Fresenius Zeitschrift fiir Fresenius Z Anal Chem (1982) 311:234-237

�9 Springer-Verlag 1982

Luminescenzverfahren zur Bestimmung yon Thallium*

U. Fritsche, W. Balzer und H. Steinhanses

Fraunhofer-Institut ffir Toxikologie und Aerosolforschung, D-5948 Schmallenberg-Grafschaft, Bundesrepublik Deutschland

Luminescence Method for the Determination of Thallium

Summary. A procedure for the determination of T1 is proposed, using the luminescence generated by TI(III) in an alkaline solution of luminol. TI(I) is oxidized to TI(III) by bromine in sulphuric acid. The excess bromine is reduced by sodium formiate. Sodium phosphate is added. The thus prepared sample is injected into the cell of a luminometer, containing luminol in a sodium phosphate solution. The maximum of the luminescence is evaluated. The time required for the procedure is about 5min. The detection limit is 100ppb TI(I). The calibration function is linear in the 1 - 10 ppm range. The standard deviation for I ppm TI(I) is 7 %, using a 200 lal sample.

Zusammenfassung. Ein Verfahren zur Bestimmung von T1 wird vorgeschlagen, das auf der Luminescenz beruht, die TI(III) in alkalischer Luminoll6sung bewirkt. TI(I) wird in schwefelsaurer L6sung mit Br2 zu TI(III) oxidiert. Der Br2- {)berschuB wird mit NaCOOH reduziert. Dann macht man mit tri-Natriumphosphat alkalisch und spritzt die so vorbe- reitete Probel6sung in die Kiivette eines Luminometers, welches eine Luminol-Na3PO4-L6sung enthfilt. Das Lumi- nescenzmaximum wird ermittelt. Der Zeitbedarf betrfigt ca. 5 min je Probe. Die niedrigste noch erfal3bare Konzentration liegt bei 100 ng/ml TI(I). Die Eichfunktion ist im Bereich 1 - 10 lag/ml linear. Die Standardabweichung ffir 1 lag/ml TI(I) bei eiuem Probevolumen von 200 gl betrS.gt 7 %.

Einleitung

Auf Chemiluminescenzmessung beruhende Analysenverfah- ren sind z. T. sehr nachweisempfindlich. Zur Bestimmung yon Schwermetallen nutzt man in vielen F~tllen die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid aus [1]. Auch fiir Thal- lium wurde ein solches Verfahren beschrieben, wobei Lucige- nin (N,N'-Bis-methyl-acridinium-dinitrat) verwendet wird, das mit den Zerfallsprodukten des Wasserstoffperoxids unter Luminescenz reagiert [2].

Wir untersuchten M6glichkeiten, ein Luminescenzverfah- ren fiir Thallium unter Verwendung des vielseitig bew/ihrten Luminols (3-Aminophthalhydrazid) zu entwickeln, welches in alkalischem Medium zu 3-Aminophthalat oxidiert wird, das bei ca. 450 nm luminesciert. Anstelle yon Wasserstoff-

* Herrn Prof. Dr. H. Weisz zum 60. Geburtstag gewidmet Offprint requests to: U. Fritsche

peroxid benutzt man vorteilhaft peroxo-Verbindungen wie Natriumperborat, die besser lagerbest/indig sind. Die erfor- derliche Alkalitfit lfiBt sich gfinstig mit tri-Natriumphosphat erreichen.

Es stellte sich heraus, dab TI(I) in einer wfil3rigen L6sung von Luminol, Na3PO4 und NaBO3 keine Luminescenz verursacht. Wohl aber trifft dies ffir TI(III) zu, und zwar sogar in Abwesenheit eines Oxidationsmittels wie NaBO3. Dieser unseres Wissens bislang nicht bekannte Befund war wegen des hohen Oxidationspotentials von TI(III) allerdings zu erwarten. Die Reaktion wird zwar dutch NaBO3 noch beschleunigt, so dab man einen steileren Signalanstieg erh/ilt, doch ist auch die Untergrundluminescenz des Mediums bei Anwesenheit von NaBO3 viel h6her, so dab man besser darauf verzichtet. Ein derartiges luminometrisches Verfah- ren, das ohne oxidierendes Reagens auskommt, sollte verhS.lt- nism~iBig selektiv sein.

