Overview
מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול
עופרת מתרחשת באופן טבעי בקרקע, ברמות הנעות בין 10-50 ppm. עם זאת, עם השימוש הנרחב בעופרת בצבע ובבנזין בנוסף לזיהום על ידי התעשייה, קרקעות עירוניות לעתים קרובות יש ריכוזים של עופרת גבוהים באופן משמעותי מרמות הרקע - עד 10,000 ppm במקומות מסוימים. בעיות מתמשכות נובעות מהעובדה שעופרת אינה מתכלה, ובמקום זאת נשארת בקרקע.
סיכונים בריאותיים חמורים קשורים להרעלת עופרת, שבה ילדים נמצאים בסיכון גבוה במיוחד. מיליוני ילדים בארה"ב חשופים לאדמה המכילה עופרת. חשיפה זו עלולה לגרום לבעיות התפתחותיות והתנהגותיות אצל ילדים. בעיות אלה כוללות לקויות למידה, חוסר תשומת לב, צמיחה מאוחרת ונזק מוחי. הסוכנות להגנת הסביבה קבעה סטנדרט עופרת בקרקע ב-400 ppm לאזורי משחק ו-1,200 ppm לאזורים שאינם משחקים.
עופרת היא גם דאגה באדמה, כאשר הוא משמש לגינון. צמחים תופסים עופרת מהאדמה. לכן, ירקות או עשבי תיבול הגדלים באדמה מזוהמת יכול להוביל להרעלת עופרת. בנוסף, חלקיקי קרקע מזוהמים ניתן לנשום בזמן גינון או הביא לתוך הבית על בגדים והנעלה. מומלץ כי קרקעות עם רמות עופרת גבוהות מ 400 ppm לא צריך לשמש לגינון. מומלץ עוד כי קרקע עם רמות עופרת בין 100 ל 400 ppm לא לשמש ירקות עלים או עשבי תיבול, כי עופרת ניתן לאחסן בעלים. בנימה דומה, ירקות שורש לא צריך לגדול באדמה זו, כי עופרת יכול גם לצבור שורשים צמחיים.
Principles
ספקטרומטריה לספיגה אטומית (Atomic Absorpti) היא טכניקת ניתוח אלמנטרית המספקת מידע כמותי על למעלה מ-50 יסודות שונים. ריכוזים נמוכים כמו חלקים למיליארד (ppb) ניתן לקבוע עבור אלמנטים מסוימים, עם חלקים למיליון (ppm) להיות נפוץ יותר עבור מתכות שונות. לשיטה זו יש מספר יתרונות על פני אחרים. לדוגמה, טכניקה זו מודדת את הריכוז הכולל של אלמנט, ללא קשר לצורתו. בנוסף, אורך הגל המשמש הוא ספציפי לאלמנט הנבדק, ולכן אין הפרעה של אלמנטים אחרים במדגם, מה שהופך אותו טכניקה מהירה וקלה.
AAS מבוסס על ספיגת אורכי גל נפרדים של אור על ידי אטומים קרקעיים, שלב הגז. מנורת קתודה חלולה משמשת לפלוט אור בתדר הספציפי. אטומים של אלמנטים שונים סופגים אורכי גל אופייניים של אור. האנרגיה הנקלטת מרגשת את האלקטרונים ברכיב המטרה ממצב הקרקע שלהם למצב אנרגיה גבוה יותר. כמות האור הנספגת פרופורציונלית לריכוז היסוד במדגם. באמצעות עקומה סטנדרטית, ניתן לקבוע את ריכוז הרכיב במדגם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. איסוף והכנת קרקעות
- באזורים ללא הפרעה, לאסוף אדמה מן העליון 1-2 סנטימטרים של האדמה. אם אתם טועמים גינות ירק, אספו דגימות עמוקות של 15 ס"מ. השתמש אוגר אדמה כדי לאסוף ליבת קרקע בקוטר 1 אינץ 'מאזור המדגם.
- מערבבים את המדגם ביסודיות על ידי רועד במשך 2 דקות מסננת באמצעות מסננת USS #10.
- ייבשו את האדמה בתנור של 40 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות.
