DE1648863B2 - Verfahren und Vorrichtung für die Atom-Absorptions-Spektralanalyse - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für die Atom-Absorptions-SpektralanalyseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Atom-Absorptions-Spektralanalyse mit einem Plasma
als Atomisierungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Ein derartiges Verfahren, bei welchem in das Plasma 4r>
ein Arbeitsgas, ein Trägergas und mit diesem eine zu analysierende Probe in Aerosolform eingeführt werden,
ist aus »Analytical Chemistry« Bd. 38 (1966) Seiten 337-338 bekannt.
Gegenüber der bekannten Atom-Absorptions-Spektralanalyse (AAS), die mittels Flammen als Atomisierungseinrichtung
arbeitet, werden Temperaturen über 4000° K erreicht, und es werden gegenseitige Störungen
von Ionen bzw. Atomen verringert.
Außerdem wird die Anwendung reduzierender v>
Flammen, d.h. Flammen, die ein größeres Verhältnis brennbarer Stoff zu Verbrennungsträger als die
stöchiometrische Merge erfordern, überflüssig, die für hitzebeständige Verbindungen bisher erforderlich war.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere bo
Verbesserungen bei der AAS unter Verwendung eines Plasmas zu erreichen.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
möglich. b5
Hierdurch können auch diejenigen chemischen Elemente analysiert werden, die gewöhnlich in einer
FiarnffiC in hitzebeständige Verbindungen übergehen.
Folglich läßt sich die Meßempfindlichkeit auch für solche Elemente beträchtlich steigern, deren Analyse
nach dem bekannten Verfahren mit Hilfe eines Plasmas als Atomisierungseinrichtung durchgeführt wird.
Die Wirkung der Reagenzien trägt neben der hohen Temperatur des Plasmas zur Steigerung der Absorptionsfähigkeit der Probe bei
Es wurden beispielsweise als feste Reagenzien Kohle,
als flüssige Reagenzien Alkohole, z. B. IsopropanoL und
als gasförmige Reagenzien Acetylen, Methan und Wasserstoff in vorteilhafter Weise verwendet Es
können jedoch auch noch andersartige Reagenzien in geeigneter Weise verwendet werden. Insbesondere
können im Falle von Substanzen, die Kohlenstoff und/oder Wasserstoff enthalten, alle jene Substanzen
verwendet werden, bei denen das Verhältnis C zu O größer als 1 oder das Verhältnis H zu O größer als 2 ist
Wie sich aus den vorherigen Ausführungen ergibt wirken sämtliche als Beispiele genannten Reagenzien
als Reduktionsmittel. Die einzuführende Reagenzienmenge soll die zum Freisetzen der absorbierenden
chemischen Elemente erforderliche stöchiometrische Menge geringfügig übersteigen.
In den Zeichnungen ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt Im einzelnen zeigt
Fig.«. eine Gesamtskizze der Vorrichtung gemäß der
Erfindung in der Draufsicht;
F i g. 2 eine Teilvorderansicht derselben Vorrichtung und
Fig.3 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß F i g. 2.
