AT523446A1

AT523446A1 - Verunreinigungsanalysator

Info

Publication number: AT523446A1
Application number: ATA50080/2020A
Authority: AT
Inventors: Christensson Niklas
Original assignee: eralytics GmbH
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-08-15
Also published as: AT523446B1; US20210239610A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer Probe, umfassend ein Probenreservoir (2), eine Messzelle (9), einen Messkanal (3), Druckapplikationsmittel (12), eine Recheneinheit (11) sowie eine Infrarotmessanordnung (6), wobei der Messkanal (3) dazu ausgebildet ist, die Probe aus dem Probenreservoir (2) zu entnehmen und der Messzelle (9) zuzuführen, wobei die Vorrichtung (1) eine erste Festphasenextraktionskartusche (4) mit einem ersten Sorbens sowie eine zweite Festphasenextraktionskartusche (5) mit einem zweiten Sorbens aufweist, wobei die beiden Festphasenextraktionskartuschen (4, 5) zwischen dem Probenreservoir (2) und der Messzelle (9) angeordnet sind, wobei das erste Sorbens dazu ausgebildet ist die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, sowie Substanzen, welche eine höhere Polarität (P) aufweisen als die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, im Wesentlichen vollständig zu adsorbieren/absorbieren und das zweite Sorbens dazu ausgebildet ist Substanzen, welche eine höhere Polarität (P) aufweisen als die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, im Wesentlichen vollständig zu adsorbieren/absorbieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe, wobei die Probe eine Mehrzahl an Substanzen aufweist, umfassend ein Probenreservoir, eine Messzelle, einen Messkanal, Druckapplikationsmittel, eine Recheneinheit sowie eine Infrarotmessanordnung, welche eine Infrarotquelle sowie einen Infrarotsensor zum Erfassen von Messsignalen eines von der Infrarotquelle emittierten, die Messzelle durchleuchtenden Infrarotstrahls zumindest eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs aufweist, wobei der Messkanal dazu ausgebildet ist, mittels der Druckapplikationsmittel die zu messende Probe aus dem Probenreservoir zu entnehmen und der Messzelle zuzuführen und die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, die

Messsignale auszuwerten.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration einer

Substanz in einer flüssigen Probe.

Infrarotspektroskopie oder IR-Spektroskopie ist eine vielseitig einsetzbare Technik für die rasche Bestimmung der Zusammensetzung von Flüssigkeiten, basierend auf der individuellen Infrarotcharakteristik verschiedener Moleküle. Je größer allerdings die Moleküle sind, aus denen sich die Probe zusammensetzt, umso weniger spezifisch wird das IR-Spektrum, und es wird größtenteils durch funktionelle Gruppen der Moleküle bestimmt, beispielsweise durch Carbonylgruppen im Fall von Estern. So können verschiedene Verbindungen mit gleichartigen funktionellen Gruppen, beispielsweise mit C=O-Bindungen in Estern und Ketonen, im selben IR-Spektralbereich absorbieren, was zu Überlappungen von Linien im IRSpektrum führt. Solche Überlappungen von Infrarotspektrallinien ähnlicher oder gleichartiger funktioneller Gruppen, welche auch als Interferenzen bezeichnet werden, führen zu beträchtlichen Messungenauigkeiten, aufgrund welcher es schwierig bis unmöglich ist, sehr kleine Konzentration von Verunreinigungen in einer komplexen Flüssigkeit, die aus vielen verschiedenartigen Molekülen besteht, wie beispielsweise in Kraftstoffen, mittels IR-

Spektroskopie zu messen.

Dies ist insbesondere bei der Bestimmung der Zusammensetzung von Flugzeugkraftstoffen problematisch, welche einen kleinen Anteil an Biodiesel als Verunreinigung aufweisen können. Biodiesel, als Überbegriff für Methylester verschiedener Fettsäuren auch als FAME (Fatty Acid Methyl Ester) bezeichnet, darf aufgrund seiner für den Flugbetrieb nachteiligen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen, welche in der Flugreisehöhe eines Passagierflugzeugs auftreten, nur bis zu einem Grenzwert von 50 mg/kg in Flugzeugkraftstoff vorhanden sein. Aufgrund der erforderlichen hohen Messpräzision bei der Bestimmung des FAME-Gehalts in

Flugzeugkraftstoffen ist es deshalb unerlässlich, durch Überlappungen von Linien im IR-

IR-Spektroskopie zu vermeiden.

