Fresenius Z. Anal. Chem. 295, 342-347 (1979) [11~niu$ Ze~l~lfift fiir

�9 by Springer-Verlag 1979

Schematisches Flieflbild f'dr die Analytik

H. Rohleder* und S. Gorbach

Farbwerke Hoechst AG., Analytisches Laboratorium, Postfach 800 320, D-6230 Frankfurt (Main) 80

Schematic Flow Diagram for Analytical Chemistry

Summary. A flow sheet was developed for the purposes of analytical chemistry. The schematic diagram pre- sents the analytical methods, the fractionation pattern and the ways of flow. All symbols used are composed of a few graphic elements. The application is versatile by an appropriate set of rules, i.e. the flow diagram applies to detailed procedure descriptions in laboratory work, to instrumental techniques with flow networks and to summarized analysis schemes as well. It has proven useful in the practice of nearly two decades.

Zusammenfassung. Ffir die Darstellung analytischer Zusammenhfinge wurde ein schematisches Fliel3bild entwickelt, das die Methoden, die Fraktionen und die Stoffwege wiedergibt. Alle benutzten Symbole werden aus wenigen sinnf~lligen Grundzeichen zusammenge- setzt. Die Regeln zur Benutzung sind so flexibel festge- legt, dab das Fliel3bild auf detaillierte Arbeitsvorschrif- ten im Laborbetrieb, auf instrumentelle Verfahren mit vernetzten Stoffstr6men und auf die Zusammenfassung ganzer Analysengfinge gleich gut anwendbar ist. Es hat sich in langjfihriger Praxis bew/ihrt.

Key words: Analytik; schematisches Fliegbild

1. Zielsetzung

In analytischen Ver6ffentlichungen werden hfiufig schematische Darstellungen verwendet, um dem Leser die beschriebenen Zusammenhfinge fibersichtlich vor Augen zu fiihren. Indessen hat sich bis heute kein einheitliches Schema durchgesetzt, obwohl bereits Vor- schlfige ver6ffentlicht wurden [1, 2]. Das liegt vermut-

* Anschrift: Institut ffir Okologische Chemie der GSF, Ingolst/id- ter LandstraBe 1, D-8042 Neuherberg, Post OberschleiBheim

lich daran, dab je nach dem speziellen Zweck verschie- dene Symbole bevorzugt werden. Allgemein lassen sich zwei Tendenzen erkennen: im ersten Fall bilden die analytischen Arbeitsschritte bzw. Gerfite die Elemente der Darstellung (z.B. beschriftete Rechtecke), und die welter bearbeiteten Fraktionen werden durch Pfeile wiedergegeben; im zweiten Fall werden umgekehrt die Fraktionen als Darstellungs-Elemente hervorgehoben, w/ihrend die Pfeile fiir die analytischen Vorgfinge benutzt werden. Es erscheint wtinschenswert, ein einfa- ches System zu finden, das beiden Anliegen gerecht wird.

Wenn ein schematisches Flief3bild nicht nur auf Teilaspekte der Analytik anwendbar sein soll, mul3 es vor allem die folgenden Forderungen erftillen:

- Die Analysenschritte mtissen in ihrem Prinzip wiedergegeben werden und nicht durch die Gerfite, die in ihrer Ausfiihrungsform stfindig weiterentwickelt werden.

- Die Trennmethoden mfissen so dargestellt wer- den, dab Fraktionierungen, Isolierungen usw. deutlich werden. Sie sollen n6tigenfalls auch die Hilfsstoffe (L6sungsmittel, Reagentien) berficksichtigen und nicht nur die Komponenten der Analysenprobe.

- D i e Verarbeitungswege (Stoffstr6me) mtissen ltickenlos erkennbar sein.

- Die Regeln ffir die Darstellung sollten so festge- legt werden, dal3 das FlieBbild hinsichtlich Detaillie- rung und Zusammenfassung analytischer Zusammen- hfinge flexibel bleibt.

- Die verwendeten Symbole sollten aus m6glichst wenig Grundzeichen zusammengesetzt sein, damit sie sich dem Gedftchtnis leicht einpr~igen und einfach zu zeichnen sind.

