Quantitative multielement analysis of geochemical and cosmochemical samples using spark source mass spectrometry

Summary Spark source mass spectrometry is a useful method for the chemical analysis of geochemical and cosmochemical samples. The technique is highly sensitive (limit of detection between 0.001 ppm and 0.1 ppm) and allows the simultaneous determination of about 70 major, minor and trace elements. With the help of electrical ion detection and multielement isotope dilution on solid and dissolved samples, a precision of better than ±5 % is obtained for many elements. The measured concentrations are in good agreement with literature data.

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Quantitative Multielementanalyse von geo- und kosmochemischen Proben unter Verwendung der Funken-Massenspektrometrie

Zusammenfassung Die Funken-Massenspektrometrie ist eine nützliche Methode für die chemische Analyse von geochemischen und kosmochemischen Proben. Diese Technik ist sehr empfindlich (die Nachweisgrenze liegt zwischen 0,001 ppm und 0,1 ppm) und ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von ungefähr 70 Haupt-, Neben- und Spurenelementen. Mit Hilfe des elektrischen Ionennachweises und der Multielement-Isotopenverdünnungsmethode an festen und gelösten Proben wird eine Genauigkeit von besser als ±5% für viele Elemente erreicht. Die ermittelten Konzentrationen stimmen gut mit Literaturdaten überein.

     

High accuracy in the element analysis by mass spectrometry

Summary Accurate analysis results are a common problem in trace and micro determinations of elements, as found in particular in a number of interlaboratory studies. The difference between precision and accuracy of an analysis is shown in this review and a possible hierarchy of analytical methods is given. Isotope dilution mass spectrometry is the most accurate method of all mass spectrometric techniques. Possible element analyses by isotope dilution mass spectrometry are discussed using different ionization methods in the mass spectrometer (thermal ionization, spark source mass spectrometry, electron impact ionization, ICP and MIP, field desorption mass spectrometry). If MIP-MS and spark source mass spectrometry are applied, the difference between analysis results where the isotope dilution technique is and is not used is shown. The precision and accuracy of spark source mass spectrometry increases significantly when the isotope dilution method is applied. Accurate results by mass spectrometry are shown in comparison with certified values of standard reference materials using food samples, biological samples, geological samples, nuclear reactor materials, metals, and samples from the environment as examples. Possible sources of error by isotope dilution mass spectrometry are discussed. In contrast to the analysis of metal traces, only a few alternative methods can be applied to the trace analysis of non-metals and their anion forming compounds. In this case the production of negative thermal ions in a mass spectrometer in connection with the isotope dilution technique is a useful tool for accurate anion and non-metal analyses.

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Hohe Richtigkeit in der Elementanalyse durch Massenspektrometrie

Zusammenfassung Richtige Analysenergebnisse sind ein allgemeines Problem bei der Spuren- und Mikrobestimmung der Elemente, wie sich vor allem immer wieder im Rahmen von Ringanalysen herausstellt. Der Unterschied zwischen Reproduzierbarkeit und Richtigkeit eines Analysenergebnisses wird in diesem Übersichtsartikel aufgezeigt und eine mögliche Hierarchie von Methoden aufgestellt. Im Bereich der Massenspektrometrie gilt die Isotopenverdünnungsanalyse als diejenige Methode, mit der die richtigsten Ergebnisse erhalten werden können. Für die Anwendung verschiedener Ionisationsmethoden im Massenspektrometer (Thermionisation, Funkenquellen-Massenspektrometrie, Elektronenstoßionisation, ICP und MIP, Felddesorptions-Massenspektrometrie) werden die Möglichkeiten der Elementanalyse durch die Isotopenverdünnungstechnik diskutiert. Bei Verwendung der MIP-MS und der Funkenquellen-Massenspektrometrie wird auch der Unterschied zwischen Ergebnissen, die mit und ohne Isotopenverdünnungsanalyse erhalten werden, aufgezeigt. Dabei ergibt sich für die Funkenquellen-Massenspektrometrie eine wesentliche Verbesserung der Analysenergebnisse, wenn die Isotopenverdünnungsmethode angewendet wird. Anhand von Beispielen (Lebensmittelproben, biologische Proben, geologische und kerntechnische Proben, Metalle, Umweltproben) wird die Richtigkeit der massenspektrometrischen Ergebnisse verdeutlicht, wobei häufig ein Vergleich zu zertifizierten Werten von Standard-Referenzmaterialien gegeben wird. Mögliche Fehlerquellen der Isotopenverdünnungsanalyse werden diskutiert. Da bisher zur Bestimmung von Anionen- und Nichtmetallspuren nur vergleichsweise wenige Verfahren zur Verfügung stehen, hat sich hier die Erzeugung negativer Thermionen in einem Massenspektrometer bei gleichzeitiger Anwendung der Isotopenverdünnungsanalyse bewährt.