2. עיכול מדגם
- באמצעות איזון אנליטי, לשקול 1 גרם של דגימת הקרקע ומניחים בצינור העיכול. הקלט את משקל המדגם לארבעה מקומות עשרוניים.
- בשכונה, להוסיף 5 מ"ל של מים לצינור העיכול.
- הוסף 5 מ"ל של HNO3 מרוכז לצינור העיכול.
- מערבבים את התסיסה עם מוט ערבוב. מכסים את צינור העיכול עם פקק זכוכית דמעה.
- שים את צינור העיכול בעיכול הבלוק וחמם את המדגם ל 95 °C (70 °F) ורפלוקס במשך 10 דקות ללארותחים (איור 1). זכור כי זה מכיל חומצה מרוכזת.
- תן לצינורות להתקרר. הוסף 5 מל של HNO3 מרוכז לצינור העיכול, להחליף את טיפה, reflux במשך 30 דקות נוספות. אם נוצרים אדים חומים, חזור על שלב זה שוב ושוב עד שלא ניתנים אדים חומים על ידי המדגם.
- לאדות את הפתרון לנפח 5 מ"ל ללא רותחים.
- אפשר הצינורות להתקרר, ולאחר מכן להוסיף 2 מ"ל של מים מזוקקים ו 3 מ"ל של 30% H2O2. לכסות עם פקק זכוכית וחום כדי להתחיל את התגובה מי חמצן. ודא כי הפתרון אינו רותח. מחממים עד שהבעבע מפסיקים ומאפשרים להתקרר.
- ממשיכים להוסיף 30% H2O2 במרווחים של 1 מ"ל, מתחממים עד שהבעבע הוא מינימלי. אל תוסיף יותר מ-10 מ"ל מתוך 30% H2O2.
- מכסים את המדגם עם פקקי דמעות זכוכית ומחממים עד שהנפח מצטמצם ל -5 מ"ל ללא רתיחה.
- הוסיפו HCl מרוכז 10 מ"ל לדגימה וכסו עם פקק דמעת הזכוכית. מחממים ל-95 מעלות צלזיוס ורפלוקס במשך 15 דקות.
- תן לצינורות להתקרר. אם יש חלקיקים, לסנן את המדגם באמצעות מסנן סיבי זכוכית ולאסוף סינון בבקבוק נפחי 100 מ"ל. לדלל את נפח המדגם ל 100 מ"ל עם מים מזוקקים.
איור 1. צינורות עיכול בעיכול בלוק.
3. ניתוח דגימות באמצעות ספקטרומטר ספיגה אטומית
- הפעל את המחשב ואת הספקטרומטר.
- הגדר פרמטרים במכשיר. (פרמטרים ונהלים עשויים להשתנות בהתאם למותג המכשיר המשמש.) הגדר את לחץ האצטילן >700 kPa (~ 100 פסאיי), שסתום אצטילן להגדיר 11 פסאיי, ואת שסתום האוויר 45 פסאיי.
- פתיחת תוכנת SpectraAA
- פתח גליון עבודה חדש.
- בחר "הוסף שיטה" ולחץ על Pb כדי לבצע ניתוח הפניות.
- הגדר פרמטרים מסוג/מצב לדברים הבאים:
- סוג = להבה
- אלמנט = Pb
- מצב דגימה = ידני
- מצב מכשיר = ספיגה
- סוג להבה = אוויר/אצטילן
- זרימת אוויר = 13.5
- זרימת אצטילן = 2.0
- סוג דילול מקוון = SIPS
- הגדר את הפרמטרים 'מידות' לפרמטרים הבאים:
- מצב מדידה = PROMT
- מצב כיול = ריכוז
- כפול: מדידה = 10
- זמנים: השהיית קריאה = 10
- שכפולים: רגיל = 3
- שכפולים: דוגמה = 3
- דיוק (%): סטנדרטי = 1.0
- דיוק (%): מדגם = 1.0
- הגדר את הפרמטרים האופטיים לפרמטרים הבאים:
- מיקום מנורה = #4
- זרם מנורה (mA) = 10.0 mA
- אורך גל = 217.0 ננומטר
- חריץ = 1.0 ננומטר
- רקע = BC כבוי
- הגדר את הפרמטרים SIPS לפרמטרים הבאים:
- קצב ספיגת נבולייזר = 5.0 מ"ל לדקה
- משאבה ימנית = אין
- תוספות סטנדרטיות = בטל את הבחירה
- מצב כיול = ריכוזי יתד אוטומטיים
- כיול משאבה כפולה = בטל את הבחירה
- תחת הכרטיסיה תקנים, רשימת תקנים מאכלסת באופן אוטומטי עבור הבדיקה הספציפית. תקן Pb של 1,000 ppm לספקטרומטריה לספיגה אטומית שנרכשה מחברת אספקה כימית משמש ומדולל באופן אוטומטי על ידי המכשיר. עקומת כיול חדשה נוצרת בכל פעם שפעילה קבוצה חדשה של דוגמאות.
