Ultramikrochemie auf dem "condenser rod"

[Reinhard]

Hallo Freunde,

Einer der Großmeister der Mikrochemie, A.A. Benedetti-Pichler (Queens College, New York), beschreibt in seinem Buch: "Identification of Materials Via Physical Properties, Chemical Tests and Microscopy" (1964) die Versuche,
an die Grenze der Nachweisbarkeit chemischer Verbindungen mithilfe der ausgefeiltesten Techniken der Mikrochemie zu kommen.
Seine Mitarbeiter Rachele² und Loscalzo³ führen in Tropfen von 1 pl (!) , 12µm groß, Nachweise von 10^-14 g Barium in einer 0,001% Lösung durch. Bei 400 facher Vergrößerung konnte ein feines kristallines Präzipitat beobachtet werden.
Die Arbeit mit diesem pl-Tropfen erfolgte in einer Feuchtkammer und in einem dünnen Paraffin-Belag auf einem umgedrehten Deckgläschen.

Für die gröberen Arbeiten empfiehlt Benedetti-Pichler einen sogenannten "condenser rod", der dann von vielen anderen Mikrochemikern übernommen wurde.
Es handelt sich um einen an einem Ende dünn ausgezogenen Glasstab (0,1 - 0,5mm) dessen dünnes Ende im rechten Winkel nach oben gebogen wurde.
Die dünne Endplatte, die sich daraus ergibt, wird möglichst plan geschliffen und der gebogene Stab mit dem dicken Ende auf eine geeignete Unterlage geklebt.



Der Vorteil dieser Anordnung: zum einen läßt sich die Ausdehnung eines Tropfens, anders als auf einem Objektträger, auf eine sehr kleine Fläche begrenzen, zum anderen läßt sich die Arbeitsfläche,
auch bei Größen um  0,1mm, sehr gut durch die Fortleitung einer Lichtquelle, die durch das "dicke" Ende des Stabes eintritt, beleuchten.
Ich habe einen Borosilikatstab von 0,5 mm Dicke um 90° gebogen und auf einen OT geklebt. Die Beleuchtung erfolgt durch eine Jansjö-Leuchte die den Tisch des Mikroskops von seitlich bestrahlt.
Das Ergebnis ist eine hell leuchtende Arbeitsfläche mit scharfer Begrenzung, auf der die chemischen Reaktionen stattfinden.





Da mir die meist tiefbraunen bis schwarzen kubischen Kristalle der Tripelnitrite des Cu/Pb-Komplexes immer sympatisch waren, habe ich sie auch hier zur Demonstration eingesetzt.
Zur Reaktion kommen also Nanolitermengen einer  0,005N  CuSO4-Lösung, die mithilfe von fein ausgezogenen Kapillarpipetten und eines Mikromanipulators unter etwa 100-facher Vergrößerung auf die Fläche
des "rods" aufgebracht werden. Nach dem Trocknen wird eine etwa ebensolche Menge eines konzentrierten Gemisches aus Bleiacetat und Kaliumnitrit in Wasser aufgebracht.
Nach kurzer Zeit entwickeln sich die kubischen Kristalle des  K2CuPb(NO2)6, je nach Verdünnung kleiner und heller braun, als im konzentrierteren Versuch.

Die Kristalle zeigen hier Größen von 1-8 µm Kantenlänge.


Dieses Bild zeigt die von unten her beleuchtete Arbeitsfläche des "rod" mit vielen typischen Tripelnitrit-Kristallen in Größen von etwa 1 µm bis zu 8 µm.



Auf diesem Bild wurde die aufgebrachte Cu-Menge deutlich verkleinert.


Hier nun das maximal Erreichbare mit stärker verdünnter Lösung und kleineren aufgebrachten Mengen der Cu-Lösung.

Und nun eine kleine Rechnung:
Ein kleiner Tripel-Kristall möge eine Dichte von 4 [g/ml] und eine Kantenlänge von drei µm haben.
Dann hätte dieser Einzelkristall ein Gewicht von etwa 100 pg (Pikogramm) und ein Volumen von 27 x 10 hoch -9 mm³.
Im letzten Bild sollen 10 Kristalle zum Nachweis kommen; diese dann mit einem Gewicht von etwa 1 Nanogramm.
Da der Kupfergehalt in diesem Tripel etwa 10 % beträgt, werden also im letzten Bild 100 pg (Pikogramm) also 1 x 10 hoch-10 gramm Cu nachgewiesen.

