Grundlagen und Anwendungen der Flow-injection-Analyse (FIA)

Zeitschrift f iir Chemie 24. Jahrgang . Marz 1984. Heft 3 . ISSN 0044-2402

Herausgeber: Im Auftrage der Chemischen Gesellschaft der Deutschen Demokratischen Republik Prof. Dr. Helga Dunken, Prof. Dr. Dr. h. c. Lothar Kolditz, Prof. Dr. Roland Mayer Unter Mitarbeit von Prof. Dr. Dr. h. c. H.-H. Emons, Prof. Dr. G. Geyer, Prof. Dr. S. Herzog, Prof. Dr. H.-A. Lehmann, Prof. Dr. S. Rapoport, Prof. Dr. Dr. h. c. G. Rienacker, Prof. Dr. H. Sackmann, Prof. Dr. G. Schott, Prof. Dr. W. Schroth, Prof. Dr. M. Schulz, und Prof. Dr. K. Schwetlick

Grundlagen und Anwendungen der Flow-injection-Annlyse (FIA)

Helmut N C l l e r und Volkmar Miiller

Technische Hochschule ,,Carl Schorlemmer" Leuna-Merseburg, Sektion Chemie

Einleitung

Die Anforderung, eine steigende Anzahl von Proben rationell und zuverl5ssig zu analysieren, hat in den sechziger Jahren zum Durchbruch automatisierter Analysenverfahren gefuhrt (zur Nomenklatur siehe auch [l]). Insbesondere nnalytische Aufgaben- stellungen aus den Bereichen Umweltschutz, klinische Chemie, Giite- und Produktkontrolle verlangen von einem Analysenver- fahren neben hohem Nachweisvermogen auch hohe Analysen- frequenzen (Hochgeschwindigkeitsanalytik). Einige Zahlen mogen diese Forderung belegen:

- Wasserlabor Wessex Water Board (England) : 30000 Proben

- Hoechst AG (BRD) : 1 Million AnalysenlJahr fur den Uniwelt-

- Schwerpnnktkrankenhaus (Europa) : 0,5-1 Million Analysen

- klinische Chemie : 13 Millionen Elektrolyt.bestimmungen/Jahr

- Hoechst AG (BRD) : 25000 Einzelbestinimungen/Monat fur

je Jahr mit je 11 Einzelbestimmungen [2]

schutz [31

je Jahr [41

[51

Produktkontrolle im Hiittenlaboratorium 161 Dabei genugt es nicht, atis dem GesamtprozeW eines Analysenver- fahrens (Probenahme, -aufbereitung, -dosierung, Signalerzeugung und -verarbeitung) einen Schritt weitestgehend zii automati- sieren, sondern man mu8 von der Probenahme bis zur Doknmen- tation der Analysenergebnisse Ale Schritte in den Automatisie- rungsprozel3 einbeziehen. Eine Einteilung der auf den1 l\larkt, verbreitetsten automatisierten Analysensysteme (Analysatoren) kann u. a. wie folgt vorgenommen werden (siehe dazu auch [7], [8], [lo]): - diskrete Analysatoren (Einzelprobenanalysatoren; engl. : batch

analyzers) : a) in offenen GefaBen b) Zentrifugal-Parallel-Analysat.oren

- DurchfluBanalysatoren (engl. : continuous flow analyzers) : a) luftsegmentierte FlieBsysteme b) unsegmentierte FlieRsysteme (Flow-injection-Analyse)

Eine umfassende Ubersicht iiber nakhemische Analysenauto- maten und deren Anwendung wurde von van Gemert [9] gegeben (455 Literaturzitate). Zunehmend an Bedeutiing gewinnen automatisierte Analysen- systeme, die nach dem DurchfluBprinzip arbeiten (kontinuierliche DurchfluBanalysatoren). Das Prinzip dieser Systeme besteht darin, daW aufcinanderfolgend Proben und Waschlosungen durcli Hohren und Schlauche gefordert werden. An fixierten Punkten werden Reagenzien zugesetzt. Reaktionen finden wahrend des Transportes der Probelosung zu einenl DurchfluBdetektor statt.

Das Prinzip ist aufierordentlich flexibel. Xeben Verdunnung, Er- wilrmnng, Durchmischung nnd Reagenszusatz konnen Trennope- rationen (Dialyse, Destillation, Extraktion) in den Prozell einbe- zogen werden. Um eine Vermischung und ifberlappung aufein- anderfolgender Probezonen moglichst zu vermeiden, wurde von Skeggs [Ill die Trennung der Segmente dnrch Luftblasen eingefiihrt. Diese Lnftsegmentierung wurde bis in die siebziger Jahre fur eine praktische Realisierbarkeit von Analysen nach dem Durch- fluDprinzip als unumgiinglich angesehen. 1970 berichteten Nagy, Peher und Punyor [la] Bber voltammetrische Bestimmungen, bei denen die Proben in einen kontinuierlich flieBenden Strom ohne Luftsegmentierung injiziert wurden. Diese Arbeiten wurden von anderen Autoren aufgegriffen und ausgebaut (siehe dazu [lY], [33]). Ruzicka und Ifansen [14] konnten dann zeigen, daB Arialysen im DurchfluBprinzip ohne Luftsegmentierung nicht nur moglich, sondern von Vorteil sind. Von diesen Autoren wurde auch der Terminus ,,flow-injection analysis" (deutsch: FlieWinjektions- snalyse [let]) eingefiihrt. Diese Flow-injection-Technik hat sich seit,dem sehr schnell weiterentwickelt. Etwa 200 Publikationen, davon allein etwa. 100 im Jahre 1981, eine Monographie zu dieser Analysentechnik [I61 sowie zwei internationale Kongresse zur Gesamtproblematik der FlieBanalyse mit dem Schwerpunkt Flow-injection-Technik') sind Indiz dafiir [17a, b]. Aus der Vielzahl von ifbersichtsartikeln z u r FIA-Technik konnen im Rahmen dieser Darstellung nur einige [15], [20]-[29], [34] ausgewieseri werden (siehe dazu auch [IS], [19]).

1. Prinzip tler Plow-injection-Teehnik

Stand und Trends von DurchfluWanalysatoren im allgemeinen und ein Vergleich zivischen luftsegmentierter und nichtsegmen- tierter (Flow-injection)-Technik in1 besonderen wurden von Snyder [30] analysiert, so daW im Rahmen dieser Ausfiihrungen zielgerichtet nur die FIA besprochen werden soll. Unter Flow-injection-Analyse versteht man einen automatisierten oder teilautomatisierten analytischen ProzeB, der in einer sequentiellen Injektion von diskreten Mikroproben in einen unsegmentierten kontinuierlich flieBenden Flussigkeitsstrom mit naclifolgender Detektion des Analyten besteht (nach [13]). Das Wesen der Flo~~-injection-Anatlyse besteht also darin, daB ein definiertes Volumen von Probelosung in eine fliedende Tra- gerlosung eingebracht wird und wahrend des Transports zum Detektor Miscliungs- und Reaktionsvorgange zwischen Probe- und Tragerlosung ablaufen. Die Probelosung, die a19 Segment in den Strom der Tragerlosung eingeschleust wird, liegt inner-

l) 1. International. Conference on Flow Analysis, Amsterdam, 11.-13.9.1979 [lSa]; 2 . International. Conference on Flow Ana- lysis, Lund, 18.-'11. 6. 1982 LlSbj

Z. Cliem., 24. Jg. (1984) Hel t 3 0 81

halb dieser Triigerliisurig n ls offcncs Syst,em vor. Es ist standig ein lhcrgie- iind 8toEf;iiistauscli zwischen l'robe- und Triigerld- sung moglich. Die Stoffaustauschprozesse werden durch Diffu- sion, Konvektion iind durch die ablaufenden ciiemischen Reak- tionen bestimmt. Die Einstellung cines Gleichgewichtszustandes im Sinne eines Endzustandes ist daher riicht moglich. Um Me& werte miteinander vergleichen zn kiinnen, mu6 die durchMischungs- vorgange bedingte Dispersion der Probe in der Tragerlosung streng reproduzierbar sein (Konzept der kontrollierten Disper- sion). Das setzt eine definierte Verweilzeit der Probe im System, konstante Striimungsbedingungen und ein reproduzierbares Ver- fahren zur lnjektiori der Probe ins System voraus. Dnrch diese Forderungen wird uriabhangig vom Detektionsprinzip der Auf- bau eines FIA-Systems bestimmt.

biel3wert- registric-

Wandler a ' T r a n s p o r t - s y s t e m s trecke 1 X r e i s i a u f - or Reaktions- Uetek to r A b f l u f i

I f i ihrung *A

Bild 1 Srhematischcr ilufbau eines FTA-Systems

Den schemiltischen Aufbau eines HA-Systems zeigt Bild 1. Die das analytische Signal bestimmenden VorgBnge finden zwischen den Punkteri der Probeinjektion und der Detektion statt. Der injizierte Probesektor wird vom Flussigkeitsstrom mitgerissen und durch physikillische Vorgange (Konvektion und radiale Diffu- sion) dispergiert. Eine schematische Darstellung diescr Effektc anf das Konzentratiosnprofil der eingeschlensten Probe zeigen die Bilder 2a und 2b. Die Dispersion eines FIA-Systems ist die ausschlaggebende UrijDe fur die Signalform und damit insbesondere fur die Probcfrequenz [siehe GI. (5)].

