DE10157728A1

DE10157728A1 - Vorrichtung zur Kalibration von Analysegeräten

Info

Publication number: DE10157728A1
Application number: DE2001157728
Authority: DE
Inventors: Michael Gaitrois; Ralf Koppmann; Arno Wedel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-11-24
Filing date: 2001-11-24
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibration von Analysegeräten. DOLLAR A Nach dem Stand der Technik sind Diffusionsgefäße bekannt, die aus einem Glasgefäß mit einer aufgeschraubten Edelstahlkapillare bestehen. Edelstahl kann für hoch reaktive Substanzen eine reaktive Oberfläche darstellen und zur Verfälschung von Meßergebnissen führen. An den Verschraubungsstellen entstehen Undichtigkeiten, die zu ungenauen Meßergebnissen führen. DOLLAR A Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die aus chemisch inertem Material in einem Stück gefertigt ist, ist es nunmehr möglich, genaue Diffusionsflüsse durch die Diffusionskapillare zu erzeugen, ohne daß es auf Grund von Toträumen und Undichtigkeiten zu Fehlern kommt. Weiterhin können Gasgemische hochreaktiver Substanzen hergestellt werden, um diese zur Kalibration von Analysegeräten einzusetzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibration von Analysegeräten.
Eine Vielzahl von atmosphärisch relevanten Spurengasen ist bis auf wenige Ausnahmen nur durch gaschromatographische Analytik bestimmbar. Die Gaschromatographie ist wie viele andere Analyseverfahren keine Absolutmethode und muss in regelmäßigen Abständen kalibriert werden. In der atmosphärischen Chemie werden für die Kalibration Gasstandards mit sehr geringen Spurengaskonzentrationen benötigt. Des weiteren sollten die Gasstandards die komplexe Matrix Luft enthalten, um eine bessere Vergleichbarkeit mit Luftproben zu gewährleisten. Im Vergleich zu anderen Methoden können beide Bedingungen mit Hilfe einer Diffusionseinheit einfach, schnell und flexibel eingestellt werden. Folgende Komponenten spielen bei gaschromatographischen Analyseverfahren u. a. eine Rolle: Diffusionsgefäße, Diffusionskammer und dynamische Verdünnungsstufen.
Es sind flaschenförmige Diffusionsgefäße bekannt, die aus Glas bestehen und an der Öffnung mit einer Diffusionskapillare versehen sind. Die Diffusionskapillare aus Edelstahl ist über ein Reduzierstück mit einer Verschraubung an den Hals des Glasgefäßes angeschlossen (M. Gautrois, R. Koppmann, J. Chromatogr. A 848 (1999) 239-249). Bei der Verwendung der bekannten Diffusionsgefäße ist es möglich, daß es auf Grund der Materialbeschaffenheit der Diffusionsgefäße zu unerwünschten Reaktionen hoch reaktiver Substanzen (wie z. B. Mono-, Sesquiterpene oder O₂-haltige organische Verbindungen) mit der Edelstahloberfläche kommt. Durch die Verbindung der Kapillare mit dem Gefäß über eine Verschraubung kann es zu Undichtigkeiten kommen, die konstante Reaktionsbedingungen erschweren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, mit der definierte Diffusionsraten von hoch reaktiven Substanzen zur Kalibration von Analysegeräten eingestellt werden können.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nunmehr möglich, Diffusionsversuche mit genauer bestimmbaren Diffusionsraten durchzuführen, da weniger Fehlerquellen durch Undichtigkeiten auftreten. Weiterhin ist es möglich extrem niedrige Konzentrationen hoch reaktiver Substanzen im Bereich von einigen 100 ppbv bis zu wenigen pptv einzustellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Verfahrensschema zur Produktion von Gasstandards bei dem die erfindungsgemäßen Vorrichtungen eingesetzt werden.
