Entwicklung von gekoppelten mikro-analytischen Methoden für die Fraktionierung von Spurenelementen in festen Umweltproben

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Techniken, die eine Fraktionierung von Spurenelementen in festen Proben mit geringem Aufwand ermöglichen. Dabei standen die Automatisierung und Erhöhung der Aussagekraft der gewonnen Ergebnisse durch Einsatz kontinuierlicher Extraktionstechniken im Vordergrund. Die in dieser Arbeit entwickelten Techniken ermöglichen die Verfolgung der Freisetzung von Schwermetallen aus festen Proben unter kinetisch kontrollierten Bedingungen und die Quantifizierung unter veränderten Extraktionsbedingungen nahezu in Realzeit. Dazu wird das Probenmaterial in kleinen Kartuschen (typischerweise 5-80mg Einwaage) gepackt, die in ein kontinuierliches Fließsystem integriert werden. Für die in-line Detektion wurde die AAS (Flammen und Graphitofentechnik), sowie die ICP-OES und ICP-MS eingesetzt. Durch Verwendung verschiedener Extraktionsmittel wurde die Mobilisierbarkeit von Schwermetallen untersucht und aus den Ergebnissen Rückschlüsse über die Bioverfügbarkeit getroffen. Verschiedene Elemente innerhalb eines Probenmaterials (Matrix) ergaben unterschiedliche Extraktionsmuster und für verschiedene Matrices wurde eine unterschiedliche Extrahierbarkeit für die untersuchten Elemente gefunden. So wurden aus Pflanzenmaterialien die Elemente Ni, Cd, Zn und Cu meist bereits mit Wasser nahezu vollständig eluiert, wohingegen die Elemente Pb, Fe und Al nur einen sehr geringen wasserlöslichen Anteil aufwiesen, mit verdünnter Säure aber bereits gut extrahierbar waren. Beim Vergleich verschiedener Matrices zeigte sich eine Abhängigkeit der Extrahierbarkeit der Metalle von der Morphologie, der Probenvorbehandlung und der Komplexität der Probenzusammensetzung. So waren in Böden und Sedimenten Cu und Zn meist in der säurelöslichen Fraktion vorhanden, was auf eine unterschiedliche Bindungsform gegenüber Pflanzenmaterialien hindeutet. Durch verschiedene instrumentelle Konfigurationen der verwendeten Fließsysteme (unidirektionaler und rezirkulierender Fluss, stopped-flow Technik) konnten die Extraktionsbedingungen so verändert werden, dass sowohl schnell als auch langsam ablaufende Extraktionsprozesse verfolgt werden konnten. Eine Qualitätskontrolle der entwickelten Verfahren wurde durch Analysen von verschiedenen kommerziellen Referenzmaterialien durchgeführt. Dabei zeigte sich in vielen Fällen eine gute Übereinstimmung aber auch das Defizit einer unvollständigen Charakterisierung der Referenzmaterialien durch die Hersteller. Die entwickelten Verfahren wurden mit bislang üblichen und auch international standardisierten Extraktionsschemata (z.B. 3-stufige BCR Extraktion, DIN- Methode für Resorption) verglichen. Aufgrund des operationellen Charakters aller Fraktionierungsmethoden kann eine Übereinstimmung allerdings nicht erwartet werden. In vielen Fällen zeigten sich jedoch gut vergleichbare Ergebnisse. Versuche zur Präparation von Materialien für Fraktionierungsexperimente mit bekannter Spezieszusammensetzung wurden ebenfalls durchgeführt. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Konzept der Mikrodialyse, das weite Verbreitung für die in-situ Bestimmung wichtiger Komponenten in der Neurophysiologie gefunden hat, für die Metallfraktionierung in Bodenproben eingesetzt. In diesem Zusammenhang wurden unterschiedliche Dialysesonden konstruiert und hinsichtlich ihrer Funktion getestet. Die Einflüsse operationeller Parameter auf die Dialyserate und Ansprechzeit wurden ermittelt und Untersuchungen zum Membrantransport verschiedener Elemente bei unterschiedlichen chemischen Bedingungen angestellt. Es wurde zudem eine in-line Kopplung mit der Graphitofen-Atomabsorptionsspektrometrie konfiguriert, mit der die Freisetzung von Spurenmetallen aus Bodenproben quasi kontinuierlich studiert werden kann. In Modellexperimenten mit einer synthetischen Bodensäule wurden in der Natur vorkommende Freisetzungsprozessen wie Saurer Regen, versehentliche Kontamination, Fallout, Sickerwasser durch Kompost simuliert und die dabei erhaltenen Ergebnisse interpretiert.The aim of the thesis was the development of simple yet rapid techniques allowing the fractionation of trace elements in solid matrices. Of