I FlieRrichtuno -

Bild 2a) EinflnW der Dispersion auf das Konzentrationsprofil ia ohne Dispersion, b konvektionsbedingt, c konvektions- und d diffusionsbedingt

0

t C I

t oder Scan - Bild 2 b) Aufliisungsvermogen

EinfluB der Dispersion auf dir Pcakform und anf dns

D:i die Auswertring der an;dytischen Signnle nirist iiber tlic I'cak- liiilic ctrfolgt', l i i~ t sicli fiir dicx Dispersion II folgendc Ut4iriition durchgesetzt [IG], 1291 :

11, Signalhohc fur die urspriingliche Konzentration der iinvcr- mischten Probe (Probezone a in Bild ea) , Hllli,x Signalhiihe fur die Konzentration der Probczoric i i i n

Signdmaximum, C, ursprungliche Konzent,ration der nnvermischten Probe, C,,,,, durchschnittliche Konzentrat.ion des Teils der Probezonc, der beim Signalmaximuni den Detektor durchstriimt.

Diese Definition gilt fur lineare furiktionale Zus;imnienhiingc zwischen Peakhohe H und Konzentration C. Diesen Ziisa,rnmwi- hang [GI. (2)] zeigt scheniatisch Bild 3 (nach [16]).

1

D

=I 4

Large L-

Dispersion in einem FTA-Systcm Bild 3

Eine Dispersion D = 2 bedeutet eine Verdiinnung dcr Probr- losung durch die Tragerlosnng imVerhiiltnis 1:l (C,,,,, =: 1/:! C",). Der einfachste Weg zur Bestimmung der Dispersion eines Systems besteht in der lnjektion eiiies definierten Probevolumens cincr Farbstofflosung in einen nichtabsorbierenden Tragerstroni (z. 13. Wasser) und der kontinuierlichen Registrierung der Extinktion. Durch Bestimmung der Extinktion der unverdiinnten Farbstoff- I~stiiig (kontinuierliches Ansaugen bis znm Erreichen eines ,,stcntly state"-Signals) erhalt man H,. Darans l a D t sich bei Gultigkcit dcs Lambert-Beerschen-Gesetzes (const' = const") leiclit die Dis- persion D des Gesamtsystems berechnen. Die Dispersion iiimnit. mit der Llnge L der Transportstrecke zu (siche Bild 2 ) . Sie ist proportional der Quadratwurzel der LPnge dcr durchlaufenen Strecke und damit der Aufenthaltszeit T fur eine konstante FlielJ- geschwindigkeit :

D = k, * L'/z ( 3 )

D = k, - (4)

Andere Parameter zur Beeinflussung der Dispcrion sind tlic FlieDgeschwindigkeit und im begrenzteri Umfang der 1nnendurc.h- messer der verwendeten Schlauche. Als optimale Schlauchdurch- messer werden 0,6 -+ 0,2 mm angesehen, da damit ohne Srhwit,- rigkeit bei nicht zu hohem Reagensverbrauch ausreichende F1ic.B- gcschwindigkeiten erreicht werden kiinnen und trotzdem noch eine ausreichende Variabilitat fiir die chemischen Prozesse v01'-

hmden ist. Will man eine VergroBeriing der Aufenthaltszeit der Probe ini System erreichen, sollte man die Reakt.ionsstrecke t~rotxdcm kurz halten und dafur eine Verringerung der FlieDgeschwinrligkcit vornehmen (Sonderfall u = 0, Stop-flow-Viariante). Die fiir die FIA gunstigsten Llngen fur Reaktionsstrecken liegen zwischrn 10 und 150 em. Am wirksamsten 1aOt sich die Dispersion durch Anderung der injizierten Probevolamina beeinflussen. Durch Variation dcr Dispersion in einem FIA-System hat man die Miiglichkeit, &is System einer analytischen Aufgabenstellung weitgehcnd amu- pitssen. Bei D = 1 (H,tl,, = H,) ist das Zentrum der Probezone vollig

Trigerstrom. In diesem Fall spricht man von bqrenzter D i s -

Druckt man die axiale Gesamtdispersion eines FlieDsystems uber

&snmt = ufnjektioii + oFlieOsystem 2 -1- "Detektioii 2

seine Varia'nzen aus, komlnt man zu folgender Beziehung L3'i: unbeeinfluJ3t DlIrchmischungsprozesSen ,nit dem umgebelldcll (1)

82 2. Cliem., 24. Jg. (1884) I lc l t 3

persion. Hierbei dient das System hauptsachlich nnr ziim Trans- port eines Probesektors zu einem selektiven Detektor (ionen- selektive Elektrode ; Zerstauber einer AAS-Apparxtur i1.n.). Aber auch hierbei kann man durch VergroBerung der Dispersion (z. B. durch Verlangerung des Abstandes 1njekt.ion-Detektor) Ver- dunnungseffekte erzielen, die besonders bei der Analyse von Pro- ben mit hoher Matrixkonzentration erwiinscht sind (z. B. Andyse von Alkalichloridsolen der Alkalichoridelelrtrolyse mittels AAS oder AES). Analysatoren mit inittlerernispersion (D = 3 bis 10) mer- den am haufigsten angewendet, da insbesondere bei photometri- scher Detektion eine oder mehrere chemische Rciiktionen notwen- dig sind (Komplexbildungsreaktionen, Pufferungen, Maskierun- gen ma.), die im FlieBsystem ablaufen mussen. Hierbei mid das Zentrum der Probezone wirksam mit dem Transport - bzw. Reagensstrom vermischt werden. Bild 4 zeigt scheiiiatisch die einfachste Variante eines solchen FIA-Systems.

\ Abflun %-@ Reagens

d

Probe

Tra erls . w Bild 4 FIA-System bei Zufuhrnng eines Reagens

Will man die Konzentrationsprofile der Probezone fur nnalytische Zwecke, wie Titrationen, nutzen, wahlt mnn ein System hoher Dispersion (D> 10). Bei kinetisch-katnlytischen Methoden die nach der Methode der fixierten Zeit ausgewertet werden (siehe dazn [35] ) , benotigt man einen Umsatz, der zii einer mel3barcn Anderung des Analysensignals fiihrt. Das fiihrt zu Ilngeren Aufent- haltszeiten der Proben im System und damit zii hohen Disper- sionen. Eine Alternative dazu bildet die Stop-flow-Technik. Das Beherrschen der Dispersion eines FlieBsystcnis bietct gnnz neue Anwendungsbereiche (Grildiententechniken), die besonders in letzter Zeit stark bearbeitet werden [Yi], [XI.

2. Xotlufn eines FIh-Systems Ausgehend von der schemat,ischen Darst~ellm~g eines FIA-Sy- &ems (Bild 1) sol1 in den folgenden Ausfiihrrlngen nuf die wichtigsten Anforderungen an die einzelnen Modnln kurz eingcgangen werden (siehe dam auch [ l G ] , "'91).

