Prev
Next 
2. Növényi eredetű élelmiszerek kén-tartalmának meghatározása zárt terű „teflon-bombás” és mikrohullámú roncsolást követően induktív csatolású plazma optikai emissziós spektrometria (ICP-OES) segítség
Tanulási célok
Növényi eredetű élelmiszerek kén-tartalmának meghatározása zárt terű „teflon-bombás” és mikrohullámú roncsolást követően induktív csatolású plazma optikai emissziós spektrometria (ICP-OES) segítségével

Bevezetés, minták előkészítése, mintafeltárás

Bevezetés
A kén létfontosságú az élő sejtek számára. A növényekben elsősorban fehérjékben kéntartalmú aminosavak (cisztein, metionin), tiolok (glutation) ill. szulfolipidek formájában van jelen. Kén szükséges többek között a klorofill képződéséhez, a növények betegségekkel szembeni védekezéséhez és a magok fejlődéséhez is. A kén, a növényfajtáktól függően jelentős eltérésekkel, szárazanyag tartalomra vonatkoztatva általában 0,1 – 6 m/m % között található a növényekben.
Klasszikus kéntartalom meghatározási eljárás a bárium-kloridos gravimetriás módszer, ahol a minta szerves kéntartalmát oxidációval szulfáttá alakítják, majd bárium-klorid oldat segítségével bárium-szulfát csapadékot képeznek. A keletkezett csapadékot szárítás után gravimetriásan mérik. A modernebb analitikai technikák közül rendelkezésünkre állnak többek között a röntgen fluoreszcenciás- ill. infravörös spektrometriai technikák. Napjaink népszerű kénanalizátorai a minta oxidatív elégetését követő kén-dioxid detektálását általában kromatográfiásan, UV fotométerrel, vagy coulometriásan oldják meg. A gyakorlat során az ICP-OES-sel történő kéntartalom meghatározást mutatjuk be. Ez utóbbi módszer „multielemes” jellege miatt szélesebb körben terjedt el a kénanalizátorok célműszereihez képest, ugyanakkor kén meghatározására a rosszabb kimutatási határa miatt ritkábban használják. Növényi élelmiszerek esetén azonban a várt koncentrációtartomány (0,1 – 6 m/m %) az ICP-OES révén meghatározható értékeket takarja. A jelenlegi példában a növényi eredetű élelmiszerekkel hasonló módon vizsgálandó mintán, falevelen keresztül ismertetjük az eljárás folyamatát.

A megújuló energiaforrások fontosságának növekedése hazánkban a biomassza erőművekre is ráirányította a figyelmet. A biomassza erőművekben általában többféle iparágból származó melléktermékek, köztük az erdészetben képződő hulladékok is feldolgozhatók. Az erőműben való felhasználhatóság egyik fontos szempontja az adott növény kén-tartalmának ismerete, ideális ha az kicsi, hiszen az égetés során a kénből keletkező kén-dioxid környezetszennyező hatású. Ma már számos technika létezik az égetés során keletkező füstgázok tisztítására. A folyamat során termelődő kén-dioxid megfelelő kezeléséhez ill. a káros anyag kibocsátási határértékek betartásához szükséges a felhasznált biomassza kéntartalmának ismerete. Fontos információ a lombminták kéntartalma az erdők állapotát monitorozó kutatásokban is (pl. FutMon project), de egyéb pl. növény-élettani kutatásokban is fontos szerephez juthat.


Minták előkészítése
Lombmintán különböző, fás szárú növényekből származó levél mintákat értünk. A lombminták kéntartalmát szárazanyag-tartalomra vonatkoztatva érdemes megadni, mivel az egyes minták víztartalma nem állandó. Leginkább a liofilezést (fagyasztva szárítás), illetve a szárítást alkalmazzuk laboratóriumi minták víztelenítésére. A liofilezés költségesebb eljárás, komplikáltabb berendezést igényel, de kíméletes nedvesség eltávolítást biztosít és kevesebb illékony komponens vesztéssel kell számolni. A szárítás hagyományos víztelenítési módszer, amely jelen feladat esetében megfelel, bár alacsony hőmérsékleten kell végeznünk, hogy elkerüljük az illékony kén-vegyületek szignifikáns mértékű veszteségét. A levelek begyűjtése után érdemes a mintát levegőn légszáraz állapotig száradni hagyni, majd ledarálni, homogenizálni. A légszáraz mintát 80˚ C-on tömegállandóságig szárítjuk. A szárítás előtti és utáni tömegadatokból kiszámítható a kiindulási minta nedvességtartalma.