importance was the automatisation potential and enhancement of information available from continuous flow extraction techniques. The techniques developed in this work made possible the almost real time monitoring of the leaching kinetics of heavy metals from solid samples and the quantification of metal release under changing extraction conditions. By incorporation of micro cartridges filled with 5-80 mg of solid sample into the conduits of a flow system and appropriate selection of extractant, information about the degree of leaching and in particular the kinetics of the leaching process were obtained in almost real time, thereby allowing judgement on bioavailability to be made. Different elements within the same sample showed different leaching behaviour allowing the classification in two groups; Ni, Cd, Zn and Cu exhibited fast leaching kinetic and occurred mostly in he water soluble fraction of plant samples while the behaviour of Pb Fe and Al was different, occurring mostly in the acid fraction. . Between matrices however, a different pattern was noticed, which also depended on the morphology and complexity of the matrix. Cu and Zn although fast leaching, were mostly in the acid soluble fraction in soil, indicating different binding from that in plants. Since fast leaching metals are more accessible (labile) while slow leaching metals are less accessible, an insight into the long term release of the different metals in solid samples of environmental importance was gained. The developed methods were optimised to accommodate the study of fast as well as slow kinetics by designing a continuous in addition to a re-circulating manifold. Analytical characteristics of the flow systems were evaluated. Quality assurance was achieved by analysis of various commercial reference materials. However, discrepancies occurred due to the different operational conditions and the lack of suitable standards with adequate analytical characterisation by the manufacturer was evident. The design of laboratory internal reference material tailored to represent different forms of metal binding was therefore embarked on. Preliminary results of analysis of these materials were promising. Application of the microanalytical system to real samples utilising internationally recognised schemes then followed. The standard BCR three stage sequential extraction scheme was applied in the developed micro analytical system for the assessment of bioavailable fraction of 13 elements in soil and other samples. An in-line four stage nitric acid scheme was utilised in the determination of metals in different matrices of environmental concern exploiting in-line detection by FAAS, ICP-AES and ICP-MS. Finally, the system was used for the in-line translation of the DIN method for the assessment of bioaccessibility. Results of the different schemes were compared and interpretations according to risk assessment made. The last part of the work concerned the role and applicability of microdialysis as a separation and sampling technique to metal fractionation. Microdialysis, which has been traditionally used for the in-situ determination of substances of neurological importance, is based on the discrimination of substances according to molecular weight. Therefore fractionation of metals into dialyzable (free metal ions) and non-dialyzable (complexed, non-available) was aimed. Since the method is non-invasive (i.e. the diffusion process does not disturb the equilibria naturally present in the systems), there is no depletion of metals in the vicinity of the probe. Thus it should be possible to differentiate different forms according to distribution and diffusion properties while upholding sample integrity. For these studies, a microdialysis probe was constructed for the in-situ sampling of metal ions from soil and hyphenated with ETAAS for in-line quantification. After full characterisation of the probe, the response to small changes in the environment was ascertained. Application of the system for in-situ study of the leaching of metals from soil was also performed. Further environmental situations like acid rain, accidental spillage, fallout, seepage through solid waste or compost and stimulus-response scenarios could be effectively simulated using the developed system