Analystekniker

ICP-AES
ICP-QMS
ICP-SFMS
Fluorescens
HPLC
GC
FTIR
SEM
Renrumsteknik
Vattenrening
Destillation av syra
Rengöring av provkärl


ICP-AES

ICP-AES är optisk emissionspektrometri med induktivt kopplad plasma. Plasman bildas av argongas som flödar genom ett radiofrekvensfält och då hålls i ett delvis joniserat tillstånd, d v s gasen innehåller elektriskt laddade partiklar. Den når då en mycket hög temperatur, upp till ca 10000°C. Vid hög temperatur avger de flesta grundämnen ljus av karaktäristiska våglängder, som kan mätas och användas för haltbestämning.

Det prov som skall analyseras leds in i plasman i form av en aerosol av fina vätskedroppar. Ljuset från de olika grundämnena uppdelas i skilda våglängder med hjälp av ett gitter och uppfångas av ljuskänsliga detektorer. På detta sätt fås en samtidig bestämning av upp till ett 40-tal grundämnen. ICP-AES är alltså en multielementteknik. I känslighet motsvarar ICP-AES i stort sett atomabsorption med flamma, d v s detektionsgränserna ligger typiskt på nivån µg/l i vattenlösning.

ICP-QMS

ICP-QMS utnyttjar en plasma av samma slag som i ICP-AES, men denna används här för att överföra grundämnena till joner, som sedan separeras efter massa till laddningsförhållande i en masspektrometer. På detta sätt kan de olika grundämnena i ett prov (och deras naturliga isotoper) skiljas åt och haltbestämmas.

Den centrala delen i ICP-MS är det s k interface varigenom jonerna från plasman tas in i masspektrometerns högvakuum-kammare. ICP-MS kombinerar egenskaper hos ICP (enkel och snabb provhantering) och masspektrometri (hög känslighet, isotopmätning) i en multielementteknik. Detektionsgränserna är för de flesta element mycket lägre än i ICP-AES: för vissa element i storleksordningen ng/l i vattenlösning.

ICP-SFMS

ICP-SFMS möjliggör direkt analys av vissa "svåra" provtyper som inte klaras med konventionell ICP-MS (ICP-QMS). Skillnaden ligger i konstruktionen av det "massfilter" som separerar isotoper/grundämnen med olika massa. I ICP-SFMS används magnetiska och elektrostatiska sektorer i stället för den s k quadrupol som har motsvarande funktion i ICP-QMS. Ett sektorinstrument kan separera partiklar med mycket mindre masskillnader jämfört med quadrupolinstrumentet.

Tekniken kallas därför också högupplösande ICP-MS (HR-ICP-MS). Denna högre upplösning gör det möjligt att undvika störningar (interferenser) som uppträder i vissa provtyper, t ex havsvatten och biologiska prover. För provtyper eller grundämnen som inte berörs av sådana störningar kan ICP-SFMS användas med låg upplösning. Man når då betydligt lägre detektionsgränser än i ICP-QMS, för vissa element på nivån pg/l.

Fluorescens

Atomfluorescens (AFS) används för bestämning av kvicksilver efter kallförångning och av selen och arsenik efter hydridgenerering. Fluorescensspektrometrin utnyttjar, liksom ICP-AES, ljusemission från atomer. Denna åstadkoms dock inte med värme utan med ljus av en för elementet karaktäristisk våglängd, som upptas av atomen för att sedan åter utsändas. Tekniken har hög känslighet. För kvicksilver i vatten nås detektionsgänser på nivån ng/l.

Guldfälla
Med hjälp av en särskild tillsats till instrumentet kan vi öka känsligheten i bestämningen. Efter kallförångningen samlas kvicksilverångan upp i en guldfälla, så att ett amalgam mellan kvicksilver och guld bildas. Vid den avslutande mätningen uppvärms guldfällan och kvicksilverångan drivs vidare till AFS-detektorn med hjälp av argongas.
AFS med guldfälla rekommenderas när kvicksilver skall bestämmas på eller nära de naturliga bakgrundsnivåerna i ytvatten, grundvatten och havsvatten. Vi har experimentellt bestämt nedre gränsen för kvantitativ bestämning (10s) till 0.3 ng/l.