2. Symbole

Die hier vorgestellten Zeichen wurden 1960/61 in Anlehnung an das damals noch gfiltige ~Schematische

0016-1152/79/0295/0342/$01.20

H. Rohleder und S. Gorbach: Schematisches Fliel3bild fiir die Analytik 343

ZEICHEN BEDEUTUNG

Vorgang, Analysenschritt

I I Probe, Yeilprobe, graktion

S t o f f s t r o m

/ /

0 O �9

Zweiphasensysteme

9 Gasphase

1 F l ~ s s i g e Phase

s Feste Phase

] F e s t s t o f f 0 b e r f l g c h e Mobi le Phase

Chemische Reak t ion

H i l f s s t o f f e

Messung

Knotenpunkte

A l t e r n a t i v e

Abb. 1. Die Grundzeichen

FlieBbild der chemischen Technik<< (DIN 7091) entwik- kelt. Sie unterscheiden sich aber davon wesentlich in der Darstellung der Verfahren, da bei den Grundopera- tionen der Verfahrenstechnik und der Analytik unter- schiedliche Gesichtspunkte im Vordergrund stehen. Einige zus/itzliche Zeichen wurden aus anderen Diszi- plinen fibernommen. Damit entstand ein Fliel3bitd mit den Aussagem6glichkeiten des Grundfliel3bildes nach DIN 28004 und teilweise auch des dort festgelegten Verfahrensflief3bildes, jedoch unter Verzicht auf Sym- bole ffir bestimmte Apparaturen.

2.1. Aufbau. Alle Vorg~inge bzw. Analysenschritte wer- den grunds~itzlich durch Quadrate dargestellt, alle Proben, Fraktionen usw. durch liegende Rechtecke. Verbindende Pfeile geben die Stoffstr6me wieder (Abb. 1).

Fiir die wichtigsten Kriterien eines Analysenschrit- tes wird das Quadrat durch wenige zusfitzliche Zeichen erg~inzt. Ein senkrechter oder waagerechter Mittel- strich zeigt ein Zweiphasensystem an. Die Phasen" k6nnen durch die ~blichen Indices g (gasf6rmig), 1 (liquidus, fliissig), s (solidus, fest) und durch [] fiir

adsorptionsaktive Feststoffoberfl~ichen bezeichnet werden. Ein Halbpfeil steht ftir eine stetig bewegte (mobile) Phase. Ein Schrfigstrich bedeutet chemische Reaktion. Doppelstriche werden verwendet, wenn Hilfsstoffe (L6sungs- bzw. Elutionsmittel, Reagentien) eingesetzt werden. Alle Zusatzzeichen dfirfen miteinan- der kombiniert werden.

Sofern Stoffstr6me nicht bei einem bestimmten Analysenschritt zusammenlaufen oder aufspalten, wird der Knotenpunkt durch einen kleinen Kreis markiert, wobei zwischen st/indiger und tempor~irer Verzweigung durch vollen und offenen Kreis unterschieden werden kann. Alternativen im Analysengang werden durch eine liegende Raute hervorgehoben.

2.2. Hauptsymbole. Aus den beschriebenen Grundzei- chen lassen sich die Symbole ffir die analytischen Verfahren zweifelsfrei zusammensetzen. Die wichtig- sten sind in Abb. 2 zusammengestellt. Vollst/indigkeits- halber ist dort auch die einmalige Verteilung ohne Hilfsstoff genannt, obwohl sie kaum praktische Bedeu- tung besitzt. An den Beispielen dtirfte bereits erkennbar werden, dab die Symbole diejenigen Kriterien, die die Rolle eines Analysenschrittes im Analysengang bestim- men, sinnffillig widerspiegeln.

2.3. Ergdnzungen. Es dient der f,)bersichtlichkeit, wenn die Symbole im Fliel3bild m6glichst linear (yon oben nach unten oder yon links nach rechts) angeordnet werden und wenn zulaufende Stoffstr6me von links oder oben und abfliel3ende nach rechts oder unten eingezeichnet werden. Die rechtwinklige Ftihrung die- ser Linien ist schrggen Pfeilen vorzuziehen.

