Aus der Abteilung fiir Medizinisehe Physik an der Universit/its-Hautklinik Giel3en

Der optimale Arbeitsbereich indirekter flammenspektrophotometrischer hnalysenverfahren

mit vorausgehender F~llungsreaktion ~ Von

Walter Lang

Mit 9 Abbildungen

(Eingegangen am 11. Olctober 1965)

1. Einleitung

Der direkten fl~mmenphotometrischen Emissionsanalyse sind alle jene Elemente und chemischen Verbindungen zuggnglich, die in den gebrfi.ueh- lichen Flammen zur Emission von Atomspektren (Linienspektren) oder Molektilspektren (Bandenspektren) angeregt werden. Bei solchen direkten Methoden ist die Emission einer Linie oder Bunde des interessierenden An~lysenelementes ein Mal~ fiir seine Konzentration in der Probenl6sung.

Dariiber hinaus kann man eine Reihe yon Elementen, die sich dem direkten flam menphotometrischen Nachweis entziehen (z. B. die Halogene), indirekt f lammenphotometrisch bestimmen. Atle indirekten flammen- photometrischen An~lysenverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dab in die ProbenlSsnng ein direkt bestimmb~res Element eingebmcht werden mug, das mit dem An~lysenelement qu~ntitativ reagiert. Der Klassifi- zierung yon Burriel-Mart$ und Ram$rez-Mu~oz 1 folgend kann man indirekte flammenphotometrische Analysenverfahren einteilen in:

~. Differenzmet.hoden a) Die naehzuweisende Komponente in der Probenl6sung wird mit einem

im Ubersehul? zugesetz~en 1Reagens qua ntita~iv gefgllr der unlSsliehe Nieder- sehlag vollst~ndig abge~renn~ und der Res~gehalt des F/illungsmittels

* Vortrag anlgl31ich der I I I . Tseheehoslowakisehen spektroskopisehen Konferenz und des Symposiums fiber Anwendung der Spektroskopie in der Medizin und Biologie, Marienbad, 27. bis 30. September I965.

W. Lang: Arbeitsbereich flammenspektrophotometr. Analysenverfahren 463

flammenphotometrisch ermittelt. (Beispie]: F~llung von Chlorid mit Silber- nitrat, anschlie~end Analyse auf Silber.)

b) Eine Variante dieser Methode besteht darin, daft der Niederschlag abgetrennt, in L6sung gebracht und analysiert wird.

II . Substitutionsmethoden Die zu bestimmende Komponente wird unter Verwendung eines Ionen-

austauschers durch eine flammenphotometrisch gut nachweisbare Komponente substituiert. (Beispiel: Austauseh yon Mg gegen :Na, vgl. ~,lt)

I I I . Sekund~reffekt -Methoden a) Auftreten von Banden: Die naehzuweisende Komponente wird dureh

Zusatz einer anderen Komponente in eine Verbindung flbergeffihrt, die mit der Flamme als Bandenspektrum nachzuweisen ist. (Beispieh Nachweis yon C1 mittels der I~upferchloridbanden.)

b) Depression der Emission: Der 72roben16sung wird ein Element zu- gesetzt, das bei Anwesenheit der nachzuweisenden Komponente eine konzen- trationsabh~ngige Depression der Flammenemission aufweist. (Beispiel: Phosphordepression der Ca-Emission.)

I m folgenden sollen ausschlie[tlich die unter I a) bezeichneten Differenz- methoden mit vorhergehender F~llungsreaktion und Bestimmung des ~Tberschusses an F~llungsreagens behandelt werden.

Diese Verfahren wurden erstmalig yon Lundegdrdh und BurstrSm 1933 fiir die Analyse der Anionen CI-, Br- , J - (mit Sflber) und S042- (mit Barium oder mit Strontium und Alkohol) in sehr verd. N~hrlSsungen angewandt (vgl. n). Die Autoren stellen lest, dab sieh die erw~hnten indirekt best immten Anionen mit etwa der gleiehen Genauigkeit wie Kationen naeh direkten Analysenmethoden bestimmen lassen. Gilbert s bringt 1952 die Differenzmethoden in Erinnerung und sehl~gt vor, auger den bereits erw~hnten Anionen Carbonat mit Calcium und Phosphat mit Zirkon naeh der Differenzmethode zu bestimmen. Aber erst die eingehende Untersuehung der indirekten Halogenbestimmung dnreh Menis , House und Rains 12 seheint ein breiteres Interesse fiir die Anwendung der Differenzmethode geweekt zu haben, wie die steigende Zahl der Publikationen in den Folgejahren zeigt (Tabelle 1).

I m einzelnen sollen hier (am Beispiel der Chloridbestimmung erl/iutert) behandelt werden: Wahl optimaler apparat iver MeBbedingungen (Ab- sehnitt 2), Einilug der Bemessung des i)bersehusses an P~tllungsreagens auf die erzielbare Bestimmungsgenauigkeit (Absehnitt 3) und sehlieBlieh Anwendung der Differenzmethode auf die flammenphotometrisehe Chloridbestimmung in Humanserum (Absehnitt 4), fiber die an anderer Stelle ausfiihrlieher beriehtet wurde n. Zur Nomenklatur sei bemerkt, dab im folgenden mitunter das naehzuweisende Anion (z. B. "CI-) als Analysenelement-und das flammenphotometriseh bestimmte Element des F~tllungsmittels (z. B. Ag als AgNOs) der Kfirze wegen Grundelement genannt wird.