- צא מתפריט עריכת שיטה ולחץ על הכרטיסיה "תוויות". מידע קלט לגבי שמות לדוגמה ומספר הדגימות.
- באמצעות הכרטיסיה "ניתוח", השתמש בלחצן "בחר" כדי לסמן את הדגימות שיש לנתח.
- הפעל את הלהבה על-ידי לחיצה על כפתור ההצתה במכשיר.
- אפס את המכשיר על ידי שאיפת ריק והקשה על המקשים "Alt" ו- "Read" בו-זמנית.
- הנח את צינורות המשאבה בתמיסה הריקה ולחץ על "התחל". לאחר ביצוע הכיול, הנח את צינורות המשאבה במדגם ולחץ על מקש "קרא". המשך עבור כל הדגימות.
- כבה את המכשיר על-ידי לחיצה על לחצן כיבוי ההפעלה האדום במכשיר. כבה את כל מיכלי הדלק והסר את כל הדגימות.
השימוש הנרחב בצבע ובבנזין, יחד עם זיהום תעשייתי, גרמו לרמות גבוהות של עופרת בקרקע העירונית, אשר יכול להוביל לבעיות בריאותיות.
עופרת מתרחשת באופן טבעי בקרקעות, ברמות הנעות בין 10 ל -50 חלקים למיליון, או ppm. עם זאת, קרקעות עירוניות מזוהמות לעתים קרובות יש רמות מרוכזות של עופרת, כי הם גבוהים באופן משמעותי מאשר רמת רקע זו - עד 10,000 ppm באזורים מסוימים. רמות עופרת גבוהות אלה הן דאגה כמו עופרת אינה מתכלה, ובמקום נשאר בקרקע.
סיכונים בריאותיים חמורים קשורים להרעלת עופרת, במיוחד במזונות הגדלים בקרקעות מזוהמות ובילדים שבאים במגע עם זיהום. כתוצאה מכך, הסוכנות להגנת הסביבה קבעה מגבלה של 400 ppm באזורי גינון ומשחק, ו 1,200 ppm באזורים אחרים.
ריכוז העופרת בקרקע ניתן לקבוע באמצעות טכניקות ניתוח אלמנטריות שונות, כגון ספקטרוסקופיית ספיגה אטומית. וידאו זה יציג את עקרונות איסוף הקרקע ואת הניתוח של זיהום עופרת בקרקע באמצעות ספקטרוסקופיית ספיגה אטומית.
ספקטרוסקופיית ספיגה אטומית (באנגלית: Atomic absorpti) היא טכניקת ניתוח יסודית המבוססת על ספיגת אורכי גל נפרדים של אור על ידי אטומים בשלבי גז. בשביל זה, מנורת קתודה חלולה משמשת לפלוט אור עם אורך גל מסוים. המנורה מורכבת קתודה חלולה, המכילה את אלמנט העניין, ואנודה. כאשר אלמנט העניין מיונן על ידי מתח גבוה, הוא פולט אור אורך גל ספציפי לחומר זה.
המדגם, אשר כפי שעוכל בעבר בחומצה מרוכזת, הוא הציג את המכשיר בצורה גזית, באמצעות אטומיזר להבה. אטומים של אלמנט העניין סופגים אור הנפלט מנורת הקתודה החלולה. האנרגיה הנקלטת מרגשת את האלקטרונים ברכיב היעד למצב אנרגיה גבוה יותר. כמות האור הנספגת פרופורציונלית לריכוז היסוד במדגם.
