Optische Emissions-Spektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)
 

Wir nutzen die optische Emissionsspektrometrie für die Analyse von Spurenelementen in Pflanzen-, Boden- und Wasserproben aus unseren Experimenten und Feldstandorten. Für Langzeitstudien, die die Auswirkungen von Landnutzung, Artenzusammensetzung, Bodenbearbeitung und Düngung auf Ökosysteme im Zusammenhang mit dem Klimawandel untersuchen, sind Analysen des Elementhaushalts von grundlegender Bedeutung.

Induktiv gekoppeltes Argonplasma

Ein induktiv gekoppeltes Argonplasma wird erzeugt, indem in einer von Argon durchströmten Kupfer-Spule Radiofrequenz-Strahlung von 700 -1000 W überlagert wird. Hierdurch wird in der Spule ein Wechselstrom induziert, der mit einer Frequenz von 27 bzw. 40 MHz oszilliert. Er erzeugt in der Spule sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld. Durch Zündungsfunken werden dem Argon Elektronen entrissen, die im magnetischen Feld beschleunigt werden und durch Kollision mit Argon-Atomen weitere Elektronen freisetzen. Das löst eine Kettenreaktion aus. Es bildet sich ein Plasma, das aus Argon-Atomen, Argon-Ionen und Elektronen besteht. Dieser Vorgang wird als induktive Kopplung bezeichnet.

Messprinzip

Spektroskopische Analysen wie die ICP-OES basieren auf der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Atomen, Ionen oder Molekülen. Sie dienen dazu, chemische Substanzen zu identifizieren (qualitative Analyse) und ihre Konzentration zu bestimmen (quantitative Analyse). Grundsätzlich erfolgt die Messung mit flüssigen bzw. zuvor verflüssigten Proben. Eine direkte Analyse fester Proben (pflanzliches Material,  Boden etc.) ist nicht möglich. Daher muss der Analyse derartiger Proben ein Aufschluss vorausgehen.

Die flüssige Probe wird durch eine Kapillare geleitet und unter Druck zerstäubt, so dass sich ein Aerosol bildet. Dieser Prozess wird als „Zerstäubung“, (engl. nebulization) bezeichnet. Das Aerosol gelangt in die Sprühkammer (engl. spray chamber), die dafür sorgt, dass nur genügend kleine Tropfen (Durchmesser 10 µm oder weniger) das eigentliche Plasma erreichen. Dies entspricht ca. 1-5 % des gesamten Probenaerosols. Die restliche Probe (95-99% des Aerosols) wird verworfen. Damit nimmt die Zerstäubung Einfluss auf die Empfindlichkeit der Messung, d.h. auf die Nachweis- und Bestimmungsgrenzen.

Die eigentliche Atomisierung der Probe erfolgt in einem Argonplasma bei 6000 – 8000 °C, nachdem sie zuvor vom Lösungsmittel befreit und verdampft wurde. Die angeregten Atome und Ionen emittieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen, vor allem aus dem UV-Bereich, aber auch aus dem sichtbaren Spektrum (etwa Kalium und Natrium). Diese polychromatische Strahlung, sog. „weisses Licht“, wird im optischen Teil des Messgerätes, dem Spektrometer, in ihre Einzelkomponenten aufgespalten, d.h. in monochromatische Strahlung dezidierter Wellenlängen. Hierzu kommen verschiedene optische Bauteile, etwa Beugungs- (engl. diffraction grating) und Echelle-Gitter  zum Einsatz.

Die Intensität einer bestimmten Wellenlänge wird vom Detektor gemessen, ohne dass diese mit anderen Wellenlängen interferiert. Die Quantifizierung der verschiedenen Elemente in der Probe basiert folglich auf der Intensität ihrer gemessenen Emissionsstrahlung nach entsprechender Kalibrierung.

Die ICP-OES ist eine Multielement-Methode, d.h. mehrere Elemente in einer Probe können gleichzeitig gemessen werden. So werden z.B. in Wasserproben unseres Labors regelmäßig 16 Elemente bestimmt: Al, B, Ca, Cd, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, P, S, Si, Sr, Zn.

Probenvorbereitung

Sollen Bestandteile fester Proben, etwa die Elemente Ca, Fe, K, P als Mikronährstoffe von Pflanzen, bestimmt werden, so müssen die entsprechenden Proben zuvor in eine für die Analyse mittels ICP-OES zugängliche Form überführt, d.h. verflüssigt, werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Aufschluss (engl. „digestion“). Er wird unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung, konzentrierten Säuren, sowie erhöhten Temperaturen und Drucken in einem speziellen Aufschluss-Gerät durchgeführt.

Der Vorgang umfasst die präzise Einwaage des Probenmaterials, die quantitative Überführung des Wägeguts in die Aufschlußgefässe, die umsichtige Zugabe der zum Aufschluss benötigten konzentrierten Säuren (meistens Salpetersäure, aber auch Salzsäure, Flusssäure bzw. Mischungen), das sorgfältige Verschließen der Gefäße und ihr Einsatz in den Aufschluss-Rotor.

Die Aufschlüsse erfolgen bei Temperaturen > 200 °C und Drucken > 40 bar!

Nach erfolgtem Aufschluss wird der Rotor mit den Gefäßen entnommen und auf etwaige Beschädigungen geprüft. Erst danach werden die Aufschlussgefäße entnommen und vorsichtig im Abzug belüftet, um etwaig noch vorhandenen Überdruck abzulassen. Andernfalls besteht Gefahr für Mensch und Umgebung durch unkontrolliert entweichende nitrose Gase.

In einem weiteren Schritt wird der aus konzentrierten Säuren und aufgeschlossener Probe bestehende Inhalt der Aufschlußgefässe filtriert und sorgfältig in Messkolben überführt, um einen etwaigen Verlust an Probe zu vermeiden, was zu falschen Messergebnissen führen würde. Der Inhalt der Messkolben wird dann mit destilliertem Wasser bis zur Marke aufgefüllt und so für die Messung mittels ICP-OES bereitgestellt.

Anschließend werden die Aufschlußgefäße erneut mit konzentrierter Säure versetzt und das Aufschlussverfahren, wie geschildert, allerdings ohne Probe, erneut durchgeführt. Auf diese Weise werden die Aufschlußgefäße gereinigt und für einen neuen Probenaufschluss vorbereitet.