Fresenius Z. Anal. Chem. 309, 373-376 (1981) Fresenius Zeitschrift fiir

~;, Springer-Verlag 1981

Chromatographische Trennungen zur Verbesserung der photometrischen Nachweisgrenze in der Element-Spurenanalyse am Beispiel des Nickels

G. Weber* und G. Schwedt**

Univ. G6ttingen, Anorg.-Chem. Institut, Tammannstr. 4, D-3400 G6ttingen

Chromatographic Separations for Improving the Photometric Determination Limit in Element Trace Analysis by Example of Nickel

Summary. The determination limit in extractive spec- trophotometric analysis of nickel with pyridine-2- aldehyde-2-quinolylhydrazone (PAC) was found to be 195 ng Ni (absolute amount of Ni). After separation of excess PAC by thin-layer chromatography on silicagel with acetone the determination limit can be lowered down to 34ng. The measurements are carried out in microcuvettes in benzene at 515 nm, the time for one analyses being about 1 h. Column and thin-layer chro- matographic techniques are compared; using TLC the necessary time is shorter. Results of analyses in syn- thetic solutions are discussed; an application of the procedure e.g. in Ni trace analysis in foodstuffs is possible, for interfering iron can be separated by TLC too.

Zusammenfassuug. Als Nachweisgrenze ffir das extrak- tiv-photometrische Bestimmungsverfahren yon Nickel mit Pyridin-2-aldehyd-2-chinolylhydrazon (PAC) wur- den als Absolutmenge 195 ng Ni ermittelt. Nach der dfinnschicht-chromatographischen Abtrennung des PAC-1Jberschusses an Kieselgel mit Aceton kann die Nachweisgrenze auf 34 ng Ni verringert werden. Die Messungen erfolgen in Mikrokiivetten in Benzol bei 515nm; der Zeitbedarf ftir eine Bestimmung betrfigt etwa I h. Die Techniken der Sfiulen- und Dfinnschicht- Chromatographie (DC) werden miteinander vergli- chen; mit der DC ist der Zeitaufwand geringer. Es wird fiber die'Analysenergebnisse in synthetischen L6sungen berichtet; eine Anwendung des Verfahrens z.B. ffir Nickel-Spurenanalysen in Lebensmitteln ist m6glich, da das st6rende Eisen ebenfalls abgetrennt wird.

* Siehe Lit. [4] ** Korrespondenzadresse

Key words: Best. yon Nickel; Spektralphotometrie; Verbesserung der Nachweisgrenze, Chromatographie

Einleitung

Obwohl die photometrische Bestimmung von Ele- mentspuren in den letzten Jahren zunehmend yon anderen Methoden wie der Atomabsorptions-Spektro- metrie (AAS), der Voltammetrie, der Neutronenakti- vierung (NA) u.a. verdriingt worden ist, bleibt sie als einfache und preiswerte Methode - vor allem in kleineren Laboratorien - weiterhin sehr wichtig.

Ein wesentlicher Nachteil vieler photometrischer Verfahren besteht darin, dab ein i, JberschuB an zuge- setztem Reagens durch Eigenabsorption zu einem hohen Blindwert ffihrt und damit die Nachweisgrenze des Verfahrens fiir spezielle Probleme der Spurenanaly- tik mit hohen Anforderungen an die Leistungst'~ihigkeit (z.B. die Differenzierung geringer Gesamtgehalte in verschiedenen Anteilen) nicht mehr ausreichend ist.

Dieser Nachteil kann beseitigt werden, wenn es gelingt, den Reagensiiberschul3 yore gebildeten Kom- plex zu trennen. Hierffir eignet sich besonders gut der Einsatz yon einfachen chromatographischen Techni- ken wie Sfiulen- oder Diinnschicht-Chromatographie. So konnten z. B. Adcock u. Hope [1] die Nachweisgren- ze ffir die Bestimmung des Zinns mit Catecholviolett durch Abtrennung des Reagensfiberschusses mittels S~iulen-Chromatographie yon etwa 1 ~tg auf 0,2~tg verringern. Busev u.a. [3] erreichten mit der Ab- trennung des 8-Hydroxychinoliniiberschusses durch Dfinnschicht-Chromatographie bei der Bestimmung yon Aluminium eine sehr viel h6here Empfindlichkeit, da ohne st6renden Reagenstiberschul3 ein Maximum im UV-Bereich mit h6herem Extinktionskoeffizienten

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zur Messung verwendet werden konnte (g260:80000 gegentiber e395 : 6400).