2.1. Transportsystem

Die Losungen mussen kontinnierlich und moglichst pulsations- frei durch enge Schlauche (meist tins Teflon) mit einem Innen- durchmesser von 0,5 mm flieRen. Die Flussigkeit kann dazu durch Kolbenbiiretten, durch Anwendung von Giisiiberdruck [37], durch die Wirkung der Schwerkrnft (flow gravity) oder am bequemst.en durch Schlauchpiimpen gefiirdert, werden. Schlauch- pnmpen (Peresta.ltikpumpen) a.rbeiten zwir nicht vollig pulsa- tionsfrei, gewahrleisten aber eine leichte Einstellnng von variablen DurchfluBmengen und ein kontiniiierliches Arbeiten. Sie erm6g- lichen auch eine Einstellung individueller FlieBgesehwindig- keiten in unterschiedlichen KanLlen. AuIlerdenl konnen sie sowohl fur das Driicken als auch fur das Absaugen von Losungen (auto- matische Probenahme, ,,sample splitting" 1301) verwendet werden. Werden zwei unabhangig voneinander steuerbare Pnmpen- systeme eingesetzt, kann ein ,,intermittierendes Pumpen" erreicht und damit hiihere Proberaten iind ein geringerer Rengen- zienverbrauch realisiert werden. AnRerdem besteht dnmit die M6g- liehkt~it. zur hyd~odyiiamischen Probeinjektion ['{4]. Beachtet

werden mu0 beim Einsatz von Schlauchpnrnpen, da13 sich die FlieBgeschwindigkeiten allmahlich mit dem Altern der Pump- schlluche andern. Bei den meisten Anwendungsvarianten werden 0,s bis 2,,6 ml Losung pro Minute durch das System gepumpt. Sehr giinstige Moglichkeiten sollte die von Druschke [38] ent- wickelte Schlauchpumpe bieten, die durch einen miniaturisierten Schrittniotor nnget.rieben wird, der nach dem Wanderfeldprin- zip arbeitet. Der Vorteil solcher Pumpen liegt darin, da13 Misch- und Dosiervorglnge exakt steuerbar sind, was in dem fast tragheitslosen Arbeiten des Schrittmotors begriindct ist.

2.2. Injektionssysteme Das Injektionssystem dient zur Einschleusung einer definierten Probezone in einen Transport- oder Reagensstrom. Das konti- nnierliche Stromen sollte dabei moglichst wenig gestort werden, da FlieBsysteme auf Anderungen der Hydrodynamik sehr emp- findlich reagieren. Hohe Prazision ist erforderlich, um die durch die Injektion verursachte Dispersion [siehe GI. (l)] minimal nnd das Volumen und die LInge der eingeschleusten Probezone reproduzierbar zu gestalt'en. Die Injektion geschieht auf der Druckseite, d. h. nach dem Transportsystem. Zur reproduzicr- bnren Einbringung der Proben haben sich Probeneindrehschlei- fen mit Bypass bewiihrt (siehe u.a. [323). Dabei wird ein niit Probelosung gefiillter Kana1 (dnrch dessen Volumen das eingebrachte Probevolumen festgelegt wird) in den F luB der Trager- oder Reagenslosung eingedreht. Dadurch wird die Probelosung fast momentan als Segment in die Losung eingc- schleust. Die ublichen Probevolumina liegen zwischen 5-200 p1 (siehe Tab. 1). Im System sind die einzelnen Proben lediglich durch Trager-(oder Reagens-)losiing getrennt. Da die Durch- mischung beim Transport fortschreitet (siehe Bild 2 ) , muB durch enhprechende zcitlirhe Abstande zwischen den Injektionen der einzelnen Proben gewahrleistet werden, daO sich beim Passieren des Detektors benachbarte Probesegmente noch nicht oder nur sehr gering (< 1%) iiberlappen. Die maximale Probefrequenz S,,,;,, kann bei Kenntnis dcs o-Wertes (siehe Bild 2b) in Proben/h berechnet werden:

S,,,, = 3G0O/4ot (5) Im nllgemeinen werden Probenrnten von GO-360 Probcn/h erreicht (siehe Tab. 1).

Tabelle 1 Chnrnkteristische Parameter voii FIA-Systernen ~

Parameter Werte

Probevolumen/pl 5 2 0 0

Leitungssystemsimm 0,5 f 0,2 FlieBgeschwindigkeiten/ml niin-l 0,5-2,6 1,ange des Leitungssystenis/m 0,1-2 Detektnrvolumen/yl 6-40

Innendnrrhmesser des

Probendnrchsiitzih-I (iO-R(i0 ~

Einfaclier und aueh hinsichtlich der Probenvol~~mina variabler ist das Einbringen der Probe mit einer Injektionsspritze durch ein Septum (siehe dazu anch [21]). Allerdings ist dabei eine unter- schiedlichc Beeinflussung auf das hydrodynamische Verhnlten des Syst.ems wahrend der Injektion kaum vermeidbar (unt,er- schiedliche Einstichtiefe, unterschiedlicher Einstichwinkel), und damit ist von vornherein mit schlechteren Reproduzierbarkeiten zu rechnen. Besonders aber in der Ausarbeitungsphase neuer Appliktitionen von FIA-Systemen ist die Injektion mittels Dosier- sprjl'zen durch ein Septum eine einfache Moglichkejt, um den Ein- f l u B des Voliimens der Probelosang zu untersuchen. Eine neue Moglichkeit zur Probeinjektion wird von Ruzicka und Bniasen [S4] sowie von Ai'dZZer [ X I beschrieben. Diese ,,hydrodynamische Tnjektion" beruht auf folgendem Prinzip: Man benotigt zwei unabhangig voneinander iirbeitencle und steuerbare Pump- systeme (Bilder 6s und 5b).

Z . C l w i i i , 24. Jg. (19S-l) Hel t 3 83

4 Probenahrne

Bild 5 a) iind b) Prinzip der hydrodynamischen Injektion [34]

Die Probelosnng wird durch die Pumpe 1 nngesaugt, nnd der Kana1 L gefiillt. Danach wird die Purnpe 2 eitigeschaltet iind die Probe in das Leitnngssystem gedriickt. Alle Operationen der Pnmpen werden iiber einen Timer T gestenert. Die Vorgangc Aiisaugen - Ausstollen - Ansaugen werden scheniatisch durch die Bilder Sn iind 5b niedergegeben. Drirch entsprecliende W a hl von iinterscliietf lichen Piimpgesehwin- digkeiten und teilwciscs Absaugen der eingesehleristen Probczonen ltonnen auch Verdiinnungen dtlmit realisiert wrrden. So lassen sich Calciumbestimmungen im hleDbereich von 20 bis 200 mg/l hri einem Probedurchsntz von EO/h und eincr Rcprodnzierbar- krit von 1% realisieren [%I.

2.3. Reoktionsstrecke

Als Realrtionsstrecke bezeiclinet man die Streclte zwischen In- jc.ktionspunkt imd Detektor. Soivohl durch Wnhl der L&ngc als such durch das Znsamnienfiigen verschiedener Bunsteine lassen sich bcliebige Kombini1,tionen erhnlten. Die Schliiuche urid Reaktionswendeln sowie die anderen Bnusteine lusseri sivh leicht m i t Standardverschraubungeii der Clironmtogrnphie verbinden. Tn die R'eaktionsstrecke konnen hZodnln fiir die Didyse, Extrak- tion, Verdiinnung u. a. sonic DiirrhfluI3reaktoren [28] cirigebaut werden, auf die spiiter im Kapitel Anwendmg eingcgangen wird.

Detektorsyafeme

In der Literntur ist eine Vielzahl von Detcktorprinzipierl beschrieben, denen eiiie Flow-injection-Strecke vorgeschnltet ist. Die wichtigsten Det>ektorprinzipien sind neben der Spektralphoto- metrie die Potentiometrie (Anwenclung ionenselektiver Elektro- den), die Amperometrie, Coulometrie, Voltammetrie, AAS, AES (ICP), Chemilumineszene, Nephelometrie, Fluorimetric und Re- fraktornetrie. Theoretische Betrachtungen ziir Leistungsfahigkeit v o ~ i Durch- flundetektoren im nllgemeinen und unter dem Aspekt einer An- wendung in FIA-Systemen wurden van f a p p e 1391, [JO] durch- gefiihrt. Tn eirier Ubersicht [ 411 wurden die wichtigsten elektro- chemisehen Detektoren vorgestellt nnd miteinander verglichen. Kommerziell werden elektrochemische Dotektoren fiir die FIA- Analyse nngeboten [A?], die fiir amperometrische und voltammetrische Bestimmungen geeignet sind. P u r die niich den1 Wall-

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jet-Prinzip stirnseitig angestriimte Arbeitselektrode wird Kohle- paste, Glaskohlenstoff, Platin, Gold oder ein anderes geeignetes Material verwendet. Ana1yt.iseh best.immba.r sind all jene Subst;m- Len, die an diesen genannten Materialien oxydier- oder redriziri,- bar sind. Die Nachwcisgrenzen liegen bei oft guter Selektivitiit und einem Durchflnll von etwa 1 ml/min iind einem Einspritz- volumen von etwa 10 PI im Nano- bzw. Picogrammbereich. Eine Soriderstellung niinmt die spektralphotometrische Detek- tion im sichtbaren Bersich ein. Dabei konnen beliebige Photo- meter, die mit hIikrodurchfluDkiivetten auageriistet sind, ilnge- wendet werden. Das Volumen der DurchfluDkuvetten snlltc zwischen 8-10 PI liegcn. Bei grollereri Volumina wird die Disper- sion in der DnrchfluRzelle selbst zit groI3 untl damit das Auflii- sungsvermogen iind darans folgend die Probefrequenz gering [GI. (5) nnd Bild 2bl. Von Poppe [401 wird eine solche Miniaturisieriing der Detcktor- systeme fiir moglich gehalten, d;iS bei einenl Detektorvoluincn von 1 nl nnd durchaiis erreichbaren Nachweisgrenzen von 1 ng nil- noch g eines Andyten oder 10" Molekiile bestimnrbar sein sollten!

