CH666749A5

CH666749A5 - Anordnung zur mehrelementenanalyse und verfahren zu deren betrieb.

Info

Publication number: CH666749A5
Application number: CH5699/84A
Authority: CH
Inventors: Winfried Quillfeldt; Bernd Naumann; Helmut-Ross Becker
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-12-01
Filing date: 1984-11-29
Publication date: 1988-08-15
Also published as: DE3436752A1; US4711572A; FR2556093A1; FR2556093B1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Mehrelemen-tenanalyse und ein Verfahren zu deren Betrieb gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3, das zur Auswahl von Spektrallinien oder Banden aus einem Gesamtspektrum sowohl für die Emissionsspektralanalyse als auch für die Mehrkanal-Atom-Absorptionsanalyse oder für die Spektral-photometrie geeignet ist.

Die Geräte zur Multielement(-Emissions-)analyse bestehen aus einer Anordnung zur thermischen oder athermischen Anregung der in einer Analysenprobe enthaltenen chemischen Elemente, die eine Strahlungs- oder Anregungsquelle darstellt, einer Abbildungsoptik, einem dispergierenden optischen System, einem optischen System zur Selektierung von Spektrallinien, photoelektrischen Empfängern und einer Nachweiselektronik. Die Übertragung des selektierten Lichtes auf die Empfänger übernehmen optische Bauelemente wie Prismen, Spiegel und Lichtleitfasern.

Nachteilig bei den bekannten Anordnungen ist es, dass entweder in einem Spektralgerät so viele Empfänger angeordnet werden müssen, wie in allen zu analysierenden Proben Elemente vorhanden sind, oder dass mit optischen Mitteln, die starr angeordnet sind, aus der grossen Anzahl der möglichen Spektrallinien nur die für eine bestimmte Probenqualität relevanten Spektrallinien ausgewählt werden.

Im ersten Fall wird eine grosse Anzahl von Empfängern und elektronischen Nachweiskanälen benötigt, ohne dass diese bei jeder Analyse genutzt werden. Für den zweiten Fall ist die Zahl der Empfänger geringer, dafür werden aber für unterschiedliche Probenqualitäten jeweils andere optische Systeme zur Selektierung benötigt, die ihrerseits kostenaufwendig sind.

Die Anregung der Spektrallinien der einzelnen Elemente hängt entweder von der Temperatur oder der Elektronendichte ab. Da das anregende Volumen einer Strahlungsquelle räumlich immer durch eine kältere Umgebung begrenzt wird, weist jede Strahlungsquelle eine mehr oder weniger starke Heterogenität auf. Dadurch werden Spektrallinien mit unterschiedlichen Anregungsenergien an verschiedenen Stellen der Strahlungsquelle optimal angeregt.

Die gleiche Wirkung tritt bei heterogener Elektronendichte auf.

Besonders stark ist diese Erscheinung, wenn als Anregungsquelle ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) verwendet wird. Die optimalen Anregungsgebiete für die chemischen Elemente können bis zu 20 mm auseinanderliegen.

Sequentiell arbeitende Spektrometer mit ICP-Anregung -im allgemeinen Plasmaspektrometer genannt - besitzen deshalb oftmals eine Vorrichtung zur Abbildung der Anregungsquelle in ein dispergierendes optisches System (DOS), die es gestattet, vorprogrammiert und durch einen Mikroprozessor entsprechend der am DOS eingestellten Spektrallinie gesteuert, für diese Spektrallinien den günstigen Ort im Plasma zu erfassen.

Simultan arbeitende Spektrometer weisen derartige Vorrichtungen nicht auf. Sie können nur einen Punkt der Anregungsquelle erfassen und erreichen deshalb oft nicht die Nachweisempfindlichkeit der sequentiellen Geräte.

Steht nur eine geringe Menge an Probensubstanz zur Verfügung, so dass entweder die Emission der Anregungsquelle impulsartig durch Probeninjektion oder Laseratomi-sierung erfolgt oder die Probe nicht kontinuierlich wie bei Funkenatomisierung atomisiert wird oder aber sehr kurze Analysenzeiten für eine Vielzahl von Elementen verlangt werden, wirken sich die Nacheinandererfassung optimaler Anregungszonen negativ aus.

Neben der Abhängigkeit der Spektrallinienemission vom Ort der Abbildung gibt es noch weitere, für jede Spektrallinie individuelle Abhängigkeiten wie die Stärke der Emission -Intensität genannt - von der elektrischen Leistungsaufnahme der Anregungsquelle und von dem Trägergasstrom für die zu einem Aerosol versprühte Probensubstanz.

