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Der Mikrowellenprozessanalysator MIPAN nutzt die Absorption von Hochfrequenz (Mikrowellen)-Strahlung um Gaskomponenten quantitativ zu messen. Die fast allgegenwärtigen Mikrowellenherde nutzen denselben physikalischen Effekt, in diesem Fall zur Erwärmung von Flüssigkeiten.
Warum Mikrowellenspektroskopie? Es ist die Selektivität, die diese Technik für die Prozessanalytik so attraktiv macht. Im Gegensatz zur Gruppenselektivität von UV-, VIS, NIR- und IR-Spektroskopie wechselwirken die Gase mit Mikrowellen quasi ganzeinheitlich. Durch die Strahlungsabsorption werden die Gase zur Rotation angeregt, daran nimmt das gesamte Molekül teil. Kleinste Veränderungen in der Geometrie oder in den Massen führen zu anderen Absorptionsfrequenzen, deshalb können auch Isotope mit MIPAN problemlos unterschieden werden.
Am Beispiel der Absorptionsfrequenzen von vier Lachgasisotopen N2O soll das verdeutlicht werden:
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Isotop
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Frequenz [MHz]
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N15N14O16
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24.274
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N14N15O16
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25.121,5
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N14N14O16
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25.123
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N15N15O16
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25.274
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Bei entsprechend niedrigen Drucken betragen die Halbwertsbreiten der Absorptionslinien
< 2 MHz, sodass sogar Lachgasisotope selektiv unterschieden werden können, je nachdem ob sich das N15 Isotop am Rand bzw. in der Molekülmitte befindet.
Bezüglich der Selektivität ist MIPAN einem Massenspektrometer mindestens ebenbürtig, bezüglich einer quantitativen Messung überlegen.
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Sekundäre Effekte – absolute Selektivität
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Die primäre Selektivität ist nach den Vorbemerkungen (s.o.) gegeben, d.h. ein Messsignal durch einen anderen Stoff kann ausgeschlossen werden. Ein sekundärer Effekt durch Matrixwechsel (Variationen der Begleitgaskonzentrationen) beeinflusst bei vielen Messverfahren den Messwert, was zu Messfehlern führen kann. Auch mikrowellenspektroskopisch nicht erfassbare Gase, wie N2, O2, CO2 etc. können eine Absorptionslinie –bei ungünstiger Auslegung des Messsystems- in Höhe und Breite beeinflussen. Auch dieser Effekt spielt bei MIPANQ keine Rolle!
Das soll an zwei Beispielen erläutert werden. In der folgenden Tabelle sind die MIPAN-Ablesewerte für verschiedenen Begleitgaszusammensetzungen zusammengefasst:
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445 vppm NH3 in variierender Matrix
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Gaszusammensetzung
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Ablesewert MIPAN
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86% N2 + 14% O2
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443 vppm
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86% N2 + 14% CO2
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450 vppm
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100% N2
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445 vppm
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86% N2 + 14% H2O
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449 vppm
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Der Einfluss nicht absorbierender Begleitgase, der sogenannte Matrixeffekt, ist bei dem selektiven Messgerät MIPAN vernachlässigbar. Zusätzlich wird das aus folgendem Diagramm ersichtlich.
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Auch bis zu einem Begleitgaswechsel von 38% (O2 statt N2) ist kein Einfluss der Matrix und kein Einfluss auf die Linearität des Messsignals erkennbar. MIPAN-Rohmesswerte werden nicht linearisiert, sondern lediglich über eine Geradengleichung y=mx+b auf den gewählten Messbereich angepasst. Die MIPAN-Rohmesswerte sind auf Grund der geringen Absorptionen streng linear von der Konzentration abhängig.
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