Methodenentwicklung zur Bestimmung von Quarz in Materialproben - Anwendung und Vergleich der Verfahrensvarianten des externen und internen Standards sowie der Standardaddition

Status:

abgeschlossen 12/2021

Zielsetzung:

Die bestehende Analytik zur Bestimmung von Quarz aus Luftproben mittels Röntgendiffraktion soll zur Analyse von Materialproben weiterentwickelt werden. Eine Grundlage dafür sind die aktuellen Aktivitäten des ISO-Arbeitskreises "Silica" (TC 146/SC 2/WG 7). Bislang werden Materialproben als Dünnschichtpräparate aufbereitet, die mit dem für Luftproben etablierten Analysenverfahren analysiert werden können. Die Quantifizierung erfolgt über externe Standards mit einer Nachweisgrenze von 1 % (Masse, DGUV Information 213-582). Ziel der Weiterentwicklung des Analysenverfahrens soll es sein, durch Variationen der Probenpräparation und Anwendung verschiedener Kalibriermethoden mögliche Querempfindlichkeiten und Störeinflüsse zu reduzieren bzw. besser berücksichtigen zu können und so die Nachweisgrenze zu senken. Eine Kernfrage ist dabei, inwieweit die Dickschichtpräparation von Materialproben Vorteile gegenüber der Dünnschichtpräparation bietet. Als wesentliche Einflussgröße wird dabei der materialspezifischen Massenabsorption der benutzten Röntgenstrahlung durch die Matrix der Materialproben, in denen Quarz bestimmt werden soll, nachgegangen. Die Anwendung verschiedener Präparationsmethoden und Auswerteverfahren soll klären, welches Verfahren diesen Einfluss minimiert bzw. am besten kompensierbar macht.

Aktivitäten/Methoden:

Die praktischen Arbeiten im Projekt zur Bestimmung von Quarz in Materialproben betreffen drei Aspekte: Es werden Versuche zur Zerkleinerung der Proben durch Mahlung und verschiedene Arten der Präparation durchgeführt sowie unterschiedliche Kalibriermethoden angewendet.

Die vorliegenden Proben müssen zunächst zerkleinert werden. Die Versuche sind so abgestimmt, dass neben der erreichbaren Partikelgrößenverteilung auch die Effekte der Amorphisierung des Materials und mögliche Abrieberscheinungen durch die Mahlung ermittelt werden können. Die Analyse der Materialproben erfolgt sowohl an Dünnschichtpräparaten (Standardverfahren für die Analyse von Luftproben) als auch an Dickschichtpräparaten. Für die Versuchsreihen werden verschiedene Mengen an Quarz in Kombination mit einem Trägermaterial sowohl als Dünn- als auch als Dickschichtpräparat hergestellt, anhand derer die Auswirkungen auf die röntgendiffraktometrische Messung feststellbar ist. In Ergänzung werden daran auch Versuche zur Reproduzierbarkeit der Präparation, Messung und Auswertung durchgeführt.

Neben der bislang üblichen Kalibrierung anhand externer Standards werden auch die Methode des internen Standards und das der sog. Additionsverfahren eingesetzt. Die verschiedenen Quantifizierungsverfahren werden zunächst anhand einer idealen Probe (Quarzmehl SF600) miteinander verglichen. Anschließend wird der Matrixeinfluss durch Anwendung der verschiedenen Quantifizierungsverfahren für verschiedene Mischungen aus SF600 und Materialien mit unterschiedlich starken Massenabsorptionskoeffizienten untersucht.

Ergebnisse:

Die Versuchsreihen mit verschiedenen Rein- und Mischproben zeigten, dass das zur Auswertung von Luftproben eingesetzte sog. Dünnschichtverfahren auch für die Analyse von Materialproben gleichwertige Ergebnisse zum Dickschichtverfahren liefert. Der störende Einfluss der spezifischen Massenabsorption ist bei Anwendung des Dickschichtverfahrens deutlicher ausgeprägt. Bei dem zur Kompensation dieses Effektes eingesetzte Verfahren mit internem Standard zeigte die Quantifizierung bei Anwendung des Referenzintensitätsansatzes gegenüber dem Kalibrierkurvenansatz geringere Abweichungen. Dabei konnten anhand der Versuche mit Realproben mit unterschiedlicher Matrix zudem für das Dünnschichtverfahren geringere Abweichungen festgestellt werden als beim Dickschichtverfahren. Die Abweichungen gingen zum Teil auch auf Peakinterferenzen zurück. Daher sollten, abhängig von der beobachteten Probenmatrix, mindestens zwei interne Standards zur Auswahl verfügbar sein. Eine grundsätzliche Betrachtung der Reproduzierbarkeit der röntgendiffraktometrischen Analysen konnte zeigen, dass die Abweichungen, die durch die Auswertung der Spektren (Peakfitting-Software der eingesetzten Analysensysteme) entstehen, deutlich größer sein können als die durch die Präparation und Analyse bedingten Abweichungen.

Stand: