Analytische Chemie
Filtern
Erscheinungsjahr
- 2017 (26) (entfernen)
Dokumenttyp
- Vortrag (12)
- Posterpräsentation (7)
- Zeitschriftenartikel (4)
- Beitrag zu einem Sammelband (1)
- Beitrag zu einem Tagungsband (1)
- Sonstiges (1)
Schlagworte
- LIBS (26) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
- nein (12)
Research and Development in Non-Destructive Testing in Civil Engineering at BAM has de-veloped over more than two decades. Highlights of present research are ultrasound phase array probes, ground penetrating radar applications for the assessment of existing structures and Laser Induced Breakdown Spec-troscopy (LIBS) to determine which chemical elements on the surface of a specimen are. RFID sensor devel-opments for wireless moisture monitoring and data fusion for the combined analysis of sensor data are fast developing areas. In addition, a selection of application cases is briefly described.
Introduction: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is an atomic emission analytical technique, wide spreading in laboratories and industries. One way to dramatically increase its analytical results is to deposit metal NPs on the sample surface, resulting in an better version called Nanoparticle Enhanced LIBS (NELIBS). In order to better know and use this technique, the evolution of the plasma has been studied with Tomography.
Stahlbetonbauwerke der Verkehrsinfrastruktur sind nutzungsbedingt Expositionen ausgesetzt, die zu Schä-den an der Konstruktion führen können. Dabei ist in erster Linie die Einwirkung von tausalzhaltigen Wässern im Winter zu nennen, die durch den Beton kapillar und über Diffusionsvorgänge aufgenommen werden. Ein Weg, die kapillare Wasseraufnahme zu unterbinden, ist eine Tiefenhydrophobierung der Werkstoffoberflä-chen durch siliziumorganische Verbindungen. Die Wirksamkeit und die Dauerhaftigkeit dieser Tiefenhydro-phobierungen werden im Wesentlichen durch die Eindringtiefe und den Wirkstoffgehalt in der Betonrandzone bestimmt. Diese beiden Parameter gilt es also in der Qualitätssicherung zu überprüfen.
Bisherige Verfahren zur Qualitätssicherung einer hydrophobierenden Maßnahme sind mit einer Bohrkernent-nahme verbunden, da die Analysen im Labor durchgeführt werden müssen. Andere Verfahren arbeiten zwar zerstörungsfrei und können am Objekt durchgeführt werden, liefern aber keine Informationen über die Ein-dringtiefe und die Wirkstoffverteilung. Das Fehlen eines geeigneten Qualitätssicherungs-Verfahrens hat eine breite praktische Anwendung der als technisch sehr leistungsfähig geltenden Tiefenhydrophobierungen bisher verhindert.
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt mit dem direkt vor Ort das Vorhandensein der Tiefenhydrophobierung nachgewiesen und die Wirkstoffverteilung in der Betonrandzone detektiert werden kann. Da der chemische Kontrast einer Tiefenhydrophobierung zum Beton gering ist mussten „reaktive Marker“ entwickelt werden, die an das eigentliche Hydrophobierungsmittel chemisch gebunden wurden. Mit dem Verfahren der „Laser Induced Breakdown Spetroscopy“ (LIBS) konnte dann die Verteilung des als Marker verwendeten Elementes, und damit der Wirkstoffgehalt in der Betonrand-zone qualitativ und quantitativ bestimmt werden.
Das Vorhaben SILAMARK wurde als Verbundprojekt unter Beteiligung der Sto SE & Co. KGaA, der Bundes-anstalt für Materialforschung und –prüfung, der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft (HsKa), der Aqua Stahl GmbH und der Specht Kalleja + Partner Beratende Ingenieure GmbH realisiert.
The majority of the built infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores (every year nearly 4 billion tons of cement are produced which is largest mass flow generated by mankind). Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete [1-11]. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Ingress of chlorides due to a crack in a repair mortar. Left: Photo of the cross section of a concrete core and the surface investigated by LIBS (area 70 mm x 70 mm). Right: Color coded chlorine intensity on the cross section of a concrete core, dark red represents high chlorine content.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
The majority of the built infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores (every year nearly 4 billion tons of cement are produced which is largest mass flow generated by mankind). Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ett-ringite formation. For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures. BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete [1-5]. The technique is established for automated laborato-ry use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measure-ment on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 μm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of man-power and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engi-neering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for on-site applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Die Gehalte von für das Pflanzenwachstum relevanten Nährstoffen divergieren innerhalb einer landwirtschaftlichen Nutzfläche sehr stark. Für eine ertragssteigernde Bewirtschaftung ist daher eine gezielte Düngung unabdingbar. Die Nachfrage nach einer kostengünstigen, flächendeckenden Kartierung von Ackerflächen in Bezug auf die im Boden enthaltenen Nährstoffe steigt demnach. Hierzu werden schnelle, mobil einsetzbare und verlässliche Messmethoden benötigt.
Eine geeignete Methode stellt die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (kurz: LIBS aus dem Englischen für laser-induced breakdown spectroscopy) dar. Die LIBS ermöglicht eine schnelle und simultane Multielementanalyse und ist dabei nahezu zerstörungsfrei. Des Weiteren bedarf es für die Analyse kaum bis keine Probenvorbereitung was den Einsatz auf dem Feld begünstigt. Die Methode beruht auf der Ionisierung des Probenmaterials (Plasmabildung) durch den Beschuss dieser mit kurzen Laserpulsen. Während der Expansion des Plasmas wird Strahlung emittiert, welche charakteristisch für die in der Probe enthaltenen Elemente ist.
