Inhaltsverzeichnis Kapitel 2 Kapitel 4 Literaturverzeichnis
Abkürzungen

 
 
 
 
3 Theoretische Grundlagen

 
Die theoretischen Grundlagen der Verfahren und Methoden, die in der vorliegenden Arbeit angewendet wurden, werden im folgenden erklärt, soweit sie zum Verständnis notwendig sind. Für umfassendere Darstellungen wird auf die Literatur verwiesen.

 
 
 
3.1 Akustische Levitation

 
Die Levitation ist eine Technik zur berührungslosen, ortsfesten Positionierung eines Festkörpers oder Flüssigkeitstropfens. Unterliegt das levitierte Teilchen der Schwerkraft, wird diese durch eine geeignete Levitationskraft kompensiert. Bei der akustischen oder Ultraschall-Levitation resultieren die Levitationskräfte aus einer statischen Druckverteilung, die durch den Ultraschall hervorgerufen wird. Zur Übertragung der levitierenden Kräfte wird eine Gasatmosphäre oder Flüssigkeit benötigt. Im letzteren Fall kann z.B. ein Tropfen eines mit der Überträgerflüssigkeit nicht mischbaren Lösungsmittels levitiert werden. Das Phänomen der akustischen Levitation haben zuerst BÜCKS und MÜLLER beschrieben [12], den Grundstein zum theoretischen Verständnis legte KING [13]. Die Ultraschall-Levitation ist vor allem seit den sechziger und siebziger Jahren weiterentwickelt worden, um unter Mikrogravitationsbedingungen Experimente an Flüssigkeiten, vor allem an Schmelzen, durchführen zu können [14, 15].

Ultraschall kann durch Anlegen eines Wechselstroms an einen Piezokristall erzeugt werden. Der Piezokristall wird periodisch deformiert und zu elastischen Schwingungen angeregt. Werden diese Schwingungen durch einen geeigneten Schwingkörper auf eine Gasatmosphäre übertragen und von einem Reflektor zurückgeworfen, bilden sich stehende Schallwellen aus, vorausgesetzt der Abstand zwischen Schallwandler und Reflektor entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der halben Schallwellenlänge.

Schall wird durch die Schallfeldgrößen Schallschnelle n und Schallwechseldruck  charakterisiert [16]. Bei der Schallschnelle n (Gl. (1)) handelt es sich um die Verschiebungsgeschwindigkeit der Gasteilchen, die der BROWNschen Molekularbewegung in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle überlagert ist. Diese Definition trägt der Tatsache Rechnung, daß in Gasen die Teilchen - im Gegensatz zu Kristallen - keine definierte Ruhelage besitzen und so die Verschiebung eines einzelnen Teilchens im allgemeinen nicht meßbar ist.
 

(1)

In einem Schallfeld schwingt der Druck p um den Wert des herrschenden Atmosphärendrucks. Der Schallwechseldruck  beschreibt die Verdichtungen und Verdünnungen des Gases um diesen Mittelwert  (Gl. (2)).
 
 
(2)

Für die Amplituden von Schallschnelle und Schallwechseldruck gelten die Gl. (3).
 
 
 

(3)

mit z: Abstand vom Reflektor und k0 = 2p/l0: Wellenzahl, Index max: maximal

l0 ist die Ultraschallwellenlänge (Gl. (4)).
 
 

(4)

 mit c0: Schallgeschwindigkeit im Trägergas und f: Frequenz des Ultraschalls

Schallwellen zählen zu den mechanischen Wellen und besitzen sowohl kinetische als auch potentielle Energie, die zusammen die Gesamtenergie der Welle bilden (Gl. (5)).
 

 (5)

mit Ekin bzw. Epot: kinetische bzw. potentielle Energie, r0: Dichte des Trägergases

Wird die Energie auf ein Volumen bezogen, liefert dies die Energie- oder Schalldichte mit der Einheit (1 W·s/m3) oder 1 Pa. Die Energiedichte beschreibt eine statische Druckverteilung mit der Bernoulli-Unterdruckkomponente Ekin, die die radiale Rückstellkraft bei Auslenkung des levitierten Objekts aus der Ruhelage im Druckknoten der stehenden Ultraschallwelle verursacht, und der Schallstrahlungsdruckkomponente Epot, die Ursache für die axiale Levitationskraft Fak ist (Gl. (6)).
 
 

 (6)

 
(7)

 
(8)

g0: Erdbeschleunigung, rS, VS und DS sind die Dichte, das Volumen und der Durchmesser der Probe und Dz ist die Auslenkung der Probe aus der Ruhelage im Druckknoten des stehenden Ultraschallfelds

Die Ruhelage eines unter Mikrogravitationsbedingungen akustisch levitierten Teilchens befindet sich im Druckknoten, dem Ort der maximalen Schallschnelle, so daß keinerlei Kräfte auf das Teilchen wirken. Erst bei einer Auslenkung aus dem Druckknoten, unter Gravitationsbedingungen durch die Gewichtskraft, wirken rücktreibende Kräfte auf das Teilchen. Die axiale Levitationskraft wirkt demnach der Gewichtskraft der Probe bei einer Auslenkung um Dz aus dem Druckknoten der stehenden Ultraschallwelle entgegen. Fak ist in erster Linie abhängig von der Dichte des Trägergases, der Ultraschallfrequenz und der Schallschnelle. Der Durchmesser der Probe DS ist in Gl. (6) durch die Funktion f1(x) berücksichtigt (Gl. (7) und (8)). Die Gl. (7) wird für Werte von x > 0,72 negativ, d. h. daß Proben mit einem Durchmesser von mehr als dem 0,7fachen der Schallwellenlänge nicht positionierbar sind. Bei einer Frequenz f = 58 kHz entspricht dies einem Probendurchmesser von 4,1 mm.

Der Positionierungssicherheitsfaktor FS ist definiert als Quotient aus der maximalen Levitationskraft Fak, max und der Gewichtskraft der Probe (Gl. (9)).
 

