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Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) - Anwendung

Leistungsbreite der Messmethode 2: Nachweisgrenzen

Definition der Nachweisgrenze

Als Nachweisgrenze N W G   wird in der Analytik das Signal definiert, bei dem der Pegel um das Dreifache der Standardabweichung s B   über dem Blindwert w B liegt:

Abb.1
Definition der Nachweisgrenze
N W G = w B + 3 s B

Die Nachweisgrenze entspricht also einem Signal-Rausch-Verhältnis von 3:1. Der Blindwert wird zum einen wesentlich durch elektrisches Rauschen in Detektor und Verstärker verursacht, kann aber auch aus Spurenverunreinigungen im AAS-Gerät selber sowie in den verwendeten Lösungen resultieren. Die Analytkonzentration, die ein Signal in Höhe der Nachweisgrenze erzeugt, gilt als die gerade noch verlässlich nachweisbare Minimalkonzentration.

Diese Minimalkonzentration ist je nach Element verschieden, bewegt sich jedoch generell in der Größenordnung von einigen µg/L, also im ppm-Bereich. Für manche Anwendungen, etwa der Reinststoffanalyse oder der Umweltanalytik, reicht diese Empfindlichkeit jedoch nicht aus, weil hier oft Spuren im ppb-Bereich zu bestimmen sind. Für diese Fälle kann die Graphitrohr-AAS als Alternative zur herkömmlichen Flammen-AAS dienen.

Graphitrohr-AAS

Bei diesem Verfahren wird die Probe nicht in einer Flamme verdampft und atomisiert, sondern in einem kleinen Graphitrohr, das unter Schutzgas durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht wird. Die Nachweisgrenzen bei der Graphitrohr-AAS liegen um 2 bis 3 Größenordnungen unter der Flammen-AAS, weil die Atome sich innerhalb des Graphitrohres befinden und dort für längere Zeit für die Messung zur Verfügung stehen, im Gegensatz zum Flammenverfahren, bei dem die Analytatome durch den Gasstrom verdünnt und aus der Flamme getragen werden.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Konzentrationsbereiche an der Nachweisgrenze für eine Reihe von Elementen, wobei die Werte im Einzelnen immer von Faktoren wie Gerätetyp, Matrix usw. abhängen:

Tab.1
Minimalkonzentrationen an der Nachweisgrenze
ElementFlammen-AAS [µg/L] Graphitrohr-AAS [µg/L]
Ag 1-2 0,001-0,01
Al 30 0,02-0,25
As 20-150 0,1-0,6
Au 6 0,2
B 500 43
Ba 10-20 0,8
Bi 20 0,2
Ca 1 0,1
Cd 0,5-10 0,001-0,01
Cu 1-20 0,02-0,04
Fe 5-50 0,03
Hg 200 0,001-7,5
K 1 0,004
Mg 0,1 0,008
Ni 2-10 0,1000
P 40000 110
Pb 10-100 0,02-0,3
Se 100 2
Sn 20 0,2
W 1000 -
Ti 100 2,5
Tl 15 0,025
Zn 1-10 0,0005-0,002
Zr 1000 -

Vergleich von Flammen- und Graphitrohrverfahren

Neben der höheren Empfindlichkeit hat die Graphitrohr-AAS den Vorteil, mit sehr geringen Probenvolumina im Bereich 5-50 µl auszukommen, während bei der Flammen-AAS typischerweise einige hundert µl Probe eingesetzt werden müssen. Dadurch wird eine absolute Empfindlichkeit in der Größenordnung von 10 13  g erreicht.

Die Nachteile des Graphitrohr-Verfahrens sind eine geringere Präzision von typischerweise ± 5 10   %   gegenüber ± 1   %   bei der Flammen-AAS, und eine erheblich größere Empfindlichkeit gegenüber Matrix-Effekten. Insbesondere organische Stoffe in der Probe können die Verdampfung im Graphitrohr stark beeinflussen.

Der Zeitaufwand bei der Graphitrohr-AAS ist gegenüber der Flammen-AAS etwas größer; ein Messzyklus mit Trocknen, Veraschen und Verdampfen der Probe im Graphitrohr dauert circa zwei Minuten. Jedoch eignen sich beide Verfahren gut für die schnelle serielle Messung einer Vielzahl von Proben, wobei automatische Systeme zur Probenaufgabe den Ablauf zusätzlich beschleunigen. Der limitierende Faktor ist der notwendige Wechsel der Hohlkathodenlampe (HKL), wenn mehr als ein Element in den Proben bestimmt werden soll. Eine gewisse Abhilfe schaffen hier Mehrelement-Lampen, deren Hohlkathode aus verschiedenen Elementen besteht, wodurch diese Analyte nacheinander ohne Lampenwechsel bestimmt werden können. Solche Lampen existieren zum Beispiel für die Kombinationen Ca/Mg oder Cu/Pb/Zn, haben jedoch in der Regel eine etwas geringere Lebensdauer als einfache HKL.

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