Dabei kann direkte oder indirekte Proportionalität bestehen oder ein Maximum durchlaufen werden.

Die bekannten Sequenzspektrometer berücksichtigen teilweise die Abhängigkeit von der elektrischen Leistungsaufnahme, indem diese für jede Spektrallinie vorprogrammiert werden kann. Dadurch ist es bei ICP-Sequenzspektrometern beim Anfahren einer Spektrallinie möglich, den Ort der optimalen Anregung - optimale Abbildungshöhe genannt -abzubilden und gleichzeitig die günstigste elektrische Leistung für diese Spektrallinie einzustellen.

Nachteilig ist es, dass die Optimierung der Abbildungshöhe, der elektrischen Leistung und des Trägergasstromes für jede zu registrierende Spektrallinie individuell erfolgen muss, und das sequentielle Prinzip deshalb eine sehr konstante, über einige Minuten unverändert emittierende Anregungsquelle benötigt. Zusätzlich steigt die Gesamtmesszeit erheblich an.

Bei Simultanspektrometern muss bei den bekannten technischen Lösungen mit sogenannten Kompromissbedingungen bei der Einstellung der Messparameter gearbeitet werden. Dadurch wird nicht für jede Spektrallinie die bestmögliche analytische Leistungsfähigkeit erreicht.

Es ist deshalb das Ziel der Erfindung, die analytische Leistungsfähigkeit für die gleichzeitige Erfassung mehrerer

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Spektrallinien oder Banden, verbunden mit einer Messzeitverkürzung und Senkung des Material- und Kostenaufwandes, zu erhöhen.

Die Aufgabe der Erfindung, bei gleichzeitiger Erfassung mehrerer Spektrallinien oder Banden mit jedem Empfänger unter Verwendung von nur einem dispergierenden optischen System, die wahlweise Einstellbarkeit der Messparameter -Abbildungshöhe, Leistungsaufnahme und Trägergasstrom-zu gewährleisten, wird durch eine Anordnung zur Mehrelementanalyse, bei der zur Auswahl von Spektrallinien aus einem Gesamtspektrum Lichtaustrittsspalte vorgesehen sind, von denen jeder mindestens mit einem Lichtleitelement verbunden ist, jedes der Lichtleitelemente in ein in Sektoren aufgeteiltes Aufnahmeelement eingeführt werden kann, einem Sektor immer ein Empfänger gegenüberliegt und die Empfänger mit einer Auswerteelektronik gekoppelt sind, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen dem Aufnahmeelement und den Empfängern eine mit mindestens einer Öffnung versehene Maske vorgesehen ist, die jedem Empfänger Teile eines Sektors optisch zuordnet, dass das Aufnahmeelement gegenüber der Maske verschiebbar und mit Kodiermarken versehen ist, die die optische Zuordnung der Aufnahmeöffnungen zu den Empfängern markieren, wobei für jede Zuordnung ein vorgewählter, in einem Mikroprozessor gespeicherter Wert für mindestens einen Messparameter vorgesehen ist und der Mikroprozessor sowohl mit einem den Kodiermarken zugeordneten Messwertgeber als auch mit Stellgliedern für eine Messparametereinstellung verbunden ist. Jeder der Sektoren besitzt vorzugsweise zumindest eine Reihe zellenförmig angeordneter Auf-nahmeöffnüngen für die Lichtleitelemente. Mindestens eine der Aufnahmeöffnungen eines jeden Sektors ist durch die. Maske optisch mit einem Empfänger verbunden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Mehrelementanalyse, bei dem die von einem dispergierenden optischen System erzeugten Spektrallinien oder Banden einer Strahlungsquelle durch Lichtleitelemente Empfängern zugeführt werden. Die Lichtleitelemente von Spektrallinien oder Banden, die gleiche oder ähnliche Messparameter erfordern, werden in Gruppen zusammengefasst, die nacheinander den Empfängern optisch zugeordnet werden.

Dadurch wird eine Optimierung der einzustellenden Messparameter immer für eine Gruppe von Spektrallinien möglich, wodurch sich die analytische Leistungsfähigkeit erhöht und die Messzeit verkürzt wird.

Durch die erfindungsgemässe Anordnung können so viele Spektrallinien gleichzeitig erfasst werden, wie Empfänger vorhanden sind.

