Allgemeine analythische Labormethoden

Das Bild zeigt einen grauen Apparat zur Atomabsorptionsspektroskopie

Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) ist eine Methode zur quantitativen Bestimmung von Elementgehalten. Meist werden die Elemente aus wässrigen Lösungen bestimmt. Zur Analyse von Metallen muss eine kleine Probe in Säure aufgelöst werden. Durch hohe Temperaturen in dem AAS-Gerät wird die Lösung verdampft und die Probe atomisiert. Licht, dessen Wellenlänge auf das zu bestimmende Element abgestimmt ist wird in die Atomwolke gestrahlt und dort teilweise absorbiert.

Die Abschwächung des Lichts ist proportional zur Konzentration des Elements. Gemessen wird mit einem Flammen-AAS-Gerät der Fa. Philips mit der Bezeichnung PU 9100 in einer Luft/Acethylen-Flamme in kontinuierlichem Betrieb. Es besitzt eine Untergrundkompensation (Deuterium-Lampe). Die Empfindlichkeit der Methode bzw. die Nachweisgrenze des jeweiligen Elements (im Metal) richtet sich nach der gewählten Wellenlänge und nach der Einwaage. Es werden in der Regel 20 mg Probenmaterial (z.B. Bohrspäne ohne Korrosion oder Patina) benötigt.


Das Bild zeigt einen Schreibtisch mit drei Computern und rechts daneben das Rasterelektronenmikroskop.

Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM-EDX)

Die detailgenaue Untersuchung von Oberflächenstrukturen verbunden mit der Möglichkeit zur selektiven Elementanalyse erfolgt mit dem Rasterelektronenmikroskop Quanta 200 der Fa. Fei. Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird die zu untersuchende Probenfläche mit einem Elektronenstrahl gerastert. Die Elektronenstrahlerzeugung erfolgt im Quanta 200 mit einer Wolframkathode.

Außerdem ermöglicht das ESEM im low-vac- bzw. environmental-mode die Abbildung von Isolatoren ohne Aufbringen einer leitenden Oberflächenbeschichtung.
Durch Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Probenoberfläche werden sowohl Sekundär- und Rückstreuelektronen als auch Röntgenstrahlen erzeugt. Mit den Sekundärelektronen stellt man die Oberflächentopographie dar. Das Rückstreuelektronensignal dient in erster Linie dazu, Probenbereiche mit Elementen höherer oder niedriger Ordnungszahlen kontrastreich darzustellen. Elemente mit einer hohen Ordnungszahl werden in der Rückstreu-(BSE-)aufnahme heller dargestellt als Elemente mit einer niedrigen Ordnungszahl, d.h. z.B. organisches Material dunkel bis grau, blei- oder quecksilberhaltige Bereiche hell grau / weiß.

In Kombination mit dem integrierten energiedispersiven Röntgenanalysator (X Flash 4010 der Fa. Bruker) lassen sich Elementverteilungsbilder erstellen und selektive Elementanalysen durchführen. Zur quantitativen Auswertung der Röntgenspektren steht die QUANTAX-Software zur Verfügung. Die Quantifizierung basiert auf einer standardfreien Kalibrierung durch die P/U-ZAF Methode. Die P/U-ZAF Methode, mit P/U für „Peak zu Untergrund“, stellt eine Weiterentwicklung der etablierten ZAF-Methode dar, wobei ZAF für die verschiedenen Korrekturfaktoren Ordnungszahl (Z), Absorption (A) und Fluoreszenz (F) der Probe steht. Ein komplizierter mathematischer Ausdruck ermöglicht es unter Berücksichtigung dieser Korrekturfaktoren, sowie der Fluoreszenzausbeute, der relativen Emissionsrate und weiterer Faktoren, die für ein Element gemessenen charakteristischen Röntgenquanten mit der Konzentration dieses Elements in Beziehung zu setzen.


Das Foto zeigt das Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskop

Fourier-Transformation-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR)

Die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie ist eine Methode zur Identifizierung von Molekülen. Infrarot-Licht fällt auf eine kleine Probe und ein Detektor registriert das Licht, das durch die Probe gelangt. Das Infrarot verursacht Vibrationen zwischen den Atomen der Probe und führt zur Absorption bestimmter Lichtwellen. Dieses wird dann durch die Fourier-Transformation in ein Spektrum umgewandelt. Jedes Molekül besitzt ein individuelles und wiedererkennbares Spektrum. 

