anwendung und möglichkeiten der atomabsorptionsspektrophotometrie

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190 Atomabsorptionsphotometrie und Veraschungsverfahren Anwendung und M6glichkeiten der Atomabsorptionsspektrophotometrie I. RI~O~A~DTZ und ]3. WELZ Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. GmbH., ~berlingen Eingegangen am 25. Mai 1968 Application and Possibilities o/ Atomic.Absorption Spectrophotometry. Atomic- absorption spectrophotometry as a method for the quantitative determination of metals and metalloids has found its place in many applications of biochemical analysis. The improvements in instrumentation now allows the determination o f metals in the ppb concentration range. The instrumentation for this purpose is described and some typical applications such as the determination of serum electro- lytes are discussed. Die Atomabsorptionsspektrophotometrie (AAS) nutzt das Ph&nomen der gesonanzabsorption, deren Erseheinungsformen zwar seit den Arbeiten yon FRAUNRO~E~ U. KIRC~IHOFF bekannt sind, deren praktisehe ana- lytische Anwendung jedoeh erst erfolgt, seit WALsg (1955) [32] die instrumentellen Voraussetzungen sehuf. Alle kommerziellen Ger~tte zur AAS besitzen das gleiehe Aufbauprinzip : Eine elementspezifisehe Liehtquelle (ttohlkathodenlampe, Gasent- ladungslampe, Kontinuumstrahler mit Filter oder Monoehromator oder /thnliehes) durehstrahlt einen Raum (Flamme, geheizte Absorptions- ktivette usw.) mit dem absorbierenden Medium, dem Metalldampf. Die um einen konzentrationsproportionalen Anteil verminderte l~esonanz- strahlung wird dutch einen Monochromator yon den fibrigen Linien der Liehtquelle getrennt, dutch einen Detektor erfagt und auf geeignete Weise zur Anzeige gebraeht. An jedes dieser Bauteile werden yon der AAS her bestimmte Anforde- rungen gestellt, die sieh zum Teil mit den Anforderungen an die Gergte ftir die Photometric yon L6sungen deeken, zum Tell aber aueh yon den Spezifikationen der Ger&tebauteile anderer spektroskopiseher Verfahren erheblieh abweiehen. Die optisehen Daten ffir eine Monoehromator- Detektor-Kombination lassen sieh leieht aus den Gegebenheiten der AAS ableiten [13,14]. Das Itauptgewieht der apparativen Welter--

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Atomabsorptionsphotometrie und Veraschungsverfahren

Anwendung und M6glichkeiten der Atomabsorptionsspektrophotometrie

I. RI~O~A~DTZ und ]3. WELZ

Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. GmbH., ~berlingen

Eingegangen am 25. Mai 1968

Application and Possibilities o/ Atomic.Absorption Spectrophotometry. Atomic- absorption spectrophotometry as a method for the quantitative determination of metals and metalloids has found its place in many applications of biochemical analysis. The improvements in instrumentation now allows the determination o f metals in the ppb concentration range. The instrumentation for this purpose is described and some typical applications such as the determination of serum electro- lytes are discussed.

Die Atomabsorptionsspektrophotometrie (AAS) nutzt das Ph&nomen der gesonanzabsorption, deren Erseheinungsformen zwar seit den Arbeiten yon FRAUNRO~E~ U. KIRC~IHOFF bekannt sind, deren praktisehe ana- lytische Anwendung jedoeh erst erfolgt, seit WALsg (1955) [32] die instrumentellen Voraussetzungen sehuf.

Alle kommerziellen Ger~tte zur AAS besitzen das gleiehe Aufbauprinzip : Eine elementspezifisehe Liehtquelle (ttohlkathodenlampe, Gasent- ladungslampe, Kontinuumstrahler mit Filter oder Monoehromator oder /thnliehes) durehstrahlt einen Raum (Flamme, geheizte Absorptions- ktivette usw.) mit dem absorbierenden Medium, dem Metalldampf. Die um einen konzentrationsproportionalen Anteil verminderte l~esonanz- strahlung wird dutch einen Monochromator yon den fibrigen Linien de r Liehtquelle getrennt, dutch einen Detektor erfagt und auf geeignete Weise zur Anzeige gebraeht.

