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3.29 Prof. Dr. Jürgen Simon

Institut für Anorganische und Analytische Chemie

Keywords: Environmental Analytics, AAS, ICP, DPASV, GC, HPIC, Chromatomembrane Cell, Archaeometry


Fabeckstr. 34-36, 14195 Berlin, Tel. +49 30 838-54006, Fax -52424, E-mail: jsimon@chemie.fu-berlin.de

Abstract

Investigation of trace elements in biotic materials by means of electrothermal AAS and DPASV. The main emphasis is directed to the development of procedures for the determination of trace amounts using the rotating electrode with an ex situ prepared mercury film. Its application in Flow Injection Analysis is intended. A novel technique in sample preparation is provided which enables extraction and preconcentration procedures to carry out automatically in microscale. The Chromatomembrane Cell was introduced for that as reported recently. This new device allows the transfer of analyte between two phases inside a porous block consisting of hydrophobic PTFE with two types of pores, i.e., micropores and macropores. The capillary pressure of polar liquids prevents their penetration into micropores so that an independent flux of two phases is made possible without mixing. The contact area provided for mass transfer measures about 0.7 m2/cm3 biporous PTFE. The application of Chromatomembrane Cells to computer acting detection procedures such as uv-vis spectrometry, GC, HPIC and electroanalytical methods is under study. The object is to meet the regulations according to DIN and ISO standards.

Wissenschaftlicher Werdegang

Promotion: FU Berlin (1968); Habilitation: FU Berlin (1971); Professor: FU Berlin (1971); Member: Ed. Board, Journal of Ecological Chemistry, Alga-Fund: St. Petersburg, Russia (1994).

Kooperationspartner

Prof. Dr. L.N. Moskvin, St. Petersburg State University, Russia; Prof. Dr. M.A. Zayed, Cairo U., Egypt; Dr. Ch.H. Fischer, Hahn-Meitner-Inst. Berlin, Abt. Kleinteilchenforschung; Dr. H. Schäfer, Metrohm Ltd., Herisau, Schweiz; Dr. W. Rotard, Umweltbundesamt Berlin - WaBoLu.

Drittmittelgeber

BMBF, DFG, Fonds der Chem. Ind., Metrohm Ltd., CH 9101 Herisau

Forschungsgebiete

Schwermetallspuren in der Umwelt

Spurenanalytik in komplexer Matrix zwingt zu sorgfältiger Qualitätssicherung der entwickelten Verfahren, um vergleichbare Aussagen zu ermöglichen (Kalibrierung mit Hilfe von Standards, Methodenvergleiche, Ringversuche). Die Detektion erfolgt überwiegend mit Hilfe der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) und der inversen Voltammetrie (DPASV).

Arbeiten zur Migration von Schwermetallen und deren Festlegung in Böden in Abhängigkeit relevanter Parameter. Untersuchung der physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten.

Obwohl das Skelett nicht Speicherorgan für Cadmium ist, konnten wir als erste zeigen, daß bei Lungenkarzinompatienten sein Spurengehalt in Knochen Auskunft über die vorausgegangenen Rauchergewohnheiten geben kann.

River-Nile-Project

Bei der Einführung des Reisanbaus in Bewässerungsgebieten des Nils ist dafür zu sorgen, daß eine Ausbreitung der Bilharziose vermieden wird. In diesem Zusammenhang werden Spurenanalysen an Pflanzen, Fischen und Nil-Sedimenten ausgeführt.

Inverse Voltammetrie

Als methodische Entwicklung sind die Bestimmungen von Thallium und Selen an einer "ex situ" hergestellten Quecksilberfilm-Elektrode (MFE) hervorzuheben, wobei nach erfolgter Anreicherung der Detektionsschritt in einem "stripping"-Verfahren besteht. Der notwendige Lösungsmittelwechsel der gegen Luftoxidation empfindlichen MFE läßt sich durch Entwicklung einer Fließkonfiguration beherrschen, was gleichzeitig eine Automation der Verfahren möglich werden läßt.

