Aufbereitung von Lebensmittelproben mittels Homogenisierung und mikrowellenunterstütztem Nasssäureaufschluss zur Multielementbestimmung mit ICP-MS

Zusammenfassung

Das vorgestellte Protokoll beschreibt die Probenhomogenisierung mit einem Labormischer, den Säureaufschluss von Lebensmittelproben mit einem Gemisch aus 68 Gew.-% HNO₃ und 30 Gew.-% H₂O₂ mittels mikrowellengestütztem Nasssäureaufschluss und die Multielementbestimmung mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie.

Zusammenfassung

Die Probenvorbereitung ist für die Elementbestimmung von entscheidender Bedeutung, und es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, von denen eine eine Homogenisierung mit anschließendem Säureaufschluss beinhaltet. Besondere Sorgfalt ist bei der Probenhandhabung in der Vorbereitungsphase erforderlich, um potenzielle Kontaminationen und Analytverluste zu eliminieren oder zu minimieren. Die Homogenisierung ist ein Prozess, der gleichzeitig die Partikelgröße reduziert und die Probenbestandteile gleichmäßig verteilt. Nach der Homogenisierung wird die Probe einem Säureaufschluss unterzogen, bei dem sie mit Säuren und Hilfschemikalien bei erhöhten Temperaturen aufgeschlossen wird, wodurch feste Proben in einen flüssigen Zustand überführt werden. Dabei reagieren Metalle in der Originalprobe mit Säuren zu wasserlöslichen Salzen. Proben, die durch Säureaufschluss hergestellt wurden, eignen sich für die Elementaranalyse mit Techniken wie Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, optischer Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma, Atomabsorptionsspektroskopie, elektrochemischen Methoden und anderen Analysetechniken. Diese Arbeit beschreibt die Vorbereitung von Lebensmittelproben für die Multielementbestimmung mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma. Das schrittweise Verfahren umfasst den Homogenisierungsprozess mit einem Labormischer mit Keramikschaufeln, gefolgt von einem Säureaufschluss in geschlossenen Gefäßen mit mikrowellenunterstütztem Nasssäureaufschluss. Als Hilfsreagenz dient eine Mischung aus 5,0 ml 68 Gew.-% HNO₃ und 1,0 ml 30 Gew.-% H_2O2. In diesem Leitfaden werden die Prozesse in beiden Phasen erläutert.

Einleitung

Die Elementaranalyse ist ein analytisches Verfahren zur Bestimmung der elementaren Zusammensetzung verschiedener Proben. Es kann verwendet werden, um die Aufnahme von Metallen in den menschlichen Körper (insbesondere Schwermetalle¹) zu kontrollieren, da ihre hohen Konzentrationen unerwünschte Gesundheitsprobleme verursachen können. Schwermetalle sind auch eine der wichtigsten Umweltschadstoffe, daher ist eine Kontrolle ihres Vorhandenseins in der Umwelt notwendig². Darüber hinaus kann die Elementaranalyse zur Bestimmung der geografischen Herkunft von Lebensmitteln³ und zur Kontrolle der Qualität von Nahrungs- und Wasserressourcen⁴ eingesetzt werden. Darüber hinaus wird es zur Bestimmung von Mikro- und Makronährstoffen in Böden⁵ und zur Gewinnung von Erkenntnissen über geologische Prozesse im Laufe der Geschichte durch die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Mineralien und Sedimenten⁶ eingesetzt. Es wurden auch Studien durchgeführt, um das Vorhandensein seltener Metalle in Elektro- und Elektronikschrott für die weitere Metallregeneration^{zu bestimmen 7}, den Erfolg medikamentöser Behandlungen^{zu bewerten 8} und die elementare Zusammensetzung von Metallimplantaten zu überprüfen⁹.

Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) und die optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) sind häufig verwendete Techniken für die Elementaranalyse verschiedener Proben¹⁰. Sie ermöglichen die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Elemente mit Nachweisgrenzen (LOD) und Bestimmungsgrenzen (LOQ) von bis zu ng/L. Im Allgemeinen hat ICP-MS niedrigere LOD-Werte¹¹ und einen breiteren linearen Konzentrationsbereich im Vergleich zu ICP-OES¹². Andere Techniken zur Bestimmung der Elementzusammensetzung sind die mikrowelleninduzierte optische Plasmaemissionsspektrometrie¹³ und mehrere Varianten der Atomabsorptionsspektroskopie (AAS), einschließlich der Flammenatomabsorptionsspektroskopie, der elektrothermischen Atomabsorptionsspektroskopie², der Kaltdampf-Atomabsorptionsspektroskopie und der Atomabsorptionsspektroskopie der Hydriderzeugung¹⁴. Darüber hinaus ist die Elementbestimmung mit niedriger LOD und LOQ mit verschiedenen elektroanalytischen Methoden möglich, insbesondere mit der anodischen Stripping-Voltammetrie^15,16. Natürlich gibt es andere Methoden, um die elementare Zusammensetzung von Proben zu bestimmen, aber sie werden nicht so häufig eingesetzt wie die oben genannten Methoden.

