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Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen einer Probenflüssigkeit
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in feiner Verteilung in eine Anregungsquelle für spektroskopische
Zwecke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Probenflüssigkeit
in feiner Verteilung in eine Anregungsquelle für spektroskopische Zwecke, bei welchem
(a) die Probenflüssigkeit mit einem Gasstrom zusammengeführt und dabei zu einem
Flüssigkeitsnebel zerstäubt wird und (b) dieser Flüssigkeitsnebel in die Anregungsquelle
transportiert wird.
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Bei der Atomabsorptions-Spektroskopie wird ein Meßlichtbündel von
einer Lichtquelle benutzt, die das Linienspektrum eines gesuchten Elements emittiert.
Eine zu untersuchende Probenflüssigkeit wird mittels eines Zerstäubers als feiner
Nebel in eine Flamme eingesprüht, die von dem Meßlichtbündel durchsetzt wird. In
dieser Flamme werden die Tröpfchen verdampft und die festen Bestandteile atomisiert,
so daß schließlich das in der Probe enthaltene, gesuchte Element in der Flamme in
atomarer Form vorliegt. Diese Atome absorbieren spezifisch die Strahlung des Meßlichtbündels,
so daß die Schwächung,
die das Meßlichtbündel in der Probe erfährt,
ein Maß für die Menge des gesuchten Elements in der Probe darstellt. Statt einer
Flamme kann auch ein Plasma als "Anregungsquelle" dienen.
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Statt der Absorption eines Meßlichtbündels kann auch die von den Probenbestandteilen
hervorgerufene Emission oder die Resonanzfluoreszenz beobachtet werden.
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Es muß hierbei ein hoher Wirkungsgrad angestrebt werden: Ein möglichst
großer Anteil des von dem Zerstäuber erzeugten Flüssigkeitsnebels sollte aus so
feinen Tröpfchen bestehen, daß ihre flüssigen Bestandteile ausreichend schnell verdampfen
und die festen Bestandteile in der Anregungsquelle im Bereich des Meßlichtbündels
atomisiert werden. Dieser Wirkungsgrad läßt bei bekannten Zerstäubern zu wünschen
übrig.
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Üblicherweise wird die Probenflüssigkeit durch einen pneumatischen
Zerstäuber in einen Flüssigkeitsnebel aus feinen Tröpfchen zerrissen. Der Zerstäuber
enthält eine Düse, aus welcher ein Druckgasstrom austritt. Koaxial in dieser Düse
sitzt ein Rohr, über welches die Probenflüssigkeit zugeführt wird. Beim Eintritt
der Probenflüssigkeit in den Druckgasstrom erfolgt durch die Geschwindigkeitsunterschiede
von Flüssigkeits- und Druckgasstrom das Zerreißen der Probenflüssigkeit in Tröpfchen.
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Bei sog. "indirekten Zerstäubern wird der dann entstehende Nebel zunächst
in einer Kammer gegen Prallflächen geleitet.
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An diesen Prallflächen schlagen sich die größeren Tröpfchen des Nebels
nieder. Nur die feineren Tröpfchen werden der Anregungsquelle, d.h. der Flamme oder
dem Plasma zugeleitet.
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Diese feineren Tröpfchen, die zu der Anregungsquelle gelangen, machen
volumenmäßig nur etwa 5% bis 15% des zerstäubten Probenvolumens aus. Die Ausbeute
für die Messung ist daher gering.
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Aber auch unter den in die Anregungsquelle gelangenden Tröpfchen sind
nach der statistischen Größenverteilung auch solche Tröpfchen enthalten, die infolge
ihrer Größe am Meßort der Anregungsquelle noch nicht vollständig verdampft sind.
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Dieser Anteil der Probenflüssigkeit geht zusätzlich für die Messung
verloren. Außerdem erzeugen diese unverdampften Tröpfchen unerwünschtes Streulicht
durch Reflexion und Brechung der Strahlung an den Tröpfchen. Dadurch wird der Rauschpegel
erhöht.