Zur Reduzierung derartiger Überlappungen von IR-Spektrallinien sind mehrere Lösungsansätze bekannt, welche allerdings bisher entweder zu aufwändig sind und/oder keine zufriedenstellende Genauigkeit der Trennschärfe der in der Flüssigkeit vorhandenen

Substanzen gewährleisten können.

Eine Möglichkeit der Überlappungsreduzierung ist beispielsweise aus der Patentanmeldung EP 3 454 045 A1 bekannt und besteht darin, die zu messende Probe einer chemischen Reaktion mit einem Additiv, beispielsweise einem Lösungsmittel, zu unterziehen, wobei die Probe durch die chemische Reaktion modifiziert wird und bei der IR-Spektroskopie eine, der Zugabe des Additivs entsprechende, veränderte Konzentration der modifizierten Probe ermittelt wird. Aus dem Vergleich der Konzentration der ursprünglichen, unmodifizierten Probe mit der Konzentration der modifizierten Probe können sodann Rückschlüsse auf die

Konzentration der zu messenden Substanz in der Probe gezogen werden.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass das Handhaben des Messsystems komplex ist. Des Weiteren sind wegen der Verwendung von schädlichen Lösungsmitteln bei der Methode Gesundheits- und Sicherheitsaspekte zu beachten. Darüber hinaus ist die chemische Reaktion, die in der Methode verwendet wird, nicht ausschließlich spezifisch für FAME. Auch andere Moleküle mit Carbonylgruppen können zu dem Messsignal beitragen (zum Beispiel Triglyceride). Des Weiteren besteht die Gefahr, weitere Störsignale durch die hinzugefügten Additive zu erhalten, weshalb eine unzureichende Trennschärfe der einzelnen Substanzen in der Flüssigkeit vorliegt. Darüber hinaus nimmt eine derartige Messung mit

einer durchschnittlichen Dauer von zwanzig Minuten viel Messzeit in Anspruch.

Eine weitere Möglichkeit, Überlappungen von IR-Spektrallinien zu reduzieren, ist aus der Patentschrift GB 2466802 A bekannt. Die Patentschrift offenbart eine Vorrichtung zur Konzentrationsermittlung einer Teilsubstanz einer flüssigen Probe, wobei die zu untersuchende Probe vor der Konzentrationsmessung durch eine Festphasenextraktionskartusche geleitet wird.

Die Festphasenextraktion ist eine Probenvorbereitungsmethode in Bezug auf eine mögliche Anreicherung, Konzentration oder Isolation eines Analyten. Es handelt sich dabei um einen physikalischen Extraktionsprozess, der zwischen einer flüssigen Probe, welche durch die Festphasenextraktionskartusche geleitet wird, und einer festen Phase, welche auch als Sorbens bezeichnet wird, stattfindet, wobei der Begriff der Festphasenextraktion weiter

gefasst ist und mehrere Sorbens/Probe-Wechselwirkungen umfasst, beispielsweise polare und

In der in der Patentschrift GB 2466802 A beschriebenen Vorrichtung filtert eine Festphasenextraktionskartusche in einem ersten Schritt im Wesentlichen sämtliche polare Teilsubstanzen aus der zu messenden Probe und leitet die gefilterte Probe weiter in eine Messzelle. Dort wird aus der gefilterten Probe ein Referenzspektrum bestimmt. In einem zweiten Schritt wird ein Spektrum der ungefilterten Probe ermittelt. Dann wird das Spektrum der gefilterten Probe mit dem Spektrum der ungefilterten Probe verglichen. Aus dem Vergleich können Rückschlüsse auf die Konzentration der zu bestimmenden Substanz in der

