Arsen Voltammetrische Bestimmung von Arsen in Trinkwasser

Autor / Redakteur: Stephanie Kappes* / Marc Platthaus

Weltweit sind viele Millionen Menschen durch eine erhöhte Arsenkonzentration in Grund- und Trinkwasser bedroht. Eine günstige und einfache, gleichzeitig zuverlässige Alternative zur spektroskopischen Bestimmung von Arsen bietet die Voltammetrie.

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Abb. 1b: Für die grüne Farbe im Hintergrund verwendete Vincent van Gogh hochgiftiges Kupfer(II)-arsenitacetat. Die Abbildung zeigt ein Selbstbildnis des Künstlers, das er Paul Gauguin widmete.
Abb. 1b: Für die grüne Farbe im Hintergrund verwendete Vincent van Gogh hochgiftiges Kupfer(II)-arsenitacetat. Die Abbildung zeigt ein Selbstbildnis des Künstlers, das er Paul Gauguin widmete.
(Quelle: Webmuseum)

Die verschiedenen Eigenschaften von Arsen und dessen Verbindungen hat sich der Mensch im Laufe der Zeit zu Nutze gemacht: In der Antike benutzte man das rote und das gelbe Arsensulfid (As2S3 bzw. As4S4) als Schminke und Haarent­fernungsmittel. In der Kunst wurden Arsenverbindungen als Pigmente gebraucht – so zum Beispiel in van Goghs „Selbstbildnis gewidmet Paul Gauguin“ (1888, s. Abb.1a). So genanntes „Schweinfurter Grün“ (Kupfer(II)-arsenitacetat) verleiht dessen Hintergrund seine charakteristische Farbe. Und, um nur eine ­Verwendung aus der Medizin zu nennen: Das erste wirksame Mittel gegen Syphilis war die Arsenverbindung Arsphenamin (1910). Am bekanntesten ist das Element mit der Ordnungszahl 33 aber als Gift. Als Verunreinigung im Trinkwasser haben Menschen in verschiedenen Teilen der Erde bis heute damit zu kämpfen.

In Literatur und Film hat Arsen als Gift eine beispiellose Karriere hingelegt. In „Kabale und Liebe“ lässt Schiller den Protagonisten Ferdinand von Walter und seine Geliebte den Arsentod sterben. Die unglücklich verheiratete Madame Bovary nimmt sich in Flauberts gleichnamigem Roman auf dieselbe Weise das Leben.

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Und im Filmklassiker „Arsen und Spitzenhäubchen“ aus den 1940er Jahren verabreichen zwei „wohltätige“ Damen einsamen älteren Herren Arsen, um sie von ihrem tristen Dasein zu erlösen. Beendet wurde diese Karriere wohl durch die Marshsche Probe, dank der Arsenvergiftungen seit 1836 posthum nachweisbar sind.

Reale Gefahr durch Arsen im Grundwasser

Tatsächlich kostet Arsen noch heute viele Menschen das Leben, auch wenn kein Vorsatz besteht. Landwirtschaft und Industrie können zu erhöhten Arsenkonzentrationen im Grundwasser beitragen.

Vor allem aber sind spezielle geologische Bedingungen dafür verantwortlich, dass sich in einigen Regionen der Erde erhöhte Mengen an arsenhaltigen Mineralien finden (zum Beispiel Realgar; s. Abb. 1b). Besonders häufig betroffen ist geologisch junges Schwemmland, sprich Flussniederungen und die Deltas großer Flüsse. Durch Auswaschung aus Sedimentpartikeln gelangt Arsen in Form von Arsenit (AsO33-) und Arsenat (AsO43-) ins Grundwasser, wo es die lokale Bevölkerung gefährdet.

Bangladesch – vom Regen in die Traufe

Ein „Krisengebiet“ ist Bangladesch. In den 1970er Jahren wurden tiefe Brunnen gebaut, um durch verseuchtes Oberflächenwasser verursachte Erkrankungen wie Cholera und Hepatitis zu reduzieren. Das Grundwasser ist zwar mikrobiell rein, enthält aber aufgrund der Zusammensetzung des Bodens hohe Arsenkonzentrationen. Die Weltgesundheitsorganisation (World Health Organization, kurz WHO) empfiehlt, dass der Arsengehalt von Trinkwasser 10 µg/L nicht übersteigen soll. In vielen Ländern, darunter den USA und den EU-Staaten, ist dieser Grenzwert gesetzlich verankert.

