Spektrometer: Auflösung vs. Sensitivität

Spektrometrie ist ein Messverfahren, bei dem aus einer Probe Informationen über ein bestimmtes Spektrum an physikalischen Eigenschaften gewonnen werden. Dabei werden diese Eigenschaften separiert und einzeln analysiert. Es entsteht eine genaue Aufschlüsselung der Eigenschaften dieser Probe, wodurch dann Rückschlüsse auf ihre Zusammensetzung gezogen werden können. Im Falle von optischen Spektrometern handelt es sich bei der untersuchten physikalischen Eigenschaft dieser Probe um die Emmission, Absorption oder Reflexion von Licht.

Licht ist ein Gemisch aus elektromagnetischen Wellen

Licht ist, physikalisch betrachtet, ein bestimmter Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Dabei handelt es sich um Wellen aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern, die sich mit einer bestimmten Wellenlänge durch den Raum ausbreiten. Sogenanntes sichtbares Licht liegt in einem Wellenlängen-Bereich von etwa 380 (violett) bis 750 nm (rot), wobei es energieärmer wird, je größer die Wellenlänge ist. Dieser Wellenlängenbereich unterscheidet sich nicht grundsätzlich von anderen Wellenlängen. In diesen Frequenzen ist allerdings die Strahlung unserer Sonne am stärksten, und deshalb haben sich unsere Augen so entwickelt, dass sie genau diese Wellenlängen wahrnehmen können. Daran angrenzend liegen im niedrigen Wellenlängen-Bereich ultraviolette Strahlen (UV) und im hohen Infrarot-Strahlen (IR), die außerhalb des menschlichen Sehvermögens liegen. Andere Tiere, wie z.B. Insekten, Vögel oder einige Schlangen können diese Strahlen knapp hinter den Rändern des sichtbaren Lichts noch visualisieren. IR-Strahlung können Menschen zwar nicht sehen, aber über die Haut als Wärme wahrnehmen.

Licht kommt auf der Erde in erster Linie von der Sonne. Sie sendet ein Spektrum an elektromagnetischer Strahlung aus, dessen größte Intensität im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt. Diese Strahlung bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das All und trifft auf der Erde auf eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffe. Würden diese Stoffe das gesamte Spektrum des Sonnenlichts vollständig reflektieren, dann wäre die gesamte Welt für unser Auge weiß. In der Realität passiert dies jedoch praktisch nie. Stattdessen absorbieren fast alle Stoffe Teile des sichtbaren Spektrums. Teile des Lichts erreichen deshalb nicht mehr unser Auge - ein Farbeindruck entsteht.

Das gesamte Farbspektrum des weißen Sonnenlichtes lässt sich anschaulich an einem Regenbogen betrachten. Er entsteht, wenn das Licht in unzähligen Regentropfen gebrochen und reflektiert wird. Der einzelne Lichtstrahl tritt dabei in den Wassertopfen ein und wird an dieser Barriere gebrochen. Dies geschieht, weil Licht beim Übergang zwischen unterschiedlich dichten Stoffen (in diesem Fall Wasser und Luft) gebrochen wird. Dabei ist der Brechungswinkel etwas abhängig von der Wellenlänge. Dadurch wird das Licht in seine Teilfrequenzen aufgefächert - ein Regenbogen entsteht.

Aber auch ohne Regen wird schon in der Atmosphäre das weiße Licht der Sonne gestreut. Dabei spielen kleinste Teilchen eine wichtige Rolle. Ihre, für die Erde typische, Zusammensetzung sorgt vor allen Dingen dafür, dass blaue Lichtanteile gestreut werden. Dadurch wirkt der Himmel, und letztlich aus dem All betrachtet der Planet, blau. Auch Farbstoffe reagieren sehr spezifisch auf Lichteinstrahlung, so z.B. das Chlorphyll in den Blättern von Pflanzen. Es absorbiert blaues und rotes Licht, um daraus Energie für die Photosynthese zu gewinnen. Die grünen Anteile im Licht werden dagegen reflektiert. Daher erscheinen uns Blätter als grün.

Auf diese Weise reagieren unterschiedliche Materialien oder atomare Strukturen auf natürliche Weise ganz spezifisch auf Licht. Im Umkehrschluss kann die Reaktion auf einfallendes Licht untersucht werden, um Rückschlüsse auf die molekulare Struktur oder die Zusammensetzung einer Probe zu ziehen. Dieses Prinzip nutzt die optische Spektroskopie.