Probe geschlossen werden.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass das Messsignal der gefilterten Probe mit dem Messsignal der ungefilterten, sämtliche Substanzen beinhaltenden Probe verglichen wird. Deshalb gibt es apparativ keine Möglichkeit, die zu bestimmende Substanz von den übrigen in der flüssigen Probe befindlichen Substanzen zu trennen, weshalb eine unzureichende Trennschärfe der einzelnen Substanzen vorliegt. Somit ist bei der Auswertung der Messsignale eine erhöhte Anfälligkeit für falschpositive Messresultate gegeben. Solche falschpositiven Messresultate können, beispielsweise bei einer scheinbar detektierten Grenzwertüberschreitung der FAME-Grenzwerte im Fall der Bestimmung einer FAMEKonzentration in einem Flugzeugkraftstoff, Nachuntersuchungen der Probe nötig machen. Diese sind zeitaufwändig sowie kostenintensiv, da sie aufgrund der hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit üblicherweise durch hochpräzise und aufwändige Messmethoden,

beispielsweise durch Gaschromatographieverfahren, durchgeführt werden müssen.

Somit besteht nach wie vor ein Bedarf einer erhöhten Trennschärfe von Substanzen zur Vermeidung bei der Konzentrationsbestimmung einer Substanz in einer flüssigen Probe durch

IR-Spektroskopie.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung sowie eine Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik vermeidet.

Diese Aufgaben werden durch Bereitstellen einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch Bereitstellen eines Verfahrens zur Bestimmung einer Konzentration einer

Substanz in einer flüssigen Probe gemäß Anspruch 5 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine erste Festphasenextraktionskartusche mit einem ersten Sorbens sowie eine zweite Festphasenextraktionskartusche mit einem zweiten Sorbens auf, wobei die beiden Festphasenextraktionskartuschen mit dem Messkanal

verbunden und zwischen dem Probenreservoir und der Messzelle angeordnet sind, wobei das

adsorbieren/absorbieren.

Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die zu bestimmende Substanz zu ihrer weiteren Analyse isoliert werden kann, indem sie die zweite Festphasenextraktionskartusche ungehindert passiert, jedoch von der ersten Festphasenextraktionskartusche zurückgehalten wird. Somit können durch den Vergleich der aus den Messwerten der Probe gewonnenen Infrarotspektren bestimmte Moleküle in einem sehr engen Bereich von Eigenschaften, beispielsweise ihrer Polarität, in der Probe isoliert und in Folge mit hoher Messgenauigkeit analysiert werden. Ein Messsignal, welches durch die Infrarotmessanordnung erfasst wird, nachdem die flüssige Probe die erste Festphasenextraktionskartusche passiert hat, fungiert als Referenzsignal, welches im Wesentlichen nur Signalanteile der apolaren Substanzen in der flüssigen Probe enthält. Ein Messsignal hingegen, welches erfasst wird, nachdem die flüssige Probe die zweite Festphasenextraktionskartusche passiert hat, enthält zusätzlich auch Signalanteile der polaren, zu bestimmenden Substanz, während Substanzen mit einer höheren Polarität als der Polarität der zu bestimmenden Substanz von dem zweiten Sorbens im Wesentlichen vollständig adsorbiert/absorbiert werden. Durch die somit rein apparativ erhöhte Trennschärfe kann die zu bestimmende Konzentration der Substanz mit einer weitaus höheren Genauigkeit ermittelt werden als bei bisher bekannten Messvorrichtungen, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung somit zur Einhaltung der erforderlichen Produktspezifikationen von Flugzeugkraftstoffen in Raffinerien, Terminals und Flughäfen

geeignet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material, aus dem das erste Sorbens besteht, aus einem Magnesiumsilikat oder einer Kombination aus Magnesiumsilikaten,

insbesondere Florisil, ausgewählt.