Wie sich aus F i g. 1 ergibt, enthält die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Strahlungsquelle 1, die aus
einer Hohlkathodenlampe, einer Entladungslampe, einem Flammen- oder Lichtbogen und dgl. bestehen
kann. Die Strahlungsquelle wird so gewählt, daß einige der charakteristischen Frequenzen des zu untersuchenden
Elements erzeugt werden. Weiterhin sollen die von diesen Lampen ausgesandten Spektren die Form
üblicher bekannter Linienspektren (mit schmalen Linien) aufweisen. Ferner ist ein Modulator 2 für die
emittierte Strahlung vorgesehen. Dieser Modulator weist eine Scheibe auf, die mit für die Strahlung
abwechselnd durchlässigen und undurchlässigen Abschnitten ausgestattet ist. Ein Motor 3 dient zum
Antreiben der genannten Scheibe, wobei diese relativ zu der emittierten Strahlung so angeordnet ist, daß der
Strahl 'periodisch mit einer von der Anzahl der Scheibenabschnitte und den Umdrehungen des Motors
abhängigen Frequenz unterbrochen wird. Es dürfte selbstverständlich sein, daß ein solcher Modulator
lediglich beispielsweise genannt ist und daß andere entweder auf den emittierten Strahl oder auf die
Strahlungsquelle einwirkende Modulationseinrichtungen an dessen Stelle treten können. Ein mit einer
schlitzförmigen Einlaßöffnung 5 und einer schlitzförmigen Auslaßöffnung 5' ausgestatteter Monochromator 6
dient zum Nachweis und zur Verstärkung des durch den Modulator 2 erzeugten Wechselsignals. Mit Hilfe eines
optischen Systems 4 wird die Strahlungsquelle 1 auf die schlitzförmige Einlaßöffnung 5 des Monochromator 6
scharf eingestellt. Mit dem Monochromator 6 ist ein Meßsystem 7 verbunden. In den Strahlenweg der
emittierten Strahlung ist eine Absorptionskammer 8 eingeschoben. Wie sich aus F i g. 2 ergibt, steht mit der
Absorptionskammer 8 eine Reaktionskammer 9 in direkter Verbindung. Außerhalb der Reaktionskammer
9 und um diese herum ist, wie sich ebenfalls aus F i g. 2
ergibt, eine Spule 10 vorgesehen. Diese Spule wird mittels eines nicht abgebildeten Oszillators mit hochfrequentem
Strom gespeist Die Anzahl and Anordnung der Spulenwindungen sind so, wie sie in Fig.2
dargestellt sind, nicht verbindlich;, sie sind lediglich
beispielsweise angegeben. In jedem Falle sollen sie so gewählt werden, daß zwischen dem Oszillator und dem
Plasma eine maximale Leistungsübertragung erreicht wird.
Mit der Reaktionskammer 9 steht eine Mischkammer 11 in Verbindung. Es ist ferner eine Flasche 15
vorgesehen, die zur Aufnahme eines durch elektromagnetische Induktion anregbaren und in ein plasma-fiberführbaren
Gases dient Dieses Gas soll als plasma-erzugendes Gas bezeichnet werden. Die Flasche 15 ist mit
der Mischkammer 11 über eine Leitung 14 verbunden. Soll eine flüssige Probe analysiert werden, so wird diese
in einen Behälter 13 eingebracht Innerhalb eines Gefäßes 19 befindet sich eine Sprüheinrichtung 19, die
eine Düse zur Zufuhr einer Flüssigkeit und eine Düse zur Zufuhr eines Gases aufweist Der Behälter 13 ist mit
der im Gefäß 19 befindlichen Sprüheinrichtung 19" über
eine Leitung 13', in welcher ein Ventil 13" vorgesehen ist, verbunden. Eine zur Aufnahme eines Trägergases
geeignete Flasche 20 ist mit der im Gefäß 19 befindlichen Sprüheinrichtung 19' über eine Leitung 20'
verbunden. Ferner ist das Gefäß 19 mit der Mischkammer 11 über eine Leitung verbunden. Schließlich ist an
die Mischkammer 11 noch ein Rohr 16 angeschlossen.
Die im vorhergehenden beschriebene Vorrichtung kann auf die verschiedensten Arten betrieben werden.
Die einzelnen Betriebsarten unterscheiden sich voneinander hauptsächlich darin, wie die Probe, das plasma-erzeugende
Gas und das Reagenz in die Vorrichtung eingespeist werden.
