DE2317528A1 - Verfahren zur chemischen abdruckanalyse bevorzugt im mikroskopisch kleinen bereich mit nachweis durch faerbungsoder schwaerzungsreaktionen - Google Patents

Verfahren zur chemischen abdruckanalyse bevorzugt im mikroskopisch kleinen bereich mit nachweis durch faerbungsoder schwaerzungsreaktionen

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Winfried Schlapp
Heinrich Dipl Schmidt-Bruecken
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/91Investigating the presence of flaws or contamination using penetration of dyes, e.g. fluorescent ink

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Description

  • Verfahren zur chemischen Abdruckanalyse bevorzugt im mikroskopisch kleinen Bereich mit Naahweis durch Pärbungs- oder Schärzungsreaktionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Abdruckanalyse, bevorzugt im mikroskopisch kleinen Bereich mit Nachweis durch Färbungs- oder Schwärzungsreaktionen sowie für ein derartiges Verfahren erforderliche Folien und deren Herstellungeverfahren.
  • In der modernen Technik und speziell auch in der Nachrichtentechnik besteht die Tendenz zur Miniaturisierung von Bauteilen und Apparaten bzw. von Schaltungen und Geräten. Die Einzelheiten eo gefertigter Gebilde werden dabei so klein, daß sie zum Teil nur noch mit dem Mikroskop erkennbar sind. Hieraus ergibt sich aber die Schwierigkeit, Mängel zu erkennen, die in so winzig kleinen Körpern durch Fertigungsfehler, Korrosion, Überlastung und dergleichen entetehen können. Echte mechanische Fehler, wie zum Beispiel der Bruch von Teilen, wird man zwar in den meisten Fällen mit dem Mikroskop ohne weitere Hilfsmittel erkennen können. Wenn es sich aber darum handelt1 Korrosionseffekte an bestimmten Punkten einen miniaturisierten Teiles zu untersuchen, oder wenn etwa die Zusammensetzung der dort verwendeten Legierung untersucht werden soll, dann sollte man auch eine chemische Analyse in diesem mikroskopisch kleinen Bereich ausführen können.
  • Der unech für derartige Analysen besteht nicht nur in der Technik, sondern natürlich auch in der Biologie oder in der Medizin. Ganz allgemein kann man sagen: Auf allen Gebieten, auf denen man mikroskopie benutzt, um Einzelheiten des zu untersuchenden Gegenstandes zu erkennen, ergibt sich sehr häufig auch die Aufgabe, diese zinzelheiten durch eine chemische Analyse zu identifizieren.
  • Zur Durchführung derartiger Analysen stehen bereits öglichkeiten zur Verfuegung. Zu nennen ist hier in erster Linie ein Verfahren, bei dem die zu untersuchende Oberfläche mit einem scharf gebündelten Elektronenstrahl abgetastet wird. Im Material des von den Elektronen getroffenen Oberflächenelementes werden dabei Röntgenstrahlen erzeugt, die außer der Bremsstrahlung die für jedes Element charakteristische Strahlung enthalten. Aus der Intensität und der Wellenlänge der charakteristischen strahlung läßt sich dann eine qualitative und quantitative Aussage darüber herleiten, welche Elemente in dem getroffenen Oberlchenbereich vorhanden sind. Durch gleichzeitige Messung der ausgelösten Sekundärelektronen läbt sich diese Aussage vervollständigen oder gelegentlich auch ein Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung und der Gefügestruktur erkennen. Das Untersuchungsprinzip ist in mannigfaltiger Weise variiert worden. So werden auch gebündelte Ionen oder Neutralteilchen zur Anregung der Oberflächenelemente benutzt, und als Signal werden auBer der charakterietlichen Röntgenstrahlung auch Effekte wie die Sekundär-Ionenmission ausgenutzt [1].
  • Bei den erwähnten Verfahren wird die Analyse nicht nach chemischen, sondern nach physikalischen Verfahren durchgeführt, eben, indem mittels hoch empfindlicher Detektoren die durch die Primärbestrahlung ausgelösten Röntgenstrahlen bzw. Sekundärelektronen oder Sekundärionen festgestellt werden. Mit den zur Zeit handelsüblichen Geräten dieser Art läßt sich eine Auflösung von 1 /um Distanz in der untersuchten Fläche erreichen. Bei dem zur Zeit am häufigsten benutzten Mikroanalyzer, bei dem die zu untersuchende Fläche mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird, haben die anregenden Elektronen aber auch eine Eindringtiefe bis zu 1 /um. Die Röntgenstrahlen werden hier also nicht nur von den Oberflächenatomen, sondern auch im Material bis zu 1 /um Tiefe angeregt und können zum Signal des Detektors einen Beitrag liefern. Ungestörte Analysen kann man also nach dem Verfahren nur erhalten, wenn man Gebilde untersucht, deren zu untersuchende Oberfläche dicker als 1 um ist. Das entspricht einer Flächenbelegung von x x g/(m2, wobei ? das spezifische Gewicht der Oberflächenschicht daretellt. Für viele in der Technik vorkommende Fälle ist die für diese Analyse notwendige Mindestdicke der zu untereuchenden Schicht zu groß.
  • Widerstandeschichten in integrierten Schaltungen werden beispieleweise nur in einer Schichtdicke von 0,02 us aufgedampft, was einer Flächenbelegung von ungefähr 1,5 x 10 5 g/cm2 - bezogen auf Chrom - entspricht. Um auch die Analyse dieser geringen Schichtdicke zu ermöglichen, sind diese physikalischen Nachweis verfahren entsprechend abgewandelt worden, und mit dem sogenannten SIMS-Verfahren soll sogar die Analyse monoatomarer Oberflächenschichten möglich sein.
  • All diese physikalischen Verfahren haben aber fast durchweg den Nachteil, daß sie nur for die Elementaranalyse brauchbar sind, also keine Auskunft darüber liefern können, in welcher chemischen Verbindung die auf der Oberfliche vorhandenen Substanzen vorliegen. Außerdem sind die dafür erforderlichen Geräte außerordentlich kostspielig. Hinzu kommt, daß die mit diesen Geräten gemachten Analysen im Höchstvakuum - einige Geräte erfordern 10 9 orr - ausgeführt werden müssen. Neben den hohen Kosten wird durch diese Versuchebedingung ein hoher Aufwand an Vorarbeiten und Zeit erforderlich.
  • Nun gibt es aber sehr viele Fälle, in denen man einfache, billige und schnelle Methoden zur Analyse in mikroskopisch kleinen Bereichen braucht, beispielsweise um die Fertigung von miniaturisierten Schaltungen zu kontrollieren oder um die Oberfläche von galvanisch metallisierten Teilen auf das Vorhandensein von Poren oder von Rissen zu prüfen. Auch bei Gefugeuntersuchungen etwa in der Metallurgie oder in der Gesteinskunde interessiert man sich häufig für die chemische Zusammensetzung bestimmter Gefügeteilchen, die man bei der mikroskopischen Betrachtung etwa seines Schliffes beobachtet.
  • Für solche Untersuchungen, die eventuell auch an großen StUckzahlen durchgeführt werden müssen, sind die phyaikalischen Analysenverfahren ungeeignet. Man braucht also eine Methode, die möglichst schnell, einfach und billig durchzuführen ist und die dennoch in ihren Leistungen etwa bezüglich der Auflösung oder der noch feststellbaren Mindestschichtdickte hohen Anforderungen genügt.
  • Bekannt ist weiter eine kolorimetrische Abdruckanalyse, die bereite im Jahre 1960 zur Bestimmung und Identifizierung dtinner, aber großflächiger Aufdampfschichten beschrieben worden ist [2].
  • Zur Durchführung dieser kolorimetrischen Analyse benutst man die in der Papierchromatographie üblichen Papiere, die man mit einem geeigneten ätzmittel -11m Beispiel verdünnter Salzsäure - ganz schwach anfeuchtet, um sie dann an die zu untersuchende Oberfläche anzupressen. Hierbei lösen eich Metallatome aus der Oberfläche in der Salzsäure, und das gebildete Chlorid wird vom Papier aufgesaugt. Wenn das Papier nur schwach feucht - also nicht naß - ist, werden sich die eindiffundierten Salze nicht merklich im Papier ausbreiten, sondern sie werden etwa an der Eindringetelle festgehalten werden. Um diese kleinen Mengen an Metallealzen im Papier erkennen zu können, wird dieses anschließend - wie in der Papier chromatographie üblich g 3 7 - mit einer Lösung von spezitischen Nachweisreagenzien (um Beispiel Violursäure, Dimethylglyoxim) angespruht. Es entsteht dann ein Fleck, aus dessen Farbe man auf die Art des aufgedampften Metalles und aus dessen Inteneität man auf die Menge desselben schließen kann.
  • Bei diesem Verfahren erhält man noch deutliche Farbnachweise, wenn die zu untersuchenden Flächen mit nur 1 10-6 g/cm2 bedeckt waren. In bezug auf die noch nachweisbare mindeete Flächenbelegung ist das Verfahren also sehr empfindlich, und da es sich um den Nachweis einer Färbung handelt, ist die nachweisbare Konzentration von der spezifischen Flächenbelegung abhängig und nicht von der Gesamtmenge, welche sich Ja erst aus der spezifischen Flächenbelegung mal der Fleckgröße ergibt.