Minták feltárása
Egy adott analitikai feladat esetén a feltárási módszer kiválasztását számos szempont befolyásolja (pl. alkalmazott mérési technika, mérendő elem(ek) tulajdonságai pl. illékony-e, mátrix tulajdonságai, esetleges zavaró komponensek jelenléte, várható koncentráció). Bár az ICP-OES (akárcsak az ICP-MS is) alkalmassá tehető szilárd fázisú minták analízisére, a folyadék fázisú minták vizsgálata elterjedtebb. A feltárás célja egyrészt a minták mérendő komponenseinek oldatba vitele, mintamátrixból [1] való kiszabadítása, másrészt a mérőrendszer számára zavaró komponensek eltávolítása ill. átalakítása. A feltárás során a minták szerkezetének feltáródása, roncsolódása révén annak szerves komponensei szervetlen vegyületekké alakulnak át, illetve a mérendő komponensek mérésre alkalmas formába kerülnek. Célunk, hogy a roncsolási körülmények megfelelő megválasztásával ezek a folyamatok mind teljesebbé váljanak.
Szilárd anyagok roncsolási technikáit alapvetően két nagy csoportba oszthatjuk: száraz- (pl. hamvasztás) illetve nedves technikák. A nedves roncsolás történhet atmoszférikus nyomáson (nyílt téri), vagy nyomás alatt (zárt téri). A gyakorlaton két, nyomás alatti nedves roncsolási technikát ismerünk meg. Az 1. táblázat egy ún. teflon-bombás és egy mikrohullámú roncsolás fontosabb műveleti lépéseit mutatja. A kuktában történő roncsolás során csak feleannyi mintát mérhetünk be a teflon-bombák kisebb térfogata és nyomástűrése miatt. A minta összetevőitől és az alkalmazott feltárási körülményektől (pl. alkalmazott savak, hőmérséklet, nyomás stb.) függően gázok fejlődhetnek a feltárás során. A roncsoló edény nyomástűrését meghaladó nyomás a mintafeltárást sikertelenné teszi (a teflon-bomba „felrobban”, a mikrohullámú roncsoló edényzet „lefúj”). A kétféle mintafeltárás eredményeként 10 ill. 50 ml feltárt mintát kapunk, a hígítási faktor mindkét esetben 50-szeres.
1. Táblázat A teflon-bombás és a mikrohullámú roncsoló berendezéssel végzett minta-előkészítés műveleti lépései.
Roncsolás kuktában, teflon-bombákban [2]
Mikrohullámú roncsolás [3]
Minta előkészítése roncsoláshoz
homogenizálás mintától függően (darálás, rázás, keverés)
homogenizálás mintától függően (darálás, rázás, keverés)
Minta bemérés
0,2 g
0,5 g
Roncsolás
2 ml cc. HNO_3
+ 2 ml H_2O_2
8 óra előroncsolás szobahőmérsékleten
5 ml cc. HNO_3
8 óra előroncsolás szobahőmérsékleten
+ 3 ml H_2O_2<br/>
Roncsolási időprogram
forrástól számított 1 óra
20 perc – felfűtés (250 psi–ig [4] )
15 perc – roncsolás
20 perc – hűtés
Feldolgozás
roncsolmány hígítása, bemosása 10,0 ml végtérfogatra ioncserélt vízzel
roncsolmány hígítása, bemosása 25,0 ml végtérfogatra ioncserélt vízzel
A mintafeltárás eredményeként víztiszta mintaoldatokat kell kapnunk. Ha szükséges (pl. homokszemcsék, feltáratlan részecskék okán), roncsolás után a mintákat papírszűrőn átszűrjük. A szemmel látható részecskék eltömhetik az ICP-OES mintabevivő kapillárisát vagy a porlasztót és ezáltal bizonytalanságot okoznak a porlasztás ill. gerjesztés során.

A mérési eredmények megbízhatóságának növelése érdekében általában párhuzamos minták analízisére is sor kerül (ugyanabból a mintából több roncsolást végzünk). Kontroll minták roncsolása minden esetben szükséges. Ekkor a roncsolást savakkal, minta bemérése nélkül végezzük.

[1] mintamátrix: a vizsgálandó minta meghatározandó komponensén/komponensein kívüli összetevők
[2] A teflon-bombás roncsolás során saját tervezésű, csavarmenettel záródó teflon edényekbe mérjük be a roncsolandó mintákat illetve a savakat. Az edényeket lezárt állapotban egy közönséges kuktába helyezzük némi vízzel, lezárjuk, majd melegítjük
[3] A mikrohullámú roncsolás műveleti lépései a CEM Mars 5 típusú roncsoló berendezésére vonatkoznak.
[4] psi – nyomás mértékegység (pound-force per square inch), 1 psi ≈ 6,89 kPa; 250 psi ≈ 17,2 BAR ≈ 1,7 MPa.

Mérés ICP-OES berendezéssel

Műszeres analízis
Az ICP-OES a modern analitikai módszerek közé tartozik. Az analízis során a plazmába juttatott mintában lejátszódó folyamatok eredményeként a minta gerjesztéséből származó elektromágneses sugárzást mérhetünk. Ezen sugárzás intenzitásának és hullámhosszának vizsgálata a minta (ICP-OES által mérhető) elemeinek minőségi és mennyiségi meghatározását teszi lehetővé.

