Klaus: Flammenphotometrische Lithium-Bestimmung 107

Z. klin. Chem. u. klin. Biochem.9. Jg., S. 107—110, März 1971

Flammenphotometrische Lithium-Bestimmung im SerumVon R. KLAUS

Aus dem Analytischen Zentrallaboratorium der Firma E. Merck* Darmstadt(Leiter: Abt.-Dir. Dr.J. Fries)

(Eingegangen am 2. September 1970)

Es wird ein emissionsflammenphotometrisches Verfahren zur Bestimmung des Elementes Lithium in Human-Seren beschrieben. Da sichdie Leistungsfähigkeit kommerzieller Meßanordnungen zur Erfassung der Lithium-Gehalte nicht-pathologischer Seren als nicht aus-reichend erwies, wird von der emissionssteigernden Wirkung organischer Lösungsmittel Gebrauch gemacht. Die Analyse einer be-grenzten Anzahl Seren läßt einen physiologischen Lithium-Mittelwert von < 3//g/100 m/ bei einer Nachweisgrenze des Verfahrens von0,5 //g/100 m/ erwarten.

Determination of serum lithium by flame photometryAn emission flame photometric method for the determination of the element lithium in human sera is described. As the performance ofcommercial measuring devices proved to be inadequate for lithium concentrations of non-pathological sera, the increase of emissionby the presence of organic solvents is utilised. Analysis of a limited number of sera showed a physiological lithium mean of< 3 /Mg/100 m/ with a detection limit of 0.5 /*g/100 m/.

Wenn auch über die Bedeutung des Elementes Lithiumin der Humanbiologie noch keine endgültige Prognosegestellt werden kann, so dürfte dieses doch beimmenschlichen Stoffwechsel bzw. bei einigen Erkran-kungsformen und deren Therapie von einem gewissenInteresse sein. Einige zusammenfassende Hinweise wer-den von LANG und HERRMANN (1) angegeben. DOERRund STAMM (2) erwähnen das Element Lithium in Zu-sammenhang mit der Therapie verschiedener psychia-trischer Erkrankungen. Nach Angaben dieser Autorenliegen die Serumlithiumwerte von unter Therapiestehenden Patienten um 2—3 Zehnerpotenzen oberhalbdes physiologischen Mittelwertes.Dieser beträgt nach älteren Literaturangaben (3) 30 ngLi/m/ Serum. Der von LANG und HERRMANN aus50 Seren ermittelte Lithium-Schwankungsbereich er-streckt sich bis etwa 50 ng Li/m/ Serum. Wenn auchzur Festlegung eines physiologischen Mittelwertes dieHeranziehung von 50 Einzelwerten als nicht aus-reichend betrachtet werden kann, so läßt eine Inter-pretation der Untersuchungen von LANG und HERR-MANN einen solchen von < 15 ng/m/ Serum erwarten.Während für die emissionsflammenphotometrische Li-thium-Analyse in der Größenordnung mg/100 m/ mithandelsüblichen Geräten prinzipiell keine Schwierig-keiten bestehen (2), sind Analysen im Bereich des wahr-scheinlichen physiologischen Mittelwertes nur mit einemetwas größeren analytischen Aufwand durchführbar.Dies ist einerseits durch die Tatsache bedingt, daß derzu erwartende physiologische Lithium-Mittelwert in derGrößenordnung der mit handelsüblichen Photometernerreichbaren Nachweisgrenze liegt, andererseits da-durch, daß das Emissionsspektrum in der Umgebungder Lithium-Linie 6708 A einen stark wellenlängenab-hängigen Verlauf zeigt, der darüber hinaus in seiner

