Photometrie: Einsatzmöglichkeiten in der Umweltanalytik

  • © Wing-Chi Poon© Wing-Chi Poon
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  • Abb. 1: Schematische Darstellung der Möglichkeiten, die sich aus der modularen Anordnung von Spektrometerkomponenten in Verbindung mit Lichtleiteroptik ergeben. Anstatt eines Küvettenhalters für konventionelle Küvetten kann die Absorptionsmessung in nahezu beliebig wählbaren anderen Geometrien erfolgen.
  • Abb. 2: Funktionsweise von Langwegzellen, die auf innerer Totalreflektion der mit Probelösung gefüllten Kapillare basieren. Voraussetzung für dieses Messanordnung ist, dass der Brechungsindex des Kapillarmaterials kleiner als der der Innenlösung ist (liquid core waveguide principle).

Seit durch Bouguer, Beer und Lambert vor etwa 200 Jahren das theoretische Fundament für die Photometrie gelegt und die grundlegenden Untersuchungen angestellt wurden, hat sich diese Methode bezüglich der Instrumentierung sehr stark verändert. Insbesondere die Entwicklungen der Optoelektronik und der Mikrotechnik haben der Photometrie in den vergangenen drei Jahrzehnten zahlreiche Impulse gegeben und somit auch die Einsatzmöglichkeiten erweitert.

Die heute dem Anwender der Photometrie zur Verfügung stehenden Geräte, bieten ein vielfältiges und facettenreiches Spektrum, das von universell einsetzbaren Multifunktionsgeräten, über einfache Photometer für den Vorort-Einsatz bis hin zu dedicated Analyzern für spezifische Anwendungen reicht. Neben der klassischen Laboranwendung als manuelles Batchverfahren wird die Photometrie in Verbindung mit parallel oder seriell arbeitenden Batch-Analysatoren, als Lesegerät von Mikrotiterplattensystemen, als Detektor für Fließanalyseverfahren (CFA, FIA) sowie auch in Verbindung mit der Flüssigkeits­chromatographie und der Kapillar­lektrophorese eingesetzt.

Optische Konfigurationen
Neben der konventionellen Photometerkonfiguration mit einer Breitband-Strahlungsquelle, Monochromator und lichtempfindlichem Detektor sind heute diverse instrumentelle Modifikationen verfügbar. So werden beispielsweise – zumeist für Anwendungen in mobilen Geräten – LEDs als monochromatische Strahlungsquelle eingesetzt. Durch den Einsatz der Dioden-Array-Technologie können Absorptionsspektren mit Einstrahlphotometern aufgezeichnet und transiente Signale, die beispielsweise bei kinetischen Messungen oder auch bei der photometrischen Detektion in der Chromatographie auftreten, über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg gleichzeitig erfasst werden. Ganz besonders interessante Möglichkeiten ergeben sich durch Lichtleiter gestützte Photometersysteme, die die geometrische Trennung des Spektrometers vom Ort der Absorptionsmessungen erlauben. Für konventionelle Spektrometer mit Küvettenraum werden als Zubehör Adapter angeboten, mit denen das Licht der Strahlungsquelle mittels Lichtleiter zur Messstelle geführt und von dort wieder zurück zum Detektor geleitet wird. Zahlreiche Firmen bieten seit längeren aber auch vollständig modulare Systeme (Abb.1) an, die mit beliebigen Strahlungsquellen (Weißlicht, UV-Licht, LED oder auch Laserquellen) ausgestattet werden können und als Detektoreinheit meist einen Polychromator mit integriertem CCD-chip für die simultane Aufzeichnung des gesamten Spektrums in einem vom Anwender wählbaren Wellenlängenbereich enthalten.