Werden verschiedene Analysenschritte nacheinan- der in dersetben Apparatur durchgeffihrt wie z.B. Zugaben eines Komplexbildners mit anschliel3ender Extraktion in einem Schiitteltrichter, dann werden die beiden Quadrate (chemische Reaktion und einmalige Verteilung) ohne Abstand aneinandergefiigt. Wenn ein Abstand z.B. fiir Beschriftungen n6tig wird, dann ist er durch zwei tangierende gestrichelte Linien zu fiberbrtik- ken (vgl. Abb. 4). Laufen beide Vorgfinge in einem Arbeitsgang ab, dann k6nnen die entsprechenden Sym- bole auch in einem Quadrat kombiniert werden.

Bei manchen Analysenmethoden sind mehrere Ein- zelschritte untrennbar miteinander verbunden, so z.B. in einem Massenspektrometer die Reaktion in der Ionenquelle mit anschliegender Ionentrennung und Detektion. Fiir den Analysengang ist letztlich nur das gewonnene Massenspektrum yon Bedeutung, und das Symbol fiir diese Messung, n~imlich Quadrat mit Acht- eck und eingeschriebenem >>MS<< reicht ffir das Fliel3- bild aus; lediglich in einer speziellen Arbeit fiber Massenspektrometrie z.B. mit besonderer Ionenquelle k6nnte die Aufgliederung in drei aneinandergefiJgte Quadrate einmal sinnvoU sein.

344

SYMBOL BEDEUTUNG

Fresenius Z. Anal. Chem., Band 295 (1979)

ANWENDUNGSBEISPIEL

FT] E~ F~ F~ F~

F~

F~

Physikalische Abtrennung vorhandener Phasen

Vertei lung ohne H i l f s s t o f f , einmalig

Vertei lung oh~e H i l f s s t o f f , mit mobiler Phase

Vertei lung mit H i l f s s t e f f , einmalig

Vertei lung mit H i l f s s t o f f , mit mobiler Phase

Chemische Reaktion ohne H i l f s s t o f f

Chemische Reaktion mit H i l f s s t o f f

Messung einer GreBe A

Messung einer GreBe mit der Einheit a

Messun9 einer Abh~ngigkeit A(B)

- ~ F i l t r a t i o n

headspace-Analyse

Des t i l l a t i en

AusschUtteln

Gas/flUssig- Chromatographie

~ Pyrolyse

Derivat is ierung

pH-Wert

W~gung

UV-Spektrum

Abb. 2. Die wichtigsten Symbole ffir Analysenschritte

ZEICHEN BEDEUTUNG ANWENDUNGSBEISPIEL

n

/

Vorgang mit Unterdruck

Vorgang mit Oberdruek

Gegenstrom

Stoffstrom s te t ig

Stoffstrom unstet ig

Gradient ~ T

Kernreaktion

n n-fache Wiederh~ [ L ~ ] 3

Vakkuumdesti l lat ion

Druckreaktion mit H i l f s s t o f f

Gegenstromverteilung

Tr~gergas im Gaschromatographen

O'Keefe-Verteilung

Sublimation im Temperaturgradienten

Neutronenaktivierung

Dreimaliges AusschUtteln

Abb. 3. Erg~nzende Grundzeichen

E

]

] ~ Einwaage lOOg

- - - ~ C H 3 0 H Uberschichten

~ ~ HCI bis pH 4

24 h Standzeit

I I

I~~[ ~CHC1 3 bis

CH3OH/CHCI" 3 = 1/1 (v/v)

F ~ trocknen

w~gen

einengen

E ~ en

DC

2 1 2%-NaCI-L~sung, Einstellen auf pH 2

einengen

Toluol

"~llen

DC

Abb. 4. FlieBbild einer Arbeitsvorschrift: Aufarbeitung einer Erdpro- be f/it die Spurenanalyse eines 14C-markierten Pflanzenschutzmittels und seiner Folgeprodukte. DC D/innschicht-Chromatographie. 14C Radioaktivit~itsbestim- mung

(Analysenwaage) ~ Einwaage

I

Faltenf i l ter F ~ 4 H20 bis 200 ml MeBkolben 250 ml ] k ~ nachwaschen

[_ . ~ i l t e r + [ F i l t ra t I- -IR~cksta,~d]

q 10 Tropfen I HNO 3 (I+1) I

H20 I auffU11en ~ ,

Me~kolben 25 m

( S c h ~ t t e l m a s c h S n e ) ~

20 ml H20 mit Glasstab rUhren dekantieren

Erlenmeyer 500 ml

(el, Heizplatte)

Glasf i l tert iegel I G 4

(Trockenschrank)

(Exsikkator mit Blaugel)

(Analysenwaage)

345

i00 ml Neutral- citrat-L~sung

SchUtteln (3 h, Raumtemp.)

