Post on 02-Feb-2021
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Wie neue Spektrometer- Technologien Betriebskosten substanziell senken
Einführung
Die optische Emissionsspektrometrie mit induk-tiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) wird weltweit für die Elementanalyse in Umwelt-, Industrie- und wissenschaftlichen Laboren eingesetzt. Die-se grundlegende spektroskopische Technologie ist in der Lage, so ziemlich alles zu analysieren – von Böden und Schlämmen, über (Ab)wasser bis hin zu Materialien, die aus Industriepro-zessen stammen. Sie hilft dabei, die Erfüllung gesetzlicher Regularien sicherzustellen, begleitet Umweltschutzmaßnahmen und unterstützt indus-trielle Forschung und Produktionsprozesse.
Wenn es darum geht, ein ICP-OES-Gerät für eine bestimmte Aufgabenstellung auszuwählen, spielen zwei Kriterien eine wichtige Rolle. Viele unabhängige Labore – insbesondere diejenigen, die auf Umweltanwendungen spezialisiert sind – benötigen eine adäquate Leistungsstärke und darüber hinaus vor allem Messempfindlichkeit und Schnelligkeit. Ihnen geht es hauptsächlich
EIN WHITE PAPER VONSPECTRO ANALYTICAL INSTRUMENTS
darum, ein Gerät auszuwählen, dass die höchst-mögliche Anzahl an Analysen pro Schicht be-werkstelligen kann. Dagegen kommt es anderen Anwendern – einschließlich vieler industrieller Forschungslabore – hauptsächlich auf Stabilität und analytische Präzision an.Beide Gruppen eint jedoch das Ziel, die Kosten nicht ausufern zu lassen. Dies ist allerdings nicht so einfach, da die meisten derzeit auf dem Markt befindlichen ICP-OES-Geräte eine Vielzahl an – offenen und versteckten – Betriebs- und Wartungsausgaben mit sich bringen, was die Gesamtkosten spürbar steigen lässt. Durch einige neuartige Verbesserungen im Bereich der herkömmlichen Spektrometer-Tech-nologien lassen sich diese Ausgaben heute jedoch redu zieren oder sogar beseitigen. Dieses Whitepaper untersucht, wie technische Innova-tionen im Bereich der ICP-OES-Technologie die Kosten signifikant reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern können.
Das Problem traditioneller ICP-OES-Geräte
Nicht wenige Anwender beklagen sich
darüber, dass einige typische Eigen-
schaften herkömmlicher ICP-OES-Spek-
trometer bei ihnen zu beträchtlichen
Problemen und Kosten führen. Gerade
bei älteren Geräten kommt es immer
wieder zu übermäßigem Wartungs- und
Reparaturaufwand. Ganz zu schweigen
von regelmäßigen Ausfallzeiten, die sich
negativ auf die Erlöse auswirken.
Aber auch neuere Spektrometer können
solche (teuren) Probleme verursachen,
wenn sie auf herkömmlichen Techno-
logien basieren. Diese Probleme sind
häufig in den Schwächen der Gerätekon-
struktion begründet, wie sie im Folgen-
den beschrieben werden.
Kosten für Optikspülung
Konventionelle ICP-OES-Geräte sind
zumindest auf ein teures Verbrauchs-
material angewiesen: Sie müssen
konstant mit Spülgas versorgt werden.
Bestimmte, häufig zu analysierende
Elemente (einschließlich nahezu aller
Nichtmetalle) erfordern Messungen
unterhalb von 200 Nanometern (nm)
im Vakuum-UV-Bereich. Konventionelle
Geräte sind offen konstruiert, sodass
sich Umgebungsluft in den Lichtwegen
befindet. Dadurch wird die Intensität der
Emissionslinien unter 180 nm durch die
in der Luft enthaltenen Sauerstoff- und
Wasser-Moleküle stark reduziert. Aus
diesem Grund müssen diese Geräte vor
Arbeitsbeginn mit Argon oder Stickstoff
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gespült werden, um die Luft aus der
Optik zu entfernen. Dieser Pro zess kann
bis zu zwei Stunden dauern.
