Analyse/overvåking av kjemiske parametere - Specieringsproblematikk .

1. Analyse/overvåking av kjemiske parametere - Specieringsproblematikk. Øyvind Mikkelsen og Knut Schrøder Institutt for kjemi NTNU NKS, FAK - 8. november 2007

2. Hva menes med speciering? The International Union for Pure and Applied Chemistry (IUPAC) has published guidelines or recommendations for the definition of speciation analysis: Speciation analysis is the analytical activity of identifying and/or measuring the quantities of one or more individual chemical species in a sample. The chemical species are specific forms of an element defined as to isotopic composition, electronic or oxidation state, and/or complex or molecular structure. The speciation of an element is the distribution of an element amongst defined chemical species in a system. In case that it is not possible to determine the concentration of the different individual chemical species that sum up the total concentration of an element in a given matrix, that means it is impossible to determine the speciation, it is a useful practice to do fractionation instead. Fractionation is the process of classification of an analyte or a group of analytes from a certain sample according to physical (e.g. size, solubility) or chemical (e.g. bonding, reactivity) properties.

3. Hva menes i praksis med speciering?Et pedagogisk eksempel: TC (Totalt karbon) = TOC (Totalt organisk karbon) + TIC (Totalt uorganisk karbon) er som kjent meget brukte parameter e for vannkvalitet, men det er store begrensninger i hva disse står for kvalitetsmessig. Som eksempel er CO2, CaCO3, CH3COOH, C2H5OH alle organiske forbindelser med høyst ulik grad av toksisitet gir alle sine like bidrag til TC-verdien. Videre i denne presentasjonen vil hovedvekten bli lagt på speciering av metaller.

4. Totalinnhold og/eller speciering? Å bestemme totalinnholdet i en prøve er en viktig, men ikke alltid en tilstrekkelig oppgave for å fastslå giftighet. Nøkkelordet er her biotilgjengelighet. Et stoff gjør ingen skade hvis det ikke blir tatt opp av organismen. Eksempler er stoffer som forblir uoppløst eller inngår så stabile kjemiske forbindelser at disse ikke kan brytes ned av organismen. Å bestemme hvordan de enkelte komponentene foreligger (speciering) kan være en like viktig oppgave som å bestemme totalinnholdet av stoffet.

5. DRIKKEVANNSFORSKRIFTEN fastsetter kvalitetskrav til drikkevann med bestemmelser om grenseverdier, prøvetaking, presisjon og nøyaktighet. For eksempel er grenseverdien for jern, kobber og krom hhv. 0,2, 0,1 og 0,05 g/m3 av metallene. Men det er en stor forskjell på i hvilken form disse metallene foreligger. Skrapmetall som ligger på bunnen av bassenget vil utgjøre en vesentlig større skade hvis de er løst opp i vannet, og med ytterligere problemer hvis disse oppløsningene er fordelt inhomogent i vannmassene.

6. Specieringsbestemmelse er en vesentlig større utfordring enn å måle totalinnhold fordi: • Konsentrasjonene som skal måles ofte er så lave at man er nær grensen for det som kan måles – i tillegg å måle bindingsform lar seg derfor ikke gjøre. • Selve det å utføre målingen kan påvirke forholdene mellom de ulike speciene. Tilsetter man for eksempel en syre vil en forskyvning kunne finne sted. Selv en filtrering eller bruk av en ionebytter kan være nok til å få en forandring. • Målemetoden kan i seg selv være ødeleggende på speciefordelingen. Viktige metoder som atomabsorpsjonspektrofotometri (AAS) og induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) vil ”brenne opp” komponentene slik at bare grunnstoffene alene blir tilbake.

7. Oksidasjonstrinnet er viktig Mange av stoffene som finnes i vann foreligger også i vekslende oksidasjonstrinn. Det kan være det rene metallet, i motsetning til andre former som to- og treverdig jern, krom i mange forskjellige oksidasjonstrinn osv. Her er giftigheten meget forskjellige, der det dessuten er store muligheter for overgang fra ett oksidasjonstrinn til et annet.

