Elementanalytik mit AAS, ICP-OES, ICP-MS und ICP-QQQ

Multielementanalytik von wässrigen Proben mittels AAS, ICP-OES (Routineanalytik) bzw. ICP-MS (Spurenanalytik und Bestimmung von Element-Isotopenzusammensetzungen) im Rahmen der nicht-kommerziellen wissenschaftlichen Forschung.

AAS und ICP-OES

Für die Routineanalytik von Elementen in wässrigen Lösungen im Konzentrationsbereich mg/L bis µg/L wird die Atom-Absorptionsspektroskopie (AAS) und die Optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) eingesetzt. Die beiden Verfahren ermöglichen die quantitative Bestimmung fast aller Metalle und auch einiger Nichtmetalle (insgesamt bis zu 70 Elemente) aus angesäuerten, wässerigen Lösungen bis zu einem Gesamtgehalt an gelöster Substanz von ca. 1 g/L.

ICP-MS und ICP-QQQ

Für die Analyse von Spurenelementen sowie der Isotopenzusammensetzung von Elementen in wässrigen Lösungen im Konzentrationsbereich µg/L bis ng/L wird die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung aller Metalle und einiger Nichtmetalle (bis zu 70 Elemente) aus angesäuerten, wässerigen Lösungen bis zu einem Gesamtgehalt an gelöster Substanz von ca. 1 g/L.

LC-ICP-QQQ (Agilent Infinity II 1260 gekoppelt mit Agilent 8900)

Bestimmbare Elemente

Mit diesen Messmethoden können etwa 70 Elemente bis zur Ordnungszahl 83 plus Th und U simultan gemessen werden. Nicht messbar sind C, N, O, Tc, Pm, die Halogene F und Cl und alle Edelgase.

Probenvorbereitung und Messprinzip

Probenentnahme und Probenvorbereitung

Die Probenentnahme und nötige Probenvorbereitung erfolgt durch den Auftraggeber, so dass dem Servicezentrum geeignete wässrige, homogene Probelösungen für die Messung zur Verfügung gestellt werden (siehe auch weiter unten). Die wässrigen Probelösungen werden vom Servicezentrum mit einem 0,45 µm Filter filtriert und mit hochreiner, konzentrierter Salpetersäure auf 1-5 Vol.% angesäuert und in Probenflaschen aus inertem Kunststoff (PE, FEP oder PFA) aufbewahrt, um Elementverluste durch Ausfällung bzw. Adsorption am Gefäßmaterial auszuschließen. Die Proben werden anschließend schnellstmöglich je nach vorhandener Kapazität analysiert.

Messprinzip beim ICP-OES

Bei der ICP-OES Analytik wird die Probenlösung über ein pneumatisches Zerstäubersystem in ein induktiv gekoppeltes Argonplasma eingebracht. Bei einer Temperatur von 6000-8000 K im Plasma werden die Elemente angeregt und ionisiert. Unter Abgabe einer elementspezifischen Strahlung (Wellenlänge) fallen diese dann wieder in ihren Grundzustand zurück, wobei die Wellenlänge (Auflösung im Bereich von 0,005 nm) der emittierten Strahlung elementspezifisch ist. Die quantitative Bestimmung erfolgt auf der Grundlage der Proportionalität von Strahlungsintensität und Elementkonzentration in Kalibrier- und Analyt-Lösungen. Dadurch lassen sich Analyten im mittleren Konzentrations- und Spurenbereich in wässrigen oder Aufschlusslösungen bestimmen.

Messprinzip beim ICP-MS

Bei der ICP-MS Analytik wird die Probenlösung ebenfalls über ein pneumatisches Zerstäubersystem in ein induktiv gekoppeltes Argonplasma eingebracht. Bei einer Temperatur von 6000-8000 K im Plasma werden die Elemente angeregt und ionisiert. Der Ionisationsgrad vieler Elemente beträgt bei diesen Temperaturen mehr als 50%. Die vorliegenden einfach positiv geladenen Ionen gelangen durch zwei Lochblenden (Sampler und Skimmer cone) über ein elektrostatisches Linsensystem in das Hochvakuum des Quadrupol-Massenspektrometers. Durch eine vorgeschaltete Kollisionszelle können bei Bedarf störende Molekülionen abgetrennt werden. Im Quadrupol werden die Ionen bzw. Isotope nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis aufgetrennt und mittels eines empfindlichen ladungssensitiven Detektors (dual mode SEV) nachgewiesen. Die Messsignale auf den einzelnen Isotopen-Massen (Element Lithium-6 bis Uran-238, Auflösung ca. 0,3 amu) werden sequentiell erfasst und mit einem Computer ausgewertet. Zur quantitativen Bestimmung des Elementgehalts einer Lösung wird das Gerät mit Standard-Lösungen bekannten Gehalts kalibriert.

Informationen zur Analyse von Metallen in wässrigen Lösungen mittels ICP-MS

Bei der Abgabe von Proben sollten folgende Dinge beachtet werden:

Die filtrierten Proben sollten in wässriger, klarer Lösung vorliegen
Der Kohlenstoffgehalt (organisch sowie anorganisch) sollte < 1% sein
Die Proben sollten angesäuert sein, dabei bitte konzentrierte Salpetersäure
(65% HNO₃; suprapure Reinheit oder vergleichbar) verwenden (kann zur Verfügung gestellt werden)
Als Probengefäße bitte saubere und trockene Plastikgefäße (s.o.) verwenden, Glasgefäße können zu verfälschten Ergebnissen führen auf Grund von Ausbluten diverser Kationen aus dem Glas
Bitte einen Blank beifügen (enthält alles genau im selben Verhältnis wie die Probe, nur nicht die zu untersuchenden Analyten)

Beispiel Blank: Eine wässrige Waschlösung eines Messingbads (CuZn-Legierung) soll auf Kupfer und Zink untersucht werden.

Die Probe enthält die Lösung nach dem Waschschritt inklusive der zugesetzten Salpetersäure.
Der Blank enthält die Waschlösung vor dem Waschschritt inklusive der zugesetzten Salpetersäure.

Nur wenn beide Proben vorhanden sind, kann durch die Differenz die genaue Menge von Zink und Kupfer bestimmt werden, welche durch den Spülschritt herausgelöst wurden.