Stand: 02.10.2007

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LHL

Abb.1

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Selenbestimmung in Pflanzen und Futtermitteln mit Hydrid-Graphitrohr-AA

Wiegand, A., Ellinghaus, R., HDLGN - LUFA Kassel (heute: LHL - Abt.VI)
Postervortrag VDLUFA-Kongress 2001, Berlin (Zusammenfassung)

Einführung

Bei der atomabsorptionsspektrometrischen Selenbestimmung im Graphitrohrofen (GF) nach Hydridgenerierung (HG) ist die zentrale Idee das Beschichten der Graphitrohre mit Iridium, das Selen quantitativ anreichern kann, was niedrigere Bestimmungsgrenzen als in der klassischen Hydrid-AAS eröffnet.
Die heute gängige Technik der HG führt Probe und Reagenzien über Fließinjektion (FI) zusammen, daneben hält sich die ältere Batch-Technik. Beide Verfahren haben Stärken, das erste bietet Automatisierbarkeit und den Einsatz sehr kleiner Probenvolumina, das zweite einen der Kinetik der Hydridbildung angepassteren Ablauf und den Einsatz relativ großer Volumina. Der Markt bietet z.Z. FI- und Batch-HG-AA-Spektrometer mit klassischer Atomisierung via H₂Se und FI-HG-GF-AA-Spektrometer mit Atomisierung via Ir_xSe_y.
Klassische FI-HG-AAS setzte bisher auch die LUFA Kassel in der Selenanalytik von Futtermitteln und Aufwuchs ein. Besonders bei Futtermitteln ist die Bestimmung oft nicht einfach und erfordert Auswertungen über Standardadditionen. Da die Bestimmungsgrenzen der FI-HG-AAS oft nicht zulassen, Matrixprobleme über Verdünnungen zu minimieren oder auch native Gehalte von Aufwuchs zu bestimmen, wurde die nachweisstärkere HG-GF-Kopplung unter Einsatz vorhandener Messeinrichtungen und einer eigenen Komponente adaptiert und ihre Einsatzfahigkeit auch im Vergleich zur FI-HG-AAS geprüft.

HG-GF-Kopplung

Als Hydridgenerator fungierte ein PE FIAS 400, als Spektrometer ein PE 4100 ZL. Die Kopplung ist nach Anpassung der zeitlichen Abläufe direkt möglich, die apparative Schnittstelle ist normalerweise der Gas-Flüssigkeits-Separator des FIAS. Hier jedoch wurde die Kopplung entscheidend modifiziert.
Auf Grund von Volumenproblemen mit dem kommerziell verfügbaren Separator schon in der klassischen FI-Arbeitsweise, was bereits früher in die Konstruktion eines eigenen großvolumigeren Separators mündete, und positiven Erfahrungen im Einsatz dieses eigenen Separators als Batch-Reaktor in der Quecksilber-AAS mit Amalgamtechnik wurde ein neuer Typ Batch-Reaktor (s. Abb.1) konstruiert und an der Schnittstelle zum Spektrometer platziert. Der Prototyp mit Schraubdeckel ist aus Plexiglas gefertigt und hat rund 40ml Inhalt.
Das FI-System dient in diesem Aufbau nur noch der automatisierten Zuführung von Probe, Reagenzien und Trägergas, Hydrierung und Gas-Flüssigkeits-Separation erfolgen im diskontinuierlich arbeitenden Batch-Reaktor. Mit diesem FI-HG-GF-AAS, das eigentlich ein automatisiertes Batch-HG-GF-AAS ist, ist es gelungen, die höhere Nachweisstärke der HG-GF-AAS gegenüber der HG-AAS und die o.g. Stärken der FI- und der Batch-Technik zu vereinen.

