Reinstwasser zur Bewertung toxischer Elemente in Umweltanalysen

Anastasia Khvataeva-Domanov¹, Juhani Virkanen², Glenn Woods³, Pratiksha Rashid⁴, Stephane Mabic¹

¹Lab Water Solutions, Merck, Guyancourt, France, ²University of Helsinki, Helsinki, Finland, ³Agilent Technologies Ltd., Stockport, UK, ⁴Lab Water Solutions, Merck, Feltham, UK

Erfahren Sie mehr über:

• Anforderungen an die Wasserqualität für die Analyse toxischer Elemente
• Optimale Wasserqualität für ICP-OES- und ICP-MS-Analysen
• Eignung von Milli-Q^®-Reinstwasser für Elementanalysen
• ICP-MS-Versuchsbedingungen
• Zuverlässigkeit von Milli-Q^®-Reinstwasser für Elementanalysen
• Zugehörige Produkte

Anforderungen an die Wasserqualität für die Analyse toxischer Elemente

Die Qualität des Reagenzienwassers, das zur Detektion toxischer Elemente in Umweltanalysen verwendet wird, ist für die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Ergebnisse entscheidend. In dieser Studie wird die Eignung von frisch aufbereitetem Reinstwasser, das mit Milli-Q^®-Wasseraufbereitungssystemen hergestellt wurde, für ICP-OES- und ICP-MS-Spurenelementanalysen in Umweltlaboren aufgezeigt.

Die drastische Erhöhung der Empfindlichkeit von Analyseinstrumenten in den letzten Jahrzehnten hat unser Verständnis in Bezug auf Umweltverschmutzung und die gefährlichen Auswirkungen von Metallen wie Be, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, Ba, Hg, Tl und Pb verändert. Dies hat zu einer Reihe von Verordnungen und Richtlinien geführt, in denen die maximal akzeptablen oder empfohlenen Konzentrationen toxischer Metalle in Trinkwasser¹, Meerwasser² und Abwasser³ festgelegt sind. Die von den Behörden aufgestellten Anforderungen haben zu einem wachsenden Bedarf an Überwachung toxischer Metalle in Umweltlaboren geführt, in denen die Spektrometrie als Standardinstrument für die Bestimmung von Spurenelementen empfohlen wird.^4,5 Die vorherrschende Rolle von ICP-MS und ICP-OES beim Nachweis von Spuren toxischer Metallelemente in Umweltanalysen von Wasser und Boden hat zu höheren Qualitätsanforderungen an das Reinstwasser geführt, welches das am häufigsten verwendete Reagenz in ICP-MS- und ICP-OES-Analysen ist. Reinstwasser wird insbesondere als Reagenzienblindprobe für die Proben- und Standardvorbereitung sowie für die Reinigung von Geräten und Probenbehältern eingesetzt (Abbildung 1). Aus diesem Grund muss das Reinstwasser frei von Metallen sein, damit Analysegeräte vor Verunreinigungen geschützt und Interferenzen mit den analysierten Elementen vermieden werden und damit die Richtigkeit und Präzision der Messungen gewährleistet ist.

Abbildung 1. Verschiedene Arten der Verwendung von Reinstwasser in ICP-MS- und ICP-OES-Analysen

