UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI
FAKULTET
DEPARTMAN ZA HEMIJU,
BIOHEMIJU I ZAŠTITU ŽIVOTNE
SREDINE
Seminarski rad
Predmet: UV-VIS i IR spektroskopija u analizi životne sredine
Merenje organske i neorganske emisije u gasnoj
fazi pomoću Furijeove infracrvene
spektroskopije
Profesor: Dr. Jelena Molnar
Asistent: Dr. Marijana Kragulj
Studenti: Livia Nađ
Jelena Bukvić
Novi Sad, 2013.
Slika 1. Šema Furijeovog infracrvenog spektrometra, takođe prikazano nastajanje
interferograma.
Izvor (1) koji emituje zračenje koje dolazi do polupropustljivog ogledala (2), koje polovinu
zračenja propušta u pravcu porketnog ogledala (4) a drugu polovinu reflektuje na nepokretno
ogledalo (3). Oba zraka (a i b) reflektuju se od ogledala i vraćaju na poluogledalo (2), gde se
sreću i usmeravaju ka detektoru.
Danas se FT-IR spetrometri sve češće koriste u sprezi sa gasnim hromatografom.
2. Test metod 320
2.1 Uvod
U predhonom poglavlju smo se upoznali sa FT-IR spektroskopom, u daljem delu će biti
prikazivan metod za merenje pomoću ovog instrumenta. Ovaj metod opisuje sve procedure od
pripremanja uzoraka, do analiziranja i obrade podataka.
2.2 Obim i primenljivost
Analite uključuju opasne gasove koje su opisani prema EPA referencama i njihovi spektri su već
bili razvijeni. Ostale gasove takođe možemo da analiziramo ako su oni pripremljeni prema
opisanom protokolu. Ovaj metod se odnosi za analizu gasovite faze organskih i neorganskih
jedinjenja koja apsorbuju energiju u oblasti infracrvenog spektra, srednjeg intenziteta oko 400 do
4000 cm
-1
(20-25
μ
m). Ovaj metod se koristi za određivanje multikomponenata u gasnoj fazi,
spektri uzoraka se prikupljaju korišćenjem dvostrukog zraka infracrvene spektroskopije, za
prikupljanje i obradu podataka se koristi kompjuterski program.
2.3 Opseg merenja i osetljivost
Analitički opseg i osetljivost zavisi od frekvencije, apsorptivnosti uzoraka, konfiguracije
instrumenta, protoka i sastava gasa. Faktori koji se odnose na instrument su: spektralna
rezolucija, signal interferometra, prosečno vreme, odgovor detektora, i duzina optičkog puta.
Analitički opseg za bilo koju optičku konfiguraciju trebalo bi da ima vrednosti apsorbancije
između 0,1 i 1. Apsorbancije manje od 1 ne mogu biti linearne sa koncentracijom. Koncentracija
koju određujemo pomoću apsorbancije mnogo zavisi od dužine potičkog puta i od temperature
uzoraka. Analit koji ima apsorbanciju veci od 1, mozemo smanjiti smanjenjem duzine optičkog
puta, a koji ima manju od 0,1 sa povecanjem te iste. Detekcija može biti otežena ako se u analitu
nalaze druge vrste jedinjenja koje su u istom apsorpcionom opsegu. Koncentracioni opseg
metode zavisi od izbora optičke konfiguracije. Ne postoji praktična gornja granica opsega
merenja. Kao što smo već spomenuli, apsorbancija analita nepoznate koncentracije može biti
povećana sa povećanjem otičkog puta i korišćenjem veće rezolucije. Obe ove modifikacije mogu
da izazove povećanje apsorbancije i smetnje koje se nalaze u uzorku i smanjenje signala za
protok. Zbog toga, gornja granica detekcije zavisi od karakteristike uzorka, kao što su: vlažnost
gasa, prisustvo drugih jedinjenja i gubljenje uzoraka prilikom uzorkovanja (greške uzorkovanja).
Granica osetljivosti oderađuje se korišćenjem minimuma neizvesnosti analita (eng.
