Instrumentaalinen analyysi perustuu moniin periaatteisiin, joiden avulla pyritään varmistamaan mittaustulosten tarkkuus ja luotettavuus. Käytännössä näiden periaatteiden noudattaminen voi kuitenkin tuottaa useita ongelmia johtuen mittauslaitteiden ja olosuhteiden vaihteluista. Yksi tavallisimmista tavoista käsitellä näitä vaihteluita on sisäisen vertailuaineen käyttö kalibrointimenetelmissä. Tässä menetelmässä lisätään mittausliuoksiin aine, joka ei ole analysoitava yhdiste mutta käyttäytyy fysikaalisesti ja kemiallisesti samalla tavalla kuin analyytin kanssa. Tällöin analyytin ja sisäisen vertailuaineen signaalien suhteen muutokset suhteutetaan toisiinsa, jolloin saadaan luotettavampi mittaustulos. On kuitenkin tärkeää, että sisäisen vertailuaineen valinta täyttää tietyt kriteerit: sen fyysinen ja kemiallinen käyttäytyminen pitää olla mahdollisimman samankaltaista analyytin kanssa, sen pitoisuuden vaihteluvälin tulee olla analyytin kanssa yhteensopiva, ja sitä ei saa esiintyä testinäytteissä tai kalibraattoreissa.

Toinen merkittävä haaste analyyttisessa kemiassa on standardiliuosten ja näytematriisin yhteneväisyys. Näytteiden ja kalibraattoreiden matriisien ero voi vaikeuttaa standardointimenetelmien tarkkuuden hyväksyttävyyttä. Tällöin voi olla vaikeaa varmistaa, että standardiliuosten ja näytteiden käyttäytyminen on identtistä, mikä voi herättää epäilyksiä koko mittaustuloksen luotettavuudesta. Tässä yhteydessä standardin lisäys -menetelmä (Standard Addition Method) on yksi yleisesti käytetyistä vaihtoehdoista, jossa analyytin pitoisuudet määritetään lisäämällä tunnettu määrä analyytin kaltaista ainetta näytteisiin. Tämä menetelmä auttaa vähentämään matriisien erojen vaikutusta mittaukseen.

Kalibrointikäyrä, tai kalibrointiviiva, on termi, joka viittaa suoraan mittaustulosten ja analyytin pitoisuuden väliseen suhteeseen. Vaikka termi "lineaarinen kalibrointi" on yleisesti käytössä, on tärkeää ymmärtää, että kalibrointifunktio on itse asiassa malli, joka kuvaa mittausjärjestelmän käyttäytymistä, mutta se ei ole itse todellisuus. Tällöin malli tarjoaa parhaat arvaukset siitä, miten järjestelmä toimii, mutta ei takaa täydellistä osumista todellisiin mittaustuloksiin. Perusajatus on, että kalibrointiviiva lasketaan vertaamalla kokeellisia signaaleja ja analyytin pitoisuuksia. Yleisesti ottaen tämä laskenta tehdään vähimmän neliösumman menetelmällä, joka minimoi mittausvirheet ja tuottaa parhaat mahdolliset parametrit kalibrointifunktiolle.

Vähimmän neliösumman menetelmässä on kuitenkin muutama tärkeä ehto, jotka tulee ottaa huomioon. Ensinnäkin, mittausvirheiden on oltava satunnaisia ja ne pitäisi keskittyä pääasiassa mittaustuloksen (y-arvojen) alueelle, ei syötekokoelman (x-arvojen) alueelle. Tämä saattaa olla ongelmallista erityisesti jäljelle jääneiden aineiden (trace) ja ultratrace-mittauksissa, joissa virheet voivat kertyä helposti. Toiseksi, mittausvirheiden tulee noudattaa normaalijakaumaa (Gaussin jakauma), ja kolmanneksi virheiden ei tulisi riippua x-arvojen suuruudesta (homoskedastisuus). Tämä voi olla haasteellista analyyttisessa kemiassa, jossa heteroskedastisuus (virheiden epätasainen jakautuminen) on melko yleistä.