Größe nicht unabhängig von der Zusammensetzungder Seren ist. Diesem Umstand kann bei der Analysezunächst dadurch Rechnung getragen werden, daß man1. eine relativ geringe Nachverdünnung der Seren vor-

nimmt,2. nach dem sogenannten Zumischungsverfahren ar-

beitet,3. die Untergrundbestimmung aus den registrierten

Spektren durchführt.Demgegenüber steht die Arbeitstechnik, wie sie in vielenklinisch-diagnostischen Laboratorien zur Bestimmungder Elemente Natrium, Kalium, Calcium und Magnesiumin biologischem Material angewendet wird (4):Setzt man lineare Eichkurven für die einzelnen Elementevoraus, so kann nach Messung der stark verdünntenSeren bzw. entsprechender Eich- und Blindlösungen beijeweils einer vorgegebenen Wellenlänge über eine Pro-portion die unbekannte Metallkonzentration ermitteltwerden. Mit den folgenden Ausführungen soll nun derVersuch unternommen werden, die Anwendbarkeit die-ser Arbeitsweise unter Beachtung der erwähnten kri-tischen Punkte zu prüfen.

Beschreibung der MeßanordnungErfahrungsgemäß bereitet der Einsat2 nicht handelsüblicherMeßanordnungen in klinischen Laboratorien gewisse Schwierig-keiten. Die Festlegung der Mcßbedingungen wurde daher von demGedanken bestimmt, die Analyse sowohl ohne wesentliche appara-tive Veränderungen mit kommerziellen Flammenphotometern vor-nehmen zu können als auch charakteristische Meßparameter wie2. B. au verwendende Gase bereits vorhandenen Analyscnvor-schriften für andere Elemente anzupassen.Die Meßanordnung besteht aus einem Spektralphotometer PMQIImit Glasmonochromator und Flammenzusatz FA l der Fa. CarlZeiss, Oberkochen. Als Strahlungsempfänger eignet sich ein Se-kundärelektronenvervielfacher l P28 mit erhöhter Rotempfindlich-

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108 Klaus: Flammenphotometrische Lithium-Bestimmung

keit. Der Anschluß eines Schreibers sowie einer Wellenlängenauto-matik zur Registrierung des photometrischen Signals ist lediglichfür die notwendig gewesenen Vorversuche erforderlich. Zur An-regung eignet sich eine Sauerstoff-Acetylen-Flamme mit den Druk-ken für Sauerstoff etwa 0,25 kg/cm2 und Acetylen etwa 90 mm WS.

Beschreibung des VerfahrensIn der Annahme, daß die Emissionsspektren der Serenim Bereich der Lithium-Linie 6708 A sowohl bezüglichder Strahlungsintensität der Linie als auch hinsichtlichdes Untergrundes vorwiegend durch die Anwesenheitdes Elementes Natrium bestimmt werden, sollten Analy-sen mit Proben, deren Natrium-Gehalte an den Grenzendes physiologischen Schwankungsbereiches der Serenliegen, wertvolle Aussagen über die Größe der zu er-wartenden Beeinflussung ergeben. Als Probenmaterialeignen sich für diesen Versuch hinsichtlich der Alkalienbzw. Erdalkalien als Modellseren zu betrachtendeLösungen.Abbildung l zeigt die Emissionsspektren für die in derLegende beschriebenen Lösungen. Die gewählte Li-thium-Konzentration von 3 //g/100 ml geht auf Angaben

Abb. lEmissionsspektren serumähnlicher Lösungen im Bereich 6620 A << 6800 A, registriert mit einer effektiven Bandbreite des Mono-

chromators von etwa l ,8 nm.Zusammensetzung der Lösungen in g/100 ml für Spektren

Konstante BestandteileVariable Bestandteile K: 0,015;

Spektruml234

Ca: 0,010;Natrium

0,3000,3300,3600,300

Mg: 0,002Lithium

3 - 10-«3 · 10-«3 -10-fl

0Die Meßlösungen sind mit Wasser l :4 nachverdünnt

von HINSBERG und LANG (3) zurück. Der Natrium-Gehalt der Lösungen beträgt entsprechend des physio-logischen Schwankungsbereiches 0,300 g, 0,330 g und0,360 g/100 m/.Es sei vermerkt, daß im folgenden die Lösung mit demNatrium-Gehalt 0,330 g/100 m/ als Haupteichlösung,die entsprechende Lösung ohne Lithium als Blind-lösung für Lithium bezeichnet wird. Aus den Spektrender mit Wasser 4: l verdünnten Ausgangslösungen kön-nen nun einige wesentliche Schlüsse gezogen werden:

