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Inhaltsverzeichnis

 

Emissionsspektralanalyse

 

 

Kirchhoff und Bunsen      Linkes Bild [1]: Der Physiker Gustav Kirchhoff (links) und der Chemiker Robert Bunsen (rechts) begründeten Mitte des 19. Jahrhunderts die Spektralanalyse mit sichtbarem (VIS -) Licht. Rechtes Bild [2]: Zu ihrer Entdeckung, dass Spektrallinien die Anwesenheit chemischer Elemente in zum Leuchten angeregten Materialproben anzeigen, verhalfen ihnen Kirchhoffs Selbstbau - Spektroskop und Bunsens bis heute gebräuchlicher, nach ihm benannter Gas - Brenner. Dessen Flamme regte die Probenatome zur Emission von Licht an, das mittels Prisma spektral zerlegt wurde. Mit einem Fernrohr wurden im so erzeugten Spektrum die Positionen der von den chemischen Elementen in einer Probe stammenden Spektrallinien auf einer Skala abgelesen.      Spektroskop und Bunsen - Brenner

 

 

Anregung von Stoffen zur Licht - Emission


 

Bei der Emissionsspektralanalyse wird eine Probe zur Aussendung (Emission) von eigenem Licht angeregt. Die hierzu notwendige Energie kann der Probe mittels Brennstoff - Flammen, elektrischer Lichtbögen oder Funken sowie elektrischer oder magnetischer Wechselfelder beziehungsweise elektromagnetischer Strahlung zugeführt werden. Der Umfang bisher hierzu veröffentlichter Informationen ist erheblich; daher kann im Folgenden nur einige grundlegende Fakten in Kurzfassung dargestellt werden. Weiterführende Publikationen sind jedoch leicht zugänglich [1][2][3][4][6][7][8].

 

Antiker Mahner
  • Der Umgang mit brennbaren oder explosiblen Stoffen sowie mit Mittel- oder Hochspannung ist potentiell lebensbedrohlich! Auch bei vorsichtigem Arbeiten und Durchführung von Sicherheitsmaßnahmen können unvorhersehbare Zwischenfälle zu Unfällen führen.

  • Jede/r muss für sich selbst entscheiden, ob sie/er die mit einer Tätigkeit verbundenen Gefahren in Kauf nehmen will. Experimente mit Brennstoffen sollten aber in Privatwohnungen bei Anwesenheit daran Unbeteiligter sowie in Häusern mit mehreren Wohnparteien unterbleiben! Auch Garagen, in denen brennbares Material, auch in Kraftfahrzeugen, lagert, sind als Versuchräume völlig ungeeignet! Menschen mit beeinträchtigter Risiko - Wahrnehmung wie psychisch Veränderte oder Kinder sind schon durch bloßen Zugang zu Experimentiervorrichtungen und -material gefährdet!

  • Die Umgebung von Brennern sollte von brennbarem Material freigehalten werden, wobei auch die Gefahr von Funken - Flug beachtet werden muss.

  • Beim Umgang mit flüchtigen brennbaren Flüssigkeiten können deren Gase mit Luft explosible Gemische ergeben, siehe auch unten. Diese können beim Zünden von Brennern oder durch Funken in elektrischen Schaltern gezündet werden. Auch Funken durch Reibungselektrizität, zum Beispiel an Kunststoff - Kleidung oder beim Gehen über elektrisch gut isolierende Fußböden, reichen hierzu aus! Dass beim Umgang mit leicht entzündlichem Material nicht geraucht wird, sollte eigentlich selbstverständlich sein.

  • Beim Einbringen von Probenlösungen, die brennbare Lösemittel enthalten, in Anregungsflammen können diese sich gefährlich ausbreiten.

  • Auch vor nur kurzzeitigem Verlassen eines Experimentierraums sollten alle Brenner - Flammen gelöscht und Mittel- oder Hochspannungsgeräte ausgeschaltet werden.

  • Gaskartuschen mit Durchstechanschluss ohne bei Trennung vom Brenner selbstschließendes Sicherheitsventil dürfen nur im Freien und bei Abwesenheit brennenden Materials, auch Tabak, vom Entnahmeaufsatz getrennt werden! Solche geöffneten Kartuschen mit Inhaltsrest im Freien leerdampfen lassen, nicht in geschlossene Räume bringen!

  • In Versuchsräumen sollten Rauch- oder Brandmelder angebracht und Feuerlöscher und Brandschutzdecke sowie Erste Hilfe - Sets schnell erreichbar sein, ebenso ein Telephon.

  • Angesichts eines solchen Gefährdungspotentials stellt sich die Frage, ob auf eine Veröffentlichung von Informationen zum Thema dieses Kapitels besser verzichtet werden sollte. Es sind jedoch bereits derart viele Veröffentlichungen über potentiell Schaden bringendes naturwissenschaftliches und technisches Wissen allgemein zugänglich, dass hier qualitativ auch durch weitere Publikationen keine Steigerung von Risiken mehr möglich scheint. Eine Zensur solchen Wissens müsste auch den Chemie - und Physik - Unterricht an Schulen einschließen! Erfahrungsgemäß hemmt Zensur Böswillige keineswegs daran, Technik menschenfeindlich einzusetzen, Gutwillige jedoch daran, Andere und sich davor zu schützen.

 

Bei Anregung von Proben durch Plasmen (elektrische Funken oder Lichtbögen, Flammen, Gasentladungen) bilden sich Licht - emittierende Atome und Ionen der chemischen Elemente um so leichter, je weniger fest die Elemente aneinander gebunden sind und je leichter ihre Verbindungen im Plasma verdampfen. Um in schwer flüchtigen Stoffen fest gebundene Elemente in flüchtigere und weniger stabile Verbindungen einzubauen können die in der analytischen Chemie üblichen Aufschluss - Verfahren angewandt werden [4]. Können im Zuge eines Probenaufschlusses Probeninhaltsstoffe in leicht in einem Lösungsmittel lösliche Verbindungen überführt werden, wird dadurch zum Einen das Einbringen der Probe in ein Plasma erleichtert und bei leicht verdampfbaren Lösungsmitteln zum Anderen eine Konzentrierung der Probeninhaltsstoffe durch Verflüchtigung des Lösungsmittels ermöglicht.

Ist die Probe sehr reich an Elementen, so dass mit einer intensiven Überlagerung von Spektrallinien oder -banden zu rechnen ist, können die ebenfalls in der analytischen Chemie gebräuchlichen Methoden zur Trennung von Probeninhaltsstoffen angewendet werden [4].

Sollen sehr geringe Konzentrationen chemischer Elemente in wässriger Lösung erfasst werden, können diese elektrolytisch auf den Endflächen von Funkenstrecken - oder Lichtbogen - Elektroden abgeschieden werden. Als Elektrodenmaterial wird ein Metall mit niedrigem Dampfdruck und Erhältlichkeit in hoher Reinheit, wie Gold oder Platin, und mit Linien - armem Eigenspektrum, wie Cadmium, empfohlen oder sehr reine (spektralreine) Kohle [7].

Dass bei sehr inhomogenen Proben eine zu kleine oder zu wenig durchmischte Teilprobe zu falschen Annahmen über die Zusammensetzung des Gesamtprobenmaterials führen kann, ist ein allgemeines Problem der chemischen Analytik, das bei den bei manchen Spektralanalysen sehr geringen untersuchten Mengen besonders zum Tragen kommen kann.

Wird eine Probe in einer Kapillarröhre zum Leuchten gebracht, hat die Raumcharakteristik des abgestrahlten Lichts die durch einen Spalt gehenden Lichts. Mit einer solchen Anordnung kann auf den Eingangsspalt eines Spektralanalyse - Gerätes verzichtet werden [10].

