Probenvorbereitung

Vom Mikrowellenaufschluss bis zur Separation und Extraktion - unsere Probenvorbereitungssysteme für Anwendungen in der analytischen Chemie bereiten Ihre wertvollen Proben für die Analysephase vor. Alle Probenvorbereitungssysteme arbeiten optimal in Kombination mit unseren Analysatoren und Spektrometern.

Probenvorbereitung

Etablierte chemische Analyseverfahren haben ein sehr hohes Niveau an Empfindlichkeit und Genauigkeit erreicht. Die Anbieter der Laborgeräte arbeiten dennoch kontinuierlich an weiteren Verbesserungen hinsichtlich Effizienz undPräzision. Neben der Analyse selbst stellt jedoch die Probenvorbereitung einen wesentlichen Stellhebel für die Richtigkeit der Ergebnisse dar. Fehler bei der Probenvorbereitung kann ein noch so genaues Analysegerät nämlich nicht ausgleichen. Auch in Sachen Zeitbedarf ist die Probenvorbereitung ein entscheidender Faktor. Die Dauer der Probenvorbereitung beträgt in der Regel ein Vielfaches der eigentlichen Analyselaufzeit.1
Aufgrund ihres großen Einflusses auf die Ergebnisqualität erfordert die Probenvorbereitung eine besondere Sorgfalt. Die Probenvorbereitung umfasst alle Schritte, die im Labor vor der eigentlichen Messung (zum Beispiel mit einer ICP-OES) ablaufen. Das Ziel: Aus der Probe eine chemisch und physikalisch repräsentative Teilmenge zu entnehmen und sie so aufzubereiten, dass sie für die gewählte Untersuchungsmethode geeignet ist. Je nach Beschaffenheit der Probe und Untersuchungsmethode kann die Probenvorbereitung mehrere Schritte umfassen, u.a.

  • Erzeugen einer Lösung
  • Abtrennen von Störsubstanzen
  • Reinigen und Anreichern der Analyten
  • Einstellung der für die Messung notwendigen Konzentration

Haltbarkeit von Proben

Die Probenvorbereitung schließt sich direkt an die Probenahme mit folgendem Transport der Probe ins Labor an. Zeitlich lassen sich die Prozessschritte voneinander durch die Lagerung der Probe entkoppeln. Bei der in der Regel mehrschrittigen Probenvorbereitung können systematische Fehler entstehen. Sie lassen sich ausgleichen, indem ein interner Standard zur Anwendung kommt. Dieser Stoff sollte dem Analyten möglichst ähnlich sein, damit er durch die Schritte der Probenvorbereitung in gleicher Weise beeinflusst wird. Im Rahmen der Analyse können die Labormitarbeiter die gemessene Menge des Standards mit der anfänglich hinzugefügten vergleichen. Die Konzentrationsänderung lässt sich dann auf den Analyten übertragen, sodass der systematische Fehler der Probenvorbereitung korrigiert werden kann.

Um die Verfälschung von Messwerten geht es auch bei der Haltbarkeit der Proben. Darunter versteht man, wie lange eine Probe verwendbar ist. Maßgeblich dafür sind die zulässigen Abweichungen der Messgröße. Beispielsweise gibt es Arten von Proben, bei denen sich der Wert der Messgröße in einer bekannten Rate auf stetige Weise ändert. Dann lässt sich genau sagen, wie lange die Probe verwendbar bleibt. Diese Aussage ist spezifisch zu treffen, da sich Proben und die Messgrößen ganz unterschiedlich verhalten können. Für die Ergebnisqualität ist es daher besonders wichtig, die notwendigen Vorkehrungen für die Stabilität der Proben zu treffen. Dazu gehört die Wahl der korrekten Probengröße, die Einhaltung von Transport- und Lagerungszeiten sowie die Dokumentation der Vorgänge.

Arten der Probenvorbereitung

Viele instrumentelle Messverfahren erfordern, dass die Analyten in gelöster oder aufgeschlossener Form vorliegen. Bei einer Probe mit festem Ausgangszustand muss diese Lösung zuerst hergestellt werden. Selbst wenn es sich um eine flüssige Probe handelt, sind im Rahmen der Probenvorbereitung im Labor in der Regel mehrere Arbeitsschritte notwendig. Sie dienen etwa dazu, Feststoffe abzutrennen oder nicht relevante Substanzen aus der Probe zu entfernen. Auch das Aufkonzentrieren oder Verdünnen der Analyten gehört zur Probenvorbereitung. Diese Schritte der Probenvorbereitung im Labor tragen unter anderem dazu bei, Beschädigungen oder Kontamination des Analyseequipments zu vermeiden und die Messung selbst zu vereinfachen. Dazu nutzt das Laborpersonal die folgenden Arten der Probenvorbereitung.