Fließinjektionsanalyse (FIA)

FIA ist eine zukunftsorientierte Technik zur Probenvorbereitung und Ausführung mikrochemischer Serienanalysen. Hierbei wird nur minimaler Abfall (Lösemittel) erzeugt, und die Option einer Automatisierung führt zu präziseren Analysendaten, einer Erhöhung der Datenmenge und einer Minimierung des manuellen Aufwands in der Probenvorbereitung.

In Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Universität St. Petersburg (Rußland) wurde die Chromatomembranzelle entwickelt und eingeführt, um flüssig/flüssig und flüssig/gas Extraktionen kontinuierlich oder bei gleichzeitiger Präkonzentrierung diskontinuierlich auszuführen. Dieses neue "Werkzeug" vermag die üblichen drei Arbeitsschritte, Mischen der Phasen, Einhalten einer ausreichenden Kontaktzeit und Trennung der Phasen zu einem einzigen zu reduzieren, so daß es in automatisch gesteuerten Fließsystemen arbeiten kann.

Die Chromatomembranzelle besteht aus einem biporösen Block aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), der gleichzeitig Mikroporen (~0,3 m .empty.) und Makroporen (~200 m .empty.) enthält. Wegen ihres Kapillardrucks in Mikroporen können polare Flüssigkeiten nur in die Makroporen eindringen, während nichtpolare Lösungsmittel oder Gase die Mikroporen ausfüllen. Ein spezielles Zelldesign erlaubt die voneinander unabhängige Führung der in Kontakt zu bringenden, miteinander nicht mischbaren Phasen durch die Zelle hindurch. Wegen der großen Kontaktfläche von ca. 0,7 m2/cm3 biporösem PTFE sind die beim Phasenübergang zu überwindenden Wegstrecken so klein, daß kinetische Effekte vernachlässigbar gering sind, also längere Kontaktzeiten nicht erforderlich werden. Das Entstehen nicht wieder trennbarer Dispersionen wird durch Kontrolle der Drücke vermieden, mit denen die beiden Phasen der Zelle zugeführt werden.

Stabile Arbeitsbedingungen sind gegeben, wenn der Druck der zufließenden nicht polaren Phase kleiner als der Druck der abfließenden polaren Phase ist. Der Druck der zufließenden polaren Phase muß geringer sein als die Summe aus dem Druck der abfließenden nicht polaren Phase und dem Kapillardruck der polaren Phase in den Mikroporen.

Theoretische Überlegungen zeigen den Zusammenhang zwischen Zellparametern, Fließgeschwindigkeiten und dem Massentransfer des Analyten über die Phasengrenze hinweg, so daß eine Anpassung an die erforderlichen apparativen Voraussetzungen der zur Detektion eingesetzten Analysegeräte möglich ist.

Am Beispiel der Bestimmung anionischer Tenside nach der Methylenblau-Methode (ISO 7875-1) läßt sich zeigen, daß der gebildete Ionenpaarkomplex an der Phasengrenze H2O/CHCl3 innerhalb einer Chromatomembranzelle angereichert wird, um anschließend mit CHCl3 ausgewaschen und der Durchflußzelle eines uv-vis Spektrometers zugeführt zu werden (stop-flow-mode). Zur Automation wird ein im Handel erhältliches multifunktionales 8-Kanal-16-Port Ventil eingesetzt, mit dem durch Hin- und Herschalten zwischen seinen beiden möglichen Stellungen beide Arbeitsschritte realisiert werden (siehe Abbildung).

Beispiele für die Anwendungen der Chromatomembranzelle:

  1. Photometrische Bestimmung von Phenolen nach DIN 38409 entsprechend der 4-Aminoantipyrin Methode.
  2. Extraktion in Wasser und Abwasser gelöster flüchtiger organischer Bestandteile mit Stickstoff und nachfolgende Trennung und Bestimmung mit dem Gaschromatographen (head-space-analysis).
  3. Extraktion saurer Bestandteile der Luft (NOx, SO2, HCl, H2F2 etc.), nachfolgende Trennung und Bestimmung der gebildeten Anionen mit der Ionenchromatographie (HPIC). Zur Luftanalytik ist die Entwicklung einer transportablen Apparatur beabsichtigt.
  4. Extraktion von Ammoniak-Spuren aus der Luft und nachfolgende potentiometrische Bestimmung in wäßriger Phase.

