Mikrowellenaufschlüsse und -extraktionen

Schneller als Kaffee kochen

Wer kennt es nicht im Laboralltag? Um die anorganischen Analyten von der Matrix abzutrennen und die Probe zu lösen wird die Probe Stunde über Stunde, ja mitunter sogar über Nacht unter Rückfluss in Säure gekocht. Der Aufschluss ist nach der Probenahme und der mechanischen Vorbereitung (Mahlen) einer Probe der nächste Schritt in einem nasschemischen Verbundverfahren, bei dem im Gesamtverlauf die interessierenden Elemente von den restlichen Matrixbestandteilen abgetrennt und dem eigentlichen Bestimmungsschritt (z.B. AAS, MP-AES, ICP-OES und ICP-MS) in flüssiger Form als Probenlösung zugeführt werden.

Zeitbedarf in der Probenvorbereitung für Aufschlüsse und Extraktionen
Diese Art von Analysenverfahren wurde von Majors 1991 hinsichtlich des Zeitaufwandes für die einzelnen Schritte innerhalb eines Analysen-Verbundes untersucht [1]. Die Probenahme und der eigentliche Bestimmungsschritt gehen prozentual mit jeweils nur 6 % in den gesamten Zeitbedarf einer Analyse ein. Die Probenvorbereitung beansprucht hingegen 61 %. Hier gilt es also, ein Augenmerk auf die Verkürzung der Zeit bei gleichzeitiger Steigerung der analytischen Güte wie Abtrennung der Matrix oder Steigerung der Einwaage und somit einer Verbesserung der Nachweisgrenze zu legen.

Das wichtigste Ziel des Aufschlusses ist das vollständige Lösen einer Probe, wobei die Aufschlusslösung alle interessierenden Elemente bzw. Verbindungen in unveränderter Menge enthalten muss. Anorganische Substanzen sollen dabei vollständig in lösliche Komponenten überführt und organische Substanzen vollständig mineralisiert werden [2].

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Die nahezu unübersehbare Vielfalt von Probenmaterialien stellt sehr unterschiedliche Anforderungen an das Aufschlussverfahren hinsichtlich der Probeneinwaage, des Chemismus der Abbaureaktionen, der Aufschlusssäuren, der Aufschlusstemperatur...etc. So ist es für den Praktiker sinnvoll, über eine Methode zu verfügen, mit der nahezu alle anfallenden Proben behandelt werden können. Der "Mikrowellenaufschluss" stellt ein solches leistungsfähiges modernes Verfahren dar.

Die Alternative: Mikrowellenaufschlussgeräte
"Mikrowellenschlusssysteme" sind im Gegensatz zu Aufschlusssystemen mit konvektiver Beheizung (z.B. Druck-Bombe) in der Lage, innerhalb von kurzer Zeit die Feststoffprobe zu lösen und korrigieren somit die Zeitstatistik von Majors zugunsten der Probenvorbereitung [1]. Durch die direkte Erhitzung der Aufschlusslösung mittels Mikrowellen und des Erreichens von Aufschlusstemperaturen weit oberhalb des "normalen" atmosphärischen Siedepunktes der Aufschlusssäuren wird dieser Zeitvorteil erreicht. Da sich die Aufschlusszeiten mit Hilfe der Mikrowellenenergie oft um ein Vielfaches verringern, bedeutet dieses gerade für den Routinebetrieb einen nicht unerheblichen Zeitgewinn und damit auch Kosteneinsparung [3].

Nahezu jedes Probenmaterial lässt sich mit mikrowellenbeschleunigten Aufschlüssen schneller aufschließen als mit herkömmlichen Methoden: Biologische und pflanzliche Materialien [4], Schlämme [5], Böden und Sedimente [6] sowie Flugaschen, Kohle und geologische Materialien [7]. Große Probenmengen von mehreren Gramm organischem Kohlenstoff (Öle, Kunststoffe, Lebensmittel...) können insbesondere mit der fokussiertenTM Mikrowellentechnik schnell und automatisiert aufgeschlossen werden.

