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Die
Erfindung betrifft einen Probenhalter für eine einer Strahlungsanalyse
zu unterziehenden Probe, der einen Träger für das zu untersuchende Material
umfasst.
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Ein
Probenträger
für einen
solchen Probenhalter ist aus dem
japanischen
Patentdokument Nr. 5-312698 bekannt.
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Es
sind Verfahren zur Analyse von Materialien bekannt, bei denen eine
Probe des relevanten Materials Strahlung (beispielsweise Röntgenstrahlen)
ausgesetzt wird und bei denen die einfallende Strahlung eine Strahlung
in der Probe erzeugt, die für die
Zusammensetzung und die Struktur des zu untersuchenden Materials
charakteristisch ist. Wenn von Röntgenstrahlen
Gebrauch gemacht wird, ist dieses Analyseverfahren das als Röntgenfluoreszenzspektrometrie
oder XRF bekannte Verfahren. Spezielle XRF-Versionen sind diejenigen,
in denen die Röntgenstrahlen
unter einem Glanzwinkel (d. h. unter einem Winkel, der kleiner ist
als der Winkel für
die Röntgentotalreflexion,
der so genannte Grenzwinkel) auf die Probe einfallen, Totalreflexion-XRF
oder TXRF genannt, oder in denen die in der Probe erzeugte Fluoreszenzstrahlung
unter einem Winkel abgenommen wird, der kleiner ist als der Grenzwinkel (Grazing
Emission XRF oder GEXRF). Beide Analyseverfahren beruhen auf der
Tatsache, dass nur die aus wenigen oberen Atomschichten austretende
Fluoreszenzstrahlung detektiert wird, so dass ein Rauschabstand
erhalten wird, der im Wesentlichen besser ist als im Fall von Röntgenfluoreszenz
mit Nicht-Totalreflexion. Infolgedessen können mittels TXRF und GEXRF
sehr niedrige Konzentrationen von Elementen detektiert werden.
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Da
die TXRF- und GEXRF-Analysetechniken sehr kleine Einfalls- oder
Emissionswinkel (in der Größenordnung
von 0,5° oder
weniger) nutzen, werden in Bezug auf die Glätte der Prüflingsoberfläche strenge
Anforderungen gestellt. Das bedeutet, dass im Fall von kleinen Mengen
des zu untersuchenden Materials auch in Bezug auf die Glätte der
Oberfläche des
Probenträgers
strenge Anforderungen gestellt werden. Kleine Inhomogenitäten in der
zu untersuchenden Oberfläche
können
zu abweichenden Ergebnissen füh ren.
Folglich besteht Bedarf an einem Probenträger mit einer ebenen und glatten
Oberfläche,
der Analysetechniken möglich
macht, die Strahlung in sehr kleinen Winkeln nutzen.
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Der
in dem zitierten japanischen Patentdokument beschriebene Probenhalter
umfasst einen Probenträger,
der aus Polyvinyl hergestellt ist. Dieses Material ist für die beschriebenen
Analysetechniken ausreichend eben und glatt. Zu erforschende Materialien
werden häufig
als eine Lösung
in einer Flüssigkeit,
insbesondere Wasser, auf den Probenträger aufgebracht; die Flüssigkeit
verdunstet dann, wobei sie somit das gelöste Material im festen Zustand
zurücklässt. Aus
den oben genannten Gründen
ist es wünschenswert,
dass das zurückgelassene
Material eine glatte, homogene Oberfläche bildet. Ein aus einem Kunststoff
hergestellter Probenträger
hat den Nachteil, dass aufgrund der Benetzungseigenschaften von
Kunststoffen die darauf abgeschiedenen Flüssigkeitströpfchen nicht gleichmäßig trocknen.
Infolgedessen wird bei der Trocknung des Lösungsmittels oftmals nicht
die gewünschte
gleichmäßige Verteilung
des Probenmaterials erhalten. Ein weiterer Nachteil ist, dass die
Begrenzung des zurückgelassenen
Probenmaterials nicht reproduzierbar ist, so dass es sehr gut möglich ist,
dass ein Teil des Materials nicht bestrahlt wird, wenn es in das
Bestrahlungsgerät
platziert wird. Dies ist ein Nachteil bei quantitativen Messungen,
bei denen man an der Menge eines gegebenen Materials in einer gegebenen
Menge an Lösungsmittel
interessiert ist.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen Probenhalter der im
Oberbegriff von Anspruch 1 offenbarten Art zu verschaffen, der eine
gleichmäßige Trocknung
einer Lösung
mit einem Probenmaterial in einem gegebenen, konstanten Bereich
ermöglicht.
Zur Lösung
dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Probenhalter dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche
des Trägers,
die mit dem zu untersuchenden Material in Kontakt kommt, einen ersten Oberflächenabschnitt
umfasst, der einen Flüssigkeitskontaktwinkel
aufweist, der kleiner ist als der eines zweiten Oberflächenabschnitts
des Trägers.
