1.12: Analiza ołowiu gleby za pomocą atomowej spektroskopii absorpcyjnej

1. Zbieranie i przygotowanie gleby

1. W niezakłóconych obszarach zbierz ziemię z górnych 1-2 cali gleby. Jeśli pobierasz próbki z ogrodów warzywnych, zbierz próbki o głębokości 6 cali. Użyj świdra glebowego, aby zebrać rdzeń gleby o średnicy 1 cala z obszaru próbki.
2. Dokładnie wymieszać próbkę, wstrząsając przez 2 minuty i przesiać przez sito USS #10.
3. Suszyć glebę w piekarniku o temperaturze 40 °C przez 24 godziny.

2. Trawienie próbki

1. Za pomocą wagi analitycznej odważyć 1 g próbki gleby i umieścić ją w probówce do wytrawiania. Zapisać masę próbki z dokładnością do czterech miejsc po przecinku.
2. W kapturze dodaj 5 ml wody do rurki wytrawiającej.
3. Dodaj 5 ml skoncentrowanego HNO₃ do probówki wytrawiającej.
4. Wymieszaj gnojowicę za pomocą pręta mieszającego. Przykryj rurkę do wytrawiania szklanym korkiem w kształcie łzy.
5. Umieścić rurkę wytrawiającą w komorze fermentacyjnej bloku i podgrzać próbkę do 95 °C i pozostawić w chłodnicy zwrotnej przez 10 minut bez gotowania (Rysunek 1). Pamiętaj, że zawiera stężony kwas.
6. Pozwól rurkom ostygnąć. Dodaj 5 ml skoncentrowanego HNO₃ do probówki wytrawiającej, wymień szklankę z kroplami i odłączaj przez dodatkowe 30 minut. Jeśli wytwarzane są brązowe opary, należy powtarzać ten krok w kółko, aż próbka nie będzie wydzielać brązowych oparów.
7. Odparować roztwór do objętości 5 ml bez gotowania.
8. Pozwól probówkom ostygnąć, a następnie dodaj 2 ml wody destylowanej i 3 ml 30% H₂O₂. Przykryj szklanym korkiem i podgrzej, aby rozpocząć reakcję nadtlenkową. Upewnij się, że roztwór nie kipi. Podgrzewaj, aż ustanie bulgotanie i pozostaw do ostygnięcia.
9. Kontynuuj dodawanie 30% H₂O₂ w odstępach co 1 ml, podgrzewając, aż bulgotanie będzie minimalne. Nie dodawaj więcej niż łącznie 10 ml 30% H₂O₂.
10. Przykryj próbkę szklanymi korkami w kształcie łezki i podgrzewaj, aż objętość zmniejszy się do 5 ml bez gotowania.
11. Dodać 10 ml stężonego HCl do próbki i przykryć szklanym korkiem w kształcie łzy. Podgrzać do 95 °C i chłodnicę zwrotną przez 15 minut.
12. Pozwól rurkom ostygnąć. Jeśli występują cząstki stałe, przefiltrować próbkę za pomocą filtra z włókna szklanego i zebrać filtrat w kolbie miarowej o pojemności 100 ml. Rozcieńczyć objętość próbki do 100 ml wodą destylowaną.

Rysunek 1. Rurki wytrawiające w komorze fermentacyjnej blokowej.

