Pierwsze koty za płoty. Pierwsza próbka wody po prostu zakwitła. Na szczęście była i tak zbyt mała, by stać się materiałem odniesienia. Już wtedy jednak było jasne, że stworzenie polskiego certyfikowanego wzorca, odpowiadającego składowi naturalnych wód, to nie przelewki.
Materiał odniesienia to rodzaj chemicznego wzorca. Laboratoria badają taką próbkę, żeby sprawdzić, czy ich aparatura i metody prawidłowo wykrywają oraz mierzą zawarte w wodzie pierwiastki. Dzięki temu niezależnie od tego, czy analizę wykonuje się w Warszawie, Krakowie czy innym laboratorium, wynik można porównać do tego samego odniesienia.
Projekt prowadzony w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW ma dać polskim laboratoriom własny, nowoczesny wzorzec do badań wody. Materiał referencyjny jest niezbędny do zachowania wiarygodności i wykazania spójności wyników. Innowacyjne rozwiązanie umożliwi monitorowanie jakości wody zgodnie z wymogami prawa i najwyższymi standardami badawczymi, a jednocześnie będzie dostosowane do lokalnych potrzeb.
Pierwiastki do picia
Zintensyfikować współdziałanie Głównego Urzędu Miar i naukowców. Taki główny cel miało uruchomienie programu Polska Metrologia 2. Chodziło o to, żeby w Polsce powstawało więcej własnych certyfikowanych materiałów odniesienia. Takie produkty są dziś w dużej mierze sprowadzane z zagranicy.
Jeden z nich powstaje w ramach projektu prowadzonego przez zespół pod kierunkiem dr hab. Jakuba Karasińskiego. To materiał matrycowy wytworzony z liści i owoców truskawek (o czym już pisaliśmy), mogący znaleźć zastosowanie m.in. w badaniach bezpieczeństwa żywności.
Natomiast produkt finalny projektu Multifunkcjonalne Polskie Wody Naturalne (MPWN CRM) da się zamknąć w butelce. Bo chodzi o wodę, która będzie stanowić materiał matrycowy dla laboratoriów, zajmujących się badaniami środowiskowymi.
Korzystanie z certyfikowanych materiałów odniesienia (CRM – z ang. certified reference material) to dziś laboratoryjny standard. Dzięki nim można sprawdzić, czy metoda działa prawidłowo – w badaniach żywności, leków, diagnostyce medycznej czy monitoringu środowiska. W tej ostatniej dziedzinie szczególnie ważne są certyfikowane wodne materiały odniesienia.
Po poddaniu analizie materiału i otrzymaniu wyniku zgodnego z jego certyfikatem, ośrodek przedstawia odpowiednim organom nadzorującym dowód, że potrafi badać daną cechę we właściwy sposób.
– Wszystkie laboratoria, które biorą udział w monitoringu środowiska, m.in. inspektoraty środowiska, inspekcje sanitarne, różne prywatne laboratoria, potwierdzają własne kompetencje np. przed Polskim Centrum Akredytacji. W tym celu przedstawiają wyniki badań dla materiałów odniesienia, które dobierają do materiałów, które analizują. Jeśli wykażą wynik zgodny z certyfikatem danego materiału, to ich kompetencje są potwierdzone – mówi dr Anna Ruszczyńska z Wydziału Chemii UW, kierowniczka projektu.
Jakość wód powierzchniowych, takich jak rzeki i jeziora, jest regularnie monitorowana zgodnie z wymaganiami prawa krajowego i unijnego. Opracowywany na UW materiał ułatwi spełnienie wymagań regulacyjnych w badaniach środowiskowych. Ale nie tylko. Przyda się także w oznaczaniu składu różnych rodzajów wód, w tym wody pitnej.
– Mamy w naszym laboratorium także akredytację na oznaczanie pierwiastków w wodach. Korzystamy z materiałów odniesienia, które nie są wodą pitną, tylko właśnie powierzchniową. Potwierdzamy nasze kompetencje na wodzie jeziornej, żeby potem móc badać jakość wody pitnej – mówi badaczka.
Jakość wody przeznaczonej do spożycia w Unii Europejskiej regulują przepisy dyrektywy 2020/2184. Określają one m.in. dopuszczalne stężenia wybranych substancji i pierwiastków w wodzie pitnej.
– Nasz materiał może posłużyć laboratoriom analitycznym zajmującym się składem pierwiastkowym, dlatego że jest on charakteryzowany pod kątem stężeń pierwiastków. Jeśli laboratorium zajmuje się oznaczaniem pierwiastków w wodach, to bada chociażby wody ze studni, gruntowe, przeznaczone do pojenia zwierząt, przefiltrowane, ale także wody mineralne – opowiada dr Ruszczyńska.
