Vorrichtung zur Analyse von in tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben enthaltenen Elementen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von in Flüssigkeiten enthaltenen Elementen.
Die Mul tiel ementanalyse kleinster Probenvolumina im Bereich von μl und weniger stellt derzeit eine große Herausforderung in der analytischen Chemie dar. Die Nachfrage nach Analysen kleinster Probenmengen steigen zudem besonders auch in der biochemischen und pharmazeutischen Industrie ständig. Die nach dem Stand der Technik am häufigsten eingesetzten Methoden zur simultanen Analyse einer größeren Zahl von Elementen sind die sogenannte ICP-OES (Inductively Coupled Pl as a-Optical Emission Spectrometry) und die sogenannte ICP-MS (Induc-
tively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) . Bei beiden bekannten Analyseverfahren wird die Probe in eine sehr heiße Gasflamme eingeführt und durch die extrem hohen Temperaturen des umgebenden Gases in einen Plasmazustand versetzt. Bei der ICP-OES wird die Emissionsstrahlung der ato isierten Probenatome durch ein geeignetes optisches Spektrometer analysiert, während der Nachweis der ionisierten Atome mittels ICP-MS massenspektro etri seh erfolgt.
Beiden Verfahren ist der große Nachteil zu eigen, daß geheizte Gase zur Anregung der Probe verwendet werden. Die Heizgase haben den nachteiligen Einfluß, daß dadurch die Probe erheblich verdünnt wird und daß damit die Nachweisempfindlichkeit um den Verdünnungsfaktor vermindert wird. Ein weiterer Nachteil, der auf die Nach- Weisempfindlichke t der Probe Einfluß nimmt, entsteht beim spektrometri sehen Nachweis durch Querstörungen des im hohen Überschuß vorhandenen Gases.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verdünnungsfreien Nachweis der in einer Probe enthaltenen Elemente mit einfachen aber sehr effektiven Mitteln zu erreichen und zudem spektralen Untergrundbeitrag des Heizgases zu vermeiden, so daß auf einfache Weise eine Analyse bzw. ein Nachweis kleinster Elementmengen in Flüssigkeiten möglich ist, wobei die Vorrichtung einen einfachen Aufbau aufweisen und kostengünstig bereitste!! bar sein soll.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß eine Laserlichtquelle vorgesehen ist, mittels der das Laserlicht auf die in einem Analyseraum tröpfchenförmig eingebbare Flüssigkeitsprobe zur Erzeugung eines Plasmas der Flüssigkeitsprobe gebbar ist, wobei vom Plasma
emittiertes Licht und/oder Probenmaterie auf eine Analyseeinrichtung gebbar ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß die Analyse direkt und ohne weitere Verdünnung der Probe erfolgen kann. Das Plasma in Form einer Plasmablase stellt optisch eine Punkt- quelle dar, die ideale Bedingungen für eine Einkopplung der Emissionslinien in eine Analyseeinrichtung bzw. ein vorgeschaltetes optisches System liefert. Die Punkt- quelle ist nur wenige μ groß. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß im wesentlichen auf bereits verfügbare Mittel, wie Laserlichtquellen und Spektrometer der unterschiedlichsten Art, zurückgegriffen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung werden die tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben von einer Dosiereinrichtung geliefert. Dosiereinrichtungen dieser Art sind ebenfalls im Handel erhältlich und können beispielsweise tröpfchenför ige Flüssigkeitsproben im Piko- bis Nanol i terberei eh erzeugen. Es können faktisch eine Mehrzahl hintereinander gelieferter tröpfchenför iger Flüssigkeitsproben mittels des Laserlichts quasi der Reihe nach "abgeschossen" werden, so daß das Analyseergebnis durch eine Mehrzahl von unmittelbar nacheinander untersuchten Proben in bezug auf Exaktheit der Analyse gefestigt werden kann.
Vorteilhafterweise ist es auch möglich, eine Sequenz vorbestimmbarer Länge an tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben durch den Analyseraum zu leiten bzw. fallen zu lassen, wobei Dauer und Intensität des Laserlichts bzw. eines Laserimpulses so gewählt wird, daß jede tröpfchenförmige Flüssigkeitsprobe vom Laserlicht
beaufschlagt und in eine Plasmawolke verwandelt werden kann .
