Fachbeitrag

Trends in der Elementaranalysentechnik

Dr. Angela Gröbel*)

Bild 5: Flammensensor-Technologie – ein Herzstück des Self Check Systems.
  1. Produktspezialistin, Analytik Jena AG, Konrad-Zuse-Straße 1, 07745 Jena.
Die Analytik Jena AG vereint einzigartige Kernkompetenzen auf den Gebieten der Summenparameter- und Elementaranalytik und der Optischen Spektroskopie. Das Unternehmen zählt nicht nur zu den führenden Anbietern modernster Analysenmesstechnik für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen, sondern ist auch Vorreiter bei der Entwicklung von Messgeräten, basierend auf der langen Tradition der Analysentechnik am Standort Jena.

Seit dem Beginn des Industriellen Zeitalters gewinnt die Notwendigkeit analytischer Untersuchungen rasant an Bedeutung. Denn die Qualität der Produkte kann nur durch eine gewissenhafte Kontrolle der eingesetzten Ausgangsstoffe und erzeugten Zwischenstufen gesteuert werden. Und Qualität ist bekanntlich gleichzusetzen mit Erfolg. Für diesen Zweck haben sich die vielfältigen Techniken der Elementaranalytik als sehr geeignet erwiesen.

Von den Anfängen der Elementaranalyse bis heute hat sich in der Entwicklung viel getan. Die schwerfälligen „fliegenden“ Versuchsaufbauten von einst, die zumeist vom Analytiker selbst entwickelt wurden, sind zu kompakten Analysensystemen geworden, die schneller, sicherer und komfortabler arbeiten, als ihre Vorgänger es je zu tun vermochten. Auch setzen sich zunehmend Methoden durch, die das Arbeiten erleichtern und eine Gefährdung des Anwenders, z.B. durch Strahlungsquellen oder gesundheitlich bedenkliche Betriebsstoffe völlig ausschließen.

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Wo einst für die Bestimmung eines Interessenparameters zumeist nur eine einzige Methode etabliert war (z.B. die Bestimmung des Stickstoffs nach Kjeldahl, die leicht mehrere Stunden in Anspruch nehmen konnte und zusätzlich mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden war), sind heute die gleichen Informationen durch den Einsatz weiterentwickelter Techniken schon in wenigen Minuten verfügbar.

Zur Erzielung optimaler Analysenergebnisse kann man heute, dank des enormen Fortschritts, das für Probenmatrix und Elementgehalt am besten geeignete Analysenkonzept auswählen. Der Entwicklungsprozess ist jedoch noch lange nicht abgeschlossen. Dies wird klar, wenn man die sich stetig ändernden analytischen Anforderungen und die gestiegenen Ansprüche in der täglichen Praxis betrachtet.

Innovative neue Wege beschreiten

Für zukünftige Entwicklungen im Bereich der Summenparameter- und Elementaranalysensysteme zeichnet sich deshalb eine Tendenz besonders deutlich ab: Maximumprinzip – mit den zur Verfügung stehenden Mitteln ein Maximum an Nutzen erzielen. Speziell für die Elementaranalytik bedeutet das, mit nur einem Analysensystem in kürzester Zeit verschiedene Elemente und Summenparameter vollautomatisch und simultan zu bestimmen.

Anwender wünschen sich für einen solchen Multielementanalysator eine einfache und bedienerfreundliche Gerätesoftware, systemintegrierte Sicherheitssysteme, allen Anforderungen gewachsene Detektionssysteme und einen hohen Grad an Automatisierbarkeit und Ergebnissicherheit. Die Eignung des Systems für alle möglichen Elementgehalte, von wenigen ppb bis hin zu Massenprozent, und Probenmatrices, egal ob Flüssigkeiten, Feststoffe, Gase oder LPG-Proben, wird dabei vom Anwender als selbstverständlich vorausgesetzt.

Ein Multitalent oder viele Spezialisten?

Klassische Elementaranalysatoren sind in ihren Einsatzmöglichkeiten auf einen streng begrenzten Applikationsbereich spezialisiert, so zum Beispiel entweder auf die Bestimmung von Elementgehalten im Makro- oder im Spurenbereich.

Die elementspezifischen Messkanäle sind dabei zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit auf eine minimale Spannweite reduziert. Höher konzentrierte Proben können deshalb nicht ohne aufwändige Vorbehandlung untersucht werden. Doch ein zusätzlicher Verdünnungsschritt stellt nicht nur ein Mehraufwand an Arbeit und Betriebskosten dar, sondern ist immer auch eine mögliche Quelle für fehlerhafte Ergebnisse. Die applikativen Fähigkeiten des Bedienpersonals und die Qualität der verwendeten Betriebsmittel spielen ebenfalls eine wesentliche Rolle.

Auch können nur ein, maximal zwei Elemente in einem Zyklus analysiert werden. Alles darüber hinaus erfordert den zeitraubenden Umbau des Messsystems oder den Einsatz zusätzlicher Analysegeräte. Kurzum, die Technik ist mehrheitlich mit ihrem aktuellen Stand in ihrer Arbeitsweise sehr aufwändig und unflexibel. Sie kann den Bedürfnissen der Branche nicht mehr folgen.