HPLC

HPLC, vätskekromatografi, är mest lämpat för separation av ämnen som inte är flyktiga, som är termiskt instabila eller har någon typ av reaktiva eller laddade grupper. Provet injiceras med hjälp av en rörslinga (loop) till mobilfasen (en vätska), denna transporteras genom en kolonn varvid olika ämnen separeras från varandra.

Genom att variera materialet i kolonnen (stationärfasen) och/eller mobilfasen kan olika separationssystem designas. Till skillnad från GC har mobilfasen stor betydelse för separationen inom HPLC. Metanol, vatten och acetonitril är exempel på vanliga mobilfaser.

De flesta detektorer inom HPLC bygger på någon optisk princip. Man mäter variationen i ljusintensitet från en ljusstråle som går igenom en flödescell. UV-detektorn, där UV står för ultraviolett strålning, är den mest generellt användbara och används för att detektera föreningar som har stark UV-absorption, t ex aromatiska föreningar. Det finns olika typer av UV-detektorer, t ex diod-array-detektorer och scannande UV-detektorer (som tar upp ett helt spektrum).

En fluorescensdetektor används för fluorescerande föreningar eller föreningar som gjorts fluorescerande genom derivatisering. Den kan vara upp till 1000 gånger känsligare än UV-detektorn. Dess höga specificitet medför också att man får mindre störningar från bakgrunden (lösningsmedlet eller föroreningar). Ett vanligt användningsområde inom miljökemi är detektion av plana polycykliska aromater (PAH).

GC

I en gaskromatograf (GC) förångas provet (1-5 µl) i en injektor och förs av en gasström genom en kolonn där ämnena separeras. De separerade topparna registreras i en detektor. Två typer av kolonner används: packade och kapillärkolonner. För miljöanalyser används idag huvudsakligen kapillärkolonner. Den inre diametern är oftast ca 0,1 -0,3 mm och längden mellan 25 och 60 m.

FID, som betyder flamjonisationsdetektor, är den mest generalla detektorn för GC. Ämnen som elueras ut ur kolonnen förbränns i en vätgas/luft-flamma så att de joniseras. Det är framför allt C-H-bindningar som joniseras, vilket gör FID känslig för organiska föreningar. Responsen är proportionell mot antalet kolatomer. FID kallas ibland "kolräknare". Detektorns fördelar är den höga känsligheten och det stora linjära området. Den är ospecifik, vilket är en nackdel om man vill analysera ett fåtal ämnen med låg halt i ett komplext prov.

ECD betyder electron capture-detektor. Den har hög känslighet och selektivitet för halogenerade föreningar som t ex klorerade pesticider och PCB. Ämnen som eluerar ut ur kolonnen passerar en radioaktiv folie, ofta Ni-63, som emitterar ß-strålning. Bärgasen (t ex kväve) joniseras och producerar elektroner som bildar en bakgrundsström. Elektronegativa ämnen, som halogener, fångar in elektronerna, vilket ger en mätbar minskning av strömmen. ECD är även känslig för organiska peroxider och nitroföreningar. En nackdel är att det linjära området är litet.

I GC-MS betyder MS masspektrometri vilket här används som detektor. Masspektrometrin ger inte bara en detektion av ämnet som eluerar ut ur kolonnen, utan man får också mycket information om ämnets struktur genom fragmenterings-mönstret i ett masspektrum. Ämnen som eluerar ut ur kolonnen joniseras i en jonkälla. De två vanligaste jonisationsteknikerna när det gäller analys av persistenta organiska miljögifter är EI (elektronjonisering) och ECNI (kemisk jonisering, ger negativa joner). Joniserade molekyler och/eller fragment separeras efter m/z (förhållande massa/laddning). För att öka känslighet och selektivitet kan man välja att mäta ett fåtal specifika hög-intensitetsjoner (GC-MS-SIM).