Im folgenden soll am Beispiel der photometrischen Bestimmung von Nickelspuren mit Pyridin-2-aldehyd- 2-chinolylhydrazon (PAC) [2] gezeigt werden, dab sich die Nachweisgrenze durch Anwendung der Chromato- graphie bei gleichzeitigem Einsatz eines Mikroverfah- rens so weit verringern 1/iBt, dab auch kompliziertere Analysenprobleme 16sbar werden. (Das Verfahren wurde im Rahmen von [4] zur differenzierenden Ana- lyse von Nickel in Lebensmitteln angewandt.)

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Abb. 1. Fraktionierte E1ution des Reagenstiberschusses (PAC) mlt Aceton vom Kieselgel im Sfiulenverfahren. E Extinktion, F Fraktion (je 5 ml)

Experimenteller Teil

a) Geriite

Zeiss-Spektralphotometer PMQ IImit speziellem Kfivettenhalter flit Mikrok/ivetten.

Shimadzu-Spektralphotometer UV-200 (nnr zur Aufnahme der Spektren). DC-Eluator (Desaga).

b) Chemikalien

Alle benutzten Reagentien: Reinheitsgrad p.a. Alle L6sungen mit bidest. Wasser angesetzt.

Pyridin-2-aldehyd-2-chinolylhydrazon (EGA), (PAC), Benzol, Methanol, Aceton, Thioglykols~iure, Natriumcitratl6sung (10%ig), NH3/NHgC1-Puffer pH 10 (Standardpuffer), 0,05 %ige (salzsaure) PAC-L6sung (pH 3 - 4).

DC-Plastikfolien Kieselgel60, Schichtdicke 0,2ram (Merck 5748), Kieselgel zur Sfiulen-Chromatographie: Silica Woelm TSC (mit anorg. Fluorescenz-Indicator).

c) Arbeitsvorschriften

1. Verfahren ohne Abtrennung des Reagensiiberschusses. 5 ml der schwach sauren Probel6sung, die bis zu 22 gg Ni enthalten kann, versetzt man mit 10 ml Natriumcitratl6sung und 1 ml Thioglykolsfiu- re. (Beim Zusatz der Thioglykolsfiure muB der pH-Wert zwischen 3 und 6 liegen.) Danach fiigt man bei pH 3 - 4 5ml der PAC-L6sung hinzu, stellt mit 20 ml der Pufferl6sung (NH3/NH4CI) aufpH 10 ein und 1/il3t 10min stehen. Dann wird zweimal mit je 10ml Benzol extrahiert. Die vereinigten Extrakte werden im 25 ml-Mef3kolben zur Marke aufgeffillt und in l cm-Kfivetten bei 515nm gegen eine Reagentien-Blindl6sung gemessen.

2. Abtrennung des Reagensiiberschusses durch Sdulen-Chromatogra- phie. Der nach Arbeitsvorschrift I erhaltene Benzolextrakt wird am Rotationsverdampfer bei ca. 40~ und unter schwachem Vakuum zur Trockne gebracht, in m6glichst wenig Aceton/Methanol (2 : i) gel6st und auf die trockne S/iule (i. D. 7 ram, 6 cm hoch mit Kieselgel geffillt) aufgetragen. Dann wird mit Aceton solange eluiert, bis der gesamte Reagensfiberschul3 (gelb geffirbt) vonder Sgule abgel6st ist (siehe Abb. 1). Der Komplex wird anschlie6end mit wenig Methanol (ca. 5 ml)eluiert, das Methanol am Rotationsverdampfer abdestilliert und der Rfickstand wieder im gleichen Volumen Benzol wie vor der chromatographischen Trennung gel6st. Man photometriert bei 515 nm gegen reines Benzol.

Durch die langsame Elution des Reagenses unter Normaldruck wird bei diesem Verfahren viel Zeit ben6tigt (mehrere Stunden). Zur Verringerung des Zeitaufwandes empfiehlt sich die Verwendnng yon Doppelsfiulen (siehe Abb. 2). Nachdem der ReagensfiberschuB fiber PunktA gewandert ist, trennt man die Sfiulen und eluiert aus dem

I !

G~ . . . . - - - I - - - A

K

( ~ r ~ . . . . .