Durch den Einsatz von Florisil als Sorbens können vorteilhafterweise polare von apolaren Molekülen getrennt werden, wobei im Fall von Florisil im Wesentlichen polare Wechselwirkungen für die Adsorption/Absorption verantwortlich sind. Wird eine Flüssigkeit mit polaren und apolaren Molekülen durch die erste Festphasenextraktionskartusche mit Florisil als Sorbens geleitet, werden die polaren Moleküle adsorbiert während die apolaren Moleküle unbeeinflusst passieren. Somit kann das nach der IR-Analyse erhaltene Messsignal als Referenzsignal für die Konzentrationsbestimmung der zu bestimmenden Substanz

herangezogen werden.

Sorbens besteht, aus einem Alkylamin, insbesondere aus einem Aminopropyl, ausgewählt.

Durch die Auswahl dieses Sorbensmaterials können beim Passieren der zweiten Festphasenkartusche vorteilhafterweise Moleküle der Flüssigkeit von niedrigerer Polarität als einer durch das ausgewählte Material bestimmten Zielpolarität ungestört die Festphasenextraktionskartusche passieren. Moleküle mit höherer Polarität als der Zielpolarität werden von der Kartusche adsorbiert. Insbesondere Moleküle der funktionalen Gruppe der Ester können ungehindert passieren, während Moleküle höherer Polarität als der Zielpolarität,

beispielsweise Ketone und Säuren, adsorbiert/absorbiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Druckapplikationsmittel Pumpen, wobei jeweils eine Pumpe mit einer der zwei Festphasenextraktionskartuschen

verbunden ist.

Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die flüssige Probe in einfacher Art und Weise aus dem Probenreservoir mittels Ansaugen durch eine erste Pumpe durch die erste Festphasenextraktionskartusche und mittels Ansaugen durch eine zweite Pumpe durch die zweite Festphasenextraktionskartusche angesaugt und in Folge der Infrarotmessanordnung zugeführt werden kann. Somit besteht keine Notwendigkeit für die Verwendung eines zusätzlich zu bedienenden Schaltelements, beispielsweise eines Ventils, im Messkanal der

Vorrichtung, welches zusätzlich angesteuert oder manuell bedient werden müsste.

Gemäß eine weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die flüssige Probe ein Flugzeugkraftstoff und die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, FAME oder Biodiesel. Somit kann die Biodieselkonzentration in einem Flugzeugkraftstoff mittels der

erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir über die erste Festphasenextraktionskartusche in die Messzelle mittels der Druckapplikationsmittel; Erfassen eines ersten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle durchleuchtenden, von der Infrarotquelle emittierten Infrarotstrahls eines ersten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor;

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir über die zweite

Festphasenextraktionskartusche in die Messzelle mittels der Druckapplikationsmittel;

Ermitteln eines ersten Differenzsignals aus der Differenz des zweiten Messsignals und des ersten Messsignals durch die Recheneinheit;

Ermitteln einer ersten Konzentration der Substanz in der flüssigen Probe aus dem ersten

Differenzsignal durch die Recheneinheit.

Somit ist der Vorteil erhalten, dass die Konzentration der zu bestimmenden Substanz aus der flüssigen Probe aus der Differenz der beiden Messsignale bestimmt werden kann, wobei durch die Differenzbildung der beiden Messsignale Signalinterferenzen, welche durch verschiedene Verbindungen mit gleichartigen funktionellen Gruppen in der flüssigen Probe auftreten, eliminiert werden. Insbesondere kann die, dieses Verfahren ausführende, erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Substanz in einer flüssigen Probe die zu bestimmende Konzentration weitaus schneller ermitteln als bisher bekannte Messvorrichtungen. Insbesondere im Vergleich zu Verfahren, in denen die flüssige Probe mittels einer chemischen Reaktion modifiziert wird, kann eine deutliche Reduzierung

der Messdauer erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden weiteren Schritte:

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir über die erste Festphasenextraktionskartusche in die Messzelle mittels der Druckapplikationsmittel; Erfassen eines dritten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle durchleuchtenden, von der Infrarotquelle emittierten Infrarotstrahls eines zweiten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor;

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir über die zweite Festphasenextraktionskartusche in die Messzelle mittels der Druckapplikationsmittel; Erfassen eines vierten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle durchleuchtenden, von der Infrarotquelle emittierten Infrarotstrahls eines zweiten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor;

Ermitteln eines zweiten Differenzsignals aus der Differenz des vierten Messsignals und des dritten Messsignals durch die Recheneinheit;

Ermitteln einer zweiten Konzentration der Substanz in der flüssigen Probe aus dem zweiten Differenzsignal zum Feststellen eines vorgegebenen Grads an Übereinstimmung zwischen der ersten Konzentration der Substanz und der zweiten Konzentration der Substanz durch die

Recheneinheit.