FTIR

IR-spektroskopi kan användas för identifiering och kvantifiering av organiska och oorganiska ämnen. Infrarött ljus återfinns i våglängdsområdet 700 nm till 1 mm och är osynligt för ögat, men uppfattas som värmestrålning av huden.

Molekyler kan absorbera energi av vissa våglängder beroende på deras form och sammansättning. Med IR-strålning kan vissa vibrationer och rotationer induceras i molekyler. Genom att analysera var i våglängdsområdet absorption uppträder samt dess intensitet kan man identifiera s k funktionella grupper och även kvantifiera dessa (se Figur). Fördelen med denna mätteknik är att man kan erhålla kvantitativa analyser även med små provmängder.

SEM

Svepelektronmikroskopi (SEM) är en teknik för att undersöka ytor och partiklar i stor förstoring. Ett modernt instrument kan klara förstoringar upp till 500 000 gånger. I de flesta tillämpningar arbetar man dock med betydligt lägre förstoringar, vanligen 5000 gånger.

Förutom att studera ytors beskaffenhet kan man också i luftfilterprover räkna och karakterisera fibrer och partiklar. SEM-tekniken blir ännu mer kraftfull då den kombineras med en röntgentillsats som gör det möjligt att direkt från en partikel eller en fiber analysera huvudkomponenterna. Man mäter energierna från strålningen med energidispersiv röntgen (EDS). Med denna teknik kan halter av många element bestämmas ned till 0,2% i partiklar som inte behöver vara större än några kvadratmikrometer.

Renrumsteknik - metallanalys

I ett vanligt laboratorium innehåller 1 m³ luft typiskt ca 30 miljoner partiklar i storlek mellan 0.5 och 100 µm. I ett renrum är partikelhalten vanligen endast några tusen partiklar per m³. Renrumsteknik förebygger därigenom kontamination (förorening) av analysprover och är ofta nödvändig för analyser på mycket låga haltnivåer.

Användningen av starka syror för preparering av prover och lösningar medför en särskild kontaminationsrisk på analyslaboratoriet eftersom syraångorna angriper inventarier av metall. Metallhaltiga partiklar kan sedan frigöras från korroderade ytor.



I ALS Scandinavias laboratorium för bestämningar av metaller och andra grundämnen är hela det översta våningsplanet byggt som ett renrum. Materialval, ventilation och inredning är anpassade så att kontamination från omgivningen, från operatören och mellan prover minimeras. Detta innebär att:

  • arbetsbänkar är gjorda av trä, diskbänkar och dragskåp av plast
  • exponerade metalldetaljer undviks (kranar mm är av plast), täcks eller skyddsmålas
  • metallbaserade färger o d undviks
  • särskild skyddsklädsel används
  • dammfällor undviks (t ex genom inbyggnad av kablar och slangar)
  • arbetsytor m m är funktionellt placerade i förhållande till flöden av filtrerad luft
  • våningen har övertryck i förhållande till omgivningen

Tilluften filtreras kontinuerligt med högeffektiva partikelfilter (HEPA-filter) som har en avskiljningseffekt på 99.99% för partiklar i storleken 0.3 µm. Frånluften tas ut genom särskilda öppningar vid golvet. Så kallade renluftsbänkar ger arbetsytor med ytterligare filtrerad luft vilka kan utnyttjas för särskilt kontaminationskänsliga arbetsmoment.

Ombyte till renrumsklädsel (overall, skor och mössa) görs innan man går in på det högrena våningsplanet.

På det högrena våningsplanet är samtliga analysinstrument placerade. Dessa innehåller visserligen en stor mängd metall, men kontamination från denna förhindras dels genom att provflödena är isolerade i inerta material, dels genom avskärmning från omgivningen med skyddsmålade höljen och kåpor.