Küvettengeometrie
Die meisten kommerziell erhältlichen Photometer sind mit Küvettenhalte­rungen ausgestattet, die Rechteckküvetten mit Schichtdicken von 1 cm (manchmal auch 5 und 10 cm) aufnehmen können. Darüber hinaus existiert ein vielseitiges Herstellerangebot an Spezialküvetten, die beispielsweise geringe Schichtdicken für die Analyse hochkonzentrierter Lösungen aufweisen, bei gegebener Schichtdicke nur sehr geringe Füllvolumina benötigen (z. B. Mikroküvetten mit 5-10 µl Volumen bei 1 cm Schichtdicke) oder Küvetten, die einen U- oder Z-förmigen Kanal enthalten und entweder mittels Pumpe gefüllt und entleert oder in Verbindung mit Durchfluss­analysesystemen (CFA, FIA oder auch HPLC und CE) betrieben werden können. In Verbindung mit lichtleitergestützten Photometern werden auch Tauchsonden, die direkt in die Probelösung eingebracht werden, angeboten. Eine relativ neue Entwicklung sind so genannte Langwegzellen (long pathlength cells, auch als liquid-core waveguide bezeichnet). Hier wird das Prinzip der Totalreflektion an der Innenwand von Quarzkapillaren oder von Kapillaren aus Teflon-PFA genutzt (siehe Abb. 2), so dass optische Weglängen von einigen Metern realisiert werden können und die große Weglänge sich dann wegen des geringen optischen Rauschens in deutlich verbesserten Nachweis- und Bestimmungsgrenzen niederschlägt. Neben dem Einsatz mit manueller Probenzufuhr mittels Injektionsspritze oder Dosierpumpe können Langwegzellen auch vorteilhaft in Fließsysteme integriert werden [1,2].

