Die Methode von Jean Dumas

Historische Entwicklung

Neben dem Säureaufschluss ist seit den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts auch die Verbrennungsmethode nach Dumas etabliert. Interessanterweise ergibt die Recherche, das diese Methode deutlich älter als der Kjeldahlaufschluss ist. Dumas hatte diese bereits 1848 in Paris erstmalig veröffentlicht, als er bei der Erforschung der Zusammensetzung von natürlichen Ölen versuchte, seine Proben zu verbrennen. Bei diesen Experimenten handelte es sich allerdings zunächst um eine Analyse von Kohlenstoff und Wasserstoff und nicht des Stickstoffs. Die Verbrennung erlaubt also die Analyse mehrerer Parameter, während der Kjeldahlaufschluss "nur" für den Stickstoff geeignet ist.          

Abbildung 1: Jean Dumas, 1848

Ziel war seinerzeit aber zunächst eine Kontrolle über die rigiden Reaktionsbedingungen durch apparative Lösungen zu erreichen, d.h.

• die Proben kontrolliert bei möglichst hohen Termperaturen zu verbrennen
• für die Verbrennung hochreinen Sauerstoff zu verwenden
• die entstehenden Verbrennungsprodukte selektiv aufzufangen
• aufgrund der Gewichtsveränderung von Kondensationsfallen auf
  die Zusammensetzung der Ausgangsprobe zurückzurechnen

Diese Verbrennungsreaktion (Gleichung 1) verläuft bei organischem Proben nach dem folgenden Reaktionsschema, wenn man vom Einsatz von reinem Sauerstoff bei der Verbrennung ausgeht:

(C_xH_yN_z) _(s/l) + O_2(g) -----> x CO_{2 (g)} + y H₂O _(g) + z NO_{2 (g)}          (1)

Kohlenstoff und Wasserstoff der festen bzw. flüssigen Probe (C_xH_yN_z) werden vollständig in die korrespondierenden Produkte Kohlendioxid CO₂ und Wasser H₂O umgesetzt, Stickstoff wird zunächst zu NO₂ oxidiert.

Erste apparative Umsetzung

Eine erste Zersetzungsapparatur zur Durchführung einer kontrolliert ablaufenden Hochtemperaturpyrolyse (d.h. Zersetzung ohne Zusatz von Sauerstoff) mit nachfolgender Analyse der entstandenen Gase konstruierte Antoine Lavoisier im Jahre 1789. Hierbei konnte er vier entscheidende Probleme lösen:

• das Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur zur vollständigen Verbrennung
• die Generierung von hochreinem Sauerstoff bzw. ausreichender Hitze ohne Stickstoffverunreinigungen für die Verbrennung
• das selektive Auffangen von Kohlendioxid und Wasser ohne sich gegenseitig zu stören
• eine ausreichend präzise Waage zur Bestimmung der Gewichtsdifferenzen vor und nach der Verbrennung.

Die notwendige Energie/Temperatur erzeugte Lavoisier in situ über eine Gasentladungslampe (Abbildung 2, links). Die entstehende Energie/Hitze führte er in die Apparatur mit der Probe und zersetzte diese damit erfolgreich. Die entstandenen Gase wurden über Kondensationsfallen (Abbildung 2, rechts) aufgefangen. Eine Differenzwägung vor und nach der Verbrennung ließ quantitative Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Probe zu. [1]

Abbildung 2: Verbrennungsapparaturen nach Lavoisier mit Gasentladungslampe (links), wo die flüssige Ölprobe über das Einleitungsrohr A auf die Hitzequelle gespritzt wird. Die Verbrennungsprodukte werden in der Apparatur (rechts) in den mit Lauge geflüllten Glasgefäßen (auf dem Tisch) aufgefangen.

