Für diesen Test wurde ein "Selbstbau - Spektrograph 4" [4] in der Variante mit Locheisen - Plattform, mit einer Selbstbau - Spalt - Blende aus 2 Rasierklingen und einem Dia - Rahmen sowie mit einem Amici - Geradsichtprisma der Firma Conatex verwendet [6]. Die Spektren - Photos wurden mit einer Digitalkamera des Typs "Canon EOS 450D" mit Normalobjektiv, eingestellt auf Blende 5,6, ISO 1600 und Dauerbelichtung ("B(ulb)"), aufgenommen, und zwar mittels Fernauslöser, um Verschiebungen der Kamera beim Drücken auf deren eigenen Auslöser zu vermeiden. Die Entfernung zwischen dem Eingangsspalt und der Frontlinse der Kamera betrug etwa 20 cm, die zwischen Spalt und Funkenstrecke etwa 15 cm.
Von einer frisch gelassenen Harn - Probe des Vaters des Verfassers wurde 1 mL tropfenweise auf eine elektrisch leitfähige Tablette aus gepresster medizinischer Kohle, Handelsbezeichnung "Kohle-Compretten", Firma Merck, [1] gegeben, die zur Beschleunigung der Probentrocknung auf einem Blatt Filterpapier auf einer erwärmten Unterlage platziert war. Nach jedem Auftrag einer Probenteilmenge, die so bemessen war, dass kein Probenharn aus der Tablette herauslief, wurde Diese trocknen gelassen. Nach vollständigem Probenauftrag wurde die Tablette auf der unteren Elektrode der an anderer Stelle beschriebenen "Vorrichtung zur Probenanregung mit Funken 1", bei der elektrische Funken durch manuelle Betätigung eines piezoelektrischen Hochspannungsgenerators erzeugt werden [2], vor dem Eingangsspalt des Spektrographen abgelegt. Die Probenaufbringseite der Kohle - Tablette zeigte nach oben in die Funkenstrecke hinein.
Nach Scharfstellung der Kamera auf die Spaltblendenöffnung anhand der Schärfe von Spektrallinien, die von einer den Spalt beleuchtenden UV - Handlampe erzeugt wurden [7], wurde im abgedunkelten Raum der Kamera - Verschluss mittels Fernauslöser geöffnet und nach der Erzeugung von 200 Funken während eines Zeitraums von etwa 3 Minuten wieder geschlossen. Danach wurde mit unterschiedlichen Belichtungsintensitäten auch das Spektrum der UV - Handlampe aufgenommen, ein hier als Kalibrierspektrum verwendetes Quecksilber (Hg) - Emissionsspektrum, dessen bekannte Spektrallinien - Wellenlängen als Marken bei der Ermittlung der Wellenlängen von im Probenspektrum erkennbaren Mustern dienten (Wellenlängen - Kalibrierung). Zur Kalibrierung verwendet wurde ein Photo, das so belichtet war, dass auch lichtschwächere Hg - Linien erfasst wurden, die stärksten Hg - Linien aber im aus dem Photo gewonnenen Spektrogramm noch als Peaks mit scharfen Spitzen erschienen.
Das Bild oben zeigt im oberen Teil das Funkenspektrum der Harn - Probe und im unteren Teil das Spektrum der UV - Handlampe. Zur Auswertung der Spektren wurden Diese wie an anderer Stelle beschrieben [3] mittels der Programme "Hex-Editor MX" (Bild - Pixel - Daten - Erfassung) sowie "Word 97" der Firma Microsoft und "PlanMaker 2006" der Firma SoftMaker (Berechnungen und Diagramm - Erstellung) in Diagramme (Spektrogramme) umgewandelt. Diese wurden in der mit "SoftMaker" maximal möglichen Ausdehnung in Richtung der Wellenlängen - Achse erstellt und in ein Fenster des Bild - Bearbeitung - Programms "Paint" einkopiert.
Die Schritte zur Erstellung und Benutzung des beim vorliegenden Experiment benutzten Kalibrierdiagramms, das zur Ermittlung der Wellenlängen von Peaks im Probenspektrogramm, zum Einzeichnen von als mögliche Verursacher von Peaks in Frage kommenden Spektrallinien chemischer Elemente in das Spektrogramm und zur Anfertigung einer Wellenlängen - Skala für Dieses eingesetzt wurde, sind als praktisches Beispiel in einer allgemeinen Beschreibung der Kalibrierdiagramm - Erstellung angegeben [5][8].
