Journal of Automated Methods & Management in Chemistry, 2007; 2007: (más artículos en esta revista)

Uso de Análisis secuencial de inyección para Mejorar Sistema de Datos y Confiabilidad de métodos en línea: Determinación de fosfato de amonio y en las aguas costeras

Hindawi Publishing Corporation
Carsten Frank [1, 2], Friedhelm Schroeder [1]

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Resumen

Este artículo resume las ventajas del análisis por inyección secuencial (SIA) en línea para la determinación de nutrientes en las aguas costeras. Se centra en técnicas para mejorar la fiabilidad de los datos adquiridos mediante la supervisión continuada una o más normas y sobre las ventajas de adiciones estándar en línea y fuera de línea manualmente determinación de las muestras recogidas en línea con el sistema SIA. Estas medidas son ventajosas durante el método de desarrollo y validación y se puede utilizar para comprobar el rendimiento del sistema sobre una base regular para reducir la cantidad de resultados erróneos. No hay cambios en el sistema de flujo son necesarios y muestra el rendimiento es sólo ligeramente reducido. Estas técnicas se han aplicado a un sistema SIA que es capaz de determinar simultáneamente y fosfato de amonio a un ritmo de más de 100 muestras por hora cada una y los límites de detección (3 σ) de 0,06 μ M y 0,05 μ M. Resultados de una campaña en el verano de 2005 se muestran.

1. INTRODUCCIÓN

Online métodos son los métodos de análisis destinados para la directa y rápida determinación de los analitos. Integran-o está conectado a la toma de muestras y sistema de pretratamiento de la muestra que puede ofrecer nuevas muestras extraídas directamente al sistema de análisis. Estos sistemas se utilizan para evitar que la muestra ya sea de almacenamiento y todos los problemas vinculados a ella [1 - 8], o que se utilizan para obtener los resultados analíticos tan rápido como sea posible durante el seguimiento de los rápidos cambios de los sistemas (por ejemplo, parámetros como la regulación en biorreactores). Línea de muestreo y análisis de sistemas son generalmente más complejo y caro que el manual de muestreo, pretratamiento de la muestra, y la determinación. Sin embargo, en muchos casos los sistemas en línea son más adecuados que los enfoques manuales, sobre todo si grandes cantidades de muestras que deben tomarse y analizarse la contaminación o riesgo muestra durante el almacenamiento y el transporte es demasiado alto [9].

Dependiendo de la zona de operaciones, sistemas en línea tienen que cumplir con requisitos diferentes. Sistemas remotos situados en las estaciones de muestreo tienen que ser fiables, pero no necesariamente rápido, flexible o móvil. Más importantes son la comparabilidad y la estabilidad que idealmente debe ser demostrado, por ejemplo, la determinación automática de las normas y clavó muestras. En línea los sistemas de a bordo utilizado para las campañas tienen que ser fiable, rápida y móvil. Si bien la movilidad de un sistema es una característica familiar, la sensibilidad viene dada por la respectiva solicitud y la velocidad de crucero del buque se define el tiempo de análisis requerido. Por otra parte, los requisitos para la fiabilidad de un sistema en línea a bordo es ligeramente diferente: estos sistemas son en la mayoría de los casos utilizados para las campañas sólo duran varios días con un apretado calendario. Por lo tanto, el sistema en línea debe trabajar desde el principio hasta el final de la campaña, independientemente de interferir parámetros como temperatura, velocidad del viento, las olas y altura. En general, los datos recogidos deberían contar con el apoyo de calibraciones periódicas y adiciones estándar. Además, es ventajoso para recoger manualmente y Pretrate muestras y luego analizarlos con los respectivos analizador en línea para eliminar los errores debidos al muestreo en línea y sistema de pretratamiento de la muestra.