  • Demnach mUßten auch sehr kleine Flächen, die mit der kleinetnachweisbaren Substanzmenge pro Flächeneinheit bedeckt waren, dieselbe Färbung liefern, zu deren Erkennbarkeit bei sehr kleinen Flächen allerdings ein Mikroskop nötig wäre.
  • Im Prinzip ist das Verfahren also für die Analyse im mikroskopisch kleinen Bereich geeignet. Die beschriebene Technik ist aber für die Miniaturisierung des Verfahrens ungeeignet. Originalgetreue Abdrücke von mikroskopisch kleinen Teilen lassen sich mit Papier schon wegen dessen Faserstruktur nicht herstellen. Auch das nachträgliche Ansprühen des Abdrucks mit dem nötigqn spezifischen Nachweisreagenz führt zu einem Verwischen feiner Details im Bild durch Auswaschen der Konturen.
  • Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde erfindungsgemäß ein Verfahren entwickelt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch chemische oder elektrolytische Reaktionen auf einem Objekt Reaktionsprodukte erzeugt werden, die zwar löslich, aber mangels eines geeigneten Lösungsmittels zunächst ungelöst am Bildungsort verbleiben, von wo aus Spuren dieser Reaktionsprodukte in eine gegen das Objekt gedrückte, mit einem Lösungsmittel gequollene, atrukturlose Schicht eindiffundieren können, in der sie mit eingebrachten Reagenzien spezifische Nachweisreaktionen, z. B. Farb- oder Schwärzungsreaktionen, auelösen können, wobei Art und Menge der verwendeten Materialien der gequollenen Schicht derart zu wählen sind, daß ein Abbild des Objektes entsteht, das die örtliche Verteilung der Reaktionsprodukte auf der zu untersuchenden Oberfläche in hoher Auflösung erkennen läßt.
  • Im folgenden werden die Versuche beschrieben, die wir durchfUhrten, um die chromatographischen Abdruckanalysen auch auf mikroskopisch kleine Gebiete anwenden zu können. Erfindungsgemäß war es hierfür notwendig, das bisher für die Abdrucktechnik benutzte Papier durch etrukturloce Folien zu ereetzen. Als geeignet hierfür erwiesen sich Folien aus Gelatine, wie sie auch in der Fototechnik als strukturloses Trägermaterial benutzt werden. Für manche Prozesse, die wir bei unserer Abdruckanalyse anwandten, ist die Gelatine aber eine chemisch nicht genügend beständige Folie. Bei Behandlung mit stark eauren oder stark alkalischen Reagenzien wird die Folie zerstört. Für solche Prozesse kann man Jedoch Folien aus dem chemisch beständigeren Polyvinylalkohol benutzen, die sich ebenfalls ohne Eigenstruktur herstellen laseen. Von den vielen strukturlosen Kunststoffolien, die sonst noch im Handel sind, wie zum Beiepiel aus Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Polyeether, Polykarbonat und dergleichen, scheiden die meisten für die beschriebenen Beispiele der Abdruckanalyse als quellendes Mittel von vornherein aus, weil sie kein Wasser aufzunehmen vermögen (wenn man von dem eventuell in Spuren gelösten Wasserdampf absieht). Einen geringen Wassergehalt müssen die Folien für die Abdruckanalyse natUrlioh enthalten, denn die Reaktionen, die etwa zwischen Metailsalzen und Nachweisreagenzien die gewünschten Färbungen liefern, verlaufen im allgemeinen nur in wässeriger Lösung.
  • Die Folien dürfen hierbei aber nicht naß sein, weil das wieder ein Verwaschen der mikroskopisch kleinen Konturen hervorrufen würde; sie dürfen vielmehr nur eine kleine Feuchtigkeitsmenge enthalten, die zu einer schwachen Quellung der Folien führt.
  • Die Frage, wie man den richtigen Feuchtigkeitsgehalt von Folien herstellt und was man machen muß, um Folien zu erhalten, die bei der in Laboratorien üblichen (40 - 60 *) Luftfeuchte ihren Wassergehalt konstant halten - die also weder austrocknen, noch durch Wasseraufnahme betauen -ist grundsätzlich bekannt.
  • Um zuerst das Verfahren, das wir anwenden wollen, zu beschreiben, sei deshalb zunächet vorausgesetzt, daß wir eine solche Folie besitzen. Nun betrachten wir zur weiteren Erläuterung als Beispiel eine Aufgabe: Es sei eine mistoskopisch kleine, integrierte Schaltung gegeben die aus einer Reihe von Leiterbahnen und eugfgedampften auelementen besteht. Ee sei nun gefragt: Welche eine dieser Schaltung aus einem bestimmten Element zum Beispiel aus Nickel oder aus Kupfer, hergestellt sind. Um die lerfUr nötige Abdruckanalyse herzustellen, legen wir das zu untersuchende Bauteil kurzzeitig (etwa 1 Sekunden) in eine trockene, korrosive Atmosphäre im vorliegenden Falle zweckmäßigerweise in trockenen Salpetersäuredampf. Die Metalle werRen. hierdurch schwach angeätzt, d.h. auf der Oberfläche werden ihre Nitrate gebildet, die aber an Ort und Stelle als feste Salze liegen bleiben, weil sie in der trockenen Atmosphäre nicht durch Feuchtigkeitsaufnahme zerfließen können. Drückt man nun gegen diese angeätzten Flächen sofort nach dem Herausnehmen aus der Ätzkammer eine Abdruckfolie, so dringen die gebildeten Nitrate in die Folie ein, weil sie sich in dem geringen Wassergehalt der gequollenen Folie lösen. Wenn nun diese Folien zuvor außerdem mit dem Nachweisreagenz beladen worden waren, eo liefern die eindiffundierenden Metallsalze auch sofort die für sie spezifischen Farbreaktionen, Die hierbei gebildeten Farbkomplexe sind in aller Regel wenig oder gar nicht wasserlöslich, so daß sie sich nicht in der Folie durch Diffusion ausbreiten können. Es entstehen dadurch sehr formgetreue und konturenscharfe Abdrücke. Wir konnten Mikrofotografien der Originalschaltung einerseits und des gefertigten Folienabdruckes andererseits mit einer Toleranz von 2 bis 3 /um zur Deckung bringen.
  • Aus der im vorigen Abschnitt gegebenen skizzenartigen Beechreibung des erfindungsgemäßen Abdruckverfahrens ergibt sich, daß die dazu verwendeten Folien aus Gelatine und Polyvinylalkohol (PVA) durch darin adsorbiertes Waeser in einem schwach feuchten und dadurch etwae gequollenen Zustand zu verwenden sind. Dieser Zuetand wird Jedoch von dem Umgebungsklima stark beeinflußt. Da sich die Dicken solcher Folien mit dem Wassergehalt infolge der Quellung ändern, geben wir im folgenden zur Beschreibung der Folie immer das Gewicht an Polyvinylalkohol an, das zur Herstellung der Folie pro cm2 Fläche gebraucht wurde. Für alle in dieser Arbeit erwähnten Versuche wurden die Folien mit 12,5 mg Polyvinylalkohol bzw. Gelatine pro cm2 hergestellt.
  • Als gut brauchbar erwiesen sich Folien, in die bei der Herstellung z. B. Glyzerin als hygroskopische Substanz eingebracht war. Die Folien werden, wie noch näher beschrieben wird, derart hergestellt, daß Jeweils 5 g Trockensubstanz (Polyvinylalkohol (PVA) oder Gelatine) in 100 cm3 heißem Wasser in homogene Lösung gebracht werden. Zu dieser homogenen lösung werden dann außer den für den Nachweis erforderlichen Reagenzien noch 2 bis 5 ml Glyzerin zugesetzt.
  • Die eo hergestellte dickflüssige Lösung wird dann z. B.
  • auf Glaapletten von 20 1 20 cm Größe aufgegossen. Die Oberflächenspannung verhindert ein Ablaufen an den Rändern.
  • Auf dieser Platte trocknet die Flüssigkeit innerhalb von 2 Tagen ein und liefert gleichmäßige, transparente Folien, die infolge des zugesetzten Glyzerins so hydrophil sind, daß sie in der Feuchte der normalen laborluft noch einen fllr die Abdrucksnalyse ausreichenden Wassergehalt besitzen.
  • Eine Folie, die zuvor lange Zeit bei 50 % relativer Luftfeuöhtigköit gelagert worden war, verlor nach Einbringen in eine scharf getrocknete Atmosphäre noch etwa 35 %, bezogen auf das Gewicht des Polyvinylalkohols. Mit dieser relativ hohen Feuchtigkeitsmenge war also die Folie trotz der niederen Luftfeuchte noch beladen, weil sie durch das eingebrachte Glyzerin noch genügend hygroskopisch war.