2 .5 . Sigmlerfassung unrl -vemube itun!/

Die einfachste Auswerteeinheit ist ein Liiborschreibcr, der ent,\vrdt,r direkt oder nach Signnlwandlung das von~ I)urclifI~iDcletektor erzeugte Signal aufzcichnct. Die Auswertung iibcr die Peakliohc oder -breite sowits (tic tlcs Signiilnnstiegs mit der Zeit (Stopped-flow-nlessungen) erfolgt normalerweise ,,von Hand", die Peakflachenermittlung mittels Intergmtor. Interessant ist, daS die Fehler bei einer Xuswcrtung iiber die Peakhohe i d e r FIB-Bedingntigen mcist kleincr sintl ids bei einer Answertnng uher die Peakfliiche. In Anhetrucht tlcr hohen Probendurch6itze in einem FIA-System enthalten mocterno Geriite (z.B 60%) Flow-Injection-Analysator, Tecator, Schwedcn ; Cerica - Breda Scientific Instruments) hlikroprozessoren zu i ' Bteuerung und zur Aiiswertung iiber die Signalhohe, -f16(8h(~, -breite und znr Bewertung kinetiseher Daten. Sowohl linearc (lineare Regression) als arich nichtlineare (Laffrniige-Tntc.rpo- 1;Ltion) St,andardkurven kiinnen fur eine Eichiing verwendet werden. Eine ~~chrfachinjcktion von Probeii iind St;tncliirds ist niiiglich bei gleichzeitiger stntistischer Bcwertjnng der Ergebn Die ArinlysengrijRen werden in Form eines Druckerstreifens iintcv Angabe der Probenrinimer, der dazugehiirigen Korizentrzttion itnd des MeDwert,es erhalten. Gleichwohl hat natiirlich ein Labor- schreiber seine Berechtigung, da, durch die aiifgexeiclniet,eii Signid - Zeit-Kurven eine Bew.ertung drr Peiikforni und dcr B;isislinic erfolgt und somit eine besserc Fehlercliagnose erfolgen kann. Mikroprozessorgesteuerte YIA-Systeme werden insbesondere 1)ci der sich abzeichncnden verstarkten Anwendung der Gradientrn- technik (andytisehe Niitznng drr kontrolliertcn TXsprrsioii IN]) Einsatz finderi, da hierfiir eine exakte Steuerung von unxhhlingig voncinander nrheitenden Pumpsystenirn not.wendig ist. Anweii- dungsbeispielc fiir den Einsatz von Alikroprozessorcii i n FIA-Sy- stemen werden 11.a. in [43-[49] angefiihrt. In Tab. 1 sind nllgemeiiigiiltige cliarakteristisclic P;irnmcter fiil, 1'1 A-Systeme zusammengcstellt~.

3. .\nwtintlungcn dt!r FI,\-Tec*hnik

Bei dein praktischen Einmtz von Fld-Systernc~n siiid ciriigr Besonderheiten zit berucksichtigen. Die Plo\Y-injection-Atinlyse ist eine Form der Hochgeschwindig- keitsaualytik. Sic ist deshdb uberall dort ziveckmiiUig, mo ein kontinuierlicher Probcrwnfall bei miigliclist. u.enig sc:h\~;~nkeritl~r RInt'rixziisamniensetzuiig gewiilirleistet ist (klinische (Ilicmic, Uniwcltschutzatialytik, ProzcR- iind Prorlaktkontrolle). T k i ciner angenommenen Proberate von 200 pro Stiindr mi113 gwiihrlcistet sein, daD bei einsclrichtiger Buslastung etwa 1 500 Proheu pro Tag ziir Verfiigung stehen. Eine andere wichtige florderung ini

%. Clicni., 2.1. Jg. (1984) Heft 3

analytischen Laboratorium besteht haufig darin, bei Probense- rien von 50-100 Proben pro Ta.g mehrere Kornporient.cn rnit unterschiedlichen Methoden zu bestimmen. Hierzu benijtigt man einen sehr flexiblen (leicht umriistbaren) Analysator. Dazu bieten sich PIA-Systeme geradezu an, da sie in wesentlich kiirzerer Zeit als z. B. CFA-Analysa,toren (luftsegmentierte DurchfluRanalysa- toren) auf eine andere Bestinimungsmethode umgeriistet werden konnen. Auch zur praktischen Einfiihrung in das Gebiet der Labor- automatisierung (Direkt- und Post'gradualstudium) ist die FIA- Technik sehr geeignet, da sie mit Moduln aufgebaut werden kann, die in fast jedem chemisclien Laboratorium vorhanden sind. Ein- feche (und damit billige) Ausfiihrungsformen von FIA-Analysa- toren fur diese Aufgabenstellung wurden von Ruzicka und Mitarb. [iiO], [51] vorgestellt. Ein Argument, das oft gegen die Anwendung der FIA-Technik vorgebracht wird, ist, daW die FIA nur in Verbindung mit relativ schnell verlaufenden chemischen Reaktionen angewendet werden kann. Das ist prinzipiell richtig, aber die Reaktionsausbeuten bei langsamen Reaktionen konnen erhoht werden durch it) Verlangerung der Reaktionsstrecke, b) Reduzierung der FlieRgeschwindigkeit, c) Anwendung der Stopped-flow-Technik (FlieBgeschwindigkeit

Da. bei der Verlangerung der Reaktionsstrecke die Dispersion zunimmt, ist den Varianten b und c der Vorzug zu geben. Im folgenden sind Komponenten, die mittels FIA bestimmt nurden (nach [18], erganzt durch neuere Arbeiten) zusammengestellt : Albumin, Aluminium, Amine, Aminosauren, Ammonium, anion- aktive Tenside, Arsen, Ascorbinsaure, Benzochinon, Blei, Bor, Bromid, Brucin, Cadmium, Calcium, Chlorid/Chlor, Cholesterol, Chromium, Cobalt, Codein, Coffein, Corticosteroide, CSB, Dansyl- ademin, L-Dihydroxyphenylalanin, EDTA, Eisen, Enzyme, Epinephrin, Ethanol, Fluorid, Fluorescein, Gallium, Glucose, Glycerin, Glycine, Harnstoff, Hydrazin, Iodid/Iod, Kalium, kationenaktive Tenside, Ketone, Kohlendioxid, Kupfer, Lactat, Lactatodehydrogenase, Magnesium, itfangan, Meptazinol, Molyb- dan, Natrium, Nickel, Nitrat, Nitrit, Oxalsaure, pH-Wert, Phosphat, Penicilloinsaure, Protein, Proteine (Gesamtgehalt), Quecksilber, Sauerstoff, Silber, Silicat, Stickstoff (Gesamtgehalt), Strontium, Sulfat, Sulfit/Schwefeldioxid, Sulfid, Terbium, Thiamin (Vitamin Bl), Thiole, Thorium, Tit,an, Triethylamin, Vanadium, Wasser in organischen Losungsmitteln, Wasserstoffperoxid, Wismut, Wolfram, Zink. Eine Auswertung nach Anwendungsgebieten weist aus, daB die Schwerpunkte des Einsatzes der FIA-Technik auf den Gebieten der klinischen Chemie, der Wasser- und Agrochemie, des Umwelt- schutzes nnd der phwrmazeutischen Industrie liegen.

zeitweise D = 0).

Klar erkennbar 1st die Tendenz, verstarkt PIA-System? zur Bestimniung von Enzymen oder Substratrn cinxusetzen 1x51- [87]. Der Einbau von Mikroenzymreaktoren [87] mit immobili- sierten Enzymen in FIA-Systeme eroffnet neue Moglichkeiten der Anwendung von enzymatischen Reaktionen in der Andytik. In jungster Zeit wird auch der Einbau von Flow-injection- Analysatoren zur Prozefikontrolle und -steuerung beschrieben [63]. Mikroprozessorgesteuert konnen damit Produktstrome analysiert und damit eine Steuerung chemischer Prozesse vorgenommen werden. I m Bild 6 ist schematisch der Einbau eines FIA-Systems zur ProzeBiiberwachung dargestellt (nach [63]). Tab. 2 gibt einen Uberblick iiber Komponenten und Parameter, die niittels FIA-Technik bestimmt worden sind (Januar 1981 bis e t m BIBrz 1983).

