Sprawozdanie 1 PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie 1...

Description

I.

Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia było oznaczenie zawartości wapnia w wodzie wodociągowej

technika płomieniowej atomowej spektrometrii absorpcyjnej. Poznanie budowy i zasady działania płomieniowego spektrometru AAS. Zapoznanie się z kalibracją oznaczeń metodami serii wzorców i dodatków wzorca na podstawie których wyznaczono równania kalibracyjne, oraz ocena błędów wyznaczenia prostych kalibracyjnych i błędów oznaczeń. Ważnym elementem ćwiczenia było optymalizacja warunków pomiarowych: czułości i błędu względnego. II.

Część doświadczalna

1. Przyrządy, naczynia i odczynniki 

Płomieniowy spektrometr atomowej absorpcji (Perkin Elmer 3100) wyposażony w lampę z katodą wnękową do oznaczenia cynku oraz palnik do płomienia: powietrze- acetylen,



Kolby miarowe o pojemności 10, 50 i 100mL,



Automatyczna pipeta regulowana w zakresie 1-5mL,



Mikropipeta o pojemności 200l,



Wzorcowy roztwór podstawy wapnia o stężeniu 1,000 g/L Ca,



Wzorcowy roztwór podstawy wapnia o stężeniu 1,000 g/L Si,



Roztwór buforu lantanowego o stężeniu 20,0 g/L La,

2. Wykonanie ćwiczenia Przygotowanie roztworów do kalibracji metodą serii wzorców: W celu przygotowania roztworu pośrednio o stężeniu 50 g/mL Ca, pobrano 2,5 mL podstawowego roztworu wzorcowego o stężeniu 1mg/mL Ca do kolby miarowej o pojemności 50 mL i uzupełniono woda dejonizowaną do kreski. W celu przygotowanie roztworów wzorcowych do kolb miarowych o pojemności 50 mL odpipetowanie kolejno:1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 mL roztworu pośredniego i uzupełniono wodą demineralizowaną do kreski otrzymując następujące stężenia wapnia: 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 mg/mL. Następnie pobrano 1

próbkę wody wodociągowej P1 do kolby miarowej o pojemności 100 mL. Wykonano pomiar dla wzorca o największym stężeniu Ca a następnie dla próbki wody wodociągowej w celu sprawdzenia czy sygnał dla próbki mieści się w zakresie sygnału dla wzorca. Sygnał zmierzony dla wzorca okazał się za wysoki w związku z tym próbkę P1 rozcieńczono 20 krotnie. W kolbie miarowej o pojemności 50 mL przygotowano próbkę P2 poprzez dodanie 400ml roztworu podstawowego krzemu o stężeniu 1,000 mg/mL oraz 2,5 mL rozcieńczonej wody wodociągowej i dopełniono wodą demoralizowaną do krski. Dla tak otrzymanych roztworów zmierzono absorbancję. Wyniki umieszczono w tabeli nr 1. Przygotowanie roztworów do kalibracji metodą serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego: Na podstawie roztworu pośredniego przygotowano serie roztworów wzorcowych w kolbach miarowych o pojemności 50 mL zawierające następujące stężenia wapnia: :1,0; 2,0; 3,0; 4,0 i 5,0 mg/mL oraz 1mL buforu lantanowego. Sporządzono, roztwór 0 nie zawierający pośredniego roztworu wzorcowego a następnie próbkę wody do wodociągowej P3 przez rozcieńczenie wodą destylowaną i dodatek interferenta i buforu (2,5 mL próbki (P1) + 0,1 mL wzorcowego roztworu krzemu + 1 mL buforu lantanowego) w kolbce o poj. 50 mL). Wykonano pomiar a wyniki zebrano w Tabeli nr 2. Przygotowanie roztworów do kalibracji metodą dodatku wzorca: Korzystając z roztworu próbki P2 sporządzono 4 roztwory w kolbkach miarowych o pojemności 10 mL. Do wszystkich kolbek odpimetowano 5 mL próbki a następnie dodano kolejno: 0; 0,2; 0,4; 0,6 mL pośredniego roztworu wzorcowego Ca a następnie dopełniono woda demineralizowano do kreski. Wykonano pomiar a wyniki zebrano w Tabeli nr 3.

