Absolute Elementbestimmung von Nanopartikeln durch ICP-Spektrometrie und Untersuchung der Plasma-Partikel-Wechselwirkung
Loading...
Date
2012-07-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Es konnte gezeigt werden, dass eine Elementmassenbestimmung von Partikeln
durch ICP-spektrometrische Methoden grundsätzlich möglich ist. Neben
der Anwendbarkeit der ICP-Massenspektrometrie konnte in optischspektrometrischen
Messungen die Kalibration mit Hilfe von monodispersen
Lösungstropfen im Mikrometerbereich demonstriert werden.
Dabei war es auch möglich, bei hinreichend großem Signal-Rausch-Verhältnis,
die Breite der Massenverteilungen von Partikelproben zu messen.
Als Grundlage für die Optimierung der Methode, d.h. insbesondere zur Verbesserung
der Detektionseffizienz der Massenspektrometrie, mit dem Ziel der
Analyse von Nanopartikeln bis zu einer Größe von 10 nm, wurden Untersuchungen
der Atomisierung, der Ionisation und der Diffusion im ICP durchgeführt.
Dabei wurden überraschend große Abhängigkeiten vom Transportgasfluss
und den Eigenschaften der Probe, d.h. der Tropfengröße und der
Analytmasse, festgestellt.
Aus der Kombination von Injektordurchmesser und Volumengasfluss resultieren
bestimmte Bedingungen im Plasma bezüglich der Verteilung von Strömungsgeschwindigkeiten
und -richtungen, und gleichzeitig der Temperatur.
Änderungen dieser Parameter haben zum einen eine Veränderung der Temperatur
im Zentralkanal des ICP zur Folge. Zum anderen verändert sich durch
Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit auch die Wechselwirkungszeit
der Probe mit dem heißen Bereich des Plasmas.
Darüber hinaus führt die energieaufwendige Verdampfung des Wassers aus
dem Tropfen ebenso wie die Atomisierung der Analytmasse zu einer starken
lokalen Kühlung des Plasmas.
Eine Erhöhung des Transportgasflusses, der Tropfengröße und der Analytmasse
führt durch die Verringerung der Temperatur jeweils dazu, dass die
Analytatomisierung verzögert einsetzt und ihr Einsatzpunkt damit tiefer ins
ICP verschoben wird.
Ein späterer Beginn der Atomisierung hat zur Folge, dass die expandierende
Analytwolke an einer vorgegebenen Position im ICP einen vergleichsweise
kleineren Durchmesser hat.
Die Sammlungseffizienz mit einem fest positionierten Sampler eines Massenspektrometers
erhöht sich somit deutlich durch die verzögert einsetzende
Atomisierung der Probe.
Unterschiede in der Diffusionsrate verschiedener Elemente haben einen ähnlichen
Effekt. An einer bestimmten Position erreicht die Wolke eines schwereren
Elements infolge der geringeren Diffusionsrate einen kleineren Durchmesser
als die Wolken leichterer Elemente.
Ohne Berücksichtigung, bzw. Kenntnis dieser Effekte führen sie zu systematischen
Fehlern in analytischen Messungen. Zudem muss die Atomisation
des Analyten vor dem Erreichen des Samplers abgeschlossen sein, und Ionisation
und Rekombination müssen einen Gleichgewichtszustand erreicht haben.
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist als Verfahren zur Elementmassenbestimmung
von Partikeln prinzipiell anwendbar. Die Methode
ist jedoch gegenüber der ICP-Spektrometrie, insbesondere der nachweisstarken
ICP-MS, in ihrer Genauigkeit und Richtigkeit eingeschränkt. Die erreichbaren
Nachweisgrenzen liegen erwartungsgemäß deutlich über den ICPspektrometrisch
bestimmten.
LIBS bietet jedoch den Vorteil einer vergleichsweise einfachen Versuchsanordnung
und der Möglichkeit Fernanalysen („Tele-LIBS“) durchzuführen [61,62].
So eignet sich die Methode beispielsweise dazu schnelle, semi-quantitative
Analysen in der Industrie bei laufendem Betrieb durchzuführen. AlsMonitoring-
Anwendung lässt sich der Laserstrahl etwa in den Aerosolstrom einer Abgasanlage
fokussieren und die spektrale Emission aus der Ferne messen. Aufwendige
Verfahren zur Probennahme vor der Zuführung zu einem ICP-OESoder
ICP-MS-System entfallen damit.
Die analytischen Aussagen, die sich mit Hilfe der ICP-Spektrometrie und
LIBS über Nanopartikel machen lassen, sind auf die Elementzusammensetzung
und die Masse der Partikel limitiert. Zur vollständigen Charakterisierung
von Partikeln müssen die Methoden mit weiteren Techniken, etwa zur
Erfassung der Form und Oberflächenbeschaffenheit, kombiniert werden.
Description
Table of contents
Keywords
Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP), Massenspektrometrie, Matrixeffekt, Mikrotropfen, Nanoanalytik, Nanopartikel, Optische Emissionsspektrometrie