Besonders Flammen, elektrischen Lichtbögen oder Funken sind anfällig für zeitliche Schwankungen der in ihren Plasmen herrschenden Bedingungen. Um diese Ursache für Schwankungen der Helligkeit von Spektren von der durch unterschiedliche Inhaltsstoff - Gehalte zeitlich versetzt untersuchter Proben zu unterscheiden kann jeder untersuchten Probe in gleicher Konzentration ein Stoff zugesetzt werden, der zuvor in den Proben fehlte und der auf Änderungen der Anregungsbedingungen in gleicher Weise mit Änderungen der Intensität des von ihm emittierten Lichts reagiert wie die zu bestimmenden Probeninhaltsstoffe. Ein solcher Zusatzstoff wird "Innerer Standard" genannt. Er soll verhindern, dass durch Variationen der Anregungsbedingungen bei nacheinander untersuchten Proben verursachte Helligkeitsunterschiede in Spektren fälschlich als durch Konzentrationsunterschiede bei Inhaltsstoffen bedingt interpretiert werden. Moderne HighTech - Analysatoren besitzen elektronisch gesteuerte Regelkreise, die die Emissionsbedingungen durch aktive Regelung der Energie - Zufuhr für ein Licht emittierendes Plasma konstant zu halten versuchen.

In Plasmen (Flamme, Gasentladung) können Licht - Emission durch angeregte Atome im heißeren Inneren und Licht - Absorption in kühleren und daher vermehrt nicht angeregte Atome enthaltenden Randzonen nebeneinander auftreten (Selbstabsorption). Die Selbstabsorption bewirkt eine Verringerung der Helligkeit im Zentrum einer Emissionslinie, die dort bis zur Entstehung eines Intensitätsminimums führen kann (Selbstumkehr einer Spektrallinie).

Diagramm zu Selbstabsorption und Selbstumkehr

Das Diagramm oben zeigt den Intensitätsverlauf über die Wellenlänge bei der gelben, breiteren Emissionsspektrallinie von Natrium mit Zentrum bei 589,00 nm, die von der zugehörigen schmaleren Absorptionslinie überlagert wird [12]. Die Selbstabsorption ist so stark, dass ein relatives Minimum der Licht - Intensität der Emissionslinie entstanden ist: Selbstumkehr. Diese tritt besonders bei höheren Plasma - Drucken auf, zum Beispiel in Mittel - und Hochdruck - Gasentladungslampen. Ein solches Muster kann bei der Auswertung eines Spektrums fälschlich als 2 benachbarte Spektrallinien interpretiert werden. Auch Dies unterstreicht die Notwendigkeit, zur Identifizierung eines Elements oder bei der Kalibrierung der Wellenlänge - Skala eines Spektrums immer mehrere Spektrallinien heranzuziehen.

Um möglichst viel Licht aus einer angeregten Analysenprobe in ein Spektralanalyse - Gerät zu leiten und so eine möglichst hohe Analysenempfindlichkeit zu erreichen kann zwischen Probe und Eingangsspalt des Analyse - Gerätes eine Licht auf den Spalt bündelnde (fokussierende) Linsenoptik, ein Kondensor, angebracht werden. Aber auch eine vom Spalt aus gesehen hinter der Probe befindliche Spiegel - Optik erfüllt diesen Zweck. Ob mit oder ohne solche/n Hilfsmittel/n, für die maximale Helligkeit eines Spektrum - Bildes muss die optische Achse eines Analyse - Gerätes, also die gedachte gerade Verbindungslinie zwischen der Stelle an einem Dispersionsprisma oder an einem Beugungsgitter, auf die das Zentrum des Einfallslicht - Bündels auftrifft, und dem Eingangsspalt in ihrer Verlängerung die Anregungszone einer Analysenprobe durchlaufen. Die entsprechende Justierung eines Gerätes kann vor der Untersuchung einer Analysenprobe mittels einer an deren Stelle angebrachten kleinen Licht - Quelle, zum Beispiel einer Sofitte oder einer Glimmlampe, vorgenommen werden. Dazu werden die Anregungsvorrichtung mit der vorübergehend eingebauten Hilfslicht - Quelle einerseits und das übrige Spektralanalyse - Gerät als feste Einheit andererseits so zueinander gedreht, dass die Helligkeit des von der Hilfslicht - Quelle erzeugten Testspektrum - Bildes maximal wird. Anstelle einer Hilfslicht - Quelle am Ort der Probenanregung selbst kann dort auch ein schmaler Spiegel, zum Beispiel aus Alu - Folie zugeschnitten, eine Metallstange mit hochglänzender Oberfläche oder ein weißer Karton platziert und von einer externen Licht - Quelle angestrahlt werden.

 

 

Anregung mit elektrischen Funken


 

Ein elektrischer Funke entsteht beim Austausch von Elektronen zwischen zwei räumlich getrennten Elektroden in einer Gas - Atmosphäre, deren Druck in der Größenordnung des Luft - Drucks an der Erdoberfläche liegt. Die Potential - Differenz zwischen den Elektroden liegt dabei im Hochspannung - Bereich, die Strom - Stärke beträgt bei den hier betrachteten Geräte - Dimensionen höchstens wenige mA. Die für einen Funken gegebener Überschlagweite in trockener Luft mit normaler Temperatur notwendige Spannung kann nach der Näherung

Spannung in Kilo - Volt  ≈  Funkenlänge in mm

abgeschätzt werden.

Verschiedene Arten der Erzeugung von Hochspannung sind in einem anderen Kapitel dieser Site beschrieben [9].

Sollen anregende Funken nur in einer Richtung überspringen, zum Beispiel wenn eine Probe selbst eine der beiden Elektroden der Funkenstrecke ist, darf die Spannungsquelle keinen Polaritätswechsel zeigen und muss daher einen Gleichsstrom liefern, der auch wellig oder gepulst sein kann. Die vor Aufkommen elektronischer Hochspannungsgeneratoren verbreiteten mechanischen Zerhacker - Geräte, im Lehrmittel - Handel noch erhältlich, bieten nicht die für quantitative Spektralanalysen notwendige zeitliche Konstanz der Funken - Intensitäten [7].

Eine modulare, leicht variierbare Halterung für Funken - Elektroden kann mit Uhrgehäuse - Haltern oder mit kleinen Schraubstöcken geschaffen werden. Die Funkenstrecke sollte durch sie umstellende Schirme mit mattschwarzer Oberfläche vor störendem Umgebungslicht geschützt werden.

Die bei der Anregung einer Analysenprobe aufeinander folgenden Funken nehmen meist unterschiedliche Wege zwischen den Elektroden. Diese Streuung des örtlichen Verlaufs der Funken erleichtert die Ausrichtung des optischen Eingangs eines Spektralanalyse - Gerätes auf das Funken - Feld, da wegen dieser Variabilität die optische Achse des Gerätes auch etwas seitlich der gedachten Strecke zwischen den Mitten der beiden Elektroden liegen kann. Eine einmal gewählte Positionierung des Gerätes zum Funken - Feld hin muss aber für alle Aufnahmen von Proben-, Kalibrier- oder Vergleichsspektren im Rahmen einer bestimmten Probenanalyse exakt beibehalten werden, da anderenfalls die innerhalb des Funkenfelds örtlich variierende Funken - Helligkeit bei quantitativen Analysen als durch unterschiedliche Probeninhaltsstoffgehalte verursacht fehlinterpretiert werden kann.

Nach Beobachtung des Verfassers kann eine Funken - Strecke die Funktion eines elektronischen Spektrometers bei zu geringer Distanz zwischen Beiden stören, vielleicht vermittels der von den Funken emittierten elektromagnetischen Wechselfelder.

