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Stabilisotopenanalytik Isotopenzusammensetzung von gelöstem organischen Kohlenstoff

Autor / Redakteur: Eugen Federherr*, *** et. al.**, *** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Stabilisotopenanalytik (SIA) ist heute eine etablierte Methode. Die Messung der Isotopensignaturen des Kohlenstoffs in wässrigen Proben jedoch blieb lange eine eher exklusive Anwendung, die Expertenwissen verlangte. Die Analytik, von der Probenvorbereitung bis zur Auswertung, war bisher komplex und sehr aufwändig – das soll sich ändern.

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Abb. 1: Die Probe wird nach Austreiben des TIC in das Verbrennungssystem injiziert. Die Verbrennung findet bei 850 °C unter Sauerstoffzugabe Pt-katalysiert statt. Nach einem dreistufigen Trocknungsprozess gelangt das Trägergas in den nicht-dispersiven Infrarotdetektor (NDIR) zur Quantifizierung des bei der Verbrennung entstandenen Kohlendioxid. In dem Interface wird das Kohlendioxid mithilfe einer Adsorptionssäule fokussiert und vom Sauerstoff-Trägergas getrennt. Die Desorption des Kohlendioxid erfolgt thermisch. Durch Helium wird das Kohlendioxid in das Isotopenverhältnismassenspektrometer transportiert.
Abb. 1: Die Probe wird nach Austreiben des TIC in das Verbrennungssystem injiziert. Die Verbrennung findet bei 850 °C unter Sauerstoffzugabe Pt-katalysiert statt. Nach einem dreistufigen Trocknungsprozess gelangt das Trägergas in den nicht-dispersiven Infrarotdetektor (NDIR) zur Quantifizierung des bei der Verbrennung entstandenen Kohlendioxid. In dem Interface wird das Kohlendioxid mithilfe einer Adsorptionssäule fokussiert und vom Sauerstoff-Trägergas getrennt. Die Desorption des Kohlendioxid erfolgt thermisch. Durch Helium wird das Kohlendioxid in das Isotopenverhältnismassenspektrometer transportiert.
(Bild: Elementar Analysensysteme)

Schon länger wird die Stabilisotopenanalytik (SIA) für die unterschiedlichsten Fragestellungen eingesetzt [1]. Bodenkundler, Limnologen und Ozeanographen beispielsweise verwenden die Informationen über die Zusammensetzung stabiler Isotope des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) für die Untersuchungen der Transport- und Transformationsprozessen in biogeochemischen Kreisläufen. SIA verlässt nach und nach die Domäne der exklusiven, den Experten vorbehaltenen Methoden und wird zur Routineanwendung. Dies galt jedoch bisher nicht für die SIA in wässrigen Proben, die immer noch von arbeitsintensiven, individuell gestalteten Abläufen dominiert wird [2]. Der speziell für die SIA in wässrigen Proben neu entwickelte Analysator Iso-TOC cube hat das geändert.

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Stabilisotopenanalytik – Wo lag das Problem?

Verschiedene Methoden wurden für DOC SIA verwendet. Ursprünglich wurden die Proben offline vorbereitet (z.B. gefriergetrocknet) und anschließend via Elementaranalysator/Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (EA/IRMS) auf ihre Isotopie analysiert. Die offline Probenvorbereitung ist jedoch sehr zeitaufwändig und umständlich [3]. Die andere weit verbreitete Methode ist die Kopplung eines auf nasschemischer Oxidation basierenden TOC-Analysators mit der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (WCO TOC/IRMS). Der nasschemische Aufschluss kann jedoch – je nach Matrix – aufgrund unvollständiger Oxidation zu Isotopendiskriminierung führen [4]. Dies ist ein bekanntes Problem beispielsweise in Meereswasserproben, weil die hier reichlich vorhandenen Chlorid-Ionen die oxidativ wirkenden Spezies wie etwa OH- oder Sulfat-Radikale abfangen [5].

Ähnlich verhält es sich mit Bodenextrakten: schwerabbaubare Verbindungen wie Humin- oder Fulvinsäuren werden teilweise nicht vollständig aufgeschlossen. Substanzspezifische Isotopenfraktionierung führt zu nicht-systematischen Fehlern, welche für Proben unbekannter Zusammensetzung zwangsläufig nicht korrigiert werden können. Viele Publikationen betonen, dass auf Hochtemperatur-Verbrennung basierende TOC-Analysatoren (HTC-TOC) für die DOC-Analytik am geeignetsten sind. Jedoch sind die kommerziell verfügbaren Geräte nicht für SIA optimiert. So wird für SIA in der Regel ein größeres Injektionsvolumen benötigt als für einfache Konzentrationsmessungen [6], da die Empfindlichkeit des Gesamtsystems durch die Empfindlichkeit des IRMS definiert ist. Typische Injektionsvolumina im Bereich von 20 bis 200 µL sind hier jedenfalls nicht ausreichend. Deutlich wurde das Ausmaß der Problematik im ersten internationalen Ringversuch für DOC SIA [7], der die unzureichende Reproduzierbarkeit offensichtlich machte. Im Hinblick auf all diese limitierenden Faktoren wurde ein neuartiges HTC-basiertes System für DOC SIA in anspruchsvollen wässrigen Proben etwickelt und zusätzlich eine Datenauswertungsmethode ausgearbeitet. Beides zusammen erlaubt eine genaue und voll automatisierte DOC SIA von z.B. Bodenextrakten oder Flusswässern.

