LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Kemiantekniikan koulutusohjelma

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Kemiantekniikan koulutusohjelma DIPLOMITYÖ YMPÄRISTÖ- JA YHDYSKUNTAVESIEN MONITOROINTI SAIMAAN VESISTÖALUEELLA Työn tarkastajat: Professori, laitosjohtaja Heli Sirén Professori, TkT Marjatta Louhi-Kultanen Työn ohjaaja: Professori, laitosjohtaja Heli Sirén Lappeenrannassa Terhi Tomperi Puistomäenkatu Lappeenranta

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Kemiantekniikan koulutusohjelma Tekijä: Terhi Tomperi Nimi: Ympäristö- ja yhdyskuntavesien monitorointi Saimaan vesistöalueella Osasto: Kemiantekniikan osasto Vuosi: Diplomityö 86 sivua, 28 kuvaa, 35 taulukkoa ja 5 liitettä. Työn tarkastajat: Professori, laitosjohtaja Heli Sirén Professori, TkT Marjatta Louhi-Kultanen. Hakusanat: AAS, IC, CE, detektorit, ultraäänihaude, anionit, kationit, metallit, pestisidit, PAH- ja PCB -yhdisteet Diplomityössä tutkittiin kromatografian, elektroforeesin ja spektrometrian käyttöä ympäristövesianalytiikassa. Kokeellisessa osassa analysoitiin Saimaan Vesi- ja Ympäristötutkimus Oy:n keräämistä kaatopaikka-, jätevesi-, pohjavesi-, vesistö-, uimahalli-, yksityiskaivo-, poreallas- ja suovesinäytteistä epäorgaaniset anionit (F -, Cl -, Br -, NO - - 3, NO 2 SO 2-4 ja PO 2-4 ) sekä ionikromatografilla että kapillaarielektroforeesilla. Näytteet on kerätty Saimaan alueen ympäristökunnista. Kapillaarielektroforeesilla analysoitiin lisäksi tiosulfaatti. Liekkiatomiabsorptiospektrometrilla analysoitiin Cu, Fe, Na ja Al. Natriumia löytyi jokaisesta vesinäytteestä. Pohjavesistä ei löytynyt rautaa eikä alumiinia ja kuparipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Vesistövesistä kahdessa näytteessä oli alle määritysrajan olevia rautapitoisuuksia. Muissa näytteissä ei rautaa ollut. Suovesistä kuparia löytyi hyvin pieniä määriä ja yhdestä näytteestä alumiinia alle määritysrajan. Kaatopaikkavesissä kuparipitoisuudet sekä kolmessa näytteessä alumiinipitoisuudet olivat alle määritysrajan. Jätevesistä oletettiin löytyvän suuria määriä typpispesieksiä ja fosforia. Niitä kuitenkin esiintyi isoissa pitoisuuksissa vain suovesinäytteissä. Jätevesinäytteet sisälsivät bromidia, nitraattia ja fluoridia jopa yli 14 mg/l. Kapillaarielektroforeesilla ja ionikromatografilla mitatut anionipitoisuudet korreloivat hyvin toisiaan. Kontaminoituja vesiä löytyi pohja-, kaatopaikka-, jäte- ja vesistövesistä sekä uima-altaan terapiaaltaan vedestä.

3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Degree Programme in Chemical Engineering Author: Title: Terhi Tomperi Monitoring of environmental and municipal waters in Saimaa Lake area Department: Department of Chemical Technology Year: Master s thesis 86 pages, 28 figures, 35 tables and 5 appendixes Examiners: Professor, Institution Manager Heli Sirén Professor, DSc. Marjatta Louhi-Kultanen Keywords: AAS, IC, CE, detectors, ultrasound, anions, cations, metals, pesticides, PAH- and PCB -compounds The thesis work is done to study chromatography, electrophoresis and spectrometry in environmental water analytics. The waters studied (landfill, wastewater, groundwater, water system, swimming pool, private well, hot tub and swamp water samples) were collected by Laboratory of Saimaan Vesi- ja ympäristötutkimus Oy. The anions in water samples (containing F -, Cl -, Br -, NO 3 -, NO 2 - SO 4 2- ja PO 4 2- ) were analysed by ion chromatography and capillary electrophoresis. Samples were collected from Saimaa area municipality. Thiosulfate was also measured by capillary electrophoresis. Cu, Fe, Na and Al were measured by flame atomic absoption spectrometry. The groundwaters did not contain iron or aluminium. There copper concentrations in the groundwaters were under limit of detection. In two water system samples there was iron at just below limit of measurement, but in other samples there was no iron. There were very small amounts of copper and aluminium in swamp waters. In landfill waters copper concentrations and in three other samples aluminium concentrations were below the limit of quantification. It was assumed that concentrations of nitrogen species and phosphor are high in waste waters. However, the compounds were found only in swamp waters. Concentrations of bromide, nitrate and fluoride in waste waters were even above 14 mg/l. The measured anion concentrations by capillary and ion chromatography were well correlated. Contaminated waters were found from ground, landfill, waste and water system waters and that of the theraphy swimming pool.

4 ALKUSANAT Työ on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston LUT kemia kemian laboratoriossa Työn ohjaavaa professoria Heli Siréniä kiitän mielenkiintoisesta ja monipuolisesta diplomityöaiheesta ja hyvistä kommenteista työtäni kohtaan. Kiitokset ansaitsevat myös professori Marjatta Louhi-Kultanen antamastaan palautteesta sekä laborantti Jaana Ruokonen, joka ehti neuvoa käytännön työn toteutuksessa omien kiireidensä keskellä ja Saimaan Vesi- ja Ympäristötutkimus Oy:tä, josta sain työssäni analysoitavat vedet.

5 SYMBOLILUETTELO JA LYHENTEET AAS APCI API APPI ASTM CCD CD CE CE-MS DMA ECD EI EPA ES ESI FI FID FLD FPD FTIR GC-MS HPLC IC ICP Atomic absorption spectrometry, Atomiabsorbtiospektrometri Air pressure chemical ionisation, Ilmanpaineessa tapahtuva kemiallinen ionisaatio Atmospheric pressure ion source, Ilmanpaineessa oleva ionilähde Atmospheric pressure photo ionisation, Ilmanpainefotoionisaatio American Society for Testing and Materials, Amerikan testausja materiaaliyhteisö Charge-Coupled Device, Valoherkkä kenno Conductivity detector, Johtokykydetektori Capillary electroforesis, Kapillaarielektroforeesi Capillary electrophoresis-mass spectrometry, Kapillaarielektroforeesi-massaspektrometri N, N-dimethyl acetamide, N,N-dimetyyliasetamidi Electron catching detector, Elektroninsieppausdetektori Electron ionisation, Elektroni-ionisaatio Environmental Protection Agency, Ympäristönsuojeluvirasto Electrospray, Sähkösumutus Electrospray ionisation, Sähkösumutusionisaatio Field ionisation, Kenttäionisaatio Flame ionisation detector, Liekki-ionisaatiodetektori Fluorescence detector, Fluoresenssidetektori Flame photometric detector, Liekkifotometrinen detektori Fourier transmittance -IR, Fouriermuunnos-IR Gas chromatography-mass spectrometry, Kaasukromatografimassaspektrometri High performance liquid chromatography, Korkean erotuskyvyn nestekromatografia Ion chromatography, Ionikromatogragfia Inductively coupled plasmaemission, Plasmaemissio