Insbesondere wird es durch das Feststellen des vorgegebenen Grads an Übereinstimmung zwischen der ersten Konzentration der Substanz und der zweiten Konzentration der Substanz durch die Recheneinheit ermöglicht, die Konzentration von FAME in Flugzeugkraftstoffen mit einer Nachweisgrenze von 10 mg/l zu messen, ohne dass das Resultat durch Interferenzen mit Oxidationsprodukten und/oder Additiven verfälscht wird. Solche Interferenzen konnten

mit bisherig bekannten Verfahren nicht erkannt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Erfassen des ersten und dritten Messsignals gleichzeitig, sowie das Erfassen des zweiten und vierten

Messsignals gleichzeitig.

Somit kann vorteilhafterweise die Überprüfung der Validität des Messergebnisses besonders zeit- und kostensparend durchgeführt werden, wobei die gleichzeitige Erfassung der

Messsignale in bekannter Weise durch eine geeignete Infrarotmessanordnung, beispielsweise durch Verwendung von Infrarotsensoren, welche eine Mehrzahl an Sensorflächen aufweisen,

realisiert werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden weiteren Schritte:

Ermitteln eines Korrekturdifferenzsignals aus dem ersten Differenzsignal und dem zweiten Differenzsignal bei einer ersten Abweichung von dem vorgegebenen Grad an Übereinstimmung zwischen der ersten Konzentration der Substanz und der zweiten Konzentration der Substanz durch die Recheneinheit;

Ermitteln einer korrigierten Konzentration der Substanz in der flüssigen Probe aus dem

Korrekturdifferenzsignal durch die Recheneinheit.

beispielsweise über ein Display, angezeigt werden.

Identifikation einer weiteren Substanz bei einer zweiten Abweichung von dem vorgegebenen Grad an Übereinstimmung zwischen der ersten Konzentration der Substanz und der zweiten

Konzentration der Substanz.

Somit kann vorteilhafterweise bei einer zu großen Abweichung der ersten Konzentration von der zweiten Konzentration, bei welcher eine Korrektur der Konzentration nicht mehr möglich ist, von der Vorrichtung erkannt werden, dass es sich bei der untersuchten flüssigen Probe nicht um die gesuchte Substanz handelt, sondern dass eine unbekannte Substanz vorliegt. Die ermittelte Konzentration der unbekannten Substanz kann dann beispielsweise mit einer, auf die Anwesenheit der unbekannten Substanz hinweisenden Nachricht dem Benutzer auf einem

Display angezeigt werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme

auf die Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe gemäß Anspruch 1.

Figur 2 zeigt ein Diagramm, welches den Verlauf des Absorptionskoeffizienten des ersten Sorbens der ersten Festphasenextraktionskartusche in Abhängigkeit von der Polarität der zu messenden Flüssigkeit darstellt.

Figur 3 zeigt ein Diagramm, welches den Verlauf des Absorptionskoeffizienten des zweiten Sorbens der zweiten Festphasenextraktionskartusche in Abhängigkeit von der Polarität der zu

messenden Flüssigkeit darstellt.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe, welche eine Mehrzahl an Substanzen aufweist. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Probenreservoir 2, aus welchem über einen Messkanal 3 durch Druckapplikationsmittel

12, eine flüssige Probe entnommen und einer Messzelle 9 zugeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 sind die Druckapplikationsmittel 12 in Figur 1 als Pumpen ausgeführt, wobei jeweils eine Pumpe mit einer der zwei Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 verbunden ist. So ist eine der zwei Pumpen über den Messkanal 3 mit der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 verbunden. Die andere der zwei Pumpen ist über den Messkanal 3 mit der zweiten Festphasenextraktionskartusche 5 verbunden. Je nachdem, über welche der Pumpen die flüssige Probe über den Messkanal 3 aus dem Probenreservoir 2 entnommen wird, wird die flüssige Probe über eine der beiden Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 geleitet.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Vorrichtung 1 auch mehrere Pumpen und Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 aufweisen, wobei diese Ausführungsform nicht in Figur

1 dargestellt ist.

