Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
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Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Einleitung: Die Fraunhofer' schen Linien im Spektrum des Sonnenlichts • W.H. Wollaston (1802): dunkle Linien im sichtbaren Spektrum der Sonne • J. v. Fraunhofer (1814): Linien unabhängig von Wollaston neu entdeckt (insges. 570) ⇒ Dunkle Linien sind Absorptionslinien im Spektrum der Sonne ⇒ entstehen durch Resonanzabsorption von Atomen in der SonnenChromosphäre ⇒ Fraunhoferlinien erlauben Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und Temperatur der Gasatmosphäre der Sonne und von Sternen ⇒ Einige Linien sind jedoch Absorptionslinien des Sauerstoffs i.d. Erdatmosphäre • Experiment (i. d. Pause): Beobachtung der Fraunhoferlinien der Sonne mit Handspektroskopen Die Fraunhofer' schen Linien im Spektrum des Sonnenlichts Symbol Element Wellenlänge in nm Symbol Element Wellenlänge in nm y O 898,765 c Fe 495,761 Z O 822,696 F H 486,134 A O 759,370 d Fe 466,814 B O 686,719 e Fe 438,355 C H 656,281 G' H 434,047 a O 627,661 G Fe 430,790 D1 Na 589,594 G Ca 430,774 D2 Na 588,997 h H 410,175 D3 oder d He 587,562 H Ca+ 396,847 e Hg 546,073 K Ca+ 393,368 E2 Fe 527,039 L Fe 382,044 b1 Mg 518,362 N Fe 358,121 b2 Mg 517,270 P Ti+ 336,112 b3 Fe 516,891 T Fe 302,108 b4 Fe 516,751 t Ni 299,444 b4 Mg 516,733 Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Absorptionsprinzip: Resonanzabsorption Atome im Grundzustand (i. d. Probe) absorbieren Licht 3p2 5/2 3/2 1/2 4s 1/2 • 394,40 nm z. B. Grundzustände und anger. Zustände des Al-Atoms und Wellenlängen d. Absorptionsübergänge Messung der Schwächung des eingestrahlten Lichts als Absorbanz (Extinktion) ⇒ Wellenlänge zur Identifizierung eines Elements ⇔ Qualitative Analytik 3p 3/2 1/2 ⇒ Absorbanz ~ c (Atome eines Elements) ⇔ Quantitative Analytik 309,28 nm • Zufuhr von Energie: λ = E(anger. Zustand) – E(Grundzustand) 5/2 3/2 308,22 nm • 3d 396,15 nm Prinzip Absorptionsprinzip: Resonanzabsorption • > 99,9 % der Atome sind im Grundzustand (i. d. Probe) ⇒ Absorption sehr effektiv • Es gilt das Lambert-Beer' sche Gesetz: A (λ) = -log(I/I0) = ε(λ) c d = k(λ) N0 d k = Absorptionskoeffiezient N0 = Anzahl d. Atome im Absorptionsvolumen • Absorptionsübergänge im Atom sind sehr schmal (~0,1 pm) • werden durch den Dopplereffekt und die Auflösung der Optik auf 1-10 pm „verbreitert“ ⇒ „Absorptionslinien“ (Vgl: organ. Moleküle, Metall-Ligandenkomplexe zeigen „Banden“ (~100 nm breit) Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Geräteaufbau Gesamtgerät Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „“ benötigt. Römpp Chemielexikon CD, Version 1.0, 1995 fast 100 000 Geräte weltweit in Betrieb Praktikumsversuch: Bestimmung von Cr(III) Lichtquellen: Hohlkathodenlampe Hohlkathodenlampe (HKL) www.perkin-elmer.com W-Anode Ne oder Ar (1 - 5 torr) Hohlkathode aus nachzuweisendem Element Quarzglasfenster Zündung: Anlegen v. 300 - 500 V → Glimmentladung → Ar+ → Ar+ schlagen Metallatome aus Kathode und regen Metallatome an → Emission der charakterist. Elementlinien; Mehrelementlampen