Ein optisches Spektrometer untersucht die optischen Eigenschaften einer Probe

Zur Untersuchung von Feststoffen ist die optische Spektroskopie eine gängige Methode. Ein optisches Spektrometer besteht zunächst aus einer Lichtquelle, dessen Licht anschließend in einem Monochromator gebrochen und nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich weitergeleitet wird. Dieser definierte Lichtstrahl läuft anschließend durch die zu untersuchende Probe und trifft zuletzt auf einen Detektor, der genau erkennen kann, inwiefern die Probe den definierten Lichtstrahl verändert hat. Im Vorfeld zur eigentlichen Messung wurden die optischen Eigenschaften natürlich genauestens erforscht, so dass ein rascher Abgleich des Messergebnisses mit diesen Erkenntnissen genaue Rückschlüsse auf die Probe zulassen.

Auflösung vs. Sensitivität bei Spektrometern

Der genaue Aufbau des Detektors entscheidet über das Auflösungsvermögen und die Sensitivität des Spektrometers. Beides ist umgekehrt proportional zueinander. Wird also im Design das Auflösungsvermögen maximiert, leidet darunter die Sensitivität, und umgekehrt.

Der Detektor besteht letztlich aus einer Reihe von Pixeln, die jeweils auf das Licht eines bestimmten Wellenlängen-Bereiches reagieren. Die beste Auflösung wird erreicht, indem die einzelnen Bereiche, auf die ein Pixel reagiert, sehr schmal angesetzt sind. Das führt zu einer klaren Abgrenzung einzelner Wellenlängen, sorgt aber auch dafür, dass nur wenige Photonen auf exakt diesen Pixel treffen. Um auch schwächere Signale noch gut detektieren zu können, muss also die Messzeit verlängert werden. Sehr schwache Signale können dennoch oftmals nicht wahrgenommen werden, weil zu wenige Photonen ankommen. Um entweder die Messzeit zu verringern oder auch die schwachen Signale besser zu detektieren, kann der Wellenlängen-Bereich pro Pixel größer gewählt werden. Somit können in kürzerer Zeit mehr Photonen detektiert werden. Die Sensitivität des Messgerätes wird also erhöht. Dies führt aber natürlich dazu, dass die Abgrenzungen zwischen den Bereichen unschärfer werden und somit die Auflösung reduziert ist.

Ein weiterer Aspekt ist das Signal/Rausch-Verhältnis, das bei hoher Auflösung ungünstiger ausfällt, da weniger Signalphotonen einen Pixel treffen. Das bedeutet, je mehr Photonen auf einen einzelnen Pixel treffen können, weil vielleicht der Wellenlängen-Bereich breiter gewählt ist, desto geringer ist im Verhältnis das Hintergrundrauschen. Das Rauschen kann durch mehrere Messzyklen stark reduziert werden. Dies hat wiederum zur Folge hat, dass Messungen mit Spektrometern, die ihren Schwerpunkt in der Auflösung besitzen, insgesamt länger dauern.

Es gilt also, anwendungsspezifisch das passende Design des optischen Spektrometers zu wählen. Daher muss im Vorfeld einer Anschaffung stets genau geklärt werden, auf welche Eigenschaft des einzusetzenden Messgerätes größeren Wert gelegt werden soll. Aufgrund unserer Erfahrungswerte lassen sich allgemeine Tendenzen in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen erkennen. Diese stellen aber nur eine grobe Richtlinie dar. Eine individuelle Beratung ist daher in jedem Fall empfehlenswert.

In der Industrie zählt meist die Sensitivität

Bei der Verwendung von optischen Spektrometern in der industriellen Fertigung hat die Messzeit in der Regel die höchste Priorität. Hier gilt es, in kurzer Zeit zuverlässig viele Proben zu untersuchen - der Idealfall sind On-line-Spektrometer, die direkt in der Fertigungslinie messen. Daher liegt in diesem Anwendungsbereich der Schwerpunkt zumeist auf der Sensitivität der Messgeräte. Ein geringes Hintergrundrauschen trotz der kurzen Messzeit garantiert hier zusätzlich genaue Messergebnisse. Optische Spektrometer, die in ihrem Design auf Sensitivität ausgerichtet sind, sind daher für Anwendungen im industriellen Bereich zu empfehlen.

Im Labor zählt oft die Auflösung

Die Verwendung von optischen Spektrometern im Laborbereich ist in der Regel nicht auf Sensitivität, sondern mehr auf Auflösung ausgelegt. Zum einen ist der Umfang an Proben in einem bestimmten Zeitabschnitt zumeist deutlich geringer als in der industriellen Verwendung, zum anderen ist eine genauere Auflösung auch meist von wissenschaftlichem Interesse. Daher kann in diesem Anwendungsbereich meist eine längere Messzeit zugunsten der Auflösung in Kauf genommen werden. Optische Spektrometer, die in ihrem Design auf Auflösung ausgerichtet sind, sind also im Laborbereich meist die erste Wahl.

 

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