Passiert die flüssige Probe die erste Festphasenextraktionskartusche 4 oder die zweite Festphasenextraktionskartusche 5, werden, den Eigenschaften des jeweiligen Sorbens entsprechend, Teilsubstanzen der flüssigen Probe durch Adsorption oder Absorption aus der flüssigen Probe entfernt und verbleiben in einer der beiden jeweiligen

Festphasenextraktionskartusche 4, 5.

Nachdem die flüssige Probe die erste Festphasenextraktionskartusche 4 oder die zweite Festphasenextraktionskartusche 5 passiert hat, gelangt sie in eine Messzelle 9, in welcher mittels einer Infrarotmessanordnung 6, welche eine Infrarotquelle 7 sowie einen Infrarotsensor 10 umfasst, wobei der Infrarotsensor 10 Messsignale eines von der Infrarotquelle 7 emittierten, die Messzelle 9 durchleuchtenden Infrarotstrahls 8 zumindest eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs erfasst.

Der zumindest eine vorgegebene Wellenlängenbereich liegt zwischen 1 um und 20 um.

Das Messsignal wird schließlich durch eine Recheneinheit 11 ausgewertet.

Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen den Prozess der Trennung bestimmter Moleküle, in diesem Fall von Estern, aufgrund ihrer Polarität durch die beiden Festphasenkartuschen 4, 5. Durch die Wahl eines geeigneten Sorbens der beiden Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 ist es möglich, gezielt Substanzen aus der flüssigen Probe anhand ihrer chemischen Eigenschaften, beispielsweise ihrer Polarität, zu filtern, bevor die flüssige Probe in die Messzelle 9 gelangt und ihr Messsignal erfasst wird. Hierbei weist jede der beiden Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 jeweils eine Zielpolarität auf, bei der ein sprunghafter

Anstieg der Adsorption/Absorption durch das jeweilige Sorbens stattfindet.

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So ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 das Material, aus dem das erste Sorbens der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 besteht, aus einem Magnesiumsilikat oder einer Kombination aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Florisil, ausgewählt. Durch die Wahl von Florisil als Sorbensmaterial der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 werden im Wesentlichen sämtliche in der flüssigen Probe enthaltenen polaren Moleküle in der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 gebunden, während apolare Moleküle ungestört die erste Festphasenextraktionskartusche 4 passieren. Alternativ und/oder ergänzend dazu kann auch jedes andere Material als Sorbens verwendet werden, welches dazu führt, dass im Wesentlichen sämtliche in der flüssigen Probe enthaltenen polaren Moleküle in der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 gebunden

werden.

Figur 2 zeigt in einem Diagramm 13 eine erste Absorptionskurve 14 der Absorption A der ersten Festphasenextraktionskartusche 4, welche Florisil als Sorbens aufweist, in Abhängigkeit von der Polarität P der Moleküle der flüssigen Probe, welche die erste Festphasenextraktionskartusche 4 durchströmen. Die polaritätsabhängige Absorption A ist derart normiert, dass ein Wert von eins einer vollständigen Absorption des Stoffes durch das Sorbens der Festphasenextraktionskartusche entspricht. Wie Figur 2 zu entnehmen ist, wird unterhalb einer Grenzpolarität 15, welche den Übergang zwischen einem polaren und einem apolaren Molekül markiert und in Figur 2 als gestrichelte Linie dargestellt ist, kein Molekül adsorbiert/absorbiert. Polare Moleküle hingegen, welche eine Polarität P aufweisen, die größer ist als die Grenzpolarität 15, werden von dem Sorbens im Wesentlichen vollständig in der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 gebunden, wobei die erste Absorptionskurve 14 bei der Zielpolarität der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 im Bereich der Grenzpolarität 15 sprungartig ansteigt. Solche Moleküle sind insbesondere Moleküle der funktionalen Gruppe der Ester 16 sowie höherpolare Moleküle 17, beispielsweise Ketone, Aldehyde und Säuren.