² A.A. Benedetti-Pichler, J.R. Rachele, "Analytical Chemistry, 12,233 1949"
³ Anne G. Loscalzo, Unpublished Experiments, 1940


Bitte ggf. um Nachrechnung.
Schönen Sonntag
Reinhard

dedicated to Klaus Herrmann

[reblaus]

Waaaahnsinn!

Viele Sonntagsgrüße

Rolf

[D.Mon]

Hallo Reinhard,

sehr erstaunlich und sehr beeindruckend.
Vielen Dank fürs Zeigen.

Viele Grüße
Martin

[Jürgen Boschert]

Hallo Reinhard,

Du gibst uns immer wieder erstaunliche Einblicke in die Mikrochemie - danke dafür !

Spock würde sagen: Faszinierend !

[Rawfoto]

Hallo Reinhard

Finde es toll was du da wieder hinbekommen hast, Gratulation 

Da schmeckt mir mein Müsli gleich noch viel besser wenn ich so einen Beitrag als Beigabe serviert bekomme

Liebe Grüße

Gerhard

[Reinhard]

Hallo zusammen,

freut mich sehr, daß ich Euer Interesse wecken konnte!

wünsche allen einen Schönen Sonntag
Reinhard

[Peter V.]

Lieber Reinhard,

wieder ein sehr interessanter Beitrag von Dir - er entführt in eine Welt, die den meisten von uns auch im Chemieunterricht verborgen blieb; ich kann mich allenfalls mal an die Erwähnung der "Tüpfelchemie" durch meinen  Chemielehrer in der Obertsufe erinnern.

Ist die Mikrochemie inzwischen ein komplett obsoletes Verfahren oder hat sie heute noch (außer in Deinem Labor) irgendwo eine Nische? War die Mikrochemie immer eine Nischenverfahren oder fand sie sie zu früheren Zeiten auch breitere Anwendung, z.B. auch in analytischen Laboratorien außerhalb der Forschung? Ich denke, dass mittlerweile Chromatographie, Massenspektrometrie, Röntgendiffraktion - und was es nicht alles gibt - die Mikrochemie komplett verdrängt haben. Sehe ich das richtig?

Herzliche Grüße
Peter

[Reinhard]

Lieber Peter,

Ich denke, die Mikrochemie und die ja mengenmäßig noch tausendmal "kleinere" Ultramikrochemie existieren nur noch in meinem
Keller.
Die zum Teil ja sehr aufwändigen Techniken, die das Anfertigen z.B. feinster Glasgeräte erfordern, sind durch physikalische
Verfahren abgelöst worden.
Das Ende der Mikrochemie liegt etwa in den mittleren 70er Jahren.
Die Hauptzeit dieser Technik der Chemie liegt in den 40er Jahren des 20.Jahrhunderts, und hier insbesondere angefeuert durch das
"metallurgical project" als Unterabteilung des "manhattan project", das zur Aufgabe hatte, aus den wenigen µg des neu entdeckten
künstlich durch Bestrahlung von Uransalzen in den ebenfalls neu entwickelten Beschleunigern hergestellten Elementes Plutonium
möglichst viele von dessen chem. und phys. Eigenschaften herauszufinden.
Später wurden auch weitere künstliche Elemente, wie Americium, Californium usw. meist ultramikrochemisch gewonnen und untersucht.
Hierfür stehen Namen wie Seaborg, Cunningham, Werner und Cefola.

Ausführlichere Betrachtungen finden sich auf meiner unten verlinkten Seite.

Viele Grüße
Reinhard

[olaf.med]

Lieber Reinhard,

wie schon so oft bei Deinen Beiträgen kann ich nur ehrfürchtig und bewundernd staunen. Herzlichen Dank dafür.

Zur Zeit ist mein Sohn hier zu Besuch, dem ich den Beitrag natürlich gleich gezeigt habe. Er ist als Biochemiker ehre "vom Fach" und hat auch gleich ein paar Fragen an Dich.