8. Hastighet og likevekt er avgjørende En kjemisk reaksjon kan karakteriseres av sitt likevektsnivå, dvs. i hvilken grad reaksjonen finner sted – og hvor raskt denne går. Specieringsundersøkelser for raske prosesser er svært vanskelig fordi raske omvandlinger vil føre til av vi har en helt annen speciefordeling i løpet av den måleprosessen. Undersøkelser av svært sene reaksjoner er lettere for da er det tid nok til å utføre undersøkelsen. Enda vanskeligere er det å studere halvraske reaksjoner med delvis omvandling i løpet av måleperioden.

9. Men …… Vi må heller ikke overvurdere betydningen av speciering av komponentene som foreligger i det vannet vi bruker. Det er uten mening å bruke for meget ressurser til å finne de stoffene som naturlig fordeler seg i det vannet vi bruker så lenge vi ikke tar hensyn til at dette vannet i neste omgang vil bli tilsatt saltsyre til 0,1 M i magesekken.

10. Speciering for raske reaksjonerEksempler: syre- og base-, og metallreaksjoner Selv om dette er vanskelige målinger er en eksakt speciering vanligvis ikke så viktig. Grunnen til dette er at en omvandling til likevektsnivået vil innstille seg så raskt at man alltid har kommet dit når vannet skal konsumeres. Det spiller da ingen rolle hva som måtte skje før dette tidspunktet. En viktig parameter er her konsentrasjonen av frie ioner. Når denne parameteren er kjent kan likevektene beregnes ut fra hvilke andre stoffer som finnes. Konsentrasjonen av frie (metall -) ioner er svært ofte helt avgjørende for giftighet, der motgiften kan være bruk av stoffer som danner kjemiske forbindelser og dermed setter ned den effektive konsentrasjonen av disse. Et eksempel er medisinering ved blyforgiftning.

11. Speciering for halvraske og sene reaksjonerEksempler: Vekslende oksidasjonstrinn for mange metaller, komplekse forbindelser mellom metaller og humusstoffer, syre- og base-, og organometallforbindelser Hvis reaksjonen er så sen at intet skjer er oppgaven enkel, ellers er denne svært vanskelig. Det er gjort meget arbeid innen dette fagområdet, til dels med gale konklusjoner fordi det ikke er tatt hensyn til de omvandlingene som finner sted under selve behandlingen av prøven og fordi tilsetningsstoffer er tilsatt for å kunne gjennomføre analysen, men som samtidig forskyver fordelingen av speciene. Selve måleteknikken kan også gi slik forskyvning. Kjente måleteknikker for speciering er inndeling av materialet i fraksjoner ved bruk av ionebyttere, ved dialyse eller filtrering, men dette kan lett forskyve likevekten – og derfor gi uriktige konklusjoner. Kvalitetssikring som også innbefatter alternativ metodikk er derfor helt nødvendig, men det er et forsømt felt.

12. Eksempler på speciering av metaller Enkle ioner : Zn(H2O)62+ Oksidasjonstrinn: As(III), As(V), Cr(III), CR(IV) Svake komplekser: Cu – humussyre Adsorberte eller kolloide partikler: Cu – Fe(OH)3 – humussyre Lipidlselige komplekser: CH3HgCl Organometalliske forbindelser: CH3AsO(OH2), Bu3SnCl Partikler: Metaller som er adsorbert i eller inngår i leiremateriale.

13. Bestemmelse av spormetallspeciering Lipidløselige former Informasjon om speciering kan måles også svært nært deteksjonsgrensen for totalmengde. Dette fordi tidsstabiliteten muliggjør at separasjonsmetoder kan benyttes før målinger av de enkelte speciene. Former bundet til partikler Ioniske former og labile komplekser Slike specier er det i prinsippet vanskeligere å måle fordi ethvert forsøk på separasjon eller anrikning vil endre fordelingen av speciene slik at resultatene ikke kan brukes Moleylspektroskopi ?  Svikter grunnet manglende følsomhet Potensiometri ?  Svikter grunnet manglende følsomhet ICP-MS og AAS ?  Måler bare totalmengde Voltammetri ? 