Abb. 1  Batch-Reaktor

Analytik und Statistische Kenndaten

Probenvorbereitung:  Mikrowellen-Druckextraktion (0,5 g Probe, 3 ml HNO₃ (w = 65 %), 2 ml H₂O₂ (w = 30 %); 4 min: 250 W / 2 min: 0 W / 1,5 min: 250 W / 2 min: 400W / 5 min: 850 W / 1 min: 250 W), Endvolumen Extrakt (mit H₂O): 25 ml

Vorreduktion:  2,5 ml Extrakt, 2 ml HCl (w: s.u.), Wasserbad (Temp./Dauer: s.u.), Endvolumen Messlösung (mit H₂O): 10 ml
HCl-Konzentrationsvarianten: w(HCl) = a) 25 %, b) 32 %, c) 37 %
Erhitzungsvarianten: d) 70 °C / 60 min, e) 80 °C / 25 min
geeignet: bd, cd, be, ce; favorisiert wegen Arbeitssicherheit und Zeitbedarf: be; weniger geeignet, da Eignung matrixabhängig: ad, ae

Messung FI-HG-AAS:  Perkin-Elmer HG FIAS 400, Perkin-Elmer-AAS 4100 (Quarzküvette (Atomisierung: 900°C))
Kalibrierung (0,5-10 µg/l, 500 µl-Schlaufe, NaBH₄ (w = 0,2 % in 0,05 m NaOH), HCl (w = 3 %)): linear (y = 1,009x - 0,062), r² = 0,9983, s(V_r) (rel. Verfahrensstandardabw.) = 2,8 %
Bestimmungsgrenze (BG) (aus Kalibrierung): 0,5 µg/L; BG (Leerwertmethode): 0,2 µg/L
Messart bei Futtermitteln: Standardaddition, bei Aufwuchs: gegen wässrige säurematrixangepasste Rekalibrierstandards

Messung FI-HG-GF-AAS:  PE-HG FIAS 400 m. Batch-Reaktor (90sec Austrieb / GF-Anreicherung), PE-AAS 4100 ZL (Plattform m. Ir) (Atomisierung: 2000 °C))
Kalibrierung (0,5-10 µg/l, 200 µl-Schlaufe, Reagenzien wie FI-HG-AAS): linear (y = 1,064x - 0,020), r² = 0,9990, s(V_r) = 2,2 %
BG (aus Kalibrierung): 0,5 µg/l; BG (Leerwertmethode): 0,2 µg/l
Kalibrierung (0,05-1 µg/l, 2 ml-Schlaufe, Reagenzien wie FI-HG-AAS): linear (y = 1,0020x - 0,013), r² = 0,9991, s(V_r) = 1,9 %
BG (aus Kalibrierung): 0,05 µg/l; BG (Leerwertmethode): 0,02 µg/l
Messart bei Aufwuchs und Futtermitteln: gegen wässrige säurematrixangepasste Rekalibrierstandards
 

Abb. 2  FI-HG-GF-AAS

Ergebnisse

Eine Validierung der Eignung der FI-HG-GF-AAS erfolgte über 2 NIST-Standards (1515 Apfelblätter, 1568 Reismehl) in je 4 Parallelen.

Tab.1 / Ergebnisse bei zertifizierten Referenzmaterialien

Das Kriterium für eine hinreichend genaue Bestimmung (-u<m-µ<+u) mit der Nebenbedingung (s<u) wird erfüllt. Mit NIST 1515 wurde auch eine erfolgreiche Validierung der Konstanz über 2 Jahre durchgeführt (n = 14, m = 0,050, s = 0,003).

Eine Prüfung auf Gleichwertigkeit zur FI-HG-AAS für kongruente Messbereiche erfolgte an 20 Futtermittel- (4-fach) und 15 Grasproben aus Se-Düngungsversuchen (6-fach) mittels Mittelwertdifferenzentests. Tab. 2 zeigt auszugsweise (7 Futtermittel) Ergebnisse (m = mittl. Gehalte, s = Standardabw., Wf = mittl. Wiederfindungen d. Standardaddition).