(Wasserbad)[s I 40~ 1 h

auf Raumtemp. abkUhlen

H20 auffUllen

doppeltes I I [ ~ ] trocken f i l t r ie ren Fal tenf i l ter

. [Fi l ter + [

abmessen

" 60 ml H20 ~ 1 0 ml HNO 3 (1+1)

~ ~ 5 0 ml F~llungsreagens

L 1 Min. kochen

i

250o C 45 Min.

Raumtemperatur 30 Min.

Auswaage

Abb. 5. Fliegbild einer Arbeitsvorschrift: Bestimmurlg von wasser- und neutralcitratl6slichem Phosphat in Dfingemitteln (Extraktion nach VDLUFA-Methodenbuch0 Methode 4.5. ; Phosphatf~illung nach Dahlgren, Z. Anal. Chem. 189, 243 (1962)]. Linke Spalte: ohne Klammern = Gef/ige, mit denen die Substanz in unmittelbare Beriihrung kommt; mit Klammern = sonstige Ger/ite, die ffir die Bearbeitung n6tig sind. Rechte Spalte: erg/inzende Hinweise zur Bearbeitung

346 Fresenius Z. Anal. Chem., Band 295 (1979)

Probe J 0,23 :: j ml/min

L 0,32 Luft lm~/~i ~ ' ' ]

I

I

1 m=~ - molybdat .Jml/min

Ascorbin- [0'32 -- sgure ,,, I m l / m i n - -

Oberfluss I

Spirale I 0,42 [ ;--w---- ~ j-- k ~uA ml/min ~IMeSslbsungl

Spirale Photometer 660 nm

Abb. 6. FlieBbild eines automatisierten Analysenverfahrens: Phosphatbestimmung mit dem Autoanalyzer" [nach U. Kfinsch, H. Schfirer, A. Temperli, Schweizer. Landw. Forsch. 16, 141-153 (1977)]. Gestrichelte Linie: begleitende Luft zur Segmentierung

Pflanzl. und t ier. Fette und Ole

Fettreiches biologisches Material

I Fettarmes J biologisches Material ]

[ ] Hexan- . Aceton

(in der Siule)

Hexan- I - Aceton

(in der Sgule)

J Hexan- I [ Aceton B~den, Sedimente J Probe

(in Suspension

Papier, _i Aceton Plastik [ Probe

(in Suspension

1 + IToluo J

IBio-Beads I

GPC

= < > -F Me~,~- ke~n~=n~ J /sili"~ IN / I

HPLC Kapillar-GC ECD

Abb. 7. Zusammenfassendes Fliel3bild zur Methodik: Analysenschema fiir die Bestimmung unpolarer chlororganischer Verbindungen (Chlorinsecticide, PCB u.fi.) in verschiedenen Matrizes [nach W. Sfimmermann, H. Rohleder, F. Korte, Z. Lebensm. Unters.-Forsch. 166, 137- 144 (1978)]

In der Vielfalt moderner analytischer Methoden finden sich auch einige, die sich mit den bisher bespro- chenen Symbolen nur unzureichend darstellen lassen. Ffir diese Ffille werden einige erg/inzende Grundzei- chen vorgeschlagen (Abb. 3). Sie k6nnen mit den anderen Grundzeichen widerspruchsfrei kombiniert werden.

Abgesehen von den festgelegten Grunds/itzen kann das FlieBbild beliebig durch eingezeichnete Detailanga- ben erlfiutert werden, wie z.B. fiber ben6tigte Reagen-

tien und Gerfite, fiber methodische Varianten usw., und es darf ebenso auch auf ein Minimum gekfirzt werden, wie im folgenden gezeigt wird.

