Näytteenvalmistus tai näytteenkäsittely – se tulee tehdä huolella
Näytteenvalmistus – avain luotettavaan analytiikkaan. Näytteenvalmistuksella tarkoitetaan kaikkia niitä työvaiheita, joilla alkuperäinen näyte muunnetaan laboratorioanalyysiin sopivaan muotoon. Prosessi vaihtelee näytteen tyypistä ja analyysimenetelmästä riippuen, mutta tavoite on aina sama: erottaa tutkittavat aineosat näytteen kokonaismassasta, poistaa häiritsevät yhdisteet ja valmistella näyte luotettavaan, menetelmälle sopivaan analyysiin. volutpat.
Näytteenvalmistus sisältää tyypillisesti seuraavat vaiheet:
- Näytteenotto / näytteen jako: Ensimmäinen ja tärkein vaihe on edustavan näyte-erän kerääminen. Kun näyte kuvastaa kokonaisuutta, myös analyysitulokset ovat luotettavat.
- Kuivaus / haurastaminen: Kosteiden, sitkeiden tai elastisten näytteiden käsittely on usein haastavaa. Kuivaus tai haurastaminen helpottaa jauhatusta ja parantaa näytteen käsiteltävyyttä.
- Puhdistus / seulonta: Tässä vaiheessa poistetaan aineet, jotka voivat häiritä analyysia. Menetelmiä ovat esimerkiksi kromatografia ja selektiiviset adsorbentit.
- Partikkelikoon pienennys / homogenointi: Kiinteät näytteet jauhetaan tai murskataan, jotta analysoitavat komponentit saadaan tasaisesti jakautuneiksi ja paremmin käsiteltäviksi.
- Uutossa erotetaan analyytit näytematriisista. Käytössä voivat olla esim. liuotinuutto, SPE-uutto tai SPME-menetelmät – valinta riippu aivan näytteestä ja sen ominaispiirteistä
- Konsentrointi: Usein analyytit täytyy konsentroida, jotta analyysilaite pystyy havaitsemaan ne. Tämä voi sisältää liuottimen haihdutusta, sentrifugointia tai suodatusta.
- Derivointi: Joissain analyyseissä, kuten GC:ssä tai tietyissä spektroskopiatekniikoissa, analyytit muutetaan kemiallisesti analyysiin soveltuvaan muotoon.
- Näytteen siirtäminen lopulliseen astiaan: ennen analyysia, näyte siirretään lopulliseen asitaan, joka voi olla esim. viali, näytteensyöttäjän astia tai muu erikoisastia.
Näytteenotto ja näytteenjakaminen
Jotta näytteiden valmistus olisi toistettavaa, on tärkeää ottaa alinäyte, joka todella edustaa koko materiaalierää. Tämä tarkoittaa, että alinäytteellä tulee olla samat ominaisuudet kuin kokonaisella materiaalilla. Koska useimmat näytteet ovat epäyhtenäisiä seoksia, on huolehdittava siitä, ettei erottumista tapahdu erityisesti kuljetuksen aikana hiukkaskokojen vaihtelevuuden vuoksi. Jos koko näytettä ei käsitellä, on otettava edustava osa siitä. Näytemäärä on olennaisen tärkeä: sen on oltava riittävä analyysia varten ja suhteessa koko näytteen kokoon sekä raekokoon. Nämä tekijät määräävät alinäytteen vähimmäismäärän, jotta se kuvaisi luotettavasti alkuperäistä näytettä.
Seuraavat tärkeät kysymykset tulisi selvittää etukäteen:
a. Kuinka suuri määrä tarvitaan, jotta alkuperäisen näytteen edustavuus voidaan varmistaa?
b. Mistä kohdasta alkuperäistä materiaalia näyte tulisi ottaa?
Kuinka suuri näytemäärä tarvitaan
Tietyt toimialakohtaiset standardit antavat ohjeita ja suuntaviivoja oikeaan näytteenottoprosessiin. Esimerkiksi kivihiiliteollisuudessa käytetään standardia DIN 51701-2:1985. Se sisältää muun muassa seuraavan kaavan:
G [kg] = 0.07 [kg/mm] × z [mm]
Tämä kaava osoittaa, kuinka suuri määrä näytettä G on otettava irtonäytteestä, jonka suurin raekoko on z, jotta saadaan edustava näytemäärä. Otetaan esimerkiksi kivihiilin näyte, jonka maksimi-raekoko on 5 cm. Tällöin laskenta on seuraava:
G [kg] = 0.07 kg/mm × 50 mm
G = 3,5 kg
Näin ollen näytemäärän, joka otetaan materiaalista, jonka maksimi-raekoko on 50 mm, tulisi olla vähintään 3,5 kg, jotta edustavuus voidaan varmistaa. Muiden materiaalien kuin kivihiilen kohdalla on huomioitava niiden erilainen tiheys.
