Ziel dieser Übung ist es den Gehalt an Kalium eines klassischen NPK-Düngers mittels Flammen-Optischer-Emissions-Spektroskopie (F-OES) zu bestimmen. Nach Aufschluss der Probe soll die erhaltene Probelösung mit einer konventionellen Flammen-AAS im Emissionsmodus untersucht werden. Die Quantifizierung der erzielten Mess-Signale soll durch externe Kalibration mit selbst hergestellten Standardlösungen erfolgen. Der ermittelte Kalium-Gehalt des Düngemittels soll in Masseprozent K2O angegeben werden.
Bei allen Schritten der Probenvorbereitung ist auf eine besonders saubere Durchführung der Arbeiten zu achten. Im Vergleich zu den Übungen aus Gravimetrie und Massanalyse sind die Konzentrationen der bei der Aufarbeitung hergestellten Probelösungen wesentlich geringer, gleichzeitig ist die Gefahr einer Kontamination der Probe mit Verunreinigungen aus der Laborumgebung bzw. den verwendeten Reagenzien größer, sodass bereits kleinste Einträge von unerwünschten Substanzen deutlich größere Auswirkungen auf das Ergebnis zeigen können. Aus diesem Grund sind alle Gegenstände mit denen die Probe in Kontakt kommt aus Kunststoff (Becherglas, Messkolben, Pipette), wodurch der Eintrag von Kalium aus den in Gläsern enthaltenen Alkalimetallen vermieden werden kann.
Für eine erfolgreiche Durchführung der Übung müssen die benötigten Gefäße und Behälter besonders vorgereinigt werden, um etwaige Verunreinigungen, Proben- oder Lösungsrückstande in den Döschen, Kolben, … zu entfernen. Vor der erstmaligen Benutzung wird daher ein zweimaliges Auswaschen aller Gefäße empfohlen. Für eine Grobreinigung bzw. zum Ausspülen von Lösungsresten ist deionisiertes Wasser zu verwenden, abschließend ist immer ein Waschschritt mit einer ~ 1%-igen Salpetersäure (v/v) durchzuführen, welche durch Verdünnen von etwa 10 mL konz. HNO3 (mit Kunststoff-Becherglas abmessen) mit deionisiertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 1 L hergestellt werden kann.
Die Untersuchung des Düngemittels auf den Kalium-Gehalt mittels Flammen-OES erfordert ein Überführen der Probe in eine für das Messgerät geeignete Probelösung. Bei diesem Arbeitsschritt erfolgt gleichzeitig eine Anpassung der Probenmatrix an die Eigenschaften der für die Quantifizierung benutzen Standards. Dies ist notwendig um mögliche Unterschiede zwischen Probelösung und Standard in Bezug auf Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte auszugleichen, welche wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des Probeneintrags und damit auf die Richtigkeit der Analyse haben.
Üblicherweise wird bei F-AAS bzw. F-OES Analysen als Matrix verdünnte Salpetersäure verwendet. Einerseits weil unter diesen Bedingungen die meisten Elemente eine sehr gute Löslichkeit besitzen - wodurch Verluste durch Präzipitation bzw. Adsorption an Oberflächen verhindert werden können. Andererseits sind die während der Trocknung der in die Flamme eingebrachten Probe gebildeten Nitrate thermisch nicht sehr stabil, und können bei erhöhter Temperatur unter Abgabe von NOx einfach zersetzt werden, wodurch sehr leicht die für die Messung erforderliche Atomisierung erreicht werden kann.
Düngemittel enthalten zum Teil hygroskopische Bestandteile, um einen negativen Einfluss eventuell vorhandener Feuchte auf die Analyse zu vermeiden, muss die Probe daher über Nacht in einem Trockenschrank bei 60 °C getrocknet werden. Zur Herstellung der Probelösung wird unter Benutzung der Analysenwaage eine Einwaage von etwa 240 bis 260 mg auf ± 0.1 mg genau in das 50 mL Kunststoff-Becherglas eingewogen. Die vorgelegte Probe wird mit cirka 5 mL konz. Salpetersäure versetzt (Kunststoff-Pipette verwenden) und bei Raumtemperatur unter vorsichtigem Schwenken gelöst. Die erhaltene Lösung wird mit deionisiertem Wasser auf ein Volumen von etwa 50 ml verdünnt, und in einen 100 mL Messkolben übergeführt. Um eventuell im Becherglas verbliebene Tröpfchen an Probelösung erfassen zu können, wird das Becherglas mit zwei Portionen zu je 10 mL deionisiertem Wasser nachgespült, und das Waschwasser jeweils mit der Lösung im 100 mL Messkolben vereinigt. Abschließend wird die Lösung im Messkolben mit deionisiertem Wasser bis zur Marke aufgefüllt, und nach dem Schließen des Kolbens zur Homogenisierung geschüttelt.