 

Nutzung von piezoelektrisch erzeugten Funken

 

Mit piezoelektrischen Vorrichtungen, die an anderer Stelle näher beschrieben sind [9], können Funken alleine durch Finger - Druck, ohne weitere elektrische Bauteile, einfach erzeugt werden. Da die Helligkeit solcher Funken relativ gering ist, wurde deren photographische Registrierbarkeit unter folgenden Bedingungen getestet: Als Kamera kam eine Canon EOS 450D zum Einsatz, die auf 55 mm Brennweite, ISO 1600, Blende 5,6 und manuelle Belichtungssteuerung eingestellt war. Zur Funkenerzeugung wurde ein an anderer Stelle vorgestelltes Piezomodul benutzt [9][26]. Im Bild unten links sind 39 Funkenüberschläge, gesammelt in 30 s Belichtungszeit, zu sehen. Das Bild unten rechts zeigt 91 gesammelte Einzelfunken in einer nicht bestimmten Belichtungszeit.

39 Funken     91 Funken

Die Bilder zeigen auch, dass die Verlaufswege der Funken variieren, was ihre Nutzung für quantitative chemische Analysen erschwert, bei denen die Genauigkeit mit dem Grad der Reproduzierbarkeit der Analysenbedingungen zunimmt.

Wird das oben erwähnte Hochspannung erzeugende Piezomodul an eine Funkenstrecke mit Elektroden aus Kohle und Kupfer angeschlossen, erscheint in unter sonst gleichen Bedingungen aufgenommenen Spektren der Funken zwischen diesen Elektroden die bei der Wellenlänge 589.0 nm gelegene Spektrallinie des Kohlenstoffs deutlich heller, wenn die unterhalb der Front - Blende des Moduls seitlich an dessen Schaft gelegene Elektrode mit der Kohle - Elektrode der Funkenstrecke verbunden ist, und deutlich dunkler, wenn die seitliche Elektrode mit der Kupfer - Elektrode der Funkenstrecke verbunden ist. Bei der Untersuchung einer Analysenprobe mittels der von diesem Piezomodul gelieferten Hochspannung sollte daher die seitliche Modul - Elektrode mit der die Probe tragenden Elektrode der Funkenstrecke verbunden sein.

 

Erzeugung von Abreißfunken

 

Soll die beim Öffnen eines elektrischen Gleichstrom - Kreises, der eine Spule hoher Induktivität enthält, entstehende Hochspannung zur Funken (Abreißfunken) - Erzeugung genutzt werden [9] ist eine Ausführung zu empfehlen, bei der die Strom - Kreis - Unterbrechung an den Elektroden erfolgt, die eine Probe unter Funken - Feuer setzen. Dabei fungiert eine wasserfeuchte oder eine zum Beispiel mit Leitlack elektrisch leitfähig gemachte trockene Probe als eine der Elektroden. Die andere, die Gegenelektrode, ist beweglich und federnd gelagert. Folgende Varianten sind möglich:

Variante 1: Die bewegliche Elektrode ist in Ruhe - Stellung so weit von der Probenelektrode entfernt, dass kein Strom fließt. Erstere wird gegen den Druck oder den Zug ihrer Haltefeder zu Letzterer hin bewegt bis zum Schließen des Strom - Kreises. Dann wird die Gegenelektrode losgelassen und von ihrer Feder in ihre Ausgangsposition zurück gedrückt oder gezogen. Beim Öffnen des Strom - Kreises entsteht ein Funkenüberschlag.

Variante 2: Die bewegliche Elektrode steht in Ruhe - Stellung in elektrischem Kontakt mit der Probenelektrode. Dann wird die Gegenelektrode gegen die Kraft ihrer Feder von der Probenelektrode weg gezogen, der Strom - Kreis so unterbrochen und ein Funkenüberschlag ausgelöst.

Liefert die Strom - Quelle einen welligen Gleichstrom, wie er aus Wechselspannung durch unvollkommene Gleichrichtung entsteht, hängt die Intensität des Abreißfunkens von der Stärke des im Moment der Elektroden - Trennung gerade fließenden Stroms ab. Bei einer quantitativen chemischen Analyse sollten aber alle apparativen Analysenbedingungen konstant gehalten werden, damit die Höhen der Messsignale nur von den Konzentrationen der Inhaltsstoffe einer Probe abhängt und nicht wie hier zum Beispiel auch von der Phase des Abreißfunkenstroms. Ist dessen Welligkeit allerdings so gering, dass dadurch verursachte Ungenauigkeiten klein sind gegenüber solchen aus anderen Gründen, zum Beispiel durch Zufall - bedingte Schwankungen der Funkenintensität verursachten, ist sie tolerierbar.

 

Die Beschaffenheit der Funken - Elektroden

 

Die Oberfläche einer Elektrode der Funkenstrecke sollte möglichst glatt sein, da Spitzen und Kanten die Funken bevorzugt auf sich ziehen und dadurch bis zum Glühen erhitzt werden würden, was die Reproduzierbarkeit der Anregung verringern würde. Flüssige Proben können auf Elektroden aus Kohle oder Filterkohlepapier gesaugt werden. Eine Probenlösung kann auch mit ihrer freien Oberfläche, zum Beispiel in Form einer aus einer Kapillare herausragenden Flüssigkeitskuppe, direkt als Elektrode dienen. Feste oder feuchtpastöse Proben können, von einem Röhrchen umschlossen, auf eine in dieses hineinragende Metall - Elektrode aufgebracht werden. [7]

 

Vorrichtung zur Probenanregung mit Funken 1

 

Mit der nachfolgend beschriebenen einfachen und provisorischen Vorrichtung zur Gewinnung von durch Funken angeregten Probenspektren kann untersucht werden, ob überhaupt von Proben Funken - Spektren gewonnen werden können und wenn ja, welche die optimalen Anregungsbedingungen sind. Für Bestimmungen der Konzentrationen von Probeninhaltsstoffen ist jedoch ein mechanisch stabilerer Aufbau zu empfehlen, da ein Verrutschen der Funkenstrecke - Elektroden zu Fehlbestimmungen führen kann.

Einfache Vorrichtung zur Probenanregung mit Funken

Wie auf dem Bild oben zu sehen ist die Elektroden - Halterung an einem gewinkeltes Locheisen befestigt, das seinerseits an eine im Bild nicht sichtbare Plattform aus Eisenblechen geschraubt ist. Zur Erzeugung der Hochspannung für die Funkenstrecke wird hier ein piezoelektrisches Modul eingesetzt, das an anderer Stelle beschrieben ist [9][26]. Die eine zum Modul gehörige, von einem Keramik - Mantel umgebene Elektrode ist mit ihrer freien Metall - Nase nach oben mit einem dicken Gummi - Ring an den Eisen - Winkel geklemmt. Um Funken - Überschläge zwischen der Elektrode und dem Eisen - Winkel zu vermeiden werden Beide durch zwei elektrisch isolierende Radiergummi - Hälften auf Distanz gehalten. Die andere Elektrode besteht aus einem dicken einadrigen Draht aus Kupfer, der aus einem für stärkere Ströme ausgelegten Elektrokabel gewonnen wurde. Dieser Draht, bis auf seine beiden blanken Enden Kunststoff - ummantelt, wird ebenfalls von besagtem Gummi - Ring mit gehalten und bildet mit seinem U - förmig umgebogenen, zur Keramik - Elektrode hin zeigenden Ende die Gegenelektrode. An dieses blanke Ende kann wahlweise eine bei Elektroinstallationen gebräuchliche Reihendoppelklemme angeschraubt werden, in deren freiem Teil ein Stift aus anderem Material (Zum Beispiel ein Kohle - Stab oder ein Silber - Draht) als Gegenelektrode eingespannt werden kann. Das andere Ende dieses Kupfer - Drahtes ist, ebenfalls in gebührendem Abstand zur eisernen Plattform, mit einer Reihendoppelklemme an die zweite Anschluss - Leitung des piezoelektrischen Moduls angeschlossen. Auf die aus der von Keramik umgebenen Elektrode herausragende Metallspitze ist eine Reiheneinfachklemme ohne Kunststoffmantel geschraubt, auf die zum Beispiel eine Tablette aus elektrisch leitfähigem, porösem, eine aufgesaugte Flüssigprobe enthaltendem Material (Zum Beispiel eine in Apotheken erhältliche Tablette aus medizinischer Kohle) aufgelegt werden kann.

