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Heizblöcke So gelingt der Säureaufschluss mit modernen Heizblock-Sytemen

Autor / Redakteur: Rainer Nehm* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Der erste Schritt bei der Durchführung einer korrekten anorganischen Analyse (Metallspurenanalyse) ist üblicherweise die Überführung der zu untersuchenden Proben in einen mineralisierten Zustand – per Säureaufschluss. Was müssen Anwender bei der Benutzung von Heizblöcken beachten?

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Abb. 1: Das Vulcan 84 – ein Beispiel für einen verbesserten Säureaufschluss im offenen Gefäß durch Automatisierung des Heizblock-Systems.
Abb. 1: Das Vulcan 84 – ein Beispiel für einen verbesserten Säureaufschluss im offenen Gefäß durch Automatisierung des Heizblock-Systems.
(Bild: Horiba Jobin Yvon)

Diese Umwandlung einer meist inhomogenen unlöslichen Mischung in eine typische homogene wässrige Lösung mit Hilfe von Wärme und Säuren wird Säureaufschluss genannt. Im Verlauf dieser chemischen Reaktionen werden diverse Bindungen gelöst und neue Spezies gebildet. Gasförmige Nebenprodukte, meist aus nichtmetallischen Elementen gebildet, werden freigesetzt und entweichen aus der Lösung; dabei hinterlassen sie eine saure Lösung aus Metallionen, welche für die weitere Analyse von zentralem Interesse ist.

Säureaufschluss im Heizblock ist kostengünstiger als Mikrowellenaufschluss

Dieses Verfahren hat sich trotz seiner Unentbehrlichkeit in Analyselabors lange Zeit kaum verändert. Erst in den 80er-Jahren wurde zu diesem Zweck erstmals Mikrowellenenergie angewandt. Und in der Tat brachte diese Anwendung von Mikrowellenenergie gegenüber den Verfahren der konduktiven und der konvektiven Erwärmung einige bedeutende Vorteile mit sich.

Doch leider erwies sich diese Technik nicht als die Lösung aller Probleme. Trotz der bedeutenden Fortschritte in den letzten 25 Jahre können Mikrowellenaufschlüsse in geschlossenen Gefäßen nach wie vor nicht mit konduktiver Erwärmung in offenen Gefäßen mithilfe von Heizblöcken konkurrieren. Die Unterschiede liegen in der Probenverarbeitungsmenge, den Kosten für die Aufschlüsse, Sicherheitsbedenken sowie der einfachen Handhabung. Dies bedeutet nicht, dass sich in das Heizblock-Aufschlussverfahren im offenen Gefäß nie der Fehlerteufel einschleichen würde.

Eine übermäßige Verwendung von Säuren, lange Aufschlusszeiten, eine niedrige Ausbeute an Analyten, Probenverunreinigungen sowie arbeitsintensive Prozesse werden oft als Defizite des Aufschlusses mit dem Heizblock genannt. Die eine Patentlösung für Aufschluss und Verarbeitung gibt es im Grunde nicht.

Neuentwicklungen durch verbesserte Steuerung der Heizblöcke

Die Heizblöcke früherer Generationen waren einfache „Heizplatten“, die mit einer elektrischen Widerstandsheizung oder auf offener Flamme erwärmt wurden. Der Analytiker gab einfach die erforderlichen Säuren in ein Becherglas, das dann über die Platte gehalten und unter seinen wachsamen Augen mehr oder weniger erwärmt wurde. Jeder Aufschluss war ein Versuch, der je nach Erfahrung und Sorgfalt des Analytikers unterschiedlich ausfiel. Durch heftige und unerwartete Reaktionen oder Unachtsamkeit traten oft Flüssigkeiten aus oder liefen über. Die Qualität der Probenaufbereitung wurde durch Verunreinigungen aus der Umgebung beeinträchtigt sowie durch die fehlende Möglichkeit, reproduzierbare Zeit-Temperatur-Profile einzuhalten. Moderne Heizblöcke weisen diverse Verbesserungen auf, die diese Mängel beseitigen. Sie bestehen meist aus Graphit von hoher Reinheit und Stärke, der auf ganz genaue Maße zugeschnitten ist und in den ein Lochraster gebohrt wurde.