Optimale Wasserqualität für ICP-OES- und ICP-MS-Analysen

Qualitativ hochwertiges Reinstwasser ist erforderlich, damit die Vorteile hochpräziser ICP-OES- und ICP-MS-Instrumente vollständig ausgeschöpft werden können. Jegliche Kontamination durch Laborreagenzien erhöht die Hintergrund-Äquivalenzkonzentration (BEC) und die Nachweisgrenze (NWG), woraus eine verringerte Verfahrensleistung resultiert. Daher wird die Eignung des Reagenzienwassers, das in allen Schritten der ICP-MS- oder ICP-OES-Analyse verwendet wird, durch die allgemeine Regel definiert, dass das gemessene Element in der Blindprobe nicht nachweisbar sein soll. Falls es nachgewiesen wird, soll der BEC-Wert im Verhältnis zum gewünschten Analysebereich vernachlässigbar sein. In Umweltanalysen werden Elemente in Wasserproben in der Regel in einem Analysebereich von μg/l (ppb)⁶ und in Bodenproben im Bereich von mg/l (ppm) analysiert.⁷ Um den Erfolg von Versuchen im ppb-ppm-Bereich sicherzustellen, ist es wünschenswert, dass die BEC-Werte der Zielelemente den ppt- oder Sub-ppt-Bereich nicht überschreiten. Da die Nachweisgrenze (NWG) für bestimmte Analysen gesondert festgelegt ist,¹ ist neben einem vernachlässigbaren Verunreinigungsgrad die Verwendung von Reinstwasser in gleichbleibender Qualität von entscheidender Bedeutung.

Eignung von Milli-Q^®-Reinstwasser für Elementanalysen

Um die Eignung des für ICP-MS- und ICP-OES-Umweltanalysen erforderlichen Reagenzienwassers zu bewerten, haben wir das Vorhandensein toxischer Elemente in frisch hergestelltem Reinstwasser aus einem Milli-Q^®-Wasseraufbereitungssystem gemessen. In Tabelle 1 werden der resultierende BEC-Wert des Reinstwassers sowie die Nachweisgrenzen in ng/l dargestellt. Die Ergebnisse machen deutlich, dass bei Verwendung von Milli-Q^®-Reinstwasser die BEC-Werte für die Mehrzahl der analysierten Elemente im Sub-ppt- oder niedrigen ppt-Bereich liegen (die Versuche werden unter normalen Laborbedingungen durchgeführt, nicht im Reinraum). Falls es erforderlich ist, deutlich niedrigere Elementkonzentrationen zu erzielen, ist es sinnvoll, Analysen in einem Reinraum oder in einer metallfreien Laborumgebung⁸ durchzuführen und einen zusätzlichen Aufbereitungsschritt durchzuführen. Dazu eignet sich zum Beispiel die Milli-Q^® IQ Element-Aufbereitungseinheit, mit der es möglich ist, die BEC-Werte in den Sub-ppt- und ppq-Bereich zu bringen.⁹
 

ICP-MS-Versuchsbedingungen

Leitungswasser wurde in zwei Schritten aufbereitet, um Reinstwasser zu erhalten: 

1. Reinwasser wurde aus Leitungswasser durch die Kombination aus intelligenter Umkehrosmose, Elix^®-Elektroentionisierung (EDI) und einer bakteriziden UV-Lampe aufbereitet, wobei ein Milli-Q^®-System eingesetzt wurde, das dem Milli-Q^® IX-Reinwassersystem entsprach. 
2. Reinstwasser wurde durch weitere Aufbereitung des vorgenannten Reinwassers mit einem Milli-Q^®-Aufbereitungssystem gewonnen, das dem Milli-Q^® IQ 7000-Reinstwassersystem entsprach. Es wurde ein Millipak^®-Endfilter verwendet. Bitte beachten Sie, dass für die Hg-Analyse Reinstwasser aus dem Milli-Q^® Direct-System verwendet wurde, in dem kein Elix^®-EDI-Modul enthalten ist.

Die Reinstwasserproben wurden mit einem Agilent^® 7700s ICP-MS-Gerät auf Be, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, Ba, Tl und Pb sowie mit einem Agilent^® 7500s ICP-MS-Gerät auf Zn und Hg untersucht. Alle Versuche wurden unter normalen Laborbedingungen (nicht im Reinraum) durchgeführt.

Gerätedetails und Parameter für das Agilent^® 7700s: PFA (Perfluoralkoxy)-50-Zerstäuber, PFA-Sprühkammer, inerte Saphirfackel, Quarzinjektor mit 2,5 mm Fackel-Innendurchmesser, Platinproben- und Skimmerkonus, RF-Leistung 600 / 1600 W, Probenaufgabeposition 12 / 8 mm, Trägergasfluss 0,90 l/min, Makeup-Gasfluss 0,32 / 0,51 l/min, automatischer Detektormodus, Kalibrierung über 1, 5, 10, 50 ng/L. 