An jedes dieser Bauteile werden yon der AAS her bestimmte Anforde- rungen gestellt, die sieh zum Teil mit den Anforderungen an die Gergte ftir die Photometric yon L6sungen deeken, zum Tell aber aueh yon den Spezifikationen der Ger&tebauteile anderer spektroskopiseher Verfahren erheblieh abweiehen. Die optisehen Daten ffir eine Monoehromator- Detektor-Kombination lassen sieh leieht aus den Gegebenheiten der AAS ableiten [13,14]. Das Itauptgewieht der apparativen Welter--

Anwendungen nnd MSglichkeiten der Atonmbsorptionsspektrophotometrie 191

entwieklung der Methode lag in den letzten Jahren vor allen Dingen bei zwei Baugruppen: bei den elementspezifisehen Liehtquel]en und bei dem Brenner bzw. bei der Vorrichtung, eine mSglichst grol~e Population an Atomdampf zu erzeugen. Ziel der Verbesserungen ist es, die An- wendungsbreite des Analysenvegahrens zu vergrSl~ern und die Nachweis- grenzen ffir mSgliehst viele Elemente zu senken. Im folgenden sollen einige neuere apparative Verbesserungen besehriebe~l werden. Deren Auswirkungen auf ausgew~hlte Beispiele der biochemischen AnMytik werden anschlie~end besprochen.

1. Lampen Genauigkeit und Naehweisgrenze einer Bestimmung hgngen stark vom Signal-zu-Rausch-Verhgltnis und damit yon der Emissionsintensitgt der Lampe ab. Die Einffihrung der sog. HochintensiSgts-I-Iohlka~hoden- lampen yon SVLLIVA?r U. WALS~ [26], bei denen e/he zusgtzliche Ent- ladungsstrecke die Intensitgt der Linienemission erhSht, verbesserte die Nachweisgrenze ffir viele Elemente betrgchtlieh. Die technische Weiter- entwieklung der Standard-I-Iohlkathodenlampen braehte weitere Inten- sitgtssteigerungen, so dab in den meisten Fallen der aufwendige Betrieb der I-Iochintensitgtslamloen in der AAS nicht mehr gereehtfertigt ist. Diese neuentwickel~en, yon der Firma Perkin-Elmer hergestellten und unter der Schutzbezeichnung ,,Intensitron"-Lamioen vertriebenen Typen haben eine Strahlungsintensitgt, die bis zum 20faehen der Intensitgt einer herk6mmlichen Lampe erreiehen kann [21]. Das ist hauptsgchlich eine Folge der sorgfgltigen Formgebung und Abschirmung der Hohlkathode und der Wahl des Kathodenmaterials.

Die Verwendung yon kontinuierlichen Strahlern in der AAS [9,10,18]: konnte sick bislang nicht durchsetzen, da die erreichten Empfindlich- keiten durchweg niedriger lagen als bei der Verwendung yon Linien- strahlern. Erfolgversprechender ist die Anwendung yon elektrodenlosen, durch Mikrowellen angeregten Entladungsr6hren [6], die allerdings noch nicht kommerziell erhgltlich sind. Diese Linienstrahler sind besonders ffir das Gebiet der Atomfluorescenz [8,20,29] geeignet, da hier eine sehr groBe Strahlungsdiehte gefordert wird [7]. Aber auch kontinuierliche Strahler sind bei der Atomfluorescenz im Gegensatz zur AAS mit besserem Erfolg angewendet worden [5, 8,29].

2. Vorriehtung zum Erzeugen des Atomdampfes In den neueren ~]bersichten fiber die AAS [13, 17,33] nehmen die Vor- richtungen zur Erzeugung des Atomdampfes, also die verschiedenen Flammentylaen und die Verfahren, die flammenlos arbeiten, der Bedeu- tung gem~l~ einen breiten Raum ein.