464 W. Lang: [Mikrochim. Ac~a

Tabelle 1. U b e r s i c h t t i b e r d i e i n d i r e k t e n f l a m m e n p h 0 t o m e t r i s e h e n A n a l y s e n m e t h o d e n n a c h d e m D i f f e r e n z v e r f a h r e n m i t B e s t i m m u n g

dos F g l l u n g s r e a g e n s t i b e r s e h u s s e s

Verbindung Grundelement Analysenmaterial Autoren

Arsenat

Bromid

Carbonat Chlorid

Jodid

Phosphat Sulfat

Vanadat

Silber

Silber

Silber

Calcium Silber

Silber

Silber Silber

Silber

Zirkon Barium, Strontium Strontium Barium, Strontium

Barium

Barium Barium Barium

Silber

Silber

w/il3rige L6sungen

N/ihrlSsungen

w/i/3rige LSsungen

N/ihrl6sungen

w/~l~rige L6sungen

Humanserum N/ihrl6sungen

w/il3rige L6sungen

N/~hrl6sungen

w/il3rige L6stmgen

Netzmit tel

organ. Material organ. Material S erum

w~13rige L6sungen 1

w/il?rige L6sungen

Enriquez-Isava und Posada-Valencia (1963) 7 Lundeg~rdh und BurstrSm (1933) 12 Menis, House und Rains (1957) 13 Gilbert (1952) s Lundeg,~rdh und Burstr6m (1933) 12 Menis, House und Rains (1957) 18 Lang (1965) 11 Lundeg~trdh und BurstrSm (1933) TM

Menis, House und Rains (1957) 13 Gilbert (1952) s Lundeg~rdh (1934i TM

Gilbert (1952) s Burriel-2Flart~, Ram{rez- Mu~oz und R. de Lizar- duy (1957) 2 Cullum und Thomas (1959) 5 Robinson (1960) 1~ Shaw (1961) is Strictoland und Matoney (1954) ~ Ramgrez-Mu~oz und Navarro.Serrano (1963) 16 Mottola (1963) 15

2. Zur Wahl optimaler apparativer Me6bedingungen

Bei Anwendung der Dif ferenzmethode wollen wir un te r , , op t imalen" MeBbedingungen solche P a r a m e t e r der MeBordnung vers tehen, die

a) aus sparer zu besprechenden Gri inden eine m6gl ichs t gute Nachweis- empf indl ichkei t des Grundelementes ermSglichen,

b) eine wei tgehend stSrungsfreie Bes t immung des Grundelementes er lauben,

c) den Einsa tz einfacher Fi l terger i i te an Stelle yon Monochromatoren zulassen.

1966/3] Al-beitsbereich flammenspektrophotometr. Analysenverfahren 465

Mefianordnung Die benutzte Mel]anordnung besteht aus handelsiiblichen Bauteilen: Beckman-Zerst~uber-Brenner-Kombination mit welter Kapillare, mit

Wasserstoff Luft betrieben; Hilger & Watts-Monochromator ,,Uvispec" mit Quarzprisma;~ RCA-Photomultiplier 1 P 28; RShrenelektrometer der Firma Keithey, Typ 610 A, als Gleichstrom-

verst~rker; Linienschreiber ,,Micrograph BD 2" der Firma Kipp & Zonen als Anzeige-

instrument.

t00-

90-

80-

300ram W $ H 2 70- 260

220

cz leo

T ZO- 1,~0

30-

tOO

0 I i I I I i 3.o 3.5 ~,0 ~,5 ~0 s,s

* h in crn

Abb. 1. Zur ErmRtlung der optimalen BeobachtungshShe (Abszisse) und des optimalen Wasserstoff- druckes (Parameter der Kurvenschar) der Emission (Ordinate) der Silberlinie 338,3 nm. Prel~luftdruck

konstant 0,7 kp/cm e. W~Brige SiibernitrattSsung, Konzentration 10/zg ~g /ml (nach 11)

Au2er diesen handelstiblichen Bauteilen wurde ein Registrierzusatz zur Registrierung tiber die Wellenl/~nge verwendet, sowie ein automatischer Probenwechsler. Diese Zusatzger~te sind aber fiir Routinemessungen durchaus entbehrlich.

2.1. Betriebsdrucke des Brenners und BeobachtungshShe in der Flamme

Die Emission der Silberlinie 338 nm in Abh~ngigkeit yon der Beob- achtungsh5he in der Flamme mit dem Wasserstoffdruck als Parameter zeigt Abb. 1. (Der Prel~luftdruck betr~gt 0,7 kp/cm 2, die Konzentration der SilberlSsung 10#g/ml.) Aus dem Diagramm geht hervor, da~ sich die Silberemission bei 180 mm WS Wasserstoffdruck und 3,5 cm Beob- uchtungshShe nur wenig mit der HShe und dem Gasdruck ~ndert, so

~ikrochim. Acta 1966/3 30

466 W. Lang: [Mikrochim. Aeta

dalt z. B. geringftigige Druckschwankungen des Brenngases nahezu ohne Einflul~ auf die Emission und damit die Stabilitiit der Anzeige bleiben.

Fiir die folgenden Messungen wurden deshalb 0,7 kp/cm ~ Prel~luft- druck, 180 mm WS H2-Druck und 3,5 cm BeobachtungshShe gew~ihlt.

2.2. A nalysenlinie und Flammenunt~rgrund

Die Emission der Wasserstoff-Prel31uft-Flamme als Funktion der Wellen]i~nge w/ihrend der Zerst~iubung yon 7,5#g Ag/ml (obere Kurve) bzw. 4#g Ag/ml (untere Kurve) zeigt Abb. 2. (Beide Kurven sind der Deutlichkeit halber in der Vertikalen absichtlich gegeneinander verschoben, so dal3 bei der oberen Kurve ein hSherer Untergrund vorget~uscht wird.)

E

' . . . . 3 .o . . . .

Abb. 2. Emiss ion der Wassers tof f -PreBluf t -F lamme im Spektralbereich yon 323 b]s 350 n m w~hrend der Zers t i iubung von EichlSsung (obese Kurve) bzw. Se rum (untere Kurve) . Spaltbreite des l~s ehromators 0,1 m m (entspr icht bei 338 n m einer Eandbre i te yon 0,5 nm). Der Deut l ichkei t wegen sind die K u r v e n absichtl ich in der Ver t ika len gegene inander verschoben, wodurch ein hSherer En te r - g rund der EichliJsung vorget i iuscht wi rd (Mi[tweisung der WellenI~ngenska]a u m rund 1 urn) (nach 11)

Der Flammenuntergrund ist im Bereieh der Silberlinie 338,3 nm verh~tltnism~Big niedrig und konstant. Nach der kurzwelligen Seite zu steigt er an. h n Gebiet der Silberlinie 328,I nm ist er fast doppelt so hoch wie bei der erstgenannten Silberlinie. Hinzu kommt, dab sieh die Ausl~ufer der OH-Banden bis zur Linie 328 nm erstrecken und den Untergrund anheben. Aus diesen Grfinden ist die Silberresonanzlinie 338,3 nm der Resonanzlinie 328,1 nm vorzuziehen.