Homogenisierung

Bei der Probenahme werden oft deutlich größere Probenmengen gewonnen, als für einen einzelnen Analysevorgang notwendig sind. Während der Probenvorbereitung müssen daher nicht selten aus einer Probenmenge von mehreren hundert Gramm Teilmengen im Milligramm-Bereich entnommen werden. Daher ist es besonders wichtig, dass die Homogenität der Probe sichergestellt ist. Das bedeutet, dass die Analyten eine gleichmäßige Verteilung in der Probe aufweisen. Bei der Probenvorbereitung im Labor stehen zur Homogenisierung Verfahren wie Mischen, Mahlen oder Sieben zur Verfügung.

Filtration/ Zentrifugation

Gelöste Proben enthalten oft feste Verunreinigungen. Diese können bei der Analyse zu Problemen in Form von Verstopfungen/Blockaden an Engstellen in den Analysatoren führen. Ebenfalls gilt es, irrelevante Stoffe aus der Probe zu entfernen, die die Analyse verkomplizieren. Zu diesem Zweck dienen während der Probenvorbereitung die Filtration und die Zentrifugation. Bei der Filtration hält eine Membran Partikel aus der Lösung zurück, während der restliche Teil der Probe den Filter passiert. Ein alternatives Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus der gelösten Probe ist die Zentrifugation.

Aufschluss/ Extraktion

Wenn es sich um eine feste Probe handelt, dann muss diese vor den möglichen weiteren Schritten in Lösung gebracht werden. Dazu ist oft ein Aufschluss notwendig, der auf chemische Weise erfolgen kann. Beispielsweise kommt Königswasser häufig zum Einsatz, um Mineral- und Bodenproben im nasschemischen Aufschluss für die Analyse vorzubereiten. Im Analyselabor ist mittlerweile mit dem Mikrowellenaufschluss ein deutlich einfacheres und zeitsparenderes Verfahren Standard.

Die Extraktion dient dazu, unerwünschte gelöste Stoffe aus der Probe zu entfernen. Bei der Probenvorbereitung kommen dazu die Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE), die Festphasenextraktion (SPE) und die Festphasen-Mikroextraktion (SPME) zum Einsatz. Diese Verfahren der Probenvorbereitung reinigen die Probe, sie können aber auch eine Aufkonzentration der Analyten bewirken.

Aufreinigen

Extrakte, beispielsweise aus der Festphasenextraktion, eignen sich nicht immer für die direkte Analyse. Es können trotz Extraktion Stoffe in der Probe verbleiben, die die Analyse stören. In diesem Fall ist die Säulenchromatographie eine Möglichkeit, um die Probe weiter aufzubereiten. Dabei reicht es aus, die Störsubstanzen von den Analyten zu trennen, ohne dass eine vollständige Trennung der Probe in ihre Bestandteile erfolgen muss.

Hilfsmittel für die Probenvorbereitung

Zerkleinern, extrahieren, filtrieren oder aufreinigen: Die Teilschritte bei der Probenvorbereitung im Labor sind vielfältig. Dementsprechend viele Hilfsmittel kommen dabei zum Einsatz:

