Labor

Spurenelementanalyse von Meerwasser und Phytoplankton. Spurenelemente (z.B. Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Mo) in Meerwasser haben starken Einfluss auf das Wachstum von Phytoplankton. Zum besseren Verständnis der Spurenelementkreisläufe sowie dem Einfluss einzelner Spurenelemente auf das Phytoplanktonwachstum, können wir die Konzentrationen der Spurenelemente im Meerwasser mittels eines SeaFast Systems gekoppelt an ein induktiv gekoppeltes Massenspektrometer (ICP-MS, Element 2 von Thermo Scientific) quantifizieren.

Seafast System. Foto: D. Wilhelms-Dick
Seafast System. Foto: D. Wilhelms-Dick
Element 2 ICP-MS. Foto: D. Wilhelms-Dick

 

Das SeaFast System trennt Matrixkomponenten wie Na, Mg, Ca und Cl über eine Ionenaustauschersäule (Abbildung 2B) ab und konzentriert die Proben um den Faktor 20 auf. Die Spurenelemente werden dann eluiert und in das gekoppelte ICP-MS überführt und können im unteren nM L-1 Bereich genau und präzise analysiert werden.

Konzentrationen (in nM L-1) verschiedener Spurenelemente in 5 verschiedenen Meerwasserproben sowie des Meerwasserreferenzstandards Nass 6. D. Wilhelms-Dick

Die Spurenelementkonzentration (Fe, Co, Zn, Cd, Mn, Mo, Cu) in Phytoplanktonzellen erfolgt mit einem hochauflösenden ICP-MS der Firma Nu Instruments.

ICP-MS Attom Nu Instruments. Foto: D. Wilhelms-Dick

Bestimmung und Charakterisierung von Spurenmetallen und deren natürlichen Liganden mittels Voltammetrie. Die Arbeitsgruppe EcoTrace verfügt aktuell über zwei Voltammetrie-Systeme. Bei dem 757 VA Computrace von Metrohm handelt es sich um ein einfaches, kompaktes Voltammeter für Routine Anwendungen zur Analyse des Spurenmetallgehaltes von Meerwasserproben. Das zweite Voltammetrie-System besteht aus einem EC Epsilon Potentiostaten und einer „Controlled Growth Mercury Electrode“ kurz CGME von Bioanalytical Systems, Inc. Dieses Gerät wird aufgrund seiner hohen Sensitivität und vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten für die Analytik der Eisenspezies und Huminsäure-ähnlichen Substanzen verwendet. Der Vorteil der Voltammerie gegenüber anderen Messinstrumenten besteht neben der hohen Empfindlichkeit vor allem darin, dass bei dieser Methode direkt aus der Salzmatrix gemessen werden kann und eine aufwendige Abtrennung der Spurenmetalle aus dem Salzwasser entfällt.

Voltammeter Computrace von Metrohm. Foto: C. Völkner
Voltammeter Computrace. Foto: C. Völkner
Voltammeter Bioanalytical Systems. Foto: C. Völkner
Reaktionsgleichung für die Bildung des [Fe(TAC)2]-Komplexes
Reaktionsgleichung für die Bildung des [Fe(TAC)2]-Komplexes

Charakterisieren der Eisenspezies. Eisen ist eines der bioaktiven Elemente im Ozean und essentiell für das Wachstum mariner Mikroorganismen. Obwohl Eisen das vierthäufigste Element in der Erdkruste ist, liegt es in den Weltmeeren, aufgrund der schlechten Löslichkeit und der Aufnahme durch z.B. Phytoplankton, häufig nur in sehr geringer Konzentration vor. Die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Eisen kann durch die Komplexbildung mit natürlichen, im Meerwasser vorkommenden Liganden erhöht werden. Um zu verstehen, was die Bioverfügbarkeit von Eisen beeinflusst, ist es notwendig die vorliegenden Eisenspezies zu charakterisieren.

Diese Charakterisierung erfolgt mittels Competitive Ligand Exchange – Adsorptive Cathodic Stripping Voltammetry. Um die Komplexstabilitätskonstante und die Konzentration der natürlichen Liganden zu ermitteln, wird einer Meerwasserprobe mit 4-(2-Hydroxyethyl)-piperazin-1-propansulfonsäure (EPPS) auf einen pH-Wert von ca. 8,1 gepuffert und der Komplexbildner 2-(2-Thiazolylazo)-p-cresol (TAC) zugegeben. Dieser bindet das noch freie Eisen in der Probe und tritt im Wettbewerb um Eisen den natürlichen Liganden gegenüben. Die Einstellung eines Gleichgewichts zwischen Eisen, natürlichen und zugesetzten Liganden ist die Basis für die Analyse der Eisenspezifikation.

Typischer Verlauf des Potentials bei der Messung der Eisenspezies. Grafik: C. Völkner
Typischer Verlauf des Potentials bei der Messung der Eisenspezies. Grafik: C. Völkner

Die Konzentration des [Fe(TAC)2]-Komplexes kann über Voltammetrie an einem Quecksilbertropfen ermittelt werden. Hierzu wird für einen bestimmten Zeitraum eine fest definierte Spannung angelegt, wodurch sich der Komplex an der Oberfläche des Quecksilbertropfens anreichert. Die Menge an abgeschiedenen Eisenkomplex kann nun durch eine Reduzierung des Potentials und der kathodischen Inversvoltammetrie bestimmt werden. 

Durch die Zugabe unterschiedlicher Eisenkonzentrationen zwischen 0 nM und 6 nM kann die Sensitivität der Messmethode bestimmt werden. Mit den nun bekannten Werten für Sensitivität, Konzentration des [Fe(TAC)2]-Komplexes und gesamt Eisenkonzentration der Probe lässt sich die Komplexstabilitätskonstante und die Konzentration der natürlichen Liganden berechnen.

Kontakt Seafast und ICP-MS:

Dr. Dorothee Wilhelms-Dick

Dorothee Wilhelms-Dick

Kontakt Voltammetrie:

Christian Völkner

Christian Völkner