Spektrometer

Was ist ein Spektrometer?

Ein Spektrometer ist ein Gerät, das die Komponenten des Lichts trennt, um nur die Intensität des Lichts bei der interessierenden Wellenlänge aus einer Mischung von synthetischem Licht verschiedener Wellenlängen zu messen.

In letzter Zeit haben viele Spektrometer einen Detektor für das getrennte Licht integriert und der gesamte Prozess von der Lichttrennung bis zum Detektionsmechanismus wird manchmal als Spektroskopie bezeichnet.

Anwendungen von Spektrometern

Spektrometer werden in allen Industriezweigen und in der Forschung eingesetzt, da sie prinzipiell in der Lage sind, Lichtquellen in verschiedenen Wellenlängenbereichen (Quellen) zu spektroskopieren, sei es reflektiertes oder durchgelassenes Licht, von Radiowellen über Strahlung bis hin zum sichtbaren Licht.

In der analytischen Chemie werden sie zur Messung der Intensität des Sonnenlichts und der Plasmaemission sowie zur Bewertung optischer Eigenschaften wie des Reflexionsgrads von Materialien eingesetzt.

Sie werden auch oft unbewusst in Qualitätskontrolllinien eingebaut, die reflektiertes Licht oder andere beliebige Wellenlängen in Produktinspektionslinien mit Lichtquellen wie Lasern erfassen.

Funktionsweise der Spektrometer

Um eine Lichtquelle zu spektroskopieren, muss das Licht im Allgemeinen zunächst geformt werden.

Nach der Einstellung der Lichtauflösung, indem die Lichtquelle durch einen Spalt, den so genannten Spalt, geführt wird, wird die Lichtquelle durch einen Kollimator, der aus Linsen und Spiegeln besteht, kollimiert.

Für die Spektroskopie wird dieses kollimierte Licht in einen Spektrometer geleitet. Es gibt zwei Arten von Spektrometern: den Beugungsgittertyp, der das Beugungsphänomen des Lichts nutzt, und den Prismentyp, der das Brechungsphänomen des Lichts nutzt.

Beim Beugungsgittertyp erfolgt die Spektroskopie durch Reflexion des Lichts an Beugungsgittern, die in regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche des Monochromators eingraviert sind, sodass die Wellenlänge und die Auflösung des zu erfassenden Lichts durch Veränderung des Beugungsmusters variiert werden können.

Beugungsgitter können vom Transmissions- oder Reflexionstyp sein. Wenn kollimiertes Licht aus einer Lichtquelle (weißes Licht), das Licht verschiedener Wellenlängen enthält, auf ein Beugungsgitter fällt, bilden sich mehrere Gitter, d. h. gitterartige Strukturteile (G1, G2 …). An den jeweiligen Positionen der Mehrfachgitter, d.h. der gitterartigen Strukturteile (G1, G2 …), erfolgt die Beugung des reflektierten Lichts in einer weiten Winkelrichtung. Dabei kommt es zur Interferenz des Lichts und es wird monochromatisches Licht in Richtung des Winkels (θ) emittiert, bei dem die optische Wegdifferenz (dsinθ) des von jedem Gitter ausgehenden reflektierten Lichts eine vorgegebene Bedingung (ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ) erfüllt, wobei nur eine bestimmte Wellenlänge λ verstärkt wird.

Auf diese Weise werden verschiedene Wellenlängen durch das Beugungsgitter unter verschiedenen Winkeln gestreut (in einem regenbogenartigen Muster getrennt).

Durch die Verwendung des Spaltes kann aus dem gestreuten reflektierten Licht nur monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge extrahiert werden. Dies ist das Prinzip eines Spektrometers mit Gitter. Durch Drehen des Gitters kann die Wellenlänge des zu extrahierenden Lichts verändert werden.

Auswahl eines geeigneten Spektrometers

Bei der Verwendung eines detektorintegrierten Spektrometers ist es notwendig, ein für die Wellenlänge der gemessenen Lichtquelle geeignetes Spektrometer auszuwählen.

