Seit der ersten Kommerzialisierung von Mikrowellenaufschlusssystemen Anfang der 80er Jahre ist der Mikrowellenaufschluss heute eine Standard-Probenvorbereitungsmethode in vielen analytischen oder präparativen Laboratorien. Neben dem Aufschluss für die Elementbestimmungen mittels atomspektrometrischer Verfahren, wie z.B. AAS, ICP-OES oder ICP-MS, wird die Mikrowelle auch häufig zur Unterstützung bei Extraktionsprozessen eingesetzt.

Bild 2: Grafische Echtzeitdarstellung der Temperatur in jedem einzelnen Aufschlussgefäß.

Beim Mikrowellenaufschluss wird das analysenfein gemahlene Probenmaterial in geeigneten Druckgefäßen mit einem Säuregemisch versetzt und bei Temperaturen von 170...240 °C aufgeschlossen. Durch die entsprechende Anordnung mehrerer Gefäße im Probenhalter wird ein höherer Probendurchsatz im Vergleich zu „Druckbomben“ erreicht. Außer der höheren Anzahl der Proben pro Aufschlusszyklus trägt die einfache und schnelle Handhabung beim Schließen und Öffnen sowie eine deutlich reduzierte Abkühlzeit nach dem Aufschluss zur Produktivität bzw. zum Probendurchsatz bei. Eine reduzierte Anzahl an Verbrauchsmaterial oder Verschleißteilen und ein geringerer Wartungsaufwand tragen zur Wirtschaftlichkeit des eingesetzten Systems bei.

Das neue novaWAVE-Mikrowellensystem zeichnet sich im Wesentlichen durch folgende Eigenschaften aus: vollständige Automatisierung, statische Probenposition mit simultaner Überwachung der Aufschlusstemperatur-/Druck in jeder einzelnen Probe mittels IR-Sensor, Einfachheit der Bedienung beim Verschließen und Öffnen der Gefäße, sichere Identifizierung jeder Probe während des Aufschlussprozesses, minimale Interaktion des Anwenders, maximale Flexibilität bei der Methodenwahl, intuitive Benutzeroberfläche.

Bild 3: Erweiterte Basiseinheit für maximal 14 Probenhalter und 168 Proben. In einer 8-h-Schicht können über 250 Proben aufgeschlossen und analysiert werden.

Funktionsweise des novaWAVE-Mikrowellensystems
Das System arbeitet mit einem Mikrowellentunnel (Bild 1), in dem für jedes Probengefäß dynamisch eine eigene Mikrowellenkammer gebildet wird. Jede dieser „Minikammern“ hat ein eigenes Magnetron, welches die Proben individuell mit Mikrowellenenergie versorgt. Die zwölf Magnetrone haben eine maximale Gesamtleistung von 3000 Watt. Durch diesen Aufbau können zwei wesentliche Vorteile realisiert werden. Zum einen kann man unterschiedlichste Probenmatrices zusammen aufschließen, da man für jedes Gefäß im Probenhalter, wenn erforderlich, ein eigenes Temperatur-/Zeitprogramm erstellen kann. Somit wird jede Probe unter optimierten Bedingungen aufgeschlossen. Zum anderen ermöglicht dies, über einen Regelkreis die Mikrowellenenergie für jedes Gefäß im Falle einer stark exothermen Reaktion zu reduzieren oder für kurze Zeit abzuschalten. Die Rückmeldung dazu erfolgt durch zwölf IR-Sensoren, die simultan die jeweilige Temperatur in den Proben messen. Diese Daten werden von der Software zusätzlich als Echtzeitgrafik für jedes Gefäß dargestellt (s. Bild 2).

Nach Beendigung des Aufschlusses öffnen sich die beiden Türen des Mikrowellentunnels und der Probenhalter fährt wieder nach außen. Die Gefäße, Halter und Verschlussdeckel sind so konstruiert, dass man die Proben nach dem Abkühlen belüften und nach Entriegeln der Sicherheitshalterplatte einfach entnehmen und ohne Werkzeug öffnen kann.

Tab. 1: Temperatur- /Zeitprogramm für Lebensmittel-, Abwasser und Kunststoffproben.

Für die Belüftung und Entnahme eines kompletten Probenhalters mit zwölf Proben wird, ebenso wie beim Einbringen und Verschließen der Proben vor dem Aufschluss, in der Regel nur 1 min benötigt. Die Erstellung der Aufschlussmethoden (die Methoden der gängigen Regularien, wie z.B. EPA 3015, 3051 und 3052, sind bereits im System hinterlegt) ist denkbar einfach: Der Anwender muss nur die Temperaturparameter eingeben. Man definiert, in welcher Zeit die gewünschte Aufschlusstemperatur erreicht und wie lange diese Temperatur gehalten werden soll. Man kann mehrere Temperatur-/Zeitprogramme definieren, wenn man z.B. im ersten Schritt nur geringe Temperaturen wählen möchte, damit eine Probe z.B. ausgasen kann. Das Aufschlussprogramm lässt sich auch einem Probenhalter zuordnen - dann werden alle Proben in diesen Rack mit identischen Parametern aufgeschlossen.

Möchte der Anwender unterschiedliche Parameter für Proben mit unterschiedlicher Matrix im gleichen Probenhalter verwenden, so kann er die Aufschlussmethoden einzelnen Probengefäßen zuordnen und dabei optimale Bedingungen für alle Proben im gleichen Lauf erzielen.