 

Vorrichtung zur Probenanregung mit Funken 2

 

Eine mechanisch stabilere als die obige Ausführung einer Funkenstrecke kann aus einem Hohlrohr aus elektrisch isolierendem Kunststoff gefertigt werden. Im unten abgebildeten Beispiel ist es eine runde Dose ohne Deckel, deren Boden - Platte abgesägt wurde. Die Dosen - Wand ist mit 2 Bohrungen versehen, die in gleichem Abstand zu einem Dosen - Rand und im Abstand eines halben Dosen - Umfangs voneinander platziert sind. Die beiden Bohrlöcher stehen sich also diametral gegenüber und dienen der Befestigung der Funkenstrecke - Elektroden. Eine weiteres Bohrloch befindet sich auf der kürzesten Verbindungslinie zwischen Einer der Elektroden - Bohrungen und einem Rand der Rohr - Öffnung, es dient der Befestigung der Vorrichtung auf der Plattform eines Selbstbau - Spektrographen. Der zylindrische Körper der verwendeten Dose hat herstellungsbedingt 2 Nähte parallel zur Zylinder - Achse im Abstand eines halben Zylinder - Umfangs voneinander, was die Ermittlung der Bohrpunkte vereinfachte. Besteht die Plattform eines Spektralanalyse - Gerätes aus Metall, müssen die Elektroden der Funkenstrecke so weit von der Plattform entfernt angeordnet oder so isoliert sein, dass keine Funken zwischen Elektroden und Plattform überspringen können. Dies muss bei der Wahl der Bohrloch - Orte beachtet werden.

Das Rohr wird nun so auf einem Spektralanalyse - Gerät befestigt, dass eine Bohrung für eine Elektrode zuunterst liegt. Dann steht bei richtiger Ausführung das Loch für die Gegenelektrode zuoberst. Die durch das untere Loch geführte Elektrode dient als Trägerin für Analysenproben. Sie besteht hier aus einer Metallschraube, die von Muttern im Bohrloch gehalten wird. Auf dem nach oben ragenden Ende dieser Schraube sitzen 2 Muttern, die durch Gegeneinanderdrehen fixiert wurden (Kontermuttern). Die oberste Mutter ragt etwas über die Endfläche der Schraube hinaus, wodurch die Mutter die wackelfreie Auflage einer Tablette oder einer Scheibe als Trägerin einer Analysenprobe ermöglicht. Die Gegenelektrode wird im hier gezeigten Beispiel von einem Stück massiven Kupfer - Drahtes gebildet und ist austauschbar in einem Bananenstecker befestigt, der seinerseits in einer Bananenkupplung (Bananenbuchse) steckt, die im zweiten Elektrodenbohrloch festgeschraubt ist. So kann durch Verschieben des Steckers in der Kupplung schnell und einfach der Abstand zwischen Gegenelektrode und Probenelektrode verändert werden. Der Anschluss an eine Spannungsquelle kann mittels Krokodilklemmen hergestellt werden, die an die aus dem Rohr heraus ragenden Metall - Teile der Elektroden angeklemmt werden. Auch die zugehörigen Anschluss - Leitungen müssen so isoliert und verlegt werden, dass zwischen ihnen und Metall - Komponenten der Plattform eines Spektralanalyse - Gerätes keine Funken überspringen können.

Weitere Ausführungsmöglichkeit einer Funkenstrecke

Soll die hier beschriebene Vorrichtung in Verbindung mit einem Selbstbau - Spektralanalysegerät genutzt werden, bei dem auf ein optisches Element zur Sammlung und Projektion des Funkenstrecke - Lichts auf den Eingangsspalt des Geräts, also auf einen Kondensor, verzichtet wird, kann die Spalt - Blende dicht vor der Funkenstrecke angebracht werden, um möglichst viel Licht in den Strahlengang des Spektralanalysegeräts zu leiten. Eine einfache Ausführung eines Blendenhalters ist nachfolgend skizziert.

Spalt - Blende - Halter für Funkenstrecke 2

Oben links ist eine aus mattschwarz beschichtetem Zeichenkarton ausgeschnittene Scheibe dargestellt, deren Durchmesser ohne die Laschen geringfügig kleiner ist als die lichte Weite des Funkenstrecke - Rohres. Das Zentrum der Karton - Scheibe trägt einen Spalt - förmigen Ausschnitt, oben links durch eine gestrichelte Linie angedeutet, der etwas größer ist als der Spalt der in einem Kleinbild - Dia - Rahmen von 2 aufgeklebten Rasierklingen gebildeten Spalt - Blende. Das Dia mit dem Spalt selbst ist auf der der Funkenstrecke zugewandten Seite der Karton - Scheibe so aufgeklebt, dass die Öffnung in der Scheibenmitte wie der Spalt des Dias ausgerichtet ist und der Spalt in dem Karton - Ausschnitt mittig liegt. Die beiden Laschen an der Karton - Scheibe werden in Richtung Funkenstrecke rechtwinkelig umgebogen, siehe Bild oben rechts. Die Ausschnitte in den Laschen ermöglichen es, Diese über die Schraubenachsen von Probenhalterung und Gegenelektrode - Halterung zu schieben und die Laschen mit den Schrauben der Halterungen an der Rohrwand des Funkenstrecke - Gehäuses zu befestigen.

Nach Einbau der Spalt - Halterung kann das Funkenstrecke - Rohr innen mit zu einer Rolle geformtem mattschwarzem Zeichenpapier ausgekleidet werden, um Streulicht von der Rohr - Innenwandung her auszublenden.

Das Licht einer Funkenstrecke kann zur Ausrichtung einer Spektrograph - Kamera oder eines Spektrometer - Sensors auf maximalen Empfang von Funken - Licht und auf Justierung eines Licht - Empfänger - Bauteils in die Ebene der größten Abbildungsschärfe eines Spektrum - Bildes zu schwach und zu schwankend sein. Dann hilft die Platzierung einer Licht absorbierenden Scheibe in der Ebene der Funkenstrecke mit einer Öffnung, die den Bereich der zwischen den Elektroden überspringenden Funken umspannt. Dann kann die Öffnung dieser Hilfsblende mit einer intensiv strahlenden, scharfe Spektrallinien erzeugenden Licht - Quelle beleuchtet werden. Mittels des hellen Linien - Spektrums einer solchen Quelle kann nun die Licht - Registriervorrichtung eines Spektralanalyse - Gerätes auf maximale Helligkeit und auf die Ebene maximaler Abbildungsschärfe des Spektrum - Bildes justiert werden.

 

 

Anregung mit elektrischen Lichtbögen


 

Ein elektrischer Lichtbogen entsteht bei Elektronen - Übergängen zwischen zwei räumlich getrennten Elektroden in einer Gas - Atmosphäre bei Potential - Differenzen im Nieder- bis Mittelspannungsbereich. Der Bogen wird für chemische Spektralanalysen meistens während einer Spektrum - Registrierung dauerbrennend gehalten und erhitzt dann eine angeregte Probe stärker als eine Folge einzelner Funken.

