Was ist ein Spektralsensor?
Spektralsensor sind eine Art Spektrometer, die Licht auf eine Substanz strahlen und die Reflexion, Streuung und Absorption dieses Lichts messen, um molekulare Informationen zu erhalten.
Sie sind fast identisch mit Spektrometern und sind im Allgemeinen mit einem Detektor integriert. Es gibt verschiedene Arten von Spektralsensoren, die sich durch den Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts und das verwendete Prinzip unterscheiden. Spektralsensoren können zur Überwachung der Farbmessung, zur Messung der Schichtdicke und zur chemischen Identifizierung von Messobjekten eingesetzt werden. In jüngster Zeit wurden kompakte, leistungsstarke Spektralsensoren entwickelt, die eine einfache Analyse in Echtzeit ermöglichen.
Anwendungen von Spektralsensoren
Es gibt viele Arten von Spektralsensoren und sie werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen und in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, z. B. in der Halbleiterindustrie und anderen Industriezweigen, in der Medizin, z. B. in der Pharmazie und bei der Analyse der Lebensmittel- und Wasserqualität.
Im Lebensmittelsektor beispielsweise werden Nahinfrarot-Spektralsensoren für die berührungslose, nicht schädigende Messung von Lebensmitteln eingesetzt. Sie ermöglichen eine zerstörungsfreie Analyse des Geschmacks von Agrarprodukten und können in Echtzeit den Lycopingehalt von Tomaten, den Chlorophyllgehalt von Gemüse und den Fettgehalt von Schweinefleisch messen. Da die Messergebnisse sofort sichtbar sind, eignen sich die Nahinfrarot-Spektralsensoren für die Produktions- und Qualitätskontrolle.
Funktionsweise von Spektralsensoren
Spektralsensoren messen die von einer Substanz absorbierte Lichtmenge, indem sie diese mit Licht bestrahlen und das reflektierte oder durchgelassene Licht erfassen. Da das von einer Substanz absorbierte Licht von ihrer Zusammensetzung und Struktur abhängt, können Spektralsensoren verwendet werden, um die Zusammensetzung der Substanz zu bestimmen.
Spektralsensoren bestehen hauptsächlich aus einer Lichtquelle, einem Spektroskopieteil, einem Probenteil und einem Detektor. Das von der Lichtquelle erzeugte Licht wird im Spektroskopieteil zu Licht einer bestimmten Wellenlänge aufbereitet und auf die Probe eingestrahlt. Wird nur eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts verwendet, spricht man von einem Monochromator; werden mehrere Wellenlängen verwendet, spricht man von einem Polychromator. Die Messung mit dem Monochromator dauert länger, weil die Messwellenlänge abgetastet wird, ist aber genauer. Die Messung mit dem Polychromator dauert kürzer, aber die Signalintensität ist schwächer und die Genauigkeit ist geringer.
Das auf die Probe eingestrahlte und reflektierte oder durchgelassene Licht wird auf einen Detektor gerichtet, dessen Intensität gemessen wird. Der Detektor unterscheidet sich je nach der gemessenen Wellenlänge: Im UV- bis Nahinfrarotbereich von 180 nm bis 1100 nm wird ein CCD-Detektor verwendet, im Nahinfrarotbereich von 900 bis 1700 nm ein InGaAs-Typ und im Nahinfrarotbereich von 1700 bis 2500 nm ein erweiterter InGaAs-Typ.
Arten von Spektralsensoren
Spektralsensoren werden nach der zur Messung verwendeten Wellenlänge unterschieden. Jeder hat seine eigenen Merkmale und muss entsprechend seinem Zweck ausgewählt werden. Es gibt verschiedene Arten von Licht und Messgeräte, die jede von ihnen verwenden, aber im Allgemeinen werden in Spektralsensoren UV/sichtbares Licht, Nahinfrarotlicht, Mittelinfrarotlicht und Ferninfrarotlicht verwendet.
1. Ultraviolettes/sichtbares Licht
Die zu messende Probe wird mit UV/sichtbarem Licht bestrahlt und das reflektierte oder durchgelassene Licht wird gemessen. Die Farbe des Objekts wird aus der Information bestimmt, inwieweit das Objekt die drei Farben Rot, Blau und Grün absorbiert. Als Farbsensor, der die Farbe einer Substanz erkennt, wird er zur Kontrolle der Farbe von Produkten und zur Erkennung von fehlerhaften Produkten und Verunreinigungen eingesetzt.