14. Bestemmelse av spormetallspeciering……..

15. Elektrokjemiske specieringsmetoder • Disse er ofte meget anvendelige fordi metodene tillater å bestemme både totalmengde og speciering • Prinsippet for metodene er at informasjon om prøven fås ved måling av elektrisk strøm, spenning og/eller motstand • Her har man mange ulike teknikker: • Coulometri (måling av strøm og tid) • Konduktometri (måling av motstand/ledningsevne) • Potensiometri (måling av spenning ved null strøm) • Polarografi / Voltammetri (måling av strøm mot spenning) Spesielt er voltammetri anvendbar for analyse av spormetaller og for specieringsundersøkelser. Her er deteksjonsgrensen for de vanligste metallene i størrelsesorden 10-6 til 10-12 M.

16. Flerteknikkmetoder for måling av metallspeciering Med unntak er elektroanalytiske metoder måler de fleste analytiske metoder totalkonsentrasjon, der de viktigste er: (AAS) atomabsorpsjonspektrofotometri (ICP-MS) induktivt koblet plasma massespektrometri Likevel er det mulig å benytte disse for speciering ved å kombinere med andre metoder, som Kromatografi Passiv prøvetaking (DGT, Diffusion Gradient Thin Film)

17. Elektrokjemisk speciering, automatisk miljøovervåking Continuous analyses of zinc, iron, and copper for a time period of four months (middle of January to middle of May, 2004), in polluted river water (Raubekken) at Løkken Verk, Norway. The point in red are results from ICP-MS analyses.

18. Noen praktiske eksemplerpå specieringsstudier

19. Kobber, bly, kadmium og sink….. I ferskvann - uorganiske fraksjoner beregnes å være til stede hovedsakelig som CuCO3 (over 90%), kolloide partikler og hydratiserte jernoksider I havvann - hovedkomponenter av uorganiske specier beregnes å være til stede som carbonato- og hydroxykomplexer (opp til 80% for CuCO3). I tillegg har man CuOH+ og Cu(OH)20 (ca. 6,5%), Cu(OH)(CO3)- og (ca. 6,5%), CuHCO3+ Overflatevann av havvann har vanligvis fra 40 to 60% av total kobber I form av inerte organiske komplekser. I ikke-forurenset havvann har ASV-labilt kobber vanligvis mindre enn 50% oppløst kobber, også ved pH så lav som 4,7. Ferskvann I elver har lite (organisk bundet) ASV-labilt kobber.

20. Cu, Pb, Cd og Zn I ferskvann - Hovedkomponenten er beregnet til å være Cd2+ og CdCO3 , avhengig av pH - Bare ved relativt høye pH-verdier adsorberes Cd til kolloide partikler, derfor foreligger svært lite Cd som pseudokolloider I havvann - Cd er beregnet til å foreligge som CdCl+ og CdCl20 - komplekser (92%) I stor grad (over 70%) finner man ASV-labilt Cd både i havvann og ferskvann. I oksygenfattig vann kan Cd foreligge som et ikke-labilt (inert) CdHS+

21. Prøve E1= -0,5V E3= -1,35V Hg2+ totalt Hg2+ MeHg+ Hg2+ (Hg2+) (EtHg2+) (PhHg2+) (TMS) (MeHg2+) Kvikksølv i vann, bestemmelse av Hg2+, MeHg+, EtHg+, PhHg+ ubehandlet behandlet E2= -1,0V Hg2+ MeHg+ EtHg+ PhHg+ R. Agraz et al.

