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Thermische Probenvorbereitung Neues Aufbereitungsverfahren in der Spurenanalytik

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Zu einer gelungen Analyse gehören nicht nur eine validierte Methode und die entsprechenden Analysensysteme. Oft entscheidet die richtige Probenvorbereitung über das optimale Analysenergebnis. Ein neues Extraktionssystem reinigt Rohextrakte effizient für die organische Spurenanalytik auf.

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Abb. 1: Mit Easydest werden Proben-Rohextrakte für die organische Spurenanalyse gereinigt. (Bild: Labor Wilhelm)
Abb. 1: Mit Easydest werden Proben-Rohextrakte für die organische Spurenanalyse gereinigt. (Bild: Labor Wilhelm)

Die ersten Schritte in der organischen Spurenanalytik z.B. von Lebensmittel- oder Umweltproben sind üblicherweise die Homogenisierung und daran anschließend die Extraktion. Neben den gesuchten Stoffen finden sich in hohem Überschuss auch Matrixbestandteile wie Fette, Wachse, Polyphenole usw. Deshalb ist man trotz fortgeschrittener Gerätetechnik gut beraten, diese unerwünschten und dem Analysensystem nicht besonders zuträglichen Substanzen aus dem Rohextrakt zu entfernen.

Um die Analyten für die Analyse aufzubereiten, muss man auf eine ganze Reihe verschiedenster, meist chromatographischer Aufreinigungsverfahren zurückgreifen. Fast schon klassisch sind die Minikieselgelsäulen nach Specht und Tillkes [1]. Daneben steht eine breite Auswahl weiterer Adsorbentien unterschiedlicher Polaritäten und Selektivitäten zur Verfügung. Verbunden mit diesen Verfahren ist allerdings oft ein hoher Verbrauch an Lösemitteln. So ist für gelchromatographische Verfahren ein Lösemittelverbrauch von 200 ml je Probe durchaus üblich. Zudem sind die verwendeten Sorbentien – ob Wegwerf-Kieselgelsäulchen oder Säulen mit Polystyrolgel – ein zusätzlicher Kostenfaktor. Und wenn das Aufreinigungsverfahren nicht automatisiert ist, kann allein der Arbeits- und Zeitaufwand für die Aufreingung ganz beträchtlich zu den Analysenkosten beitragen.

Thermische Extraktion

Nachfolgend wird ein ganz anderer Weg beschrieben. Die gesuchten Substanzen werden hier durch Hitze und Vakuum aus dem Matrixsumpf extrahiert und an einem Kühler gesammelt. Letztlich ist das nichts Anderes als eine Destillation oder eine Sublimation. Allgemeiner ausgedrückt kann das Verfahren als thermische Extraktion beschrieben werden.

Das Prinzip einer thermischen Abtrennung von Pestiziden aus einem Rohextrakt wurde bereits in den 1960er Jahren mit der so genannten Sweep-Co-Distillation entwickelt [3]. Obwohl die Methode von der Pestizid-Kommission der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Analytik von Lebensmitteln empfohlen wurde [4], fand sie keine weite Verbreitung. Die Gründe hierfür dürften insbesondere der hohe Lösemittelverbrauch und Zersetzungsreaktionen mancher Analyten durch die starke thermische Belastung gewesen sein [5]. Aber auch die umständlich zu bedienenden Geräte, die für die Sweep-Co-Distillation zur Verfügung standen, waren für Serienanalysen wenig praktikabel. Handelsübliche Destillen oder Sublimationsgeräte sind für die Spurenanalytik ebenfalls nur bedingt geeignet. Zu große Oberflächen und zu weite Wege der Dämpfe bis zum Kondensator, verhindern das quantitative und schnelle Abtrennen von Spurenkomponenten. Überdies benötigen diese Apparaturen zu viel Platz im modernen Labor. Mit der neuen Mikrodestille Easydest werden alle Nachteile der genannten Verfahren vermieden. Das Gerät wurde speziell für die Anforderungen der Probenaufbereitung in der Spurenanalytik entwickelt. Heiz- und Kühlbereich liegen eng übereinander und sind nur durch eine schmale Isolationsschicht getrennt. Die Kühlung erfolgt extern durch einen Umwälzthermostaten. Der Heizblock wird von einem Mikroprozessor geregelt, der sowohl eine isotherme als auch eine programmierte Temperaturführung ermöglicht. Probenglas und Kühlfinger werden über Bohrungen in das Gerät eingebracht. Dabei liegt das Probenglas mit dem eingedunsteten Rohextrakt im heißen Bereich des Heizblocks. Der obere Teil des Kühlfingers dagegen hat Kontakt zum Kühlblock und überträgt das niedrige Temperaturniveau auf den verjüngten Fortsatz des Kühlfingers. Er reicht weit ins Probenglas hinein und wirkt dort als Kondensationszone. Auf diese Weise lässt sich unmittelbar über der Probe ein Temperaturgradient von nahezu 100 Kelvin je Millimeter aufrechterhalten. Die gesamte Apparatur einschließlich Vakuumpumpe und Umwälzkühler findet auf weniger als einem Meter Labortisch Platz.

Zur Aufreinigung wird der Probenextrakt ins Probenglas pipettiert und das Lösemittel mit Stickstoff abgeblasen. Öle oder Fette können aufgrund deren Homogenität auch direkt eingewogen werden. Um die Ausbeute zu optimieren, hat es sich bewährt, die geriffelte Kondensationszone des Kühlfingers mit einer geringen Menge einer Adsorptionsflüssigkeit zu benetzen. Der Kühlfinger wird anschließend auf das Probenglas gesteckt und beide zusammen ins Gerät eingebracht.

