Analyysitekniikat

ASE-uuttolaitteisto (nopeutettu liuotinuutto)
AOX-analysaattori
Automaattinen titraattori
CE-UV (capillaarielektroforeesi)
Jatkuvan virran analysaattori (CFA)
CV-AAS
CV-AFS
Diskreetti analysaattori
Alkuaineanalysaattori
EOX/TX -analysaattori
FAAS
Fluoresenssi
FTIR
GC
GC-FID/ECD
Korkean resoluution GC-MS
Korkean resoluution ICP-SFMS
Korkean resoluution gammaspektrometri
HPLC
IC (ionikromatografi)
ICP-AES
ICP-MS
ICP-QMS
ICP-SFMS
ITP-UV-VIS (kapillaari-isotakoforeesi)
Laser partikkelikoko -analysaattori
LC-MS-MS
Nestetuikelaskin
Alhaistaustainen alfa/beta (laskin/laskuri)
Microtox-analysaattori
NaI(Tl) gammaspektrometri
PCM/SEM-EDAX
Tuikeanalysaattori
Tuike-emanometri
SEM
TOC-analysaattori
TOC/TNb-analysaattori
UV-VIS -spektrofotometri

Puhdastilatekniikka – metallianalyysi
Vedenpuhdistus
Hapon tislaus
Näyteastioiden puhdistus


ICP-AES

ICP-AES tarkoittaa induktiivisesti kytkettyä plasma-atomiemissiospektrometriaa. Plasma muodostuu argonkaasusta, joka virtaa radiotaajuuskentän läpi ja pysyy osittain ionisoituneena, eli kaasu sisältää varattuja hiukkasia. Se saavuttaa tällöin erittäin korkean lämpötilan, jopa noin 10 000 °C. Korkeassa lämpötilassa useimmat alkuaineet säteilevät valoa niille tunnusomaisilla  aallonpituuksilla, joita mittaamalla voidaan tehdä pitoisuusmäärityksiä.
Analysoitava näyte viedään plasmaan pienistä nestepisaroista koostuvana aerosolina. Eri alkuaineista peräisin oleva valo jaetaan eri aallonpituuksiin hilan avulla ja rekisteröidään valoherkillä detektoreilla. Tällä tavoin voidaan samanaikaisesti määrittää jopa nelisenkymmentä alkuainetta. ICP-AES on siis monialkuainemenetelmä. Herkkyydeltään ICP-AES vastaa suunnilleen liekkiatomiabsorptiota, eli havaitsemisrajan suuruusluokka on yleensä µg/l vesiliuoksessa.

ICP-QMS

ICP-QMS-tekniikassa käytetään samanlaista plasmaa kuin ICP-AES:ssä, mutta tässä menetelmässä sitä käytetään alkuaineiden ionointiin, ja ionit erotetaan massan ja varauksen suhteen perusteella massaspektrometrilla. Tällä tavoin voidaan erottaa näytteen eri alkuaineet (ja niiden luonnolliset isotoopit) ja määrittää niiden pitoisuudet.
ICP-MS-menetelmän keskeinen osa on väliosa (interface), jonka kautta ionit viedään plasmasta massaspektrometrin korkeavakuumikammioon. ICP-MS:ssä yhdistetään ICP:n (yksinkertainen ja nopea näytteen käsittely) ja massaspetrometrian (suuri herkkyys, isotooppien mittaus) ominaisuuksia monialkuainemenetelmässä. Useimpien alkuaineiden havaitsemisrajat ovat paljon pienemmät kuin ICP-AES-menetelmässä. Joidenkin alkuaineiden havaitsemisrajan suuruusluokka on ng/l vesiliuoksessa.

ICP-SFMS

ICP-SFMS:n avulla voidaan analysoida suoraan tiettyjä hankalia näytteitä, joiden tutkiminen ei onnistu tavanomaisella ICP-MS:llä (ICP-QMS). Menetelmien ero on ”massasuodattimen” rakenteessa. Suodattimen avulla erotellaan toisistaan massaltaan erilaiset isotoopit/alkuaineet. ICP-SFMS-menetelmässä käytetään magneettisektoreita ja sähköstaattisia sektoreita niin sanotun kvadrupolin sijasta, jota käytetään vastaavaan tarkoitukseen ICP-QMS-menetelmässä. Sektori-instrumentilla voidaan erotella massaltaan paljon lähempänä toisiaan olevia hiukkasia kuin kvadrupolilla.
Tekniikkaa kutsutaan siksi myös korkean resoluution ICP-MS:ksi (HR-ICP-MS). Suuren erottelutarkkuuden ansiosta voidaan välttää tietyissä näytetyypeissä, kuten merivedessä ja biologisissa näytteissä, esiintyviä häiriöitä. Sellaisilla näytelajeilla tai alkuaineilla, joilla ei esiinny tällaisia häiriöitä, voidaan käyttää pienemmän erottelukyvyn ICP-SFMS-menetelmää. Havaitsemisrajat ovat tällöin huomattavasti alemmat kuin ICP-QMS-menetelmällä. Joillakin alkuaineilla suuruusluokka on pg/l.

