DE2605560C3

DE2605560C3 - Aufschlußverfahren für Biomaterialien

Info

Publication number: DE2605560C3
Application number: DE2605560A
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Chem. Dr. 8500 Nuernberg Iwantscheff; Egmont 8520 Erlangen Scheubeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1976-02-12
Publication date: 1979-08-30
Also published as: DE2605560B2; AT352084B; US4094640A; ATA930876A; BE851348A; NL7613327A; JPS5299881A; FR2341140B1; GB1533691A; CH600323A5; DE2605560A1; IT1085206B; FR2341140A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Aufschlußverfahren für Biomaterialien, insbesondere Fleisch, durch Vortrocknen und anschließendes Verbrennen in Sauerstoff unter Druck.

Die Bestimmung von Metallspuren in organischen Materialien, insbesondere in Lebensmitteln, gewinnt zunehmende Bedeutung. Als ein schnelles Verfahren für die Vielelementanalyse bietet sich die Röntgen-Fluoreszenz-Analyse (RFA) an. Die Empfindlichkeit dieser Analysenmethode entspricht jedoch ohne vorangehende Anreicherung der Metallspuren nicht in allen Fällen den neueren Anforderungen der Lebensmittelüberwachung. Außerdem muß die zu untersuchende Probe in einer der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse gerechten Form vorliegen. Aus diesen Gründen ist ein Schnellverfahren für die Anreicherung von Metallspuren und eine analysengerechte Probendarbietung die Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Einsatz der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse bei der Untersuchung einer großen Zahl von Lebensmittelproben.

Die bekannten chemischen Analysen- und Präparationstechniken erfordern für den Aufschluß der nötigen Probenmengen einen größeren Zeitaufwand und sie sind für die quantitative Anreicherung der Metallspuren nicht sicher genug. So erfordern z. B. Naßaufschlußverfahren mit oxidierenden Agenzien mehrere Stunden für den Aufschluß von 20 g Fleisch, und die anfallenden Probenlösungen sind mit viel Fremdsalzen und deren Beimengungen belastet.

Es ist bekannt, biologische Materialien mit aktiviertem Sauerstoff nach dem Mikrowellenverfahren aufzuschließen, siehe CE. Gleit und W.D. Holland, AnaLChem. 34 (1962) 1454, in reinem strömenden Sauerstoff, siehe z.B. B. Morsches, G. Tölg, Z. anal. Chem. 21 (1966), 61, oder in reinem Sauerstoff w> unter erhöhtem Druck, siehe z. B. M. B e r t h e 1 ο t, Ann. Chim. Phys. 26 (1892), 555. Gemäß der »Dry Oxidation« (T. T. Gor such, The Destruction of Organic Matter, Pergamon Press, New York, 1970, Seite 28—30), wird die Feuchtigkeit aus der Probe entfernt, »"> und es werden die verdampfbaren Stoffe ausgetrieben. Bisher wurden nur Mengen bis etwa 1 g eingesetzt. Der quantitative Aufschluß von Fleisch in reinem Sauerstoff unter erhöhtem Druck setzt eine geeignete Zerkleinerung und Trocknung voraus. Die bisher eingesetzten Trocknungsverfahren in offenen Systemen beinhalten die Gefahr von Metall Verlusten durch Verflüchtigung. Bei Trocknung in einem abgeschlossenen System muß das verdampfte Wasser von der Probe z. B. durch Kondensation abgetrennt werden. Ungenügende Probenzerkleinerung und zu hohe Restfeuchte der Probe bewirken einen unvollständigen Aufschluß, während ein feinverteiltes, sehr trockenes Material zu einer Explosion führen kann. Zur Anreicherung von Metallspuren sind aus der Literatur Verfahren bekannt, siehe z. B. R. Püschel, Talanta 16 (1969), 351, die Mengen bis herab zu einigen μg erfassen. Alle diese Verfahren sind jedoch für die Erfassung von Metallspuren in Lebensmitteln entweder in der erforderlichen kurzen Analysenzeit oder mit der gewünschten Empfindlichkeit nicht unmittelbar anwendbar. Ohne eine entsprechende Probenvorbereitung sind Spuren metallischer Gifte in Biomaterialien in der durch Gesetze vorgeschriebenen Größenordnung (Hg 0,000 002%, Cd 0,000 008%, Pb 0,000 002% und AS 0,000 005%) ζ. B. mit der RFA nicht erfaßbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Aufschließen von Biomaterialien anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, organische Substanzen, insbesondere Fleisch, in einer Menge von ca. 20 g in einfacher Weise unter gleichzeitiger Anreicherung der Matrix und ohne Einsatz von Fremdsäuren oder Alkalien in weniger als 30 Minuten aufzuschließen. Aus der dabei gewonnenen Lösung sollen sich Fällungen für die Röntgen-Fluoreszenz-Analyse erzielen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine feuchte Probe des Biomaterials in einem geschlossenen Druckgefäß bis zu einer Restfeuchte von 5—10% vorgetrocknet und es wird die Verbrennung des vorgetrockneten Biomaterials in Gegenwart des entstandenen Wasserdampfes, der gegebenenfalls weitgehend an einer auf etwa 10° C gekühlten Wandung des Druckgefäßes kondensiert ist, in dem geschlossenen Gefäß vorgenommen. Hierbei fällt keine aufzuschließende Asche an, sondern nur gasförmige und flüssige Produkte, letztere bestehend aus dem Kondensat der Trocknung und der Verbrennung. In diesem Kondensat finden sich alle gesuchten Spuren — quasi gelöst im eigenen Saft — quantitativ vor.