Es zeigt:
Fig. 1 Diffusionsgefäß
Fig. 2 Verfahrensschema zur Produktion von Gasstandards zur Kalibration von Analysegeräten
Fig. 1 zeigt das Diffusionsgefäß (1) mit dem Vorratsgefäß (2) und der nahtlos angesetzten Diffusionskapillare (3).
Fig. 2 zeigt das Verfahrensschema zur Produktion von Gasstandards unter Verwendung der in einer Diffusionskammer (4) befindlichen Diffusionsgefäße (1). Die Diffusionskammer (4) besteht aus einem doppelwandigen Glasbehälter mit Glasdeckel (5). Die Diffusionskammer (4) wird mit den Diffusionsgefäßen (1) gefüllt. Die Diffusionskammer (4) wird von unten nach oben durch Leitungen (6) kontinuierlich mit Gas durchströmt. Die Gasflüsse werden durch Mass-Flow-Controller (7) konstant gehalten und durch den doppelwandigen, mit Wasser temperierbaren Glasmantel (8) der Diffusionskammer (4) geleitet. Durch einen Strömungsteiler (9) wird der Druck in der Diffusionskammer (4) eingestellt. Ein Teil des Gasstroms wird über desaktivierte Fused-Silica- Kapillaren (10) seitlich in eine Verdünnungskammer (11) geleitet und der andere Teil des Gasstroms wird über einen Siliconschlauch (12) in einen Abzug (13) geführt. Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
Die Diffusionskammer (4) mit den Diffusionsgefäßen (1) wird durch einen externen Thermostaten auf 298 K thermostatisiert und von unten nach oben mit kohlenwasserstofffreier Luft durchströmt. In die Diffusionskammer (4) können bis zu 19 Diffusionsgefäße (1) eingesetzt werden. In den Diffusionsgefäßen (1) mit einem Volumen von beispielsweise 4 mL ist die Reinsubstanz enthalten. Dadurch, daß sowohl das Vorratsgefäß (2) als auch die Diffusionskapillare (3) aus chemisch inertem Material, z. B. Glas gefertigt sind, kommt es bei der Verwendung von hoch reaktiven Substanzen, wie z. B. Terpenen (Mono-, Sesquiterpenen), nicht zu chemischen Reaktionen mit dem Material des Diffusionsgefäßes (1). Die erfindungsgemäßen Diffusionsgefäße (1) werden so hergestellt, daß die Diffusionskapillare (3) und das Vorratsgefäß (2) aus einem Stück gefertigt werden, indem z. B. das Vorratsgefäß (2) mit der Diffusionskapillare (3) zusammenhängend gegossen werden. So entsteht ein Diffusionsgefäß (1), bei dem keine Undichtigkeiten auf Grund von angeschraubten Anschlüssen oder nachträglich an das Vorratsgefäß angeschlossenen Diffusionskapillaren entstehen. Bei der Konstruktion der Diffusionsgefäße (1) kann durch Variation von Durchmesser und Länge der Diffusionskapillare (3) die Diffusionsrate gezielt eingestellt werden und reproduzierbare Diffusionsraten gewährleistet werden. Für die Konstruktion der Diffusionskapillare (3) hat sich ein Durchmesser von 1 bis 3 mm und eine Länge von 5 bis 70 mm als geeignet erwiesen. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Diffusionsgefäße (1) aus Glas wird die Standfestigkeit erhöht. Im Vergleich zu bekannten Diffusionsgefäßen mit einer Haltevorrichtung aus Edelstahl für die Diffusionskapillare ist die erfindungsgemäße Vorrichtung weniger "kopflastig" und neigt nicht dazu in der Diffusionskammer (4) umzufallen.