3. Analiza próbek za pomocą spektrometru absorpcji atomowej

1. Włącz komputer i spektrometr.
2. Ustaw parametry na instrumencie. (Parametry i procedury mogą się różnić w zależności od marki używanego instrumentu.) Ustaw ciśnienie acetylenu na >700 kPa (~100 psi), zawór acetylenowy na 11 psi, a zawór powietrza na 45 psi.
3. Otwórz oprogramowanie SpectraAA
4. Otwórz nowy arkusz.
5. Wybierz "Dodaj metodę" i kliknij Pb, aby przeprowadzić analizę leadów.
6. Ustaw parametry Typ/Tryb na następujące:
   1. Typ = płomień
   2. Element = Pb
   3. Tryb próbkowania = ręczny
   4. Tryb instrumentu = absorbancja
   5. Rodzaj płomienia = Powietrze/Acetylen
   6. Przepływ powietrza = 13.5
   7. Przepływ acetylenu = 2,0
   8. Typ rozcieńczalnika online = SIPS
7. Ustaw parametry Measurements (Pomiary) na następujące:
   1. Tryb pomiaru = PROMT
   2. Tryb kalibracji = Koncentracja
   3. Czasy: Pomiar = 10
   4. Czasy: Opóźnienie odczytu = 10
   5. Repliki: Standardowy = 3
   6. Powtórzenia: próbka = 3
   7. Precyzja (%): Standardowa = 1,0
   8. Precyzja (%): próbka = 1,0
8. Ustaw parametry optyczne na następujące:
   1. Pozycja lampy = #4
   2. Prąd lampy (mA) = 10.0 mA
   3. Długość fali = 217,0 nm
   4. Szczelina = 1,0 nm
   5. Tło = BC wyłączone
9. Ustaw parametry SIPS na następujące:
   1. Szybkość wchłaniania nebulizatora = 5,0 ml/min
   2. Prawa pompa = brak
   3. Standardowe dodatki = odznacz
   4. Tryb kalibracji = Automatyczne ustawianie stężeń standardowych
   5. Kalibracja podwójnej pompy = odznacz
10. Na karcie Standardy automatycznie wypełnia się lista norm dla danego testu. Wzorzec 1000 ppm Pb do atomowej spektrometrii absorpcyjnej zakupiony od firmy zajmującej się dostawami chemikaliów jest używany i automatycznie rozcieńczany przez urządzenie. Nowa krzywa kalibracyjna jest generowana za każdym razem, gdy uruchamiany jest nowy zestaw próbek.
11. Wyjdź z menu Edytuj metodę i kliknij zakładkę "Etykiety". Wprowadź informacje dotyczące nazw próbek i liczby próbek.
12. Korzystając z zakładki "Analiza", użyj przycisku "Wybierz", aby podświetlić próbki do analizy.
13. Włącz płomień, naciskając przycisk zapłonu na instrumencie.
14. Wyzeruj instrument, zasysając półfabrykat i naciskając jednocześnie klawisze "Alt" i "Read".
15. Umieść rurkę pompy w ślepym roztworze i naciśnij "Start". Po wykonaniu kalibracji umieść rurkę pompy w sample i naciśnij przycisk "Odczyt". Kontynuuj dla wszystkich próbek.
16. Wyłącz instrument, naciskając czerwony przycisk wyłączania na instrumencie. Wyłącz wszystkie zbiorniki gazu i usuń wszystkie próbki.

Powszechne stosowanie farb i benzyny, wraz z zanieczyszczeniami przemysłowymi, spowodowało podwyższony poziom ołowiu w glebie miejskiej, co może prowadzić do problemów zdrowotnych.

Ołów występuje naturalnie w glebie, w stężeniach od 10 do 50 części na milion lub ppm. Jednak zanieczyszczone gleby miejskie często mają skoncentrowane poziomy ołowiu, które są znacznie wyższe niż ten poziom tła - w niektórych obszarach do 10 000 ppm. Ten podwyższony poziom ołowiu jest problemem, ponieważ ołów nie ulega biodegradacji, a zamiast tego pozostaje w glebie.

Zatrucie ołowiem wiąże się z poważnymi zagrożeniami dla zdrowia, szczególnie w żywności uprawianej na skażonych glebach oraz dla dzieci, które mają kontakt z zanieczyszczeniem. W rezultacie Agencja Ochrony Środowiska ustaliła limit 400 ppm w ogrodnictwie i na placach zabaw oraz 1200 ppm w innych obszarach.

Stężenie ołowiu w glebie można określić za pomocą różnych technik analizy pierwiastkowej, takich jak atomowa spektroskopia absorpcyjna. W tym filmie przedstawimy zasady zbierania gleby i analizy zanieczyszczenia gleby ołowiem za pomocą atomowej spektroskopii absorpcyjnej.

