Titracija je kompleksometrična, ker ligand EDTA pri reakciji s kovinskimi ioni v vzorcu tvori kompleks. V našem primeru je ligand (EDTA) šestvezen, saj donira centralnemu ionu šest elektronskih parov. EDTA tvori stabilne komplekse s skoraj vsakim dvovalentnim ali trivalentnim kovinskim ionom. Metoda je primerna, če vzorec ne vsebuje drugih kovinskih ionov. Obstaja tudi nekaj izjem. Primer je analiza zlitine bakra in cinka. Uporabiti moramo indikator ksilenol oranžno ter dve enaki raztopini z enako količino vzorca. Pri titraciji v prvo raztopino vzorca se barva raztopine spremeni iz rdeče v zeleno, ko EDTA reagira z vsemi ioni bakra in cinka. Tako dobimo podatek, koliko ionov bakra in cinka imamo. Pred titracijo v drugi raztopini moramo dodati natrijev tiosulfat, ki reagira selektivno z bakrovimi ioni. Nato titriramo EDTA, ki reagira le s cinkovimi ioni. Tako dobimo podatek, koliko molov cinka imamo. S pomočjo vseh podatkov lahko natančno izračunamo tudi koliko molov bakra je v vzorcu [21, 22].
EDTA4– + Mn+ [M(EDTA)n–4]
Ta ravnotežna reakcija je pomaknjena v desno. Titracije je potrebno izvajati v bazični raztopini s pH-jem med približno 8 in 11. Popolnoma protonirana molekula EDTA je slabo topna v vodi, zato se za standardne raztopine EDTA uporablja dinatrijeva sol. Je dobro topna v vodi ter na voljo v bolj čisti obliki [22].
Metoda titracije z EDTA ni dala natančnih rezultatov v primerjavi z ICP-MS in AAS.
Odstopanja deležev cinka v alikvotih istega vzorca so bila zelo velika. Zaradi velikih odstopanj
vsebnosti cinka v vzorcih ali neustreznem/nepopolnem razklopu vzorcev. Metoda je v primerjavi z ICP-MS in AAS enostavna in precej cenejša. Zaradi tega je zelo uporabna pri poučevanju kemije, saj bi učenci s primernimi vzorci titracije lahko izvajali samostojno.
3.7 Kvantitativna določitev cinka z ICP-MS
3.7.1 Kaj je ICP-MS? Meje zaznavnosti.
ICP-MS (Inductive coupled plasma – mass spectrometry) je kombinacija induktivno sklopljene plazme in masnega spektrometra. Metoda ima široko uporabnost: uporablja se na področjih raziskav tal, okolja, v forenziki, analizah hrane, materialov, kemikalij, polprevodnikov in v jedrski industriji. ICP je danes najbolj splošen vir plazme. Včasih je bila popularna plazma enosmernega toka (DCP) in mikrovalovno inducirana plazma (MIP). Do DCP pride, ko uvajamo plin med dve ali tri elektrode, med katerimi teče zelo visok električni tok. Težave DCP so bile, ker se je pojavljala interferenca, zato je bilo precej težav z uporabnostjo in zanesljivostjo. Pri MIP se mikrovalovni žarki usmerijo v plin, ki se nahaja v vzbujalni votlini okoli steklene ali kvarčne cevi. Plazma se ustvari v cevi v obliki obroča. Težava je v tem, da temperatura v večini plazme ne preseže 2000–
3000 K. Visoko temperaturo doseže le plazma vzdolž osrednje žarilne nitke. Zaradi tega so raziskave plazme pridobljene z metodo MIP precej nezanesljive [23, 24, 25].
