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Mikrowellenaufschluss Neuer Rotor ermöglicht Mikrowellenaufschluss kleinster Probenmengen

Autor / Redakteur: Linda Künstl / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Mikrowellenaufschlüsse zählen heute zu den Standard-Probenvorbereitungsverfahren zur Elementbestimmung in der analytischen Chemie. Um auch kleine Probenmengen aufzuschließen, steht jetzt ein neuer Rotor mit speziellen Gefäßen zur Verfügung.

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Abb. 1: Der neue Rotor eignet sich vor allem für den Aufschluss von Probenmengen unter 20 mg. (Bild: Anton Paar)
Abb. 1: Der neue Rotor eignet sich vor allem für den Aufschluss von Probenmengen unter 20 mg. (Bild: Anton Paar)

In der analytischen Chemie stellt eine limitierte Probenmenge oft eine Herausforderung dar. Ist vor der analytischen Messung noch ein Probenaufschluss notwendig, fällt man durch den damit einhergehenden Verdünnungsschritt oft unter die Bestimmungsgrenzen der nachfolgenden Messmethoden. Selbst wenn die Elementgehalte noch quantifiziert werden können, steigt doch die Ungenauigkeit der Ergebnisse rapide an.

Zum Arbeiten mit geringem Probenmaterial sind Mikrowellengefäße mit geringem Volumen und kleinen Oberflächen zwingend notwendig. Das Multiwave 3000 von Anton Paar mit dem neuen Rotor 64MG5 eignet sich hervorragend für den Aufschluss kleinster Probenmengen (≤20 mg) in weniger als 1 ml Reaktionslösung. Die 64 Einweg-Glasgefäße ermöglichen einen hohen Probendurchsatz und passen außerdem direkt in Standard-ICP-Autosampler.

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Das Problem

Um einen effektiven Mikrowellenaufschluss zu erzielen, muss ein gewisses Mindestfüllvolumen der Aufschlussgefäße beachtet werden. Außerdem wird die maximal einsetzbare Probenmenge bei geschlossenen Systemen durch den im Aufschlussprozess entstehenden Druck limitiert. Daraus resultiert üblicherweise ein Verdünnungsfaktor von 100 bis 400. Ist die vorhandene Probenmenge zusätzlich auf wenige Milligramm begrenzt, steigt der Verdünnungsfaktor weiter an, die Elementkonzentrationen nehmen ab und unterschreiten dann oftmals die Bestimmungsgrenzen der nachfolgenden Messmethoden. Darüber hinaus ist die Handhabung von Probenmengen im unteren Milligramm-Bereich mit herkömmlichen Aufschlussgefäßen sehr schwierig, da Kontaminationen und Probenverluste in großen Messungenauigkeiten resultieren.

Konventionell werden solche Proben oft in offenen Gefäßen unter Atmosphärendruck aufgeschlossen, wobei die Reaktionstemperatur durch die Siedetemperatur der Säuremischung begrenzt ist. Einerseits wird bei dieser Methode oftmals kein Vollaufschluss erreicht, darüber hinaus ist das Kontaminationsrisiko gerade bei offenen Aufschlüssen sehr hoch.

Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Einsatzgefäßen. Dabei wird der Aufschluss in einem kleinen Gefäß durchgeführt, welches in ein herkömmliches Mikrowellengefäß eingesetzt wird. Die Nachteile sind eine langsamere Heizung und Kühlung, ein geringer Probendurchsatz sowie eine umständlichere Handhabung.