Das Basisgerät novaWAVE SA lässt sich mit einer zusätzlichen Transporteinheit aufrüsten und somit vollautomatisch 14 Probenhalter mit insgesamt 168 Proben bearbeiten (Bild 3). Die Transporteinheit ist zusätzlich mit zwei Stationen für das automatische Abkühlen mit Druckluft sowie das Belüften der Proben nach erreichter benutzerdefinierbarer Abkühltemperatur ausgestattet. Nach erfolgtem Aufschluss fährt der Halter aus dem Tunnel heraus in die Abkühlstation, der Halter der Abkühlstation fährt zum automatischen Belüften, und ein Probenhalter fährt in den Tunnel zum Aufschluss.

Tab. 2: Ergebnisse des zertifizierten Referenzmaterials NIST 1547 Pfirsichblätter.

Datentransfer
Probenbezeichnungen und andere Informationen, wie beispielsweise die Einwaage, können über einen Computer oder Barcodeleser in die Software übertragen werden. Alle Aufschlussgefäße haben Barcodes sowie Seriennummern, und die Probenhalter werden vom System automatisch erkannt, so dass man die Probenbezeichnung auch direkt dem Barcode des betreffenden Gefäßes zuordnen kann.

Datenreports lassen sich zur Auswertung/Speicherung einfach und schnell über ein USB-Laufwerk, ein Ethernet-PC-Anschluss oder in ein LIMS auslesen. Die Schnittstelle kann auch für eine Ferndiagnose und für Software-Updates verwendet werden.

Anwendungsbeispiele
An dieser Stelle soll anhand von einem Anwendungsbeispiel gezeigt werden, wie flexibel und effizient das novaWAVE- Mikrowellenaufschlusssystem bei stark unterschiedlichen Probenmatrices arbeitet. Für diesen Versuch wurden eine Lebensmittelprobe (Pfirsichblätter NIST CRM 1547), eine QC-Abwasserprobe (städtisches Abwasser) und zwei Kunststoffproben (BCR 680 und 681) in einem Lauf mit angepassten Aufschlussmethoden aufgeschlossen. Tabelle 1 zeigt die verwendeten Temperatur-/Zeitparameter.

Tab. 3: Ergebnisse des zertifizierten Referenzmaterials BCR 680 und BCR 681 Polyethylen.

Die Probenvorbereitung wurde in Anlehnung der US-EPA-Methode 3051 durchgeführt. Das pulverförmige Probenmaterial wurde homogenisiert und in einem Exsikkator, unter Zugabe von CaSO₄für fünf Tage getrocknet, um Gewichtskonstanz zu erreichen. Danach erfolgte die Einwaage des Probenmaterials ( 0,2 und 0,4 g NIST 1547 sowie jeweils 0,1 und 0,3 g für BCR 680 und BCR 681) direkt in 50-ml-Quarzgefäße und die Zugabe von 10 ml Salpetersäure (PlasmaPURE 70 %). Nach 5...10 min Reaktionszeit bei Zimmertemperatur wurden die Gefäße verschlossen, in den Probenhalter gestellt und mit dem in Tabelle 1 dargestellten Temperaturprogramm aufgeschlossen.

Am Ende des Aufschlusses wurden die Gefäße nach dem Erreichen der Abkühltemperatur im Abzug belüftet, in einen 50-ml-Messkolben umgefüllt und mit entionisiertem Wasser (18 MOhm) auf ein Volumen von 50 ml aufgefüllt. Es waren keine Rückstände erkennbar.

Tab. 4: Ergebnisse des interlaboratory QC-Standards städtisches Abwasser. Vom Umweltministerium Quebec wird eine max. Abweichung von ± 10 % vorgeschrieben.

Für alle Proben wurden Doppelbestimmungen durchgeführt. Die Bestimmung der Elementkonzentrationen erfolgte mit einem SpectroFlame Modula FMD-07 ICP-OES der Firma Spectro Analytical sowie mit einem ELAN 6100 der Firma Perkin Elmer.

Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2...4 dargestellt und repräsentieren die Mittelwerte aus den Doppelbestimmungen bei jeweils drei Wiederholmessungen.

Diskussion der Ergebnisse
Alle Proben wurde mit den verwendeten Temperaturprogrammen vollständig aufgeschlossen, so dass nach der Verdünnung der fertigen Aufschlüsse klare Messlösungen ohne Rückstände vorlagen, die direkt zur Messung verwendet werden konnten.

Apparate und Reagenzien

Alle Messergebnisse liegen bei den Wiederfindungsraten innerhalb der Toleranzbereiche, die bei den NIST- und BCR- Referenzmaterialien angegeben werden. Das novaWAVE ist somit als Aufschluss-System für die gezeigte Bandbreite der ausgewählten Proben sehr gut geeignet.

Die dynamische individuelle Temperaturkontrolle für jedes einzelne Aufschlussgefäß ermöglicht den Aufschluss stark variierender Probenmatrices unter Verwendung einer einzigen Säure (Salpetersäure). Die Analyse wurde als Multielementanalyse mit optimierten Wellenlängen oder Isotopenmassen durchgeführt. Die Kalibration erfolgte über drei Größenordnungen.

Autor:
Andreas Stroh
E-Mail: [email protected]