Mistä kohdasta näyte tulisi ottaa
Alkuperäisestä näytteestä otetun alinäytteen on edustettava tarkasti koko materiaalierää, mikä vaatii huolellista harkintaa näytteenottokohdan valinnassa (keskeltä, ylhäältä, alhaalta, kasan sisältä tai ulkopinnalta). Esimerkiksi kosteuspitoisuus voi vaihdella kasan eri osissa ja siten vaikuttaa analyysituloksiin: sisäosat voivat olla kosteampia kuin ulkopinnat. Myös hiukkaskoostumus saattaa erota kasan ylä- ja alaosien välillä erottumisen vuoksi.
Suurten materiaalimäärien, kuten laiva- tai junakuormien, näytteenotto on erityisen haastavaa. Edustavan alinäytteen saamiseksi on kerättävä näytteitä useista kohdista ja yhdistettävä ne. Vaihtoehtoisesti näytteet voidaan ottaa suoraan materiaalivirrasta tuotantolaitoksen prosessiyksikössä.
Näytteenjakamisesta aiheutuva hajonta analyysitulokseen
Näytteen muokkaaminen ennen jauhatusta – mitä hyötyä?
Kosteiden tai märkäpitoisten näytteiden jauhaminen voi aiheuttaa ei-toivottuja sivuvaikutuksia. Tällaiset materiaalit voivat tukkia laitteen rengas- ja pohjasiivilät, mikä voi pahimmillaan johtaa laitteen tukkeutumiseen. Tämä aiheuttaa materiaalihävikkiä näytteenvalmistuksen aikana ja vaatii runsaasti aikaa sekä vaivaa laitteen puhdistamiseen.
On kuitenkin poikkeuksia: esimerkiksi kolloidimaiset jauhatukset kuulamyllyissä edellyttävät nesteen lisäämistä. Tuoreet hedelmät ja vihannekset voidaan puolestaan käsitellä veitsimyllyissä ilman materiaalihukkaa.
Yleensä kosteat näytteet täytyy kuivata (kuten lehdet) ennen koon pienentämistä. Valitun kuivausmenetelmän ja -lämpötilan tulee olla sellaisia, etteivät ne muuta näytteen ominaisuuksia – erityisesti haihtuvia komponentteja. Tämän vuoksi tällaiset näytteet kuivataan yleensä ilmakuivauksena huoneenlämmössä.
RETSCHin TG 200 -kuivain on suunniteltu nopeaan ja hellävaraiseen kuivaamiseen. Se hyödyntää leijukuivauksen periaatetta, joka vastaa teollisia kuivausmenetelmiä, ja pystyy kuivaamaan monia tuotteita vain 5–20 minuutissa.
Embrittlement eli materiaalin hauraaksi tekeminen (nestetypen tai kuivajään avulla) parantaa näytteen murtokäyttäytymistä, mikä helpottaa ja tehostaa näytteenvalmistusta. Tämän vuoksi lämpöherkät materiaalit, kuten tietyt muovityypit, täytyy jäähdyttää välittömästi ennen esijauhatusta tai hienonnusta.
Yksi tapa on haurastaa näyte nestetypessä ennen jauhamista. Lämpötilassa –196 °C jopa pehmeä kumi muuttuu niin kovaksi ja hauraaksi, että se voidaan jauhaa ilman ongelmia. Toinen vaihtoehto on sekoittaa näyte kuivajään kanssa.
Materiaalien, jotka eivät saa altistua kosteudelle, kanssa tulee kuitenkin olla varovainen: niitä ei tule käsitellä suoraan jäähdytysaineilla. Tämä johtuu siitä, että ilmankosteus jäätyy näytteen pinnalle ja sulaessaan tiivistyy vedeksi.
Lisäksi jäähdytysaineita ei saa käyttää suljetuissa jauhatusvälineissä, koska niiden haihtuminen voi aiheuttaa ylipainetta.
Miten näytteessä olevista metallinosista pääsee eroon?
Teollisuusjätteet, kierrätysjätteet ja sekundääriset polttoaineet sisältävät usein metallisia komponentteja, joita ei voida jauhaa laboratoriomyllyillä. Päinvastoin, metalliesineet kuten teräsnaulat tai rautaruuvit voivat vahingoittaa jauhatusvälineitä ja siten heikentää myllyn suorituskykyä merkittävästi. Siksi metalliosat on eroteltava ennen näytteenvalmistuksen seuraavaa vaihetta: jauhatusta. Tarvittaessa eri fraktiot on arvioitava erikseen.
Ei-toivotut partikkelit, kuten metalliosat, voidaan poistaa myös seulomalla, mikäli niiden koko poikkeaa analysoitavista hiukkasista. Tähän soveltuvat erinomaisesti Retschin seulontalaitteet. RETSCHin seulaheittimet ja seulontakoneet kattavat laajan mittausalueen, ja erilaisten seulaliikkeiden ja seulakokojen ansiosta ne soveltuvat lähes kaikille irtomateriaaleille. Laitevalikoima tuottaa tarkkoja ja toistettavia tuloksia, ja ne täyttävät DIN EN ISO 9000 -sarjan mukaiset testimateriaalien valvontavaatimukset.
