FAAS und GFAAS
Schätzungsweise 80 % aller derzeit verfügbaren Daten zur Spurenelementzusammensetzung von Lebensmitteln sind das Ergebnis von FAAS-Analysen nach Vorbehandlung der Proben durch Nassveraschung oder Trockenveraschung. FAAS ist ein einfaches, robustes und leicht zu implementierendes Instrument für die Analyse von Aufschlüssen, und die Kalibrierung kann in der Regel mit wässrigen Standards erfolgen. Die Nachweisgrenzen liegen im Sub-ppm-Bereich, so dass sich diese Methode für eine Vielzahl von Elementen (einschließlich Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Zn) in verschiedenen Probenmatrizes eignet. Bitte beachten Sie, dass Na und K in den meisten Fällen mit Flammenemissionsspektroskopie und nicht durch Absorption in einem AAS-System bestimmt werden.
GFAAS bietet die Möglichkeit des Nachweises von Sub-ppb mit μL-großen Probeninjektionen in ein Graphitrohr, das zur Probenzerstäubung auf hohe Temperaturen (z. B. 2700 °C) erhitzt wird. In den 1990er Jahren wurden die so genannten STPF-Bedingungen (Stabilized Temperature Platform Furnace), die von Slavin entwickelt wurden, fast universell eingesetzt. STPF-Bedingungen erfordern die Verwendung von (1) Plattformzerstäubung, (2) Matrixmodifikation, (3) schnellem Aufheizen (1500 °C s-1 oder mehr), (4) pyrolytisch beschichteten Rohren, (5) schneller digitaler Elektronik, (6) integrierten Absorptionsmessungen (Peakfläche), (7) Argon (Stop-Flow während der Zerstäubung) und (8) Zeeman- (oder Smith-Hieftje-) Hintergrundkorrektur. Methoden, die unter Berücksichtigung dieser Kriterien entwickelt wurden, ermöglichen eine einfache Quantifizierung unter Verwendung wässriger Standards zur Erstellung externer Kalibrierkurven, wodurch in den meisten Fällen Matrix-Interferenzeffekte minimiert werden und die Notwendigkeit der Verwendung der Additionsmethode verringert wird. Zu den wichtigen analytischen Kennzahlen gehören Empfindlichkeit/charakteristische Masse, Nachweisgrenze, Genauigkeit und Präzision.
Das Gebiet der Spurenelementanalysen in der Ernährung ist eines der interessantesten Gebiete. Spurenelemente dienen als Strukturbestandteile von Enzymen, Vitaminen, Hormonen und proteinhaltigen Geweben. Das Spurenelement Selen trägt zum Abwehrmechanismus gegen Krankheiten und Umweltrisiken bei. Selen ist das vielversprechendste Spurenelement, das potenziell an der Immunantwort beteiligt ist. Chrom ist ein Kofaktor für mehrere Enzymsysteme und wird für die Interaktion mit dem Insulinrezeptor benötigt. Daher wurde der Se- und Cr-Gehalt von acht Lebensmittelkategorien (Getreide, Bohnen, Gemüse, Grünzeug, Obst, Würzmittel und Gewürze, Trockenfrüchte und essbare Blumen) mit Hilfe der FAAS untersucht. Die Proben wurden mit einer Kombination aus drei Säuren nass verascht und mittels FAAS bei 196 nm (Se) und 425 nm (Cr) mit einer Luft-Acetylen-Flamme analysiert. Insgesamt wurden 190 Proben analysiert, und die Studie ergab, dass Trockenfrüchte den höchsten Cr-Gehalt (15-43,5 μg pro 100 g) und Bohnen den höchsten Se-Gehalt (48,7-02,5 μg pro 100 g) aufweisen. FAAS hat sich