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Elementanalytik Neue Anwendungsfelder durch hochauflösende HR-CS-Spektrometer

Autor / Redakteur: Tobias Limburg*, Stefan Hesse*, Gisa Baumbach*, Heike Gleisner**, Jürgen W. Einax** / Dr. Ilka Ottleben

Die neuen High-Resolution-Continuum-Source-Spektrometer (HR-CS-Spektrometer) können klassische AA-Spektrometer sinnvoll ergänzen – sie sind weitaus vielseitiger und dabei kostengünstig und einfach zu handhaben. Beispielsweise erlauben sie die simultane Bestimmung mehrerer Elemente im Rahmen der Elementanalytik.

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(Bild: Universität Jena)

Klassische Atomabsorptionsspektrometer (AA-Spektrometer) sind heutzutage in einer Vielzahl von Analysenlaboratorien vorhanden. Die größten Vorteile klassischer AA-Spektrometer sind vor allem deren hohe Selektivität und Spezifität in Kombination mit einer einfachen Handhabung. Nur wenige Einschränkungen limitieren die Leistungsfähigkeit der klassischen AA-Spektrometer:

  • Eine simultane Bestimmung mehrerer Elemente ist nicht möglich.
  • Ein Wechsel der Hohlkathodenlampen bei der Analyse verschiedener Elemente ist zeitaufwändig.
  • Die Bestimmung von Nichtmetallen ist nicht möglich.
  • Die Analyse von Elementen in matrixbehafteten Proben, die Überlagerungen der Analysenlinie durch strukturierten Untergrund hervorrufen, ist nicht ohne weiteren Aufwand möglich.

Neue hochauflösende Kontinuumstrahler-Absorptionsspektrometer (High-Resolution-Continuum-Source-Spektrometer; HR-CS-Spektrometer) von Analytik Jena stellen eine Weiterentwicklung klassischer AA-Spektrometer unter Beibehaltung bisheriger Vorteile dar. Die Strahlungsquelle eines HR-CS-Spektrometers ist eine Xenon-Kurzbogenlampe, die ein Kontinuum im Wellenlängenbereich von 185 bis 900 nm emittiert. Die Strahlung wird in einem Doppelmonochromator, bestehend aus einem Prisma und einem Echelle-Gitter, hochaufgelöst und anschließend mittels einer CCD-Zeile registriert. Als Ergebnis werden zeit- und wellenlängenaufgelöste Spektren erhalten, wodurch ein erheblicher Informationsgewinn in Bezug auf die Probenzusammensetzung und mögliche Störungen durch Matrixbestandteile erzielt werden kann.

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Simultane Bestimmung mehrerer Elemente

Infolge der wellenlängenabhängigen Auflösung des HR-CS-Spektrometers wird ein Bereich von 0,2 nm (bei λ = 190 nm) bis 0,6 nm (bei λ = 700 nm) registriert. Fallen die Analysenwellenlängen zweier oder mehrerer Elemente in dieses spektrale Fenster und sind die Atomisierungstemperaturen der untersuchten Elemente nicht zu verschieden, können diese simultan bestimmt werden. Ein Beispiel für die simultane Analyse von zwei Elementen ist die Bestimmung von Eisen und Chrom in wässriger Lösung, da sich nahe der Chrom-Resonanzlinie eine der vielen Eisen-Absorptionslinien befindet (s. Abb. 1).

In der Literatur werden weitere Beispiele für die simultane wie auch die sequentielle Analyse von Elementen beschrieben [1, 2].

Bestimmung von Nichtmetallen

Eine direkte Bestimmung von Nichtmetallen war bzw. ist sowohl mit klassischen AA-Spektrometern als auch mit HR-CS-Spektrometern nur bedingt möglich, da die Resonanzwellenlängen der Nichtmetalle unterhalb von 190 nm liegen. Zum einen mangelt es an geeigneten Strahlungsquellen, zum anderen absorbiert in diesem Spektralbereich Sauerstoff, sodass ein Vakuummonochromator benötigt wird und die Bestimmungen im Routineeinsatz folglich unrentabel werden.

Eine Alternative ist die Molekülabsorptionsspektrometrie (MAS), da zweiatomige Moleküle ebenfalls im Wellenlängenbereich von 185 bis 900 nm absorbieren. Das Molekül, bestehend aus dem zu untersuchenden Nichtmetall und einem Bindungspartner (Metall oder weiteres Nichtmetall), wird dabei entweder in der Flamme oder im Graphitrohr gebildet. Molekülabsorptionsmessungen zur Analyse von Nichtmetallen wurden bereits mit klassischen AA-Spektrometern durchgeführt [3]. Die Leistungsfähigkeit dieser Bestimmungen wurde jedoch durch die Verwendung von intensitätsschwächeren Deuteriumlampen limitiert. Hohlkathodenlampen verschiedener Elemente kamen ebenfalls als Strahlungsquelle zum Einsatz, wobei das Maximum des Molekül-Absorptionspeaks nur selten mit dem Maximum des Emissionspeaks der Hohlkathodenlampe zusammen fiel, was eine geringere Empfindlichkeit sowie eine schlechtere Nachweisgrenze zur Folge hat.

