14.16 : Flammenphotometrie: Übersicht

Die Flammenphotometrie, auch Flammenemissionsspektrometrie genannt, ist eine Technik zur qualitativen und quantitativen Analyse von Elementen in einer Probe unter Verwendung einer Flamme als Anregungsquelle. Das Konzept der Flammenphotometrie wurde in den frühen 1860er Jahren von Kirchhoff und Bunsen entwickelt, die entdeckten, dass bestimmte Elemente durch die Anregung in Flammen charakteristische Strahlung abgeben. Das erste zu diesem Zweck entwickelte Instrument wurde zur Messung von Natrium (Na) in Pflanzenasche mithilfe einer Bunsenflamme verwendet. Die Herausforderung bestand jedoch darin, einen effektiven Weg zu finden, die Probe in die Flamme einzuführen. Erst 1929, als Lundegardh einen Zerstäuber einführte, wurde ein bedeutender Durchbruch erzielt und die reproduzierbare Einführung der Probe in die Flamme ermöglicht.

Bei der Flammenemissionsspektrometrie wandelt der Zerstäuber die flüssige Probe in einen feinen Nebel oder ein Aerosol um. Dies wird erreicht, indem ein Gasstrom mit hohem Druck über das Ende eines Kapillarröhrchens geleitet wird, welches die Probe enthält und weiter in eine Sprühkammer gesaugt wird. Das erzeugte Aerosol wird dann zum Brenner geleitet, wo die Hitze der Flamme das Lösungsmittel verdampft und trockene Partikel entstehen, die sich verflüchtigen und freie Atome zur Analyse entstehen.

Frühe Instrumente nutzten Quarzprismenspektrographen und fotografische Aufzeichnungen, um atomare Emissionslinien aufzuspalten und zu erfassen. Fortschritte bei optischen Filtern und elektrischen Fotodetektoren haben diese Komponenten jedoch ersetzt und so Präzision und Bedienbarkeit verbessert.

Bei der Flammenphotometrie wird die Probenlösung in einen Zerstäuber überführt, der sie in einen feinen Nebel oder ein Aerosol umwandelt. Die zerstäubte Probe gelangt dann zusammen mit Luft oder Sauerstoff und einem Brenngas wie Propan oder Acetylen in die Flamme. Die Flamme sorgt für die thermische Energie, die notwendig ist, um die Atome in der Probe anzuregen. Wenn sich diese angeregten Atome in ihren Grundzustand zurück kehren, wird die dabei emittierte Strahlung von einer Fotozelle oder einem Fotomultiplier erfasst.

Die Flammenphotometrie ist besonders effektiv bei der Messung von Natrium, Kalium, Lithium und Kalzium. Die bei der Flammenphotometrie verwendete Flamme wird typischerweise durch Propan-Luft-Gemisch mit einem Temperaturbereich von 1900–2000 °C erzugt, obwohl auch alternative Flammen wie Butan-Luft oder Erdgas-Luft verwendet werden können. Die Flammenphotometrie hat einige Einschränkungen, die durch die Verwendung höherer Temperaturen und stärker reduzierender Flammen, wie Luft-Acetylen, sowie einer spektrometrischen Detektion mit höherer Auflösung überwunden werden können. Diese Ansätze sind jedoch im Vergleich zur breiter anwendbaren Flammenatomabsorptionsspektrometrie oder AAS-Technik kostenmäßig nicht konkurrenzfähig.