Category: Anwendungen & Problemlösungen
Das Projekt mobiLLab
Der naturwissenschaftliche Unterricht der letzten beiden Dekaden an der Oberstufe wie auch an Mittelschulen der Schweiz verlor infolge einer zu geringen Stundendotation durch die Integration der 3 naturwissenschaftlichen Fächer Biologie, Chemie und Physik zu „Natur und Technik oder „Mensch und Umwelt deutlich an Attraktivität und Qualität. Dies äusserte sich sowohl am geringen Interesse der Jugendlichen an naturwissenschaftlich-technischen und umweltbezogenen Fragen (PISA-Studie 2006) als auch im mangelnden Nachwuchs von begabten Jugendlichen und Studierenden in naturwissenschaflich-technischen Berufen und Studienrichtungen. Die Auswirkungen auf die Versorgung mit Nachwuchskräften der Natur- und Ingenieurwissenschaften in Forschung, Industrie und Wirtschaft, kurz unsere naturwissenschaftlich-technische Kompetenz, unabdingbar für unsere rohstoffarme Ökonomie werden bereits schmerzlich sichtbar.
Hier setzt nun das Projekt mobiLLab an, das aus einer Zusammenarbeit der Metrohm Stiftung und der Pädagogischen Hochschule des Kantons St.Gallen (PHSG) entstanden ist. Das Kernanliegen der Metrohm Stiftung ist die Förderung von Interesse, Verständnis und einer positiven Motivation der Jugendlichen gegenüber Naturwissenschaft und Technik. Dazu unterstützt sie seit Jahren attraktive und schulergänzende Angebote.
Das mobiLLab ist ein mobiles Hightech-Labor mit zwölf Arbeitsplätzen, welches für einen Tag an ein Oberstufenzentrum kommt. Es möchte bei den Jugendlichen das Interesse an Naturwissenschaften und Technik fördern. Mit Hilfe modernster Instrumente und Methoden sollen sie alltagsnahe Fragestellungen untersuchen. Der Umgang mit den modernen Geräten soll sie motivieren und zu einer vertieften Auseinandersetzung mit verschiedenen Themen anregen.
Quelle: www.mobillab.ch
Schwermetallverunreinigung von scharfer Salsa Soße und Chilipulver
Der Verbrauch von botanischen Produkten hat in den letzten zwei Jahrzehnten deutlich zugenommen, da die Verbraucher immer mehr zu natürlichen und hochwertigen botanischen Produkten tendieren. Die Hauptanbauregionen der Gewürz- und Teeproduktion auf der ganzen Welt weisen aber weniger strenge Sicherheits- und Qualitätsstandards als in der EU und in den USA auf. Es wurde festgestellt, dass Produkte aus diesen Regionen eine Vielzahl von Verfälschungen und Verunreinigungen enthalten, einschließlich Schwermetallen und toxische Elementen. Für eine Untersuchung wurde diverse Gewürze scharfe Saucen in unterschiedlichsten Märkten gekauft. Nach dem kryogenen Vermahlen und Mikrowellenaufschluß wurden die messfertigen Proben mittels ICP-MS auf ihre Schwermetallkontamination hin untersucht.
Probenvorbereitung
Die Proben wurden mit einem CEM Mars 5 Mikrowellen-Druckaufschlussgerät aufgeschlossen:
· Easy Prep Gefäße und XP Gefäße
· 0,2 g Probe · 10 ml HNO3
· 1-2 Tropfen HF bei Proben mit hohem Siliciumdioxidgehalt
· 15 Minuten Rampe bis 210 ° C · 15 Minuten halten
Materialien
SPEX CertiPrep-Standards:
– CLMS-1, CLMS-2, CLMS-3, CLMS-4 (Multi-Element-Lösungsstandards 1-4)
Reagenzien:
– Hochreine Salpetersäure
– Hochreine HF
Analyse
Agilent ICP-MS 7700:
– Meinhard Zerstäuber
Ergebnisse Das am häufigsten vorkommende Schwermetall für die roten Pfefferprodukte war Chrom, das in einer Chillipulver Probe bis zu 7 pg/g aufwies. Die Gehalte an Chrom reichten von 3,1 bis 7,0 pg/g. Arsen und Cadmium waren in derselben Probe enthalten, das die höchsten Chromwerte aufwies (1,2 pg/g Cd & 0,4 pg/g As). Blei wurde in dieser Probe mit weniger als 1 pg/g gefunden. Detailergebnisse in Abbildungen 1 – 3
In dieser Methodensammlung finden Sie 308 Aufschluss Methoden aus den Bereichen
Landwirtschaft,
Lebensmittel,
Öle,
Kunststoffe,
Abfall,
Abwasser,
Umwelt,
Geologie und Mineralogie,
Gebrauchsgegenstände,
klinische und biologische Proben,
Materialwissenschaften,
Metallurgie und Legierungen,
Farben und Beschichtungen,
Kosmetik,
Pharma und Biotech,
Filter und Emissionsschutz
zum Mikrowellen-Aufschluss im Mars 6
Methodensammlung (pdf): MetNote_MARS6_Compendium
Neuartige iPrep Behälter für Hochtemperatur-Aufschlüsse von organischen und anorganische Proben
Aufschlüsse im Druckbehälter bei ca. 300 °C für komplexe organische Proben, die aufgrund des Kohlenstoffgehaltes bis zu 100 bar Druck entwickeln können, erfordern besondere Anforderungen an die Behältertechnologie. Mit den iPrep Behältern ist es nunmehr möglich, Pharmawirkstoffe, Farbstoffe, Lebensmittel, Bitumen, Klebstoffe, Kunststoff, Öl,… etc. sicher und zuverlässig aufzuschließen.