1. Spczielle FIA-Techniken

Im Rahmen dieser Ubersicht kann aus der Vielzahl von speziellen Arbeitstechniken unter FIA-Bedingungen nur eine Auswahl naher behnndelt werden. Weitere und detailliertere Informationen sind der Monographie von Ruzicka und Hansen [16] sowie den Son- derbanden der Zeitschrift Analyt. chim. Acta [17a, b] zu entnehmen.

4.1. Stopped-flow-Technik

Die Anwendung dieser Technik wird in zwei Richtungen vorgenommen:

- Erhohung der Empfindlichkeit einer Bestimmungsmethode durch Verlangerung der Aufenthaltszeit der Probezone im System (VergroBerung des Umsatzes und damit Erhohung des MeBsignals),

- Messung der Reaktionsgeschwindigkeit d[z]/At bei kinetisch- katalytischen Methoden [36].

Das Wesen dieser Technik beruht darauf, daB man die Reak- tionsstrerke sehr kurz halt (kleine Dispersion) und trotzdem relativ hohe Verweilzeiten und damit groBe Reaktionsausbeuten erhiilt. Das Anhalten der Probezone kann entweder im Leitungs- system oder im Detektor selbst erfolgen. Wihrend der Stopp- Phase bleibt die Dispersion, abgesehen von einer ablaufenden diffusionskontrollierten molekularen Dispersion, annaliernd kon- stant. Beim Anhalten des Probesegments im Detektor kann man leicht die zeitliche Veranderung des MeRsignals messend verfolgen und registrieren. Eine schematische Darstellung dieses Sachvec- haltes zeigt Bild 7.

i L 16

Zeit - Bild 7 Schematisches Schreiberbild fur Stopped-flow-Messun- gen; n - c Stopp nitch unterschiedlichen Zeiten, d Kurvenverlauf ohne Stopp

3 . c 7

Bild G Einbau eines FIA-Systems zur ProzeRkontrolle; 1 Pumpe, 2 Filter, 3, 4 Standard- und Spullosung, 5 Dreiwegeschleife, 6 Injektor, 7 Reagens- oder Verdiinnungslosung, 8 Reaktions- strecke, 9 weitere Reagenslosung, 10 Detektor, 11 Schreiber, 12 Mikroprozessor, 13 a/d-Wandler, 14 Alarmgeber, 15 automa- tische Driftkorrektur, 16 autoniatische Nacheichung

Das Interval1 znischen dem Zeitpunkt der Injektion einer Probe- zone und dem Stopp des Transportstromes lfBt sich vorgeben, so daB unterschiedliche Segmente der Probezone in dem Durch- flnBdetektor untersucht werden konnen. Dadurch laRt sich das Dispersionsprofil fur eine Methodenoptimierung ausnutzen, ohne Anderung der FlieBgeschwindigkeit, des injizierten Volumens oder des Aufbaus des FIA-Systems. Um eine hohe Reproduzier-

Tabelle 2 Mittels FIA bestimmte Komponenten (1982 - etwa Mlirz 1983)

Snbstanz Konz.-Bereich Probenih Detcktionsart Matrix Bemerkung Literatur

AIY+

prim. ilmine

mom. Amine

Arninosaureii

Arom. Sulfonyl- halogennmine

Bi3+

Brucin

C,22+

Ca? i

C&?+

Ca2+ Cholesterol

Cd2+

Cd2+

Cd2+

CI,

CI,

C1,

CI-

c1- co2+

CoZ+

CrVI

Cu?+

> 2 PPb

0,001 bis 0,3 ppm

1,4Y bis lO,2y0

bis

bis

10-5 moll1

1 0 - 4 mol/l

20 bis 35 ppm

1,09 bis 68,G8 ppm

1 bis 100 ng (700 PI) 4 bis 197 pg/ml

0,8 bis 7,2 ppm

4 * his 1,2 . 10-4 mol/l

100 bis 400 mg/dl

1 bis 100 ppb

1 his 10 ppm

>2 ng

0, l bis 6 mg/l

> 0,08 ppm

his 10-2 mol/l

2 bis 10 pg/l

5 bis 80 ppm ppm-Bereich

0,04 bis 40 pg/l

0,l bis 7,s pglml

10 bis 1000 ppb

>s ng

ppb-Bereieli

ppm-Bereich

20

60

160

280

180

180

80

80

120 12

20

100

Amperometrie; Au-Elektrode

Spektralpbotom., 623 nm

Spektralphotom., 606 nm

Spektralphotom., 50G nm

k'luoreszenz

Voltammetrie Glaskohlenstoff - elektrode

Amperometrie NiO-Elektrode


AAS




AAS

Potentiometrie

Amperometrie (Pt-Elektrode)

PSL4


Amperometrie

40-60 Potentiometrie ISE

288 Spektralphotom.

UV-Detektor, 290 nm

360 Spektriilphotom.

GO Spektralphotom.

30 Spektralphotom.

20 Chemilumineszenz

180 Spektralphotom., 625 nm

20 Potentiometrie, ,,stripping analysis" (PSA)

100 Amperometrie

40 AAS

AESIICP

wlBrig

FluOwasser

Cu-Legierungen

Silicatgestein

Seewasser Obstsaft

wLl3rig

wal3rig

wLOrig

waBrig

Wasserproben

Wasserproben

Wasserproben Serum

Serum

Blut

Serum

Grundw asser

waBrig

wlBrig

Leit ungswasser

wLOrig

Lsitungswnsser

warjrig

waOrig

wLBrig

wallrig

Wasserproben

Grnndwasser

wLOrig

whOrig

Legierungen

Maskierung von Cn, Zn, [LOO] Be mit Thioharnstoff, Ascorbinsaure und EDTA

AufschluB mit Li,C03 + Borsaure

[I011

[ 1021

indirekte "):I] Methode

Trennung uber [W

[lo51

Ionenaustauscher

[lo(;]

Direktinjektion in ~1071 Detektorflache

in Anwesenheit von [lo81 von Mg2+, PO,3- und

Simultanbest. mit Mg2+ [109]

S0,2-

U10l

ISFET l l l l l enz ymkatal yt. 11121

ohne Pumpe, Injektion per Hand

Matrix-Exchange- [113] Technik

~ 4 1

Ca-Amalgam-Elektrode [ l l j ]

[I 191

[120] Simultnnbest. [I211 mit Ni2+

Selektivitatssteigerung [ld.'] durch Methitnolzusntx

[107]

11151 Anreichernng durch [12:3] Extraktion Stnndardzusatzmethode [124]

Z. Chern., 24. J g . (19x1) Heft 3

Tabelle 2 (Fortsetzung)

Substanz Konz.-Bereich Proben/h Detektionsart Matrix Bemer kung Literatur

Cu2+

Cu?+

Dansy! ndenin (DNS-Ah)

EDTA

Ethanol

F-

Fe3+

&3+

I?$+

Fe3+

Fluorescein/ Fluorescamin

D-Glucose

Glucose

Glucose

Glucoseoxidase

H+

Harnstoff

HZO

H A

H202

HgZ+

I-

I-

I-

I 2

Ketone

Lactat

L-Lactat

Lnctat Dehydrogenase

Mg2+

Mg"

Mg"

> 30 pg > 6 f mol

A M

Chemil umineszenz

Chemilumineszenz

0,,5 bis 6 pg/nil Spektralphotom.,

0 , l bis 5 mmol Ampsomrtrie,

493 nm

Glaskohlenstoffelek.

0,3 bis 100 ppm 120 Potcntiometric


10 bis 1600 g / m l Spektralphotom., 672 nm

0,l bis 30 ppm

ppb-Rereich

0, l bis 18 mg/ml

30 bis 3000 ppm 2-900 ppm

6.2-307 mgldl

> 3 1U/l

22 bis G2 mg/dl

1 bis 10 mg/ml

bis 1 mol/l

3 * bis 10W mol/l

> 5 ppb

1 bis 50 ppb

> 10 ppb

> 5 . 10-Io mol/l

20,3 ng/ml

0,1 bis 5 nimol/l

0,3 bis 20 mmol/l

180

20

20

120

20

130

75

120

30

100


AAS

Chemilumineszenz

Chemilumi neszenz

Amperometrie ; Potentiometrie

Potentiometrie

Fluoreszenz

Potentiometrie

Potentiometrie


Amperometrie

Chemilumineszenz

Amperometrie, Au-Elektrode

SFektralphotom., 313 nm

Amperometrie, Xu-Elektrode

Amperometrie, vibr. Pt-Elektrode

Chemilnmineszenz


Fluorometrie

10-6 bis 8 . 10-5 niol/l 30

110 bis 1430 U/L Spektralphotom.,

Amperometrie

340 nm

AXS

0,2 bis d,4 mg/l 80 Spektralphotom.,

4 * bis 80 Spektralphotom., 1,2 - 10-4 mol/l

610 nm

575 nm

Serum

waBrig

[125]

[12G]

[137]

waiarig enzymkatalyt. [1%1

mliarig F--selektive Elektrode [12991

Silicatgestein AufschluB mit [1011

w2Brig [1141

Li,CO, + Borsaurc

natiirl. Wasser, Pflanzen

Serum

biolog. Proben

Serum enzymkatalyt.

