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Gravimetrisches Dosiersystem

Honig in präzisen Dosen – Studie zur automatisierten Probenvorbereitung

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So läuft eine automatisierte Probenvorbereitung ab

Mithilfe der LabX-Software in Kombination mit dem Quantos-Flüssigkeitsdosierungsmodul und einer XPE206DR Waage hat das Forscherteam von Uni Bayreuth und Alnumed ein automatisiertes Verfahren entwickelt, das die Vorbereitung des Extraktes in konischen 50-ml-Standardröhrchen ermöglicht. Das automatisierte Verfahren fragt zunächst das Verhältnis von Referenzmischung und Mehl ab. Ein Zielwert für die Menge an Mehl wird berechnet und angezeigt. Ein Fadenkreuz dient der Überwachung des manuellen Dosierungsprozesses und zeigt durch einen Farbwechsel an, dass die Zielmenge erreicht wurde. Dieses Verfahren spart Zeit.

Abbildung 3: Kalibriergeraden für die NMR-Quantifizierung von Betain in Getreideproben (mg Betain/g Mehl). In Blau ist das 95% Vorhersageband angezeigt. Betain steht in Verbindung mit dem Trockenstress (Bindereif et al., unveröffentlichte Daten). Die Intensitäten der NMR-Signale von Betain wurden durch Signaldekonvolution mit der AI(OMICS)n-Software durchgeführt [13]. Aus den bekannten Mengen an zudotierter Referenzverbindung und den ermittelten Signalflächen ergibt sich ein definiertes Verhältnis für die Menge Betain und das entsprechende NMR-Integral. Dieses Verhältnis kann auf entsprechend kalibrierten NMR-Geräten für die Quantifizierung von Betain in neuen Proben herangezogen werden kann. Bei natürlichen, komplexen Matrizes ist es oft nicht möglich Proben zu finden, in denen die relevante Verbindung nicht enthalten ist. Nach DIN 32633 entspricht der Schnittpunkt der Kalibriergeraden mit dem negativen Abszissenabschnitt der Konzentration an Betain in der untersuchten Probe ohne Aufstockung. Insert: NMR-Spektren von Mehlextrakten, die mit Betain aufgestockt wurden.
Abbildung 3: Kalibriergeraden für die NMR-Quantifizierung von Betain in Getreideproben (mg Betain/g Mehl). In Blau ist das 95% Vorhersageband angezeigt. Betain steht in Verbindung mit dem Trockenstress (Bindereif et al., unveröffentlichte Daten). Die Intensitäten der NMR-Signale von Betain wurden durch Signaldekonvolution mit der AI(OMICS)n-Software durchgeführt [13]. Aus den bekannten Mengen an zudotierter Referenzverbindung und den ermittelten Signalflächen ergibt sich ein definiertes Verhältnis für die Menge Betain und das entsprechende NMR-Integral. Dieses Verhältnis kann auf entsprechend kalibrierten NMR-Geräten für die Quantifizierung von Betain in neuen Proben herangezogen werden kann. Bei natürlichen, komplexen Matrizes ist es oft nicht möglich Proben zu finden, in denen die relevante Verbindung nicht enthalten ist. Nach DIN 32633 entspricht der Schnittpunkt der Kalibriergeraden mit dem negativen Abszissenabschnitt der Konzentration an Betain in der untersuchten Probe ohne Aufstockung. Insert: NMR-Spektren von Mehlextrakten, die mit Betain aufgestockt wurden.
(Bild: Schwarzinger et al.)

Als nächstes wird die genaue Masse an eingewogenem Mehl in einer Präzisionsmessung bestimmt und die Zielmenge an Referenzsubstanz berechnet. Auch hier wird der Fortschritt der Mehlzugabe auf dem Display der Waage angezeigt. Sobald das Zielgewicht erreicht ist, wird die genaue Menge der zugegebenen Referenzsubstanz bestimmt. Aus den exakten Massen von Referenzsubstanz und Mehl wird das tatsächliche Verhältnis der beiden Verbindungen berechnet, zusammen mit den ermittelten Einzelgewichten in einer Datei gespeichert und am Ende der Probenvorbereitung am Waagenbildschirm angezeigt. Aus der ermittelten Gesamtmasse wird die erforderliche Lösungsmittelmenge berechnet und automatisch durch das Quantos-Dosiersystem zugegeben. Auf diese Weise lassen sich Aufstockungsexperimente präzise und dennoch schnell durchführen (Abb. 3 und 4).

Abbildung 4: Semiautomatischer Arbeitsablauf zur Herstellung einer mit Referenzsubstanz aufgestockten Mehlprobe.
Abbildung 4: Semiautomatischer Arbeitsablauf zur Herstellung einer mit Referenzsubstanz aufgestockten Mehlprobe.
(Bild: Schwarzinger et al.)

Das Verfahren der Bayreuther Forscher ermöglicht es auch, eine Probenserie mit unterschiedlichen Gewicht/Gewicht-Verhältnissen von Referenzverbindung und Matrix zu erstellen, mit der sich quantitative Kalibriergleichungen berechnen lassen. Die Vorbereitung einer Probe pro Konzentrationsverhältnis ist dabei der Zugabe einer Stammlösung der Referenzsubstanz zu einer Primärprobe sogar überlegen, da jeder Pipettierschritt zur Unsicherheit beiträgt und die Unsicherheit der Konzentrationen in der Primär- bzw. Referenzlösung zu einem Trend über mehrere aufeinanderfolgende Zugaben führen kann. Im Gegensatz dazu wird die theoretische Gesamtprozessunsicherheit über den hier beschriebenen Probenvorbereitungsprozess und die NMR-Messung mit 3% pro individuellem Datenpunkt als gering angesehen. (5)

(5) Zur Schätzung der gesamten relativen Prozessunsicherheit wurden folgende Modelannahmen getroffen: drei Wägeschritte (Referenzverbindung, Matrix, Lösungsmittel): jeweils ca. 1% relative Unsicherheit; drei Pipettierschritte (Transfer des Extraktes, Zugabe des pH-Puffers, Feineinstellung des pH-Wertes): jeweils ca. 1% relative Unsicherheit; NMR-Röhrchendurchmesser: ca. 1% relative Unsicherheit; NMR-Messung: ca. 2% relative Unsicherheit

Zusammenfassung

Im Rahmen umfangreicher Screening-Projekte fallen große Mengen an Inhaltsstoff-Profilen von Lebensmitteln für die anschließende quantitative Analyse an. Robuste und präzise, jedoch gleichzeitig zeitsparende Methoden zur Probenvorbereitung sind hierfür von größter Bedeutung. Nur so können gleichzeitig hoher Durchsatz und hohe Effizienz gewährleistet werden. Die Wissenschaftler von der Universität Bayreuth und Alnumed haben drei Fälle vorgestellt, in denen die automatische gravimetrische Dosierung in halbautomatische Probenvorbereitungsprotokolle integriert wurde und die Vorteile gegenüber einer rein manuellen Probenvorbereitung hervorgehoben. Neben einem Zugewinn an Präzision und einer Reduzierung des Zeitaufwandes pro Probe werden die Prozesse auch ideal mit der Software LabX dokumentiert, welche die Waage, im vorliegenden Fall ein XPE206DR, und das Dosiermodul Quantos optimal miteinander verknüpft.

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