2.3. Spektrale Bandbreite

Die Registrierkurven der Abb. 2 wurden bei einer mechanischen Spaltbreite yon 0,i mm aufgenommen. Dies entspricht (bei 338nm) einer spektralen Bandbreite yon 0,5 nm. Das bei 338 nm mit l0 r Ag/ml gemessene Linien-zn-Untergrundverhgltnis zeigt, dab mit zunehmender spektraler Bandl~reite das Linien-zu-Untergrundverhgltnis sehr rasch

1966/3] Arbeitsbereieh f.lammenspektrophotometr. Analysenverfahren 467

abnimmt. Wir haben 0,2 mm Spaltbreite (1 nm) gewiihlt, weil dann einerseits aueh bei geringer RC-Zeit das E]ektronenrauschen nicht in Erscheinung tritt nnd andererseits das Verh~iltnis Linie zu Untergrun4 mit 14,3 nicht unbequem klein ist.

2.4. Eichlcurve, Naehweisgrenze und Arbeitsbereich der Silberbestimmung

Mit den ermittelten optimalen Betriebsdaten wurde die Eichkurve ffir die Silberanalyse mit der Linie 338 nm bestimmt. Fiir Konzentrationen unterhalb 20#g Ag/ml verl~uft die Eichkurve linear. 0,05#g Ag/ml lassen sich noch nachweisen. Als Arbeitsbereieh kommt das Konzen- trationsintervall zwischen zirka 2 und 16/~g Ag/ml in Betracht. AuSerhalb dieses Intervalles wird die Bestimmungsgenauigkeit fiir unsere Mel~- anordnung geringer.

2.5. MSgliche StSrungen

St6rungen der flammenphotometrischen Silberanalyse sind abhi~ngig vo~ der Matrix des Probengutes, der Vorbereitung des Probengutes sowie den Eigenschaften und Betriebsparametern der benutzten Me~anordnung 9. Eine allgemeine ErSrterung aller mSglichen StSrungen wiirde hier zu weir fiihren. Wir beschr/~nken uns deshalb auf die I)iskussion mSglieher StSrungen der Silberanalyse in dem sp~ter zu bespreehenden Anwendungsfall der Chlorid- analyse in l~urnanserum.

3. Zur Wahl optimaler Parameter der Probenvorbereitung

Menis, House und Rains 13 haben bereits in einer eingehenden Studie gezeigt, dab die indirekte flammenphotometrische Bestimmung der Halogene Chlor, Brom, Jod bis herab in den Bereich yon #g/m] mSglich ist; sie fanden, dab in diesem Bereich die LSslichkei~ des Niederschlages vernachl~ssigbar klein ist, und dal~ das Ansi~uern der Proben mit Salpeter- s~ure innerhalb eines verh~ltnismgSig gro~en Normalit~tsbereiches (0,01- bis 1,0-n HNO3) unkritisch ist. Auf diese Gesichtspunkte soll hier nicht weiter eingegangen werden. (In diesem Zusammenhange sei auch auf die eingehenden Untersuchungen der indirekten flammenphotc- metrischen Sulfatbestimmung yon Burriel-Martg, Ramirez-MuFtoz und Rexach M. de Lizarduy 2-4 verwiesen.) ttingegen werden im folgenden im Hinblick auf die erzielbare Bestimmungsgenauigkeit yon Chlorid die Bemessung des Uberschusses an Fgllungsreagens und die Proben- verdiinnung behandelt.

3.1. Gleichung der Eichgeraden ]i~r die Chloridbestimmung

Bei der flammenphotometrischen Chloridanalyse hat man zu unter- scheiden zwischen der Eichkurve ffir die Silberanalyse und der Eichkurve, welche den Zusammenhang zwischen restliehem Silber und Chlorid

30*

468 W. Lang: [Mikrochim. Aeta

wiedergibt. Die Gleiehung der letztgenannten Eiehkurve soll im folgenden hergeleitet werden. An Voraussetzungen wollen wir vereinbaren:

a) Etwaige Verunreinigungen der ]~eagenzien sind vernaehl~ssigbar gering;

b) die F~llung des Chlorids mit dem im UberschuB zugesetzten Silbernitrat erfolgt quantitativ;

e) die LSslichkeit des Niederschlags ist vernaehl~ssigbar gering; d) der Silberehloridniedersehlag wird von der flammenphotometriseh

zu messenden LSsung vollst~ndig abgetrennt.

Zu a) Prinzipiell k6nnte man Verunreinigungen der Reagenzien mit Chlorid oder Silber bei der Auswertung der MeBergebnisse rechnerisch bertick- sichtigen, allerdings w~re dieser Weg umstgndlich und zeitraubend. Es empfiehlt sich daher die Verwendung hinreichend reiner Reagenzien.

Zu den Forderungen b) und c) sei auf die bereits erw~hnte Arbeit yon M e n i s und Mitarb. 13 verwiesen.

Zu d) Die vollst~ndige Abtrennung des Silberehloridniedersehlages l~13t sich bei geeig~eter Arbeitstechnik (s. unten) erzielen.

Bei der Herleitung der Eichgleiehung sind zur deutlichen Unterscheidung alle Gr62en, die sieh auf das Grundelement (Silber) beziehen, mit einem Stern indiziert.

Der ProbenlSsung (Volumen vp) wird Salpeters~ure (Volumen VHNO~)

und das F~l]ungsreagens Silbernitrat (Volmnen v~gNo~) zugesetzt. Nach dem Zentrifugieren wird ein Teilvolumen VT entnommen und mit VerdfinnungslSsung (z. B. entsalztem Wasser), Volumen Vy, nachverdiinnt. Unter Megvolumen VM wollen wir den Ausdruck verstehen

VM = (Vp § VHN03 § Vi~glVO~) �9 (1 + VVV). (1)

In dieser Gleichung beriicksiehtigt der Ausdruck 1 § vv die N~eh- v T

verdtinnung der Probe mit entsalztem Wasser.