Atomowa spektroskopia absorpcyjna lub AAS to technika analizy elementarnej oparta na absorpcji dyskretnych długości fal światła przez atomy fazy gazowej. W tym celu stosuje się pustą lampę katodową, która emituje światło o określonej długości fali. Lampa składa się z pustej katody, zawierającej interesujący nas pierwiastek, oraz anody. Kiedy interesujący go pierwiastek jest jonizowany przez wysokie napięcie, emituje światło o długości fali specyficznej dla tej substancji.

Próbka, która została wcześniej wytrawiona w stężonym kwasie, jest następnie wprowadzana do urządzenia w postaci gazowej za pomocą rozpylacza płomieniowego. Atomy interesującego pierwiastka pochłaniają światło emitowane przez pustą lampę katodową. Pochłonięta energia wzbudza elektrony w elemencie docelowym do wyższego stanu energetycznego. Ilość pochłoniętego światła jest proporcjonalna do stężenia pierwiastka w próbce.

Krzywa wzorcowa, utworzona z próbek o znanych stężeniach pierwiastka, służy do określenia nieznanego stężenia pierwiastka w próbce. AAS dostarcza informacji ilościowych na temat co najmniej 50 różnych elementów. Dla niektórych pierwiastków można określić stężenia tak niskie, jak części na miliard, chociaż zakresy pomiarowe części na milion są najbardziej powszechne w przypadku metali. Technika ta ma wiele zalet w analizie ołowiu w glebie, ponieważ mierzy całkowite stężenie ołowiu, niezależnie od jego formy.

Teraz, gdy podstawy analizy ołowiu zostały wyjaśnione, technika zostanie zademonstrowana w laboratorium.

Aby pobrać próbki z gleb uprawnych, takich jak ogrody warzywne, użyj świdra do gleby. Zbierz próbkę i przynieś ją z powrotem do laboratorium. Aby przygotować próbkę gleby do trawienia, należy ją dokładnie wymieszać, potrząsając przez 2 minuty i przepuścić przez sito USS #10, aby usunąć większe kawałki. Wysuszyć próbkę w 40 ? Piec C przez 24 godziny.

Po wysuszeniu odważyć 1 g próbki za pomocą wagi analitycznej, zapisując jej wagę z dokładnością do czterech miejsc po przecinku. Umieść glebę w probówce do wytrawiania. W dygestorium chemicznym dodaj 5 ml wody do rurki wytrawiającej, a następnie 5 ml stężonego kwasu azotowego. Wymieszaj gnojowicę za pomocą pręta mieszającego i przykryj rurkę korkiem w kształcie łzy. Umieścić rurkę wytrawiającą w komorze fermentacyjnej bloku, podgrzać ją do 95 ? C i refluks przez 10 minut bez gotowania.

Wyjmij stojak z bloku grzewczego i pozwól rurze ostygnąć. Następnie dodaj kolejne 5 ml stężonego kwasu azotowego, załóż korek i pozostaw refluks na dodatkowe 30 minut. Jeśli powstają brązowe opary, powtórz dodawanie kwasu i refluks.

Zdjąć korek i pozostawić roztwór do odparowania do objętości 5 ml, bez gotowania. Pozostaw probówkę do ostygnięcia, a następnie dodaj 2 ml wody destylowanej i 3 ml 30% nadtlenku wodoru. Wymień korek i podgrzej do 95 ? C, aż bulgotanie ustanie, upewniając się, że roztwór nie wykipi. Poczekaj, aż rurka ostygnie. Powtórz ten cykl grzania-chłodzenia, używając po 1 ml 30% nadtlenku wodoru, aż bulgotanie stanie się minimalne.

Po schłodzeniu probówki luźno przykryć ją korkiem i podgrzewać roztwór bez gotowania, aż objętość ponownie zmniejszy się do 5 ml. Dodać 10 ml stężonego kwasu solnego, podgrzać do 95 ° C i refluks przez 15 minut, a następnie pozwól probówce ostygnąć.