Photometrie in der Umweltanalytik
Eines der herausragenden Merkmale der Photometrie ist die Tatsache, dass nach geeigneter Derivatisierung (zur Umwandlung der häufig wenig und / oder nur im UV-Bereich absorbierenden Analyte in eine farbige Verbindung mit hohem Absorptionskoeffizienten) eine Vielzahl von Analyten in sehr unterschiedlichen Matrices bestimmt werden kann. Nicht zuletzt deshalb hat die Photometrie trotz einiger Konkurrenz, insbesondere der Ionenchromatographie, einen festen Platz im Arsenal der Analysemethoden, die für umweltanalytische Fragestellungen eingesetzt werden. So existieren zahlreiche photometrische Methoden, insbesondere im Bereich der Anionenanalyse, die sich durch eine hohe Selektivität und Empfindlichkeit auszeichnen und zudem einen weiten dynamischen Messbereich aufweisen. Mögliche Interferenzen sind aufgrund der langjährigen Praxiserfahrung hinlänglich bekannt und Maßnahmen zur Eliminierung in der Literatur beschrieben [3-5]. Durch die Probenmatrix hervorgerufene Beeinträchtigungen der Absorptionsmessung lassen sich durch entsprechende Anpassung von Standardlösungen häufig einfach kompensieren. Der Aufwand der Probenvorbereitung für die Photometrie ist meist deutlich niedriger als bei alternativen Methoden wie der Ionenchromatographie, da Messungen selbst in gefärbten oder trüben Lösungen durch entsprechende Referenzierung durchgeführt werden können. Viele photometrische Methoden sind nicht zuletzt wegen der erwähnten Charakteristika in den diversen Normenwerken zur Analyse von Wasser, Sediment, Böden, pflanzlichem Material sowie Luftproben (Gase nach Absorption und Stäube nach Extraktion) enthalten. Sie haben sich über Jahrzehnte hinweg in vielen Laboratorien als zuverlässig erwiesen und die Richtigkeit der mittels Photometrie gewonnenen Ergebnisse wurde in unzähligen Vergleichsmessungen und Ringversuchen bestätigt.
Neben der Ionenbestimmung in diversen Umweltproben wird die Photometrie durchaus auch für die Bestimmung anderer Parameter eingesetzt. Beispiele aus dem Bereich der Wasseranalytik sind die Bestimmung der Färbung und Trübung von Wässern, des Phenol-Index, von Chlorophyll-A sowie die photometrische Indikation bei Titrationen zur Bestimmung der Säure- und Basekapazität sowie der Wasserhärte.
Ein interessanter Aspekt der Photometrie ist die Tatsache, dass sie aufgrund der selektiven Derivatisierungsreaktionen sehr geeignet für die Elementspeziation ist. So können beispielsweise bezüglich der Stickstoff- und Schwefelspeziation nahezu alle auftretenden ionischen Formen in den verschiedenen Oxidationsstufen separat (meist ohne Beeinflussung durch andere Spezies des gleichen Elementes) bestimmt werden. Aber auch für die Metallspeziation bietet die Photometrie diverse Möglichkeiten unterschiedliche Oxidationsstufen oder Bindungsformen zu unterscheiden (z. B. Fe(II)/Fe(III), Cr(III)/Cr(VI), As(III)/As(V), freies und komplex gebundenes Al).
Die für bestimmte Fragestellungen unzureichende Empfindlichkeit konventioneller photometrischer Bestimmungsverfahren, kann durch die oben erwähnte Verwendung von Langwegküvetten manchmal so weit gesteigert werden, dass sich neue Applikationsfelder ergeben. So ist diese instrumentelle Variante im Bereich der Ultraspurenbestimmung von Anionen aber auch bestimmter Kationen wie Ammonium oder Eisen (differenziert nach Oxidationsstufe) in stark salzhaltigen Proben wie Meerwasser auf besonderes großes Interesse gestoßen [6,7]. Neben der deutlichen Verbesserung der Nachweisgrenzen, ist eine störungsfreie Bestimmung in Gegenwart der hohen Salzmatrix möglich. Die ansonsten als Konkurrenz zur Photometrie für andere Proben häufig verwendete Ionenchromatographie, stößt bei Meerwasser auf nur mit
aufwendigen Probenvorbereitungstechniken oder sogenannten Schnitttechniken (2D-IC) zu überwindende Schwierigkeiten.
Aber auch in der Ionenchromatographie, die üblicherweise die Leitfähigkeitsdetektion  verwendet, hat die photometrische Detektion (oft seriell geschaltet und/oder in Verbindung mit Nachsäulenderivatisierung) einen festen Platz errungen. Für die Bestimmung einiger unerwünschten Nebenprodukten der Wasserdesinfektion (Bromat, Chlorit, Chlorat, etc.), hat sich die so genannte Triiodidmethode [8] als besonders empfindlich erwiesen und inzwischen auch Einzug in die internationalen (EPA) und nationalen (DIN-ISO) Normenwerke der Wasseranalytik gefunden. Ein anderes Beispiel für die photometrische Detektion in Verbindung mit IC ist die Nachsäulenderivatisierung mit PAR für die Spurenbestimmung von Übergangsmetallen [9]. Hier ist die geringe Selektivität des Farbreagenzes von Vorteil, da die chromatographisch getrennten Metallkationen alle bei der gleichen Wellenlänge absorbieren und somit nacheinander mit fester Photometereinstellung detektiert werden können. Diese Methode ist eine durchaus attraktive Alternative für die ansonsten verwendeten atomspektrometrischen Techniken (AAS, ICP-OES/MS) mit vergleichbarer Empfindlichkeit. Allerdings ist der Aufwand der Probenvorbereitung bei komplex zusammengesetzten Proben wegen möglicher Störungen bei der chromatographischen Trennung höher und bei stark unterschiedlichen Analytkonzentrationen kommt es u. U. zu Peaküberlappungen. Zu den meines Erachtens besonders markanten Merkmalen der Photometrie gehört die Tatsache, dass zahlreiche Messaufgaben mit sehr einfach aufgebauten und preiswerten Geräten gelöst werden können. In Verbindung mit so genannten Küvettentests, die konfektionierte Reagenzsätze beinhalten, lassen sich nahezu alle üblichen photometrischen Bestimmungsmethoden der Umweltanalytik häufig auch vor Ort durchführen. Dies ist nicht nur aus praktisch experimenteller Hinsicht ein Vorzug, sondern in Einzelfällen sogar aus analytischer Sicht unabdingbar. So kann es beim Transport und der Lagerung von Proben (selbst bei Verwendung empfohlener Konservierungsmittel) zu Veränderungen der Analytkonzentrationen durch Konversionsreaktionen (Oxidation/Reduktion, mikrobielle Umwandlung) kommen, die eine sofortige Messung nach der Probenahme erforderlich machen. Dies gilt beispielsweise für die Bestimmung von Nitrit, der separaten Erfassung von Fe(II) und Fe(III) sowie der Messung des gelösten, leicht freisetzbaren Sulfids.