Anschaulich l~Bt sich G1. (1) so deuten, dab dem Volumen vp -~- VHZr ~ -+- -~- v~4gN08 bereits vor dem Zentrifugieren ein solches Volumen an Verdiinnungs- 15sung zugesetzt wird, dab das Gesamtvolumen gerade VM betr~gt und die flammenphotometrisch zu bestimmende Silberkonzentration in dem ange- strebten giinstigsten Arbeitsbereich liegt. In diesem Sinne ist das g e m ~ G1. (1) definierte MeBvolumen lediglich eine zweckmi~2ige ReehengrSfte.

]:)as vorher gesehilderte Verfahren, bei dem erst nach dem Zentrifugieren ein entnommenes Teilvolumen der flberstehenden LSsung nachverdiinnt wird, bietet zwei wesentliche Vorteile:

a) Bei Verwendung groBvolumiger Zentrifugengl~ser wird in einem kleinen Fliissigkeitsvolumen bei gegebener Umdrehungszahl das Silberchlorid rascher und wirkungsvoller abgesehieden als in einem grSBeren Fliissigkeits- volumen;

b) wird naeh dem Zentrifugieren der LSsung nur ein kleines Teilvolumen entnommen (und nachverdflnnt analysiert), so ist eher die Forderung erfiillbar, dab in die Probe kein Silberchlorid gelangen und die flammenphotometrisehe Analyse f~lschen kann.

1966]3] Arbeitsbereich flammensloektrophotometr. Analysenverfahren 469

Die Masse des restliehen Silbers in der MeglSsung m~ ist abh/~ngig v o n d e r Masse des mit der Silbernitratl6sung zugesetzten Silbers * mAgNOa und der Masse des Chlorids in der Probe rap. Bedeuten AAg und Ac~

die Atomgewiehte des Silbers bzw. Chlors, dann ist

m~l * AAa rap. mAoN~ - - A r

Die flammenpho~ometriseh zu MeB15sung ist dann

(2)

bestimmende Silberkonzentration der

_ _ A A a m p

c } - - m~l - - mAg~o~ Ac~ " (3)

q)M ~M

Die AuflSsung dieser Gleichung naeh mp und die ansehliegende Division dureh d~s Probenvolumen VT ftihrt mit m~gNo~ = Cag:vo~" V.&,:vo~ auf die gesuchte Ch]oridkonzentration der Probe:

mp Ac~ C A g N O a V A g _ ~ O a - - C'~l V M c~ . . . . (4)

Vp AAg Vp

Da fiir eine gegebene AnMysenmethode bis auf die flammenphotometriseh zu bestimmende Silberkonzentration c~u alle GrSgen der reehten Seite yon G1. (4) konstant sind, erh~lt man abktirzend mit

Acz C~I.qNO~ " VAg:Vo~ (5 a) a ~ - - �9

AAg Vp

und

aus G1. (4) nunmehr

b - Ac~ VM (5b} AAg vp

cp = a - - b CM*. (6)

Wird die flammenphotometrische Silberbestimmung unter Verwendung der Eichl5sung (Konzentration cE*) durchgefiihrt und bedeuten hM*

bzw. hE* den Nutzausschlag in Sk~lenteilen bei der Zerst~ubung der Megl5sung bzw. EichlSsung, so gilt

c ~ = c ~ h ~ i~}" (7}

Damit wird aus G1. (6)

c : ; - - a b c ~ h ~

wobei (fiir eine gegebene AnMvsenmethode) a und b cE* Konstante sind. Bei der Ausarbeitung einer Methode ftir Chloridbestimmungen erhebt

sieh die Frage, nach welchen Gesichtspunkten die Konstanten a und b in G1. (6) zu w~hlen sind, um eine mSglichst grol3e Bestimmungsgenauig- keit zu erzielen. Im folgenden soll darauf n~her eingegangen werden.

470 W. L a n g : [Mik roch im. Aeto~

3.2. Zur Wahl der Konstanten a

Zun~chst soil berechnet werden, wie sich die Silberkonzentr~tion der Mel~lSsung mit der Chloridkonzentr~tion der Probe iindert, um d~r~us die Empfindliehkeit der Methode abzusch~tzen. Die Differentiation tier G1. (6) ffihrt auf

dc~ = - - b d c~. (9 ~)

' L" 8O

6O n

" f: _ Ac~, i n % . 20- c$

I

Kurve~l ~ (P'9/ml)42504000 ~i!uX 60.60 4SO0 5000

v 6000 80-

tOr

t -

T - + Acs in% c$

Abb, 3. Ergebnis der numerischen ,kuswertung yon GI. (10) fiir verschiedene Werte tier Konstunten a. Bezngswert ist der Mittelwert der Chloridkonzentration yon normaIem Serum (3650 t~g C1/mt). Er-

l~uterungen s. Text (naeh 11)

Dividiert man diese Gleichung durch ce und erweitert auf der reehten Seite mit ~ ~ wird CM/GM~ S O

d c c _ bc~ . dc~1 (9b) C p - - O p 0 ~1/1 "

a - - Cp )/ l i t C ~ / - b a u s G1. (6) w i r d d a r a u s

dc~ ~ c t , - - a dc~1 (9e) C p C p O ~F I

/ ~ aufgel6st : oder naeh d CM/C M

dc~ ce dcp C~3/1 Cp -- C~ Op

(10)

1966/3] Arbeitsbereich flammenspektrophotometr. Analysenverfahren 471

Fiir die numerische Auswertung dieser Gleichung wollen wir als An- wendungsbeispie] die Chloridanalyse in Humanserum zugrunde legen.