Am Rathgen-Forschungslabor werden Spektren mit einem IR - Spektrometer, Typ Paragon 1000 PC, gekoppelt mit einem FT-IR - Mikroskop, der Fa. Perkin Elmer in Transmission im Bereich von 4000 – 520 cm-1 aufgenommen. Die Proben werden auf einer Diamant-Messzelle der Fa. High Pressure Diamond Optics, präpariert. Die erhaltenen IR-Spektren der Proben können mit Referenzspektren aus eigenen Datenbanken, der IRUG-Datenbank und Sadtler-Datenbanken verglichen werden.


Das Foto zeigt den Hochleistungsflüssigkeitschromatographen.

Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)

Formaldehyd Unter dem allgemeinen Begriff „Chromatographie“ werden physikalische Methoden zusammengefasst, bei denen eine Trennung eines Stoffgemisches durch Verteilung der verschiedenen Komponenten zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erfolgt. Bei der Hochdruckflüssigchromatographie (HPLC) wird die gelöste Probe mittels eines Laufmittels (mobile Phase) unter hohem Druck durch eine Säule (stationäre Phase) transportiert. Die Trennung des Gemisches erfolgt durch unterschiedliche Verzögerungen der Komponenten in der stationären Phase – zum Beispiel drei Komponenten-Mischung. Das Trennverfahren der HPLC ermöglicht eine qualitative und quantitative Charakterisierung von organischen Substanzgemischen. 

Für die Bestimmung von Ketonen und Aldehyden in der Atmosphäre von Vitrinen und Gallerien mittels Passivsammlermessungen steht am Rathgen-Forschungslabor ein LiChroGraph-System der Fa. Merck, Darmstadt zur Verfügung, das aus einem Injektionssystem Typ 7125 (Rheodyn), einem Dioden-Array-Detektor L-4500 für den UV/VIS-Bereich, einer Gradientenpumpe, Modell L-6200 A der Fa. Merck-Hitachi sowie einem Datenauswertesystem MEM 8057-200 besteht. Für die Bestimmung von Formaldehyd wird eine Eurosphere 100-5 C18-Säule der Fa. Knauer, Berlin, verwendet. Sie hat eine Länge von 150 mm und einen Durchmesser von 4mm. Als Fließmittel dient ein Gemisch aus Acetonitril und Wasser und zwar im Verhältnis von 45:55 für die ersten 7,5 Minuten. Danach erfolgt die Veränderung des Gradienten auf 80:20 für 17,5 Minuten. Das Einspritzvolumen beträgt 20 µl und die Flussrate 1,2 ml/min.


Das Foto zeigt den Ionenchromatographen.

Ionenchromatographie (IC) für Acetat und Formiat (Vitrinen- und Galleriebelastung)

Unter dem allgemeinen Begriff „Chromatographie“ werden physikalische Methoden zusammengefasst, bei denen eine Trennung eines Stoffgemisches durch Verteilung der verschiedenen Komponenten zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erfolgt.   Gemessen werden Acetat und Formiat mit einem Ionen-Chromatograph 690 der Fa. Metrohm mit einer Ausschlusssäule PRP-X300 und dem Säulenmaterial Polystyrol/Divinylbenzol-Kopolymer mit Sulfonsäuregruppen.

Ionenchromatographie (IC) für Chlorid, Nitrat, Sulfat (Lösliche Salze)

Chlorid, Nitrat und Sulfat werden mit einem Ionen-Chromatograph 690 der Fa. Metrohm mit einer Anionensäule PRP-X100 und dem Säulenmaterial Polystyrol/Divinylbenzol-Kopolymer mit quaternären Ammoniumgruppen gemessen.


Das Foto zeigt eine Wissenschaftlerin bei der Bedienung des Raman-Mikroskops.

Raman-Spektroskopie

Die Raman-Spektroskopie ist eine Methode, die es ermöglicht über Vergleichsspektren in der Probe enthaltene organische oder anorganische Moleküle oder Kristalle zu identifizieren. Die Probe wird mit monochromatischem Licht (Laser) bestrahlt. Das von der Probe gestreute Licht enthält Frequenzen, die sich von dem eingestrahlten Licht unterscheiden. Dieses Aufnehmen bzw. Abgeben der Energie von Photonen durch die Materie wird als Raman-Effekt bezeichnet.

