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Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) - Anwendung

Nasschemische Probenaufbereitung

Die Probe wird im AAS-Gerät versprüht. Das entstehende Aerosol wird dabei in die Flamme gesaugt, wo zunächst das Lösungsmittel verdampft und anschließend die zurückbleibenden Salzpartikel ebenfalls verdampfen und schließlich zu Atomen dissoziieren. Die Methode setzt also voraus, dass der Analyt sich in einer wässrigen Lösung befindet. In manchen Fällen liegt das Untersuchungsmaterial von vornherein in Lösung vor, in allen Fällen jedoch, wo es sich um Feststoffe handelt, müssen die zu bestimmenden Metalle zunächst in Lösung gebracht werden, in der Regel durch eine Behandlung des homogenisierten und zerkleinerten Probenmaterials mit geeigneten Säuren. Bei schwerlöslichen Proben werden dafür Aufschlussverfahren angewandt, die unter stark sauren und oxidierenden Bedingungen arbeiten.

Ein Beispiel ist der Königswasser-Aufschluss nach DIN 38 414, der unter anderem für Bodenproben oder Klärschlamm angewendet werden kann. Dabei wird die Probe mit konzentrierter Salz- und Salpetersäure (im Verhältnis 3:1) für zwei Stunden bei 160 °C am Rückfluss gekocht.

Zusätzlich kann auch noch der Druck beim Aufschluss erhöht werden, was eine weitere Steigerung der Temperatur ermöglicht. Eine Variante hierbei ist der Mikrowellen-Aufschluss, der in mikrowellendurchlässigen Druckbehältern im Mikrowellenofen durchgeführt wird. Ein Beispiel ist die Behandlung der Proben mit einer Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und konzentriertem Wasserstoffperoxid bei Temperaturen bis zu 270 °C und Drücken bis zu 110 bar. Eine andere, häufig für Proben biologischen Ursprungs verwendete Aufschlussvariante basiert auf konzentrierter Salpeter- und Perchlorsäure.

In einigen Fällen ist ein Flusssäureaufschluss notwendig, da andere Verfahren nicht zum Ziel führen. Dies betrifft zum einen Silikate wie Gläser und bestimmte Gesteine, zum anderen auch Legierungen und schwerlösliche Verbindungen der Metalle Zirkon, Niob und Tantal. Derartige Aufschlüsse müssen in Teflongefäßen durchgeführt werden! Bei Varianten mit Druck/Mikrowellen kann auch Ammoniumfluorid als Ersatz für Fluorwasserstoff dienen.

Bei stark oxidierenden Aufschlüssen werden alle organischen Bestandteile der Probenmatrix oxidiert, was wünschenswert ist, weil derartige Stoffe das Verhalten der Probenlösung in der Flamme deutlich beeinflussen können. Man spricht hier auch von chemischer oder Nass-Veraschung. Daneben ist auch die trockene Veraschung möglich, bei der die organischen Bestandteile einer festen Probe durch Abbrennen in einem Tiegel zerstört werden. Den Nassverfahren ist jedoch der Vorzug zu geben, weil beim Abbrennen die Gefahr besteht, dass ein Teil des Analyten aus der Probe mit dem Rauch verloren geht.

Bei vielen biologischen Proben genügt jedoch die wesentlich weniger aufwändige Extraktion mit Trichloressigsäure (TCA), bei der keine Oxidation organischer Stoffe stattfindet. Die betrifft vor allem die Bestimmung von unproblematischen und gut löslichen Metallen bei Fragestellungen aus Biochemie und Zellphysiologie, Lebensmittelanalytik (z.B. Calcium-Gehalt von Milch) oder der medizinischen Diagnostik (z.B. Eisen-Gehalt von Blut). Das wässrige Probenmaterial wird dabei mit konzentrierter TCA-Lösung im Verhältnis 1:1 gemischt, nach einer kurzen Extraktionszeit wird abzentrifugiert, wobei unlösliche Bestandteile wie denaturierte Eiweiße und Zellfragmente sich im Sediment (Sedimentation) sammeln. Der Überstand kann direkt vermessen werden.

