Bergbaulösungen
Verbesserung der Ausbeutungsraten und die Prozesseffizienz von der Explorat...
Fortgeschrittene Materialcharakterisierung durch schnelle, genaue und zerstörungsfreie Elementaranalyse mit SciAPs
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine hochmoderne Analysetechnik, die eine schnelle und zerstörungsfreie Elementanalyse für verschiedene Materialien und Branchen unterstützt. Durch die Erzeugung von Plasma mit fokussierten Laserimpulsen und die Analyse der emittierten Spektren liefert LIBS Echtzeit-Erkenntnisse in Branchen wie Bergbau, Fertigung, Umweltüberwachung und Pharmazeutika.
Seine Stärken umfassen die Erkennung mehrerer Elemente, eine minimale Probenvorbereitung und die Anpassung an anspruchsvolle Umgebungen, obwohl eine sorgfältige Kalibrierung und Datenauswertung unerlässlich sind. Dank kontinuierlicher Fortschritte in der Messtechnik und Datenanalyse wird LIBS die Materialcharakterisierung und Qualitätssicherung in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen weiter verbessern.
Moderne Messgeräte, darunter die SciAps Z-Serie, sind ein Beispiel dafür, wie Hersteller die LIBS-Technologie nutzen, um ihre Analyseanforderungen mit minimalem manuellem Aufwand zu erfüllen. Diese Entwicklungen erlauben eine robuste Integration in industrielle und wissenschaftliche Abläufe, wodurch die Reichweite und der Nutzen über die Laborgrenzen hinaus erweitert werden.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine optische Emissionsspektroskopietechnik, bei der ein fokussierter, hochenergetischer Laserimpuls verwendet wird, um einen winzigen Teil der Oberfläche eines Materials abzutragen und zu ionisieren. Der Nanosekunden-Impuls erzeugt ein Mikroplasma, das Licht abgibt, während es über einige Mikrosekunden abkühlt. Diese Emissionen enthalten diskrete Spektrallinien, die für die vorhandenen Elemente charakteristisch sind und einen einzigartigen elementaren Fingerabdruck erzeugen.
LIBS ist seit mehr als 30 Jahren eine feste Größe im Laborbetrieb und kann nahezu jedes Element des Periodensystems nachweisen. Fortschritte bei der Miniaturisierung haben zu tragbaren Analysegeräten geführt, die vor Ort eine Elementerkennung in Laborqualität gestatten. Übliche Handgeräte nutzen einen gepulsten Laser mit mehreren Millijoule pro Puls bei zehn Pulsen pro Sekunde, der auf einen Punkt mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 100 µm fokussiert wird. Ein integriertes Spektrometer zeichnet das ultraviolette, sichtbare und nahinfrarote Licht des Plasmas auf, während eine Software die gemessenen Linien mit Referenzdatenbanken abgleicht und Kalibrierungsmodelle einsetzt, um die Konzentrationen zu quantifizieren.
Das Verfahren sorgt für schnelle, wiederholbare Messungen: Die Plasmaemission selbst dauert nur Mikrosekunden und gestattet eine Analyse in nahezu Echtzeit, sobald das Signal verarbeitet wurde. LIBS ist außerdem minimal destruktiv. Bei jeder Messung wird nur eine mikroskopisch kleine Menge an Material entfernt, was es für Anwendungen wertvoll macht, bei denen die Erhaltung der Probe wichtig ist, wie beispielsweise bei Studien zum kulturellen Erbe, der Kartierung von Spurenelementen, der Umweltüberwachung und der industriellen Qualitätskontrolle. Mit seiner Fähigkeit, Feststoffe (und bei entsprechender Konfiguration auch Pulver, Flüssigkeiten und Gase) mit geringer oder gar keiner Probenvorbereitung zu analysieren, vereint LIBS Geschwindigkeit, Vielseitigkeit und eine breite Elementabdeckung auf einer einzigen Plattform.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) misst die Elementzusammensetzung, indem ein gepulster, fokussierter Laser an einer Probe ausgelöst wird, um ein winziges Plasma zu erzeugen. Während das Plasma abkühlt, emittieren Atome Licht mit den für jedes Element einzigartigen Wellenlängen.
Die Handgeräte von SciAps nutzen dieses Prinzip in kompakter, vor Ort einsatzbereiter Form.
Das Modell Z-901 ist das zentrale Einzelspektrometer-Modell (≈200–440 nm) und eignet sich ideal für die routinemäßige Legierungsidentifizierung. Spezialisierte Versionen erweitern den Anwendungsbereich: Das Modell Z-901 CSi misst Kohlenstoff und Silizium in Stählen, das Modell Z-901 Li misst Lithium in Gesteinen und Sole und das Modell Z-901 Be ist für Beryllium konfiguriert.
Das Z-902 verfügt über ein zweites Spektrometer, das den Messbereich auf etwa 190–620 nm erweitert und für eine zuverlässige Kohlenstoffmessung in Stählen und Edelstählen sorgt. Das ist wichtig für PMI- und NDT-Anwendungen.