Da T1 in erster Linie als TI(I) vorkommt, war eine Methode zu suchen, dieses in TI(III) zu fiberfiihren und so der Bestimmung zugfinglich zu machen. Man kennt eine Reihe yon Oxidationsmitteln ffir TI(I), doch sind in diesem Zusam- menhang noch besondere Anforderungen zu erftillen: Die Reaktion sollte bereits bei Raumtemperatur rasch ablaufen, um etwaige Verluste beim Erhitzen zu vermeiden. AuBerdem darf der Uberschul3 an Oxidationsmittel keine Luminescenz hervorrufen oder mug vor dem Zusatz des Luminols bequem beseitigt werden k6nnen, ohne dab das TI(III) wieder redu- ziert wird.

Zur L6sung dieser Aufgabenstellung konnte auf Erfah- rungen mit der Vervielfachung von I - in Form von TII zuriickgegriffen werden [4, 5] : Mit Br2 erreicht man Oxidation zu TI(III) und IO3 ; das verbliebene Br2 kann mit Ameisen- sfiure reduziert werden, ohne dab das TI(III) angegriffen wird; dann kann man bei etwa pH 1 mit iiberschiissigem I - umsetzen, wobei das TI(III) zur Bildung von Iz beitr~igt und man bei der Titration mit Thiosulfat gegen Stfirke achtfache Aquivalenz erreicht" 1 TII & 412 & 8 $20~-.

Das Konzept, TI(I) mit Br 2 zu oxidieren, den Br2-Uber- schul3 mit H C O O H zu reduzieren und dann die Luminol- reaktion durchzufiihren, erwies sich als grundsfitzlich reali- sierbar. Allerdings wurden im Zuge der Optimierung einige Modifikationen vorgenommen: Das Br2 wurde erst in Anwe- senheit des TI(I) aus BrO~/Br- in schwefelsaurer L6sung erzeugt. Anstelle yon H C O O H wurde N a C O O H benutzt. Dies h~ingt damit zusammen, dab man zwar ftir den Oxida- tionsschritt zu TI(III) hohe Acidit/it braucht, um rasch das ben6tigte Br2 zu bilden, die mit der Luminoll6sung zu vereinigende Probel6sung jedoch wie diese alkalisch sein sollte: Es zeigte sich nfimlich, dab man sonst einen viel

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h6heren Blindwert bekommt. Nach der Reduktion mit NaCOOH reagiert die Probel6sung noch schwach sauer, und man fiigt deshalb zweckms.13igerweise noch Na3PO4-L6sung hinzu. Die einzelnen Operationen mfissen zeitlich definiert durchgeffihrt werden, weil sich in Tl(III)-L6sungen zu gerin- ger Aciditfit langsam kolloidales TI(OH)3 bildet, welches vergleichsweise trs.ge mit Luminol reagiert.

Chemikalien und L6sungen

Soweit nicht anders vermerkt, wurden sS.mtliche L6sungen mit deionisiertem Wasser angesetzt.

Tl(III)-Stamml6sung: aus TI(CH3COO)3 - 1,5 H20 (pu- rum, Fluka) wurde eine L6sung mit 10 mg/1 Yl(III) angesetzt, die 0,1 N an I-IzSO 4 war. Daraus Verdfinnungen, durchweg 0,1 N an HzSO 4. Bei einer solchen Aciditfit sind TI(III)- L6sungen verhs.ltnisms.13ig gut haltbar (bereits bei L6sungen, die nur 0,01 N an H2SO 4 sind, ist Hydrolyse zu braunem TI(OH)3 zu beobachten).

Tl(I)-Stamml6sung: aus einer T1NO3-Standardl6sung mit lg/1 TI(I) wurde eine Stamml6sung mit 10rag/1 TI(I) hergestellt, die 0,1 N an H2SO4 war.

Luminoll6sung: 0,01 M an Luminol (pract. Fluka) und 0,05 M an Na3PO4 (p.a.), in dunkler Flasche aufzubewah- ren. Benutzt wurden ferner: 0,5M Na3PO4 (p.a.), 0,5M NaCOOH (p.a.), 0,1 N BrO3/Br .