 (9)

Wird die Gewichtskraft der Probe größer als die maximale axiale Levitationskraft und damit der Positionierungsfaktor FS < 1, ist keine Levitation möglich. Für eine stabile Levitation sollte der Positionierungssicherheitsfaktor mindestens 1,2 betragen [17]. Wird die Leistung des Ultraschall-Levitators zu hoch eingestellt, bilden sich auf der Oberfläche der stark abgeflachten Flüssigkeitstropfen Kapillarwellen aus, von deren Spitzen kleine Tröpfchen abgeschnürt werden. Diese Vernebelung wird Desintegration genannt.

Die radial wirkenden Kräfte, die als Bernoulli-Kräfte bezeichnet werden, resultieren aus der statischen Schallschnelleverteilung um die Levitationsachse. In der Levitationsachse ist die Schallschnelle am Levitationsort maximal und nimmt nach außen hin ab. Wird die Probe aus ihrer Ruhelage in der Levitationsachse radial ausgelenkt, strömt das Gas an der der Levitationsachse zugewandten Seite des Objekts schneller als an der der Levitationsachse abgewandten Seite. Die Gasströmungen erzeugen einen Unterdruck. Der durch die schnellere Strömung in der Levitationsachse hervorgerufene Unterdruck ist niedriger, so daß sich aus der Druckdifferenz die radiale Rückstellkraft der Probe auf die Levitationsachse ergibt.

Bei der akustischen Levitation ist das Verhältnis von axialen zu radialen Kräften ungefähr 5,7 : 1 [5]. Die auftretenden Kräfte sind zweiter Ordnung und nur dann ausreichend groß für Levitationszwecke, wenn die Schallfeldgrößen, z.B. Schallschnelle und Schallwechseldruck, nicht mehr klein sind im Vergleich zu den Ruhebedingungen, im Beispiel Schallgeschwindigkeit und statischem Druck. Die physikalischen Zusammenhänge sind ausführlich in [18, 19] dargelegt.

Neben der akustischen Levitation bestehen weitere Levitationstechniken. Flüssigkeiten können elektrodynamisch [20, 21, 22, 23], aerodynamisch [24] und optisch [25, 26] levitiert werden. Die Methoden werden unter Berücksichtigung der Anforderungen für die chemische Analyse in [4] verglichen und ein umfassender Überblick über die Levitation wird in [27, 28] gegeben. Metalle und Metallschmelzen können darüber hinaus magnetisch levitiert werden [29, 30, 31].

 

 
3.2 Tropfenverdampfung

 
Abhängig von den am Levitationsort herrschenden Bedingungen von Druck und Temperatur stehen die levitierte Flüssigkeit und das den Tropfen umgebende Gas im Gleichgewicht von Verdampfung und Kondensation, oder einer der beiden Prozesse überwiegt [17]. Ohne apparative Vorkehrungen herrscht bei den meisten Lösungen und Lösungsmitteln die Verdampfung vor, die sowohl Vor- als auch Nachteile für die Probenvorbereitung innerhalb eines analytischen Verfahrens birgt. Die Verdampfung kann zur Aufkonzentrierung von Analytlösungen genutzt werden, indem kontinuierlich Lösung zum levitierten Tropfen gegeben wird, oder zum Lösungsmittelwechsel im levitierten Tropfen, indem ein anderes Lösungsmittel nachgeführt wird. Beide Vorgänge sind häufig angewendete Probenvorbereitungstechniken in der Analytischen Chemie und lassen sich mittels Levitation miniaturisieren. Darüber hinaus kann die Levitation auch zur Kristallzüchtung eingesetzt werden [15, 17].

Nachteile bestehen in erster Linie in der Aufkonzentrierung von störenden Verunreinigungen, die aus dem nachgeführten Lösungsmittel herrühren, im Einkondensieren von Feuchtigkeit aus der Atmosphäre bedingt durch die Verdunstungskälte beim schnellen Verdampfen leichtflüchtiger organischer Lösungsmittel (Abschn. 5.4) [32] und der Aufnahme von gasförmigen chemischen Verbindungen aus der Laborluft.

Die Verdampfung eines Tropfens kann mit Massenbilanz-Gleichungen beschrieben werden [19, 33]. Unter der Annahme, daß der Tropfen die Form einer Kugel besitzt und die Temperatur innerhalb des Tropfens einheitlich ist, gilt für die Abnahme der Tropfenmasse m Gl. (10).
 
 

(10)

mit t: Zeit, r: Tropfenradius, rl: Dichte der Flüssigkeit, : Massenfluß. Durch Umformen wird das D2-Gesetz der Tropfenverdampfung (Gl. (11)) erhalten.
 
 
(11)


mit D: Tropfendurchmesser. Die Lösung dieser Gleichung ist Gl. (12).
 
 

(12)

mit D0: Tropfendurchmesser zum Zeitpunkt t = 0. Unter der Voraussetzung, daß der Massenfluß proportional zum Tropfendurchmesser ist (T = const.), läßt sich Gl. (12) vereinfachen (Gl. (13)).
 
 
(13)

mit K: Verdampfungskonstante. Dies ist das einfachste Modell der Tropfenverdampfung. Das D2-Gesetz kann dimensionslos ausgedrückt werden (Gl. (14)).
 
 
(14)

mit . Die Verdampfungskonstante K kann damit für reine Flüssigkeiten aus der Steigung des Graphen D* als Funktion der Zeit abgeschätzt werden. Experimente haben die Gültigkeit des D2-Verdampfungsgesetzes für Lösungsmittel wie n-Oktan oder Wasser bestätigt [33]. Die Verdampfung levitierter Tropfen wurde u. a. im Zusammenhang mit der Aufnahme gasförmiger Substanzen und dem Einfluß von im Tropfen gelösten Substanzen untersucht [17, 34, 35, 36].


 
 
 
 
3.3 Berechnung des Volumens und der Oberfläche von Sphäroiden

 
Ein Flüssigkeitstropfen nimmt aufgrund der Oberflächenspannung die Gestalt einer Kugel an, wenn keinerlei äußere Kräfte auf ihn wirken. In einem einachsigen Ultraschall-Levitator wirken die Levitationskräfte axial zwischen Schallwandler und Reflektor 5,7fach stärker auf den Tropfen als die radialen Kräfte [18]. Ist die Levitationsachse parallel zur Gravitation ausgerichtet, wird der Tropfen durch die levitierenden Kräfte an den Polen abgeflacht und kann in erster Näherung als Rotationsellipsoid beschrieben werden (Abb. 3.1).
 