  • Bringt man hingegen die glyzerinhaltigen Folien in sehr hohe Luftfeuchtigkeit, so nehmen sie mehr Wasser auf, als sie durch Quellung halten können. Infolgedessen bilden sich dann an ihrer Oberfläche Tröpfchen. Dieses Betauen erfolgt bei Folien mit 4 ml Glyzerin pro 5 g PVA bei etwa 60 ffi relativer Feuchte und bei Folien mit 2 ml Glyzerin pro 5 g PVA bei ungefähr 80 % relativer Feuchte. Zwischen den beiden Grenzzuständen - zu trocken und zu naß - sind die Folien mit 4 ml Glyzerin in einem Bereich zwischen 25 % und 60 % relativer Feuchte brauchbar und die Folien mit nur 2 ml Glyzerin zwischen 45 und 80 ffi relativer Feuchte. In den angegebenen Arbeitsbereichen, die den Feuchtigkeitsgehalt der Raumluft in den Laboratorien etwa verdecken, können die Folien also dauernd gelagert werden. Hinzu kommt noch, daß die glyzerinhaltigen Folien - im Gegensatz zu Folien ohne Glyzerin - wesentlich langsamer austrocknen, wenn sie von Räumen hoher Luftfeuchte in Räume geringerer Luftfeuchte gebracht werden. Bei einem Unterschreiten der unteren Feuchtigkeitsgrenze um etwa 10 bis 20 % dauert es bei den glyzerinhaltigen Folien mehrere Stunden, bis die Folie auf den Wert austrocknet, der zur niederen Luftfeuchtigkeit gehörte Sorgt man also dafür, daß die Folien in einer Atmosphäre gelagert werden, die bezüglich der Luftfeuchte etwa in der Mitte des für diese Folien gültigen Arbeitsbereiches liegt, so kann man mit Ihnen auch in einer zu trockenen oder zu feuchten Laboratoriumsluft arbeiten, ohne daß man sich hierbei besonders beeilen muß. Solche günstigen Ergebnisse konnten wir nur mit Folien erreichen, die Glyzerin als hydrophile Substanz enthielten. Versuche mit anderen hydrophilen Substanzen, und zwar mit Mono-, Di-, Tri-Äthylenglykol, ferner mit dem Poly-Athylenglykel 200 und 400 und mit Sorbit, führten zu achlechteren Ergebnissen. Für alle weiteren Versuche wurden deshalb nur Folien mit Glyzerin benutzt.
  • Benutzt man nun die Folien, die nach dem im vorigen Abechnitt beschriebenen Verfahren hergestellt sind, die also infolge ihre kleinen Wassergehaltes schwach gequollen sind, und drUckt sie nun gegen die zuvor in einer trockenen HNO-Atmosphäre angeätzten Proben, eo diffundieren die Korrosion.-produkte - hier also die Metallnitrate - in die Folie hinein, um eich in deren Wassergehalt aufzulösen. Nehmen wir zunächst einmal an, daß dieses Eindiffundieren nur senkrecht in die Folie erfolgt, daß also eine seitliche Diffusion und damit ein Verwaschen des Abdruckes vernachlässigbar klein iet. Damit nun in der Folie die für die Abdruckanalyse gebrauchte Farbreaktion eintritt, muß noch das Nachweisreagenz in die Folie eingebracht werden. Man kann versuchen, dieses nach dem Ätzabdruck einzubringen, und zwar durch Baden der Folie in einer Lösung des Nachweiereagenees. Beispielsweise könnte man vereuchen, die Folie in einer alkoholischen Lösung von Rubeanwasserstoff zu baden - wenn man Kupfer nachweisen will - oder in einer wässerigen Lösung von kaliumferroczanid -zum Nachweis für Eisen. Dieee Art des nachträglichen Einbringens der Nachweisreagenzien hat eich für unsere Versuche aber nicht bewährt. Beim Baden in wässerigen Lösungen werden die eindiffundierten Metall.alze durch Rückdiffusion zum großen Teil wieder aus der Folie herausgelöst. Beim Baden in alkoholischen Lösungen wird den Folien ihr Glyzerin und auch ihr Wassergehalt entzogen, und mit dem extrahierten Wasser können auch die beim Abdruck eindiffundierten Metallsalze teilweiee wieder herausgewaschen werden. Hinzu kommt, daß Folien aus Polyvinylalkohol und aus Gelatine in Alkohol nicht quellbar sind, so daß es auch nicht gelingt, die im Alkohol gelösten Ferbreagenzien durch das Baden in die Folien einzubringen. Ein Fall, in dem ee uns sehr gut gelang, die gewünschten Nachweisreaktionen durch nachträgliches Einbringen des Reagenzes auszulösen, war der Nachweis mit Schwefelwasserstoff durch Fällung der Metallsalze in der Folie als Sulfide. Hierzu braucht man die Folie nur in eine Schwefelwasserstoff-haltige Atmosphäre einzulagern. Der gas- bzw. dampfförmige Schwefelwasserstoff diffundiert dann in die schwach feuchte Folie hinein und fällt die Metallsalze der Schwsfelwaseeretoffgruppe aus, von denen die meisten stark gefärbt sind.
  • Statt die Nachweisreagenzien nach Herstellung des Abdruckes in die Folien einzubringen, kann man auch versuchen, die Folien vor dem Ätzabdruck durch Baden in der entsprechenden Lösung mit dem Nachweisreagenz zu beladen. Um hierbei den Folien weder den Wasser- noch den Glyzeringehalt zu entziehen, müßte man hierzu aber Lösungen benutzen, die durch Mischen von Wasser, Glyzerin und gegebenenfalls Alkohol so hergestellt worden sind, daß sich darin auch noch das Nachweisreagenz löst. Schon diese Bedingung läßt sich schwer einhalten, aber selbst wenn man versucht, ohne Rücksicht auf den Glyzeringehalt die Folie nur in der wässerigen Lösung eines Nachweisreagenzes - zum Beispiel von Kaliumferrocyanid - durch Baden zu beladen, so gelingt es in der Regel nicht, hierbei genügende Mengen des Nachweisreagenzes in die Folie einzubringen. Die WaSsermenge, die in der dünnen Folie enthalten ist, müßte zwar in vielen Fällen ausreichen, um genügend Nachweisreagenz darin zu lösen, wovon man sich durch die folgende quantitative Betrachtung leicht überzeugt. Bei einem Flächengewicht von 12,5 mg Festsubstanz pro cm2 Folie und darauf bezogen 35 % Wassergehalt ergibt sich eine Wassermenge von knapp 5 mg Wasser pro cm2. In dieser Waseermenge konnten gut waererl4sliche Reagenzien, wie beispielsweise das Kaliumferrocyanid, in einer Menge von 1 bis 2 mg gelöst sein. Wie noch gezeigt werden soll, wäre diese Menge mehr als auereichend, um bei der Abdruckanalyse die gewünschte Farbreaktion in der Folie auszulösen. Trotzdem gelingt es auch nach mehrstündigem Baden einer Folie nicht, auf diese Weise nennenswerte Mengen des Nachweisreagenzes in die Folie einzubringen, Woran das liegt, haben wir nicht geklärt. Es kann sein, daß das Wasser, welches durch Quellung in die Folie eingedrungen ist, duroh die Wechselwirkung mit den Hydroxyl-Gruppen des Polyvinylalkohols bereits so weit abgesättigt ist, daß es nicht in der Lage ist, Metallsalze in derselben Weise zu lösen, wie das das freie Waoser kann. Andererseits ist es auch möglich, daß die sehr großen Moleküle des Kaliumferrocyanides (und auch anderer Nachweisreagenzien) nicht mehr in das gequollene Material hineindiffundieren können, weil sie durch das räumliche Netzwerk des Materials sterisch gehindert sind. nähere Untereuchungen hierzu wurden nicht durchgeführt.
  • Als gut durchführbar erwies sich die Methode, die Nachweisreagenzien gleich bei der Herstellung der Folie einzubringen.
  • Nach dem Auflösen des Polyvinylalkohols oder der Gelatine im heißen Wasser wurde also das Nachweisreagenz im gelösten Zustand - bei manchen Reagenzien mit dem Glyzerin gemischt -in die Lösungen durch Eintropfen (unter Tjmrühren) eingebracht.
  • Die dann dadurch Gießen und Bintrocknen dieser Lösung hergestellten Folien enthalten das Nachweisreagenz in ausreichender Menge und in feinster Verteilung, und sie sind durch ihren Glyzeringehalt auch in dem gewilnschten Maß wasserhaltig und dadurch gequollen.
  • Nach den Gesichtspunkten, die in den vorstehenden beiden ,Sapiteln als Richlinie für die Folienherstellung dargelegt wurden, haben wir einige Folien hergestellt, um damit wirklich Analysen im mikroskopisch kleinen Bereich auszuführen. Hierbei hat es sich gezeigt, daß für Jedes Sohichtmaterial - also Polyvinylalkohol und Gelatine - und auch für Jedes Nachweisreagenz Details im Herstellungsverfahren von Bedeutung sein können.
  • Deshalb eollen im folgenden für einige Folien die Einzelheiten der Herstellung genau beschrieben werden, und zwar wollen wir hierfür die Folien auswählen, mit denen die im folgenden beschriebenen Analysen durchgeführt werden. Aus der Beschreibung des relativ einfachen Ilerstellungsverfahrens und aus der Darlegung der Analysenergebnisse läßt sich dann die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Abdruckverfahrens leicht beurteilen.
