Einsatz des Hochdruckveraschers HPA nach Knapp [1] fiir die voltammetrische Bestimmung von Spurenelementen in biologischeln Material P. Schramel 1, S. Hasse 1 und G. Knapp 2

1 Gesellschaft fiir Strahlen- und Umweltforschung mbH, Institut fiir ()kologische Chemie, D-8042 Neuherberg, Bundesrepublik Deutschland 2 Technische Universitfit Graz, Institut fiir Analytische Chemie, Mikro- und Radiochemie, A-8010 Graz, ()sterreich

Application of the high-pressure ashing system HPA according to Knapp [1] for voltammetric determinations of trace elements in biological material

Summary. On the basis of the high temperature and high pressure available in the "High Pressure Ashing System (HPA)", this new device was tested for ashing biological material for a subsequent analytical determination of trace elements by voltammetric techniques, especially DPASV. By means of different standard reference materials it could be shown that this wet ashing technique is very suitable for this analytical method for which a complete destruction of organic material is one of the most important requirements. The application of a mixture of HN03 and a small amount of HCI04 and the use of different temperature programmes allows a very satisfactory destruction of different organic materials. The results for various materials and for some trace elements and the blank values of the procedure are given.

Zusammenfassung. Aufgrund der hohen erreichbaren Tem- peratur und des hohen Druckes wurde der Hochdruckver- ascher HPA zur Veraschung von biologischem Material fiir die nachfolgende voltammetrische Bestimmung von Spuren- elementen getestet. Anhand einiger verschiedener Standard- referenzmaterialien konnte gezeigt werden, dab sich dieses NaBveraschungsverfahren in ausgezeichneter Weise ffir die- ses Einsatzgebiet, bei dem es auf eine vollkommene Zerst6- rung der organischen Matrix ankommt, eignet. Mit einer Mischung yon HN03 und einer geringen Menge HCI04 und unter Verwendung verschiedener Temperaturprogramme konnte eine Vielzahl von verschiedenartigen biologischen Matrices in geeigneter Weise zerst6rt werden. Dabei erhal- tene Ergebnisse der Spurenelementbestimmungen sowie die Blindwerte des AufschluBverfahrens werden angegeben.

1. Einleitung

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Bestimmung yon Spurenelementen in biologischen Materialien mittels polaro- graphischer bzw. voltammetrischer Bestimmungsverfahren ist die vollstfindige Zerst6rung der organischen Matrix, da anderenfalls erhebliche Signalverfinderungen auftreten, die eine Auswertung erschweren oder gar unm6glich machen

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Fresenius Z A n a l C h e m ( 1987 ) 3 2 6 : 1 4 2 - 1 4 5 �9 S p r i n g e r - V e r l a g 1 9 8 7

[2]. AuBerdem k6nnen systematische Fehler auftreten, die die Richtigkeit der Analyse stark beeinflussen. Um die volle Leistungsf/ihigkeit hinsichtlich der Nachweisgrenzen aus- nutzen zu k6nnen, mfissen immer spezieUe Veraschungstech- niken angewandt werden, die teilweise sehr zeitaufwendig sind [2]. Darfiber hinaus werden sie oft in offenen Gef/il3en ausgefiihrt, was immer die Gefahr einer Kontamination der Probe oder yon Elementverlusten mit sich bringt. Aus diesen Grfinden wurde der Hochdruckverascher nach Knapp [1], der gegenfiber konventionellen Druckveraschungsappara- turen - z. B. [3] - den Vorteil einer bedeutend h6heren Temperatur (bis 320~ und eines h6heren Druckes (bis 100 bar) bietet, f/ir dieses Anwendungsgebiet mit verschiede- nen gebr/iuchlichen Standardreferenzmaterialien getestet. Da bei dieser Apparatur der Aufschlul3 in geschlossenen Quarzgef/igen abl/iuft, ist auch mit sehr niedrigen Blindwer- ten zu rechnen.

