AAS historisches Labor

Die Entwicklung der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

16.06.2021

Die Entwicklung der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

Es begann mit einem bahnbrechenden Artikel von Alan Walsh in den 50er Jahren und ist heute eine etablierte Standardtechnik der analytischen Chemie: die Atomabsorptionsspektrometrie (AAS). Die AAS hat eine erstaunliche Entwicklung über die Jahrzehnte genommen. Dank kontinuierlicher, technologischer Weiterentwicklungen bestehen moderne AAS-Systeme wie etwa das contrAA 800 von Analytik Jena neben den neueren ICP-Techniken.

Die Anfänge der AAS

Das Grundprinzip der Absorption von Licht durch Atome im Grundzustand wurde 1860 von Kirchhoff und Bunsen entdeckt und beschrieben. Die Entdeckung gilt als die theoretische Grundlage der AAS. Als das eigentliche Geburtsjahr der AAS wird jedoch das Jahr 1955 angesehen. In diesem Jahr publizierte der britisch-australische Physiker und Chemiker Alan Walsh eine bahnbrechende Idee, die Spektren auch für die chemische Analyse zu nutzen.

Die moderne Legende besagt, dass Alan Walsh die Idee für die AAS während der Gartenarbeit kam.  Ob das tatsächlich der Wahrheit entspricht, lässt sich heute schwer prüfen. Fakt ist jedoch, dass sein Artikel „The application of atomic absorption spectra to chemical analysis”, erschienen 1955 in Spectrochimica Acta, den Grundstein für die moderne AAS bildete. Die Methode ermöglichte es erstmals die Konzentrationen einer Vielzahl von Elementen, ohne nasschemische Analysenmethoden, kosteneffizient und schnell zu messen. 

Es vergingen nach der initialen Publikation der Idee etwa 10 Jahre bis die ersten Flammen-AAS-Geräte auf den Markt kamen. Weitere fünf Jahre darauf folgten die ersten elektro-thermischen AAS-Systeme mit Graphitofen.

Einfach und effektiv – das Grundprinzip der AAS

Um Elemente in einem Ausgangsmaterial zu bestimmen, werden Proben vor einer Lichtquelle atomisiert. Als Lichtquellen fungieren in der Regel Linienstrahler (Hohlkathodenlampen), die das Licht verschiedener definierter Wellenlängen emittieren. In klassischen AAS-Geräten muss für das zu bestimmende Element die entsprechende Lichtquelle eingesetzt werden. Moderne High-Resolution Continuum-Source-AAS-Geräte (HR-CS-AAS) verfügen hingegen über nur eine Xenon-Kurzbogenlampe, die Licht über den gesamten relevanten Wellenlängenbereich emittieren kann und den Lampenwechsel überflüssig macht.

Die Atomisierung des Analyten in der Probe in einzelne Atome erfolgt mit Hilfe einer Gasflamme (Flammen-AAS) oder mit einem elektrisch beheizten Graphitrohr (GF-AAS). Für die Flammen-AAS wird die Probenlösung zerstäubt und in die Flamme geleitet, bei der GF-AAS wird die Lösung zuvor ins Graphitrohr gegeben und dort durch hohe Temperaturen atomisiert. 

Durch die Atomisierung der Probe entsteht eine Atomwolke, durch die das emittierte Licht seine Intensität verliert und abgeschwächt wird (Absorption). Nun wird die Intensität des Lichts an der elementspezifischen Wellenlänge vor und nach der Atomisierung gemessen und verglichen. Mit steigender Konzentration eines Elements in der Probe, nimmt die Absorption zu. Dieses Absorptionssignal, also die Schwächung der Intensität des Lichts gegenüber der ausgestrahlten Intensität, kann gemessen und so der Gehalt des Analyten in einer Probe bestimmt werden. Für die Analyse werden Standardlösungen mit bekannter Element-Konzentrationen gemessen und damit Kalibrierkurven erstellt, um damit die Konzentration des zu untersuchenden Elements in der Probe zu bestimmen.

