DE3823346C2 - Graphitrohrofen mit einem Probenträger für die Atomabsorptionsspektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Graphitrohrofen mit einem Probenträger für die Atomabsorp­ tionsspektroskopie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus der DE 37 22 379 A1 bekannt.

In der flammenlosen Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) verwendet man zur Verdampfung und Atomisierung der Probensubstanz Graphitrohröfen, die durch direkte Widerstandserhitzung auf die benötigte Temperatur auf­ geheizt werden. Die Probe wird durch eine Öffnung im Rohrmantel direkt auf die Mantelfläche des Rohrofens aufgebracht oder mit Hilfe eines auch als Plattform bezeichneten, mit einer kleinen Vertiefung zur Aufnahme der Probe versehenen Probenträgers von den Stirnseiten her in den Ofen eingegeben. Durch Verwendung besonderer Probenträger kann der Probenort genau lokalisiert und Fehler durch mögliche Temperaturgradienten längs der Rohrachse weitgehend vermieden werden. Andererseits wurde gefunden, daß die Aufheizrate des ebenfalls aus Graphit bestehenden Probenträgers wesentlich durch Kontakte zwischen Rohrmantel und dem Probenträger verändert wird, da ein Teil des Heizstroms durch den Probenträger fließt (Fresenius Z. Anal. Chem., 1986, 323, Seiten 748-753). Die Wirkung verschiedener Aufheizraten und Temperaturdifferenzen zwischen Rohr und Probenträger ist von I. L. Shuttler und H. T. Delves am Beispiel der Messung kleiner Bleigehalte im Blut untersucht worden (J. Analyt. Atomic Spectrometry, 1987, 2, Seiten 171 bis 176). Die Autoren fanden vor allem große Unterschiede in der Auslösezeit des Signals, der integralen Absorption und es gab eine so große Streuung der Meßwerte, daß die Methode für diesen Zweck nicht geeignet war. Eine Lösung des Problems wird durch Probenträger erwartet, die ausschließlich durch Strahlung und nicht durch Joule'sche Wärme erhitzt werden, also keinen körperlichen Kontakt mit dem Graphitrohrofen haben und die Probe in einer reproduzierbaren Lage im Graphitrohr halten.

Im wesentlichen sind drei Anordnungen des Probenträgers bekanntgeworden, die sich durch verhältnismäßig kleine Berührungsflächen zwischen Probenträger und Rohrmantel auszeichnen und elektrische Leitung und Wärmeleitung zwischen Mantel und Träger erheblich beschränken. Für die erste Gruppe typisch ist die Ausführung nach DE 29 24 123. Der Probenträger hat einen trapezförmigen Querschnitt und die Kanten der breiteren Seite greifen in flache, in den Rohrmantel gefräste schwalbenschwanzförmige Riefen ein. In der zweiten Anordnung ist der Probenträger mit einem Zapfen versehen, der eine kleine Querschnittsfläche aufweist, in eine Bohrung des Graphitrohrs eingesteckt ist und den Probenträger im Abstand vom Rohrmantel hält (DE 35 45 635 A1). Typisch für die dritte Gruppe ist ein Probenträger, dessen verbreiterter Endabschnitt in Schlitze eingreift, die von einer Stirnfläche des Graphitrohrs ausgehen. Der probentragende Teil des Trägers ist freitragend im Abstand vom Rohrmantel gehalten (als ein Ausführungsbeispiel in der DE 37 22 379 A1 beschrieben).

Aus der genannten DE 37 22 379 A1 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine aus einem Graphitrohrofen und einem Probenträger bestehende Vorrichtung mit einem im Inneren des Rohrs an einem Ende angeordneten radialsymmetrischen Steg bekannt. Dieser Steg ist mit Nuten versehen, durch die das Halteteil des Probenträgers geschoben ist. Bei einem zu kleinen Spiel kann wie bei der Befestigung des Probenträgers in stirnseitigen Schlitzen das Rohr infolge unterschiedlicher thermischer Dehnung der beiden Teile reißen. Ein weiterer, nur der Symmetrierung der Temperatur dienender Steg ist in der Nähe des anderen Endes des Graphitrohrofens angebracht.

