Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Qualitätssicherung und Analytik: Ausgabe 12/2015, 08.12.2015

Von Spuren bis hin zu hohen Konzentrationen

Agrarerzeugnisse sind wertvolle Lieferanten für wichtige Mineralstoffe. Doch sie können auch Gifte enthalten. Ein innovatives Massen- spektrometer ist in der Lage, sowohl Spuren als auch hohe Konzentrationen in einer Analyse zu messen.

Autor: René Chemnitzer, Manager Global Market Development ICP-MS

Bilder: Analytik Jena AG

Agrarerzeugnisse spielen bei der täglichen Aufnahme von Nähr- und Ballaststoffen eine grosse Rolle. Agrarprodukte und daraus hergestellte Lebensmittel enthalten wichtige Mineralstoffe in verschiedenen Konzentrationen, aber auch Elemente, die als giftig für Menschen und/oder Tiere gelten.

Neben den organisch gebundenen Elementen Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff sind mehr als 30 Mineralstoffe für den Metabolismus essenziell. Gemäss ihrer Konzentration in Körperflüssigkeiten und Gewebe, sind diese Elemente klassifiziert in Makroelemente (Calcium, Magnesium, Natrium, Kalium, Phosphor, Schwefel, Eisen, Kupfer, Zink) mit einem Anteil von über 0,01 Prozent und Mikroelemente (Germanium, Bor, Chrom, Zinn, Zink, Fluor, Iod, Kobalt, Silizium, Lithium, Mangan, Kupfer, Molybdän, Nickel, Selen, Vanadium, Eisen) mit weniger als 0,001 Prozent Anteil.

Funktionen von Mineralstoffen.

Die Bedeutung von Mineralstoffen darf nicht unterschätzt werden. Diese spielen beim Körperaufbau, dem Stoffwechsel und anderen Prozessen eine entscheidende Rolle. Calcium beispielsweise ist der Hauptbestandteil von menschlichen Knochen und Zähnen. Es unterstützt die Blutgerinnung und ist für die Übertragung von Signalen im Nervensystem notwendig. Calciummangel kann Osteoporose, Stoffwechselerkrankungen und andere Probleme bei Menschen und Tieren hervorrufen. Magnesium ist wichtig für Wiederkäuer, um Weidetetanie vorzubeugen. Selen gilt als entscheidender Faktor für die Fruchtbarkeit von Kühen. Ein Mangel an Mangan kann bei Tieren Skelettverformungen oder Hemmungen der Kollagenproduktion bei der Wundheilung hervorrufen.

Giftige Elemente.

Neben diesen lebenswichtigen Mineralstoffen gibt es aber auch giftige Elemente, die eine schädliche Wirkung auf Organismen haben. Beispiele dafür sind Beryllium, Antimon, Bismut, Barium, Uran, Aluminium, Thallium, Quecksilber, Cadmium und Blei. Giftige Elemente sammeln sich normalerweise in der Leber, den Nieren und der Bauchspeicheldrüse an. Cadmium beispielsweise führt zu Nierenschäden und Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Blei ist ein hochgiftiges Metall, das fast jedes Organ und System des Körpers angreift und bei Kindern sogar Schädigungen des Gehirns und des Nervensystems auslösen kann. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) stuft Quecksilber als eine der zehn giftigsten Chemikalien ein. Es hat eine toxische Wirkung auf das Nerven-, Verdauungs- und Immunsystem sowie auf Lunge, Nieren, Haut und Augen. Die Aufnahme von Quecksilber erfolgt hauptsächlich durch den Konsum von Fischen und Schalentieren, die mit Methylquecksilber belastet sind.

Auf die Menge kommt es an.

Bei genauerer Betrachtung der Lebensmittelversorgungskette und besonders der Agrarindustrie, zeigt sich deutlich, dass die richtigen Anteile an Makromineralien und Spurenmetallen im Futter dafür sorgen, dass der Tierbestand gedeiht und gesund bleibt. Es ist wichtig, die Zusammensetzung von Elementen in Lebensmitteln und Agrarprodukten genau zu berechnen, um Produktsicherheit und einen angemessenen Nährstoffgehalt zu gewährleisten. Da sich der Konzentrationsbereich dieser Elemente in solchen Proben typischerweise zwischen sub-ppb und hohen ppm (gelöst) bewegt, ist die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ein wichtiges Instrument, um Proben verschiedener Konzentrationen schnell, zuverlässig und routinemässig zu analysieren.

Die beispielhafte Messung einiger Schlüsselelemente in Lebensmitteln und Referenzprodukten aus der Landwirtschaft mittels ICP-MS zeigt, dass sich innerhalb einer einzigen Analyse sowohl Spuren als auch hohe Konzentrationen erfassen lassen.

Experimentelles.