1. Der Untergrundverlauf in dem interessierendenSpektralbereich ist .äußerst kritisch.

2. Der Untergrund variiert geringfügig mit derNatrium-Konzentration und weiterhin

3. Eine Beeinflussung der Lithium-Emission durchwechselnde Mengen Natrium ist nicht erkennbar.

Sehr ausführliche Untersuchungen von LANG und HERR-MANN (1) führen u. a. in den Punkten 2. und 3. zu demgleichen Ergebnis. Darüber hinaus sind nach (1)Störungen der Lithium-Emission in Seren durchandere, in der Haupteichlösung nicht zusammengefaßteElemente nicht zu erwarten. Eigene Versuche zur Ver-änderung der Steilheit des Untergrundverlaufes z. B.durch Verwendung einer Wasserstoff/Sauerstoff-Flammebrachten nicht das gewünschte Ergebnis. Von der Mög-lichkeit einer Verringerung der Untergrundsteilheitdurch Wahl kleinerer effektiver Bandbreiten des Mono-chromators wurde kein Gebrauch gemacht, da dieseeine Empfindlichkeitseinbuße zur Folge hat.

Abb. 2Emissionsspektren von 4 Humanseren im Bereich 6640 A << 6780 A (effektive Bandbreite des Monochromators etwa l ,8 nm).

Nachverdünnung mit Wasser 1:4. Spektrum 5: Lithium-Zusatz3 A/g/100 ml Serum

Eine unter den gleichen Bedingungen durchgeführteRegistrierung von 4 im Verhältnis l :4 mit Wasserverdünnten Humanseren ist in Abbildung 2 wieder-gegeben. Die Spektren 4 und 5 resultieren aus demgleichen Serurn, bei 5 wurde lediglich vor der Ver-dünnung ein Lithium-Zusatz von SyMg/lOOrn/ hinzu-gefügt. Aus dem Verlauf dieser Spektren ist unterBerücksichtigung des Spektrums 4 (Abb. 1) zu ent-nehmen, daß der Lithium-Gehalt der 4 Seren unter derNachweisgrenze dieser Analysentechnik liegt. Als obereLithium-Schranke kann unter Heranziehung von Spek-trum 5 ein Wert von 3 /jg/100 ml angegeben werden.Bezüglich der Richtigkeit des* Zumischverfahrens beider Lithium-Analyse in Seren sei an dieser Stelle aufdie Untersuchungen von LANG und HERRMANN zurück-gegriffen (1).

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Die Angabe von Grenzwerten in einem physiolo-gisch interessanten Bereich kann dem Diagnostikerzwar erste Anhaltspunkte geben, ist aber doch alsunbefriedigend anzusehen. Es wurde daher der Ver-such unternommen, über das in der Praxis gut bewährteVerfahren des Zumischens organischer Flüssigkeiten zuder Probe eine Steigerung der Strahlungsintensität zuerreichen, die ausreichend für effektive Lithium-An-gaben ist.Erste Anhaltspunkte für die Größe der Beeinflussungkönnen aus den beiden Spektren der Abbildung 3 ent-nommen werden.Bei Spektrum l wurde die Verdünnung der Haupt-eichlösung l :4 mit Wasser vorgenommen, bei Spek-trum 2 eine solche mit Methanol. Die Emissionssteige-rung um etwa einen Faktor 6 bei Verwendung einermethanolischen Lösung ist, wie aus den weiterenSpektren von Abbildung 4 erkennbar wird, ausreichend,um die Anwesenheit von Lithium in Seren feststellen

Abb. 3Emissionsspektren der Haupteichlösung im Bereich der Lithium-Linie =6708 A (effektive Bandbreite desMonochromators etwalnm).