Da die den Austrittsspalten zugeordneten Lichtleitelemente wahlweise in die Sektoren des Aufnahmeelementes einführbar sind, erhöht sich durch das schrittweise Verschieben des Aufnahmeelementes gegenüber der Maske, wobei die Aufnahmeöffnungen schrittweise an den Öffnungen der Maske vorbeigeführt werden, die Anzahl der erfassbaren Spektrallinien. Sie ist gleich dem Produkt aus der Anzahl der Empfänger und den möglichen Verschiebepositionen, die den in den Sektoren angeordneten Aufnahmeöffnungen entspricht. Zur Erhöhung der Intensität des Spektrallichtes eines Elementes sind in den Sektoren weitere Zeilen von Aufnahmeöffnungen vorzusehen, die parallel zur ersten Zeile verlaufen, wobei jede Öffnung einer Zeile einer Öffnung einer anderen benachbart ist. In derart benachbarte Öffnungen sind weitere Lichtleitelemente zu stecken, die anderen Spektrallinien des gleichen Elementes zugeordnet sind. Dadurch wird von einem Empfänger gleichzeitig das Spektrallicht mehrerer Spektrallinien eines Elementes erfasst, das durch eine Öffnung der Maske hindurchtritt.

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Dabei ist die Öffnung so auszubilden, dass gleichzeitig alle benachbarten, zu verschiedenen Zeilen zugehörigen Aufnah-meöffnungen mit einem Empfänger optisch verbunden sind. Die Verschiebung des Aufnahmeelementes gegenüber der Maske kann auch mit einer Veränderung der Verstärkung der einzelnen Nachweiskanäle sowie mit einer Veränderung der elektronischen Signalintegration in der mit den Empfängern verbundenen Auswerteelektronik verbunden sein.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen Anordnung.

Einem bekannten dispergierenden optischen System 1 zur Erzeugung eines Gesamtspektrums ist eine mit nichtdarge-stellten Austrittsspalten versehene Maske 2 nachgeordnet, die mit einem Faserblock 3 gekoppelt ist. In dem Faserblock 3 werden als Lichtleitfasern 4 ausgebildete Lichtleitelemente so gehalten, dass jedem Austrittsspalt 1 eine der Lichtleitfasern 4 zugeordnet ist. Die in der Maske 2 vorgesehenen Austrittsspalte sind so angeordnet, dass sie für die Auswahl von Spektrallinien geeignet sind.

Einem Empfängerblock 5 mit Empfängern 6 sind nacheinander eine Maske 7 und ein in Sektoren 8 aufgeteiltes Aufnahmeelement 9 vorgeschaltet. Das Aufnahmeelement 9 ist, angetrieben durch einen Schrittmotor 10, gegenüber der Maske 7 verschiebbar.

Während die Sektoren 8 in Verschiebungsrichtung jeweils mindestens eine Reihe zellenförmig angeordneter Aufnahmeöffnungen 11 für die Lichtleitfasern 4 aufweisen, besitzt die Maske 7 als Spalte 12 ausgebildete Öffnungen, die Teile jedes Sektors 8 einem der Empfänger 6 optisch zuordnen.

Der Empfängerblock 5 ist mit einer aus mehreren Kanälen bestehenden Auswerteelektronik 13 verbunden.

Nicht benötigte Lichtleitfasern 4 werden einem Speicher 14 zugeführt. Durch die Nebeneinanderanordnung mehrerer Zeilen von Aufnahmeöffnungen 11 in den Sektoren 8 ist es möglich, die Intensität des Spektrallichtes eines Elementes durch Einführen mindestens einer weiteren Lichtleitfaser 4 in eine benachbarte Aufnahmeöffnung 11 einer anderen Zeile zu erhöhen, wobei die weitere Lichtleitfaser 4 einer Spektrallinie desgleichen Elementes zugeordnet ist. Das Aufnahmeelement 9 ist mit Kodiermarken 15 versehen, denen ein Messwertgeber 16 zugeordnet ist.

Dem dispergierenden optischen System 1 ist im Strahlengang 17 ein durch einen Stellantrieb 18 verkippbarer Hohlspiegel 19, ein feststehender Spiegel 20 und eine als induktiv gekoppeltes Plasma 21 ausgebildete Strahlungsquelle vorgeordnet. Die Strahlungsquelle besteht aus einem Entladungsrohr 22, das von einer Induktionsspule 23 umgeben ist, und aus einem Trägergasrohr 24.

Ein Hochfrequenzgenerator 25 ist sowohl mit der Induktionsspule 23 zur Einspeisung elektrischen Stromes als auch mit einem Leistungseinsteller 26 und einem Messwertgeber 27 zur Messung der erzeugten elektrischen Leistung verbunden.