Izvor induktivno sklopljene plazme so tri koncentrične kvarčne cevi. Skozi njih teče plin argon. Pretok plina je med 5 in 20 L/min. Funkcija argona je generiranje plazme, izolacija in prenos vzorca. Plazma je ioniziran plin, sestavljen iz pozitivnih ionov in prostih elektronov. V celoti gledano je brez naboja. Vzorec vstopa v cev z argonom, katerega ionizacijo za ustvarjanje plazme sprožimo z iskro iz Teslove tuljave. Na nastalo plazmo vpliva spreminjajoče se magnetno polje, ki ga ustvarja radiofrekvenčna indukcijska tuljava. Plazma kroži znotraj tuljave v zaključenem krogu.
Ker pa se ioni in elektroni upirajo gibanju, prihaja do Ohmskega gretja. To je postopek, s katerim prehod električnega toka skozi prevodnik proizvaja toploto. Temperatura plazme se poveča na približno 10000 K in ima izrazit bel plamen. Preden plazma pride do tam, kjer jo lahko opazujemo in analiziramo, je za 2 ms segreta na temperaturo med 4000 in 8000 K. Zaradi visokih temperatur je ICP ena najboljših metod za popolno atomizacijo vzorca [23, 24, 25].
postopek induktivno sklopljene plazme končan, plazmo preusmerimo v masni spektrometer. Ena izmed največjih slabosti ICP-MS sistema je višja cena v primerjavi s podobnimi sistemi za ugotavljanje sledi v vzorcu. Postopek je precej kompleksen, za izvedbo pa je nujna spretna oseba z vsemi potrebnimi kompetencami. Zaradi tega je ICP-MS tudi manj popularen v primerjavi s podobnimi tehnikami, kot so AAS (atomska absorpcijska spektrometrija) in ICP-AES (atomska emisijska spektrometrija z induktivno sklopljeno plazmo) [23, 24, 25].
Pri ICP-MS metodi se uporablja kvadrupolni masni spektrometer. Tam poteka separacija ionov glede na razmerje med maso in nabojem iona. Detektor nato ione zazna in jih prešteje. Na ta način dobimo podatek o zelo natančnih koncentracijah elementov v vzorcu. ICP-MS metoda je uporabna za zaznavanje širokih spektrov koncentracij, od 10–1 ppb do 104 ppb [23, 24, 25].
3.7.2 Opis postopka razklopa
Vzorce sem razklopil v koncentrirani dušikovi(V) kislini, v razmerju m(vzorca)/V(kisline), kot ga priporoča Perkin Elmer za mikrovalovni razklop vzorcev šampona ter krem za telo in obraz [26].
Postopek razklopa je bil enak za vseh pet vzorcev. V primeru vsakega vzorca sem v teflonske lončke (Savillex, ZDA) trikrat zatehtal približno 250 mg vzorca. Vse nadaljnje delo sem opravil v digestoriju. V vsako paralelko sem dodal 10 mL dušikove(V) kisline. Uporabil sem kislino čistosti TraceSELECT ≥ 69,0 % podjetja Honeywell Fluka. Pripravil sem tudi tri slepe vzorce, tako da sem v teflonske lončke dal samo kislino. Teflonske lončke čez noč nežno pokril s pokrovčki, tako da so nastajajoči plini lahko izhajali. Naslednji dan sem ločke dobro zatesnil s pokrovčkom in jih segreval na grelni plošči. Razklop je potekal 7 ur pri temperaturi refluksa.
Vzorec (paralelka) m(vzorca) [g]
Preglednica 8: Mase vzorcev v paralelkah.
Črke A, B in C so oznake za paralelke istega vzorca.
3.7.3 Priprava raztopin
Po razklopu sem opazil, da so vse paralelke vzorcev 1, 2 in 4 bistre, paralelke vzorcev 3 in 5 pa so bile motne. V vse paralelke vzorca 5 sem dodal še 10 mL zlatotopke. Vse paralelke vzorcev 3 in 5 sem prefiltriral s filtrirnim papirjem podjetja Sartorius (Dia: 150 mm; 84 g/m2; grade 391).