Immer noch problematisch ist hierbei der hohe Druck bei der Entstehung der Verbrennungsprodukte, dem derartige Glasapparaturen nicht immer standhielten. Dazu machte Justus Liebig in seinem Gießener Laboratorium 1789 die revolutionäre Entdeckung, dass reiner Sauerstoff auch in situ erzeugt und direkt zur Verbrennung organischer Proben verwendet werden kann. Seine Apparatur dazu war deutlich einfacher und ungefährlicher handhabbar im Vergleich zur der Lavoisiers'. Hierzu verwendete er sauerstoffreiche Metallsalze die bei Energiezuführung durch eine Kohleverbrennung Sauerstoffgas freisetzen (Abbildung 3, links).

Abbildung 3: Verbrennungsapparatur nach Liebig mit in situ-Erzeugung von reinem Sauerstoff im Verbrennungsrohr (1). Austretende Gase können mit Absorptionsfallen für Wasser (2) und Kohlendioxid (3) analysiert werden.

Revolutionär war u.a. auch die Kondensationsfalle für Kohlendioxid (Punkt 3 in Abb. 3), die aus einem 5-Kugel Glaskörper bestand, der zur Hälfte mit Kalilauge gefüllt war. Das Kohlendioxid aus der Probe konnte hiermit zu Kaliumcarbonat (K₂CO₃) reagieren und somit vollständig aus dem Gasstrom der Verbrennungsprodukte abgetrennt werden. Eine Differenzwägung der Absorptionsfallen (2) und (3) vor und nach der Analyse lieferte quantitative Rückschlüsse auf den Wasserstoff- und Kohlenstoffgehalt der verbrannten Probe. Die American Chemical Society würdigte die Bedeutung dieser Entdeckung mit der Implementierung des Liebigschen 5-Kugel-Gas-Kondensers in Ihrem bis heute noch aktuellen Logo (s. Abbildung 4, rechts). [2]

Abbildung 4: 5-Kugel-Kondensationsfalle für Kohlendioxid von Liebig und das Logo der American Chemical Society (rechts) mit Adler und Gaskondenser.

Moderne Verbrennungsgeräte

Probenzuführung und Verbrennung

Während der Säureaufschluss nach Kjeldahl die organische Probe auf eher rustikale Art und Weise zerstört, bietet sich mit der Verbrennung eine etwas elegantere und zeitsparende Möglichkeit. Die Probe wird kontrolliert oxidiert und die resultierenden, gasförmigen Produkte der weiteren Analyse unterzogen. Ziel ist die vollständige Konversion der Probe in die Hauptprodukte Kohlendioxid, Wasser und Stickstoffdioxid (Gleichung 2), ohne das die Nebenprodukte Kohlenmonoxid CO und Stickstoffmonoxid NO aus unvollständiger Verbrennung heraus entstehen.   

(CHNO) _(s)  +  O_{2 (g)}     ->  CO_{2 (g)}    +   H₂O _(g)   +   NO_{2 (g)}          (2)

Da Luft zu weit über 70 % Stickstoffanteile enthält, muss apparativ zunächst sichergestellt werden, das der störende Luftstickstoff vor der Analyse vollständig von der Probe separiert wird. Dazu ist ein leistungsfähiger Probengeber notwendig. Schlüssel zum Erfolg ist hier eine effektive Abdichtung gegenüber der Umgebungsluft in Kombination mit einer ausreichenden Spülfunktion, damit Möglichkeiten einer gegenseitigen Wechselwirkung ausgeschlossen sind. Abbildung 5 zeigt zwei solcher Modelle.

Abbildung 5: Probengeber mit Spülfunktion (links, manuelles Modell) und automatischer Probengeber mit mehreren Probentabletts (rechts, pneumatisch). Über die Helium-Zufuhr wird eine Spülkammer kontinuierlich gespült, bevor die Probe durch den Schieber mechanisch oder manuell der Verbrennung zugeführt wird.

Moderne Verbrennungsgeräte nutzen die Heliumtechnologie, um Luftstickstoff zu vertreiben sowie gleichzeitig die größtmögliche Präzision in der Analyse zu erreichen. Zusätzlich muss die Probe aber noch verpackt werden, damit keine Umgebungsluft die Analysenwerte verfälscht. Beispielhaft sei ein derartiger Analysengang am Gerät DUMATHERM^TM von C. Gerhardt in Abbildung 6 näher erläutert. Basierend auf dem bereits vorgestellten klassischen Prinzip kann hier mit moderner Steuerung nahezu wartungsfrei gearbeitet werden.