möglich → Emissionslicht = Anregungslicht für Atome i. d. Probe Lichtquellen: Elektrodenlose Entladungslampe (EDL) • zur Bestimmung flüchtiger Elemente (As, Sb, Cd, Hg) • Element/Salz in Glaskolben eingeschmolzen • Metallzylinder befindet sich in einer Spule www.perkin-elmer.com Zündung: Hochfrequenzfeld induziert Verdampfen und elektronische Anregung → Emission der charakterist. Elementlinien (10-100-fach stärker als HKL) → Emissionslicht = Anregungslicht für Atome i. d. Probe Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe – Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und GraphitrohrAAS – Hydridverdampfung – Optisches System und Detektoren – Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben d = 10 cm Atomisierung: Flammen-AAS d= 1 mm Kellner et al., Analytical Chemistry, Wiley-VCH, 1998 Prinzip: - wässrige Probe wird in einer Mischkammer mit dem Brenngas verwirbelt ⇒ Aerosol - Aerosol gelangt in die Flamme (nur ca. 10 %) 1) Lösungsmittel verdampft 2) Substanz schmilzt und verdampft 3) Dissoziation (in Atome) 4) Absorption des Anregungslichts Messung: - Signal der HKL: I0 - Signal a) – Signal b): I - Es gilt das Lambert-Beer'sche Gesetz: Harris, Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman, 2003 A (λ) = -log(I/I0) = ε(λ) c d Flammen-AAS Brenngase: - meist (Druck-)Luft - Acetylen Flamme (2500°C) - bei Elementen mit höheren Dissoziationsenergien (Al, Si, Ti, Cr): Lachgas - Acetylen Flamme (3000°C) Störungen: - Dissoziation unvollständig oder Ionisation ⇔ eliminiert durch: a) Freisetzungsmittel (z.B. LaCl3 für Ca3PO4) → begünstigt Dissoziation, verhindert Pyrophosphatbildung b) Flammentemperatur erhöhen c) Verbindung zur Unterdrückung der Ionisation zugeben (z.B. NaI) → unterdrückt Ionisation des Probenelements - Interferenzen durch Matrixkomponenten ⇔ eliminiert durch: a) Standardadditionsverfahren b) Matrix zum Kalibrierstandard zugeben Atomisierung: Graphitrohr-AAS (GF-AAS) - Probe (fest/flüssig) wird auf Graphitplatte erhitzt (Widerstandsheizung) - Ofenrohr fungiert als Küvette Harris, Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman, 2003 Messablauf (mit Temperaturprogramm): - Probe in kalten Ofen einbringen, mit Ar spülen - Spannung (ca. 10 V) und Strom (bis 400 A) anlegen zum Aufheizen: a) 30 s auf 90-150°C → Lösungsmittel verdampft b) 30 s auf ~ 400°C → Verdampfen v. Kristallwasser c) 30 s auf 400 - 1500°C → Pyrolyse org. Bestandteile d) 5 s auf 1500 - 2800°C → Atomisierung d. Probe transientes Analysensignal (ändert sich üb. Zeit) e) Ausheizen bei 2800°C und spülen mit Ar Graphitrohr-AAS (GF-AAS) Ofen im Moment der Atomisierung Vorteile: - keine Probenverdünnung - niedrigere Nachweisgrenzen gegenüber FlammenAAS: Faktor 10 - 10 000 ↔ ng/g – pg/g Probe - Flächenauswertung verringert Zeitabhängigkeit des Peaksignals Nachteile: - zeitaufwändiger, störanfälliger als Flammen-AAS - teurer (Gerät und Einzelmessung) - Untergrundkorrektur nötig (Matrix wird mitatomisiert) Anwendungsbeispiel: Authentizität von Kunstwerken mit GF-AAS Authentitizätsbestimmung anhand verschiedener Elemente in der Farbschicht: 1) Tupfen mit 1 cm2 Baumwolltuch (1x trocken) 2) Tuch in 400 µL konz. HNO3 auflösen 3) GF-AAS ⇒ 90% Reproduzierbarkeit des Elementgehalts Reproduzierbarkeit des Tupfens bestimmt Methodenreproduzierbarkeit Problem der Probennahme auf einer „repräsentativen“ Fläche Pigment identification in artwork using graphite furnace atomic absorption spectrometry. Goltz, D. M., et al., Talanta (2004), 63(3), 609-616. Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Hydridverdampfung (ergänzende Probenvorbereitung) Verwendung: - Analyse von hydridbildenden Elementen (As, Bi, Ge, Sb, Se, Sn, Te, Hg) - bei Behandlung mit NaBH4 entstehen flüchtige Hydride - lassen sich viel besser in Flammen oder Graphitrohrküvetten einbringen - findet in automatisiertem Zusatzgerät statt Beispiel: Na3AsO3 + NaBH4 + H2O → AsH3↑ + Na3BO3 + H2↑ + NaOH Vorteile: - Hydridverdampfung senkt die Nachweisgrenzen der AAS um Faktor von ca. 10 - 10 000 (ggü. Flammen-AAS) - Spur(analyt)-Matrixtrennung möglich Hydridverdampfung wird auch in der Atomemissionsspektroskopie verwendet Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Optisches System und Detektoren Optik: - Aufteilung der Strahlung aus dem Atomisator (Flamme/Graphitrohr) auf die einzelnen Wellenlängen - meist Prismen oder Gittermonochromatoren (Czerny-Turner oder Echelle) - Auflösung kann geringer sein als bei Atomemissionsspektrometrie, da nur wenige Linien/Element vermessen werden können Detektoren: - Sekundärelektronenvervielfacher (SEV, engl. PMT) - Halbleiterdetektoren (CCD- oder CMOS-Zeilen/Arrays), haben homogenere Quanteneffizienz über den vermessenen Spektralbereich - Spektralbereich: 190 – 900 nm Prinzipieller Nachteil der AAS: - nur sequentielle Einzelelementdetektion (Ausnahme Mehrelementlampen) - jedes Element erfordert neue Lampe (1000 h haltbar) Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Nachweisbereiche/-grenzen Flammen - AAS: typisch 1 – 1000 µg/L GF – AAS : typisch 0,001 – 0,10 µg/L genauere Übersicht (PSE) über Nachweisgrenzen, auch mit Atomemissionsmethoden ⇒ 2. Vl - Stunde Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) • Einleitung • Absorptionsprinzip • Geräteaufbau – – – – – Lichtquellen: Hohlkathodenlampe und Entladungslampe Atomisierung der Probe: Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS Hydridverdampfung Optisches System und Detektoren Nachweisbereiche • Anwendungen auf Realproben Realprobenmessungen ca. 60 Metalle und wenige Nichtmetalle sind mit AAS bestimmbar: - Metalle in Klärschlämmen, Abwässern, Trinkwasser, Stählen - Minerale als Adsorbentien für Schwermetalle - Katalyse: Wie viel Katalysator geht pro Zyklus verloren? - Ionenanalytik im Blut (klinische Chemie) - Bioanorganische Chemie: Metalle in Enzymen ↔ Reaktionsmechanismen - Schwermetalle in Farben (Malkasten), Lacken (Rostschutz, Flugzeuge) - Forensische Chemie (z. B. Schwermetallvergiftungen) - Agrochemie: Auswirkungen v. Böden und deren Elementzusammensetzung auf Pflanzenwachstum) - Praktikumsversuch 5: Bestimmung von Cr(III) mit AAS HR-CS-AAS High-Resolution-Continuum-Source-AAS - jüngste AAS-Technik (O’Haver, Harnly und Becker-Ross, Florek) - Gerät von Analytik Jena erhältlich - HKL durch Xe-Hochdrucklampe mit kontinuierlichem Spektrum ersetzt (ca. 100-fach intensiver als HKL→besseres S/N-Verhältnis →niedr. NWG) - Doppelmonochromator (Prisma und Echelle) für höhere Auflösung (2 pm) - Diodenzeilendetektor erlaubt simultane Multielementbestimmung - automatische Untergrundkorrektur (Lampe + Matrix) auf Pixeln neben der Abs.