Manche Elemente wie Arsen, Schwefel, Selen oder Tellur, deren Anregung mittels Funken zu wenig empfindlich ist, werden besser durch Lichtbögen zur Licht - Emission gebracht [7]. Die Vorzüge einer Anregung mit Bögen sind wegen deren hohen Temperaturen erreichbare geringe Nachweisgrenzen für Elemente in Proben, Linien - ärmere Spektren als bei Anregung mit Funken und Fehlen störender Linien von Luft - Gasen [10].

Elektrische Lichtbögen werden mit geringeren Spannungen, empfohlen werden 220 V, betrieben als Funken - Strecken. Die zum Zünden eines Lichtbogens zwischen 2 Elektroden mit konstantem Abstand in Luft erforderliche Spannung ist höher als der Spannungsabfall im brennenden Bogen, die Brennspannung. Ein Lichtbogen kann mit einer Gleichspannung betrieben werden, die der Brennspannung entspricht. Dann werden zum Zünden die Elektroden einander so weit genähert, dass die Zündspannung bis auf das Niveau der Betriebsspannung sinkt. Nach der Zündung werden die Elektroden so weit auseinander gezogen, dass die Brennspannung noch unter der Betriebsspannung liegt, und in dieser Stellung belassen. Bei der Variante des Abreißbogens wird eine der Elektroden periodisch zur Gegenelektrode hin und von ihr weg bewegt, bis jeweils der Bogen zündet und wieder erlischt. In den Brennpausen können so die Elektroden immer wieder abkühlen. Mit Wechselstrom ausreichender Spitzenspannung ist ein stabilerer und besser reproduzierbarer Abreißbetrieb bei stationären Elektroden möglich, da bei jedem Richtungswechsel des Stroms der Bogen vorübergehend erlischt. Möglich ist auch das Zünden eines Bogens durch einen der Gleichspannung überlagerten hochfrequenten Spannungsstoß und das Löschen durch einen Kurzschluss parallel zu den Elektroden oder einen Strom - Unterbrecher. Auch Schaltung eines Kondensators parallel zu den Elektroden wurde vorgeschlagen. Dieser wird über einen Widerstand geladen bis zum Erreichen der Zündspannung und entlädt sich dann über den Bogen, bis seine Spannung unter die Brennspannung gesunken ist, worauf sich das Spiel wiederholt. Mit einem Abreißbogen wird die bei einem Dauerlichtbogen mit der Zeit zunehmende Erhitzung der Elektroden vermieden, was eine bessere Eignung für quantitative Analysen, geringeren Abbrand der Elektroden, schwächere Molekül - Banden, siehe unten, sowie schärfere Element - Linien zur Folge haben soll. [10]

Proben können zum Beispiel in ausgehöhlten Spitzen von Kohle - Elektroden angeregt werden. Manche chemischen Elemente sind nahe der heißeren Anode eines Gleichstrom - Bogens besser anregbar, andere besser nahe der kühleren Kathode. Auch Kupfer wird als Elektrodenmaterial verwendet. Die Schwachstellen einer Anregung mit Bögen sind ein kontinuierliches Untergrund - Spektrum durch glühende Elektroden, die aber ausgeblendet werden können, und Emissionsbanden der Moleküle CN, CO, O2, N2, NOx, H2O und von Metalloxiden, die aber bei genügender Auflösungsfähigkeit des Spektralanalyse - Gerätes von Element - Linien unterscheidbar sind. Der kathodennahe Abschnitt eines Lichtbogens brennt stabiler, vor Allem beim Mischen einer Probe mit Kohle - Pulver, und wirkt konzentrierend auf positiv geladene Metallionen, was eine gegenüber dem anodennahen Abschnitt stark erhöhte Nachweisempfindlichkeit für metallische Elemente bewirkt. [10]

 

 

Anregung mit Flammen


 

Mit Brennstoff - Flammen können nur die Spektren leichter, das heißt mit geringerer Energie - Zufuhr zur Licht - Emission anregbarer chemischer Elemente erzeugt werden. Dieser Einschränkung gegenüber stehen die Vorzüge Linien - ärmerer Spektren, was deren Auswertung erleichtert, und durch Spektren der Luft - und Brennstoff - Gase kaum gestörte Proben - Spektren. Störendes Licht glühender Kohlenstoff - Teilchen kann durch ausreichende Luft - Zufuhr verringert werden ("Entleuchten" einer Gas - Flamme). Mit einer etwa 1300 ° C heißen Bunsenbrenner - Flamme können Atom - ("Bogen" - / "Metall I (Me I") -) Linienspektren von Alkali- und Erdalkalielementen sowie von Thallium angeregt werden. Lötlampen erreichen nach Angaben der Herstellfirmen bis etwa 1700 ° C [25]. In einer bis 2100 ° C heißen Leuchtgas - Sauerstoff - Gebläse - Flamme werden auch Linien höherer Energie - Niveaus ("Funken" - / Metallionen ("Me II", "Me III" und so weiter) - Linien) angeregt. Wasserstoff - Sauerstoff - (Knallgas -) Brenner sind auch in manchen Baumärkten erhältlich. Mit bis 3000 ° C heißen Acetylen - Sauerstoff - Gebläse - Flammen werden weitere Elemente beziehungsweise höhere Energie - Niveaus angeregt. Eine Erscheinung bei Anregung der Resonanzlinien chemischer Elemente mit einer Flamme ist, dass in deren kühleren Randbereichen neutrale Atome im Grundzustand das von im Flammeninneren von angeregten Atomen gleicher Art emittierte Licht absorbieren ("Selbstabsorption"), was quantitative Analysen mittels Emission erschwert, aber auch die Bestimmung chemischer Elemente mittels Absorptionsspektralanalyse ermöglicht. [10][13]

Da die Viskosität einer Probenlösung deren Zerstäubung und Verdampfung, damit auch die Anregung ihrer Inhaltsstoffe, in einer Flamme beinflusst, muss bei vergleichenden Messungen verschiedener Proben auf Konstanz in dieser Hinsicht geachtet werden. Die Freisetzung von Atomen eines chemischen Elements aus einer Probe in einer Flamme und die Intensität des von ihnen emittierten Lichts wird von den Konzentrationen begleitender Elemente beeinflusst (Matrix - Effekt). Daher ist bei Flammen - Anregung für quantitative Analysen die Aufnahme der Spektren von Probenlösung - Teilmengen mit Zusätzen verschiedener Mengen des jeweils zu bestimmenden Inhaltsstoffs (Standard - Addition - Methode) am geeignetsten.

Mit zunehmender Konzentration von Atomen eines Elements in einer Flamme nimmt die Intensität der entsprechenden Emissionslinie in ihrem Zentrum immer langsamer zu und erreicht schließlich einen Grenzwert, ab dem bei weiter steigender Atom - Konzentration die Intensitätssteigerung durch Linienverbreiterung erfolgt [13].

Im Handel für Werzeuge und Arbeitsgeräte sind Gas - Brenner in reicher Auswahl erhältlich, inzwischen sogar Autogenschweißgeräte mit besonders heißen Flammen im Kleinformat für Heimwerker/innen, siehe unten [12].

ElementeVerhalten in Flammen [13]
Alkalimetall - ElementeEinfach positiv geladene Ionen emittieren wegen Edelgas - Konfiguration ihrer Elektronen - Hüllen kein Licht. In der Reihenfolge Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cäsium (Cs), Lithium (Li) zunehmende Neigung zur Bildung nicht emittierender Hydroxide.
Erdalkalimetall - ElementeBildung emittierender Hydroxide überwiegt Oxid - Bildung. Einfach positiv geladene Ionen emittieren schwach.
Uran (U)In Spektren nur Banden molekularer Species.

