Applications of infrared and Raman spectroscopy in industry

Summary There have been many recent explosive advances in both IR and Raman spectroscopy which have developed in response to industrial problems of increasing complexity. Probably the biggest factor in these advances has been computerization, which has contributed not only to substantial improvements in data handling but to enormous gains in sensitivities of analyses as well.In this paper numerous examples of Raman and IR applications in industry are given using many of these recent advances, including in-situ techniques, microprobe analyses, unusual combinations of instruments — i.e., hyphenated methods — and new sample handling techniques. The bright future of FT-IR and Raman spectroscopy is also briefly discussed.

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Anwendungen der Infrarot- und Ramanspektroskopie in der Industrie

Zusammenfassung Infrarot- und in geringerem Maße Raman-Spektroskopie sind etablierte und wirklich alltägliche Techniken in einem gut ausgerüsteten Industrielabor. Sie werden routinemäßig bei Problemen eingesetzt, die von großer Bedeutung für den Erfolg einer Forschungs- und Entwicklungsindustrie sind.Die Untersuchung von Katalysatorstrukturen und der Oberflächenadsorptionsstellen in Hinblick auf Katalysevorgänge kann Isotopensubstitution und in situ Bestimmungen bei mittleren bis hohen Drücken und Temperaturen einschließen. Für die in situ Untersuchungen von Katalysatoren ist Raman-Spektroskopie die einfachere Methode, da das Trägermaterial keinen Einfluß hat.Untersuchungen bei hohen Drücken sind wichtig für Modellstudien bei der Ölproduktionsforschung, da hier Bandenpositionen und -intensitäten von gasförmigen/flüssigen Mischungen von Kohlenwasserstoffen mit dem Druck korreliert und für die Analyse der Zusammensetzung verwendet werden.Relativ neue Entwicklungen in der Schwingungsspektroskopie, wie Mikrotechniken und Mikroskopanordnungen, berühren alle Gebiete der Forschung und Entwicklung, die für die Ölindustrie typisch sind. Dazu gehören in der Raman-Spektroskopie die räumliche Trennung von Probe und Detektionssystem, die durch optische Fibern überbrückt wird, und viele Probentechniken in der IR-Spektroskopie wie IRAS, DRIFT und FTIR-PAS. In situ IRAS ist eine sehr leistungsstarke Methode bei der Untersuchung von beschichteten Metalloberflächen, Adhäsionsschichten und des zeitlichen Verhaltens von Beschichtungen bei Wärmebehandlung.Bei vielen analytischen Problemen liegen komplexe Gemische vor, zu deren Lösung Verbundverfahren wie GC/ FT-IR oder TGA/FT-IR beitragen können. Ebenso ist ein mobiles FT-IR-Spektrometer ein interessantes und sehr nützliches Konzept. Schließlich werden Beispiele für spektroskopische Einzelanalysen gezeigt, die entweder die besonderen oder auch die sich ergänzenden Möglichkeiten der FT-IR- und Raman-Spektroskopie ausnutzen.

     

Eine Methode zur Bestimmung des Monomerengehaltes im Polystyrol und daraus hergestellten Fertigerzeugnissen

Zusammenfassung Es wird eine neue Methode zur Bestimmung des Monomerengehaltes in Polystyrol und seinen Fertigerzeugnissen im Ultraviolett beschrieben. Während bei bekannten UV-Methoden die Lichtabsorption der Kunststofflösung gemessen und daraus der Monomerengehalt ermittelt wird, wird hier durch Einbringen der Kunststofflösung in Methanol das Polymere ausgefällt und das in Methanol gelöste Styrol direkt bestimmt. Dies hat den Vorteil, daß die Stoffe, die im Polystyrol neben dem Monomeren vorliegen und in dem benutzten Fällungsmittel unlöslich sind, nicht mit erfaßt werden. Da das benutzte Lösungsmittel im Gegensatz zu den Lösungsmitteln der anderen UV-Methoden eine geringe Eigen-absorption besitzt, kann die Messung der Lichtabsorption im größten Maximum des Polystyrols erfolgen, das bei 245 nm liegt und eine gewisse Breite besitzt.Die Arbeit wurde mit Mitteln des ERP-Sondervermögens durchgeführt, für deren Bereitstellung wir dem Bundesinnenministerium und der Deutschen Forschungsgemeinschaft danken.Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danken wir auch für die Überlassung des Spektralphotometers PMQ II/Zeiss.     

Str?mungsoptimiertes Multime?system mit ionenselektiven Diskelektroden

Zusammenfassung Es wird ein strömungsoptimiertes Multimeßsystem mit ionenselektiven Diskelektroden vorgestellt, bei dem aufgrund stromlinienförmiger Erhebungen im Kanalsystem gegenüber den Carrier-PVC-Membranen in Verbindung mit einem stau- und totzonenarmen Strömungsverlauf eine trägheitsarme und präzise ionenselektive Analytik gewährleistet wird. In das Meßsystem lassen sich auch andere Sensoren wie pH-, gassensitive und Enzym-Elektroden einführen.