In Abb. 3 ist die relative Xnderung der Silberkonzentration in der NeglSsung als Funktion der relativen Abweichung der Serumchlorid- konzentration vom Mittelwert des Serumchloridgehaltes (3650/xg C1/ml) dargestellt. Ffir den Parameter a sind ffinf versehiedene Werte verwendet worden. Der Darstellung ist zu entnehmen, dad bei einer gegebenen prozentualen Abweiehung der Serumchloridkonzentration vom Mittelwert die entspreehende relative Anderung der Silberkonzentration in der

- _ . B 2 E 2

B 1 - ~ " ~ _ _ " E2

- ~ ,, ._.,~ A 2

>El "~- A1

,~ h*N ; i

Abb. 4:. Emission der Silberlinie 338,3 nm w~hrend der Zerst~ubung von Blindl6sungen (einfache Pfeile), EiehlSsungen (El: 15,0/~g Ag/ml; Ee: 7,5t~g Ag/ml) und Analysenl6sungen

A 1:3540 ttg C1/ml; a = 5280 ~g/ml A2: 3370ttg C1/m]; a - 5230/~g/ml B~: 3540/~g C]/mI; a -- 4273/~g/ml B~: 3370ttg C1/ml; a = 4273~g/ml

Doppelpfeile: Keine Zerstgubung (leer brennende Flamme). Spaltbreite 0 ,2ram (spektrale Band- breite 1 rim) (nach 11)

Mel~lSsung um so grSger wird, je ngher der Wert der Konstanten a b e i dem Mittelwert des Serumchlorids liegt.

Dazu ein Zahlenbeispiel: Liegt die Chloridkonzentration einer Serum- probe um 2% fiber dem Mittelwert 3650#g C]/ml, so wiirde bei Ver- wendung der Konstanten a = 6000#g/ml (Gerade V) die entsprechende Silberkonzentration nur nm fund 4% kleiner als diejenige Silberkonzen- tration, welche dem Serumchlorid-Mittelwert entspricht; hingegen ~firde bei Anwendung der Konstanten a = 4000/~g/ml (Gerade I) die analoge Xnderung der Silberkonzentrationen zirka - - 2 0 % betragen. Da die Konstante a ein •al] fi~r den gew~hlten ~bersehug an F~llungsreagens darstellt, darf man folgern, dag die Chloridbestimmung um so empfind- licher ist, je geringer der Silberfiberschug gew~hlt wird.

Hierzu ein einfaches experimentelles Beispiel (Abb. 4). F fir die flammenphotometrische Analyse zweier w~griger LSsungen mit 3540#g

472 W. Lang : [Mikroehim. Aeta

C1/ml bzw. 3370 #g C1/mi wurde innerhalb einer Mel~reihe die Konstante a zu 5280#g/ml gew~ihlt (A1, A.2) und in einer anderen Megreihe betrug a = 4273#g/ml (B 1, Bs). Der Untersehied zwisehen B 1 und B 2 ist erwartungsgem~B deutlieh gr61~er als zwisehen A 1 und A 2. Er wfirde sieh welter vergrSBern, wenn a noeh kleiner gew/~hlt wfirde, da im Modell- beispiel der Silberfibersehul3 immer noeh verhgltnism~l~ig grol3 ist.

Es sei kurz zusammengefagt: a) Die Konstante a ist ein MaB f/ir den 1Jbersehug an Fallungsreagens. b) Mit der Konstanten a wird die Empfindliehkeit der Chlorid-

bestimmung festgelegt.

1 , 1 ~

g

T

- - J C~

Abb. 5. Graphisehe Darstellung der Gleiehung e s - - a b e ] l mit konstantem a und zwei ver-

sehiedenen b-Werten. Dabei bedeuten c s die Serumchloridkonzentration, ~s der Mittelwert der ChloridkonzentraMon yon normaIem Serum, ( d C ~ l ) I In te rwl l der Silberkonzentration, welehe

einem Serumehloridbereich yon ~s -+- 10% entspricht bei grol3em Weft yon b (Gerade I )

e) Der Wert der Konstanten a sollte etwa 20yo fiber dem hSehsten Weft der zu bestimmenden ChloHdkonzentration liegen. Ein h6herer Weft yon a geht auf Kosten der Empfindliehkeit der Methode. Bei einem zu niedrigen Weft von a (sehr geringer Silberfibersehug) wird die Silberanalyse mit der Ann~herung an die Naehweisgrenze des Silbers zunehmend nngenauer und sehliel~lieh ganz nnm6glieh.

3.3. Zur Wahl der Konstante~ b

W~hrend mit der Konstanten a der ~'berschuf3 an F~llungsreagens festgelegt wird, bestimmt die Konstante b die insgesamt vorzunehmende Verdtinnung der Analysenprobe. Beide Konstanten mtissen nat/irlieh

1966/3] Arbeitsbereich flammenspektrophotometr. Analysenverfahren 473

so gew~thlt werden, dal~ die Silberkonzentrationen der MeB15sungen in dem bereits angegebenen optimalen Arbeitsbereich liegen.

In der graphischen Darstellung der Eichgerade n cp = a - - b c~i (Abb. 5) bedeutet a den Schnittpunkt der Geraden mit der Ordinate und b ist d~s Steigungsm~l~ der Geraden. Ffir ein bestimmtes Intervall der Chloridkonzentrationen, z .B. :L 10 ~o des Chloridmittelwertes (s. Abb. 5), wird mit einem grol~en Weft yon b die Steigung der Get ,den grol] (Get,de I), and die zu messenden Silberkonzentrationen ]iegon innerhalb eines sehr kleinen Interv~lles (z~c~) x. Mit ~bnehmeudem b, das heil~t mit ~bnehmender Verdfinnung der Probe (unter sonst gleichen Verh~L]tnissen) verl~uft die Eichkurve flacher (Gerade II). und die Chlorid-

1,1C,

t0~

~gev

e~ b

b - const.

A c - - : co~ t .

.e4

Abb. 6. Zur Abh~ngigkei t des relat iven Fehlers der Chlor idbest immung yon der Silberkonzentration bei kons tantem re la t ivem Fehler der Silberbestimmung. Erl~uterungen s. Text

konzentrationen zwischen 0,9 cs und 1,l ~ entsprechen nun einem sehr viel grSl~eren Bereich der Silberkonzentrationen (Ac~)xi.