Alle beschriebenen Lösungen vermindern den Wärmefluß zwischen Graphitrohr und Probenträger und die Wärme­ erzeugung im Probenträger, ermöglichen die genaue Festlegung des Probenorts relativ zum Graphitrohr und vermeiden zu einem großen Teil die weiter oben geschilderten Nachteile. Bei mehrmaligem schnellen Aufheizen von Anordnungen des ersten und dritten Typs entstehen jedoch Schäden, die eine Verwendung der Graphitrohre sehr stark einschränken. Von den zur Führung und Fixierung der Probenträger dienenden Riefen bzw. Schlitzen gehen feine Risse aus, die nach mehrmaligem Aufheizen ein Reißen des Graphitrohrs auslösen. Nicht­ identische thermische Ausdehnungskoeffizienten von Probenträger und Rohr bedingen zusätzliche Druck­ spannungen beim Erwärmen, die zum Abreißen des geschlitzten Abschnitts führen können. Zerstörungen durch Lichtbögen sind häufig, wenn die mechanischen Spannungen durch ein größeres Spiel begrenzt werden. In diesem Fall kommt es auch beim Anlegen von Magnetfeldern zu unerwünschten Schwingungen. Mit Riefen versehene Graphitrohröfen können schließlich nur in Kombination mit dem Probenträger verwendet werden, da direkt auf die Mantelfläche aufgebrachte Probensubstanz sich in den Riefen sammelt und über die gesamte Mantel­ fläche verteilt. Für Anordnungen des zweiten Typs ist der Herstellungsaufwand des Probenträgers mit angedrehtem Zapfen wegen der kleinen Maße und der Sprödigkeit des Werkstoffs Graphit sehr groß. Tatsächlich eignet sich nur Glaskohlenstoff aufgrund seiner hohen Festigkeit für Probenträger dieser Art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Graphit­ rohrofen derart auszubilden, daß der Probenträger im Abstand vom Rohrmantel gehalten, die Festigkeit des Rohrofens nicht durch Riefen oder Schlitze beeinträchtigt und die Herstellung des Probenträgers einfach ist. Eine andere Aufgabe ist die Vergleichmäßigung des Temperatur­ profils im Graphitrohrofen.

Die Aufgabe wird bei einem Graphitrohrofen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebene Ausbildung gelöst.

Die Funktionsfähigkeit eines Graphitrohrofens, bei dem der Probenträger frei auf Stegen aufliegt und die entsprechend wenigstens doppelt vorhanden sein müssen, wird durch unterschiedliche Dehnungen, die bei der üblichen Streubreite von Graphiterzeugnissen kaum zu vermeiden sind, nicht beeinträchtigt.

Der Querschnitt der Stege ist zweckmäßig keilförmig und zur Verminderung der Auflagefläche bevorzugt schneiden­ förmig ausgebildet. Ihre Basisbreite beträgt etwa 0,5 bis 1,0 mm. Zur Herstellung der mit Stegen versehenen Rohröfen werden Graphitzylinder ausgebohrt und durch Hinterdrehen die Stege herausgearbeitet, die zweckmäßig symmetrisch im Rohr angeordnet sind, d.h. jeweils paarweise von beiden Stirnflächen des Rohrs gleichweit entfernt sind. Die Abriebfestigkeit der Stege, die im allgemeinen vergleichsweise klein ist, wird durch eine an sich bekannte und übliche Beschichtung der Mantel­ flächen des Rohrofens mit Pyrokohlenstoff den Beanspruchungsbedingungen soweit angepaßt, daß die Stege beim Betrieb des Ofens nicht beschädigt werden. Die Lage des Probenträgers ist durch schlitzförmige Ausnehmungen in den Stegen, die zweckmäßig durch Räumen oder Hoch­ frequenzmeißeln hergestellt werden, und durch einen Anschlag reproduzierbar festgelegt. Als Anschlag dient zweckmäßig ein Steg, der nicht mit Ausnehmungen versehen und einer Stirnfläche des Rohrofens benachbart ist.