Minimum
Analyte Uncertainty-MAU).
2.4 Kvalitet podataka
Ciljem merenja utvrđuje se izbor granice detekcije i analitički nesigurnost za svaki analit.
Konfiguracija instrumenta treba da se izabere pre početka analize. To se vrši na osnovu
predhodnih analiza, i na osnovu MAU. Šum bazne linije se meri u svakom analitičkom osegu, da
bi se potvrdio MAU.
2.5 Pregled metoda
Princip metoda je usmeravanje infracrvenog zraka kroz uzorak do detektora.Vrši se upoređivanje
signala koji se dobija prolaskom infracrvenog zračenja kroz kivetu sa uzorkom i bez uzorka
(destilovana voda ili slepa proba). Osnovna molekularna svojstva i jedinjenja se mogu prepoznati
po njihovom infracrvenom spektrumu. U okviru ograničenja postoji linearna zavisnost
infracrvenog spektra i koncentracije jedinjenja. Ako ova veza koja zavisi od frekvencije to jest
od apsorptivnosti, koja kako znamo je merljiva, lako mozemo da odredimo koncentraciju
jedinjenja u smeši uzoraka.
o
Interferenca- jedinjenja u matriksu uzorka čiji infracrveni spektar se delom preklapa
sa spektrom analita. Prisustvo interference može povećati analitičli neizvestost u
izmerene koncentracije analita.
o
Ćelija gasa-čelija kroz koje prolazi gas. Može biti evakuisan iz sistema, pripremljen
od materijala koji propušta IR zrake.
o
Sistem za uzorkovanje- oprema koja se koristi za uvođenje uzoraka u sistem FT-IR
analizatora
o
Analiza uzoraka- proces tumačenja infracrvenih spektara da se dobija koncentracija
analita. Obično je automatizovan i vrši se pomoću softvera za obradu podataka.
o
Sto postotna linija- dupli snop propustljivnosti.
o
Pozadinska devijacija- odstupanje od sto postotne propustljivosti. Odstupanje veće od
±5 posto je neprihvatljivo.
o
Grupno uzorkovanje- postupak kada su spektri diskretni, statički uzorci se
prikupljaju.
o
Kontinuirano uzorkovanje- postupak gde su spektri prikupljeni dok uzorak teče kroz
ćeliju.
o
Rezolucija uzorkovanja-spektralna rezolucija se koristi za prikupljanje spektra
uzoraka
o
Srkaćenje- ograničavanje broja podataka brisanjem tačke koje su najudaljenije od
krive
o
Nulto punjenje- dodavanje tačke u interferogram. Nulto punjenje ne daje nikakve
informacije, ali utiče na oblik linija u spektru
o
Referenc PKS- Prenos kalibracije standarnih spektri koji su prikupljenisa referentnih
spektri
o
PKS standard-PKS spektar proizveden primenom te pocedure za rešavanje
referentnih PKS.
o
Test PKS- prikupljeni spektri sa uzorkovanja rezolucija koristeći istu konfiguraciju,
kao i za optičke spektre uzorka
o
Osetljivost- Zavisi od konfiguracije FT-IR sistema, određujemo pomocu MUA i PKS.
o
Limit kvantitacije- Donja granica detekcije u sistemu FT-IR spektrometra.Granica
kvantitacije je obično mnogo veća od granice osetljivosti.
o
Nezavisni uzorak- jedinstveni obim uzorka gasa. Ne postoji mešanje uzorka. Interval
merenja zavisi od uzorka i od protoka kroz ćeliju
o
Merenje- spektar dimnog gasa koji se nalazi u FT-IR ćeliji
o
Rok- sastoji se od niza merenja, minimum iznosi 8 nezavisnih merenja raspoređen u 1
sat.
o
Validacija- koristi se za proveru procedura test merenja.
o
Validacijoni rok- sastoji se od najmanje 24 merenja nezavisnih uzoraka. Pola od njih
su spajkovani uzorci
o
Screening- koristi se kada ima malo ili nema informacija o izvoru. Svrha „screening“-
da se utvrde karakteristike analita
o
Surogat- organske supstance slične analitima po hemiskom sastavu, koje se ponašaju
slično ali se pod normalinim uslovima ne nalaze u uzorcima uzetim iz životne
sredine. Ubacuju se u sve slepe probe, standarde, uzorke, spajkovane uzorke. koristi
se za obezbeđenje kvaliteta.