  • Zunächst beschreiben wir die Herstellung und Anwendung von Folien aus Polyvinylalkohol mit Rubeanwasserstoff als Nachweisreagens. Rubeanwasserstoff ist ein sehr empfindliches Farbreagens auf eine ganze Reihe von Schwermetallen mit besonders intensiver charakteristischer Farbreaktion für Kupfer (grün), Nickel (blau), Kobalt (locker) Zur Herstellung der Folie benutzten wir olyvinylalkohol der firma Farbwerke Hoechst (Handelsname Moviol N 90-99 V). Hiervon mußte eine 5%-ige Lösung durch Auflösen in Wasser von 95 °C hergestellt werden. Damit dieses im Anlieferungszustand körnige Material beim Einbringen in das Wasser nicht verklebt, wurde das Fulver zunächst mit etwas Alkohol (in dem es nicht löslich oder quellbar ist) angeteigt. In diesem Zustand ließ es sioh in das Wasser ohne zu verklumpen einbringen und unter ständigem Rühren in einer halben Stunde zii einer homogenen lösung verrühren. Die so hergestellte Lösung blelbt auch nach dem Srkalten flüssig von leimiger ironsistenz, und sie wird erfahrungsgemäß noch homogener, wenn man sie dann zunächst ein bs s zwei Tage ruhig stehen läßt. Der Grund hierfür ist hier ohne Belang. Nach dieser 3tandzeit brachten wir dann das Glyzerin tropfenweise in die Lösung ein, und zwar unter langsamem Rühren, um eine homogene Verteilung zu gewahrleisten. Das Nachweisreagens, hier also der Rubeanwasserstoff, (der nur in Alkohol löslich ist), wurde zum Schluß eingebracht, und zwar wiederum durch langsames Zutropfen unter Umrühren der Lösung. Es wurden 35 mg Rubeanwasserstoff -in 20 ml Alkohol golöst- zugegeben. Versucht man größere Mengen Rubeanwasserstoff einzubringen, so besteht die Gefahr, daß er in der Lösung beim Eintrooknen ausfüllt.
  • Da sich der Alkohol beim Eintropfen in die wässerige PVA-Lösung sofort in die viel größere Menge des Wassers einmischt, ist auch für kleine Konzentrationen zu befürchten, daß der Rubeanwasserstoff hierbei ausflockt, weil er Ja in Wasser nicht löslich ißt. Diese Befürchtung hat sich indessen für Rubeanwasserstoff nicht bestätigt. Wenn man nämlich eine derartige Folie in einer verdünnten Kupfersalzlösung badet, aus der das Kupfersalz völlig gleichmäßig in die Folie eindringt, eo ergibt sioh auch eine völlig homogene Einfärbung der Folie, die auch unter dem Mikroskop bei ungefähr 400-facher Vergrößerung keine körnige oder flooklge Parbstruktur zeigt. Der Rubeanwasserotoff muß also aus der alkoholischen Lösung, in der er in die wässerige PVA-I,ösung eingetropft wurde, sehr gleiohmäßig übertragen worden sein und kann höchstens in submikroskopischer Verteilung ausgefallen sein.
  • Mit Folien dieser Art wurde ein Abdruck hergestellt. Andere nicht wasserlösliche Nachweisreagenzien lassen sich nicht in so einfacher Weise in homogener Verteilung einbringen, was wir Jetzt am Beispiel des Dimethylglyoxims zeigen wollen.
  • Dimethylglyoxim ist bekanntlich ein sehr spezifisches und empfindliches Reagenz auf Nickel [4]. und zwar liefert es mit Nickelsalzen eine charakteristische himbeerrote Färbung.
  • Wir versuchten, dieses Reagenz sowohl in Folien aus Polyvinylalkohbl als auch in Folien aus Gelatine einzubringen. Die letzteren erwiesen sich für das Dimethylglyoxim als die geeigneteren, und deshalb 8011 hier die Herstellung von Gelatinefolien mit Dimethylglyoxim beschrieben werden. slir benutzten wieder 5 g Trockensubstanz (also Gelatine), die in 100 ml Wasser von 60°C unter Umrühren gelöst wurde. Im Gegensatz zu der PVA-Lösung wird die Gelatinelösung bereits beim erkalten - also schon vor dem Austrocknen - zu einem Gel verfestigt.
  • Das Einbringen des Glyzerins und der alkoholischen Lösung des Dimethylglyoxims muß deshalb noch im warmen Zustand geschehen, natürlich unter Tjmrühren zur möglichst gleichmäßigen Verteilung. Die noch heiße Lösung kann dann s.E. wieder auf Glasplatten von 20 x 20 cm aröße ausgegossen werden, wo sie beim Erkalten zunächst gelartig eindickt und sich dann im Laufe von etwa 2 Tagen durch Eintrocknen zur Folie verfestigt.
  • Mit den so hergestellten folien erzielten wir zunächst keine günstigen Crgebnisse. Die damit von nickelhaltigen Bauteilen - zum Beispiel von integrierten Schaltungen - hergestellten Abdruckanalysen lieferten zwar an den Abdruckpunkten die charakteristische himbeerrote Färbung des Nickel-Dimethyl glyoxims, aber diese Farbaddrücke waren erstens recht schwach und zum anderen so körnig, daß sie zur Abbildung feiner Details - wie dünner Leitungen oder scharfer wanten - nicht geeignet waren. Wir vermuten, daß das schlechte Ergebnis durch Ausflocken des Dimethylglyoxims entsteht, wenn dessen alkoholische Lösung in die wässerige Gelatinelösung eingebracht wird.
  • Wir änderten deshalb das Herstellungsverfahren, um das grobflockige Ausfällen des Reagenzes bim Einbringen in die wässerige Gelatinelösung zu verhindern, derart, daß wir die alkoholische Lösung von 35 mg Dimethylglyoxim in 10 ml Alkohol zunächst in das Glyzerin (bei den Gelatineansätzen bis zu 10 ml Glyzerin pro 5 g Gelatine) eintropften. Hierin fällt das Dimethylglyoxim nicht aus, und wenn dann diese Mischlösung in die wässerige Gelatinelösung eingetropft wird, so tritt kein grobflockiges Ausfällen des Dimethylglyoxims ein, denn die so hergestellten Folien liefern beim Abdruck keine flockige oder griesige Eigenstruktur.
  • Mit Folien dieser Art wurden beispielsweise Nickelbleche unter.
  • sucht, auf denen eine Golschicht von 10 zum Dicke galvanisch abgeschieden war. Es sollte geprüft werden, ob die aufgebracht ten
    Goldsifizfrn
    Poren enthalten, die bis auf das Nickel hindurchgehen, so daß durch diese ohren hindurch Korrosionseffekte entstehen können. Mit einer einfachen, mikrolkopischen Betrachtung des Bleches läßt sich das nicht feststellen, weil die Poren in den seltensten Fällen gerade und senkrecht durch die Goldschicht hindurchgehen, so daß man in sie mit dem Mikroskop hineinsehen könnte. Umgekehrt erkennt man auf der Oberfläche solcher Goldschichten häufig Gruben, die aber keine durchgehenden Löcher darstellen. Hierbei wird es sich um 3tellen handin, bei denen die galvanische Abscheidung das Goldes zeitweise, aber nicht dauernd - etwa durch Staub oder kataphoretiach aufgeschleppte Fremdkörper - unterbroohen war.
  • Zur Durchführung der Analyse wurden die Bleche zunächst durch Abspülen sorgfältig gereinigt und dann abgetrocknet. In feinen Poren kann hierbei Wasser zurückgehalten worden sein, was für die Durchführung der Analyse nur vorteilhaft ist. Die Bleche wurden dann, wie vorher beschrieben, für 30 sec in eine Atzkammer eingebracht, in der sie trockenem Salpeternäuredampf ausgesetzt waren. Anschließend wurde die zuvor beschriebene Gelatinefolie mit Dimethylglyoxim als Nachweisreagenz gegen die zu untersuchende Oberfläche gepreßt. Nun kann man die Folie entweder nach etwa 10 seo Anpreßzeit von dem Blech abziehen und sie dann unter dem Mikroskop im Durchlicht betrachten. An den Stellen, an denen durchgehende Poren in der Goldschicht vorhanden waren, sind die Nickelsalze in die Folie eindiffundiert und haben die charakteristische Rotfärbung ausgelöst. Man kann aber die angepreßte Folie, die auf dem Blech schwach haftet, auch auf diesem belassen und sie unter dem Mikroskop im Auflioht betrachten. Man sieht dann durch die transparente Folie hindurch auf die Oberfläche des vergoldeten Bleches, auf dem man die vorher erwähnten nicht durchgehenden Poren als dunkle Gruben erkennen kann. An denjenigen Stellen sind aber deutlich rot gefärbte Flecken in der Gelatineschicht zu erkennen, an denen es sich um die Austrittetellen der durchgehenden Poren handelt, au. denen die Nickel korrosionsprodukte in die Folie hineindiffundiert sind.