Die so hergestellte Probelösung muss für die F-OES Analyse noch mit 1%-iger Salpetersäure (vol/vol) weiterverdünnt werden, dabei kann einerseits der Säuregehalt reduziert, andererseits aber auch die Kalium-Konzentration in den linearen Arbeitsbereich des Messgeräts verschoben werden. Dazu werden 500 µl der Probelösung mit Hilfe der verstellbaren Eppendorf-Kolbenhubpipette (Bereich 0.100 bis 1.000 mL) in einen 25 mL Messkolben überführt, und mit der 1%-igen Salpetersäure (vol/vol) bis zur Marke aufgefüllt.
Die für die Quantifizierung der Probensignale benötigten Kalibrierstandards müssen im Rahmen der Übung selbst hergestellt werden. Dazu soll in einem ersten Schritt eine Kalium-Stammlösung mit einem Gehalt von etwa 300 mg/L hergestellt werden. Nach der Berechnung der für die Herstellung von 250 mL Lösung erforderlichen Menge an KCl wird diese in das dafür vorgesehene Wägedöschen eingewogen. Zwischen der tatsächlichen Einwaage und der theoretisch erforderlichen Masse kann eine geringfügige Abweichung toleriert werden, die Einwaage muss aber auf ± 0.1 mg genau bekannt sein, um die exakte Konzentration der Kalium-Standardlösung rückrechnen zu können. Anschließend wird das eingewogene Salz quantitativ mit deionisiertem Wasser in den 250 mL Messkolben gespült (am Platz befindlichen Kunststoff-trichter Trichter benutzen!), und mit einigen Tropfen verdünnter Salpetersäure versetzt. Nach dem vollständigen Lösen des Salzes kann mit 1%-iger Salpetersäure (vol/vol) bis zur Marke aufgefüllt werden. Vor der erstmaligen Entnahme von Lösung muss der Kalium-Standard noch gut durchmischt werden, um eine ausreichende Homogenisierung der Lösung zu gewährleisten.
In weiterer Folge sind aus dieser Kalium-Stammlösung Verdünnungen mit den Konzentrationen 20.0; 10.0; 5.0 und 2.5 mg/L herzustellen, dazu sollen die im Inventar vorhandenen 50 mL Kunststoff-Messkolben verwendet werden. Im Unterschied zur Verdünnung der Probelösung wird von den Standards ein größeres Volumen benötigt, einerseits weil der 20.0 mg/L Standard auch für die Justierung der Optik benötigt wird, andererseits aber auch weil die Standards mitunter mehrmals gemessen werden müssen. Für das Pipettieren der erforderlichen Volumina an Stammlösung soll die Kolbenhubpipette benutzt werden. Das Auffüllen der Lösungen auf ein Gesamtvolumen auf jeweils 50 mL hat wiederum mit 1%-iger Salpetersäure (vol/vol) zu erfolgen, sodass Probelösung und Standards in derselben Matrix vorliegen. Die Herstellung der Kalium-Standards sollte mit entsprechender Sorgfalt durchgeführt werden, da das Ergebnis der Proben-Analyse unmittelbar von der Qualität der mit den Standards erstellten Kalibrierfunktion abhängt.