 
Gegenlichtaufnahme eines akustisch levitierten Wassertropfens

 
Abb. 3.1:  Gegenlichtaufnahme eines akustisch levitierten Wassertropfens, der durch die einwir- kenden Kräfte an den Polen abgeflacht ist.

 

Mit der Messung der Radien r1 und r2 rechtwinklig zur und entlang der Levitationsachse (Abb. 3.2) läßt sich das Volumen V eines zum Rotationsellipsoid verzerrten Tropfens in guter Näherung nach (15) berechnen.
 
 
 
 

Abb. 3.2: Schnittmodell eines Rotationsellipsoids
 
 
 

(15)


Wenn die Halbachse r1 größer ist als die Halbachse r2, wird die Form des Rotationsellipsoids als oblat bezeichnet. Die Oberfläche S berechnet sich bei oblat geformten Sphäroiden nach Gl. (16).
 
 

(16)

Genauere Untersuchungen zur Deformation Ultraschall-levitierter Tropfen sind in [37, 38, 39] beschrieben.


 
 
 
3.4 Objektvermessung

 
Die Durchmesser rotationssymetrischer Körper lassen sich berührungslos optisch ermitteln. Entweder wird das Objekt mit einem Laser beleuchtet und das entstehende Streumuster mit Hilfe der Mie-Theorie ausgewertet [40], oder die Schwächung des Laserlichts wird in Vorwärtsrichtung mit einer PIN-Diode gemessen [33], oder es wird mit parallelisiertem Licht der Schattenwurf des Objekts auf eine zweidimensionale, lichtempfindliche Fläche projiziert und dort vermessen. Dazu können Photographien des Objekts [41] oder Videokamerabilder [33] verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die letztere Methode eingesetzt, da auf einen Laser mit einer entsprechend aufwendigen Optik verzichtet werden kann und die Bilder einer CCD-Kamera mit hoher Frequenz aufgenommen und in Echtzeit ausgewertet werden können.

Das Meßverfahren basiert auf der Erkennung der Objektkanten. Der Schattenwurf des Objekts wird auf der Pixel-Matrix der CCD-Kamera abgebildet und digital in Grauwerten gespeichert. Das digitalisierte Bild wird entlang einer definierten Geraden nach einem Übergang der Grauwerte von hell nach dunkel oder umgekehrt abgesucht. Dieser Vorgang wird als Antastung bezeichnet, ein Begriff, der aus der Zeit der automatisierten mechanischen Objektvermessung stammt. Eine Objektkante wird identifiziert, wenn eine vorgegebene Grauwert-Schwelle über einen kurzen, definierbaren Unschärfebereich auf dem Bild überschritten wird. Eine genauere Kantenerkennung ist mit Hilfe mathematischer Algorithmen möglich. Der Grauwerte-Verlauf wird mit einer Funktion angenähert und die Kante am vorgegebenen Grauwert auf ungefähr ein Zehntel Pixel genau lokalisiert. Der Abstand zweier angetasteter Punkte, die auf den Objektkanten liegen, wird als Pixelanzahl gemessen.

Die Messung kann kalibriert werden, indem der Abbildungsmaßstab bei definiertem Abstand der Kamera von der Probenbeleuchtung mit einem Objekt ermittelt wird, dessen Abmessungen bekannt sind. Der Abstand, der als Pixelanzahl gemessen wurde, wird dem tatsächlichen Durchmesser gleichgesetzt. Das Kalibrierobjekt sollte gleiche Dimensionen aufweisen wie die zu messenden geometrischen Körper, um den Fehler, der aus der unvollkommenen Parallelisierung der Hintergrundbeleuchtung resultiert, zu minimieren. Die Meßgenauigkeit hängt zudem von der optischen Auflösung ab - bei einer CCD-Kamera sind dies die Anzahl und die Abmessungen der Bildpunkte.

 
 
 

3.5 Piezoelektrische Mikrodispenser

Eine grundlegende Voraussetzung für das Arbeiten mit Probenvolumina von wenigen Mikrolitern ist die genaue Dosierung von Lösungsmitteln und Lösungen bis in den Pikoliterbereich, z.B. bei Titrationen.

Die in der vorliegenden Arbeit verwendeten Mikrodosiersysteme arbeiten nach dem drop-on-demand-Verfahren, das von Tintenstrahldruckern bekannt ist [42]. Die piezoelektrischen Mikrodispenser bestehen aus einer Kapillare, die zu einer Düse mit definiertem Durchmesser ausgezogen ist. Die Düse ist von einem röhrenförmigen Piezo-Aktor umgeben, der sich bei Anlegen einer Spannung kontrahiert. Dadurch wird in der Flüssigkeitssäule, die sich in der Kapillare befindet, eine Druckwelle erzeugt, die sich bis zum Kapillarende fortpflanzt. Die Druckenergie wird in Bewegungsenergie transformiert, Einzeltropfen werden abgeschnürt und auf eine Geschwindigkeit von einigen Metern pro Sekunde beschleunigt, so daß sie - in eine beliebige Richtung abgegeben - einige Zentimeter zurücklegen können [43, 44]. Anstelle gezogener Kapillaren können auch in Silizium geätzte Mikrokanäle verwendet werden [45]. Das Volumen der emittierten Tropfen hängt von den Eigenschaften des geförderten Mediums, den Dimensionen der Pumpenkapillaren bzw. -kanäle und den Ansteuerparametern des Piezo-Aktors ab; im einzelnen sind dies z.B. die Viskosität der Flüssigkeit, die Höhe und Dauer der am Piezo-Aktor anliegenden Spannung und die Periode zwischen zwei Spannungsimpulsen.