     

Determination of the plutonium concentration by Isotope Dilution Alpha-Spectrometry without purification from americium-241 and a bulk of other impurities

Summary A method is described for determining the plutonium concentration by Isotope Dilution Alpha Spectrometry (IDAS) using²³⁸Pu as a spike. It involves the addition of a pre-calibrated spike solution to a known aliquot of the plutonium sample solution followed by source preparation using TEG as a spreading agent. The results obtained on a number of samples using this method are compared with those of IDMS using²⁴²Pu as a spike as well as with those obtained by IDAS using TTA for purification, with respect to precision and accuracy. Precision of 0.3–0.5% and an accuracy of 0.5% is demonstrated. This method eliminates the need of any separation and purification of plutonium from²⁴¹ Am and a bulk of other impurities.

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Plutoniumbestimmung durch Isotopenverdünnungs-Alpha-Spektrometrie ohne Abtrennung von Americium-241 und anderen Verunreinigungen

Zusammenfassung Bei dem beschriebenen Verfahren der Isotopenverdünnungs-Alpha-Spektrometrie (IDAS) wird²³⁸Pu als Spike benutzt. Eine vorgeeichte Spike-Lösung wird zu einem bekannten Aliquot der Probe gegeben und anschließend die Strahlungsquelle unter Verwendung von Tetraethylenglykol als Spreading-Reagens vorbereitet. Die nach diesem Verfahren erhaltenen Ergebnisse werden in bezug auf Präzision und Genauigkeit mit solchen verglichen, die mit Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie unter Verwendung von²⁴²Pu als Spike oder mit IDAS unter Verwendung von Thenoyltrifluoraceton zur Reinigung erhalten wurden. Eine Präzision von 0,3–0,5% und eine Genauigkeit von 0,5% wurden erzielt. Durch das beschriebene Verfahren erübrigt sich eine Reinigung des Pu von²⁴¹Am und anderen Verunreinigungen.

     

Quantitative gaschromatographische Analyse von Crackgasen auf einer programmierten Aluminiumoxids?ule

Zusammenfassung Es wird eine Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse von gasförmigen und gasförmig/flüssigen Kohlenwasserstoffen von Wasserstoff bis Benzol einschließlich beschrieben. Die Mischung wird auf einer einzigen temperaturprogrammierten (20–300°C) Aluminiumoxidsäule getrennt. Die Verwendbarkeit anderer Aluminiumoxide und von Graphitruß auf GC-Träger wurde untersucht und wird besprochen. Für eine Mischung mit mehr als 50% Wasserstoff liegt die Genauigkeit der quantitativen Bestimmung je nach Komponente bei 2–5% (rel.). Es folgen Fehlerdiskussion, sowie Vorschläge zur drastischen Verbesserung der quantitativen Genauigkeit.

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Summary A qualitative and quantitative determination of a mixture of gaseous and gaseous/liquid hydrocarbons (from hydrogen on to benzene) on a single temperature programmed (20–300°C) alumina column is presented. The utility of other types of aluminas and graphitized carbon black, both supported and unsupported, has been investigated and is discussed. The errors of the quantitative determination of a mixture containing gaseous/liquid hydrocarbons and more than 50% of hydrogen are ranging from 2–5% relative. A discussion of errors as well as proposals for a drastic improvement of the quantitative precision follows.

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Wir danken der Gruppe Massenspektrometrie für die Hilfe bei der Probenvorbereitung.     