Hohe Aufschlusstemperaturen benötigen auch refraktäre anorganische Materialien wie Dental-Legierungen, Carbide, Nitride, Aluminiumoxid, Keramiken, mineralogische Proben, Stähle, Katalysatoren, Oxide, Spinelle, etc. Dazu wurde im iPrep System ein besonderer Behälteraufbau mit neuartigen Werkstoffen im Zusammenspiel mit der Hochleistungskühlung und exakter Temperaturmessung im Mars 6 Mikrowellengerät realisiert. Der besondere Clou: Keine Berstscheiben, keine Federelemente, nur 2 Bauteile, also einfachste Bedienung! Kein anderes auf dem Markt befindliche Gerät benötigt so wenig Platz im Labor für Hochtemperaturaufschlüsse wie das Mars 6 mit den iPrep Behältern.
Die iPrep Gefäße sind hervorragend geeignet, um selbst hartnäckigste Proben wie z. B. diverse Chromoxide (siehe Bild) in einer Stunde schnell und komfortabel aufzuschließen.
Im EDGE Extraktionssystem werden in weniger als 10 min. unterschiedliche Referenzmaterialien (Sewage Sludge, Soil, Harbour Sediment) mit Lösemittel extrahiert. Der typische Lösemittelverbrauch beträgt 30 ml. Aus den Extrakten werden die Analyten HCB, PCB 28, PCB 52, PCB 101, PCB 118, PCB 153, PCB 138 und PCB 180 analysiert.
Der Vergleich zur Soxhlet Extraktion und der Vergleich zum zertifizierten Gehalt zeigen übereinstimmende Ergebnisse bei dieser neuen Extraktionstechnik:
Mehr Infos unter www.loesemittel-extraktion.de
Evaluierung des ORACLE Fettanalysators erfolgreich abgeschlossen
CEM freut sich, den erfolgreichen Abschluss einer unabhängigen Studie des ORACLE Universellen Fettanalysators durch das akkreditierte französische Labor Actalia Cecalait bekannt zu geben. Das ORACLE ist der erste schnelle Fettanalysator, der absolut keine Methodenentwicklung erfordert und Fett in jeder unbekannten Nahrungsmittelprobe mit vergleichbaren Fettgehalten zu den Referenzmethoden analysieren kann. Mehrere Molkerei-/Milchprobenarten wurden in der Studie untersucht: Sahne, Milchpulver, verschiedene Käse, saure Sahne, Joghurt, Dessert und Eiscreme, in einer Bandbreite von 0,5 bis 45,0% Fett.
Actalia stellte fest, dass der ORACLE Fettanalysator in der Lage war, alle oben genannten Molkereiproben mit der gleichen Richtigkeit und besserer Genauigkeit im Vergleich zu den nasschemischen Extraktionstechniken Röse-Gottlieb, Weibull-Berntrop und Schmid-Bondzynski-Ratzlaff zu analysieren. Die Messdauer beträgt nur wenige Minuten und erfordert keinerlei Methodenentwicklung oder Kalibrierung. Insbesondere ergaben der Vergleich der ORACLE- und Nasschemie-Ergebnisse einen perfekten linearen Bestimmungskoeffizienten (R2) von 1,000. Actalia kam auch zu dem Schluss, dass die Wiederholbarkeit des ORACLE für alle Proben besser war als die Referenzchemie.
Actalia mit Sitz in Poligny, Frankreich, ist ein COFRAC-akkreditiertes Labor, das sich auf die Bereitstellung technischer und wissenschaftlicher Erkenntnisse für die Validierung und Vereinheitlichung von Analysenmethoden mit Expertise in der Molkereianalyse spezialisiert hat. Darüber hinaus ist Actalia sowohl Veranstalter von Ringversuchen als auch ein globaler Lieferant von SRMs für Milchprodukte (sekundäre Referenzmaterialien).