  • Extraktionssystem
    Die Festphasenextraktion (SPE) eignet sich für die Vorbereitung von Probengrößen im Bereich weniger Milliliter für chromatographische Analysen oder andere Analysemethoden. Dieses Verfahren kommt mit einer geringen Menge von Lösungsmittel aus, was Ökologie und Wirtschaftlichkeit zugutekommt. Das Grundprinzip ist von der Säulenchromatographie bekannt. Bei der SPE wird eine Kartusche mit einer Festphase eingesetzt. Auf diese wird die Probe aufgetragen, wobei sich die Analyten an der Phase anreichern. Die störende Matrix tritt ungehindert durch die feste Phase hindurch. Mit einem geeigneten Lösungsmittel lassen sich die Analyten von der Festphase eluieren. Bei der Probenvorbereitung im Labor dient Unterdruck dazu, die Probe durch die Kartusche zu saugen. In unterschiedlichen Automatisierungsgraden lassen sich auch mehrere Proben gleichzeitig extrahieren. Eine lösungsmittelfreie Alternative dazu ist die SPME, die sich ebenfalls automatisieren lässt.
  • Homogenisator
    Die Laborgeräte für das Schaffen homogener Proben sind darauf ausgelegt, ihre Energie in möglichst effektiver Weise auf die Proben wirken zu lassen. Diese Energie dient dazu, Flüssigkeiten zu mischen oder Feststoffe darin zu dispergieren. Homogenisatoren übernehmen auch das Zerkleinern fester  Probenbestandteile zu einheitlichen Partikelgrößen.
  • Probenteiler
    Probenteiler stellen sicher, dass die Probe repräsentativ für das Ausgangsmaterial ist. Dazu arbeiten sie beispielsweise nach dem Rotationsprinzip. Dazu wird ein Schüttgut in einen Trichter eingebracht. Unterhalb des Trichters befinden sich mehrere Gefäße, die stetig rotieren. Der Zulaufstrom aus dem Trichter teilt sich dadurch gleichmäßig auf die Gefäße auf, sodass gleichartig beschaffene Teilproben entstehen. Auch Suspensionen lassen sich mit diesem Hilfsmittel in repräsentative Proben aufteilen.
  • Filter/ Zentrifugen
    Für große Probenmengen eignen sich Faltenfilter oder Nutschen. Bei kleinen Probenmengen kommen häufig Spritzenfilter zum Einsatz. Sie lassen sich vorne auf die Spritze aufsetzen. Mit dem Druck, der auf den Spritzenkolben ausgeübt wird,  lässt sich die Probe  durch den Filter befördern. Im Labor finden sich oft druckunterstützte Filtersysteme für den halbautomatischen Betrieb. Laborzentrifugen als Alternative nehmen eher kleine Probengefäße auf. Die Zentrifugalkräfte sorgen dafür, dass sich feste Bestandteile in der Lösung zum Boden des Gefäßes bewegen. Mit Hilfe einer Pipette kann dann die Flüssigkeit aus dem oberen Teil des Probengefäßes entnommen werden
  • Aufschluss
    Das Grundprinzip hinter dem Aufschluss ist die Zerstörung der Matrix, und damit das Herauslösen der Analyten. Weit verbreitet in den Analyselaboren sind dazu Geräte für den Mikrowellenaufschluss. Die vollständige Lösung der Probe erfolgt über einen Säureaufschluss in einer Mikrowelle, welche die Proben in sehr kurzer Zeit stark erhitzen können. Dadurch ergibt sich beim Mikrowellenaufschluss ein Zeitvorteil gegenüber anderen Aufschlussmethoden. Im Laboralltag sorgen die kurzen Aufschlusszeiten für eine hohe Wirtschaftlichkeit. Der Mikrowellenaufschluss eignet sich zudem für nahezu alle organischen und anorganischen Probenmaterialien.

Probenvorbereitung in verschiedenen Industrien

In der Probenvorbereitung liegt ein großes Potenzial, wenn es um die Steigerung der Effizienz von Laboranalysen geht. Durch geeignete Geräte für die Aufbereitung lässt sich die Durchlaufzeit von Proben deutlich reduzieren. Ein angemessener Automatisierungsgrad vereint eine hohe Ergebnisqualität und Wirtschaftlichkeit. Dafür braucht es anwendungsspezifische Lösungen.

Umweltanalytik

In der Umweltanalytik dienen einheitlich festgelegte Parameter zur Überwachung der Beschaffenheit von Abwasser oder Klärschlamm. Ein Beispiel dafür ist der Parameter AOX (Adsorbierbare organisch gebundene Halogene). Dabei handelt es sich um Schadstoffe, die giftig, mutagen und karzinogen wirken können. Auch wenn die Schadstoffe im Abwasser in geringen Konzentrationen enthalten sind, können sie im Klärschlamm konzentriert werden. Im Zuge der Verwertung des Klärschlamms ist sicherzustellen, dass die Grenzwerte für AOX eingehalten werden.

AOX in Klärschlamm wird nach EN 16166 ermittelt. Die Methode basiert darauf, dass die gesuchten Stoffe zunächst an Aktivkohle angereichert werden. Anschließend wird das Kohle -Probegemisch verbrannt, dabei entstehen Halogenwasserstoffe, die mit Hilfe der Mikrocoulometrie bestimmt werden  Die richtige Laborausstattung kann die Probenvorbereitung in der AOX-Analytik besonders effizient gestalten.

Das Anreichern der Analyten an der Aktivkohle erfolgt mit Hilfe der Schüttelmethode, wobei Kohle, Klärschlamm und eine Nitratlösung für eine Stunde intensiv geschüttelt werden müssen. Die Filtration bereitet die Probe für die Zuführung in den jeweiligen Analysator auf. Der Analyseprozess lässt sich stark verkürzen, indem das Schütteln automatisiert wird. So lässt sich mit einem Kreisschüttler ein ganzer Batch von Proben vorbereiten. Auch die parallele Filtration mehrerer Proben spart wertvolle Zeit bei der Probenvorbereitung im Labor.

