres de to faser i den anden faseseparator (PS 2 ), og 30 μl af den vandige ekstrakt afspærres i prøveloop SL i injektionsventilen (IV) til højre i figuren. I trin 4 transporteres disse 30 μl slutteligt til grafitrøret i ETAAS instrumentet (Inject, figur 1, nederst) og placeres på platformen i røret. For at bevare identiteten af prøven under denne transport omsluttes de 30 μl af to luftsegmenter, som under den anvendte procedure er blevet aspireret via port 6 i selektionsventilen [1]. Efter prøven er placeret i grafitrøret, kan temperaturprogrammet initieres og gennemføres, dvs. atomisering og kvantificering kan effektueres. Proceduren ved detektion med ICPMS er stort set den samme som for ETAAS. Ved ICPMS kan man imidlertid ikke»sandwiche«prøven med luft, som under ingen omstændigheder må introduceres i detektoren. Derfor benytter man, efter tilbageekstraktet er afspærret i loop SL i ventilen (figur 2, øverst), en ekstra stempelpumpe til at overføre indholdet af loop SL (30 μl) til ICPMS-instrumentet (figur 2, nederst). Her indføres det via en specielt konstrueret injektionsanordning, DIHEN (Direct Injection High Efficiency Nebulizer, figur 4) [2,3]. Optimering af konditioner Hver af de enkelte enhedsoperationer kræver naturligvis optimering mht. de anvendte konditioner (pumpehastigheder, reagenskoncentration, blandingsforhold mellem vandig og organisk fase, etc.), men uden at gå i detaljer hermed skal der dog dvæles ved såvel ekstraktions- som tilbageekstraktionstrinnet. For dem begge gælder, at man via intelligent kemi afgørende kan påvirke effektiviteten. Således kan der spilles på den anvendte ph-værdi. Har den anvendte ligand protolytiske egenskaber (hvilket som oftest vil være tilfældet), vil distributionskonstanten (D C ) af analytmetallet mellem de to faser være ph-afhængigt. I den første ekstraktion kan man - med anvendelse af den samme kompleksdanner (her APDC) opnå selektivitet ved at udnytte forskelle i de enkelte ioners ekstraktionskonstanter (K ex ), variere på ph (dvs. ændring af D C ), og om fornødent tilsætte maskeringsmidler (ændring af den konditionelle ekstraktionskonstant). I tilbageekstraktionstrinnet kan man facilitere distributionsforholdet med et strippingreagens, dvs. man kan til det vandige tilbageekstraktionsmiddel tilsætte en metalion, som danner et stærkere kompleks med liganden end analytten. Dette vil medføre, at metalionen»river«analytten ud af komplekset og over i den vandige fase, mens strippingreagenset sammen med liganden går over i den organiske fase. Herigennem kan man ikke blot udnytte/spille på termodynamikken, men også på kinetikken. Ved bestemmelse af Cd(II) i ovennævnte system med ETAAS blev der brugt en vandig strippingopløsning med lavt ph og tilstedeværelse af Hg(II), idet det blev udnyttet, at Hg(II) danner komplekser med APDC med langt større ekstraktionsskonstant end Cd(II). Det betyder, at Cd(II) i CdAPDC ved lavt ph bliver erstattet med Hg(II). Komplekset går over i den organiske fase under samtidig frigivelse af Cd(II) til den vandige fase. I tabel 1 er der vist karakteristika for systemet med detekti- t dansk kemi, 83, nr. 9, 2002 52

Destination: the full range of HPLC, IC, and Extraction solutions. Enjoy the ride. ION CHROMATOGRAPHY Just Add Water technology makes ion chromatography easier than ever. The new DX-600 IC System combined with PeakNet 6 data management software, and the latest in pumps, detectors, and autosamplers provide the power and precision your laboratory requires. With the NEW ICS 90, Dionex offers the complete range of ion analysis instruments. EXTRACTION Obtain fast, easy, safe, economical, and EPAapproved extractions of solid matrices. The ASE 200 can extract a 10-gram sample in less than 15 minutes using only 15 ml of solvent. ASE 300 allows for extraction of up to 100 ml of sample. And the NEW ASE 100 provides single-sample extractions up to 100 ml of sample. BioLC The new BioLC System provides superior analysis of proteins and peptides, nucleic acids, amino acids and carbohydrates, small biomolecules, and more. GET YOUR FREE CD Receive up-to-date product information on CD-ROM. Call 36 36 90 90 or visit www.dionex.com. HPLC AND MS The new Summit HPLC System with CHROMELEON 6 chromatography software is smarter, more reliable, and easier to use than any other HPLC system available today. Configure the system with the MSQ mass spectrometric detector for superior sensitivity, selectivity and performance. CAPILLARY- AND NANO LC Dionex now offers the UltiMate TM integrated capillary- and nano LC system developed by LC Packings, a Dionex company. The UltiMate system allows on-line coupling with all MS platforms for use in pharmaceutical, biotechnology, molecular biology, forensic, life science, and environmental laboratories. Typical applications include proteomics, drug discovery, pharmacokinetics, bioanalysis, and high-throughput analysis. PROCESS Reliable, flexible, and easy to use, the compact, modular DX-800 offers multi-component analyses of up to 18 sample streams at regular intervals. CONSUMABLES Dionex offers a large assortment of columns, suppressors, reagents, standards, and accessories tailored specifically to meet your separation needs. Dionex has expanded its consumables line to include Acclaim Silica HPLC columns. Scanlab 2002 Stand H-098 Dionex Denmark A/S, Egegaardsvej 41-st, 2610 Rodovre, Tel. 36 36 90 90, Fax 36 36 90 99, info@dionex.dk Dionex Corporation P.O. Box 3603, Sunnyvale, CA 94088-3603 (408) 737-0700 Austria (01) 616 51 25 Belgium (32) 3-353 42 94 Canada (905) 844-9650 China (852) 2428 3282 France 01 39 30 01 10 Germany (06126) 991-0 Italy (06) 66 51 50 52 Japan (06) 6885-1213 The Netherlands (0161) 43 43 03 Switzerland (062) 205 99 66 United Kingdom 01276 691722 2002 Dionex Corp. PIN 565 MSQ is a trademark of ThermoFinnigan Corporation. ASE, PeakNet, and BioLC are registered trademarks and UltiMate, Summit, and CHROMELEON are trademarks of Dionex Corporation.