Das Laserlicht kann vorteilhafterweise in Form eines Impulses auf die tröpfchenförmige Flüssigkeitsprobe gegeben werden, wobei die Länge des Impulses und ggf. eine Impulswiederholungsrate in Abhängigkeit der erwarteten Elementspektren festlegbar bzw. einstellbar ausbildbar ist.
Vorteilhafterweise ist es ebenfalls möglich, das Laserlicht in Form einer Impulssequenz auf die tröpfchenföi— ige Flüssigkeitsprobe zu geben, d.h. es können in der nachgeschalteten Analyseeinrichtung die Emissionsblitze des Plasmas akkumuliert werden, wodurch eine genauere, aufschlußreichere Analyse der Elemente bzw. der Moleküle mögl ich ist.
Vorteilhafterweise ist die Energie des Laserlichts derart auswählbar, daß das Plasma beispielsweise eine Temperatur von 10 °K aufweist und daß vorzugsweise die Energie des Laserlichts derart bemeßbar ist, daß das Plasma eine Ausdehnung im Bereich von 50 μm hat. Es hat sich herausgestellt, daß bei Einhaltung dieser Parameter eine qualitativ und quantitativ hochwertige Analyse der Probe mittels für Analysemethoden an sich bekannter spektroskopischer Einrichtungen möglich ist.
Um das Laserlicht bündeln und auf einfache Weise auch auf die Probe gezielt ausrichten zu können, wird vorteilhafterweise das aus der Laserl ichtquell e austretende Laserlicht vor Auftritt auf die Flüssigkeitsprobe über eine Fokussierungseinrichtung geleitet, beispielsweise in Form einer Fokussierungsl i nse.
Um auch bei ausreichender Auflösung eine ausreichend große Intensität des Laserlichts, das vom Plasma emittiert wird, zu erreichen, ist es ebenfalls vorteilhaft, das vom Plasma der tröpfchenförmigen Flüssigkeitsprobe emittierte Licht vor Eintritt in die Analyseeinrichtung über eine Fokussi erungseinri chtung zu leiten.
Die Analyseeinrichtung kann vorzugsweise aber auch ein E i ssi onsspektrometer sein, mittels dem die Emissionsstrahlung der atomisierten Probeatome bzw. ionisierten Elemente durch optische Spektro etrie analysiert wird. Bei einer Analyseeinrichtung in Form eines Emissions- spektrometers wird der Laserimpuls vorzugsweise mit dem Emi ssi onsspektrometer synchronisiert, wodurch eine Verminderung des Untergrundes in den erhaltenen Signalen erreicht wird.1
Die Analyseeinrichtung kann aber auch ein Massenspek- trometer sein, bei dem die durch den "Beschüß" mittels Laserlichts der tröpfchenförmigen Flüssigkeitsprobe erzeugte kleine Plasmawolke auf Grund der Tatsache, daß die Atome im Plasma vollständig ionisiert sind, direkt in das Massenspektro eter eingeführt werden kann. Um die Impulsstruktur des Laserlichts optimal nutzen zu können, ist es vorteilhaft, die Massen der von dem Laserlicht erzeugten Ionen durch ein sogenanntes "Time of Flight"- Verfahren (TOF-MS) zu identifizieren.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen anhand zweier Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben. Darin zei gen :
Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung, bei der die Analyseeinrichtung in Form eines Massenspektrometers ausgebildet ist, und
Fig. 2 eine Vorrichtung, bei der die Analyseeinrichtung in Form eines optischen Emissionsspektro- meters ausgebildet ist.