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60mm

Abb. 2. Schematischer Aufbau der Doppelsfiule zur Verringerung des Zeitbedarfs ffir die Trennung des PAC-Reagenses vom Ni-Komplex. Abmessungen: i.D. 7 ram, Lfinge der Kieselgelschicht 60 mm (K). G Glaswolle, A Verbindung (Trennstelle) der beiden S~iulen; FlieBrich- tung des Acetons von oben nach unten

oberen Teil den Nickelkomplex. Hierdnrch l/iBt sich der Zeitaufwand auf etwa 2h verringern. Eine Chromatographie unter Oberdruck ffihrt nicht zn einer vollst~indigen Trennung yon Reagens und Nickelkomplex.

3. Abtrennung des Reagensi~berschusses mittels Diinnschicht-Chroma- tographie. Die nach Vorschrift 2 erhaltene L6sung in Aceton/ Methanol wird strichf6rmig auf eine DC-Folie (10 x 10 cm) auf- getragen und mit Aceton als mobiler Phase chromatographiert, bis sich der gelbliche Reagensfiberschug vom r6tlichen Nickelkom- plex getrennt hat (ca. 20 rain). Die Schicht mit dem Nickelkomplex wird vonder Folie gelast und auf eine Fritte gesaugt (Eluator von Desaga). Nach dem L6sen in wenig Methanol und Abdampfen des Methanols am Rotationsverdampfer wird der Rfickstand in 1 ml Benzol gel6st und in 1 cm-Mikrokfivetten gegen reines Benzol bei 515 nm photometriert. Zeitaufwand ffir eine Bestimmung: ca. 1 h.

Ergebnisse und Diskussion

Die Linearit/it des Verfahrens ohne Abtrennung des Reagensiiberschusses wurde nach der Arbeitsvor- schrift i bis 22 ~tg Nickel iiberpriift. Das Verfahren ist

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Tabelle 1. Ergebnisse und Vergleich der verschiedenen Verfahren zur photometrischen Bestimmung des Nickels mit Pyridin-2-aldehyd-2- chinolylhydrazon

Verfahren ohne Abtrennung dutch Abtrennung durch Abtrennung Sfmlen- Diinnschicht- des Reagenses Chromatographie Chromatographie

(Mikroktivetten)

Extinktion des Blindwertes: Mittelwert (6) 0,0590

Standardabweichung des Blindwertes (s) 0,003 N : I 2

Nachweisgrenze aus: 1~ + 3 s (NWG) abs. :195 ngNi (bezogen auf 5 m1 der Probe) 39 ppb

Verbesserung der NWG um den Faktor: 1

zus~itzlich zur Extraktion ben6tigte Zeit

Zeitfaktor 1

molarer Extinktionskoeffizient (graphisch) b e:66000

0,0035 0,021

0,001 N:8 0,0034 N:8

60 ng Ni 34 ng Ni 12 ppb 6,8 ppb

3,3 5,7

ca. 2 h 4 0 - 45 rain

7" 3 a

1,5 x 10 s 1,3 x l 0 s

a Hierbei wird ohne zus~itzliche Arbeitsschritte Fe abgetrennt b Siehe Anmerkung im Textteil

weitgehend f/jr Nickel selektiv, nut bei groBem Eisen- iiberschul3 ( - der in nat/jrlichem Material allerdings relativ h/iufig auftritt - ) wird die Bestimmung durch den gebildeten brS.unlichen Eisenkomplex gest6rt, was eine vorherige Maskierung bzw. Abtrennung des Eisens erforderlich macht [2].

Die Nachweisgrenze liegt mit 195 ng fiir ein photo- metrisches Verfahren schon relativ niedrig (siehe Tabel- le 1), reicht aber f/Jr spezielle Analysenprobleme nicht aus. Da der Blindwert haupts~ichlich durch die Reagens- eigenabsorption bestimmt wird und der Komplex durch Eindampfen zur Trockne bei ca. 40~ unter schwachem Vakuum am Rotationsverdampfer nicht zersetzt wird, erschien eine Abtrennung des Reagens- tiberschusses m6glich und sinnvoll. Als geeignetes chromatographisches System zur Trennung erwies sich Kieselgel als station~ire und Aceton als mobile Phase. Mit dieser Kombination lfil3t sich zus/itzlich eine Tren- nung von st6rendem Eisen erreichen, da der gebildete Eisenkomplex vom Nickelkomplex genfigend gut ge- trennt wird.

Dieses chromatographische System lfil3t sich gut auf kleine Glassfiulen /jbertragen, wobei allerdings die Elution des Komplexierungsmittels mit Aceton infolge des Tailings (siehe Abb. 1) relativ langwierig ist. Die Linearitfit des Verfahrens wurde bis zu 1 lag Ni/jber- pr/jft. Die Nachweisgrenze liegt mit 60 ng Ni deutlich unter der des urspr/jnglichen Verfahrens. Allerdings wird dieser Vorteil durch die aufzuwendende Zeit sehr gemindert.