Sind die drei Impulsparameter Spannung, Impulsbreite und Periode nicht richtig aufeinander abgestimmt, führt ein Druckimpuls unter Umständen zur Generierung nicht nur eines Tropfens, sondern auch zur Bildung von sogenannten Satelliten. Diese Tropfensatelliten beschreiben eine andere Flugbahn als die Haupttropfen. Eine genaue Dosierung von Lösungsmitteln oder Lösungen ist dann nicht möglich. Darüber hinaus entscheidet die Abstimmung der drei Parameter zur Ansteuerung des Piezo-Aktors über die Flugweite der Tropfen, die bis zu 20 mm betragen kann. Üblich sind Spannungen bis zu 200 V mit einer Impulsdauer von bis zu 1000 µs bei Perioden von einigen hundert Hertz.

Eine wichtige Voraussetzung für die Dosierung von Flüssigkeiten mit piezoelektrischen Mikrodispensern ist die gasfreie Befüllung des Pumpensystems. Wenn Hohlräume in der Kapillare vorhanden sind, führt die Kontraktion des Piezo-Aktors nur zur Verkleinerung des Gasvolumens und nicht zur Abschnürung eines Tröpfchens am Kapillarende. Aus diesem Grund können keine Lösungen gefördert werden, in denen sich ein Gas bildet, z.B. in einer Zerfallsreaktion oder durch Sieden des Lösungsmittels.

Die Funktion der Mikrodispenser kann mit einer speziellen Videokamera überwacht werden. Die Bestimmung des Volumens eines einzelnen Tröpfchens ist wegen der geringen Abmessungen und der hohen Frequenz der Tropfengenerierung schwierig. Zur Messung des Tropfenvolumens stehen die gleichen optischen Methoden zur Verfügung, die in Abschnitt 3.4 erläutert wurden. Anstelle einer kontinuierlichen Gegenlichtquelle muß eine Stroboskoplichtquelle eingesetzt werden, um ein stehendes und damit auswertbares Bild zu erhalten. Die verwendete Kamera muß nicht nur mit einem stark vergrößernden Objektiv, sondern auch mit einem lichtempfindlichen CCD-Chip ausgestattet sein, da der Bildausschnitt klein ist. Soll jeder Tropfen vermessen werden, der die Pumpe verläßt, ist vor allem eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme und -auswertung der Bilder notwendig. Litborn et al. haben ein elektronisches Mikroskop mit Laser-Probenbeleuchtung zur Vermessung von piezoelektrisch erzeugten Mikrotropfen vorgeschlagen [46].

Eine apparativ weniger aufwendige Alternative bildet die Wägung einer definierten Tropfenanzahl mit einer Mikro- oder Halbmikrowaage. Den generellen Vorteilen der Wägung, wie z.B. große Genauigkeit, stehen einige Nachteile gegenüber. Zum einen muß eine sehr große Anzahl von Tropfen aufgefangen werden, um wägbare Massen zu erhalten, in der Regel deutlich mehr, als in einem Versuch zur Probenvorbereitung benötigt werden. Zum anderen darf es vor und während der Wägung nicht zur Verdampfung des Lösungsmittels kommen, was insbesondere bei organischen Lösungsmitteln mit hohem Dampfdruck schwierig ist.

Die Zuverlässigkeit der Mikrodispenser läßt sich durch die Inaktivierung der Glasoberfläche am Kapillarende deutlich verbessern, z.B. durch Silanisierung mit Dichlordimethylsilan [46] oder Chlortrimethylsilan. Insbesondere Flüssigkeiten mit großer Oberflächenspannung lassen sich mit derart modifizierten Pumpen besser dosieren.

Im Handel erhältliche piezoelektrische Mikrodosiersysteme bestehen aus einem Dosierkopf und einem Steuergerät, an dem die Parameter Spannung, Impulsbreite und Periode eingestellt werden. Diese Steuergeräte lassen sich entweder direkt über eine serielle Schnittstelle mit einem Rechner verbinden, von dem aus die Parameter in einem speziellen Programm eingestellt werden können, oder die Pumpe läßt sich vom Rechner aus durch ein TTL- (Abk. für Transistor-Transistor-Logik) Signal auslösen. Ein TTL-Signal besteht aus dem Umschalten von einer niedrigen auf eine hohe Spannung oder umgekehrt entsprechend den beiden Schaltzuständen "0" und "1" im binären System. Die Signale können von einem entsprechend ausgerüsteten Computer zwar erzeugt und gezählt werden, ob das elektrische Signal jedoch zur Abgabe der Tropfen durch den Pumpenkopf führt, ist nicht feststellbar. Diese positive Rückmeldung an den Meßrechner müßte eine optische Kontrolle mit entsprechender Bildauswertung übernehmen.

 
 
 

3.6 Programmierung mit LabView

LabView (Vers. 4.0, National Instruments, München) ist eine graphische Programmiersprache, die insbesondere für die Programmierung von Steuerungen von komplexen Apparaturen und Abläufen sowie die automatisierte Datenerfassung und -verarbeitung entwickelt wurde. Am Beispiel des Programms Pumpe.vi sollen die Vorteile dieser Programmiersprache erläutert werden. Die Dateinamenerweiterung "vi" kennzeichnet mit LabView programmierte Programme und bedeutet "virtual instrument" (angels. für virtuelles - mit dem Computer nachgebildetes - Gerät).

Das Programm Pumpe.vi steuert einen Regelkreis, mit dem die Verdampfung des Lösungsmittels aus einem levitierten Tropfen kontinuierlich ausgeglichen wird.
Die Programmierung mit LabView findet auf zwei Ebenen statt. Die erste Ebene, das Frontpanel, stellt die Oberfläche für den Programmanwender dar (Abb. 3.3).

Auf dem Frontpanel wird während der Programmierung eine Ein- und Ausgabemaske für alle zum Programmablauf notwendigen Variablen erstellt. LabView stellt dazu graphisch vorgefertigte Schalter, Texteingabefelder, Graphen etc. zur Verfügung, mit deren Hilfe innerhalb kurzer Zeit ein virtuelles Bedienfeld entsteht. Eine aufwendige Programmierung dieser Bedienoberfläche entfällt.