50 Jahre AAS in Jena – Tradition und Innovation

Kaum ein Ort ist so sehr mit der Atomabsorptionsspektrometrie verbunden, wie die Optikhochburg Jena. Die Universitätsstadt im Herzen Deutschlands blickt auf mittlerweile 50 Jahre AAS-Geschichte zurück. 1971 wurde hier das erste Gerät mit Namen AAS 1 von der damaligen VEB-Werke Carl Zeiss Jena gefertigt. Das AAS 1 und seine Nachfolger gewannen schnell an internationaler Reputation, da sie sehr langlebig und verlässlich waren. 1995, wenige Jahre nach der Wiedervereinigung Deutschlands, übernahm die damals noch junge Analytik Jena die Laboranalytiksparte von Carl Zeiss, inklusive Forschung, Entwicklung, Produktion und Service. Dank zahlreicher wegweisender Innovationen entwickelte sich Analytik Jena in nur wenigen Jahren zu einem international sehr erfolgreichen Anbieter von Hochleistungs-AAS. Das Unternehmen brachte beispielsweise 1996 das erste Graphitrohrsystem mit direkter Feststoffanalytik auf den Markt. Es folgten die Markteinführung der novAA-Serie, einem kompakten und flexiblen System für die Routineanalytik, sowie die Einführung des ersten Zeeman-AAS der dritten Generation im Jahr 2000. Zum Technologieführer im AAS-Segment katapultierte sich Analytik Jena 2004. Als erstes Unternehmen weltweit stellte Analytik Jena ein neuartiges AAS mit Kontinuumstrahler, hochauflösendem Doppelmonochromomator und CCD-Detektor vor: das contrAA 300, das erste High-Resolution-Continuum Source-AAS (HR-CS-AAS). 

contrAA 800 – eine Erfolgsgeschichte in der AAS

Die Geräte der contrAA-Serie machten den zuvor üblichen Lampenwechsel der herkömmlichen AAS obsolet. Zur Messung aller Elemente und Analyselinien benötigt man nur noch eine Strahlungsquelle. Eine Xenon-Kurzbogenlampe deckt hier den gesamten relevanten Wellenlängenbereich ab. Anwender können so sehr schnell zwischen den Elementen wechseln, was eine sequenzielle Multielementbestimmung ermöglicht und sehr viel Zeit im Analyseprozess einspart. Eine 2D- bzw. 3D-Spektrendarstellung der HR-CS-AAS bietet deutlich mehr Informationen als die herkömmliche AAS. Störungen können dank des hochauflösenden Spektrometers sofort erkannt und korrigiert werden. Die aktuellen Geräte der contrAA 800-Serie vereinen sowohl die Flammen- als auch die Graphitrohrtechnik auf einer flexibel erweiterbaren Plattform und lassen sich einfach und schnell mit Zubehören auf spezifische Applikationen optimieren – etwa mit Autosamplern oder Systemen zur direkten Feststoffanalytik. 

Mit diesen herausragenden Eigenschaften überzeugt die contrAA-Serie zahlreiche Kunden. Mehr als 1.500 Geräte wurden in den vergangenen Jahren in internationalen Laboren installiert und sind bei Anwendungen in der Umweltanalyse, in der Lebensmittelüberwachung oder in der Prozess- und Qualitätskontrolle vieler industrieller Bereiche im Einsatz. So wird das contrAA mit Flammen-Atomisierung zum Beispiel für die Analyse von Wein und Fruchtsäften nicht nur in Deutschland, sondern auch in anderen europäischen Ländern, wie Italien, Spanien und Portugal eingesetzt. „Wir arbeiten seit Jahren mit dem contrAA in der Forschung und Routineanalytik," sagt auch Dr. Claus Patz, Wissenschaftler am Institut für Getränkeforschung der Hochschule Geisenheim, der das Gerät bereits seit 2009 mit seinem Team für die Mineralstoffanalyse von Weinen, Fruchtsäften und anderen Getränken nutzt. „Wir schätzen besonders die flexible Anwendung, da jede Wellenlänge verfügbar ist und sogar Molekülbanden ausgewertet werden können.“

 (Image of Sir Alan Walsh (1916-1998) by CSIRO)

Kundenstimme aus Deutschland Über den Einsatz des contrAA für die Mineralstoffanalyse von Weinen, Fruchtsäften und anderen Getränken

"Wir schätzen die flexible Anwendung des contrAA."

„Wir arbeiten seit Jahren mit dem contrAA in der Forschung und Routineanalytik. Wir schätzen besonders die flexible Anwendung, da jede Wellenlänge verfügbar ist und sogar Molekülbanden ausgewertet werden können.“

Dr. Claus-Dieter Patz, Hochschule Geisenheim, Deutschland

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Determination of total sulfur in wine by molecular absorption spectrometry (MAS) (EN)

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Bestimmung von Gesamtschwefel in Wein mittels Molekülabsorptionsspektrometrie (MAS) (DE)

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Determination of Element Contents in Wine Using HR-CS Flame AAS

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Fast-sequential Analysis of Toxic Elements in Wastewater and Sewage Sludge by HR-CS AAS

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