192 I. RII~G~IARDTZ U. B. WELZ:

2.1. Neue Ver/ahren mit ~'lammen

Eine sorgf~ltige Untersuehung yon SLAvI~ [25] ergab, dab laminare Flammen in der AAS den turbulenten Flammen -- bekannt yon der Flammenemission her - - in bezug auf Empfindlichkeit und St5rungs- freiheit eindeutig fiberlegen sind. Toxikologisch interessante Elemente wie Arsen, Selen, Cadmium, deren Resonanzlinien im Gebiet starker Absorption dureh die Luft-Aeetylen- Flamme liegen, kSnnen dureh die Verwendung einer mit Argon vor- gemisehten Wasserstoff-Flamme [31,34] mit hSherer Empfindlichkeit und besseren Naehweisgrenzen best immt werden, wie Tab. 1 zeigt.

Tabelle 1. Nachweisgrenzen und Emp/indlichlceiten yon As, Se und Cd in Lu/t-Acetylen- und Argon-Wassersto//-Flammen [16] (gemessen mit Perlcin.Elmer Atomabsorptions- spelctrophotometer Modell 303)

Element Nachweisgrenze ( t zg /ml ) Empfindlichkeit (ppm/~ Absorption)

Argon- Luft-Aeetylen Argon- Luft-Acetylen Wasserstoff Wasserstoff

Arsen 0,05 0,25 0,21 1,0 Cadmium 0,001 0,005 0,01 0,03 Selen 0,05 0,5 0,27 1,0

Um die Nachweisgrenzen fiir ein gegebenes Element zu verbessern, k6nnen zwei Wege besehritten werden. Entweder man verbessert die Elektronik des Gers so, dab noeh kleinere Untersehiede in der Ab- sorption gemessen werden kSnnen, oder man versueht, die Empfindiich- keit der Analyse zu erh6hen, so dab ffir eine gegebene Konzentrat ion oder eine gegebene Probenmenge eine h6here Absorption erhalten wird. Der erste Weg hat sieher nur begrenzten Weft, denn fiir vMe Bestim- mungen arbeitet man schon an der Rausehgrenze. ~fir den zweiten Weg besteht die MSgliehkeit, die Probe in einem gesehlossenen Raum zu ver- dampfen und so den gesamten Metallanteil zur Messung zu bringen. Diese Kfivettenkonstruktionen sollen im ns Absehnitt fiber flammenlose Verfahren kurz behandelt werden. Eine weitere, reeht einfaehe Teehnik wurde kiirzlieh yon K A ~ eingeffihrt [15] : Man bels ein kleines Sehiff- ehen aus einem hitzebest/~ndigen Material mit der Probe und bringt das Sehiffchen dann direkt in die Flamme. Die Flamme heizt das Sehiffehen ~uf, verdampft das Probemateri~l und li~gt so eine rasehe Messung der Metalldampfkonzentration zu. Dieser Teehnik sind allerdings nur leieht verdampfbare Elemente zug/~nglieh. AuBerdem m/issen fliissige Proben vor dem Einbringen in die Flamme im Sehiffehen eingetroeknet werden. Als Material ffir das Sehiffehen hat sieh dfinnes Tantalbleeh bewi~hrt. Die gesamte Anordnung mit einer geeigneten Justiervorriehtung ist

Anwendung und M6glichkeiten der Atomabsorptionsspektrophotometrie 193

bereits kommerziell erh/~ltlich. (Bodenseewerk Perkin-Elmer &Co., GmbH, Uberlingen.) Tab. 2 zeigt f/Jr einige leieht verdampfbare Elemente die mit Hilfe dieser , ,Boot"-Technik erreiehten Naehweisgrenzen im Ver- gleich zu den Nachweisgrenzen mit einer konventionellen Zerst~uber- Brenner-Kombination.

Tabelle 2. Nachweisgrenzen (in Mikrog~umm/Milliliter), gemessen an Perkin-Elmer Atom- absorptionsspe]ctrophotometer Modell 303 mit Zerstguber und der ,,Boot"-Technik

Element Zerst~uber ,,Boot"- Verbesserung Technik

Arsen 0,1 0,02 5 • Blei 0,03 0,002 15 • Cadmium 0,002 0,0001 20 • Quecksilber 0,5 0,02 25 • Selen 0,1 0,01 10 • Silber 0,005 0,0002 25 • Tellur 0,3 0,01 30 • Thallium 0,025 0,001 25 • Wismut 0,05 0,003 16 • Zink 0,002 0,00005 40 •

