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Rohstoff Indium Von extremer Seltenheit – Zuverlässigere und schnellere Indium-Analysen

| Autor / Redakteur: Rainer Hälbich* / Dr. Ilka Ottleben

Indium gehört zu den knappsten Rohstoffen der Welt, dessen natürliche Vorkommen in absehbarer Zeit zur Neige gehen könnten. Höchste Zeit also, alternative Quellen zu identifizieren. Genaue Indium-Analysen an mineralischen Rohstoffen mit internem Standard könnten dazu einen wichtigen Beitrag leisten.

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Abb. 1: Anlageschema zur Laser-induzierten Plasma-Spektrometrie von Festkörperproben (Ausschnitt)
Abb. 1: Anlageschema zur Laser-induzierten Plasma-Spektrometrie von Festkörperproben (Ausschnitt)
(Bild: Petrographisches Labor )

Indium ist ein anwendungstechnisch wichtiges Element. Die Hersteller von Flachbildschirmen, Touchscreens und vielen anderen Produkten bauen auf seine chemischen Eigenschaften. Leider ist es eines der seltensten Elemente in der Erdkruste, das hauptsächlich in Zinkblenden vorkommt [1], deren Indiumgehalte jedoch auch nur sehr selten über 0,1%, durchschnittlich aber nur um 0,005% betragen [2]. Die Anreicherung und Isolierung des Indiums aus Zinkblendekonzentraten ist recht aufwändig.

In Anbetracht der hohen Nachfrage, der zu erwartenden Verknappung der vorhandenen Ressourcen und der sehr unterschiedlichen und oft niedrigen Indiumgehalte der zur Gewinnung infrage kommenden Rohstoffe und Zwischenprodukte (Konzentrate und eventuell Abgänge aus Aufbereitungsprozessen) erscheint es geboten, bestimmte Rest- und Abfallstoffe (z.B. Haldenmaterial und Bergeteichschlämme) auf Verwertbarkeit zur Indiumgewinnung zu untersuchen [3]. Ebenso können Recycling-Produkte aus der Elektronik und Halbleitertechnik wirtschaftlich lohnende und rückgewinnbare Indiummengen enthalten. Unter diesen Aspekten versteht es sich von selbst, dass genaue Indium-Analysen von großer Bedeutung sind.

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Die Laser-induzierte Plasma-Spektrometrie

Die Laser-induzierte Plasma-Spektrometrie (engl. Laser Induced Breakdown Spectrometry, LIBS) ist ein Verfahren, das es gestattet, Analysen von Feststoffen schnell und unkompliziert ohne vorherigen Probenaufschluss, unter Vermeidung von Kontaminationsrisiken und ohne Störungen durch Argonlinien durchzuführen. Jedoch leidet sie unter dem Ruf, aufgrund von „Matrixeffekten“ und damit verbundenen Kalibrierproblemen nur semiquantitative Analysen zu ermöglichen. Genaue quantitative Elementbestimmungen wären nur unter Bezug des Analytsignals auf eine Größe („interner Standard“) möglich, die auf Laser– und Proben-bedingte Änderungen der Messbedingungen (z.B. Laserenergiefluktuationen, Matrixunterschiede, Probenoberflächenunebenheiten, unterschiedliche Strahlungsabsorption) in gleichem Maße wie das Analytsignal anspricht und sowohl die thermodynamischen Verhältnisse wie die Anregungsverhältnisse im Plasma berücksichtigt. Die einzige exakte Referenzgröße für das von Messung zu Messung variierende Analytsignal ist ein Bezugssignal, das durch ein Element produziert wird, dessen Gehalt in den Proben genau bekannt ist. Das setzt ein Bezugselement mit etwa der gleichen Anregungsenergie wie die des Analytelementes, Probenhomogenität, nichtselektive Verdampfung sowie örtlich und zeitlich integrierte Aufnahme der Plasmastrahlung voraus.

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LP-Tipp – zum Messprinzip

Die Laser-induzierte Plasma-Spektrometrie (engl. Laser Induced Breakdown Spectrometry, LIBS) ist eine Variante der Atomemissionsspektrometrie. Aus einer Probe im Brennpunkt eines gepulsten fokussierten Laserstrahls wird eine kleine Masse spontan verdampft, atomisiert und ionisiert. Energieübergänge im induzierten Plasma führen zur Emission eines Linienspektrums, dessen elementspezifische Wellenlängen und konzentrationsabhängige Intensitäten zur Bestimmung der in der Probe enthaltenen Elemente genutzt werden.

Die übliche Methode der Ermittlung einer Kalibrierfunktion mit zertifizierten Referenzmaterialien bringt in der Laserinduzierten Plasmaspektrometrie von Indium nur bedingt eine Lösung, da die qualitativen und erst recht die quantitativen Zusammensetzungen der Referenzmaterialien denen der zu analysierenden Probenmaterialien i.d.R. nicht annähernd entsprechen, wodurch Präzision und Richtigkeit der Analysen beeinträchtigt werden. Für das Element Indium ist die Verfügbarkeit von Referenzstandards ohnehin sehr eingeschränkt, und bei den wenigen existierenden Referenzmaterialien sind die Toleranzen der für Indium zertifizierten Werte meist groß.

Die genannten Probleme betreffen vor allem die Indium-Analytik im Spurenbereich. Für die exakte Bestimmung von Indiumspuren in festen mineralischen Proben mit der LIBS-Technik müssen folgende Punkte in Betracht gezogen werden:

  • Die am besten geeignete Analysenlinie ist die empfindlichste Linie des Indiums im sichtbaren Spektralbereich bei 451,12972 nm und einer Anregungsenergie von 3,0218615 eV4.
  • Den auf Indiumgehalte zu analysierenden Proben wird ein „interner Standard“ in Form einer Substanz zugesetzt, die ein geeignetes Bezugselement in genau definierter Konzentration enthält (ICP-Flüssigstandard). Durch Quotientenbildung des Indiumsignals mit dem Bezugselementsignal sollten matrixunabhängige Werte erzielt werden.
  • Das am besten geeignete Bezugselement ist Lutetium, das eine relativ empfindliche Linie bei 451,856 nm, Anregungsenergie 2,743121 eV4 besitzt. Die Linie befindet sich in unmittelbarer Nähe der Indiumlinie und die Anregungsenergien sind annähernd gleich.
  • Referenzproben mit definierten Indium-/Lutetiumgehalten als vollwertiger oder besserer Ersatz für Lutetium-dotierte zertifizierte Referenzmaterialien können durch gravimetrisch bestimmte Zugaben von In- und Lu-ICP-Flüssigstandards zu einer geeigneten spektroskopisch inerten Trägersubstanz hergestellt werden.

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