III.

Wyniki pomiarowe 2

Wyniki pomiarowe dla kalibracji metodą serii wzorców zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Zestawienie wyników pomiarowych kalibracji serii wzorców. Roztwór wzorcowy 0 W1 W2 W3 W4 W5 P1+ Si P1

Absorbancja I seria 0,000 0,033 0,067 0,099 0,132 0,161 0,067 0,099

II seria -0,003 0,031 0,067 0,098 0,130 0,159 0,064 0,097

III seria 0,001 0,033 0,069 0,100 0,131 0,162 0,066 0,099

Średnia -0,001 0,032 0,068 0,099 0,131 0,161 0,066 0,098

Wyniki pomiarowe dla kalibracji metodą serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2 Zestawienie wyników pomiarowych kalibracji metodą serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego. Roztwór wzorcowy 0 W1 W2 W3 W4 W5 P1+ Si +La

I seria 0,001 0,037 0,074 0,111 0,146 0,183 0,110

Absorbancja II seria III seria 0,000 -0,001 0,037 0,036 0,073 0,073 0,110 0,110 0,147 0,147 0,182 0,183 0,109 0,108

Średnia 0,000 0,037 0,073 0,110 0,147 0,183 0,109

Wyniki pomiarowe dla kalibracji metodą dodatków wzorca zestawiono w tabeli 3.

Tabela 3 Zestawienie wyników pomiarowych kalibracji metoda dodatków wzorca. Roztwór

Absorbancja 3

wzorcowy 0 W1 W2 W3 IV.

I seria 0,038 0,055 0,077 0,097

II seria 0,038 0,056 0,077 0,097

III seria 0,037 0,056 0,076 0,096

Średnia 0,038 0,056 0,077 0,097

Opracowanie wyników

Ocena wpływu powtarzalności pomiaru na parametry prostej kalibracyjnej.

Kalibracja metodą serii wzorców: Korzystając z średnich absorbancji roztworów kalibracyjnych zestawionych w tabeli 1 sporządzono następujące wykresy kalibracyjne: wykres 1 zawierający wszystkie punkty pomiarowe wykres 2 zawierający wszystkie punkty pomiarowe bez punktu pochodzącego od zerowego stężenia wzorca wykres 3 zawierający

punkt

pochodzący od zerowego stężenia wzorca oraz punkt

odpowiadający najwyższemu stężeniu wzorca.

Wykres 1. Krzywa kalibracyjna dla metody serii wzorców zawierająca wszystkie punkty pomiarowe

4

Wykres 2. Krzywa kalibracyjna dla metody serii wzorców zawierająca wszystkie punkty pomiarowe bez punktu pochodzącego od zerowego stężenia wzorca

Wykres 3. Krzywa kalibracyjna dla metody serii wzorców przechodząca przez

punkt

pochodzący od zerowego stężenia wzorca oraz punkt odpowiadający najwyższemu stężeniu wzorca.

Błędy parametrów krzywej kalibracyjnej 1 obliczono z poniższych wzorów: 5

S 02 

2 b

 (y

 y)2

i

i

(1)

m 2

S 0  xi2

S 

i

  m x i2    x i   i  i So2

2

Sa 

x

i

x



2

2

(2)

(3)

i

Gdzie: So2 -wariancja rozrzutu sygnałów wokół prostej regresji Sb2- wariancja współczynnika b (dla y=ax+b) Sa2- wariancja współczynnika a (dla y=ax+b) yi- absorbancja dla i-tego wzorca xi- stężenie i-tego wzorca

x -średnie stężenie wzorców y - absorbancja obliczona z równania prostej dla stężenia xi

m- liczba wzorców Korzystając z równań prostych i wzorców obliczono odchylenie standardowe wynikające z przypadkowych błędów kalibracji oraz odchylenie standardowe średniej. Skorzystano z poniższych wzorów:



x 

 2j 

2 j

j

(4)

m

( y  i

ysr )2

(5)

i

n

6

S S 0 a

1 1   n m

( yk  y )2

(6)