Im Fall der HR-CS-Spektrometer emittiert die Xenon-Kurzbogenlampe Strahlung im Bereich von 185 bis 900 nm mit hoher Strahlungsintensität, sodass jede Wellenlänge in diesem Bereich zur Auswertung der Rotationsbanden der Moleküle zur Verfügung steht. Weiterhin ist es durch den Doppelmonochromator und die CCD-Zeile möglich, die Rotationsfeinstruktur der Molekülbanden hochaufgelöst zu detektieren.

Die Vorgehensweise bei der Analyse von Nichtmetallen über Molekülbanden, wie in den folgenden Beispielen gezeigt, ist auf weitere Bestimmungen anderer Nichtmetalle bzw. Moleküle übertragbar.

Bestimmung von Fluor per HR-CS-Spektrometer

Infolge der stabilen Bindung von Fluor zu den meisten Elementen ist eine Vielzahl an Molekülen denkbar, sofern diese im Emissionsprofil der Xenon-Kurzbogenlampe absorbieren. Für die quantitative Analyse von Fluor eignen sich vor allem Molekülkombinationen mit den Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, wie Aluminium und Gallium, da diese Moleküle bei Temperaturen um 2000 °C stabil sind.

Die Bildung von Galliumfluorid erfolgt im Graphitrohr nach Injektion von 500 µg Gallium und der fluoridhaltigen Lösung. Das Absorptionsmaximum von GaF liegt bei 211,248 nm. Zur Stabilisierung der eingesetzten Elemente und zur Unterdrückung von Wechselwirkungseffekten mit dem Graphit erfolgt eine Beschichtung des Graphitrohrs mit Zirkonium, eine thermische Vorbehandlung durch den Pd/Mg-Modifier und die Zugabe von Natriumacetat. Nach diesen Optimierungsschritten wurde eine Nachweisgrenze für Fluor von 5,2 pg (entsprechend 0,52 µg/L bei 10 µL Injektionsvolumen) erreicht [4]. Die entwickelte Methode findet unter anderem Anwendung bei der quantitativen Analyse des Gesamtfluorgehaltes und des löslichen F-Anteils in Zahnpasta. Die Vorteile der HR-CS-Spektrometer sind die einfache Handhabung sowie die Zeiteinsparung im Vergleich zu anderen Methoden [5].

Bestimmung von Brom per HR-CS-Spektrometer

Brom lässt sich ebenfalls über verschiedene Moleküle bestimmen, wobei insbesondere Elemente der zweiten und dritten Hauptgruppe potenzielle Bindungspartner darstellen. Auf diesem Weg wurde Brom über Calciumbromidbanden bei 625,315 nm quantitativ bestimmt (s. Abb. 6).

Analog zur Bestimmung von Fluor wird das Molekülbildungsreagenz im Überschuss (2% m/v Calcium) zusammen mit der bromidhaltigen Lösung ins Graphitrohr injiziert. Eine Beschichtung des Graphitrohrs sowie der zusätzliche Einsatz des Pd/Mg-Modifiers sind ebenfalls von Vorteil, da reproduzierbarere und intensivere CaBr-Absorptionssignale erhalten werden. Darüber hinaus hat sich die Verwendung von Graphitrohren ohne integrierte PIN-Plattform als effektiver im Hinblick auf niedrigere Nachweisgrenzen erwiesen, da die Verdampfung der Substanzen nicht verzögert sondern sehr schnell von der Rohrwand aus erfolgt und somit die Molekülbildung rascher abläuft.

Der lineare Arbeitsbereich der Methode erstreckt sich über sechs Größenordnungen, da, wie in Abbildung 6 zu sehen ist, auch weniger intensive Peaks zur Auswertung herangezogen werden können. Die Nachweisgrenze der Methode beträgt 78 pg Br (entsprechend 7,8 µg/L Br bei 10 µL Injektionsvolumen). Limitierend auf die Bestimmung von Brom sind allerdings Konkurrenzreaktionen im Graphitrohr, hervorgerufen durch Chloride, Fluoride, Aluminium oder Eisen, die ebenfalls mit Calcium bzw. Brom stabile Verbindungen bilden können. Aus diesem Grund ist die quantitative Analyse von Brom nur auf gering matrixbelastete Proben beschränkt bzw. es müssen zeitaufwändigere Methoden wie die Standardaddition angewendet werden [6].