Noch ein anderer Gesichtspunkt ist bei der Wahl von b zu bedenken. Die zu messenden Silberkonzentrationen ]iegen bei der genannten An- wendung innerhalb eines verh~Lltnism~Ll~ig kleinen Intervalles. Deshalb darf man den prozentualen Bestimmungsfehler der Silberan~lyse in erster N~herung als konstant betrachten. Dann ist ~ber der Bestimmungs- fehler der Silbemn~lyse - - i n Konzentrationseinheiten ausgedriickt - - bei kleinen Silberkonzentrationen (also hohen Chloridkonzentrationen) kleiner als bei groBen Silberkonzentrationen (also niedrigen Chlorid- konzentrationen). Dieser Sachverhalt ist schematisch in Abb. 6 d~r- gestellt. Die geringe Schwankungsbreite niedriger Silberkonzentrationen hat zur Folge, dal~ much die entsprechenden Chloridwerte nut mit einer

474 W. Lang : [Mikroehim. Acta

ger ingen Unsicherhei t behaf t e t sind. Berechnet man den re la t iven Fehler der Chlor idbes t immung, so e rkenn t m a n (Abb. 6), da~ bei hohen Chlorid- wer ten der re la t ive Feh]er wesent]ich kleiner sein muB als bei n iedr igen Chloridwerten.

Ffir die quan t i t a t i ve E r m i t t l u n g dieses Zusammenhanges wollen wir als Beispiel wiederum die Serumchlor idana lyse be t rach ten . Der W e r t yon a sei 20~o grS~er als die mi t t le re Serumch]or idkonzent ra t ion , also a = 1,2 cs = 4380/~g/ml. Bei der sys temat i schen _~nderung des b-Wertes (der Ste igung der Eichgeraden) is t die Nebenbed ingung zu beach ten b c~ ~ konst . = 0,2 cs = 730/~g/ml. Wi r wollen nun priifen, wie sich

I I I I I J J

c s �9 e s 0,70 -

0,60-

050-

0/,0

030.

0,20-

0,10-

0

T

c s =1~o es

c s =1,1o es

100 200 300 /.00 500 6t}O ' ~ 0

* b

Abb. 7. Be t r ag des re la t iven Fehlers der Se rumch lo r idbes t immung als Funk t ion der K o n s t a n t e n b bei e inem kons tan ten IVehler der S i lberbes t immung yon 2% m i t der Serumchlor idkonzentra t ion als

P a r a m e t e r (vgl. Abb. 8)

ein Fehle r yon z. B. 2 ~o bei der E r m i t t l u n g der S i lberkonzen t ra t ion auf die Bes t immung des Serumchlor idgehMtes auswirkt . Dabe i wollen wir uns auf drei verschiedene Chlor idkonzent ra t ionen besehrs naml ieh auf den Mittelwer~ des Serumchlor ids cs = 3650#g/ml , auf 0,9 cs 3285#g/ml und auf ] 3 cs = 4015/tg/ml.

Bei dieser Problemstellung ist die Ursaehe des angenommenen Fehlers von 2~o in der Silberbestimmung bedeutungs]os. Im allgemeinen Falle setzt sich dieser Fehler zusammen aus Fehlern der Probenvorbereitung (Pipettier- fehler, Fehler bei der Fiillung des Chlorids und Abtrennung des Silber- ehloridniederschlages) sowie Fehler bei der f lammenphotometrischen Silber- analyse. Selbstverst~ndlieh wird der Gesamtfehler der Silberbestimmung von einer Probe zur anderen unterschiedlich sein und der oben angenommene Fehler yon 2 ~o wird iSberschritten oder aueh mitunter un~erschri~ten werden. Doch darauf kommen wir noeh zuriiek.

Abb. 7 zeigt, wie sich ein kons tan te r Fehle r yon 2~o in der Silber- ana lyse im ungi ins t igs ten Fal le auf die Serum-Chlor idbes t immung

1966/3] Arbeitsbereich flammenspektrophotometr. AnMysenverfahren 475

auswirkt. Bemerkenswert ist, dag flit eine bestimmte Chloridkonzentra- ~ion, beispielsweise Cs, der Fehler der Chloridbestimmung vom Weft der Konstanten b unabh~tngig ist (was dureh die oben vereinbarte Konstanz yon b c~u bedingt ist). Auffallend ist aueh, dag der Fehler der Chlorid- bestimmung sehr stark yon der Chloridkonzentration abh~ngt: Bei einer Chloridkonzentration yon 1,1c~ =4015#g /ml wird eine Unsicherheit yon 2% in der Silberbestimmung auf rund 1/10 des ursprfingliehen Wertes, n~mlieh auf 0,18% hernntergesetzt. Auch bei 3650#g Cl/ml, dem Serum- chlorid-Mittelwert, wirken sieh Fehler der Silberbestimmung nut mit etwa 1/5 ihres Betrages aus. Erst bei niedrigen C1-Werten im Bereieh yon 0,9 c~ nnd darunter kommen Fehler der Silberbestimmung starker zur Geltung.

Unbefriedigend bei dieser Darstellnng ist, dag aus den wenigen ;speziellen Werten der gesetzm~Bige Zusammenhang nieht hervorgeht.

Deshalb soll nun die t~elation zwisehen Acs und c~ in allgemeiner Form e s

abgeleitet werden. K sei der relative Fehler, mit der die Bestimmung der Silberkonzen-

r c~ behaftet ist. In Konzentrationseinheiten ausgedriiekt gilt dann

A c~ = K c~. (11) Unter Beachtung von

C ~ / - a C s b (12)

und

b z v r

wird aus (11)

A c s = - - b " zJc~ (13a)

z l c ~ - - A% (13b) b

dcs -- K (c~--a) . (14)

Setzt man wieder a = 1 , 2 c s - 4380#g/ml und dividiert die G1. (14) durch % dann folgt

A% _ K (1 - - 43801. (15) C s C s ]

In (Jbereinstimmung mit dem Ergebnis des Diagramms Abb. 7 ist A% %

bei dieser Problemstellung unabhi~ngig yon b; in G1. (14) hebt sich b

heraus. Der G]. (15) is~ zu entnehmen, dab sich A% mit 1/c~ ~ndert %

und direkt proportional dem relativen Fehler der Silberbestimmung K ist. In Abb. 8 ist G1. (15) fiir verschiedene Werte yon K dargestellt.

