Qualifizierung eines Voltammetrie-Messsystems

Abstract

Es wurde eine ausführliche Gerätequalifizierung des Voltammetrie-Messsystems bestehend aus dem Potentiostaten μStat 200, den Elektrodenstreifen und weiterem Zubehör von DropSens durchgeführt. Dabei wurde der Einteilung der Qualifizierung der USP in die vier Abschnitte DQ, IQ, OQ und PQ gefolgt. Die Design-Qualifizierung bestand aus der Zusammenstellung der Anforderungen an das Voltammetrie-Messsystem. Diese waren die innovative Herstellungstechnik der Feststoffelektroden durch Siebdruck, das Konzept der Einweg-Elektroden und die im Gegensatz zu Quecksilber ungiftigen Elektrodenmaterialien. Darüber hinaus war es die Möglichkeit, aufgrund der geringen Ausmaße und des Gewichts des Potentiostaten, Messungen an jedem Ort statt nur im Labor durchführen zu können. Während der darauf folgenden Installations-Qualifizierung wurden alle gelieferten Teile geprüft und dokumentiert. Die Installation von Software und der Aufbau des Geräts waren erfolgreich. Die Funktions-Qualifizierung umfasste die Prüfung der einzelnen Bestandteile des Voltammetrie-Messsystems ebenso wie das allgemeine Handling. Der Potentiostat wurde auf die Spezifikationen des Herstellers geprüft, welchen er entspricht. Die Elektroden allein konnten nur auf die Oberflächenbeschaffenheit untersucht werden. Sie weisen aufgrund der Herstellungstechnik eine netzartige Struktur auf, was nicht den idealen Eigenschaften einer Elektrodenoberfläche entspricht. Darüber hinaus ist die Elektrodenoberfläche hydrophob, was das Aufbringen von kleinen Tropfenvolumina unter 100 μL für Messungen direkt auf dem Elektrodenstreifen erschwert. Das Zubehör wie Messgefäß und Durchflusszelle sind funktionsfähig, müssen jedoch aufgrund ihres geringen Eigengewichts fixiert werden. Die Anforderung der DQ, das Gerät auch außerhalb des Labors zu verwenden, ist nur eingeschränkt möglich, da die kleinen und leichten Bauteile auf einem trockenen, stabilen und vibrationsfreien Untergrund betrieben werden müssen. Bei der Prüfung der Steuersoftware sind erhebliche Mängel festgestellt worden. Sowohl bei der Übertragung der Messparameter, als auch bei der Auswertung und Speicherung von Messkurven sind Fehler aufgetreten, die nur durch umsichtigen Umgang mit der Steuersoftware vermieden werden konnten. Im Zuge der Leistungs-Qualifizierung wurden verschiedene Anwendungen auf dem Voltammetrie-Messsystem ausgeführt und anhand der Ergebnisse die Eignung des Systems beurteilt. Da sich mit jeder Messungen auf einem Elektrodenstreifen (DRP-110) Lage und Höhe der Peaks verändern, wurde die Präzision von CV-Messungen eines Tropfens Paracetamol- Lösung auf einem Elektrodenstreifen untersucht. Die rel. SD von 20 Messungen je eines Tropfens auf einem Elektrodenstreifen beträgt für die Peakhöhe 2,5% und für die Peaklage sogar 13 %. Die Präzision der Messungen kann deutlich verbessert werden, wenn die Elektroden vor der Messung konditioniert werden. Eine durch das Steuerprogramm einstellbare Vorbehandlung (Pretreatment) kann nur bei einem festen Potential erfolgen. Dies hatte keine Verbesserung der Präzision zur Folge. Eine Vorbehandlung der Elektroden durch CV-Scans im Messbereich mit der Pufferlösung führte zu einer ähnlich guten Verbesserung der Präzision, wie das außer Acht lassen der ersten fünf Messungen einer Messreihe. Nach beiden Vorgehensweisen konnte die rel. SD des Peakpotentials um mehr als die Hälfte und die rel. SD der Peakhöhe auf <1% gesenkt werden. Die Wiederholpräzision von 15 Messung nach 5 Messungen zur Konditionierung wurde auf 20 Elektrodenstreifen untersucht. Die Ergebnisse waren nicht signifikant unterschiedlich und gehören mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% einer Grundgesamtheit an. Eine Wiederholung der Messreihe mit einem anderen Potentiostaten (Trace Analyzer) und