DD249765A5 - Küvette für die flammenlose Atomabsorptions-Spektroskopie - Google Patents

Abstract

Bei der Kuevette aus Graphit oder anderen Kohlenstoffarten werden die Kontakt- oder Uebergangswiderstaende dadurch vermieden, dass Kuevette und Kontaktstueck eine stoffliche Einheit bilden. Wenigstens zwei fluegelartige Kontaktstuecke gehen von der Oberflaeche der Kuevette aus und sind im Abstand von der Kuevette mit der elektrischen Stromversorgungseinheit verbunden. Die Kontakte sind durch Strahlungsschilde, Kuehlung und thermische Isolierung gegen von der Kuevette ausgehende Waermestrahlung geschuetzt. Die von der Kuevette ausgehenden Kontaktstuecke erstrecken sich bevorzugt ueber die gesamte Laenge der Kuevette. Zur Ausbildung besonderer Temperaturprofile sind die Kontaktstuecke mit Durchbrechungen versehen, die auch die Waermeableitung in Richtung der Kontakte begrenzen. Fig. 5

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Küvette zur Aufnahme, Verdampfung und Atomisierung von Analysenproben für die Atomabsorptions-Spektroskopie, die durch Kontaktstücke mit einer elektrischen Versorgungseinheit verbunden und durch Joule'sche Erwärmung erhitzt wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der flammenlosen Atomabsorptions-Spektroskopie wird die beispielsweise durch eine seitliche Öffnung in eine rohrförmig gestreckte Küvette eingebrachte Analysenprobe verdampft und eine im wesentlichen aus freien Atomen bestehende „Atomwolke" erzeugt, die mit einem die Resonanzlinien des gesuchten Elements enthaltenden Meßlichtbündel in Richtung der Küvettenachse durchstrahlt wird. Die fürTrocknung, Veraschung, Verdampfung und Atomisierung nötigen Temperaturen werden durch Joule'sche Erwärmung der Küvette erzeugt, die aus einem temperaturbeständigen Leiter besteht, vor allem aus Graphit oder anderen Kohlenstoffarten, wie Pyrographit, Glaskohlenstoff, und in der Regel über Kontaktstücke mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung in Verbindung steht. Die Analysengenauigkeiten bestimmende Faktoren sind u.a. die Verweilzeit der verdampften Analysensubstanz in der Küvette, die Atomisierungszeit und das Verhältnis beider Größen. Es sind zahlreiche Vorschläge bekannt geworden, die für die Atomisierung nötige Zeitspanne zu verkürzen, vor allem durch große Aufheizraten. Beispielsweise ist es bekannt, zur Verminderung der die Aufheizrate begrenzenden Verluste durch Strahlung, die Küvette mit mantelartigen Isolierkörpern zu umhüllen oder durch einen schichtigen Aufbau den Stromfluß auf eine schmale von der Innenwandung ausgehende Zone zu beschränken (DE-OS 3140458). Eine andere für die Analysengenauigkeit wichtige Bedingung ist eine kleine Temperaturfluktuation über das Volumen der Küvette. Besonders schädlich sind in diesem Zusammenhang Matrixeffekte, die auf Reaktionen des gesuchten Elements mit anderen Komponenten der Analysenprobe und Bildung von Verbindungen zurückgehen, die in Zonen geringerer Temperatur beständig sind. Wenigstens zum Teil kann man durch Zusätze bestimmter Reagenzien oder Eichsubstanzen und auch durch selektive Verdampfung die Effekte mindern. Der Aufwand dafür ist z.T. groß, ohne daß die Analysensicherheit wesentlich zunimmt.

Durch die US-PS 4407 582 ist es schließlich bekannt, allein die rohrförmigen Enden der Küvetten durch direkten Stromdurchgang und ausgehend von den Küvettenenden deren Zentrum durch Wärmeleitung und Strahlung zu erhitzen, wobei die zugeführte Energie naturgemäß zur Zersetzung und Automatisierung der Analysenprobe ausreichen muß und keine Temperatursenke in Richtung der Küvettenenden entstehen darf. Die elektrische Energie wird den Enden der Küvette über Y-förmige Kontaktstücke oder eine geschützte Hülse zugeführt, die an besonderen Schultern der Küvettenenden anliegen. Der Matrixeffekt bei dieser Ausführungsform ist deutlich kleiner als bei Rohrküvetten mit zentraler Stromzuführung. Ein Nachteil der Anordnung ist die Begrenzung der Erhitzungsgeschwindigkeit durch die zulässige Stromdichte, der Kontaktstücke und Küvettenenden ausgesetzt werden können, ohne durch Verdampfen des Kohlenstoffs, Abplatzen von Graphitschuppen oder die Bildung von Rissen zerstört zu werden.

Es gelingt daher nicht immer, der Kernzone durch Joule'sche Wärme und Strahlung genügend Energie für die Atomisierung aller Probensubstanzen zuzuführen und den Matrixeffekt zu unterdrücken. Auch bei normaler elektrischer Belastung werden die Kontakte stark beansprucht und ein schneller Verschleiß läßt sich kaum vermeiden.