Der Kontaktwinkel des ersten Oberflächenabschnitts kann so gewählt werden,
dass in dem genannten Bereich eine vollständige Benetzung durch das Lösungsmittel
erfolgt. Während
der Verdunstung des Lösungsmittels
bleibt dieser Bereich gleichmäßig benetzt,
da sich die Benetzungsgrenze nicht zurückzieht. Daher wird es keine
Trocknungsflecke geben, die Inhomogenitäten verursachen.
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Die
Oberfläche
des Trägers
besteht aus einem einzigen Material und der Flüssigkeitskontaktwinkel des
ersten Oberflächenabschnitts
wird durch Modifikation der Struktur des Materials des ersten Oberflächenabschnitts
realisiert. Der Probenträger kann
daher leicht mit Hilfe eines Oberflächenbearbeitungsvorgangs hergestellt
werden.
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Eine
andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Probenhalters
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem Kunststoff hergestellt
ist. Kunststoffe sind hervorragend zum Realisieren einer Verringerung
des Kontaktwinkels mittels eines Oberflächenbearbeitungsvorgangs geeignet. Die
Modifikation der Struktur kann insbesondere durch Aussetzen an ultraviolette
Strahlung realisiert werden. Die Polymerbeschaffenheit des Kunststoffs wird
dann geringfügig
gestört,
was zu der gewünschten
Strukturmodifikation führt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Aussetzen an ultraviolette Strahlung in Gegenwart
von Sauerstoff erfolgt. Die Reaktion des ultraviolettem Licht ausgesetzten
Kunststoffs wird durch die Gegenwart von Sauerstoff beschleunigt, wobei
der Sauerstoff selbst durch Aussetzen an ultraviolette Strahlung
reaktionsfähiger
gemacht wird.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines Probenträgers
nach dem Stand der Technik, mit unterschiedlichen Stadien eines
trocknenden Tröpfchens,
in dem ein zu untersuchendes Material gelöst ist;
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2 eine
Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Probenträgers, der
einen zentralen Bereich mit einem verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitskontaktwinkel
und einen äußeren Bereich
mit einem verhältnismäßig großen Flüssigkeitskontaktwinkel
aufweist;
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3 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Probenträgers, mit
unterschiedlichen Stadien eines trocknenden Tröpfchens, in dem ein zu untersuchendes
Material gelöst
ist.
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1 zeigt
einen Probenträger 2,
der aus einem Kunststoff hergestellt ist, beispielsweise Polyvinyl.
Dieses Material ist für
die TXRF- und GEXRF-Analysetechniken ausreichend eben und glatt, aber
hat wie die meisten Kunststoffe den Nachteil eines verhältnismäßig großen Flüssigkeitskontaktwinkels,
insbesondere für
Wasser. Auf dem Pro benträger
ist ein Tröpfchen 4 eines
Lösungsmittels,
beispielsweise Wasser, abgeschieden, in dem das zu untersuchende
Material gelöst
worden ist. Die Verdunstung des Lösungsmittels lässt das
zu untersuchende Material zurück.
Für die
TXRF- und GEXRF-Analysetechniken muss das zurückgelassene Material eine glatte
Oberfläche
aufweisen; aufgrund des verhältnismäßig großen Flüssigkeitskontaktwinkels
treten jedoch Trocknungsflecke auf, die die Glätte und Gleichmäßigkeit
der Oberfläche
stören.
Die Figur zeigt drei Stadien in dem Verdunstungsprozess des Lösungsmitteltröpfchens 4.
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Wenn
ein Lösungsmitteltröpfchen auf
die Oberfläche
des Probenträgers
aufgebracht wird, wird sich auf dem unbehandelten Kunststoff ein
Flüssigkeitsbereich 6-1 mit
einem verhältnismäßig großen Kontaktwinkel α1 (beispielsweise
70°) entwickeln. Wenn
das Tröpfchen
verdunstet, zieht sich die Grenze des Tröpfchens über die Stadien 6-2 und 6-3 zurück, wobei
der verhältnismäßig große Flüssigkeitskontaktwinkel
beibehalten wird. Die Werte von α1, α2 und α3 bleiben
dann gleich.
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2 ist
eine Perspektivansicht eines Probenträgers 2, auf dessen
Oberfläche
ein Bereich 8 ausgebildet ist, der derart bearbeitet worden
ist, dass der Flüssigkeitskontaktwinkel
darin wesentlich kleiner ist als in dem übrigen Bereich 10.
Der Bereich 10 kann jedoch auch derart bearbeitet werden,
dass der Flüssigkeitskontaktwinkel
in diesem Bereich wesentlich größer ist
als in dem übrigen
Bereich 8, wie unter Bezugnahme auf 3 ausführlicher
beschrieben werden soll.
