MIKROCHEMIE
Nichtquantitative Techniken
Hier sollen die wichtigsten Geräte und Arbeitsmethoden der Mikrochemie vorgestellt werden.
Einige der Abbildungen stammen von den Geräten des Autors; die anderen aus den jeweils genannten Büchern und Zeitschriften. (siehe Listen unten!)
Die Methodik der Mikrochemie/Ultramikrochemie bestand darin, die Verfahren der regulär verwendeten Chemie möglichst umfassend um den Faktor 10 hoch3 (Mikrochemie) und 10 hoch6 (Ultramikrochemie) zu verkleinern; das heißt, Methoden zu entwickeln, um Stoffmengen in dieser Größenordnung zu erhitzen, zu kühlen, zu destillieren, zu filtern (oder zentrifugieren) zu elektrolysieren sowie analytische Verfahren wie Gravimetrie, Kolorimetrie, Volumetrie (Titrationen) und weitere zur Anwendung bringen zu können.
"Ultramicroanalysis should not be thought of as a mere replica of macro- or microanalysis on a greatly reduced scale.
Each group of analytical procedures, depending on the amount of substance handled, develops its own peculiarities, techniques and equipment; its own advantages as well as sources of error. However, the basic chemistry of ultramicroanalysis is the same as in macroanalysis. Thus precipitation, oxidation-reduction, color reactions, gravimetric, volumetric, colorimetric and other procedures are applied."
I.M. Korenmann 1965 -N)
...["Die Ultramikroanalyse darf nicht als bloße Nachbildung der Makro- oder Mikroanalyse in stark verkleinertem Maßstab betrachtet werden.
Jede Gruppe von Analyseverfahren entwickelt je nach der Menge der gehandhabten Substanz ihre eigenen Besonderheiten, Techniken und Geräte, ihre eigenen Vorteile und Fehlerquellen. Die
grundlegende Chemie der Ultramikroanalyse ist jedoch die gleiche wie bei der Makroanalyse. So werden Fällung, Oxidation-Reduktion, Farbreaktionen, gravimetrische, volumetrische, kolorimetrische
und andere Verfahren angewandt."
I.M. Korenmann 1965 -N)] ....
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Die wichtigsten Grundgeräte sind, wie auch in der Makrochemie, die Glasgeräte.
Einige werden in den folgenden Abbildungen vorgestellt.
Sie wurden früher in den meisten Fällen von den Untersuchern selbst nach ihren Erfordernissen aus Glasrohren gezogen und geformt. So lassen sich aus Glasröhrchen, die als Schmelzpunktröhrchen bekannt sind und Durchmesser von z.T. unter 0,6mm (außen) haben, sowohl die "capillary cones" wie auch feinste Glaspipetten herstellen, zu deren weiterem Einsatz der Gebrauch von Mikroskop und Mikromanipulator unerlässlich ist.
Solch feine, z.T. Mikrometer dicke Glasgeräte lassen sich auch unter dem Mikroskop nicht mehr mit der Hand führen, ohne abzubrechen.
Damit überhaupt mit solch verletzlichen Strukturen gearbeitet werden kann, sind sogenannte Mikromanipulatoren erforderlich; sie sind das eigentliche "Erkennungszeichen" der Ultramikrochemie.
Mithilfe von Mikromanipulatoren lassen sich unterschiedliche Geräte, wie Mikropipetten oder "microcones" erschütterungsfrei und
geplant in drei Raumrichtungen bewegen, so zum Beispiel, um die dünne Spitze einer Pipette sicher in ein capillary cone einzuführen.
Die drei folgenden Bilder zeigen eine "Standard-Anordnung" der Ultramikrochemie.
Links ein eingespanntes "microcone", aus einem Kapillarröhrchen von 1 mm (Außen-) und etwa 0,8 mm Innendurchmesser.
Rechts eine Kapillarpipette, aus einem Glasröhrchen von z.B. 4 mm AD zu einer Spitze von etwa 60-100 µm gezogen.
Diese wird mithilfe eines Silikonschlauch-Stückes an einer eingespannten Hamiltonspritze befestigt, an deren Ende wiederum eine Mikrometerschraube sitzt, mit deren Hilfe die eingebrachten Flüssigkeitsmengen genau gemessen werden können.
Unten die Anordnung nach Einbringen von etwa 1,5 µl Flüssigkeit in das "microcone".
Hier können jetzt viele Arten von chemischen Umsetzungen, wie insbesondere Fällungen vorgenommen werden.
Die meisten mikrochemischen Arbeitsschritte finden in einer Kombination aus einer dreidimensional beweglichen Halterung für das "capillary cone" (oder einer Kapillarbasis), einer ebenfalls beweglichen Mikropipette entweder mit Messvorrichtung oder Schlauchzuführung unter einem geeigneten Stereomikroskop statt. Dies ist sozusagen der "Grundarbeitsplatz" des Mikrochemikers und erlaubt die Durchführung und Beobachtung chemischer Reaktionen, das Zuführen und Abziehen winzigster Mengen von Reaktionspartnern, aber auch das Erhitzen, Kühlen und Schütteln des cone-Inhaltes.
