Projekt 04315/01

Entwicklung elektrochemischer Detektoren mit Mikroelektroden für die Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Projektdurchführung

Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e. V.
Fabrikstr. 69
04736 Meinsberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für die voltammetrische Analytik haben Mikroelektroden gegenüber den bekannten makrodimensionierten Arbeitselektroden entscheidende Vorteile. Hervorzuheben sind die geringeren kapazitiven Effekte, das verbesserte Signal/Rausch-Verhältnis, die schnellere Einstellung der elektrochemischen Gleichgewichte und der verminderte iR-Einfluss auf das Elektrodenpotential. Aus diesen Gründen können Mikroelektroden zur Verbesserung der voltammetrischen bzw. amperometrischen Spurenbestimmung von Elementen und Verbindungen beitragen. Es wurde das Ziel verfolgt, die Nutzbarkeit von Mikroelektroden verschiedener Herstellung als voltammetrische Arbeitselektroden für stationäre Messungen und für den Durchfluss in flüssigkeitschromatographische Detektoren zu überprüfen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurde das voltammetrische Verhalten ausgewählter Analyte vergleichsweise an makro- und mikro-dimensionierten Arbeitselektroden untersucht, wofür in der Anfangsphase der Projektbearbeitung nur die vom KSI Meinsberg manuell gefertigten Einzel- und Array-Mikroelektroden aus Platin, Gold und Graphit zur Verfügung standen (12 Monate). Für weitere Untersuchungen kamen unterschiedlich konstruierte Mikroelektroden höherer Präzision vom CSIRO Melbourne, vom IPHT Jena sowie von den Firmen Ecossensors und Metrohm zum Einsatz (9 Monate). Die Eigenschaften und das Verhalten der Mikroelektroden wurde durch cyclovoltammetrische, chronoamperometrische und DP-voltammetrische Messungen charakterisiert. Außerdem mußte die mechanische und chemische Stabilität der Elektroden, v. a. auch gegenüber organischen Lösungsmitteln überprüft werden (7 Monate). Die leistungsfähigsten Elektroden kamen dann für die voltammetrische Spurenanalyse von Tl, Cd, und Pb sowie für die amperometrische Detektion von Benzo(a)pyren und den Hydroxy-Metaboliten nach HPLC-Trennung zum Einsatz (8 Monate).