Fluoresenssi

Atomifluoresenssia (AFS) käytetään elohopean määritykseen kylmähöyrystyksen jälkeen sekä seleenin ja arsenikin määritykseen hydridinmuodostuksen jälkeen. Fluoresenssispektrometriassa hyödynnetään ICP-AES:n tavoin atomien valoemissiota. Sitä ei kuitenkaan saada aikaan lämmön avulla vaan kyseiselle alkuaineelle tyypillisen aallonpituuden valolla, jota atomit absorboivat ja sen jälkeen lähettävät.  Menetelmä on erittäin herkkä. Elohopealla havaitsemisrajan suuruusluokka vedessä on ng/l.

Kultaloukku
Instrumentin määritysherkkyyttä voidaan parantaa erityisen lisälaitteen avulla. Kylmähöyrystyksen jälkeen elohopeahöyry kerätään kultaloukkuun, jolloin elohopeasta muodostuu kullan kanssa amalgaamia. Lopuksi tehtävässä mittauksessa kultaloukkua kuumennetaan ja elohopeahöyry siirtyy AFS-detektoriin argonkaasun avulla.

AFS:n täydentämistä kultaloukulla suositellaan elohopeapitoisuuksilla, jotka vastaavat tai ovat lähellä pinta-, pohja- ja meriveden luonnollisia taustatasoja. Olemme kokeellisesti määrittäneet kvantitatiivisen määrityksen (10 s) alarajaksi 0,3 ng/l.

HPLC

HPLC eli nestekromatografia sopii parhaiten sellaisten haihtumattomien yhdisteiden erotteluun, jotka ovat termisesti epävakaita tai joilla on reaktiivisia tai varautuneita ryhmiä. Näyte ruiskutetaan näytteensyöttöventtiilin (silmukan) avulla liikkuvaan faasiin (neste), joka viedään kolonnin läpi. Tällöin eri aineet erottuvat toisistaan.

Kolonnin (stationaarifaasi) ja/tai liikkuvan faasin sisältöä vaihtelemalla voidaan muodostaa erilaisia erotusjärjestelmiä. Kaasukromatografiaan verrattuna liikkuvalla faasilla on HPLC-menetelmässä tärkeä merkitys erottelussa. Esimerkiksi metanoli, vesi ja asetonitriili ovat tavallisia liikkuvassa faasissa käytettäviä aineita.

Useimmat HPLC-menetelmässä käytettävät detektorit perustuvat johonkin optiseen periaatteeseen. Menetelmässä mitataan virtauskyvetin kautta kulkevan valonsäteen valonvoimakkuuden vaihtelua. UV-detektori on tavallisin detektorityyppi (UV = ultraviolettisäteily). Sen avulla tutkitaan yhdisteitä, joilla on voimakas UV-absorptio, esimerkiksi aromaattisia yhdisteitä. UV-detektoreita on erityyppisiä. Esimerkkeinä mainittakoon diodirividetektori ja skannaavat UV-detektorit (jotka kattavat koko spektrin).

Fluoresenssidetektoria käytetään fluoresoiviin yhdisteisiin tai yhdisteisiin, jotka on saatu fluoresoiviksi johdannaisia valmistamalla. Se voi olla jopa 1000 kertaa herkempi kuin UV-detektori. Lisäksi suuren spesifisyyden ansiosta tausta (liuotin tai epäpuhtaudet) aiheuttaa vähemmän häiriöitä. Ympäristökemiassa yleinen käyttöalue on polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen (PAH) toteaminen.