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Optimized-flow multi-measuring system with ion-selective disc electrodes

Summary The proposed system ensures low-inertia and precise measurements by means of ion-selective disc electrodes. This is achieved by streamlined elevations in the channel system opposite to the carrier PVC membranes, caring for a flow low in stagnation and dead zones. Other sensors may also be used in this system, as e.g. pH-, gas-sensitive and enzyme electrodes.

Wir danken dem Bundesministerium für Forschung und Technologie der Bundesrepublik Deutschland, der Dr. E. Fresenius KG, Bad Homburg v.d.H., und dem Fonds der Chemischen Industrie für die Förderung der Arbeiten.     

Thermisch stimulierte Ströme in Hochdruckpolyäthylen

Zusammenfassung Zur Untersuchung des Leitungsmechanismus in Polyäthylen (LDPE) wurden Messungen thermisch stimulierter Ströme im Temperaturbereich von –190 bis +40 °C durchgeführt. Dabei treten, abhängig von der Polarisationstemperatur, bis zu vier, teilweise nur als Schulter ausgeprägte Maxima auf. Zwei Peaks bei tiefer Temperatur, die im wesentlichen unabhängig von der Polarisationstemperatur sind, werden mit Injektion und Trapping von Ladungsträgern (Elektronen oder Löcher) in Verbindung gebracht. Der Hauptpeak bei hoher Temperatur, dessen Erscheinen abhängig von der Polarisationstemperatur ist, kann mit einer Dipolorientierung PE-eigener Dipole erklärt werden.

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Summary Thermally stimulated currents have been measured in low-density polyethylene in the temperature range from –190 to +40 °C. In this range four peaks are discernable, of which two near –170°C and –135°C are interpreted in terms of electron or hole injection and subsequent detrapping. The depolarisation phenomenon at higher temperatures is strongly sensitive to polarisation temperature and can be explained in terms of dipole orientation.

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Die diesem Bericht zugrunde liegenden Arbeiten werden mit Mitteln des Bundesministers für Forschung und Technologie im Rahmen des Technologieprogramms gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt jedoch allein bei den Autoren.     

Über das Leitvermögen und die Löslichkeitsverhältnisse in den beiden ternären Systemen Natrium-Kalium-Ammoniak und Natrium-Lithium-Ammoniak zwischen −40 und −70°

Zusammenfassung Es ist gezeigt worden, daß das Leitvermögen von Kalium-Natrium, sowie von Lithium-Natrium-Legierungen. in ihren verdünnten Lösungen mit Ammoniak praktisch additiv ist und keine Anzeichen von Verbindungen, wie sie für erstere zu erwarten wären, anzeigt.Aus den Knickpunkten der gemessenen Kurven der Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Verdünnung an der Stelle des Überganges von gesättigten in ungesättigte Lösungen, konnte in guter Übereinstimmung mit analytischen Daten gezeigt werden, daß das Diagramm der gegenseitigen Löslichkeit von Natrium und Kalium aus drei Ästen besteht, den Löslichkeitslinien von reinem Natrium, von der Verbindung Na₂K und von reinem Kalium, wogegen im System Lithium-Natrium der Kurvenzug der gegenseitigen Löslichkeit praktisch additivem Verhalten entspricht, der Übergang der Löslichkeitskurven von Lithium und Natrium praktisch nicht zu differenzieren ist.Nach Festlegung der Mischungslücke im System Na-NH₃ in Abhängigkeit von der Temperatur nach der in vorliegender Arbeit verwendeten Methodik, sowie des Fehlens einer Mischungslücke in den Systemen Kalium-NH₃ und Lithium-NH₃ im gleichen Bedingungsbereich wurden nach der gleichen Methode bei –55° die Grenzen der Mischungslücke in den beiden ternären Systemen Na-NH₃-K und Na-NH₃-Li festgelegt.Vorliegende Arbeit wurde auf Veranlassung des Institutsvorstandes Prof. Dr. R.Kremann durchgeführt und danken wir ihm für die während der Arbeit und besonders bei ihrer Abfassung geleistete Mithilfe.     