2. Beschreibung der verwendeten Gerfite

Wie bereits erwfihnt, wurde ffir die Veraschung des biologi- schen Materials der Hochdruckverascher HPA verwendet. Dieses Ger/it erlaubt fiber eine mikroprozessorkontrollierte Temperatur- und Zeitsteuerung die Erstellung eines ffir jede Matrix individuellen Veraschungsprogramms. Die Abb. 1 zeigt daffir ein Beispiel. Durch die M6glichkeit einer gleich- zeitigen Innendruckmessung (= Reaktionsdruck im Pro- bengef~13) kann dieses Temperatur-Zeit-Programm jeder be- liebigen Matrix angepaBt werden und daraus ebenfalls die maximale Probeneinwaage ermittelt werden, um ein ,,Abbla- sen" der Probe w~ihrend des Veraschungsvorganges zu ver-

T~~ 300

200

100 / /

I I

1

/ -

2 t hi

o EL

C

<

Abb. 1. Beispiel ffir ein Temperaturprogramm

O 'iliHalarleiler

Abb. 2. Innendruckmessung bei der Veraschung von BCR 150

Tabelle 1. Zur Priifung verwendete Standardreferenzmaterialien

Hersteller Nr. Art der Probe

IAEA H9 Mixed Human Diet BCR 150 Milk powder NBS 1577 Bovine liver NBS 1567 Wheat Flour BCR 184 Muscle - - Whole blood BCR 61 Aquatic plant BCR 191 Brown Bread

hindern. Ein typisches Beispiel einer solchen Innen- o d e r Reakt ionsdruckmessung zeigt die Abb. 2.

Bei der vol tammetr ischen Best immung der Spurenele- mente (Beschr/inkung auf Cd, Co, Cu, Ni und Pb) wurde ausschlieBlich mit ,,differential pulse anodic str ipping volt- ammetry" (DPASV) am h/ingenden Quecksi lbertropfen ( H M D E ) gearbeitet . Das verwendete GerS.t war ein 646 VA- Processor (Fa. Met rohm) mit dem 647 VA-Elekt rodens tand (Fa. Metrohm). A m Elekt rodens tand wurden die Glas-Re- aktionsgef/iBe gegen solche aus hochreinem Quarz ausge- tauscht, um die Blindwerte zu senken. Die Reinigung der verwendeten GeffiBe und die Anforderungen an die Reagen- tien wurden bereits fri iher beschrieben [2].

3. Experimente und Ergebnisse

Ffir den Test der Leistungsf/ihigkeit des Aufschlul3verfah- rens wurde mit bekannten Standardreferenzmater ia l ien ge- arbeitet. Tabelle 1 zeigt eine Zusammenste l lung dieser Mate- rialien.

F i i r die Veraschung der Mater ia l ien wurden die kommer- ziellen 35-ml-Quarzkolben mit Quarzdeckel verwendet. In allen Ffillen betrug die Einwaage ca. 250 rag. Als AufschluB- 16sung wurde 2 ml HNO3 und 250 ~tl HC104 verwendet. Nach Einsetzen der verschlossenen Ampul len in den Proben- halter, VerschlieBen des Druckgefil3es und Einfiillen yon 100 bar St ickstoff wurde das jeweilige Veraschungspro- gramm, das in einem Mikroprozessor gespeichert und yon

Tabelle 2. HPA-Programme zum AufschluB verschiedenartiger bio- logischer Matrices

1 2 3

AT 50 ~ C 50 ~ C 70 ~ C Z 5 min 5 min 20 min ET 75~ 75~ 120oc AT 75~ 75~ 150~ Z 30 min 30 rain 60 rain ET 150~ 150~ 200~ AT 150 ~ C 150 ~ C 280 ~ C Z 45 min 45 min 60 rain ET 250 ~ C 200 ~ C 280 ~ C AT 250 ~ C 200 ~ C Z 90 min 90 min ET 250 ~ C 200 ~ C

Standardprogramm fiir Proben f/Jr hart- mit Kiesel- nfickige s/lure (z. B. Proben BCR-61) (H9; BCR-191)

AT Anfangstemperatur; E T Endtemperatur; Z Zeitdauer

Tabelle 3. Ger/iteparameter am 646 VA-Processor mit 647 VA-Elek- trode

Cd, Pb Cu Co, Ni

Mode HMDE, HMDE, HMDE, DPASV DPASV DPASV 180 s 180 s 120 s 50 mV 50 mV 50 mV 10 mV/s 10 mV/s 10 mV/s

( - 0,8) - ( - 0,25) - 0,1 ( - 0,8) - (-- 0,45) ( - 1,25)

Anreicherungszeit Puls-Amplitude Scan-Rate Spannungsbereich pc)

diesem gesteuert wird, gestartet. Tabelle 2 zeigt die verschie- denen jeweils opt imier ten Temperatur-Zei t -Programme.