Der Stellantrieb 18 ist mit einem Messfühler 28 gekoppelt, der die Kippstellung des Hohlspiegels 19 ermittelt.

In dem Trägergasrohr 24 ist ein Absperrventil 29 vorgesehen, über das die Strahlungsquelle mit einer Trägergasquelle 30 in Verbindung steht und das durch einen magnetischen Stellantrieb 31, der natürlich auch als Schrittantrieb ausgebildet sein kann, zu betätigen sind. Der Schrittmotor 10, die Messwertgeber 16 und 27, die Stellantriebe 18 und 31, der Leistungssteller 26 und der Messfühler 28 sind mit einem Mikroprozessor 32 verbunden.

Die Kodiermarken 15 signalisieren dem Messwertgeber 16, welche Position das Aufnahmeelement 9 eingenommen hat, d.h. welche der Aufnahmeöffnungen 11 mit den Empfängern 6 optisch verbunden sind. Diese Information wird an

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den Mikroprozessor 32 weitergeleitet, in dem bereits für jede Position ein bestimmter einzustellender Wert für die Messparameter Abbildungshöhe, Leistungsaufnahme und Trägergasstrom gespeichert ist.

Diejenigen der Lichtleitfasern 4, die Spektrallinien weiterleiten, die gleiche oder ähnliche Messparameter benötigen, werden jeweils in die Aufnahmeöffnungen 11 gesteckt, die gleichzeitig mit den Empfängern 6 optisch verbunden sind.

Zum Einstellen der Messparameter entsprechend der eingestellten Position des Aufnahmeelementes 9 gibt der Mikroprozessor 32 nach vorherigem Feststellen der eingestellten Werte für die Stellung des Hohlspiegels 19, die für die Abbildungshöhe repräsentativ ist, und die vom Hochfrequenzgenerator 25 erzeugte elektrische Leistung entsprechende

Befehle an den Stellantrieb 18 und den Leistungseinsteller 31.

Ebenso geht ein Befehl an den Stellantrieb 31, der das Absperrventil 29 betätigt, so dass in dem Trägergasrohr 24 s der erforderliche Trägergasstrom fliesst.

Die erfindungsgemässe Anordnung ist nicht an ein spezielles dispergierendes optisches System gebunden. Es kann bei Czerny-Turner-, Ebert-Fasti-und Rowland-Anordnungen genauso angewendet werden wie bei einem Echelle-System.

Prinzipiell ist die Erfindung auch nicht nur für die Emissionsspektralanalyse, sondern auch für die Mehrkanal-Atom-Absorptionsanalyse oder die Spektralphotometrie anwendbar.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Anordnung zur Mehrelementanalyse, bei der zur Auswahl von Spektrallinien aus einem Gesamtspektrum Lichtaustrittsspalte vorgesehen sind, von denen jeder mit mindestens einem Lichtleitelement verbunden ist, jedes der Lichtleitelemente in ein in Sektoren aufgeteiltes Aufnahmeelement eingeführt werden kann, einem Sektor immer ein Empfänger gegenüberliegt und die Empfänger mit einer Auswerteelektronik gekoppelt sind, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen dem Aufnahmeelement und den Empfängern eine mit mindestens einer Öffnung versehene Maske vorgesehen ist, diejedem Empfänger Teile eines Sektors optisch zuordnet, dass das Aufnahmeelement gegenüber der Maske verschiebbar und mit Kodiermarken versehen ist, die die optische Zuordnung der Aufnahmeöffnung zu den Empfängern markieren, wobei für jede Zuordnung ein vorgewählter, in einem Mikroprozessor gespeicherter Wert für mindestens einen Messparameter vorgesehen ist und der Mikroprozessor sowohl mit einem den Kodiermarken zugeordneten Messwertgeber als auch mit Stellgliedern für eine Messparametereinstellung verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass jeder der Sektoren zumindest eine Reihe zeilenförmig angeordneter Aufnahmeöffnungen für die Lichtleitelemente besitzt und dass mindestens eine Aufnahmeöffnung eines jeden Sektors durch die Maske optisch mit einem Empfänger verbunden ist.

3. Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die von einem dispergierenden optischen System erzeugten Spektrallinien oder Banden einer Strahlungsquelle durch Lichtleitelemente Empfängern zugeführt werden, gekennzeichnet dadurch, dass die Lichtleitelemente von Spektrallinien oder Banden, die gleiche oder ähnliche Messparameter erfordern, in Gruppen zusammengefasst und diese Gruppen nacheinander den Empfängern optisch zugeordnet werden.