udkommer næste gang 5. oktober Tabel 1. Datakarakteristika for SI-systemet til online ekstraktion/tilbageekstraktion ved bestemmelse af Cd(II) under anvendelse af detektion med ETAAS. Tabel 2. Bestemmelse af Cd(II) i tre certificerede referencematerialer, CRM 279, CRM 320 og SRM 1640 (n=4). Resultater opnået ved 95% konfidenceniveau. a I μg kg -1. KLIMASKABE Tabel 3. Datakarakteristika for SI-systemet til online ekstraktion/tilbageekstraktion ved bestemmelse af Cu(II) og Pb(II) under anvendelse af detektion med ICPMS. MILJØTEST Varme/kulde Fugt Salttåge Syretåge Tørring Sollys Temperatur chok Vibration Vakuum Burn-in Fra bordmodeller til walk-in-rooms. -40 eller -70 C til +180 C 16 til 1500 l. testrum som standard Gradient op til 100 C pr. min. Tabel 4. Bestemmelse af Cu(II) og Pb(II) i tre certificerede referencematerialer, CRM 279, CRM 320 og SRM 1640 samt humant urin (n=4). Resultater opnået ved 95% konfidenceniveau. a I μg kg -1 ; b I μg l -1 ; c Referenceværdi. Beatronic Supply ApS er et handels- og ingeniørfirma, der har specialiseret sig i måle- og testudstyr. Med verdenskendte produktnavne på programmet, kan vi løse enhver opgave inden for miljøafprøvning, kvalitetssikring, ESS, HALT og HASS, dataopsamling og elektrisk måling/kontrol. Industrivænget 13 - DK3400 Hillerød Tel.: 48 24 02 20 - Fax: 48 24 13 14 Web: http://www.beatronic.com E-mail: sale-dk@beatronic.com on med ETAAS; den sidste linie,»berigelsesfaktor«, refererer til den opkoncentrering, der sker i systemet (og som kan manipuleres ved at spille på volumenforholdet mellem de to væskefaser, som man har i de to separationstrin). Tabel 2 viser resultaterne ved analyse for Cd(II) i tre certificerede referencematerialer. Tabel 3 viser tilsvarende karakteristika for systemet med detektion med ICPMS, og i tabel 4 ses de opnåede resultater ved analyse af Cu(II) og Pb(II) i 3 certificerede referencematerialer samt i humant urin. Ved den sidste dansk kemi, 83, nr. 9, 2002 54

procedure blev APDC benyttet som kompleksligand, og Pd(II) som strippingreagens [2]. Udført under automatiske konditioner er ekstraktion/ tilbageekstraktion et særdeles attraktivt alternativ til opnåelse af fornøden selektivitet og sensitivitet ved kemisk måling. Som ved andre instrumentelle procedurer gælder det imidlertid, at hvis man ønsker et intelligent svar på sin analyse, må man introducere sin prøve på intelligent vis. Dvs. man skal have intimt kendskab til de operationelle betingelser for den benyttede detektor, og vide hvilke kemiske præbehandlinger, ens prøve skal undergå, inden den præsenteres herfor. Derfor kræver en fornuftig anvendelse af de instrumentelle metoder (uanset om det er ETAAS eller ICPMS eller andre) en grundig kemisk viden. Uden den er anvendelse af sofistikerede instrumentelle metoder simpelthen spild af tid og ikke mindst spild af penge. Referencer: 1. J. Wang and E. H. Hansen, Anal. Chim. Acta, 456 (2002) 283-292. 2. J. Wang and E. H. Hansen, J. Anal. At. Spectrom. (in press). 3. J. Wang and E. H. Hansen, J. Anal. At. Spectrom., 16 (2001) 1349-1355. 55 dansk kemi, 83, nr. 9, 2002