GC

Kaasukromatografissa (GC) näytettä (1–5 µl) höyrytetään injektorissa ja näyte viedään kaasuvirrassa kolonnin läpi, jolloin aineet erottuvat toisistaan. Erottuneet piikit rekisteröidään detektorilla. Käytössä on kahdentyyppisiä kolonneja, pakattuja ja kapillaarikolonneja. Ympäristöanalyyseissa käytetään nykyään pääasiassa kapillaarikolonneja. Kolonnin sisäläpimitta on yleensä noin 0,1–0,3 millimetriä ja pituus 25–60 metriä.

FID eli liekki-ionisaatiodetektori on yleisin kaasukromatografiassa käytetty detektori. Kolonnista eluoituneet aineet poltetaan vety-ilmaliekissä, jolloin ne ionisoituvat. Erityisesti C-H-sidokset ionisoituvat, joten FID on herkkä orgaanisille yhdisteille. Herkkyys on verrannollinen hiiliatomien lukumäärään. FID:tä kutsutaankin toisinaan ”hiililaskuriksi”. Tämän detektorin etuja ovat sen suuri herkkyys ja laaja lineaarinen alue. Sen epäspesifisyys on haittapuoli silloin, kun analysoidaan vain muutamia, pitoisuudeltaan vähäisiä aineita kompleksisessa näytteessä.

ECD on elektroninsieppausdetektori. Sillä on suuri herkkyys ja selektiivisyys halogenoiduille yhdisteille, joita ovat esimerkiksi klooratut pestisidit ja PCB. Kolonnista eluoituvat aineet kulkevat radioaktiivisen (usein Ni-63) kalvon ohi, joka emittoi beetasäteilyä. Kantajakaasu (esim. typpi) ionisoituu. jolloin syntyy taustavirran muodostavia elektroneja. Elektronegatiiviset aineet, kuten halogeenit, sieppaavat elektroneja, mistä aiheutuu mitattavissa oleva sähkövirran heikkeneminen. ECD on herkkä myös orgaanisille peroksideille ja typpiyhdsteille. Haittapuolena on lineaarisen alueen kapeus.

GC-MS-menetelmässä ”MS” tarkoittaa massaspektrometriaa, jota käytetään tässä detektorina. Massaspektrometrian avulla todetaan kolonnista eluoituva aine ja samalla saadaan myös paljon tietoa aineen rakenteesta massaspektrin pilkkoutumiskuvion avulla. Kolonnista eluoituneet aineet ionisoituvat ionilähteessä. Pysyvien orgaanisten ympäristömyrkkyjen analyysissä käytettävät kaksi tavallisinta ionisaatiomenetelmää ovat EI (elektroni-ionisaatio) ja ECNI (kemiallinen ionisaatio, jolla saadaan negatiivisia ioneja). Ionisoituneet molekyylit ja/tai fragmentit erotellaan massa-varaussuhteen (m/z) avulla. Herkkyyden ja selektiivisyyden lisäämiseksi voidaan mitata muutamia spesifisiä korkeaintensiteettisiä ioneja (GC-MS-SIM).

FTIR

IR-spektroskopian (IR = infrapuna) avulla voidaan tunnistaa ja kvantifioida sekä orgaanisia että epäorgaanisia aineita. Infrapunavalon aallonpituusalue on 700 nm – 1 mm. Sitä ei näe paljain silmin, mutta se tuntuu lämpösäteilynä iholla.

 

Molekyylit voivat muodon ja koostumuksen mukaan absorboida tietyille aallonpituuksille asettuvan säteilyn energiaa. Infrapunasäteilyn avulla molekyyleissa voidaan saada aikaan tiettyjä värähtelyjä ja rotaatioita. Analysoimalla absorption esiintymiskohta aallonpituusalueella ja sen intensiteetti voidaan tunnistaa ns. funktionaalisia ryhmiä ja myös kvantifioida niitä (ks. kuvio). Tämän mittaustekniikan etuna on se, että voidaan tehdä kvantitatiivisia analyyseja pienistäkin näytemääristä.

SEM

Pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM) on menetelmä, jolla tutkitaan pintoja ja hiukkasia huomattavasti suurennettuina. Nykyaikaisella laitteella voidaan saavuttaa jopa 500 000-kertainen suurennos.  Useimmissa sovelluksissa käytetään kuitenkin huomattavasti pienempää suurennosta, tavallisesti 5000-kertaista.