Als Anwendungsbeispiel ffir die , ,Boot"-Technik sei hier noch die Be- st immung von Blei in Urin wiedergegeben (vgl. Abb. 1). Je 0,3 ml Urin wurden zur Eichung mit 0,02, 0,04 und 0,06 ~g/ml Blei versetzt, im Tantal-Sehiffchen eingedampft, dann die Absorption in der Flamme gemessen und mit der Absorption des Urins ohne Ble~zusatz verglichen. Aus einer Eiehkurve ergibt sieh dann ffir den so analysierten Urin ehle Bleikonzentration yon 0,03 ~zg/ml. Die Frage, ob sich die Bleibestim- mung in Vollblut ohne vorherige Veraschung durch die , ,Boot"-Teehnik empfindlieher gestalten l~Bt, bedarf noch weiterer Untersuchung. Es sei hier noch erw~hnt, daf~ es dureh die Arbeiten yon V~GHIATTIS [30,31] mSglich geworden ist, feste Proben ohne vorhergehende LSse- operationen mittels AAS zu analysieren. Bei diesem yon der Firma Perkin-Elmer eingeffihrten FestkSrperverbrennungsverfahren wird die pulverisierte Probensubstanz mit einem Verbrennungspulver vermischt, zu einer Tablette geprel]t und diese Tablette dann in einer Halterung im Strahlengang eines Atomabsorptionsspektrophotometers abgebrannt. Vor allen Dingen bei Gesteinsanalysen, bei denen Aufsehlfisse oft zeit- raubend sind, hat sich diese Methode bew~thrt.

2.2 Neue /lammenlose Ver/ahren

Die Empfindlichkeit der AAS-Analyse 1/~Bt sich ffir viele Elemente steigern, wenn nicht , ,dynamiseh" in einer Flamme, sondern ,,statisch" in einer geheizten Kfivette gemessen wird. Meist verwendet man elek-

13 Z. Anal. Chem.= Bd. 243

194 I. RINGI~AlCDTZ U. B. WELZ:

trisch beheizte Graphitrohre, z .B. nach L 'vov [19], oder eine neuere Ausffihrung nach MAss~IAI~ [22]. Interessant ist fiir die biochemische Analytik ein yon BICANDENBEI~GER U. ]3ADEIr [4] entwickeltes Verfahren zur Bestimmung yon Nanogramm- Mengen Queeksilber aus L6sungen durch flammenlose Atomabsorption. Die Autoren seheiden das z. B. in Harn befindliche Quecksilber auf einer Kupferspirale elektrolytisch ab, bringen diese Spir~le dann durch An- legen einer elektrischen Spannung zum Glfihen und leiten den ant- stehenden Queeksilberdampf dutch ein im Strahlengang eines Atom- absorptionsspektrometers befindliches Absorptionsrohr and messen die Absorption bei der Hg-Linie 253,7 nm. Mit dieser Anordnung konnten die Autoren noch 0,2 ng Hg naehweisen.

Urin

+0.06 L g / m [

Urin

+ 0 . 0 4 p . g / m [ ~..~ - - - - -

. . . . . . I - - - - " -::• :u l_zu . l :_ - : - -_ -

Urin : : J : / . I . ,L-- :L - "

�9 O02} . t g /m i ~ . . . . . . . . 0 5 F g f . . . . . . . . . . 0 m[

~ 7 ~ - _ 7 ........ IN H 2 0

-::!(- !i:i:!- :U::

" l k Abb. 1. Bleibestimmung in Urin mit Hilfe der ,,Boot -Techn' und bekannten Zus~Ltzen an Blei. Angewandte Probenmenge jeweils 0,3 inh (Per]tin-Elmer Atom- absorptionsspektrophotometer Model] 303)

3. Ausgewiihlte neuere Anwendungsbeispiele Ftir eine ganze Reihe yon Metallbestimmungen in biologischem Material ist die AAS zur Methode der Wahl geworden. Nach den Arbeiten von Z~TTNEI~ U. S~LIGSON [37] und yon FI~EIEI~ u. Mitarb. [12, 28] zeichnen sich die Ca- und Mg-Bestimmungen in Blutserum mittels AAS durch