Un poco desarrollado en línea de inyección secuencial sistema de análisis (SIA) para el conjunto de determinación de fosfato de amonio y [10, 11] se utiliza para demostrar las ventajas de la SIA si se utiliza en un acuerdo en línea. Especialmente el uso de una bomba de jeringa programables y una válvula de conmutación multipuertos como un autosampler sustitución, además de sus funciones normales conduce a un mejor control de calidad para los datos en línea. Varias campañas se realizaron con este dispositivo de un transecto que fue seleccionado para subrayar la aplicabilidad de los métodos descritos aquí.

2. EXPERIMENTAL
2,1. Instrumentación

El sistema analítico utilizado aquí consta de tres procedimientos analíticos: muestreo, pretratamiento de la muestra, y la determinación. En el buque de investigación, Ludwig Prandtl, una in-situ bomba-que forma parte del buque-se usa para bombear el agua de mar de una ensenada en la proa del buque para el analizador. La profundidad del agua de la entrada es de aproximadamente 1,20 m por debajo de la superficie. Para minimizar el tiempo de residencia de la muestra en la dotación del buque sistema de tubos, las altas tasas de flujo son generados por el desempeño de la parte principal del agua de mar mediante una vía de circunvalación al final de la cañería. Una segunda bomba se usa para bombear el agua a través de un filtro de flujo transversal (Minikros M22M-100-01 N, 0,2 μ m, mixtos de éster de celulosa). El filtrado pasa por un tee cerca de la válvula (Knauer A1492) de la SIA analizador. La válvula en sí es un tipo 17-port/1-channel donde el central puerto está conectado a través de un 120 cm (0,8 mm id) bucle para la celebración de la bomba de jeringa. La válvula fue seleccionado debido a su alta fiabilidad demostrada durante otro proyecto [12]-y su alta velocidad (alrededor de 0,2 segundos de puerto a puerto). Durante todo el proyecto con más de cinco campañas a bordo y incontables días en el laboratorio, el sello que se había intercambiado una sola vez, la válvula y no sólo dos veces debido a descuidado servicio (falta de grasa). Otras dos válvulas de diferentes empresas se pusieron a prueba una y no poco fiables debido a la electrónica y la otra del sello tuvo que ser sustituido después de sólo cinco días de campaña a bordo. La bomba de jeringa es un estándar de serie CAVRO xl 3000 que es capaz de realizar rampas de velocidad. Estas rampas configurable velocidad son especialmente importantes para reducir los picos de presión si la bomba de alta velocidad son elegidos. El riesgo de vacío en condiciones de la reacción bucle o cubeta en deceleración-que puede dar lugar a burbujas de aire no deseado-puede reducirse mediante la selección adecuada de velocidad rampas.

Dos diferentes detectores de fluorescencia se utilizan en esta instalación (ver Figura 1]. Hitachi F1000 Un espectrómetro de fluorescencia (por ejemplo, 365 nm, EMM. 425 nm) se utiliza para la determinación de amonio. Está conectado a un HP 34401A multímetro digital que se utiliza como analógica a digital. El espectrómetro de fluorescencia Hitachi está conectada a la válvula a través de tres bucles idénticos de reacción (60 cm; 0,8 mm id) que se calientan utilizando de fabricación casera sistema de tuberías conectado a un Haake DC 50 de calefacción baño. Fosfato se determina a través de un detector de fluorescencia (por ejemplo, 470 nm, EMM. 550 nm), siempre IPHT de Jena (Alemania). Está conectado a través de un bucle de reacción (60 cm; 0,8 mm id) a la válvula y utiliza un multímetro digital con conexión RS232 (keithley modelo 2000) como un análogo-digital. Todos los componentes (la bomba de jeringa, la válvula, los multímetros, la calefacción y baño) están conectados por el puerto serie RS232 a un ordenador personal que controla toda la configuración de scripts escritos en el lenguaje de programación Python.