Die zu St6rungsuntersuchungen ben6tigten Substanzen waren durchweg p.a.

Luminescenzmessung

Die derzeit im Handel befindlichen, iiberwiegend als ,,ATP- Photometer" vertriebenen Luminometer sindjedenfalls in der Ausstattung init Photoelektronenvervielfacher so empfind- lich, dab die Nachweisgrenze yon Chemiluminescenzverfah- ren in vielen F/illen nicht v o n d e r Empfindlichkeit der Messung, sondern von dem durch unerwfinschte Nebenreak- tionen hervorgerufenen Untergrund begrenzt wird. Dies trifft auch bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zu. Verwendet wurde das Model13000 der Fa. SAI mit aufgesetzter Spezial- pipette (sog. ,,Enzym-Kinetik-Kit"), womit man die Probel6- sung zu dem Reagens in der Kiivette geben kann, ohne die Luminescenzmessung zu unterbrechen. Das Volumen dieser Pipette wurde auf 30 lal eingestellt. Das Luminometer wurde mit der Empfindlichkeit 1,0 betrieben. Der Signalverlauf wurde mit einem x-t-Schreiber registriert.

Verfahren zur Bestimmung von Thallium(III)

In die Ktivette (runde Einwegkfivette aus Polystyrol mit 1 cm ~ ) gibt man 1 ml Luminoll6sung. 200 lal der schwefelsauren Tl(III)-L6sung mischt man in einem geeigneten Becher (Polystyrolbecher 23 x 14mm mit Innenbecher) mit 100~tl Na3PO4-L6sung, was einfach mit einer Pipettenspitze gesche- hen kann. Die Spezialpipette des Luminometers wird mit dieser Mischung geffillt und die Messung gestartet. 1,5 min nach Vereinigen des TI(III) mit dem Na3PO4 wird die so vorbereitete Probel6sung in die K/ivette gespritzt. Man registriert das Signal bis zum Maximum der Kurve und korrigiert diesen Wert um den Untergrund, wie er unmittel- bar vor der Einspritzung gemessen wurde.

235

5o

3O c

N W ~20

c~ 10 ~--_

0 I 2 3

t (rain)

Abb. 1. ,,Alterung" einer mit 100 ~tl 0,5 M Na3PO4 versetzten L6sung von 1 lag/ml TI(III) in 0,1 N H2804: Gegentiber dem normalen Verfahren entsprechend Kurve 1 war der Mel3beginn bei den Kurven 2 bis 5 urn 6; 13, 18 bzw. 28min verz6gert

Wie bereits eingangs erws.hnt, ,,altern" atkalisierte Tl(III)-L6sungen, d.h. infolge Bildung von schwerl6slichem TI(OH3) oder auch T1PO4 nimmt die Reaktionsf5-higkeit gegenfiber Luminol ab. Deshalb ist es notwendig, die Zeit von der Zugabe des Na3PO4 bis zur Messung m6glichst konstant zu halten, was man z. B. mit Hilfe des Schreibers kontrollieren kann. Abb. 1 zeigt die Verfinderung der Mel3kurve in Abh/in- gigkeit von der Zeit nach dem Alkalisieren.

Verfahren zur Bestimmung yon Thallium(I)

Die Kfivette wird mit 1 ml Luminoll6sung gef~llt. In einem 1 ml-Becher mischt man 200gl der schwefelsauren TI(I)- L6sung mit 20 ~tl BrO~/Br--L6sung. 1 rain nach Zusammen- geben ftigt man 50 ~tl NaCOOH-L6sung hinzu. Wieder 1 min danach gibt man 40 ~tl Na3PO4-L6sung zu, ffillt die Spezialpi- pette und verf/ihrt weiter wie oben beschrieben. Wichtig ist, jeweils nach der Zugabe einer neuen Komponente gut zu durchmischen und die angegebenen Zeiten m6glichst genau einzuhalten.