The substoichiometric extraction system MIBK/APDC and its application to the direct determination of Pb and Cd in wine

Summary The insolubility of sugars and fruit acids in MIBK allows the direct extraction of heavy metals by APDC from wine and similar products. With special precautions an accuracy of /+-5% can be obtained for Pb and Cd in the concentration range from 0.1–1 ppm and 1–10 ppb, respectively. Together with our experiences a brief survey of the most recent literature is also presented.

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Das substöchiometrische Extraktionssystem MIBK/APDC und seine Anwendung auf die Direktbestimmung von Pb und Cd in Wein

Zusammenfassung Die Unlöslichkeit der Zucker und Fruchtsäuren in MIBK erlaubt die Direktextraktion von Schwermetallionen mittels APDC aus Wein und ähnlichen Produkten. Unter Beachtung besonderer Vorsichtsmaßnahmen wird für Pb im Bereich von 0,1–1 ppm und für Cd im Bereich 1–10 ppb eine Genauigkeit von ± 5% erhalten. Gleichzeitig wird zusammen mit unseren Erfahrungen ein kurzer Überblick über die neueste Literatur gegeben.

     

Die jodometrische Dead-stop-Chlorbestimmung und die Chlorcolorimetrie in der Wasserchemie

Zusammenfassung Die Genauigkeit einiger colorimetrischer und volumetrischer Methoden zur Bestimmung von wirksamem freiem Chlor in Wässern wird vergleichend untersucht. Dabei wird festgestellt, daß eine wirklich exakte Methode zur Bestimmung sehr geringer Chlorgehalte in Wasser wegen vorhandener zahlreicher Fehlerquellen bei der Herstellung der Chlorlösungen bestimmten Gehaltes und aus anderen Gründen noch nicht besteht. Es wird eine jodometrische Dead-stop-Mikromethode entwickelt, die es erlaubt, sehr geringe Mengen von Chlor in Wasser unter 0,3 mg/l mit einer Genauigkeit von ±0,004 mg/l zu ermitteln. Ihre Theorie wird dargelegt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, Vergleichslösungen und Farbskalen für die colorimetrische Chlorbestimmung sehr genau zu eichen und damit die Empfindlichkeit und Sicherheit dieser in der Wasseruntersuchung verwendeten Methoden zu steigern. Über diesbezügliche Versuche, besonders die colorimetrische Chlorbestimmung mit o-Tolidin und p-Phenylendiamin betreffend, wird berichtet. Die Geschwindigkeit der Farbbildungsreaktion mit o-Tolidin wird untersucht und der Einfluß äußerer Bedingungen bei dieser Methode geprüft. Störungen durch Eisengehalte der zu untersuchenden Wässer bei der Chlorbestimmung werden durch Herabsetzung des p_H-Wertes und Fluoridzusatz ausgeschaltet. Durch die Untersuchungen sind die Grundlagen für eine Normalisierung der Bestimmung des wirksamen Chlors in Trinkwässern geschaffen worden.Herrn Prof. Dr. A. Kurtenacker zum 70. Geburtstage gewidmet.     

Turbidimetrische Sulfatbestimmung in Phosphors?ure und phosphorsauren Salzen

Zusammenfassung Es wird eine Schnellmethode zur Bestimmung von Sulfat in technischer Phosphorsäure und Phosphaten angegeben, die auf der Messung der auf Zusatz von Bariumchlorid entstehenden Trübungen beruht. Um spontane reproduzierbare Trübungen zu erhalten, wird bei Ph 1,0–2,0 die 0,40–1,60 mg SO₃/50 ml enthaltende Phosphorsäurelösung mit Gelatine, Bariumchlorid und bariumsulfathaltiger Gelatine homogen vermischt. Sulfatgehalte von 0,01–2% SO₃ in technischer Phosphorsäure und phosphorsauren Salzen wurden mit einer Genauigkeit von ±3% bestimmt.     