Die Eingabe "MicroDrop-Port" (1) legt die Nummer der seriellen Schnittstelle fest, an die das Steuergerät des Mikrodispensers angeschlossen ist. Die Eingabe "Ist/Soll-Volumina" (5) liefert die Werte für den Ist/Soll-Vergleich im Tropfenvolumen-Regelkreis. Das Soll-Volumen des Tropfens muß vom Anwender vorgegeben werden, und das Ist-Volumen wird über die Tropfenvermessung automatisch in Echtzeit ermittelt. Der Stopp-Schalter (3) ermöglicht die Unterbrechung der Zudosierung und damit des Regelkreises zur Erhaltung des Tropfenvolumens. Die Eingaben "Zahl Pumpentrigger (in)" (2) und "Blocklänge" (4) dienen zu Dokumentationszwecken. Die Anzeigen auf der rechten Seite des Frontpanels informieren über die Anzahl der erfolgten Pumpentriggerungen (6) und die Gesamtzahl der dosierten Tropfen (7). Die Ausgabe "error out" (8) ist Teil einer in LabView enthaltenen Fehleranalyse-Funktion.

Alle Elemente des Frontpanels finden ihre Entsprechung im Blockdiagramm, das die zweite Programmierebene darstellt und in dem die Befehle programmiert werden (Abb. 3.4). Anstelle von Namen sind den Befehlen Bilder, sogenannte Icons, zugeordnet. Die Verknüpfung von Befehlen mit Variablen oder anderen Befehlen etc. wird durch virtuelle Kabelverbindungen zwischen diesen Icons hergestellt, wobei die Art der Variablen automatisch erkannt und durch unterschiedliche Kabelfarben gekennzeichnet wird. Soweit nötig werden Variablen vom Compiler, der das Programm in die Maschinensprache übersetzt, transformiert.

 


 
Abb. 3.3: Frontpanel zum Programm Pumpe.vi (1: Eingabe für die Nummer der seriellen Schnittstelle, an die das Steuergerät des Mikrodispensers angeschlossen ist, 2: Eingabe für die Anzahl der bereits erfolgten Auslösungen der Pumpe, 3: Schalter zur Unterbrechung des Regelkreises zur Tropfenvolumen-Erhaltung, 4: Eingabe für die Anzahl der Tropfen in einem Block, 5: Eingaben für das Soll- und das Istvolumen des levitierten Tropfens, 6: Anzeige für die Anzahl der ausgelösten Blöcke, 7: Anzahl der emittierten Tropfen, 8: Anzeige einer Fehlerstatus- und -analyse-Funktion
 

Im Programmablauf wird zuerst überprüft, ob der Stopp-Schalter betätigt wurde, ob für das Sollvolumen ein Wert größer als Null eingegeben wurde und ob der Wert für das Sollvolumen kleiner ist als das gemessene Tropfenvolumen. Nur wenn alle drei Parameter auf "true" geschaltet sind, wird die Pumpe ausgelöst. Die Befehle zur Auslösung des Mikrodispensers befinden sich in der inneren Case-Struktur, die mit "true" überschrieben ist (der "false"-Fall ist in Abb. 3.4 unten links dargestellt). Von hier aus wird das Unterprogramm "00" aufgerufen, das die durch Eingabe (4) vorgegebene serielle Schnittstelle initialisiert und dann den Wert 0 in die Schnittstelle schreibt. Das Senden einer Null führt zu einer Änderung der Spannung um DU = + 10 V und erzeugt damit den elektrischen Auslöseimpuls für das Steuergerät des Mikrodispensers. Der Zähler "Zahl Pumpentrigger" wird in der Case-Struktur um den Wert Eins hochgesetzt. Um zu verhindern, daß die Pumpe erneut getriggert wird, obwohl der vorherige Auftrag noch nicht abgearbeitet und das Pumpensteuergerät nicht empfangsbereit ist, wird die Fortführung des Programms verzögert. Die Länge der Verzögerung richtet sich nach der Anzahl der Tropfen in einem Block (eine Millisekunde pro Tropfen); (4) und Uhr-Symbol). Zuletzt werden die neuen Werte in die Anzeige-Elemente geschrieben.

 


 
Abb. 3.4: Blockdiagramm zum Programm Pumpe.vi (Numerierung entsprechend Abb. 3.3)
 

Das Programm Pumpe.vi wird als Unterprogramm verwendet. Zur Integration der Unterprogramme in das Hauptprogramm wird ein Icon mit den notwendigen Anschlüssen zur Übergabe der Variablenwerte erstellt (Abb 3.5).

 
 

Icon zur Verwendung von Pumpe.vi als Sub-VI

 
Abb. 3.5:  Icon zur Verwendung von Pumpe.vi als Unterprogramm

Die graphische Programmierung unterscheidet sich wesentlich von der Schrift-Programmierung: im Gegensatz zu Programmen, die mit textbasierten Sprachen erstellt sind und bei denen die Befehle Zeile für Zeile abgearbeitet werden, sind LabView-Programme datenfluß-programmiert, d. h. die Reihenfolge, in der die Befehle abgearbeitet werden, ist innerhalb einer Gliederungsebene nicht vom Programmierer zu steuern. Wenn die zeitliche Abfolge im Programm eine Rolle spielt, muß eine sogenannte Sequenz-Struktur eingeführt werden, mit der die Befehle in Blöcke gegliedert und in der gewünschten Reihenfolge ausgeführt werden. Die Sequenzstruktur wird ebenso wie "while"- oder "for"-Schleifen durch einen Rahmen symbolisiert, in den alle Befehlsicons hineingeschrieben werden. Erst wenn alle Befehle eines Sequenzrahmens abgearbeitet wurden, folgt der nächste. Eine Einführung in die Programmiersprache LabView ist in [47] gegeben.

 
 
 
 

3.7 Organozinn-Verbindungen

Die in-situ-Derivatisierung von ionischen Butylzinn-Verbindungen bei simultaner Extraktion mit einem unpolaren Lösungsmittel wurde als Beispiel für eine Probenvorbereitung in einem levitierten Tropfen gewählt, weil die vier Zinnspezies, die nebeneinander bestimmt werden können, eine sehr unterschiedliche Polarität aufweisen. Die Butylzinn-Verbindungen sollten aus diesem Grund unterschiedliches Verhalten bei der Variation der Derivatisierungs- und Extraktionsbedingungen zeigen und damit Aussagen über Machbarkeit einer Miniaturisierung dieser Probenvorbereitungsschritte mit der Ultraschall-Levitations-Apparatur in Hinblick auf die Eigenschaften der Analyte zulassen. Nicht zuletzt stand für die Messung der vorbereiteten Proben ein ausgearbeitetes Routineverfahren zur Verfügung, was den Nachteil der Komplexität des Verfahrens aufwog.

