Der Einzug der Mikrowellentechnik ins Labor

Vom Flugzeug über die Küche ins Labor – Die Geschichte der Mikrowelle.

Die Historie der Mikrowellentechnik erscheint wie das Musterbeispiel einer wissenschaftlichen Entwicklung. Wie bei vielen technischen Innovationen waren die Motivation zur Entwicklung der technischen Grundlagen zur Erzeugung von Mikrowellen militärische Interessen. Bereits 1939 entwickelten die englischen Wissenschaftler John Randall und Harry Boot die Kernkomponente zur Mikrowellenerzeugung, das Magnetron, für den Bau kurzwelliger Radargeräte. Zwei Jahre später setzte die Royal Air Force die neuen Radargeräte in Flugzeugen ein, und das Magnetron wurde zu einem wichtigen Kriegsgeheimnis der Engländer.

Bei der Perfektionierung des Magnetrons wurde trotz ihrer geringen Größe auch die Firma Raytheon, ein amerikanischer Hersteller von elektrischen Röhren, durch eine Empfehlung des MIT in die Forschungen einbezogen. Da einer der Ingenieure von Raytheon, Percy L. Spencer, den Herstellungsprozess der Magnetronröhren maßgeblich verbessern konnte, bekam Raytheon einen Vertrag für die Herstellung der Magnetronröhren und mauserte sich schließlich zu deren wichtigstem Hersteller. Die Erkenntnis, dass sich Mikrowellen nicht nur für militärische Zwecke sondern auch im Haushalt zum Kochen eignen, geht auf eine der klassischen Zufallsentdeckungen zurück. Nachdem 1945 bei einem Experiment ein Schokoriegel in der Tasche von Spencer zu schmelzen begann, experimentierte der Ingenieur mit der Erhitzung anderer Lebensmitteln durch Mikrowellenstrahlung. Nur zwei Jahre später wurde der erste Mikrowellenherd „Radarange“ vorgestellt, der mit einem Preis von über 2.000 Dollar zunächst aber nur wenig verkauft wurde. Erst mit den ersten Tischgeräten, die Mitte der 60er auf den Markt kamen und weniger als 500 Dollar kosteten, konnte die Mikrowelle ihren Siegeszug in der Küche antreten. Auch wenn in chemischen Labors mit der Mikrowellentechnik bereits in den späten 70er Jahren experimentiert wurde und Mitte der 80er Jahre erste Einsatzmöglichkeiten in der organischen Synthese erschlossen wurden, ist ein Durchbruch dieser Methode erst Ende der 90er Jahre zu verzeichnen. Trotz vielfältiger neuer Möglichkeiten insbesondere in der organischen Synthese lief die technische Entwicklung von auf den Laborbedarf zugeschnittenen Mikrowellen erst langsam an. Inzwischen sind jedoch verschiedene ausgereifte Laborgeräte erhältlich. Mit einer kontinuierlichen Senkung der Preise dieser Geräte ist zu erwarten, dass sich die Mikrowellentechnik auf Dauer gegen konventionelle Heizpilze und -platten durchsetzen wird, so wie diese es gegenüber dem Bunsenbrenner getan haben. Das Magnetron lässt Dipole oszillieren.

Das Funktionsprinzip

Die Kernkomponente bei der Mikrowellenerzeugung ist das Magnetron, das aus einer metallischen Vakuumröhre mit einem Permanentmagneten besteht. An einer Glühkathode werden Elektronen erzeugt, die durch das Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Durch die Kollision mit der in periodischen Abständen eingeschnittenen Außenwand der Röhre wird das elektrische Feld umgepolt und so Mikrowellen gewünschter Frequenz erzeugt. Die Energie der erzeugten Mikrowellenstrahlung reicht aus, um Rotationszustände in dipolaren Molekülen auszulösen. Wenn das angelegte Feld mit der entsprechenden Frequenz oszilliert, versuchen sich die Moleküle in dem Wechselfeld auszurichten, wodurch Energie durch molekulare Reibung und dielektrische Verluste in Wärme umgesetzt wird. Eine dipolare Substanz, z. B. Wasser, wird dadurch schnell und in-situ aufgeheizt. Durch das Fehlen von Kontaktoberflächen, an denen die Wärme übertragen wird, können Lösungsmittel ohne Sieden überhitzt werden, wobei Temperaturen von bis zu 100 °C über dem Siedepunkt erreicht werden können.