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Bei direkten Zerstäubern" wird die Probe unmittelbar in die Anregungsquelle
hinein zerstäubt. Es gelangen dann zwar praktisch 100% der Probenflüssigkeit in
die Anregungsquelle. Es ergibt sich aber dabei ein hoher Anteil großer Tröpfchen,
die in der Anregungsquelle nicht vollständig verdampft werden. Der Wirkungsgrad
ist daher bei erhöhten Rauschpegel auch nicht besser als bei indirekten Zerstäubern.
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Die Tröpfchen haben noch einen weiteren Nachteil: Sie müssen in der
Anregungsquelle verdampft werden. Die Verdampfungswärme wird der Anregungsquelle
als Energie entzogen. Dadurch kühlt sich die Anregungsquelle etwas ab. Das gilt
nicht nur für die feinen, vollständig zur Verdampfung gebrachten Tröpfchen sondern
auch für die größeren Tröpfchen, die nur teilweise verdampft werden. Diese Abkühlung
der Anregungsquelle kann die Atomisierung einzelner Elemente oder die Anregung der
Atome bei der Emissionsspektroskopie beeinträchtigen. Bei einem Plasma als Anregungsquelle
besteht die Gefahr, daß das Plasma verlöscht.
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Es wurde schon versucht, den Anteil der feinen Tröpfchen durch eine
Ultraschall-Zerstäubung zu erhöhen. Das brachte jedoch nur einen geringen Erfolg.
Ultraschall-Zerstäuber haben sich daher in der Praxis nicht durchgesetzt. Insbesondere
wird dabei nicht das vorstehend erwähnte Problem der Verdampfungswärmen gelöst.
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Der geringe Wirkungsgrad der bekannten Zerstäuber führt dazu, daß
eine sieben bis zwanzig Mal größere Menge an Probenflüssigkeit benötigt wird als
tatsächlich für die Messung ausgenutzt wird. Das ist für viele Anwendungen, beispielsweise
in der klinischen Chemie, ein schwerwiegender Nachteil.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der
eingangs definierten Art den für die Messung tatsächlich ausgenutzten Anteil der
Probenflüssigkeit zu erhöhen.
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Frfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß (c) der Flüssigkeitsnebel
vor dem Eintritt in die Anregungsquelle einer von den Tröpfchen des Flüssigkeitsnebels
absorbierten elektromagnetischen Strahlung so ausgesetzt werden, daß ein erheblicher
Anteil der den Flüssigkeitsnebel bildenden Probenflüssigkeit verdampft.
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Vorzugsweise wird die elektromagnetische Strahlung von Mikrowellen
gebildet, was insbesondere bei wässrigen Lösungen vorteilhaft ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthaltend (a) einen
Flüssigkeitszerstäuber, durch welchen Probenflüssigkeit zu einem Flüssigkeitsnebel
zerstäubbar ist, und (b) Mittel zum Einleiten des Flüssigkeitsnebels in eine Anregungsquelle
ist gekennzeichnet durch (c) eine Strahlungsheizvorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer
Strahlung, die von den Tropfen des Flüssigkeitsnebels absorbiert wird, im Strömungsweg
des Flüssigkeitsnebels zwischen Zerstäuber und Anregungsquelle.
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Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand
der Unteransprüche 4 bis 6.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme
auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert, welche schematisch eine Vorrichtung
zum Einbringen einer Probenflüssigkeit in feiner Verteilung in eine Flamme für spektroskopische
Zwecke zeigt.