Die Analyse von Koksofengas

Zusammenfassung Die Analyse von Steinkohlengas wurde vom Standpunkte des Betriebslaboratoriums aus behandelt, die wesentlichsten Schwierigkeiten wurden besprochen. Es ergab sich, dass für eine technische Analyse, welche in kürzester Zeit auszuführen ist, hinreichende Genauigkeit erreicht wird mit der Buntebürette. Der grössere Chemikalienverbrauch wird unserer Meinung nach im allgemeinen erst in Frage kommen, wenn man Serienanalysen zu machen hat, aber dann ist er auch ganz erheblich. Wenn man grössere Genauigkeit anstrebt, arbeite man nur mit geeigneten Absorptionspipetten. Für Kohlenoxyd wird Cuprosulfat--Naphthol empfohlen, oder auch eine Aufschlämmung von Jodpentoxyd in rauchender Schwefelsäure.Für die Bestimmung von Wasserstoff und Methan empfehlen wir die Jägersche Methode mit der Verbesserung, welche Pauschardt vorgeschlagen hat. Diese hat den Vorteil, dass man den Stickstoffgehalt bestimmt und weiter, dass man nicht mit Quecksilber zu arbeiten braucht. Auch die Löslichkeit der Komponenten des Steinkohlengases in einigen Sperrflüssigkeiten und Absorptionsmitteln wurde untersucht. Ferner wurde die Bestimmung von Äthan nachgeprüft. Schliesslich wurde die Heizwertbestimmung des Gases behandelt; einige ihrer Fehlerquellen wurden angegeben.     

Trace chemistry of toxic metals in biomatrices

Summary Based on differential pulse anodic stripping voltammetry (DPASV) at the HMDE after low temperature ashing of the biomatrix in an oxygen plasma a versatile and reliable method for the simultaneous determination of the toxic trace metals Cd, Pb and Cu in blood has been developed. The high sensitivity combined with high precision and established accuracy is demonstrated by a number of data from extended studies with human whole blood. The pronounced reliability has been secured by the quantitative elucidation and the subsequent rather efficient suppression of the contamination sources largely concentrated in the prior digestion stage. The still remaining contamination interference sets the present determination limits in whole blood to 4 ppb for Pb and 0.1 ppb for Cd with R.S.D. of 20–30%. Accuracy was further confirmed by comparing measurements with flameless atomic absorption. Improved values for the normal levels of the treated toxic metals in the blood of non-exposed persons have been obtained particularly for the rather low content of Cd. The application potentialities of this voltammetric approach in environmental studies of toxic trace metals able to form an amalgam are much more extended. While biomatrices as body fluids, organs, organisms, plant material and food require prior low temperature ashing direct voltammetric determination and even speciation can be performed down to the ultra trace level in samples from inland waters and the sea.

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Spurenchemie toxischer Metalle in biologischen MatricesII. Voltammetrische Bestimmung von Spurengehalten an Cadmium und anderen toxischen Metallen in menschlichem Blut

Zusammenfassung Eine neue zuverlässige voltammetrische Methode zur Simultanbestimmung des Spurengehaltes der toxischen Metalle Cd, Pb und Cu im Blut wurde ausgearbeitet. Nach niedertemperaturiger Veraschung der Biomatrix im Sauerstoffplasma erfolgt die Bestimmung mit Hilfe der differentiellen pulspolarographischen Version der inversen Voltammetrie am hängenden Quecksilbertropfen. Die so erreichbare große Empfindlichkeit, hohe Genauigkeit und gesicherte Richtigkeit wird durch eine größere Anzahl von Daten aus unseren ausgedehnten Untersuchungen von menschlichem Vollblut belegt. Die ausgezeichnete Zuverlässigkeit der Resultate basiert auf der quantitativen Aufdeckung und anschließenden weitgehenden Unterdrückung verschiedener Kontaminationsquellen, die vorwiegend beim Veraschungsschritt auftreten. Die noch verbleibende Kontaminationsschwelle legt gegenwärtig die Bestimmungsgrenzen auf 4 ppb für Pb und 0,1 ppb für Cd im Blut fest bei einer relativen Standardabweichung von 20–30%. Vergleichsmessungen mit der flammenlosen Atomabsorption bestätigten die Richtigkeit. Neue und sichere Werte für den Normalgehalt der untersuchten toxischen Metalle im Blut nichtexponierter Personenkreise, insbesonders bezüglich des sehr niedrigen Cd-Pegels, wurden ermittelt. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser voltammetrischen Methodik in der Umweltforschung sind hinsichtlich toxischer Spurenmetalle, die zur Amalgambildung fähig sind, wesentlich weitergehender. Während Biomatrices, wie Körperflüssigkeiten, Organe, Organismen, Pflanzenmaterial und Nahrungsmittel, vorherige Veraschung erfordern, ist eine direkte Bestimmung und Speciescharakterisierung auf voltammetrischem Wege bis in den Ultraspurenbereich bei Proben aus Binnengewässern und in Meerwasser möglich.