Die meisten Labore sind aber nicht
bereit, diesen Verlust an Produktivität
hinzunehmen. Daher spülen sie ihre
Geräte konstant mit Gas, auch wenn
das System zeitweise gar keine Proben
analysiert – ganz einfach, um die stän-
dige Bereitschaft sicherzustellen. Diese
„Standby-Spülung“ verbraucht pro
Minute etwa einen Liter des Spülgases.
Allein die Ausgaben für Spülgas können
sich so innerhalb eines Jahres auf bis zu
mehrere Tausend Euro summieren. Die
ständige Gasspülung birgt zudem das
Risiko, dass das optische System durch
Verunreinigungen im Gas kontaminiert
wird, was zu weiteren Ausfallzeiten und
Reparaturen führt.
Kosten für Kühlung
Da Plasmas beträchtliche Mengen an
Wärme erzeugen, benötigen herkömm-
liche ICP-OES-Geräte ein externes
Kühlsystem, die wiederum recht kost-
spielig ist. Und oft ist sie der Grund für
Beschwerden von Anwendern konven-
tioneller Spektrometer. Sie erhöht die
Komplexität des Systems und ist anfällig
für Lecks, welche Störungen der teu-
ren Gerätekomponenten, wie z.B. des
Plasmagenerators oder der Arbeitsspu-
le, verursachen können. Eine solche
Kühlung erfordert oftmals regelmäßige
Wartung und stellt immer wieder die
Ursache für Systemausfälle dar. Wenige
solcher Kühlsysteme überdauern ihre
Spektrometer. Stattdessen erfordern sie
oftmals einen frühzeitigen (und teuren)
Austausch.
Die größten Kopfschmerzen dürften
allerdings die direkten Kosten bereiten.
Ein Kühlsystem kann leicht an die 4.500
Euro kosten – nicht gerade unbeträcht-
liche Mehrkosten zum Basispreis eines
Spektrometers. Und die Energiekosten
für eine solch energieintensive Kom-
ponente lassen die Betriebskosten des
Geräts spürbar ansteigen.
Kosten von Instabilität und geringerer Messmpfindlichkeit
Das Herzstück eines Spektrometers ist
das optische System. Konventionelle
Optiken, die immer noch in der Mehrzahl
der heutigen Spektrometer eingesetzt
werden, verwenden Beugungsgitter des
Echelle-Typs (französisch für „Leiter“,
was das spezielle Muster dieses Gitters
beschreibt). Echelle-basierte Geräte
haben ihre Leistungsfähigkeit für eine
Reihe von Applikationen in Laboren
weltweit unter Beweis gestellt. Aller-
dings weisen sie bei einigen Anwen-
dungen bestimmte Beschränkungen auf,
die in ihrer Technologie begründet sind
und teilweise zu einem eher mäßigen
Resultat führen.
Erstens: Die Art und Weise, wie ein
Echelle-basiertes Spektrometer Spek-
trallinien verarbeitet, macht es anfällig
für Interferenzen. Dies gilt vor allem für
linienreiche Spektren. Streulicht von Re-
flexionen, die durch die systembedingte
Vielzahl an optischen Komponenten ver-
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ursacht werden, erhöht das Untergrund-
signal und beeinträchtigt die Messemp-
findlichkeit. Sowohl Streulicht als auch
Interferenzen führen also dazu, dass es
mit der Echelle-Technologie schwieriger
ist, Matrices mit linienreichen Spekt-
ren, wie die von Metallen oder einigen
organischen Stoffen, zufriedenstellend
zu analysieren.
Ein zweiter Nachteil ist die sehr wellen-
längenabhängige Auflösung von Echel-
le-Systemen. Sie bieten eine höhere
Auflösung im 200-Nanometer-Bereich,
aber eine geringere Auflösung ober-
halb von 300 Nanometern. Dies macht
das Arbeiten mit linienreichen Matrices
noch schwieriger und erfordert unter
Umständen weitere Verarbeitungsschrit-
te – was wiederum mehr Zeit, Aufwand
und Ausgaben mit sich bringt. Beispiels-
weise wird ein Anwender, der mit einem
Spektrometer mit konventioneller Optik
eine Bodenprobe mit einem höheren
Aluminiumgehalt analysieren möchte,
Probleme haben, Blei im ppb-Bereich
(parts per billion) richtig zu bestimmen.