Dieses Raster ist so konzipiert, dass es einen Satz Probenröhrchen für den Aufschluss mit einer präzise kontrollierten Temperaturoberfläche auf allen Seiten außer der Oberseite umgibt.

Horiba Scientific bietet die Qblock-Heizblöcke der Firma Questron an. Hierbei handelt es sich um temperaturregulierte Graphitblöcke mit Fluorpolymerbeschichtung und einem Lochraster passend für entsprechende Aufschlussgefässe. Eine Temperatur von bis zu 230 °C mit weniger als 1 °C Abweichung kann durch vom Analytiker angelegte Methodendateien gesteuert werden.

Üblicherweise ist der gesamte Block auf allen Außenflächen mit einem inerten Fluorpolymermaterial beschichtet, das eine inerte Umgebung bietet. Er ist meist in einem stark isolierenden Außenbehälter verpackt, der die Elemente der elektrischen Widerstandsheizung sowie die Elektronik enthält, um das gesamte System gemäß dem vom Analytiker vorgegebenen Temperaturprofil zu beheizen. Erst vor kurzem haben Hersteller die Elektronik vom Heizblock getrennt und in einem separaten Steuergerät untergebracht. Somit entstand aus der unglücklichen Beziehung zwischen einem sehr heißen Block und der das Kühle liebenden Digitalelektronik eine glücklichere und dauerhaftere Verbindung.

Temperaturen von über 230 °C im Heizblock möglich

In den letzten sechs Jahren unterzog Questron das Marktangebot an Heizblockprodukten einer kritischen Analyse und nahm einige entscheidende und sinnvolle Verbesserungen an Steuergeräten und Aufschlussmodulen vor. Die Qblock-Serie von Heizblöcken kann Temperaturen von über 230 °C bedienen und sich somit auf die striktesten und extremsten für Säureaufschlüsse erforderlichen Temperaturprofile einstellen. Zudem wird in den Blöcken ein völlig gleichmäßiges Temperaturprofil aufrechterhalten, was bei unterschiedlichen Größen und Konstruktionen von Probenröhrchen den höchsten Grad an Reproduzierbarkeit für Probenaufschlussbedingungen ermöglicht.

Die Steuergeräte bieten Zuverlässigkeit, Kostenvorteil und Komfort der Touchscreen-Technologie sowie programmierbare, methodendefinierte Heizprofile mit der Möglichkeit der Probendatenarchivierung. Der letzte Neuzugang bei den Heizblocksteuergeräten von Questron ist der Qblock Wireless Controller, der als Schnittstellen-Tool für den Analytiker einfach einen Android-basierten Tablet-Computer verwendet (s. Abb. 2). Somit wird eine völlig drahtlose Konnektivität mit bis zu acht separaten Heizblöcken erzielt.

Mechanische Automatisierung bringt Vorteile beim Heizblock-Aufschluss

Trotz des bedeutenden Fortschritts im Bereich der Prozesssteuerung, der eine außergewöhnlich hohe Aufschlussqualität ermöglicht, war das Heizblock-Aufschlussverfahren stets eine weitgehend arbeitsintensive Aufgabe. Bis zu den Neuerungen der jüngsten Zeit gehörte der Heizblock-Aufschluss immer in den Bereich der Abzughaube. Das Fehlen einer geeigneten Geräteausstattung zwang den Anwender dazu, unter unzulänglichen Sicherheitsbedingungen, mit Bedenken bezüglich der Umwelt und mit zweifelhafter Genauigkeit zu arbeiten. Weiter verschärft wird diese Situation durch die Arbeitsschritte nach dem Aufschluss: die Verarbeitung. Das Befüllen der Röhrchen für den Aufschluss auf fest vorgegebene Volumina mit Verdünnungslösungen, die Überführung kleiner Aliquots der aufgeschlossenen Proben von den Aufschluss-Röhrchen in kleinere „Analyse“-Röhrchen, die Herstellung vielfacher Verdünnungen, das Schütteln und damit Mischen der Aliquote – alle diese Schritte werden manuell ausgeführt.