Das für die Kalium-Messung zu verwendende Messgerät enthält eine Strahlungsquelle für klassische Absorptionsmessungen, ein System zur Probenzufuhr, einen Strahlengang in der Stockdale Anordnung, sowie einen Monochromator und einen Detektor. Die Strahlungsquelle wird nur für Absorptionsmessungen benötigt und hat die Aufgabe das Linienspektrum des zu bestimmenden Elements mit möglichst hoher Intensität zu erzeugen. Dieser Lichtstrahl wird anschließend abwechselnd durch die Atomisierungseinrichtung und durch den Referenz-Strahlengang geleitet, nach der Isolierung der Messwellenlänge im Monochromator wird mit Hilfe des Detektors die Signalintensität bestimmt. Auf diese Weise kann das Intensitäts-Verhältnis der Strahlung vor und nach der Atomisierungseinrichtung bestimmt werden. Die im iCE 3500 realisierte Führung des aus der Strahlungsquelle emittierten Lichtstrahls entspricht der sogenannten Stockdale Anordnung, nachstehende Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau. Im Unterschied zu Absorptionsmessungen wird im Betriebsmodus Emission keine Strahlungsquelle verwendet, die zu bestimmende Element-spezifische Strahlung entsteht ausschließlich in der Atomisierungseinrichtung beim Verfall von angeregten Zuständen - im Referenz-Strahlengang ist daher kein Signal zu sehen. Aus diesem Grund wird bei Emissionsmessungen immer nur die Intensität der Probe bestimmt, ein wechseln auf den Referenzstrahlengang ist während der Messung nicht erforderlich.
Für die Auftrennung des polychromatischen Emissionsspektrums und der Isolierung der für die Messung benutzten Analysenlinie wird ein Monochromator eingesetzt. Prinzipiell kann sowohl mit klassischen Gitter-Monochromatoren als auch mit modernen Echelle-Monochromatoren die für die Auswahl einzelner Linien erforderliche Auflösung erreicht werden. Im Fall von Gitter-Monochromatoren in der Czerny-Turner Anordnung sind dafür allerdings „relativ große Weglängen“ (Abstände zwischen Spiegel und Gitter) notwendig, sodass Instrumente mit diesem Monochromator-Typ einen hohen Platzbedarf erfordern. Echelle-Monochromatoren kombinieren in der Atomspektrometrie die Vorteile einer sehr kompakten Bauweise mit hohem Lichtdurchsatz bei sehr guter optischer Auflösung. Durch die Kombination eines Echellegitters (Aufspaltung des Lichtes in seine Beugungsordnungen) mit einem Prisma (Aufspaltung der Beugungsordnungen in die Wellenlängen) ergibt sich ein zweidimensionales Abbild des Spektrums, welches bei geeigneter Wahl des Detektors (Halbleiterdetektor mit Segmentierung der lichtempfindlichen Bereiche) eine simultane Erfassung mehrerer Wellenlängen zulässt. Der schematische Aufbau des im iCE 3500 verwendeten Echelle-Monochromators ist in der nachstehenden Abbildung 2 dargestellt.
Im Unterschied zur Multi-Element-Analyse mittels ICP-OES erlauben sowohl F-AAS als auch F-OES nur die Bestimmung eines Elements per Messung. Bei diesen Geräten ist daher weder eine simultane Messung des gesamten Spektrums noch die Verwendung hochauflösenden Optiken zur Isolierung eng benachbarter Linien notwendig. Auf Grund der deutlich reduzierten Anzahl an Linien und der wesentlich größeren Abstände zwischen den einzelnen Linien wird im Fall von F-AAS bzw. F-OES Messungen eine Kombination aus Austritts-Spalt und Photomultiplier zur Detektion von schmalen Wellenlängenbereichen anstelle einzelner Linien verwendet. Um eine ungestörte F-AAS bzw. F-OES Messung zu ermöglichen muss lediglich gewährleistet sein, dass in dem beobachteten Wellenlängen-Bereich keine andere Absorptionslinie (AAS) bzw. Emissionslinie (OES) vorliegt. In der Praxis wird die Bandbreite des zum Detektor durchgelassenen Wellenlängenbereichs durch die Breite des Austrittsspalts bestimmt. In Abhängigkeit von der benutzten Analysen-Linie kann die Bandbreite zwischen 200 pm, 500 pm und 1000 nm variiert werden, im Fall von eng beisammen liegenden Linien muss beispielsweise ein sehr kleiner Austrittsspalt gewählt werden, während bei ausreichend getrennten Linien ein größerer Austrittspalt verwendet werden kann. Die nachstehende Abbildung 3 verdeutlicht nochmals, dass bei der Messung der Standards und Proben nicht nur eine einzelne Wellenlänge (Analysenlinie) sondern ein durch die Spaltbreite bestimmter Wellenlängenbereich untersucht wird.