kürzlich auch als nützlich bei der Überwachung von Pb in Geschirr erwiesen, wo überhöhte Werte ein erhöhtes Risiko für Föten, Kinder und Erwachsene darstellen können. Insgesamt 0,9 % des importierten Keramikgeschirrs und 2,5 % des einheimischen Keramikgeschirrs, die 1992 über einen Zeitraum von zwei Monaten untersucht wurden, wiesen Werte auf, die über dem zulässigen Grenzwert von 3 ppm für Teller, Untertassen und Besteck lagen. Bei dieser Arbeit wurde die offizielle Methode 973.32 der Association of Official Analytical Chemists verwendet. FAAS wurde von Wissenschaftlern am Behrend College (Erie, PA) eingesetzt, um Kochgeschirr aus rostfreiem Stahl als signifikante Quelle für die Aufnahme von Ni, Cr und Fe zu bewerten. Der Verzehr von Nickel ist potenziell gefährlich, da Ni mit gesundheitlichen Problemen im Zusammenhang mit allergischer Dermatitis in Verbindung gebracht wird. Umgekehrt sind Cr und Fe essenzielle Nährstoffe, und rostfreier Stahl (typischerweise 18% Cr, 8% Ni und 70-73% Fe) kann eine bedeutende Quelle darstellen. Die Probenvorbereitung umfasste die Zugabe von 5%iger Essigsäure (Fisher), sowohl kalt als auch abgekocht, in jedes Gefäß für 5 Minuten. Anschließend wurde die Essigsäure mit FAAS und den Standardbedingungen des Herstellers analysiert. Es wurden messbare Konzentrationen aller drei Elemente festgestellt, wobei nur Ni hoch genug war (0,0-0,1 mg Ni pro Tag), um eine Gesundheitsgefährdung darzustellen, was zu der Empfehlung führte, dass ni-empfindliche Patienten Kochgeschirr aus rostfreiem Stahl meiden und die Industrie auf eine Nicht-Ni-Formulierung umstellen sollte.
Wie die vorangegangenen Beispiele zeigen, ist die FAAS eine leistungsfähige Technik, die jedoch nicht immer die erforderliche Empfindlichkeit für die Bestimmung von Spurenelementen in extrem niedrigen Konzentrationen bietet. Dies wurde deutlich, als die schwedische Lebensmittelbehörde ein Verfahren für die Bestimmung von Pb, Cd, Zn, Cu, Fe, Cr und Ni in trockenen Lebensmitteln nach einer Trockenveraschung bei 450 °C entwickeln wollte. Da eine Kontamination mit Elementen wie Pb, Cr und Ni wahrscheinlich ist, wurde darauf geachtet, dass alle Kunststoffgeräte, die für die Analysen verwendet wurden, mit Säure gewaschen wurden. FAAS wurde für Zn (213,9 nm Luft-Acetylen, oxidierend), Cu (324,7 nm Luft-Acetylen, oxidierend) und Fe (Fe 248,3 nm Distickstoffoxid-Acetylen, oxidierend) gewählt. Aufgrund der geringeren Konzentrationen wurde für Pb, Cd, Cr und Ni die GFAAS verwendet. Die Bedingungen wurden auf der Grundlage der Verwendung der geeigneten Resonanzlinie optimiert, doch erwies sich kein einziger Satz von Instrumentenbedingungen für alle vier Elemente als akzeptabel. Blei wurde mit Hilfe der Plattformzerstäubung analysiert, während Cd in einem unbeschichteten Rohr und Cr und Ni in einem pyrolitischen Standardrohr gemessen wurden. Leider schränkte der Verzicht auf STPF-Bedingungen die Möglichkeiten der Methode ein, und die meisten kooperierenden Laboratorien benötigten die Additionsmethode, um einigermaßen genaue Ergebnisse zu erhalten.
