DE3424696C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Analysensubstanz in die Anregungszone eines Plasma-Emis­ sionsspektrometers mit einem außerhalb der Anregungszone angeordneten, die Analysensubstanz enthaltenden, durch Widerstandsheizung aufheizbaren verschiebbaren Proben­ träger, Mitteln zum Zuführen eines die verdampfte Analysen­ substanz aufnehmenden Schutzgases und einem sich zwischen Gaszuführung und Anregungszone erstreckenden Strömungs­ kanal.

Zur Erzeugung freier Atome und die Anregung dieser Atome für die Emissionsspektralanalyse werden zunehmend Plasmen verschiedener Art verwendet, die sehr kleine Nachweisgrenzen ermöglichen und gegen störende Matrix­ effekte weniger empfindlich sind als andere bekannte Anregungsverfahren. Bei der Plasmaanregung wird die Analysensubstanz im allgemeinen gelöst und als Aerosol in das Plasma injiziert. Da durch eine derartige Pro­ benvorbereitung die Analysensubstanz zwangsläufig stärker verdünnt wird, erhöht sich die Nachweisgrenze und zur Verbesserung der Empfindlichkeit bedarf es aufwendiger Anreicherungsverfahren, bei deren Durchführung die Substanz gegebenenfalls durch Aufschlußmittel und dgl. verunreinigt werden kann. Das direkte Einbringen pulver­ förmiger Analysensubstanz in das Plasma ist andererseits wenig zuverlässig, da die Stabilität des Plasmas und damit die Analysengenauigkeit beeinträchtigt wird. Durch die DE-OS 29 49 460 ist es auch bekannt, dampfförmig die Analysensubstanz in die Plasmazone einzuführen. Die Substanz ist zu diesem Zweck in einem napfförmigen Behälter aus einem den elektrischen Strom leitenden Werkstoff angeordnet, der in die Plasmazone bewegt und durch Wirbelströme und Wärmestrahlung auf eine Temperatur über der Verdampfungs- oder Sublimationstemperatur der Analysensubstanz erhitzt wird. Die innerhalb der Plasma­ wolke verdampfende Substanz ändert deren Raumstruktur nur unwesentlich. Bei diesem Verfahren wird ein Teil der zur Erzeugung des Plasmas verfügbaren elektrischen Energie zum Aufheizen des Probenbehälters und zur Verdampfung der Analysensubstanz verbraucht, so daß diese Art der Proben­ einspeisung nur möglich ist, wenn eine größere als für die Plasmaerzeugung nötige elektrische Anschlußleistung vorliegt.

Es ist weiterhin bekannt, die Probensubstanz in einem Graphitrohrofen zu verdampfen oder zu verbrennen und den Dampf bzw. die Verbrennungsprodukte dem Plasma zuzu­ leiten (z. B. Spectrochimica Acta Vol. 36B, 901-917, 1981). Eine solche Ausbildungsform ist in der DE-OS 32 33 130 beschrieben. Die in einem Probenträger erzeugten flüchtigen Produkte werden mittels eines Ansaugsystems in die Anre­ gungszone transportiert, gegebenenfalls unterstützt durch ein Trägergas, das durch den Verdampfungs- bzw. Verbren­ nungsraum geführt wird.

Für eine gute Analysengenauigkeit ist es wichtig, daß während der Analysendauer die zeitliche und räumliche Konzentration der in die Anregungszone transportierten verdampften Analysensubstanz möglichst konstant und darüber hinaus auch reproduzierbar ist. Bestimmende Einflußgrößen der zeitlichen und räumlichen Verteilung und der Reproduzierbarkeit sind die Verdampfungsgeschwin­ digkeit der Analysensubstanz und vor allem die Strömung des die verdampfte Substanz aufnehmenden Schutzgases.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine definierte stabile Gasströmung zu schaffen, in der die verdampfte Analysensubstanz mit konstanter zeitlicher und räumlicher Konzentration der Anregungszone zugeführt wird.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

• a) der Probenträger als Tiegel ausgebildet und senkrecht unter der Anregungszone angeordnet ist,
  b) der gesamte Strömungskanal gerade ist und
  c) die Mittel zur Zuführung des Schutzgases aus einer Düsenplatte bestehen, über deren Mittelpunkt sich der Tiegel in einer laminaren Strömung des Schutzgases befindet.

