Analýza půdy

Pár dat o půdě .... velmi heterogenní soubor látek, které se nalézají na zemském povrchu Pevný povrch země – 150 milionů km2 ČR – 3100 m2 / 1 obyvatel orné půdy ubývá – povrchové doly, stavební činnost, znehodnocování kontaminací kontinuální znečišťování  překročení „sorpční kapacity půdy“  projeví se v podzemních vodách problémy s dekontaminací – drahé, obtížně technicky zvládnutelné

Vzorkování půdy jeden z nejobtížnějších úkolů analýzy nepravidelná distribuce analytu ve vzorkovaném místě – horizontálně i vertikálně koncentrace závisí na typu půdy, rozp. analytu ve vodě (resp. rozdílem v afinitách k vodě a půdě), degradace způsobená odvodněním půdy, mikrobiologická aktivita

Vzorkování neznámého místa pole, skládka ... nutno získat údaje o heterogenitě – orientační vzorkování – předběžná analýza několika z nich: - pokud jsou heterogenní nutno analyzovat i ostatní nástroje k odběru – rýč, spirálovitý vrták Trubkový vzorkovač odběr  terénní vzorek (často) přímo na místě – promísení, kvartace  laboratorní vzorek (transport)

Označení vzorku číslo vzorku a jméno kdo odebíral datum označení místa odběru (mapka, plánek) velikost, typ vrtáku ev. odběrové trubky hloubka odběru popis typu půdy hloubka hladiny spodní vody (pokud je známa) dále – teplota, srážky, způsob obdělání pole

Úprava vzorku v laboratoři vz. se zbaví hrubých nečistot - kamení, dřevo, tráva sušení, přesívání – dříve síto s oky 2 mm moderně – sušení lyofilizací a síto 160 mm rozdělení laboratorního vzorku do několika analytických vzorků jeden z a.v. sušení do konst. hmotnosti - přepočet výsledků na suchou půdu postup od terénního vzorku k analytickým je spojen se vznikem chyby

Chyby způsobené úpravou vzorku .... celkový rozptyl výsledků S... rozptyl výsledků daný úpravou vzorku m... rozptyl výsledků daný analýzou ? .... analýza série vzorků m... opakované analýzy 1 lab. vzorku

Chyby způsobené úpravou vzorku pokud nemá cenu „pilovat analytiku“ a je potřeba věnovat zvýšenou pozornost správnosti odběru a procesu terénní  analytický vzorek jiná možnost správné analýzy v dané lokalitě - složený vzorek – větší počet individuálně odebraných vzorků se spojí a homogenizuje

Vztah rozptylu a odchylky Jak počet vzorků (N) ovlivňuje rozptyl výsledků ?? Jak jej ovlivňuje hmotnost (velikost) vzorku (m) ?? KS ... vzorkovací konstanta ev. nebo: KS, A, B .... experimentálně, 2 soubory vzorků (jeden 10x větší m než druhý  vypočítat sS – pak řešení dvou rovnic o dvou neznámých

... a co ukázala praxe ... pro analýzu tak heterogenního materiálu jako je půda – 20 –30 laboratorních vzorků

Kontaminanty v půdách anorganické – těžké kovy - nejčastěji Hg, Cd, Pb – problémy s extrakcí - kationty kt. nejsou pevně vázány ve křemičitanové matrici - pevně vázané  rozklad HF - „speciace kovů“ – rozdílné toxicita různých forem organické radioaktivní

Extrakce anorganických kontaminantů třepání vzorku s extrakčním roztokem 50 mM roztok EDTA (75 ml na15 g půdy) 0,5 M kyselina octová (800 ml na 20 g půdy) ISO: extrakce lučavkou královskou za varu extrakce 2 M HNO3 analýza v extraktech  AAS

Přehled vybraných kovů Rtuť typické koncetrace v půdě: 0,1 mg.g-1. Vyšší koncetrace – okolí Prahy Analýza – technika studených par rtuti: výbojka promývačka se vzorkem (extraktem) Teflonová kyveta Sušička monochromátor fotonásobič

