Znaczenie specjacji chemicznej w analizie laboratoryjnej

Specjacją nazywa się występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w różnych formach fizycznych i chemicznych, pod postacią konfiguracji monoatomowych lub cząsteczkowych. Intensywny rozwój technik analitycznych pozwala naukowcom określić zawartości poszczególnych pierwiastków w badanym obiekcie (również tych występujących w ilościach śladowych). Wiedza na temat całkowitej zawartości pierwiastków nie charakteryzuje wystarczająco materiału pod względem chemicznym i biologicznym. Do uzyskania pełnej informacji niezbędna okazuje się analiza specjacyjna, która bada konkretne formy chemiczne różniące się właściwościami bio(geo)chemicznymi, a tym samym – toksykologicznymi. Najczęściej przedmiotem badań są takie pierwiastki, jak: arsen, ołów, cynk, selen, tal, antymon, cyna, rtęć, chrom czy metale ziem rzadkich.

Pierwiastki w próbkach środowiskowych (szczególnie metale ciężkie) występują w stanach, które różnią się pomiędzy sobą mobilnością, biodostępnością i toksycznością. Jednym z przykładów jest rtęć. Organiczne związki tego metalu, w szczególności metylortęć, wykazują zwykle wyższą toksyczność dla różnych organizmów w porównaniu do form nieorganicznych czy rtęci metalicznej. Wyraźne różnice w toksyczności są również obserwowane w przypadku arsenu As3+ oraz As5+. Występowanie tych metali w środowisku naturalnym, ale również chromu, antymonu czy selenu, wymaga wprowadzenia skutecznych mechanizmów identyfikacji oraz kontroli ich zawartości w materiale biologicznym, z uwzględnieniem różnych form specjacyjnych.

Ekstrakcja sekwencyjna wg Tessiera i in.

Analiza specjacyjna w pierwszej kolejności wymaga właściwego wyodrębnienia pożądanego analitu z badanego materiału. Oddzielenie składników od matrycy jest najczęściej przeprowadzane z zastosowaniem metody ekstrakcji sekwencyjnej, gdzie poszczególne metodyki różnią się pomiędzy sobą rodzajem zastosowanych ekstrahentów oraz/lub kolejnością ich użycia. Ekstrakcja sekwencyjna opiera się na ekstrakcji roztworami o wzrastającej sile ługowania. Stosując kolejno wyselekcjonowane ekstrahenty, możliwe staje się stopniowe oddzielenie oznaczanych zawiązków od matrycy. Anality podczas procesu są frakcjonowane zgodnie z ich rozpuszczalnością oraz reaktywnością.

Metoda ekstrakcji sekwencyjnej po raz pierwszy została zastosowana w 1979 r. i nadal jest z powodzeniem wykorzystywana. Wprowadzony przez Tessiera i in. sekwencyjny schemat pozwala na otrzymanie następujących frakcji pierwiastka: jonowymiennej, węglanowej, tlenkowej (związanej z tlenkami żelaza i manganu), organicznej oraz rezydualnej. Schemat ten bardzo często jest wykorzystywany do analizy metali zawartych w osadach dennych. Obejmuje on pięć etapów, podczas których, w zależności od analitu, optymalizowane są następujące parametry: rodzaj rozpuszczalnika, pH, temperatura oraz czas ekstrakcji.

Metoda BCR

Procedura BCR (określenie zaczerpnięte z pierwotnej nazwy komisji zajmującej się Programem Pomiarów i Testowania) jest skróconą, w porównaniu do schematu ekstrakcji zaproponowanej przez Tessiera i in., trzyetapową wersją. Procedura BCR obejmuje następujące etapy:

* ekstrakcja CH3COOH – zidentyfikowanie metali przyswajalnych i związanych z węglanami,

* ekstrakcja NH2OH∙HCl – zidentyfikowanie metali związanych z amorficznymi tlenkami żelaza i manganu, 

* ekstrakcja H2O2/CH3COONH4 – zidentyfikowanie frakcji metaloorganicznej i siarczkowej, 

* mineralizacja pozostałości za pomocą stężonych kwasów HF, HNO3 oraz HClO4.

Metoda BCR, stosowana do wyodrębniania analitów z matrycy próbek środowiskowych, posiada szereg zalet. Właściwie zoptymalizowana pod kątem warunków ekstrakcji pozwala przede wszystkim na ograniczenie zużycia rozpuszczalników, czym wpisuje się w kanony zielonej chemii. Całkowity czas wykonania ulega skróceniu, dzięki czemu procedura BCR jest mniej kosztowna i energochłonna, a także wymaga mniejszego nakładu pracy.

Zastosowanie metod instrumentalnych do określenia specjacji pierwiastków chemicznych

Ilościowe oznaczenie form specjacyjnych pierwiastków w próbkach pochodzenia naturalnego wymaga zastosowania technik analitycznych o znacznych postępach w zakresie limitów selektywności czy granic wykrywalności (LOD). Na rynku dostępnych jest szereg instrumentów spełniających te kryteria, ale często jest to sprzęt kosztowny oraz wymagający wysoce wykwalifikowanego personelu. Z tego względu stosowany jest on częściej do prac naukowych niż do rutynowych analiz. Końcowe określenie zawartości form specjacyjnych praktycznie zawsze wymaga wcześniejszego odseparowania substancji oznaczanych za pomocą technik czy procedur, które zwykle są czasochłonne i generują błąd pomiaru już na wczesnym etapie analizy. Aby pokonać te trudności, coraz częściej stosowane są techniki łączone. Najpowszechniej do tego celu wykorzystuje się metody chromatograficzne: chromatografię cieczową (HPLC), gazową (GC) lub jonową (IC), a także elektroforezę kapilarną (CE), które zostają połączone z odpowiednimi detektorami. W technikach łączonych problematyczną kwestią jest właściwy transfer analitów z jednego urządzenia do drugiego, gdzie zazwyczaj zachowywane są odmienne warunki prowadzenia analizy, jak np. różnica ciśnień czy objętości eluatów. Niemniej ciągły rozwój technologiczny sprawia, że nie tracą one na swoim znaczeniu, a wręcz stają się coraz skuteczniejsze.

Detekcja w technikach łączonych zazwyczaj odbywa się z wykorzystaniem spektrometrii mas. Niezwykle popularnym rozwiązaniem jest połączenie tej techniki z plazmą wzbudzaną indukcyjnie (ICP-MS). Daje ona możliwość analizy wielopierwiastkowej z dużą czułością oraz selektywnością. HPLC-ICP-MS pozwala na analizę takich pierwiastków, jak: antymon, cyna, arsen czy ołów. Sprzężenie ICP-MS z chromatografem gazowym dobrze sprawdza się w separacji i analizie lotnych pierwiastków. Inną techniką stosowaną do detekcji, oprócz spektrometrii mas, jest atomowa spektrometria fluorescencyjna (AFS). Polega ona na pomiarze natężenia promieniowania emitowanego przez wolne atomy określonego pierwiastka (pomiar fluorescencji). Najczęściej w tej technice stosuje się atomizację, poprzez generację lotnych wodorków. Dzięki temu, w odpowiednich warunkach oznaczane metale, jak arsen czy ołów, tworzą lotne wodorki poddawane detekcji. Poza tym w technikach sprzężonych można stosować płomieniową atomową spektrometrię adsorpcyjną (FAAS), spektrometrię emisji optycznej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-AES), spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) i in. Każda z tych metod detekcji posiada zalety oraz pewne ograniczenia. Dlatego ważnym aspektem jest właściwy wybór techniki oznaczenia do charakteru badanej substancji.