"Ultramikrochemie" in Kapillargefäß (li.) und Mikropipette (re. mit Mikrometerschraube) unter dem Mikroskop.
Bild aus: B.B. Cunningham: "Ultramicrochemistry", Scientific American (1954)
MIKROCHEMIE / ULTRAMIKROCHEMIE
Microchemistry / Ultramicrochemistry
Was ist Mikrochemie ?
What is microchemistry ?
Die Mikrochemie / Ultramikrochemie war bis in die späten Siebzigerjahre des 20. Jahrhunderts ein spezieller, heutzutage weitgehend aufgegebener Bereich der Chemie, der sich mit Analyse und Synthese von sehr kleinen Substanzmengen befasste, die oft sehr weit unterhalb der Mengen lagen, die in der allgemeinen
Chemie ("Makrochemie") zur Anwendung kommen.
Die große Zeit der Mikrochemie lag etwa zwischen den Zwanziger- und den Siebzigerjahren des letzten Jahrhunderts und wurde dann zunehmend durch moderne physikalische Analysemethoden wie
Massenspektrometrie, Röntgenbeugung, Röntgenfluoreszenz-analyse und andere Techniken verdrängt.
Während es in der Anfangszeit der Mikrochemie, Mitte des neunzehnten Jahrhunderts, oft um einfache chemische Analysen von überwiegend anorganischen Vorgängen in Pflanzen, Mineralen und Lebewesen
ging, entwickelte sich das Fach dann schnell zu einem umfassenden eigenständigen Teil der Chemie, mit Einschluss nicht nur qualitativer, sondern auch quantitativer Verfahren und der
Entwicklung eines umfangreichen eigenständigen Instrumentarium, abhängig von den jeweils zu behandelnden Substanzmengen.
Dafür stehen Namen wie Behrens, Emich, Benedetti-Pichler, Hecht, Donau, Wilson, Kirk, Cunningham, El-Badry, Korenman, Alimarin und viele andere.
Während für die Mikrochemie als solche (je nach Definition Stoffmengen von etwa 10-1000 µg) überwiegend Mikrospitzbecher ("cones", "microcones"), Mikropipetten, Analysenwaagen und im
allgemeinen noch das unbewehrte Auge zum Einsatz kamen, benötigte man für noch geringere Substanzmengen, insbesondere dann in der "Ultramikrochemie" (UMC), Kapillargefäße ("capillary cones"),
Mikroskope, Mikromanipulatoren und hochempfindliche Mikrowaagen, die zumindest in der Anfangszeit auf dem Einsatz eines Quarzfadens (Fadenwaage, Salvioni-Waage) aufbauten.
Der Substanzmengenbereich, in dem sich die Ultramikrochemie bewegt, wird unterschiedlich definiert, liegt aber etwa zwischen wenigen Mikrogramm
(µg ; 1 Millionstel Gramm) und dem Nanogrammbereich (ng ; 1 Milliardstel Gramm).
Mikrochemie: 10 µg - 1000 µg (0.01 mg - 1 mg)
Ultramikrochemie: 10 ng - 10 µg (0,01 µg - 10µg)
Die Ultramikrochemie wurde in wesentlichen Teilen Anfang der 1940-Jahre anlässlich der erstmaligen Darstellung des ersten künstlich hergestellten Elementes Plutonium und der Erforschung seiner
chemischen und physikalischen Eigenschaften durch Glenn T. Seaborg, B.B.Cunningham, L.B. Werner u.a. in der Universität von Chikago (unter dem Tarnnamen: "Metallurgical Project/ MetLab")
entwickelt und bei der rasch folgenden Entdeckung und Isolierung weiterer "Transurane" zur Perfektion gebracht.
Charakteristisch für die Mikrochemie ist weiter: Im Gegensatz zur sog. "Spurenanalyse", bei der die geringen Substanzmengen in größeren, meist problemlos zu handhabenden Lösungsmittelmengen
vorliegen, ist es die Aufgabe der (Ultra-)Mikrochemie, die Konzentration der Stoffe der Makrochemie (also etwa 0,1-1N) beizubehalten; das heißt, im Falle der Ultramikrochemie Flüssigkeitsmengen
von bis zu wenigen Mikrolitern (µL; 1 Millionstel Liter) zu verwenden und damit die bekannten chemischen Verfahren anwenden zu können.