Die direkte Elementbestimmung von festen Proben ist mit laserinduzierter Breakdown-Spektroskopie und Röntgenfluoreszenz^{möglich 17}. Für die Elementbestimmung mit ICP-MS, ICP-OES und AAS ist es jedoch notwendig, feste Proben in einen flüssigen Zustand zu überführen. Zu diesem Zweck wird der Säureaufschluss mit Säuren und Hilfsreagenzien (in den meisten Fällen H₂O₂) durchgeführt. Der Säureaufschluss wird bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck durchgeführt, wobei der organische Teil der Probe in gasförmige Produkte umgewandelt und die Metallelemente in wasserlösliche Salze umgewandelt werden, wodurch sie in der Lösung¹⁸ gelöst werden.

Es gibt zwei Haupttypen des Säureaufschlusses, den Aufschluss mit offenen Gefäßen und den Aufschluss mit geschlossenen Gefäßen. Der Aufschluss mit offenem Gefäß ist kostengünstig¹⁴ , hat aber Einschränkungen, wie z. B. die maximale Aufschlusstemperatur, die mit der Siedetemperatur von Säuren bei atmosphärischem Druck zusammenfällt. Die Probe kann auf Heizplatten, Heizblöcken, Wasserbädern, Sandbädern² und Mikrowellen¹⁹ erhitzt werden. Durch Erhitzen der Probe auf diese Weise geht ein Großteil der erzeugten Wärme an die Umgebung²⁰ verloren, wodurch sich die Aufschlusszeit¹⁴ verlängert. Weitere Nachteile des Aufschlusses in offenen Gefäßen sind ein höherer Chemikalienverbrauch, die größere Möglichkeit einer Kontamination aus der Umgebung und ein möglicher Verlust von Analyten aufgrund der Bildung flüchtiger Komponenten und deren Verdunstung aus dem Reaktionsgemisch²¹.

Geschlossene Gefäßsysteme sind für den Aufschluss organischer und anorganischer Proben bequemer als Systeme mit offenen Gefäßen. Systeme mit geschlossenen Gefäßen nutzen eine Vielzahl von Energiequellen zum Erhitzen der Proben, wie z. B. Konduktionsheizung und Mikrowellen²². Aufschlussverfahren, bei denen Mikrowellen verwendet werden, umfassen mikrowelleninduzierte Verbrennung²³, Einzelreaktionskammersysteme²⁴ und den häufig verwendeten mikrowellenunterstützten Nasssäureaufschluss (MAWD)^25,26. MAWD ermöglicht den Aufschluss bei höheren Betriebstemperaturen zwischen 220 °C und 260 °C und maximalen Drücken von bis zu 200 bar, abhängig von den Arbeitsbedingungen des Geräts²⁷.

Die Effizienz und die Rate der MAWD hängen von mehreren Faktoren ab, darunter die chemische Zusammensetzung der Proben, die maximale Temperatur, der Temperaturgradient, der Druck im Reaktionsgefäß, die Menge der zugesetzten Säuren und die Konzentration der verwendeten Säuren²⁸. Bei MAWD kann aufgrund der erhöhten Reaktionsbedingungen im Vergleich zu länger anhaltenden Aufschlüssen in offenen Gefäßsystemen ein vollständiger Säureaufschluss in wenigen Minuten erreicht werden. In MAWD sind geringere Mengen und Konzentrationen von Säuren erforderlich, was den aktuellen Richtlinien für grüne Chemie^{entspricht 29}. Bei MAWD wird im Vergleich zum Aufschluss mit offenen Gefäßen eine geringere Probenmenge benötigt, um einen Säureaufschluss durchzuführen, normalerweise reichen bis zu 500 mg Probe aus 30,31,32. Größere Probenmengen können verdaut werden, erfordern jedoch eine größere Menge an Chemikalien.

Da das Gerät für MAWD die Reaktionsbedingungen automatisch steuert und die Person während des Erhitzens nicht in direkten Kontakt mit den Chemikalien kommt, ist MAWD sicherer zu bedienen als Aufschlüsse mit offenen Gefäßen. Die Person sollte jedoch immer vorsichtig vorgehen, wenn sie Chemikalien in die Reaktionsgefäße gibt, um zu verhindern, dass sie mit dem Körper in Kontakt kommen und Schaden anrichten. Reaktionsgefäße müssen auch langsam geöffnet werden, da sich der Druck in ihnen während der Säureverdauung aufbaut.

