Advances and Applications of Molecular Absorption Spectrometry: from Non-Metals to Isotope Analysis

  • The present work covers two main aspects of high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS), an analytical technique for elemental trace analysis. First, a comprehensive mechanistic study of molecule formation in graphite furnaces is presented, which is a key step into the recovery of analytical signals. For this, the molecule formation of CaF was studied, which is used for the indirect analytical determination of fluorine in HR-CS-GFMAS. A zirconium coating catalyzes the CaF formation, and its structure was investigated. The kinetics of this reaction was established by monitoring its molecular spectrum at different atomisation temperatures. An Arrhenius plot showed a pseudo-first order reaction with respect to fluorine (n = 1). An intermediate state was isolated, and its structure was elucidated by spectroscopic methods: scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), X-ray photoelectron spectroscopyThe present work covers two main aspects of high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS), an analytical technique for elemental trace analysis. First, a comprehensive mechanistic study of molecule formation in graphite furnaces is presented, which is a key step into the recovery of analytical signals. For this, the molecule formation of CaF was studied, which is used for the indirect analytical determination of fluorine in HR-CS-GFMAS. A zirconium coating catalyzes the CaF formation, and its structure was investigated. The kinetics of this reaction was established by monitoring its molecular spectrum at different atomisation temperatures. An Arrhenius plot showed a pseudo-first order reaction with respect to fluorine (n = 1). An intermediate state was isolated, and its structure was elucidated by spectroscopic methods: scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS), and Raman microspectroscopy. Here a mechanism is proposed, where ZrO2 works as a heterogeneous catalyst: after a pyrolytic step, an intermediate state of ZrO(OCaF) is activated, and at higher temperatures, CaF(g) is released from the zirconium-coated graphite surface. Second, analytical methods were developed by using HR-CS-MAS as detector for non-metals and isotope analysis. Therefore, the determination of organic absorbable chlorine in water, the quantification of fluorine in consume care products with declared perfluorinated ingredients, and the determination of sulfur content in crude oils were investigated. Finally, the high resolution of the instrumentation allows to measure isotopic shifts with high precision in some observed molecular spectra. Consequently, the molecular spectra of enriched isotopes of boron and magnesium were investigated, establishing so the potential of HR-CS-MAS for the accurate and precise determination of isotopic amount ratios.zeige mehrzeige weniger
  • Wie kann Nicht-Messbares messbar gemacht werden? Die Antwort der Dissertation auf diese zentrale Frage der analytischen Chemie lautet: die Anwendung der hochauflösenden optischen Spektroskopie der diatomischen Moleküle. In der Arbeit wird in einem ersten Schritt in Grafitöfen, die wie Chemiereaktoren funktionieren, und durch die Anwendung verschiedener analytischer Methoden die diatomische Molekülbildung nachvollzogen. In einem zweiten Schritt werden die aufgedeckten Mechanismen auf die Bestimmung von Nichtmetallen und die Analyse von Isotopen angewendet. Die Isotopenanalytik ist das zukunftsweisendes Herzstück der Dissertation und von alltäglicher und politischer Relevanz: Mittels dieser Technik lässt sich die Herkunft von Lebensmitteln aber auch Chemiewaffen kostengünstiger und wesentlich schneller bestimmen als mit bisherigen Methoden der Massenspektrometrie. Möglich ist die Bestimmung, da alles um uns herum aus Atomen verschiedener Elemente besteht und die meisten Elemente mehrereWie kann Nicht-Messbares messbar gemacht werden? Die Antwort der Dissertation auf diese zentrale Frage der analytischen Chemie lautet: die Anwendung der hochauflösenden optischen Spektroskopie der diatomischen Moleküle. In der Arbeit wird in einem ersten Schritt in Grafitöfen, die wie Chemiereaktoren funktionieren, und durch die Anwendung verschiedener analytischer Methoden die diatomische Molekülbildung nachvollzogen. In einem zweiten Schritt werden die aufgedeckten Mechanismen auf die Bestimmung von Nichtmetallen und die Analyse von Isotopen angewendet. Die Isotopenanalytik ist das zukunftsweisendes Herzstück der Dissertation und von alltäglicher und politischer Relevanz: Mittels dieser Technik lässt sich die Herkunft von Lebensmitteln aber auch Chemiewaffen kostengünstiger und wesentlich schneller bestimmen als mit bisherigen Methoden der Massenspektrometrie. Möglich ist die Bestimmung, da alles um uns herum aus Atomen verschiedener Elemente besteht und die meisten Elemente mehrere Isotope haben. Isotope unterscheiden sich hinsichtlich ihres Gewichts, da sie über eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen verfügen. Die Informationen über das Verhältnis von schweren und leichten Isotopen lässt sich nutzen, um zu bestimmen wo etwas entstanden ist. Jeder Ort auf unserem Planeten hat seinen persönlichen Element- und Isotopenanteil (Isotopenfingerabdruck). Das in der Arbeit angewandte Instrument misst das Verhältnis indirekt und nutzt hierzu die Interaktion zwischen Licht und Materie. Für das schwerere Isotop wird mehr Licht/Energie benötigt, um es in Bewegung zu bringen, als für das leichtere. Diese kleinen Unterschiede an Energie, die wir dafür aufwenden müssen, werden gemessen und ermöglichen die Herkunftsbestimmung. Damit leistet die Arbeit nicht nur einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung in der analytischen Chemie, sondern kann mit den aufgezeigten Ergebnissen auch Anwendung in den Bereichen Verbraucherschutz, Umweltforschung und Waffenkontrolle finden.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Carlos Abad
Dokumenttyp:Vortrag
Veröffentlichungsform:Präsentation
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.6 Anorganische Referenzmaterialien
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Freie Schlagwörter:Herkunftsbestimmung; Isotope; Isotopenanalyse; Optischer Spektroskopie
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Analytical Sciences
Analytical Sciences / Spurenanalytik und chemische Zusammensetzung
Veranstaltung:Applied Photonics Award 2020
Veranstaltungsort:Jena, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:22.09.2020
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:13.01.2021
Referierte Publikation:Nein