Standards

Serum Simultanbest. mit Harnstoff

Blut ISFET

Serum Simultanbest. mit

org. Losungsmittel Stopped-flow-

Glucose

Apparatur, pyridin- freie K.-I?.-Losung

Beizbader fur Cu und Cu-Legier.

waiarig Enzymkatalys.

waBrig

Regenwasser Entfarbungsreaktion

waOrig

wliarig

wal3rig

Milch Gasdiffusionszelle

Blut enzymkatal.

enzymkatal. [145]

Stopped-Flow- 11461 Apparatur ; Gradienten- technik

Serum ohne Pumpe, [1101

[I471

Injelction per Hand

Ca2+ und andere Regen- und wid Trinkwasser Metallionen maskiert

Wasserprobe, Simultanbest. mit [lo91 Serum Ca2+

Z. Cliern., ?d. Jg. (1984) Heft 3 87

Titbelle 2 (Fortsetzung)

Substanz Konz.-Bereich Proben/h Detektionsart Matrix Beinerlrung Literatur

lo-* bis 1W2 moll1

0,7 bis 1000 pg/l

Spektralphotom., waWrig 5.25 nm Spektralphotom., naturl. Wasscr- 360 nm probe Spektralphotorn. Blut, Serum

AES/ICP Legierungen AAS wiflrig

70

40

30

7"

100

73

15

G 0

20

40

120

80

90 4

60 40

60

720

50

30

Gasdiff usionszelle Standardzusatzmethod. Anreicherung durch Extraktion

Simultanbest. mit NO,- Simultanbest. mit Co2f

Simultanbest. mit NO,- CrT1; VII als Reduk- tionsmittel, Simultan- best. mit NO,-

NH, Ni2+ Ni2+

ppm-Bereich

ppb-Bereich

NO2-

NiZ+

No,-

NO,-

Spektralphotom., \Vauser 466 nm Spektralphotom. waOrig ppm-Bereich

Spektralphotom., Wasserproben 540 nm Spektralphotom., Stundardproben (iO0/360 nm

5 10-5 bis 6 . lo-, mol/l

KO,-

NO,-

> 10P mol/l Voltammetrie, waOrig Glaskohlenstoffelektr. Spektralphotoni., 600/%0 nm

Standardproben CrII; VT1 als Reduk- [1531 tionsmittel, Simultan- best. mit NO,- Stopped-flow-System 11551

6 * 10-5 bis 5 . mol/l

Rpektralphotom., 540 nm

Spektralphotom., 640 nm Spektrolphotom., 456 nm Spektralphotom., 446 nm Spektrdphotom., 655 nm Spektralphotorn., 445 nm Spektralphotom., 526 nm PSB

Wasserproben NO,-

NO,-

NO,-

0,026 bis 3 ppm

0 bis 6 mgll Wasserproben Simultanbest. mit [162]

Simultanbest. mit [161] NO2-

NO,- bei 120°C [15(i] PTFE-wendel enzymkatalys. Red. [167] zu H,O,

120°C

Stopped-flow-Apparatur [148]

Aufheizzone [158]

>3 pg/l Wasserproben

0, (geliist)

0 2

0, (gelost)

5 bis 160 mg/l Abwasser

6 pmol/l bis 0,8 mmol/l

> 0,5 mg/l

Wasser

FluOwvasser

Oxalsaure

Pbz+

0 bis 20 pg/ml wanrig

1 bis 100 ppb Grundwasser

w813rig

Penicillin

Matrixexchange- [113]

Anreicher. durch [123]

ll691

Technik

Extraktion Pb2+ ppb-Bereich SAS

Penicilloinsaure

~ 0 ~ 3 -

~ 0 ~ 3 -

Procyclidin S2-

2 - 1 0 - 6 bis lo-* mol/l

> 0,01 pprn

polarographisch

Spektmlphotom., 310 nm Spektralphotom.,

Plasma, Urin, Wasser Seewasser

Tabletten wSWrig

Solventextraktion [1601

> 0,05 pmol/l [1(i1]

"J81

Solventextraktion [lc;2]

> 0,s ppb Amperometrie, i2u-Elektrode Spektralphotom., Kieselsanre

(Si02)

SO,2-

S0,2-

2 bis 100 ppm (SiO,) 0,03 bis

lo-* bis mol/l

0,9 bis 36 ng (10 pl Injection)

0,s bis 15 ppm

14 ppm (SiO,)

FluW-, Seewasser [1G3]

Spektralphotom., 800 nm Chemilumineszenz

wasrig Rkt. bei 140°C W41

Standardproben S2- u. Sa0,2- storen [lfij]

so,

S0,2-

Spektralphotom., Gas Injection gasfiirmig. [1G6] Proben

Filtration, Ionen- [I671 austausch vor FIA

0 bis 30 pg/ml Spektralphotom., 662 nm

Fluljwasser

88 Z. Chom., 2-1. Jg. (l98a) Heft 3

Tabelle 2 (Fortsetzung)

Substanz Konz.-Bereich Probenlh Detektionsart Matrix Bemerkung Literatur

so,,-

502-

Terbium

Terbutalinsulfat

TiIv

Viskositat

ZIP+

Zn2+

ZnZ+

Zn2+

Znz+

Schwermetalle

bis 200 mg/ml GO

1 bis 30 ppm 120 5 bis 200 ppm

bis 90 100 pg/ml 1 2 bis 150 pg/ml

0,2 bis GO 2,2% TiO, 0,2 bis 190 cP 120

6 bis 50 pg/ml 0,29 bis 2,9 pg/ml > 2 ng 100

ppm-Bereich

ppb-Bereich 40

ppb-Bereich 10

Spektralphotom., 120 nm Spektralphotom., 410 nm Fluoreszenz

Spektralphotom., 550 nm Spektralphotom., 388 nm Viskosimetrie (mod. Ostwald-Viskosimeter) Spektralphotom., 492 nm, 513 nm Amperometrie Cu/Hg-Elektrode

AAS AES/ICP

AAS

,,Anodic stripping", Voltammetrie (Glas- kohlenstoffelekt,r.)

E a t .-wasser, Filtration vor FIA

Nat.-wasser, Pflanzenauszuge waBrig

Drogen

Silicatgestein AufschluB mit Li,CO, + Boresure

wainrig

waDrig

Serum

[168]

~ 6 9 1

r1701

[1711

[172]

117.31

[1141

[115]

[175]

Legierungen Standardzusatzmethode [124]

extraktion Standards [174]

wiBrig Solvent- [123]

PSA = potentiornetric stripping iinalysis

barkeit der Analysendaten zu erhalten, mu13 allerdings gewahrleistet sein, daD die Zeit zwischen Injektion und Stopp sehr kon- stant gehalten wird. Integrierte Timer gewahrleisten, den Stop- go-stop-Zyklns exakt zu steuern, und erhohen die analytische Leistungsfahigkeit eines solchen Systems wesentlich. Die Stopped- flow-Technik eignet sich z. B. fur die Untersuchung des Einflusses verschiedener Probe/Reagensverhaltnisse auf die Kinetik einer Reaktion (Methodenoptimierung) oder fur kinetische Messungen, bei der die Zunahme oder Abnahme der Konzentration des Indi- katorstoffes niessend verfolgt wird. Interferenzphanomene wie Eigenabsorption der Proben oder niehtlineare Reaktionsgeschwin- digkeiten konnen erkannt und ausgeschaltet werden. Das Ausschal- ten von Interferenzen soll am Beispiel der Bestimmung von SO, in Wein erlautert werden [9], [62]]. Schwefeldioxid reagiert mit Pararosanilin unter Bildung einer bei 580 nm absorbierenden Verbindung. Bei der Analyse von Rotwein stort naturgemaR die schwankende Absorption der Matrix. Mit Hilfe einer kinetischen Methode liBt sich dieser MatrixeinfluB ausschalten. Die Reagen- zien fur die spektralphotometrische Best'immung (Pararosanilin in H2S0,, Formaldehyd) werden getrennt aufbewahrt und in einer Zweikanal-FIA-Apparatur (Bild 4) gemischt und die Proben (10 p1) eingeschleust. Halt man die Probezone im vorher ermittel- ten Peakmaximum 15 s im Detektor an, nimmt die Farbentwick- lung und damit die MeDgroDe Extinktion zu. Die Auswert,ung erfolgt uber den Anstieg d E / d t wahrend der Stopp-Periode. Da der Anstieg nur yon der SO,-Konzentration abhangig ist, ist die Eigenabsorption der Matrix ohne EinfluR auf das analytische Signal. Nachteile der Anwendung der Stopped-flow-Technik ergeben sich in einem starken Abfall der Probefrequenz, wenn die Stopp-Zeiten uber dem Rlinutenbereich liegen mussen. Fiir sehr schnell ablaufende Reaktionen wird von Malmstadt und Mitarb. [65] ein Stopped-flow-Analysator beschrieben, der Proberaten bis zu 186 pro Stunde realisierbar macht.