Chodzi przy tym o to, żeby w certyfikowanej wodzie określić możliwie szeroki zakres pierwiastków, bo to zwiększa uniwersalność materiału. Im więcej parametrów obejmuje certyfikat, tym większa jest przydatność materiału odniesienia dla laboratoriów prowadzących różne typy analiz. Jeżeli jeden materiał ma certyfikowane stężenia 20 pierwiastków, a inny 10, laboratorium częściej wybierze ten, który pozwala sprawdzić większą liczbę oznaczeń.
– Potrzeby badawcze są bardzo różne i zmieniają się wraz z rozwojem metod analitycznych oraz wymaganiami prawa. Dobrym przykładem jest uran. W dotychczasowych polskich przepisach dotyczących jakości wody do spożycia był on ujmowany głównie w kontekście właściwości promieniotwórczych, natomiast dyrektywa UE 2020/2184 wprowadza dla uranu wartość parametryczną 30 µg/l. Dlatego uwzględnienie tego pierwiastka w materiale odniesienia zwiększa jego praktyczną użyteczność dla laboratoriów – podkreśla chemiczka.
Nie zatkać kapilar
Aby materiały odniesienia mogły spełniać swoje zadanie, muszą być wytwarzane zgodnie z rygorystycznymi standardami jakościowymi. Ich produkcji dotyczą normy ISO 17034, określająca wymagania odnośnie do kompetencji producentów materiałów odniesienia, ISO/IEC 17025, regulująca działalność laboratoriów badawczych i wzorcujących, oraz ISO 33401, określająca informacje, które muszą się znaleźć w certyfikatach i dokumentacji tego materiału.
Oczywiście, wymogi prawne są ważne, ale równie istotne jest to, czy materiał odniesienia może być bezpiecznie i powtarzalnie stosowany w aparaturze używanej w laboratoriach analitycznych. Dlatego duże znaczenie miał wybór źródła wody oraz sposób jej przygotowania.
– Taki materiał musi być jednorodny, stabilny i odpowiednio czysty pod względem zawiesin. W technikach spektrometrycznych próbka trafia do aparatu przez bardzo wąskie elementy układu wprowadzania, dlatego obecność drobin, glonów czy osadów mogłaby utrudniać pomiar, a nawet zatykać kapilary lub rozpylacz. Ale równie ważne jest, żeby każda pobrana porcja materiału miała taki sam skład. Tylko wtedy laboratorium może wiarygodnie porównać swój wynik z wartością podaną w certyfikacie – tłumaczy dr Ruszczyńska.
Woda w projekcie pochodzi z jednego z mazurskich jezior, wybranego ze względu na korzystne właściwości, dobrą jakość, niewielką ilość zawiesin i biomasy. Miało to duże znaczenie dla dalszego przygotowania materiału odniesienia, zwłaszcza dla filtracji, stabilizacji i zapewnienia jednorodności próbki.
– Zależało nam na naturalnej wodzie jeziornej, ale takiej, którą można skutecznie przygotować do badań laboratoryjnych. Zbiorniki otoczone intensywnie użytkowanymi polami są bardziej narażone na dopływ związków biogennych, które sprzyjają zakwitom. Wybraliśmy wodę z jeziora położonego w otoczeniu terenów leśnych, dzięki czemu zawierała mniej biomasy i zawiesin, a jej filtracja była łatwiejsza – podkreśla badaczka.
Czystość wody miała duże znaczenie, bo ułatwiła dalszą pracę. Pierwszym jej etapem była trzykrotna filtracja. Woda została oczyszczona z mikroorganizmów, piasku, itp., a następnie przepuszczona przez kolejne, drobniejsze filtry.
Po przefiltrowaniu trzeba było sprawdzić skład pierwiastkowy i określić, których jest za mało na potrzeby laboratoriów. I tu okazało się, że sprawa nie będzie prosta.
– Powiem szczerze, że teraz kupiłabym wodę w butelce. Żartuję oczywiście, bo od początku wykluczyłam wszelkie chodzenie na skróty. Bardzo zależało nam na tym, żeby ta matryca była prawdziwa, jeziorna. Ale okazało się, że w wodach jeziornych niektórych z pierwiastków jest bardzo mało – mówi dr Ruszczyńska.
Naukowcy przekonali się o tym dzięki innowacyjnym metodom pomiarowym, stosowanym w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW. Laboratorium dysponuje przyrządami do analizy pierwiastkowej o czułości niedostępnej w wielu tego typu placówkach.
Niesforna rtęć
Kolejnym etapem musiało zatem być wzbogacenie wody z jeziora, czyli dolanie roztworów brakujących pierwiastków. Następnie trzeba było całość wymieszać i znowu sprawdzić skład pierwiastkowy.
Należało też zadbać o homogenizację, czyli o to, by w każdej części zbiornika woda miała taki sam skład. W zbiorniku umieszcza się rurkę i pod ciśnieniem pompuje przez nią gaz szlachetny – w tym przypadku argon, czyli gaz chemicznie obojętny, który nie wpływa na skład próbki.