Quelle: Björn Lippold, Chemie.DE Information Service GmbH

Mikrowellen-Aufschluss: Wirkung, Theorie und Anwendung

Lernen Sie die Wirkung der Mikrowellentechnik auf ihre Proben und Aufschluss-Säuren kennen. Was bedeuten Dipolrotation, Ionenleitung, Dipolmomente und Zersetzungskinetik? Dieser Film erklärt ihnen die Zusammenhänge.

Theorie der Mikrowellen-Chemie

Lernen Sie die Wirkung der Mikrowellentechnik auf alle Arten von chemischen und biochemischen Reaktionen kennen. Pionier und Firmengründer Dr. Michael Collins erläutert die Wechselwirkungen und Einsatzmöglichkeiten der Mikrowellen-Labortechnik.

Der Mikrowellenaufschluss, warum, weshalb, wieso…

Der Aufschluss ist nach der Probenahme und der mechanischen Vorbereitung einer Probe der nächste Schritt in einem nasschemischen Verbundverfahren, bei dem im Gesamtverlauf die interessierenden Elemente von den restlichen Matrixbestandteilen abgetrennt und dem eigentlichen Bestimmungsschritt (z. B. AAS, ICP-OES und ICP- MS) in flüssiger Form als Probenlösung zugeführt werden. Diese Art von Analysenverfahren wurde von MAJORS 1991 hinsichtlich des Zeitaufwandes für die einzelnen Schritte innerhalb eines Analysen-Verbundes untersucht. Daraus folgt, daß die Probenahme und der eigentliche Bestimmungsschritt jeweils nur mit 6 % in den gesamten Zeitbedarf eingehen, während hingegen die Probenvorbereitung 61 % der Zeit beansprucht. Hier gilt es also ein Augenmerk auf die Verkürzung der Zeit bei gleichzeitiger Steigerung der analytischen Güte, wie Abtrennung der Matrix oder Steigerung der Einwaage und somit einer Verbesserung der Nachweisgrenze zu legen. Wichtigstes Ziel des Aufschlusses ist das vollständige Lösen einer Probe, wobei die Aufschlusslösung alle interessierenden Elemente bzw. Verbindungen in unveränderter Menge enthalten muß. Anorganische Substanzen sollen dabei vollständig in lösliche Komponenten überführt werden und organische Substanzen vollständig mineralisiert werden. Für die Elementspurenanalyse werden zudem folgende Anforderungen an das Aufschlussverfahren gestellt:

  • Der Aufschluss soll einfach durchzuführen sein, ohne großen Arbeitsaufwand und komplizierte Apparaturen.
  • Der Aufschluss soll sicher sein, das Aufschlussgerät muß also über eine Reihe von Sicherheitseinrichtungen verfügen.
  • Das Aufschlussverfahren sollte optimal an das gesamte Analysenverfahren angepaßt sein, so soll z. B. keine Matrixerweiterung durch die Aufschlusssäuren erfolgen.
  • Die Erfassung und Steuerung der Aufschlussparameter Druck und Temperatur soll zur Gewährleistung reproduzierbarer Aufschlussbedingungen gegeben sein.
  • Zur Vermeidung systematischer Fehler sollten als Gefäßmaterialien chemisch und thermisch beständige hochreine Materialien wie Teflon PFA und Quarz eingesetzt werden.

Bei Verwendung einer geschlossenen Apparatur (Eintopfprinzip) kann eine Kontamination von außen verhindert werden. Die nahezu unübersehbare Vielfalt von Probenmaterialien stellt sehr unterschiedliche Anforderungen an das Aufschlussverfahren hinsichtlich der Probeneinwaage, des Chemismus der Abbaureaktionen, der Aufschlusssäuren, der Aufschlusstemperatur… etc. So ist es für den Praktiker unerläßlich, über eine Methode zu verfügen, mit der nahezu alle anfallenden Proben behandelt werden können. Der „Mikrowellendruckaufschluss“ stellt ein solches leistungsfähiges modernes Verfahren dar.