Wird hingegen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 entsprechend das Material, aus dem das zweite Sorbens besteht, aus einem Alkylamin, insbesondere aus einem Aminopropyl, ausgewählt, so passieren Moleküle von niedrigerer Polarität P als einer vorbestimmten Zielpolarität ungestört die zweite Festphasenextraktionskartusche 5, während Moleküle mit höherer Polarität P als einer gewählten Zielpolarität von dem zweiten Sorbens der zweiten Festphasenextraktionskartusche 5 im Wesentlichen vollständig adsorbiert/absorbiert werden.

Alternativ und/oder ergänzend dazu kann auch jedes andere Material als Sorbens verwendet werden, welches dazu führt, dass Moleküle mit höherer Polarıtät P als der Zielpolarität von dem zweiten Sorbens der zweiten Festphasenextraktionskartusche 5 im Wesentlichen

vollständig adsorbiert/absorbiert werden.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm 18 eine zweite Absorptionskurve 19 der Absorption A der zweiten Festphasenextraktionskartusche 5, welche ein Alkylamin, optional mit einer Kettenlänge von 2 bis 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere ein Propylamin oder Butylamin, als Sorbens aufweist, in Abhängigkeit von der Polarität P der Moleküle der flüssigen Probe, welche die zweite Festphasenextraktionskartusche 5 durchströmen. Der sprunghafte Anstieg der Absorptionskurve 19 erfolgt nun bei der Zielpolarität der zweiten Festphasenextraktionskartusche 5 zwischen den Estern 16 und den höherpolaren Molekülen 17, sodass Ester 16 sowie Moleküle, welche eine niedrigere Polarität P aufweisen als Ester, die Festphasenextraktionskartusche ungehindert passieren, während Ketone, Aldehyde und Säuren aufgrund ihrer, im Vergleich zu Estern 16, höheren Polarität P in der zweiten

Festphasenextraktionskartusche 5 gebunden werden.

Durch das unterschiedliche Absorptionsverhalten der ersten Absorptionskurve 14 der ersten Festphasenextraktionskartusche 4 in Figur 2 und der zweiten Absorptionskurve 19 der zweiten Festphasenextraktionskartusche 5 in Figur 3 wird somit rein apparativ eine erhöhte

Trennschärfe der zu untersuchenden Substanz im Vergleich zum Stand der Technik erreicht.

Wenn das Sorbens einer der Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 gesättigt ist, kann durch Spülen der Festphasenextraktionskartuschen 4, 5 mit polaren Lösungsmitteln die adsorbierten Moleküle im Wesentlichen wieder vollständig aus den Festphasenextraktionskartuschen 4, 5

gewaschen werden, da der Absortionsprozess/Adsorptionsprozess reversibel ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe, wobei die Probe eine Mehrzahl an Substanzen aufweist, umfassend ein Probenreservoir (2), eine Messzelle (9), einen Messkanal (3), Druckapplikationsmittel (12), eine Recheneinheit (11) sowie eine Infrarotmessanordnung (6), welche eine Infrarotquelle (7) sowie einen Infrarotsensor (10) zum Erfassen von Messsignalen eines von der Infrarotquelle (7) emittierten, die Messzelle (9) durchleuchtenden Infrarotstrahls (8) zumindest eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs aufweist, wobei der Messkanal (3) dazu ausgebildet ist, mittels der Druckapplikationsmittel (12) die zu messende Probe aus dem Probenreservoir (2) zu entnehmen und der Messzelle (9) zuzuführen und die Recheneinheit (11) dazu ausgebildet ist, die Messsignale auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) des Weiteren eine erste Festphasenextraktionskartusche (4) mit einem ersten Sorbens sowie eine zweite Festphasenextraktionskartusche (5) mit einem zweiten Sorbens aufweist, wobei die beiden Festphasenextraktionskartuschen (4, 5) mit dem Messkanal (3) verbunden und zwischen dem Probenreservoir (2) und der Messzelle (9) angeordnet sind, wobei das erste Sorbens dazu ausgebildet ist die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, sowie Substanzen, welche eine höhere Polarität (P) aufweisen als die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, im Wesentlichen vollständig zu adsorbieren/absorbieren und das zweite Sorbens dazu ausgebildet ist Substanzen, welche eine höhere Polarität (P) aufweisen als die Substanz, deren Konzentration zu bestimmen ist, im Wesentlichen vollständig zu