In einem Echelle-basierten System wird
die Emissionslinie von Blei bei 220,3 nm
von der von Aluminium bei 220,4 nm
beeinflusst. Ein intelligentere Optikkon-
struktion erlaubt dagegen die Nutzung
der weniger beeinflussten Blei-Linie bei
168 nm.
Ein dritter Konstruktionsmangel ist die
Tatsache, dass die optischen Systeme in
allen konventionellen, Echelle-basierten
ICP-OES-Spektrometern vier bis acht
Reflektions- bzw. Transmissionskompo-
nenten (Spiegel, Prismen etc.) beinhal-
ten. Dabei verringert sich die vorhan-
dene Lichtmenge bei jeder Reflektion
oder Transmission. Die meisten Systeme
versuchen diese Verluste durch be-
stimmte Maßnahmen zu kompensieren,
aber ein gewisser Lichtverlust verbleibt
und verringert die optische Empfindlich-
keit dieser Geräte.
Kritisch wird das Problem im UV/VUV-
Bereich unter 190 nm. Der Verlust an
Messempfindlichkeit beeinträchtigt hier
die Leistung eines Echelle-Systems bei
bestimmten Wellenlängen und ihrer ent-
sprechenden Elemente (Aluminium bei
etwa 167 nm, Blei bei 168 nm, Phosphor
bei 177 nm, Schwefel bei 180 nm usw.).
Eine weitere Herausforderung besteht
darin, dass die bereits erwähnte offene
Bauweise von Echelle-Optiken durch die
hierdurch notwendige Gasspülung auch
negative Auswirkungen auf die Mess-
stabilität hat. Denn jegliche Änderung
des Drucks der Umgebungs atmosphäre
spiegelt sich innerhalb des optischen
Systems wider und ändert den Bre-
chungsindex. Dies führt zu einer Wellen-
längen-Drift, die einen negativen Effekt
auf die Messergebnisse haben kann.
Zu guter Letzt erschweren bei der Aus-
wahl eines geeigneten Spektrometers
die beschriebenen Beschränkungen
der Echelle-Optiken die Auswahl der
optimalen Plasmabetrachtungsart. Bei
konventionellen Systemen mit radialer
Plasmabetrachtung ist eine signifikan-
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te Anzahl an Elementen mit Konzen-
trationen im Spurenbereich oft nicht
mehr messbar. Somit ist der Anwender
gezwungen, (stattdessen oder zusätz-
lich) ein empfindlicheres axiales oder
sogar Dual-View-System zu kaufen, auch
wenn diese eine geringere Stabilität und
Matrix-Kompatibilität aufweisen. Zudem
benötigen sie aufgrund der höheren
Komplexität mehr Wartung und Reini-
gung und verursachen somit höhere
Kosten.
Weitere Problemfelder
Konventionelle Spektrometer weisen
noch einige andere Schwächen auf. So
sind ihre Generatoren oftmals nicht stark
genug, um die Leistung zu erbringen,
die heute im Routinebetrieb erforderlich
ist. In analytischen Situationen mit hoher
Plasmalast oder bei Probentypen mit
sehr unterschiedlichen Matrices können
konventionelle Spektrometer deshalb
schnell an ihre Grenzen stoßen. Dies
kann zu einer deutlichen Reduzierung
des Probendurchsatzes führen.
Außerdem erschweren oftmals kom-
plexe Software und Betriebsroutinen
solcher Spektrometer das Erlernen der
Anwendung. Entsprechend höher ist der
Trainingsaufwand. Auch das wirkt sich
negativ auf die Produktivität im Labor
bzw. in industriellen Anwendungen
aus. Darüber hinaus führen die oben
beschriebenen konstruktionsbedingten
Schwächen zu einem erhöhten Risiko für
kostspielige Fehler.
Zusammengenommen führen die ver-
steckten Wartungs- und Betriebskosten
schnell zu einer Verdreifachung der tat-
sächlichen Gesamtkosten eines konven-
tionellen Spektrometers.
Neues Design und substanzielle Ersparnis
Erfreulicherweise konnten die beschrie-
benen Probleme durch eine Reihe tech-
nischer Innovationen beseitigt werden.
Moderne Systeme haben die Nachteile
einer konventionellen Konstruktion
überwunden, um Tag für Tag konsistente,
schnelle und kostengünstigere Ergebnisse
zu liefern.