Um für diese mühseligen und dennoch wesentlichen Aufgaben eine Erleichterung zu finden, investieren Hersteller jetzt in die Entwicklung von Automatisierungslösungen. Immerhin stellt die Probenvorbereitung dank der neuesten, recht großen Fortschritte im Bereich der Probenanalyse – wie beispielsweise die sehr viel empfindlicheren ICP-OES, ICP-MS- und Fluoreszenz-Techniken – für den Erhalt guter Analysengenauigkeiten ein noch zentraleres Element dar als früher. Was benötigt wird, ist eine Arbeitsstation, mit der die wichtigsten Arbeitsschritte des Heizblock-Aufschlusses automatisiert werden können.

Questron ist führend in der Entwicklung und Konstruktion von Einzelkomponenten, die für die Zusammenstellung eines solchen Systems essenziell sind. Eine zentrale Komponente dieses Systems ist ein nahezu metallfreier Arm mit XYZ-Bewegungsmöglichkeit, der in der XY-Ebene eine Bewegungspräzision von 0,5 mm aufweist. Mit diesem Arm ist eine Bewegung in den Aufschlussreaktionsbereich möglich sowie Arbeitsschritte wie Reagenzienzugabe, kontaktloses Abmessen des Flüssigkeitsvolumens in einem Röhrchen, Aufnehmen von Aliquoten und Homogenisieren der Probe. Dies ist nicht nur zur Gewährleistung eines kontaminationsfreien Aufschlussreaktionsbereichs absolut notwendig, sondern auch als Verwirklichung eines mechanischen Elements, das in der Umgebung konzentrierter Säuren nicht korrodiert. Andere Module, wie beispielsweise die Anlage, die das Röhrchenträgertablett für die Reagenziendispensierung in einen kühlen Bereich hebt und es daraufhin zur Förderung des Probenaufschlusses in einen vorgeheizten Heizblock absenkt, sowie die Entwicklung eines kompakten Säuredispensierungssystems mit sechs Spritzen, das bis zu sechs verschiedene Reagenzien zuverlässig dispensiert (inklusive Flusssäure), wurden von Questron speziell entwickelt, um eine funktionstüchtige, automatisierte Arbeitsstation zu verwirklichen. Eine maßgeschneiderte Elektronik, die nahtlos von einem feinabgestimmten Softwarepaket gesteuert werden kann, rundet schließlich diese Arbeitsstation ab: den Vulcan von Questron.

Bei der Zusammenarbeit mit zahlreichen Laboratorien in der ganzen Welt konnten die Entwickler feststellen, wie nutzbringend ein System wie der Vulcan in den Händen eines Laboranalytikers ist: Für automatisierte Vier-Säuren-Aufschlüsse von Proben aus dem Bergbau, für einfachere Aufschlüsse von Pflanzengewebe oder sogar für Aufschlüsse, die gar keinen Heizblock erfordern, sondern stattdessen ein Kältebad benötigen, um exotherme chemische Reaktionen zu verlangsamen.

Alle diese Verfahren profitieren in hohem Maße von der kontaminationsfreien Automatisierung, die das Vulcan-System für die Durchführung der arbeitsaufwändigen Tätigkeiten von Aufschluss und Probenverarbeitung bietet.

* Dr. R. Nehm: HORIBA Jobin Yvon GmbH, 82008 Unterhaching

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