 
 
 

3.7.1 Eigenschaften, Darstellung, Toxikologie und Umweltverhalten von Organozinn-Verbindungen

Metallorganische Verbindungen mit einer oder mehreren Zinn-Kohlenstoff-Bindungen werden als Organozinn-Verbindungen (OZV) bezeichnet. Die OZV werden entweder als Substitutionsprodukte des Zinns oder des abgeleiteten Zinnhydrids (Stannan) angesehen. Nach der IUPAC-Nomenklatur können daher z.B. für (C2H5)3SnCl die Bezeichnungen Chlortriethylzinn, Chlortriethylstannan oder Triethylzinnchlorid verwendet werden. In der Regel ist Zinn in organischen Verbindungen vierwertig im Gegensatz zu den meist zweibindigen anorganischen Zinnverbindungen. Die Zinn(IV)-organischen Verbindungen können mit der allgemeinen Summenformel (17) beschrieben werden.
 

R(n+1)SnX(3-n) (17)

(mit 0  3 und R: Alkyl- oder Arylrest sowie X: -H, -OH, Acyloxy-Gruppe oder Halogen) Die Metall-Metall-Bindung in organischen Zinnverbindungen ist energetisch ungünstig, so daß Verbindungen des Typs R3Sn-SnR3 kaum vorkommen und als Analyte in der Praxis keine Rolle spielen.

Die ionischen OZV werden häufig aus den Tetraalkylverbindungen gewonnen, die durch Grignard-Reaktion, Transmetallierung mit Lithium-, Natrium- und Aluminium-organischen Verbindungen oder aus Alkylhalogeniden mit Zinntetrachlorid und Natrium nach einer der Wurtz-Synthese analogen Reaktion hergestellt werden können. Die Alkylzinnhalogenide entstehen bei der Komproportionierung der tetraalkylierten Verbindungen, bei Umsetzung mit Zinnhalogeniden oder im sogenannten Direktverfahren aus Alkylhalogeniden. Asymmetrisch substituierte Tetraalkylzinn-Verbindungen sind darüber hinaus durch die Hydrostannierung zugänglich [48, 49, 50]. Aus den Organozinnhalogeniden können die meisten anderen OZV hergestellt werden, z.B. Hydride, Hydroxide und Oxide.

Die Organozinn-Verbindungen werden seit Mitte der dreißiger Jahre industriell hergestellt und sind heute die industriell wichtigsten metallorganischen Verbindungen überhaupt. Technische Bedeutung haben neben anderen insbesondere Di- und Tributyl-, Dioctyl- und Triphenylzinn erlangt [51]. Der größte Anteil der OZV-Produktion wird in Form von Mono- und vor allem Dialkylzinn-Verbindungen bei der Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC) zur Stabilisierung des Kunststoffs gegen thermische und photochemische Einflüsse zugegeben. Einige OZV, z.B. Tetrabutylzinn, werden als Katalysatoren bei der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoffen und bestimmten Siliconen eingesetzt [51].

Einer der wichtigsten Eintragspfade von tri-substituierten OZV in die aquatische Umwelt ist seit Anfang der siebziger Jahre die Verwendung von Tributylzinn- (TBT) Verbindungen als algizide und molluskizide Komponente in den Antifouling-Anstrichen von Schiffsrümpfen im Unterwasserbereich. Darüber hinaus wird TBT als Desinfektionsmittel und als Fungizid in der Industrie für den Schutz von Textilien, Holz und Leder sowie im Pflanzenschutz zudem als Saatbeizmittel eingesetzt. Tetrabutylzinn (TTBT) und Sn4+ sind von Produktionsanlagen für ionische Butylzinnverbindungen in erheblichen Mengen mit dem Abwasser in die Elbe eingeleitet worden [52, 53, 54].

Die toxische Wirkung der OZV hängt stark vom Substitutionsgrad ab. Tributylzinn-Verbindungen werden als die wirksamsten Gifte angesehen, die vom Menschen bewußt in die Umwelt eingebracht werden [55, 56, 57]. In Laborversuchen konnte gezeigt werden, daß viele Meerestierarten, die in Ästuaren beheimatet sind, vor allem während ihrer frühen Entwicklungsstadien durch TBT-Konzentrationen von 1 bis 100 ng/L Meerwasser geschädigt werden [55, 58, 59]. TBT-Konzentrationen von wenigen ng/L in Meerwasser führen z.B. zur Ausbildung männlicher Geschlechtsorgane bei weiblichen Schnecken und zu Mißbildungen der Schale bestimmter Austernarten. Organozinn-Verbindungen werden von den Tieren einer Nahrungskette verschieden stark akkumuliert. Die Höhe der Belastung hängt nicht nur von der Stellung der Tiere in der Nahrungskette, sondern auch von ihrer Fähigkeit zur Metabolisierung der OZV ab. Die OZV reichern sich nicht in dem Maße in der Nahrungskette an, wie von den jeweiligen Nahrungsmengen, die die Tiere benötigen, zu erwarten wäre [60, 61].

Wegen der toxischen Wirkungen der aus Antifoulingfarben freigesetzten Tributylzinn-Verbindungen wurden diese Anstriche für Schiffsrümpfe unter 25 m Länge seit Anfang der achtziger Jahre in immer mehr Ländern verboten, 1989 z.B. in der Europäischen Union. Größere Schiffe, vor allem der Handelsflotte, dürfen nach wie vor weltweit mit TBT-haltigen Unterwasseranstrichen versehen werden. Die International Marine Organisation (IMO) der Vereinten Nationen hat im Juni 1999 das Verbot von TBT-haltigen Antifoulingfarben für das Jahr 2003 und das endgültige Verbot des Einbringens von TBT durch Antifoulinganstriche in die Gewässer für das Jahr 2008 empfohlen. Ein gleichwertiger Ersatz für die TBT-haltigen Anstriche konnte bisher nicht gefunden werden. Besonders die fünf Jahre anhaltende Schutzwirkung der derzeitigen Antifoulinganstriche ist unerreicht. Ein effektiver Schutz der Unterwasserschiffe ist notwendig, da sich der Strömungswiderstand durch den Algen- und Muschelbewuchs um bis zu 40 % erhöht und damit der Treibstoffverbrauch steigt und die Höchstgeschwindigkeit der Schiffe sinkt.