עקומה סטנדרטית, שנוצרה מדגימות עם ריכוזים ידועים של היסוד, משמשת לקביעת הריכוז הלא ידוע של היסוד במדגם. AAS מספק מידע כמותי על לפחות 50 רכיבים שונים. ריכוזים נמוכים כמו חלקים למיליארד ניתן לקבוע עבור אלמנטים מסוימים, אם כי טווחי מדידה של חלקים למיליון הם הנפוצים ביותר עבור מתכות. טכניקה זו יש יתרונות רבים בניתוח של עופרת בקרקע, כפי שהוא מודד את הריכוז הכולל של עופרת, ללא קשר לצורתו.
כעת, לאחר שהוסברו יסודות ניתוח העופרת, הטכניקה תודגם במעבדה.
כדי לאסוף דגימות מאדמות מעובדות כגון גינות ירק, השתמש בעץ. לאסוף את הדגימה, ולהביא אותו בחזרה למעבדה. כדי להכין את דגימת הקרקע לעיכול, לערבב אותו ביסודיות על ידי רועד במשך 2 דקות ולהעביר אותו דרך USS #10 מסננת כדי להסיר נתחים גדולים יותר. יבש את המדגם בתנור 40 °C (40 °F) במשך 24 שעות.
לאחר הייבוש, שקול 1 גרם של המדגם באמצעות איזון אנליטי, רישום משקלו לארבעה מקומות עשרוניים. מניחים את האדמה בצינור עיכול. במכסה המנוע של אדים כימיים, להוסיף 5 מ"ל של מים לצינור העיכול, ואחריו 5 מ"ל של חומצה חנקתית מרוכזת. מערבבים את העכוז באמצעות מוט ערבוב, ומכסים את הצינור עם פקק דמעה. מניחים את צינור העיכול בעיכול הבלוק, לחמם אותו ל 95 °C (70 °F), reflux במשך 10 דקות ללא רותחים.
הסר את המתלה מבלוק החום, ולאפשר את הצינור להתקרר. לאחר מכן, להוסיף עוד 5 מ"ל של חומצה חנקתית מרוכזת, להחליף את פקק, ורפלוקס במשך 30 דקות נוספות. אם נוצרים אדים חומים, חזור על תוספת החומצה והרפלוקס.
הסר את פקק ולתת את הפתרון להתאדות לנפח של 5 מ"ל, ללא רותחים. אפשר הצינור להתקרר, ולאחר מכן להוסיף 2 מ"ל של מים מזוקקים ו 3 מ"ל של 30% מי חמצן. החלף את פקק וחום ל 95 °C (75 °F) עד המבעבע מפסיק, מוודא את הפתרון לא רותח. תן לצינור להתקרר. חזור על מחזור קירור חימום זה, באמצעות 1 מ"ל של 30% מי חמצן כל אחד, עד המבעבע הופך מינימלי.
לאחר הצינור מקורר, לכסות באופן רופף את הצינור עם פקק לחמם את הפתרון מבלי לרתיחה עד הנפח מופחת שוב ל 5 מ"ל. מוסיפים 10 מ"ל של חומצה הידרוכלורית מרוכזת, מחממים ל-95 מעלות צלזיוס, ורפלוקס למשך 15 דקות, ואז נותנים לצינור להתקרר.
כדי להסיר חלקיקים מהפתרון, סנן את הפתרון באמצעות מסנן סיבי זכוכית בהתקנת משפך Büchner. לאחר מכן להוסיף מים מזוקקים לסינון כדי לדלל את נפחו ל 100 מ"ל.
לאחר שהדגימה הוכנה לניתוח, הפעל את המכשיר והתוכנה של AAS. עיין בטקסט לקבלת פרטים על הפרמטרים הניסיוניים. בהדגמה זו, להבת אוויר / אצטילן משמשת עם פרוטוקול עופרת, עם מנורת קתודה חלולה הנפלטת ב 217 ננומטר.