Häufig ist es vorteilhaft, wenn im Probenglas Unterdruck herrscht. Hierzu kann über einen Schlauchnippel am Kühlfinger eine Vakuumpumpe angeschlossen werden. Aus dem Extrakt-Rückstand dunsten die unter den gewählten Bedingungen für Druck und Temperatur flüchtigen Substanzen aus. Sie müssen in der Dampfphase nur 2 bis 3 mm überwinden, bevor sie am Kühlfinger wieder kondensieren und dort durch die Adsorptionsflüssigkeit gebunden bleiben. Nach einer Verweilzeit von 10 bis 20 min werden Kühlfinger und Probenglas aus dem Gerät entnommen. Das Probenglas, das meist noch über 99 % der Matrix enthält, wird abgezogen und das Kondensat vom Kühlfinger mit 1 ml eines flüchtigen Lösemittels abgespült. Diese Lösung kann man direkt zur Analyse verwenden oder für die Spurenanalyse weiter einengen. Die Matrixbelastung der so erhaltenen Probenlösungen zeigt sich oft erfreulich niedrig. Für viele GC- und HPLC-Analysen braucht die Kondensatlösung deshalb nicht mehr weiter aufgereinigt zu werden. Erst wenn für die quantitative thermische Extraktion höhere Temperaturen und ein sehr niedriges Vakuum erforderlich sind, werden auch deutlich mehr Matrixanteile aus der Probe herausdestilliert. Ein Beispiel hierfür ist die GC/MS-Bestimmung von Benzo-a-pyren in Räucherwaren, Ölen oder Fetten. Zwar ist die Grundlinie des Gaschromatogramms eines solchen Kondensats relativ niedrig, darauf aufgesetzt finden sich aber häufig große Matrix-Peaks (u.a. Steroide), welche die Auswertung stören. In diesem Fall kommt man ohne zusätzliche Aufbereitung nur mit der MS/MS-Kopplungstechnik zum Erfolg. Dennoch hält sich selbst bei Serienanalysen derartiger Proben die Verschmutzung des GC-Systems in Grenzen. Bei der thermischen Extraktion werden ja nur verdampfbare Anteile aus der Probe herausgezogen und diese können aus Injektor, Säule und Detektor auch wieder ausgeheizt werden. Die Standzeiten von Injektorliner und Vorsäule konnten in den vorliegenden Tests dadurch verdreifacht werden.

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Aufreingung mit Easydest

Es wurden mit Easydest erste Erfahrungen bei der Analyse von Fetten und Ölen, Fisch, Fleisch, Ölsaaten, Kunststoffen, Bitumen, Holz, Bodenproben und Leder gesammelt. Zu den bisher untersuchten Verbindungen zählen u.a. PAK, PCB, Organochlor- und andere Pestizide, Phenole, Phthalate und Moschus-Duftstoffe. Überraschenderweise lassen sich selbst Spuren schwerflüchtiger Substanzen wie DDT, Isopropylthioxanthon oder Decachlorbiphenyl bereits im Temperaturbereich von 130 °C im Vakuum aus fetthaltiger Matrix quantitativ abtrennen. Die Wiederfindungsraten dieser Parameter wurden durch Aufstockversuche ermittelt und liegen im Bereich von 85 bis 100 Prozent.

Nicht anwendbar ist das Verfahren naturgemäß auf thermolabile Substanzen. Doch selbst empfindliche Nitroaromaten und deren Abbauprodukte, die auch bei der GC-Analyse schonend behandelt werden müssen, konnten mit zufrieden stellenden Wiederfindungen aus Bodenextrakten abgetrennt werden. Es zeigte sich, dass Substanzen, die mithilfe eines GCs analysiert werden können, auch sehr gut mit Easydest von der Matrix abtrennbar sind. In Verbindung mit einem speziellen Glaseinsatz lässt sich Easydest aber auch als Destillationsgerät im herkömmlichen Sinn verwenden. Sechs Proben können auf kleinstem Platz gleichzeitig und verlustfrei abdestilliert werden. Falls erforderlich natürlich auch unter Vakuum. Dazu müssen keine aufwändigen Schliffapparaturen aufgebaut und anschließend gereinigt werden. Destillation, Kondensation der Dämpfe und das Sammeln des Destillats erfolgen in nur einem, aus einem Stück ausgebildeten Glaseinsatz.

Fazit

Die Aufreinigung mit Easydest erfordert weniger Arbeitsaufwand als entsprechende chromatographische Methoden und der Lösemittelverbrauch beschränkt sich auf nur wenige Milliliter. Es liegen bereits positive Erfahrungen mit unterschiedlichsten Probenarten vor. Mit Easydest lassen sich innerhalb von 20 min bei geringem Platzbedarf bis zu sechs Proben gleichzeitig bearbeiten.

Literatur:

[1] Specht W, Tillkes M, Fresenius J Anal Chem, 301(1980): 300-307

[2] Anastassiades M, Lehotay S J, Stajnbaher D, Schenck F J, J AOAC Int 86 (2003) 412.

[3] Pflugmacher J, Ebing W, Fresenius Z Anal Chem 263, 120-127 (1973)

[4] DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft, Manual of Pesticide Residue Analysis, Vol I, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1987

[5] Mes J, Davies D J, Int J Environ Anal Chem, 19(3):203-12 (1985)

* R. Wilhelm: Labor Wilhelm, 86529 Schrobenhausen

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