Seit seiner Markteinführung im Jahr 2016 hat das ORACLE eine breite Akzeptanz gefunden und wird weltweit in Lebensmittelproduktions- und Testlabors eingesetzt. Das System wurde mit dem IFT17 Food Expo Innovation Award ausgezeichnet, der die Zeit- und Kostenvorteile würdigt und den nachhaltigen Betrieb durch den Wegfall von Chemikalien heraushebt.
Der Vergleich zeigte die Universalität und Richtigkeit der ORACLE Methode im Bezug auf die Fett-Referenzgehalte: Abstract_Cecalait_27s_Newsletter_No_103_-_Oracle
Sehen Sie die beispielhafte Fettmessung und Trocknung der Proben dieser Studie in diesem Film
Unter der Probenvorbereitung versteht man die Aufarbeitung der zu analysierenden Probe in eine für die Bestimmung der relevanten Substanz geeigneten Form. In der Analytik kommt den atomspektroskopischen Bestimmungsmethoden (AAS, ICP-OES, ICP-MS) eine große Bedeutung zu. Es ist jedoch erforderlich, daß die Probensubstanz in Lösung vorliegt. Aus diesem Grund folgt dem Homogenisieren und Trocknen fester Proben ein Aufschlussprozess. Das Ergebnis sollte eine vollständige Matrixzersetzung sein, bei dem Verluste des Analyten verhindert werden und dieser nachher unter Umständen nach Entfernung der Matrixelemente störungsfrei bestimmt werden kann. Bei den Aufschlußmethoden kann zwischen naßchemische Aufschlüssen, Schmelzaufschlüssen und Aufschlüssen durch Gasreaktion unterschieden werden. Die zu verwendende Aufschlußmethode wird je nach Erfordernis der Bestimmungsmethode ausgewählt.
Bei einem naßchemischen Aufschluß wird die feste Probensubstanz in Wasser, Säuren oder Säuregemischen gelöst. Dies kann sowohl in offenen als auch in geschlossenen Behältnissen durchgeführt werden.
Oftmals ist ein rückstandsfreies Lösen komplexer Matrizes jedoch nicht erreichbar, da die Aufschlusstemperatur unter Atmosphärendruck durch die Siedetemperatur des verwendeten Lösungsmittels begrenzt ist. Als Alternative bieten sich sogenannte Druckaufschlüsse in statisch geschlossenen Systemen an, mit denen Aufschlüsse meistens mit Säuren unter drastischen Bedingungen durchgeführt werden können. Bedingt durch den höheren Druck stellt sich eine höhere Siedetemperatur ein, welches mit einer stärkeren Oxidationskraft der Aufschlusssäure einhergeht. Zudem werden Spurenverluste und Kontaminationen von außen vermieden. Druckaufschlüsse können nach der Art der Wärmeübertragung an die Aufschlußlösung unterschieden werden. Man unterscheidet die konvektive Wärmeübertragung und die Einwirkung von Mikrowellen, welche völlig unterschiedlichen Prinzipien unterliegen. Bei der konventionellen Aufheizung mit Heizplatten, Öfen oder metallischen Heizblocks, wird die Wärmeenergie von der geheizten Gefäßwand an die Lösung abgegeben, wo der Wärmeaustausch über Konvektion stattfand. Diese Übertragung ist nicht sonderlich effektiv, da die Energie nur über die im Verhältnis zur Masse kleinen Oberfläche abgegeben wird. Dies führt zu den langen Aufheizphasen bei der konventionellen Druckaufschlusstechnik.
Die Wärmeübertragung basiert auf der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit heteropolaren Molekülen und ist umso stärker je größer das Dipolmoment bzw. das Dielektrikum der Stoffe ist. Es könnte so verstanden werden, daß die Mikrowellenenergie zum einen eine Rotations- und Schwingungsbewegung der Dipole und zum anderen eine beschleunigte Bewegung von Ionen mit einer Zunahme der Stoßzahlen in der Aufschlußlösung fördert.
Dipolrotation
Ionenleitung
Es können jedoch nur ionische oder polare Substanzen mit Hilfe der Mikrowellentechnik aufgeheizt werden. Mikrowellentransparente Stoffe können, soweit sie chemisch resistent sind als Gefäßmaterialien verwandt werden. Ein Maß für die Absorption von Mikrowellenenergie ist der sogenannte Dissipationsfaktor tan d, welcher den Vergleich von dialektischen Verlust zur Dielektrizitätskonstante darstellt. In der folgenden Tabelle ist ein Vergleich der Dissipationsfaktoren für verschiedene Aufschlußsäuren und Gefäßmaterialien wiedergegeben.
