Először megjelent 2010. augusztus 27-én

A Winkler-módszer a legnépszerűbb eljárás az oldott oxigén (DO) koncentrációjának meghatározására vízmintákban. Ez a módszer azonban viszonylag nagy, 200 ml mintatérfogatot igényel a DO pontos meghatározásához. Számos alternatív módszert javasoltak a DO-koncentráció kis mintatérfogatban történő mérésére, de a legtöbb ilyen módszer problémája az alacsony pontosság, a magas költségek, a bonyolult műszerezettség vagy a hosszú elemzési idő. Ebben a tanulmányban a Winkler-módszer egyszerű módosítását javasoljuk a DO-koncentráció mérésére 1 mL térfogatú mintákban. A javasolt módszer pontos, olcsó, egyszerű és gyors. A DO-koncentrációkat 33 mintában mértük a hagyományos Winkler-módszerrel (WM) és a javasolt módszerrel (PM). A 33 elemzett minta közül 23 esetében 95 százalékos konfidenciaszinten nem lehetett elutasítani azt a hipotézist, hogy a mérések populációs átlagai megegyeznek (μ1 = μ2), 19 minta esetében pedig 95 százalékos konfidenciaszinten nem lehetett elutasítani azt a hipotézist, hogy a mérések populációs szórásai megegyeznek (σ21 = σ22). Így azt a következtetést vonták le, hogy a legtöbb esetben a WM és a PM által végzett DO-mérések összehasonlítható eredményeket adnak mind a pontosság, mind a precizitás tekintetében.

Bevezetés

A Winkler-módszer (4500-O-C számú módszer)1 általánosan elfogadott, mint pontos és megbízható módszer2 az oldott oxigén (DO) koncentrációjának mérésére különböző vízmintákban. Ezt a módszert tekintik a DO meghatározásának etalonjának. A módszer fő hátránya azonban a nagy, 200 ml-es mintatérfogat követelménye.3

A DO mérésére számos alternatív módszert is kidolgoztak. Ezek a módszerek három különböző kategóriába sorolhatók: (1) kolorimetriás módszerek, (2) gázkromatográfiás módszerek és (3) elektrokémiai és optikai érzékelőket alkalmazó módszerek. A kolorimetrikus módszerek kis mintamennyiségben történő DO-meghatározásra használhatók. Hátrányuk azonban, hogy drága (pl. aranyszol) vagy mérgező (pl. cianid) kémiai reagenseket igényelnek.4 Az ilyen módszerek másik korlátozó tényezője, hogy a mérési hullámhossz kiválasztása nem megfelelően indokolt.5 A DO meghatározása gázkromatográfiával is lehetséges. A gázkromatográfiás módszerek azonban – bár pontosak és kis mintamennyiséget igényelnek – időigényesek és drágák. Az elektrokémiai érzékelőket széles körben használják a DO mérésére, és előnyeiket és hátrányaikat máshol már áttekintették.6 Az elektrokémiai érzékelők általában irreverzibilis nyomáshatásokkal, hidrogén-szulfid általi szennyeződéssel és keresztérzékenységgel küzdenek.7 A mérés során DO-t is fogyasztanak, ezért nagyon kis mintatérfogat esetén nem alkalmasak. A közelmúltban az optikai érzékelők fejlesztése került előtérbe, amelyek a dinamikus oxigénlumineszcencia-kioltás elvén alapulnak.8 Ezek az optikai érzékelők könnyen kezelhetők, gyors válaszidővel rendelkeznek és tartósak. Azonban minden érzékelő, legyen az elektrokémiai vagy optikai, kalibrálást igényel a Winkler-módszerrel szemben, mivel az érzékelők érzékenyek a hőmérsékletre és a nyomásra.9,10 Emellett érzékenyek a biofoulingra és a baktériumok elszaporodására az érzékelő felületén.8

A fent leírt alternatív módszerek eredendő korlátai és a Winkler-módszertől való függőségük miatt a keresztellenőrzés és kalibrálás tekintetében magának a Winkler-módszernek több módosítását is javasolták a DO-koncentráció mérésére 1-10 ml-es mintatérfogatokban.11,12,13 Az ilyen “mikro-Winkler” módszerek azonban nem túl népszerűek a bonyolult műszeres követelmények és a minták légköri oxigénnel való cserék általi szennyeződésének elkerülése érdekében szükséges bonyolult óvintézkedések miatt. Ezeket a módszereket máshol kritikusan áttekintették.14 A közelmúltban javasoltak egy gravimetrikus Micro-Winkler titrálási módszert15 a DO mérésére kis mintákban. Ez az eljárás azonban többszörös és pontos gravimetriai méréseket igényel egy érzékeny mérleg segítségével, és ezért meglehetősen bonyolultnak tűnik.

A szakirodalmi áttekintés alapján úgy tűnik, hogy a kis minták DO-mérésére kifejlesztett módszerek szinte mindegyike valamilyen módon hiányos. Ezért folyamatosan szükség van egy jobb, azaz pontos, precíz, alacsony költségű, egyszerű és gyors módszer kifejlesztésére a DO mérésére kis mintatérfogatokban.