Obwohl der Säureaufschluss eine nützliche Technik zur Vorbereitung von Proben für die Elementbestimmung ist, sollte sich die Person, die ihn durchführt, seiner möglichen Grenzen bewusst sein. Der Säureaufschluss ist möglicherweise nicht für alle Proben geeignet, insbesondere für solche mit komplexen Matrices und solche, die hochreaktiv sind oder explosiv reagieren könnten. Daher sollte die Probenzusammensetzung immer bewertet werden, um die geeigneten Chemikalien und Reaktionsbedingungen für einen vollständigen Aufschluss auszuwählen, der alle gewünschten Elemente in der Lösung auflöst. Weitere Bedenken, die der Anwender berücksichtigen und angehen muss, sind Verunreinigungen und der Verlust von Analyten bei jedem Schritt der Probenvorbereitung. Der Säureaufschluss muss immer nach bestimmten Regeln oder unter Verwendung von Protokollen durchgeführt werden.

Das unten beschriebene Protokoll enthält Anweisungen für die Homogenisierung von Lebensmittelproben in einem Labormischer, ein Verfahren zum Reinigen der Komponenten des Mischers, zum ordnungsgemäßen Wiegen der Probe, zum Hinzufügen von Chemikalien, zum Durchführen eines Säureaufschlusses durch MAWD, zum Reinigen der Reaktionsgefäße nach Abschluss des Aufschlusses, zum Vorbereiten der Proben für die Elementbestimmung und zur Durchführung einer quantitativen Multielementbestimmung mit ICP-MS. Wenn man die folgenden Anweisungen befolgt, sollte man in der Lage sein, eine Probe vorzubereiten, die für die Elementbestimmung geeignet ist, und die Messungen von aufgeschlossenen Proben durchzuführen.

Protokoll

1. Homogenisierung der Probe

1. Schneiden Sie die Lebensmittelproben (Brokkoli, Pilze, Würstchen und Nudeln) mit einem sauberen Keramikmesser manuell in kleinere Stücke, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Bereiten Sie genügend Proben für mindestens 6 Wiederholungen des Säureaufschlusses vor (stellen Sie sicher, dass die Mindestmasse der getrockneten Proben 1500 mg beträgt).
   Anmerkungen: Durch Vergrößern der Oberfläche der Probe wird ein größerer Teil der Probe der erwärmten Umgebungsluft ausgesetzt, wodurch die Verdunstungsrate des Wassers erhöht wird.
2. Die Probe wird in ein 250-ml-Glasbecherglas gegeben und bei 105 °C mit einem Trockner auf ein konstantes Gewicht getrocknet.
3. Nehmen Sie das Glasbecherglas mit der Probe aus dem Trockner und setzen Sie es in den Exsikkator ein.
4. Lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen.
   HINWEIS: Die Proben müssen bei einer konstanten Temperatur gewogen werden, um sicherzustellen, dass das Gewicht die Masse genau widerspiegelt. Temperaturschwankungen können das Volumen und die Dichte der gemessenen Proben beeinflussen.
5. Öffnen Sie den Exsikkator und geben Sie den Glasbecher mit der Probe auf die Analysenwaage. Messen Sie das Gewicht des Glasbechers mit der Probe.
6. Nachdem das Wiegen abgeschlossen ist, geben Sie die Probe wieder in den Trockner.
   HINWEIS: Wenn die Probe während des Trocknens stark geschrumpft ist, kann man sie mit einem Kunststoffspatel in ein kleineres Glasbecherglas umfüllen, um das Wiegen bequemer zu gestalten.
7. Wiederholen Sie den Vorgang wie in den Schritten 1.3-1.6 beschrieben, bis ein konstantes Gewicht der Probe erreicht ist.
8. Die getrocknete heterogene Probe wird in den Mischbecher gegeben (siehe Materialtabelle) und darauf geachtet, dass sie das maximale Volumen des Mischbechers nicht überschreitet.
9. Setzen Sie den Mischbecher in den Mischer ein, und schließen Sie die Schutztür (Abbildung 1).
10. Drücken Sie die Starttaste , um die Klingen zum Mahlen und Mischen der Probe zu aktivieren.
11. Führen Sie das Mahlen durch, bis sich die Probe in ein feines Pulver oder eine homogene Paste verwandelt. Um ein solches Produkt zu erhalten, wiederholen Sie den Schleifvorgang mehrmals.
12. Wenn die Probe homogenisiert ist, schalten Sie den Mischer aus, öffnen Sie die Schutztür und entfernen Sie den Mischbecher.
13. Nehmen Sie die homogenisierte Probe aus dem Mischbecher und geben Sie sie mit einem sauberen Kunststoffspatel in ein sauberes 50-ml-Glasbecherglas (Abbildung 2).
    HINWEIS: Wenn die Probe zu hart ist und möglicherweise die Komponenten des Mischers, wie z. B. die Klingen und den Mischbecher, beschädigen könnte, kann sie auf andere Weise homogenisiert werden, z. B. durch Zerkleinern in Mörsern. Mischer sind in der Regel nicht für die Homogenisierung von harten Materialien, gefrorenen Proben oder leicht entflammbaren Proben geeignet, die die Komponenten des Mischers beschädigen könnten. Von der Verwendung organischer Lösungsmittel im Mischer wird abgeraten.
    ACHTUNG: Verwenden Sie Sicherheitsausrüstung und stellen Sie sicher, dass die Tür des Mischers ausreichend geschlossen ist, da sich die Schaufeln des Mischers mit hoher Geschwindigkeit drehen.

