Method development for the speciation of metals with atomic absorption spectrometry and flow injection analysis techniques

1° Κεφάλαιο: Στην εργασία αυτή περιγράφεται η ανάπτυξη μιας πρωτότυπης, σχετικά απλής, ευαίσθητης και εκλεκτικής μεθόδου, η οποία βρίσκει εφαρμογή στο σύγχρονο προσδιορισμό των ιόντων Cr(III) και Cr(VI)- υπό τη μορφή Ο^Ογ2- με χρήση της τεχνικής της ανάλυσης με έγχυση δείγματος σε συνεχή ροή(Ρ.Ι.Α). Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στη χρησιμοποίηση της ιδιότητας του οργανικού αντιδραστηρίου, (2-α-πυριδυλ)θειοκιναλδιναμιδίου(Ρ.Τ.(3.Α) να οξειδώνεται εκλεκτικά από το Cr(VI) σε ισχυρά όξινο περιβάλλον προς ένα εντόνως φθορίζον προϊόν, με χαρακτηριστικά μήκη κύματος διεγέρσεως (λεΧ=360 nm) και εκπομπής (λειη=500 run), ενώ η ανηγμένη του μορφή δε φθορίζει. To Cr(III) δε δίνει την αντίδραση παρά μόνο αφού οξειδωθεί σε Cr(VI). Η οξείδωση αυτή επιτυγχάνεται εν ροή στο σύστημα της F.I.A, με την επίδραση αλκαλικού διαλύματος meta-υπεριωδικού νατρίου. Το προϊόν της οξείδωσης Cr(VI), αντιδρά με το P.T.Q.A εκπέμποντας ακτινοβολία φθορισμού με τα ίδια χαρακτηριστικά όπως προηγουμένως. Κατά συνέπεια το μετρούμενο σήμα οφείλεται, την πρώτη φορά στη δράση αποκλειστικά του Cr(VI), ενώ τη δεύτερη στη δράση του συνολικού χρωμίου μετά την οξείδωση του Cr(III) σε Cr(VI). Έτσι το Cr(III) μπορεί να προσδιοριστεί έμμεσα από τη διαφορά των δύο σημάτων. Για την εύρεση των βέλτιστων πειραματικών συνθηκών, μελετήθηκαν διάφορες αναλυτικές παράμετροι, οι οποίες επηρεάζουν τόσο το υπό μελέτη σύστημα όσο και τη διάταξη της F.I.A. Έτσι μελετήθηκε η επίδραση της οξύτητας, οι ταχύτητες ροής των διαφόρων διαλυμάτων, ο όγκος του εγχεόμενου δείγματος, η θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις των αντιδραστηρίων και η παρεμποδιστική δράση διαφόρων ουσιών. Ως συνέπεια της μελέτης αυτής κατασκευάστηκαν καμπύλες αναφοράς στην περιοχή συγκεντρώσεων 0,1-10 μ^ιηΐ για το Cr(VI) και 0.1 - 1,0 μ^ηιΐ για το Cr(III). Η προτεινόμενη μέθοδος ελέγχθηκε για την αξιοπιστία της, με την εκτέλεση πειραμάτων ανάκτησης του Cr από διάφορα πιστοποιημένα υλικά αναφοράς(φύλλα ροδάκινου, ιζήματα, τέια). Εφαρμόσθηκε επίσης στον ταυτόχρονο προσδιορισμό Cr(III) - Cr(VI), σε διάφορα περιβαλλοντικά ύδατα(μεταλλικό νερό, νερό βρύσης και απεσταγμένο), σε δείγματα τροφίμων (τοματοχυμός) καθώς και σε συνθετικά μίγματα. Με τη μέθοδο αυτή δίνεται η δυνατότητα ανάλυσης περίπου 30 δειγμάτων την ώρα, με μια σχετική ακρίβεια 0,1 - 2%. 2° Κεφάλαιο: Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η ανάπτυξη της τεχνικής του σημείου νεφέλωσης (Cloud Point) και η προσαρμογή της στην ειδοταυτοποίηση μεταλλικών στοιχείων. Τα προς ανάλυση είδη αντιδρούν με κατάλληλους, οργανικούς συνήθως υποκασταστάτες σχηματίζοντας ομοιοπολικά μοριακά σύμπλοκα, τα οποία λόγω του υδρόφοβου χαρακτήρα τους εγκλωβίζονται μέσα στα μικύλλια της επιφανειοδραστικής ουσίας. Ειδικότερα γίνεται ειδοταυτοποίηση ιχνοποσοτήτων Cr(III) και Cr(VI) σε δείγματα, με σκοπό την ανάλυση δειγμάτων με σύνθετα υποστρώματα, όπως το θαλασσινό νερό. Η ειδοταυτοποίηση του Χρωμίου πραγματοποιείται με συμπλοκοποίηση του Cr(VI) και του Cr(III) με τα κοινά συμπλεκτικά αντιδραστήρια πυρρολιδίνο-διθειοκαρβαμιδικό αμμώνιο(ΑΡϋΟ) και 8-Υδροξυκινολίνη(8Ήζ)) και εγκλωβισμό των υδρόφοβων συμπλοκών στα