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Messparameter

Grundlagen der Spektralphotometrie

Veröffentlicht von Stefan Langner am 30.04.2018 09:13:00

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit einigen Grundlagen der Spektrophotometrie, sowie verschiedenen Bauarten von Spektrophotometern.

Licht und Farbe

Lichtbrechung durch ein PrismaWenn wir an Licht denken ist es üblicherweise weißes Licht. Es zeigt sich allerdings, dass weißes Licht aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen zusammengesetzt ist. Wenn man es durch ein Glasprisma strahlt zerlegt es das weiße Licht in sieben unterscheidbare Farbbänder. Diesen Vorgang bezeichnet man als Dispersion bzw. Lichtbrechung. Die Farbbänder bezeichnet man als das (sichtbare) Spektrum. Man erkennt die unterschiedlichen Farben rot, orange, gelb, grün, hellblau, dunkelblau und violett.

Das sichtbare Spektrum


Vereinfacht gesprochen hängen Farben vom Licht ab. Was wir wahrnehmen sind eigentlich nicht die Farben selbst, sondern der Effekt, wenn Licht auf Objekte scheint. Wenn weißes Licht auf ein Objekt scheint kann es reflektiert, absorbiert oder transmittiert werden. Glas transmittiert das meiste Licht mit dem es beschienen wird, es erscheint daher farblos. Weißes Papier reflektiert alles Licht und erscheint daher weiß. Kohle erscheint schwarz, weil sie alles Licht absorbiert. Eine Orange sieht für uns orange aus, weil sie orange besser als alle anderen Farben reflektiert, genauso wie ein Apfel grün erscheint, weil er grünes Licht gut reflektiert.

Wahrnehmung unterschiedlicher Farben

Zusammengefasst kann man sagen, dass die meisten Objekte deswegen farbig erscheinen, weil ihre chemische Struktur bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbiert und andere reflektiert, und zwar erscheinen alle Objekte in der Komplementärfarbe die sie absorbieren.

Komplementärfarben

Wellenlange / nm

Farbe

Komplementärfarbe

400-435

Violett

Grün-gelb

435-480

Blau

Gelb

480-490

Blau-grün

Orange

490-500

Grün-blau

Rot

510-560

Grün

Purpur

560-580

Grün-gelb

Violett

580-595

Gelb

Blau

595-610

Orange

Blau-grün

610-750

Rot

Grün-blau

Was ist Kolorimetrie?

Kolorimetrie ist schlicht die Messung der Farbe bzw. der Farbintensität. Sie ist die Bestimmung der Konzentration einer Substanz durch die Messung der relativen Lichtabsorption in Bezug auf die Absorption bei einer bekannten Konzentration der Substanz. Bei der visuellen Kolorimetrie wird natürliches oder künstliches weißes Licht als Lichtquelle verwendet und die Bestimmung findet üblicherweise mit einem relativ einfachen Instrument statt, das als Kolorimeter oder Farbkomparator bezeichnet wird. Wenn das menschliche Auge durch eine Photozelle ersetzt wird bezeichnet man das Gerät als photoelektrisches Kolorimeter.
Eine kolorimetrische Analyse basiert auf dem Prinzip, dass bestimmte Substanzen miteinander chemisch reagieren können und farbige Produkte bilden. Wenn eine Substanz mit Licht der Intensität I0 bestrahlt wird, wird ein Teil der Strahlung durch die Moleküle der Substanz absorbiert und eine verbleibende Intensität I wird reflektiert oder transmittiert. Für die Absorption A mit diesen Intensitäten gilt folgender Gleichung (Lambert-Beer-Gesetz):

A = -log I0/I

Das lässt sich umformen in

A = Ɛλ · d · C

Ɛλ ist der molare Extinktionskoeffizient bei der Wellen länge λ / L/mol·cm
d ist die Pfadlänge /cm
C ist die Konzentration / mol/liter

Diese vergleichsweise einfache Formel lässt sich die Absorption in Zusammenhang mit der Konzentration  der gesuchten  Substanz bringen. Sie ist die Grundlage für alle quantitativen Gehaltsbestimmungen in der Photometrie.   

Ein Vergleich zwischen Photometer und Spektralphotometer

Photometer

Ein Photometer isoliert eine bestimmte Wellenlänge durch die Verwendung eines Filters. Ein Kolorimeter verwendet schmalbandige Filter, oder ähnliche Systeme, um Licht in Farbkomponenten aufzusplitten und fittet diese dann an Vergleichskurven an, die auf dem menschlichen Auge basieren, um Farbwerte zu produzieren, so wie sie das Auge wahrnehmen würde. Das ist für den Vergleich mit der menschlichen visuellen Antwort ideal, unterschlägt aber Informationen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Hierzu zählen zum Beispiel schmale Emissionspeaks an bestimmten Stellen im Spektrum, das sind spektrale Daten zu deren Erfassung es eines Spektralphotometers bedarf.