Aby usunąć wszelkie cząstki stałe z roztworu, przefiltruj roztwór za pomocą filtra z włókna szklanego w konfiguracji lejka B?chnera. Następnie dodać wodę destylowaną do filtratu, aby rozcieńczyć jego objętość do 100 ml.

Po przygotowaniu próbki do analizy włącz przyrząd AAS i oprogramowanie. Szczegółowe informacje na temat parametrów eksperymentalnych można znaleźć w tekście. W tej demonstracji użyto płomienia powietrzno-acetylenowego z protokołem ołowiowym, z pustą lampą katodową emitującą prąd o długości fali 217 nm.

Przygotować ślepą próbę roztworu kwasu azotowego, roztwór próbki i próbkę wzorcową ołowiu o stężeniu 10 ppm. Włącz płomień i rozpocznij analizę próbek. Zacznij od włożenia rurki pompy do ślepego roztworu w celu "wyzerowania" przyrządu. Kontynuuj dla wszystkich próbek.

Przyrząd automatycznie rozcieńcza wzorzec ołowiu w celu wytworzenia krzywej kalibracyjnej, a następnie automatycznie określa stężenie ołowiu w każdej mierzonej próbce. W tej demonstracji stwierdzono, że próbka o objętości 100 ml ma stężenie 6 mg/l, czyli łącznie 0,6 mg. Na podstawie masy początkowej próbki gleby przed fermentacją stwierdzono, że stężenie ołowiu w glebie wynosi 479 ppm. Jest to powyżej poziomu zalecanego przez EPA dla uprawy roślin.

Analiza ołowiu i innych pierwiastków za pomocą AAS może być wykorzystana do udzielenia odpowiedzi na różne pytania w naukach o środowisku. Los innych niebezpiecznych związków, które są stosowane w glebie, takich jak nawozy czy pestycydy, nie jest dobrze poznany. Jednak związki te mogą stanowić zagrożenie, jeśli dotrą do źródeł wody poprzez spływ gleby. W tym eksperymencie naukowcy przeanalizowali warstwy gleby pobrane z trawnika poddanego działaniu pestycydów za pomocą AAS.

Wyniki pokazały, że pestycyd arsenian metylu monosodu przenikał przez warstwy gleby na głębokość 40 cm. Toksyny pozostawały w glebie przez ponad rok, zwłaszcza w systemach glebowych z zakorzenionymi korzeniami z trawy darniowej.

Innym głównym źródłem zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi jest rtęć, która gromadzi się w rybach i skorupiakach. Różne agencje regulacyjne wprowadziły wytyczne lub zalecenia mające na celu zminimalizowanie spożycia rtęci przez ludzi. Próbki uzyskane z owoców morza mogą być analizowane za pomocą AAS w celu określenia, czy ich poziom rtęci przekracza zalecenia prawne.

Wreszcie, organy regulacyjne, takie jak amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA), opublikowały zalecenia dotyczące metali, w tym ołowiu, cynku, miedzi, niklu, kadmu i manganu w wodzie. AAS może być używany do analizy poziomu pierwiastków metalicznych w wodzie pitnej, które mogą mieć niebezpieczny wpływ na zdrowie ludzkie. Próbki wody pitnej przygotowuje się do analizy przez mineralizację kwasową i gotowanie.

Próbki zostały następnie przeanalizowane pod kątem zanieczyszczenia metalami za pomocą AAS. Wyniki wykazały, że woda pitna zawierała mniej niż 2 ppb ołowiu, znacznie poniżej limitu EPA wynoszącego 15 ppb.

Właśnie obejrzałeś film JoVE na temat analizy ołowiu gleby za pomocą AAS. Powinieneś teraz zrozumieć zasady stojące za tą metodą analizy; jak to wykonać; i niektóre z jego zastosowań w naukach o środowisku. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!