-Linie - Überlappende Absorptionsbanden von Probe und Matrix können mit Referenzspektren eliminiert werden Zeeman-Untergrundkorrektur in der GF-AAS Graphitrohr befindet sich in starkem Magnetfeld - Übergänge im Spektrum spalten in die Haupt-(p) und Satelliten-(s) Absorptionslinien (Zeeman Effekt) auf - Einstrahlen von polarisiertem Licht (abwechselnd parallel (║) und senkrecht (⊥)) - Atomabsorption nur wenn polarisiertes Licht ║ Magnetfeld (aus) zusammen mit Untergrundabsorption und Streuung (UG + AA) - wenn polarisiertes Licht ⊥ Magnetfeld (ein), keine Atomabsorption, nur Untergrundabsorption und Streuung (UG) AA = (UG + AA) - BG = I(║) - I(⊥) Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren Anwendungen auf Realproben werden direkt bei den Messmethoden besprochen Einleitung: Die Flammenfärbung von Alkali-/Erdalkalimetallen • Einbringen div. Alkali-/Erdalkaliionen in die Flamme des Bunsenbrenners • Beobachtung: Flammenfärbung im Bereich d. sichtbaren Lichts • Ursache: Valenzelektronen können leicht thermisch von Grundzustand in angeregten Zustand kommen • Lichtabgabe beim Rückfall in den Grundzustand ⇒ Linien sind für jew. Atom spezifisch ⇔ qual. Bestimmung von Elementen im Ionenlotto ⇒ Emissionsintensität ~ c(Atom) ⇒ Verwendung in der Pyrotechnik (Feuerwerk) Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren AES: Prinzip • Zufuhr von Energie: Flamme, Plasma, Röntgenstrahlung 3d ⇒ Elektron eines Atoms im anger. Zustand • Beim Rückfall in Grundzustand ⇒ Lichtemission (VIS, UV, Röntgen) ⇒ λem = λabs 5/2 3/2 3p2 5/2 3/2 1/2 4s 1/2 z. B. Emissionsübergänge des Valenzelektrons des Al-Atoms • Messung der Intensität des abgestrahlten Lichts ⇒ Wellenlänge zur Identifizierung eines Elements ⇔ Qualitative Analytik 3p 3/2 1/2 ⇒ Intensität ~ c (Atome eines Elements) ⇔ Quantitative Analytik AES: Prinzip • nicht nur Valenzelektronen anregbar sondern auch e- auf inneren Schalen und e- von Ionen ⇒ sehr viele Linien zur Auswahl (z.B. Cr mit ICP-AES: ca. 3000 Linien) • Emissionsübergänge im Atom sind sehr schmal (~0,1 pm) • Emission bei derselben Wellenlänge, bei der auch die Absorption erfolgt • Linien werden durch den Dopplereffekt und die Auflösung der Optik des Spektrometers auf 1-10 pm „verbreitert“ ⇒ „Emissionslinien“ (Vgl: organ. Moleküle, Metall-Ligandenkomplexe zeigen „Banden“ (~100 nm breit) • z. B. Zusammensetzung und Alter von heißen Sternen bestimmbar (vgl. Fraunhoferlinien) Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren Atomisierung Atomisierung und Anregung in der Atomemissionsspektroskopie durch - Flamme - Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) - Funken - Bogenentladung Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren Flammenemissionsphotometrie Brenngase