Tab. 2 / Selenbestimmungen in Futtermitteln a) FI-HG-AAS / b) FI-HG-GF-AAS

Prüfung auf Gleichwertigkeit der Verfahren a und b mittels Differenzentest (n = 20) :

1. Mittelwert (x_D) der Differenzen der mittleren Gehalte (Spalten 2 minus 5) = 0,025 mg/kg

2. Standardabweichung (s_D) der Differenzen der mittleren Gehalte = 0,093 mg/kg

3. Prüfung mittels t-Test, ob x_D signifikant von Null verschieden ist :

Prüfgröße: t_P = Ix_DI / s_D • n^1/2 = 1,20  /  Vergleichsgröße: t_V (P = 95 %) = 2,09

t_P < t_V , d.h. x_D ist nicht signifikant von Null verschieden,
 d.h. die Verfahren a und b sind gleichwertig!

FI-HG-GF-AAS und FI-HG-AAS sind also oberhalb 0,2 mg/kg (1 µg/l) - auch an den Grasproben bestätigt - signifikant gleichwertig. Die Wiederholpräzisionen der FI-HG-GF-AAS (i.d.R.<5 %) erwiesen sich leicht besser als die der FI-HG-AAS (i.d.R.<10 %). 
Gute Wiederholpräzisionen von i.d.R. <10 % zeigt die FI-HG-GF-AAS auch unterhalb 0,04 mg/kg (0,2 µg/l), der Bestimmungsgrenze der FI-HG-AAS. Dies wurde an Grasproben mit Normalgehalten sowie Verdünnungen gefunden. Zur Richtigkeit <0,2 µg/l kann ausgesagt werden, dass Vergleiche unverdünnt / verdünnt gut übereinstimmen. Ein zertifizierter matrixgeeigneter Standard wird noch gesucht.

Alle Futtermittel- und Grasanalysen wurden zunächst über Standardadditionen ausgewertet. Das erwies sich für die Gräser in beiden Messtechniken als unnötig, die Wiederfindungen lagen bei rund 100 %. Die Spalten 4 und 7 der Tab. 2 zeigen, dass dies bei Futtermitteln nur die FI-HG-GF-AAS bietet, ein großer praktischer Vorteil, den die Reaktionskinetik des Batch-Modus möglich macht.

Die Redoxpotentiale zwischen den Selenoxidationsstufen und dem Paar 2H^(-)/ H₂ sind indes durch das neue Verfahren nicht zu beeinflussen. Dies ergaben ergänzende Versuche mit Selenit und Selenat. Ohne Vorreduktion fanden beide Messtechniken kein Selen für beide Salze nach Aufschluss und für letzteres nach reinem Lösen, volle Wiederfindung gab es jeweils nach Vorreduktion.

Zusammenfassung

Die LUFA Kassel konstruierte für die Selenanalytik in Futtermitteln und Pflanzen aus einem Fließinjektionsautomaten zur Hydridgenerierung, einem eigenproduzierten Batch-Reaktor und einem Graphitrohr-Atomabsorptionsspektrometer eine neue Variante eines FI-HG-GF-AAS, das auch als automatisiertes Batch-HG-GF-AAS bezeichnet werden kann.

Die experimentellen Erfahrungen lassen folgende zentralen Aussagen zu :

1. Die FI-HG-GF-AAS ist grundsätzlich für die Selenanalytik in den anvisierten Matrices geeignet.
    

2. Die FI-HG-GF-AAS ist ca. 10fach nachweisstärker als die klassische FI-HG-AAS. Ihre Bestimmungsgrenze liegt bei 0,02 µg/l. Der Batch-Reaktor bietet ggfls. zusätzlich eine ca. 10fach höhere Probendosierung.
    

3. Für kongruente Arbeitsbereiche – geprüft: 1-20 µg/l - sind die Ergebnisse der FI-HG-GF-AAS und FI-HG-AAS statistisch signifikant gleichwertig.
    

4. Im Batch-Reaktor ist die Hydridbildung gegenüber der FI-HG-AAS so vollständig, dass auf Standardadditionen bei Futtermitteln verzichtet werden kann. Verzicht auf Standardaddition hat natürlich bei allen Hydridgeneratoren, auch dem vorgestellten, seine Grenzen, wo bekanntermaßen Matrixelemente Selen irreversibel binden.
    

5. Mit der FI-HG-GF-AAS kann auch mit Batch-Reaktor wie bei der FI-HG-AAS nicht auf die übliche Vorreduktion des Se^VI zum Se ^IV verzichtet werden.