2  a2   xi2  mx   i 

Gdzie:

 x -odchylenie standardowe średniej, j2- kwadrat odchylenia standardowego dla i-tego wzorca, S – odchylenie standardowe wynikające z przypadkowych błędów kalibracji, ysr - średnia absorbancja dla wzorca o danym stężeniu, n - liczba pomiarów dla wzorca o danym stężeniu, yk- średnia absorbancja dla próbki, y -średnia absorbancja dla wzorców,

Wyznaczone

wartości

współczynników

prostych

dla

poszczególnych

wykresów

kalibracyjnych zamieszczono w tabeli 4. Wyliczone wartości odchyleń standardowych oraz wariancji uzyskanych współczynników również zamieszczono w tabeli 4.

Tabela 4 Zestawienie wartości współczynników prostych dla poszczególnych wykresów kalibracyjnych oraz wyliczonych odchyleń standardowych oraz wariancji dla uzyskanych współczynników. Parametr

a

b

Sa

Sb

Wartość dla

0,0324

0,0007

0,0004

0,0013

0,032

0,0021

0,0323

0,0007

wszystkich wzorców Wartość bez wzorca o stężeniu 0 Wartość dla wzorca o stężaniu 0 i największym 7

x 0,0014

S 0,0039

Dla dwudziestokrotnie rozcieńczonej próbki wody wodociągowej obliczono średnią absorbancję , stężenie, odchylenie standardowe średniej oraz odchylenie standardowe wynikające z błędów przypadkowych. Ponadto na podstawie średniej absorbancji dla próbki rozcieńczonej bez interferenta obliczono stężenia korzystając z równań prostych z wykresów 2 i 3. Wyliczone wartości zamieszczono w tabeli 5.

Tabela 5 Tabela zbiorcza prezentująca zestawienie uzyskanych wartości stężeń próbek dla kalibracji metodą serii wzorców w różnych wariantach oraz wyznaczone odchylenia standardowe. próbka P1 Średnia absorbancja Stężenie obliczone na podstawie prostej kalibracyjnej [µg/mL] Stężenie na podstawie krzywej kalibracyjne bez 0 [µg/mL] Stężenie na podstawie krzywej kalibracyjnej bez wzorca o

0,098±0,001 3,003±0,040 2,997 3,056

Próbka P1+Si 0,066 2,015

stężeniu 0 i z wzorcem o największym stężaniu [µg/mL]

Optymalne dopasowanie zależności kalibracyjnych do danych pomiarowych dla wzorców. Wyznaczono parametry prostej dla wyników uzyskanych w kalibracji metodą serii wzorców bez dodatku buforu, na podstawie trzech metod dopasowania: A) Metoda „na oko” Na papierze milimetrowym (załącznik 1) naniesiono punkty z tabeli 1 do wyznaczonych punktów dopasowano ręcznie prostą. Obliczono tangens kąta nachylenia prostej i na podstawie tej wartości wyznaczono współczynnik kierunkowy prostej (a) a następnie korzystając z przecięcia prostej z osią y wyznaczono współczynnik b. B) Metoda pojedynczej mediany

8

W metodzie tej wyznaczono współczynniki a i b dla prostych przechodzących przez dwa punkty

ze zbioru punktów w tabeli 1 we wszystkich możliwych kombinacjach (15

możliwości). Otrzymane współczynniki a i b uszeregowano względem wzrastających wartości z których wybrano wartość środkową czyli medianę. C) Metoda najmniejszych kwadratów Wyniki wyznaczono korzystając z równania regresji liniowej z wykresu 1 otrzymanego w programie Microsoft Excel 2003. W tabeli 6 zaprezentowano otrzymane wartości współczynników a i b metodą pojedynczej mediany.