Die einem Spektrometer zugeordnete Anregungszone besteht aus einem Argonplasma, das induktiv ange­ koppelt ist (ICP) oder durch Mikrowellen erzeugt wird und dessen Temperatur etwa 6000 bis 8000 K beträgt. Unterhalb der Anregungszone ist der widerstandsbeheizte Tiegel mit der Analysensubstanz zwischen Stromzuführungsbacken eingespannt. Tiegel und Stromzuführung sind zweckmäßig derart ausgelegt, daß die Verdampfungstemperatur der Analysensubstanz mit der üblichen Netzspannung von 220 V und einer Stromstärke von 15 bis 20 A erreicht wird. Bei häufigem Wechsel der Tiegelform oder bei einem vorgegebenen Aufheizprogramm ist es zweckmäßig, regelbare Vorwider­ stände oder Transformatoren zu verwenden. Die Kontur der Stromzuführungsbacken entspricht der Tiegelform; sie werden durch mechanische, pneumatische oder hydraulische Federelemente gegen den Tiegel gepreßt. Unterhalb des Tiegels ist eine Düsenplatte angeordnet, aus der beim Betrieb der Vorrichtung ein Schutzgas, ins­ besondere Argon, um den Tiegel geblasen wird, wobei sich ein laminarer Schutzgasstrom um den Tiegel bildet. Das den Tiegel umspülende Schutzgas strömt mit dem Dampf der Analysensubstanz in die Anregungszone. Düsenplatte, Tiegel und Anregungszone bilden einen homogenen Strömungskanal, dessen geometrische Form durch begrenzende Elemente, z. B. Hohlzylinder, Hohlkegel und dgl. den jeweiligen Verfahrensbedingungen angepaßt werden kann. Der im wesentlichen laminare Gasstrom schützt den Tiegel gegen den Angriff oxidierender und korrodierender Gase, ist Träger der verdampfenden Analysensubstanz und transportiert den Dampf in die Anregungszone, ohne die Stabilität des Plasmas zu beeinträchtigen. Die Ausbildung einer homogenen Dampf­ strömung wird durch die Verwendung eines Tiegels ge­ fördert, der mit einem gelochten Deckel verschlossen ist. Form und Größe der Deckelbohrung werden im wesent­ lichen bestimmt durch die Menge der Analysensubstanz und deren Verdampfungsgeschwindigkeit.

Der Tiegel selbst besteht aus einem den elektrischen Strom leitenden, temperaturbeständigen und gegen die Analysensubstanz inerten Material, besonders Graphit, der durch thermische, chemische und thermo­ chemische Verfahren gereinigt ist und dessen Gehalt an Verunreinigungen weniger als 10 ppm und insbesondere weniger als 1 ppm beträgt. Prinzipiell sind alle Graphit­ sorten, eingeschlossen Pyrographit, flexibler Graphit und Glaskohlenstoff geeignet, die einer Reinigungsbe­ handlung unterworfen wurden. Die normale Porosität des Graphits stört im allgemeinen nicht, da Graphit unter den vorgegebenen Bedingungen nicht oder nur im geringen Umfang von Schmelzen benetzt wird, d. h., eine zusätz­ liche Verdichtung des Tiegels durch Imprägnieren oder Beschichtungen ist nur ausnahmsweise nötig. In einem solchen Fall wird der Tiegel zweckmäßig mit einer imper­ meablen Schicht aus z. B. Pyrokohlenstoff versehen.

In der Vorrichtung ist der Tiegel verschiebbar angeordnet, so daß ohne Zeitverlust ein erster Tiegel durch einen zweiten Tiegel usw. ersetzt werden kann. Zweckmäßig ist das Umsetzen der Tiegel automatisiert und der Bewegungs­ ablauf ist mit der Bewegung der Stromzuführungsbacken gekoppelt, die im gleichen Takt gegen den Tiegel gepreßt und vom Tiegel abgezogen werden. In einer bevorzugten Lösung ist der Tiegel um eine zum Strömungskanal parallele aber mit diesem nicht zusammenfallende Achse schwenkbar. Mehrere Tiegel sind dabei auf einem Kreisring angeordnet, der in vorgegebenen Zeitabständen um den Winkelbetrag 360/n gedreht wird, wenn n die Anzahl der Tiegel ist. Im gleichen Takt werden die Stromzuführungsbacken gelöst, abgezogen und gegen den nachfolgenden Tiegel gepreßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 - einen Schnitt der Vorrichtung,

Fig. 2 - den Tiegel mit Stromzuführungsbacken im Querschnitt und

Fig. 3 - im Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2.