μικύλλια του μη ιονικού τασενεργού Triton Χ-114, που σχηματίζονται με τη μέθοδο του σημείου νεφέλωσης. Για τον ποσοτικό προσδιορισμό χρησιμοποιείται φλογοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης. Μελετήθηκαν σχολαστικά διάφορες παράμετροι, που επηρεάζουν τόσο το σχηματισμό των συμπλοκών και των μικυλλίων όσο και την απόδοση της εκχύλισης και του διαχωρισμού των ειδών του χρωμίου. Με πρότυπα διαλύματα Cr(III) και Cr(VI) έγιναν καμπύλες αναφοράς, ενώ ταυτόχρονα προσδιορίστηκαν και οι συντελεστές προσυγκέντρωσης. Οι περιοχές γραμμικότητας που προέκυψαν είναι 5-130 μ§ L"1 για το Cr(III) και 2-85 μ§ L"1 για το Cr(VI). Τα αντίστοιχα όρια ανίχνευσης των δύο ειδών είναι 1,4 και 0,65 μg L'1. Η παρεμποδιστική δράση διαφόρων μεταλλικών ιόντων αλλά και άλλων αντιδραστηρίων, που απαντούν σε πραγματικά δείγματα χρωμίου μελετήθηκε με τη μέθοδο των μικτών διαλυμάτων. Οι συντελεστές ανάκτησης της μεθόδου κυμαίνονται από 96-104%, ενώ η τυπική της απόκλιση είναι 2,2% [η=5 για 10 μ§ L'1 Cr(III) ή Cr(VI)]. Η εφαρμογή της μεθόδου σε πραγματικά δείγματα έδωσε πολύ καλά αποτελέσματα επιτρέποντας τον προσδιορισμό σε επίπεδα κοντά στο 1 μg L"1 με φλογοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης, στην οποία το όριο ανίχνευσης για τον προσδιορισμό του χρωμίου χωρίς προσυγκέντρωση είναι περίπου 100 μ§ L"1. Είναι έτσι φανερό, ότι αξιοποιείται η δυνατότητα προσυγκέντρωσης του Cr(VI) κατά 120 και του Cr(III) κατά 75 φορές σε σχέση με τη συγκέντρωσή τους στα αρχικά δείγματα. 3° Κεφάλαιο: Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η τοξικότητα του χρωμίου εξαρτάται από τη μορφή, στην οποία βρίσκεται και ειδικότερα από την οξειδωτική του κατάσταση. Στο κεφάλαιο αυτό προτείνεται μια μέθοδος για την ανάλυση ειδοταυτοποίησης των σταθερών οξειδωτικών καταστάσεων του χρωμίου με χρήση ενός μόνο αντιδραστηρίου μετά από εκχύλιση και προσυγκέντρωση μέσω νεφελωμάτων. Η διαφοροποίηση των δύο οξειδωτικών καταστάσεων γίνεται με απλή μεταβολή του pH και προσθήκη αιθυλενοδιαμινοτετραοξικού οξέος (EDTA). Το αντιδραστήριο που χρησιμοποιήθηκε είναι το πυρρολιδινοδιθειοκαρβαμιδικό αμμώνιο(^ιηοηπιηι pyrolidinedithiocarbamate, APDC), το οποίο με κατάλληλη ρύθμιση των πειραματικών συνθηκών αντιδρά μόνο με το Cr(VI) ή και με τις δύο μορφές σχηματίζοντας υδρόφοβα σύμπλοκα. Τα σύμπλοκα αυτά εγκλωβίζονται, απομονώνονται και προσυγκεντρώνονται στα μικύλλια μιας τασενεργού ουσίας (Triton Χ-114). Η μικυλλιακή φάση, μετά την απομόνωση και διαλυτοποίησή της σε μεθανόλη, εισάγεται στη φλόγα ενός καυστήρα ατομικής απορρόφησης και ανάλογα με την πορεία απομόνωσης που έχει ακολουθηθεί, μετρείται το Cr(VI) ή το συνολικό Cr. To Cr(III) υπολογίζεται από τη διαφορά, του Cr(VI) από το συνολικό χρώμιο. Λόγω της αλληλεπίδρασης των διαφόρων παραμέτρων, οι οποίες επηρεάζουν τη διάκριση των δύο μορφών του χρωμίου και τη βέλτιστη απόδοση της προτεινόμενης μεθόδου, παράλληλα με την συνήθη μονοπαραμετρική προσέγγιση έγινε σχεδιασμός μιας πολυπαραμετρικής μελέτης ώστε να εκτιμηθούν οι παραπάνω αλληλεπιδράσεις. Στις βέλτιστες συνθήκες που δημιουργήθηκαν, έγιναν καμπύλες αναφοράς κοινές πλέον και για τα δύο είδη χρωμίου. Σε αυτές τις καμπύλες αναφοράς η περιοχή γραμμικότητας ήταν 2-100 μ§ L'1 και τα όρια ανίχνευσης 0,6 μ§, L'1. Πιστοποίηση της αξιοπιστίας της προτεινόμενης τεχνικής έγινε με πειράματα ανάκτησης σε περιβαλλοντικά και βιολογικά δείγματα, τα οποία έδωσαν πολύ καλές αποδόσεις (96-107%) και με ανάλυση πιστοποιημένων υλικών αναφοράς. 