6 LC LC-MS LDI LOD LOQ MS MS-MS MSA NCI NPD PAH PCB PCI PCA PDA PDA SCIC SIM SIC SPE TCD m/z ppm mequ/g Liquid chromatography, Nestekromatografia Liquid chromatography-mass spectrometry, Nestekromatografimassaspektrometri Laser desorption ionisation, Laser desorptio ionisaatio Limit of detection, Toteamisraja Limit of quantification tai Quantification limit, Määritysraja Mass spectrometry, Massaspektrometria Mass spectrometry-mass spectrometry, Massaspektrometrimassaspektrometri Methane sulfonic acid, Metaanisulfonihappo Negative chemical ionization, Negat. kemiallinen ionisointi Nitrogen-phosphore detector, Typpifosforidetektori Polysyclic aromatic hydrocarbon, Monirenkaalliset (polysykliset) aromaattiset hiilivedyt Polychlorinated biphenyls, Polyklooratut bifenyylit Positive chemical ionization, Positiivinen kemiallinen ionisointi Principal component analysis, pääasiallinen komponenttianalyysi Photo Diode array detector, Fotodiodirividetektori Pyridine-2,6-dicarboxylic acid, Dipicolinic acid, Pyridiini-2,6-dikarboksyylihappo, Dipikoliinihappo Single column ion chromatography, Yksikolonninen ionikromatografia Single ion chromatography, Yksi-ioninen kromatografia Suppressed ion chromatography, Suppressoitu ionikromatografia Solid phase extraction, Kiinteäfaasiuutto Thermal conductivity detector, Lämmönjohtokykydetektori Mass/charge, Massa/varaussuhde parts per million, mg/l Resins exchange capacity, Hartsin vaihtokapasiteetti

7 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO YMPÄRISTÖSTÄ ANALYSOITAVIA AINEITA Pestisidit ja herbsidit Anionit Kationit Metallit PAH - ja PCB -yhdisteet Orgaaniset hapot LIEKKI-ATOMIABSORPTIOSPEKTROMETRIA Laitteisto Valolähde Menetelmän herkkyys SUUREN EROTUSKYVYN NESTEKROMATOGRAFIA Detektorit UV -detektori Fluoresenssidetektori Johtokykydetektori Massaspektrometri Massaspektrometrin ionisointitekniikat Kolonnit IONIKROMATOGRAFIA Suppressoitu ionikromatografi Yksikolonninen ionikromatografia Kolonnit Detektorit Sähkönjohtokykydetektori UV/VIS -detektori

8 6 KAPILLAARIELEKTROFOREESI Detektorit Diodirividetektori Fluoresenssidetektori Massaspektrometri KAASUKROMATOGRAFIA Toimintaperiaate Laitteiston rakenne Kolonnit Detektorit Liekki-ionisaatiodetektori Elektroninsieppausdetektori KOKEELLINEN OSA TYÖN TARKOITUS Vesinäytteet Analyysilaitteistot Liekkiatomiabsorptiospektrofotometri Ionikromatografialaitteisto Kapillaarielektroforeesilaitteisto Ultraäänilaitteisto Mittausten suoritus Vesinäytteiden esikäsittely Mittauksissa käytetyt kaasut ja eluentit TULOKSET JA NIIDEN KÄSITTELY Atomiabsorptiospektrometri Ionikromatografia Kapillaarielektroforeesi JOHTOPÄÄTÖKSET. 74 LÄHTEET LIITTEET

9 LIITTEET Liite I Liite II Liite III Liite IV Liite V Kapillaarielektroforeesin kalibrointisuorat anionimittauksissa Atomiabsorptiospektrometrin kalibrointisuorat kationimittauksissa Ionikromatografin kalibrointisuorat anionimittauksissa Näytevesien ph -arvot Näytevesien kationi- ja anionipitoisuuksien histogrammit

10 1 JOHDANTO 2 Työn tavoitteena oli perehtyä kromatografian, elektroforeesin ja spektrometrian käyttöön ympäristövesianalytiikassa. Diplomityö jakaantuu kahteen osaan: kirjallisuuskatsaukseen ja kokeelliseen osaan. Työn kirjallisessa osassa perehdytään ympäristövesistä ja maaperästä analysoitavien yhdisteryhmien, kuten metallien, pestisidien, herbisidien, PAH- ja PCB - yhdisteiden, orgaanisten happojen sekä epäorgaanisten anionien ja kationien analysoimiseen erotusmenetelmiä (kromatografia ja elektroforeesi) ja spektrometrista menetelmää käyttäen kirjallisuutta tutkimalla. Kirjallisuusosassa kerrotaan kunkin analyysissä käytettävän laitteen toimintaperiaate. Siinä esitellään myös yhdisteryhmät, joita kullakin menetelmällä voidaan tutkia. Kirjallisuuden mukaan ympäristövesistä voidaan määrittää mm. PAH- ja PCB -yhdisteitä sekä herbisidejä ja pestisidejä. Kaivo-, juoma- ja allasvesistä mm. herbisidejä ja pestisidejä. Kokeellisessa osassa tutkimusta varten valittiin kirjallisuusosan koonnissa esiintyvistä ja lainsäädännöllisesti valvotuista yhdisteryhmistä ne yhdisteet, joita analysoitiin laboratoriossa. Kokeellisessa osassa perehdyttiin epäorgaanisten yhdisteiden analysointiin. Työssä ympäristövesistä tutkittiin ionikromatografilla ja kapillaarielektroforeesilla anioneja (fluoridi, kloridi, nitriitti, bromidi, nitraatti, fosfaatti ja sulfaatti sekä CE:lla myös tiosulfaatti) ja atomiabsorptiospektrometrilla kationeja (kupari, rauta, natrium ja alumiini).

11 3 2 YMPÄRISTÖSTÄ ANALYSOITAVIA AINEITA Liekkiatomiabsorptiospektrometrillä (FAAS) määritetään metalleja vesinäytteistä. Ympäristövesistä voidaan analysoida pestisidejä, herbisidejä, anioneja ja kationeja. [1, 2] Näiden analysointiin käytetään nestekromatografiaa [2]. Ionikromatografian avulla voidaan määrittää vesinäytteistä anioneja ja kationeja [1]. PCB - ja PAH -yhdisteet ja herbisidit analysoidaan yleisimmin kaasukromatografialla (GC). PAH -yhdisteitä ja herbisidejä tutkitaan myös nestekromatografilla, HPLC. [2] Kapillaarielektroforeesi (CE) puolestaan soveltuu epäorgaanisten anionien ja kationien sekä metallien analysointiin. [3] 2.1 Pestisidit ja herbisidit Pestisidit sisältävät monia yhdisteitä, joita käytetään mm. hyönteiskarkotteissa, jyrsijämyrkyissä, rikkaruohomyrkyissä ja uima-allaskemikaaleissa. Niitä on myös desinfiointiaineissa, puun kyllästysaineissa ja kasvien kasvunsäätelijöissä. Ne on suunniteltu tappamaan, torjumaan tai jollain muulla tavalla kontrolloimaan sellaisia organismeja, joita halutaan torjua. Pestisideillä on suuri rooli maataloudessa, teollisuudessa ja kodin/puutarhan kunnossapidossa. Ne ovat myös tärkeä osa julkista terveydenhuoltoa. Niiden avulla kyetään tuottamaan monia viljelykasveja. Pestisidit ovat todellinen riski ihmisten terveydelle ja ympäristölle, sillä ne ovat myrkyllisiä, voimakkaita ja itsepintaisia luonnossa. Niitä löytyy pintavesistä, merivedestä, sadevesistä ja juoma- sekä kaivovesistä sekä sedimenteistä, nisäkkäistä, lintujen munista, nilviäisistä, ihmisten kudoksista ja maidosta. Edellä mainituista asioista johtuen pestisidien käyttöä on jouduttu säännöstelemään. Esimerkkeinä pestisideistä voi mainita mm. orgaaniset fosfaatti-, karbamaatti- ja pyretroidipestisidit sekä orgaaniset klooratut hyönteismyrkyt. [4]