Bemerkenswert ist, dag in dem fiir Serumchloridanalysen interes- sierenden Bereich (ausgezogene Kurven) der relative Fehler der Chlorid-

476 W. Lang: [Mikrochim. Acta

bestimnmng stets kleiner ist als der relative Fehler der Silberbestimmung, gleiehgfiltig, wie groB dieser aueh sein mag. Es sei daran erinnert, dab der Fehler der Silberbestimmung aueh Fehler bei der Probenvorbereitung (F~llung des Chlorids, Abtrennen des Niedersehlagea, Naehverdfinnen) beinhaltet. Insbesondere bei hohen Chloridkonzentrationen ist eine hohe Bestimmungsgenauigkeit zu erzielen. Selbst ein verhS]tnism/igig grol]er Fehler yon beispielsweise 8~o bei der Silberanalyse wirkt sieh bei einer Serumehloridkonzentration yon z .B. 3800#g C1/ml nur mit knapp 1,3~o aus.

. - e

.E

T

12-i 11- i ',,

10-

" , "', K = 0,10 8-

7-

6- " . . " ' . .0 ,0~" . .

"-, 0,05 ""

A@= K(1- ~) G=/-380 p.g/m[

" ""'--g0~ """-.. " " " - . ~ . . ~

0 1 ~ i I r l , i i [ i

2ooo 2~oD 2coo zzoo 36o~ ~oDo uoo

"r in pg Ct/mt

Abb. 8. Betrag des rela~iven Fehlers der Serumchlor idbest immung als Funkt ion der Serumchlorid- konzentrat ion bei verschJedenen prozentualen Fehlern ag der Si lberbest immung (Parameter der

Kurvenschar) . Wer t der Kons tan ten a = 4380[tg/ml

Die Kurven in Abb. 8 sind weit fiber den Serumehloridbereieh hinaus dargestellt worden, um zu zeigen, daS unterhalb einer gewissen Chlorid- konzentration (bier 2200#g C1/ml) Fehler der Silberbestimmung nieht abgesehw~teht, sondern verstgrkt werden. Bei sehr niedrigen Chlorid- konzentrationen k6nnen auf diese Weise betrS~ehtliehe Fehler eine quanti- tative Chloridanalyse unm6glieh maehen. Experimentelle Ergebnisse - - mit w/~Brigen Chloridl6sungen untersehiedlieher, aber bekannter Konzentration und konstantem a-Weft durehgef~hrt - - bestatigen diesen SaehverhMt (Abb. 9): Bei hohen Chloridkonzentrationen und daraus resultierendem geringem Silberiibersehul] (linker Teil der Abszisse) ist der Fehler der Chloridbestimmung stets kleiner als der entspreehende Fehler der Silberanalyse. Umgekehrt erreieht der Fehler der Chlorid- bestimmung bei sehr niedrigen Chloridkonzentrationen (reehter Tell der

1966/3] Arbeitsbereich flammenspektrophotometr. Analysenverfahren 477

Abszisse) so hohe Werte, dal~ die entspreehenden Mel3werte bei der gew~ihlten Darstellung augerha]b des Diagramms liegen.

Aus diesen Ergebnissen darf man aber nicht den Schlul~ ziehen, dall nur hohe Konzentrationen yon Chlorid flammenphotometrisch quanti- tat iv bestimmbar seien. Vielmehr mug man ffir die Analyse stark unter- sehiedlicher ChloridlSsungen nach entsprechenden Vorversuchen zwei (oder mehr) versehiedene Werte yon a (also verschiedenen Ubersehul3 des F~Jlungsreagens) anwenden. - - :Far die Serumehlolidanalyse geniigt eine einzige Methode, wie unten gezeigt wird.

2/,-

22-

20-

18-

16-

.c_ 14-

l 111-

8-

6-

2-

0 0

...... Relat:ver Fehter der Sitberbestimmung ~ l { Rel.ativer Fehter der Chioridbestimmung ~ /

p,.

~ 3~ ~ sb ~ 7b eb ~b m' -Rest-Ag/Oesa~t Ag ~%

Abb. 9. ]~etragdesrelat ivenFehlers der Si lberbes t immungundder ChloridbestimmunginAbhKngigkeit veto SilbertiberschuB; auf der Abszisse ist das Verhitltnis restliches Silber zu insgesamt zugesetztem Silber aufgetragen. Bei kleinen Werten dieses Verh~iltnisses (linker Teil der Abbildung) ist der relative

Fehler der Sflberbestimmung stets grStler als der relative Fehler der Chloridbestimmung

Es ist also festzustellen, dab lediglieh die Wahl der Konstanten a besondere Beaehtung verdient, weft sie die erzielbare Bestimmungs- genauigkeit in entscheidender Weise beeinflul3t. Bei der Bemessung des b-Wertes ist lediglieh darauf zu achten, dab die resultierenden Silber- konzentrationen innerhalb des Arbeitsbereiehes der Silberanalyse liegen.

4. Flammenspektrophotometrische Chloridbestimmung in Humanserum

Abschlietlend sell noeh kurz auf eine praktische Anwendung der flammenspektrometrischen Chloridbestimmung eingegangen werden, nitm- lieh auf die Chloridbestimmung in Humanserum, fiber die an anderer Stelle 1~ ausffihrlieh berichtet wird. Fiir die Durchfiihrung dieser Analysen wurde die gleiche Mel3anordnung benutzt, die eingangs beschrieben wurde.

478 W. Lang: [Mikrochim. Act~

Probenvorbereitung: In ein Zentrifugenglas werden 50#1 Serum, 1 ml 1-n HNO3 und 1 ml AgNOa-L6sung (Konzentration 650#g Ag/ml) pipettiert, mit einem Platindraht umgeriihrt und 15Minuten (bei 5500 Umdrehungen/min) zentrifugiert.