4° Κεφάλαιο: Στην εργασία αυτή εφαρμόσθηκε μια πρωτότυπη μέθοδος για τη διαφοροποίηση και τον εκλεκτικό προσδιορισμό των οξειδωτικών καταστάσεων του χρωμίου. To Cr(III) αντιδρά με την 8-Υδροξυκινολίνη σε ένα διάλυμα, το οποίο περιέχει μια τασενεργό ουσία και σχηματίζει ένα υδρόφοβο μοριακό σύμπλοκο, το οποίο εγκλωβίζεται στα μικύλλια του τασενεργού ‘εν τω γεννάσθαΓ. Στην περίπτωση του Cr(VI), που δεν αντιδρά με την 8-υδροξυκινολίνη, αξιοποιείται η αναγωγή του σε Cr(III) παρουσία θειωδών ιόντων και στη συνέχεια η συμπλοκοποίησή του από την 8-Υδροξυκινολίνη. Για να επιτευχθεί αυξημένη ταχύτητα ανάλυσης και μεγάλη ευαισθησία η όλη διαδικασία προσαρμόστηκε σε ένα σύστημα ροής με έγχυση δείγματος και φθορισμομετρική ανίχνευση. Το φθορίζον σύστημα επιλέχθηκε κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτρέπει αξιόπιστα τον ταυτόχρονο προσδιορισμό Cr(III), Cr(VI) και συνολικού Cr, σε επίπεδα που βρίσκονται κάτω από το όριο του μ§ L'1 και συγκεκριμένα 0,2 μg L'1. Η συνολική διαδικασία είναι απλή και επιτρέπει τον προσδιορισμό χωρίς ιδιαίτερη προσπάθεια ή επικινδυνότητα σε φυσικά και φαρμακευτικά δείγματα, ενώ είναι ανεπηρέαστη από την παρεμπόδιση μεγάλου αριθμού ανιόντων και κατιόντων. 5° Κεφάλαιο: Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται μια εξαιρετικά ευαίσθητη και απλή μεθοδολογία για την ανάλυση ειδοταυτοποίησης του χρωμίου στην +3 και την +6 οξειδωτική κατάσταση. Η μέθοδος βασίζεται στον συνδυασμό του προσδιορισμού του χρωμίου με χημειοφωταύγεια και της προσυγκέντρωσης με την τεχνική της εκχύλισης με τη βοήθεια μικυλλιακών νεφελωμάτων. Η διαφοροποίηση των δύο ειδών του χρωμίου επιτυγχάνεται μέσω των διαφορετικών συνθηκών, στις οποίες αυτά αντιδρούν με το πυρρολιδινο-διθειοκαρβαμιδικό αμμώνιο(ΑΡϋΟ), ενώ ο διαχωρισμός γίνεται με την εκχύλιση σημείου νεφέλωσης, ταυτόχρονα με μια προσυγκέντρωση της τάξης των 50. Οι συνδυασμένοι παράγοντες που επηρεάζουν την εκχύλιση και την παραγωγή του χημειοφωταυγούς σήματος βελτιστοποιήθηκαν αναφορικά με ένα σύστημα ανάλυσης με έγχυση δείγματος σε ροή (flow injection analysis F.I.A). Επιπλέον το σήμα ενισχύθηκε με τη χρήση ανιόντων αλογόνων και ειδικότερα βρωμιούχων, ενώ η παρεμποδιστική δράση διαφόρων ιόντων αντιμετωπίστηκε με επιτυχία με τη χρήση EDTA. Με σκοπό τη βέλτιστη και πιο αξιόπιστη πορεία ανάλυσης εξετάστηκαν διάφορες εναλλακτικές πειραματικές ακολουθίες. Τα αποτελέσματα της προσέγγισης αυτής έδωσαν τα εντυπωσιακά χαμηλά όρια ανίχνευσης 3 ng L'1 με αντίστοιχο πραγματικό όριο μέτρησης (όριο ποσοτικοποίησης) τα 10 ng L'1 που είναι το χαμηλότερο που έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Ακόμα και στα χαμηλά αυτά επίπεδα το σφάλμα στην αξιοπιστία των μετρήσεων ήταν της τάξης του 2,2 %. Η ακρίβεια της μεθόδου ελέγχθηκε με την ανάλυση προσομοιωμένων δειγμάτων και εφαρμόστηκε με επιτυχία στον προσδιορισμό του χρωμίου σε νερά ποταμών, θαλασσών και αποβλήτων βιολογικού καθαρισμού. Chapter 1: A relatively simple, sensitive, selective, automatic fluorimetric method for the simultaneous determination of chromium(III) and chromium(VI) by flow injection analysis has been developed. The method