12 4 Herbisidit ovat rikkakasvien torjunta-aineita. Niitä ovat mm. alakloori, atratsiini ja endotaali. Alaklooria (engl. alaclor) on käytetty rikkaruohojen torjumiseen maissia, soijapapuja ja maapähkinää viljeltäessä vuodesta 1969 lähtien. [5] Atratsiinia on käytetty maailmanlaajuisesti durra- ja maissipelloilla useiden vuosikymmenien ajan. [5] Endotaalia on käytetty vuodesta 1995 lähtien rikkakasvien torjunta-aineena sokerijuurikkaiden, pinaatin ja perunan viljelyssä. [5] 2.2 Anionit Ympäristövesinäytteistä voidaan määrittää ioninvaihtoerotuksella seuraavia anioneja: fluorideja, klorideja, nitriittejä, sulfaatteja, bromideja, nitraatteja ja fosfaatteja EPA 3. ja EPA 3.1 ja ISO -menetelmillä. Standardilla SFS- EN-ISO134-1, 1995 saadaan määritettyä F -, Cl -, NO 3 -N, PO 4 -P ja SO 2-4. Epäorgaanisia anioneja voidaan määrittää hiilihapotetuista juomavesistä IonPac AS22 kolonnilla. Menetelmässä eluenttina on 4,5 mm natriumkarbonaatti-1,4 mm natriumbikarbonaattivesiliuos. Edellä mainitulla laitteella saadaan määritettyä fluoridi, kloridi, bromidi, nitraatti, karbonaatti, fosfaatti ja sulfaatti. [6] Myös ASTM- menetelmää käytetään em. anionien määrittämiseen. [7]

13 5 2.3 Kationit Alkali- ja maa-alkalikationit on yleensä mitattu käyttämällä spektroskooppisia tekniikoita, kuten atomiabsorptiospektrometriaa (AAS) tai induktiivisesti kytkettyä plasmaemissiospektrometriaa (ICP). Juomavedestä, jätevedestä ja vedellisistä maaperäuutteista mitataan alkali- ja maa-alkalikationeja ja ammoniumia käyttäen esim. ionikromatografia, jossa on Dionex IonPac CS16 kationinvaihtokolonni, metaanisulfonihappo (MSA) lisäaineena eluentissa, ja suppressoitu johtokykydetektori. [8] Ammonium on yleisesti seurattu analyytti jäteveden valvonnassa, koska sitä siirtyy jäteveden mukana vesistöön. [9] Ammoniumia pidetään veden likaantumisindikaattorina ja se heikentää veden hajua ja makua. Se voi edistää mikro-organismien kasvua vedessä ja vaikuttaa veden korroosio-ominaisuuksiin. [1] Ammonium on myrkyllistä esimerkiksi kaloille ja se pyritään jätevedenpuhdistuksessa muuttamaan nitraatiksi, vaikka ei tavoiteltaisikaan typen poistoa jätevedestä. [11] Supressoidulla johtokykymittauksella voidaan mitata seuraavia kationeja: litium, natrium, ammonium, kalium, magnesium ja kalsium. [9] 2.4 Metallit Metalleilla, amalgaameilla ja metalliseoksilla/lejeeringeillä on merkittävä rooli melkein joka vaiheessa meidän elämässämme. [12] Metallista voi tulla vakava saastelähde, erityisesti maaperään ja veteen, jos käytämme tai altistumme metallille. Metallia voi vapautua ympäristöön monista kohteista kuten rakennuksista, liikenteestä, vesijohtoverkostosta ja erilaisista teollisista prosesseista. [12] Seuraavia metalleja voidaan mitata ionikromatografialla ja atomiabsorptiospektrometrialla: rauta, kupari, nikkeli, sinkki, koboltti, kadmium, mangaani ja rauta. [12]

14 6 2.5 PAH - ja PCB -yhdisteet Polysykliset aromaattiset hiilivedyt eli PAH -yhdisteet ovat yhteen liittyneistä aromaattisista renkaista koostuvia hiilivetyjä. PAH -yhdisteeksi luetaan kahdesta neljään bentseenirengasta sisältävät yhdisteet, joita ovat esim. naftaleeni, fenantreeni sekä pyreeni. Suuremmiksi PAH -yhdisteiksi luetaan viisi tai useampia aromaattisia renkaita sisältävät yhdisteet esim. bentso[a]pyreeni ja koroneeni. Polyaromaattiset hiilivedyt esiintyvät luonnossa usein kuitenkin monen eri yhdisteen seoksena. PAH -yhdisteitä syntyy, kun orgaaninen aine, esimerkiksi puu, palaa epätäydellisesti. Monet PAH - yhdisteet aiheuttavat syöpää tai mutaatioita. [13] Niitä löytyy ympäristöstä niin maasta, ilmasta kuin sedimentistäkin. [13] Monet PAH -yhdisteistä ovat toksisia ja karsinogeenisiä. [13] Ne akkumuloituvat eli kerääntyvät meren eliöihin ja kasveihin, rikastuvat ravintoketjussa ja päätyvät täten myös ihmisiin ruoan mukana. [13] Pienemmät PAH -yhdisteet ovat akuutisti toksisia aiheuttaen pahoinvointia ja päänsärkyä, kun taas suuremmat PAH -yhdisteet ovat genotoksisia aiheuttaen erilaisia mutaatioita. [13] PCB -yhdisteet ovat teollisesti valmistettuja rengasrakenteisia, orgaanisia klooriyhdisteitä, joista valmistetut valmisteet ovat joko öljyisiä nesteitä tai kiinteitä aineita. Niiden kaupallinen tuotanto alkoi vuonna [14] Ne vaihtelevat väriltään värittömästä vaaleankeltaiseen. [15] Suomessa PCB -valmisteiden käyttö lopetettiin avoimissa järjestelmissä pääosin 197-luvulla. Niiden käyttö on kielletty tai sitä on yleisesti rajoitettu useimmissa maissa, kuten EU -maissa, Yhdysvalloissa ja Japanissa. PCB:tä sisältävien tuotteiden valmistus ja maahantuonti on ollut kiellettyä Suomessa vuodesta 199 lähtien (VNp 171/1989). [14] Valtioneuvoston päätöksessä (171/1989) ja EU:n direktiiviin (96/59/EY) liittyvässä päätöksessä (VNp 711/1998) säädettiin, että kaikki PCB:tä sisältävät laitteet on poistettava käytöstä vuoteen 2 mennessä. [14] PCB -yhdisteet eivät hajoa helposti luonnossa. Niitä esiintyy kaikkialla ympäristössä, kuten maaperässä, lumessa ja vedessä. [15]

15 7 Ilmaan PCB:tä voi päästä haihtumalla vedestä ja maaperästä. Ne voivat liikkua pitkiä matkoja. Ihminen voi altistua PCB -yhdisteille ruoan ja ilman kautta. [15] Ne ovat syöpää aiheuttavia yhdisteitä. Ne vaikuttavat silmiin, sydämeen, immuunijärjestelmään, munuaisiin, maksaan, lisääntymiseen, ihoon ja kilpirauhasiin. Ne voivat vaikuttaa myös syntymättömään lapseen. [15] 2.6 Orgaaniset hapot Orgaanisten happojen pitoisuudet luonnonvesissä ovat yleensä pieniä. Ne ovat suuruusluokaltaan muutamia mikrogrammoja litrassa. Niiden pitoisuudet voivat nousta huomattavasti talousveden valmistuksessa. Pitoisuudet voivat nousta jopa satoihin mikrogrammoihin litrassa, jos raakavedessä on runsaasti humusaineita. Raakaveden käsittelyssä syntyvät pienimolekyyliset hapot ovat erinomaista ravintoa vesijohtoverkoston mikrobeille, joilla saattaa olla haitallisia terveysvaikutuksia. Orgaanisten happojen määritys on tärkeää, jotta voidaan arvioida erilaisten vedenkäsittelytekniikoiden vaikutusta happojen muodostukseen ja erilaisten happopitoisuuksien aikaansaamaa mikrobikasvua vesijohtoverkostossa. [16] 3 LIEKKI-ATOMIABSORPTIOSPEKTROMETRIA 3.1 Laitteisto Atomiabsorptiotekniikka (AAS) ryhmitellään usein sen mukaan, miten aine saadaan atomimuotoon. Tavallisin atomisointitapa on liekkitekniikka (FAAS), jossa näyte syötetään kuumaan liekkiin. Liekissä näytteen sisältämät yhdisteet atomisoituvat. Liekki-AAS -laitteella saadaan määritettyä useimmat alkuaineet. [17] AAS -laitteiston pääosat ovat valonlähde, sumutin ja poltin, aallonpituuden valitsin, valon voimakkuuden mittaamiseen tarvittavat laitteet sekä tietokone ja ohjelmisto.