Zur besseren Isolierung wird die Diffusionkammer (4) in eine mit Styropor ausgekleidete Aluminiumbox (14) gestellt. Die Gasflüsse, die in die Diffusionskammer (4) eingeleitet werden, werden über Mass-Flow-Controller (7) konstant gehalten. Der Druck in der Diffusionskammer (4) wird durch einen am Ausgang befindlichen Strömungsteiler (9) mit Flussrestriktor auf 190 hPa über Atmosphärendruck eingestellt. Ein kleiner Teil des Gasstroms wird über desaktivierte Fused-Silica-Kapillaren (10) seitlich in eine Verdünnungskammer (11) geleitet. Der größere Anteil wird durch einen Siliconschlauch (12) in einen Abzug (13) geführt. In der Verdünnungskammer (11), mit einem Volumen von beispielsweise 400 mL, kann die endgültige Konzentration des Gasgemisches durch Variation der Dimension der desaktivierten Fused- Silica-Kapillaren (10) und/oder durch den Fluss in der Verdünnungskammer (11) eingestellt werden. Flüsse durch die desaktivierte Fused-Silica-Kapillaren (10) können im Bereich von 1 mL/min bis zu mehreren mL/min liegen. Der Fluss kann über einen Bereich von weniger als 1 L/min bis zu einigen L/min variiert werden. Die Eingangsöffnung (15) für die Verdünnungskammer (11) sollte kleiner als die Ausgangsöffnung (16) sein, um bei großen Gasflüssen einen Druckanstieg in der Verdünnungskammer (11) zu verhindern. Die Diffusionsraten der einzelnen Substanzen können durch regelmäßige Wägungen der Diffusionsgefäße (1) überprüft werden.
Zur Erweiterung des kalibrierbaren Substanzspektrums können kommerziell erhältliche Gasstandards (17) an die Verdünnungskammer (11) angeschlossen werden. Diese Gasstandards (17) enthalten Substanzen, die bei Raumtemperatur gasförmig sind und daher nicht in der Diffusionseinheit eingesetzt werden können. Die Gasflüsse aus den kommerziellen Gasstandards (17) werden seitlich (18) in die Verdünnungskammer (11) geleitet. An die Verdünnungskammer (11) können beliebig viele Diffusionskammern (4) mit den darin enthaltenen Diffusionsgefäßen (1) angeschlossen werden. In Fig. 2 ist beispielsweise eine zweite Diffusionskammer (4a) angeschlossen.
Ein Teil des fertigen Gasgemisches (19) kann nach Verlassen der Verdünnungskammer (11) zur Kalibration eines gaschromatographischen Systems oder anderer Analysegeräte eingesetzt werden. Die Mischungsverhältnisse der einzelnen Komponenten der so hergestellten Gasmischung können im Bereich von einigen 100 ppbv bis zu wenigen pptv eingestellt werden. Durch das Verfahren können Gasmischungen von gasförmigen (z. B. Kohlenwasserstoffe mit C₂ bis C₅) flüssigen (z. B. Substanzen mit einem Siedepunkt > 30°C wie beispielsweise Pentan, Aromaten wie Toluol, Benzol, oder auch Monoterpene) oder festen Substanzen (z. B. Sesquiterpene. . .) hergestellt werden, die bei Raumtemperatur einen ausreichend hohen Dampfdruck besitzen.
Die Betriebsparameter der Diffusionseinheit wie Druck und Temperatur in beiden Diffusionskammern (4/4a), in der Verdünnungskammer (11) und im Labor, sowie alle Gasflüsse werden digital (20) aufgezeichnet.

Claims

1. Diffusionsgefäß (1) umfassend ein Vorratsgefäß und eine Diffusionskapillare, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionskapillare (3) und das Vorratsgefäß (2) aus einem Stück gefertigt sind.

2. Diffusionsgefäß (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorratsgefäß (2) und Diffusionskapillare (3) aus dem selben Material bestehen.

3. Diffusionsgefäß (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsgefäß (2) und die Diffusionskapillare (3) aus chemisch inertem Material bestehen.

4. Diffusionsgefäß (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsgefäß (2) und die Diffusionskapillare (3) aus Glas bestehen.

5. Diffusionsgefäß (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionskapillare (3) einen Innendurchmesser von 1 bis 3 mm aufweist.

6. Diffusionsgefäß (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionskapillare (3) eine Länge von 5 bis 70 mm aufweist.