  • Wir haben durch Wiederholung der soeben beechriebenen Abdruckanalysen feststellen können, daß an einer Stelie in Bezug auf Größe und gegenseitige Lage immer wieder dieeelben Flecken erscheinen. Es handelt sich also um reproduzierbare Ergebnisse und nicht um Flecken, die durch zufällig aufgeschleppte Verunreinigungen entstanden sind.
  • Bei den bisher beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Folien wurden die Lösungen des PVA bzw. der Gelatine mit den Nachweisreagenzien auf Glasplatten ausgegossen und dort eingetrocknet. Die dann abgezogenen Folien sind in sich feet genug und insoweit manipulierbar, daß man die beschriebenen Abdruckanalysen leicht durchführen kann. Sie sind aber doch noch etwas verziehbar. Wenn dadurch das Bild bei ungeschicktem Manipulieren etwas eineeitig gedehnt oder im Winkel verschoben wird, so stört das die Erkennbarkeit der Details nicht, weil diese Verzerrungen im mikroskopisch kleinen Bereich klein von höherer Ordnung sind und die Orientierung und Vermaßung durch Vergleiche mit dem Bild des Original immer möglich sind. Es gibt indessen auch Fälle, in denen der gefertigte Abdruck auch über einen großen Flächenbereich hinweg das genau und exakt maßhaltige Abbild des Originals wiedergeben soll. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, wenn die Abdruckfolie auf einer inerten (d.h. hier: im Glyzerin/Wassergemisch nicht quellbaren) Trägerfolle aufgebracht ist. Zur Heretellung solcher Folien gießt man die Lösungen des Polyvinylalkohols bzw. der Gelatine mit den Nachweisreagenzien nicht auf Glasplatten, sondern auf die Trägerfolie, wozu die chemisch sehr beständigen Polyesterfolien geeignet sind. Wir benutzten olyesterfolien' die uns eine Firma freundlicherwsise überlassen hatte und die dort zuvor noch mit einem Haftvermittler beschichtet waren, weil eich ergeben hatte, daß sonst die aufgegossenen Abdruckfolien nicht auf der Trägerfolle haften. Diese Folienkombination ist dank der steifen Trägerfolie noch leichter zu manipulieren als die zuvor beschriebenen Abdruckiolien ohne Trägers Man kann im Bedarfsfall auf diese Weise auch extrem dünne Abdruckschichten auf die Trägerfolie aufbringen, mit denen sich ohne einen festen Träger nicht mehr bequem arbeiten ließe.
  • Bei allen Abdruckanalysen muß man die Metalle, die man nachweisen möchte, zunächst in wasserlösliche Salze überführen, und wir haben gezeigt, daß dies ohne Vermischen der Konturen dadurch möglich ist, daß man sie mit trockenen Säuredämpfen anätzt. In anderer Weise gelingt es auf elektrolytischem Wege Spuren des nachzuweisenden Metalles in Salze zu überführen und diese sogleich in die Folien zu übernehmen. Hierzu benutzten wir Folien, in die außer dem Nachweisreagenz noch ein Salz eingebracht war, welches mit dem Nachweisreagenz selbst keine Färbung liefert. Wir benutzten beispielsweise Folien mit Rubeanwasserstoff als Nachweisreagenz, in welche pro Ansatz 100 mg KN03 oder LiCl (das sind 0,25 mg/cm²) els Elektrolysezusstz eingebracht worden waren. Diese Menge ist unkritisch, d.h. man kann auch mehr oder weniger nehmen. Diese Folien wurden zur Herstellung einer Abdruckanalyse auf die zu untersuchende aber nicht vorgeätzte Probe aufgelegt, und auf diese Folie wurde dann ein dünnes Goldblech eo aufgelegt, daß es über der zu untersuchenden Fläche auflag, Jedoch keinen Kontakt zur Probe hatte. Die Folie war also durch die Probe und das Goldblech von beiden Seiten metallisch belegt, so daß man diese Kombination als elektrolytische Zelle betrachten kann. Ei wurde an die Probe positive und an das Goldblech.
  • negative Spannung angelegt. Wegen des in die Folie eingebrachten Elektrolyten (Kaliumnitrat bzw. Lithiumchlorid) wandern dann die Kationen KT oder Li+ zur Kathode, also zum Goldblech, auf das sie nicht einwirken können, während die Anionen 103 oder Cl- zur Probe wandern, um dort die zu analysierenden Metalle ins Nitrat oder ins Chlorid zu überführen. Die so gebildeten Salze werden an Ort und Stelle von der gequollenen Folie aufgenommen und rufen mit dem in ihr enthaltenen Farbreagenz den konturenscharfen Abdruck hervor. Das Verfahren bietet einige einfache Möglichkeiten, um die Analyse auf bestimmte Teile der untereuchten Fläche zu beschränken bzw. um Teile von der Untersuchung auszuschließen. Wenn nämlich die Probe aus mehreren metallischen Flächen besteht, die auf einem Isolierkörper (Substrat) aufgebracht sind, die untereinander aber eine galvanische Verbindung besitzen, dann findet die Elektrolyse nur zu den Flächenelementen statt, die bei der Durchführung der oben beschriebenen Elektrolyee an die Spannungsquelle angeschlossen waren. Zu nicht angeschlossenen Flächenelementen fließt kein Strom, folglich werden diese nicht elektrolytisch angegriffen und damit auch nicht abgebildet.
  • Als augenfälliges Beispiel hierfür hatten wir den elektrolytischen Abdruck einer kupferkaschierten Kunststoffplatte, in die nach hier unwesentlichen, bekannten Verfahren eine Schrift mit einem Buchstaben "a" eingeätzt war. Ein Abdruck nach einem nichtelektrolytischen Verfahren zeigte die ieolierte Insel des Buchatabens mit auf, wogegen diese Insel bei dem elektrolytischen Verfahren infolge des fehlenden Stromdurchganges nicht wiedergegeben war.
  • Bei elektrolytischen Abdrucken hat man also die Möglichkeit, die Elektrolyse auf einzelne Teile der Schaltung oder des Gerätes zu beschränken bzw. kann man andere Teile aueschließen, allerdings nur dann, wenn das im Abdruck zu untersuchende Gebiet aus Metallteilen besteht, die untereinander keine galvanische Verbindung besitzen. Von diesen Schaltungen erhält man dann im Abdruck jeweils nur den Metallteil, der bei dieser Analyse Kontakt zur Stromquelle hat.
  • Diesem Mangel kann jedoch auch dadurch abgehoben werden, daß die Gegenelektrode entsprechend begrenzt wird, wobei die elektrolytische Schicht dann jedoch dünn, d.h. in der Querrichtung hochohmig, ausgebildet sein sollte.
  • Ein anderes Anwendung.gebiet, für das sich das elektrolytieehe Abdruckverfahren besonders gut eignet, ist der Nachweis feinster Risse in dünnen Oberflächenschichten wie beispielsweise in galvanischen Deckschichten. Wir untersuchten nach dem elektrolytischen Verfahren die bereits erwähnten Nickelbleche, auf die eine 10 um etarke Goldschicht galvanisch aufgebracht worden war. Ee sollte untersucht werden, ob die aufgebrachten Goldschichten beim Biegen der Bleche Risse bekommen. Zu diesem Zweck wurden die 0,5 mm dicken Bleche über einem Rundstab von 10 mm Durchmesser gebogen und danach wieder gerade gerichtet. Um nun fentsustellen, ob eich bei der Biegebeanspruchung Risse in der Golddeckschicht gebildet haben, wurde eine Folie auf die zu untersuchende Fläche aufgelegt, und zwar benutzten wir Gelatinefolien, in welche Glyzerin (als hygroskopische Substanz), Bsliumnitrat (als Elektrolyt) und Dimethylglyoxim (als spezifisches Reagenz auf Nickel) eingebracht waren.
  • Auf diese Folie wurde dann ein massives Goldblech als Gegenelektrode aufgelegt, welches bei der Elektrolyse als Kathode diente, während des zu untersuchende Blech als Anode geschaltet war. An die so gebildete elektrolytische Zelle wurde eine Spannung von 2 V angelegt. Schaltet man diese relativ niedere Spannung nur kurzzeitig, d.h. etwa 1 - 2 Minuten, so erhält man (der Wirklichkeit entsprechend) sehr schmale rote Streifen, die beweisen, daß sich in der Goldschicht tatsächlich schmale bis auf den Nickelgrund reichende Risse gebildet haben. Die elektrolytische Korrosion greift durch die Risse hindurch die Nickelgrundschicht an und fördert die Nickelionen aus den dühnen Spalten heraus in die Folie, in der sich das rote Nickel-Dimethylglyoxim bildet.