La determinación de amonio se basa en la reacción del o-phthaldialdehyde (OPA) con sulfito de sodio y de amonio a un producto fluorescente. Esta reacción necesita alrededor de 60 segundos a 85 ° C para alcanzar alrededor del 70% de la máxima señal de fluorescencia. Para conseguir una muestra rendimiento superior a 60 muestras por hora, por lo menos tres bucles de reacción tienen que ser utilizados de forma paralela. En el ejemplo que aquí se presenta, tres bucles de reacción paralela se utilizaron para la determinación de amonio.

Una combinación de fosfato de amonio y determinación comienza con un paso de lectura de amonio que se utiliza para determinar la fluorescencia de la muestra-reactivo segmento. Este segmento se cargó en la reacción bucle exactamente 60 segundos (tres ciclos), excursiones (ver Figura 2].

Después de esta lectura de paso, el paso de carga se inicia con la aspiración de 8,3 μ l de amonio reactivo (AR), seguido de 25,0 μ l de muestra y 16,7 μ l RA en la explotación de bucle. Todo el reactivo de la muestra segmento se bombea a través de la válvula en la acalorada reacción de parte de lazo 1. Después de un tiempo de inactividad-que se calcula sobre la base de una evaluación estadística de las mediciones previas-25 μ l de fosfato reactivo 1 (r p1), seguido de 50 μ l de muestra, 10 μ l de fosfato reactivo 2 (RP2), y 25 μ l r p1 son aspirados . Este segmento se bombea a través de la válvula, reacción bucle 4, y la segunda después de un detector de cierta velocidad perfil. Esta velocidad perfil garantiza suficiente dispersión en el bucle de reacción, bomba de baja velocidad en el detector y de alta velocidad para limpiar el sistema.

Este procedimiento se repite para los tres bucles de reacción de amonio y luego comienza de nuevo desde el principio hasta que el programa se detiene.

3. REACTIVOS

Todos los reactivos se prepararon con dulce desgasificarse extraer agua desionizada. Sigma grado analítico se han utilizado productos químicos, salvo indicación en contrario.

3,1. De amonio

O-phthaldialdehyde (OPA) de solución stock fue preparado por la disolución de 2 g de o-phthaldialdehyde (Sigma P-1378) en 25 ml de etanol. Esta solución tiene que ser sacudido por varios minutos para lograr la completa disolución. 2 g de sulfito de sodio se disolvieron en 250 ml para preparar la solución de sulfito de existencias.

Reactivo de amonio (RA). 7,5 g de disodio tetraborato decahidrato se diluye a 250 ml. La solución se agita hasta disolución completa y luego fue trasladado en una botella de vidrio oscuro. 5 ml de solución stock de OPA se han añadido. Después de revolver 500 μ l de sulfito y la solución stock de 0,1 ml de un 30% Brij (Merck 1.01894) se agregaron solución. Después de la agitación, la solución se dejó reposar durante varias horas [10, 13].

De amonio solución estándar fue de 1 g ( NH 4 ) / l de Merck.

3,2. Fosfato

Rodamina solución madre fue preparado por la disolución de 0,20 g de rodamina 6G en 100 ml de agua. Molibdato solución madre se hizo de la disolución de 12,8 g de amonio tetrahidratado heptamolybdate (Merck, grado analítico) en 100 ml de agua. Para preparar reactivo 1 (r p1), 200 μ l rodamina 6G solución stock se añadió a 90 ml de agua. 500 μ l 5% IGEPAL (polioxietilenado (*) octylphenyl éter, ramificada) y se añadió la solución diluida a 100 ml. Reactivo 2 (RP2) fue preparado por la adición de 8,45 ml de 30% (v / v) de ácido clorhídrico a unos 75 ml de agua. Añadir 4 ml de solución stock de molibdato y diluir a 100 ml. Los reactivos r p1 y RP2 se obtuvieron a partir de Wei et al. [10, 14].