Die Ausnehmung des Graphitrohrs ist ausschließlich auf die Stege beschänkt und erstreckt sich nicht wie bei einer vorbekannten Ausführung über die gesamte Länge des Rohrs, so daß schon aus geometrischen Gründen die Wahrscheinlichkeit der Bildung kritischer, das Rohr zerstörender Risse sehr viel kleiner sein muß. Tatsächlich enden von den Schlitzen ausgehende Haarrisse in der Wurzel des Stegs und beeinträchtigen nicht die Lebensdauer der Rohröfen. Da ein körperlicher Kontakt zwischen Rohrofen und Probenträger ebenfalls nur im Bereich der Stege besteht, sind elektrischer und Wärmewiderstand so groß, daß Strom- und Wärmefluß zwischen Rohrofen und Probenträger weitgehend auszuschließen sind und die Erwärmung der Probensubstanz praktisch ausschließlich durch Strahlung erfolgt. Die symmetrisch zu den Rohrenden angeordneten Stege begrenzen zudem einen zentralen Ofenteil, in dem annähernd isotherme Bedingungen vorliegen. Derartige Bedingungen gewährleisten auch beim Atomisieren der Probensubstanz an der Rohrwandung des Ofens reproduzierbare Ergebnisse.

Rohrofen und Probenträger bestehen aus einer beliebigen Graphitsorte, wie Elektrographit, Pyrographit oder Glaskohlenstoff. Bevorzugt wird aus Elektrographit gewonnener Reinstgraphit, der leicht bearbeitbar und nur geringfügig durch Fremdelemente verunreinigt ist. Rohrofen und Träger sind zweckmäßig mit einer dünnen Pyrographitschicht überzogen, die die Graphitteile versiegelt und ihre Abriebfestigkeit verbessert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 den Querschnitt eines Graphitrohrofens mit eingesetztem Probenträger,

Fig. 2 den Schnitt II-II in Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt III-III in Fig. 1,

Fig. 4 den Schnitt IV-IV in Fig. 1.

Der Graphitrohrofen 1 ist mit umlaufenden Stegen 2, in die keilförmige Kerben 3 eingearbeitet sind, und mit der Öffnung 6 zur Einspeisung der Probe versehen. Der Probenträger 4, der mit der Vertiefung 5 zur Aufnahme der Analysenproben und mit gabelförmigen Fortsätzen 7 zur leichteren Handhabung des Proben­ trägers versehen ist, liegt auf den Stegen 2 auf und ist in den keilförmigen Kerben 3 geführt. Der nicht mit einer Ausnehmung versehene Steg 2′ begrenzt als Anschlag Bewegungen des in die keilförmigen Kerben eingreifenden Proben­ trägers parallel zur Längserstreckung des Graphit­ rohrofens.

Die Größe der Auflageflächen des Probenträgers 4 ist durch die Breite der Stege 2 und die Tiefe der keilförmigen Kerben 3 bestimmt. Besonders bei schneidenförmiger Ausbildung der Stege ist die Auflage fast punktförmig und entsprechend der Energiefluß über die Auflagen beim Betrieb des Ofens so klein, daß Temperatur und Temperaturverteilung des Probenträgers nicht beeinflußt werden.

Claims (4)

1. Graphitrohrofen für die Atomabsorptionsspektroskopie mit mindestens zwei an seiner Rohrinnenwand im Abstand von den Rohrenden umlaufenden Stegen und mit einem im Abstand von der Rohrinnenwand gehalterten Probenträger, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenträger auf mindestens zwei der umlaufenden Stege nur aufliegt und dadurch im Abstand von der Rohrinnenwand gehalten ist.

2. Graphitrohrofen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege schneidenförmig ausgebildet sind.

3. Graphitrohrofen nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege mit keilförmigen Ausnehmungen zur Führung des Probenträgers versehen sind.

4. Graphitrohrofen nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein einem Rohrende nächstliegender Steg als Anschlag zur Begrenzung der Längsbewegung des Probenträgers keine Ausnehmungen hat.