4.2. Titrationen

Titrationen unter FIA-Bedingungen sind ein Beispiel fur die Anwendung der Gradiententechnik. Weitere Beispiele wie Gra- dientenverdhnung und -eichung, Gradienten-Scanning-Met,ho-

den und Selektivitatsermittlungen werden von Ruzicka und Ilan- sen 1341 ausfuhrlich beschrieben. Das Prinzip der Titration unter FIA-Bedingungen soll am Bei- spiel einer Saure(HC1)-Base(Na0H)-Titration erlautert werden. Wird die HCI-Probe in den NaOH-Titrantstrom injiziert, so lassen sich die Konzentrationsgradienten, die sich an beiden Seiten der dispergierten Probezone bilden, mit Titrationskurven vergleichen (Bild 8). Zunachst besteht ein BaseuberschuB. Da-

I HU

HF - FlieOrlcMung NaOH

1 14 7 2 i 14 pH-GradCd

Bild8 Titration von HCI rnit NaOH unter FIA-Bedingungen [151

nach wird der erste Aquivalenzpunkt erreicht, an dem die Base durch die Saure neutralisiert wird. In der Mitte der Probezone (Peakmaximum und dessen nkhere Umgebung) liegt ein Saure- uberschul3 vor. Auf der abfallenden Seite des Peaks wird ein zwei- ter Aquivalenzpunkt ausgebildet, bis wieder der Bereich mit BaseiiberschuB erreicht wird. Damit ist ein Titrationszyklus nbgeschlossen. Die Anderung des pH-Wertes wahrend der Trans- portes kann z . B. mittels SLure-Base-Indikator verfolgt werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Aquivalenzpunkten ist dem Logarithmus der Probekonzentration proportional. Es lassen sieh GO-120 Titrationen pro Stunde durchfiihren. Weitere Beispiele fur Titrationen unt,er FIA-Bedingungen werden in r2], [.23], [44 , [S], [56]-[61] behandelt.

Z . C l i e m . , 21. Jg (1984) Heft 3 0 89

4.3. Mischzonentechnilz (merging zones) und Methode des inter- rigen Triigerstrorn injiziert. Ini Punkt :L erfolgt die intensive mittierenden Pumpens Durchmischung mit der organischcn Phase. Nach 1.'

Extraktionsweridel (gewendelter Teflonsu1il;iuch) wii. Nachteilig bei allen E'lieOverfahren ist der relativ hohe Heagen- zienverbrauch, da die lnjektion der in ,,inen kontinuier- die Phasentrennung vorgenommen. Die organische Phase, dic,

z. B. den extrahierten Analyten ent,haft, passiert dmn den Diircli- genzien, muB dieser Tatbestand unbedingt Beachtung findell. fluBdetcktor. Die Trennung der Phasen muR nicht iillein fiber Deshalb wrlrde schon sehr fruhzeitig nach Moglichkeiten gesucht,, nnterschiedlichen spezifischen Dichten von wallriger nnd orgit- nm den Reagenzienverbrallch zu Bergurnin nischer Phase erfolgen, sondern kann durch Anwendung von und [(j21 wurde cine Methode vorgeschlagen, die ,,mer- Membranmaterialien definierter Porositat verstgrkt werden. Vor-

ging zones"-Technik Anwendung findet. Benutzt man cine Ein- teile der Anwendung der Flussig-fliissig-Extraktion bestehen iiucli drehschleife (Injektionsventil) mit zwei identischen Injektions- darin, daR man in einem geschlossenen System itrbeitet und so

anordnungen, konnen Probe und gleichzeitig in einen die oft toxischen Dampfe der organischen Solvenzien nicht i n inerten Transportstrom (irn einfachsten Fall Wasser) injiziert die Laborlnft gelangen. Prufen mu13 man itllerdings, ob die Pump-

Beide Zonen werden dann zusammengefiihrt und vep- schlauche gegeniiber den organischen Solvenzien resistent sind. rnischen sich infolge der Dispersion. Auf diese Weise sind erheb- Beispiele fur die Anwendung von Extraktionssystemen linter FIB- liche Einsparungen an Reagenzien moglich. An die zeitliche Stabi- Bedingungen mrden

allerdings erhebliche Anforderun- Von Baadenhuzjsen und Seuren-Jacobs [88] wurdc dic erste (his- gen stellen, da die FlieRgeschwindigkeiten und die beiden Trans- diffusionsmethode unter FIB-Bedingungen zur Best.immung von portwege (Probe und Reagens) exakt aufeinander abgestimmt GO, in Blutplasma entwickelt. Sie verwendeten Dimethylsili-

kongummimembranen, nm Donor- wid Akzeptorstrom vonein- sein miissen. Beispiele fiir die Anwendung der ,,merging sind ander zu trennen. Heute werden iiberwiegend Teflonmembraneri

definierter Porositat eingesetzt. der Literatur [(i3]-[71] zu entnehmen. Verwendet zwei unabhangig voneinander steuerbare Pump- Das Prinzip einer Gasdiffusionszelle sei iim Beispicl einer Ammo-

syyteme, so kann miin cine Arbeitstechnik anwenden, unter nium-Stickstoff-Bestimmung erlautert [XI. Die ammoniumhaltigc dem Begriff ,,intermittierendes Pumpen'' in der be- Probe wird in einen NaOH-Donorstrom injiziert. Das entstehendc

NH, diffundiert durch eine KH,-permeilble PTFE-Xembrtin in schrieben wird [XI . Die Probe wird in den Tragerstrom injiziert, der iiber die Pumpe kontinuierlich gefardert wird. Der Zusatz eincn ungepufferten Akzeptorstrom (waRrige Losung mit Phenol- des Reagens erfolgt uber cine zweite Pumpe nur wahrend des rot als Indikator). Durch das sich einstellende Saure-Base-O1eic.h- Zeitraums, i n dem die Probezone den Vermischungspunkt pas- gewicht unterliegt der Indikator einer Farbanderung, die photo- siert. Auch ist cine zeitliche Abstimmung des metrisch bei 550 nm uber die entsprechende Extinktioiisanderung

Arbeitens der pumpen und a (Timer) erforderlich. Die Vcrwen- gemessen wird. Die Naehweisgrenze liegt bei 10 ng Ammoniom- dung zweier stenerbarer Pumpen in FIA-.ystemen bietet Stickstoff/mlProbe.DurchAnwendungeinerpH-Pufferlosung kann

die Empfindlichkeit variiert und so der analytischen Aufgaben- weitere Vorteile : stellung angepalit werden. Da nur relativ wenigc Spezies bei Nor-

- Eine Pumpe wird zum Ausspulen der Probenzonen aus dem maltemperatur ausrejchend fliichtig sind, konnen durch dic K ~ ~ . Detektor verwendet, und zwar in der Weis% daB nach Errei- bination Gasdiffusion-FIA selektive Bestimmungen fur z. B. (10, then des X'eakmaximums (analYtische Information) cine (Carbonat, Hydrogencarbonat), SO,, HCN, HF, HCI, CH,COOH, Waschlosung mit hoher FlieRgeschwindigkeit fur wenige Se- NH, &usgearbeit& werden. ~i~~ Diffusionseinheit ohne M ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ , kunden durch das System gedriickt wird. Die Aufenthilltszeit wird Zagatto und fixitarb. [89] besehrieben. ~~~h dureh die der Probe im wird dadurch reduziert, und die Probe- Anwendung von gassensitiven Elektroden [SO] als Detektoren in frequenz kann erhoht werden. FIA-Systemen (Einbau der selektivitatsbestimmenden Membran

wird zum Absaugen cines determinierten Teils in den Sensor) sind in der Zukunft hochselektive Bestimmungs- der Probezone unter gleichzeitigem Zusatz der gleiclien Menge verfahren zu erwarten. Durch Einsnt,z ~ i ~ l ~ ~ ~ ~ ~ ~ b ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ eines Verdiinnungsmittels verwendet. Dadureh ist eine Er- kGnnen niedermolekula,re %,irksam hochmo]eku]aren probe. weiterung des meBbaren Konzentrationsbereiches mcglich. bestandteilen abgetrennt werden [Sl]. Diese Separationstechnik

findet in CFA-Analysatoren breite Anwendung, insbesondere iini Proteine von Elektrolyten ZLI trennen.