Fosfato solución estándar fue de 1 g ( PO 4 ) / l de Merck.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Si bien las condiciones del laboratorio son generalmente estable y limpio, las condiciones en sitios de muestreo en línea puede ser menos favorable. A bordo de un buque, por ejemplo, las condiciones pueden ser aún más insuficientes con variaciones en la temperatura, las vibraciones y las altas aceleraciones. Especialmente espectrómetros pueden ser sensibles a las vibraciones ya los cambios de temperatura y pueden, por tanto, variaciones en su sensibilidad. Otros problemas pueden ocurrir debido a las variaciones en la temperatura ambiente que afectan la estabilidad de los reactivos.

Para evitar resultados no concluyentes, un método que ha sido establecido para garantizar la grabación continua de los resultados del sistema SIA. Uno o más normas se preparan y conectada a la válvula. Estas normas de forma automática en una base regular después de un cierto orden. Todos los picos son medidos al instante integrado y continuamente está representada en un gráfico como resultados provisionales. Cualquier desviación del comportamiento esperado (en comparación con el ex resultados en el mismo o en ámbitos similares) puede ser reconocido casi al instante. Un segundo gráfico muestra los datos en bruto de la muestra el detector de picos en el último detalle. Este gráfico es, por una parte de un control regular de una serie de irregularidades y, por otra parte en caso de que el primer gráfico muestra resultados inesperados. Casi todos los problemas que ocurren normalmente en un sistema SIA causar una inconsistencia en la base de referencia o peakshape. La mayoría de las incoherencias son típicas de determinados problemas y, por consiguiente, pueden usarse para determinar la fuente de un problema más fácilmente. Los datos brutos se guardan en el disco duro del ordenador y puede ser revisada en cualquier momento posterior.

Aunque los problemas con el sistema SIA puede ser casi con toda seguridad se pronunció por revisar la estabilidad de la determinación de las normas de consulta y los datos primarios, los problemas con la toma de muestras o el sistema de pretratamiento de la muestra no se puede descartar de esta manera. El planteamiento más razonable de eliminar estas fuentes problema es manual y Pretrate recoger una muestra y luego conectarlo a una nueva válvula de puerto. La determinación de esta muestra es entonces intergated en el normal flujo de programa SIA. El uso de este sistema, recogidos manualmente la muestra se puede determinar contemporáneo (algunos minutos más tarde) a la muestra en línea con el mismo sistema sin interrumpir la línea determinación. Además de la determinación con el sistema en línea, una parte de esta muestra se pueden preservar y determinará más adelante con un método normalizado de laboratorio. Esto elimina cualquier problema respecto a la comparabilidad de la muestra en línea con las recogidas manualmente.

Dos más técnicas pueden utilizarse para mejorar la calidad de los datos adquiridos. En primer lugar, en línea estándar y muestra además la dilución se puede realizar dividiendo el volumen de muestra en secciones con el estándar y muestra. Aunque este procedimiento no es aplicable en todos los casos (por ejemplo, los volúmenes de las secciones deben ser lo suficientemente grandes como para asegurar la dosificación precisa y la reacción bucle debe ser lo suficientemente largo para garantizar la suficiente mezcla entre la muestra y estándar) y no puede sustituir el método manual debido a su imprecisión, este procedimiento es útil, sin embargo, para vigilar la influencia de los cambios de la matriz de la muestra (por ejemplo, la marina y el agua de los ríos en las zonas costeras) a la ejecución del método. La segunda técnica para mejorar la fiabilidad de los datos es la aplicación de dos métodos diferentes en un mismo sistema. Como se ha demostrado por Frank et al. [10], dos diferentes métodos de análisis pueden ser utilizados en una iniciativa especial para África del sistema sin interferir entre sí. Este enfoque puede ser utilizada para comparar dos métodos para el mismo analito sin necesidad de un análisis independiente extra sistema.