 

Einführung von Proben in Flammen

 

Eine einfache Methode zur qualitativen Spektralanalyse mit Flammen ist das manuelle Einführen eines probenhaltigen feuerfesten Trägers in die Flamme. Als ein solcher kann zum Beispiel ein Magnesia - Stäbchen oder eine Magnesia - Rinne [23] dienen. Diese können auch an ein sich drehendes Rad angebracht werden, das zum Beispiel von einem langsam laufenden Elektromotor oder einem Uhrwerk angetrieben wird und die Enden von Magnesia - Trägern automatisch zuerst in eine Probenlösung taucht und dann in eine Flamme.

Da mit zunehmender Verweilzeit von Probenmaterial in einer Flamme dessen Temperatur zunimmt bis zum Erreichen der Temperaturen in den verschiedenen Flammenzonen, andererseits aber auch Verluste von Probenmaterial durch Verflüchtigung zunehmen können, muss in der Praxis ein Kompromiss zwischen einer Flamme zugeführter Probenmenge und Probenverweilzeit in der Flamme gefunden werden.

Eine seit Langem gebräuchliche Technik, um eine flüssige Probe in einer Flamme anzuregen, benutzt einen Gas - Brenner, in dessen Luft - Zustrom die Probe hineinvernebelt wird. Die Kontakt - Zeit zwischen Probe und Flamme ist hierbei lang, da die Probe die Flamme auf deren gesamter Länge durchsetzt. Allerdings ist hierbei die Zufuhr der Probe an die der Luft gekoppelt und die vollständige Entfernung einer Probe aus dem Brenner vor Einführung einer neuen kann erhöhten Reinigungsaufwand erfordern.

Sollen in kurzen Zeitabständen verschiedene Flüssigkeitsproben angeregt werden, was vor Allem bei der Kopplung mit säulenchromatographischer Vortrennung der Fall ist, können die Proben - Lösungen auch in Form frei fallender Tropfen oder eines Sprühnebels eine horizontale Flamme vertikal durchsetzen. Der Brenner wird hierbei kaum durch die Proben verunreinigt und das Luft - Gas - Verhältnis im Brenner kann unabhängig von der Proben - Zufuhr geregelt werden. Für eine solche Anordnung sollte die Brenner - Düse ein Flammenband mit einer solchen vertikalen Ausdehnung erzeugen, dass das jenes durchsetzende Probenmaterial auf eine zur Anregung von Emissionslinien notwendige Temperatur gebracht wird.

In vertikale Flammen kann eine Probe in horizontaler Flugrichtung eingesprayt werden. In dieser Anordnung hat sich die Zerstäubung einer Probe durch ein brennbares Gas als weitaus wirksamer zur Anregung von Spektrallinien erwiesen als das bloße Einspritzen der reinen Probenlösung [21].

Eine Konzentrierung schwer flüchtiger Inhaltsstoffe aus einer leicht flüchtigen flüssigen Probenmatrix wird durch tropfenweisen Auftrag der Probenlösung auf einen Hitze - resistenten Träger und Verdunstenlassen der Matrix zwischen jedem Tropfen - Auftrag erreicht. Als Träger kann ein Magnesia - Stäbchen dienen, an dem jedoch wenig Flüssig - Probe haften bleibt, eine Magnesia - Rinne oder ein anderer, schmal und langgezogen geformter, Hitze - stabiler und in Flammen kein eigenes Spektrum erzeugender Körper.

Nagel - Feile als Probenträger           

Als Probenträger für die Flammen - Emissionspektralanalyse kann zum Beispiel eine Nagel - Feile aus Stahl dienen, siehe Bild links [20],.

Die hier abgebildete Feile ist mit Saphir - Pulver belegt, was die Haftung aufgetragener Probenflüssigkeit begünstigt. Die lange Stahl - Klinge zwischen der Feilenspitze und dem Haltegriff ermöglicht gefahrloses Halten der Feile auch bei stark erhitzter Feilenspitze.

Zur Eindampfung einer Probenlösung kann wie im Bild links zum Beispiel die Probenauftrag - Stelle einige mm über der Heizplatte eines Elektroherdes fixiert werden durch Klemmen des Feilengriffes unter einen Topf auf einer benachbarten Herd - Platte. Die Platte sollte auf geringstmögliche Heizkraft gestellt werden, um eine Verkohlung organischer Probeninhaltsstoffe zu vermeiden und den Verlust leicht flüchtiger Inhaltsstoffe zu verringern.

 

 

Anregung mittels Gasentladung


 

Bei geeignetem Druck können Gase durch elektrische Entladungen in einen Plasma - Zustand gebracht werden, in dem freie Elektronen und Atom - Kerne nebeneinander vorliegen. Deren Energie kann zur Anregung von dem Plasma ausgesetzten Proben genutzt werden. Die Variante mit einer Glimmentladung als Anregungsmittel wird in der Fachsprache "Glow Discharge - Optical Emission Spectrometry (GD - OES)" genannt. Ohne Elektroden im Probenbehälter und damit ohne von diesen herrührende Verunreinigungen von Proben anregbar sind Plasmen mittels einer außerhalb des Probenraumes angebrachten Spule induktiv ("Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry (ICP - OES)") oder durch kapazitive Kopplung mittels außerhalb des Probenraumes befindlichen Kondensator - Flächen anregbar.

Ein vom Verfasser bisher noch nicht ausprobiertes Probenbehälter - Prinzip könnte aus einer Glas - Spritze mit eingeschliffenem Glas - Kolben (Kolbenprober) bestehen, dessen Öffnung mit einem 3 - Wege - Ventil (Hahn) besetzt ist [18]. Bei geöffnetem Ventil kann der Kolben herausgezogen und eine Probe auf eine an der Spritzendüsenseite sitzende Träger - Scheibe gegeben werden. Dann wird der Kolben eingeschoben bis dicht über die Träger - Scheibe. Nun wird die Ventil - Öffnung mit einem Vorratsbehälter für das Plasma - bildende Gas verbunden und durch wiederholtes Ansaugen des Gases, Umschalten des Ventils und Ausblasen des Spritzen - Gases die Spritze mit dem Gas gefüllt. Nach letztmaligem Ausblasen des Spritzengases steht die Stirnfläche des Spritzenkolbens wieder dicht über der Probenträger - Scheibe und das Ventil wird geschlossen. Nun wird der Kolben herausgezogen, wodurch der Gas - Druck im Spritzen - Inneren sinkt, und in der gewünschten Position fixiert. Der erreichte Unterdruck verhält sich zum Ausgangsdruck wie das Ausgangsvolumen bei eingeschobenem Spritzenkolben zum Endvolumen bei herausgezogenem Kolben.

 

Anregung durch induktive Kopplung

 

Beim Selbstbau von auf Induktion basierenden Anregungsvorrichtungen kann eine kommerzielle Induktionslampe als Vorbild dienen [17][19][22]. Deren Rohr enthält Quecksilber - Dampf unter sehr geringem Druck, der von Ferrit - Ringen außerhalb des Enladungsbehälters mit von einer Sinus - förmigen Wechselspannung gespeisten Spulen angeregt wird. Die durch Diese induzierte Spannung ist entlang der Rohr - Achse ausgerichtet. Ansonsten funktioniert die Licht - Erzeugung wie bei einer Leuchtstoff - Lampe mit Elektroden im Kolbeninneren. Auch die Induktionslampe benötigt zur Zündung einen Hochspannungsimpuls, etwa 1000 V. Die Betriebsspannung liegt zwischen 170 und 200 V. Bei einem als geschlossener flacher Ring ausgebildeten Lampenrohr wird dieses von Anregungsspulen umschlossen und die Anregungsfrequenz ist 250 kHz. Bei der Bauform ellipsoider Kolben, dessen Gas - Inhalt bei 2,65 MHz angeregt wird, werden die Anregungsmagnete vom Kolben umschlossen.