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Die Vorrichtung enthält einen Flüssigkeitszerstäuber 10, durch welchen
Probenflüssigkeit zu einem Flüssigkeitsnebel zerreißbar ist. Dieser Flüssigkeitszerstäuber
10 enthält in üblicher Weise eine Düse 12, aus welcher ein Druckgasstrom, z.B. Druckluft,
austritt. Koaxial in dieser Düse 12 sitzt ein Rohr 14 über welches die Probenflüssigkeit
zugeführt wird. Der Flüssigkeitszerstäuber 10 erzeugt einen Flüssigkeitsnebel von
Probenflüssigkeit. Dieser Flüssigkeitsnebel wird in noch zu beschreibender Weise
in eine Anregungsquelle 16 eingeleitet, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
von der Flamme eines Brenners gebildet wird.
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Es ist eine Strahlungsheizvorrichtung 18 zur Erzeugung elektromagnetischer
Strahlung, die von den Tropfen des Flüssigkeitsnebels absorbiert wird, im Strömungsweg
des Flüssigkeitsnebels zwischen Zerstäuber 10 und Anregungsquelle 16 vorgesehen.
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Die Strahlungsheizvorrichtung 18 ist ein Mikrowellenresonator mit
einem Magnetron 20 zur Erzeugung der Mikrowellen und einem innen verspiegelten Hohlraum
22, wobei die Mikrowellen durch eine öffnung 24 in den Hohlraum 22 eintreten und
in diesem stehende Wellen ausbilden. Der Zerstäuber 10 ragt in den verspiegelten
Hohlraum 22 des
Mikrowellenresonators hinein Ein Auslaß 26 des Hohlraums
22 ist unmittelbar mit der Anregungsquelle 16 verbunden. In den Hohlraum 22 ist
ein Transportgas einleitbar, welches durch den Hohlraum 22 des Mikrowellenresonators
hindurchströmt und den Flüssigkeitsnebel zu der Anregungsquelle 16 mitnimmt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel geht von dem Hohlraum 22
am Auslaß 26 das Mischrohr 28 eines Brenners 30 aus, auf welchem eine als Anregungsquelle
16 dienende Flamme brennt. Das Transportgas wird von dem Brenngas und/oder Oxidans
gebildet, das über Anschlüsse 32 bzw. 34 in den Hohlraum 22 einleitbar ist.
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Auf dem Boden des Hohlraums 22 kann ein Ablauf 36 für die trotzdem
noch niedergeschlagene Probenflüssigkeit vorgesehen sein.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: In dem Zerstäuber 10
wird die über das Rohr 14 zugeführte Probenflüssigkeit mit dem aus der Düse 12 austretenden
Druckgasstrom zusammengeführt und dabei zu einem Flüssigkeitsnebel zerstäubt, der
sich im Inneren des Hohlraums 22 bildet. Dieser Flüssigkeitsnebel wird von dem über
die Anschlüsse 32,34 zugeführten und durch den Hohlraum 22 hindurch zu dem Auslaß
26, Mischrohr 28 und Brenner 30 strömenden Brenngas bzw. Oxidans mitgenommen und
in die Anregungsquelle 16, nämlich die auf dem Brenner 30 brennende Flamme, transportiert.
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Vor dem Eintritt in die Anregungsquelle 16 wird der Flüssigkeitsnebel
in dem Hohlraum 22 einer von den Tröpfchen absorbierten elektromagnetischen Strahlung
in Form von Mikrowellen so ausgesetzt, daß wenigstens ein erheblicher
Anteil
der den Flüssigkeitsnebel bildenden Probenflüssigkeit verdampft.
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Auf diese Weise läßt sich der Wirkungsgrad von Vorrichtungen der vorliegenden
Art wesentlich erhöhen und damit das für eine Messung erforderliche Probenvolumen
reduzieren, Störungen, wie sie z.B. durch größere Tröpfchen in der Anregungsquelle
hervorgerufen werden, können vermieden oder vermindert werden. Auch ergibt sich
eine Temperaturerhöhung der Anregungsquelle, da die Verdampfungswärmen nicht mehr
von der Anregungsquelle aufgebracht zu werden brauchen.
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