4,1. Ejemplo: la verificación de los resultados analíticos con una inesperada variabilidad en línea durante la determinación de amonio y fosfato

Las técnicas sugeridas anteriormente se utilizaron para mejorar la fiabilidad de la información obtenida de la medición en línea de una nueva inyección secuencial análisis basado en fosfato de amonio y analizador. Este analizador se utiliza para determinar los nutrientes durante las campañas en el Mar del Norte y el Mar de Wadden.

El ejemplo descrito aquí es un extracto de un conjunto de datos adquirida durante un período de tres semanas de campaña en el Mar del Norte en el verano de 2005. Parte de esta campaña fue un transecto de Buesum a la isla de Helgoland en julio, el 9 durante el cual los resultados de las determinaciones en línea de ambos nutrientes mostraron una inesperada variabilidad. Se espera que la distribución de nutrientes de este transecto incluye un aumento de la concentración de nutrientes más o menos correlacionada con la distancia a la costa y comparativamente pequeñas inhomogeneidades en la alta mar.

Sin embargo, las figuras 3 y 4 indican ya sea una muy desigual distribución de nutrientes que no sólo remotamente se asemejan a la espera de nutrientes de distribución o un problema con la inyección secuencial sistema de análisis en línea y el sistema de toma de muestras. Para eliminar los errores de análisis, todos los datos recogidos en el transecto que se examinó mediante el método descrito más arriba.

El primer paso de esta revisión se muestra en las figuras 3 y 4, en la que la muestra en línea, así como las normas que se trazan contra el tiempo. En ambos gráficos, el blanco, así como la norma son estables durante todo el período de más de cinco horas. Esto lleva a la hipótesis de que el rendimiento del sistema SIA se mantuvo estable durante todo el período de tiempo. Cualquier cambio en el desempeño de la SIA sistema también han influido en la determinación de los resultados en blanco y / o la norma.

Durante la segunda etapa de la revisión, los datos brutos del respectivo período de tiempo se analiza (extracción en las Figuras 5 y 6] para excluir a resultados erróneos debido a, por ejemplo, burbujas de aire en la muestra. Estas burbujas de aire pueden ocurrir debido a una alta concentración de oxígeno en el agua causados por alto la producción primaria de algas durante los días soleados. Ni el crudo ni el fosfato de amonio datos no muestran ninguna irregularidad.

El tercer y último paso de ese examen sería la comparación de forma manual y recogida de muestras pretratadas en línea con la muestra. Sin embargo, debido a la supuesta inhomogeneity de la masa de agua y la inercia demostrada de la toma de muestras y el sistema de pretratamiento de la muestra (una circular bomba y una cruz la corriente de filtro), el manual se tomaron muestras de flujo de filtrado como se indica en la Figura 7. Estos siete minutos combinaron las muestras se integraron en el sistema SIA utilizando un antiguo puerto sin utilizar la válvula. Los resultados de estas determinaciones se muestran junto con los datos en línea en las figuras 8 y 9. Junto con la legítima presunción de que ni el bombeo ni la filtración hizo que tienen un efecto significativo en la muestra, se puede proponer que tal vez se producen grandes variaciones en la concentración de amonio en el mar abierto.

Se encontró que la inesperada alta variabilidad de la concentración de amonio (y en menor escala también fosfato) fue probablemente conectado a la floración irregular de la Nutrición heterótrofa plancton Noctiluca que los vertidos de grandes cantidades de amonio y fosfato durante la lisis celular [15].

5. CONCLUSIONES

Si bien todas las técnicas de flujo son más o menos adecuadas para el análisis de sistemas en línea, el análisis de inyección secuencial (SIA) es especialmente calificadas para aplicaciones en línea. A diferencia de todas las demás técnicas de flujo, la SIA integra la capacidad para llevar a cabo medidas de garantizar la calidad en forma automatizada sin ningún tipo de dispositivos complementarios (por ejemplo, válvulas o autosamplers). Esto conduce a sistemas de análisis que sean más portátiles que sistemas comparables que hace que estos sistemas especialmente adecuado para aplicaciones de monitoreo en lugares remotos o en los buques.