Kadmium typická koncentrace – 0,5 mg/g vedle EDTA se použil ještě hexamethylendithiokarbamát (HAHDC) extrakce do organického rozpouštědla - butylacetát

Olovo typická koncetrace 20 mg/g extrakce kys. octová ,EDTA pro prekoncetraci – HAHDC+BuOAc - plamenová AAS elektrotermická – etrakce dithizonem + CHCl3 Pb

Měď typická koncentrace – 20 mg/g zvýšení koncentrace – vinice – pesticidy s obsahem mědi AAS

Speciace sloučenin arsenu separace s využitím LC a CE spojení se spektrálními technikami methylarsonová k. dimethylarsinová k. trimethylarsin oxid arsinobetain arsenocholin

Provedení speciace extrakce – směs MeOH:voda 1:1 (opakovaná!) odpaření, rozp. ve vodě, filtrace analýza LC-ICP-MS (ev. AES) (rozhraní – hydraulický zmlžovač nebo generátor hydridů – As  AsH3) chromatografické kolony – anexy MF: fosfátový pufr, pH=6 nebo katex, MF roztok pyridinu

Metabolizace v lidském organismu

Separace na anexu koncentrace 10 ng/ml MF: NaOH 5 - 50 mM det. ICP-MS

Separace na katexu MF: 70 mM kys. dusičná

Cín odkud se berou: 1. ochranné nátěry lodí 2. trubky z PVC (stabilizační systém, dibutylcín maleát) 3. fungicidní prostředky (bis(tributylcín) oxid) analýzy v půdách a sedimentech vodních ploch obecný tvar organocíničitých sloučenin: RnSnX4-n (R= alkyl, aryl; X=Cl-, O2-, OH-) dibutylcín acetát

Toxicita organocíničitých sloučenin Sloučenina Letální dávka LD50 (krysa orálně) mg/kg tetrabutylcín > 4000 tributylcín acetát 125 trifenylcín acetát dibutylcín acetát 110 butylcín trichlorid 2200 polarita tetraalkylderivátů je malá, tri, di a mono alkylderiváty – polární - iontové

Analýza organocíničitých sloučenin v půdě (a sedimentech) extrakce – do organického rozpouštědla - nutno převést polární látky do nepolárního komplexu chelatační činidlo – tropolon (v benzenu) diethyldithiokarbamát (pentanový extrakt z okyseleného dedk) Tropolon diethyldithiokarbamát sodný

derivatizace extraktu Grignardovým činidlem (n-pentylmagnesium bromid)  vznikají tetraalkylované deriváty  nepolární, těkavé stanovení: Separace GC (nepolární, ev. mírně polární fáze) identifikace z retenčních časů Online detekce – ICP – AES – ICP – MS (identifikace jednotlivých látek)

Organické kontaminanty v půdách insekticidy, herbicidy lokální znečištění – ropné produkty (havárie) chlorované dibenzodioxiny a dibenzofurany polycyklické aromáty a polychlorované bifenyly

Analýza organických kontaminantů v půdách Extrakce půdy rozpouštědlem rozpouštědlo nejlépe rozpouštějící analyt ... similia similibus solventur... - často z manuálu nebo zkušenosti objektivní posouzení rozpustnsti: parametr rozpustnosti d podle Hildebranda: DUv ... molární výparná energie Vm ... molární objem

Hodnoty parametru rozpustnosti pro rozpouštědla Rozpouštědlo d [MPa1/2] dd do db da Pentan 7,1 Diethylether 7,4 6,7 2 Ethylacetát 8,6 7,0 3 Benzen 9,2 0,5 Propanol 10,2 7,2 2,5 4 Nitromethan 11,0 7,3 8 1 Acetonitril 11,8 6,5 Methanol 12,9 6,2 5 7,5 d-disperzní interakce, o-dipólová, b-bazicita (schopnost přijímat proton), a-acidita (odšť protonu) d ≈ polarita; rozpustnost je tím lepší, čím bližší jsou si hodnoty d