On tärkeää huomioida, että vaikka kalibrointifunktio voi tuottaa "parhaat arvaukset" analyytin pitoisuudesta, se ei takaa täydellistä tarkkuutta, koska malli perustuu mittausvirheisiin, jotka voivat vaihdella kokeesta toiseen. Tämän vuoksi kalibrointifunktion epävarmuus tulee aina esittää luottamusvälinä. Tämän voi tehdä käyttämällä esimerkiksi Studentin t-testin mukaisia tilastollisia menetelmiä, jotka määrittävät, kuinka luotettavasti kalibrointifunktion parametrit (kuten jaksot ja kaltevuudet) kuvaavat todellista mittauskäyttäytymistä.

Yksi tärkeä seikka on myös se, että virheet voivat kertyä analyysiin ja johtaa vääristymiin, jos kalibrointifunktio ei sovi hyvin mittaustuloksiin. Näin ollen on suositeltavaa tarkistaa, että virheet ovat tasaisesti jakautuneita ja noudattavat normaalia jakaumaa. Jos näin ei ole, voi olla tarpeen harkita vaihtoehtoisia kalibrointimenetelmiä tai parantaa mittausolosuhteita.

Malli ei ole koskaan täydellinen, eikä sen tuottama arvo ole aina täysin oikea. Tämän vuoksi on tärkeää käyttää eri menetelmiä virheiden arviointiin ja tarkistaa, että mallin tuottama tulos on koherentti muiden analyysien ja kokeiden kanssa. Tässä suhteessa voidaan käyttää myös interpolointia, mutta interpolointi on aina suoritettava ottaen huomioon mallin epävarmuus, koska malli itsessään voi olla altis virheille, jotka voivat vääristää tuloksia.

Mikä on atominen absorptiospektrometria ja sen sovellukset nykyaikaisessa analytiikassa?

Atomit voivat perusenergiatilassaan joko absorboida säteilyä ulkoisesta lähteestä tai emittoida säteilyä jouduttuaan virittyneeseen tilaan. Edellisessä tapauksessa absorboitu säteily rekisteröidään (absorptiospektroskopia), kun taas jälkimmäisessä säteilyn emissio on se, joka otetaan mittauksessa huomioon (emissiospektroskopia). Nykyiset laitteet tarjoavat monia mahdollisuuksia atomisaattoreiden vaihtamiseen automaattisesti, mikä mahdollistaa joustavat ja monipuoliset mittaukset. Tässä yhteydessä on kuitenkin tärkeää mainita, että atominen fluoresenssispektrometria (AFS) jää tällä esittelyllä huomioimatta sen rajallisen kehityksen vuoksi.

Atominen absorptiospektrometria (AAS)

Atominen absorptiospektrometria perustuu vapautuneiden atomien kykyyn absorboida näkyvää tai UV-säteilyä tietyillä aallonpituuksilla. Säteilyvirtauksen ja poistuvan säteilyn välinen suhde mitataan hyvin kapealla aallonpituusalueella, ja saatu absorptioarvo liitetään näytteessä olevien atomien konsentraatioon kalibrointifunktion avulla. Tämä menetelmä tarjoaa tarkkoja ja luotettavia mittauksia erityisesti metalleille ja muille atomisille aineille.

Laitteet ja peruskomponentit

Atomisen absorptiospektrometrin tärkeimmät osat ovat säteilylähde, atomisaattori, monokromaatikko ja detektori. Säteilylähde tuottaa ulkoisen säteilyvirtauksen, atomisaattori tuottaa kaasumaisia atomeja näytteestä, monokromaatikko valitsee sopivan aallonpituuden ja detektori muuntaa säteilyn mitattavaksi sähköiseksi signaaliksi. Yleisimmin käytettyjä säteilylähteitä ovat tyhjäkathodilamput (HDL) ja elektrodittomat purkautumislampit (EDL), jotka ovat elementtikohtaisia, eli ne säteilevät vain analysoitavan alkuaineen tyypillistä spektriä.