Näytteen hienontaminen, jauhaminen tai homogenisointi
Laboratoriomylly on suunniteltu jauhamaan tai pulveroimaan pieniä materiaalinäytteitä koostumus-, fysikaalisten ominaisuuksien tai muiden testaustarkoitusten analysointia varten. Myllyt pystyvät valmistamaan näytteet yhtenäiseen kokoon tai rakenteeseen, mikä varmistaa tasalaatuisuuden ja siten tarkan arvioinnin. Saatavilla on useita erilaisia näytemyllymalleja, joista kukin soveltuu tietyille materiaaleille ja käyttökohteille. Sopivan myllyn valinta riippuu materiaalin ominaisuuksista ja näytteen käsittelyn tavoitellusta lopputuloksesta.
Analyyttisissä menetelmissä, kuten AAS-, NIR-, ICP- ja XRF-tekniikoissa, on erittäin tärkeää, että näyte homogenisoidaan ja jauhetaan riittävään analyysitarkkuuteen. Vain yhdenmukainen näytteenvalmistus takaa luotettavat ja tarkat analyysitulokset. RETSCH tarjoaa laajan valikoiman näytemyllyjä ja murskaimia karkean, hienon ja erittäin hienon kokoluokan pienentämiseen lähes kaikista materiaaleista. Laaja valikoima jauhatuslaitteita ja -tarvikkeita varmistaa, että näytteet voidaan valmistaa laboratoriotesteihin puhtaasti, luotettavasti ja ilman kontaminaatiota.
Näytteiden uuttaminen
Jauhettujen näytteiden kemiallinen uutto on keskeinen näytteenvalmistusvaihe analyyttisessä kemiassa, ympäristötieteissä ja biokemiassa. Sen tarkoituksena on erottaa tietyt yhdisteet tarkkaa analyysiä varten. Tämä prosessi on olennaisen tärkeä esimerkiksi ympäristösaasteiden, kuten torjunta-aineiden, seurannassa, maaperän ravinnetasojen arvioinnissa, vaarallisten aineiden havaitsemisessa sekä monissa tutkimussovelluksissa.
Uuttoliuottimen ja -tekniikan valinta on ratkaisevaa ja perustuu analyytin kemiallisiin ominaisuuksiin sekä jauhetun näytteen matriisiin. Yleisiä uuttomenetelmiä ovat muun muassa kiinteävaiheuutto (SPE), nestefaasierotus (LLE), kiinteävaiheen mikroekstraktio (SPME) ja ylikriittisten nesteiden uutto (SFE).
Uuttoprosessi sisältää yleensä kohdeanalyytin liuottamisen sopivaan liuottimeen, jolloin analyytit erotetaan kiinteästä matriisista ja muista ei‑toivotuista komponenteista. Uuton jälkeen analyytteihin voidaan tarvittaessa soveltaa puhdistus- ja rikastusvaiheita ennen analysointia esimerkiksi kaasu- tai nestekromatografialla (GC, LC) tai massaspektrometrialla (MS), jotta yhdisteet voidaan tunnistaa ja kvantifioida.
QuEChERS-menetelmä, joka muodostuu sanoista “quick, easy, cheap, effective, rugged and safe” (nopea, helppo, halpa, tehokas, kestävä ja turvallinen), tehostaa näytteenvalmistusta torjunta-ainejäämien analysointia varten. Testit ovat osoittaneet, että QuEChERS-menetelmän tulokset ovat verrattavissa muiden menetelmien tuottamiin tuloksiin.
Homogenoinnin aikana on tärkeää estää näytteen ylikuumeneminen, sillä jotkin torjunta-aineet ovat haihtuvia. Näytteen jäähdyttäminen ei ainoastaan ehkäise tätä, vaan myös parantaa materiaalin murtokäyttäytymistä, mikä johtaa hienompaan ja tasaisempaan jauhantatulokseen.
Uutto tehdään ottamalla 10 g elintarvike- tai maaperänäytettä ja uuttamalla se 10 ml:lla asetoniitriiliä. Haamupiikkien välttämiseksi kromatogrammeissa uutto suoritetaan suolaseoksen avulla, joka koostuu yleensä natriumkloridista ja magnesiumsulfaatista suhteessa 1:2. Torjunta-aineiden siirtymiseksi orgaaniseen faasiin näytettä ravistetaan asetoniitriilin ja suolojen kanssa 1–3 minuuttia.
Laboratoriomylly, kuten RETSCHin Mixer Mill MM 400, voidaan käyttää seoksen ravisteluun 50 ml:n Falcon-putkessa jopa 30 Hz taajuudella. Tämä varmistaa perusteellisen ja toistettavan sekoituksen, mikä edistää tehokasta uuttoa.