Besonders gute Werte konnten bei einem Einsatz von 20 bis 30 g des Biomaterials mit einem Wassergehalt von 70 bis 90% erreicht werden. Vorgetrocknet wird meist insbesondere bei Fleisch bei 20 mbar und 110° C. Die Verbrennung ist besonders günstig bei einem Sauerstoffdruck von 30 bis 40 bar.

In weniger als 30 Minuten kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine 20 g Probe des Biomaterials mit einem Wassergehalt von 80% in einem geschlossenen Druckgefäß bei einem Druck von etwa 20 mbar auf 5 bis 10% Restfeuchte vorgetrocknet und anschließend in Sauerstoff bei 30 bis 40 bar verbrannt werden.

Als besonders geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich ein kugelförmiges Aufschlußgefäß nach Art einer kalorimetrischen Bombe nach B e r t h e 1 ο t mit einer Außenkühlung erwiesen. Vorzugsweise wird der bei der Trocknung des Biomaterials entstehende Wasserdampf weitgehend an der auf etwa 10° C gekühlten Wandung des verschlossenen Druckgefäßes kondensiert. Die Verbrennung

erfolgt vorzugsweise durch eine Zündvorrichtung. Die Metallspuren sind aus der Aufschlußlösung ohne Zusatz von Chemikalien erfaßbar. Sie können auch in einem speziellen Fällungs- und Filtrationsgerät durch einen Komplexbildner ausgefällt werden. Der Niederschlag kann durch Filtration auf einem Membranfilter in analysengerechter Form dargeboten ν'erden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in kurzer Zeit — in weniger als 30 Minuten — ohne sonstige Zusätze — Biomaterialien, insbesondere Fleisch, aulgeschlossen werden. Aus der erhaltenen Lösung, in der die gesuchten Metalle vorliegen, können Spurenmetalle nach geeigneter Anreicherung mit der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse erfaßt werden. Die Blindwerte sind verständlicherweise hierbei sehr niedrig·

Ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignetes geschlossenes Gefäß steht vorzugsweise senkrecht Das Aufschlußgefäß kann aus Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl bestehen und besitzt eine Kühleinrichtung für die Außenoberfläche. Die Trocknung der Probe erfolgt in dem Aufschlußgefäß z. B. durch Hochfrequenz-Induktionsheizung, vornehmlich durch Widerstandsheizung. Der Heizdraht ist in Quarz eingeschmolzen. Die Form des Heizkörpers ist der Grundflächenform des Probengefäßes angeglichen.

Die Zündung zur Verbrennung des Probenmaterials erfolgt entweder durch einen Glühdraht aus Platin oder mit Hilfe eines Hochspannungsfunkens.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Probe von 20 bis 30 g des zu untersuchenden Biomaterials mit ca. 80% Feuchtigkeit, gegebenenfalls zur Homogenisierung zerkleinert werden. Die zerkleinerte Probe wird in einem Probenaufnahmegefäß aus Quarz in ein mit einem abnehmbaren Deckel versehenes Aufschlußgefäß mit Außenkühlung gebracht und in dem verschlossenen Gefäß unter Erwärmen getrocknet Während des Trocknens kann die Wandung gekühlt werden. Dann wird mit reinem Sauerstoff bis auf 40 bar gefüllt und anschließend verbrannt Nach Abkühlen können aus der entnommenen Aufschlußlösung die Spurenelemente, Gifte u. dgl. analytisch erfaßt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Spuren metallischer Gifte wie insbesondere Quecksilber, Cadmium, Blei und Arsen in Biomaterialien in der Größenordnung von 10~⁴ bis 10~⁶ % ermittelt werden. Es ist auch geeignet zur Erfassung anderer Elemente nach bekannten analytischen Verfahren wie Atomabsorptionsspektralphotometrie, Colorimetrie, Polarographie.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur und der Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt den schematischen Längsschnitt eines Aufschlußgefäßes für Biomaterial, insbesondere Fleisch.