Wenn die Lichtquelle beispielsweise im Bereich von Ultraviolett bis zum nahen Infrarot liegt, ist ein CCD-Detektor ausreichend, aber wenn Sie darüber hinausgehende Lichtquellen mit längeren Wellenlängen erfassen wollen, benötigen Sie einen Detektor vom Typ InGaAs.

Wie bereits im Messprinzip erwähnt, wird die detektierbare Wellenlänge durch das Beugungsmuster des Spektrometers bestimmt, sodass ein für die gewünschte Wellenlänge geeigneter Monochromator ausgewählt werden muss.

Prismenmonochromatoren haben eine Auflösung, die durch die Beschaffenheit des Prismas bestimmt wird, haben aber den Vorteil, dass es keinen Verlust an Lichtintensität gibt.

Verwendung eines Spektrometers

Die allgemeine Vorgehensweise bei der Verwendung eines Spektrometer-Analyseinstruments ist wie folgt:

1. Entscheiden Sie sich für die zu messende Substanz und den zu messenden Wellenlängenbereich.
2. Wählen Sie das Spektroskope aus, das der zu messenden Wellenlänge entspricht.
3. Bestrahlen Sie die Substanz mit einem Licht und spektralisieren Sie die gewünschte Wellenlänge.
4. Führen Sie das gewünschte Licht in den Sensor ein, um das Signal zu erfassen.
5. Das erhaltene Signal wird in ein Spektrum umgewandelt.

Wenn es sich um einen teuren Gegenstand handelt, der in einem Labor verwendet wird, erkennt ein Spektrometer, ein so genanntes Michelson-Interferometer, automatisch die Wellenlänge eines bestimmten Lichts. Kleinere, tragbare Geräte können die gewünschte Wellenlänge auch ermitteln, indem sie das durch das Material transmittierte oder reflektierte Licht durch ein austauschbares Spektroskop leiten.

Die erhaltenen Wellenlängen gelangen in den Sensor (Detektor) und werden als ein Signal für jede Wellenlänge erfasst. Dieses Signal wird in eine Wellenform, das so genannte Spektrum, umgewandelt, das dann analysiert werden kann, um den Zustand der Substanz zu bestimmen.

Beispiele für Experimente mit Spektroskopen

Je nach zu messender Wellenlänge, gibt es verschiedene  Experimente die mit Spektrometern durchgeführt werden können.

Im Folgenden sind Beispiele für Experimente in jedem Wellenlängenbereich aufgeführt, beginnend mit dem kurzwelligen Bereich.

1. Spektrometer ermitteln die Zusammensetzung einer Oberfläche, indem sie die Oberfläche eines Materials mit Röntgenstrahlen bestrahlen und das reflektierte Licht durch das Spektrometer leiten.
2. UV-/Sicht-Spektrometer ermitteln die Zusammensetzung des Objekts und die darin enthaltenen Mengen, indem sie Licht durch das Material leiten.
3. Infrarot-Spektrometer enthüllen die Struktur eines Stoffes, indem sie die Bindungen zwischen den Molekülen beleuchten.

Die gewonnenen Informationen hängen also vom Wellenlängenbereich des Spektrometers ab.

Mit Spektrometern gewonnene Spektren

Mit Hilfe eines Spektrometers werden Informationen über eine unbekannte oder bekannte Substanz gewonnen und analysiert, um den Zustand der Substanz zu bestimmen. Das aus dem Spektrometer gewonnene Spektrum ist das für diese Analyse verwendete Kurvendiagramm.

Nach der Definition der gewünschten Informationen ist es wichtig, ein geeignetes Spektrometer auszuwählen und das Spektrum zu erfassen.

1. Röntgenspektroskope identifizieren Atome anhand der Peaks der gemessenen charakteristischen Röntgenstrahlung.
2. UV/sichtbare Spektrometer erfassen die Energiedifferenz zwischen den Elektronen, die beim Durchgang von Licht durch die Probe angeregt werden, als Spektrum.
3. Infrarot-Spektrosmeter erfassen die Schwingungsenergie zwischen den Bindungen, die die Atome verbinden, als Spektrum.