3. Anwendung und Ausf'dhrungsbeispiele

Das schematische FlieBbild ist in der angegcbenen Form recht anpassungsffihig und wurde seit fast zwei Jahrzehnten nahezu unverfindert zur sinnffilligen Dar-

H. Rohleder und S. Gorbach: Schematisches FlieBbild fiir die Analytik 347

Pflanzl. und tier. Fette und gle

F e t t r e i c h e s '] b io log isches

M a t e r i a l + --[ s] ~.~

[ Fettarmes I b io log isches Extraktion in Material der 5~ule

I Bbden, [ Sedimente

.

I Papier, i Plastik [

1

Suspension I Extraktions- [ rUckstand

1 ~m-< ~ Hexan-Aceton- [ I b s l i c h e ] !~mp~ l

I ] I F

GPC

l h~her- I molekulare B e g l e i t s t o f f e

Abb. 8. Zusammenfassendes Fliegbild zur Fraktionierung: Analysenschema wie Abb. 7

HPLC

L • Fraktion zur "I -[ Endbestimmung]

Triglyzeride [ u.a. polare ] Verbindungen

GLC

/ \

\ / ECD

stellung analytischer Zusammenhfinge benutzt. Von kurzfristigen Schwierigkeiten bei der Einf/ihrung abge- sehen, hat es sich besonders gut ftir Arbeitsvorschriften im t/iglichen Laborbetrieb bew/ihrt. Ebenso nfitzlich war es aber auch bei der Ausarbeitung von Analysen- verfahren und bei der Zusammenfassung und Vereinfa- chung dieser Analyseng/inge, weil seine Struktur zum Verfolgen der Stoffwege zwingt und Fehlerquellen z.B. mit Bezug auf >>vergessene<< Fraktionen aufdeckt.

3.1. Arbeitsvorschriften. Die fiblichen Niederschriften in geschlossenem Text haben den Nachteil, daB die Suche nach einem Detail recht zeitaufwendig werden kann, weil 1/ingere Passagen abgesucht werden m/Jssen. Demgegenfiber bietet das schematische Fliegbild den Vorteil, die gefragten Einzelheiten >mngetarnt<< zu erkennen, wenn die ben6tigten Reagentien, Ger/ite und Manipulationen bei den einzelnen Analysenschritten in Kurzform notiert sind. Hierzu seien zwei Beispiele angef~hrt (Abb. 4 und 5).

3.2. Analysenverfahren. Manche modernen Methoden wie z. B. kontinuierliche Reaktionen (Autoanalyzer ":), mehrdimensionale Chromatographie u.fi. basieren auf einem komplizierten Netzwerk yon Stoffstr6men. Im schematischen Fliel3bild werden die Zusammenh/inge

klar ersichtlich. Dabei stehen die Stoffstromst/irken als ergfinzende Angaben im Vordergrund (Abb. 6).

3.3. Analysenga'nge. Umfangreichere Analyseng/inge sind oft schwer iiberschaubar. Hier bietet das schemati- sche Fliel3bild eine gute Orientierungshilfe. Je nach dem Grad der Abstraktion kann das Schema auf die wich- tigsten Analysenschritte reduziert werden und dem jeweiligen Zweck entsprechend entweder die Methoden (Abb. 7) oder die Fraktionen (Abb. 8) oder auch beide beschreiben, wie das einleitend gefordert wurde.

Danksagung. Wir danken Herrn Dr. G. Wirzing f(ir wertvolle Diskussionen in den Anf~ngen und Herrn Dr. H. Ostmann ftir Ratschl/ige bei der Abfassung des Manuskripts und ftir das beige- steuerte FlieBbild einer Arbeitsvorschrift zur Bestimmung von was- ser- und neutralcitrat-16slichem Phosphat in Dfingern.

Literatur

1. Malissa, H., Simeonov, V. : Fresenius Z. Anal. Chem. 289, 257- 263 (1978)

2. yon Vogel, H. U.: Arch. Eisenhfittenwes. 22, 31-36 (1951)

Eingegangen am 24. November 1978