Spektrum l Nach Verdünnung l :4 mit WasserSpektrum 2 Nachverdünnung l :4 mit Methanol

zu können. Zur Herstellung der Meßlösungen wurdefolgendes Verfahren angewendet:a) l m/ Serum wird mit l m/ dest. Wasser und l m/ Trichloressig-

säure (40proz.) versetzt, nach etwa 10 Min. werden weitere 7 m/dest. Wasser zugegeben und zentrifugiert. Anschließend wird,nachdem die dekantierte Lösung vorsichtig fast zur Trockneeingeengt ist, der Rückstand mit 5 m/ Methanol aufgenommen.

b) Analog zu a) werden l m/ Haupteichlösung bzw. l m/ Blind-lösung vorsichtig eingeengt, der Rückstand mit 5 m/ Methanolaufgenommen.

Das eingesetzte Serum (Abb. 4) ist identisch mit demSerum des Spektrums 2 von Abbildung 2. Zur gleich-zeitigen Prüfung der Reproduzierbarkeit der Proben-vorbereitung a) wurden drei Ansätze vorgenommen,wobei bewußt der Grad des Eindampfens unterschied-lich gehalten war.Die Auswertung der Spektren liefert unter Anwendungder Proportion

(1) Qc = Cs · mit Cx: Lithium-Konzentration des Serumss Cs: Lithium-Konzentration der

HaupteichlösungMx: Meßwert des Serums minus linear

interpolierter Wert des Unter-grundes ( = 6708 A)

MB: Meßwert der Haupteichlösungminus linear interpolierter Wertdes Untergrundes ( = 6708 A)

für das untersuchte Serum folgende Lithium-Werte:Serum 2a: 2,0/ig/100 m/Serum 2b: 1,9/ig/100 mlSerum 2 c: l,9^g/100m/

Abb. 4Emissionsspektren eines nach Enteiweißung mit Methanol l :4 ver-dünnten Serums (Spektrum 3—5) bzw. der analog verdünnten Haupt-eichlösung (Spektrum 2) und Blindlösung (Spektrum 1) im Bereich

der Lithium-Linie = 6708Ä (effektive Bandbreite etwa l nm)

Es sei darauf hingewiesen, daß beim Auftreten einesBlindwertes im Spektrum l dieser bei dem Meßwert Mszu berücksichtigen ist. Die Verwendung von Gleichung(1) setzt eine weitgehende Anpassung der Eich- undProbelösung voraus. Im wesentlichen dürfte diese Be-dingung durch die Elektrolytzusammensetzung derHaupteichlösung bzw. durch die Enteiweißung desSerums herbeigeführt sein. Die vorgenommene Verdün-nung von Serum und Haupteichlösung schließt jedochgeringe Abweichungen zwischen Eich- und Probelösungbesonders bezüglich physikalischer Größen wie Oberflä-chenspannung und Viskosität nicht absolut aus.Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse von Seren, diesowohl nach dem hier beschriebenen Verfahren als auchnach Veraschung analysiert wurden, ergab jedoch keineAnhaltspunkte für das Auf treten zusätzlicher Störungen.Mit zwei weiteren Meßreihen sollte die Bestätigung er-bracht werden, daß die lineare graphische Interpolationdes Untergrundes aus den registrierten Spektren durcheine lineare rechnerische unter Zugrundelegung von zweiEinzelmeßwerten ersetzt werden kann.

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110 Klaus: Flammenphotometrische Lithium-Bestimmung

Tab. lWertetabelle zur Lithium-Bestimmung eines Serums mit Untergrundinterpolation aus je 2 Stützwerten (Meßwerte in relativen Einheiten)