Die Vorrichtung 10 zur Analyse von tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben 11, in denen Elemente enthalten sind, die das eigentlich zu untersuchende Objekt darstellen, umfaßt eine Laserl ichtquell e 12, vgl. Fig. 1. Die Laserlichtquelle 12 erzeugt auf geeignete Weise Laserlicht 13. Das Laserlicht 13 wird auf eine Fokussi erungs- einrichtung 18 geleitet, hier beispielsweise ausgebildet in Form einer Fokussierungsl inse. Das fokussierte Laserlicht 13 wird auf eine tröpfchenförmige Flüssigkeitsprobe 11 gerichtet. Die Energie des Laserlichts ist derart vorbestimmt eingestellt, daß ein Plasma 15 der tröpfchenförmigen Flüssigkeitsprobe 11 erzeugt wird. Die Flüssigkeitsprobe 11 liegt dann quasi als Plasmabläschen vor. Das Plasma 15 hat beispielsweise eine Temperatur im Bereich von 10 °K und die Ausdehnung des Plasmabläschens 15 liegt im Bereich von 50 μm und weniger. Das Plasma 15 emittiert Licht 16, das wiederum auf eine Fokussierungseinrichtung 19 gegeben wird, Fig. 2, die be spielsweise in Form einer Sammellinse ausgebildet sein kann. Das gebündelte emittierte Licht 16 wird auf eine Analyseeinrichtung 17 geleitet und dort mittels spektroskopischer Methoden qualitativ und quantitativ ausgewertet. Die Analyseeinrichtung 17 ist beispielsweise in Form eines optischen Emi ssi onsspektro eters ausgebildet, Fig. 2.
Die tröpfchenförmigen Flüssigkei sproben 11 werden von einer Einrichtung 22 zum Dosieren geliefert, die derart zum Laserlicht 13 ausgerichtet ist, daß die tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben den Brennpunkt der Fokus- sierungseinri chtung 18 durchqueren. Die Einrichtung 22 kann durch eine konventionelle Dosiereinrichtung gebildet werden. Die Einrichtung 22 kann aber auch mittels eines modernen Trennverfahrens wie z.B. eines HPLC-Ver- fahrens (High pressure liquid chro atography) erzeugt werden. Durch geeignete Synchronisierung der durch die Einrichtung 22 gelieferten tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben 11 mit der Laserlichtquelle 12 kann sichergestellt werden, daß genau dann, wenn sich eine tröpfchenförmige Flüssigkeitsprobe 11 im Brennpunkt der Fokussierungseinrichtung 18 befindet, die Aussendung des Laserlichts 13 aktiviert wird und praktisch die sich im Brennpunkt der Fokussierungseinrichtung 18 befindliche tröpfchenförmige Flüssigkeitsprobe 11 "abgeschossen" wird, d.h. ein Plasma 15 erzeugt wird.
Das Laserlicht 13 selbst kann in Form einzelner Impulse auf die Flüssigkeitsprobe 11 gegeben werden, wobei die Impulslänge und ggf. eine Impulswiederholungsrate einstellbar ausgebildet sein können. Es ist aber auch möglich, das Laserlicht 13 in Form einer Impulssequenz auf die Flüssigkeitsprobe 11, ggf. sich in geeigneter Zeit wiederholend, zu geben.
Auch eine Sequenz vorbestimmbarer Menge an tröpfchenförmigen Flüssigkeitsproben 11 kann durch den Analyseraum 14 geleitet werden.
Die Vorrichtungen 10 gemäß Fig. 1 und gemäß Fig. 2 unterscheiden sich im wesentlichen darin, daß im Falle der Fig. 1 als Analyseeinrichtung 17 ein Massenspektro-
eter (TOF-Massenspektrometer) Verwendung findet. Bei Verwendung eines Massenspektrometers als Analyseeinrichtung 17 wird Probenmaterie 16 auf das Massenspektrometer geleitet. Bei der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2 wird das vom Plasma 15 kommende Emissionslicht auf eine Analyseeinrichtung 17 in Form eines optischen Spektro eters (OES-Spektrometer) gegeben wird, mittels dem die Lichtemission des Plasmas 15 nach den Methoden der optischen E issionsspektrometrie direkt zur Elementanalyse genutzt wird .
Bezugszei chenl i ste
10 Vorrichtung
11 tröpfchenförmige Flüssigkeitsprobe
12 Laserlichtquelle
13 Laserlicht
14 Analyseraum
15 Plasma
16 emittiertes Licht / Probenmaterial (Ionenbündel)
17 Analyseeinrichtung
18 Fokussierungseinrichtung (erste)
19 Fokussierungseinrichtung (zweite) 20
21 Probenflüssigkeit
22 Einrichtung