Zur Optimierung der Reaktionsbedingungen

Mit steigender Luminolkonzentration erh5-1t man ein h6heres Mel3signal, gleichzeitig jedoch auch einen h6heren Lumines- cenzuntergrund, so dab h6here Luminolkonzentrationen keinen Vorteil bieten. Die Untergrundemission alkalischer Luminoll6sungen, die kein NaBO3 o. 5.. enthalten, wird stark von fiul3erem Licht beeinfluf3t, weswegen nach Oberffihren einer solchen L6sung aus einer braunen Flasche in die Kfivette des Luminometers zun5-chst ein mehr oder weniger abfallendes Signal auftritt, das jedoch nach I min nahezu konstant ist.

Die BrO3/Br -Menge ist unkritisch, sofern ein deutlicher Uberschul3 bezogen auf TI(I) vorhanden ist. Die NaCOOH- Menge wurde so gews.hlt, dab das Br2, welches sonst einen kurzen, steilen St6rpeak bewirken wfirde, rasch und sicher reduziert wird; andererseits sollte nicht unn6tig viel Na- COOH eingesetzt werden, weft dadurch die Stabilits.t des TI(III) beeintr/ichtigt wiirde. Auch die Na3PO4-Menge sollte m6glichst exakt eingehalten werden, weil die Luminescenz- kurve wesentlich yon der Alkalit/it abhs.ngt, wie aus Abb. 2 zu ersehen.

Mit weniger oder gar ohne Na3PO4 verlaufen die Lumi- nescenzkurven zwar steiler, doch wird dieser Vorteil durch

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,oli 70

60

\

. ~ / / ~

f (minl

Abb. 2. AbMngigkeit des Luminescenzverlaufs yon der Na3PO4-Menge: zu jeweils 200 pl einer 1 pg/ml Tl(III)-L6sung wurde gegeben bei Kurve 1 : 100 gl 0,5 M Na3POG Kurve 2: 100 pl 0,25 M N%PO G Kurve 3: 100 p.1 H20

- - 1 2 c ~20

10

' ------F-, , ~, , X 0

3 ~ " N {20

.c 10 E i

! 0 ' ' " I . . . . .

t ----~ t----4 Abszisse 6cm-~ Imin

Abb.3. Beeinflussung des Blindwertes durch die Alkalisierung der Probel6sung; der Zeitpunkt der Einspritzung ist durch eine gestrichelte Linie angegeben (vorher Untergrundsignal). Die Teilbilder l u n d 2 entsprechen dem Verfahren far TI(III), doch wurde bei Teilbild I anstelle der Na3PO4-L6sung das gleiche Volumen H20 verwendet. Die Teilbil- der 3 und 4 zeigen den analogen Effekt fiir das Tl(I)-Verfahren

viel h6here Blindwerte aufgewogen. In Abb. 3 sind die Blindwerte sowohl far das TI(III)- als auch fiir das TI(I)- Verfahren den entsprechenden Wer ten gegentibergestellt , die m a n beim Verzicht au f das Alkal is ieren der Probel6sung erhfilt.

Der p H - W e r t der Luminol l6sung betr/igt 12,3 und ander t sich durch die Zugabe der alkalisierten T1-L6sung nur unbedeutend.

Ober raschen mag, daB bei dem Verfahren fiir TI(I) mi t weniger N a a P O 4 gearbei tet wird als bei dem einfacheren Verfahren fiir TI(III). Der G r u n d liegt einerseits darin, dab bereits das N a C O O H zur Alkal i ta t beitrfigt, vor al lem aber in dem Befund, dab die fiir TI(I) erhal tene Eichkurve mit s te igendem Na3PO4-Geha l t zunehmend von der Linear i tgt abweicht. Vermut l ich wird etwas TI(III) durch eine uner- wfinschte Neben reak t ion wieder reduziert , was bei niedrigen T1-Konzent ra t ionen starker ins Gewich t f~llt. Un te r den beschriebenen Bedingungen mach t sich dies erst unterha lb yon 1 gg/ml TI(I) bemerkbar , wie Abb. 4 zeigt. K6nn te man dieses P h a n o m e n vermeiden, ware zweifellos eine noch be- t racht l ich bessere Nachweisgrenze zu erzielen.