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Charakterisierung der Mikroelektroden hinsichtlich ihrer Verwendung als Arbeitselektroden für amperometrische HPLC-Detektoren zeigte sich, dass die lithographisch hergestellten Mikroarrays vom IPHT sowie die Arrayelektroden der Fa. Ecossensors für Messungen in methanolhaltigen Lösungen oder in anderen organischen Lösungsgemischen wenig geeignet sind. Auch im Falle der Au- und Pt -Array-Elektroden vom KSI war das zum Einbetten verwendete Epoxydharz gegenüber Methanol/Wasser-Gemischen kaum beständig. Die Quellung des Materials führte bei allen Messungen zur allmählichen Abnahme der Messsignale. Die Reinigung der Oberflächen der Mikroelektroden vom KSI durch Polieren erbrachte keine Verbesserung bezüglich der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Auch mit den in Glas eingeschmolzenen Mikroelektroden vom KSI verschlechterte sich die Signalgebung bei der Bearbeitung ihrer Oberflächen.
Nach Charakterisierung der einzelnen Elektroden wurde die disposable Array-Elektrode, die RAMTM- und die Ultratrace-Elektrode der Fa. Metrohm zur Ultraspurenanalyse von Tl, Pb, und Cd durch anodische Stripping-Voltammetrie (ASV) eingesetzt. Es konnte ein in-situ-Verfahren entwickelt werden, bei dem die Metalle nach Zugabe von Hg2+-Ionen zur Probelösung als Amalgame an der Array-Elektrodenoberfläche angereichert werden. Die Nachweis- und Bestimmungsgrenzen liegen je nach Analyt an allen dafür eingesetzten Elektroden im Bereich von 0.49-3.61 ppb; die Standardabweichung beträgt 1.6-6.9 %. Vorteilhaft ist es, daß Mikroelektroden sehr empfindliche ASV-Bestimmungen auch in ruhenden Probelösungen ermöglichen und daß dafür nur sehr geringe Mengen an Hg-Salzen erforderlich sind.
Mit der RAMTM-Elektrode und der Ultratrace-Elektrode konnte weiterhin eine hochempfindliche Bestimmung von Ni als Nickeldimethylglyoximkomplex durch Adsorptions-Stripping-Voltammetrie (AdSV) entwickelt werden; die Bestimmungsgrenzen liegen zwischen 300 und 760 ppt Ni.
Die RAMTM- und Ultratrace-Elektrode wurden schließlich auch für die amperometrische Detektion von Benzo(a)pyren und 7 seiner Hydroxy-Metabolite nach HPLC-Trennung eingesetzt. An beiden Elektro-den stellte sich schon bei der Registrierung des Grundstromes das elektrochemische Gleichgewicht schneller ein (Verkürzung der Einlaufzeit der Detektorzelle) als an den Glassy-Carbon-Makroelektroden der kommerziellen Detektorzellen. Bei der ausgewählten Detektonsspannung von +1350 mV können die einzelnen Verbindungen mit Nachweisgrenzen bestimmt werden, die im Bereich von 2-5.5 ng/ml liegen. Der besondere Vorteil der Ultratrace-Elektrode liegt vor allem darin, dass aufgrund der sehr kurzen Einlaufzeiten bei amperometrischer Detektion auch die Gradientenelution genutzt werden kann, was mit den Glassy-Carbon-Makroelektroden der kommerziellen Detektoren bisher nicht möglich war.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· H.-P. Nirmaier;
Charakterisierung und Einsatz verschiedener Mikroelektrodensysteme in der elektrochemischen Spurenanalytik, Dissertation, Universität Kaiserslautern 1997
· H.-P. Nirmaier, G. Henze;Characteristic behavior of macro-, semimicro- and microelectrodes in voltammetric and chronoamperometric measurements, Electroanalysis, 9, (1997), 619:
· E. Fischer, H.-P. Nirmaier, G. Henze;The use of ultratrace and glassy carbon electrodes for the amperometric detection of benzo(a)pyrene and its hydroxylated metabolites after hplc separation, Electroanalysis (im Druck)
· H.-P. Nirmaier, M. Lauer, G. Henze; :Stripping voltammetry at carbon electrodes with different surface topography: A comparative study, Electroanalysis (in Bearbeitung)
Vorträge: 12.11.1996 bei der Metrohm AG Herisau/Schweiz, 15.07.1997 am Heyrovský-Institut Prag/Tschechien, 9.10.1997 Arbeitsseminar Mikroelemente für die Umweltanalytik am IPHT Jena, 30.07.1997 an der Universität Basel, 24.10.1997 GDCh-Kolloquium an der TU Clausthal.


Fazit

Neben den Vorteilen wurde erkannt, daß die breite Anwendung von Mikroelektroden für die elektrochemische Spurenanalytik durch verschiedene praktische Probleme z. Z. eingeschränkt ist. Allgemeine Schwierigkeiten bereitet schon allein die Herstellung der Elektroden; keinesfalls kann, wie im KSI, die Herstellung manuell erfolgen. Problematisch ist auch die Ausbildung von Streukapazitäten, sowie die elektrochemische bzw. mechanische Vor- und Zwischenbehandlung der Elektrodenoberflächen.
Die modernen Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung, sowie die Entwicklung neuartiger Träger- und Verbundmaterialien könnten in Zukunft jedoch die Möglichkeiten zur Anfertigung von universell einsetzbaren Mikroelektroden erweitern.