Probenlösung Ventile Manometer Durchflussmesser Zerstäuber, Brenner Monochromator, Filter PMT, Photodiode PC Prinzip: - Analytlösung wird mit Brenngas vernebelt - Valenzelektronen der (Erd-) Alkalimetalle in der Flamme (gleiche Gase wie in AAS) auf höheres Energieniveau gehoben - dann Rückfall in den Grundzustand ⇒ Abgabe von Licht (element-)spezifischer Wellenlänge ⇒ Lichtintensität I ~ c (Element) wichtig: - nur Flüssigproben messbar - Genauigkeit der Gasregelung bestimmt Genauigkeit des Geräts - Kalibrierung mit Standardlösungen - zur Ionenanalytik in Mineralwässern, Serum, Harn (heute meist ISE) Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren Induktiv gekoppelte PlasmaEmissionsspektrometrie (ICP-AES) Prinzip: - Analytlösung wird mit Ar vernebelt und in ein induktiv geheiztes Plasma (aus Ar; 6 000 – 10 000 K) eingetragen - Elektronen der Ionen der Elemente (i.d. Probe) werden auf höheres Energieniveau gehoben (ca. 1 – 20 % im anger. Zustand) - dann Rückfall in den Grundzustand ⇒ Abgabe von Licht (element-)spezifischer Wellenlänge ⇒ Lichtintensität I ~ c (Element) wichtig: - ca. 70 Elemente messbar (bis zu µg – ng/L) - nur Flüssigproben messbar - Festproben nach Aufschluß oder Hydridverdampfung - Kalibrierung mit Standardlösungen (linear bis 6 Größenordnungen) ICP: Was ist ein Plasma? and analyte (Ar) (Ar) www.spectro.de Plasma: - Ionisiertes Gas, beheizt durch elektromagnetisches Wechselfeld in der Spule - Elektronen und Ar+ bewegen sich gegenläufig, sind voneinander getrennt - Atomisierungsmethode in der AES, (selten) AAS, ICP-MS, Aggregatzustand der Materie von vielen Sternen im Weltall Was geschieht mit der Probe im Plasma? - Lösungsmittel verdampft → Feststoff schmilzt und verdampft → Moleküle dissoziieren in Atome → Ionisation der Atome durch Kollisionen mit freien Elektronen (Nichtmetalle + Metalloide nur zum Teil ionisiert) → anheben eines e- in höheres E-Niveau → Abgabe von Licht (element-)spezifischer Wellenlänge → Detektion auf CCD-Arrays nach dem Monochromator ICP-AES: weitere Eigenschaften Vorteile: - simultane Multielementmethode (bis über 20 Elemente gleichzeitig) - schnell, preiswert (nur Ar als Verbrauchsmaterial, 1 Flasche/24 h) - keine HKL oder andere Lichtquellen nötig - Nachweisgrenzen zwischen Flammen-AAS und GF-AAS - mehr Elemente bestimmbar als mit AAS - kaum Störungen ggü. AAS - bessere Reproduzierbarkeit als AAS ⇒ was mit AAS nachweisbar ist, geht noch besser mit ICP-AES + ca. 10 Elemente mehr Nachteile: - Gerät teurer als Flammen-AAS (bessere Optik zur Trennung vieler Linien) ICP-AES löst AAS als eine der wichtigsten Analysenmethoden weltweit ab Nachweisgrenzen in der Atomspektroskopie Harris, Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman, 2003 ICP-AES: Geräte und Anwendungen www.spectro.de - Metalle in Klärschlämmen, Böden, Abwässern, Trinkwasser, Stählen - Rückstandsanalytik in Ölen, Fetten, Nahrungsmittelextrakten, Benzin, Biodiesel - Zusammensetzungen von Farben in Deckengemälden in Kirchen - physiologische Chemie von Metallen: In welchem Organ reichert sich Pb aus Trinkwasser an? Wo sammelt sich Hg aus