Auch wenn Dimensionierung und Geometrie der Anregungsvorrichtung an die Form des Lampenkolbens gekoppelt sind, kann vielleicht eine solche Vorrichtung aus einer kommerziellen Induktionslampe auch zur Anregung selbst hergestellter Probenbehälter, siehe oben, dienen.

Bei allen mit Hochfrequenz arbeitenden Vorrichtungen muss auf eine ausreichende Funkentstörung durch Abschirmung geachtet werden.

 

 

Lumineszenz


 

Manche Substanzen emittieren nach Anregung durch Photonen oder auch durch Teilchen - Strahlung Licht, dessen Spektrum sich von dem des lediglich reflektierten und gestreuten Anregungslichts unterscheidet. Wird die einer Substanz mit Anregungsstrahlung zugeführte Energie in eine Erhöhung der Energie - Niveaus der Elektronen umgesetzt und geben Diese die erhaltene Energie durch Emission von Licht wieder ab, handelt es sich um das Phänomen Lumineszens. Die Elektronen - Hüllen der Substanz - Atome bestimmen, mit welchen Intensitäten die einzelnen Wellenlängen des Lumineszenz - Lichts in dessen Spektrum vertreten sind. Daher kann aus dem Lumineszenz - Spektrum einer Substanz auf deren chemische Natur geschlossen werden. Klingt nach Stop der Anregung die Lumineszenz - Strahlung sehr schnell ab, wird sie als Fluoreszenz - Strahlung bezeichnet, bei langsamem Abklingen dagegen als Phosphoreszenz.

Der vor einer Anregung herrschende Energie - Ausgangszustand der Elektronen - Hülle eines allgemein chemische Species genannten Bausteins (Atom, Ion, Molekül) einer Substanz wird als Grundzustand bezeichnet. Einfallende Photonen - Strahlung wie Licht kann unter geeigneten Bedingungen Energie auf die Species - Elektronen übertragen und Diese so in einen Energie - reicheren Zustand versetzen. Aus diesem höherenergetischen Anfangszustand heraus verliert ein Elektron zunächst sehr schnell wieder etwas Energie. Die Differenz zwischen der Energie des Zustands direkt nach der Energie - Übertragung und der des Folgezustands ist ein Energie - Betrag, der in die Erzeugung von Species - Schwingungen fließt. Daher wird diese geringe energetische Veränderung direkt nach der anfänglichen Energie - Zufuhr Schwingungsrelaxation genannt. Die Situation eines gegenüber dem Grundzustand Energie - reicheren Elektrons nach dem Energie - Entzug durch Schwingungsrelaxation wird als angeregter Zustand bezeichnet. Aus Diesem heraus kann ein Elektron auf ein Energie - Niveau zurückfallen, das nur wenig über dem Niveau des Grundzustands liegt, und die dabei freiwerdende Energie in Form eines Lumineszenz - Photons abgeben. Ein Elektron kann aber auch auf anderem Weg in besagten Zustand niedrigerer Energie zurückfallen ohne Photon - Emission (strahlungsloser Übergang). Welche der beiden Möglichkeiten in welchem Ausmaß realisiert wird, hängt von der inneren Struktur einer Species ab. Nach dem Energie - Verlust auf einer der beiden genannten Arten verharrt ein Elektron in einem angeregten Grundzustand, aus dem es dann endgültig in den Ausgangsgrundzustand zurückfällt. Die bei diesem letzten Schritt nochmals freiwerdende Energie wird in die Erzeugung von Species - Schwingungen gesteckt, also wieder ein Fall von Schwingungsrelaxation. [27]

Substanzen, die von Natur aus eine für chemische Analysen zu geringe Lumineszenz zeigen, weil bei ihnen strahlungslose Übergänge dominieren, können durch stimulierte Emission zum Lumineszieren gebracht werden. Dazu wird eine Substanz durch einen kurzen LASER - Photonen - Puls angeregt und etwa 0,3 Nanosekunden danach mit einem ebenfalls kurzen LASER - Photonen - Puls bestrahlt, dessen Photonen genau die Energie haben, die der Differenz zwischen einem Grundzustand und einem angeregtem Zustand entspricht. So wird ein Lumineszenz - Übergang der Elektronen erzwungen. [27]

Die mittels Lumineszenz - Licht durchgeführten chemische Analysen können zwar sehr empfindlich sein, aber wegen des Einflusses vieler anderer die Emission beeinflussender Faktoren (Kontakt eines lumineszierenden Stoffes mit einem anderen, Lumineszenz - unterdrückenden (Lumineszenz - Löscher), Temperatur, Polarität eines Lösungsmittels, Viskosität einer Probenlösung, Stoff - Konzentration) auch störanfällig. Auch kann ein Teil des Lumineszenz - Lichts in der untersuchten Probenlösung absorbiert werden, so dass das den Probenbehälter verlassende Licht ein anderes Spektrum ("äußeres Spektrum") zeigt als das ursprünglich von einem Stoff in der Probe abgestrahlte ("inneres Spektrum"). [11]

In Anordnungen zur Registrierung von Lumineszenz - Spektren wird in der Regel eine Probe vom räumlich gerichteten Anregungslicht so bestrahlt, dass Dieses rechtwinkelig zur optischen Achse des Licht - Detektors verläuft. Damit soll die Überstrahlung des in alle Raumrichtungen emittierten Lumineszenz - Lichts durch das Anregungslicht verringert werden. [11]

Zur Anregung von Lumineszenz braucht das Anregungslicht nur einen kleinen Wellenlängen - Bereich zu umfassen, nämlich den einer für einen zu untersuchenden Stoff typischen Lichtabsorptionsbande. Ein breiteres Spektrum des Anregungslichts würde zur Lumineszenz - Anregung nichts beitragen, aber störendes Streulicht erhöhen. In der Praxis werden meistens Anregungsstrahler eingesetzt, die von ihrer Natur her bereits Licht nur schmaler Wellenlängen - Bereiche emittieren: Quecksilberdampf - Entladungslampen, Laser oder Leuchtdioden. Bei anderen Strahlern kann aus deren breiten Emissionsspektren ein zur Lumineszenz - Anregung benötigter kurzwelliger Bereich herausgefiltert werden, zum Beispiel bei Deuterium - Lampen [16].

Die Lumineszenz einer Substanz kann auch durch ionisierende Strahlung angeregt werden. Dieses Prinzip wird genutzt zum Beispiel bei Röhren - Monitoren oder in der bildgebenden Röntgen - Technik. Auch Materialproben können für analytische Zwecke mit solcher Strahlung zur UV - VIS - Lumineszenz angeregt werden, was praktisch fast nur zur Analyse auf chemische Elemente aus der Gruppe der Lanthaniden genutzt wird. Bei den Elementen Cer, Lanthan, Lutetium, Yttrium und Scandium versagt diese Methode. Auch bei dieser Anregungsart wirkt der Effekt der Lumineszenz - Löschung (Quenching) störend. [14][29]

Auch bei Lumineszenz - basierten Analysen verringert Anreicherung die Bestimmungsgrenze und erhöht eine Trennung der Probeninhaltsstoffe die Sicherheit ihrer Identifizierung. Beides kann mittels eines Ionen - Austauschers realisiert werden. [30].