Gemessen wurde mit einem Horiba XploRa Raman-Mikroskop, welches mit Lasern der Wellenlängen 532 nm, 638 nm und 785 nm ausgestattet ist. Durch die Wahl von verschiedenen Filtern, Mikroskopobjektiven und spektroskopischen Gittern können unterschiedliche Strahlintensitäten, sowie räumliche und spektroskopische Auflösungen erreicht werden. Die Laserleistungen liegen bei 25 mW (532 nm), 24 mW (638 nm) und 90 mW (785 nm). Die maximale räumliche Auflösung liegt bei 1 µm. Die Spektren werden in Raman-Verschiebung [cm-1] (Verschiebung der Wellenlänge/Frequenz gegenüber dem verwendeten Laser angegeben in Wellenzahlen) angegeben. Die Kalibrierung des Spektrums ist auf ca. 2 Wellenzahlen genau.  Die Raman Spektroskopie wird viel zur Analyse von Pigmenten und Beschreibmitteln verwendet.


Das Foto zeigt das Röntgengerät bei der Arbeit am Objekt, einem vergoldeten Schrein.

Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (µ-XRF)  

Mit Röntgenfluoreszenzanalyse können anorganische Materialien untersucht werden. Röntgenstrahlen treffen auf eine Probe und regen sie zur Aussendung von elementtypischen Röntgenstrahlen an. Die von der Probe ausgesandte Strahlung wird vom Messgerät registriert und in ein Spektrum übertragen. Jedes Element gibt ein anderes Signal. Die Lage eines Signals zeigt die Art des Elements an; die Höhe des Signals ist proportional zu seiner Konzentration.

Die Untersuchung kann mit Hilfe des transportablen ArtTAX Pro (Bruker) durchgeführt werden. Elemente Natrium bis Chlor können bei Verwendung einer lokalen Helium-Atmosphäre (Heliumspülung) nachgewiesen werden. Die Messfläche hat einen Durchmesser von ca. 0,1 mm.

Die MQuant-Software erlaubt unter geeigneten Voraussetzungen eine Quantifizierung der Haupt- und Nebenbestandteile von Metalllegierungen. Dieser Berechnung liegt eine sog. Fundamentalparameterberechnung zu Grunde. Die Messungen von Referenzmaterialien (Legierungen) dienen nicht der Kalibrierung des Gerätes sondern nur zur Überprüfung der Richtigkeit der verwendeten Parameter und der Quantifizierung.


Dass Foto zeigt einen Arbeitsplatz, ausgestattet mit Comutern und dem Röntgenfluoreszenzspektrometer.

Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF-Laborgerät)

Die Röntgenfluoreszenzmessungen können mit dem energiedispersiven Gerät ED 2000 (Fa. Oxford) durchgeführt werden. Es ist mit einer 50-Watt-Silberröhre ausgestattet. Der Detektor hat eine Auflösung von 150 eV (Mn). Messzeit und Anregungsbedingungen (0-40 KeV) sind variabel (z.B. verschiedene Filter). Die leichten Elemente (Natrium bis Chlor) werden im Vakuum gemessen.

Um die Zusammensetzung quantitativ mit Hilfe der oben beschriebenen XRF zu bestimmen, müssen die Oberflächen und die Größe der Proben und der verwendeten Standards gleich beschaffen sein. Jeweils 50 mg der Probe werden in einem Mörser fein zermahlen und anschließend  mit 150 µl einer 2%igen Plexigumlösung  in Essigester verrührt, getrocknet und in einem Presswerkzeug zu einer Pille von 12 mm Durchmesser gepresst. 100 mg des Cellulosepulvers Somar-Mix werden zur besseren Stabilität der Pille dahinter gepresst. Diese Pille wird in die Öffnung eines Plexiglasrings geklemmt, der genau in die Öffnung des Probenwechslers der XRF passt. Die Standards bekannter Konzentration werden genauso vorbereitet. Dann werden 21 Elemente mit Hilfe des energiedispersiven Röntgenspektrometers ED 2000 gemessen. Die Hauptelemente werden in % angegeben, die Spurenelemente in ppm.

Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC/MS)

Die Analyse komplexer organischer Proben kann mit Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC-MS) durchgeführt werden. Die Komponenten des zu analysierendes Stoffgemisches werden zuerst im Gaschromatograph (GC) separiert wobei Wechselwirkungen der verschiedenen Substanzen in der Chromatographiesäule zu einer Auftrennung des Stoffgemisches führen und die Säule nach unterschiedlichen Zeiten (Retentionszeit) verlassen. Als Ergebnis erhält man ein Chromatogram mit Peaks für die verschiedenen Komponenten des Stoffgemisches. Die eluierten Verbindungen aus der Chromatographiesäule werden weiterführend im Massenspektrometer (MS) analysiert.  