Ref. [42] counts as part I in this series.     

Direct spectrographic analysis of granitic and basaltic type rocks and soils for Cs, Li and Rb

Summary A direct emission spectrographic method for the determination of Cs, Li and Rb in granitic and basaltic type of rocks and soils is described here. KCl is used as a buffer and graphite as a diluent. Hilger Large Glass Prism spectrograph is used to photograph the spectra of the samples, synthetic standards and standard reference materials, all excited in a 3 A d.c. arc for 90 s. Reproducibility and accuracy of the method are around ±10%. Using this method, a Certified Reference Material (Soil-5), prepared by International Atomic Energy Agency, is analysed for Cs, Li and Rb and results are reported.

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Direkte spektrographische Bestimmung von Cs, Li und Rb in granitischen und basaltischen Gesteinen und Böden

Zusammenfassung Bei dem beschriebenen Verfahren wird KCl als Puffer und Graphit als Verdünnungsmittel verwendet. Zur Aufnahme der Spektren (Proben, synthetische Standards und Referenzmaterialien) wurde ein Hilger Glasprismen-Spektrograph verwendet (3 A Gleichstrombogen, 90 s). Präzision und Richtigkeit der Methode liegen bei ± 10 %. Ergebnisse für die Analyse einer Referenzbodenprobe (IAEA-Soil 5) auf Cs, Li und Rb werden mitgeteilt.

     

An infrared interpretation system for certain CHO-compounds, based on a limited number of absorption frequencies

Summary Generally, the structure elucidation of organic molecules by means of infrared spectroscopy is based on absorption frequencies in the region 4000-400/cm with an accuracy of 3–5/cm. The interpretation system presented here makes use of the regions 3110-2800/cm, 1850-1650/cm and 1500–1350/cm. An accuracy of ±0.5/cm and the use of CCl₄ as a solvent is required. The system, based on logical yes/no decisions, provides information on structural elements present in a molecule; it is applicable to a number of CH and CHO compounds.

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IR-Auswertungsschema für CHO-Verbindungen auf Grund einer beschränkten Zahl von Absorptionsfrequenzen

Zusammenfassung Im allgemeinen beruht die Strukturauflösung organischer Moleküle mit Hilfe der Infrarotspektroskopie auf Absorptionsfrequenzen im Bereich 4000-400/cm mit einer Genauigkeit von 3–5/cm. Das hier beschriebene Auswertungsschema benutzt nur die Bereiche 3110-2800/cm, 1850-1650/cm und 1500-1350/cm; eine Genauigkeit von ±0,5/cm und der Gebrauch von CCl₄ als Lösungsmittel sind dabei erforderlich. Das Schema, das auf logischen Ja/Nein-Entscheidungen beruht, informiert über die Strukturelemente eines Moleküls und eignet sich für eine Anzahl von CH- und CHO-Verbindungen.

     

Eine colorimetrische Titrationsmethode zur Pr?zisionsbestimmung von absorbierenden Stoffen im UV-Spektralbereich

Zusammenfassung Die vorgeschlagene colorimetrische Titrationsmethode beruht auf der Einstellung der Konzentrationsgleichheit einer Probelösung mit einer Standardlösung bekannter Konzentration mit Hilfe der Lichtabsorption. Dazu wird zu einem bekannten Volumen der Probelösung in einer Titrationsküvette so viel Lösungsmittel zutitriert, bis die Durchlässigkeit einer vorgelegten Standardlösung bei einer für die Bestimmung geeigneten Wellenlänge erreicht ist. Nach der Fehlerfunktion bei lichtelektrichen Messungen läßt sich dadurch eine größere Genauigkeit erreichen als mit sonstigen Differentialmethoden. Die colorimetrische Titrationsmethode ist unabhängig von der Gültigkeit des Lambert-Bouger-Beerschen Gesetzes.Als Beispiel einer Analyse nach der colorimetrischen Titrationsmethode wird die Gehaltsbestimmung von Anthracen in unreinem Anthracen angeführt. Die begleitenden Verunreinigungen Carbazol und Phenanthren lassen sich nach der Anthracenbestimmung durch ein Kompensationsverfahren ebenfalls spektroskopisch bestimmen.     