Leitung der Arbeitsgruppe Archäometrie

(ständige Mitarbeiter: Dr. Bettina Hoffmann, Priv. Doz. Dr. Gerwulf Schneider)
Archäometrie ist eine Forschungseinrichtung, die unter Zusammenwirken natur- und geisteswissenschaftlicher Fächer solche Fragen der Kulturgeschichte bearbeitet, die mit geisteswissenschaftlichen Methoden allein nicht beantwortet werden können. Schwerpunkte sind Untersuchungen von Keramik, Stein und anorganischen Farbpigmenten, deren Rohstofflagerstätten gesucht werden, um Informationen zur Herkunft archäologischer Artefakte zu gewinnen. Die Erforschung der Herstellungstechniken bringt Erkenntnisse zur Technikgeschichte, insbesondere zu den Zusammenhängen von Material, Technik und Formgestaltung und zu Eigenheiten von Werkstätten.

Projekte

Erfassung ortsspezifischer Zusammensetzungen von Keramik als Basis für Herkunftsbestimmungen, töpferische Rekonstruktionen und Untersuchungen zur Herstellungstechnik römischer Feinkeramik, Neolithische Keramik aus Griechenland, Keramik aus Nord- und Südmesopotamien und dem Nildelta, römische Keramik aus Deutschland, Italien und dem östlichen Mittelmeerraum, technische Keramik bei der Metallverhüttung und -verarbeitung.

Methoden

Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), Röntgenbeugung, Polarisationsmikroskopie, thermische Methoden, archäologische Methoden (Stilkritik, Stratigraphie, Typologie).

Literaturliste

  1. G. Mehringer, J. Simon. "Zur Frage des hydrometallurgischen Recyclings von Gold mittels biologisch abbaubarem Thioharnstoff alternativ zur Cyanidlaugerei". Metall 1989, 43, 624-627.
  2. H.H. Dieter, W. Rotard, J. Simon, O. Wilke. "Manganese in natural mineral waters from Germany". Die Nahrung 1992, 36, 447-484.
  3. C. von Laar, R. Reinke, J. Simon. "Determination of thallium in soils by differential pulse anodic stripping voltammetry by means of a mercury film electrode". Fresenius J. Anal. Chem. 1994, 349, 692-693.
  4. L.N. Moskvin, J. Simon. "Flow Injection Analysis with the Chromatomembrane - A new Device for Gaseous/Liquid and Liquid/Liquid Extraction". Talanta 1994, 41, 1765-1769.
  5. P. Löffler, J. Simon, A. Katruzov, L.N. Moskvin. "Separation and Determination of Traces of Ammonia in Air by Means of Chromatomembrane Cells". Fresenius J. Anal. Chem. 1995, 352, 612-613.
  6. L.N. Moskvin, J. Simon, P. Löffler, N.V. Michailova, D.N. Nicolaevna. "Photometric Determination of Anionic Surfactants with a Flow Injection Analyzer that includes a Chromatomembrane Cell for Sample Preconcentration by Liquid-Liquid Solvent Extraction". Talanta 1996, 43, 819-824.
  7. G. Schulze, J. Simon. "Maßanalyse" (ehemals Jander und Jahr) 15. Auflage, Walter de Gruyter Verlag Berlin 1990, 347 Seiten.
  8. G. Schneider. "X-Ray fluorescence analysis and the production and distribution of terra sigillata and Firmalampen". Journal of Roman Archaeology 1993, Suppl. Series nr. 6, 129-137.
  9. G. Schneider, H. Knoll, K. Gallis, J.-P. Demoule. "Production and circulation of neolithic Thessalian pottery: chemical and mineralogical analyses". La Thessalie - Quinze années de recherches 1994, 1975-1990, Athen.
  10. H. Juranek, B. Hoffmann. "Rekonstruktion der Herstellungstechnik reliefverzierter Terra Sigillata". Experimentelle Archäologie in Deutschland Bd. 2, Archäologische Mitt. aus Nordwestdeutschland, 1991, Beih. 6, 271-284.


Automatisierte Präkonzentrierung und Extraktion mit Hilfe eines multi-funktionalen 8-Kanal-16-Port Ventils

Weitere Verweise


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© 1996, Redaktionsschluß: 1996-08-01.