Anwendung und M6glichkeiten der Atomabsorptionssloektrophotometrie 195

eine yon keiner a.nderen Bestimmungsmethode erreichte StSrungs- freiheit und Genauigkeit aus. Aueh der Vergleieh einer fluorimetrischen Mg-Bestimmung mit der AAS-Methode dureh GttAY u. PRUDEN [ll] fiel zugunsten letzterer aus. Sehr zahlreiche weitere Anwendungsbeispiele fiir den Bereieh der bio- chemisehen Analytik finden sieh in den sorgf~ltigen Bibliographien yon SLAVIN [24]. Die meisten Bestimmungen der Serumelektrolyte mittels AAS lassen sieh dutch einfachen Vergleich mit wggrigen Standardl6sungen dureh- ffiihren. Ffir die Bestimmung yon Serumzink [23] und Serumkupfer [3,23] werden mit w/LBrigen Eichl6sungen Werte gefunden, deren Genauigkeit den Anforderungen des klinisehen Routinebetriebes geniigt. Nach dem Ans/~uern mit Salzs/~ure und EnteiweiBen mit Triehloressig- s/ture wurde Serumkupfer gegen wgl3rige Kupfersulfatstandards mit einer Standardabweiehung yon ~ 1,7 Bg/100 ml bestimmt [27]. Ebenfalls sehr genau ist die Bestimmung des gesamten Eisens im Veil- Nut, d. h. die Bestimmung des I-I/~moglobins. Da die kgufliehen I-Igmo- globinstandards zum Tell erheblich voneinander abweiehen und oft instabil sind, ist mit der Einftihrung der AAS in die klinisehe Chemie die MSgliehkeit gegeben, die tt/~moglobinbestimmung auf einfaeh herzu- stellende, stabile, w/tBrige Eisenstandards zu beziehen [3, 36]. Wegen des niedrigen Gehal~es an Eisen in Serum oder Plasma gen/igt es bier nieht mehr, mit wggrigen Standards zu eiehen. Um genaue Resultate zu erzielen, muB das Serumeisen entweder naeh Z]~TTN]~R u. Mitarb. [38] mit einem Komplexbildner in ein organisehes LSsungsmittel i~bergef~hrt und so angereiehert werden, oder die Eiehl6sungen miissen in ihrer Viseosit/~t dem 1:1 oder 1:2 verdfinnten Serum angegliehen werden. Naeh Zar~o [35] erh~lt man eine Standardabweiehung yon ~ 2,7 ~zg/ 100 ml Eisen bei der Verwendung von w/tBrigen Eisenstandards, die 3~ eisenfreies Eialbumin enthalten. Eigene Versuehe haben ergeben, dab zur Bereitung der Eiehl6sungen fiir Serumeisenbestimmungen aueh vorteilhaft der Plasmaexpander ,,I-Iaemaeeel" (Behringwerke, Marburg) verwendet werden kann. Die handelsiibliehe 3,5~ LSsung wird mit den en~spreehenden Zuss versehen und dient direkt als Standard. Abb.2 zeigt die so erhaltenen Eiehgeraden fiir die Bestimmung yon Eisen, Kupfer und Zink in Serum. Die Wiedergewinnungsrate und die Standardabweiehungen bei versehiedenen zugesetzten Eisenkonzentra- tionen bei zwei handelsiibliehen Kontrollseren und drei Misehseren sind in Tab. 3 dargestellt. Dureh indirekte Methoden lassen sieh aueh bestimmte Anionen leieht mit Hilfe der AAS bestimmen. Eine Chloridbestimmung in Serum be- sehreibt Ba~TELS [1]. Das Serum wird mit einer abgemessenen Menge

13"

196 I. RI~GHA~DTZ U. B. W~LZ:

0./t"

t s

0.3

/ I

0.2 /

/ 0.1 - - - ~

, ~ .....~.. ...'e'-" ~

Cu 7

' ~ ' ~ . / ' ~ 1

! KONZENTRATION ( lug/ lOOml)-- T- I

50 lOO 150 200

Abb. 2. Eiehgeraden fiir die Direktbestimmung von Fe, Cu und Zn in Serum. (3,50/0 Haemaccel-LSsung) (Perkin-Elmer Atomabsorptionsspektrophotometer Model] 303)