Gerätedetails und Parameter für das Agilent^® 7500s: Quarzzerstäuber, Quarzsprühkammer, Quarzinjektor mit 2,5 mm Fackel-Innendurchmesser, Nickelproben- und Skimmerkonus, RF-Leistung 1300/1550 W, Probenaufgabeposition 8 mm, Trägergasfluss 0,96 l/min, Makeup-Gasfluss 0,23 l/min, automatischer Detektormodus, Kalibrierung über 1, 20, 50, 100 ng/l.

Alle PFA-Behälter wurden mit Reinstwasser vorgereinigt. Alle Reinstwasserproben (Widerstand von 18,2 MΩ cm und TOC unter 5 ppb) aus den Milli-Q^®-Wasseraufbereitungssystemen wurden unmittelbar nach der Wasserentnahme analysiert.

Zuverlässigkeit von Milli-Q^®-Reinstwasser für Elementanalysen

Es wurde die Relevanz der Qualität von Reagenzienwasser für die Analyse toxischer Elemente in Umweltproben erörtert, und es wurde gezeigt, wie niedrig der Elementgehalt in Reinstwasser ist, das mit einem Milli-Q^®-Wasseraufbereitungssystem hergestellt wird. Labore, die Spurenelementanalysen durchführen, können sich auf die Milli-Q^®-Reinstwasseraufbereitungssysteme verlassen, damit ihren strengen Anforderungen an Wasser mit höchstem Reinheitsgrad für empfindliche Anwendungen entsprochen wird. Die Verwendung von im Milli-Q^®-Reinstwassersystem hergestellten Reinstwasser für die Spurenelementanalyse unterstützt die Erzeugung genauer und qualitativ hochwertiger Daten.

Für Wissenschaftlern, die Elementanalysen durchführen müssen, gibt es eine Reihe an Wasseraufbereitungslösungen, die auf deren Bedürfnisse angepasst sind. 

Literatur

1. Official Journal of the European Communities, Council Directive 98/83/EC of 3 November 1998. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1998:330:0032:0054:EN:PDF

2. Khaled A, Abdel-Halim A, El-Sherif Z, Mohamed LA. 2017. Health Risk Assessment of Some Heavy Metals in Water and Sediment at Marsa-Matrouh, Mediterranean Sea, Egypt. JEP. 08(01):74-97. https://doi.org/10.4236/jep.2017.81007

3. European Union Urban Waste Water Treatment Directive, Council Directive 91/271/EEC. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CONSLEG:1991L0271:20081211:EN:PDF

4. World Health Organization, Guidelines for drinking-water quality, fourth edition, (2011), Chapter 8 Chemical Aspects, p 170. https://www.who.int/publications/i/item/9789241549950

5. IS 3025 (Part 04): Method of Sampling and Test (Physical and Chemical) for Water and Wastewater, Part 04: Colour (First Revision). https://archive.org/details/gov.law.is.3025.04.1983/page/n1/mode/2up

6. Su S, Chen B, He M, Hu B. 2014. Graphene oxide-silica composite coating hollow fiber solid phase microextraction online coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry for the determination of trace heavy metals in environmental water samples. Talanta. 123:1-9. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2014.01.061

7. Roje V. 2010. A fast method for multi-metal determination in soil samples by high-resolution inductively-coupled plasma-mass spectrometry (HR–ICP–MS). Chemical Speciation & Bioavailability. 22(2):135-139. https://doi.org/10.3184/095422910x12702277277554

8. Rodushkin I, Engström E, Baxter DC. 2010. Sources of contamination and remedial strategies in the multi-elemental trace analysis laboratory. Anal Bioanal Chem. 396(1):365-377. https://doi.org/10.1007/s00216-009-3087-z

9. Ultrapure water tailored for trace elemental analyses.. https://www.sigmaaldrich.com/deepweb/assets/sigmaaldrich/product/documents/129/044/milliq-iq-element-datasheet-ds4314en-ms.pdf