Darüber hinaus unterscheidet sich die Mikrochemie von anderen Mikromethoden, wie "Tüpfelanalyse" (nach Feigl), der "Ringofentechnik" (nach Weisz) und z.B. Nachweisen auf dünnen Fäden dadurch, daß
mit ihr kontinuierliche Arbeitsabläufe mit kontrolliertem Erhitzen, Fällungen, Zentrifugationen, Elektrolysen u.a. durchgeführt werden können.
Das ist, wie zu erwarten, mit großen Problemen verbunden, die zum Teil physikalischer Natur, (Kapillarkräfte; relative Oberflächenvergrößerung der Gefäße und ihre Auswirkungen) zum Teil
technischer Natur (Anfertigung von immer kleineren Gerätschaften wie Mikromesspipetten, Ultramikrowaagen usw.) sind.
Die folgenden Seiten sollen einige wichtige Methoden und Gerätschaften der Mikro/Ultramikrochemie vorstellen und an ihre "Helden" erinnern.
Die Mikrochemie / Ultramikrochemie war bis in die späten Siebzigerjahre des 20. Jahrhunderts ein spezieller, heutzutage weitgehend aufgegebener Bereich der Chemie, der sich mit Analyse und Synthese von sehr kleinen Substanzmengen befasste, die oft sehr weit unterhalb der Mengen lagen, die in der allgemeinen
Chemie ("Makrochemie") zur Anwendung kommen.
Die große Zeit der Mikrochemie lag etwa zwischen den Zwanziger- und den Siebzigerjahren des letzten Jahrhunderts und wurde dann zunehmend durch moderne physikalische Analysemethoden wie
Massenspektrometrie, Röntgenbeugung, Röntgenfluoreszenz-analyse und andere Techniken verdrängt.
Während es in der Anfangszeit der Mikrochemie, Mitte des neunzehnten Jahrhunderts, oft um einfache chemische Analysen von überwiegend anorganischen Vorgängen in Pflanzen, Mineralen und Lebewesen
ging, entwickelte sich das Fach dann schnell zu einem umfassenden eigenständigen Teil der Chemie, mit Einschluss nicht nur qualitativer, sondern auch quantitativer Verfahren und der
Entwicklung eines umfangreichen eigenständigen Instrumentarium, abhängig von den jeweils zu behandelnden Substanzmengen.
Dafür stehen Namen wie Behrens, Emich, Benedetti-Pichler, Hecht, Donau, Wilson, Kirk, Cunningham, El-Badry, Korenman, Alimarin und viele andere.
Während für die Mikrochemie als solche (je nach Definition Stoffmengen von etwa 10-1000 µg) überwiegend Mikrospitzbecher ("cones", "microcones"), Mikropipetten, Analysenwaagen und im
allgemeinen noch das unbewehrte Auge zum Einsatz kamen, benötigte man für noch geringere Substanzmengen, insbesondere dann in der "Ultramikrochemie" (UMC), Kapillargefäße ("capillary cones"),
Mikroskope, Mikromanipulatoren und hochempfindliche Mikrowaagen, die zumindest in der Anfangszeit auf dem Einsatz eines Quarzfadens (Fadenwaage, Salvioni-Waage) aufbauten.
Der Substanzmengenbereich, in dem sich die Ultramikrochemie bewegt, wird unterschiedlich definiert, liegt aber etwa zwischen wenigen Mikrogramm
(µg ; 1 Millionstel Gramm) und dem Nanogrammbereich (ng ; 1 Milliardstel Gramm).
Mikrochemie: 10 µg - 1000 µg (0.01 mg - 1 mg)
Ultramikrochemie: 10 ng - 10 µg (0,01 µg - 10µg)
Die Ultramikrochemie wurde in wesentlichen Teilen Anfang der 1940-Jahre anlässlich der erstmaligen Darstellung des ersten künstlich hergestellten Elementes Plutonium und der Erforschung seiner
chemischen und physikalischen Eigenschaften durch Glenn T. Seaborg, B.B.Cunningham, L.B. Werner u.a. in der Universität von Chikago (unter dem Tarnnamen: "Metallurgical Project/ MetLab")
entwickelt und bei der rasch folgenden Entdeckung und Isolierung weiterer "Transurane" zur Perfektion gebracht.
Charakteristisch für die Mikrochemie ist weiter: Im Gegensatz zur sog. "Spurenanalyse", bei der die geringen Substanzmengen in größeren, meist problemlos zu handhabenden Lösungsmittelmengen
vorliegen, ist es die Aufgabe der (Ultra-)Mikrochemie, die Konzentration der Stoffe der Makrochemie (also etwa 0,1-1N) beizubehalten; das heißt, im Falle der Ultramikrochemie Flüssigkeitsmengen
von bis zu wenigen Mikrolitern (µL; 1 Millionstel Liter) zu verwenden und damit die bekannten chemischen Verfahren anwenden zu können.