16 8 Näyte saatetaan kaasutilaan valonlähteen, sumuttimen ja polttimen avulla. Tällöin tutkittava näyte sumutetaan tasa-aineiseksi ja kuumennetaan korkeaan lämpötilaan (2 35 ºC), jolloin molekyylit hajoavat atomeiksi. Näytteen saattamiseksi kaasutilaan sen tulee useimmiten liueta sopivaan liuottimeen, jotta näyte saadaan tasalaatuisena nesteenä liekkiin. Kunkin alkuaineen analysoimisessa käytetään valonlähteenä omaa alkuainelamppua (onttokatodilamppu), joka emittoi eli lähettää atomeiksi hajotetun näytteen lävitse määrättyä aallonpituutta (kyseiselle alkuaineelle ominaista säteilyä), jota näytteessä olevat saman alkuaineen atomit absorboivat. [18] Absorboituneen säteilyn määrä muuttuu detektorilla sähkösignaaliksi (voidaan mitata). Detektorin signaali ilmaisee kyseessä olevien atomien pitoisuuden näytteessä. [18] Kuvassa 1 on esitetty AAS -laitteen toimintaperiaate. Kuva 1. Atomiabsorptiospektrometrin toimintaperiaate. [18]

17 9 3.2 Valolähde Tavallisin valonlähde AAS -laitteessa on onttokatodilamppu. Laitteet voidaan jakaa joko 1-säde- tai 2-sädelaitteisiin. 1-sädelaitteissa valosignaali on sähköisesti ja 2-sädelaitteessa mekaanisesti moduloitu sykkiväksi. Kaksisädelaitteessa valonsäde jakautuu pyörivän sektoripeilin avulla, kahteen yhtä intensiiviseen valo-osuuteen, mittaus- ja vertailusäteeseen. Liekin ohittanut ja sen läpi kulkenut valon intensiteettien suhde mitataan. Yksisädelaitteessa lampun koko energia käytetään absorptiomittaukseen. Lisäksi voidaan käyttää pienempää lamppuvirtaa. Haittana on, että yksisädelamput vaativat mittauksen alussa pidemmän stabiloitumisajan kuin kaksisädelaitteet. Onttokatodilamppu sisältää putken, jonka sisällä on onton sylinterin muotoinen katodi. [19] Katodi on valmistettu joko määritettävästä metallista tai se on täytetty sillä. Katodin lähellä on anodi, joka on valmistettu Ta-, W-, Zr tai Ni- langasta. Täytekaasuna lampussa käytetään argonia tai neonia ja paine on 13 7 kpa. Katodin ja anodin välille kytketään 1 4 V:n jännite, jolloin täytekaasu ionisoituu. Positiiviset Ar -ionit pommittavat katodin metallista sisäpintaa, josta irtoaa metalliatomeja, jotka virittyvät irrotessaan tai vasta törmätessään elektroneihin kaasutilassa. Kun viritystila purkautuu, metalliatomit lähettävät katodimateriaalin emissiospektrin. Sen lisäksi lampun emissiossa näkyy täytekaasun spektri. On olemassa myös monialkuainelamppuja, jolla voidaan analysoida useita alkuaineita. Tällaisen monialkuainelampun aallonpituus säädetään kunkin analysoitavan alkuaineen mukaan ennen analyysiä. Yhden alkuaineen lampusta saadaan suurempi intensiteetti ja täten myös tarkempi tulos kuin monialkuainelampulla. Monialkuainelampussa jokaisen alkuaineen spektrin intensiteetin tulee olla lähes yhtä suuri kuin yhden alkuaineen lampussa. Jos metalliyhdistelmä valitaan huonosti, voivat eri alkuaineiden resonanssiviivat olla niin lähellä toisiaan, että monokromaattori ei pysty niitä erottamaan. [19] Näiden lamppujen katodimateriaali sisältää 2-4 alkuainetta. [2, 19]

18 1 Laitteessa tavallisimmin käytetty liekki on ilma-asetyleeniliekki, jonka avulla voidaan määrittää noin 3 alkuainetta. Stoikiometrisen liekin lämpötila on 245 K ja liekin palamisnopeus 1 cm/s. Jotkut aineet muodostavat niin vahvoja oksideja, että ne eivät hajoa ilma-asetyleeniliekissä. Esimerkiksi alumiinia, titaania, zirkoniumia ja molybdeenia (Al, Ti, Zr ja Mo) voidaan määrittää käyttämällä N 2 O-asetyleeniliekkiä. [2, 19] 3.3 Menetelmän herkkyys Menetelmän herkkyyden ja alhaisten toteamisrajojen vuoksi AAS -laitetta käytetään erityisesti hivenainemäärityksiin, mutta myös pääkomponenttien määrityksiin laimennuksen jälkeen. Laitetta käytetään kliinisissä analyyseissä (esim. Ca, K ja Na), vesianalyyseissä, elintarvike- ja maanviljelystutkimuksessa, geokemiassa, metallurgiassa ja galvaanisen teollisuuden analytiikassa, petrokemian ja öljyteollisuuden sekä lasi- ja keraamisen teollisuuden analytiikassa. [2] Menetelmä soveltuu alkuainemäärityksiin. AAS -laitteella voidaan yleensä määrittää metalleja, mutta epämetalleja kuten H, C, O, P, S ja N ja halogeeneja kuten Cl, F, I ja Br ei pystytä määrittämään. [4] AAS -laitteella ei havaita yhdisteitä KCl ja Fe 2 O 3, vaan ne tulee hajottaa atomimuotoon yksittäisen alkuaineen määrittämiseksi. Epäorgaanista materiaalia sisältävät näytteet kuten maaperänäytteet on saatava liuosmuotoon ennen analysointia. Näytteitä voidaan tarvittaessa myös suodattaa, jotta mahdolliset hiukkaset eivät tukkisi AAS -laitetta. [21] Menetelmän etuja ovat määrityksen nopeus (ellei liuotus tuota vaikeuksia) ja alhaiset toteamisrajat. Spektraalihäiriöt (liuoksessa oleva aine emittoi samalla aallonpituusalueella kuin määritettävä aine [19]) ovat harvinaisia ja monet häiriöt on suhteellisen helppo korjata (esim. ionisaatio ja kemialliset häiriöt). Laitteiston hinta on edullinen muihin vastaavan suorituksen laitteisiin verrattuna.

19 11 Menetelmän pahimpina puutteina voidaan pitää sitä, että laitetta voidaan yleensä käyttää vain liuosnäytteiden analysointiin. Vain yksi alkuaine voidaan määrittää kerrallaan ja laitteen lineaarinen alue on suhteellisen kapea (pääkomponentit vaativat suuren laimennuksen). [2, 19] Taulukossa I on esitetty liekkiatomiabsorptiospektrometrillä maanäytteistä analysoitavia epäorgaanisia metalleja ja taulukossa II vesinäytteistä analysoitavia epäorgaanisia metalleja. Taulukko I Liekki-AAS -laite, epäorgaanisten metallien analysointi maanäytteestä Metalli Esikäsittely Viite Cr, Pb, Ni, Co, Fe, Ca, Na, K ja Zn PCA (Metallien esikäsittelymenetelmä) Liuotus tislattuun veteen, ravistus sähköravistimessa 2 min ja laskeutus 3 min ja metallien erotus suodattamalla 22 Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cr, Co, Cd, Ni, Pb ja Zn Esikonsentrointimenetelmä: Samanaikainen Ce(IV) OH -liuoksella Cu, Co, Pb, Cd ja Ni 24 Hg, Pb, Cd, Zn, ja Cu Metallipitoisuus 25 Typpi/perkloorihappouutto Cu, Pb ja Zn 26 Cu, Cr, Ni, Pb ja Zn Menetelmä 35B (USEPA, 1996a); Sedimenttinäytteen uutto 27 23