Abbildung 6: Analysenprinzip von einem Verbrennungsgerät nach Dumas mit Autosampler AS, Verbrennungsreaktor LR mit Ascheeinsatz AE sowie Reduktionsreaktor RR gefüllt mit Kupfer und Systemen zur Wasser- (KF, F1, F2) und Kohlendioxidabtrennung (F3). Abschließend Wärmeleitfähigkeitsdetektor WLD und externer PC zur Datenauswertung.

Der pneumatische Probengeber führt die in Zinnfolie eingepackte feste oder flüssige Probe (rote Päckchen) dem Verbrennungsreaktor (Abb. 6, LR) zu. Simultan wird der Heliumgasstrom umgestellt auf Sauerstoff, um die Verbrennung einzuleiten. Die Probe verbrennt und die entstehende Asche wird im Ascheeinsatz (AE) gesammelt. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte reagieren unter Zuhilfenahme zweier Katalysatoren vollständig zu den gewünschten Oxiden und werden nach Beendigung der Verbrennung durch einen Heliumstrom durch das Gerät hindurchtransportiert. Zunächst werden die Stickoxide im Reduktionsreaktor (Abb. 6, RR) zu elementarem Stickstoff reduziert, während die beiden anderen Produkte Wasser und Kohlendioxid als Nebenprodukte in speziellen Fallen (F1 bis F3) abgetrennt werden. Es verbleibt ein Gasstrom aus Helium und Stickstoff, woraus der Stickstoff mit einem Wärmleitfähigkeitsdetektor gemessen werden kann. Computersteuerung erlaubt die direkte Auswertung der Analysendaten.

Zurück zur Verbrennungsreaktion :

(CHNO) _(s/l)  +  a O_{2 (g)}   ->  CO_{2 (g)}    +   H₂O _(g)   +   NO_{2 (g)}          (3)

Bei der Verbrennung muss die Zufuhr von ausreichend Sauerstoff sichergestellt sein. Man kann einen hohen Überschuss an Sauerstoff zugeben, was aber aus ökonomischer und ökologischer Sicht keinen Sinn macht. Daher hat sich die Verwendung von Verbrennungsfaktoren a (Gleichung 3) auf Basis der Probenzusammensetzung bei modernen Geräten etabliert. Hierbei wird die Probeneinwaage mit einem probenspezifischen Faktor a multipliziert (Gleichung 4), woraus die Menge an Sauerstoff für die Verbrennung berechnet wird.

Einwaage [mg]  *   Verbrennungsfaktor a   =   Sauerstoffmenge [ml]          (4)

Hinzu kommen mögliche Verbrennungshilfen, wie die zur Probenverpackung eingesetzte Zinnfolie und hilfreiche Verbrennungskatalysatoren zur Unterstützung der Hochtemperaturverbrennung. All dies verschiebt das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der gewünschten Produkte Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Die nicht erwünschte Entstehung des Nebenproduktes Kohlenmonoxid (CO) wird auf diese Weise unterbunden. Überschüsse an Sauerstoff sind damit nicht mehr notwendig, wodurch ein populäres Gegenargument gegen die Verbrennungsmethode - der hohe Sauerstoffverbrauch - eliminiert wurde.

Positiver Nebeneffekt der verwendeten Hochtemperaturkatalysatoren ist die drastische Beschleunigung der Reaktion, wodurch die Analysenzeit von bislang üblichen 5-8 Minuten auf unter 3 Minuten nahezu halbiert wurde. Abbildung 7 zeigt qualitativ den Reaktionsverlauf bei Einsatz von Katalysatoren. Die Aktivierungsenergie ΔG^≠ ist durch die Katalysatoren deutlich herabgesetzt.