Moderne Entwicklungen von Elementaranalysatoren entsprechen hingegen dem Trend: Weitbereichsdetektionssysteme, die dank ihrer hohen Linearität sowohl für die Arbeit im Bereich der Ultra-Spurenanalytik als auch im Bereich der Makro-Elementaranalyse einsetzbar sind.

Eine manuelle oder elektronische Anpassung der Detektoren an die Probenkonzentrationen oder eine aufwändige Probenvorbehandlung ist nicht erforderlich. Dank innovativer Hardwarelösungen können diese neuartigen Detektoren auch simultan und sequenziell betrieben werden. Das ermöglicht die Bestimmung von bis zu vier verschiedenen Elementen bzw. Summenparametern in nur einem Analysezyklus. Für den Anwender bedeutet das ein 4faches an Effizienz durch echte Multielementanalyse.

Entwicklungsziel: Der maßgeschneiderte Alleskönner

Besonders in kommerziellen Laboratorien wünscht man sich sehnlichst vielseitige Systeme die, ohne verwirrende Funktionen, exakt den Erfordernissen der Messaufgaben entsprechen. Wie beispielsweise schon beim Autokauf zum Standard geworden, möchte man sich auch hier sein eigenes, auf die persönlichen Aufgabenstellungen maßgeschneidertes System zusammenstellen. In der Vergangenheit waren Elementaranalysatoren zumeist für die Ermittlung eines einzigen Parameters in ausgewählten Probenmatrices konfiguriert. Die Bestimmung weiterer Elemente in artfremden Matrices, wenn überhaupt möglich, konnte erst nach aufwändigem Umbau des gesamten Analysesystems erfolgen. Zumeist waren aber zusätzliche platzraubende Apparate erforderlich. Damit wuchs der Umfang der erforderlichen Geräte und mit ihm die Betriebskosten stetig. Zur Lösung dieses nicht zu unterschätzenden Problems kann die modulare Bauweise erheblich beitragen.

Die Aufspaltung der komplexen Struktur klassischer Elementaranalysatoren in die vier Hauptkomponenten – Detektion, Probenaufschluss, Probengabe, Datenverarbeitung – erlaubt dem Anwender eine individuelle Konfiguration seines Messsystems, entsprechend den Anforderungen relevanter Standardmethoden bzw. den Erfordernissen seiner Probenmatrices. Ein weiteres Plus des modularen Prinzips ist die spätere Erweiterungsmöglichkeit durch zusätzliche Detektions- und Probengabesysteme. Darüber hinaus kann ein solches Gerätesystem für eine optimale Ausnutzung der Kapazität des Labors auch für andere Analyseaufgaben verwendet werden.

Selbst futuristisch anmutende Möglichkeiten, wie die Konversion des Verbrennungssystems vom vertikalen in den horizontalen Betriebsmodus und umgekehrt, sind dank der modularen Bauweise und innovativer Entwicklungen wie der Double Furnace Technologie zur analytischen Realität geworden.

Ein neuer Kollege – selbständig, zuverlässig, hilfsbereit

Vor allem durch Rationalisierungsbestreben spielt die Bedienerfreundlichkeit eine noch wichtigere Rolle als bisher. Eine klar strukturierte, überschaubare Steuerungs- und Auswertesoftware mit einer reichhaltigen Methodenbibliothek an gebrauchsfertigen Methoden ist gleichermaßen für den derzeitigen Trend kennzeichnend wie Platz sparende Stand-alone-Versionen mit integriertem Touchscreen für eine komfortable Bedienung.

Die zunehmend selbstständige Software wird mehr und mehr zum persönlichen Assistenten und zum Sicherheitsbeauftragten. Die intuitive Benutzerführung begleitet den Anwender vom Systemstart bis hin zum Abschalten des Messgerätes durch alle relevanten Menüpunkte und optimiert für jede Analyse vollautomatisch alle wichtigen Prozessparameter. Dadurch können selbst Anwender ohne Spezialkenntnisse einfach und schnell zu korrekten Messergebnissen gelangen.

Doch Anwender legen nicht nur Wert auf eine komfortable Bediensoftware, auch die automatische Überwachung und Steuerung aller für einen störungsfreien und sicheren Betrieb relevanten Systemkomponenten via Self Check System sowie die Prüfung der Analysenqualität und Systemperformance stehen im Brennpunkt des Interesses.

Die Zeit ist reif

Neue Aufgaben und Herausforderungen werden auf die Analytiker zukommen – die Analysensysteme müssen mit ihnen wachsen! Sie werden ihnen im zunehmenden Maße die Arbeit erleichtern und helfend zur Seite stehen.

Das Resümee aktueller Tendenzen: Der Analysator der Zukunft muss ein echter Multielementanalysator für die vollautomatische, simultane Bestimmung von Elementgehalten und Summenparametern in verschiedensten Probenmatrices sein, mit dem selbst die Untersuchung der unterschiedlichsten Konzentrationen von wenigen ppb bis hin zu Massenprozent schnell und präzise, ohne zusätzliche Probenvorbereitung oder Systemanpassung gelingt. Die neue Generation der Elementaranalysatoren von Analytik Jena verwirklicht die Trends in einer Serie – multi EA®.

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