300 Y

o

200 / /

~ : ~

=,2 / ~ ~

o" o; i (s jag/mr Tl(I) Abb. 4. Abweichung der Eichkurve ftir TI(I) vonder Linearit~it im untersten Bereich

T a b e l l e 1

Potentielle Anderung Abweichung yon der normalen St6rung der Peakh6he Kurvenform

a a + __

K + • NH; +

Ca 2+ - 30% Mg2 + + A1 a+ - 10% Cr ~+ - 95% M n 2 + + 2 0 0 %

FeS + + N? + - 30 G Cu ~+ (•

Z n 2 + -~ 1 0 0 ~o

C d 2 + - - 1 5 0 ~ o o

pb 2 + • co~ _+ CH3COO- + NO~ + PO~ + AsO 3 - + sot + F- + Br- + BrO3 +_ J- +100%

EDTA - 95 %

steiler

T1-Peak steiler, aber in der H6he kaum verfindert; vorher ein 2. Peak steiler

steiler; vor dem T1-Peak ein 2., sehr steiler Peak Peak stark verbreitert

Die Oxida t ion yon Tl(I) zu Tl(III) ist quant i ta t iv , was daraus geschlossen werden kann, dab man fiir TI(III) den gleichen Luminescenzeffekt b e k o m m t wie fiir eine entspre- chende Tl(I)-L6sung, wenn m a n ersteres ausnahmsweise ebenfalls nach dem Tl(I ) -Verfahren behandelt .

K e n n d a t e n

Die niedrigste v o m Blindwert noch sicher unterscheidbare Konzen t r a t ion betrfigt bei TI(III) 50ng/ml , bei TI(I)

100ng/ml. Bei jeweils 200gl eingesetzter T1-L6sung ent- spricht dies 10 ng bzw. 20 ng absolut. Da von der vorbereite- ten Probel6sung jeweils nur 30 gl in die Kiivette pipettiert wurden, sollte es m6glich sein, durch Hantieren mit geringe- ren Volumina bei der Probenvorbereitung noch niedrigere Nachweisgrenzen zu erzielen.

Die Eichkurven ftir TI(III) und TI(I) sind im Bereich 1 - 10 gg/ml linear (Korrelationskoeffizient 0,9996). Der Lineari- t/itsbereich setzt sich nach oben hin noch fort, dagegen ffillt di~ Eichkurve zu niedrigeren Konzentrationen hin tiberpro- portional ab (s.o.). Die relative Standardabweichung ftir jeweils 1 gg/ml TI(III) bzw. TI(I) wurde zu 8 bzw. 7 ~ ermittelt (N = 9).

Sti~rungen

Bei der Untersuchung von St6rungen wurde ausschlieBlich nach dem Verfahren ffir TI(I) gearbeitet, well T1 meist in dieser Form vorliegt. Es wurde wie oben beschrieben vorge- gangen, mit dem Unterschied, dab in den Probebecher zu Beginn der Prozedur 10~tl einer L6sung der zu testenden Substanz gegeben wurde. Dazu wurde dann 200gl einer L6sung von 1 ~g/ml TI(I) (entsprechend ca. 1 nMol T1) pipettiert usw. Wenn nicht anders vermerkt, lagen die poten- tiellen St6rsubstanzen in 100fach molarem UberschuB vor. Bei der Untersuchung yon Kationen wurde mit Anionen kombiniert, yon denen bereits bekannt war, dab sie keinen

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Einflul3 haben. Analog wurde bei der Untersuchung von Anionen verfahren.

Die Ergebnisse sind tabellarisch zusammengestellt (Tabel- le 1). Soweit Anderungen der Peakh6he auftraten, wurden diese annghernd in Prozent ausgedriickt. ,, _+" Bedeutet, dab keine St6rung vorlag. Aul3erdem wurden Abweichungen von der sonst tiblichen Kurvenform vermerkt. Man sieht, dab einige Ionen betrfichtlich st6ren; im Vergleich zu Lumines- cenzverfahren ffir Schwermetalle, die mit Wasserstoffperoxid o.g. arbeiten, kann das hier vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung yon Thallium aber doch als relativ selektiv bezeichnet werden, zumal wenn man beriicksichtigt, dab die untersuchten Substanzen in 100fach molarem UberschuB vorlagen.

Literatur

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Eingegangen am 21. Dezember 1981