DE3528300C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Atomabsorptions-Spektro­ meter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Atomabsorptions-Spektrometer enthält eine Lichtquelle, welche ein Linienspektrum mit den Resonanzlinien eines gesuchten Elements emittiert. Ein optisches System erzeugt ein von der Licht­ quelle ausgehendes Meßlichtbündel. Dieses Meßlicht­ bündel fällt auf einen Detektor. Im Strahlengang des Meßlichtbündels wird durch Atomisierungsmittel eine "Atomwolke" erzeugt, in welcher die Atome einer untersuchten Probe in atomarer Form vor­ liegen. Als Atomisierungsmittel dient bei vielen Anwendungen eine Flamme, die auf einem Brenner brennt und in welche eine flüssige Probe einge­ sprüht wird. Die Atome des gesuchten Elements absorbieren das Meßlichtbündel, während das Meßlichtbündel von dem Atomen anderer Elemente im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Das Meßlicht­ bündel erfährt daher eine Schwächung, die von der Menge des gesuchten Elements in der Atomwolke und damit in der Probe abhängt. Die Atomabsorptions- Spektroskopie ist ein sehr empfindliches und sehr genaues Verfahren zur Bestimmung von Konzen­ trationen eines gesuchten Elements in einer abge­ messenen Probe.

Wesentlich für diese Messung ist jedoch eine genaue Kenntnis der Nullinie, d. h. derjenigen Intensität des Meßlichtbündels, die bei Abwesenheit des ge­ suchten Elements in der Probe gemessen wird. Diese Nullinie kann sich durch Änderungen der Lampen­ helligkeit oder der Detektorempfindlichkeit ändern. Solche Änderungen würden unmittelbar in die Messung eingehen.

Es sind Zweistrahl-Spektralphotometer bekannt, bei denen durch eine Chopperanordnung ein von einer Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel abwechselnd über einen Meßstrahlengang und einen Referenz­ strahlengang geleitet wird, wobei die zu messende Probe in dem Meßstrahlengang und eine Referenzprobe in dem Referenzstrahlengang angeordnet sind. Die Bündel werden anschließend wieder durch einen teildurchlässigen Spiegel oder einen weiteren Chopper vereinigt und fallen auf einen gemeinsamen Detektor. Das mit dem Referenzstrahlengang erhalte­ ne Signal bildet dann die Nullinie, auf welche das mit dem Meßstrahlengang erhaltene Signal bezogen werden kann. Der Wechsel zwischen Meß- und Refe­ renzstrahlengang erfolgt dabei üblicherweise mit Netzfrequenz. Solche Zweistrahl-Spektralphotometer haben den Nachteil, daß das Meßlichtbündel nur während höchstens der Hälfte der Zeit auf den Detektor gelangt. Wenn die Probe eine Atomwolke in einer Flamme ist, dann ergibt sich ein relativ hoher Rauschanteil. Man muß daher bemüht sein, die Energie des Nutzsignals möglichst vollständig auszunutzen, um ein günstiges Signal-zu-Rausch-Ver­ hältnis zu erhalten. Es wäre daher nachteilig und würde die Empfindlichkeit des Atomabsorptions-Spek­ trometers vermindern, wenn man einen ständigen schnellen Wechsel zwischen einem Meßstrahlengang und einem Referenzstrahlengang vorsehen wollte.

Es ist bekannt, statt mit einem Zweistrahlgerät mit einem Einstrahlgerät zu arbeiten und die Flamme periodisch so auszulenken, daß sie abwechselnd von dem stationär verlaufenden Meßlichtbündel durch­ setzt wird ("Mikrochim.Acta" 1964/5 Seiten 796-806). Bei dieser bekannten Anordnung wird während einer einzigen Messung die Flamme mit relativ hoher Frequenz (z. B. 15 Hertz) mehrmals periodisch aus dem Strahlengang herausgekippt. Es erscheint dann eine Folge von Signalspitzen über einer Grundlinie.

Auch hier wird wie bei dem Zweistrahlverfahren das Nutzsignal während der Messung periodisch unter­ brochen.

Durch die EP-A-84 391 ist ein Atomabsorptions-Spek­ trometer bekannt, bei welchem ein die Flamme umgehender Referenzstrahlengang vorgesehen ist. Dieser Referenzstrahlengang liefert an einem Detektor ein Signal, das sich nur mit der durch Änderungen der Lampenhelligkeit oder durch Änderungen der Detektorempfindlichkeit hervorge­ rufenen Gerätedrift ändert. Dieses Signal dient zur Kompensation der Drift in Signalen, die über den die Flamme enthaltenden Meßstrahlengang erhalten werden. Zu diesem Zweck werden zwischen den Probenmessungen bewegliche Spiegel in den Meß­ strahlengang hineinbewegt, über welche das Licht auf den Referenzstrahlengang geleitet und aus dem Referenzstrahlengang wieder auf den Eintrittsspalt eines gemeinsamen Monochromators gespiegelt wird. Während der Messung läuft das Lichtbündel von der Lichtquelle nur über den Meßstrahlengang, so daß für die Messung die gesamte Energie des Lichtbün­ dels zur Verfügung steht und sich ein günstiges Signal-zu-Rausch-Verhältnis ergibt. Die Messung über den Referenzstrahlengang erfolgt, während sich die Flamme nach einem Probenwechsel stabilisiert.

Das Einschwenken von Spiegeln in den Strahlengang des Meßlichtbündels, um das Lichtbündel auf den Referenzstrahlengang zu leiten und es anschließend wieder in den Meßstrahlengang einzuspiegeln, setzt hohe Präzision der einzuschwenkenden Spiegel voraus. Fehler in der Ausrichtung dieser einzu­ schwenkenden Spiegel gehen mit doppeltem Winkel in die Richtung der reflektierten Lichtbündel ein. Das kann wiederum die Intensität des durch den Ein­ trittsspalt des Monochromators tretenden Licht­ bündels beeinflussen.

Durch die DE-A-29 50 105 ist ein Atomabsorptions- Spektrometer mit einem von einem Meßlichtbündel durchsetzten Probenraum bekannt, bei welchem als Atomisierungsvorrichtung ein Brenner, eine Graphit­ rohrküvette und eine Hydrid-Meßküvette nebenein­ ander auf einem Schlitten angeordnet sind, der im Probenraum quer zur Richtung des Meßlichtbündels verschiebbar ist. Dadurch kann wahlweise mit einer der verschiedenen Atomisierungsvorrichtungen gearbeitet werden, indem diese in den Strahlengang des Meßlichtbündels geschoben wird. Es geht hier darum, schnell von einer Atomisierungsvorrichtung auf eine andere umzuschalten, nicht um das Problem der Drift- oder Untergrundkorrektur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Atomabsorptions-Spektrometer zu schaffen, bei welchem einerseits das Meßlichtbündel während der Meßzeit ununterbrochen durch die "Atomwolke" hindurchtritt und außerhalb der Meßzeit eine Driftkompensation erfolgt aber andererseits beweg­ liche Spiegel und die damit verbundenen Präzisions­ anforderungen vermieden sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei dieser Anordnung bleibt das Meßlichtbündel während der Messung wie während der Driftkompen­ sation unverändert. Es wird ausschließlich durch feststehende, einmal genau justierte optische Glieder des abbildenden optischen Systems geleitet. Bewegliche Spiegel werden vermieden. Statt dessen erfolgt eine Verschiebung des Brenners in das festliegende Meßlichtbündel oder aus dem Meßlicht­ bündel heraus. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Verschiebung des Brenners problemlos und mit rela­ tiv geringem Aufwand zu bewerkstelligen ist. Insbe­ sondere ist für die Führung des Brenners keine extreme Präzision erforderlich, da die Lage des Brenners keinen Einfluß auf den Verlauf des Meß­ lichtbündels hat. Der Brenner kann mit einfachen Mitteln reproduzierbar in die erste Stellung verfahren werden.

Von der Literaturstelle aus "Mikrochimica Acta" unterscheidet sich das Atomabsorptions-Spektrometer nach der Erfindung durch die Anordnung des Brenners auf einem beweglichen Schlitten und durch die Steuerung der Bewegung des Brenners so, daß eine ununterbrochene Messung erfolgt und so das Nutz­ signal optimal ausgenutzt wird.

Von der EP-A-84 391 unterscheidet sich das Atomab­ sorptions-Spektrometer nach der Erfindung durch die Vermeidung beweglicher Spiegel und Verlagerung der Flamme des Brenners aus dem Strahlengang des Meß­ lichtbündels.

Von der DE-A-29 50 105 unterscheidet sich das Atomabsorptions-Spektrometer nach der Erfindung dadurch, daß bei Herausbewegen des Brenners aus dem Bereich des Meßlichtbündels statt dessen eine andere Atomisierungsvorrichtung in den Strahlengang des Meßlichtbündels bewegt wird, also keine Drift­ kompensation stattfindet. Eine solche ist dort auch nicht bezweckt. Weiterhin unterscheidet sich das Atomabsorptions-Spektrometer nach der Erfindung von der DE-A-29 50 105 durch die Art der Steuerung des Stellantriebs und die Signalverarbeitung, wie sie in Patentanspruch 1 gekennzeichnet sind.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nach­ stehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Atomab­ sorptions-Spektrometers mit verschieb­ barem Brenner.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Strahlenganges bei dem Atomabsorptions- Spektrometer von Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht des verschieb­ baren Brenners.