Unten der (ultra-)mikrochemische Arbeitsplatz von B.B. Cunningham und seinen Mitarbeitern im MetLab an der Universität von Chikago als Skizze.
Unter einem Spencer-Stereomikroskop (LF29 ) ein microcone (capillary cone) hier in einer Basis (3) sowie eine capillary pipette mit einfacher Mikrodosierspritze, eingespannt in einem einfachen Mikromanipulator (wahrscheinlich Gamma/ New York)
Teilbild 11 zeigt einen "buzzer", mit dessen Hilfe der Inhalt des cones durchmischt werden kann.
Bildzitat: S)
Im folgenden Bild ist ein weiterer ultramikrochemischer "Grundarbeitsplatz" des Autors dargestellt.
Ein "BRESSER"- Stereomikroskop mit Zoom-Vergrößerung, das stufenlos Vergrößerungen etwa zwischen 10x und 60x erlaubt, dient als Basis. Es hat einen Trinokularaufsatz (für die Photographie) und eine Möglichkeit zur Durchlicht- und Auflichtbeleuchtung.
Links daneben ein Mikromanipulator von "Prior" (England), der mit seiner verstellbaren Spitze hier ein einzelnes "capillary cone" hält.
Rechts ein weiterer Mikromanipulator (Gamma/New York) der eine "AGLA"-Mikrometer-Spritze hält, mit deren Hilfe über die ausgezogene Kapillarpipette genau Flüssigkeitsmengen im Nanoliter-Bereich in das cone appliziert werden können.
Für die Ultramikrochemie empfiehlt sich ein Mikroskop, dessen Scharfstellung nicht über die Bewegung des Tisches erfolgt.
Das eigentlich wichtigste Werkzeug in der Mikro- und Ultramikrochemie sind die Glasgeräte und hier insbesondere die "cones und microcones" sowie die Kapillarpipetten.
Im Bild unten eine Auswahl der vom Autor verwendeten Geräte, die entweder selbst aus Schmelzpunktröhrchen verschiedener Kaliber gezogen, oder aber von einem ambitionierten Glasbläser (Herr Andreas Heinecke/Ilmtal/Thüringen) in größeren Mengen angefertigt werden.
Die drei cones links sind aus Schmelzpunktröhrchen mit Außendurchmesser 1,6mm (innen 1,3mm) so gezogen, daß ein längeres "Stielchen" entsteht, das zum Einspannen in die Halterung des Mikromanipulators gebraucht wird. (sonst bleibt eine Haltevorrichtung, die ich als "Kapillarbasis" bezeichne)
Das rechte cone ist aus einem Röhrchen von 3mm Außendurchmesser hergestellt.
Die typischen Probleme der (Ultra-)Mikrochemie:
Ein großes Problem bei der Anwendung der microcones sind, abhängig vom Innendurchmesser, die Kapillarkräfte, die ein Befüllen und Entleeren (auch der Mikropipetten) hochgradig erschweren können.
In Einzelfällen kann man ihre Wirkung umgehen, indem man die Höhe der cones so niedrig wie möglich hält.
Oft ist es erforderlich, kleine Flüssigkeitsmengen, die nicht von selbst auf den "Grund" des cones fließen (und das tun sie unterhalb von 3mm Durchmesser nie!) durch kurze Zentrifugationen dorthin zu befördern.
Auch gibt es die Möglichkeit, die Kapillarkräfte durch Benetzung der Glasoberfläche mit Paraffin (etwas) oder Silanen wie Teddol (R) oder Desicote (R) (stark) zu überlisten, wobei es sich bei den Silanen um Stoffe handelt, die nicht problemlos zu handhaben sind.
Der Author verwendet seit längerem als "anti-wetting-agent" : "Rain-X" !
Diese Flüssigkeit ist wenig giftig, gut handhabbar und bewirkt eine außerordentliche Verbesserung der Arbeit in Kapillaren! Sie ist im Handel erhältlich.
Ein weiteres charakteristisches Problem sind die relativen Vergrößerungen der Kontaktfläche von Flüssigkeiten zu den Mikrogefäßen und die relativ vergrößerten Flüssigkeitsoberflächen. Diese betragen etwa das fünfzig- bis hundertfache (!) der relativen Kontaktflächen/ Oberflächen der Makrochemie. Die Folgen: mögliche Erhöhung der chemischen Interaktion (auch Adsorption) mit der Glaswand mit möglichen erheblichen Konzentrationsabnahmen der Reaktionsteilnehmer beziehungsweise schnelleres Verdampfen von Flüssigkeiten.
größere Gefäße ("cones") werden am Besten von spezialisierten Glasbläsern aus Borosilikatglas hergestellt.
Unten die aus Glasröhrchen verschiedener Kaliber gezogenen Kapillarpipetten. Sie werden gebraucht, um kleinste Flüssigkeitsmengen zu transportieren oder, nach Kalibrierung, zu wägen.
Am oberen Rand ein ausgezogener Glasstab, der zum "Rühren" in den cones dient.
Die gebogene unterste Pipette wird z.B. für die Arbeit mit "hängenden Tropfen" gebraucht.