adsorbieren/absorbieren.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem das erste Sorbens besteht, aus einem Magnesiumsilikat oder einer Kombination aus

Magnesiumsilikaten, insbesondere Florisil, ausgewählt ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem das zweite Sorbens besteht, aus einem Alkylamin, insbesondere aus einem

Propylamin oder Butylamin, ausgewählt ist.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckapplikationsmittel (12) Pumpen sind, wobei jeweils eine Pumpe mit einer der zwei

Festphasenextraktionskartuschen (4, 5) verbunden ist.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Vorrichtung dazu ausgebildet ist als flüssige Probe einen Flugzeugkraftstoff und als Substanz,

deren Konzentration zu bestimmen ist, FAME oder Biodiesel zu verarbeiten.

6. Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe mittels der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir (2) über die erste Festphasenextraktionskartusche (4) in die Messzelle (9) mittels der Druckapplikationsmittel (12);

Erfassen eines ersten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle (9) durchleuchtenden, von der Infrarotquelle (7) emittierten Infrarotstrahls (8) eines ersten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor (10);

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir (2) über die zweite Festphasenextraktionskartusche (5) in die Messzelle mittels der Druckapplikationsmittel (12); Erfassen eines zweiten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle (9) durchleuchtenden, von der Infrarotquelle (7) emittierten Infrarotstrahls (8) des ersten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor (10);

Ermitteln eines ersten Differenzsignals aus der Differenz des zweiten Messsignals und des ersten Messsignals durch die Recheneinheit (11);

Differenzsignal durch die Recheneinheit (11).

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir (2) über die erste Festphasenextraktionskartusche (4) in die Messzelle (9) mittels der Druckapplikationsmittel (12);

Erfassen eines dritten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle (9) durchleuchtenden, von der Infrarotquelle (7) emittierten Infrarotstrahls (8) eines zweiten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor (10);

Zuführen der flüssigen Probe aus dem Probenreservoir (2) über die zweite Festphasenextraktionskartusche (5) in die Messzelle (9) mittels der Druckapplikationsmittel (12);

Erfassen eines vierten Messsignals durch Erfassen eines die Messzelle (9) durchleuchtenden, von der Infrarotquelle (7) emittierten Infrarotstrahls (8) eines zweiten Wellenlängenbereichs durch den Infrarotsensor (10);

Ermitteln eines zweiten Differenzsignals aus der Differenz des vierten Messsignals und des dritten Messsignals durch die Recheneinheit (11);

Ermitteln einer zweiten Konzentration der Substanz in der flüssigen Probe aus dem zweiten Differenzsignal zum Feststellen eines vorgegebenen Grads an Übereinstimmung zwischen der ersten Konzentration der Substanz und der zweiten Konzentration der Substanz durch die Recheneinheit (11).

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei das Erfassen des ersten und dritten Messsignals gleichzeitig erfolgt, sowie das Erfassen des zweiten und vierten Messsignals

gleichzeitig erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:

Ermitteln eines Korrekturdifferenzsignals aus dem ersten Differenzsignal und dem zweiten Differenzsignal bei einer ersten Abweichung von dem vorgegebenen Grad an Übereinstimmung zwischen der ersten Konzentration der Substanz und der zweiten Konzentration der Substanz durch die Recheneinheit (11);

Korrekturdifferenzsignal durch die Recheneinheit (11).

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:

Konzentration der Substanz.