Fig. 4 ist eine Ansicht des Brenners von Fig. 3 in Richtung der optischen Achse des Meßlichtbündels gesehen.

Mit 10 ist eine linienemittierende Lichtquelle in Form einer Hohlkathodenlampe bezeichnet. Ein Detek­ tor 12 spricht auf das Licht der Lichtquelle 10 an. Ein (in Fig. 1 nicht dargestelltes) optisches System erzeugt ein von der Lichtquelle 10 ausgehendes, auf den Detektor 12 fallendes Meßlichtbündel 14. Das Meßlichtbündel 14 tritt durch Atomisierungsmittel zur Atomisierung einer Probe und zur Erzeugung einer Atomwolke. Diese Atomisierungsmittel sind hier von einem Brenner 16 gebildet, der unterhalb des Meßlichtbündels 14 angeordnet ist. Das Meß­ lichtbündel 14 tritt dann durch einen Monochromator 18, bevor es auf den Detektor 12 fällt. Der Mono­ chromator 18 wählt eine charakteristische Spektral­ linie aus dem von der Lichtquelle 10 ausgesandten Linienspektrum aus. Das Ausgangssignal des Detek­ tors 12 gelangt auf eine Signalverarbeitungsschal­ tung 20. Ein Mikroprozessor 22 steuert einerseits die Signalverarbeitungsschaltung 20 und empfängt andererseits die von dieser erzeugten Signale zur Datenverarbeitung. Der Mikroprozessor 22 steuert eine Stromversorgung 24 für die Lichtquelle 10 sowie eine Motorsteuerung 26. Die Motorsteuerung 26 steuert einen Stellmotor 28, durch welchen der Brenner 16 aus der dargestellten Lage in die ge­ strichelt gezeichnete Lage außerhalb des Meßlicht­ bündels 14 verschiebbar ist. Die erhaltenen Meß­ werte werden von dem Mikroprozessor 22 auf eine Anzeigeeinheit 30 gegeben.

Fig. 2 zeigt den Strahlengang. Die Lichtquelle 10 in Form einer Hohlkathodenlampe leitet das Meßlicht­ bündel 14 über einen Hohlspiegel 32 und einen Plan­ spiegel 34 durch einen Probenraum 36, der in einem Gehäuse 38 gebildet ist. In dem Probenraum 36 ist der bewegliche Brenner 16 angeordnet, der nach­ stehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 noch näher beschrieben wird. Der Brenner 16 ist unterhalb des Meßlichtbündels 14 angeordnet, so daß das Meßlicht­ bündel bei der dargestellten Lage des Brenners durch die Flamme des Brenners hindurchgeht, in welcher eine Atomwolke der Probe gebildet wird. Nach Durchlaufen des Probenraums 36 wird das Meß­ lichtbündel über einen Hohlspiegel 40 und einen Planspiegel 42 auf den Eintrittsspalt 44 eines Monochromators 46 geleitet. Der Monochromator 46 enthält einen Hohlspiegel 48 und ein Gitter 50. Von dem Gitter 50 gebeugte Strahlung fällt über einen Austrittsspalt 52 des Monochromators 46 auf den Detektor 12.

Der Brenner 16 ist quer zur optischen Achse des Meßlichtbündels 14 in Richtung des Pfeiles 54 zwischen der voll ausgezogen dargestellten ersten Stellung und einer gestrichelt dargestellten zweiten Stellung verschiebbar. In der zweiten Stellung ist der Brenner 16 seitlich von dem Meßlichtbündel 14 angeordnet.

In Fig. 3 und 4 ist der Brenner 16 im einzelnen dargestellt. Der Brenner enthält eine Mischkammer 56 und einen langgestreckten Brennerkopf 58, wobei das Meßlichtbündel 14 in Längsrichtung über den Brennerkopf 58 geführt ist, also waagerecht in der Papierebene von Fig. 3 oberhalb des Brennerkopfes 58 verläuft. Ein Schlitten 60 ist in einer Bewegungs­ richtung 54 gegenüber dem Gehäuse 38 zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verfahrbar. Es sind Mittel 62 zur höhen- und winkelverstellbaren Halterung des Brenners 16 auf dem Schlitten 60 vorgesehen. Die Höhenverstellung kann mittels eines Stellknopfes 64 erfolgen, während eine Winkelver­ stellung durch einen Stellknopf 66 erfolgt. Ein Anschlag 68 legt die erste Stellung des Schlittens 60 fest. Der Schlitten 60 ist durch eine Rückhol­ feder 70 in Richtung auf den Anschlag 68 vorbe­ lastet. Durch den Stellmotor 28 ist der Schlitten 60 gegen die Wirkung der Rückholfeder 70 in die zweite Stellung bewegbar. Der Stellmotor 28 ist dabei auf dem Schlitten 60 angeordnet und weist einen sich in Bewegungsrichtung des Schlittens 60 erstreckenden ausfahrbaren Stößel 72 auf, der sich an dem Anschlag 68 abstützt. Der Anschlag 68 ist mittels eines Stellknopfes 74 einstellbar.