is based on the selective oxidation of the non-fluorescing reagent 2-(a-pyridyl)thioquinaldinamide (PTQA) which with Cr(VI) yields an intensely fluorescent product (λεχ=360ηιη; Xem=500nm). Cr(III) is oxidized, on line, to Cr(VI) with sodium-meta-periodate and subsequently treated with PTQA. Fluorescence due to the sum of Cr(III)-Cr(VI) is measured and therefore Cr(III) is determined from the difference in fluorescence values. The various analytical parameters, such as effect of acidity, flow rate, sample volume, temperature, reagent concentration and interfering species were studied. Kinetic studies using both the Stopped Flow Technique and the FIA procedure were utilised in order to study and optimise the oxidation conditions for Cr(III) on the basis of its oxidation efficiency. The calibration graphs were rectilinear in the ranges of 0.1 to 10 pg mL'1 for Cr(VT) and 0.1 to 1.0 μg mL'1 for Cr(III), respectively. The method was successfully verified by performing recovery experiments of Cr in several Standard Reference Materials(peach leaves, sediments and tea), and applied for speciation analysis of Cr(III)-Cr(VI) to some environmental waters(mineral, tap and distilled water), food sample (tomato juice) and in synthetic mixtures. Up to 30 samples per hour can be analyzed with a relative precision of ca. 0.1 - 2%. Chapter 2: Aqueous solutions of most non-ionic surfactant micelles when heated above a temperature known as cloud point, become turbid. Above this temperature the solution separates into two distinct phases with the very small one composed almost totally of the surfactant including a small volume of water. This approach is applied herein to perform metal speciation, after the studied metallic forms react with suitable ligands for the formation of hydrophobic complexes which subsequently entrapped in the surfactant micelles. As an analytical demonstration, trace concentrations of Cr(III) and Cr(VI) were conveniently detected in samples with complex matrix, such as sea water without any laborious and expensive treatment using flame atomic absorption spectrometry. The speciation of Cr is performed using as surfactant Triton X-114 and as chelating agents, ammonium pyrrolidinedithiocarbamate for Cr(VI) and 8-Hydroxyquinoline for Cr(III). Analytical curves were rectilinear up to concentrations of 130 μg Γ 1 for Cr(III) and 85 μg Γ1 for Cr(IV) with detection limits of 1.4 μg Γ1 and 0.65 μg Γ1, respectively. The method affords recoveries in the range 96-104 % and relative standard deviation lower than 2.2 %. It is proved that the method can be successfully employed as an alternative to the commonly used preconcentration and speciation analytical techniques. By selecting the appropriate complexing agent(s) other metal speciations are feasible provided that some detailed study should precede the application. Chapter 3: This article outlines an analytical method towards the analysis of the species of Cr employing suitable chelating agent and the cloud point phenomenon for Cr(VI) and total Cr analysis. The method encompasses preconcentration of metal chelates followed by flame atomic absorption spectrometry analysis. The chelating agent chosen for this task is the ammonium-pyrrolidine-dithiocarbamate which reacts with either