הכן פתרון ריק של חומצה חנקתית, פתרון מדגם, ודוגמה סטנדרטית עופרת 10-ppm. תדליק את הלהבה ותתחיל לנתח את הדגימות. התחל על ידי החדרת צינורות המשאבה לתוך הפתרון הריק על מנת "אפס" את המכשיר. המשך עבור כל הדגימות.
המכשיר מדלל באופן אוטומטי את תקן העופרת כדי ליצור עקומת כיול ולאחר מכן קובע באופן אוטומטי את ריכוז העופרת בכל מדגם שנמדד. בהדגמה זו, מדגם 100 מ"ל נמצאה שיש ריכוז של 6 מ"ג / ליטר, או 0.6 מ"ג בסך הכל. באמצעות המסה של דגימת הקרקע הראשונית לפני העיכול, ריכוז העופרת באדמה נמצא 479 ppm. זה מעל הרמה המומלצת על ידי המשרד לאיכות הסביבה לגידול יבולים.
ניתוח עופרת ואלמנטים אחרים עם AAS יכול לשמש כדי לענות על מגוון רחב של שאלות במדעי הסביבה. גורלם של תרכובות מסוכנות אחרות החלות על קרקעות, כגון דשנים או חומרי הדברה, אינו מובן היטב. עם זאת, תרכובות אלה יכולים להוות סכנות אם הם מגיעים למקורות מים דרך נגר הקרקע. בניסוי זה, החוקרים ניתחו שכבות של אדמה שחולצו ממדשאה שטופלו בחומרי הדברה באמצעות AAS.
התוצאות הראו כי מונוסודיום מתיל ארנאט שטיפה דרך שכבות של אדמה לעומקים של 40 ס"מ. הרעלים נשארו בתוך האדמה במשך למעלה משנה, במיוחד במערכות קרקע עם שורשים מבוססים מעשב דשא.
מקור מרכזי נוסף לזיהום מתכות כבדות בסביבה הוא כספית, המצטברת בדגים וברכיכות. סוכנויות רגולטוריות שונות חוקקו קווים מנחים או ייעוץ כדי למזער את הצריכה האנושית של כספית. דגימות המתקבלות מפירות ים ניתן לנתח עם AAS כדי לקבוע אם רמות הכספית שלהם עולה על המלצות משפטיות.
לבסוף, גופים רגולטוריים, כגון הסוכנות האמריקאית להגנת הסביבה, או המשרד לאיכות הסביבה, פרסמו ייעוץ למתכות כולל עופרת, אבץ, נחושת, ניקל, קדמיום ומנגן במים. AAS יכול לשמש כדי לנתח את רמת היסודות המתכתיים במי שתייה, אשר יכול להיות השפעות מסוכנות על בריאות האדם. דגימות מי שתייה מוכנות לניתוח על ידי עיכול חומצה ורתיחה.
לאחר מכן נותחו דגימות לזיהום מתכת באמצעות AAS. התוצאות הראו כי מי השתייה הכילו פחות מ 2 ppb של עופרת, הרבה מתחת למגבלת המשרד לאיכות הסביבה של 15 ppb.
הרגע צפית בסרטון של JoVE על ניתוח עופרת של אדמה באמצעות AAS. כעת עליכם להבין את העקרונות העומדים מאחורי שיטת ניתוח זו; כיצד לבצע את זה; וחלק מהיישומים שלה במדעי הסביבה. כמו תמיד, תודה שצפית!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
התוכנה יוצרת את עקומת הכיול וקובעת באופן אוטומטי את ריכוז ה- Pb בדגימות (איור 2).
איור 2. עקומת הכיול וריכוז ה- Pb בדגימות נקבעים באופן אוטומטי על ידי התוכנה.
הערכים שניתנו בגליון העבודה הם mg/L של Pb בפתרון לדוגמה. יש לבצע חישובים נוספים כדי להמיר מספר זה ל- ppm של Pb בדגימת הקרקע.