Marktführer CEM bietet seit über drei Jahrzehnten Mikrowellendruckaufschlusssysteme mit immer neuen Aufschlussbehälterentwicklungen und Sensortechniken für die gesteigerten Anforderungen der instrumentellen Analytik an. Die drei Buchstaben CEM stehen für, wie könnte es anders sein: CHEMIE, ELEKTRONIK und MECHANIK. Hinter diesen Fachgebieten stehen die drei Gründer, die Mitte der 70er Jahre ihr erstes Mikrowellenanalysengerät bauten. Heute ist CEM weltweit mit über 350 „Mikrowellenexperten“ tätig, u. a. auch im europäischen Zentrum in Kamp-Lintfort am Niederrhein. Vertrieb, Service, Applikationserarbeitung, Schulungen, Forschung und Entwicklung für den deutschen und europäischen Markt sind hier die Tätigkeitsschwerpunkte. Da CEM seit langer Zeit auf dem Gebiete der Mikrowellentechnik tätig ist und dort somit ein umfangreiches Knowhow erworben hat, wurde diese moderne Technologie auch auf andere Bereiche der chemischen Analyse, Probenvorbereitung und Prozesssteuerung transferiert.

„Mikrowellendruckaufschlusssysteme“ sind im Gegensatz zu Aufschlusssystemen mit konvektiver Beheizung (z. B. Tölg-Bombe) in der Lage, innerhalb von kurzer Zeit die Feststoffprobe zu lösen und korrigieren somit die Zeitstatistik von MAJORS zugunsten der Probenvorbereitung. Durch die direkte Erhitzung der Aufschlusslösung mittels Mikrowellen, der raschen Abkühlung nach erfolgten Aufschluss und des Erreichens von Aufschlusstemperaturen weit oberhalb des „normalen“ Siedepunktes der Aufschlusssäuren wird dieser Zeitvorteil erreicht. Da sich die Aufschlusszeiten mit Hilfe der Mikrowellenenergie oft um ein Vielfaches verringern, bedeutet dieses gerade für den Routinebetrieb einen nicht unerheblichen Zeitgewinn und damit auch Kosteneinsparung. Nahezu jedes Probenmaterial läßt sich mit mikrowellenassistierten Druckaufschlüssen schneller aufschließen als mit herkömmlichen Methoden: biologische und pflanzliche Materialien, Schlämme, Böden und Sedimente sowie Flugaschen, Kohle und geologische Materialien.

Die Mikrowellenerwärmung stellt einen Spezialfall der Erwärmung dar. Im Gegensatz zur konvektiven Beheizung, bei der die Wärmemenge dem Gut von außen zugeführt wird und durch dessen Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Gutes verteilt wird (Oberflächenheizung), entsteht die Wärme bei der Mikrowellenerhitzung im Gut selbst (Volumenheizung). Bei einer Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz, die neben 915, 5800 und 22125 MHz von den Behörden für internationale Kommunikation zugelassen sind, wechselt das elektrische Feld seine Polarität periodisch. Das zugehörige Magnetfeld trägt nicht zur Erwärmung bei. Polare Moleküle wechseln infolge des oszillierenden elektrischen Feldes zwischen geordnetem und ungeordnetem Zustand. Dieses bewirkt eine Rotationsanregung von Dipolen und eine Molekularbewegung durch die Wanderung der Ionen und führt so zu einer enorm raschen Aufwärmung von Dielektrika durch intermolekulare Reibung. Eine Aufschlusslösung bestehend aus Säure und Probe stellt ein solches Dielektrika dar. Die Durchdringung von mikrowellentransparenten Stoffen wie Glas oder Kunststoffen (Teflon) ist unendlich groß, diese Stoffe sind somit als Behältermaterial ideal einzusetzen. Die Mikrowellenstrahlung wird mit Hilfe eines Magnetrons (Hauptbestandteile: Hochvakuumdiode und Magnetsystem) erzeugt, induktiv ausgekoppelt und dann über ein koaxiales Leiterstück sowie einen Wellenleiter als elektromagnetische Welle in den Ofenraum geleitet. Um das Magnetron bei Dauerbetrieb durch die reflektierten Strahlen vor der Zerstörung zu schützten, verfügen CEM Geräte über einen von CEM patentierten Isolator, der die rückstrahlende Mikrowellenenergie in Wärme umwandelt und abführt. Zur Steuerung des Magnetrons und somit der Zuführung von Mikrowellenenergie in Abhängigkeit der Aufschlussreaktion werden die Aufschlusstemperaturen der Proben gemessen. Die im MARS integrierte Software ermöglicht durch die Steuerung des Magnetrons das Erreichen von exakten Aufschlusstemperaturen und vermag konstante Temperaturen über längere Zeiträume zu halten. Diese Kontroll- und Steuerungssysteme bewirken zum einen eine Reproduzierbarkeit sowie Standardisierung der Aufschlussbedingungen und zum anderen sind sie zentrale Bestandteile des integrierten Sicherheitssystems im MARS. Hier liegen auch die großen Unterschiede gegenüber modifizierten Haushaltsmikrowellengeräten, d. h. Mikrowellenöfen, die z. B. nur über eine externe Steuerung außerhalb des Gerätes verfügen.