Photometer aus der HI832xx-Serie

Spektralphotometer

Spektralphotometer unterscheiden sich dahingehend von Photometern als dass sie die Messung beliebiger Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich zu lassen, nicht nur bestimmte vordefinierte. Spektralphotometer isolieren Licht der vorgegebenen Wellenlänge aus Weißlicht, besser gesagt dem Licht einer Wolframhalogenlampe. Hierfür verwenden sie ein optisches Gitter oder ein vergleichbares System. Wenn es darum geht, ganze Spektralbereiche auf einmal zu messen, wie bei Emissionsspektren, verwenden solche Geräte ein Sensorarray für die Detektion des Lichts. Bei Absorptionsmessungen, wie für die Konzentrationsmessung von Ionen in Flüssigkeiten, sind auch drehbare Gitter, die genau die gewünschte Wellenlänge in den Strahlengang einspiegeln und dafür nur einen einzelnen Photodetektor benötigen üblich. Hanna Instruments Spektralphotometer HI801 zählt in diese Kategorie.

Das Spektralphotometer HI801 iris

Optische Konfigurationen eines Spektralphotometers

Single Beam

Ein konventionelles Einstrahl-Photometer misst die Nullprobe und die Probe nacheinander, mit einem Intervall von mehreren Sekunden für eine einzelne Wellenlänge oder mehreren Minuten für die Aufnahme eines kompletten Spektrums. Bei diesem Typ können Instabilitäten in der Lampe zum Problem werden, insbesondere bei Messungen über einen längeren Zeitraum.

Prinzipskizze Einstrahl-Photometer

Double Beam

Das Zweistrahl-Spektralphotometer wurde entwickelt, um das eben genannte Manko des Ein-Strahl-Spektralphotometers auszugleichen. In einem solchen System wird ein mechanischer Unterbrecher verwendet, um den Lichtstrahl aufzuteilen, sodass Messprobe und Nullprobe mit einem Lichtstrahl gleicher Energie und gleichen Lichtpfads quasi zeitgleich durchstrahlt werden können. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, dass mehr Komponenten benötigt werden und die geringere Lichtintensität in längeren Messzeiten bei gleicher Empfindlichkeit resultiert.

Prinzipskizze Dual-Beam-Photometer

Split Beam

Das Split-Beam-Photometer ähnelt dem Dual-Beam-Photometer verwendet aber statt des Unterbrechers einen Strahlteiler um zwei Lichtpfade zu erzeugen. In dieser Konstruktion werden Probe und Nullprobe gleichzeitig durchstrahlt und gemessen. Sie erfordert dafür zwei Photodetektoren, kommt aber mit weniger Komponenten als das Dual-Beam-Gerät aus.

Prinzipskizze Split-Beam-Photometer

Hanna Instruments verwendet eine Variante der Split-Beam-Technik für sein Spektralphotometer HI801, die bereits bei der erfolgreichen HI833xx-Photometerserie eingesetzt wird. Sie maximiert den Vorteil dieser Technik, indem der zweite Strahlengang lediglich zur Beleuchtung eines Referenzphotodetektors verwendet wird. Nullprobe und Probe werden nacheinander im gleichen Strahlengang gemessen. Dies erklärt auch die sehr kompakte Bauweise des HI801. Der Referenzdetektor wird dafür verwendet, um das Photometer elektronisch zu stabilisieren. Die Sammellinse ist ebenfalls ein Hanna-typisches Designmerkmal. Sie dient dazu eventuelle Unregelmäßigkeiten der Küvette (z.B. Kratzer), die Licht streuen, auszugleichen indem es Strahl und Streulicht auch den Detektor bündelt.  

Schematische Darstellung des HI801-Strahlengangs

Anwendungsbereiche für die Spektralphotometrie

Moderne Spektrophotometer sind so konstruiert, dass sie maximale Portabilität und Robustheit bieten, was sie sehr flexibel macht. Das bringt dann eine fast unüberschaubare Anzahl möglicher Anwendungen mit sich, z.B.

  • Elementbestimmungen zur Feststellung der Wasserqualität,
  • Enzymatische Analyse in Wein,
  • Analyse von Düngemitteleigenschaften für die Agrarkultur,

um nur einige wenige zu nennen.

Themen: Photometer, Spektralphotometer

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