 

 

Raman - Effekt


 

Ein analytisch verwertbares UV - VIS - Emissionsspektrum einer Probe kann auch durch ein spezielles Phänomen der Licht - Streuung erhalten werden, den nach seinem Entdecker benannten Raman - Effekt. Bei inelastischer oder inkohärenter Streuung beeinflussen die Proben - Bestandteile durch Aufnahme von Energie des Anregungslichts und Abgabe eines von ihnen geprägten Streulichts dessen Spektrum. Dieses enthält neben der intensiven Strahlung des elastisch gestreuten, bezüglich der Wellenlänge unveränderten Anregungslichts sowohl auf dessen längerwelligen, als auch auf dessen kürzerwelligen Seite im Spektrum noch sehr viele schwächeres Streulicht. Dessen Spektrum mit den gegenüber dem Anregungslicht veränderten Wellenlängen wird als Raman - Spektrum bezeichnet. Es wird zur Analyse von Proben auf organische Verbindungen genutzt, wobei Lumineszenz - Licht die Auswertung eines Raman - Spektrums stören kann. Andererseits kann aber auch die an sich schwache Raman - Streuung, wenn sie an einem in großen Mengen vorhandenen Probenbestandteil, zum Beispiel einem Lösungsmittel, erfolgt, so intensiv sein, dass sie die Auswertung eines Lumineszenz - Spektrums stört. Unterscheidbar sind beide Arten von Spektren dadurch, dass sich bei Änderung der Wellenlänge des Anregungslichts ein Raman - Spektrum ebenfalls charakteristisch ändert, während ein Fluoreszenz - Spektrum sich, abgesehen von Änderungen seiner Helligkeit, qualitativ entweder nicht ändert oder in anderer Weise als ein Raman - Spektrum. [11]

 

 

Quellen und Anmerkungen


 

1. Für eigene Recherchen siehe Kapitel "Informationen suchen und beschaffen".
2. Siehe andere Kapitel der Abteilung "Spektralanalyse mit UV - VIS - IR - Licht" im Inhaltsverzeichnis.
3. Siehe Einträge unter "Physik..." im Kapitel "Bibliographie "Arbeitshilfen": Schlagworte P...".
4. Siehe Einträge unter "Chem..." im Kapitel "Bibliographie "Arbeitshilfen": Schlagworte C...".
6. Mannkopff, R. / Friede, G.: Grundlagen und Methoden der chemischen Emissionsspektralanalyse. Weinheim 1975.
7. Gerlach, W. / Schweitzer, E.: Die chemische Emissionsspektralanalse. Verlag von Leopold Voss: Leipzig 1930.
8. Rollwagen, W.: Chemische Spektralanalyse. Berlin 1970 (6. Auflage).
9. Siehe Kapitel "Erzeugung von Hochspannung".
10. Henrici, A. / Scheibe, G.: Chemische Spektralanalyse. Akademische Verlagsgesellschaft: Leipzig 1939.
11. Gauglitz, G.: Praktische Spektroskopie. Attempto Verlag: Tübingen 1983.
12. Gasbrenner herstellende Firmen [Auswahl nicht wertend]:
13. Herrmann, R. / Alkemade, C. Th. J.: Flammenphotometrie. Springer - Verlag: Berlin ... 1960 (2. Aufl.).
14. DeKalb, E. L. / und Andere: Analytical Applications of X-Ray Excited Optical Fluorescence Spectra: The Internal Standard Principle. In: Analytical Chemistry 1968; 40 (12): 2082 ff.
16. Schröder, U. / Stein, M.: UV-Lichtquellen auf Basis von Deuterium-Lampen. In: Photonik 2005; (6): 52 - 54. Auch veröffentlicht im Internet: http://www.photonik.de/fileadmin/pdf/fachaufsaetze/photonik_2005_06_52.pdf
17. Lichttechnik sparsam langlebig wartungsarm. Veröffentlicht am 26.04.2006 im Internet: http://www.bauforum.at/ireds-14396.html
18. Solche Glas - Spritzen und Ventile sind im Labor - oder Lehrmittel - Fachhandel erhältlich. Eine Spritze mit Luer - Lock - Anschluss kann besonders stabil mit einem Ventil mit ebensolchem Anschluss verbunden werden.
19. Induktionslampen sind zum Beispiel die "Osram Dulux EL" - Modelle in Form der "Concentra R80 23 W" und weiterer Watt - Stärken und Bauformen. Quellen: http://www.osram.ch/osram_ch/DE/Tools_&_Services/Training_&_Wissen/FAQ/Allgemeinbeleuchtung/Energiesparlampen__Kompaktleuchtstofflampen/index.html sowie Suche mittels Suchmaschinen und zum Beispiel der Kombination aus den Suchbegriffen "elektrodenlose", "lampe" und "preis".
20. Saphir - Feile "Manicure" der Firma Wilkinson Sword aus Stahl. Etwa 17 cm Gesamtlänge. Artikel - Code 70009230.
21. Schaal, F. / Ott, T.: Spektec. Arbeit in der Fassung vom 28. März 2004 veröffentlicht im Internet: http://www.modellbau-horlacher.de/download/jufo.pdf [Spektrograph mit Beugungsgitter zur Licht - Zerlegung und Webkamera. Zur Flammen - Emissionsspektralanalyse von Flüssigproben werden diese mit einer Airbrush - Pistole horizontal in eine vertikale Gasbrenner - Flamme geblasen, in der sich das Treibgas der Pistole entzündet und eine ausgedehnte heiße Flamme erzeugt. Mit dem Spektrograph können auch Absorptionsspektren aufgenommen werden.]
22. Licht Forum / Fachinformation für Beleuchtung: Nummer 49 Induktionslicht. Veröffentlicht im Internet: http://www.licht.de/fileadmin/shop-downloads/lf49.pdf
23. Magnesia - Träger sind im Fachhandel für Labor - Bedarf und im Lehrmittel - Handel erhältlich. Adressen hierzu sind im Kapitel "Kommerzielle Bezugsquellen für Arbeitsmaterialien" zu finden.
25. Siehe zum Beispiel Site der Firma Campingaz: http://www.campingaz.com Deren Lötlampe VT 3000 PRO PZ mit Piezozündung und Feststellhebel war nach kurzem Gebrauch durch den Verfasser am Regelventil irreparabel beschädigt. Daher ist er auf die einfacher konstruierte Lötlampe VT1 ohne Piezozündung und Feststellhebel umgestiegen.
26. "Piezo-Keramisches Zündelement" der Fa. Conrad Electronic, http://www.conrad.de, Bestellnr. 186654. Näheres hierzu siehe unter Verweis Nr. 9.
27. Maier, S. A.: Erzwungenes Leuchten. In: Spektrum der Wissenschaft April 2010; (4): 18 - 20. Der Aufsatz erläutert die Forschungsergebnisse eines Teams um Sunney Xie, Harvard University, Cambridge (Massachusetts), veröffentlicht in : Nature 461: 1105ff.
29. D'Silva, A. P / A-Fassel, V.: X-Ray Excited Optical Luminescence of the Rare Earths. In: Handbook of Physics and Chemistry of the Rare Earths. Gschneidner, K. A. / Eyring, L. (Herausgeber) Verlag North-Holland: 1979. Darin: Chapter 37 E.
30. Tanner, S. P. / Street, K. W.: Solid-Phase Luminescence of Several Rare Earth Ions on Ion-Exchange Films. In: Applied Spectroscopy 2000; 54 (5): 669 - 675. Abstract: "The development and characterization of a novel ion-exchange film for solid-phase fluorometry and phosphorimetry is reported. This new cation-exchange material is suitable for spectroscopic applications in the ultraviolet and visible regions. It is advantageous because it, as a single entity, is easily recovered from solution and mounted in the spectrofluorometers. After preconcentration on the film, the luminescence intensity of lanthanide ions is several orders of magnitude greater than that of the corresponding solution, depending on the volume of solution and the amount of film. This procedure allows emission spectral measurements and determination of lanthanide ions at solution concentrations of < 5 µg / L. The film may be stored for subsequent reuse or as a permanent record of the analysis. The major drawback to the use of the film is slow uptake of analyte due to diffusion limitations."

 

Zuletzt aktualisiert am 17.06.2017
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