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Artikel und Hintergründe zum Thema

Einflussfaktoren auf Prozess und Aufschlussqualität

Probenvorbereitung mit Mikrowellen

Mikrowellenaufschlusssysteme haben sich in den letzten drei Jahrzehnten zum Schlüssel für erfolgreiche und reproduzierbare Probenvorbereitung in der Elementanalytik entwickelt. Durch hohe Flexibilität bei den verwendbaren Säuremischungen und den erreichbaren Temperaturen lassen sich alle Arten von Proben, von Lebensmitteln bis zu Edelmetallen, in kürzester Zeit verlässlich aufschließen.
© Anton Paar

Für die Bestimmung der Elementkonzentrationen mittels ICP-OES oder ICP-MS müssen die festen Proben wie z. B. Lebensmittel, Boden oder Arzneimittel in einer gelösten Form vorliegen. Mittels Säureaufschluss wird die Probe durch die Verwendung von Säuren gelöst, um die entsprechenden (Spuren-)Metalle zu bestimmen.

Über viele Jahrzehnte benutzten Chemiker verschiedene konventionelle Heizvarianten, um in offenen Gefäßen ihre Proben in Lösung zu bringen. Da die maximale Aufschlusstemperatur durch den Siedepunkt der jeweiligen Säure limitiert ist, gestaltete sich der Aufschluss von Proben jedoch als sehr zeitintensiv. Ab dem Jahr 1975 begann sich jedoch das Blatt zu wenden, als erstmals Mikrowellenstrahlung für das schnelle Aufheizen von Säuren verwendet wurde. Seit diesem Zeitpunkt vereinfachen die vielen Entwicklungsschritte das Leben von Chemikern im Labor, so dass der Mikrowellenaufschluss heute als Standardverfahren zur Probenvorbereitung für die Elementbestimmung in den zahlreichen analytischen Laboratorien eingesetzt wird.

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Bild 1: Wärmeeintrag im Vergleich: konventionelle Heizung vs. Mikrowellenheizung. © Anton Paar

Konventionelle Heizung vs. Mikrowellenheizung

Bei Aufschlüssen mit konventionellen Heizmitteln werden heute noch für einzelne Proben Erlenmeyer-Kolben oder – für einen höheren Durchsatz – Heizblöcke verwendet. Bei diesen Methoden findet der Energieeintrag von außen über Konvektionsströme statt, wodurch diese Verfahren sehr zeitintensiv sind. Im Vergleich dazu wird bei modernen Mikrowellensystemen, wie dem Multiwave 5000 oder Multiwave 7000 von Anton Paar, die Probe direkt von innen erwärmt (s. hierzu Bild 1). Dies ist durch die Verwendung von mikrowellentransparenten Gefäßmaterialien wie Glas, PTFE-TFM oder Quarz möglich. Dadurch ergeben sich Vorteile wie sehr kurze Aufheizraten, homogenes Aufheizen von mehreren Proben und eine sehr gute Reaktionskontrolle durch schnelles Abschalten der Mikrowelle.

Temperatur – der entscheidende Parameter

Der wichtigste Parameter für den Säureaufschluss ist die Temperatur. Dies kann einfach durch die Arrhenius-Gleichung erklärt werden, da ein Temperaturanstieg von jeweils 10 °C zu einer Halbierung der Reaktionszeit führt. Gleichzeitig führt die höhere Temperatur auch zu einer Erhöhung des Oxidationspotentials der Säuren, was sich positiv auf die Aufschlussqualität auswirkt.

Im Vergleich dazu ist der Druck für die Aufschlussqualität zwar nicht entscheidend, aber ein wichtiger Aspekt, auf den Mikrowellensysteme ausgelegt sein müssen. Die Höhe der Temperatur dient zum einen zur Beschleunigung der Aufschlussreaktion und zum anderen zur Verbesserung der Aufschlussqualität.

Bild 3: Einfluss der Temperatur auf das Aufschlussergebnis. © Anton Paar

Dies liegt an der verringerten Menge an Restkohlenstoff in der Probe bei höheren Temperaturen (Bild 3). Generell ist der Restkohlenstoffgehalt ein guter Parameter zur Charakterisierung der Aufschlussleistung, da ein geringerer Gehalt an Restkohlenstoff zu weniger Störungen während der Analyse führt. Im Vergleich dazu ist es nicht möglich, eine niedrigere Aufschlusstemperatur durch eine längere Laufzeit wettzumachen, da das Oxidationspotential zu gering ist.