In Fig. 1 ist 1 ein Quarzrohrbrenner, mit Anschlüssen 2, 2′ über die dem Quarzrohrbrenner Argon zugeführt wird. Der Ausgang des Rohrs ist von der Induktions­ spule 3 umschlossen, an der - zeichnerisch nicht dar­ gestellt - eine hohe HF-Leistung anliegt. In Verlänge­ rung des Quarzrohrbrenners 1 ist der Tiegel 4 angeordnet, der mit dem gelochten Deckel 5 abgedeckt und zwischen Stromzuführungsbacken 6, 6′ eingespannt ist. Tiegel und Backen bestehen aus Graphit. Die Backen sind Teil der wassergekühlten Stromzuführung 7, 7′, die über zeichnerisch nicht dargestellte Anschlüsse mit einer Stromquelle ver­ bunden sind. Ebenfalls nicht dargestellt ist das Feder­ system, mit welchem die Stromzuführungsbacken gegen den Tiegel gepreßt werden. Unterhalb des Tiegels 4 und mit diesem und dem Quarzrohrbrenner 1 fluchtend, ist die Düsenplatte 8 und ein Anschluß 9 zur Zuführung von Schutz­ gas angeordnet. Düsenplatte 8, Tiegel 4 und Quarzrohr­ brenner 1 bilden einen Strömungskanal; der Übergang zwischen dem unteren Teil und dem oberen Teil des Kanals ist durch ein konisches Übergangsteil 10 gebildet.

Zur Analyse einer Substanz wird der die Analysensubstanz enthaltende Tiegel 4 zwischen die Stromzuführungsbacken 6, 6′ eingespannt und durch direkte Widerstandserhitzung auf eine Temperatur oberhalb des Siede- oder Sublimationspunkts der Analysensubstanz erhitzt. Gleichzeitig wird über die Anschlüsse 2, 2′ und 9 Argon in die Vorrichtung geleitet, die Induktionsspule 3 in Betrieb gesetzt und das durch das HF-Feld strömende Gas ionisiert. Der durch den gelochten Deckel 5 des Tiegels 4 austretende Dampf der Analysensubstanz wird von dem den Tiegel 4 um­ spülenden Argonstrom aufgenommen, zur Plasmazone trans­ portiert und ohne wesentliche Störung der Plasmastruktur in die durch den heißen Plasmakern definierte Anregungs­ zone eingespeist. Die angeregten Atome emittieren eine für die Analysensubstanz charakteristische Strahlung, die mit dem zugeordneten Spektrometer gemessen wird.

In den Fig. 2 und 3 sind der Tiegel 4 mit gelochtem Deckel 5 und Stromzuführungsbacken 6, 6′ im einzelnen dargestellt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Zuführung von Analysensubstanz in die Anregungszone eines Plasma-Emissionsspektrometers mit einem außerhalb der Anregungszone angeordneten, die Analysensubstanz enthaltenden, durch Widerstands­ heizung aufheizbaren verschiebbaren Probenträger, Mitteln zum Zuführen eines die verdampfte Analysen­ substanz aufnehmenden Schutzgases und einem sich zwischen Gaszuführung und Anregungszone erstreckenden Strömungskanal, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Probenträger als Tiegel ausgebildet und senkrecht unter der Anregungszone angeordnet ist,
  b) der gesamte Strömungskanal gerade ist und
  c) die Mittel zur Zuführung des Schutzgases aus einer Düsenplatte bestehen, über deren Mittel­ punkt sich der Tiegel in einer laminaren Strömung des Schutzgases befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Tiegel mit einem ge­ lochten Deckel verschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tiegel aus gereinigtem Graphit besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tiegel zwischen Stromzuführungsbacken eingespannt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Tiegel auf einem Kreisring angeordnet und durch Drehen des Kreis­ rings um seinen Mittelpunkt gegen den Strömungs­ kanal schwenkbar sind.