  • Auffälligere, aber das auch grobere Hinweise auf das Vorhandensein der Risse erhält ian, wenn man die Elektrolyee längere Zeit (z. B. 20 Minuten) oder mit höherer Spannung (z. B. 10 V) und dadurch mit höherer Stromstärke durchführt. Man erhält dann Abdrücke mit verwaschenen breiten Streifen und noch einzelnen scharfen schmalen Linien. Die verwaschenen breiten Streifen bilden sich hierbei über den breiten Rissen, aus denen infolge der forcierten Elektrolyse mehr Nickelionen in die Folie eintreten, als in dem schmalen Streifen durch das darin befindliche Nachweireagenz gebunden werden können. Die überschüssigen Ionen können eich dann in der Folie durch Diffusion verbreitern und mit dem Dimethylglyoxim in der Nachbarschaft reagieren, wodurch das Bild verwasohen wird. Bei dieser Elektrolyse bleiben deshalb nur die schmalsten Streifen, aus denen sehr wenig Nickelionen austreten können, wirklichkeitsgetreu scharf abgebildet.
  • Das gleiche Verfahren läßt sich aus anwenden, um Lackschichten auf Risse zu prüfen. Nicht quellende, dichte Lackschichten müssen die Elektrolyse naturgemäß verhindern.
  • Nur durch Risse und Löcher hindurch kann die elektrolytische Korrosion das Grundmetall angreifen und einen Parbabdruck der Fehletellen in der Folie erzeugen.
  • Wie in der Einleitung beschrieben, besteht für den Nachrichtentechniker auch der Wunsch, die miniaturisierten integrierten Schaltungen von Verstärkern und dergleichen chemisch untersuchen zu können 4 5,6 7. Als Beispiel untereuchten wir mit Hilfe des Abdruckverfahrens eine Schaltung.
  • Hier sind auf eine Glasplatte Chromnickel und Goldschichten aufgedampft. Die Chromnickelschichten dienen hierbei als elektrieche Widerstände, und um den gewünschten relativ hohen Wert des elektrischen Widerstandes erreichen zu können, mußten die Widerstandaschichten nach Angaben des Herstellers bei 200 Angström Dicke gehalten werden. Diese Metallschicht ist eo dünn, daß man durch sie wie durch das gefärbte Glas einer schwachen Sonnenbrille hindurchsehen kann.
  • Die verbindenden Leiterbahnen zwischen diesen WiderBtandoschichten bestehen aus Gold, das aber auf eine zuvor ebenfalls aufgedampfte Schicht aus Chrom/Nickel aufgebracht ist, um die nötige Haftfestigkeit gegen das Glas zu erreichen.
  • Von dieser integrierten Schaltung wurde ein Abdruck nach dem Elektrolyseverfahren hergestellt, und zwar bei 2 Volt Spannung und 2 Minuten Dauer. Als Folien dienten Folien aus Polyvinylalkohol mit Kaliumnitrat als Elektrolyt. Der Nickelanteil ergibt mit dem Rubeanwasserstoff eine blaue sehr konturenecharfe Färbung in der Folie. Gold und Chrom liefern hierbei keine Farbreaktion. Der Abdruck zeigt einen sehr schmalen vom Nickel gefärbten Streifen. Durch Vergleiche mit dem Original ergibt sich, daß hier die Chromnickelschicht, auf welche die dort befindliche Goldsehleht aufgebracht wurde, etwas breiter ist, eo daß diese em Rande unter der Goldschicht herausragt. Man kann das durch Betrachten des Originals natürlich auch direkt sehen, aber ohne die Analyse hätte man nicht wissen können, daß diese Haftschicht aus demselben Material besteht wie die Widerstandssohicht.
  • Bei der Herstellung elektrolytischer Abdrücke liegt es nahe, auch durch Vaxitionen der angelegten elektrischen Spannung eine analytische Trennung verschiedener Metalle zu erreichen, und zwar auch dann, wenn diese Metalle galvanisch miteinander verbunden sind. Die Metalle der zu untersuchenden Schaltung auf der einen Seite der Folie und das Goldblech auf der anderen Seite bilden mit der Feuchtigkeit der Folie und dem darin eingebrachten Elektrolyten (z. B. dem Kaliumnitrat) ein galvanisches Element. Die EMI dieter Elemente ist zwar noch abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt der Folie und von der Art des Elektrolyten, der spezifisch wirken kann, aber eie ist in jedem Fall für die einzelnen Metalle der Schaltung verschieden groß. Legt man also an die miteinander verbundenen Metalle der zu untersuchenden Schaltung eine äußere Spannung an, die gerade gleich der EMK gegen ein der zu untereuchenden Metalle ist, eo wird über dieses Lokalelement kein Strom fließen, weil sich äußere Spannung und Gegen-EMK kompensieren. gegen wird der Strom in der gewünschten Richtung von Anode nach Kathode über die Lokalelemente fließen, deren EMK kleiner ist als die von außen angelegte Spannung. Somit besteht theoretisch die Möglichkeit, durch Variation der äußeren Spannung di Metalle in der Reihenfolge der von ihnen erzeugten EMK's von der Analyse auszuschließen. In der Praxis hat sich gezeigt, daß es nicht ganz einfach ist, diese Möglichkeit als analytisches Trennverfahren auszunutzen.
  • Wir haben deshalb die elektrischen Eingenschaften der ao gebildeten Lokalelemente näher untersucht. Zu liesem Zweck legten wir auf elektrisch miteinander verbundene Metallstreifen aus Silber, Kupfer wad Nickel eine durch ihren Glyzeringehalt schwach feuchte Folien in die nur Kaliumnitrat als Elektrolyt eingebracht war. Als Gegenelektrode benutzten wir einen Goldstift, der an der Spitze verrundet war, eo daß er etwa eine Halbkugel von C,5 mm Durchmesser bildete. Mit diesem Stift tasteten wir die Oberflache der Folie ab. Naturgemäß vorsichtig, um die Folie mechanisch nicht zu verletzen. Die EMK, die dann zwischen der Goldspitze und dem darunterliegenden Metall - also dem Silber, Kupfer oder Nickel - besteht, wurde gemessen, ünd zwar mit Hilfe eines Schwingkondensatorverstärkers, dessen Eingangsimpedanz mehr als 1012 Ohm betrug, so daß alco-das winzige Lokalelement durch diese Spannungsmessung nicht belastet wurde. Wir erhielten etwa 180 mV gegen Silber, 80 mV gegen Kupfer und 20 mV gegen Nickel jeweils gegen den Goldstift als Gegenelektrode.
  • Wir ermittelten einen Innenwiderstand des Lokalelementes in einer Größenordnung von 108 Ohm. dieser Innenwiderstand ist natürlich abhängig von der Größe der 3erührungsfläche, mit der der Goldstift auf der Folie aufliegt. Die Größe dieser Pläche brauchen wir aber für die folgende Betrachtung nicht zu wissen, da es une nur auf einen Vergleich zweier Widerstände ankommt, wobei beide Male auf dieselbe Fläche bezogen wird. Es interessierte uns nämlich noch der Widerstand, den die Folie einem Strom entgegensetzt, der durch eine größere äußere Spannung zwischen dem Goldatift und der Gegenelektrode erzeugt wird. Unter größerer Spannung veretehen wir hierbei eine Spannung, die deutlich größer ist als die zuvor besprochene EMK des Lokalelemente, die also beispielsweise einige Volt beträgt. In diesem Pall wird also der Strom durch die Folie nicht mehr merklich abhängig von der EMK des Lokalelemente., sondern iet nur noch von der angelegten Fremdspannung und dem Widerstand der Folie beetimmt, Um diesen Widerstand zu bestimmen, wurde der Strom gemessen, der durch die Folie fließt, wenn eine äußere Spannung von 2 Volt angelegt ist. Aus der gemeeeenen Stromstärke von 0,7 µA errechnet sich ein Widerstand von 3 x 106 Ohm. Man sieht also, daß der Innenwiderstand des Lokalelementes und der Widerstand der Folie gegen einen von außen aufgezwungenen Strom nicht identisch sind, sondern daß sie um fast 2 Zehnerpotenzen gegeneinander differieren.
  • Die Stromdichten, die man erreichen würde, wenn man mit so kleinen Spannungen arbeiten würde, daß sie den EMK's der Lokalelemente entsprechen, sind wegen des hohen Innenwiderstandes dieser Lokalelemente eo klein, daß man für die Herstellung der elektrolytischen Abdrücke zu lange Zeit brauchen würde. Arbeitet man aber mit größeren Spannungen, um im Bereich des kleineren Folienwiderstandee damit zu höheren Stromdichten zu gelangen, dann sind die Gegen-EM['s der Lokalelemente so unbedeutend, daß ihre Wirkung vernachlässigbar klein ist. Man kann also die verschiedenen EMK's der einzelnen Lokalelemente auf diese Weise kaum ausnutzen, um eine analytische Trennung durch verschieden große elektrische Zersetzungsspannungen der einzelnen Metalle zu erreichen.
  • Der hohe Innenwiderstand, den die Folien auswerfen, solange man mit eo kleinen Spannungen mißt, wie sie den EMK's der Lokalelemente entsprechen, dürfte durch die Polarisationseffekte erzeugt werden, und zwar in der Hauptsache durch die Konzentrationspolarisation. Während der Elektrolyse bilden sich an der Kathode KOH und an der Anode die Nitrate der zersetzten Metalle, und diese Salze bleiben zunächst nahe den Elektroden im Wasser gelöst, von wo aus diese sich erst dann durch Diffusion gleichmäßig in die gesamte Flüssigkeit der elektrolytischen Zelle verteilen können. In den Folien ist die Diffusion jedoch stark behindert, so daß hier die Polarisation nur sehr langsam abgebaut werden kann. Versuche mit Depolarisatoren wurden jedoch vorerst nicht angestellt.