flieRendell strom erfolgt, Handelt es sich relativ teure

[731-[841 'TZegeben'

des FlieRsystelns muR

- Eine

4.4. Solvensextraktion, Gasdiffusionstechnik und Dinlyse

Zahlreichen Bestimmungsmethoden muR ein Trennschritt vor- geschaltet werden, urn insbesondere die Selektivitat der Bestim- mung zu verbessern oder um den Analyten von storenden Matrix- bestandteilen abzutrennen. Dabei konnen sowohl Solvensex- traktionen, Gasdiffusion als auch Dialysen linter FIA-Bedingun- gen susgefiihrt werden [16]. Von Karlberg und Thelander [72] wurde das Prinzip der Flussig-flussig-Extraktion unter FIA- Bedingungen schon sehr zeitig beschrieben. Bild 9 zeigt. schematisch den Aufbau eines FIA-Systems zur Durehfiihrung einer Fliissig-flussig-Extraktion. Die waBrige Probe wird in einen w&&

4.5. E'IA-Systeme uls ,,geschlossene" Systeme (elo.sed sysfr?n C?/P-

mistry)

Ein charnkteristisches Merkmal von FIA-Systcmcn bcsteht darin, daR es leicht moglich ist, den EinfluR der Laborluft nuf die. Reagens- und Transport,losungen sowie auf die Probe :~uszuschlie- Ben und damit Kontaminationen sehr weitgehend zti vermeiden. Dies eroffnet dem Gebiet der ext,remen Sporenanalyse u n k r FIB-Bedingnngen neue Moglichkeiten, wenngleich mnn niitiirlich beriicksichtigen muB, daR infolge der unvermeidbaren Dispersion in FIA-Systemen die Nachweisgrenzen schlechter werden (siehe dazu [l(i], Seite 29). Ein Gewinn an Nachweisstarke sollte aher durch eine starke Senkung der Blindwertschwankungen moglirh sein. Der geschlossene Anfbau von FlieBinjektionssystemen ermiiglicht iiber auch, mit in situ erzeugten Reagenzien zu arbeitcn, die wegen ihrer chemischen Reaktivitat sonst nur schwer handhabbar sind. VOn Schothorst und Ifitarb. [92] wird die Anwendung von (Ihro- mium(I1) nnd Vanadium(I1) als stark reduzicrende Agenzien ziir

Bestimmung von Nitrat unter FIA-Bedingungen beschrieben.

WP O P

Bild 9 Extraktionsmodul in einem FIA-System; wp wa~r ige Phase, OP organische Phase, PS Phasensepsrator, M i\llembran, a, b siehe Text

Durch Einbau eines Mikro-Zinkreduktors in das FlieBsystem (gekoppelt mit einem Blasenentferner ) wurden CrTrl nnd VTV in reaktives Crrr und VrT iiberffihrt und nach intensiver Durehmi- schung (gepackter Mikroreaktor) mit einer EDTA-haltigen Pufferlosung Nitrat'- und Nitritproben (32 vl) in einem Konzen- trationsbereich van 6 . bis 5 . mol/l spektralphotome- trisch (iiber die Crl"- bzw. VT1-EDTA-Komplexe) bestimmt. Muller und Wallaschek [93] bestimmten Wasserspuren in organischen Solvenzien mittels der Karl-Fischer-Methode unter FIA- Bedingungen. Zur Detektion des wihrend der Reaktion der wasserhaltigen Probe entstehenden Iodids wurde eine ionenselek- tive Zweikanal-MikrodurchfluBelektrode vom All-solid-state-Typ verwendet [97]. Durch Auswertung nach einem differenipo- tentiometrischen Prinzip ist es moglich, 0,01-5 Masse-% Wasser in organischen Solvenzien mit Proberaten von (i0 pro Stunde, einem Probevolumen von 30 PI, einer relativen Standnrdnbwei- chnng von 3:& und einem Reagenzienverbrauch von 0,9 ml je Probe zii bestimmen.

5. Ausblick Zum gegenwiirtigen Zeit,punkt leisten F1ieBinjektionssnalysatoren einen wichtigen Beitrag zur R,ationalisierung von Laborarbeit, die Anwendung von BIA-Systemen in der ProzeDnndytik ist dage- gen noch wenig verbreitet [MI. Durch Kombination mit Trenn- verfahren, durch Anwendung von selektiven elektrochemischen Detektionsprinzipien sowie durch die verstarkte Integrittion von Kleincomputern in FIA-Apparaturen wird aber die Anwen- dung in der ProzeBanalytik weiter zunehmen. Auch der Einsatz von stark miniaturisierten Sensoren (ISFET's [91], [96]), die dusnutzung von Gas-fest- bzw. Gas-fliissig-M7echselwirkungen zur Bestimmung gasformiger Spezies [96] sowie die verstarkte Nutzung der Grndiententechnik [34] insbesondere auch zur Mehr- komponentenanalytik werden die Anwendungsbreite weiter ver- groBern. Die reproduzierbaren FlieBbedingungen in einem geschlossenen System bei streng kontrollierter Dispersion bieten ferner die Moglichkeiten, physikalische und physikalisch-chemische Parameter von Fliissigkeiten sowie GleichgewichtsgroDen chemischer Reaktionen einfach und zuverlassig zu bestimmen. Wenngleich die Autoren sich der Meinung von Ruzicka und Hansen [22] ,,Das Konzept der kontrollierten Dispersion in einem nichtsegment,ierten St,rom konnte einen ahnlichen EinfluB auf die analytische Chemie haben wie der Transist>or auf die Elektro- nik" nicht in vollem Umfang anschlieBen konnen, so ist doch klar erkennbar, daB die Flow-injection-Analyse wegen ihrer einfachen Durchfiihrbarkeit und groBen Vnriationsbreite in der Anwendung die analytische Chemie in den nlchsten Jahren wesentlich beeinflussen wird.

R. Zusammenfassung

Das Konzept der kontrollierten Dispersion (FIA-Konzept) hat zu einer stiirmischen Entwicklung auf dem Gebiet der Durch- fluDanalysr gefiihrt, deren Ende noch nicht absehbar ist, weil immer neue Anwendungsmoglichkeiten erschlossen werden. Ausgehend von den Grundprinzipien der Flow-injection-Analyse

- Einbringen eines Probesektors in einen unsegmentierten

- exakt reproduzierbsre Aufenthaltszeiten der Proben imsystem, - strenge Kontrolle der Dispersion der Probezone,

lassen sieh die Vorteile dieser Anylsentechnik wie folgt zusammcn- fassen:

- Erhohung der Arbeitsproduktivitat, - hohe Reproduzierbarkeit, - Arbeiten in einem geschlossenen System, - Mikroarbeitstechnik.

Transport- oder Reagensstrom,

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Y I I - - " "

,6-Glycosyl-a-brom-acrylonitril reagiert mit Hydroxylamin zum 5-Amino-3-glycosyl-isoxazo1, wilhrend mit N-Hydroxy-harnstoff das 3-Amino-5-glycosyl-isoxal;o~ entsteht 121. Im Gegensatz dazn

droxy-hwrnstoff in ethanolischer Natronlauge nur 3-Amino-&fur- 2-y'-1soxazo1e (*) (Tab' Bei der Reaktion mit (52% E- und 48% Z-ISomer) konnte als Nebenurodukt B-~5-Brom-fur-2-vl~-B-ethoxv-acrvlonitriI ( 3 J

R-(&CH=C/'~ + N odcr HZO H

'x HO-NH-CO-NH,

la R=H X=CL Ib R=Br X=Br

20 R=H 3 R=Br 2b R-Br

l) 3. Mitteilung, 2. Mitteilung vgl. [l]

Y I , Y Y I , , . nachgewiesen werden. 3 liegt in der Z-Konfiguration vor.

Tabelle 1 3-Amino-5-fur-2-yl-isoxazole ( 2 )

Verbi ndung Ausbeute/% Schmp./"C

2a

2b

40") 139-141 539

799 70a) 149-151

") mit Hydroxylamin h, mit N-Hydroxy-harnstoff

Z . Chem., 24. Jg. (1951) H e f t 3 0 93

Grundlagen und Anwendungen der Flow-injection-Analyse (FIA)

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