Die Nachteile dieser Lösung werden im wesentlichen mit einer Vorrichtung vermieden, bei der für die Graphit roh rküvette und für einen besonderen Tiegel zur Aufnahme der Analysensubstanz verschiedene Heizkreise vorgesehen sind. Die Küvette wird zunächst auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt und nach Erreichen der Temperatur der in eine Öffnung der Küvette eingesetzte Tiegel mit der Analysensubstanz mit großer Aufheizrate auf die Atomisierungstemperatur erhitzt (Spectrochimica Acta 37 B, 1021,1982). Innerhalb von ein bis zwei Sekunden erreicht man Temperaturen um etwa 2700°C und eine die Analysengenauigkeit verbessernde räumliche und zeitliche Temperaturkonstanz. Technisch nicht befriedigend ist auch bei dieser Ausführungsform die zeitliche Veränderung der Kontaktstellen zwischen Küvette bzw. Tiegel und den der Stromzuführung dienenden Graphitstäbe. Besonders schwierig ist es, die Kontaktstäbe reproduzierbar anzubringen. Unterschiedliche Übergangswiderstände entstehen auch durch Formänderungen der Kontaktpartner als Folge der schroffen Temperaturänderungen. Die beschriebenen Effekte verringern die Lebensdauer des Küvettensystems und erschweren routinemäßige Analysen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Verschleiß der Kontakte, die Matrixbildung, die Ungenauigkeit und den hohen Zeitaufwand des Meßvorganges zu überwinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Streuung der Kontaktwiderstände zwischen Küvette und Kontaktstücken zu verringern und die Lebensdauer von Küvette und Kontaktstücken zu erhöhen. Nach einer anderen Aufgabe soll die Zeitspanne bis zur Einstellung des Temperaturgleichgewichts verkürzt werden.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, bei der Küvette und Kontaktstücke eine Einheit bilden. Küvetten nach der Erfindung sind in Richtung des Meßstrahlers gestreckte Körper, mit kreisförmigem, quadratischem oder einem beliebig anderen Querschnitt, von denen wenigstens zwei sich im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche erstreckende Kontaktkörper ausgehen. Durch die Einheit von Küvette und Kontaktkörpern gibt es keine Übergangswiderstände und damit keine Überhitzungen der Kontakte, Auskraterungen durch die Bildung von Lichtbogen und ebenfalls keine durch unterschiedlichethermischeAusdehnungskoeffizienten beim Aufheizen induzierten mechanischen Spannungen. Die Enden der flügelartigen Kontaktstücke sind im Abstand von der Küvettenoberfläche mit der elektrischen Stromversorgungseinheit verbunden, wobei die thermische Belastung der Kontakte durch Isolierung, Strahlungsschilde, Kühlung oder andere bekannte Maßnahmen den Anforderungen entsprechend verringert werden kann. Die Lebensdauer der „kalten" Kontaktstellen ist praktisch unbegrenzt.

Die Küvette ist bevorzugt mit einer Anwendung versehen, in die der mit Analysensubstanz gefüllteim wesentlichen hohlzylindrische oder bootsförmige Tiegel eingreift. Von der Tiegelwand erstrecken sich bevorzugt ebenfalls wenigstens zwei Kontaktstücke, die im Abstand von der Wand mit einer zweiten Stromzuführungseinheit verbunden sind. Beschädigungen des Tiegels durch Überhitzungen im Kontakt, Auskraterungen durch Lichtbogen und ähnliche Defekte werden durch die Verlagerung der Kontaktstellen in Bereiche niedrigerTemperatur vermieden und die Standzeit des gesamten aus Küvettte und Tiegel gebildeten Systems wird entsprechend wesentlich verlängert.

Küvette und Verdampfungstiegel bestehen aus Reinstgraphit, Pyropgraphit, Glaskohlenstoff oder einer anderen Kohlenstoffart mit einem niedrigen Aschegehalt. Sie werden hergestellt durch Gesenk- oder Strangpressen von Kohlenstoff- oder Graphitpulvern, die mit einem Binder versetzt sind. Die Formlinge werden dann nach Carbonisierung des Binders auf etwa 2800 bis 3000⁰C erhitzt, einem Reinigungsverfahren unterworfen und falls nötig durch spanende Bearbeitung in die endgültige Form gebracht. Eine Bearbeitung ist besonders für kompliziertere Formen nötig.

Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung erstrecken sich die mit der Küvette eine Einheit bildenden Kontaktstücke über die gesamten Länge der Küvette. Bei dieser Ausführungsform wird die gesamte Küvette gleichmäßig erhitzt, und es gibt praktisch keine axialen Temperaturgradienten. Zur Verminderung der Wärmeableitung sind in einer anderen bevorzugten Ausführungsform dieKontaktstücke mit Durchbrechungen versehen, die ihren Querschnitt verkürzen. Bevorzugterstrecken sich die Durchbrechungen in Richtung der Küvettenachse. Durch Zerlegung der Kontaktstücke in eine Vielzahl paralleler Segmente oder durch Änderung ihrer Dicke ist es auch auf einfache Weise möglich, den elektrischen Widerstand der aus Küvette und Kontaktstücken gebildeten Einheit der Leistung einer gegebenen elektrischen Stromversorgungseinheit anzupassen oder für besondere Analysenbedingungen Temperaturprofile innerhalb der Küvette zu erzeugen. Die Durchbrechungen werden zweckmäßigerweise durch Bohren, Sägen oder Fräsen in die Kontaktstücke eingearbeitet.