Eine Übersicht einiger Grenzwerte zeigt Tabelle 1. Schätzungen zufolge sind in Bangladesch rund 45 Millionen Menschen höheren Arsenkonzentrationen ausgesetzt. Etwa 20 Millionen Menschen müssen sogar mit Konzentrationen leben, die den lokalen Grenzwert von 50 µg/L überschreiten [1]. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Arsenkonzentration im Grundwasser in Bangladesch.

Arsen – ein weit verbreitetes Problem

Eine aktuelle Publikation legt nahe, dass auch große Teile Chinas von dem Problem betroffen sind. Basierend auf Daten aus Geologie, Topographie und Bodenbeschaffenheit sagt das verwendete statistische Modell vorher, dass beinahe 20 Millionen Menschen in Risikogebieten für erhöhte Arsenkonzentrationen leben [2]. Erhöhte Arsenkonzentrationen im Grundwasser gibt es nach Angaben der WHO außerdem in Argentinien, Chile, Indien, Mexiko und den USA.

Die Einhaltung der Grenzwerte wird mit apparativ häufig sehr aufwändigen, spektroskopischen Methoden überwacht.

Zuverlässige und schnelle Arsenbestimmung

Eine günstige und einfache Alternative zur spektroskopischen Bestimmung von Arsen bietet die Voltammetrie mit der scTRACE Gold (s. Abb. 3). Die Nachweisgrenze dieses Sensors liegt deutlich unter dem für Trinkwasser gültigen Grenzwert von 10 µg/L – bei einer Konzentration von 5 µg/L erzielt er eine Wiederfindung von gut 95%. Abbildung 4 zeigt eine solche Bestimmung – der gefundene Arsengehalt lag hier bei 4,9 µg/L. Der Sensor ermöglicht eine einfache und zuverlässige Überwachung des Arsengehalts in Trinkwasser. Die Analysenzeit beträgt pro Probe etwa 10 Minuten.

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Einfach in der Handhabung und wirtschaftlich

Die Handhabung des Sensors ist denkbar einfach. Er vereint alle drei für die Messung benötigten Elektroden. Um ihn in Betrieb zu nehmen, wird er einfach auf den Elektrodenschaft aufgesteckt, in die Probe eingetaucht und die Bestimmung kann gestartet werden. Durch die neu entwickelte Gold-Mikrodraht-Arbeitselektrode entfällt eine aufwändige Vorbereitung und Konditionierung der Elektrode. Das spart Zeit. Zudem wird die Anwendung vereinfacht, da nicht mehr beurteilt werden muss, ob die Elektrode bereits einsatzbereit ist. Darüber hinaus sind die im Siebdruckverfahren hergestellten Referenz- und Hilfselektroden vollständig wartungsfrei.

Wie bei jeder Elektrode lässt auch bei der Gold-Mikrodraht-Elektrode die Leistungsfähigkeit mit steigender Anzahl an Bestimmungen nach. Dank der praktischen Steckkonstruktion, bei der lediglich der kostengünstige Sensor ausgewechselt wird, ist ein Austausch kein Problem. Dadurch sind zuverlässige Ergebnisse jederzeit gewährleistet. Ein weiterer Vorteil der voltammetrischen Arsenbestimmung mit der Gold-Mikrodraht-Elektrode ist die Möglichkeit, allein durch die Wahl der Messparameter zwischen dem toxischeren As(III) und dem weniger toxischen As(V) zu unterscheiden. Die Elektrode kann mit jedem Metrohm-Voltammetrie-Messstand verwendet werden.

Literatur

[1] Flanagan, S.V. et al. (2012) Bull. World Health Organ. 90, 839–846

[2] Rodríguez-Lado, L. et al. (2013) Science 341(6148), 866–868

* S. Kappes: Metrohm AG, 9100 Herisau/Schweiz

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