Paralelke vseh vzorcev sem razredčil z Milli-Q vodo na 30 mL. To je zelo dobro prečiščena voda, namenjena za analize v sledovih.
Iz vseh 15 pripravljenih raztopin sem naredil 15 novih raztopin, kot je prikazano v preglednici 9. Osnovni raztopini sem dodal IS (raztopino, ki je vsebovala 5 mg L−1 Sc, Rh in Ge) in 5 % dušikovo(V) kislino, tako da so volumni vseh raztopin znašali 10 mL. Vzorce sem pred ICP-MS analizo zamrznil. Analiza je bila narejena na inštrumentu Agilent 7500ce.
Vzorec
Preglednica 9: Raztopine za ICP-MS.
3.7.4 Računi in rezultati
66Zn vzorec koncentracija [g/kg] povprečna
koncentracija [g/kg]
Preglednica 10: Rezultati ICP-MS za cink.
3.7.5 Komentar
ICP-MS se je skupaj z AAS izkazala za najbolj natančno metodo za kvantitativno analizo cinka v vseh uporabljenih vzorcih. Med paralelkami enakih vzorcev je prihajalo do zelo majhnih odstopanj.
3.8 Kvantitativna določitev cinka z AAS
3.8.1 Kaj je AAS? Meje zaznavnosti.
Atomska absorpcijska spektrometrija (AAS) je ena izmed najnatančnejših kvalitativnih in kvantitativnih metod za določanje elementov. S to metodo lahko z izjemno natančnostjo analiziramo vse kovine, medtem ko nekovine lahko določamo le indirektno [25].
Elektronske konfiguracije atomov razločnih elementov so različne. Atomi lahko absorbirajo energijo v obliki svetlobe. Ko atom absorbira fotone specifične valovne dolžine, prehajajo nekateri njegovi elektroni v višja energijska stanja oz. vzbujena stanja. Ko prenehamo z dovajanjem energije, se elektroni vrnejo iz vzbujenih stanj v osnovna stanja in pri tem oddajo fotone s specifično valovno dolžino. Znotraj atoma imajo elektroni, ki zasedajo notranje lupine višjo vezavno energijo kot elektroni v zunanjih lupinah. Zato elektroni različnih lupin oddajo različno valovno dolžino. Če primerjamo elektrone v prvi lupini bakra in cinka, ugotovimo, da imajo različno vezavno energijo. To se zgodi zaradi različnih privlačnih sil med elektroni in jedrom. Ker imajo tudi elektroni enakih lupin različnih elementov različno vezavno energijo, lahko z veliko zanesljivostjo analiziramo kovine z atomsko absorpcijsko spektrometrijo (AAS) ali atomsko emisijsko spektrometrijo (AES). AAS meri energijo fotonov, ki jo prejme atom, AES pa energijo fotonov, ki jih odda atom. Ker v vzorcu precej več atomov ostane v osnovnem stanju, je AAS bolj občutljiva in natančna metoda [27].
Aparatura AAS je precej enostavna. Sestavlja jo katodna svetilka, ki ima ravno pravšnji spekter fotonov, da lahko vzbudi elektrone atomov v višja energijska stanja. Zato za analizo različnih elementov uporabljamo različne katodne svetilke. Katodna svetilka mora svetiti v celico, kjer se s pomočjo plamena vzorec pretvori v proste atome. Za plamen moramo imeti primeren oksidant in gorivo. Pri večini naprav uporabljamo kot oksidant zrak ter za gorivo etin. Takšen plamen dosega temperature okoli 2300 K. Višje temperature se dosežejo, če se kot oksidant uporabi dušikov oksid. Takšen plamen dosega temperature okoli 2900 K. Izbira plamena je odvisna od elementa, ki ga želimo analizirati. Za analizo cinka je primeren osnovni plamen. Plamenska celica je povezana z monokromatorjem, kjer lahko poteka selekcija valovnih dolžin fotonov. Te fotone zazna detektor [23].