20 12 Taulukko II Liekki-AAS -laite, epäorgaanisten metallien analysointi vesinäytteestä. Metalli Esikäsittely Viite Pinta-, juoma- ja merivesi: Cu, Fe, Pb, Ni ja Cd Pintamerivesi: Suodatus,45 µm selluloosanitraattikalvolla, hapotettu ph:n 3 suolahapolla, hapotetun meriveden neutralointi, 75 ml:n näyte hapotettua merivettä neutraloidaan ja analyyttien yhteissaostaminen 6 µg Ce(IV), ph:n säätö 1,5 Juomavesi: 6 µg Ce(IV), ph:n säätö 1,5, lopullinen näytemäärä 5ml Kiinteäfaasiuutto (SPE) 23 Cr, Pb, Ni, Co, Fe, Ca, Na, K ja Zn Cd, Zn, Fe, Cu, Pb, Mn, Cr, Co ja Ni Co, Ni, Cu ja Cd Jäteveden suodatus,5 µm selluloosasuodattimella, näytteet laimennetaan tislatulla vedellä, jos metallin konsentraatio liian suuri. Näytteen täydellinen liuotus, haihdutus melkein kuivaksi, jäännöksen liuotus 1 ml DDW, näytteiden suodatus ja kokonaan suspendoituneiden aineiden määrittäminen Kiinteäfaasiuutto (SPE) Minikolonni, esikonsentrointimenetelmä SPE (kiinteäfaasiuutto) Ni, Co, Cu ja Pb. Suodatus selluloosakalvon läpi 3 (Millipore) huokoskoko,45 µm Ni, Cd ja Pb Samanaikainen saostusmenetelmä

21 13 4 SUUREN EROTUSKYVYN NESTEKROMATOGRAFIA Nestekromatografia (HPLC) on tärkeä menetelmäryhmä, koska useimmat yhdisteet eivät ole riittävän haihtuvia kaasukromatografiaa varten. Nestekromatografiassa liikkuvana faasina on neste ja stationäärifaasina yleensä kiinteä faasi tai siihen sidottu neste. Nestekromatografiassa näyte liuotetaan johonkin sopivaan liuottimeen. Nestekromatografisessa erotuksessa näytekomponenteilla on aktiivinen vuorovaikutus sekä liikkuvan faasin että stationäärifaasin kanssa. [2] Laitteiston osat ovat eluenttisäiliö, pumppusysteemi, injektori, kolonni ja detektori. Pumpun tehtävänä on pumpata eluenttia kolonnin läpi tietyllä virtausnopeudella. Injektoitaessa näyte laitteeseen injektorin näytesilmukka täytetään ensin näytteellä, josta eluentti kuljettaa sen mukanaan kolonniin. Näytekomponenttien erilaiset vuorovaikutukset stationäärifaasin ja eluentin välillä aiheuttavat yhdisteiden erottumisen, ja ne havaitaan detektorilla. Mikäli näyteyhdisteet ovat hyvin erilaisia, voidaan kaikkien kiinnostavien yhdisteiden toteaminen varmistaa kytkemällä peräkkäin kaksi tai useampaa detektoria. [2] 4.1 Detektorit Nestekromatografiassa käytetään useita erilaisia detektoreita. Detektointi perustuu yhdisteiden spektrometrisiin, sähkökemiallisiin tai muihin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Ideaalinen detektori on herkkä kaikille analyyteille ja antaa lineaarisen vasteen laajalla konsentraatioalueella. [2] Nestekromatografiassa käytettyjä spektrofotometrisiä detektoreja ovat UV - detektorit ja fotodiodirividetektorit, fluoresenssidetektorit ja taitekerroindetektorit. Sähkökemiallisia detektoreja ovat dielektrisyysvakio-, johtokyky-, potentiometriset, kulometriset, polarografiset ja amperometriset detektorit. Nestekromatografin detektorina käytetään nykyisin yhä enemmän myös massaspektrometria. [2]

22 UV -detektori UV-detektori on yleisin nestekromatografiassa käytetty detektori, koska hyvin useat yhdisteet absorboivat UV/VIS -valoa. UV/VIS -detektori on suhteellisen herkkä ja se antaa vasteen niille yhdisteille, jotka pystyvät absorboimaan valoa UV/VIS -alueella. [32] Diodirividetektori on erilaisista spektrofotometrisista detektoreista monipuolisin. Sitä voidaan käyttää kuten UV/VIS -detektoria, jolloin mitataan eluaatin absorbanssia yhdellä aallonpituudella. Lisäksi saadaan enemmän informaatiota (kromatogrammeja), kun mittaus suoritetaan kahdella tai useammalla eri aallonpituudella samanaikaisesti. Detektori voidaan myös ohjelmoida mittaamaan tiettyä aallonpituusväliä. Kromatogrammipiikeille saadaan ominaiset spektrit ja summa-absorbanssi kaikista absorbanssiarvoista tai spektri tietystä kromatogrammissa esiintyvästä piikistä. Diodirividetektori antaa informaatiota absorbanssisuhteen (A mit /A tausta ) muodossa yhdisteiden puhtaudesta ja mahdollistaa usean näytekomponentin samanaikaisen analysoinnin. Sillä voidaan mitata myös pelkkää signaalisuhdetta. Yksinkertaisimmissa laitteissa on vain elohopealamppu (254 nm emissioviiva). Monipuolisemmissa laitteissa on deuterium-, ksenon- tai wolframilamppu tai niiden yhdistelmiä sekä monokromaattori. [2] Fluoresenssidetektori Fluoresenssidetektorin (FLD) toiminta perustuu emittoituneen valon mittaamiseen. [2] Fluoresenssidetektori on absorptiodetektoreja selektiivisempi ja se antaa vasteen niille yhdisteille, jotka ovat fluoresoivia tai jotka voidaan derivatisoinnin avulla tehdä fluoresoiviksi. Derivatisointi tehdään joko ennen kromatografiaa tai vasta erotuksen jälkeen (jälkikolonniderivatisointi). [2]

23 15 Fluoresenssidetektorin vaste on lähes 1 kertaa herkempi kuin absorbanssin mittaukseen perustuvilla UV/VIS -detektoreilla. [2] Fluoresenssidetektoria voidaan käyttää analysoitaessa aromaattisia aminohappoja, aflatoksiineja, kumariinia, amiineja, estrogeeneja, flaviineja ja indoleita. Fluoresenssidetektorit ovat suhteellisen selektiivisiä ja herkkiä. Monet epäpuhtaudet/saasteet ovat fluoresoivia, joten niitä voidaan analysoida fluoresenssidetektorilla (FLD) (esim. PAH -yhdisteet). [33] Johtokykydetektori Johtokykydetektori (CD) on herkkä, tarkka ja monipuolinen laite havaitsemaan ja määrittämään ionisia analyyttejä nestekromatografiassa (Dionex CD25). Johtokykydetektoria käytetään erityisesti analyyteille, joilta puuttuu UVkromoforit ja joita ei voi havaita riittävän herkästi. Johtokykydetektori antaa erinomaisen herkkyyden ja erotuskyvyn monille ioneille, sekä orgaanisille että epäorgaanisille, kun se yhdistetään kemialliseen eluenttisuppressoriin. [34] Tärkeimmät orgaaniset analyytit ovat karboksyyli-, sulfoni-, ja fosforihappoja sekä primääri-, sekundääri-, tertiääri- ja kvaternääriamiineja. [34] Epäorgaanisiin analyytteihin kuuluvat vahvat happoanionit kuten halidit, sulfaatit, nitraatit ja fosfori sekä alkalimetallit ja maa-alkalikationit. [34] Johtokykydetektorin toiminta perustuu resistanssin mittaamiseen. [2] Johtokykydetektori muodostuu 1 1 µl kokoisesta näytekammiosta, johon on asennettu kaksi platinasta tai ruostumattomasta teräksestä valmistetut elektrodia. [32] Näytekammio on valmistettu sähköä johtamattomasta materiaalista. [32] Johtokykydetektoria voidaan käyttää nestekromatografiassa, vaikka se ei olekaan yleisimmin tässä sovelluksessa käytetty detektori, vaan sitä käytetään yleisimmin ionikromatografiassa. Johtokykydetektorien sovellusalue on joko rajattu tai suppea. [35]