Ein Beispiel hierfür ist das ICP-OES-Spek-
trometer SPECTROBLUE von SPECTRO
Analytical Instruments. Dieses leistungs-
fähige Gerät hat neue Maßstäbe gesetzt
in puncto einfachen Betrieb, geringen
Wartungsaufwand und Bezahlbarkeit.
Viele Anwender berichten, dass die im
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SPECTROBLUE eingesetzte innovative
Technik die zuvor beschriebenen Proble-
me beseitigt und so einen hohen Pro-
bendurchsatz ermöglicht – und das bei
spürbar geringeren Betriebskosten.
Mit UV-Plus den Spülgas- verbrauch eliminieren
Das einzigartige, hermetisch geschlossene
optische System kommt ohne konstante
Spülung mit Argon oder Stickstoff aus.
Somit entfallen sowohl die Kosten für
Spülgas als auch die damit einhergehen-
den Wartezeiten bis zum Erreichen eines
stabilen Zustands.
Stattdessen ist das System permanent mit
Argon gefüllt, welches durch ein Filter-
system zirkuliert. Auf diese Weise können
die Anwender das Gerät jederzeit nach
Belieben nutzen, auch gleich zu Beginn
der jeweiligen Schicht und ohne die durch
eine Gasspülung entstehenden Verzöge-
rungen. Dabei erreicht das Spektrometer
extrem stabile Analyse-Ergebnisse und
eine exzellente Leistung im Vakuum-UV-
Bereich. Ausgehend von einem Verbrauch
von 600 Kubikmetern Spülgas pro Jahr,
spart diese Technologie jährlich knapp
3.500 Euro an Kosten für Spülgas.
Keine externe Kühlung
Durch die verbesserte Spektrometer-
Technologie entfällt die Notwendigkeit
für Kauf, Installation, Wartung und Be-
trieb eines separaten, externen, wasser-
basierten Kühlsystems. Stattdessen ist
das SPECTROBLUE eines der wenigen
derzeit erhältlichen Spektrometer, die
eine innovative, patentierte luftgekühlte
Technologie nutzen.
Simpel in der Konzeption, erfordert
dieser Ansatz deutlich weniger Wartung
und verursacht weniger Stillstand als
herkömmliche Konstruktionen. Er spart
die ständig steigenden Energiekosten
wasserbasierter Kühlsysteme und besei-
tigt die Gefahr von Lecks und Korrosion.
Dies führt wiederum zu weniger Ausfäl-
len und vermeidet somit die Notwen-
digkeit eines kostspieligen, frühzeitigen
Austausches.
Hohe Messempfindlichkeit und Stabilität
In vielen analytischen Anwendungen
werden Leistungskennzahlen (wie Mes-
sempfindlichkeit oder Stabilität), welche
auch Auswirkungen auf die Betriebskos-
ten haben, durch Innovationen im Be-
reich der Optiktechnologien beeinflusst.
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Ein Beispiel: SPECTRO-Analysegeräte
wie das SPECTROBLUE nutzen ein
einzigartiges Optik-Design, das als
„Optimierte Paschen-Runge-Aufstellung
(ORCA Polychromator)“ bekannt ist.
Hierbei handelt es sich um eine optische
Anordnung mit einem konkaven Gitter,
das den Lichtverlust bei der Beugung
minimiert.
Echelle-basierte optische Systeme nut-
zen die in den 90er Jahren entwickelten
CCD/CID-Technologien (Charge Coupled
Device/Charge Injection Device), wel-
che auf zweidimensionalen Sensoren
basieren. Im Gegensatz dazu schöpft
die ORCA Polychromator-Technik den ge-
samten Vorteil linearer Detektoren aus.
Ein solches ORCA Polychromator-basier-
tes optische System beinhaltet 15 lineare
CCD-Detektoren, die in zwei Aluminium-
guss-Hohlkörper eingebaut sind und den
Wellenlängenbereich von 165 bis 770 nm
abdecken. Dies ermöglicht die Erfassung
des gesamten relevanten Spektrums ei-
ner Probe innerhalb von vier Sekunden.
Die wichtigsten ORCA Polychromator-
Eigenschaften sind: Messempfindlichkeit
über einen größeren Spektralbereich
und exzellente Langzeitstabilität dank der
eliminierten Optikspülung.