Aufschlusssäuren und Gefäßmaterialien
| Material/ Substanz | Siedetemperatur [°C] | Dissipations-faktor [tan d] |
| Wasser | 100 | 157000 |
| HCl (36%) | 109,5 | 8600 |
| HF (48%) | 108 | 11000 |
| HNO3 | 120 | 11000 |
| H2SO4 (96%) | 338 | 13500 |
| PTFE | 0,017 | |
| PFA | 0,017 | |
| Quarz | 0,005 |
Die geringen Mikrowellenabsorptionsraten machen PTFE-Derivate, PFA und Quarz zu bevorzugten Materialien für Druckaufschlusssysteme.
Dieser Film zeigt die Wirkungsweise der Mikrowellen auf den Aufschluss.
Das Mikrowellen-Laborsystem MARS ist speziell für den extrem hohen Probendurchsatz in der Analytik für Schwermetalle entwickelt worden. In Kombination mit der neuartigen Xpress Reaktionsbehälter-Technolgie können schnelle, vollständige und reproduzierbare Aufschlüsse realisiert werden.
Hoher Probendurchsatz und reproduzierbare Aufschlüsse sind typische Anforderungen in der Routineanalytik. Deshalb wird das MARS speziell für Säureaufschlüsse bei folgenden Probenarten eingesetzt:
- Pflanzenproben
- Tiergewebe
- Fisch, Muscheln und maritime Proben
- Sedimente, Boden und Schlamm
- Abwasser
- Lebensmittel
- Düngemittel
- Nährstoffe
- Filter
- Blut, Haare, Serum und Urin
- Spielzeug und Bedarfsgegenstände
- Mineralien und Erze
- und viele weitere mehr!
Das MARS verfügt über neue berührungslose Sensortechnologien zur Druck- und Temperaturüberwachung in allen Behältern. Die integrierte Computersteuerung ermöglicht die Datenspeicherung und Steuerung via Smartphone und TabletPC. Bei der Gerätekonzeption wurde ein Höchstmaß an Bedienerkomfort und ein neuer Meilenstein hinsichtlich der Betriebssicherheit gesetzt. Der modulare Aufbau der Geräteserie MARS hält Investitionen in einem angepassten Rahmen für die benötigten Arbeitsprozesse, d. h. es ist lediglich eine Grundinvestition für den Einstieg notwendig. Für zukünftige Aufgaben kann die Mikrowellen-Arbeitsstation beliebig aufgerüstet werden.
Anwendungsbeispiel: Mikrowellenaufschluss von Spielzeug zur Messung des Schwermetalls Blei mit der ICP
Beispiele aus der Mikrowellen-Chemie im Discover
Nucleophile Aromatische Substitution
In den aufgeführten Reaktionen wurden mittels nucleophiler aromatischer Substitution (SNAr) acht Verbindungen synthetisiert [1]. Beginnend vom aromatische Gerüst ergaben acht verschiedene Amine die jeweiligen heterocyclischen Zielverbindungen. Unter Mikrowelleneinwirkung waren die Reaktionen in 90 min. absolviert, während die klassischen Bedingungen bis zu 2 Tage in Anspruch nehmen .
O-Alkylierung von Phenolen
Die Mikrowellen-Synthese wirkt auch auf Festphasenreaktionen extrem zeitverkürzend. Zur Veranschaulichung der Effektivität wurde in der nebenstehenden Versuchsreihe eine Phenolverbindung mit unterschiedlichen Alkylbromiden umgesetzt. Unter klassischen Bedingungen benötigen diese Reaktionen zwischen einem und 7 Tagen. Im DiscoverTM ließen sich dieselben Umsetzungen innerhalb von nur 30 min. erreichen [1]. Analog zur oben dargestellten SNAr Reaktion wurden auch hier mit dem DiscoverTM höhere Ausbeuten erzielt.
Bignelli Synthese von Dihydropyrimidin
Zur nebenstehende Bignelli Synthese wird eine hohe pharmokologische Effizienz sowie eine Reihe von biologischen Einflüssen (antivirale, antitumore und antibakterielle Aktivitäten) berichtet. Mit konventioneller Beheizung benötigen diese Reaktionen bis zu 24 Stunden bis zur kompletten Umsetzung, allerdings mit geringen Ausbeuten. Im DiscoverTM ließ sich dieselbe Reaktion innerhalb von nur 5 Minuten mit Ausbeuten zwischen 60 – 90 % erreichen [1].
Literatur:
[1] M. J. Collins, Drug Discovery at the Speed of Light, Presented at Drug Discovery Technology,
Boston, August 2001
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