Cr(VI) or total Cr under specific experimental conditions. The condensed surfactant phase with the metal chelate(s) is introduced into a flame atomic absorption spectrometer, whereby discrimination of Cr species is feasible by calculating Cr(III) concentration from the difference between total Cr and that of Cr(VI). A multivariate design was employed to study the variables affecting the overall analytical performance for total Cr assay. Analytical curves are rectilinear up to 0-100 μg Γ1 for both oxidation states of the metal. The limits of detection are 0.6 μg Γ1 and the relative standard deviation at concentrations of 30 μg Γ1 for both species lies around 2.0 %. Ultimately, the method was validated by testing a pertinent reference material certified for both Cr species. Appreciably high recoveries were attained, in the range of 96-107 %, for the environmental and biological samples tested. Chapter 4: A new method based on the cloud point extraction(CPE) technique was applied for the differentiation and the selective determination of Cr species. Cr(III) reacts with 8-Hydroxyquinoline(8-HQ) in a surfactant solution yielding a hydrophobic complex, which is entrapped ‘in situ’ in the surfactant micelles. The Cr(VI) assay is based on its reduction to Cr(III) by sulfite which subsequently reacts with 8-HQ in a similar manner. In order to increase the sample throughput a flow injection analysis (FIA) system allied to fluorometric detection was employed. Using a simple FIA configuration the greatest sensitivity was obtained, which under the optimum working conditions, allows the reliable determination of Cr(III) and/or Cr(VI) at levels as low as 0.2 μg Γ1, in various samples even in those with complex matrix (sea water pharmaceuticals). The whole procedure is straightforward, without any laborious, expensive and hazardous treatment and was proved to tolerate interferences among the cations and anions tested. Moreover, the analytical approach offers distinct advantages over the commonly used analytical methods especially for large number of samples with complex matrixes, which would unavoidably require arduous and delicate pre-treatment. Chapter 5: A sensitive and cost-effective method for the speciation analysis of chromium(III) and chromium(VI) was developed combining the cloud point extraction-preconcentration procedure with chemiluminescence detection in a flow injection assembly. Differentiation of the two species was achieved through their different reaction conditions with ammonium pyrolidine-dithiocarbamate(APDC) while separation, along with a 50-fold preconcentration, was performed with the CPE. The parameters of the CPE and the luminescence reaction were optimized and adjusted to a FIA manifold. Furthermore enhancement of the signal was achieved in the presence of bromide ions while interference by several ions was easily alleviated by the use of EDTA. Several analysis patterns were investigated and they are presented shortly as alternatives to the overall scheme. The detection limit was 3 ng Γ1 with a respective quantitation limit of 10 ng Γ1. Precision of determination even at the low ng Γ1 level was around 2.2%. The method was applied for the speciation of chromium in river, sea, and wastewater with good results. 272 σ.