  • In den vorstehenden Absätzen hatten wir die beiden Abdrucktechniken beschrieben, nämlich das Ätzverfahren und das elektrolytische Verfahren. In diesem Abschnitt soll untersucht werden, welche Nachweisempfindlichkeiten bei unserem Abdruckverfahren zu erwarten sind, wenn man davon ausgeht, daß die von uns benutzten Nachweisreagenzien in den Folien die gleiche Farbintensität liefern, wie sie bei der üblichen Kolorimetrie in den Küvetten mit der entsprehenden Menge den nachzuweisenden Metalles auftreten. In der Kol:isetrie benutst man bekanntlich Küvetten mit beispielsweise 1 cm Lichtweg und 5 cm² lichtem Querschnitt. Für die zu kolorimetrierende Lösung steht also ein Volumen von etwa 5 cm³ zur Verfügung, und man erhält bei der Benutzung dieser Küvetten für die meisten kolorimetrischen Reaktionen noch gut auswertbare Farbintensitäten, wenn in dieser Lösung von 5 cm³ ein Gamma oder mehr des nachzuweisenden Metalles enthalten ist. Nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz müßte dieeelbe Färbung euftreten, wenn die gleiche Substanzmenge in einer Küvette von gleichem lichtem Querschnitt, aber geringerer Dicke enthalten wäre. In der dünneren Küvette hätte man aleo eine höher konzentrierte Lösung, aber einen kürzeren Lichtweg, denn nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz bleibt die Farbintensität konstant, solange das Produkt aus Konzentration und Lichtweglänge konstant #7-2#. Es kommt also nur darauf an, wieviel Substanz über 1 cm² Querschnitt vorhanden ist, und wenn das Lembert-Beer'sche Gesetz mit den fUr wässerige Lösungen gültigen Werten auch auf unsere Folien anwendbar ist, so müßten diese noch deutliche Farbreaktionen liefern, wenn Abdrücke hergestellt werden, bei denen eine Flächenbelegung von 0,2 Gamma pro cm2 nachzuweisende Substanz übernommen wird. Aus dieser Betrachtungsweise ergibt sich, daß mit den Abdruckanalysen sehr geringe Substanzmengen nachgewiesen Werden können, ohne daß diese in einem Reaktionsgefäß stark verdünnt werden müssen. Die Konzentrationen, die beim Abdruckverfahren die Farbreaktionen auslösen, sind trotz der geringen Substanzmenge relativ groß, weil das Volumen des Abdruckfleckes sehr klein ist. Da man außerdem in den konturenscharfen Abdräcken noch Bereiche von 10 x 10 lum oder noch kleiner - also Bereiche mit einer Fläche von 10-6cm² - im Mikroskop kolorimetrisch auswerten kann, so ergibt sich, daß man noch Substanzmengen in der Größenordnung von 0,2 s 10-12g nachweisen kann, vorauogesetzt, daß diese auf einem kleinen Bereich von 10 x 10 µm vorliegen.
  • Um zunächst nachzuweisen, ob man in den Folien aus Gelatine oder aus PVA etwa dieselben Farbintensitäten erhält, wie sie unter Berücksichtigung des Lambert-Beer'schen Gesetzes für wässerige Lösungen zu erwarten sind, verglichen wir zunächst die farbintensitäten von wässerigen Lösungen und von Lösungen mit Polyvinylalkohol oder Gelatine, wie wir sie für die Folienherstellung benutzten. Es wurde einmal in Wasser, das andere Mal in die für die Fertigung der Folie benutzte Lösung als Nachweisreagenz Rubeanwasserstoff und als nachzuweisende Substanz ein Kupfersalz eingebracht, und zwar in einer Konzentration von 0,4 mg Kupfer äquivalent auf 100 cm³ Lösung. 0,4 mg Substanz (entspricht 400 Gamma) wurden gewählt, weil die Polyvinylalkohollösung zur Herstellung der Folie dann auf eine Platte von 20 x 20 cm ausgegossen werden sollte, so daß dann pro cm2 Querachnitt f Gamma des eingebrachten Kupfersalzes vorhanden sein muß Beim Vergleich der wässerigen tötung mit der Polyvtnyialkohollösung konnte zunächst durch einfachen visuellen Vergleich festgestellt werden, daß der Rubeanwasserstoff mit dem eingebrachten Kupfersalz in beiden Fällen dieselbe Farbintensität (natürlich bei gleichem Lichtwege erzeugt hatte. Sodann wurde die durch die Reaktion griln gefärbte Polyvinylalkohollösung auf die Glasplatte von 20 x 20 cm ausgegossen und dort zur Folie eingetrocknet. Die Farbintensität dieser Folie wurde dann wieder verglichen mit der Farbintensität der wässerigen Lösung, die ebenfalls auf eine Fläche von 20 x 20 cm ausgegossen war. Wiederum war kein merklicher Unterachied in der Farbintensität bei Betrachtung der beiden Flächen im Durchlicht festzustellen. Hieraus ergibt sich also, daß die Nachweisempfindlichkeit der kolorimetrischen Farbreaktion durch das Polienmaterial und auch durch das Eintrocknen der Lösung nicht wesentlich verändert wird. Im Gegenteil konnten wir sogar finden, daß beim Nachweis einiger Substanzen die Farbreaktionen durch den Zusatz des folienbildenden Materials, also durch den Zusatz von Polyvinylalkohol bzw. von Gelatine, verstärkt werden, und zwar sowohl in der Lösung als auch nach dem Eintrocknen der Lösung zu einer Folie. Besonders deutlich war der Effekt beim Nachweis von Kobalt mit Rubeanwasserstoff. Die spezifische Gelbfärbung war hierbei mindestens um den Faktor 10 intensiver, wsnn man die kolorimetrische Reaktion nicht in wässeriger Lösung ausführt, sondern in einer Lösung von Gelatine oder Polyvinylalkohol.
  • Wir nehmen an, daß diese Verstärkung der Farbintensität dadurch eintritt, daß der wasserunlösliche Farbkomplex, welcher in kolloidaler Verteilung ausfällt, in der Gelatine-oder Polyvinylalkohollösung noch feinkörniger ausfällt.
  • Hierdurch werden zwar kleinere, aber wesentlich mehr Farbträger gebildet.
  • Die oben beschriebenen rein visuellen Intensitätavergeiche gefügten, um zu prüfen, ob für die Farbreaktionen bei der Abdruckanalyse die gleichen Empfindlichkeiten zu erwarten sind, wie eie für die Farbreagenzien in der üblichen Kolorimetrie bekannt sind. Dieee Erwartung hat sich also bestätigt. Für manche Farbreaktionen ist sogar eine Steigerung der Empfindlichkeit mit dem bloßen Auge erkennbar.
  • Der durch die Einwirkung des PVA oder der Gelatine sowohl in der Lösung als auch in der Folie auf die gebildeten Farbstoffe ausgeübte Einfluß wird natürlich noch deutlicher, wenn man die erhaltenen Farblösungen spektralphotometrisch vergleicht. Man erkennt dann, daß der Einfluß nicht nur die Farbintensität, sondern auch die spektrale Farbverteilung verändert.
  • Hierzu wurden spektralphotometrische Untersuchungen im Bereich des sichtbaren Spektrums angestellt. Es wurde ein Photometer benutzt, das zwar nicht beeondere für die Auswertung mikroskopisch kleiner Bereiche geeignet ist, doch war das im vorliegenden Falle auch nicht nötig, weil die zu meeeende Färbung der Folie nach Intensität und spektraler Verteilung von der Größe der untersuchten Fläche unabhängig iet. Wir haben also für diese Untersuchungen Folien von einigen Quadratzentimetern Größe gleichmäßig eingefärbt.
  • Die damit gewonnenen Erkenntnisse gelten natürlich auch für mikroskopisch kleine Bereiche der Folie. Zur Untersuehung kleiner Details in den Abdruckfolien muß man dann allerdings ein Mikroskop-Photometer benutzen. Solche Geräte gibt ee glücklicherweise bereite seit einigen Jahren, so daß man die photometrische Meßtechnik auch in die mikroskopischen Details der Abdruckfolien übertragen kann.
  • Bei unseren Untersuchungen von großflächig eingefärbten Folien gegen Löeungen in Küvetten wurden die Färbungen, die Rubeanwasserstoff mit Kupferionen (grün), Nickelionen (blau) und Kobaltionen (gelb) erzeugen, verglichen, und zwar wenn man diese Färbungen einmal in wässeriger Löeung, zum anderen in einer PVA-Lösung und zum dritten in einer PVA-Folie untersucht. Da die Färbungen in der wässerigen Lösung einerseits und in der Folie andererseits nur mit annähernd gleichen Metallsalzmengen erzeugt wurden, so ist die Farbintensität - also der Durchlaßgrad - nicht direkt vergleichbar. Der Intensitätsverlauf müßte aber für jedes Metallion einander ähnlich sein, insbesondere müßten die Maxima und Minima bei den gleichen Wellenlängen auftreten, wenn das PVA auf die spektrale Verteilung des gebildeten Farbstoffes keinen Einfluß hätte. Das ist jedoch nicht der Ball. Es ergeben sich deutliche Verschiebungen in der spektralen Farbverteilung.