Tabela 6 Zestawienie otrzymanych wartości współczynników a i b metodą pojedynczej mediany. L.p 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Współczynnik a 0,0297 0,0308 0,0310 0,0313 0,0317 0,0320 0,0321 0,0323 0,0329 0,0329 0,0330 0,0332 0,0333 0,0342 0,0353

Współczynnik b -0,0030 -0,0010 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0006 0,0003 0,0030 0,0043 0,0050 0,0057 0,0065 0,0123

Otrzymane współczynniki ze wszystkich metod zamieszczono w tabeli 7. Tabela 7 Zestawienie otrzymanych współczynników prostych różnymi metodami. Metoda Współczynnik a Współczynnik b „Na oko” 0,0325 -0,001 Pojedynczej mediany 0,0323 -0,0006 Najmniejszych kwadratów 0,0324 0,0007 Ocena efektywności eliminacji efektów interferencyjnych z zastosowaniem uzytych metod kalibracji.

9

Kalibracja metodą dodatku wzorca: Korzystając z średniej absorbancji roztworów kalibracyjnych zestawionych w tabeli 3 sporządzono następujący wykres kalibracyjny:

Wykres 4. Krzywa kalibracyjna dla metody dodatku wzorca zawierająca wszystkie punkty pomiarowe. Ekstrapolując krzywą do zera obliczono stężenie wapnia w próbce wody wodociągowej rozcieńczonej dwudziestokrotnie równe 1,869[µg/mL]. Oznaczone metodą dodatku wzorca stężenie przemnożono przez 2 i otrzymano wartość stężenia równą 3,734[µg/mL].

Kalibracja metodą serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego. Korzystając z średniej absorbancji roztworów kalibracyjnych zestawionych w tabeli 2 sporządzono następujący wykres kalibracyjny: 10

Wykres 5. Wykres kalibracyjny dla metody serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego uwzględniający wsyztskie punkty pomiarowe. Dla dwudziestokrotnie rozcieńczonej próbki wody wodociągowej zawierajacej interferent (Si) oraz bufor lantnowy obliczono na podstawie średniej absorbancji stężenie równe 2,973[µg/mL]. Otrzymane wartości steżeń analitu różnymi metodami zestawiono w tabeli 6. Tabela 6. Zestawienie wartości steżeń otrzymanych w metodach serii wzorców i dodatku wzorca. Metoda

Oznakowanie

Stężenie analitu w

Stężenie analitu w

próbce rozcieńczonej

próbce pobranej wprost z

[µg/mL]

wodociągu [µg/mL]

Metoda serii wzorców bez dodatku

C1

3,003

60,06

interferenta Metoda serii wzorców dodatkiem

C2

2,015

40,3

interferenta Metoda dodatku wzorca

C3

3,734

74,68

Metoda serii wzorców z dodatkiem

C4

2,973

59,46

interferenta i buforu lantanowego

W celu oceny efektywności eliminacji efektów interferencyjnych w wyniku zastosowanych metod kalibracji wyznaczono błędy oznaczeń. Względny błąd oznaczenia X1 dla kalibracji metodą serii wzorców wynosi: X1= |(C2-C1)/C1| * 100%=32,90% 11

Względny błąd oznaczenia X2 dla kalibracji metodą dodatku wzorca wynosi: X2= |(C3-C1)/C1| * 100%=24,34% Względny błąd oznaczenia X3 dla kalibracji metodą serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego wynosi: X3= |(C4-C1)/C1| * 100%=0,99%

V.

Dyskusja Jednym z celów ćwiczenia była ocena błędów wyznaczania prostych kalibracyjnych

i błędów oznaczeń. Bardzo ważne jest określenie precyzji pomiaru sygnału wzorców żeby uzyskać dobrze dopasowaną krzywą kalibracyjną. W wykonanym ćwiczeniu posłużono się trzema różnymi metodami na podstawie których dokonywano optymalnego dopasowania zależności kalibracyjnej do danych pomiarowych dla wzorców. Pierwszą rozpatrywaną metodą była metoda „na oko”, której dokładność dopasowania punktów do prostej w dużej mierze

zależała

od

doświadczenia

eksperymentatora.