[ ]HaupteichlösungSerum 3 aSerum 3b

1

664013,89.86,5

2

6690n,o7,85,5

3

670814,27,45,4

4

67308,06,04,3

Untergrundwert bei= 6708 A ermitteltaus den WertenSpalte 1 und 5

5

67805,64,03,2

9,76,94,9

Untergrundwert bei= 6708 A ermittelt' raus den WertenSpalte 2 und 4

9,56,94,9

effektiver Lithium-Meß-wert =« Meßwert bei

= 6708 A minusUntergrundwert

4075'70,5

Bei der wellenlängenmäßigen Festlegung der beidenStützwerte ist aufgrund der aus Spektrum 4, Abbil-dung l, ersichtlichen geringen konvexen Krümmungdarauf zu achten, daß diese in unmittelbarer Nähe —jedoch außerhalb der jeweiligen Bandbreite des Mono-chromators — der Analysenlinie (Li) = 6708 A liegen.Die in Tabelle l zusammengefaßten Werte verdeutlichenallerdings, daß die Einstellung eine geringe Varianz zu-läßt.Gemessen 'wurden 2 nach Verfahren a) vorbereiteteLösungen des Serums von Spektrum 3, Abbildung 2,sowie die nach Verfahren b) vorbereitete Lösung derHaupteichlösung mit einer effektiven Bandbreite vonetwa l nm. Gleichung (1) liefert mit den Werten vonTabelle l einen Lithium-Gehalt des Serums von0,5 §/100 /. Der zweite Versuch unter Verwendungdes Serums von Spektrum 2, Abbildung 2, ergibt nachEinzelmessung und rechnerischer Interpolation desUntergrundes folgende Lithium-Werte:

Serum 2 a: 1,5 //g/100 m/Serum 2b: 1,4//g/100 mlSerum 2 c: 1,8//g/100 ml

Dem Mittelwert von 1,9 § Lithium/100 m/ Serum beigraphischer Interpolation steht somit ein solcher von1,6 //g/100 m/ Serum bei rechnerischer Interpolation ge-genüber.Im Hinblick auf die Größenordnung der Lithium-Kon-zentration kann dieses Ergebnis als durchaus befriedi-gend angesehen werden.

Erfahrungen bei Routineanalysen — Genauigkeitder MethodeDer aus dem vorstehenden Abschnitt resultierendeAnalysengang, bestehend aus dem Herstellen der Meß-lösungen nach a) und b), der Messung bei = 6708 Abzw. der Ermittlung des Untergrundes aus zwei Stütz-werten sowie der Berechnung der Lithium-Konzen-tration nach Gleichung (1), erwies sich für Routine-analysen als nicht zu aufwendig. Für 17 nach diesemVerfahren analysierte Seren ergaben sich nachstehendeLithium-Konzentrationen:

Serum 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1Lithium-Gehalt 1,2 0,7 1,0 < 0.5 < 0,5 < 0,5 < 0,5 < 0,5 0,5 0,7 1,8|>g/100m/]

Serum 12 13 14 15 16 17Lithium-Gehalt 1,7 0,6 0,6 1,5 1,2 1,2[//g/100m/]

In Übereinstimmung mit den Untersuchungen vonLANG und HERRMANN lassen auch diese Analysen einenphysiologischen Lithium-Mittelwert für nicht patho-logische Seren von < 3^g/100 ml Serum erwarten.Die Genauigkeit des Verfahrens, ausgedrückt durchden Variationskpeffizienten, errechnet sich aus den Ana-lysen eines Mischserums mit 0,7 Li/100 m/ Serum zuV ~ ± 20%. Für Lithium-Werte, die weiter oberhalbder Nachweisgrenze von 0,5 g Li/100 m/ Serum liegen,geht der halb-quantitative Charakter der Analyse ineinen quantitativen über.

Literatur1. LANG, W. und R. HERRMANN, Zschr. exper. Med. 1399 200(1965). — 2. DOERR, D. und D. STAMM, diese Z. 6, 178 (1968). —3. HINZBERG, K. und K. LANG, Medizinische Chemie für denklinischen und theoretischen Gebrauch, 3. Aufl. Urban & Schwar-

zenberg, München-Berlin.~Wien (1957). — 4. MERCK, E., Medizi-nisch-Chemische Untersuchungsmethoden, 11. Aufl., VerlagChemie GmbH, Weinheim/Bergstr. (1970).

R. KlausE. Merck AG.61 DarmstadtFrankfurter Str. 250

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