24 Massaspektrometri Massaspektometrin käyttö detektorina on lisääntynyt nestekromatografian yhteydessä. LC-MS -liitäntä on selvästi monimutkaisempi kuin esimerkiksi GC-MS -liitäntä. [2] LC-MS -liitännästä tekee monimutkaisen se, että nestekromatografista tuleva eluentti on nestemäisessä muodossa ja lisäksi detektorille kulkeutuvan liuottimen määrä on paljon suurempi kuin kaasukromatografiassa. [2] Eluentin koostumuksella on suuri merkitys LC- MS -sovelluksissa. Esimerkiksi sulfaatti-, boraatti- ja fosfaattipuskurit eivät sovellu massaspektrometriliitäntöihin. Ne täytyy korvata haihtuvimmilla puskureilla, jollaisia ovat mm. ammoniumformiaatti, ammoniumasetaatti, muurahaishappo, etikkahappo ja trifluorietikkahappo sekä orgaaniset haihtuvat liuottimet. [2] Yksinkertaisin tapa käyttää massaspektrometridetektoria on mitata kaikista ioneista aiheutuvaa kokonaisvirtaa. Tällöin massaspektrometri havaitsee eluaatista kaikki yhdisteet, jotka voidaan ionisoida tai vaihtoehtoisesti massaspektrometri voidaan säätää detektoimaan valittua massalukua tai mittaamaan massaspektria tietyltä massalukualueelta. Selektiivisyyttä voidaan edelleen parantaa tandemmassaspektrometrillä eli mm. MS-MS -liitännällä. [2, 32] Massaspektrometrisen analyysin vaiheet ovat näytteen syöttö, näytteen ionisointi, ionien erottaminen, ionien havaitseminen ja tulostus. Taulukossa III on esitetty nestekromatografiassa käytettyjen tavallisimpien detektorien ominaisuuksia.

25 17 Taitekerroindetektori Johtokykydetektori Soveltuu gradienttiajoihin UV/VIS detektori Fluoresenssidetektori Amperometriset detektorit Sähkökemialliset detektorit: Elektrokemiallinen detektori Kulometriset detektorit Massaspektrometri Taulukko III Nestekromatografiassa käytettyjen yleisimpien detektorien ominaisuuksia. [36, 37, 38] Detektori Vaste Herkkyysalue Sovellusalue Virtausherkkyys Lämpötilaherkkyys Yleinen 4 mg Hyvin laaja Kyllä Kyllä M suppea/rajat -tu Valikoiva 5 ng laaja Ei Ei 1 5 Soveltuu huonosti gradienttiajoihin Valikoiva Soveltuu hyvin gradienttiajoihin 1 1 kertaa korkeampi kuin UVdetektorilla vahvasti UV - absorboiville materiaaleille M 1 pg M rajattu 1 4 rajattu 1 6 Lineaarinen dynaaminen alue rajattu 1 6 Kyllä Ei hyvin suuri

26 Massaspektrometrin ionisointitekniikat Massaspektrometrilla on olemassa useita ionisointitekniikoita, joita ovat elektroni-ionisaatio (EI), kemiallinen ionisaatio (CI), kemiallinen ionisaatio ilmanpaineessa (APCI), sähkösumutusionisaatio (ESI) ja fotoionisaatio ilmanpaineessa (APPI). Elektroni-ionisaatiossa (EI) yhdistettä pommitetaan 7 ev:n elektroneilla. Elektronien ja tutkittavan yhdisteen välisissä vuorovaikutuksissa tutkittavalta yhdisteeltä poistuu yksi elektroni ja tutkittavasta yhdisteestä muodostuu positiivisesti varautunut molekyyli-ioni (M+). [39] Kemiallisessa ionisaatiossa (CI) saadaan määritettyä moolimassaa ilmaiseva ioni. Menetelmä ei sovellu suurten termisesti labiilien biomolekyylien analysoimiseen. Kemiallinen ionisaatio jakautuu positiiviseen ja negatiiviseen kemialliseen ionisointiin (PCI ja NCI). Ilmanpaineessa tapahtuvassa kemiallisessa ionisaatiossa (APCI) eluentti eli ajoliuos ajetaan ohuen teräskapillaarin läpi. Putkien välistä ajetaan sumutuskaasua, jonka avulla eluentti sumuttuu. Muodostunut aerosolisumu johdetaan kuumennetun kvartsiputken läpi, jossa liuotin ja tutkittavat yhdisteet höyrystyvät. Muodostunut höyry ionisoidaan korona-purkauselektrodilla, jolloin liuotinhöyrystä muodostuu protonoituneita molekyylejä, jotka luovuttavat protonin tutkittavalle yhdisteelle. Muodostuneet ionit kerätään massaanalyysiin ilmanpaineionisaatiokammion avulla. Ilmanpaineessa tapahtuva kemiallinen ionisaatio (APCI) soveltuu parhaiten suhteellisen pienille ja stabiileille yhdisteille sekä neutraalimolekyyleille. Sähkösumutus (ES) on sekä ionisointitekniikka että LC:n ja MS:n välinen liitososa. Sähkösumutus soveltuu yhdisteille, jotka ovat liuoksessa ioneina. Yhdiste pyritään saattamaan ionimuotoon säätämällä näyteliuoksen ph:ta. Ilmanpainefotoionisaatiossa (APPI) eluentti ajetaan ohuen teräskapillaarin läpi. Putkien välistä ajetaan sumutuskaasua, jolloin eluentti sumuttuu. Muodostunut aerosolisumu johdetaan kuumennetun kvartsiputken läpi, jossa liuotin ja tutkittavat yhdisteet höyrystyvät. Muodostunut höyry ionisoidaan, vakuumi-uv-lampun avulla. [39]

27 Kolonnit Kolonnit ovat ruostumatonta terästä tai polymeeriä ja putkimallisia, jotka on pakattu pienillä polymeeripartikkeleilla, ns. stationaarifaasilla. Putkessa liikkuu eluentti, ns. ajoliuos, joka siirtää yhdisteet kolonnin läpi detektorille. Nestekromatografiassa erotustehokkuus paranee, kun voidaan nopeuttaa massansiirtoa liikkuvan ja stationäärifaasin välillä. Tämä tarkoittaa pohjan korkeuden H pienentämistä mahdollisimman pieneksi. Kolonnin tulee kestää korkeita paineita, sen on oltava kemiallisesti inertti (se ei saa reagoida kemiallisesti muiden aineiden kanssa) ja lisäksi sen sisäpinnan tulee olla hyvin sileä. Kolonnien pituus vaihtelee muutamasta sentistä useisiin kymmeniin sentteihin. Kun erotuksesta halutaan mahdollisimman nopea, käytetään varsin lyhyitä kolonneja (3-8 cm). [2] Analytiikassa käytettävän kolonnin sisähalkaisija voi olla,75 5 mm ja pituus 1-3 cm, kun tavallisimmin käytetty kolonni on halkaisijaltaan 3-5 mm ja pituudeltaan 1-2 cm. [38] Nestekromatografiset kolonnit ovat kalliita ja ne tukkeutuvat melko helposti, joten analyyttisen kolonnin edessä käytetään yleensä esikolonnia ja suojakolonnia, jotka vaihdetaan suhteellisen usein. Esikolonnin tarkoituksena on poistaa näytteessä olevia, useimmiten kiinteitä, epäpuhtauksia, jotka saattaisivat häiritä analyyttisen kolonnin toimintaa. Esikolonnit toimivat sekä fysikaalisina että kemiallisina suodattimina ja ne parantavat uusittavuutta ja toistettavuutta. Esikolonnit ovat yleensä lyhyitä alle 5-6 cm pitkiä, ja ne on pakattu samalla tai samankaltaisella materiaalilla kuin analyyttinen kolonni. Esikolonnit ovat rakenteeltaan helposti puhdistettavia ja vaihdettavia. Lyhyet esikolonnit on myös melko helppo pakata itse. Esikolonnien sijasta käytetään hyvin pieniä suojakolonneja analyyttisen kolonnin edessä. [2]