Další kriteria pro volbu extrakčního činidla extrakci ovlivňuje sorpce na povrchu tuhých částic – rozpuštění nebo jiná vazba v dalších složkách vzorku  rozrušování nebo částečný rozklad vzorku (matrice) při extrakci (nebo před) látky acidobazické povahy – výtěžnost je ovlivněna alkalizací nebo okyselením vzorku (nebo extrakčního činidla) – protolytická rovnováha selektivita extrakce – při dobré extrakci analytu by se balastní látky měly extrahovat co nejméně volbu rozpouštědla ovlivní i typ půdy

Ovlivnění chemické stability látky při extrakci termicky labilní látky – extrakce jen za pokojové (nebo dokonce snížené) teploty látky náchylné k oxidaci – extrakce v inertní atmosféře (nebo stabilizátory) fotosenzitivní látky – „extrakce ve tmě“

Efektivita extrakce urychlení extrakce – ultrazvukové lázně, extrakce za varu – pod zpětným chladičem třepání, vortexing Soxhletova extrakce

Novější verze – Soxtec (Tecator) odpaření rozpouštědla (koncentrace extraktu) extrakce horkým rozpouštědlem extrakce chladným rozpouštědlem

Extrakce tekutinou v nadkritickém stavu tekutina v nadritickém stavu = „velmi hustý plyn velmi dobrá rozpouštěcí schopnost pro širokou paletu látek nízká viskozita – vysoké difuzní koeficienty = příznivá kinetika extrakce chemický potenciál extrahované složky v plynné fázi s rostoucím tlakem rychle klesá a její zadržování v tuhé fázi je nepatrné extrakce zkapalněným plynem (CO2, N2O, SF6, chlorodifluoromethan)

Schéma přístroje statická a dynamická extrakce

Uvolnění analytu zahřátím – těkavé látky 1. statický head-space jednoduché uspořádání práce v rovnováze mezi analyzovaným vzorkem a plynnou fází v uzaveném systému; temperace odběr vzorku (běžně 1-2ml) plynotěsnou stříkačkou

Po ustavení rovnováhy platí: (mi)G a (mi)L – hmotnosti složky v odpovídajících fázích (ri)L a (ri)G hmotnostní koncentrace v příslušných fázích, VL objem kap. fáze Pro distribuční poměr Dc,i platí: (ri)G  GC určení Dc,i ???

Jak obejít Dc,i ???? veškerý analyt do plynné fáze – ne vždy jde systém uzpůsobit Dc,i  0 příprava modelového referenčního systému - „modelování Dc,i , resp. (VG+Dc,iVL)“ - ne vždy lze reálný vzorek dobře modelovat metoda standardního přídavku - předpoklad – malý přídavek analytu neovlivní systém tak moc, aby došlo ke změně Dc,i !!!

Pár poznámek ke statickému head-space ... dosažení rovnováhy lze urychlit pohybem kapaliny – míchání, třepání (neplatí pro pevný vzorek) ztráty na pryžovém septu – teflonová fólie atd. nástřik 1 ml je pro kapilární kolony moc  kryofokusace vstupu kolony – kap. dusík a následné bleskové odpaření – elektricky, přehřátý plyn ....

Extrakce plynem se zakoncentrováním na tuhém sorbentu (dynamický head space) A-otevřený systém jednodušší kontaminace z plynu A-uzavřený systém (nekomunikuje s okolím) z kolonky – tepelná desorpce do GC

Kolonka pro zachycení organických látek Náplň Sorbované složky Tenax GC silikagel aktivní uhlí 3% SP-2100/Chromosorb WAW těkavé halogenované a aromatické uhlovodíky,vinylchlorid, CCl2F2, chlormethan, brommethan Tenax TA aromatické uhlovodíky, akrolein, akrylonitril NE pro vinylchlorid CH3Cl, CH3Br, CCl2F2 Porapak N aromatické uhlovodíky