2.7 Smetnje
Smetnje možemo da podelimo na analitičke i na smetnje prilikom uzorkovanja.
2.7.1. Analitičke smetnje
Analitičke smetnje su spektralne osobine koje komplikuju analizu uzoraka. Obično se dele na
pozadinske i na spektralne smetnje.
Pozadinske smetnje
Ovo je rezultat promene protoka u odnosu na jednu od pozadinskog zraka. Grešku možemo
da ispravimo sa prikupljanjem novih pozadina. Naravno u težim slučajevima uzrok smetnje
mora biti identifikovan i odklanjen. Potencijalni uzorci su: naslage na reflektivnim
površinama, promene u osetljivosti detektora, promene na izlazu izvora infracrvenog
zračenja, propust u elektronici instrumenta. Povremeno moramo prikupiti nove pozadine, ali
druge korektivne mere nisu potrebne.
Spektralne smetnje
Ove smetnje nastaju kada u uzorku ima jedinjenja koja dovodi do smetnje u spektru.
Interferent jedinjenja preklapa spektralne karakteristike analita. Bilo koje jedinjenje koje
apsorbuje infraceveni spektar, može da bude interferent. U protokolu su propisane klasične
smetnje prilikom analize određenog jedinjenja. Primer za ovu smetnju je vodena para i CO
2
.
Oba ova jedinjenja imaju jake infracrvene spektre, i često su prisutne u velikim
koncentracijam u gasnim uzorcima. Stepen smetnje zavisi od koncetracije interferenta,
količine analita, i stepena preklapanja.
2.7.2. Smetnje prilikom uzorkovanja
Ove smetnje sprečavaju da uzorak dođe do instrumenta. Spajkovanje uzoraka i njegova
analiza je procedura, koja nam otkriva ovu vrstu smentnje, ako ga ima.
Temperatura
Ako je temperatura suviše mala dolazi do kondenzacije uzoraka ili vodene pare. Sistem za
uvođenje uzoraka i cela FT-IR aparatura ima svoju gornju granicu temperature.
2.12 Materijali koji se koriste
Koristiti sertifikovani standar za ciljani analit ako je to u mogućnosti, ako sertifikovani
standard ne može da se dobije pratite procedure u odeljku za FTIR analit.
2.13 Procedura spikinga
QA je kalibracija koja se koristi pre testiranja.QA spiking podrazumeva da se nakon
spike postupka ovog metoda pribave najmanje tri spajkovana uzorka. Na osnovu odnosa
koncentracije analita u uzorku i očekivane koncetracije ćemo proveriti da li analitički sistem radi
ispravno. Obično kada se koristi QA, metod je već potvrđen prema sličanom izvoru analita.
Duplo uzimanja uzoraka nam osigurava bolju ispravnost ove metode. Ako ne uspe provera
metode,moramo je ponoviti pre izvođenja postupka sve dok metoda ne bude sigurna.
Vrši se snimanje 12 nezavisnih uzoraka i 12 nezavisnih unspiked uzoraka koji se
evidentiraju. Koncentracije rezultata se statistički analiziraju i prema njima se utvrđuje da li
postoji sličnost između merenih uzoraka. Ako postoji sličnost u dozvoljenim granicama onda se
korekcioni element primenjuje na analitički uzorak. Ako je sličnost veća od dozvoljenjih granica
onda metoda nije važeća. Predstaviti spike gas kao konstantni protok manji ili jednak od 10 %
ukupnog uzorka protoka. Koristiti rotametar na kraju uzrokovanja da bi se utvrdila vrsta gasa.