28 2 5 IONIKROMATOGRAFIA Ionikromatografia (IC), on klassinen nestekromatografinen tekniikka. Ionikromatografiassa käytetään laitteistoja, joissa kolonnissa adsorbenttina on ioninvaihtohartsi. Sen läpi ionit kulkevat erilaisilla nopeuksilla. Yleisimmin detektorina käytetään sähkönjohtokykydetektoria. Ionikromatografialla tutkitaan epäorgaanisia ioneja. [2] Ympäristöanalytiikassa sitä käytetään eri tyyppisten pinta- ja pohjavesien analytiikassa. Ionikromatografialla voidaan parhaimmillaan erotella monimutkaisia anioni- ja kationiseoksia sekä mitata yksittäisiä ioneja. Sitä käytetään erityisesti Cl -, NO - 3 ja SO4 2- määrityksissä. [4] Ionikromatografia on erotusmenetelmä ja sillä on tilanteesta riippuen suuri tehokkuus. Menetelmässä käytetään erilaisia ionikromatografisia systeemejä, joita ovat supressoitu ionikromatografia (SIC) ja yksikolonninen ionikromatografia (SCIC).[17] Ionikromatografia tarkoittaa menetelmää, jolla voidaan erottaa ja tunnistaa ioneina esiintyviä yhdisteitä. Ionikromatografiassa toinen faaseista on stationäärifaasi ja toinen liikkuva faasi eli eluentti. Eluentti eli puskuriliuos kuljettaa näytteen erotukseen ja tunnistukseen. Paikallaan pysyvä faasi, joka sijaitsee kolonnissa, vuorovaikuttaa näytteen yhdisteiden erottumiseen toisistaan. Kolonnissa stationäärifaasiin eli paikallaan pysyvään faasiin sidotut ioniset ryhmät pidättävät näytteessä olevia vastakkaismerkkisiä ioneja. Ionikromatografiassa liuosnäyte johdetaan ioninvaihtimeen. Vaihtimessa näytteen määritettävät yhdisteet eroavat toisistaan erillisiksi vyöhykkeiksi, jotka liikkuvat eluenttivirran mukana. Tästä virrasta mitattavat aineet voidaan tunnistaa erikseen ja kvantifioida. Ionikromatografi koostuu seuraavista komponenteista: 1) eluenttisäiliö, 2) IC-pumppu, 3) injektori, 4) erotuskolonni, 5) detektori ja 6) tulosten käsittely. Ionikromatografiapumppu imee emäksisen tai happaman eluentin eluenttipullosta ja pumppaa sen vakionopeudella ja - paineella järjestelmään. [1, 4]

29 21 Emäksisenä eluenttina käytetään tavallisesti laimeaa 4,8 mm Na 2 CO 3 /1, mm NaHCO 3 -liuosta, johon lisätään tippa asetonitriiliä (9,6 ml,5 M Na 2 CO 3, 2 ml,5 M NaHCO 3 ja 1 tippa asetonitriiliä/1 ml milliporevettä). Na 2 CO 3 /NaHCO 3 -liuoksella voidaan helposti määrittää tavallisimmat anionit F -, CH 3 COO -, HCOO -, Cl -, Br -, NO - 2, NO - 3, PO 3-4 ja SO 2-4. Muita käytössä olevia tavallisia anionieluentteja ovat bentsoaatti-, ftalaatti- ja kaliumhydroksidi. Tavallisimpia kationieluentteja ovat HNO 3, H 3 PO 4, viinihappo, PDA (dipikoliinihappo, C 7 H 5 NO 4 [89]), H 3 BO 3 ja sitruunahappo. Injektorissa näyte sekoittuu eluenttivirtaan. Näytemäärä on tavallisesti 1 µl - 1 µl. Yksittäisiä ioneja voidaan mitata μg/l - mg/l tasoilla. Injektorisilmukan tilavuudella säädetään näytteen määrää. Sen koko vaihtelee tavallisesti tilavuudessa 1, 2, 5 tai 1 µl. Näytteensyöttö voidaan tehdä käsin injektioruiskulla tai automaattisesti näytteensyöttäjällä. Näyte-eluenttivirta kulkee kolonniin, joka erottelee näytteen määritettävät aineet toisistaan ja näyteliuoksesta. Eluenttivirta pakottaa erotetut yhdisteet vyöhykkeinä ulos kolonnista detektorille, joka lukee erotettujen yhdisteiden signaalit. [17, 21] Kuvassa 2 on esitetty ionikromatografin laiteosat. Kuva 2. Ionikromatografin perusrakenne [4]

30 22 Ionikromatografian etuina voidaan pitää moniaineanalyysiä (voidaan määrittää 7 tavallisinta anionia F -, Cl -, NO - 2, Br -, NO - 3, PO 3-4, SO 2-4 ), vähäistä kemikaalien tarvetta (suurin osa anioneista voidaan määrittää Na 2 CO 3 /NaHCO 3 -eluentilla, joka vaimennuksen jälkeen on jätteenä harmiton ja kationimäärityksen happamat eluentit ovat laimeita), helppoa näytteenkäsittelyä (suodatus,2,45 µm kalvosuodattimen läpi ja tarvittaessa laimennos ja kationianalyysinäytteet on lisäksi hapatettava pharvoon 2,5 3,5,2 mol/l HNO 3 :lla) ja kemiallisten fraktioiden tutkimista (voidaan suoraan tutkia kemiallisesti fraktioituneita alkuaineita, eli saman alkuaineen eri olomuotoja). [21] Menetelmän haittapuolena on herkkyys kiintoaineille, koska se määrittää vain liukoisia muotoja, sillä vaihtokolonni tukkeutuu helposti kiintoaineksista ja kaikki partikkeleita sisältävät liuokset on suodatettava. Menetelmällä on rajoitettu vaihtokapasiteetti, jolloin mitattavien aineiden enimmäispitoisuus saa olla 5 mg/l ja kaikki tuntemattomat tai tunnetusti ionivahvat liuokset on laimennettava ennen analyysiä. Erotusongelmista voidaan mainita esim. luonnonvesien kationianalyysissä natriumin ja ammoniumtypen erotus. Erotusongelma em. tapauksessa aiheutuu siitä, kun luonnonvesien natriumin ja ammoniumtypen retentio-ominaisuudet ovat samankaltaiset ja pitoisuusero suuri. Anionimäärityksissä ongelmana on nitraatin mittaus suuren kloridimäärän läsnä ollessa esimerkiksi merivesistä. Ionikromatografiassa ph:lla on omat rajoituksensa. Esimerkiksi luonnonmaantieteen käytössä olevan anionikolonnin ph kestävyys on 3-12, joten sillä voidaan mitata kaikkia luonnonvesiä, eikä tarvita ph:n säätöä. Kationikolonnin ph:n kestävyys on 2-7, joten se tarvitsee ph:n säädön. [21]