Besteht die Probe aus einem Gas, so wird dieses vorzugsweise in die Flasche 20 eingefüllt und über die
Leitung 12 der Mischkammer U zugeführt In diesem Falle ist das Ventil 13" geschlossen. Ist die Probe eine
Flüssigkeit, so wird diese in den Behälter 13 gefüllt Aus letzterem wird die flüssige Probe über die Leitung 13'
und das Ventil 13" der die Flüssigkeit liefernden Düse der im Gefäß 19 befindlichen Sprüheinrichtung 19' und
gegebenenfalls über die Leitung 12 der Mischkammer 11 zugeführt. Ist die Probe dagegen fest so wird sie der
Mischkammer 11 durch das Rohr 16 in pulverisierter Form zugeführt. Das plasma-erzeugende Gas kann in
die Flasche 15 oder in die Flasche 20 eingefüllt werden. Im letzeren Falle dient das Gas neben seiner Aufgabe
als plasma-erzeugendes Gas auch als Trägergas. Die Aufgabe dieses Trägergases besteht darin, die flüssige
Probe im Gefäß 19 zu versprühen, die zu versprühende Flüssigkeit aus dem Behälter 13 in die Mischkammer 11
und in die Reaktionskammer 9 mitzuführen und schließlich die pulverförmige oder gasförmige Probe
nach Durchmischung mit dieser in der Mischkammer 11
aus derselben in die Reaktionskammer ί mitzureißen.
Die Reagenzien können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form durch das Rohr 16, d.h. durch
dasselbe Rohr, das zum Einspeisen einer pulverförmigen oder gasförmigen Probe in die Mischkammer U dient
zugeführt werden. Wenn es sich um flüssige oder gasförmige Reagenzien handelt können diese jedoch
vorher in das plasma-erzeugende Gas oder in das Trägergas eingemischt oder verdampft und in der
Flasche 15 oder in der Flasche 20 gelagert werden. In diesem Falle werden sie der Mischkammer 11 durch
eine Leitung 14 bzw. durch die Leitung 12 zugeführt
In der beschriebenen Ausfuhrungsfonn sind selbstverständlich
sämtliche Zuführwege zu der Mischkammer 11 nur beispielsweise angegeben. Beondere
s Sorgfalt wurde auf eine vollständige Durchmischung der nebeneinander vorliegenden chemischen Elemente
verwandt, indem man die Zufuhrstellen der verschiedenen
Substanzen in einer Weise anordnet, daß innerhalb der Mischkammer 11 (im Mischgut) eine gewisse
ίο Drehbewegung erzeugt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung sind mehrere Rohre 17 vorgesehen, die
mit der Reaktionskammer 9 in Verbindung stehen.
Die Rohre 17 dienen zur Zufuhr der Reagenzien, welche folglich bei dieser Ausführungsform nicht durch die Leitungen 12 und 14 oder durch das Rohr 16 eingespeist werden.
Die Rohre 17 dienen zur Zufuhr der Reagenzien, welche folglich bei dieser Ausführungsform nicht durch die Leitungen 12 und 14 oder durch das Rohr 16 eingespeist werden.
Die Absorptionskammer 8 ist mit zur optischen Achse des Systems koaxialen öffnungen versehen. Diese
öffnungen können für bestimmte Anwendungszwecke mit Hilfe optischer Fenster 18 geschlossen werden. Die
Absorptionskammer 8, die Reaktionskammer 9 und die Mischkammer U sind miteinander starr verbunden. Die
Wände der Absorptionskammer 8 und der Mischkammer
11 können aus irgendeinem geeigneten, gegebenenfalls
elektrisch leitenden Material bestehen, welches mit dem beabsichtigten Verwendungszweck der Vorrichtung
verträglich sein muß. Da die Wände der Reaktionskammer 9 von der Induktions-Spule 10
jo umgeben sind, sollen sie aus einem dielektrischen
Material bestehen, damit das im Inneren der Reaktionskammer aufgebaute elektromagnetische Feld durch das
betreffende Material nicht beeinflußt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung bestehen die Wände der Absorptionskammer 8, der Reaktionskammer 9 und der
Mischkammer U beispielsweise aus Quarz. Der Durchmesser dieser Kammern liegt in der Größenordnung
von einigen Zentimetern; die Heizenergie liegt in der Größenordnung von wenigen Kilowatt Die Spule
10 dient wie bereits erwähnt zum Erzeugen eines elektromagnetischen, hochfrequenten Feldes, wodurch
das plasma-erzeugende Gas angeregt und ionisiert und bei hoher Temperatur in den Plasmazustand gebracht
wird. Es wurde gefunden, daß die Zugabe der Reagenzien entweder oberhalb der Reaktionskammer 9
oder in dieselbe die Absorptionsfähigkeit der Probe erhöht Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen,
daß durch die Einwirkung der Reagenzien weitere
so Mengen der zu analysierenden Elemente aus den sie enthaltenden hitzebeständigen Verbindungen in Freiheit
gesetzt werden.