Koristiti uređaj protoka npr. Masu protoka (±2%) da prati klasu protoka. Snimiti protok svakih
10 minuta.
Odrediti vreme završetka (RT) sistema za kontinuirano prikupljanje spektra otpadnih
voda do spektra komponente koja je konstantna 5 min. RT je interval od prvog merenja uzorka
sve dok ne postane konstantan. Merenje treba ponoviti dva puta i uzeti duplikate uzorka gasa.
Koncentracija treba biti u okviru 5% od proseka u dva merenja.
Izračunavanje apsorpcije koristeći gas kao svetlost:
DF=SF
6
(
spk
)/SF
6
(
dir
)
CS = DF×Spike
dir
+ Unspike(1-DF)
Gde je:
DF-faktor razblaženja gasa
SF
6
(
dir
)-merena koncentracija direktno nerazblaženog gasa
SF
6
(
spk
)-razblažena koncenracija uzorka gasa
SPIKE
dir
–koncetracija standarda analita merena popunjavanjem FTIR ćelije
CS-očekivana koncetracija uzorka
Unspiked-koncetracija
2.14 Kalibracija i standardizacija
Signal/šum(S/N)-
RMSD mora biti manja od jedne desetine minimalne apsorpcije analita
u svakoj analizi. Apsorbanicija dužine puta-prilikom testiranja uporediti referentnu dužinu puta
CTS spektra. Instrument-da bi proverili rezoluciju instrumenta moramo izmeriti širinu linije i
uporediti CTS spektar sa referentnim spektrom analita u unspiked analizi .
FTIR volumen ćelija
-isprazniti ćeliju do ≤5 mmHg. Izmeriti početnu apsolutnu
temperaturu (T
i
) i apsolutni pritisak (P
i
). Otkloniti vazduh iz ćelije,izmeriti
zapreminu(V
m
),apsolutnu temperaturu(T
m
),i apsolutni pritisak(P
m
) i finalnu apsolutnu
temperaturu(T
F
) i apsolutni prtisak(P
F
). Izračunati zapreminu FTIR ćelije(V
SS
) prema sledećoj
formuli:
Analiza podataka i izračunavanje
Koncentracija analita se meri koristeći referentne spektre iz EPA FTIR procedure. Kada
ove procedure nisu dostupne prati se priprema spektara svih ciljanih analita.
Analiza podataka
Postoje razni analitički programi koji su dostupni za odnos uzorka apsorpcije i
koncenracije standarda
Gde je:
C
coor
-korigovana koncetracija dužine puta;
C
calc
-početno preračunavanje koncetracije;
3.1 Sprovođenje i analitički princip
3.1.1 Primenljivost
Ovaj protokol se odnosi na odrđivanje masa-specifičnih koncentracija sa više komponenti
u gasovitoj fazi. Uzorci koriste dvostruke zrake apsorpcionom spektroskopijom u sredini
infracrvenog zračenja. FTIR se ovim ne tretira konkretno,više se koriste analza otvorenog puta..
Svaka različita konfiguracija sistema mora biti ocenjana posebno u skladu sa protokolom.
3.1.2 Analitički princip
Većina molekula ispoljavaju karakteristike gasa koji se mogu snimiti sa FTIR
sistemom.Ovakvi sistemi se od izvora infracrvenog zračenja,intreferometra,zatvoreni uzorak
ćelija poznate apsorpcije,infracrveni detektor,optički elemet za prenos infracrvenog
zračenja,kontrolu protoka gasa i merenje komponenti. Računarski sistemi se koriste za kontrolu
instrumenata,preradu signala i kako funkcioniše Fouriova transformacija i kvantitativna analiza
spektralnih podataka. Apsorpcioni spektri čistih gasova i mešavine gasova opisani su linearnom
teorijom Beerovim zakonom. Koristeći ovaj zakon FTIR sistemi koriste kompijuterske programe
za kvantifikovanje jedinjenja upoređivanjem apsorpcionih spektra poznatog(referentnog) gasa.