A javasolt módszer vázlata

A DO-koncentráció kis mintákban történő mérésének elsődleges kihívása a minták légkörrel való kölcsönhatás általi szennyeződésének megakadályozása. A javaslat szerint egy szigetelő folyadékréteget kell bevezetni a vízminta és a légkör közé. A szigetelő folyadék szükséges tulajdonságai a következők: vízzel nem keverhető, sűrűsége kisebb, mint a vízé, és elhanyagolható oxigénoldó képesség. Javasoljuk, hogy a szigetelő folyadékot egy injekciós üvegbe vegyük, és a vízmintát, amelynek DO-ját meg kell határozni (1 ml térfogat), közvetlenül a szigetelő folyadékréteg alá vezessük be. A vízminta ezzel a lépéssel hatékonyan el van zárva a légkörtől. A vízmintában lévő DO-t ezután a Winkler-módszerben használt reagensekkel azonos mennyiségű jódra lehet átváltani. A jódoldatot ezután fecskendővel kivonjuk az üvegből, és Na2S2O3 segítségével titráljuk a minta DO-koncentrációjának meghatározásához.

A többszöri próbálkozás után a fent leírtak szerint az n-hexánt választották szigetelő folyadéknak. Az n-hexán könnyebb, mint a víz (fajsúlya = 0,7) és gyakorlatilag nem keveredik a vízzel. Az oxigén oldhatósága az n-hexánban 0,002 mólrész,16 azaz az oxigén gyakorlatilag nem oldódik az n-hexánban.

Anyagok és módszerek

Minden felhasznált reagens analitikai reagens minőségű volt (>99%-os tisztaságú, Loba Chemicals, India). A reagensek előkészítéséhez és a minták hígításához ionmentesített vizet (Milli-Q, Millipore, USA) használtunk. A felhasznált n-hexán HPLC minőségű volt (>99% tisztaságú, Merck, India). A vizsgálat során boroszilikát üvegedényeket használtunk. Az MnSO4 és az alkáli-azid-jodid oldatokat a szabványos módszerek szerint készítettük (4500-O C módszer).1

A DO mérési eljárás a javasolt módszerrel (PM) a következő volt. Kezdetben 0,5 mL n-hexánt töltöttünk egy 16 mL-es üvegfiolába (Wheaton Science, USA). Ezután 1 mL n-hexánt egy 2 mL-es pipettába vettünk, majd a pipettába további 1 mL-t töltöttünk abból a vízmintából, amelynek DO-koncentrációját meg akartuk határozni. A fenti mintavételi eljárás biztosította, hogy a minta gyűjtése fejű tér nélkül történjen. Ez a mintavételi lépés a legfontosabb, mivel bármilyen buborék vagy légrés megjelenése a hexán-víz határfelületen vagy máshol a pipettában hibához vezethet. A pipetta száját ezután az üvegben lévő hexánréteg alá helyeztük, és így a minta a hexánréteg alá került, elkerülve a minta és a légkör közötti érintkezést. A mintavételt a pipettába és a minta felvitelét az injekciós üvegben lévő hexánréteg alá a lehető leggyorsabban kell elvégezni a hibák minimalizálása érdekében. Ezután 5 μL MnSO4-ot juttattunk a hexánréteg alatti vízmintába egy 10 μL-es mikrofecskendővel (Hamilton, USA), majd hasonló módon 5 μL alkáli-azid-jodid-oldatot adtunk hozzá. A csapadékképződés a hozzáadásokat követően azonnal megkezdődött és 3 percen belül befejeződött. Ezt követően a hexánréteg alatt képződött csapadékhoz 0,1 mL conc. H2SO4-ot adtunk mikro-pipetta segítségével. A csapadék 3 percen belül feloldódott, és a hexánréteg alatt sárga jódoldat képződött. A jódoldatból pontosan 1 ml-t kivettünk a hexánréteg alól mikrofecskendővel, és átvittük egy 25 ml-es főzőpohárba. A főzőpohárban lévő 1 ml jódoldatot ∼10 ml-re hígítottuk ionmentesített víz hozzáadásával a titrálás megkönnyítése érdekében. Az ionmentesített víz hozzáadása csupán a jódoldatot hígítja, de nem befolyásolja a főzőpohárban lévő jód mennyiségét. A főzőpohár tartalmát 0,00625 M Na2S2O3 oldattal titráltuk. 1 ml ebből a titrálószerből 55,5 mg L-1 DO-nak felel meg az eredeti mintában. A titrálószert egy 250 μL-es mikrofecskendőbe (Hamilton, USA) vettük, és folyamatos keverés mellett cseppenként adtuk a főzőpohárba, amíg a jód sárga színe majdnem ki nem ürült. Ezután 1-2 csepp keményítőoldatot adtunk hozzá, és a titrálást addig folytattuk, amíg a keményítő okozta kék szín el nem távozott. Az adott titráláshoz szükséges titrálószer mennyisége alapján kiszámították az eredeti minta DO-koncentrációját.

A DO-koncentrációt különböző mintákban a Winkler-módszer (WM) segítségével is meghatározták. A két módszer reagenszigényét és egyéb részleteit az 1. táblázat tartalmazza.