Zur Analyse wird die Analysenprobe in einem besonderen kleinen Schiffchen in der Küvette angeordnet, nach Vorheizen der Küvette durch eine besondere Öffnung in die Küvette injiziert oder zweckmäßig in einem kleinen Tiegel eingebracht, der in eine Bohrung der Küvette eingreift. Küvette und Tiegel sind mit je einer, voneinander unabhängigen Stromversorgungseinrichtung verbunden und können entsprechend unabhängig mit vorgegeben, für die Analysenproben vorteilhaften Erhitzungsgeschwindigkeiten aufgeheizt werden. Trotz großer Erhitzungsgeschwindigkeit kommt es dabei, wegen der Einheit von Küvette und Kontaktstücke nicht zur Beschädigung oder gar zur Zerstörung der Küvette durch Überhitzungen im Kontakt und andere Kontaktfehler und man erzieltin einer kurzen Zeitspanne eine konstante Temperaturverteilung in der Küvette.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 a: eine erfindungsgemäße Küvette mit durchgehenden Kontaktstücken, Fig. 1 b: den Schnitt l-l in Fig. 1 a,

Fig.2a: eine Küvette mit verkürzten Kontaktstücken,

Fig.2b: den Schnitt H-Il in Fig.2a,

Fig.3: eine Küvette mit geschlitzten Kontaktstücken,

Fig.4: die perspektivische Darstellung einer Küvette mit durchbrochenen Kontaktstücken, Fig.5: den Schnitt einer Küvette mit eingreifendem Tiegel,

Fig.6a-c: Tiegel mit Kontaktstücken.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 a, b bilden die Küvette 1 und die sich über die gesamte Länge der Küvette erstreckenden Kontaktstücke 2 eine Einheit. Die Bohrung 3 ist für die Zuführung der Analysenprobe vorgesehen. Zeichnerisch nicht dargestellt sind die Verbindung der Kontaktstücke mit der elektrischen Versorgungseinheit und Mittel zur Kühlung und thermischen Isolierung der Verbindungsstellen. Die Ausführungsform ermöglicht ein schnelles Aufheizen der Küvette ohne die Ausbildung eines axialen Temperaturgradienten. In den Fig. 2 a, b ist eine Küvette 4 mit verkürzten Kontaktstücken 5 dargestellt. Die Küvettenenden werden in dieser Ausführungsform direkt, die zentralen Bereiche indirekt durch Strahlung und Wärmeleitung erhitzt. Eine Küvette 6, deren Kontaktstücke 7 mit Schlitzen 8 versehen ist, gibt Fig. 3 wieder. Die Schlitze dienen vor allem zur Verringerung des Wärmeflusses von der Küvette zu den Enden der Anschlußstücke und zur Anpassung des elektrischen Widerstands an die Leistung der elektrischen Versorgungseinrichtung.

In Fig.4 ist perspektivisch eine Küvette 9 mit mehrfach durchbrochenen Kontaktstücken 10 dargestellt. Diese Ausführungsform eignet sich besonders zur Einstellung vorgegebener Temperaturprofile. Zweckmäßig ist die Küvette mit einer Bohrung 12 versehen, in die der Tiegel 13 eingreift, der die Analysenprobe 14 enthält (Fig. 5). Der Tiegel 13 bildet mit Kontaktstücken 15 eine Einheit, die mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Stromversorgungseinheit verbunden sind. Die mit der Küvette 11 eine Einheit bildenden Kontaktstücke 10 sind mit einer besonderen Stromversorgungseinheit verbunden. In den Fig. 6 a-c sind einige der in Versuchen als vorteilhaft ermittelten, aus Tiegeln 17', 17" und 17'" und Kontaktstücken 18', 18" und 18'" bestehende Einheiten dargestellt.

Küvette und Tiegel können mit Vorteil auch als Träger von Analysenproben bei anderen spektroskopischen Verfahren verwendet werden, z. B. der Emissions- oder Fluoreszenzspektroanalyse.

Claims (5)

1. Küvette für die flammenlose Atomabsorptions-Spektroskopie, die durch Kontaktstücke mit einer elektrischen Versorgungseinheit verbunden und durch Joule'sche Erwärmung erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Küvette und Kontaktstücke eine Einheit bilden.

2. Küvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kontaktstücke über die gesamte Länge der Küvette erstrecken.

3. Küvette nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke mit den Querschnitt verkürzende Durchbrechungen versehen sind.

4. Küvette nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen sich in Richtung der Küvettenachse erstrecken.

5. Küvette nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette eine Bohrung aufweist, in die Bohrung ein die Analysenprobe enthaltender Tiegel eingreift und der-Tiegel eine Einheit mit Kontaktstücken bildet, die mit einer besonderen Stromversorgungseinheit verbunden sind.