Wie bereits erwähnt kann die Entschei-
dung für einen bestimmten Spektrome-
ter-Typ auch von der Qualität des jewei-
ligen Optiksystems abhängen. In vielen
industriellen Anwendungen haben es die
Anwender oft mit hohen Konzentrationen
des jeweiligen Zielelements zu tun. Für
diese Art von Arbeit entscheiden sich die Schematische Darstellung des SPECTROBLUE
Keine externe Kühlung notwendig
Anwender in der Regel für ein Modell
mit radialer Betrachtungsweise und da-
mit für höhere Präzision, aber niedrigere
Messempfindlichkeit.
Sobald dann aber Konzentrationen
im Spurenbereich untersucht werden
müssen, erweisen sich konventionelle
Echelle-basierte radiale Systeme schnell
als inadäquat. Stattdessen benötigt man
in diesem Fall ein axiales Modell mit
höherer Empfindlichkeit (welche aller-
dings den Nachteil geringerer Präzision,
Stabilität und Matrix-Kompatibilität,
größerer Komplexität sowie höheren
Wartungsaufwands und Betriebskosten
haben). Oder man entscheidet sich für
ein Dual-View-Gerät, das beide Vorteile
bietet. Jede dieser Alternativen bedeutet
jedoch zusätzliche Kosten.
Mit dem SPECTROBLUE muss diese
Wahl nicht getroffen werden. Denn
ORCA Polychromator-basierte Optiken
bieten ungewöhnlich niedrige Nach-
weisgrenzen, die sogar in der radialen
Betrachtungsweise eine ausreichende
Empfindlichkeit im Spurenbereich bei
gleichzeitig hoher Präzision bieten. In
allen drei Versionen des SPECTROBLUE
– axial, radial und Twin-Interface – ver-
fügen ORCA Polychromator-Optiken
über einen direkten, lichtstarken Strah-
lengang mit minimalem Lichtverlust und
maximaler Trennung der Spektrallinien.
Diese und andere technische Innovatio-
nen verbessern die Messempfindlichkeit
und Stabilität und ermöglichen es dem
System, linienreiche Spektren leichter
zu verarbeiten, die Messgenauigkeit
zu steigern und teure Nacharbeiten zu
reduzieren.
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Weitere Vorteile
Innovative Spektrometer-Technologien
bieten noch weitere attraktive Vorteile. Ein
robustes Generator-Design bietet große
Energiereserven, sodass es sich auch bei
extremen Plasmalasten an schnell ändern-
de Anforderungen anpassen kann. Stark
schwankende Anteile an organischen Stof-
fen, wie sie bei der Analyse von Abwasser
vorkommen, und die damit verbundene
hohe Plasmalast verkraftet der Generator
problemlos – ohne lästige und kostspielige
Verzögerungen bei der Analyse.
Proprietäre Technologie, wie sie beim
SPECTROBLUE zum Einsatz kommt, er-
möglicht eine Wellenlängennormalisierung
mit nur einer Probe. Insbesondere große
Organisationen mit vielen Standorten
profitieren hiervon, da dieselbe Methode
auf dem gleichen Spektrometer-Modell
an verschiedenen Standorten betrieben
werden kann – mit einem identischen
Setup und ohne dass Analysemethoden
lokal entwickelt werden müssen. Auf diese
Weise lässt sich ein Gerätetyp sehr einfach
standardisieren, was vergleichbare Ergeb-
nisse und Kostenersparnisse bedeutet.
Zu guter Letzt sorgen eine intuitive Bedie-
nung und innovatives Design dafür, dass
Installation, Betrieb und Wartung einfacher
und kostengünstiger sind. So ermöglicht
beim SPECTROBLUE ein einfacher Zugang
zum Probeneintragssystem eine unkompli-
zierte Wartung. Die Software ist intuitiv und
leicht zu erlernen, was wiederum Schu-
lungszeiten und -kosten reduziert.
Schlussfolgerung
Herkömmliche Spektrometer haben eine Reihe von Nachteilen, die in ihrer Konstruktion
begründet sind. Angesichts innovativer Technologien, die in modernen Modellen wie dem
SPECTROBLUE die Leistung und Benutzerfreundlichkeit deutlich verbessern, gehören
viele dieser Nachteile – einschließlich der damit einhergehenden Kosten – inzwischen der
Vergangenheit an.
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