Das Ziel – das Erreichen hoher Temperaturen – wird jedoch durch den Siedepunkt der Reagenzien begrenzt. Aus physikalischer Sicht ist daher ein geschlossenes System erforderlich, um höhere Temperaturen über dem Siedepunkt der Säuren zu erreichen.

Einfluss von Probenart und Probenmenge

Moderne Mikrowellensysteme bieten unterschiedliche geschlossene Gefäßtypen an, um bei hohem Druck zu arbeiten. Durch das geschlossene System kommt es zu einem ansteigenden Dampfdruck der Reagenzien. Neben dem Dampfdruck der Säuren trägt die Aufschlussreaktion ebenfalls zu einem steigenden Druck im Gefäß bei, da je nach Art des Probenmaterials unterschiedliche Mengen an gasförmigen Produkten (CO2, NOX, …) beim Aufschluss entstehen. Infolgedessen führt eine Erhöhung der Probenmenge zu einer höheren Menge an gasförmigen Produkten, wodurch die erreichbare Temperatur begrenzt wird. Dadurch wird die Einwaage zu einem weiteren wichtigen Parameter beim Säureaufschluss. Sehr oft müssen deshalb Probeneinwaagen reduziert werden, und die Konzentrationen mancher Elemente fallen unter die Detektionsgrenze. Um dieses Problem zu lösen, hat die technologische Entwicklung in den letzten Jahren weitere Schritte nach vorne gemacht.

Technologien für Mikrowellen

Für rotorbasierte Mikrowellenaufschlusssysteme wurden automatische Druckablasssysteme für die einzelnen Gefäße entwickelt. Diese öffnen bei Erreichen des jeweiligen Zieldrucks und verschließen sich anschließend wieder von selbst. Dadurch kann bei gleichbleibendem Druck und hohen Temperaturen eine höhere Probeneinwaage verwendet werden, ohne in puncto Sicherheit Abstriche machen zu müssen. Weiter konnte in Studien gezeigt werden, dass die Wiederfindungsrate selbst von volatilen Komponenten durch diesen automatischen Druckablass nicht negativ beeinflusst wird. Eine bereits etablierte Variante dieses Systems ist die „SmartVent“-Technology, die bei den HVT- und SVT-Gefäßen für die Geräte Multiwave 5000 und Multiwave GO Plus zum Einsatz kommen.

Bild 2: Mikrowellengeräte mit Zubehör, v. l. n. r.: Multiwave 5000, Multiwave 7000 und Multiwave GO Plus. © Anton Paar

Neben dem automatischen Druckablass stellt die Druckkammertechnologie einen anderen, fortschrittlichen Lösungsweg dar: Hier steht die gesamte Aufschlusskammer (PDC, Pressurized Digestion Cavity) unter Druck und nicht jedes einzelne Gefäß. Dadurch ist die Verwendung von „normalen“, nicht druckbeständigen Gefäßen möglich. Auf dieser Druckkammertechnologie basiert das System Multiwave 7000, das homogene Aufschlusstemperaturen von bis zu 300 °C bei gleichem Druck für alle Proben erreichen kann. Selbst unterschiedlichste Proben mit variierenden Probenmengen können in einem Aufschluss bearbeitet werden. Hier zählt allein das gewählte Programm und nicht die Probenart, da die Temperatur für jede Probe gleich ist.

Fazit

Um genaue Ergebnisse in der Elementanalytik zu erzielen, ist eine korrekte, umfassende Probenvorbereitung Voraussetzung. Trotzdem wird die Probenvorbereitung immer noch häufig als Engpass im analytischen Workflow angesehen, da sie mehr als 60 % der benötigten Zeit in Anspruch nimmt (von der Probennahme bis zum Endergebnis). Durch mikrowellenunterstützte Probenvorbereitung mit schneller Erwärmung sowie Erzielen einer höheren Aufschlusstemperatur, ist die Laufzeit im Vergleich zu Techniken mit offenen Gefäßen erheblich geringer. Und Anwender können aus den verschiedenen Systemen zur mikrowellenunterstützten Probenvorbereitung ein zu den Anforderungen an die jeweilige Applikation passendes System wählen.

AUTORIN
Dr. Andrea Härter
Anton Paar Germany GmbH, Ostfildern-Scharnhausen
Tel. 0711/72091-0
info.de@anton-paar.com
www.anton-paar.com

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