Tabelle 3. Wiedergewinnung yon Eisen in Serum (1.'2 verdiinnt). Eichl6sungen au.~ 3,50/0 Haemaccel-LSsung, Konzentrationen in Mikrogramm/lO0 ml

zugegeben 50 100 150 200

gefunden Moni-trol I 54 10O 148 194 Hyl~nd 49 96 143 191 Mischserum 1 52 102 152 200 Mischserum 2 57 107 154 203 Misehserum 3 51 102 151 200

Mittelwert 52,6 101,3 149,8 198,4

Standard- abweiehung 3,0 4,0 4,3 5,0

SflbernormallSsung versetzt, der Silberchloridniederschlag abzentri- fugiert und im 1Jberstand der Silbergehalt direkt bestimmt. Eine St6rung dureh andere Kationen, wie sie bei der Flammenphotometr ie auftreten kann [2], wurde hier nieht beobaehtet. Bei geeigneter Wahl der Mengenverh~ltnisse kSnnen sogar aus einer Serumverdtinnung Chlorid, Calcium und Magnesium best immt werden.

Anwendungcn und M6glichkeiten der Atomabsorptionsspektrophotometrie 197

Zusammenfassung Die AAS als Methode zu r q u a n t i t a t i v e n B e s t i m m u n g y o n Meta] len u n d H a l b m e t a l l e n h a t sich schon a u f v ie len Geb ie t en der b iochemischen A n a l y t i k ih ren fes ten P la t z e rober t . D u r c h Ve rbes se rungen der I n s t r u - m e n t a t i o n is t es h e u t e m6gl ich, M e t a l l k o n z e n t r a t i o n e n bis he r ab in den p p b - B e r e i c h zu b e s t i m m e n . Die dazu v e r w e n d e t e n Ger~te werden be- schr i eben u n d einige typ i sche Anwendungs f~ l l e , wie die B e s t i m m u n g der Se rume lek t ro ly t e , d i sku t ie r t .

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Dr. I. R:tNGHAI~DTZ Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. GmbH 7770 Uberlingen, Postfach 1120

Die serienm~iBige Bestimmung yon Kupfer und Eisen im Blutserum mit Hilfe der Atomabsorptions-Spektralphotometrie

W. SCHMIDT

Beckman Instruments GmbH, SID-Applikation Mfinchen

Eingegangen am 10. Juni 1968

Routine Determination o/ Copper and Iron in Blood Serum by Means o] Atomic- Absorption Spectrophotometry. A simple method i s described for the rapid analysis of Cu and Fe in serum. After a thorough study Qf mutual interferences in the flame, and the possibilities of their eliminations, it is shown that the determination of copper and iron can be performed without any protein precipitation. As an inter- ference acceptor La-salts have been added to the calibration and sample solutions. During the investigations of the interferences some reaction mechanisms could be elucidated.

1. Einlei tung

Die Haup t sehwie r igke i t bei de r Bes t immung yon Cu und F e im Blur- serum mi t Hilfe der A t o m a b s o r p t i o n bes t eh t in dem geringen Gehal t be ider E lemen te im Serum bei g le iehzei t iger Anwesenhe i t grol~er Mengen NaC1 und org~nischer Substanzen. Aus diesem Grunde finden sich eine ganze Reihe yon Li te r~turh inweisen , die Cu und F e nach vorherJgem Fa l l en des Eiwei2es mi t Triehloressigs/~ure und nach einer E x t r a k t i o n mi t K o m p l e x b i l d n e r n be s t immen (z. B. [4]). Nur wenige VerSffent- l ichungen [1,2] bedienen sieh einer d i rek ten Arbe i t smethode , d. h., einer Unte r suchung des Blu t se rums in der F l a m m e ohne vorher ige A b t r e n n u n g des Eiweil~es. Es sollte nun eine Methode gefunden werden, die es ermSg]ieht, nach ein- facher Verdi innung des Serums mi t Wasse r beide E lemente ohne wei tere Vorbere i tungsa rbe i t en d i rek t vermessen zu kSnnen.