Claim Hochschule Weihenstephan-Triesdorf - University of Applied Sciences

UV-VIS Spektralfotometer

Spektralfotometrische Analysen beruhen auf der Messung der Absorption im Bereich sichtbarer (VIS-) und ultravioletter (UV-) Strahlung durch Stoffe in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Strahlungsabsorption wird dabei durch Elektronenübergänge zwischen verschiedenen Zuständen im Molekül hervorgerufen.

Als Strahlungsquelle dient ein polychromatische Kontinuumstrahler. Mit Hilfe von Gittern oder Prismen wird dessen Strahlung in monochromatische Strahlen zerlegt. Am Eintrittsspalt kann die Intensität des Lichtstrahls verändert werden, wogegen die gewünschte Wellenlänge am Austrittsspalt eingestellt werden kann.
Die Probelösung wird in einer Küvette vom monochromatischen Licht durchstrahlt. Die Absorption der Analysenlösung kann nach Messung eines Blindwertes bestimmt werden.

Ionenchromatograph

Bei dieser Technik werden die Ionen flüssigkeitschromatographisch mit Hilfe einer Anionenaustauschersäule getrennt.

Als mobile Phase (Eluent) dienen wässrige Lösungen von Hydrogencarbonat oder schwacher ein- oder zweibasiger Säuren. Die anschließende Detektion erfolgt über die Leitfähigkeit. Ein vorgeschalteter Suppressor (Kationenaustauschersäule) erniedrigt die Grundleitfähigkeit des Eluenten und wandelt die Probespezies in ihre korrespondierenden Säuren (mit höherer Leitfähigkeit) um.

Nach DIN können mit dieser Methode Fluorid, Chlorid, Nitrit, Phosphat (ortho-), Nitrat und Sulfat bestimmt werden.

Atomemissionsspektrometer

Die optische Atomemissionsspektrometrie (ICP-OES) nutzt die Erscheinung, dass chemische Elemente nach Aufnahme von thermischer Energie aus dem atomaren oder ionischen Ausgangszustand heraus wieder in den Grundzustand zurückkehren und dabei elementspezifische Strahlung emittieren.

Die bei diesem Vorgang emittierte Strahlung wird mit Hilfe eines Echelle-Polychromators dispergiert und die Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge der Strahlung an einem Halbleiterdetektor ermittelt.

Plasma

Die Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) nutzt die Eigenschaft der chemischen Elemente aus, im atomaren Grundzustand in der Gasphase elementspezifische Strahlung zu absorbieren.

Die Überführung von Elementen einer chemischen Verbindung in den atomaren Zustand erfolgt durch thermische Dissoziation in einer auf 850 - 1000 °C aufheizbaren Quarzzelle (Kaltdampf- und Hydrid-AAS), einem elektrisch aufheizbaren Grafitrohr oder durch eine Flamme bei Temperaturen von 1200 bis ca. 3000 °C. Als Lichtquelle dient eine Hohlkathodenlampe, welche das zu untersuchende Element enthält. Je nach Konzentration des Elements wird die Intensität der Spektrallinien der Hohlkathodenlampe geschwächt. Nach Passieren eines Monochromators wird die Strahlung durch Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie im Detektor gemessen.

Die Konzentration des Analyten kann über das Lambert-Beersche Gesetz ermittelt werden. Sie ist proportional zur Extinktion.

Graphitrohr-AAS

Graphitrohr-Atomabsorptionsspektrometer

Die Graphitrohreinheit besteht aus einem hohlen Graphitzylinder, welcher vom Lichtbündel der Hohlkathodenlampe durchstrahlt wird. Die zu untersuchende Substanz wird mit einer Mikropipette durch ein kleines Loch in das Graphitrohr gebracht. Das Graphitrohr kann auf Grund seines Widerstandes elektrisch bis auf Temperaturen von 3000°C aufgeheizt werden.

Das Graphitrohr wird umgeben und durchspült von einem regulierbaren Argongasstrom. Dieser hält den Sauerstoff vom Graphitrohr fern und verhindert somit ein Verbrennen des Rohres. Das Aufheizen des Graphitrohres erfolgt normalerweise programmiert mit mindestens drei Temperaturstufen. Für jede Stufe kann die Anstiegs- und Haltezeit der Temperatur unteschiedlich eingestellt werden, Durch die stufenweise Temperaturerhöhung wird die Probe zunächst getrocknet, dann werden die Begleitsubstanzen weitgehend entfernt und schließlich wird das interessierende Element atomisiert.