Zahnfüllungen/Nahrung? Wie viel wird davon wieder ausgeschieden? - Schwefelgehalt in Wein (Sulfit als Desinfektions-/Konservierungsmittel) - Toxikologie/Forensische Chemie von Schwermetallen (Lebensmittel, Vergiftungen) - Praktikumsversuch 1: Bestimmung von Al in Papier mit Fluoreszenz und AES Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren Röntgenfluoreszenzanalyse: RFA Prinzip: - Atomemissionsspektroskopie nach RöntgenAnregung (mit λ = 2 – 0,02 nm) - Elektronen der inneren Schalen werden auf weiter außen gelegene Schalen gehoben und fallen wieder zurück - dabei Emission von Röntgenstrahlung mit charakteristischem λ (sog. Eigenstrahlung) Römpp Chemielexikon CD, Version 1.0, 1995 Messung: Probe mit polychromatischer Röntgenstrahlung angeregt → Eigenstrahlung (Fluoreszenz) wird durch Kollimator parallel gerichtet → durch beweglichen Kristall ("Analysator-Kristall", meist LiF) im Sinne eines optischen Prismas gebeugt → durch Szintillationszähler oder Photographie registriert RFA: Auswertung und Eigenschaften Auswertung: - RFA-Spektrum hat wenige elementabhängige (Z) Linien (K-, L-, M-Serie) 1/λ λKαα = ¾ R (Z - 1) (Moseley‘sches Gesetz) R : Rydbergkonstante; Z: Ordnungszahl des gemessenen Elements - Wellenlänge ergibt sich aus dem gemessenen Winkel θ am Kristall n λ = 2 d sin θ (Bragg-Gleichung) n: natürliche Zahl d: Abstand der Gitterebenen im Kristall - Kalibrierung gegen Standards - zerstörungsfrei - alle Elemente ab (Z=9) Fluor bestimmbar bis µg/g-Bereich RFA: Geräte Handspektrometer: 41 Elemente in 2 s Analyse von Schrott (welche Metalle mit welchem Gehalt?) Turbinenschaufeln, Schiffsrümpfe (Homogenität des Stahls) Edelstahlleitungen (Petrochemie, Atomkraftwerke) www.spectro.de Mobiles Gerät für Qualitätssicherung in der Produktion Konventionelles RFA-Spektrometer RFA: Einsatzbeispiele analytische Forschung Verunreinigungen in - elektronischen Speicherchips aus Silicium - Stählen, Legierungen, Metallen Geochemie (Verunreinigungen in Böden von Müllkippen) Umweltanalytik (Schwermetalle in Spielzeug) Nahrungsmittelanalytik (Feststoffe) Kunstwerkprüfung (Authentizität von Mahlfarben, zerstörungsfrei) Archäologie und Paläontologie (Elemente in Knochen [Woran starb der Ötzi?], zerstörungsfrei) Forensische Analytik/Toxikologie (kriminaltechnische Laboratorien) Porzellan-, Glas-, Keramische Industrie Baustoffindustrie Automobilindustrie (Motorblöcke, Fahrwerksteile) ⇒ Immer für Feststoffe Atomemissionsspektrometrie (AES) • • • • Einleitung Prinzip Atomisierung Messmethoden/-geräte – – – – Flammenemissionsphotometer Induktiv gekoppelte Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-AES) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Andere Verfahren Funkenemissionsspektroskopie Prinzip: - Atomemissionsspektroskopie nach Funkenanregung unter Ar: Funken verdampft, atomisiert und regt die Probe an - Elektronen der äußeren Schalen werden auf weiter außen gelegene Schalen gehoben und fallen wieder zurück - dabei Emission von Strahlung im UV-Vis Bereich mit charakteristischem λ - nur Metalle analysierbar und Spuren von C, P, S, N - für Feststoffe - nicht zerstörungsfrei