Die Lösung – große Injektionsvolumina

Die Notwendigkeit einer höheren Sensitivität des Systems resultiert vorrangig aus der relativ geringen Sensitivität des IRMS. Um dies zu kompensieren, musste mit vergleichsweise großen Injektionsvolumina gearbeitet werden. Typische Injektionsvolumina in aktuellen HTC-basierten Systemen liegen im Bereich von maximal ein paar Hundert Mikrolitern. Große Injektionsvolumina (> 1 ml) führen zur Abkühlung des Katalysators, Druckspitzen während des Einspritzvorgangs und Problemen bei der anschließenden Kondensation des Wasserdampfs. Durch die Wahl geeigneter Geräteparameter wie Trägergasfluss, Vordruck und Injektionsgeschwindigkeit bei gleichzeitig optimiertem Reaktordesign wird ein Injektionsvolumen von bis zu 3 mL ermöglicht. Gleichzeitig wird das CO2 auf einer speziell entwickelten CO2-Adsorptionssäule gesammelt, um dem Massenspektrometer einen scharfen, gut definierten Peak zur Verfügung zu stellen. Für die Peakfokussierung wird somit kein flüssiger Stickstoff benötigt. Diese Maßnahmen verbesserten die Sensitivität hinreichend zur Detektion der DOC-Isotopie in Proben mit einer Konzentration unter 0,2 mgC/L, erhöhten die Sicherheit und verringerten deutlich die Komplexität des Systems und der Probenvorbereitung.

Alle Materialien, die im Kontakt mit dem Analyt oder dem Trägergas sind, sind potenzielle Quellen des instrumentell verursachten Hintergrundsignals. Deshalb wurden alle entsprechenden Materialien systematisch neu bewertet. Alle ursprünglich eingesetzten Plastikschläuche wurden durch Schläuche mit sehr niedriger CO2-Permeabilität ersetzt (partiell fluoriertes Polymer; ≈100 cm3mm/(m2atmday). Kupferleitungen haben zwar noch bessere Permeabilitätseigenschaften, konnten jedoch aufgrund ihrer Anfälligkeit für Korrosion nicht im TOC-Analysator eingesetzt werden (heißer, saurer Dampf). Um ein substanzielles Freisetzen von Kohlenstoff zu unterbinden, welches mit Standarddichtmaterialien beobachtet wurde und welches mit der Zeit undicht wurde, wurden temperaturstabile Dichtungen an allen kritisch heißen Stellen eingesetzt. Im Verbrennungsrohr sind alle Materialien außer dem Katalysator aus Quarzglas und somit bei den gegebenen Temperaturen unbedenklich. Außerdem wurde es erforderlich, einen speziell entwickelten Katalysator einzusetzen, der die erhöhten Ansprüche an Temperaturwechselbeständigkeit erfüllt. Nach all diesen Maßnahmen konnte kein detektierbares Hintergrundsignal beobachtet werden. Es wurden erste Vorversuche mit dem so entwickelten System (s. Abb. 1) durchgeführt, um eine Einschätzung des linearen Bereichs (Details: siehe [2]) und der Sensitivität vornehmen zu können. Abbildung 2 zeigt einen typischen Analysenverlauf, welcher das Potenzial des Systems, bezogen auf die Empfindlichkeit, demonstriert.

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Die Ergebnisse – sehr gute Wiederholgenauigkeit und Richtigkeit