Labormikrowelleneinheiten sind im Gegensatz zu Haushaltsmikrowellengeräten gekennzeichnet durch: eine robuste Konstruktion, eine Vielzahl von Sicherheitseinrichtungen, integrierte Steuerungen zur Druck- und Temperaturregelung, Teflon beschichtete Ofenauskleidung, Auslegung für den Dauerbetrieb (d. h. elektronisch hochwertige Bauteile), den Aufschlussreaktionen angepaßte Behältertechnologie… etc. Nur so kann eine Analyse mit hoher analytischer Güte sicher und präzise durchgeführt werden. CEM verfügt über eine Reihe von verschiedenen Behältersystemen je nach Anforderung der Aufschlussreaktion. So sind z. B. verschiedene Aufschlussbehältermaterialien wie Quarz oder Teflon PFA, verschiedene Aufschlussbehältervolumina verfügbar, zudem sind die Behälter für unterschiedliche Temperatur- und Druckbelastbarkeiten ausgelegt. Die neu entwickelten Behälter ermöglichen beispielsweise den gleichzeitigen Aufschluss von 12 Proben bei regelbaren Aufschlusstemperaturen von bis zu 300 °C und einem max. Druck von 100 bar.

Obwohl die Mikrowellenaufschlusstechnik seit nunmehr drei Jahrzehnten im Markt etabliert ist und auch schon Eingang in diverse EN, DIN- und US EPA-Methoden gefunden hat, herrschen gerade über die Bedeutung des max. entstehenden Druckes immer noch einige Irritationen. Deshalb sei an dieser Stelle ausdrücklich der Zusammenhang von Druck und Temperatur in Abhängigkeit der Aufschlussreaktion beschrieben: Der Begriff „Druckaufschluss“ ist mißverständlich, er täuscht vor, der Druck sei wesentliches Kriterium beim Aufschlussprozess. Tatsächlich ist der während der Aufschlussreaktion sich aufbauende Druck eher ein lästiger Nebeneffekt, der durch aufwendige Behältertechnik sowie Meß- und Regeltechnik ausgeglichen werden muß. Diese Aufschlusstechnik wird besser als „Nassaufschlussmethode unter Verwendung lösender und/oder oxidierender Aufschlusreagenzien im geschlossenen System“ charakterisiert. Entscheidendes Kriterium für den Aufschluss ist die Temperatur, bei der die Säuren den Aufschluss der Probe bewirken. Der Druck entsteht vorwiegend bei der Zersetzung, d. h. Oxidation organischen Materials (Kohlenwasserstoff CxHy) zu CO2 und H2O und limitiert somit die Probenmenge. Beim Aufschluss anorganischer Materialien spielt der entstehende Druck nur eine untergeordnete Rolle.

Discover SP-D

Im Discover SP-D werden die Proben einzeln mit der individuellen Säure / -mischung und Aufschlusstemperatur aufgeschlossen. So wird jeder Aufschluss individuell dokumentiert. Die Aufschlusszeit ist extrem kurz. Typischerweise nach 10 min. inklusive Abkühlung ist der Aufschluss messfertig.

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MARS 6

Mit der Geräteserie MARS 6 werden die Proben auf einem Drehteller/Rotor im Mikrowellengerät behandelt. Durch eine Vielzahl von Behältersystemen, Sensortechnik, Verdampfungssystemen und mit weiterem umfangreichem Zubehör können sowohl Einzelproben wie auch Probenserien schnell aufgeschlossen werden.

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Star

Die Gerätefamilie der Star-Systeme ermöglicht automatisierte Aufschlüsse im Hochtemperaturbereich von bis zu 300 °C. Dabei können völlig unterschiedliche Probenarten gleichzeitig nebeneinander aufgeschlossen werden.

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Phoenix Black

Ein Alternative zu Mikrowellen-Druckaufschlussgeräte ist der schnelle Schmelzaufschluss im Phoenix Black Muffelöfen. Kupellationen, Dokimasie und Sinterungen werden im Phoenix Black schnell und sicher durchgeführt.

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Speziation

Die Extraktion der Elementspezies erfolgt mittels der Mikrowellen-Laborgeräte Discover und MARS 6 besonders effizient.

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