Die Mikrowellenerwärmung stellt einen Spezialfall der Erwärmung dar. Im Gegensatz zur konvektiven Beheizung, bei der die Wärmemenge dem Gut von außen zugeführt wird und durch dessen Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Gutes verteilt wird (Oberflächenheizung), entsteht die Wärme bei der Mikrowellenerhitzung im Gut selbst (Volumenheizung). Bei einer Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz, die neben 915, 5800 und 22125 MHz von den Behörden für internationale Kommunikation zugelassen sind, wechselt das elektrische Feld seine Polarität periodisch. Polare Moleküle wechseln infolge des oszillierenden elektrischen Feldes zwischen geordnetem und ungeordnetem Zustand. Dieses bewirkt eine Rotationsanregung von Dipolen und eine Molekularbewegung durch die Wanderung der Ionen und führt so zu einer enorm raschen Aufwärmung von Dielektrika durch intermolekulare Reibung [8, 9, 10]. Eine Aufschlusslösung bestehend aus Säure und Probe stellt ein solches Dielektrika dar.

Historie
Auf der PitCon 1985 stellte CEM mit dem MDS 81 (Microwave Digestion System) der Weltöffentlichkeit das erste Mikrowellendruckaufschlussgerät vor. In 12 Druckbehältern aus Teflon PFA konnten gleichzeitig in kurzer Zeit Proben mit Mineralsäuren auf hohe Reaktionstemperaturen gebracht werden. In nur 30 min wurden mit dieser Neuheit die Proben für die Elementanalyse aufgeschlossen. Der klassische Weg des Säureaufschlusses dauerte etliche Stunden und benötigte zudem große Mengen an Chemikalien, deshalb war diese Technologie zu der damaligen Zeit ein enormer Fortschritt.

Heute
Bis heute wurden diese Mikrowellen-Aufschlussgeräte mit immer neuen Werkstoffen und Sensortechnologien weiter entwickelt. Die Mikrowellenaufschlussgeräte wurden derart konstruiert, so dass sie platzsparend mit integriertem Abluftsystem auf die Labortische passen und nicht in den Abzug platziert werden müssen. Mit neuen Behälterwerkstoffen wurden leistungsfähigere Druckaufschlussbehälter entwickelt. Mittlerweile können sogar 40 Proben gleichzeitig unter Temperaturkontrolle aufgeschlossen werden. Die Sensortechnik zur Druck- und Temperaturmessung wurde immer präziser und einfacher zu handhaben. Mittlerweile können alle Probenarten in Mikrowellengeräten mit allen Säuremischungen aufgeschlossen werden. Bei diesen universellen Anwendungsmöglichkeiten ist es eine logische Konsequenz, dass der Mikrowellenaufschluss als etablierte Technik in die DIN, EN und ISO Normen längst Einzug gehalten hat.

Die Weiterentwicklung: Einfachste Bedienung
Bei den universellen Einsatzmöglichkeiten rückt im Praxisalltag die einfache Bedienung in den Vordergrund. Die Zeiten des Blätterns in Handbüchern und in Applikationsordern sind längst vorbei. Anrufe im Applikationslabor des Herstellers kosten Zeit, neue Mitarbeiter/innen einzuarbeiten kostet ebenfalls Zeit und Geld. Unter diesen Gesichtspunkten wurde das Mars 6 entwickelt und stellt einen neuen Standard im Bedienerkomfort dar (Bild 1).

So erfolgt die Bedienung des Laborgerätes Mars 6 mit der iPhone Technik. Vergleichbar zu den iPhone Apps verfügt das Mars 6 über eine Mikrowellen-App. Diese Mikrowellen-App, genannt "One Touch", ermöglicht den Mikrowellenaufschluss mit nur einem Knopfdruck auf dem eingebauten iPhone Touch Screen im Mars 6 (Bild 2). Hinter dieser Neuheit steht die einprogrammierte Erfahrung von 30 Jahren Mikrowellenaufschlusstechnik in den automatischen Aufschlussmethoden. Das Mars 6 erkennt alle relevanten Aufschlussparameter selbst, so dass nach nur einem Knopfdruck auf diese „One Touch“ App der Aufschluss automatisch erfolgt.