Messkonzentration und linearer Arbeitsbereich

Der Zusammenhang zwischen der Analytkonzentration und dem beobachtbaren Absorptionssignal ist nur innerhalb bestimmter Konzentrationsgrenzen linear, darüber tritt eine deutliche Krümmung der Kurve auf:

Abb.1
Linearer Arbeitsbereich der AAS

Prinzipiell lassen sich auch derartige nichtlineare Beziehungen rechnerisch noch auswerten, aber im Allgemeinen wird für die Kalibrierung und Auswertung der AAS-Signale nur der lineare Teil der Kurve verwendet. Es ist daher ggf. durch Vorversuche zu ermitteln, ob der Gehalt der Probe in diesen Bereich fällt; unter Umständen muss die Probe dann vor der eigentlichen Messung verdünnt werden. Die Obergrenzen des linearen Arbeitsbereiches hängen sowohl vom zu bestimmenden Element als auch von der gewählten Absorptionslinie ab:

Tab.1
Einige lineare Konzentrationsbereiche in der AAS
ElementLinie [nm]Obergrenze [mg/L]
Ag 328,1 4
Ag 338,3 10
K 766.5 2
K 769.9 20
Mn 279.5 2
Mn 279.8 5

Matrixmodifikation

Eine Reihe von chemischen Effekten, so genannte chemische Interferenzen, kann zu Verfälschungen der Absorptionssignale führen. Deshalb gibt es verschiedene Ansätze zur Modifikation der Probenmatrix, um den Einfluss solcher Interferenzen zu unterdrücken.

Ein wichtiges Beispiel sind die Effekte von Phosphat oder Sulfat auf die Bestimmung der Erdalkalimetalle, da sich hier schwerflüchtige Verbindungen bilden, die sich nur schlecht atomisieren lassen, wodurch das betreffende Element unterbestimmt wird. Besonders wichtig ist in dieser Hinsicht die Bildung von schwerflüchtigem Calciumpyrophosphat in der Flamme. Abhilfe kann hier in Form eines großen Lanthan-Überschusses geschaffen werden (bis zu 1000 mg/L, als Chlorid oder Oxid), welches das Phosphat maskiert und so die störungsfreie Calcium-Bestimmung ermöglicht. Lanthan ist deshalb als Matrixmodifier von großer praktischer Bedeutung; eine ähnliche Wirkung haben auch Strontiumsalze.

Ein anderes häufiges Problem, das durch Zusätze zur Probenmatrix beseitigt werden kann, ist die Ionisation des Analyten: Da das Messprinzip der AAS auf der Absorption der Strahlung von neutralen Atomen beruht, wird das gesuchte Element unterbestimmt, wenn in der Flamme ein signifikanter Anteil seiner Atome thermisch ionisiert vorliegt. Diese Interferenz kann durch Ionisationspuffer behoben werden, die selber in der Flamme ionisiert werden und so, durch Bereitstellung einer großen Anzahl von Elektronen, das Ionisationsgleichgewicht des Analyten zur Seite der neutralen Form verschieben. Hierfür eignen sich die besonders leicht ionisierbaren Alkalimetalle, insbesondere Caesium wird häufig als Ionisationspuffer zugesetzt.

Besonders anfällig gegenüber Matrixeffekten ist die Variante der Graphitrohr-AAS. Hier wird in einem Messzyklus die Probe im Graphitrohr zunächst getrocknet, dann verascht (Pyrolyse) und erst dann verdampft, wobei das Verhalten des Analyten kritisch durch andere Matrixkomponenten beeinflusst wird. Probleme treten insbesondere bei leichtflüchtigen Elementen auf (As, Cd, Ga, Ge, Hg, P, Se, Te), die keine hohe Temperatur bei der Matrixpyrolyse erlauben. Eine Reihe von Modifiern ist gebräuchlich, um die Analyten in Formen umzuwandeln, die stabiler als die Matrix sind und so eine verlustfreie Pyrolyse ermöglichen; vor allem Ammonium-, Palladium- und Magnesiumsalze kommen dabei in der Graphitrohr-AAS zum Einsatz. Die optimalen Bedingungen werden dabei in der Regel empirisch, also nach dem Prinzip "trial and error", ermittelt.

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