22. Speciering av aluminium i vann Syrereaktiv aluminium (Alr) Surgjøring til pH=1.0, deretter måling ved pH=8.5 Ubehandlet Syreløselig aluminium (Als), Als = Alr - Ala Totalt monomert Al (Ala) Målt ved pH=8.5 Ikke-labilt monomert Al (Alo), Alo = Ala - Ali Opprinnelig vannprøve (ubehandlet) Labilt monomert Al (Ali) Målt ved pH=5.2 Filtrert 0.45 mm X. Wang et. al

23. Konklusjon om elektrokjemiske metoder Elektrokjemiske teknikker er viktige for å undersøke speciering av vann i naturen Her måler man de frie metallionene + alle ioner som frigjøres fra prøven i løpet av analysen (totalt elektrokjemisk aktivt innhold) Her kan man også, i tillegg til totalinnhold, bestemme specieringsformer, Som organisk bundet labilt metall, sterkt bundet metall og lipidløselig metall etter å ha foretatt ulike forbehandlinger Her foreligger rimelige instrumenter med tilstrekkelig lave deteksjonsgrenser (ng/L). Disse kan brukes online med målinger direkte i felt

24. What is the use for total element concentrations ? Since only speciation analysis provides the information about the identity of chemical species and there concentration, the question about the value of the often performed "total element determination" (trace metal analysis) is evident. Since trace element analysis does not differentiate the present species according to their isotopic composition, valency state, molecular structure, binding partners or complexing ligands nor its charge or phase, the information value of a total element concentration is that of a kind of "sum parameter", summing-up different species • having toxicity levels different by orders of magnitude, • being cancerogen, toxic, non-toxic or even essential, • being present in the particular, colloidal, dissolved or gaseous phase, • being positively, negatively or non-charged, • being present as a “free” ion, sorbed, complexed or bound.

25. The very limited information value provided by such type of analysis limits the attractiveness of "trace element analysis" to those cases, were • we do have a priori knowledge about the speciation so that total element concentration is sufficient to characterize the sample, • speciation is highly dynamic and we need to know an upper limit for a certain species, • as a quality check of our speciation analysis (mass balance), • we cannot get more specific information, • rules and legislation force us to present such data. Please also keep in mind that even if you are not interested in the speciation of elements, the element species are present. If you are interested in  the total element concentration, you have to make sure, that all elemental species are detected with the same sensitivity. In general that can only be done by applying a sample pre-treatment procedure, transforming all different species into one mineralized species. Especially direct analysis methods very seldom fulfill such requirement.

26. Utstyr for miljøovervåking og speciering Det aller meste av utstyr innen vannovervåking måler totalkonsentrasjon eller totalmengder og i og med at regelverket nesten alltid refererer til totalverdier møter produsenter av annet utstyr et forklaringsproblem: En kunde vil etterspørre det regelverket forlanger og er lite interessert i speciering uansett hvor viktig dette er for vurdering av resultatene. Vi har utviklet og produserer utstyr for overvåking av tungmetaller der det som måles ikke er totalkonsentrasjon, men elektroaktiv konsentrasjon. Selv om dette gir verdier som sier mer om toksisitet enn totalverdiene gjør, er det ikke den parameteren regelverket spør om.

27. Tilbake til regelverket, hva bør inn? For tungmetaller er totalkonsentrasjon generelt den viktigste parameteren når det gjelder forurensninger, men oksidasjonstrinnet kan også være av stor betydning og er også tatt inn i deler av regelverket. Fast materiale kan spille stor rolle, men dette avhenger av om dette løses opp i organismen. Her kan man for eksempel ta inn totalkonsentrasjon etter tilsetning av 0,01 M saltsyre. En brukbar parameter er også å angi konsentrasjoner på grunnlag av hva som er anodisk stripping voltammetri-labilt. Dette er enkelt å måle for mange metaller, samtidig som AAS/ICP-MS brukes for totalbestemmelsen. En mer omfattende specieringsanalyse er vanligvis unødvendig, ikke bare fordi denne er svært ressurskrevende, men også fordi mange av slike likevekter vil endres både under prøvetakingen, og også under det biologiske opptaket.

28. Det er knapt et eneste ord i våre regelverk om vann når det gjelder speciering, dette er en stor mangel og det synes helt klart at det vil bli innført i nærmeste fremtid. Her ligger en stor utfordring for vårt fagmiljø.Takk for oppmerksomheten NKS, FAK - 8. november 2007