Die Arbeitsweise der im vorliegenden beschriebenen Vorrichtung wird im folgenden insbesondere unter
Hinweis auf F i g. 2 näher erläutert
Nach dem Einschalten der Strahlungsquelle 1, deren Strahlung emittierendes Teil aus dem in der Probe
nachzuweisenden Element besteht (z. B. einer Hohlkathodenlampe,
einer Entladungslampe und dgl.), wird der
bo Strahl der emittierten Strahlung am schlitzförmigen Einlaß 5 des Monochromators 6 gesammelt Mit Hilfe
des letzteren wird eine bestimmte Wellenlänge aus dem Spektrum des zu untersuchenden Elements ausgewählt
und die Strahlungsintensität gemessen. Der Modulator 2 wird in Betrieb gesetzt Zu diesem Zeitpunkt wird die
Spule 10 angeregt das Plasma erzeugt und die Materialprobe, in welcher das zu analysierende Element
enthalten ist, entweder in Pulverform oder als Lösung
zugleich mit dem vorher gewählten Reagenz in die Mischkammer ti eingespeist Hierauf wird die Strahlungsintensität gemessen und durch Vergleich mit der
vorher ohne Auftreten einer Absorption gemessenen Strahlungsintensität die Konzentration bestimmt
Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung entspricht der
Betriebsablauf dem geschilderten Arbeitsvorgang, jedoch mit der Ausnahme, daß die reduzierenden
Substanzen durch die Leitungen 17 unterhalb der Heiz-Spule 10 zugeführt werden.
Das geschilderte Verfahren und die beschriebene Vorrichtung wurden in zahlreichen Versuchen getestet
Das folgende Beispiel, das die Bestimmung von Ytterbium-(Yb-)Spuren in einer wäßrigen Aiuminiumnitrat-Lösung zum Gegenstand hat, soll die Erfindung
näher erläutern, jedoch keinesfalls begrenzen.
Eine Probe, bestehend aus einer Aluminiumnitrat-Lösung, deren Konzentration an Aluminium 0,1 Mol
betrug und die Spuren von Ytterbium enthielt, wurde zur Bestimmung des Ytterbium-Gehalts analysiert Zu
diesem Zweck wurden einige ml dieser Lösung in den Behälter 13 eingefüllt, während die Flasche 15 mit
Argon als plasma-erzeugendem Gas und die Flasche 20 ebenfalls mit Argon als Trägergas gefüllt wurden.