Metoda

ta

w

przypadku

przeprowadzania jej przez różne osoby może charakteryzować się dość dużym rozrzutem wyników. Pomimo to wyznaczone parametry nie odbiegają znacząco od parametrów wyznaczonych pozostałymi metodami. Kolejną rozpatrywaną metodą była metoda pojedynczej mediany opierająca się na wyborze wartości środkowej odpowiadającej szukanym współczynnikom a i b w prostej kalibracyjnej. Trzecią metodą była metoda najmniejszych kwadratów która jest najczęściej stosowana do opracowań wyników. Wyznaczone wartości współczynników a i b tymi metodami nieznacznie różnią się od siebie co pozwala wysnuć wniosek, iż w dobry sposób pozwalają dopasować zależności kalibracyjne do uzyskanych eksperymentalnie wyników. W wykonanym doświadczeniu rozpatrzono także wpływ doboru ilości i rozmieszczenia wzorców na położenie prostej oraz na wyniki oznaczenia. Zależności te obrazuje tabela 5 w której porównano wyznaczone stężenia z różnych krzywych kalibracyjnych zależnych od ilości roztworów wzorcowych. Różnice w wyznaczonych stężeniach są znikome i różnią się dopiero na 2 lub 3 miejscu po przecinku. Jednakże największe odchylenie od reszty wyników odpowiada krzywej wzorcowej skonstruowanej z dwóch punktów pomiarowych. Kolejnym ważnym aspektem w przeprowadzonym

ćwiczeniu

było

określenie

efektywności

eliminacji

efektów

interferencyjnych przy zastosowaniu różnych metod kalibracji. W tym celu wyznaczono 12

błędy oznaczenie dla każdej ze stosowanych metod kalibracji. Największy błąd oznaczenia występował w przypadku zastosowania kalibracji metodą serii wzorców bez dodatku buforu. Błąd ten wynosił 32,90 % co w znaczący sposób rzutuje na dokładność uzyskanych wyników. Błąd ten był spowodowany obecnością interferenta, który w znaczący sposób wpłynął na obniżenie wartości absorbancji, ponieważ w metodzie tej nie podjęto żadnych prób eliminacji związanych z nim efektów interferencyjnych. Dość duży błąd oznaczenia wystąpił w przypadku zastosowania metody dodatku wzorca (24,34%). Podstawowym ograniczeniem metody dodatku wzorca jest to, że stężenie wyznaczane jest na drodze ekstrapolacji. Metoda ta daje możliwość kompensacji efektów matrycowych (multiplikatywnych) w obecności interferentów o nieznanym rodzaju, ilości i mechanizmie działania. jednakże metoda ta nie umożliwia kompensacji efektów addytywnych czyli takich w których oddziaływanie stałej ilości interferenta na zmienne ilości analitu odpowiada zmianie sygnału o stałą wielkość. Taki efekt zaobserwowano w naszym przypadku dlatego błąd oznaczenia był stosunkowo wysoki. Najlepszą dokładność otrzymano dla kalibracji metodą serii wzorców z dodatkiem buforu lantanowego który w skuteczny sposób maskował wpływ interferenta na dokładność oznaczenia. VI.

Podsumowanie W przypadku gdy znamy skład próbki oraz zawartość i rodzaj ewentualnych

interferentów najlepszą metoda kalibracji jest metoda pozwalająca zamaskować ewentualne efekty interferencyjne. Przykładem takiej metody jest kalibracja metodą serii wzorców z dodatkiem odczynnika maskującego. W naszym przypadku substancją ta był bufor lantanowy. Wpływy interferencyjne mogą być różnego rodzaju. Efekty te mogą być dodatnie gdy zwiększaja sygnał analitu o danym stężeniu, lub ujemne, gdy powodują jego zmniejszenie. W przypadku tego doświadczenia zaobserwowano ujemne efekty interferencyjne wpływające na wynik oznaczenia. Wpływy te zalezą od rozpatrywanej metody analitycznej i indywidualnego układu analit-interferent (interferenty), a często równi od wzajemnych reakcji miedzy interferentami. W wielu metodach również parametry stosowanej aparatury jak i warunki pomiarowe wywierają wpływ na sygnał analityczny.

13...