2. Reinigung des Mischers

1. Reinstwasser (siehe Materialtabelle) an die Markierung des leeren Mischbechers geben.
2. Setzen Sie den Mischbecher in den Mischer ein und führen Sie den Standardmischvorgang durch.
3. Nehmen Sie den Becher aus dem Mischer und gießen Sie das Abwasser aus. Wiederholen Sie den Vorgang bei Bedarf mehrmals mit Reinstwasser, bis das Wasser auch nach dem Mischen sauber bleibt.
4. Entfernen Sie die verschmutzten Schaufeln und den Druckmittler aus dem Mischer und reinigen Sie sie gründlich mit Reinstwasser.
   HINWEIS: Verwenden Sie neutrale Reinigungsmittel, um die Reinigungseffizienz zu verbessern, insbesondere bei Proben mit hohem Fettgehalt, da Fett leicht an der Oberfläche des Laborinventars haftet.
   ACHTUNG: Tragen Sie beim Entfernen und Reinigen der Klingen geeignete Schutzausrüstung wie Handschuhe, um das Risiko möglicher Verletzungen durch ihre scharfen Kanten zu verringern.
5. Trocknen Sie die gereinigten Komponenten im Trockner bei 105 °C und setzen Sie sie wieder in den Mischer ein.
   Anmerkungen: Stellen Sie sicher, dass die Komponenten des Mischers vollständig trocken sind, bevor Sie sie wieder in den Mischer einbauen, um eine Verschleppung des Wassers in die folgende Probe zu verhindern.

3. Wiegen der Probe

1. Entfernen Sie den Deckel aus dem 100-ml-Trifluormethoxyxyl-Polytetrafluorethylen-TFM-PTFE-Reaktionsgefäß³³.
2. Stellen Sie das offene Reaktionsgefäß auf die Analysenwaage und stellen Sie sicher, dass die Waage vor jeder Messung nivelliert und auf Null gestellt ist (Abbildung 3).
   HINWEIS: Das Wiegen muss bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Vermeiden Sie Bereiche, in denen starke Temperaturschwankungen und Luftströmungen das gemessene Gewicht beeinträchtigen könnten. Stellen Sie sicher, dass der Wägebereich sauber und frei von Verunreinigungen ist.
3. Die homogenisierte Probe wird mit einem Kunststoffspatel in das Reaktionsgefäß überführt und 250 mg der Probe gewogen. Wiegen Sie die Probe nicht unter der Mindestgewichtsgrenze der Analysenwaage.
4. Sobald das Wiegen abgeschlossen ist, setzen Sie den Deckel auf das Reaktionsgefäß, um die Probe vor Verunreinigung zu schützen.
   HINWEIS: Das Überschreiten der Gewichtsgrenze des Aufschlussverfahrens kann zu einer unvollständigen Verdauung führen. Gehen Sie vorsichtig mit der Probe und den Reaktionsgefäßen um, um eine externe Kontamination zu vermeiden.