Hallo zusammen!
Ein wirklich spannendes Forum und ein sehr interessanter Beitrag. Mich würde sehr interessieren, wie die kleinen Volumina aufgebracht werden können. Im Labor stoßen wir mit herkömmlichen Pipetten bei ca. 0.5µl bereits an die Grenzen, mit Robotik habe ich schon mal 200nl Tröpfchen pipettieren lassen und bei Mikroinjektionen in Zellen waren es auch mal kleinere, aber eher unbestimmte Volumina (mittels Piezo-Injektion). Wie kann man denn ein Volumen im Bereich von 1pl handhaben - über das Abstreifen von Nadeln? Und bei welcher Luftfeuchte kann das denn überhaupt durchgeführt werden? Ich nehme an, dass ein so kleiner Tropfen bei Normalbedingungen praktisch sofort austrocknet?
Vielen Dank schon im Voraus und einen schönen ersten Advent!
Liebe Grüße,
Jan

[Florian D.]

Reinhard,

vielen Dank für diesen, wie von Dir gewohnt. phantastischen Beitrag!
Microchemie existiert natürlich immer noch und hat sich phantastisch weiterentwickelt.
Beispiele sind "Lab on a chip", PCR, oder der Nachweis des chemischen Verhaltens neuer superschwerer Elemente anhand einzelner Atome. Mit den mikroskopischen Methoden hat das natürlich nur noch bedingt was gemein.

Viele Grüsse
Florian

[Reinhard]

Lieber Olaf, lieber Jan;

mir liegt zur ersten Beantwortung der Frage nach der Produktion von Tröpfchen der Größe 1 pl gerade eine Arbeit
von Benedetti-Pichler aus dem Jahre 1958 vor. ("Chemical Experimentation under the Microscope" aus: Microchemical Journal,
Vol.II, pages 3-20 )
"...the other end is best connected by a flexible tubing to a hypodermic syringe or a metal tube with a screw-fed plunger for the remote control
of the pressure in the pipet. The plunger device is filled with hydraulic liquid (usually water), that has been boiled for the removal of dissolved gas.
The tip of the pipet has an orifice of 1-2 µm diameter and ....has a total capacity of less than 0,05 µl......
....For the injection of known volumes of fluids (into cells) drops of the desired diameter are deposited on the underside of the top of the moist-chamber.
The micropipet is finally emptied, and the drop of the desired size taken up for injection.
Assuming hemispherical shape, drops of 1 µm diameter represented 2,5 x 10 hoch -13 ml = 0,00025 pl of solution....

das ist ein ausführlicher Text zu dem handling kleinster Flüss.Mengen, den ich gerne zur Verfügung stellen kann.

Das Herausdrücken kleinster Fl.Mengen durch enge Kapillaren ist natürlich ein Problem; es läßt sich einigermaßen bezwingen, wenn man den kompletten
Hohlraum zwischen dem 1 mm-größen Stempel meiner bis zu 10 µl-großen Hamilton-Spritzen und der µm-großen Öffnung der Kapillarpipette vollständig mit luftfreiem
Wasser füllt. Es darf absolut nichts "federn".
Vor allem bei meinen Mikrotitrationen kann ich so problemlos Mengen im 100 nl-Bereich absetzen.
Eine weitere Verbesserung kann man erzielen, wenn die Pipette vorher mit einem "Repellant" gespült und unter Bewegen des Stempels getrocknet wird.

100 Nanoliter sollten aber eh kein Problem sein, da es ja sogar schon eine "Eppendorf Research"-Pipette gibt, die einen Bereich von 0,1 - 2,5 µl hat.
Mit der geeigneten sehr feinen Spitze (Eppendorf) läßt sich hier problemlos eine Menge im Bereich von 100 nl aufnehmen, die in der feinen Spitze gerade etwa 1mm Höhe ausmacht.

Bei meinen vorgestellten Versuchen, habe ich die kleinen Flüssigkeitsmengen nicht exakt abgemessen, sondern durch Verdünnen der Stammlösung des Cu solange probiert,
bis nur noch etwa 10 Kristalle zur Fällung kamen. Das Eintrocknen der Cu-Lösung war dann ja gewollt und bis zum Eintrocknen der Reagenzlösung hatten sich die Kristalle schon
gebildet und waren "im Kasten".

