Multielementanalytik in schwierigen Matrizes

Kopplung einer Feststoffprobenzufuhr (ETV) an ein Atomemissionsspektrometer mit Rowlandkreis in Paschen-Runge-Aufstellung

Die direkte Multielementanalyse von schwer bzw. nicht aufzuschließenden Matrizes wie z.B. Keramiken, Halbleitermaterialien, Oxiden oder kohlenstoffhaltigen Materialien (Energierohstoffe, Graphite) ist von hoher industrieller Relevanz. So ist die Kenntnis der elementaren Zusammensetzung von Einsatzstoffen essentiell für deren effiziente energetische oder stoffliche Nutzung. Werden Kohlen in Kraftwerken verbrannt, so mit dem Ziel eine möglichst hohe Brennkammertemperatur im Kessel in Hinblick auf den Wirkungsgrad zu erreichen. Die Kesseltemperatur ist jedoch nach oben hin limitiert durch die Ascheschmelztemperatur der eingesetzten Kohlemischungen, welche wiederum durch eine Reihe von Haupt- und Nebenelementen in der Kohle beeinflusst wird. Hierzu ist es notwendig Methoden mit hohen dynamischen Analysebereichen zu nutzen, um Haupt-, Neben- und Spurenelementen möglichst simultan in einer Messung zu quantifizieren. Graphite hingegen besitzen ein sehr breites Anwendungsspektrum in der Hightech-Industrie, welches die Kenntnis der enthaltenen Spurenelemente fundamental für die Effizienz des Endprodukts macht – bspw. in elektronischen Bauteilen, Batterien oder Superkondensatoren (CDC, carbid derived graphite). 

Bei der Charakterisierung von derart schwierigen Matrizes kommen derzeit verschiedene Analysemethoden zum Einsatz. Die etablierten Methoden beschränken sich dabei auf sehr zeitaufwändige Analyseverfahren, bedingt durch einen hohen präparativen Aufwand, was eine prozessbegleitende Analyse ausschließt. Nötige Probenvorbereitungsschritte wie z.B. Veraschung, Mikrowellendruckaufschluss oder nasschemische Extraktion sind dabei nicht nur zeit- und arbeitsaufwändig, sie benötigen zudem oftmals hochreine und teilweise schwierig zu handhabende Aufschlusschemikalien (z.B. Flusssäure). 

Die Optimierung von Analysenmethoden ist somit ein grundlegender Ansatzpunkt um die Effizienz von Prozessen zu steigern. Mit der Weiterentwicklung von Analysenmethoden sind somit besonders prozessbegleitende Verfahren zu schaffen, die eine schnelle Einflussnahme auf das Betriebsgeschehen und eine der Einsatzstoffqualität angepasste Prozessführung ermöglichen. Insbesondere sollen schnelle Verfahren entwickelt werden, welche Zusatzinformationen zu den etablierten Analysemethoden liefern bzw. in einer Methode vereinen.

Die direkte Feststoffanalytik mittels ICP OES und -MS in Kopplung mit elektrothermischer Verdampfung (ETV) und Laserablation (LA) ermöglicht es Probe zu analysieren, ohne diese durch die sonst obligatorischen Aufschlüsse in Lösung zu bringen. Dadurch wird die Probe vor der Analyse chemisch nicht verändert, nicht verdünnt und die Gefahr von Kontaminationen und Verlust von Analyten auf ein Minimum reduziert. Hierzu sind jedoch spezielle Probenzufuhrsysteme notwendig, welche die Feststoffproben in einer transportfähigen Form ins Plasma überführen. Dies kombiniert die Vorteile der ICP OES und -MS wie hohen dynamischen Bereich und Nachweisstärke mit den zuvor genannten der Feststoffanalytik. Dabei eröffnen die Kopplungen von Feststoffprobenzufuhr zusätzliche Möglichkeiten wie die zeitaufgelöste simultane Multielementanalytik während der thermischen Zersetzung der Proben (ETV) oder die ortsaufgelöste Analyse (LA), erfordern jedoch einen wesentlich höheren Aufwand bei der Entwicklung von Analysemethoden.

Publikationen

  • Bacquart, T.; Hassler, J.; Vogt, T. et al. (2017) ETV-ICP-OES: a useful technique for homogeneity study of trace element in metals - application to the homogeneity study of 23 elements in electrolytic copper. Accreditation and Quality Assurance 22:125
  • Wolf, B.; Vogt, T.; Bauer, D.; Neuroth, M.; Otto, M. (2016) Die ETV-ICP OES als schnelle Multielementanalyse im Methodenvergleich. labor&more 1/2016
  • Vogt, T.; Bauer, D.; Nennstiel, D.; Otto, M. (2015) Solid-Sampling Electrothermal Vaporization Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry for Direct Determination of Total Oxygen in Coal. Analytical Chemistry 87(20):10414–10420
  • Vogt, T.; Bauer, D.; Neuroth, M.; Otto, M. (2015) Quantitative multi-element analysis of Argonne Premium Coal samples by ETV-ICP OES – A highly efficient direct analytical technique for inorganics in coal. Fuel 152:96–102
  • Vogt, T.; Tesch, S.; Otto, M.; Hassler, J.; (2012) Trace analysis in silicon. Electrothermal vaporization for direct solid analysis. GIT Labor-Fachz. 56(8):588-590

Kooperationspartner

  • RWE Power Ag
  • LEAG, HC Starck
  • Heraeus
  • TU Bergakademie Freiberg, IEC-EVT
  • Skeleton
  • Spectro Analytical Instruments
  • Spectral Systems
  • DBI Virtuhcon GmbH