4. Säurezugabe

1. Gießen Sie ca. 40,0 ml 68 Gew.-% HNO₃ und 5,0 ml 30 Gew.-% H₂O₂ in separate 50-ml-Glasbecher.
   HINWEIS: Chemikalien müssen von hoher Reinheit mit Spurenmetallverunreinigungen von weniger als 1,0 μg/L (ppb) sein, idealerweise im ng/L (ppt)-Bereich. Spurenmetallverunreinigungen beeinträchtigen die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Elementbestimmung.
2. Legen Sie die Reaktionsgefäße in einen Abzug, öffnen Sie die Deckel und fügen Sie die unten genannten Volumina von 68 Gew.-% HNO₃ und 30 Gew.-% H₂O₂ mit automatischen 1-ml- oder 5-ml-Pipetten gemäß den folgenden Spezifikationen hinzu:
   1. Brokkoli, Pilze, Würstchen und Nudeln; für 250 mg Probe 5,0 ml 68 Gew.-% HNO₃ und 1,0 ml 30 Gew.-% H₂O₂ hinzufügen. Bereiten Sie drei Replikate für jede Probe vor.
   2. Um die Genauigkeit der Methode (in Bezug auf die Wiederfindung, Rec) zu bestimmen, verwenden Sie das in Schritt 4.2.1 beschriebene Verfahren und geben Sie 37,5 μl 100 mg/l ICP-Multielement-Standardlösung (siehe Materialtabelle) mit einer automatischen 200-μl-Pipette in die Reaktionsgefäße. Bereiten Sie für jede Probe drei Wiederholungen vor.
      HINWEIS: Das Volumen von 37,5 μl wurde gewählt, da es einer Erhöhung von 15,0 μg/l für die dotierten Lösungen von Proben im Vergleich zur Konzentration in den nicht dotierten Lösungen von Proben entspricht. Darüber hinaus entspricht der Konzentrationsanstieg für die Spike-Lösung von Proben der Endkonzentration, die für jeden gemessenen Analyten noch im linearen Konzentrationsbereich liegt.
   3. Eine Leerprobe wird mit dem gleichen Volumen von 68 Gew.-% HNO₃ und 30 Gew.-% H₂O₂ hergestellt, das in Schritt 4.2.1 für den Aufschluss von Lebensmittelproben verwendet wird. Geben Sie bei einem Probenblindwert die Probe nicht in die Reaktionsgefäße.
      ACHTUNG: HNO₃ , das zur Verdauung verwendet wird, ist ätzend und erzeugt Dämpfe. Aus diesem Grund muss die Säurezugabe in einem Abzug erfolgen. Es muss eine Standard-Laborschutzausrüstung verwendet werden (Handschuhe, Schutzbrille und Laborkittel). Bei Kontakt mit Säure sollte der betroffene Bereich sofort unter dem kalten Wasserstrahl abgespült und ärztliche Hilfe in Anspruch genommen werden.
3. Den Deckel auf die Reaktionsgefäße setzen und die Proben mit den zugegebenen 68 Gew.-% HNO₃ und 30 Gew.-% H₂O₂ 2 Minuten reagieren lassen.
4. Schrauben Sie die Gewindeabdeckung auf das Gefäß und ziehen Sie die Deckel fest.
5. Schütteln Sie das Reaktionsgefäß mit leichten Handbewegungen, um die Proben vollständig in Chemikalien einzuarbeiten.
   HINWEIS: Lassen Sie die Proben nicht an den Wänden oder Deckeln der Reaktionsgefäße, da die Möglichkeit besteht, dass sie nicht vollständig verdaut werden.

5. Mikrowellengestützter Nasssäureaufschluss

1. Schalten Sie das Mikrowellensystem (siehe Materialtabelle) für den Säureaufschluss ein, indem Sie die Starttaste drücken (Abbildung 4).
2. Öffnen Sie die Mikrowellentür und entfernen Sie den Rost.
3. Verteilen Sie die geschlossenen Reaktionsgefäße symmetrisch im Gestell, um eine gleichmäßige Bestrahlung der Proben durch Mikrowellen zu gewährleisten.
4. Setzen Sie das Gestell in die Mikrowellenkammer ein und montieren Sie es auf einer Halterung (Abbildung 5).
5. Schließen Sie die Tür des Mikrowellenherds.
6. Stellen Sie mit einem stiftförmigen Werkzeug ein geeignetes Verdauungsprogramm auf dem Touchscreen des Mikrowellenherds ein. Wählen Sie einen geeigneten Temperaturgradienten, die Endtemperatur und die Anzahl der zu verdauenden Proben. Das empfohlene Verdauungsprogramm für verschiedene Lebensmittelproben ist unten aufgeführt:
   1. Brokkoli, Champignons, Würstchen und Nudeln: 10 min Erhöhung auf 160 °C, 10 min Erhöhung auf 200 °C, 15 min bei 200 °C, maximale Leistung 900 W.
7. Starten Sie das Aufschlussprogramm und überwachen Sie die Änderung der Reaktionsbedingungen auf dem Bildschirm. Stoppen Sie den Verdauungsprozess, wenn die Temperatur nicht gemäß dem vorgeschriebenen Programm ansteigt.
   Anmerkungen: Während der Verdauung können plötzliche Temperaturspitzen auf dem Bildschirm des Mikrowellenherds zu sehen sein. Sie entstehen, wenn die Proben exotherm mit den Chemikalien reagieren. Das Mikrowellensystem reguliert die Temperatur automatisch, indem es die Ausgangsleistung anpasst.
8. Warten Sie, bis der mikrowellenunterstützte Aufschluss abgeschlossen ist und die Temperatur der Probe sinkt.
9. Öffnen Sie die Mikrowellentür und entfernen Sie den Rost aus der Mikrowellenkammer. Schließen Sie die Tür und schalten Sie das Gerät aus.
10. Nehmen Sie die Reaktionsgefäße aus dem Gestell und warten Sie, bis sie auf Raumtemperatur abgekühlt sind.
11. Öffnen Sie die Deckelabdeckungen langsam manuell, um die beim Säureaufschluss entstehenden Gase freizusetzen. Drehen Sie die Reaktionsgefäße in Richtung Abzug (Abbildung 6).
12. Entfernen Sie den Deckel vollständig und spülen Sie den Deckel und die Wände des Reaktionsgefäßes mit etwas Reinstwasser ab.
13. Der Inhalt des Reaktionsgefäßes wird quantitativ durch einen Glastrichter in einen sauberen 25-ml-Glasmesskolben überführt, indem der Deckel und das Reaktionsgefäß wiederholt mit Reinstwasser gespült werden.
14. Die Probe wird mit Reinstwasser bis zur Markierung des Messkolbens verdünnt. Der Messkolben wird mit einem Stopfen verschlossen und der Inhalt des Messkolbens wird gemischt.
    HINWEIS: Eine weitere Verdünnung der aufgeschlossenen Proben mit Reinstwasser sollte durchgeführt werden, da sie weniger als 5 % (V/V) Restsäure³⁴ und weniger als 2 g/l gelöste Elemente enthalten sollten, die auch als gelöste Feststoffe³⁵ bezeichnet werden.
15. Nehmen Sie eine 20-ml-Kunststoffspritze und verbinden Sie sie mit einem Polyamid-Spritzenvorsatzfilter (25 mm Durchmesser, 0,20 μm Porengröße). Füllen Sie die Kunststoffspritze mit der verdünnten Probe und filtern Sie ihren Inhalt durch Ausüben von Druck in ein 50-ml-Kunststoffzentrifugenröhrchen. Verwenden Sie für jede Probe eine neue Kunststoffspritze und einen neuen Spritzenfilter, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
    HINWEIS: Die Proben müssen gefiltert werden, um unlösliche Materialien oder feste Partikel zu entfernen, die nach der MAWD unverdaut bleiben können. Diese Partikel können die Elementbestimmungsmessungen stören, indem sie die Gerätekomponenten verstopfen. Achten Sie beim Filtern der Proben darauf, die ersten Tropfen zu verwerfen. Verwenden Sie hydrophile Filter (aus Polyamid) für wässrige Lösungen. Hydrophobe Filter (PTFE) sind nicht für die Filtration von wässrigen Lösungen geeignet, da sie einen höheren angelegten Druck erfordern, der zu einem Membranbruch führen kann³⁶.
16. Verschließen Sie das 50-ml-Kunststoffzentrifugenröhrchen mit einem Schraubverschluss und stellen Sie die Probe bis zu den Messungen in den Kühlschrank.
    HINWEIS: Aufgeschlossene Proben werden im Kühlschrank bei niedrigeren Temperaturen gelagert, um sie zu konservieren und ihre Lagerzeit zu verlängern.