On the reliability of trace metal analyses: Results of intercomparison analyses of a river sediment and an estuarine sediment

Summary The paper reports on two intercomparison analyses of 18 trace metals in a river sediment and an estuarine sediment. The results obtained by more than twenty working groups reveal clear methodological differences between the two most-used methods, namely, atomic absorption spectrometry (AAS) and instrumental neutron activation analysis (INAA): while the accuracy of the AAS measurements decreased on the average in the 2nd intercomparison analysis (estuarine sediment) in relation to the 1st intercomparison analysis (river sediment), the accuracy of the INAA values improved clearly. Accuracies of the trace metal determination in both sediments — expressed as the double standard deviation of laboratory means — were found between about ±20% and ±90% for the AAS method, and between ±10% and ±50% for the INAA measurements.

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Über die Zuverlässigkeit der Bestimmung von Spurenmetallen. Ergebnisse von Ringanalysen eines Fluß- und Ästuarsediments

Zusammenfassung Es wird über die Ergebnisse zweier Ringanalysen bezüglich 18 umweltrelevanter Spurenmetalle in einem Fluß- bzw. Ästuarsediment berichtet. Die Ergebnisse von mehr als 20 Arbeitsgruppen zeigen für die beiden am häufigsten eingesetzten Analysenmethoden Atomabsorptions-Spektrometrie (AAS) und instrumentelle Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) deutliche methodenspezifische Unterschiede: Während sich die Richtigkeit der AAS-Messungen in der 2. Ringanalyse (Ästuarsediment) gegenüber der 1. Ringanalyse (Flußsediment) im Mittel verschlechterte, verbesserte sich die Richtigkeit der INAA-Werte deutlich. Die durchschnittlich erreichten Richtigkeiten bei der Spurenmetallbestimmung in den beiden Sedimenten — ausgedrückt durch die doppelten Standardabweichungen der Labormittelwerte — beträgt für die AAS-Messungen ca. ±20% bis ±90% und für die INAA-Messungen ca. ±10% bis ±50%.

     

Gasanalyse mit Hilfe eines kleinen Massenspektrometers

Zusammenfassung Es wird eine automatisierte Apparatur zur schnellen, massenspektrometrischen Bestimmung von Sauerstoff und Stickstoff in Stahl beschrieben. Die Stahlprobe wird unter Argon im Gleichstrombogen geschmolzen und die extrahierten Gase Kohlenmonoxid und Stickstoff werden massenspektrometrisch bestimmt. Die relative Standardabweichung beträgt ±3–5% für Sauerstoff und ±3–8% für Stickstoff. Die Nachweisgrenzen liegen bei 10 pp10⁶ O₂ und 3 pp10⁶ N₂. Der Zeitbedarf für eine Analyse beträgt 85 s.Herrn H. Siffrin danke ich für die sorgfältige Durchführung der zahlreichen Versuche.     

Untersuchungen zur Bestimmung der geschlechtsspezifischen anorganischen Bestandteile einzelner menschlicher Haare

Zusammenfassung Eine Arbeitsmethode wird beschrieben, um die Summe des Ca- und Mg-Gehaltes eines einzelnen menschliehen Haares zu bestimmen. Für eine Analyse sind etwa 2 cm Haar erforderlich. Die Standardabweichung der Einzelmessung beträgt etwa±10%. Da der Ca- und Mg-Gehalt von Haaren alters- und geschlechtsspezifischen Veränderungen unterliegt, wird auf die Möglichkeit der kriminaltechnischen Auswertung der Ergebnisse hingewiesen.

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Studies on the determination of the sex-specific inorganic ingredients of individual human hairs

Summary A procedure is described for determining the sum of the Ca- and Mgcontent of a single human hair. About 2 cm of hair is needed for an analysis. The standard deviation of the single measurement is around ±10%. Since the Ca- and the Mg-content of hairs undergo age- and sex-specific changes, the possibility of utilizing the findings in a technical criminal procedure are pointed out.