Zeit- und ortsaufgelöste Emissionsspektrometrie an einer dielektrisch behinderten Entladung zur Messung flüchtiger Elementspezies

Abstract

Die Messung flüchtiger toxischer Elemente in kleinen Konzentrationen ist von großer Bedeutung im Bereich der analytischen Chemie. Eine Methode dabei ist die optische Emissionsspektrometrie an dielektrisch behinderten Plasmen. Dabei wird der gasförmige Analyt in das Plasma eingeleitet, dissoziiert und anschließend angeregt. Die Intensität des ausgesendeten Lichts ist dann proportional zur Konzentration des Analyten im Plasma. Die Mechanismen bei der Interaktion zwischen dem Plasma und dem Analyten sind jedoch noch nicht verstanden, da sie auf kurzen Zeitskalen im Nanosekundenbereich ablaufen. So befindet sich das Emissionssignal des Modellanalyten Arsen auf einem hohen Untergrund, welcher das Messen kleiner Konzentrationen verhindert. Da die Emission dielektrisch behinderter Entladungen stark zeitabhängig ist, lässt sich mit Hilfe von zeit- und ortsaufgelöster Emissionsspektrometrie der Emissionsverlauf der, im Plasma enthaltenen, Spezies charakterisieren. Dazu wird eine iCCD-Kamera mit einer Zeitauflösung von 5 ns mit einem Spektrometer gekoppelt. Als Plasmaquellen dienen eine neu konstruierte planare Entladung mit zwei parallelen kammförmigen Elektroden und eine kapillarförmige Entladung mit Ringelektroden. Es konnte gezeigt werden, dass verschiedene Spezies zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Plasma angeregt werden. Gleichzeitig wurden Einflüsse der Art und Zusammensetzung des Entladungsgases auf das Analytsignal untersucht. Darüber hinaus wurde die Form der Anregung des Plasmas verändert. Anhand des neben Arsen verwendeten Modellanalyten Zinn konnte gezeigt werden, dass eine rechteckförmige Anregung im Vergleich zu der üblicherweise verwendeten sinusförmigen Anregung höhere Analytsignale erzeugt, da die bereitgestellte Leistung in Form eines einzelnen Entladungspulses eingekoppelt wird. So kann schließlich das Wissen über die unterschiedlichen Anregungszeitpunkte der Spezies im Plasma ausgenutzt werden, um die Emission von Arsen zeitlich vom Untergrund zu trennen. Als Resultat verbessert sich die Nachweisgrenze herkömmlicher optischer Methoden bei der Messung von Arsen mit der entwickelten Methode um drei Größenordnungen.