Az ICP-OES rádiófrekvenciás generátora állítja elő és tartja fenn az induktív csatolású plazmát [1] . A plazmába a mintabeviteli egység segítségével (ami leggyakrabban egy perisztaltikus pumpa és egy pneumatikus porlasztó) juttatjuk a vizsgálandó oldatot. A porlasztás célja, hogy a mintaoldatot aeroszollá alakítsa és csak a kis cseppméretű részecskék juthassanak a plazmába. A mintát alkotó elemek gerjesztődnek a plazmaforrásban, a kibocsátott elektromágneses sugárzást a berendezés leképezi a fényfelbontó egységére (spektrométer, polikromátor, monokromátor), ahol megtörténik a fény spektrális felbontása. A detektor(ok) feladata, hogy az adott hullámhosszon jelentkező fényintenzitással arányos elektromos jelet állítsanak elő.

Az ICP-OES multi-elemes technika, készüléktől függően kb. 30-70 elemet vizsgálhatunk. Főkomponensek és nyomszennyezők egyszerre is vizsgálhatók, mivel az analitikai (jelintenzitás-koncentráció) görbe 4-7 nagyságrenden belül lineáris összefüggést ad.


Kéntartalom meghatározás
A kén legintenzívebb emissziós vonala a 180,7 nm-nél található, ahol jelentősebb spektrális interferenciát csak a mintában esetlegesen jelenlévő kalcium-tartalom okozhat. Egy másik, spektrális interferenciáktól teljesen mentes -bár kevésbé intenzív- emissziós vonal a 182,03 nm-nél található. Mivel ezek a vonalak már a távoli (ún. vákuum) ultraibolya tartományba esnek, biztosítanunk kell a mérés során az optikai fényút valamilyen inert gázzal (pl. argon, nitrogén) való öblítését, hogy a rövid hullámhosszú színképvonalak levegőben történő elnyelődését megakadályozzuk.
Az irodalmi adatok szerint a tüzelési célra felhasznált biomassza-féleségek kéntartalma minimális. Laboratóriumi mérési eredményeink szerint, szárított mintáink kéntartalma levelek esetében általában a 0,2-2.0 mg/g (0,02-0,2%) koncentráció tartományba esik, de más típusú erdészeti hulladékból származó biomassza minták (kéreg, ág stb.) esetén sem haladja meg a 0,5 %-ot. A mintafeltárás során alkalmazott 50-szeres hígítási faktort figyelembe véve, a méréshez használt, feltárt oldatminták kéntartalma a 4-40 µg/ml tartományba esik, ha az átlagos (0,2-2,0 mg/g) koncentráció tartományt feltételezzük. Az ICP-OES relatív módszer, a minták kéntartalmának mennyiségi meghatározásához összehasonlító (kalibráló) oldatokat használunk. A mérések kalibrálásához 2 pontos kalibráció elégséges (vak oldat, 10 µg/ml koncentrációjú standard kén oldat), mivel a módszer több nagyságrenden belül (általában 4-7) lineáris jel-koncentráció összefüggést ad. A nagy dinamikus tartomány ideális, de természetesen ennél a technikánál is figyelembe kell vennünk a lehetséges zavaró hatásokat. A porlasztási zavaró hatások kiküszöböléséhez fontos, hogy a mérés során ne változzon az oldatok felületi feszültsége, viszkozitása stb., ne tömődjön el a porlasztó. Mivel roncsolt mintáink savtartalma jelentős, a kalibráló oldatok savtartalmát is azonos szintre kell beállítanunk, hogy elkerüljük az eltérő porlasztási hatásfokok okozta hibát. Azt már említettük, hogy a kén legintenzívebb vonala spektrális interferenciáktól kevéssé terhelt, a 182,03 nm-nél található vonal pedig gyakorlatilag teljesen interferencia mentes. Mivel mintáinkban várhatóan µg/ml nagyságrendű kén-tartalmat tudunk majd detektálni, a kevésbé intenzív (182,03 nm) emissziós vonal is elegendő érzékenységet ad. A molekulák emissziója által okozott sávos sugárzás hatását kétoldali háttérkorrekcióval tudjuk figyelembe venni. A háttér-intenzitások meghatározásához az adott emissziós vonal környezetében mérjük az intenzitásokat.

Az eredményeket a hígítási faktorok figyelembevételével, szárazanyag-tartalomra vonatkoztatva adjuk meg. Az adott minta szárazanyag-tartalma is fontos információ lehet, a meghatározás céljától függően.
Kérdések:
  1. Milyen más, konkrét feladatot tud elképzelni, ahol élelmiszeripari, környezeti stb. minták kén-tartalmának meghatározása a cél?
  2. Hasonlítsa össze a két feltárási móddal kapott eredményeket!
  3. A mérési eredmények megbízhatóságának biztosítása érdekében ugyanabból a mintából több párhuzamos mérést is végzünk. Ettől azonban bizonyos esetekben el lehet térni. Milyen tényezők befolyásolhatják, hány párhuzamos mérést végzünk egy minta analitikai elemzésekor?

[1] Argon plazma - a mágneses tér hatására az argon ionizálódik, létrejön egy nagy hőmérsékletű (7-10000 K), hosszú élettartamú metastabilis argon ionokból álló plazma, melyben nagy az ionütközéses gerjesztés hatásfoka
 Prev
Next