דוגמה:
עבור מדגם קרקע ששקל 1.2523 גרם לפני העיכול נמדד על ידי AAS יש 6.0 מ"ג / ליטר של Pb במדגם פתרון 100 מ"ל (טבלה 1).
| רמת עופרת קרקע (ppm) | רמת זיהום |
| פחות מ-150 | אף אחד לא נמוך מאוד |
| 150-400 | נמוך |
| 400-1,000 | בינוני |
| 1,000-2,000 | גבוה |
| גדול מ- 2,000 | גבוה מאוד |
טבלה 1. רמות עופרת הקרקע נמדדות ב- ppm וברמות הזיהום המתאימות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ספקטרומטריה לספיגה אטומית היא טכניקה שימושית לניתוח מגוון רחב של דגימות סביבתיות(למשל,מים, אדמה, בוצה ומשקעים) עבור מספר רב של אלמנטים(למשל,מתכות כבדות). ניסוי זה מדגיש את השימוש בלהבה AAS כדי לקבוע את תוכן Pb באדמה. עם זאת, זה יכול לשמש גם כדי למדוד ריכוזים של Cu, פה, Mn, K, Na, Mg, ו Zn בקרקעות.
אבץ הוא מיקרונוטריאנט חשוב ונדרש לסינתזת חלבונים. Zn מסייע לווסת את הביטוי של גנים הדרושים כדי להגן על תאים כאשר בתנאי לחץ סביבתיים. מחסור באבץ הוא בעיה גדולה בצמחי יבול ומרעה ברחבי העולם, וכתוצאה מכך ירידה בתפוקה. ההערכה היא כי מחצית מכל הקרקעות המשמשות לייצור דגנים יש מחסור באבץ. זה מוביל למחסור באבץ בתבואה. כתוצאה מכך, מחסור באבץ בבני אדם הוא בעיה תזונתית חמורה ברחבי העולם, המשפיעה על שלל מאוכלוסיית העולם. טווח טיפוסי של אבץ בקרקעות הוא 10 – 300 מ"ג/ק"ג עם ממוצע של 55 מ"ג/ק"ג.
ברזל הוא היסוד הרביעי הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ. עם זאת, הוא נמצא בעיקר בצורות שאינן זמינות עבור צמחים, כגון מינרלים סיליקט או תחמוצות ברזל. ברזל מעורב בפוטוסינתזה, היווצרות כלורופיל, קיבוע חנקן ותגובות אנזימטיות רבות בצמחים. מחסור בברזל באדמה הוא נדיר, אבל זה יכול להיות זמין בקרקעות אלקליין יתר על המידה. הסימפטומים של מחסור בברזל בקרקע כוללים עלים שהופכים צהובים וירידה בתפוקה. טווח אופייני של ברזל בקרקעות הוא 100 - 100,000 ppm עם ממוצע של 26,000 ppm.
נחושת היא מיקרונוטריאנט חיוני לצמחים. נחושת מקדמת ייצור זרעים, ממלאת תפקיד בהיווצרות כלורופיל, וחיונית לפעילות אנזימים. מחסור בנחושת ניתן לראות על ידי עלים ירוקים בהירים עד צהובים. קצות העלים מתים בחזרה ומתעוותים. אם המחסור חמור מספיק, הצמיחה של התבואה יכולה להפסיק והצמחים מתים. נחושת זמינה בקרקעות יכולה להשתנות בין 1 ל 200 ppm. זמינות הנחושת קשורה ל- pH הקרקע – ככל שה- pH עולה, הזמינות של נחושת פוחתת.
ספקטרומטריה לספיגה אטומית יכולה לשמש גם על דגימות שאינן סביבתיות, כולל:
ניתוח מים (Ca, Mg, Fe, Al, Ba, Cr)
ניתוח מזון (CD, Pb, Al, Cu, Fe)
תוספים בשמנים (Ba, Ca, Na, Li, Zn, Mg, V, Pb, Sb)
דשנים (K, B, Mo)
דגימות קליניות (דם, סרום, פלזמה, שתן, Ca, Mg, Li, Na, K, Fe, Cu, Zn, Au, Pb)
קוסמטיקה (Pb)
כרייה (Au)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Robinson, J.W., Skelly Frame, E.M., Frame II, G.M. Undergraduate Instrumental Analysis. 6th Ed. Marcel Dekker, New York (2005).
- United States Environmental Protection Agency. “Lead based paint poisoning prevention in certain residential structures.” CFR 40 Part 745. http://www.ecfr.gov. (2015).