GFAAS ist eine ausgezeichnete Methode für die direkte Bestimmung von Pb in entgasten Cola-Getränken. Jüngste Berichte zeigen jedoch, dass GFAAS-Analysen von Cola, die mit einer Lanthanlösung verdünnt wurde, um Chloride und andere Matrixinterferenzen zu reduzieren, die Anwendung der Additionsmethode erforderten, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Hätten die Autoren eine In-situ-Sauerstoffveraschung durchgeführt und Pd oder Pd in Kombination mit Magnesiumnitrat als Matrixmodifikator verwendet, hätten alle Matrixinterferenzen beseitigt werden können. Es ist wahrscheinlich, dass das größte Problem mit dem Hintergrund auf den Zucker (Kohlenstoff) zurückzuführen ist, der während der thermischen Vorbehandlung durch Sauerstoffveraschung hätte entfernt werden können, was die Verwendung wässriger Kalibrierungsstandards ermöglicht hätte, anstatt die Methode der Zugabe zu erfordern. Zucker und Sirupe wurden direkt nach Verdünnung von ∼1 g Zucker auf 10 ml 5 %ige Salpetersäure und unter Verwendung von Sauerstoffveraschung im thermischen Vorbehandlungsschritt analysiert. Die instrumentellen GFAAS-Nachweisgrenzen (DL) lagen bei 10 pg, was einer Methoden-DL von 0,9 ng g-1 entspricht. Forscher verwenden oft ausgeklügelte Ansätze zur Verbesserung der GFAAS-Leistung. Dies war der Fall bei der Entwicklung einer Strategie für die Bestimmung von La in Lebensmittel- und Wasserproben. Das Problem ist, dass La eine starke Affinität zum Graphit hat, was zu Karbidbildung und Memory-Effekten führt. Obwohl der Graphit verbessert wurde, um dies zu verringern, kann die Auskleidung der Röhre mit einer Tantal- oder Wolframfolie den physischen Kontakt mit dem Graphit verhindern und zu einer höheren Empfindlichkeit führen. Das mit Wolfram ausgekleidete Rohr ergab eine Nachweisgrenze von 7,8 ng und eine charakteristische Masse von 8,1 ng für La. Die Präzision war besser als 10 % RSD und die durchschnittliche Genauigkeit betrug 90±10 %. GFAAS wurde von Forschern der US Food and Drug Administration erfolgreich zur Bestimmung von Se in Säuglingsnahrung und enteraler Nahrung eingesetzt. Bei der Methode wird die Probe nach Zugabe von Magnesiumnitrat-Salpetersäure auf einer Heizplatte aufgeschlossen. Nach dem Erhitzen wurden die Aufschlüsse bis zur Trockenheit eingedampft und 30 Minuten lang in einer Muffel bei 500 °C erhitzt, um die Veraschung abzuschließen. Das gesamte Se wird durch Auflösen der Asche in HCl (5:1) und 20-minütiges Halten der Lösung bei 60 °C in Se4 + umgewandelt. Das Se4 + wurde anschließend mit Ascorbinsäure zu Se0 reduziert und auf einem Membranfilter gesammelt, der mit Hilfe eines Mikrowellenaufschlusses in Salpetersäure aufgeschlossen wurde. Nach dem Aufschluss und der Verdünnung wurde Se mit GFAAS bestimmt. Der Wiederfindungsbereich für Se betrug 85-127 %, und die analysierten Referenzmaterialien lagen innerhalb des zertifizierten Bereichs für Se. Die Arbeit wurde mit einem kommerziellen System durchgeführt, das nur mit einer Deuterium-Untergrundkorrektur ausgestattet war. Sowohl die Peakhöhen- als auch die Peakflächenmessungen lieferten genaue Ergebnisse, wenn Nickelnitrat zur Matrixmodifikation verwendet wurde. Schließlich hat sich die GFAAS als nützlich für die Bestimmung von Cr und Mo in medizinischen Lebensmitteln erwiesen. Sowohl die Nassveraschung als auch die Trockenveraschung erwiesen sich als akzeptabel, und die Nachweisgrenzen lagen bei 0,24 ng mL-1 für Cr und 0,67 ng mL-1 für Mo. Beide Elemente konnten direkt aus dem Regal bestimmt werden, und für keines war die Verwendung eines Matrixmodifikators erforderlich. Optimale Veraschungstemperaturen wurden für Mo und Cr mit 1650 bzw. 1600 °C ermittelt. Die idealen Zerstäubungstemperaturen lagen bei 2400 bzw. 2650 °C, und alle untersuchten Standardreferenzmaterialien lieferten Ergebnisse innerhalb des zertifizierten Konzentrationsbereichs.