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3 ist
eine Schnittansicht des Probenträgers,
der einen Bereich 8 mit einem verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitskontaktwinkel
und einen Bereich 10 mit einem verhältnismäßig großen Flüssigkeitskontaktwinkel umfasst.
Der Bereich 8 kann auf unterschiedliche Weise realisiert
werden, beispielsweise durch Aktivierung mittels ultravioletten
Lichts (UV-Lichts), mittels UV-Lichts in Kombination mit Sauerstoff,
mittels einer Koronaentladung oder eines Plasmas oder chemisch.
Diese Behandlungen sind an sich bekannt und können auf eine Vielfalt von Kunststoffen
angewendet werden, wie Polycarbonat (Markenname Lexan), Polymethylmethacrylat
(Markenname Perspex) oder Polypropylen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Probenträger
aus Polycarbonat mit einer Kombination aus Sauerstoff (O2) und UV-Licht behandelt. In einem ersten
Raum wird Sauerstoff UV-Licht mit einer Wellenlänge von 185 nm ausgesetzt,
wodurch Ozon (O3) gebildet wird. Der Polycarbonat-Probenträger wird
in einen zweiten Raum eingebracht, in dem der Bereich 10,
der nicht der Behandlung ausgesetzt werden soll, mittels einer Maske
abgedeckt wird. In den zweiten Raum wird darüber hinaus das in dem ers ten
Gasraum behandelte Gasgemisch eingelassen, woraufhin darin eine
Bestrahlung mit UV-Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm erfolgt. Während dieser
Bestrahlung werden freie Sauerstoffatome gebildet, die mit den Polymermolekülen des
Polycarbonats reagieren. Infolgedessen wird die Struktur dieses
Materials derart modifiziert, dass der Flüssigkeitskontaktwinkel wesentlich
kleiner wird, sogar nahezu 0°.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung nutzt eine Koronaentladung in Luft mit ungefähr Atmosphärendruck.
Der Träger
aus Kunststoff wird dann in die Koronaentladung eingebracht, wobei
die Teile, die nicht behandelt werden sollen, wieder abgedeckt werden.
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Es
kann auch eine Plasmabehandlung angewendet werden. Hochfrequenzwellen
oder Wellen mit Mikrowellenfrequenz werden dann verwendet, um ein
Plasma eines Gases zu erzeugen. Als Gas kann beispielsweise Stickstoff
(N2), Sauerstoff (O2),
Kohlendioxid (CO2) oder Ammoniakgas (NH3) mit einem Druck in der Größenordnung
von 0, –1
mbar verwendet werden. Der Probenträger aus Kunststoff wird in das
Plasma eingebracht, wobei die Teile, die nicht behandelt werden
sollen, wieder abgedeckt werden.
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Eine
chemische Behandlung kann ebenfalls angewendet werden. Der Träger aus
Kunststoff wird dann in mit Wasser verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) eingebracht,
in der Chromoxid (Cr2O3)
gelöst ist.
Die Teile, die nicht behandelt werden sollen, werden wieder abgedeckt.
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In
allen Fällen
sollte die Behandlungszeit experimentell bestimmt werden; dies kann
leicht durchgeführt
werden, da das Kriterium hinsichtlich der Effektivität der Behandlung
das Auftreten eines ausreichend kleinen Flüssigkeitskontaktwinkels ist.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung nutzt einen Probenträger mit einem verhältnismäßig kleinen
Flüssigkeitskontaktwinkel.
Für diesen
Zweck kann ein mit einem der obigen Verfahren behandelter Kunststoff
gewählt
werden oder ein Material, das an sich bereits einen kleinen Kontaktwinkel
aufweist. Ein Oberflächenbereich 10 dieses
Probenträgers
wird dann ausgebildet, indem ein Material mit einem verhältnismäßig großen Flüssigkeitskontaktwinkel,
wie Bienenwachs oder Silikonwachs, aufgeprägt oder eingerieben wird. Solche
Schichten brauchen nur eine sehr geringe Dicke aufzuweisen, beispielsweise einige
wenige Nanometer, so dass nur eine sehr kleine Menge dieses Materials
benötigt
wird.
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Obwohl
für das
zu untersuchende Material nur Wasser als Lösungsmittel erwähnt wurde,
wird es für
den Fachkundigen offensichtlich sein, dass auch andere Lösungsmittel
verwendet werden können, beispielsweise
Alkohol (Ethanol). In diesem Fall muss möglicherweise ein anderer Kunststoff
gewählt werden,
um einen Bereich mit einem großen
Flüssigkeitskontaktwinkel
auszubilden, beispielsweise Polytetrafluorethylen (Markenname Teflon)
oder Silikonpolymere.