Es kann auf diese Weise die Lage des Brenners in der ersten Stellung genau justiert werden. Bei der Hin- und Herbewegung des Brenners nimmt dieser in der ersten Stellung reproduzierbar wieder eine definierte Lage relativ zu dem Meßlichtbündel 14 ein.

Die Steuerung des Motors 28 kann so erfolgen, daß der Brenner zum Probenwechsel aus dem Meßlicht­ bündel in die zweite Stellung herausgefahren wird. Es erfolgt dann eine Driftkompensation, während sich die Flamme außerhalb des Meßlichtbündels stabilisiert, d. h. sich über eine längere Zeit im wesentlichen konstante Atomwolke in der Flamme ausbildet. Dann wird der Brenner 16 in die erste Stellung zurückgefahren. Es kann dann die Messung erfolgen. Während der Messung erfolgt dabei keine Unterbrechung des Meßlichtbündels, so daß die ge­ samte Energie des Meßlichtbündels für die Messung ausgenutzt werden kann.

Claims (5)

1. Atomabsorptions-Spektrometer enthaltend

• (a) eine linienemittierende Lichtquelle (10)
• (b) einen auf Licht der Lichtquelle (10) ansprechenden Detektor (12),
• (c) ein optisches System (32, 40) zur Erzeugung eines von der Lichtquelle (10) ausgehen­ den, auf den Detektor ( 12) fallenden Meß­ lichtbündels (14),
• (d) einen Brenner (16) zur Atomisierung einer Probe und Erzeugung einer Atomwolke in der Flamme des Brenners (16),
• (e) einen Stellmotor (28) zum Bewegen des Brenners (16 ) zwischen
  • - einer ersten Stellung, in welcher die Atomwolke durch den Brenner (16) im Bereich des stationär verlaufenden Meßlichtbündels (14) gebildet wird, und
  • - einer zweiten Stellung, in welcher der Brenner (16) mit seiner Flamme außerhalb des Bereiches des stationär verlaufenden Meßlichtbündels (14) angeordnet ist, so daß eine von atomisierter Probe unbeein­ flußte Messung erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• (f) der Brenner (16) justierbar auf einem Schlitten (60) angeordnet ist, der durch den Stellmotor (28) in einem Gehäuse (38) zwischen der ersten und der zweiten Stellung beweglich ist,
• (g) der Stellmotor (28) zum Bewegen des Brenners (16) von einer Motorsteuerung (26) so gesteuert ist, daß
  • - der Brenner (16) zum Probenwechsel in die zweite Stellung aus dem Meßlichtbündel (14) herausgefahren und
  • - der Brenner (16) nach Stabilisierung der Flamme in die erste Stellung zurückge­ fahren wird, und
• (h) eine Signalverarbeitungsschaltung (20) so steuerbar ist, daß sie
  • - eine Driftkompensation vornimmt, wenn der Brenner (16) in der zweiten Stellung ist, und
  • - eine Messung der Atomabsorption ohne Unterbrechung des Meßlichtbündels (14) über die gesamte Meßzeit hinweg durchführt, wenn sich der Brenner (16) in der ersten Stellung befindet.

2. Atomabsorptions-Spektrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• (a) einen Anschlag (68), der die erste Stellung des Schlittens (60) festlegt,
• (b) eine Rückholfeder (70), durch welche der Schlitten (60) in Richtung auf den An­ schlag (68) vorbelastet ist, und
• (c) die Ausbildung des Stellmotors (28) zum Bewegen des Schlittens (60) in die zweite Stellung gegen die Wirkung der Rückholfeder (70).

3. Atomabsorptions-Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (28) auf dem Schlitten (60) angeordnet ist und einen sich in Bewegungsrichtung des Schlittens (60) erstreckenden, ausfahrbaren Stößel (72) auf­ weist, der sich an dem Anschlag (68) abstützt.

4. Atomabsorptions-Spektrometer nach Anspruch 3 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (68) einstellbar ist.