Schwefel-Bestimmung per HR-CS-Spektrometer

Schwefel bildet mit Elementen der vierten Hauptgruppe des Periodensystems stabile Moleküle, welche sich besonders für die quantitative Analyse von Schwefel eignen. Weitere Molekülkombinationen sind ebenfalls möglich. Im Fall der Schwefelbestimmung wird die zur Molekülbildung benötigte Zinn-Lösung (10 g/L Sn in 6%iger HCl) im Überschuss in das Graphitrohr injiziert. Zur Kalibration wird als Schwefelstandard eine Natriumsulfatlösung verwendet. Durch die reduzierenden Bedingungen im Graphitrohr bildet sich stets das entsprechende Sulfid.

Die Bestimmung von Schwefel über Zinnsulfidbanden ist eine nachweisstarke und zugleich robuste Methode [7]. Auffällig hierbei ist vor allem die ausgeprägte Rotationsfeinstruktur der SnS-Banden (s. Abb. 7, online). Die besten Ergebnisse werden in Graphitrohren ohne integrierte PIN-Plattform erhalten. Die Nachweisgrenze der Methode liegt bei 0,16 ng Schwefel (entsprechend 16 µg/L Schwefel bei 10 µL Injektionsvolumen). Die Leistungsfähigkeit und Robustheit der Methode zeigt sich vor allem darin, dass außer Nickel keine weiteren Elemente Interferenzen bei der Bestimmung von Schwefel über SnS-Banden hervorrufen. Im Gegensatz zur Analyse von Brom kann Schwefel in diversen Matrices, wie Fluss-, Teich- und Mineralwasserproben bestimmt werden. Die Richtigkeit der Ergebnisse bei der Bestimmung über SnS-Banden mittels einem HR-CS-Spektrometer konnte zusätzlich mittels Ionenchromatographie und Gravimetrie bestätigt werden [7].

Mit HR-CS-Spektrometern ist es somit möglich, neben Metallen und Halbmetallen auch Nichtmetalle quantitativ zu bestimmen.

HR-CS-Spektrometrie in der Speziesanalytik

In der heutigen Analytik ist die quantitative Bestimmung der Gesamtkonzentration bzw. des Gesamtgehaltes von Metallen immer noch von Bedeutung, wobei die Analyse einzelner Elementspezies immer mehr in den Fokus rückt. Von großem Interesse ist dabei das Vorkommen, die Bindungsform, die Oxidationsstufe und Stabilität der entsprechenden Verbindung. Ein aktuelles Beispiel stellt die Analyse von Arsenspezies (s. Abb. 5) in Humanmatrizes dar. Die anorganischen Arsenverbindungen Arsenit [As(III)] und Arsenat [As(V)] werden als cancerogen eingestuft, die organischen Spezies Monomethylarsonsäure [MMA(V)] sowie Dimethylarsinsäure [DMA(V)] als Krebspromotoren diskutiert, wohingegen Arsenobetain [AsB] als nicht-toxisch angesehen wird, gerade aber z.B. in Meeresorganismen mengenmäßig am häufigsten vorkommt. Die Angabe des As-Gesamtgehaltes lässt somit meist keine Rückschlüsse auf die Toxizität zu.

Die Analyse von As-Spezies erfolgt im Allgemeinen durch die Kopplung einer Trennmethode mit einem nachweisstarken Detektor. Eine neue Möglichkeit stellt dabei die Kopplung der Flüssigkeitschromatographie mit einem HR-CS-Spektrometer dar. Mittels einer hocheffizienten hydrophoben Anionenaustauschersäule können die As-Spezies As(III), As(V), MMA(V), DMA(V) und AsB, unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen, innerhalb von sieben Minuten getrennt werden [8].

Über eine Offline-Kopplung werden die einzelnen Fraktionen der Anionenaustauschchromatographie im Autosampler des HR-CS-Spektrometers jeweils sechs Sekunden gesammelt und anschließend im Graphitrohr analysiert. Nach zeitlicher Auftragung der Extinktion jeder einzelnen Fraktion ergibt sich das in Abbildung 2 dargestellte Diagramm. Wie aus der Abbildung hervorgeht, werden pro Minute zehn Fraktion der Anionenaustauschchromatographie erhalten, was bei einer Flussrate von 1,2 mL/min einem Volumen von 120 µL je Fraktion entspricht.

Infolge der unterschiedlichen Bindungsformen wurden sowohl für die anorganischen als auch für die organischen Arsen-Spezies Kalibrationsreihen aufgenommen. Die Methode ist für die organischen Spezies empfindlicher als für die anorganischen. Weiterhin wurden für die organischen Verbindungen MMA(V), DMA(V) und AsB niedrigere Nachweisgrenzen erzielt (s. Tab. 2).

Die Empfindlichkeit könnte zusätzlich erhöht werden, indem mehrere Pixel zur Auswertung des Absorptionssignals genutzt werden.