Pintojen ominaisuuksien tutkimisen lisäksi voidaan myös laskea ja luonnehtia kuituja ja hiukkasia ilmansuodatinnäytteistä. SEM-tekniikasta saadaan vieläkin tehokkaampi liittämällä siihen röntgen, jolloin voidaan suoraan analysoida hiukkasen tai kuidun pääkomponentit. Energiat mitataan säteilystä energiadispersiivisellä röntgenspektrometrillä (EDS). Tällä menetelmällä voidaan monien alkuaineiden pitoisuudet määrittää aina 0,2 prosenttiin asti hiukkasista, jotka voivat olla vain muutaman neliömikrometrin kokoisia.

Puhdastilatekniikka – metallianalyysi

Tavallisessa laboratoriossa yksi kuutiometri ilmaa sisältää tyypillisesti noin 30 miljoonaa hiukkasta, läpimitaltaan 0,5–100 mikrometriä. Puhdastilassa on yleensä vain muutama tuhat hiukkasta kuutiometriä kohti. Siten puhdastilatekniikka ehkäisee analyysinäytteiden kontaminoitumista (pilaantumista), ja sen käyttö on usein välttämätöntä erittäin pienten pitoisuuksien analysoinnin yhteydessä.

Vahvojen happojen käyttö näytteiden ja liuosten valmistuksessa aiheuttaa erityisen kontaminaatioriskin analyysilaboratoriossa, sillä happohöyryt syövyttävät metalliesineitä. Tällöin syöpyneiltä pinnoilta voi vapautua metallipitoisia hiukkasia.

ALS Scandinavian metallien ja muiden alkuaineiden määrityslaboratoriossa koko ylin kerros on puhdastilaa. Materiaalit, ilmanvaihto ja sisustus on suunniteltu niin, että ympäristön ja käyttäjien aiheuttama sekä näytteiden välinen kontaminaatio on mahdollisimman vähäistä. Puhdastilassa

  • työpöydät on valmistettu puusta ja tiskipöydät sekä vetokaapit muovista
  • metalliosien käyttöä vältetään (hanat jne. ovat muovia) tai ne peitetään tai suojamaalataan niin, etteivät ne ole paljaana
  • metallipohjaisten maalien ym. käyttöä vältetään
  • laboratoriossa käytetään erityistä suojavaatetusta
  • pölyä kerääviä kohteita vältetään (esim. kaapelit ja johdot ovat sisäänrakennettuja)
  • työtasot ym. on sijoitettu suodatettuun ilmavirtaan nähden toimivasti
  • tilassa on ympäristöön nähden ylipaine

Tuloilmaa suodatetaan kaiken aikaa erikoistehokkailla hiukkassuodattimilla (HEPA-suodattimet). Ne suodattavat 0.3 mikrometrin kokoisista ja suuremmista hiukkasista 99.99 prosenttia. Poistoilma viedään ulos erityisten lattia-aukkojen kautta. Puhdasilmakaappien avulla työtasoille saadaan vielä puhtaampaa ilmaa. Niitä voidaan käyttää erityisen kontaminaatioherkissä työvaiheissa.

Puhdastilavaatteet (haalari, kengät ja päähine) puetaan ylle ennen varsinaiseen erikoispuhtaaseen tilaan siirtymistä.

Puhdastilassa on kaikki analyysi-instrumentit. Niissä on tietysti runsaasti metallia, mutta kontaminaatiota ehkäistään eristämällä näytevirrat inertteihin materiaaleihin ja eristämällä instrumentit ympäristöstä suojamaalattujen koteloiden ja kuorien avulla.

Vedenpuhdistus

Hivenainelaboratoriossa tarvitaan erikoispuhdasta vettä esimerkiksi valmistettaessa kalibrointistandardeja, joiden metallipitoisuudet ovat pieniä ja kontrolloituja. Tavallisessa vesijohtovedessä on suuria pitoisuuksia monia eri aineita, joten se ei sovi useimpiin laboratoriosovelluksiin. Siksi se puhdistetaan monivaiheisessa prosessissa, jolloin saadaan puhtaudeltaan erilaisia laatuluokkia:

  1. Laboratoriovesi (johtavuus enintään 10 µS/cm). Vesijohtovesi suodatetaan hienosuodattimella ja puhdistetaan sitten käänteisosmoosilla ja ioninvaihdolla Elix-tyyppisillä laitteilla. Tätä vettä käytetään pääasiassa analyysiastioiden puhdistamiseen. Osa laboratoriovedestä siirretään puhdistusvaiheeseen 2.
  2. Milli-Q-vesi. Vaiheen 1 jälkeen vesi puhdistetaan aktiivihiilisuodatuksella ja ioninvaihdolla (System Millipore Milli-Q). Tällä vedellä on laboratoriossa monia käyttökohteita, kuten näytteiden laimennus, liuosten valmistus jne. Sen laatua tarkkaillaan ICP-SFMS-yleisanalyysillä. Tällöin paketissa V-2 aineiden pitoisuuksien lisämetalleineen on oltava raportointirajojen alapuolella.  Puhdistusta jatketaan vaiheessa 3.
  3. Tislattu vesi (sub-boiling distillation) Vaiheen 2 jälkeen vesi tislataan pintahöyrystysmenetelmällä (sub-boiling distillation) teflonissa (komponenttien toimittaja Savillex corp.) Tällöin vedestä saadaan puhdistetuksi muun muassa neutraalit metallikompleksit, joita ei saada pois ioninvaihdolla. Tätä vettä käytetään kaikkein suurinta puhtautta edellyttävissä analyyseissa (ultra-trace analysis). Sitä käytetään myös referenssinä (blankkona) vaiheen 2 veden ja tislatun hapon tarkistuksessa.

Hapon tislaus

Happoja, etenkin typpihappoa, käytetään metallien stabilointiin vesiliuoksissa sekä kiinteiden näytteiden uuttamiseen tai liuottamiseen. Useimmissa instrumenttimittauksissa käytetään typpihappoa laimennettuna, jolloin sen puhtausvaatimukset ovat yhtä tiukat kuin käytettävän veden.

Näytteiden ja liuosten valmistuksessa pro analysi  laatu on alin hyväksytty puhtausaste kaupallisesti saatavilla hapoilla. Tämä laatu on melko hyvä, ja mukana on selvitys tuotteen epäpuhtauksien enimmäispitoisuuksista. Vaativimpia sovelluksia varten pro analysi  laatuista typpihappoa puhdistetaan kuitenkin vielä lisää laboratoriossa. Menetelmänä on sub-boiling distillation kvartsilaitteessa.

Menetelmä eroaa tavallisesta tislauksesta siten, että neste ei kiehu vaan  ainoastaan höyrystyy pinnasta ja tiivistyy sitten. Tällä tavoin vältytään roiskeilta ja pisaroilta, jotka voisivat liata tisleen. Lisäksi kvartsista vapautuu lasiin verrattuna huomattavasti vähemmän metalleja. Happo säilytetään teflonpulloissa.

Hapon puhtaus tarkistetaan joka tislauskerran jälkeen yleisanalyysilla ICP-SFMS:llä. Paketissa V-2 aineiden pitoisuuksien lisämetalleineen on oltava raportointirajojen alapuolella (laimennuskorjauksen jälkeen), ennen kuin happo hyväksytään käyttöön.

Näyteastioiden puhdistus

Vesinäytepullot 125 ml, LD-polyeteeni
Käytetään ainoastaan uusia, käyttämättömiä pulloja. Puhdistukseen kuuluu

  • Liuotus lämpimässä puolikonsentroidussa suolahapossa ja huuhtelu deionoidulla vedellä.
  • Liuotus laimennetussa typpihapossa ja huuhtelu Milli-Q-vedellä.

Pullojen puhtaus tarkistetaan joka pesukerran jälkeen seuraavasti. Pullot täytetään erikoispuhtaalla 1-prosenttisella typpihapolla (vastaa hapotettua vesinäytettä) ja niiden annetaan seistä vähintään vuorokauden ajan. Sen jälkeen sisältö analysoidaan ICP-SFMS:llä (yleisanalyysi). Alkuaineiden pitoisuuksien paketissa V-2 lisämetalleineen on tällöin oltava raportointirajojen alapuolella (Al ja Fe: alle 1 µgl-1), jotta pullot voidaan hyväksyä käyttöön. Puhdistusmenetelmä perustuu ruotsalaiseen standardiin SS 02 81 94 (Provtagning av naturvatten för bestämning av spårmetaller, ”Näytteenotto luonnonvesistä hivenmetallien määritystä varten”).

Putket 10 ml verta ja seerumia varten, polystyreeni, polyeteenitulpat
Käytetään ainoastaan uusia, käyttämättömiä putkia. Puhdistukseen kuuluu

  • Liuotus 10-prosenttisessa typpihapossa ja huuhtelu Milli-Q-vedellä.
  • Liuotus puhdastilassa 5-prosenttisessa typpihapossa (Suprapur).

Virtsanäytepullot, katso Vesinäytepullot 125 ml