Der Zeeman-Effekt

Die Anwendung des Zeeman-Effekts beruht auf dem unterschiedlichen Ansprechverhalten der beiden Absorptionssignalarten auf polarisierte Strahlung im starken Magnetfeld. Zur Nutzung des Zeeman-Effekts wird ein pulsierendes Magnetfeld am Grafitrohr angelegt.

Zeeman transversal

Beim transversalen Zeeman-Effekt (longitudinal geheiztes Grafitrohr) wird die emittierte Strahlung in zwei σ-Signale und ein π-Signal gesplittet. Diese π-Komponente, die auf der gleichen Wellenlänge liegt wie das zu analysierende Element, muss dann durch einen optischen Polarisator entfernt werden. Bei eingeschaltetem Magnetfeld wird daher nur die Untergrundabsorption und keine Atomabsorption gemessen.
Ein Nachteil dieser Methode ist die ungleichmäßige Temperaturverteilung im Grafitrohr, aber auch die Tatsache, dass der Polarisator nicht nur die π-Komponente, sondern auch ca. 60 % des ursprünglichen Lichtes absorbiert.

Zeeman longitudinal

Beim longitudinalen Zeeman-Effekt (transversal geheiztes Grafitrohr) wird die emittierte Strahlung nur in zwei σ-Signale gesplittet. Die beim transversalen Zeeman-Effekt störende π-Komponente entsteht nicht, und der optische Polarisator kann entfallen. Bei eingeschaltetem Magnetfeld wird daher nur die Untergrundabsorption und keine Atomabsorption gemessen.
Eine Verfälschung der Messergebnisse durch den Polarisator wird mit dieser Methode ebenso vermieden wie eine ungleiche Temperaturverteilung am Grafitrohr.

Flammen-AAS

Flammen-Atomabsorptionsspektrometer

Die zu untersuchende Probe - sie muss in flüssiger Form vorliegen - wird mit einem Luftstrom zerstäubt und als feiner Nebel in eine Flamme geblasen, die sich nach Zumischen eines Brenngases (z.B. Acetylen) mit dem Luftgemisch bildet.

Auf Grund der hohen Temperatur zerfallen die chemischen Verbindungen der Probe in der Flamme, so dass zum Schluß freie Atome, Moleküle und Ionen vorliegen. Diese werden nun weiter von der Flamme angeregt, d.h. die Atome, Moleküle und Ionen werden durch Energiezufuhr in die nächsthöhere Energiestufe angehoben.

Bei der Rückkehr in ihren Grundzustand geben sie diese Energie in Form von Licht bestimmter Wellenlängen wieder ab. Man sagt, es kommt zur Emission charakteristischer Linien-Spektren. Das emittierte Licht gelangt durch den Eintrittsspalt auf ein optisches Filter, welches einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt. Je nach Auswahl der Filter lassen sich demnach verschiedene Elemente bestimmen. Die Intensität des herausgefilterten Lichtes wird über eine Fotozelle (Umwandlung des optischen in ein elektrisches Signal) mit angeschlossenem Verstärker und Anzeigesystem gemessen.

Die Intensität einer Emissionslinie wird neben gerätebedingten Faktoren (Flammentemperatur, Zerstäubungsrate) auch von anderen Bestandteilen der Messlösung beeinflusst. Flammenphotometer müssen deshalb spezifisch an das Messproblem angepasst werden. Die Eichlösung muss alle Ionen der Messlösung in annähernd gleicher Konzentration enthalten. Unter optimalen Bedingungen ist die Intensität des emittierten Lichtes und damit auch das erhaltene Messsignal am Anzeigeinstrument direkt proportional der Konzentration des Elementes in der Probe.

Kaltdampf-AAS

Kaltdampf-Atomabsorptionsspektrometer

Quecksilber kann, da es schon bei geringen Temperaturen wegen des hohen Dampfdruckes als atomares Gas vorliegt, als einziges Element in metallischer Form bestimmt werden.

Ein- oder zweiwertiges, anorganisches Quecksilber wird dabei im sauren Medium durch Zinn(II)-chlorid zum Element reduziert. Dieses wird mit Hilfe eines Luftstroms / Argon-Gasstroms aus der Lösung ausgeblasen und als atomares Gas in eine Küvette mit Quarzfenstern überführt. Die Extinktion wird bei einer Wellenlänge von 253,7 nm in einem Atomabsorptionsspektrometer flammenlos gemessen. Zur Vermeidung von Kondensationseffekten in der Gasküvette wird diese beheizt.

Vorteile

  • Geschlossenes System von der Hg-Atombildung bis zur Atomabsorption (=> keine Ergebnisverfälschung)
  • Anreicherung über die Gasphase, d.h. sehr hohe Empfindlichkeit der Methode
  • Relativ störungsfreie Methode (da Abtrennung des Analyten von der Matrix)