Nykyaikainen metallianalytiikka

As a consequence of industrialization, metal concentrations in nature are big enough to have harmful effects on humans, animals and the environment. On that grounds, EU legislates maximum metal concentrations in several matrices. More sensitive and more selective analytical techniques are required in making sure these norms are being followed. To assess the biological activity and toxicity, along with the total metal concentration, the knowledge on the oxidation state of the metal and speciation is to be signified. In the literature part of the thesis the most used sample pretreatment and analysis techniques in metal determination in the years 2007–2017 are covered. Atomic absorption spectrometry and inductively coupled plasma based techniques are compared in determination of total metal concentration. Liquid chromatography and capillary electrophoresis coupled with mass spectrometry detection are presented as techniques used in speciation analysis. Also, sample pretreatment techniques are presented – especially solid-phase extraction – as well as parameters influencing extraction efficiency and selectivity. New sorbent materials, their synthesis and characterization, and applications are discussed in the last section of the literature part. A few studies regarding metal speciation analysis are also presented. Some future aspects of solid-phase extraction are evaluated in the end of literature part. In the experimental part of the thesis, metals were determined with inductively coupled mass spectrometer (ICP-MS) from boric acid containing waters in Loviisa Nuclear Power Plant. Determination of metals relates directly to the safe operation of the plant. However, the large concentration of boric acid in the process water samples prevents their analysis with ICP-MS. In the experimental part, boric acid concentration was diluted with two sample pretreatment methods: esterification or on-line aerosol dilution. Aerosol dilution was a better approach in process water analysis than esterification. Thus, three analytical methods using aerosol dilution in different boric acid and metal concentrations were optimized. Validation of two of these methods are presented in the end of the experimental part.Teollistumisen seurauksena luonnossa esiintyy metallipitoisuuksia, joilla on haitallisia vaikutuksia ihmisiin, eläimiin ja ympäristöön. Tästä syystä monelle metallille on annettu EU:n lainsäädännössä sallitut maksimipitoisuudet erilaisissa matriiseissa. Jotta voidaan luotettavasti todeta, että normeja noudatetaan, tarvitaan yhä herkempää ja selektiivisempää metallianaytiikkaa. Kokonaismetallipitoisuuden lisäksi metallin biologisen aktiivisuuden ja myrkyllisyyden arvioimiseksi on tunnettava sen hapetusaste tai esiintymismuoto. Pro gradu -työn kirjallisessa osiossa käsitellään vuosina 2007–2017 metallinmäärityksessä eniten käytettyjä analyysi- ja esikäsittelytekniikoita. Kokonaismetallipitoisuuksien määritykseen käytetyistä tekniikoista vertaillaan atomiabsorptiospektrometrisiä ja induktiivisesti kytkettyyn plasmaan pohjautuvia analyysitekniikoita. Metallien spesiaatioanalyysiin sovelletuista tekniikoista esitellään nestekromatografisia ja kapillaarielektroforeesitekniikoita, joissa detektointi on tehty massaspektrometrilla. Lisäksi esitellään näytteenkäsittelymenetelmiä – erityisesti kiinteäfaasiuuttoa – sekä tekijöitä, jotka vaikuttavat uuttotehokkuuteen ja menetelmän selektiivisyyteen. Kirjallisen osion loppuosa koostuu kiinteäfaasiuuttoon käytettyjen uusimpien sorbenttimateriaalien synteesistä, karakterisoinnista ja sovelluskohteista. Myös spesiaatio-analyysista esitellään muutama tutkimus. Kirjallisen osion päätteeksi arvioidaan kiinteäfaasiuuton tulevaisuuden näkymiä. Pro gradu -työn kokeellisessa osiossa määritettiin metalleja Loviisan ydinvoimalan boorihappo-pitoisista prosessivesistä induktiivisesti kytketyllä plasma-massaspektrometrilla (ICP-MS). Metallien määrityksellä on suora yhteys Loviisan ydinvoimalan turvalliseen toimintaan. Prosessivesien suuri boorihappopitoisuus on este niiden suoralle analyysille ICP-MS:lla. Kokeellisessa osiossa boorihappopitoisuutta pienennetiin kahdella esikäsittelymenetelmällä: esteröintireaktiolla tai näytteensyötön yhteydessä tapahtuvalla aerosolilaimennoksella. Aerosolilaimennos soveltui prosessivesien analyysiin esteröintireaktiota paremmin. Näin ollen kolme aerosolilaimennosta käyttävää menetelmää optimoitiin eri boorihappo- ja metallipitoisuuksille, joista kahden validointi esitetään kokeellisen osion päätteeksi