31 Suppressoitu ionikromatografia Suppressoitua ionikromatografiaa tarvitaan silloin, kun käytetään johtokykydetektoria ja liikkuva faasi on intensiivisesti sähköä johtavaa ja detektorilla tapahtuu kyllästysreaktio. Suppressori asennetaan ioninvaihtokolonnin ja detektorin väliin. [41] Suppressoidulla ionikromatografialla (SIC) anionit saadaan erotettua erotuskolonnissa, joka sisältää alhaisen kapasiteetin anioninvaihtohartsia. Eluenttina käytetään laimeaa puskuriliuosta, jossa on esim. natriumkarbonaattia ja natriumbikarbonaattia tai natriumhydroksidia. Heti tämän jälkeen on kationinvaihtoyksikkö, jota kutsutaan suppressoriksi, joka muuttaa eluentin alhaisen johtokyvyn heikoksi hapoksi eli Na + -ionit poistetaan eluentista. [17] Myös näytteen kationi muutetaan natriumista (Na + ) vedyksi (H + ). Suppressoriyksikön eluaatti johdetaan sitten johtokykydetektorille. Jos näytteen ionipari on ionisoitu järkevälle alueelle, näytteen anioni (ja H + ) on detektoitu johtokykydetektorin kautta. Samanlaisella systeemillä saadaan hyvä erotuskyky useille kationeille. Kationien erotuksessa erotuskolonni sisältää alhaisen kapasiteetin kationivaihtajan ja suppressoriyksikkö on anioninvaihtaja hydroksidimuodossa. [17] Kuvassa 3. on esitetty suppressoidun ionikromatografilaitteiston kaaviokuva. Kuva 3. Suppressoitu ionikromatografilaitteisto. [42]

32 Yksikolonninen ionikromatografia Yksikolonninen ionikromatografia (SCIC) on anioninvaihtotekniikka, jossa anionien erottamisessa hartsin vaihtokapasiteetti on,5 ja,2 mequ./g. Tyypillinen eluentti on bentsoehapon tai ftaalihapon natrium- tai kaliumsuoloista valmistettu liuos. Monia muitakin eluentteja, joiden liuokset ovat melko heikkoja karboksyylihappoja, on käytetty. [17] Eroteltaessa kationeja alhaisen johtokyvyn kationinvaihtokolonnissa on kolonni liitetty suoraan detektoriin. Monovalenttisten kationien erottamiseen on tavallisesti käytetty laimeita typpihappoliuoksia. Divalenttisten kationien erottamiseen käytetään etyleenidiammoniumsuolan liuoksia. [17] 5.3 Kolonnit Kolonnissa eri ionilajit erottuvat toisistaan sähköisten vetovoimien ansiosta. Ionin sähköinen vuorovaikutus kolonnin stationäärifaasin (kolonnin sisässä olevaan faasiin) ja sen läpi virtaavan ja näytettä mukanaan kuljettavan, liikkuvan faasin (eluentin) kanssa on eri ioneilla erilainen. Klassiset ionivaihtoprosessit on tehty hartsimateriaaleilla, joiden raekoko on µm. [1] Osa ioneista tarttuu sähköisillä vetovoimilla stationäärifaasiin tiukemmin ja pidemmäksi ajaksi kuin toiset, mistä johtuen toinen ioni kulkee kolonnin läpi lyhyemmässä ajassa kuin toinen. Kolonnissa ionit eroavat toisistaan ja ne saadaan detektointiin erottuneina, kullekin ionille ominaisella retentioajalla injektoinnista eli näytteen syöttämisestä kolonniin. Eri ionilajit tunnistetaan kunkin ionilajin retentioajan perusteella. [1] 5.4 Detektorit Tavallisin detektori ionikromatografiassa (IC) on sähkönjohtokykymittari. Ionikromatografia-analyysissä voidaan käyttää myös muita detektoreita kuten optista UV-detektoria, fluoresenssidetektoria tai elektrokemiallista detektoria. [21]

33 Sähkönjohtokykydetektori Johtokykydetektorit ovat käyttökelpoisia detektoreja laajalle joukolle ioneja. Niillä ei voi kuitenkaan määrittää vettä, etanolia tai ionisoitumattomia heikkoja happoja. Ionikromatografisen detektorin herkkyyden tulee olla erilainen eluentin ja näytteen ioneille. Johtokykydetektoria käytettäessä kolonnista tuleva eluentti tulee käsitellä toista kolonnia (supressorikolonnia) käyttäen, jotta eluentin johtokyky alenee ja näytteen johtokyky saadaan vahvistumaan. [17, 21, 43] Vaihtoehtoisesti voidaan valita sellainen eluentti, joka antaa detektorille matalan taustavasteen, jolloin näyteionit näkyvät intensiivisesti. [17, 21, 43] UV/VIS -detektori On useita syitä, miksi spektrofotometrisiä detektoreja voidaan käyttää ioninvaihtoerotuksessa. UV/VIS -detektori on yleisdetektori ja sitä voidaan säätää yksinkertaisesti muuttamalla mittausaallonpituutta. [21] UV/VIS - detektorilla yhdisteen kromoforit vaikuttavat voimakkaasti vasteeseen. Parhaan vasteen antavat mitattavan molekyylin konjugoidut kaksoissidokset ja polyaromaattinen rakenne. Käytettäessä esim. deuteriumlamppua detektorin aallonpituusalue on 19-6 nm. Konventionaalisissa spektrofotometreissa mitattava aallonpituus valitaan monokromaattorilla. [17] Hilaa kääntämällä voidaan mitata koko spektri, yksi aallonpituus kerrallaan. Diodirividetektoria käytettäessä saadaan mitattua koko haluttu aallonpituusalue samanaikaisesti. Toteamisraja UV/VIS absorptioon perustuvilla detektorilla on alle ng-luokkaa. [44, 45] Absorbanssi -detektoreja käytettäessä ionikromatografiassa detektointi voidaan jakaa kahteen osaan: (a) suora menetelmä, jossa näyteionit detektoidaan absorboimaan eluenttia vasten, kun ne eivät absorboi (negatiivinen vaste) ja (b) jälkikolonniderivatisointi (kolonnin jälkeen tapahtuva johdannaisten valmistaminen). [17]

34 26 6 KAPILLAARIELEKTROFOREESI Kapillaarielektroforeesissa (CE) eri yhdisteiden erottuminen toisistaan sähkökentässä sähkön avustamana perustuu niiden erilaiseen liikkuvuuteen nesteessä. Siihen miten yhdisteet liikkuvat sähkökentässä, vaikuttavat erotettavan molekyylin ja väliaineen ominaisuudet [46] kuten mm. yhdisteiden koko ja varausaste. Kapillaarielektroforeesia käytetään hyvin varautuvien yhdisteiden, kuten katekoliamiinien analysoimiseen. [47] CE -laitteella voidaan tutkia sekä pieniä että suuria molekyylejä. [48] Pienistä molekyyleistä analysoidaan epäorgaanisia ioneja, metalleja, orgaanisia happoja, aminohappoja, peptidejä, lääkeaineita, nukleosideja, nukleotideja, vitamiineja, steroideja, proteiineja, pestisidejä, oligonukleotidejä, DNA:n restriktion osasia ja hiilihydraatteja [48]. Suurista molekyyleistä voidaan määrittää mm. hormoneja, proteiineja, nukleiinihappoja ja jopa eläviä soluja. [46] Jos korvataan vesi orgaanisella liuottimella, voidaan vaikuttaa erotuksen tehokkuuteen ja analysointiaikaan. Erotukset tapahtuvat yleisimmin vedellisissä elektrolyyttiliuoksissa. [47] Elektrolyyttiliuoksen tulee pysyä muuttumattomana koko erottumisen ajan eikä sen johtokyvyssä tai sähkökentän voimakkuudessa saa tapahtua merkittäviä muutoksia erotuksen aikana. [46] Elektrolyyttiliuosta valittaessa on otettava huomioon sen ionivahvuus ja elektrolyytin detektorivaste. Yleensä sopiva elektrolyyttiliuoksen ionivahvuus on 25 5 mm. Elektrolyyttiliuoksen ionivahvuutta voidaan kuitenkin tarvittaessa kasvattaa lisäämällä elektrolyyttiliuokseen jotakin sopivaa suolaa. Puskurin ionivahvuus on suoraan verrannollinen muodostuvaan virtaan, eli mitä suurempi ionivahvuus puskurilla on, sitä suurempi virta muodostuu kapillaariin. Ionivahvuudella on vaikutusta myös elektro-osmoottiseen virtaukseen. Ionivahvuuden kasvaessa elektro-osmoottinen virtaus pienenee. [49]