die Auswertung der Daten über dessen Software zeigte, dass die Messungen nicht signifikant voneinander verschieden waren. Ein direkte Vergleich der beiden Potentiostaten und Steuersysteme μStat und Trace Analyzer wurde anhand einer Kalibrierfunktion von Paracetamol gezogen. Mit dem Trace Analyzer wurden deutlich bessere Ergebnisse in Bezug auf Präzision der Peakhöhen der einzelnen Konzentrationen und Parameter der Kalibriergeraden erzielt. Die Veränderung der Elektrodenoberfläche kommt durch Oxidationsvorgänge und Adsorption zustande. Im Falle von Nimodipin konnte die Eigenschaft, dass dessen Adsorption proportional zur Zeit geschieht, genutzt werden, um die Empfindlichkeit der Methode zu verbessern. Es wurde gezeigt, dass mit einer Rührdauer von 60 Sekunden eine Nachweisgrenze von 1,2 ng/L Nimodipin erreicht werden konnte, was bisher nur mit Adsorptive Stripping Methoden an der hängenden Quecksilberelektrode erreicht worden ist [18]. Mittels Parametern der Kalibriergeraden wurden die Nachweis- und Bestimmungsgrenzen von Paracetamol und 4-Aminophenol ermittelt. Die Kalibriergeraden hatten Verfahrensstandardabweichungen von 9,0 · 10−6 g/L für Paracetamol und 2,6 · 10−5 g/L für 4-Aminophenol. Die Nachweis- und Erfassungsgrenzen lagen bei 1,0 · 10−5 g/L und 3,1 · 10−5 g/L für Paracetamol und bei 2,3 · 10−5 g/L und 7,0 · 10−5 g/L für 4-Aminophenol nach direkter Auswertung der Kurven durch DropView. Zusätzlich wurde eine weitere Auswertung der Kurven durch Faltung und Ableitung durchgeführt, was die Parameter der Kalibriergerade und daraus folgend die Nachweisgrenzen jedoch nicht verbessert hat. Bei der Prüfung von 4-Aminophenol als Verunreinigung in Paracetamol wurde eine leicht erhöhte Erfassungsgrenze von 5,0 · 10−5 g/L ermittelt, was einem Gehalt von 52 bzw. 75 ppm Paracetamol entspricht. Anhand der Oxidation von Oxalsäure wurden die Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren als Arbeitselektrode (DRP-110CNT) und mit Cobalt-Phthalocyanin beschichtete Kohlenstoffelektroden (DRP-410) im Vergleich mit den klassischen Kohlenstoffelektroden (DRP-110) untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren keinen Vorteil gegenüber den klassischen Kohlenstoffelektroden haben, da es mit keinem der beiden Elektrodenstreifen zur Oxidation von Oxalsäure kam. Bei den mit Co-Phthalocyanin beschichteten Elektroden hingegen war das Oxidationspotential von Oxalsäure so weit herabgesetzt, dass ein Oxidationspeak registriert werden konnte. Mit den Elektrodenstreifen DRP-550, deren WE und CE aus Platin bestehen, wurde die Langzeitstabilität während der Titration getestet. Besonderes Augenmerk gilt der RE aus Silber, die im direkten Kontakt zur Titrationslösung steht und von dieser oxidiert bzw. reduziert werden könnte. Die Titration wurde sowohl biamperometrisch als auch monoamperometrisch indiziert. Einerseits wurden die Elektrodenstreifen an den Potentiostaten μStat angeschlossen und die Titration im AD-Modus verfolgt. Andererseits wurden die Elektrodenstreifen und auch klassische Doppelplatin-, Silber-, und Silber/Silberchlorid-Elektroden an ein automatisiertes Titrationssystem Titrando angeschlossen und zur Indizierung der Titration verwendet. Das Voltammetrie-Messsystem ist nicht zur Titrationsauswertung geeignet, da der Gehalt der Substanz signifikant vom berechneten und auch vom Gehalt der Referenzmethode abweicht. Die Gehalte der mono- und biamperometrischen Indikation mit den Elektrodenstreifen sind nicht signifikant verschieden von den Gehalten der Referenzmethoden. Aufgrund der Veränderung der Silberelektrode ist die biamperometrische Indikation der Titration besser geeignet. Die Elektroden sind also über die Dauer einer Titration stabil und sprechen schnell genug auf die Änderung des Lösungsmittels an, um den Endpunkt der Titration richtig zu bestimmen.