Grundsätzlich wird das Messgerät durch einen Assistenten oder Tutor in Betrieb genommen, vor Beginn der Messungen sollten gemeinsam mit dem Betreuer folgende Punkte überprüft werden:
Die Flamme kann gezündet werden sobald all diese Vorbedingungen erfüllt sind. Nach erfolgreichem Zünden – also wenn die Flamme gleichmäßig brennt - soll das aus Zerstäuber und Brenner bestehende Proben-Zufuhrsystem zur Reinigung mit verd. Salpetersäure gespült werden, dazu muss die Ansaugleitung des Zerstäubers in den mit ausreichend 1%-iger HNO3 gefülltem Kunststoff-Behälter gehalten werden.
Bevor die Kalium-Standards und die einzelnen Proben gemessen werden können, muss die Optik des Spektrometers justiert werden, das bedeutet die Optik muss auf die für die Bestimmung des zu untersuchenden Elements erforderliche Wellenlänge bzw. Spaltbreite eingestellt werden. Im Unterschied zur Atomabsorptionsspektroskopie wird bei der Emissionsanalyse keine Strahlungsquelle verwendet, es ist daher nicht möglich die von der Lampe emittierte Strahlung zur Justierung der Optik zu verwenden. Um eine Einstellung von Wellenlänge und Spaltbreite zu ermöglichen, muss daher auf anderem Wege das Linien-Spektrum des Analyten erzeugt und in den Strahlengang des Spektrometers eingeleitet werden. In der Praxis wird dazu eine ausreichend konzentrierte Standardlösung des zu bestimmenden Elements in die Flamme eingebracht, dabei kommt es zur Atomisierung und Anregung des Analyten, und beim Verfall der angeregten Zustände wird das für dieses Element spezifische Linienspektrum – und damit auch die benötigte Messlinie – emittiert. Die Selektion der Wellenlänge (durch Variation der Gitterposition) und die Optimierung der Signalintensität am Detektor (Einstellung der Verstärkerspannung am Photomultiplier) erfolgt anhand der Emission der Standardlösung.
Beim iCE 3500 erfolgt die Justierung der Optik automatisch vor Beginn jeder Messreihe – sofort nach dem Start der Mess-Sequenz erfolgt die Aufforderung eine für die Optimierung der Optik geeignete Standardlösung in die Flamme einzubringen. Im Rahmen der Übung soll dazu die Standardlösung mit der höchsten Konzentration (20 mg/L) verwendet werden, anhand dieser wird dann die Position des Echelle-Gitters optimiert und die erforderliche Verstärkerspannung des Detektors bestimmt. Da die anderen Standards und auch die Proben geringere Konzentrationen aufweisen, kann eine für die Lebensdauer des Photomultipliers unnötige Überbelastung mit zu hohen Signalintensitäten vermieden werden. Nach erfolgreicher Justierung der Optik ist das Gerät für mindesten 60 Sekunden mit 1%-iger Salpetersäure zu spülen, erst nachdem Ansaugleitung, Zerstäuber und Sprühkammer von letzten Resten der Standardlösung gereinigt wurden, kann mit dem nächsten Schritt der Mess-Sequenz fortgefahren werden.
Mit Hilfe der hergestellten Standardlösungen muss für das zu analysierende Element eine Kalibrierfunktion für die Auswertung der Probensignale erstellt werden. Dazu ist es notwendig die Emission einer Blindwertlösung (1%-ige HNO3) sowie der 4 Kalium-Standardlösungen bekannter Konzentration zu ermitteln. Der Aufruf zur Messung der Standards erfolgt automatisch nach der Justierung der Optik. Zur Messung der einzelnen Standards muss nacheinander die Ansaugleitung des Zerstäubers in die entsprechenden Lösungen gehalten werden. Um etwaige Memory-Effekte zu vermeiden, wird mit der Standardlösung mit der geringsten Konzentration begonnen, in weiterer Folge werden dann die übrigen Standards mit ansteigenden Konzentrationen gemessen. Von jeder Standardlösung werden vier Wiederhol-Messungen (Replicates) durchgeführt, die Ergebnisse dieser Einzelmessungen sowie der daraus berechnete Mittelwert inklusive der erzielten Standardabweichung (als Maß für die Reproduzierbarkeit der Messung) werden im Fenster Ergebnisse angezeigt.