Das hier verwendete LIBS-System verfügt über einen Doppelpuls-Laser, bei dem zwei Laserpulse im kurzen Abstand hintereinander ausgesendet werden. Der erste Laserpuls ist für die “Vorbehandlung“ der Probe und der zweite Laserpuls für die Erwärmung des Plasmas. Dadurch können die Nachweisgrenzen im Vergleich zu einem einfach gepulsten Laser deutlich verbessert werden.
Die Probenzufuhr findet durch einen drehbaren Probenteller statt auf dem der lose Boden in Form einer Spur aufgetragen wird. Der Probenteller kann in verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden, um die Anwendung auf dem Feld zu simulieren.
Da es sich bei der LIBS um eine Relativmethode handelt, ist eine Kalibrierung mit exakten Referenzwerten von verschiedenen Bodenproben notwendig. Böden weisen eine sehr komplexe Matrix auf, was die verlässliche Analyse mittels LIBS erschwert. Daher ist zunächst das Ziel die verschiedenen Messparameter des LIBS-Systems für unterschiedliche Böden zu optimieren und mögliche Störeffekte, wie Korngrößen und Feuchtigkeitsgrad, durch eine geeignete Probenkonditionierung zu eliminieren.
LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) is known as a fast and simultaneous multi-element analysis with little or no sample preparation. In the last few years there has been a growing interest in applications of LIBS in the field of agriculture. As part of the National Research Strategy BioEconomy 2030 the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) started an innovation programme called BonaRes. BonaRes consists of ten interdisciplinary research project associations which are dealing with soil as a sustainable resource for the bio-economy. One of these research projects is I4S (intelligence for soil) which has the goal to develop an integrated system for site-specific soil fertility management. This system includes a sensor platform, which contains different sensors, like XRF, VIS-NIR, Gamma and LIBS. The main task of LIBS measurements in this project is the real time determination of the elemental contents of nutrients in soils, like calcium, magnesium, potassium. For this purpose, a special setup has been designed. The sample uptake operates with the help of a rotatable sample plate which circulates with different velocities to simulate the application on the field. To provide a higher intensity and a better reproducibility of the obtained signal, a double-pulse Nd:YAG laser was used. In order to minimize dust formation from the soil during the operation of the laser, a dust removal by suction has been integrated. When using relative methods such as LIBS, a suitable calibration curve is needed for absolute quantification. With the help of 16 certified reference soils, calibration curves for different elements were initially calculated and used for the quantification of seven soil samples from different testing grounds in Germany. The complex matrix of soils, as well as the influence of moisture and grain size in soils makes the absolute quantification by LIBS challenging. To overcome these influences, a calibration curve based on multivariate analysis (partial least square regression) was generated.
LIBS (laserinduzierte Plasmaspektroskopie) ist bekannt für eine schnelle, simultane Multielementanalyse, welche kaum bis keine Probenvorbereitung benötigt. Im Hinblick dessen ist das Interesse an LIBS als Online-Analysentechnik für den Einsatz auf Agrarflächen in den letzten Jahren stark gestiegen.
Im Rahmen des Projekts I4S (engl. für: intelligence for soil) soll mithilfe von LIBS der Elementgehalt von Makro- und Mikronährstoffen in Böden in Echtzeit bestimmt werden. I4S gehört zu den zehn interdisziplinären Forschungsprojekten des Innovationsprogramms BonaRes und arbeitet an der Entwicklung einer Sensorplattform für ein ortsspezifisches Management der Bodenfruchtbarkeit. BonaRes ist vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und beschäftigt sich mit Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie.
Für die Anwendung von LIBS an Böden wurde ein spezieller Aufbau konstruiert. Die Probenzufuhr erfolgt über einen drehbaren Probenteller, auf den der lose Boden in Form einer Spur aufgetragen oder als gepresste Tablette platziert werden kann. Der Probenteller kann in unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen betrieben werden, um die Anwendung auf dem Feld zu simulieren. Für eine höhere Signalintensität und eine bessere Reproduzierbarkeit wird eine Doppel-Puls (DP) Nd:YAG Lasereinheit verwendet. Weiterhin besitzt der LIBS-Messkopf eine integrierte Absaugvorrichtung, um bei dem Ablationsprozess entstehende Stäube zu minimieren und eine störungsfreie Detektion des Signals zu gewährleisten.
Da es sich bei LIBS um eine Relativmethode handelt, muss das System für eine absolute Quantifizierung hinsichtlich der Zielanalyten kalibriert werden. Hierfür werden realitätsnahe Proben benötigt. Es wurden 16 freiverkäufliche, zertifizierte Referenzmaterialien gemessen und für die Kalibrierung verwendet. Aufgrund der komplexen Bodenmatrix und Einflüsse, wie Korngrößeneffekte und Feuchtigkeit, stellt die absolute Quantifizierung mittels LIBS eine Herausforderung dar. Für die Kalibrierung wurde sowohl ein univariater als auch ein multivariater Analyseansatz (Partial least square regression) verwendet. Mittels der multivariaten Auswertung konnte ein robusteres Kalibriermodell aufgrund einer besseren Korrelation zwischen Signalintensität und Elementkonzentration erstellt werden.
Innerhalb des I4S-Verbundes gibt es eine Vielzahl von Bodenproben von unterschiedlichen Testackerflächen mit bereits bekannten Informationen über die chemische Zusammensetzung, Textur und Korngrößenverteilung. Diese Bodenproben sollen im nächsten Schritt für weitere Berechnungen und zu Validierungszwecken verwendet werden.