Eine erste Möglichkeit der Bestimmung eines Stoffes gibt die Retentionszeit. Die Retentionszeit einer Komponente ist die Zeit, die zwischen der Injektion eines Stoffgemisches und der Detektion dieser Komponente vergeht, sie wird üblicherweise in Minuten angegeben. Die zweite Möglichkeit der Identifizierung eines Stoffes ergibt sich durch die Massenspektrometrie. Für jede Substanz gibt es ein charakteristisches Massenspektrum, durch welches zusammen mit der Retentionszeit die Anwesenheit der Substanz mit einer hohen Wahrscheinlichkeit bestätigt werden kann  

Die GCMS Analyse wird mit einem Perkin Elmer Clarus 500 durchgeführt (Elektronenstoßanregung 70 eV, Ionenquellentemperatur 230 ºC, Interfacetemperatur 280 ºC). Die Einspritzung erfolgt splitless, die Einspritzeinheit wird auf 280 ºC thermostatisiert, der Heliumgasstrom beträgt 1.2 mL/min. Die chromatographische Trennung erfolgte in einer Zebron ZB-5MSi Säule, mit 0.25 mm Innendurchmesser, 0.25 μm Filmdicke und 30 m Länge. GC Parameter: Starttemperatur 100 ºC, 0.5 min isotherm, Temperaturgradient von 15 ºC/min bis 150 ºC, 1 min isotherm, Temperaturgradient von 7 ºC/min bis 300 ºC, 20 min isotherm.    

Probenvorbereitung durch Derivatisierung.

Die Derivatisierung ist nötig, um schwerflüchtige Verbindungen in die Gasphase zu überführen. Das Reagenz MethPrepII (Fa. Alltech, USA) wird benutzt, um organische Säuren und Ester in die entsprechenden Methylester zu überführen, um sie mit GCMS analysieren zu können. Geringe Mengen des zu analysierenden Materials werden (in möglichst reiner Form z.B.: nur Material aus einer Malschicht) in ein Mikroreaktionsgefäß aus Glas transferiert. Es folgte die Zugabe von Methanol und MethPrepII. Zum Aufschluss der Probe wird die Lösung für 5 min in ein Ultraschallbad gestellt und danach zur Reaktion für 2 h bei 60 ºC in ein Sandbad. Nach dieser Zeit wird die Lösung abzentrifugiert und in ein neues Gefäß überführt. 1-3 μl dieser Lösung werden zur GC/MS-Analyse in das Gerät eingespritzt.


Das Foto zeigt ein weißes gerät, das wie eine Waschmaschine aussieht.

Pyrolyse – Gaschromatographie-Massenspektrometrie (py-GC/MS)  

Pyrolyse – Gaschromatographie-Massenspektrometrie erlaubt die Analyse von z.B. Polymere, die sonst mittels GC/MS nicht analysiert werden können aufgrund sein Molekulargewicht. Mittels Pyrolyse, die Verbindungen werden in kleinere Stücke zerrisen, die flüchtig genug sind um in einem GC/MS analysiert zu werden.  

In RF, py-GC/MS wird mit einem manueller Pyromat pyrolysator (GSG Mess- und Analysengeräte GmbH Bruchsal) durchgeführt, was ein Curie-Punkt Pyrolysesystem ist. Die Probe wird auf einen ferromagnetischer Probenhalter aufgebracht, der schnell zu seiner Curie-Punkt Temperatur induktiv erhitzt werden kann. Um diese Temperatur findet dann die Pyrolyse der Probe statt.

Je nach ferromagnetisches Element im Probenhalter, unterschiedliche Pyrolysetemperature können erreicht werden. Eine typische Analyse in RF benutzt einen  ferromagnetischen Probenhalter mit einem Curie-Punkt von 590 °C, eine Pyrolysezeit von 10 s und Pyrolysatorkopf-Temperatur von 250 °C; diese Bedingungen hängen natürlich von der Analyt von Interesse ab.


Das Foto zeigt ein garuies gerät, den Röntgendiffraktometer.

Röntgendiffraktometrie (XRD)

Röntgendiffraktiometrie bestimmt Strukturen in kristallinen Materialien. Röntgenstrahlen treffen auf eine Probe und werden gestreut. Aus dem Streumuster kann die Kristallstruktur abgelesen werden. Auch Mischungen von verschiednen Kristallen können bestimmt werden. Die Röntgenbeugungsdiagramme werden mit einem Philipsgerät (PW 1729 Röntgengenerator und einem PW 1820) gemessen. Die Röntgenröhre ist mit einer Kupfer-Langfokusröhre ausgestattet, die mit 30 kV und 30 mA betrieben wird. Gemessen wird üblicherweise von 3 ° - 73 °, kontinuierlich 1,2 °/min. mit einem Goniometervorschub von 0,02°/sec und einer Messzeit von einer Sekunde. Die Impulse werden von einem Durchflussdetektor registriert. Die Detektionsgrenze für mineralogische, kristalline Phasen liegt bei 3-5%.


Das Foto zeigt drei asiatische Wandmalereien, die mit Hilfe der Multispektralfotographie farblich untersucht wurden.

Multispektralfotographie

Das Verfahren der „Multispektralfotographie“ ist eine fotografische Methode, die zur Charakterisierung eines Objektes herangezogen werden kann. Vier fotografische Aufnahmen (UV-Reflektion, UV-Fluoreszenz, VIS und IR) werden durch Kombination verschiedener Lichtquellen und Filter vor dem Objektiv der Kamera aufgenommen. Bilder können mit einer Hasselblad 503 CXi Kamera aufgenommen werden, die mit einem Leaf Aptus-II Digital-Zusatz ausgestattet ist. Die fotografischen Aufnahmen werden anhand des Spektralons mit Hilfe der Leaf Software kalibriert.

Zur Auswertung der Information werden die sog. UV-Reflektion-, bzw. IR-Falschfarbenbilder aus dem VIS-Bild und dem UV-Reflektion, bzw. dem IR-Bild erzeugt. Im RGB-System wird eine Farbe durch drei Komponenten definiert, eine rote, grüne und blaue. Das IR-Falschfarbenbild wird generiert, in dem das IR-Bild, welches eine „rote Information“ beinhaltet, auf den roten Kanal des VIS-Bildes verschoben wird. Folglich wird der rote Kanal auf den grünen Kanal verschoben und der grüne auf den blauen. Die Informationen aus dem blauen Kanal werden entfernt. Analog entsteht das UV-Falschfarbenbild durch Ersetzen des blauen Kanals des VIS-Bildes durch das UV-Reflektionsbild, die Verschiebung des blauen auf den grünen und des grünen auf den roten Kanal, sowie die Entfernung der vormals roten Informationen aus dem Bild.

Aufgrund der hohen Auflösung der Bilder stellt die Methode eine präzise Dokumentation des fotografierten Objektes dar. Darüber hinaus werden die Bilder anhand eines Spektralons, welche eine Graustufenskala mit bekannten L* a* b*-Werten (CIE Lab-Farbsystem) darstellt, kalibriert.

Die in Photoshop montierten Falschfarbenbilder können eine Unterscheidung verschiedener Farbmittel ermöglichen, da sie die spektrale Reflektionseigenschaft der Farbmittel berücksichtigen: Neben seiner Reflektion im blauen Spektralbereich zeigt beispielsweise Lapis lazuli ebenfalls eine intensive Reflektion um 700 nm im roten Spektralbereich. Das im VIS-Bild blaue Pigment wird dementsprechend im IR-Falschfarbenbild rot dargestellt. Je nach Absorptionsspektrum des Stoffes ist insofern mittels Falschfarbenfotografien u.U. eine Klassifizierung der Farbmittel möglich. Auch Retuschen können leicht sichtbar gemacht werden.

Einige Blau- und Grünpigmente färben sich in der IR-Falschfarbenmontage auch ähnlich. Derzeit ist ohne direkte Analyse der einzelnen Farbmittel mit dieser Methode eine Identifizierung der Pigmente noch nicht möglich.


Das Foto zeigt das Farbmessgerät Dr. Lange.

Spektralphotometrische Farbmessung

Spektralphotometrische Farbmessungen können mit dem Spectro-color (Dr. Lange) durchgeführt werden. Die Messprobe wird mit polychromatischem Licht diffus beleuchtet und die Empfängeroptik beobachtet das reflektierte Licht unter einem Winkel von 8° zur Probenoberfläche. Es handelt sich um ein echtes Gitterfarbmessgerät, das den sichtbaren Spektralbereich (400 -700nm) im 10nm-Intervall bewertet. Verschieden, international genormte Farbmaßzahlen können eingestellt werden, üblicherweise wird nach dem Farbsystem CIE-L*a* b* gemessen. Im dreidimensionalen Farbraum sind folgende Achsen definiert:  

L* = Helligkeit
a* = rot bis grün
b* = gelb bis blau  

Es können auch Farbdifferenzmessungen gemacht werden, um Veränderungen über einen langen Zeitraum festzustellen. Die Oberfläche sollte allerdings eben und glatt sein.

Postanschrift:
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Tel.: 030 / 266427100
Fax: 030 / 266427110
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Direktorin: Dr. habil. Ina Reiche