Das Z-903 nutzt drei Spektrometer, die einen Bereich von etwa 190 bis 950 nm und somit das gesamte Periodensystem abdecken, einschließlich sehr leichter Elemente wie Wasserstoff, Fluor, Sauerstoff und Stickstoff. Es ist besonders gut geeignet für Geochemie, Bergbau und andere Anwendungen, die eine umfassende Elementaranalyse erfordern.
Bei Sole und anderen Flüssigkeiten ist der Z-9 Liquidator mit einem Z-903 verknüpft, um schnelle Analysen vor Ort zu erlauben. Es werden nur 1–2 ml der Probe benötigt. Die Flüssigkeit wird zu einem feinen Nebel zerstäubt, den das Z-903 innerhalb von Sekunden analysiert und Lithium und andere wichtige Elemente auf einem angeschlossenen Tablet oder PC meldet, ohne dass eine Verdünnung erforderlich ist.
Der Z-70 ist ein besonders schneller und robuster Einzelspektrometer-Analysator (≈190–625 nm oder ≈200–420 nm im Legierungsmodus), der für die schnelle Legierungssortierung und Materialerkennung konzipiert ist. Sein hochenergetischer 6-mJ-Laser durchdringt Lack, Rost und eloxierte Schichten, während eine eingebaute Luftpumpe das Fenster sauber hält. Das schmale Mundstück passt auch in enge Räume.
Einheitliche Stärken
In der gesamten Z-Serie kombiniert SciAps tragbares Design, robuste Optik und optionale Argon-Spülung, um vor Ort Elementdaten in Laborqualität bereitzustellen. Von der Kohlenstofferkennung in Stählen über die Lithiummessung in Solen bis hin zur Vollspektrum-Mineralanalyse zeigen diese Geräte, wie LIBS-Handgeräte schnelle und genaue Ergebnisse sowohl für Routineanwendungen als auch für anspruchsvolle Anwendungen zur Verfügung stellen können.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) gilt als eine bemerkenswert vielseitige Analysetechnologie, die in unzähligen Branchen weitreichende Auswirkungen hat. Durch den Einsatz schneller Elementanalysen vor Ort und leistungsstarker optischer Emissionsspektroskopie bietet LIBS wichtige Erkenntnisse in so unterschiedlichen Branchen wie Bergbau, Umweltwissenschaften, Pharmazie und Metallurgie.
Von der Gesteinscharakterisierung vor Ort bis zur Qualitätssicherung in der Fertigung bietet LIBS Effizienz, Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit sowohl für Routinevorgänge als auch für bahnbrechende Forschungsarbeiten. Die industriellen Anwendungen von LIBS zeigen die wahre Bandbreite der transformativen Leistung dieser laserbasierten Technik.
In der Bergbauindustrie wird LIBS häufig für die schnelle Identifizierung von Gestein und Mineralien eingesetzt. Durch SciAps-Analysatoren wie das Z-903 mit vollständiger Spektralabdeckung (190–950 nm) können Geologen kritische Elemente wie Lithium, seltene Erden und Gold direkt an der Probenahmestelle identifizieren. Bei herkömmlichen Methoden mussten Proben an Labore geschickt werden, was zu Verzögerungen und möglichen Verlusten während der Handhabung führte. Im Gegensatz können Außendienstteams mit den Geräten der SciAps Z-Serie chemische Analysen mittels Laserablation und Emissionsspektren sofort durchführen. Bergbauunternehmen setzen das SciAps Z-903 ein, um Lithium in Spodumen zu erkennen, seltene Erden zu bewerten oder Erzqualität vor Ort zu überprüfen, was die Explorationsstrategien beschleunigt und das operative Risiko verringert.
Die Sektoren Metallurgie und Fertigung nutzen LIBS für die Überprüfung von Legierungen, die Erkennung von Verunreinigungen und die Qualitätskontrolle. Das SciAps Z-902 Carbon, das speziell für die Kohlenstoffmessung in Stählen und Legierungen entwickelt wurde, ist ein bahnbrechendes Werkzeug für die Metallurgie, die eine schnelle und präzise Kohlenstoffquantifizierung benötigen. Die Modelle SciAps Z-901 und Z-70 bieten flexible Lösungen für die routinemäßige Sortierung und Überprüfung von Legierungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und bei Hochleistungswerkstoffen. Diese Geräte bieten schnelle, reproduzierbare Ergebnisse bei minimalem Probenvolumen und halten die Produktionslinien in Bewegung. Mit fortgeschrittener integrierter Software nutzen sie auch maschinelles Lernen, um subtile Variationen in Spektren zu erkennen, die die Materialintegrität beeinträchtigen könnten.
Umweltbehörden nutzen tragbare LIBS-Geräte zur Überwachung von Schwermetallen und Schadstoffen in Böden, Wasser und Luftpartikeln. SciAps-Geräte wie das Z-902 und das Z-903 mit einem breiten Elementbereich und hoher Empfindlichkeit eignen sich gut für den Nachweis von Verunreinigungen wie Blei, Arsen und Quecksilber direkt vor Ort ohne umfangreiche Probenvorbereitung.