Dieses beinhaltet die Steuerung der Reaktionsparameter Zeit, Druck und Temperatur, die Anzahl der Behälter, die optimale Mikrowellenleistung und den Behältertyp. Außerdem werden die Temperaturen sämtlicher Behälter auf dem iPhone Touch-Screen des Mars 6 visuell dargestellt. Die neuartige Sensortechnik kontrolliert direkt die Reaktionskinetik der Aufschlussreaktionen und regelt daraufhin die optimale Mikrowelleneinwirkung. Ein eingebauter Drucker gibt alle Daten heraus und die USB-Schnittstellen ermöglichen eine Anbindung an PCs. Eine eingebaute Kamera überwacht zudem die Reaktionsverläufe der Aufschlüsse.

Eine weitere Besonderheit stellen die integrierten Schulungsfilme dar. Ein aufwändiges Blättern in Handbüchern entfällt, da alle Arbeitsschritte abgefilmt sind und auf Knopfdruck vom Anwender angeschaut werden können. Einfacher geht es nicht!

Für diese Probentypen sind fertige Aufschluss Apps als "One Touch" Bedienung im Mars 6 integriert:

  • Pflanzenproben
  • Tiergewebe
  • Fisch, Muscheln, maritime Proben
  • Sedimente, Boden und Schlamm
  • Abwasser
  • Lebensmittel
  • Düngemittel
  • Nährstoffe
  • Filter
  • Blut, Haare, Serum, Urin
  • Mineralien und Erze
  • Pharmawirkstoffe
  • Farbstoffe
  • Bitumen, Harze, Klebstoffe
  • Kunststoff, Öl
  • Dental-Legierungen
  • Refraktäre anorganische Materialien
  • Carbide, Nitride, Oxide
  • Keramiken, Stähle
  • Mineralogische Proben
  • Katalysatoren, Spinelle

Und weitere Methoden kommen im Monatsrhythmus dazu.

Literatur:
[1] "An overview of sample preparation", R. E. Majors, LC-GC, Vol. 9 (1991).
[2] "Fehlerquellen beim Aufschluß", P. Tschöpel in: "Probenahme und Aufschluß", M. Stoeppler (Hrsg.), Springer Verlag 1994.
[3] "Der Mikrowellenaufschluß zur Schwermetallanalytik im Vergleich zu anderen Aufschlußverfahren", L. Dunemann in: B. Welz (Hrsg.) 5. Colloquium atomspektrometrische Spurenanalyse, S. 593 - 601 (1989).
[4] "Mikrowellenaufschluß zur Bestimmung von Spurenelementen in Pflanzenmaterial", B. Zunk, Anal. Chim. Acta 236, 337 - 343 (1990).
[5] "A microwave oven digestion method for the determination of metals in sewage sludges by ICP-AES and GFAAS", M. Bettinelli und U. Baroni, Intern. J. Environ. Anal. Chem. 43, 33 - 40 (1990).
[6] "Evaluation of the use of microwave oven systems for the digestion of environmental samples", P. Quevauviller et al., Mikrochim. Acta 112, 147 - 154 (1993).
[7] "Applications of microwave oven sample dissolution in analysis", R. A. Nadkarni, Anal. Chem. 56, 2233 - 2237 (1989).
[8] "Mikrowellenaufschluß", L. Dunemann in "Probenahme und Aufschluß", M. Stoeppler (Hrsg.), Springer Verlag 1994.
[9] "Wesen und Eigenschaften von Mikrowellen", U. Gerhardt und H.-P. Romer, ZFL 36, 309 - 316 (1985).
[10] "to microwave sample preparation", H. M. Kingston und L. B. Jassie, ACS Professional Reference Book, 263 S., 1988.
[11] "Druckaufschluß - apparative Möglichkeiten, Probleme und Anwendungen", E. Jackwerth und M. Würfels in: "Probenahme und Aufschluß", M. Stoeppler (Hrsg.), Springer Verlag 1994.

Autor
Ulf Sengutta

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