Aus den gemessenen Signalintensitäten und den in der Methode vorgegebenen Konzentrationen der Standards wird automatisch die Kalibrierfunktion berechnet (aus diesem Grund sollten die tatsächlichen Konzentrationen mit den in der Methode/Arbeitsvorschrift angeführten Sollwerten möglichst ident sein). Bei korrekt hergestellten Standards sollte sich zwischen gemessener Strahlungs-Intensität und der Kalium-Konzentration der Standards ein linearer Zusammenhang ergeben. Sollte das Bestimmtheitsmaß einen vorgegebenen Wert (r2 > 0.99) nicht erreichen, so wird automatisch auf eventuelle „Ausreißer“ geprüft und deren Elimination vorgeschlagen. Sollte es keine offensichtlichen „Ausreißer“ geben so ist die Messung der Standards bis zum Erreichen einer „zufriedenstellenden Kalibrierfunktion“ zu wiederholen. Wenn bei der Herstellung der Standards Fehler aufgetreten sind, so müssen die entsprechenden Verdünnungen neu hergestellt, und die gesamte Kalibration nochmals gemessen werden.
Unmittelbar im Anschluss an die Kalibrierung erfolgt die Messung der Proben, um eine unverfälschte Messung zu ermöglichen sollte nach der Analyse des letzten Standards mit der höchsten Kalium-Konzentration das System mit 1%-iger HNO3 gespült werden. Dies ist insbesondere wichtig wenn Proben mit sehr geringem Gehalt an Analyt gemessen werden sollen. Die Reihenfolge der Proben ist grundsätzlich ohne Bedeutung, beste Ergebnisse können erreicht werden wenn das System nach jeder Probe mit verdünnter Salpetersäure gespült wird. Nach Abschluss aller Messungen (Standards und Proben) werden durch den Tutor das Messgerät außer Betrieb genommen und die Gasversorgung abgedreht. Nach dem Export der erzielten Ergebnisse als TXT-File wird durch die Studenten das verwendete Platzinventar gereinigt und an die Laboranten bzw. Tutoren zurückgegeben.
Aus den erzielten Mess-Signalen werden unmittelbar nach der Messung unter Verwendung der erstellten Kalibrierfunktionen die Kalium-Konzentrationen der untersuchten Probelösungen berechnet. Sollte die Konzentration der ursprünglich hergestellten Kalium-Stammlösung deutlich von 300.0 mg/L abweichen, so müssen die Ergebnisse der Analyse mit Hilfe der tatsächlichen Standard-Konzentrationen nachträglich korrigiert werden. Abschließend kann unter Berücksichtigung der in der Probenvorbereitung durchgeführten Schritte (Einwaage an fester Probe, Verdünnungsfaktor) aus diesen Ergebnissen der Gehalt an Kalium im Düngemittel in % K2O berechnet werden.
Deionisiertes Wasser Konzentrierte Salpetersäure 1.0%-ige Salpetersäure (selbst herzustellen) Kaliumchlorid
1 Wägedöschen 1 Becherglas 50 mL Kunststoff 2 Kunststoff-Spritzflaschen 500 mL 1 250 ml Messkolben Kunststoff 3 Stück 100 mL Messkolben Kunststoff 4 Stück 50 ml Messkolben Kunststoff 3 Stück 25 ml Messkolben Kunststoff 1 Kunststoff-Trichter 1 Eppendorf Kolbenhubpipette 100 – 1000 µL 1 Vorrats-Box mit Pipettenspitzen 1 5 ml Kunststoff-Tropfpipette
Vorlesungsunterlagen Analytische Chemie II:
Bookshelf Epina: „Teach/Me”: Instrumentelle Analytik
Apparative Anordnung bzw. Aufbau des iCE 3500.
Bei der Durchführung von Absorptionsmessungen steht zusätzlich zur Element-spezifischen Strahlungsquelle (z.B: Hohlkathodenlampe) eine Deuterium-Lampe zur Korrektur der unspezifischen Untergrundabsorption zur Verfügung.