Neke standardne matematičke tehnike koje se koriste su korelacija,analiza faktora.
3.2 Opšti principi protokola
Karakteristike koje razlikuju FTIR sisteme iz gasnih analizatora se koriste u
instrumentalnim metodama analize gasa.Računari su nepohodni za dobijanje i analizu
podataka,hemijske koncentracije se mogu kvantifikovati koristeći predhodno snimnjeni
spektar,analitičke predpostavke i rezultate,uključujući moguće smetnje.Sledeći opšti princip su
proverljivost i reprodukcija dobijenih rezultata. Sačuvate sve podatke i tehnike analize podataka
dokumenta dovoljan da omogući samostalan subjekt za reprodukciju analitičkog rezultata iz
sirovog podatka.
3.2.1 Prenos reference spektra
Da bismo utvrdili da li referenca ispunjava uslove mogu da se koriste za anlizu spektara uzorci
uzeti pod različitim uslovima. Da bi se to ostvarilo vrši se snimanje apsorpcionih spektara CTS
pre i odmah nakon snimanja referentnog spektra i spektra uzorka.
3.3 Rezultat FTIR analize
Spektara uzorci uzeti pod različitim uslovima.Da bi se to ostvarilo vrši se snimanje apsorpcionih spektara
CTS pre i odmah nakon snimanja referentnog spektra i spektra uzorka. Tačnost,primenjivost,preciznost
merenja FTIR analize su pod uticajem dva faktora: nezavisnog i zavisnog.
Nezavisni faktor
Primer: sistem konfiguracija i perfomansi kvaliteta,vrsta matematičke analize..Ovi faktori definišu
fundamentalan ograničenja FTIRA.
Zavisni faktori
Primer: spektralne karakteristike preklapanja različitih jedinjenja i kontaminacija na reflektujućim
površinama.
Kalibracija standarda (CTS-a)
Izaberite odgovarajuću kalibraciju CTS-a zadatu u protokolu.
Proizvodi za komercijalno tržište
Hemijske koncetracije za mnoga jdinjenja se mogu dobiti iz različitih nezavisnih
izvora,labaratorija,hemijskih kompanija. Ovi standardi se pripremaju prema EPA protokolu ili NIST
standarda.
Oprobavanje i procedura analize
Analiza sistema montaže i curenja-test. Sastavni sistem analize. Obezbediti dovoljno
vremena za sve sistemske komponente da bi dostigli željenu temperaturu. Zatim, odrediti stopu
curenja(L
R
), zapreminu curenja(V
L
), gde je
V
L
=L
R
×T
SS
Volumen curenja treba da bude ≤ 4% od V
SS
.
Snimanje uzorka spektra
Povezati liniju uzorka ili evakuišu ćeliju apsorpcije na apsolutni pritisak ≤ 5 mmHg pre vađenja uzorka
otpadnih voda iz potoka u ćeliju apsorpcije ili pumpe najmanje deste mobilnih količina kroz ćeliju pre
dobijanja uzorka. Snimite P
S
uzorak pritiska.Generisati spektar absorbancije uzorka.
Određivanje koncetracije analita
3.4 Rezultati posle analize
Kvalitaivno ispitati svaki uzorak spektra,ako se pronađu smetnje dodati ih na listu poznatih
intreferenci.Proveriti da se vrednosti MAU ili FCU ne povećavaju iznad prihvatljivog
5. Reference
“
Polje validacije testa koristeći Fourievu transformaciju infracrvene veze spektrometrije za
merenje fenola i metanola u proizvodnji vune”
U.S. Environmental Protection Agency Report, EPA Contract No. 68D20163, Work Assignment
I-32, September 1994.
“FTIR metod validacije na ugalj kotla”
U.S. Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, NC. Publication No.:
EPA-454/R95-004, NTIS No.: PB95-193199. July, 1993.
“Metod 301-polje validacije merenja zagađenja iz različitog otpada”
Methods from Various Waste Media," 40 CFR part 63, appendix A.