6. Reinigung des Reaktionsgefäßes

1. Nachdem die aufgeschlossenen Proben in 50-ml-Messkolben überführt wurden, werden 5,0 ml 68 Gew.-% HNO₃ und 5,0 ml Reinstwasser mit automatischen 5-ml-Pipetten in die Reaktionsgefäße gegeben.
2. Verschließen Sie die Reaktionsgefäße mit den Abdeckdeckeln und setzen Sie sie in das Gestell ein. Den Rost in die Mikrowellenkammer geben.
3. Wenden Sie das folgende Mikrowellenprogramm an: 15 min Erhöhung auf 160 °C, 10 min Erhöhung auf 180 °C, maximale Leistung 900 W.
4. Überwachen Sie die Reaktionsbedingungen während des Erhitzens. Lassen Sie die Reaktionsgefäße nach Abschluss des Erhitzens abkühlen.
5. Öffnen Sie den Mikrowellenherd, nehmen Sie die Reaktionsgefäße aus dem Rost und öffnen Sie sie langsam im Abzug.
6. Entsorgen Sie den Inhalt der Reaktionsgefäße in Kunststoffabfallbehälter.
7. Spülen Sie die Reaktionsgefäße mit Reinstwasser, um überschüssiges Material oder Chemikalien zu entfernen.
8. Trocknen Sie die Reaktionsgefäße vor dem nächsten Gebrauch bei 105 °C im Trockner.
   HINWEIS: Das gleiche Mikrowellenverfahren (Zeit, Leistung, Temperaturgradient und Volumen der Chemikalien), das für den Säureaufschluss von Proben verwendet wird, kann auch für die Reinigung der Reaktionsgefäße verwendet werden. Alternativ können die Reaktionsgefäße auch ohne Mikrowellensystem gereinigt werden, indem sie mehrere Stunden in konzentriertes HNO₃ oder HCl getaucht und mit Reinstwasser gespült werden.