AOX in Abwasser wird nach DIN EN ISO 9562 bestimmt. Hierbei kommt in der Probenvorbereitung bevorzugt die Säulenmethode zum Einsatz.  Die Geräte aus der AOX und AOF Probenvorbereitungsserie können zwischen sechs und 28 Proben gleichzeitig anreichern und ermöglichen so einen hohen Probendurchsatz.

Lebensmittelanalytik

Lebensmittelproben stellen oft hohe Anforderungen an die Vorbereitung im Labor. Von Obstsaft über Backwaren bis hin zu Milchprodukten finden sich in diesem Bereich vielfältige Proben und Matrices. Dementsprechend kommen viele verschiedene Vorgehensweisen in der Probenvorbereitung zum Einsatz. Häufig ist ein Aufschluss der unterschiedlichen Matrices notwendig, um die Analyten aus der Matrix herauszulösen und in ein messbare Form zu überführen. Dafür bietet sich in vielen Fällen der Mikrowellenaufschluss an. Das Verfahren spart gegenüber einem nasschemischen Aufschluss viel Zeit und Aufwand. Gleichzeitig ist der Mikrowellenaufschluss für nahezu alle anfallenden Proben geeignet, sodass ein entsprechendes Laborgerät vielseitig einsetzbar ist. Das gilt vor allem für das speedwave XPERT Mikrowellen Druckaufschluss System. Die besonders hohe Lebensdauer und die intuitive Bedienung erlauben den effizienten Einsatz des Geräts im Routinelabor.

Materialanalytik

Mit den Anforderungen an die Sensitivität und Präzision von Analysen steigt auch der Anspruch an die Probenvorbereitung. Schließlich hat sie einen direkten Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse.

In der Materialanalytik werden Proben untersucht, die als Rohstoffe eingesetzt werden oder als Zwischen- bzw. Endprodukt vorliegen. Bei der Analyse von Endprodukten wird vornehmlich das Vorhandensein von  Verunreinigungen analytisch überwacht.. Verunreinigungen können während des Produktionsprozesses entstehen und das Produkt unerwünschter Weise in seiner Qualität verändern. Zu den überwachten Elementen zählt zum Beispiel sechswertiges Chrom  in Spielzeug. Dieses lässt sich mit Hilfe eines Flüssigchromatographiesystems (LC) vom dreiwertigen Chrom trennen, im Anschluss übernimmt ein Massenspektrometer die genaue Bestimmung beider Chromspezies im Spurenbereich. Für diese Anwendung eignet sich die PQ LC Serie in Kombination mit einem PQ MS.

Qualitätsfaktoren in der Probenvorbereitung

Die Probenvorbereitung ist von zentraler Bedeutung für die Qualität der Analyseergebnisse. Schließlich beeinflussen die Schritte der Probenvorbereitung im Labor die Beschaffenheit der Probe. Daher sind die Verfahren zu Behandlung der Probe stets im Hinblick auf die Richtigkeit der folgenden analytischen Methode auszuwählen. Fehler bei der Probenvorbereitung können später nicht mehr ausgeglichen werden.
Kostengetriebene Prozessoptimierungen dürfen daher nie zulasten der Qualität der Probenvorbereitung gehen. Bezogen auf die Lebensmittelanalytik gibt zum Bespiel die EG-Verordnung Nr. 333/2007 vor, dass die Hauptanforderung an die Probenvorbereitung darin besteht, eine repräsentative und homogene Probe ohne Sekundärkontamination und ohne Verluste der Analyten zu erhalten.2 Davon lassen sich folgende Qualitätsfaktoren für die Probenvorbereitung ableiten:

  • Komponenten reproduzierbar mischen
  • Kontaminationen vermeiden
  • Feste Proben aufschließen
  • Störstoffe abtrennen
  • Geringe Probenmengen sicher handhaben

Um eine hohe Qualität sicherzustellen, müssen die Labore für die unterschiedlichen Schritte der Probenvorbereitung immer die jeweils geeignetsten Geräte einsetzen. Sie sollten die Arbeitsschritte und das Laborequipment regelmäßig auf Optimierungspotenziale überprüfen. Moderne Probenvorbereitungssysteme leisten einen erheblichen Beitrag zur Qualität, indem sie Kreuzkontaminationen vermeiden, definierte und überwachte Prozessbedingungen schaffen und den Anwendern eine intuitive Handhabung bieten.