Die Lösung

Der neue Rotor 64MG5 für das Multiwave 3000 bietet eine Lösung für all diese Probleme. 5-ml-Einwegglasgefäße schaffen die Voraussetzungen für einen perfekten Aufschluss von kleinen Probenmengen. Das Mindestfüllvolumen für die Mikrowellengefäße beträgt nur 0,3 ml, wodurch eine minimale Verdünnung erreicht werden kann. Die handelsüblichen Glasgefäße werden mit speziellen PFTE-Lippendichtungen und PEEK-Verschlusskappen verschlossen. Dieses Verschlusssystem erlaubt Aufschlussbedingungen von bis zu 200 °C und 20 bar, womit die Aufschlusszeit reduziert und die Aufschlussqualität gegenüber offenen Systemen deutlich verbessert wird. Das Kontaminationsrisiko wird durch das geschlossene Aufschlusssystem minimiert. Die preisgünstigen Einwegglasgefäße haben zusätzlich zur Einsparung eines zeitaufwändigen und chemikalienintensiven Reinigungsverfahrens zwischen den Läufen den Vorteil, dass viele Proben gleichzeitig präpariert werden können. Die Aufschlussgefäße passen direkt in einen Standard-ICP-Probennehmer, somit ist ein Umfüllen der Proben nicht mehr notwendig. Dadurch wird einerseits wertvolle Zeit eingespart und andererseits die Kontaminationsgefahr reduziert. Ein weiterer Vorteil der neuen Methode ist der hohe Probendurchsatz – insgesamt bietet der Rotor 64MG5 Platz für 64 Gefäße. Die Temperatur wird mithilfe eines standardmäßig eingebauten Infrarot-Sensors kontrolliert.

Eine Gegenüberstellung der neuen Aufschlussmethode mit einem herkömmlichen Mikrowellenaufschluss in geschlossenen Systemen (s. Tab. 1) macht die Unterschiede deutlich. Zur Methodenevaluierung wurden von der dänischen Gruppe rund um Jan K. Schjoerring drei zertifizierte Referenzmaterialien verwendet [1]. Diese biologischen Proben unterschieden sich untereinander in den Elementkonzentrationen, der Partikelgröße und der Matrix.

Die Ergebnisse

Um einen möglichst breiten Bereich abzudecken, wurden Probeneinwaagen zwischen 1 mg und 20 mg untersucht. Die Einwaage erfolgte direkt in die mit HNO3 vorgereinigten Aufschlussgefäße. Eine Mischung aus 30%igem H2O2 (125 µl für Probeneinwaagen kleiner 5 mg und 250 µl für die anderen Proben) und 65%iger HNO3 (250 µl für Proben kleiner 5 mg und 500 µl für die anderen Proben) wurde als Aufschlusslösung verwendet. Die Gefäße wurden mit Lippendichtungen und Schraubkappen verschlossen. Der Aufschluss erfolgte bei 160 °C für 90 min. Um Probenverluste beim Belüften nach dem Aufschluss zu vermeiden, wurden die Proben gekühlt und direkt in den Probengefäßen verdünnt und vermessen. Die Analysen wurden für Probenmengen bis 5 mg mit einem ICP-MS (Agilent 7500ce) durchgeführt, für die höheren Einwaagen mit einem ICP-OES (Perkin Elmer Optima 5300 DV).

Ein repräsentativer Auszug der gemessenen Werte wird in Abbildung 2 gezeigt. Die meisten gemessenen Elementkonzentrationen sind in einem Toleranzbereich von ±10% (grau unterlegt), obwohl die Mindesteinwaage für die zertifizierten Referenzmaterialien unterschritten wurde. Der gemessene Eisenwert in den Apfelblättern ist erniedrigt – allerdings kam man auch bei konventionellen Aufschlüssen auf das gleiche Ergebnis. Es steht somit nicht im Zusammenhang mit der neuen Aufschlussmethode. Zusammengefasst sind die erhaltenen Ergebnisse sehr zufriedenstellend und ein guter Beweis für die Brauchbarkeit der neuen Aufschlussmethode.

Das Multiwave 3000 mit dem Rotor 64MG5 ermöglicht effiziente Aufschlüsse von biologischen Proben im Milligramm-Bereich. Diese neue Methode zeichnet sich durch hohen Probendurchsatz, geringe Verdünnungsfaktoren, einfaches Handling und minimiertes Kontaminationsrisiko aus. Die Verwendung preiswerter Einwegglasgefäße spart Zeit, Chemikalien und somit auch Geld.

Literatur:

[1] T. H. Hansen, K. H. Laursen, D. P. Persson, P. Pedas, S. Husted, J. K. Schjoerring, Micro-scaled high throughput digestion of plant tissue samples for multi-elemental analysis, Plant Methods, 2009, 5:12. (http://www.plantmethods.com/content/5/1/12 )

* L. Künstl: Anton Paar GmbH, 8054 Graz/Österreich

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