– Według dyrektywy unijnej, arsenu w wodzie zdatnej do picia powinno być nie więcej niż 10 mikrogramów na litr. Ponieważ arsenu w tym jeziorze w ogóle nie było, trzeba było sprawdzić, czy po jego dodaniu uzyskaliśmy zaplanowane stężenie. Jak już wspomniałam, konkurencyjny na rynku materiał powinien zawierać w sobie uran. Trzeba go było dodać, bo u nas, jeśli w wodach w ogóle występuje, to w śladowych ilościach, niewykrywalnych dla niektórych laboratoriów – wyjaśnia chemiczka.
Na koniec wodę trzeba utrwalić, czyli zakwasić. Chodzi o zatrzymanie rozwoju ewentualnych pozostałych mikroorganizmów. Stosuje się do tego celu czysty spektralnie kwas azotowy. Nie zmienia on składu pierwiastkowego, a większość jonów pozostaje równomiernie rozmieszczona w roztworze. Ale od każdej reguły są wyjątki.
– Dołożyliśmy rtęć, trochę z ciekawości, ale niestety jej stężenie bardzo różni się w poszczególnych butelkach. W plastikowym pojemniku rtęć adsorbuje się, czyli przykleja do ścianek naczynia – mówi kierowniczka projektu.
Materiał rozlano ze zbiornika o objętości 60 litrów do butelek z tworzywa sztucznego o pojemności 250 ml. Czy szkło nie byłoby bezpieczniejsze? W analizie śladowej wybór opakowania ma kluczowe znaczenie, bo nawet bardzo małe zmiany składu próbki mogą wpłynąć na wynik pomiaru.
– Szkło dobrze sprawdza się w codziennym użyciu, ale w laboratorium chemicznym nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem. Zakwaszona próbka może wymywać ze szkła śladowe ilości niektórych pierwiastków. Dla zdrowia człowieka takie ilości nie mają znaczenia, ale w materiale odniesienia liczy się stabilność nawet bardzo niskich stężeń. Jeżeli skład próbki zmienia się podczas przechowywania, laboratorium nie może wiarygodnie porównać swojego wyniku z wartością podaną w certyfikacie – mówi dr Anna Ruszczyńska.
Po rozlaniu do butelek materiał wymaga jeszcze potwierdzenia jednorodności i stabilności. Analizuje się próbki wybranych butelek oraz różnych porcji materiału, aby sprawdzić, czy każda z nich ma taki sam skład pierwiastkowy. Badania powtarza się po określonym czasie, co pozwala ocenić trwałość materiału i ustalić warunki jego przechowywania.
Taki materiał powinien mieć kilkuletnią trwałość, a producenci zwykle określają datę przydatności na rok po otwarciu danej butelki.
Problematyczny mikroplastik
Projekt dotarł do etapu badań certyfikacyjnych, prowadzonych z udziałem kilku renomowanych laboratoriów. Droga do tego etapu wymagała jednak wielu decyzji technologicznych.
Pierwsza, niewielka porcja wody pobrana z innego mazurskiego jeziora okazała się kompletnie nieprzydatna z powodu gwałtownego rozwoju mikroorganizmów.
Osobnym wyzwaniem okazał się mikroplastik. Początkowo rozważano przygotowanie jednego materiału, który mógłby służyć zarówno do oznaczania pierwiastków, jak i do badania cząstek mikroplastiku. Szybko jednak okazało się, że tych dwóch celów nie da się połączyć w jednej butelce.
– W przypadku mikroplastiku trzeba było zapewnić stabilne i jednorodne rozmieszczenie cząstek w całej objętości materiału. W praktyce to może wymagać dodatku substancji powierzchniowo czynnych, które ograniczają agregację cząstek. Takie dodatki są jednak niepożądane w materiale przeznaczonym do analizy pierwiastkowej, ponieważ mogą wpływać na pracę aparatury i jakość pomiaru. Dlatego materiały odniesienia do oznaczania pierwiastków i do badania mikroplastiku powinny być przygotowywane oddzielnie – podkreśla dr Ruszczyńska.
Mikroplastik jest dziś traktowany jako potencjalne zagrożenie dla zdrowia człowieka, choć nauka wciąż ustala skalę tego ryzyka. Dlatego coraz większe znaczenie będą miały także narzędzia pozwalające rzetelnie kontrolować jego obecność w próbkach środowiskowych.
Tu jednak projekt przyniósł ważną lekcję: jedna uniwersalna butelka do badania wszystkiego nie zawsze jest możliwa. Pierwiastki i mikroplastik wymagają innych warunków przechowywania oraz innych metod pomiarowych. Zespół z UW prowadził już prace nad przygotowaniem mikroplastiku do takich analiz, jednak wodny materiał odniesienia przeznaczony specjalnie do badania mikroplastiku wymaga odrębnego opracowania.
