Photoakustische Spektroskopie

Inge Lise Olsen, Maria Olsen

Im Headspace-System wird die Gasprobe aus dem Luftraum oberhalb der Flüssigkeit entnommen. Grundlage für das Headspace-Prinzip ist das Henry-Gesetz. Über diesen Zusammenhang lässt sich die in der Flüssigkeit vorliegende Konzentration des organischen Stoffes bestimmen. Die Konzentration in der Gasphase wird mit photoakustischer Spektroskopie (PAS) ermittelt.

Auf dem Gebiet der Headspace-Analyse bietet die photoakustische Spektroskopie mehrere Vorteile. Durch das kleine Messkammervolumen (3 ml) ist die Probengröße gegenüber herkömmlichen IR-Verfahren wesentlich reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die PAS in der Detektion unabhängig von der Wellenlänge des anregenden Lichtes ist. Photoakustische Systeme messen die Absorption direkt, während Transmissions-Messgeräte indirekt messen. Als Folge davon zeigen photoakustische Geräte eine sehr gute Basislinien-Stabilität. Sie sind zudem unempfindlich gegenüber Schwingungseinwirkungen. Die integrierte Software sorgt für die Justierung des optischen Messsystems.

Die Abbildung zeigt den Aufbau des Online-Headspace-Systems. Das Abwasser wird über eine Pumpe (P1) mit bekanntem Durchsatz zum Sammelbehälter (T1) geleitet. Der Sammelbehälter sorgt dafür, dass Schaum und Partikel nicht in den Headspace-Behälter (T2) gelangen. Der zum Headspace-Behälter geführte Flüssigkeitsstrom wird im Heizelement (He) auf eine definierte Temperatur erwärmt. Eine weitere Pumpe (P2) wälzt die Luft im Headspace-Behälter um. Die Systemkomponenten wie Pumpen, Ventile und Heizelemente werden über einen PC mit Anwendungssoftware gesteuert. Der Gasanalysator 1301 ist ein IR-Spektrometer mit Fourier-Transformation (FTIR) und beruht auf einer photoakustischen Messkammer. Mit dem Gasanalysator 1301 lassen sich IR-Spektren im Bereich 4000 bis 650 1/cm erfassen. Die Bestimmung der Konzentration im Wasser aus dem IR-Spektrum der Luftprobe erfolgt über Chemometrie (multivariate Kalibrierung).

Der Begriff der multivariaten Kalibrierung ist mit dem Ziel verbunden, die Wirklichkeit aus latenten Variablen zusammengesetzt zu betrachten. Diese Variablen lassen sich nicht direkt erfassen, sondern nur indirekt mit Hilfe einer Vielzahl von messbaren Variablen charakterisieren. Die Analogie zur Kalibrierung besteht darin, dass nicht nur ausgewählte Signale aus einem Spektrum untersucht werden, sondern das Gesamtspektrum verwendet wird, um die in den Daten enthaltenen latenten Signale zu kodieren.

Bei der Kalibrierung wird ein chemometrisches Modell aufgebaut, dessen Ausgangspunkt Spektren von Mischungen bilden, die die zu messenden Substanzen in bekannter Menge enthalten. Bei der Online-Messung wird das aufgenommene Spektrum anschließend mit dem Modell verglichen. Die Konzentration der gewünschten Substanzen lässt sich mit der Online-Chemometriesoftware ermitteln, die in der Anwendungssoftware integriert ist.

Die Anwendungssoftware ermöglicht, die Konzentrationen von bis zu 12 Substanzen als Säulen mit Alarmgrenzen für jeden einzelnen Stoff anzugeben. Auch die Anzeige der Konzentration über der Zeit in Kurvenform ist möglich. Ein Fenster kann fünf Substanzen gleichzeitig anzeigen, und es können mehrere Fenster gleichzeitig geöffnet sein. Die Alarmfunktion gibt im Überwachungsbild oder mit Hilfe des Alarmsymbols einen Überblick über die Alarme. Das Alarmsymbol ist immer auf dem Bildschirm sichtbar. Bei einem Alarm ändert sich die Farbe je nach Alarmtyp. Es ist möglich, einen akustischen oder visuellen Alarm an das System anzuschließen.

Halle 7.0, Stand H8

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