Was ist ein Spektrometer?
Spektrometer ist ein Oberbegriff für ein Analysegerät, das die Zusammensetzung und die Eigenschaften einer Substanz durch Messung des von der Substanz emittierten oder absorbierten Lichts untersuchen kann.
Das Gerät besteht hauptsächlich aus einer Lichtquelle, einem Spektrometer, einem Probenteil und einem Detektor. Es gibt verschiedene Arten von Spektrometern je nach Art der verwendeten Lichtquelle und der Funktionsweise des Geräts.
Beispiele sind UV-Vis-Spektrometer (UV-Vis), IR-Spektrometer (IR), Atomemissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES), Atomabsorptionsspektrometer (AAS), Röntgenfluoreszenzanalysegeräte (XRF) und Röntgenphotoelektronenspektrometer (XPS). Jedes Instrument kann unterschiedliche Dinge analysieren und sollte für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden.
Anwendungen von Spektrometern
Spektrometer werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Einige typische Anwendungen sind unten aufgeführt. Dies sind nur einige Beispiele; Spektrometer werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt.
1. Chemie und Biochemie
Dazu gehören die Qualitätskontrolle, z. B. die Überprüfung der Molekularstruktur synthetisierter Chemikalien, der Reaktionsgeschwindigkeit und des Gehalts an Verunreinigungen, die Strukturanalyse von Proteinen und DNA sowie die Messung von Enzymreaktionen.
2. Umweltwissenschaften
Hier geht es um den Nachweis und die Analyse von Schadstoffen in Wasser und Luft.
3. Medizinische und pharmazeutische Wissenschaften
Dazu gehören die Massenmessung von Arzneimitteln, die Messung von Blutbestandteilen und die Diagnose von Krankheiten.
4. Lebensmittelindustrie
Quantitative Analyse von Nähr- und Zusatzstoffen in Lebensmitteln, Qualitätskontrolle, Analyse der Zusammensetzung von Materialien, Messung von Oberflächeneigenschaften, Erforschung von Oxidationsreaktionen usw.
Funktionsweise von Spektrometern
Spektrometer sind Geräte, die eine Probe mit einer Art von Licht bestrahlen und das von der Probe absorbierte, reflektierte oder emittierte Licht analysieren, um die in der Probe enthaltenen Stoffe zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Analyseergebnisse werden in Form eines Wellenformdiagramms, dem sogenannten Spektrum, ausgegeben.
Durch die Analyse dieser Spektraldaten ist es beispielsweise möglich, Proben qualitativ und quantitativ zu analysieren, Molekularstrukturen zu bewerten und Materialeigenschaften zu beurteilen. Das Messprinzip ist von Gerät zu Gerät unterschiedlich und die Messprinzipien der sechs oben genannten repräsentativen Geräte werden im Folgenden kurz beschrieben:
1. Ultraviolett-sichtbares Spektrophotometer
Wenn eine Probe mit Licht bis zu UV/sichtbaren Wellenlängen bestrahlt wird, wird das Licht von den in der kommunalen Probe enthaltenen Substanzen absorbiert oder reflektiert. Durch Messung der Intensität des bei jeder Wellenlänge des einfallenden Lichts absorbierten oder durchgelassenen Lichts kann die molekulare Struktur der in der Probe enthaltenen Komponenten bestimmt und quantifiziert werden.
2. Infrarotspektralphotometer
Wenn eine Probe mit Infrarotlicht bestrahlt wird, absorbiert oder reflektiert sie das Infrarotlicht. Die absorbierte oder reflektierte Infrarotstrahlung hängt von der Art der Verbindung in der Probe und dem Zustand der Bindung ab. Die Infrarotstrahlung wird vom Spektrometer in verschiedene Wellenlängen aufgeteilt und die Intensität des Lichts wird vom Detektor gemessen, um die Art der Verbindung in der Probe und den Zustand der Bindung zu bestimmen.
3. Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma
Eine Probe wird in eine Flamme, das so genannte ‚Plasma‘, eingebracht, das durch die Verbrennung einer Substanz bei hoher Temperatur erzeugt wird und die Lichtemission kann beobachtet werden, um die Zusammensetzung der Substanz zu bestimmen. Wenn eine Probe in das Plasma gegeben wird, wird sie in Atome und Ionen zerlegt.
Während dieses Prozesses absorbieren die Atome und Ionen im Plasma Energie und emittieren Licht, wenn sie diese abgeben. Diese Lichtemission besteht aus Licht verschiedener Wellenlängen und durch Messung der Intensität und Wellenlänge des Lichts kann die Zusammensetzung der Probe bestimmt werden.
4. Atomabsorptionsspektrometer
Die Probe wird mit Licht aus einer speziellen Lichtquelle bestrahlt. Elemente absorbieren Licht bei den für das Element spezifischen Wellenlängen. Durch Messung der Intensität des absorbierten Lichts bei den einzelnen Wellenlängen kann die Menge des Elements in der Probe bestimmt werden.
5. Röntgenfluoreszenzanalysegerät
Wenn Röntgenstrahlen auf eine Probe treffen, absorbieren die Elemente in der Probe Energie und emittieren sie, wodurch Röntgenfluoreszenz entsteht.
Die Energie dieser fluoreszierenden Röntgenstrahlen variiert je nach Art des Elements, so dass es möglich ist, durch Messung der Energie der fluoreszierenden Röntgenstrahlen zu bestimmen, welche Elemente in der Probe enthalten sind.
6. Röntgenphotoelektronenspektrometer
Wenn eine feste Oberfläche mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird, kommt es zur Ionisierung von Atomen und Molekülen und als Folge der Ionisierung werden Elektronen emittiert. Die emittierten Elektronen haben je nach Element und dessen chemischem Zustand unterschiedliche Energien.
Indem man die Energie der Röntgenstrahlen variiert, kann die Oberfläche der Probe in verschiedenen Tiefen untersucht werden.
Arten von Spektrometern
Es gibt verschiedene Arten von Spektrometern, von denen jedes unterschiedliche Analysen durchführen kann. In diesem Abschnitt werden sechs typische Gerätetypen kurz beschrieben:
1. Ultraviolett-sichtbares Spektrophotometer (UV-Vis)
Dieses Gerät verwendet ultraviolettes oder sichtbares Licht als Lichtquelle, um das von einer Substanz durchgelassene, absorbierte oder reflektierte Licht zu untersuchen. Es kann für die qualitative und quantitative Analyse der Bestandteile einer Probe verwendet werden.
2. Infrarotspektralphotometer (IR)
Dieses Gerät nutzt Infrarotstrahlung als Lichtquelle, um das von einer Substanz durchgelassene und reflektierte Licht zu untersuchen. Es kann zur Schätzung der Struktur und zur quantitativen Analyse der Bestandteile einer Probe verwendet werden.
3. Atomemissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES)
Mit diesem Gerät wird eine Probe in ein induktiv gekoppeltes Plasma eingebracht und das dabei auftretende Lumineszenzphänomen nachgewiesen. Die extrem hohe Empfindlichkeit ermöglicht die qualitative und quantitative Analyse von Spurenelementen.
4. Atomabsorptionsspektrometer (AAS)
Dieses Gerät nutzt das Phänomen, dass Atome Licht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren, um eine qualitative und quantitative Analyse von Spurenelementen durchzuführen.
5. Röntgenfluoreszenzanalysegerät (XRF)
Dieses Gerät nutzt Röntgenstrahlen als Lichtquelle für die Elementaranalyse von Substanzen. Es kann qualitative und quantitative Analysen von Proben durchführen, indem es die für jedes Element spezifische Röntgenfluoreszenz misst.
6. Röntgenphotoelektronen-Spektrometer (XPS)
Dieses Gerät nutzt Röntgenstrahlen als Lichtquelle, um Informationen über die Atome und Moleküle zu erhalten, aus denen die Oberfläche eines Festkörpers besteht.