Ffir die Best immung von Cd, Cu und Pb wurde die Probenl6sung anschlieBend bis zur Trockne eingedampft , der Rftckstand mit 20 IA HCIO4 aufgenommen, mit H 2 0 auf 10 ml aufgefiillt und der Messung zugeffihrt. Fi i r den Nachweis von Co und Ni wurden zus/itzlich 400 gl A m m o - niumchlor id ( 0 , 1 - 0 , 5 M in der Probenl6sung; abh/ingig v o n d e r Elementkonzentra t ion) und 20 gl Dimethylglyoxim hinzugeffigt und ebenfalls au f 10 ml mit H20 aufgefiillt, um diese Elemente als Komplex zu binden. Die Elemente wurden bei folgenden Potent ialen gemessen:

Cd: - 0,75 V Pb: - 0,55 V Cu: - 0,15 V

Ni: - 1,04 V Co: - 1,19 V

Wegen der Komplexierung von Ni und Co ist natiirlich der gleichzeitige Nachweis aller ffinf Elemente nicht m6glich. U m Verschleppungen zu vermeiden, wurde in zwei verschie- denen Zellen gearbeitet. Tabelle 3 zeigt die verwendeten Ge- r/iteparameter.

Alle Messungen wurden mit S tandardadd i t ion durchge- ffihrt.

143

@r 9 Ha [ apers

- 800 7 - 725 E

-650 -575

-500

- / *25

i ~N Cd BS 1577 )

I f I I I I I [

3 0 20 40 60 80 100 120 140

[ [nA]

-1000 i ~ Co - 1075

-1150 - 1225 Bovine Liver ( NBS 1577 )

r [ I I ] I [ I I I

5 0 -6 -12 -18 -24 -30 -36 -l+2 -48 -5/,

I [ n A ]

4

-500

-425 I -350

-275

- 800 r- > E - 875

= - 950 -1025 -1100

I 6 0

I I I I I I t0 20 30 40 50 ~0

I [nA]

[

70

N i

(NBS 1577)

I I I I I I I I -6 -12 -18 -24 -30 -36 -/*2 -48

I [nA]

8~176 I - 725 - 550 - 575

-500 425

7

I I I I I I / I

Cd

~ o u r (NBS 1567)

I I I I [ I I f

150 100 50 0 -50 -100 -150 -200

] [nA] Abb. 3. DPASV-Signale f/Jr Cd

Abb. 4. DPASV-Signale fiir Pb

Abb. 5. DPASV-Signale fiir Co

Abb. 6. DPASV-Signale ffir Ni

Abb. 7. Differenzierte DPASV-Signale ffir Cd

Abb. 8. Differenzierte DPASV-Signale fiir Cu

Abb. 9. Differenzierte DPASV-Signale f/Jr Pb

- 250 > -175 E

-100 - 25 § 50

I I I [ I I I I

A H-g)

I I I [ I I I I

600 400 200 0 -200 -400 -600 -800

I [ n A ]

I I I [ I I [ I

-500 I ~ Pb > - 425 E

-350

- 275 - 200 Whole Blood

I I I I F I I

9 150 100 50 0 - 50 -100 -150

I [ n A ]

r

-200

Aus den Abb. 3 - 6 ist aus der Form der Signale und des Untergrundverlaufes ersichtlich, dab mit diesem Aufschlu6- verfahren eine vollstfindige Zerst6rung der organischen Ma- trix fiir die Zwecke der DPASV erreicht wird (am Beispiel NBS 1577). Die einwandfreie Peakform wird ebenfalls bei- spielhaft dutch einige differenzierte Signale (Abb. 7 - 9) wie- dergegeben.

Die Tabellen 4 und 5 zeigen die bei diesen Messungen erhaltenen Ergebnisse mit den zertifizierten Werten zum Ver- gleich.

Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dab bei einem Vergleich mit dem unter [2] beschriebenen AufschluB, der aus einer Druckveraschung mit nachfolgender oftener

144

HC104-Behandlung besteht, speziell ffir das Material BCR 191 ein zu niedriger Pb-Wert (ca. 130 ng/g) gemessen wird. Bei einem Vergleich der Voltammogramme kann man dies eindeutig auf einen nicht vollst/indigen Aufschlu6 zur/ick- ffihren.