Speziell für die Bestimmung von Arsen in Humanmatrizes, wie Urin oder Blut, eignen sich HR-CS-Spektrometer. Vor allem Phosphate und Chloride, die in diesen Matrices vorrangig vorkommen, bilden im Graphitrohr stabile Moleküle. Die Molekülbanden erstrecken sich über einen Wellenlängenbereich, in dem sich u.a. auch die Arsen-Resonanzlinie bei 193,695 nm befindet. Infolge der wellenlängen- und zeitaufgelösten Detektion werden diese Molekülbanden erkannt und können anschließend korrigiert werden, wie nachfolgend am Beispiel der Arsenbestimmung in Gegenwart von Phosphat gezeigt wird (s. Abb. 3 und Abb. 4). Bei Phosphatgehalten im mmol/L-Bereich, wie im Urin, kommt es zu einer Signalüberlagerung der As-Resonanzlinie durch PO-Molekülbanden (s. Abb. 3), wodurch ein höheres Extinktionssignal auf dieser Wellenlänge erhalten wird. Bei genauer Kenntnis über die Zusammensetzung der Matrix bzw. der Störsubstanz kann diese als Referenz- bzw. Korrektursubstanz verwendet werden. Im angeführten Beispiel wird das PO-Korrekturspektrum anschließend von dem Originalspektrum (s. Abb. 4) subtrahiert, wodurch als Ergebnis ein korrigierter Arsen-Absorptionspeak (s. Abb. 4) erhalten wird.

Die Kopplung von Anionenaustauschchromatographie mit einem HR-CS-Spektrometer ist eine schnelle und einfache Möglichkeit, Arsenspezies in matrixbehafteten Proben quantitativ zu bestimmen. Im Vergleich zu ICP-MS-Geräten sind als Vorteile der HR-CS-Spektrometer vor allem die geringeren Kosten in Bezug auf Anschaffung und Unterhaltung sowie die Korrektur der spektralen Interferenzen zu nennen.

Besonderer Dank gilt Analytik Jena für die Bereitstellung des hochauflösenden Atomabsorptionsspektrometers contrAA 700 und der Firma Recipe für die Bereitstellung des HPLC-Systems.

Literatur

[1] de Oliveira, S.R., Raposo Jr., J.L., Gomes Neto, J.: Fast sequential multi-element determination of Ca, Mg, K, Cu, Fe, Mn and Zn for foliar diagnosis using high-resolution continuum source flame atomic absorption spectrometry: Feasibility of secondary lines, side pixel registration and least-squares background correction, Spectrochim. Acta B, 64, 593-596, 2009

[2] Resano, M., Rello, L., Flórez, M., Belarra, M.A.: On the possibilities of high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry for the simultaneous or sequential monitoring of multiple atomic lines, Spectrochim. Acta B, 66, 321-328, 2011

[3] Dittrich, K., Townshend, A.: Analysis by emission, absorption, and fluorescence of small molecules in the visible and ultraviolet range in gaseous phase, CRC Crit. Rev. in Anal. Chem., 16, 223-279, 1986

[4] Gleisner, H., Welz, B., Einax, J.W.: Optimization of fluorine determination via the molecular absorption of gallium mono-fluoride in a graphite furnace using a high-resolution continuum source spectrometer, Spectrochim. Acta B, 65, 864-869, 2010

[5] Gleisner, H., Einax, J.W., Morés, S., Welz, B., Carasek, E.: A fast and accurate method for the determination of total and soluble fluorine in toothpaste using high-resolution graphite furnace molecular absorption spectrometry and its comparison with established techniques, J. Pharm. Biomed. Anal., 54, 1040-1046, 2011

[6] Limburg, T., Einax, J.W.: Determination of bromine using high-resolution continuum source molecular absorption spectrometry in a graphite furnace, Microchem. J., 107, 31-36, 2013

[7] Baumbach, G., Limburg, T., Einax, J.W.: Quantitative determination of sulfur by high-resolution graphite furnace molecular absorption spectrometry, Microchem. J., 106, 295-299, 2013

[8] Hesse, S., Limbug, T., Einax, J.W., Speziesanalytik ausgewählter Arsenverbindungen mittels Kopplung HPLC-HR-CS-AAS. - In: Becker C, Michalke B, Schümann K, Windisch W (2012): Doppelfokus: Speziesanalytik und Januskopf Eisen. Schriftenreihe der Gesellschaft für Mineralstoffe und Spurenelemente (GMS) e.V., Band 6, pp. 83-93; ISBN 978-3-8316-4215-1

* T. Limburg, S. Hesse und G. Baumbach: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lehrbereich Umweltanalytik, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, 07743 Jena

* *H. Gleisner, Jürgen W. Einax: Analytik Jena AG, 07745 Jena

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