2. Nahinfrarotspektroskopie
Die zu messende Probe wird mit UV/sichtbarem Licht bestrahlt und das reflektierte oder durchgelassene Licht wird gemessen. Die Farbe des Objekts wird aus der Information bestimmt, inwieweit das Objekt die drei Farben Rot, Blau und Grün absorbiert. Als Farbsensor, der die Farbe einer Substanz erkennt, wird er zur Kontrolle der Farbe von Produkten un
3. Mittelinfrarotspektroskopie
Die zu messende Probe wird mit Mittelinfrarotlicht bestrahlt und das reflektierte Mittelinfrarotlicht wird gemessen. Jedes Molekül hat sein eigenes Absorptionsmuster, so dass es möglich ist, die Substanzen zu identifizieren. Bei festen Proben kann nur der oberflächennahe Bereich gemessen werden, in dem das eingestrahlte Licht auf die Probe trifft, daher wird es hauptsächlich zum Nachweis von Verunreinigungen in Gasen und Flüssigkeiten verwendet. Es wird für die Motorölanalyse und für Urintests verwendet.
4. Ferninfrarotlicht
Dieses misst die Ferninfrarotstrahlung, die von dem zu messenden Objekt ausgeht. Ferninfrarotstrahlung ist eng mit der Temperatur verbunden und kann Temperaturunterschiede messen. Sie wird in der Thermografie und bei Bewegungsmeldern eingesetzt.
Weitere Informationen zu Spektralsensoren
Spektralanalytische Methoden messen die Energie des von einer Substanz durchgelassenen oder reflektierten Lichts und vergleichen sie mit der Energie des einfallenden Lichts, um eine qualitative oder quantitative Analyse der Substanz zu erstellen. Die folgenden Methoden sind typische Spektralanalyseverfahren, wobei die verwendeten Wellenlängen von Gammastrahlen bis zu Radiowellen reichen.
1. Absorptionsspektroskopie
Die Absorptionsspektroskopie ist eine Analysemethode, die eine qualitative und quantitative Analyse von Stoffen ermöglicht, indem Licht auf eine Probe eingestrahlt, das reflektierte oder durchgelassene Licht gemessen und mit der Energie des einfallenden Lichts verglichen wird. Typische Analysegeräte sind Absorptionsspektrometer bei verschiedenen Wellenlängen.
2. Fluoreszenzspektroskopie (oder Emissionsspektroskopie)
Die Fluoreszenzspektroskopie ist eine Analysemethode, bei der eine Probe mit Licht bestrahlt wird, die von der Probe erzeugte Fluoreszenz (oder Emission) gemessen wird und die Energie des Lichts für eine qualitative und quantitative Analyse der Substanz verwendet wird. Typische Analysegeräte sind die Fluoreszenz-Phosphoreszenz-Spektroskopie und die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie (XRF).
3. Lichtstreuungsspektroskopie
Die Lichtstreuungsspektroskopie ist eine Analysemethode, bei der eine Probe mit Licht bestrahlt wird, das gestreute Licht gemessen wird und die Energie und Intensität des Lichts zur qualitativen und quantitativen Analyse von Stoffen verwendet wird. Typische Analyseinstrumente sind die Raman-Spektroskopie, die dynamische Lichtstreuung (DLS) und die Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS).
4. Magnetische Resonanzspektroskopie
Die Magnetresonanzspektroskopie ist eine Analysemethode, bei der eine Probe in einem Magnetfeld mit Licht bestrahlt wird, das durchgelassene Licht gemessen wird und das absorbierte Licht zur qualitativen und quantitativen Analyse von Substanzen verwendet werden kann. Typische Analysegeräte sind die Kernspinresonanz (NMR), die Elektronenspinresonanz (ESR) und die Kernspintomographie (MRI).
5. Photoelektronenspektroskopie
Die Photoelektronenspektroskopie ist eine Analysemethode, bei der eine Probe mit Licht bestrahlt wird und die durch den photoelektrischen Effekt emittierten Elektronen gemessen werden, wobei ihre Energie zur qualitativen und quantitativen Analyse von Stoffen verwendet wird, z. B. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS), Auger-Elektronenspektroskopie (AES).