Vattenrening

Ett spårämneslaboratorium behöver tillgång till vatten av extremt hög renhet, t ex för preparering av kalibrerings-standarder med låga och kontrollerade metallhalter. Vanligt vattenledningsvatten innehåller avsevärda halter av många ämnen och är därför olämpligt för de flesta tillämpningar på laboratoriet. Det renas därför i flera steg, vilket ger olika nivåer av renhet:

  1. Laboratorievatten (konduktivitet högst 10 µS/cm). Vattenledningsvatten filtreras genom ett finfilter och renas sedan genom omvänd osmos och jonbyte i anläggningar av typ Elix. Detta vatten används huvudsakligen för rengöring av provkärl. En del av laboratorievattnet renas vidare i steg 2.
  2. "Milli-Q" -vatten. Vatten från steg 1 renas genom filtrering med aktivt kol och jonbyte (System Millipore Milli-Q). Bred användning på laboratoriet för spädning av prover, beredning av lösningar m m. Kontrolleras genom översiktsanalys med ICP-SFMS; halterna för ämnena i paket V-2 med tilläggselement skall då ligga under rapporteringsgränserna. Renas vidare i steg 3.
  3. Destillerat vatten ("sub-boiling distillation"). Vatten från steg 2 destilleras med ytförångningsteknik (sub-boiling distillation) i teflon (komponenter från Savillex corp.) På detta sätt renas vattnet bl a från neutrala metallkomplex som inte avlägsnas genom jonbyte. Används då högsta renhet krävs ("ultra-trace analysis"). Utgör referens (blank) vid kontroll av vatten från steg 2 och av destillerad syra.

Destillation av syra

Syror, främst salpetersyra, används för att stabilisera metaller i vattenlösning samt för lakning/upplösning av fasta prover. De flesta instrumentella mätningar görs i realiteten på utspädd salpetersyra, vilket ställer motsvarande renhetskrav på denna som på det vatten som används.

För preparering av prover och lösningar är pro analysi den lägsta renhetsgrad som kommer ifråga bland kommersiellt tillgängliga syror. Det är en relativt hög kvalitet som åtföljs av en deklaration av maximala föroreningsnivåer i produkten. För de mest krävande tillämpningarna renas emellertid salpetersyra av pro analysi-kvalitet vidare på laboratoriet. Detta görs genom "sub-boiling distillation" i kvartsapparat.



Till skillnad från vanlig destillation kokar här inte vätskan utan avdunstar bara från ytan för att sedan kondenseras. På detta sätt undviks stänk och aerosoler som kan förorena destillatet. Dessutom frigörs betydligt mindre mängder metaller från kvartsen jämfört med glas. För förvaring av syran används teflonflaskor.

Renheten hos syran från varje destillationsomgång kontrolleras genom översiktsanalys med ICP-SFMS. Halterna för ämnena i paket V-2 med tilläggselement skall ligga under rapporteringsgränserna (efter korrektion för utspädning) innan syran godkänns för användning.

Rengöring av provkärl

Flaskor 125 ml för vattenprover, av LD-polyeten
Endast fabriksnya flaskor används. Rengöringen omfattar

  • Lakning i varm halvkoncentrerad saltsyra och sköljning med avjonat vatten
  • Lakning i utspädd salpetersyra och sköljning med "Milli-Q"-vatten

Renheten hos flaskorna från varje diskomgång kontrolleras genom att de fylls med högren 1% salpetersyra (motsvarar ett surgjort vattenprov) och får stå minst ett dygn, varefter innehållet analyseras med ICP-SFMS (översiktsanalys). Halterna för elementen i paket V-2 med tilläggselement skall då ligga under rapporteringsgränserna (för Al och Fe under 1 µgl-1) för att flaskorna skall godkännas för leverans. Rengöringsmetoden bygger på svensk standard SS 02 81 94 (Provtagning av naturvatten för bestämning av spårmetaller).

10 ml rör för blod och serum, av polystyren med proppar av polyeten
Endast fabriksnya rör används. Rengöringen omfattar

  • Lakning i 10% salpetersyra och sköljning med "Milli-Q"-vatten
  • Lakning i renrum i 5% salpetersyra ("Suprapur").

Flaskor för urinprov, se Flaskor 125 ml för vattenprover