Mit dem angegebenen System 1/il3t sich dfinn- schicht-chromatographisch in ca. 20 rain eine ausrei- chende Trennung des Nickelkomplexes sowohl vom fiberschfissigen Reagens als auch vom gebildeten Eisen- komplex erreichen. Zur Verbesserung der Trennung

A 1

?

i I i 1 - -

400 500 600 nm

Abb. 3. Absorptionsspektren. / Messung des Ni-Komplexes mit PAC gegen den Reagentienblindwert; 2 Messung des Reagentienblindwer- tes gegen Benzol; 3 Messung des Ni-Komplexes nach der diinn- schicht-chromatographischen Abtrennung des PAC-Oberschusses gegen Benzol

und einfacheren Auftragung lassen sich DC-Platten mit Kieselge160 und Konzentrierungszone verwenden.

Der Einsatz von Mikrok/jvetten bietet den Vorteil, in einem giinstigeren MeSbereich des Photometers arbeiten zu k6nnen (Verringerung des Volumens der zu messenden L6sung auf I ml) und damit den Einflu8 yon ger~itebedingten Schwankungen herabzusetzen. Mikro- k/ivetten k6nnen prinzipiell auch bei dem S~iulenver- fahren angewendet werden; dies wurde hier nicht weiter untersucht, da das DC-Verfahren aus Zeitgrfinden vorzuziehen ist. Die Linearitfit wurde bis zu 1 gg Ni iiberpr/jft. Die Nachweisgrenze liegt bei 34 ng.

Aus der Gegen/jberstellung der Verfahren (Tabel- le 1) geht hervor, dab die Abtrennung des tiberschfissi-

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gen Reagenses zu einer wesentlichen Verbesserung der Nachweisgrenze ffihrt. Vergleicht man die beiden Ver- fahren zur Abtrennung, so ist dem DC-Verfahren eindeutig der Vorzug zu geben; einmal wegen der kfirzeren Zeit, zum anderen 1/igt sich auf DC-Folien die Trennung kleiner Mengen besser verfolgen und der Nickelkomplex gezielt eluieren. Die Linearitfit wurde nur bis zu 1 gg Ni verfolgt, da ftir h6here Mengen die Abtrennung des Reagenses nicht n6tig ist. Durch einige Einzelmessungen zeigte sich auBerdem, dab bei gr6Be- ren Mengen (5, 10, 20 lag) die Eichgerade schnell flacher wird.

Anmerkung zum Extinktionskoeffizienten

Wie aus der Tabelle ersichtlich, ergibt sich ffir das Verfahren mit der Abtrennung des Reagens/iberschus- ses eine etwa zweimal gr6Bere Steigung als bei dem ursprfinglichen extraktiv-photometrischen Verfahren. Aus Abb. 3 ist zu ersehen, dab sich an der Lage des Maximums nichts ge/indert hat. Die Erh6hung des Extinktionskoeffizienten k6nnte durch eine ge/inderte Komplexzusammensetzung (Erh6hung des Verh/iltnis-

ses PAC : Ni) zu erklfiren sein, wobei die zusfitzlichen PAC-Molek/ile schw/icher gebunden w/iren, was das Auftreten von PAC-Absorptionen zus/itzlich zum Nik- kelkomplex (im Bereich unter 500 nm) erkl/iren wfirde. Eine andere M6glichkeit w/ire eine Anderung der Konfiguration der Liganden. Das Abknicken der Eich- geraden ffir h6here Nickelmengen lfil3t sich durch eine verstfirkte Dissoziation erkl/iren, woffir auch eine stei- gende Zeitabh/ingigkeit der Extinktion ftir h6here Nickelmengen spricht. Eine genauere Untersuchung dieser Effekte wurde im Rahmen dieser Arbeit aber nicht durchgef~hrt.

Literamr

1. Adcock, L. H., Hope, W. G.: Analyst 95, 868 (1970) 2. Afghan, B. K., Ryan, D. E.: Anal. Chim. Acta 41, 167 (1968) 3. Busev, A. I., Kharlamov, I. P., Garibjan, G. H. : Anal. Lett. 5, 243

(1972) 4. Weber, G. : Diplomarbeit, Univ. Gfttingen 1981

Eingegangen am 12. Mai 1981