Die Vorrichtung wurde hierauf wie folgt in Betrieb gesetzt:
Die aus einer Hohlkathodenlampe bestehende Strahlungsquelle 1, deren Kathode aus Ytterbium gefertigt
war, wurde mittels eines Stromes von etwa J OmA angeregt Das Bild dieser Kathode wurde auf den
schlitzförmigen Einlaß 5 des Monochromator 6 scharf eingestellt Der schlitzförmige Einlaß 5 wurde im
vorliegenden Falle auf eine Breite von etwa 100 Mikron eingestellt, während der schlitzförmige Auslaß 5' auf
eine Breite von etwa 20 Mikron eingestellt wurde. Das Meßsystem 7 wurde mit einer Spannung von etwa
800 Volt angeregt Hierauf wurde der Monochromator 6 auf eine Wellenlänge von 3998 A - der charakteristischen Wellenlänge von Ytterbium - eingestellt. Die
Ausgangsspannung, d.h. das Ausgangssignal vom
r> Meßsystem 7, betrug bei dieser bekannten Wellenlänge
in Abwesenheit der Probe in der Absorptionskammer 8 etwa 10 mV. Bei momentan geschlossenem Ventil 13"
wurde aus der Flasche 15 und aus der Flasche 20 der Mischkammer 11 jeweils ein Argonstrom zugeführt.
ι ο Hierauf wurde die Spule 10 angeregt und das Plasma mit
Hilfe der üblichen Graphitstab-Technik aufgebaut, worauf die Leistung der Spule 10 auf etwa 5 kW
eingestellt wurde. Durch öffnen des Ventils 13" wurde
die Probelösung aus dem Behälter 13 der Sprüheinrich-
iimg ίΨ und zusammen mit dem Trägergas der
Mischkammer 11 sowie gegebenenfalls der Reaktionskammer 9 und der Absorptionskammer 8 zugeführt
Durch das Rohr 16 wurde Wasserstoff als Reduktionsmittel eingespeist, und zwar in einer Menge von 1%,
bezogen auf das Argonvolumen. Zu diesem Zeitpunkt
wurde eine Schwächung des Ausgangssignals vom
tatsächlich 9,5 mV.
abgelesenen Wert von 10 mV wurde der Schwächungsfaktor nach folgender Formel berechnet:
D = log ^- = 0,025
Der Ytterbium-Gehalt in der Probe wurde hierauf
durch Interpolieren dieses Wertes des Schwächungsfaktors in eine die Form einer Eichgeraden aufweisende
Eichkurve, bei welcher auf den Koordinaten der Schwächungsfaktor und die Konzentration aufgetragen
sind und die im voraus mit Proben bekannter Konzentration hergestellt wurde, ermittelt Tm vorliegenden Beispiel entsprach der Schwächungsfaktor von
0,025 einer Ytterbium-Konzentration von etwa 10 ppm.
Claims (5)
1. Verfahren für die Atom-Absorptions-Spektralanalyse (AAS) mit einem Plasma als Atomisierungseinrichtung,
in welches ein Arbeitsgas, ein Trägergas und mit diesem eine zu analysierende Probe in
Aerosolform eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in das Plasma zusätzlich
mindestens ein Reagenz eingeführt wird, das geeignet ist, zur Dissoziation hitzebeständiger
Verbindungen beizutragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reagenz ein Reduktionsmittel
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reagenz ein Reduktionsmittel
verwendet wird, welches Kohlenstoff und/oder Wasserstoff sowie Sauerstoff mit einem Verhältnis
C : 0 größer als 1 und H : O größer als 2 enthält
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus einer
Strahlungsquelle (1), einem Modulator (2) für die aus der Strahlungsquelle (1) emittierte Strahlung, einem
Monochromator (6) und einer dazwischen angeordneten Absorptionskammer (8) mit einer Reaktionskammer (9), dadurch gekennzeichnet, daß anschließend
an die Reaktionskammer (9) eine Mischkammer (11) vorgesehen ist, in die das Reagenz
eingespeist und mit dem Arbeitsgas, dem Trägergas jo
und der zu analysierenden Probe gemischt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspeisung des Reagenz direkt in
die Reaktionskammer (9) Rohre (17) vorgesehen sind. r>
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1967
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EP0291660A3 (de) * | 1987-04-11 | 1990-03-28 | Hitachi, Ltd. | Atomabsorptionsspektrophotometer |
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