7. Multielementbestimmung mit ICP-MS

1. Nehmen Sie die 50-ml-Kunststoffzentrifugenröhrchen mit den aufgeschlossenen Proben aus dem Kühlschrank und lassen Sie sie auf Raumtemperatur erwärmen.
2. Die Proben werden um den Faktor 10 verdünnt, um die Säurekonzentration in der aufgeschlossenen Probe zu verringern und die Konzentration des Bestandteils der Probenmatrix zu verringern. Mit einer automatischen Pipette werden 2,50 ml der Probe in einen 25-ml-Glas-Messkolben überführt und anschließend bis zur Marke mit Reinstwasser gefüllt.
3. Übertragen Sie die verdünnten Proben in die 15-ml-Kunststoffröhrchen und legen Sie sie an die entsprechenden Positionen im Autosampler.
4. Bereiten Sie das ICP-MS-Gerät (siehe Materialtabelle) für die Messungen vor:
   1. Schalten Sie die Lüftung und den Kühler ein, der das ICP-MS mit Kühlwasser versorgt und seine Komponenten kühlt.
   2. Stellen Sie mit der kompatiblen Software sicher, dass die Spüllösung (1 Gew.-% HNO₃) kontinuierlich und pulsierend vom Autosampler zum ICP-MS fließt.
   3. Offene Ar- (99,999 % Reinheit) und He (99,999 % Reinheit) Gasflaschen, um das ICP-MS mit beiden Gasen zu versorgen. Überprüfen Sie den Gasfluss in der Software und passen Sie ihn gegebenenfalls an.
      HINWEIS: Verwenden Sie die Kollisionszelle mit He-Gas, wenn spektrale Interferenzen aufgrund der Bildung mehratomiger Ionen zu erwarten sind (z. B. ⁴⁰Ar¹⁶O⁺ interferiert ^{mit 56}Fe⁺)³⁷.
   4. Starten Sie das Plasma und kalibrieren Sie das Instrument mit der Stimmlösung (siehe Materialtabelle).
   5. Sobald das Gerät kalibriert ist (Brennerposition, Verstärkungsspannung, Linsenspannung, Masse/Auflösung, Impuls-/Analogkalibrierung (P/A), Datenbankkalibrierung (DB) und Validierung), wählen Sie die gewünschte Messmethode aus und führen Sie die Messungen durch.
5. Wenn Sie mit unbekannten Proben arbeiten, führen Sie eine semiquantitative Bestimmung durch, um Informationen darüber zu erhalten, welche Elemente in der Probe vorhanden sind und welche ungefähre Konzentration sie haben.
   HINWEIS: Es ist ratsam, die Proben für die semiquantitative Bestimmung zusätzlich zu verdünnen, da die Detektoren eine Grenze für die Konzentration der Elemente haben, die sie gleichzeitig nachweisen können. Niedrigere Probenkonzentrationen können die Lebensdauer der Gerätekomponenten verlängern.
6. Nachdem Sie die Daten zu den ungefähren Konzentrationen der Elemente in den Proben erhalten haben, erstellen Sie in der Software eine Methode zur quantitativen Elementbestimmung. Wählen Sie die Betriebsbedingungen des ICP-MS (Tabelle 1) und wählen Sie die gewünschten Elemente (im vorliegenden Fall Cu, Fe, Mn und Zn) aus. Bestimmen Sie die Anzahl und Konzentrationen der Lösungen des Standards, die zur Erstellung einer Kalibrierkurve (manchmal auch als Analysenkurve oder Arbeitskurve bezeichnet) erforderlich sind (Tabelle 1).
   HINWEIS: Bereiten Sie mindestens sechs verschiedene Konzentrationen als Kalibrierpunkte für die Kalibrierkurve vor.
7. Bereiten Sie Standardlösungen für die Kalibrierkurve vor. Pipettieren Sie mit automatischen Pipetten das erforderliche Volumen von 100 mg/l Multielement-Standardlösungen in 25-ml-Glasmesskolben, um Lösungen von Standards mit den folgenden Konzentrationen herzustellen: 1,0 μg/L, 2,5 μg/L, 5,0 μg/L, 10,0 μg/L, 20,0 μg/L, 30,0 μg/L, 40,0 μg/L und 50,0 μg/L. Füllen Sie die Kolben bis zur Markierung mit 1 Gew.-% HNO₃. Bereiten Sie zusätzlich einen Kalibrierungsrohling mit der 1 Gew.-% HNO_3-Lösung vor.
8. Übertragen Sie die vorbereiteten Lösungen von Standard- und Probenlösungen in die 15-ml-Kunststoffröhrchen, geben Sie sie in den Autosampler und starten Sie das Gerät gemäß dem in Schritt 7.4 beschriebenen Verfahren.
9. Führen Sie die quantitative Messung der ausgewählten Elemente mit der Kalibrierungskurvenmethode durch.
10. Schalten Sie nach Abschluss der Messungen das Plasma aus, schließen Sie die Ar- und He-Gasversorgung, schalten Sie den ICP-MS-Kühler aus und schalten Sie das Lüftungssystem aus.

Ergebnisse

Homogenisierung
Alle Proben wurden mit dem Labortrockner zu einer konstanten Masse getrocknet, um jegliche Feuchtigkeit zu entfernen. Durch das Umfüllen der Probe in einen Exsikkator konnte sie auf Raumtemperatur abkühlen, ohne Feuchtigkeit aus der Umgebung zu binden. Die Lebensmittelproben wurden dann mit dem Labormischer homogenisiert, um ein feines Pulver zu erhalten. Die resultierenden homogenisierten Partikel waren gleichmäßig in der Größe und gleichmäßig verteilt, um sicherzustellen, dass die fü...