Herzliche Grüße
Reinhard

[Reinhard]

Lieber Olaf, lieber Jan,

Nachtrag:
Folgendes "Gedankenexperiment":
man zieht, wie von Benedetti empfohlen, eine Kapillarpipette zu einen Durchmesser von 1 µm (sehr ambitioniert) aus.
Man taucht die Spitze in eine aufzunehmende Flüssigkeit und zieht sie (unter den oben geschilderten Maßnahmen) bis auf 10 mm
in der Spitze hoch; ggf. unter erneutem vorsichtigen Entleeren.
Dann müßte nach meinen Rechnungen (die bitte überprüft werden sollten) ein Volumen von 8 pl vorliegen.
(0,5x10-³)² x pi x 10 mm Vol.=ung. 0,8 x 10hoch -6 mm² = 8pl.
Die könnte man dann auf jeden Fall wieder "herausdrücken".

Herzl. Grüße
Reinhard

[Reinhard]

Hallo Florian,

vielen Dank für Dein großes Lob.
Die Mikrochemie, die Du ansprichst, ist mir in Einzelaspekten bekannt; insofern lebt eine "Mutante" der Cunningham'schen Mikrochemie weiter,
aber sie ist als solche kaum noch zu erkennen; das ist eher etwas für junge Leute, wie Dich. 

Viele Grüße
Reinhard

[Peter V.]

Hallo,

Hallo Florian,

vielen Dank für Dein großes Lob.
Die Mikrochemie, die Du ansprichst, ist mir in Einzelaspekten bekannt; insofern lebt eine "Mutante" der Cunningham'schen Mikrochemie weiter,
aber sie ist als solche kaum noch zu erkennen; das ist eher etwas für junge Leute, wie Dich. 

Viele Grüße
Reinhard

Mein Interesse an der Chemie wurde zu Schulzeiten primär durch die "Sinne" geweckt - durch die Atmosphäre in einem Labor, die Gerüche, die schönen Glasgefäße mit Chemikalien, mehr oder weniger kunstvolle komplexe Glasapparaturen, die Flamme des Bunsenbrenners etc.., das manuelle Arbeiten, Titrieren, Kochen, Eindampfen...
Damit hat ein modernes Labor - speziell in der Biologie/Biochemie - gar nichts mehr gemein. Nein, die schöne neue Plastikwelt der Eppedorfpipetten und - gefäße, der Mikrotiterplatten und Steril- und Sicherheitswerkbänke ist  nicht die meine. Ich bin froh, dass mich mein Weg - eher zufällig - zur Medizin geführt hat und ich nicht, wie immer babsichtigt, Chemie studiert habe. Damals war mir nämlich nicht klar, dass der Arbeitsplatz des studierten Chemikers in sicher mehr als 90 Prozent der Fälle nicht das Labor, sondern der Schreibtisch, Konferenztisch oder der Dienstwagen ist und seine Werkzeuge nicht die Bürette und der Erlenmeyerkolben, sondern der PC und das Telefon. Aber selbst der Chemielaborant bedient ja heute nahezu nur noch Automaten, ein klassisches "Naßlabor" gibt es kaum noch; der Labortsich dient mehr als Abstellfläche eckiger Elektronikkästen. Ich vergleiche das mal mit dem Schreinerhandwerk: Man mag die Arbeit am Holz, den Geruch, das feeling beim Hobeln, das Sägen etc.; in Analogie zur Chemie würde der Schreiner (Chemielaborant) dann nur noch in einer Möbelfabrik die Maschinen für den automatischen Zuschnitt und die Umleimung bedienen und überwachen und der Schreinermeister säße nur noch im Büro und designt Möbel bzw. plant deren Bau, käme aber selbst mit Holz praktisch nicht mehr in Berühurung.

Wie es im heutigen Hochsicherheitschemieunterricht noch gelingt, Begeisterung für das Fach Chemie mit Plastikpipettchen, Seifenwasser und Natron zu erzeugen, ist mir ohnehin ein Rätsel.

Herzliche Grüße
Peter

[Thomas M]

CHAPEAU lieber Reinhard,
für Deine erfolgreichen Wanderungen zu den Grenzen nass-chemischer Praxis! Es ist immer wieder ein Genuss Deine diesbezüglichen Beiträge zu lesen.

Wie ich sehe, scheint Dein schwarzes Phomi aber daran gänzlich unbeteiligt zu sein. Eigentlich wäre es ob seines Alters doch geradezu prädestiniert dazu auf Benedetti-Pichlers Spuren zu wandeln. 

Oder gibt es dem "Enkel" etwa Regie-Anweisungen aus dem Hintergrund? 

Herzliche Grüße
Thomas