Nach der Fertigstellung des Systems wurde dieses ausgiebig getestet und die Ergebnisse detailliert in zwei Publikationen veröffentlicht [2,8]. Die Ergebnisse aus der ersten Publikation, die sich vor allem mit der Entwicklung und Validierung mittels Standardlösungen beschäftigt, ergab mit einer Standardabweichung (ustd) von ≤0,1 ‰ eine sehr gute Wiederholpräzision der δ13C-Werte. Die Bestimmungsgrenze bezogen auf die Isotopenanalytik für den Iso-TOC cube (LOQSIA instr.), beträgt 0,2 mgC/L bei einer Methodenbestimmungsgrenze (LOQSIA method) von 0,5 mgC/L. Der Unterschied basiert auf der Erkenntnis, dass bei der Gesamtmethode im niedrigen Konzentrationsbereich die Probenvorbereitung der limitierende Schritt ist. Für niedrige Konzentrationen wird daher empfohlen, hierauf besonders zu achten und z.B. die Gläser nicht nur mit stark oxidierender Säure, sondern auch durch nachträgliches Ausheizen bei 400 °C vorzubehandeln [9]. Die Richtigkeit der Methode wurde durch eine geringe mittlere Abweichung zwischen Soll- und Istwert (≤0,2 ‰) gezeigt. Die Voruntersuchung der Matrixeffekte mit Modellösungen mit beispielsweise hoher Salinität und schwerabbaubaren Substanzen wie Melamin bestätigte die Qualität des Systems – die Oxidationseffizienz (bestimmt über Wiederfindungsraten), sowie die δ13C-Werte des DOCs, zeigten keine signifikanten Abweichungen, welche z.B. auf substanzabhängige Effekte hingewiesen hätten. Die Versuche belegen die Eignung des Systems für DOC SIA, auch in komplexen Proben. Die zweite Publikation beschäftigt sich ausführlich mit der Optimierung und Beurteilung der analytischen Leistung mit realen Proben(s. Abb. 3). Eine sehr gute lineare Korrelation zwischen den mit dem Iso-TOC cube ermittelten δ13C-Werten (Istwerten) und den mit dem EA/IRMS ermittelten Werten (Sollwerte) für vielfältige natürliche DOC-Proben, sowie einer Huminsäure Lösung (n=11) konnte gezeigt werden. Es konnte veranschaulicht werden, dass die mit einem hohen Personal- und Zeitaufwand sowie zusätzlichem Kontaminationsrisiko verbundene Offline-Probenvorbereitung mit anschließender EA/IRMS-Messung ohne Genauigkeitsverlust durch eine vollautomatisierte Direktmethode mittels Iso-TOC cube ersetzt werden kann.

Die letzte Bestätigung erhielten die Autoren als Teilnehmer eines internationalen Ringversuches. Dieser befindet sich in einer finalen Phase der Auswertung, weshalb nur beispielhaft, jedoch repräsentativ ein Auswertungsgraph für eine Flusswasserprobe gezeigt wird (s. Abb. 4).

Die Autoren danken ihren Kooperationspartnern und Koautoren der gemeinsamen Publikationen [2,8] Karsten Kalbitz (TU Dresden) und Frédérique M.S.A. Kirkels (University of Amsterdam) die zu der Systementwicklung Wesentliches beigetragen haben.

Literatur:

[1] Nier AO, Gulbransen EA. 1939. Variations in the relative abundance of the carbon isotopes. Journal of the American Chemical Society 61: 697-98

[2] Federherr E, Cerli C, Kirkels FMSA, Kalbitz K, Kupka HJ, Dunsbach R, Lange L and Schmidt TC. 2014. A novel high-temperature combustion based system for stable isotope analysis of dissolved organic carbon in aqueous samples. I: development and validation. Rapid Communications in Mass Spectrometry 28: 2559-2573

[3] Fry B, Saupe S, Hullar M, Peterson BJ. 1993. Platinum catalyzed combustion of DOC in sealed tubes for stable isotopic analysis. Marine Chemistry 41: 187-193

[4] Mopper K, Qian J. 2000. in Encyclopedia of Analytical Chemistry, (Ed.: R. A. Meyers). Water Analysis: Organic Carbon Determinations. JohnWiley 3532–3540.

[5] Aiken GR. 1992. Chloride interference in the analysis of dissolved organic carbon by wet oxidation method. Environmental Science & Technology 26: 2435-2439

[6] Lang SQ, Lilley MD, Hedges JI. 2007. A method to measure the isotopic (13C) composition of dissolved organic carbon using a high temperature combustion instrument. Marine Chemistry 103: 318-326

[7] van Geldern R, Verma MP, Carvalho MC, Grassa F, Delgado-Huertas A, Monvoisin G, Barth JAC. 2013. Stable carbon isotope analysis of dissolved inorganic carbon (DIC) and dissolved organic carbon (DOC) in natural waters – Results from a worldwide proficiency test. Rapid Communications in Mass Spectrometry 27: 2099-2107

[8] Kirkels FMSA, Cerli C, Federherr E, Gao J, Kalbitz K. 2014. A novel high-temperature combustion based system for stable isotope analysis of dissolved organic carbon in aqueous samples. II: optimization and assessment of analytical performance. Rapid Communications in Mass Spectrometry 28: 2574-86

[9] Otson R, Williams DT, Bothwell PD, McCullough RS, Tate RA. 1979. Effects of sampling, shipping, and storage on total organic carbon levels in water samples. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 23: 311-318

* *E. Federherr, H. J. Kupka, A. Loos, R. Dunsbach, L. Lange: Elementar Analysensysteme GmbH, 63452 Hanau, Tel. +49-6181-9100-0

* **C. Cerli: Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics, University of Amsterdam, Amsterdam/Niederlande

* ***Prof. Dr. T. C. Schmidt, E. Federherr: Instrumental Analytical Chemistry, University of Duisburg-Essen, 45141 Essen

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