Diskussion

Homogenisierung
Um reproduzierbare Ergebnisse bei der Elementbestimmung zu gewährleisten, ist es aufgrund ihrer komplexen und inhomogenen Struktur und Zusammensetzung notwendig, Proben vor dem Säureaufschluss zu homogenisieren. Die Homogenisierung zielt darauf ab, konstitutionelle und verteilungspolitische Heterogenität zu beseitigen. Durch das Mischen der Probe wird die Verteilungsheterogenität minimiert, indem die Komponenten gleichmäßig in der Probe verteilt werden. In ähnlicher Weise wird durch He...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Ar-Gas	Messer	7440-37-1	Ar 5,0 Gas (Reinheit 99,999%).
AS-10 Autosampler-System	Shimadzu		Autosampler, der an das ICP-MS angeschlossen ist und 68 Ports für Proben enthält.
Automatische Pipetten	Sartorius		200 µ L-, 1-ml- und 5-ml-Autopipetten.
Waage XSE104	Mettler Toledo, Columbus, Ohio, USA		Analysenwaage mit einer maximalen Wägemasse von 120 g.
Keramikmesser			Keramikmesser zum Schneiden von frischen Lebensmittelproben.
Exsikkator			Glas-Exsikkator mit Klumpen aus Kieselgel.
ETHOS LEAN	Milestone, Sorisole, Italien		Mikrowellensystem für den nassen Säureaufschluss in geschlossenen 100 mL Gefäßen aus TFM-PTFE.
Abzug			Laborabzug mit einstellbarem Luftstrom.
Glasbecher RASOTHERM	CarlRoth GmbH + Co.KG		50 mL, 250 mL Glasbecher
Glastrichter			Kleine Glastrichter, die in den Hals von Messkolben passen.
He Gas	Messer	7440-59-7	He 5.0 Gas (Reinheit 99,999%).
Wasserstoffperoxid	ThermoFisher Scientific	7722-84-1	Hxdrogenperoxid 100 Volumen, 30 Gew.-% Lösung. Qualität von Laborreagenzien.
ICP-Multielement-Standardlösung VIII	Supelco	109492	100 mg/L ICP-Multielement-Standardlösung mit 24 Elementen (Al, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Se, Sr, Te, Tl, Zn) in 2 % verdünnter Salpetersäure.
ICPMS 2030	Shimadzu		Massenspektrometriesystem mit induktiv gekoppeltem Plasma für die Multielementanalyse von aufgeschlossenen Proben.
ICP-MS Tuning Solution A	CarlRoth GmbH + Co.KG		250 mL Tuninglösung mit 6 Elementen (Be, Bi, Ce, Co, In, Mn) in 1 % Salpetersäure.
KIMTECH Purple Nitrile Handschuhe	Kimberly-Clark GmbH		Einmal-Handschuhe Purple Nitril (S, M oder L).
Laborkittel	Alle verfügbaren Lieferanten		/
Mischer B-400	BÜ CHI Labortechnik AG, Flawil, Schweiz		Labormischer mit Keramikklingen.
Salpetersäure	ThermoFisher Scientific	7697-37-2	Salpetersäure, Spurenanalysequalität, 68 Gew.-%, Dichte 1,42, Primar Plus, für die Spurenmetallanalyse.
Zentrifugenröhrchen aus Kunststoff	Isolab		50 mL Zentrifugenröhrchen aus Kunststoff mit Schraubverschluss, zum Einmalgebrauch.
Kunststoffspritzen Injekt	B. Braun		2 Stück, Einmalspritzen 20 mL.
Kunststoffröhrchen für Autosampler	Shimadzu	046-00147-04	Kunststoffröhrchen für Autosampler, 15 mL Fassungsvermögen, 16 mm Durchmesser, 100 mm Länge.
Kunststoffabfallbehälter			Kunststoffbehälter für die Entfernung von Chemikalien nach dem Reinigungsverfahren von Reaktionsgefäßen.
Schutzbrille			/
Proben (Brokkoli, Wurst, Nudeln, Zucchini, Pilze)			Frische Proben, die während des Eingriffs auf ein konstantes Gewicht getrocknet und homogenisiert wurden. Die Muster wurden in einem örtlichen Geschäft gekauft.
Spatel			Spachtel aus Kunststoff.
Sterilisator Instrumentaria ST 01/02	Instrumentaria		Trockner mit einstellbarer Temperatur.
Spritzenvorsatzfilter	CHROMAFIL Xtra	729212	Spritzenvorsatzfilter mit Polypropylengehäuse und hydrophiler Polyamidmembran. Membrandurchmesser 25 mm, Membranporengröße 0,2 µm.
Reinstwasser	ELGA Labwater, Veolia Water Technologies.		Reinstwasser mit einem spezifischen Widerstand von 18,2 MΩ cm, gewonnen mit einem Laborwasseraufbereitungssystem.
Messkolben			25 mL Messkolben aus Glas.