Zwei Mörser aus Spezialstahl zum Zerdrücken kleiner Proben (insb. Kristalle) vor der weiteren Bearbeitung.
Der obere der beiden wurde von Frank D. (Mikroskopie-Forum) konstruiert und gebaut
Die capillary cones werden einzeln in einem Mikromanipulator fixiert; hier z.B. in einem Typ: MM-Model 412
Eine andere Möglichkeit ist die Fixierung eines oder mehrerer cones in einer "Basis".
Diese wird direkt auf dem "Objekttisch" eines Stereomikroskops fixiert. Hier wurden mehrere Bohrungen verschiedener Kaliber nebeneinander so angebracht, daß einerseits die Glasgefäße gut fixiert, andererseits aber gut sichtbar bleiben.
Heizgeräte
Erhitzt werden Probenbehälter (Glasgeräte oder Platintiegel) entweder durch Infarotlampen (s.Bild oben), in temperierbaren Schränken oder in speziellen Halterungen auf Heizplatten. In vielen Fällen muß ein Kapillargefäß dazu verschlossen werden (zugeschmolzen), damit die Flüssigkeit nicht durch entstehende Gasbläschen sofort hinausgedrückt wird.
Ein von einem weiteren Mitglied des "Mikroskopie-Forums" (Olaf.med) angefertigtes Heizblöckchen aus Edelstahl zum Erhitzen von Mikro-Glasgefäßen verschiedener Kaliber. In eines der Löcher wird ein passendes Thermometer eingesteckt.
Temperaturen von über 400°C lassen sich mit den beiden nachfolgenden Geräten erzielen, die beide ebenfalls von einem Mitglied des Mikroskopie-Forums (reblaus) gebaut wurden.
Das erste ist ein stark isolierter Heizblock, der sich mit großer Genauigkeit auf hohe Temperaturen einstellen lässt.
Mikrogefäße müssen hierzu natürlich zugeschmolzen werden.
Das nachfolgende Gerät erlaubt mit seiner mm-großen Platinspitze das Heranführen hoher Temperaturen an kleinste microcones innerhalb eines festen Aufbaus.
Auch hier lassen sich hohe Temperaturen auf wenige °C genau einstellen.
Ein neues Heizgerät für Temperaturen von bis zu 1100 °C wurde gerade von einem weiteren Physiker des Forums (wilfried48) für die Mikrochemie erdacht und gebaut.
Es soll Tiegel aus Platin und anderen chemie- und temperaturfesten Materialien in Größen von bis zu 5 mm (!) sicher aufnehmen. In diesen können dann sowohl "Aufschlüsse" wie Veraschungen durchgeführt werden.
Es besteht aus einer 0,8 mm dicken Wendel aus Kanthal, die mit einem Hochtemperaturzement verkleidet wurde, um die Oxidation der Legierung zu vermindern. Die Stromversorgung und die Regelung erfolgt über ein Labornetzteil (bis 20W)
Feuchtkammer
Sollen kleinste Flüssigkeitsmengen in Kapillargefäßen insbesondere bei quantitativen Bestimmungen aufbewahrt werden, muß verhindert werden, daß deren Verdunstung über ein tolerables Maß hinausgeht und die Probe aufkonzentriert.
Dazu wurden schon früh "Feuchtkammern" entwickelt, in denen eine hohe vorgegebene Feuchtigkeit dieser Verdunstung der Probe entgegenwirkt.
Unten zwei Selbstbauten des Autors aus einer Glaskuvette (sowie aus Plexiglasteilen) und einem Stück Modelliermasse, in das mehrere Löcher zur Aufnahme von "capillary cones" gebohrt wurden.
Die Feuchtigkeit wird durch Einlage von wassergetränkten Filterpapierstückchen erzeugt.
Die noch offene Vorderseite der Konstruktion wird später bis auf die Beschickungsöffnung verschlossen.
Im Vordergrund rechts eine Kapillarpipette zur Befüllung der Gefäße.
Ganz unten wiederum eine Hamiltonspritze mit Kapillarpipette zur Befüllung der cones.
Brummer
Unten eine Anordnung, die hauptsächlich zur Mikrotitration nichtflüchtiger Substanzen, sonst aber auch für andere Reaktionen, in denen es auf eine intensive Durchmischung der Reaktionsteilnehmer ankommt, gebraucht wird.
Als Reaktionsgefäß hier eine "Tüpfelplatte" aus weißem Porzellan, die kleinste Farbänderungen (z.B. eines Indikators) sichtbar werden läßt. Ein mm-dünner Glasstab ist in einen "Brummer" (buzzer) eingespannt, der ein elektrisches Bauteil eines "handys" enthält. Ein Tropfen einer Flüssigkeit kann intensiv durchmischt werden, ohne die Probe zu verpritzen. (gebaut von "reblaus" aus dem Mikroskopie-Forum)
Unten eine Mikrotitration (Jodometrie) von wenigen µl einer Flüssigkeit mit hier Stärke-Lösung als Indikator.
Links der "buzzer", rechts oben sichtbar die zuführende Kapillarpipette (Ultramikroburette) (siehe auch die Vorstellung unter "Kolwezit").