Atomisaattorit ja niiden rooli

Atomisaattorit, kuten liekki ja grafiittiuuni, ovat avainasemassa analyysissä. Liekkiatomisaatio (FAAS) on tavallisesti käytössä nestemäisten liuosten tutkimuksessa. Näytteet ruiskutetaan neulaimeen, jossa ne muuttuvat aerosoliksi ja siirtyvät liekkiin, jossa analyytin atomit absorboivat säteilyn. Tämä menetelmä on herkkyydeltään rajoitettu nebulointiprosessin tehottomuudesta ja lyhyistä asuinajoista liekissä. Graafiteen atomisaatio (ETAAS) sen sijaan parantaa herkkyyttä merkittävästi, sillä siinä käytettävän grafiittisylinterin ansiosta analyytin atomit saavat pidemmän asuinajan ja tehokkaamman atomisaation.

Monokromaatikko ja detektori

Monokromaatikon rooli AAS-laitteistossa on valita analyytin absorptiolinja, joka erotetaan muista emissiolähteistä ja taustasäteilystä. Useimmiten käytetyt instrumentit käyttävät diffraktiokiekkoja valon erottamiseen. Liekkianalyysissä yleisesti käytetään kaksoisbeami-instrumentteja, jotka kompensoivat lähteen ja detektorin herkkyyden vaihteluita. Graafiteen uunilla puolestaan käytetään yksinkertaisempia yksibeami-laitteita, joissa taustapiste säädetään ennen mittausta.

AAS-instrumenteissa on yleensä fotomultiplikatoriputki detektorina, sillä se on muita fotodetektoreita herkempi ja pystyy käsittelemään laajan aallonpituusalueen. Tämä mahdollistaa korkean herkkyyden ja laajan dynaamisen alueen mittauksessa.

Häiriöt ja niiden hallinta

AAS-mittauksessa voi ilmetä erilaisia häiriöitä, jotka voivat vaikuttaa tulosten tarkkuuteen. Häiriöt voidaan jakaa kolmeen pääryhmään: fysikaalisiin, kemiallisiin ja spektrisiin häiriöihin.

Fysikaaliset häiriöt liittyvät analysoitavan liuoksen ominaisuuksiin, kuten tiheyteen, viskositeettiin ja liuoksessa liuenneiden suolojen määrään, jotka voivat heikentää nebulointitehokkuutta tai vaikuttaa näytteen valmistusprosessiin. Tällaisia häiriöitä voidaan hallita tasapainottamalla näytteen ja standardin fysikaaliset ominaisuudet.

Kemialliset häiriöt liittyvät analyytin kemiallisiin reaktioihin, kuten ei-höyrystyvien yhdisteiden muodostumiseen tai analyytin ionisoitumiseen. Näitä häiriöitä voidaan vähentää säätämällä liekin polttoaine-hapetussuhdetta, muuttamalla liekin lämpötilaa tai lisäämällä vapauttavia tai suojaavia aineita näytteeseen.

Spektriset häiriöt syntyvät, kun analyyttisen aineen absorptiolinjan päällekkäisyys muiden interferoivien aineiden absorptiolinjan kanssa aiheuttaa mittausvirheitä. Tämä ongelma on harvoin suuri atomien absorptiolinjojen päällekkäisyyksien vuoksi, koska ne ovat erittäin kapeita. Sen sijaan molekulaariset absorptio- ja säteilylähteiden hajonta voivat aiheuttaa taustahäiriöitä, jotka vääristävät tuloksia.

Lisäksi on tärkeää huomata, että AAS-menetelmää voidaan käyttää ei vain nestemäisten liuosten, vaan myös kiinteiden ja kidehtivien näytteiden tutkimuksessa. Esimerkiksi höyrynmuodostusmenetelmät, kuten kylmähöyryn analyysi elohopealle ja hydridi-muodostus seleenille, arseenille ja tinalle, tarjoavat erityisen korkean herkkyyden tietyille alkuaineille.

Voiko ydinenergia ratkaista vesidesalisaation haasteet?
Miten digitaalinen transformaatio muuttaa teollisuutta ja prosesseja?
Mikä on projektioalgebrallinen geometria ja sen merkitys affineille algebraattisille joukkoille?
Miksi paljasjalkajuoksu on parempaa kuin juoksukengät?