Die LIBS-Analysatoren von SciAps eignen sich ideal für die Messung von Kohlenstoff, einschließlich L-Edelstahl, und anderen Elementen mit niedriger Ordnungszahl, die mit XRF-Analysatoren nicht gemessen werden können. Sie werden eingesetzt, um sicherzustellen, dass pharmazeutische Produktionsanlagen wie Rohre und Reaktionsgefäße aus den richtigen Materialien hergestellt werden, um Verunreinigungen zu vermeiden und die Prozesssicherheit zu gewährleisten.
Forensische Labore nutzen LIBS zur Analyse empfindlicher Beweise, einschließlich Glasscherben, Schussrückstanden, Farben und Tinten. Durch den breiten Spektralbereich des SciAps Z-903 ist es in der Forensik möglich, detaillierte chemische Fingerabdrücke aus Spurenmaterialien zu erstellen und Proben mit hoher Zuverlässigkeit ihren Quellen zuzuordnen. Da LIBS nur einen winzigen Ablationspunkt erfordert, bleiben bei SciAps-Geräten die meisten forensischen Beweise erhalten. Das ist ein entscheidender Faktor bei Ermittlungen, bei denen das Material begrenzt oder nicht zu ersetzen ist.
Mit der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien übernimmt LIBS eine wesentliche Rolle bei der Qualitätssicherung. Durch seine breite Abdeckung ist das SciAps Z-903 besonders effektiv für die Analyse der Lithiumverteilung in Elektroden, die Identifizierung von Defekten und die Überprüfung der Gleichmäßigkeit von Separatorfolien. Diese Erkenntnisse helfen Batterieherstellern, die Konsistenz zu steigern und Fehler vor der Endmontage zu reduzieren, was sich direkt auf die Leistung und Sicherheit in Energiespeichersystemen auswirkt.
LIBS wird zunehmend für Lebensmittelsicherheit, Qualitätssicherung und Ernährungsüberwachung eingesetzt. SciAps-Analysatoren wie das Z-903 unterstützen eine umfassende elementare Analyse von landwirtschaftlichen Produkten und erkennen Nährstoffe wie Kalzium, Kalium und Magnesium sowie Kontaminanten wie Blei oder Cadmium. Dank der tragbaren Geräte können Lebensmittelhersteller und Aufsichtsbehörden Produkte vor Ort testen, wodurch sie weniger auf externe Labore angewiesen sind und schneller auf Sicherheitsprobleme reagieren können.
Einer der Vorteile von LIBS besteht darin, dass es eine schnelle Analyse vor Ort für praktisch jede Probe – ob fest, flüssig oder gasförmig – ohne aufwendige Vorbereitung gestattet. Diese Fähigkeit stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber herkömmlichen Methoden in der quantitativen und qualitativen Elementaranalyse und optischen Emissionsspektroskopie dar. Da die Analyse auf direkter Laserablation und induziertem Plasma basiert, können Ergebnisse innerhalb von Sekunden erzielt werden, was ein Hochdurchsatz-Screening, Prozessüberwachung und Entscheidungsfindung in Echtzeit in Umgebungen wie Bergbau, Metallurgie, Umweltsanierung und Qualitätssicherung in Fertigungslinien ermöglicht.
Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die minimalinvasive Technik. Bei jedem Laserimpuls wird nur ein mikroskopisch kleiner Teil einer Probe abgetragen, wodurch LIBS besonders wertvoll für seltene, nicht zu ersetzende oder empfindliche Materialien in der Kunst, Archäologie und Forensik ist. Wie bereits hervorgehoben, erlaubt dieser schonende und dennoch umfassende Ansatz sowohl den Erhalt der Proben als auch eine hohe Datengenauigkeit. Das ist eine unverzichtbare Kombination, wenn zerstörende Prüfungen nicht in Frage kommen. Die Vielseitigkeit von LIBS, die durch die schnelle Anpassung der Analyseparameter mithilfe moderner Software erreicht wird, bedeutet auch, dass dasselbe System innerhalb weniger Minuten eine Vielzahl von Materialien und Probenmorphologien verarbeiten kann.
LIBS zeichnet sich dank der Breitband-Emissionsspektroskopie, die mehrere Spektrallinien gleichzeitig erfasst, durch seine Multielement-Erkennung in einem einzigen Durchgang aus. Dies verbessert die Effizienz bei Anwendungen erheblich, bei denen mehrere Verunreinigungen oder Kompositionsmarker gleichzeitig überwacht werden müssen, wie bei Umweltanalysen oder komplexen industriellen Legierungen. Zudem kann LIBS durch den Einsatz fortgeschrittener multivariater Analysen, maschinellen Lernens und ausgefeilter Kalibrierungsroutinen selbst komplexe oder überlappende LIBS-Spektren in zuverlässig verwertbare Informationen umwandeln. Das ist einer der Hauptgründe für seine zunehmende Verbreitung sowohl in routinemäßigen als auch in hochkritischen Analyseabläufen.