Laborautomation und Labordatenverarbeitung: Zielsetzungen und L?sungswege aus der Sicht eines industriellen Analysenlabors

Zusammenfassung Drei Beispiele für Automatisierung und Rechnereinsatz im analytischen Labor (eine automatische Dampfraumanalytik, eine Dichteapparatur und ein Rechnersystem für Labordatenverwaltung) zeigen den Stand der Laborautomation und Labordatenverarbeitung in einem größeren analytischen Industrielaboratorium sowie Leitsätze und Richtlinien für die Auswahl und den Einsatz von Analysengeräten und Rechnern.Der Automatisierungsgrad der Laborausstattung wird vom Anteil wiederkehrender Routineproben bestimmt. Die Entwicklung von universellen Analysenmethoden für die Untersuchung auch unterschiedlicher Proben erhöht den Automatisierungsgrad.Der Rechnereinsatz in den Laborbereichen rentiert sich bei komplexen Meßsignalauswertungen, aufwendiger Probenorganisation und zum schnellen Ergebnistransport. Für die Lebensdauer von etwa 10 Jahren muß die Rechnerhardware der technischen Entwicklung folgen können. Bedienerfreundliche, den Arbeitsabläufen im Labor angepaßte Programmabläufe motivieren die Mitarbeiter.

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Laboratory automation and laboratory data management: Aims and solutions from the viewpoint of an industrial analytical laboratory

Summary Three typical examples for laboratory automation and data processing (automatic head-space gas chromatography, density measurements, and a laboratory information management system) are described. They illustrate the situation in a large industrial analytical laboratory and outline some general principles for the selection and utilization of analytical instruments and computers.The degree of automation is normally determined by the number of repetitive routine samples. Additional rationalization can be achieved by developing generally applicable methods which allow automatic processing of more widely differing samples.Computers offer distinct advantages in complex signal processing, sample administration, and fast data transfer. Only such hardware should be selected that will not become obsolete for a projected lifetime of at least 10 years. User-friendly programs that closely follow the entrained working routines motivate the laboratory personnel.

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Vortrag während der Internationalen Tagung für Biochemische und Instrumentelle Analytik, München 10.–13. 4. 1984; Kurzfassung: Fresenius Z Anal Chem (1984) 317:608

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Laborautomaten und Labordatenverarbeitung können die analytische Arbeit erleichtern, aber nicht den Analytiker ersetzen.     

Rapid determination of nitrogen content in grain-meal samples with alkali-phenol reaction, manually and with an autoanalyzer

Summary The nitrogen content of 38 and 34 grain samples, in two separate experiments, was determined with the conventional micro-Kjeldahl method and with the indophenol colour reaction, manually as well as with an autoanalyzer. Values were found to be comparable. Details are presented for a simple and highly reproducible absorptiometric technique that is four times as rapid as conventional Kjeldahl. It should prove popular with plant breeders, agronomists and crop physiologists, who are interested in rapid and direct screening for nitrogen content but lack funds for automated equipment.

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Schnelle Stickstoffbestimmung in Mehlproben mit Hilfe der Alkali-Phenol-Reaktion, manuell und mit einem Autoanalysator

Zusammenfassung Der Stickstoffgehalt von 38 und 34 Proben wurde in zwei getrennten Experimenten sowohl manuell als auch mit einem Autoanalysator nach der herkömmlichen Mikro-Kjeldahl-Methode und mit der Indophenol-Farb-Reaktion bestimmt. Die gefundenen Werte waren vergleichbar. Die vorgestellte einfache und gut reproduzierbare, absorptionsphotometrische Technik ist um das Vierfache schneller als die herkömmliche Kjeldahl-Methode. Diese Methode kann Anwendung finden bei Pflanzenzüchtern und Pflanzenphysiologen, die an einer schnellen und direkten Selektionsmethode für den Stickstoffgehalt interessiert sind, ohne die finanziellen Möglichkeiten für eine automatisierte Ausrüstung zu besitzen.

     

Zur potentiometrischen Bestimmung des Kupfers neben gro?en Eisenmengen, insbesondere in Kiesabbr?nden, mit Chrom(II)-salz

Zusammenfassung Zur Bestimmung des Kupfers in sehr eisenreichen Proben, insbesondere zur serienmäßigen Bestimmung in Pyritabbränden wird das potentiometrische Verfahren nach Zintl und Schloffer vorgeschlagen. Der Abbrand wird mit Salzsäure und KClO₃ gelöst, das Kupfer vom größten Teil des Eisens durch Zementierung mit Elektronmetall abgetrennt und das zementierte Kupfer nach Filtration und Verglühen des Filters durch Titration mit Chrom(II)-sulfat bestimmt. Die Genauigkeit des Verfahrens beträgt 1–2% relativ.Diese Untersuchung bildet ein Beispiel dafür, daß in der analytischen Chemie durchaus kein Mangel an akademischen Methoden besteht, daß aber in den meisten Fällen deren Anwendung auf die praktische Analyse nicht ohne weiteres möglich ist. Wir widmen diese Arbeit Wilhelm Geilmann, der in seinen Arbeiten stets die Verbindung von Methode und Praxis pflegte.Der früheren Deutschen Wirtschaftskommission, der jetzigen Staatlichen Plankommission der Deutschen Demokratischen Republik, Zentralamt für Forschung und Technik, danken wir für die Unterstützung dieser Arbeit.