Je nach Art der organischen Substituenten und dem Alkylierungsgrad werden die Organozinn-Verbindungen entweder über Oberflächenwässer oder seltener über die Atmosphäre verteilt. In Gewässern sind die OZV zum größten Teil an Sedimente oder Schwebstoffe gebunden. In tierischen Organismen werden die OZV vor allem in der Leber und den Nieren, aber auch im Fettgewebe eingelagert. Für ein umfassendes Bild von der OZV-Belastung sind Untersuchungen der Luft, des Wassers, der Sedimente und biologischer Matrizes notwendig. Die sehr unterschiedliche und vom Alkylierungsgrad abhängige Toxizität der verschiedenen Zinnverbindungen erfordert darüber hinaus eine Speziesanalyse. Entsprechend vielfältig stellen sich die in den letzten Jahrzehnten entwickelten analytisch-chemischen Verfahren zur Bestimmung von OZV dar.

 
 
 

3.7.2 Überblick über die analytisch-chemischen Methoden zur Zinn- Speziesanalyse

Anhand der Bestimmungsverfahren für Organozinn-Verbindungen läßt sich die Entwicklung der instrumentellen Analytik in den letzten Jahrzehnten verfolgen - kaum eine moderne Extraktions- oder Bestimmungsmethode, die nicht in einem Analysenverfahren angewendet worden wäre. In den folgenden Kapiteln soll ein kurzer Überblick über die Entwicklungen der letzten zehn Jahre gegeben werden. Allen analytisch-chemischen Bestimmungsverfahren, in denen als Trennmethode die Gaschromatographie eingesetzt wird, sind ein Extraktions- und ein Derivatisierungsschritt vor der Trennung und Detektion gemeinsam. Andere Trennmethoden, wie z.B. die HPLC, spielen eine untergeordnete Rolle.

 
 
 

3.7.2.1  Extraktion

Der vergleichsweise hohe Gehalt an anorganischem Zinn in vielen Umweltproben, die Bindung der OZV z.B. an Sedimente oder ihre Einlagerung in biologische Matrizes und der Wassergehalt der Proben machen eine Extraktion im Analysenverfahren unentbehrlich.

Extraktionen der OZV aus wäßrigen und getrockneten Proben können mit wenig polaren Lösungsmitteln als Soxhletextraktion oder als flüssig/flüssig-Extraktion unter Zugabe eines Komplexbildners durchgeführt werden. Üblich sind als Lösungsmittel Hexan, Benzol, Toluol und Dichlormethan und als Komplexbildner a-Tropolon (2-Hydroxy-2,4,6-cycloheptatrien-1-on) und verschiedene Diethyl-dithiocarbamate. Die Extraktionsausbeuten für Monobutylzinn (MBT) und Dibutylzinn (DBT) sind niedrig, vor allem, wenn kein Komplexbildner zugegen ist [57].

Die Extraktion mit unpolaren Lösungsmitteln zusammen mit einer Säure, z. B. Salzsäure, Bromwasserstoffsäure oder Essigsäure, wird durch Schütteln oder durch Anwendung von Ultraschall unterstützt, abhängig davon, ob es sich um eine biologische Matrix oder ein Sediment handelt. Insbesondere die Wiederfindungsrate für MBT läßt sich durch diese Extraktionsverfahren steigern [62]. Als Lösungsmittel kommen Pentan, Hexan, Isooctan, Ethylacetat, Benzol, Isobutylacetat, Toluol und Diethylether sowie Dichlormethan zur Anwendung.

Darüber hinaus wurden eine Reihe von Extraktionsverfahren entwickelt, in denen ein polares Lösungsmittel, wie z.B. Salzsäure, Essigsäure oder HCl in Methanol bzw. Aceton oder reine polare organische Lösungsmittel, eingesetzt werden. Bei einigen Verfahren wird eine flüssig/flüssig-Rückextraktion in ein unpolares organisches Lösungsmittel vorgenommen.

Die meisten Organozinn-Verbindungen sind in überkritischem Kohlendioxid löslich; bei einer Extraktion aus Böden und Sedimenten muß zur Steigerung der Löslichkeit ein organischer Modifier zugegeben werden [57]. Die Extraktionsausbeute kann bei der Extraktion biologischer Proben durch eine vorhergehende basische oder enzymatische Hydrolyse der Zellmembranen erhöht werden.

Die Vielzahl der angewendeten Extraktionsmethoden läßt erkennen, daß die Extraktion hinsichtlich der Wiederfindung einen kritischen Schritt im Analysenverfahren darstellt und bisher kein Extraktionsverfahren gefunden wurde, mit dem alle interessierenden Spezies mit vergleichbarer Ausbeute extrahiert werden können. Kompliziert wird die Extraktion zusätzlich, wenn neben Zinnverbindungen Organoblei- und Organoquecksilberverbindungen analysiert werden sollen [50, 63].

 
 
 

3.7.2.2  Derivatisierung

Für die Analyse von Organozinn-Verbindungen wird ein leistungsfähiges Trennsystem benötigt. Aus diesem Grund wird in den meisten Verfahren die Gaschromatographie eingesetzt. Die ionischen OZV sind in der Regel nicht hinreichend flüchtig, um ohne vorhergehende Derivatisierung mit der Gaschromatographie getrennt werden zu können. Bei der Derivatisierung werden die Anionen, z.B. Chlorid, Carbonat oder Sulfat, gegen Wasserstoffatome oder Alkylreste unter Erhalt der Speziesinformation ausgetauscht.

Die ionischen OZV können mittels Natriumborhydrid hydriert und mittels atomspektrometrischer Methoden bestimmt werden [57]. Die Alkylzinnhydride weisen eine geringe Stabilität auf, so daß die Derivatisierung direkt vor der Messung durchgeführt werden sollte. Die Methode erlaubt die Bestimmung der hochflüchtigen OZV, wie z.B. Methylzinn-Verbindungen.