Abbildung 7: Freie Reaktionsenthalpie bei einer Verbrennung mit DUMATHERM^TM unter Einsatz von Verbrennungskatalysatoren zur Herabsetzung der Aktivierungsenergie ΔG^≠.

Reduktion über Kupferspäne

Die zweite chemische Reaktion bei der Stickstoffbestimmung ist die Reduktion des Stickoxids NO₂ zu elementarem Stickstoff (Gleichung 5), wozu sich eine metallische Oberfläche an Kupfer gegenüber Wolfram durchgesetzt hat.

 NO_{2 (g)}   +  2 Cu _(s)    à   N_{2 (g)}    +   CuO _(s)           (5)

Während Wolfram noch unter Volumenausdehnung zu Wolframoxid oxidiert wird, und damit die Gefahr des Glasbruchs beim heißen Reduktionsreaktor mit sich bringt, zeigt Kupfer diese Problematik nicht und hat zudem noch eine viel höhere Leistungsfähigkeit. Damit sind auch die Stickoxide erfolgreich in Stickstoff umgewandelt worden und somit nur noch die Nebenprodukte Kohlendioxid und Wasser von der Verbrennung aus dem Gasstrom zu entfernen, bevor die Detektion des Stickstoffs erfolgen kann.

Wasserabtrennung

Um Wechselwirkungen bei der Detektion des Analyten Stickstoff auszuschließen, muss Wasser vollständig aus dem Gasstrom entfernt werden.

Abbildung 8: Wasserabtrennung mit NafionTM (wasserdurchlässiger Innenschlauch, gestrichelte Membran). Während die Analysengase N2 und He ungehindert den Gastrockner passieren, wird Wasser H2O aufgefangen und mit dem Spülgas Stickstoff im Gegenstrom abtransportiert.

Kohlendioxidabtrennung

Für die Abtrennung von Kohlendioxid müssen besonders leistungsfähige Fallen verwendet werden, weil Kohlendioxid neben Stickstoff detektiert wird und somit zu Verfälschungen im Analysenergebnis führt.

Abbildung 9:  Selektive Adsorption und Desorption von Kohlendioxid an speziellen Molekularsieb-Oberflächen.

Detektion und Auswertung

Für die Detektion von Stickstoff werden Wärmeleitfähigkeitsdetektoren verwendet. Hier empfielt sich insbesondere Helium als Trägergas, da dieses eine im Vergleich zum zu messenden Stickstoff stark reduzierte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Tabelle 1 zeigt die Wärmeleitfähigkeiten der in der Elementaranalyse gebräuchlichen Gase. Je größer der Unterschied in den Wärmeleitfähigkeiten ist, desto besser ist die Detektionsfähigkeit und die Präszision des Gerätes. Helium als Trägergas und Stickstoff als Analyt sind hier die ideale Kombination, da damit sogar ein Referenzgasfluss im Detektor (wie er in klassischen Detektoren basierend auf einer Wheatstoneschen Brückenschaltung noch notwendig war) überflüssig wird.

Quelle: www.wikipedia.de, 2011.

Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeiten λ der in der Elementaranalyse eingesetzten Gase bei 300 K.

Fazit

Die Stickstoff-/Proteinanalyse nach Dumas ist eine ernstzunehmende Alternative zur Säureaufschlussmethode nach Kjeldahl, wenn das Probenmaterial alle notwendigen Voraussetzungen (ausreichende Homogenität, einfache Handhabung, …) aufweist, die für eine erfolgreiche Analyse mit einem Verbrennungsgerät notwendig sind. Nicht ohne Grund etabliert sich deshalb die Verbrennungsmethode immer mehr als zweite Referenzmethode neben der Kjeldahlmethode, u.a. auch weil moderne Geräte der Kjeldahlmethode in Präzision und universeller Einsetzbarkeit in nichts nachstehen.

Abbildung 10: DUMATHERM : leistungsfähiges und hochpräzises System von C. Gerhardt für die Dumas-Analyse von festen und flüssigen Proben.