Für die Analyse kam das Massenspektrometer PlasmaQuant MS zum Einsatz. Dessen patentierte Ionenspiegel ReflexION-Ionenoptik garantiert eine optimale Ionentransmission vom Interface zum Massenspektrometer. So lässt sich eine Empfindlichkeit von mehr als 500 Millionen cps pro mg/l Analyt (115 In) erreichen und das Oxidverhältnis (CeO+/Ce+) bleibt dennoch unter zwei Prozent. Die patentierte integrierte Kollisions-Reaktions-Zelle (iCRC) reduziert polyatomare Interferenzen und verbessert so die Nachweisgrenzen bei der Bestimmung von Elementen wie Arsen, Selen, Chrom, Vanadium und Eisen. Das volldigitale Detektionssystem (ADD10) erfasst Ionen über zehn Grössenordnungen linear, was eine Routinemessung von Elementen vom Ultraspurenbereich bis hin zu hohen Konzentrationen in einer einzigen Messung erlaubt. Bei maximalem dynamischen Bereich ist keine analoge Messung nötig.

Bedingungen.

Die Methodenparameter wurden mit der automatischen Optimierungsroutine der ICP-MS-Software angepasst. Diese optimiert die Einstellungen aller iCRC- und Plasma- gasflussraten sowie die Spannungen der Ionenoptik.

Probenvorbereitung.

Die Experten haben alle Proben vorbereitet, indem sie genau 0,5 g in einem Mikrowellengefäss eingewogen haben. Nachdem sie vorsichtig 10 ml Salpetersäure (HNO3) und 1 ml Salzsäure (HCL) hinzufügten, haben sie das Gefäss 25 Minuten erwärmt und weitere 30 Minuten bei 200 °C gehalten. Die Proben kühlten die Profis anschliessend wieder auf Umgebungstemperatur ab und füllten mit Reinstwasser auf 20 ml auf (>18 MΩ.cm).

Probenanalyse.

Am Anfang der Analyse

stand die zehnfache Verdünnung der Probe mit Reinstwasser (>18 MΩ.cm). Experten haben eine interne Standardlösung mit 20 μg/l Scandium, Yttrium, Rhodium, Terbium und Lutetium vorbereitet und über ein Y-Stück in die Probenzuführung geleitet. Die Isotope liessen sich innerhalb einer Methode sowohl ohne iCRC, als auch im iCRC Modus analysieren. Bei Betrieb im iCRC-Modus fügten die Fachleute Wasserstoff oder Helium über den Skimmer-Konus zu, um alle polyatomaren Interferenzen abzutrennen. Wasserstoff kam für die Elemente Calcium, Eisen und Selen, sowie Helium für Vanadium, Chrom, Kupfer, Nickel und Arsen zur Verwendung. Alle übrigen Elemente wurden ohne Verwendung der iCRC analysiert.

Kalibrierung.

Kalibrierstandards haben die Fachleute aus hochreinen Multielementlösungen und der für die Proben passenden Säurematrix angefertigt.

Resultat.

Für die Analyse kam eine breite Palette an Lebensmitteln und Referenzprodukten aus der Landwirtschaft, darunter Teeblätter, Kaffee, Milchpulver, Brot, Bohnen und Lehm sowie «laborinterne» Kalk-, Heu- und Tierfutterproben zur Verwendung. Die gemessenen Konzentrationen von jeder der Proben lagen innerhalb des zertifizierten Bereichs oder bei ±zehn Prozent des zertifizierten Werts, was die Aussagekraft dieser Methode bestätigt. Tatsächlich lag die Mehrheit der Ergebnisse sogar innerhalb von ±fünf Prozent des zertifizierten Werts. Die «interpolierte» Korrektur mittels des internen Standards wählten die Spezialisten als Korrekturmethode aus, um bei Matrix- und langfristigen Drifteffekten die Kalibrierung und Messung der Probenlösung automatisch anzupassen.

Für die Praxis bereit.

Das PlasmaQuant MS mit iCRC-Technologie und volldigitalem Detektionssystem bietet eine einfache und effektive Lösung für die direkte Bestimmung von Elementen bei der Probenanalyse von Lebensmitteln und Agrarerzeugnissen. Werte im Spurenbereich, bis hin zu höheren Konzentrationen, lassen sich in einer einzigen routinemässigen und zuverlässigen Analyse nachweisen. Diese Methode erlaubt einen hohen Durchsatz, was sich im Routinebetrieb für verschiedene Probenarten zeigte. Dieser wird durch einen schnellen Wechsel zwischen iCRC- und nicht-iCRC-Modus und das innovative Detektionssystem erreicht, das schnelle, genaue und präzise Messungen von Elementkonzentrationen in einem Bereich von sub-ppb bis zu hohen ppm gestattet.



Weitere Informationen:
Analytik Jena AG
www.analytik-jena.com