Das Aufschlußgefäß 20 ist mit einem Schnellverschlußdeckel 1 versehen. Im Unterteil oind je eine druckfeste elektrisch isolierte Durchführung für die Trocknungseinrichtung 2 und die Zündvorrichtung 3, ein Sicherheitsventil 4, ein Manometer 5, zwei Gasdurchführungen 6 und 7 mit Reduzierventilen für den Sauerstoffeinlaß und -auslaß und eine elektrisch isolierte Durchführung 8 für ein Thermoelement 9 untergebracht. Das Aufschlußgefäß wird mittels einer Kühlschlange oder eines Kühlmantels 10 gekühlt. Mit 11 ist eine Zünddraht bezeichnet. Das mittels einer Halterung 12 auf der Heizung 13 ruhende Probeaufnahmegefäß aus Quarz ist mit 14 bezeichnet Das Biomaterial 15 ist mit einem Filtrierpapier 16 abgedeckt. Die sich nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Boden des Aufschlußgefäßes ansammelnde Lösung ist mit 17 bezeichnet 18 und 19 sind zwei elektrische Massepunkte für Heizung und Glühdraht.

Beispiel 1

ίο 20 g einer zerkleinerten Fleischprobe werden im Probenaufnahmegefäß aus Quarz mit Filtrierpapier abgedeckt und in die Halterung des Druckaufschlußgerätes gestellt Das Gerät wird verschlossen, auf etwa 20 mbar evakuiert und die Probe mittels der Heizplatte bei 110° C getrocknet Anschließend füllt man mit Sausrstoff bis zu einem Druck von 35 bis 40 bar und betätigt die Zündung. Nach kurzem Druckanstieg stellt sich nach wenigen Minuten wieder ein Druck von 40 bis 50 bar ein. Dann läßt man über das Gasauslaßventil den Überdruck ab und öffnet das Gerät durch Entfernen des gesamten Deckels. Die Aufschlußlösung wird mit einer Schlauchpumpe oder einer Kolben-Dosiereinrichtung aufgesaugt oder über ein Ventil am Boden abgelassen. Anschließend spült man mit etwas dest Wasser, bringt die gesammelte Aufschlußlösung mit der Spülflüssigkeit in einen 50 ml Meßkolben und füllt mit Wasser bis zur Marke 50 auf. Bei Serienanalysen liegt der Zeitbedarf für den Probenaufschluß etwa bei 10 bis 15 Minuten, wenn zwei Aufschlußgeräte taktweise eingesetzt werden. Aus der Aufschlußlösung können die Spurenelemente Cadmium, Quecksilber, Arsen und Blei leicht nachgewiesen werden.

Beispiel 2

J5 30 g grob zerkleinerte frische Karotten werden im Probenaufnahmegefäß mit Filtrierpapier bedeckt und in das Aufschlußgerät gebracht Das Gerät wird verschlossen und auf etwa 20 mbar evakuiert. Anschließend wird die Karottenprobe etwa 10 min. lang getrocknet Durch eine Begrenzung der maximalen Stromstärke für die Widerstandsheizung kann die Temperatur am Probengefäß HO⁰C nicht übersteigen. Die Wandung des Aufschlußgerätes wird während des gesamten Aufschlußvorganges auf etwa 10⁰C gekühlt. Nach der Trocknung wird die organische Matrix in Sauerstoff unter einem Druck von etwa 40 bar verbrannt. Aus dem Wasserdampf von der Trocknung des Biomaterials und den Verbrennungsprodukten der organischen Anteile bildet sich im Bodenteil des Aufschlußgerätes eine schwach saure Lösung, in der die Metallspuren angereichert sind. Sie können daraus mit geeigneten analytischen Verfahren erfaßt werden.

Beispiel 3

5 g tierisches oder pflanzliches Fett werden im Probenaufnahmegefäß mit etwa 1 ml dest. Wasser versetzt und mit Filtrierpapier bedeckt. 9 ml dest. Wasser gibt man in den Bodenteil des Aufschlußgerätes und verschließt dieses. Nachdem die Außenkühlung angestellt wurde, evakuiert man auf etwa 20 mbar und trocknet durch Verdampfen des Wassers im Probengefäß in einigen min. mit der Widerstandsheizung vor. Dann schaltet man die Heizung ab und verbrennt das Biomaterial in Sauerstoff bei etwa 40 bar. Nach dem Aufschluß sind die Metallspuren wie in den Beispielen 1 und 2 in der Lösung im Bodenteil des Aufschlußgerätes analytisch erfaßbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aufschlußverfahren für Biomaterialien, insbesondere Fleisch, durch Vortrocknen und anschließendes Verbrennen in Sauerstoff unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß eine feuchte Probe des Biomaterials in einem geschlossenen Druckgefäß bis zu einer Restfeuchte von 5—10% vorgetrocknet wird, und daß die Verbrennung des vorgetrockneten Biomaterials in Gegenwart des entstandenen Wasserdampfes, der gegebenenfalls weitgehend an einer auf etwa 10°C gekühlten Wandung des Druckgefäßes kondensiert ist, in dem geschlossenen Gefäß vorgenommen wird.

2. Aufschlußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 20 mbar und einer Temperatur von 11O⁰C vorgetrocknet wird.

3. Aufschlußverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung bei einem Druck von 30 bis 40 bar vorgenommen wird.