Resümee und Ausblick
Zusammenfassend kann konstatiert werden, dass die Photometrie in instrumenteller Hinsicht aufgrund zahlreicher Innovationen bezüglich der optischen Konfiguration, eine instrumentell sehr facettenreichen Methode für die quantitative Analyse ist. Das angebotene Instrumentarium der zahlreichen Hersteller photometrischer Geräte bietet dem Anwender vielfältige Möglichkeiten flüssige Proben zu analysieren. Durch neue Küvettengeometrien und auch küvettenlose Anordnungen können sehr kleine Probevolumina photometriert oder mit Langwegzellen sehr hohe Empfindlichkeiten erzielt werden. Als Detektor für die Chromatographie und Kapillarelektrophorese ist die Photometrie eine wichtige Ergänzung zu den ansonsten üblichen Detektoren.
Im Bereich der Umweltanalytik wird die Photometrie zweifelsfrei auch weiterhin einen hohen Stellenwert im Arsenal der analytischen Methoden behalten und das Anwendungsspektrum sich in Zukunft eher noch erweitern. Ein hohes, für die Umweltanalytik meiner Meinung nach interessantes Potential bietet die Photometrie in Verbindung mit Anreicherungstechniken. Die farbigen Derivate fast aller photometrischen Bestimmungsmethoden lassen sich mittels Festphasenextraktion anreichern und können nach Elution oder auch direkt auf der festen Phase durch Absorptions- oder Reflexionsmessung detektiert werden [10,11]. In unseren Arbeiten zu diesem Thema (wir haben die Methode Sorbent Extraction Optosensing, SEOS, getauft), haben wir inzwischen über 20 verschiedene Prozeduren für die Bestimmung von umweltanalytisch relevanten Parametern erarbeitet und in allen Fällen Empfindlichkeitsverbesserungen von ein bis zwei Größenordnungen gegenüber der direkten photometrischen Bestimmung erzielt [12].

Literatur
1)    R.H. Byrne und E. Kaltenbacher: Use of liquid core waveguides for long pathlength absorbance spectroscopy: Principles and practice, Limnol. Oceanogr., 46, 740(2001)
2)    R.N.M.J. Páscoa et al.: Review on recent applications of the liquid waveguide capillary cell in flow based analysis techniques to enhance the sensitivity of spectroscopic detection methods, Anal. Chim. Acta, 739, 1(2012)
3)    E. Upor et al.: Photometric methods in inorganic trace analysis, Comprehensive Analytical Chemistry, Vol. 20, Elsevier, Amsterdam (1985)
4)    F.D. Snell: Photometric and Fluorometric Methods of Analysis, Nonmetals, Wiley, Chichester (1981)
5)    H. Onishi: Photometric determination of traces of metals, Wiley, Chichester (1986)
6)     Q.P. Li et al.: Continuous colorimetric determination of trace ammonium in seawater with a long-path liquid waveguide capillary cell, Marine Chemistry, 96, 73 (2005)
7)     Feng S et al.: Simultaneous determination of nanomolar nitrite and nitrate in seawater using reverse flow injection analysis coupled with a long path length liquid waveguide capillary cell, Talanta, 117 (2013) 456
8)    E. Salhi und U. von Gunten: Simultaneous determination of bromide, bromate and nitrite in low μg l−1 levels by ion chromatography without sample pretreatment, Water Research, 33, 3239 (1999)
9)    E.  Santoyo et al.: Trace analysis of heavy metals in groundwater samples by ion chromatography with post-column  reaction and ultraviolet–visible detection, J. Chromatogr. A, 884, 229(2000)
10)    J.S. Fritz et al.: Rapid determination of ions by combined solid-phase extraction--diffuse reflectance spectroscopy, J. Chromatogr. A. 997, 41(2003)
11)    M. Miro und W. Frenzel: Flow-through sorptive preconcentration with direct optosensing at solid surfaces for trace-ion analysis, Trends Anal. Chem., 23, 11(2004)
12)    W. Frenzel: Sorbent extraction optosensing – A new approach for sensitive and selective photometric determination of environmentally relevant analytes, in preparation

 

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