Polycyklické aromatické uhlovodíky v půdách výskyt – koksovny, plynárny, okolí silnic, železniční tratě (10 – 100 mg/kg) nejčastější forma úpravy vzorku 1. rozetření vzorku s bezvodým Na2SO4 2. extrakce nepolárním rozpouštědlem (hexan, cyklohexan) – Soxhlet, sonifikace, třepání - bez přídavku Na2SO4 – směsné rozpouštědlo (jedna složka mísitelná s vodou) – cyklohexan - aceton nebo superkritická extrakce analytická metoda  GC, GC-MS

Chlorované dioxiny a dibenzo furany extrakce – hexan – aceton vytřepávání KOH (5 M), destilovaná voda, kys. sírová a znovu dest. voda odpaření, rozp. v hexanu čištění sloupcovou chromatografií: dvě kolonky v sérii: 1. kolonka: vrstvy – síran sodný, silikagel, silikagel s 33% NaOH, silikagel s 3,3% AgNO3, aktivní silikagel -eluce hexanem 2. kolonka – alumina a bezv. síran sodný -eluce směsí – hexa-dichlormethan odpaření dosucha ředění oktanem – analýza

Herbicidy a fenoly zejména „agro“vzorky extrakce herbicidů z půdy zkoncentrování analytu a přečištění koncentrátu vlastní stanovení extrakce – přednostně Soxhlet (termolabilní herbicidy – třepání) zkoncentrování – odpaření dosucha nebo 20-30% původního objemu (směsná rozpouštědla s vodou) nebo SPE (např. Separon) koncovka GC/NPD, GC/MS

Koncovka MS – ionizace elektronem chloroderiváty – izotopy negativní chemická ionizace (reakční směs – dichlormethan-isobutan + 2% kyslíku nebo methan) GC-MS

Schéma NPD

GC-NPD herbicidů v půdě C. Sánchez-Berunette, et. al, Journal of Chromatography A, 823 (1998) 17-24.

Vybrané parametry sledované v rámci (zemědělského) rozboru půdy Výměnné pH parametr charakterizující aciditu půdy extrakce roztokem KCl v ultrazvukové lázni měření pH: pokud je pH<6,5  titrace NaOH – ze spotřeby NaOH – potřeba vápnění: Tun CaO/ha = spotřeba.0,5 Tun CaCO3/ha = spotřeba.0,9

Stanovení přijatelného draslíku K+ patří k základním živinám zvyšuje asimilační schopnosti rostlin, odolnost proti vymrzání a chorobám má být v rovnováze s Na+ dostatečná zásoba v půdě (160 – 180 mg K+ na 1kg půdy) princip:vytěsnění iontu z iontoměničového půdního komplexu směsí octanu a šťavelanu amonného koncovka – plamenová fotometrie (kalibrační křivka)

Stanovení přijatelného hořčíku Mg – regulace fotosyntézy eluce – roztok CaCl2 (utrazvuk nebo třepání, 1 hodinu) koncovka AAS nebo fotometrie (titanová žluť)

Stanovení přijatelného fosforu P – regulace růstu (zpomalování) urychlení nasazování plodů a zrání podporuje kvetení dostatečná zásoba: 250 mg P2O5 /kg eluce – roztok mléčnanu vápenatého fotometrie fosfomolybdenové modři (690 nm) slepý vzorek !!!

Dusík v půdě N – živina nutná pro tvorbu rostlinných bílkovin a chlorofylu podmiňuje růst rostlin přijatelné formy pro rostliny – amoniakový, amidový, nitrátový dusík (výjimkou jsou motýlokvěté – luštěniny) analytická kontrola – celkový dusík, NH4+, NO3-

Stanovení dusičnanů eluce – roztok K2SO4 filtrace koncovka – fotometricky – Nesslerovo činidlo, nitrace fenolů ISE