Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Távoli elemző módszerek

Távoli elemző módszerek

Működési elv

A levegőben megjelenő szennyezőanyagok meghatározása ipari üzemek meghibásodása, balesetek, természeti katasztrófák esetén vagy nehezen megközelíthető helyeken távoli elemző rendszerekkel (remote analysis) oldható meg biztonságosan. Az ilyen mérések elvégzése többféleképpen is lehetséges, ezek közül most csak a két alapvető esetet tárgyaljuk.

Léteznek olyan különböző bonyolultságú automatizált, önállóan működőképes mérőrendszerek, amelyek adatait, állapotát időnként távolról lekérdezhetjük, esetleg működését befolyásolhatjuk (vezérelhetjük). Ilyen mérőrendszerek nehezen megközelíthető vagy veszélyes helyeken is telepíthetők. Ezen rendszerek kommunikációs értelemben valósítják meg a távoli méréseket (távoli hozzáférésű mérőrendszerek, remotely accessible analytical systems). Jellemzőjük, hogy a távolság igen nagy lehet (gondoljunk pl. az űrszondákra), azonban a mérőrendszer telepítéséhez és karbantartásához a kezelőnek ténylegesen el kell mennie a mérés helyszínére. Robbanásveszélyes minták sem mérhetők az egész mérőrendszer épségének kockáztatása nélkül.

A másik esetben a minta és a mérőműszer közötti fizikai távolság relatíve nagy, vagyis a maga mérési elv nyújt lehetőséget a távolról történő analízisre. Értelemszerűen csak bizonyos analitikai módszerek, mégpedig a legérzékenyebb spektroanalitikai módszerek képesek ilyen kontaktus nélküli „valódi” távoli mérésre. Ezen módszerek jellemzője, hogy a mérési távolság általában nem több, mint néhány kilométer, de a kezelő személyzetnek akár soha nem kell járnia a céltárgynál és a céltárgy lehet robbanásveszélyes is.

Eszközök és módszerek

A kontaktus nélküli „valódi” távoli mérésekre az alábbi, kommerciális eszközökben megvalósult példákat érdemes megemlíteni.

Infravörös távérzékelés

Erre a célra alkalmazható pl. az alábbi ábrán illusztrált elrendezésben az infravörös távérzékelés. A spektrométerrel a 650-1500 cm-1 tartományban, emissziós módszerrel mért sugárzás a háttér, a légkör és a szennyezőanyag sugárzásából adódik. A mért sugárzás a sugárzásos átadással adható meg. A felhőkből és a talajból érkező háttérsugárzás áthalad a szennyezőanyag felhőjén, illetve a felhő és a spektrométer közötti levegőn, és a spektrométer ezek eredőjét méri.

Légköri szennyezőanyagok infravörös távérzékelése

A spektrométerrel mért sugárzás a legegyszerűbben a következő módon fejezhető ki

ahol τiaz i-edik réteg transzmittanciája, Bi az i-edik réteg spektrális feketetest sugárzása a Ti hőmérsékleten, L3 a felhőbe a háttérből belépő sugárzás mértéke. Ha a spektrométer látóterének hátterében felület található, a felhőbe a háttérből belépő L3 sugárzás mértéke a környezeti sugárzásból (Lam) és az égboltból érkező sugárzásból (Lég) adódik össze. Fourier-transzformációs infravörös spektrometriával (FTIR) tipikusan kilométer távolságon keresztül lehet távérzékelést végezni. A módszer alkalmas a légkörben jelenlévő gázok és gőzök kimutatására. Az azonosítás referenciaspektrumokkal történő összehasonlításon alapul.

LIDAR

A LIDAR (light detection and ranging) módszert elsősorban az atmoszférában előforduló nyomnyi gázszennyezők (pl. ózon, szerves gázok, stb.) vizsgálatára használják. A módszer impulzusüzemű, hangolható, nagyintenzitású lézer fényforrást alkalmaz, amelyet felváltva a mérendő komponensre jellemző, azáltal elnyelt (λon) és az ahhoz nagyon közeli, nem elnyelt (λoff) hullámhosszra hangolnak. A fényimpulzusok egy részét a természetes forrásból származó, mindig jelenlevő aeroszol részecskék vissza fogják (rugalmasan) szórni a detektorba. A lézerimpulzusok kibocsátásától a visszaérkezésig eltelt időből a szennyező anyag felhőjének távolsága (R) is meghatározható. A λoff hullámhosszúságú visszatérő fényimpulzus intenzitása a háttérjelet fogja adni, a λon hullámhosszúságú visszatérő fényimpulzus intenzitása pedig a szennyező gázmolekulák abszorpciója miatt gyengült, transzmittált intenzitást adja a 2*R nyitott abszorpciós „cellahosszban”. A módszerrel akár több km távolságból 2D/3D koncentráció-eloszlástérképet is lehet készíteni, a ppm tartományba eső koncentrációjú szennyezőkről. A térképezés történhet repülőről, meteorológiai ballonról és a földről is. A LIDAR módszert elsősorban környezetanalitikai mérésekre alkalmazzák.

Hangolható diódazézeres abszorpciós spektroszkópia

Amint azt már a 6.6. fejezetben említettük, a hangolható félvezető (dióda) lézer fényforrások segítségével az abszorpciós spektroszkópiai meghatározások (TDLAS) nemcsak érzékenyebbé, szelektívebbé és kényelmesebbé, a műszerek kompaktabbá tehetők, hanem a mérések „nyitott” mérőcellában is kivitelezhetők, amelyek így a távoli mérések lehetőségét is hordozzák. A nyitott cella esetében a gerjesztő fényforrás fényét egy, a vizsgálandó gázközeg „mögött” elhelyezkedő tükörrel vagy részlegesen fényvisszaverő műtárggyal lehet a detektorba visszajuttatni. Ezzel a megoldással lokalizált szennyező gázfelhőket szoktak vizsgálni, sok esetben kézi (hordozható) műszerekkel, néhány tíz méter távolságból

Lézer indukált plazma spektrometria

A lézer indukált plazma spektrometriáról írt 6.3. fejezetben is említésre került a lehetőség, hogy a méréseket akár távolról is el lehet végezni. A nagy teljesítményű lézerfény mintához vezetése és a keletkezett mikroplazma fényének a távolban elhelyezett spektrométerbe való visszajuttatása történhet száloptikai kábelekkel vagy olyan optikával is, ami a fény egyenesvonalú terjedését használja ki. A gyakorlatban már több száz méter távolságból is többször sikeresen demonstrálták ennek a mérési módszernek a működőképességét. A LIBS spektroszkópiai ilyen alkalmazásai között szerepelnek a nukleáris reaktorok és létesítmények forró zónájában való analízisek (pl. korróziós vizsgálatok, fűtőelemek vizsgálata), terrorizmus ellenes vizsgáló kapuk működtetése (pl. robbanóanyag nyomok keresése gépjárműveken), vagy metallurgiai és üvegipari alkalmazások (pl. fémolvadékok vagy ömlesztett üveg távolról történő összetétel ellenőrzése).

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Milyen két alapvető konfigurációban képzelhető el távoli elemzés?

  2. Ismertesse egy, a tárgyalt konkrét távoli elemző módszerek közül szabadon választott módszer működési elvét és analitikai jellemzőit!