Von der iiberstehenden LSsung wird vorsichtig 1 ml abpipettiert., mit 9 ml entsalztem Wasser verdiinnt und in dieser LSsung der Silber- geha]t flammenphotometriseh bestimmt. Die verwendete EiehlSsung enthglt 7,5 #g Ag/ml, 8 pg Na/ml, 0,4 #g K/ml, 0,2 ug Ca/m], 0,3/~g P/ml. Die BlindlSsung weist his auf das Iehlende Silber die gleiche Zusammen- setzung auf.

Die Auswertung der Messungen erfolgt naeh der Gleichung

c8 ~ 4273 - - 134,8 c~ (16a)

bzw.

c8 = 4273 - - 1011 h~r h~ (16b)

(c s in #g C1/ml).

Mit der graphischen Darstellung yon G1. (16 b) in geeignetem Mal3stab ist eine rasehe und hinreichend genaue Auswer~ung mSglieh.

StSrungen der flammenspektrophotometrisehen Serumch]oridbestim- mung durch L5sungspartner wurden nicht Iestgeste]lt. Dies ist wohl in erster Linie auf die angewandte starke Verdfinnung der Serumprobe im Verh~ltnis l : 410 zurtiekzufiihren. Bei dieser Verdfinnung tr i t t z. B. Natrium in einer Konzentration yon zirka 8 #g/ml und Kalium mit etwa 0,4#g/ml auI. Andere Elemente, wie z .B. Kupfer und Eisen, liegen bei dieser Verdilnnung in einer Konzentration der GrSgenordnung ng/ml vor und seheiden gleiehfalls als StSrpartner aus. Ebenso ist es mit Silber, das in unverdiinntem Serum mit weniger als 10 -s g/ml vertreten ist. Die Konzentration yon Brom und Jod in Humanserum is u yon der gleiehen GrSBenordnung. Die angegebene flammenphotometrisehe Serum- ehloridanMyse arbeitet also stSrungsfreL

Die Reproduzierbar]ceitsprii/un9 mit 25 Misehseren ergab als Standard- abweichung -~:0,76~o; dies entsprieht einem relativen Fehler yon =L 0,15%.

Die ,,Richtigkeit der Methode" wurde dureh Vergleich mit der merkuri- metrischen Bestimmungsmethode l~ an 25 Einzelseren bests Die grSgte beobachtete Abweiehung in den Paralle]bestimmungen betr~gt 4,7 ~o.

Es ist beabsiehtigt, die Methode der Serumchloridbestimmung auf die Anwendung einfaeher Flammenphotometer (Filterger~te) auszu- dehnen, die Blind- und EichlSsungen weiter zu vereinfachen und den ProbenbedarI unter 50#1 Serum zu senken.

1966/3] Arbeitsbereich flammenspektrophotometr. Analysenverfahren 479

Her rn Prof. Dr. R. Herrmann bin ieh fiir die freundliehe Gewiihrung

der Mittel zur Durehf i ihrung der Arbei t zu Dank verpfl ichtet ; insbesondere

m6ehte ich mieh fiir die anregenden Diskussionen u n d Hinweise bedanken. Fri~ulein B. Gutsche war mir bei der experimentel len Arbei t behililich,

woliir ihr aueh an dieser Ste]le gedankt Ski.

Zusammenfassung

Die Eichkurve fiir die indirekte f lammenphotometr ische Chloridanalyse wird abgeleitet u n d diskutiert . Es wird theoretisch gezeigt u n d experi- mente l l verifiziert, dab die Bemessung des (Jberschusses an F~llungs- reagens yon ausschlaggebender Bedeutung fiir die erzielbare Genauigkei t ist. InnerhMb definierter Grenzen arbei ten Differenzmethoden, bei denen die Analyse in der f iberstehenden LSsung ausgeffihrt wird, mi t h6herer Bes t immungsgenauigkei t Ms direkte F lammenmethoden .

Als Anwendungsbeispiel der Differenzmethode dient die Chlorid- bes t immung in H u m a n s e r u m : Die Analyse der 410fach verd. 50-#]- Serumproben ist frei yon StSrungen; der relative Fehler der Chlorid- bes t immung in Misehserum wurde aus 25 Messungen zu ~ 0,15~o

ermit tel t .

Summary

The calibration curve for the indirect flame photometric determination of chloride was derived and discussed. I t was shown theoretically and verified experimentally that the measurement of the excess of precipitating reagent is of decisive significance with respect to the attainable precision. Differential methods work within definite limits, at which the analysis is conducted in the supernatant solution, with a higher determination accuracy than direct flame methods.

The determination of chloride in human serum serves as an example of the differential method. The analysis of the 50-/~1 specimen of serum (diluted 410• is free of interferences. The relative error of the chloride determination in mixed serum was determined from 25 measurements to be • 0.15%.

R~sum6 On a pris la ddriv0e de la courbe d'6talonnage dans le cas de l 'analyse

indirecte de chlorures par photom6trie de flamme et l 'on proc~de ~ une discussion. On montre par la th6orie et l 'on v6rifie par l'expdrience que la mesure de l'exc~s de r6actif pr6cipitant cst d 'une importance primordiale pour l 'exactitude que l 'on peut obtenir. Dans des limites d~finies, on op~re suivant des m6thodes diff6rentielles cn effectuant l 'analyse de la solution surnageante avec une pr6cision de dosage sup6rieure ~ celle des m6thodes directes par spectrophotom~trie de flamme.

Comme exemple d'application des diffdrentes m6thodes, on prend le cas du dosage des chlorures darts le s0rum humain: l 'ana]yse d'6chantillons de sdrum de 50 #1 diluds 410 lois, ne pr6sente pas d'interf~rences; l 'errcur relative du dosage des chlorures dans le cas d 'un m61ange de sdrum a 6t6 ddterminde

partir de 25 mesures, ~ :L 0,15~o pr6s.

480 W. Lang: Arbeitsbereich f lammenspektrophotometr . Analysenverfahren

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