Tabelle 6 gibt einen Oberblick fiber die im HPA gemes- senen Blindwerte. Alle Werte sind in ng/Aufschlu8 (= ng/10 ml) angegeben.

4 . D i s k u s s i o n

Die vorliegenden Ergebnisse und vor allem die Form der Strom/Spannungspeaks sowie der Verlauf des Untergrundes

Tabele 4. Ergebnisse yon Spurenelementbestimmungen an Standardreferenzmaterialien mittels DPASV (Cd, PI, Cu)

Material/Element Cd (ng/g) Pb (ng/g) Cu (pg/g)

gem. zert. gem. zert. gem. zert.

IAEA H9 27,5 + 0,7 32,4 __ 7,3 79,5 _+ 7,8 140 + 70 2,7 _+ 0,14 BCRI50 22,5_+ 2,1 21,5_+ 2,1 920 +10 1000_+40 2,8_+0,4 NBS1577 260 _+50 270 _+40 310_+80 340_+80 190 _+7 NBS1567 25 -+ 1,7 32 -+ 7 (14) - 1,9-+0,15 BCR 184 (13) (11,6 -+ 1,1) 235 _+ 12 (240) 2,3 ___ 0,2 Whole blood - - (313) (290) - BCR 61 1040 _+ 50 1070 _+ 80 - - - BCR 191 27 _+ 2 (28) 190 + 14 (185) -

2,8 + 0,6 2,23 _+ 0,08

193 _+ 10 2,0 _+ 0,3

(2,4)

( ) nicht zertifiziert oder nicht unter Zertifikationsbedingungen gemessen - in dieser Arbeit nicht bestimmt

Tabeile 5. Ergebnisse von Spurenelementbestimmungen an Stan- dardreferenzmaterialien von DPASV-Messungen (Co, Ni)

Material/ Co (rig/g) Ni (ng/g) Element

gem. zert. gem. zer.

IAEA H9 45,0 + 17,0 45,5 + 9,4 240 _+ 20 260 _+ 50 BCR 150 (4,1) - 29,8 + 5,2 - NBS 1567 215 _+29 (180) 67 + 16 - NBS 1567 - - (165) (180) BCR 184 -- -- (860) --

In den restlichen Materialien wurden diese Elemente nicht bestimmt ( ) nicht zertifiziert oder nicht unter Zertifikationsbedingungen gemessen - in dieser Arbeit nicht bestimmt

Tabelle 6. Blindwerte bei HochdruckaufschluB

Element Blindwert (ng/10 ml)

Cd 0,63 _+ 0,25 Co < 0,2 Cu 6,4 _+ 1,4 Ni 1,7 _+ 1,0 Pb 1,9 _+ 0,07

P r o b e n gleichzeitig in geschlossenen Systemen zu veraschen, wobei die ents tehende P robe l6sung ohne weitere Nach- b e h a n d l u n g ffir die vo l tammetr i sche Bes t immung von Spu- r ene lemen ten eingesetzt werden kann .

zeigen deutl ich, daB der Hochdruckverasche r H P A ffir die Vol tammetr ie den konven t ione l l en Druckve ra schungsappa - r a tu ren weit fiberlegen ist, auch w e n n m a n dor t die P roben- 16sung mi t HC104 nachbehande l t . Je nach Mat r ix ist n/ im- lich die Ze i tdauer u n d die Intensi t / i t dieser N a c h b e h a n d l u n g von vornhe re in n icht b e k a n n t u n d obendre in muB sie im offenen System durchgef / ihr t werden, mi t den b e k a n n t e n Ge fah ren ffir K o n t a m i n a t i o n e n u n d Elementver lus ten . Der Hochdruckverascher bietet hier die M6gl ichkei t , bis zu 7

L i t e r a t u r

1. Knapp G (1984) Fresenius Z Anal Chem 317:213 2. Hasse S, Schramel P (1983) Mikrochim Acta III:447 3. Schramel P, Wolf A, Self R, Klose BJ (1980) Fresenius Z Anal Chem 302: 6

Eingegangen am 23. Juni 1986

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