  • Hingegen blieben solche Farbverschiebungen aus, wenn wir die bei Folien erz heilten Intensitätsverläufe gegen solche verglichen, die nicht mit reinen wässerigen Lösungen, sondern mit PVA-haltigen wässerigen Lösungen hergestellt waren. Hier decken sich die Intensitätsverläufe der PVA-Lösung mit denen der PVA-Folie. Die Beeinflussung der gebildeten Farbstoffe wird also nicht durch den höheren Wassergehalt der Lösungen erreicht, sondern nur durch den PVA-Gehalt verursacht, unabhängig davon, ob das PVA in Lösung vorliegt oder ob es zur Folie eingedickt worden ist.
  • Untereucht man eine Legierung aus zum Beispiel zwei Metallen wie Kupfer und Nickel mit einem Farbreagenz, das für beide Legierungakomponenten eine Färbung liefert, wie beispielsweise der Rubeanwasserstoff, so wird die Folie in einer Mischfarbe gefärbt, die je nach den Konzentrationaverhältnissen von den beiden Farbkomponenten anteilig überlagert ist. Für viele Farbstoffe kann man hierbei voraussetzen, daß sich die beiden Farben ungestört überlagern, also so, als wären die Farbstoffe in zwei übereinanderliegende Folien getrennt gelagert. In dieeen Fällen kann man die Farbmessung mittele des Spektralphotometers nach den aus der Kolorimetrie bekannten Methoden bei zwei verschiedenen Wellenlängen ausführen, um aus den Meßwerten die Intensität der einzelnen Komponenten rechnerisch zu bestimmen. Hierzu wählt man zweckmäßigerweise die beiden Wellenlängen eo aus, daß bei der einen Wellenlänge die Parbkomponente a eine große und die Komponente b eine kleine Absorption besitzt und die andere Wellenlänge so, daß die Verhältnisse gerade umgekehrt sind. In jedem Falle wird man eich Jedoch überzeugen müssen, ob die ungestörte Überlagerung der Farbkomponenten für den vorliegenden Fall auch wirklich zutrifft; man wird also Eichmessungen mit Standardlösungen durchführen müssen. Sicherer arbeitet man aus diesem Grund mit Farbreagenzien, die nur für ein Metallion eine Farbreaktion liefern. Man kann die Ätzreaktion auch eo leiten, daß nur eine der Legierungslomponenten wasserlösliche Metallsalze liefert. Ätzt man zum Beiepiel eine Aluminium/Silber-Legierung mit Salzsäure an, eo kann nur das wasserlösliche Aluminiumchlorid von der Folie aufgenommen werden, weil eventuell gebildetes Silberchlorid wseesrunlöolich iet.
  • Mit den im vorstehenden beschriebenen Versuchen haben wir dargelegt, daß sich mit dem Folienabdruckverfahren sehr gut Analysen im mikroskopisch kleinen Bereich durchführen laeeen. Uneere Versuche reichen allerdings nur aus, um die Brauchbarkeit des Verfahrens an eich zu belegen. Rezepturen für alle nur denkbaren Anwendungsfälle können wir also nicht liefern. Bei den komplexen Verhältnissen, wie eie sich bei der Anwendung des Abdruckverfahrens auf die Mannigfaltigkeit der in der Praxis auftretenden Forderungen ergeben, dürfte ee auch unmöglich sein, ähnlich dem "großen Analysengang" ein starres Schema auszuerbelten. In den meisten Fällen hat man vor der Ausführung der Abdruckanalyee auch schon Vorkenntnisse, aus denen man folgern kann, nach welchen Substanzen man suchen muß und welche Komponenten den beabsichtigten Nachweis stöten könnten. diesen von Fail zu Fal völlig verschliedenen Ausgangsbedingungen kann man also nicht durch starre Rezepturen Rechnung tragen, sondern es wird hier nötig sein, sich durch chemische Überlegungen das jeweils passende Verfahren auszudenken.
  • Je mehr Standardreaktionen für das Abdruckverfahren bekannt werden, um so leichter wird für die praktische Anwendung das Verfahrens auch die Auswahl der jeweils anzuwendenden Nachweistechnik werden. wer ware deshalb wünshendenswert, wenn möglichst viele und dabei auch spezifische für die Abdrucktechnik verwendbare Farbreaktionen beschrieben wurden,

Claims (22)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren sur chemischen Abdruckanelyee bevorzugt im mikroskopisch kleinen Bereich mit Nachweis durch Färbungs- oder Schwärzungareaktionen, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t , daß durch chemische oder elektrolytische Reaktionen auf einem Objekt Reaktionsprodukte erzeugt werden, die zwar löslich, aber mangels eines flüssigen Lösungsmittels zunächst ungelöst am Bildungsort verbleiben, von wo aus Spuren dleeerR aktionBprodukte in eine gegen das Objekt gedrückte, mit einem Lösungsmittel gequollene, strukturlose Schicht eindiffundieren können, in der sie mit eingebrachten Reagenzien spezifische Nechweisreaktionen, z. B. Farb- oder Schwärzungereaktionen, auslösen können, wobei Art und Menge der verwendeten Mittel der gequollenen Schicht derart zu wählen sind, daß ein Abbild des Objektes entsteht, das die örtliche Verteilung der Reaktionsprodukte auf der untersuchten Oberfläche in hoher Auflösung erkennen läßt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gequollene Schicht als praktisch strukturlose Folie ausgebildet ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweisreagens mit den abgenommenen Reaktionsprodukten eine in der gequollenen Schicht unlösliche Verbindung eingeht.
  4. 4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gleichzeitigen Anwesenheit einer Mehrzahl von verschiedenen Reaktionsprodukten Lösungsmittel verwendet werden, die nur für eines oder einen Teil der Reaktionsprodukte als Lösungsmittel wirken.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Elektrolyse Teile des zu untereuchenden Objektes oder der Reaktionsprodukte auf oder in die Schicht übergeführt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch gesteuerte Elektrolyee eine selektive Probenentnahme vorgenommen wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswahl des Elektrolyten eine selektive Probenentnahme vorgenommen wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisreagenzien nach dem Abnehmen der Reaktionsprodukte auf die Schicht mit den Reaktionsprodukten aufgebracht werden.
  9. 9. Folie für ein Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mindestens zu einem Teil aus einem praktisch strukturlosen, quellbaren Mittel besteht, wobei eine gequollene Schicht dieses Mittels derart elastisch und in sich verbunden ist, daß von einem Objekt abgenommene Reaktionsprodukte auf der Folie die örtliche Verteilung der Reaktionsprodukte auf dem Objekt in hoher Auflösung erkennen lassen.
  10. 10. Folie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie transparent ist,
  11. 11. Folie nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die quellbare oder gequollene Schicht auf einer geeigneten Trägerfolie aufgebracht ist.
  12. 12. Folie nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Wasser quellbares Mittel verwendet wird.
  13. 13. Folie nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem gequollenen Mittel in homogener Verteilung Naehweisrengenzien eingebracht sind, die einen Nachweis qualitativer oder quantitativer Art für die abgenommenen Reaktionsprodukte erlauben.
  14. 14. Folie nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das quellbare'Mittel Zusätze enthält, die bewirken, daß bei vorgegebenem Klima die Eigenfeuchtigkeit der gequollenen Schicht in den jeweils erforderlichen Grenzen stabilisiert wird.
  15. 15. Folie nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Gelatine besteht.
  16. 16. Folie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelatine vorzugsweise Dimethylglyoxim als Naehweiereegene enthält.
  17. 17. Folie nach einem der Ansprüche 12bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Polyvinylalkohol besteht.
  18. 18. Folie für ein Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gequollene Schicht einen geeigneten, nicht störenden Elektrolyten enthält.
  19. 19. Folie nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mit einer geeigneten niederohmigen Gegenelektrode versehen ist.
  20. 20. Folie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode in ihren Konturen einem zu untereuchenden Bereich angepaßt ist.
  21. 21. Verfahren zum Herstellen einer Folie nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 2d, dadurch gekennzeichnet, daß leicht ausfällende, nicht wasserlösliche Nachweisreagenzien in alkoholischer Lösung zusammen mit Glyzerin in wässerige Lösungen quellbarer Mittel, wie z. B. Gelatine oder Polyvinylalkohol, eingebracht werden.
  22. 22. Verfahren zum Heratellen einer Folie nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in bekannter Weise eine homogene Lösung von Polyvinylalkohol in Wasser hergestellt wird, in die tropfenweise Glyzerin, vorteilhaft bereits versetzt mit einer alkoholischen Rubeanwasserstoff-Lösung begrenzter Konzentration, eingerührt wird, wonach diese homogene Lösung eingedickt und zu einer Folie verarbeitet wird.
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