The voltammetry measurement system consisting of a potentiostat μStat 200, electrode strips and accessories has been scrutinized, following the four phases of instrument qualification. These are design qualification, installation qualification, operational qualification and performance qualification in succeeding order. As design qualification operational specifications of the voltammetry measurement system have been collected. These were the innovative technique of screen printing electrodes, disposable electrode strips, and that the electrode materials are nontoxic in contrast to mercury. Furthermore, the possibility was of interest, that measurements could be carry out outdoors, because of the small size and weight of the potentiostat. During the following installation qualification all delivered parts of the voltammetry measurement system have been checked and documented. The installation of software and hardware has been successful. The operational qualification consists of the testing of the parts of the voltammetry measurement system as well as the overall handling. The potentiostat has been tested and functions according to the specifications of the manufacturer. With regard to the electrodes only their surface properties could be studied. Because of the screen printing, they resemble a net like structure, which is not an ideal surface for an electrode. Moreover, the electrodes surfaces are hydrophobic, which leads to difficulties applying smaller volumes than 100 μL on an electrode strip. The reference electrode made out of silver is in direct contact with the sample solution and may be oxidized by it. Accessories like the measurement cell and the flow cell are functional, but due to their low weight they have to be secured in place. The requirement of the design qualification, to use the appliance outside the lab, is limited, since the small and light parts have to be set on a dry, stable and vibration-free surface. Testing of the software revealed numerous deficiencies. Divers errors occurred during execution of method parameters as well as in the course of processing and saving curves. As operational qualification various applications have been carried out on the voltammetry measurement system. The suitability of the system has been judged by the outcome. Since peak height and potential change with every measurement on an electrode strip DRP-110, the precision of CV measurements of one drop of Paracetamol solution has been tested. Measurements of 20 drops on one electrode strip showed rel. SD of 2,5% for the peak height and 13% for peak potential. The precision of those measurements can be increased by conditioning of the electrodes. The Pretreatment offered in the software does not decrease the SD. A pretreatment of the electrodes through CV scans of the buffer solution showed equally good results as the omitting the first five measurement with the electrodes for the calculations. Both approaches decreased rel. SD of the peak potentials by half and the rel. SD. of the peak height even to less than 1 %. The repeatability of 15 measurements following 5 conditioning runs on 20 electrode strips has been tested. The results were not significantly different and belonged to the same population with a probability of 95 %. The intermediate precision was checked against a different potentiostat (Trace Analyzer). The evaluation of the curves with the Trace Analyzer-software proved the series of measurements to be not significantly different from each other. A direct comparison of the potentiostats and control systems of the μStat and the Trace Analyzer by calibration curves of Paracetamol resulted in better performance of the Trace Analyzer. The changing of the electrode surface through oxidation and adsorption could be utilized to improve the sensitivity of the detection method of Nimodipin. With an adsorption time of 60 seconds and DPV measurement a LOD of 1,2 ng/L could be achieved, which had only been possible with adsorptive stripping methods at the hanging mercury drop electrode [18]. By means of the calibration curve LOD and LOQ of Paracetamol and 4-Aminophenol have been determined. The standard deviation for the procedure was 9,0 · 10−6 g/L for Paracetamol and 2,6 · 10−5 g/L for 4-Aminophenol. The LOD and LOQ were 1,0 · 10−5 g/L and 3,1 · 10−5 g/L for Paracetamol and 2,3 · 10−5 g/L and 7,0 · 10−5 g/L for 4-Aminophenol after evaluation of the curves with DropView. Additionally, the curves have been evaluated after convolution and derivation, which did not improve the limits. Testing for 4-Aminophenol as an impurity of Paracetamol resulted in a slightly higher LOD of 5,0 · 10−5 g/L, which corresponds to a yield of 52 ppm or respectively 75 ppm Paracetamol. On the basis of the oxidation of oxalic acid the properties of carbon nano tubes (DRP-110CNT) and Co-Phthalocyanine coated carbon electrodes (DRP-440) have been compared with the regular carbon electrodes (DRP-110). The tests showed, that an oxidation of oxalic acid occurs only on the Co-Phthalocyanine coated carbon electrodes. The carbon nano tubes electrodes do not exhibit any advantage over the regular carbon electrodes. The long term stability of the electrodes was tested via titration with the platinum working and counter electrodes (DRP-550). Monoamperometric as well as biamperomtric indication of the titration of ascorbic acid with iodine solution was used. The electrode strips were either connected to the μStat or to the titration system Titrando. Furthermore double platinum electrodes, silver ring electrodes and silver/silver chloride reference electrodes were used for titrations at the Titrando. The voltammetry measurement system is not applicable for the evaluation of titrations, because the yields are significantly different from the reference method. The yields of the mono- and biamperometic indications with the electrode strip were not significantly different from the reference methods. Due to the changing of the silver electrode only the biamperometric indication should be used. The electrodes are stable during the duration of the titration and react fast enough to the concentration change of the solution.