Darüber hinaus unterscheidet sich die Mikrochemie von anderen Mikromethoden, wie "Tüpfelanalyse" (nach Feigl), der "Ringofentechnik" (nach Weisz) und z.B. Nachweisen auf dünnen Fäden dadurch, daß
mit ihr kontinuierliche Arbeitsabläufe mit kontrolliertem Erhitzen, Fällungen, Zentrifugationen, Elektrolysen u.a. durchgeführt werden können.
Das ist, wie zu erwarten, mit großen Problemen verbunden, die zum Teil physikalischer Natur, (Kapillarkräfte; relative Oberflächenvergrößerung der Gefäße und ihre Auswirkungen) zum Teil
technischer Natur (Anfertigung von immer kleineren Gerätschaften wie Mikromesspipetten, Ultramikrowaagen usw.) sind.
Die folgenden Seiten sollen einige wichtige Methoden und Gerätschaften der Mikro/Ultramikrochemie vorstellen und an ihre "Helden" erinnern.
Until the late 1970s, microchemistry/ultramicrochemistry was a specialized field of chemistry, now largely abandoned, that dealt with the analysis and synthesis of
very small quantities of substances, often far below the quantities used in general chemistry (“macrochemistry”).
Microchemistry had its heyday between the 1920s and 1970s, when it was increasingly replaced by modern physical analysis methods such as mass spectrometry, X-ray
diffraction, X-ray fluorescence analysis, and other techniques.
While in the early days of microchemistry, in the mid-nineteenth century, often involved simple chemical analyses of predominantly inorganic processes in plants,
minerals, and living organisms, the field quickly developed into a comprehensive, independent branch of chemistry, including not only qualitative but also quantitative methods and the
development of an extensive range of independent instruments, depending on the quantities of substances to be treated.
This is represented by names such as Behrens, Emich, Benedetti-Pichler, Hecht, Donau, Wilson, Kirk, Cunningham, El-Badry, Korenman, Alimarin, and many
others.
While microchemistry as such (depending on the definition, quantities of about 10-1000 µg) mainly used micropointed cups (“cones,” “microcones”), micropipettes,
analytical balances, and, in general, the unaided eye, even smaller quantities of substances, especially in ‘ultramicrochemistry’ (UMC), required capillary vessels (“capillary cones”),
microscopes, micromanipulators, and highly sensitive microbalances, which, at least in the early days, were based on the use of a quartz thread (thread balance, Salvioni balance).
The range of substance quantities involved in ultramicrochemistry is defined in various ways, but lies between a few micrograms (µg ; 1 millionth of a gram) and the
nanogram range (ng ; 1 billionth of a gram).
Microchemistry: 10 µg - 1000 µg (0.01 mg - 1 mg)
Ultramicrochemistry: 10 ng - 10 µg (0.01 µg - 10 µg)
Ultramicrochemistry was developed in its essential parts in the early 1940s during the first production of the first artificially produced element, plutonium, and
the research into its chemical and physical properties by Glenn T. Seaborg, B.B. Cunningham, L.B. Werner, and others at the University of Chicago (under the code name “Metallurgical
Project/MetLab”) and perfected with the rapid discovery and isolation of further “transuranic elements.”
Another characteristic feature of microchemistry is that, in contrast to so-called “trace analysis,” in which small amounts of substances are present in larger,
usually easy-to-handle quantities of solvent, the task of (ultra)microchemistry is to maintain the concentration of the substances used in macrochemistry (i.e., approximately 0.1-1N); In the case
of ultramicrochemistry, this means using liquid quantities of up to a few microliters (µL; 1 millionth of a liter) in order to be able to apply the known chemical processes.
Furthermore, microchemistry differs from other micro methods, such as “spot analysis” (according to Feigl), the “ring furnace technique” (according to Weisz), and,
for example, detection on thin threads, in that it allows continuous work processes with controlled heating, precipitation, centrifugation, electrolysis, etc. to be carried out.
As might be expected, this is associated with major problems, some of which are physical in nature (capillary forces; relative surface enlargement of the vessels and
their effects) and some of which are technical in nature (manufacture of ever smaller equipment such as micropipettes, ultramicrobalances, etc.).
The following pages are intended to introduce some important methods and instruments of micro/ultramicrochemistry and to commemorate their “heroes.”