Die zweite Möglichkeit zur Derivatisierung unter Erhaltung der Speziesinformation besteht in der Alkylierung der Organometall-Verbindungen entweder durch Natriumtetraalkylborate, Tetrabutylammoniumtetrabutylborat ([(C4H9)4N][B(C4H9)4]) [50, 64] oder durch eine Grignard-Reaktion.

Als organische Reste in Grignard-Verbindungen zur Derivatisierung zinnorganischer Verbindungen sind Methyl- [65], Ethyl- [60, 66], Propyl- [50, 61, 67], Pentyl- [50, 62, 65, 68, 69] und Hexylgruppen [70, 71] eingesetzt worden. Die Grignard-Reaktion ist trotz der mit ihr verbundenen großen Nachteile häufig eingesetzt worden. Die Reaktion muß in einem nicht-protischen, absolut wasserfreien Lösungsmittel durchgeführt werden. In den meisten Fällen werden die OZV mit einem polaren Lösungsmittel aus der Probenmatrix extrahiert, das sich nicht für eine Grignard-Reaktion eignet. Neben dem Lösungsmittelwechsel vor der Derivatisierung ist eine weitere Extraktion der peralkylierten Verbindungen aus der wäßrig aufgearbeiteten Reaktionslösung erforderlich. Diese Schritte verlängern die Analysenzeit und erhöhen die Gefahr von Analytverlusten. Die Wiederfindungsraten für die leichter flüchtigen ethylierten oder methylierten Phenylzinn-Spezies und Monobutylzinn nach Grignard-Derivatisierung sind niedrig. Umalkylierungen sind nicht beobachtet worden.

Alternativ können die ionischen Organozinn-Verbindungen mit Natriumtetraethylborat (NaB(C2H5)4) in situ in wäßriger, auf einen pH-Wert von ca. 4 bis 5 gepufferten Lösung derivatisiert werden. Die peralkylierten OZV müssen simultan mit einem unpolaren Lösungsmittel aus der wäßrigen Phase extrahiert werden, um Analytverlusten vorzubeugen [53, 72, 73]. Diese Methode ist wesentlich weniger zeitaufwendig als die Derivatisierung mit Grignard-Verbindungen, und der Einfluß der Matrix auf das Analysenergebnis ist geringer als bei der Hydrierung mit NaBH4 [74].

In jüngster Zeit ist Natriumtetrapropylborat (NaB(C3H7)4) als Derivatisierungsreagenz eingesetzt worden [63], das eine  Speziesanalyse für Organozinn-, Organoblei- und Organoquecksilber- Verbindungen in einem Analysenverfahren zuläßt [50]. NaB(C3H7)4 und NaB(C2H5)4 sind bezüglich ihrer Verfahrenskenndaten bei gaschromatographiphischer Trennung und Bestimmung mit einem Atomemissionsdetektor ähnlich [75].

Nach einer Derivatisierung mit Natriumtetraphenylborat konnten Alkylzinn- und Alkylblei-Verbindungen, im Gegensatz zu Alkylquecksilber-Verbindungen und anorganischem Quecksilber, nicht detektiert werden [76].

Technisch wichtige Organozinn-Verbindungen tragen Butyl-, Octyl-, cyclo-Hexyl- und Phenylreste. Methylzinn-Verbindungen werden in der Natur durch Biomethylierung synthetisiert. Für die Speziesanalyse kommen daher nur Alkylreste anderer Kettenlänge oder Struktur in Frage, weil z.B. bei einer Butylierung von Sn2+, Sn4+ und ionischen Butylzinnverbindungen das gleiche, perbutylierte Sn(IV)-Produkt entsteht und die Speziesinformation verloren geht.

 
 
 

3.7.2.3  Trennung und Detektion der Zinnspezies

Die peralkylierten Zinnspezies werden bevorzugt mit Hilfe der Gaschromatographie - vor allem der Kapillar-Gaschromatographie - getrennt. Der Nachteil, daß die Zinnverbindungen zu unzersetzt verdampfbaren Verbindungen derivatisiert werden müssen und in der Regel eine Aufreinigung der alkylierten Verbindungen vor der Probenaufgabe notwendig ist, wird durch die hohe Trennleistung sowie die verhältnismäßig einfache Kopplungsmöglichkeit an empfindliche Detektorsysteme aufgewogen. Als Detektionsmethoden nach einer gaschromatographischen Trennung sind in den letzten Jahren fast ausschließlich die Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) [53, 77, 78], die Atomemissionsspektrometrie (AES) [53, 77], die Massenspektrometrie (MS) [73, 78, 79] und die Flammenphotometrische Detektion (FPD) [72, 80] eingesetzt worden.

Underivatisierte Organozinn-Verbindungen können mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) getrennt werden. Die HPLC erreicht nur in der Kopplung mit einem Massenspektrometer mit einem induktiv gekoppelten Plasma als Ionenquelle (ICP-MS) die Empfindlichkeit der sensitiven GC-Kopplungen mit einem Atomemissionsdetektor mit mikrowellen-induziertem Plasma als Anregungsquelle (MIP-AED). Die absoluten Bestimmungsgrenzen für Mono-, Di- und Tributylzinn bei Bestimmung mit einer GC-MIP-AED-Kopplung liegen bei 0,05 bis 4 pg Sn [57].

Für die Analyse zinnorganischer Verbindungen in Sedimenten sind zur Zeit nur zwei zertifizierte Referenzmaterialien erhältlich, das Hafensediment PACS-1 mit zertifizierten Werten für MBT, DBT und TBT sowie das Küstensediment CRM-462 mit zertifizierten Werten für DBT und TBT. Für OZV mit anderen organischen Resten besteht keine Möglichkeit, die Richtigkeit einer Methode mit einem zertifizierten Referenzmaterial zu ermitteln.

Der Trend bei der Analyse von Organometall-Verbindungen geht hin zur Multielement- und Multispeziesanalyse [50, 63, 68, 79, 81, 82].
 

 


 
 
 
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