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

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

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

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

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

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

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

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

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

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