Erste Versuche zur Auswertung des Probenspektrogramms misslangen, da die dem Verfasser anfangs zur Verfügung stehenden Spektrallinien - Verzeichnisse zu unvollständig waren [12], Linien - Intensitäten ohne Hinweis auf die Anregungsart und stark abweichend von anderen Quellen auswiesen [11] oder die Anregungsart nur lückenhaft angaben, die wichtig zur Übertragung der Verhältnisse der Linien - Intensitäten auf das hier auszuwertende Spektrogramm ist [13].
Im hier betrachteten Beispiel wurde die Analysenprobe zwar mit elektrischen Funken angeregt. Dennoch können die in der Literatur für Funken - Anregung angegebenen Intensitätsverhältnisse bei den Linien eines chemischen Elementes von den im hier besprochenen Experiment erhaltenen Intensitätsverhältnissen abweichen, die sich bei eben diesem Element in den Peak - Höhen des Probenspektrogramms wiederspiegeln. Grund hierfür ist die starke Abhängigkeit der Linien - Intensitäten von der Art der Anregungsfunken. Klarheit hierüber könnte durch Anregung von Vergleichsproben mit jeweils bekannter Element - Zusammensetzung unter gleichen Bedingungen wie bei der Anregung der Analysenprobe gewonnen werden.
Jedes der nachfolgend abgebildeten Probenspektrogramme wurde erstellt, indem in einem nach chemischen Elementen geordneten Spektrallinien - Verzeichnis zu jedem Element zunächst dessen im hier berücksichtigten Wellenlängen - Bereich von etwa 390 nm bis etwa 610 nm die intensivsten Linien herausgesucht und dann das Probenspektrogramm auf bezüglich Lagen auf der Wellenlängen - Skala und relativen Intensitäten mit den Linien übereinstimmende Peaks überprüft. Für Elemente, zu deren Linien - Muster ein passendes Peak - Muster im Spektrogramm gefunden wurde, wurden in eine Probenspektrogramm - Vorlage [10] die mit Peaks zusammenfallenden Linien als Striche eingezeichnet. Die Länge eines Striches ist proportional zur relativen Intensität der zugehörigen Spektrallinie. Die Intensitätsskala kann unterschiedlich sein je nach Element und Literatur - Quelle und gilt jeweils nur für ein Element und eine Quelle.
In den Spektrogrammen sind die Literatur - Quellen für die Spektrallinien - Daten in Klammern angegeben: Saidel [14], Meggers [15][16], Harrison [18] und NIST [17]. Zu Linien angegebene relative Intensitätsangaben gelten nur für den hier berücksichtigten Spektralbereich von etwa 390 nm bis etwa 610 nm.
Arsen (As): Für As gibt die NIST - Datenbank die 6 hellsten Linien mit den Wellenlängen und relativen Intensitäten so an, wie sie im nebenstehenden Spektrogramm - Ausschnitt eingezeichnet sind. Die Linien bei 419,0 nm, 446,6 nm, 449,4 nm und 450,8 nm fallen mit Spektrogramm - Peaks zusammen. Die Linie bei 445,8 nm liegt bei einem angedeuteten Höcker in der kürzerwelligen Flanke des Nachbarpeaks. Die bei 454,3 nm gelegene Linie könnte für den Höcker in der Flanke des nahe gelegenen Peaks verantwortlich sein.
Blei (Pb): Die stärkste Pb - Funken - Linie bei 405,8 nm fällt mit einem winzigen, in vergrößerter Darstellung aber sicher erkennbaren Peak im Probenspektrogramm zusammen. Weitere Pb - Funken - Linien haben höchstens 1/15 der Helligkeit der genannten starken Linie und bleiben daher ohne merklichen Einfluss auf das Peak - Muster des Spektrogramms. Damit entfällt auch die Möglichkeit, mit weiteren Linien die Anwesenheit von Pb in der Analysenprobe zu bestätigen.
Bor (B): B zeigt bei 412,2 nm 6 zusammenfallende Linien, Jede davon der höchsten Stufe der relativen Intensität zugehörig. Bei dieser Wellenlänge gipfelt auch ein kleiner Peak im Probenspektrogramm. Weitere B - Linien sind so schwach, dass sie auf das Peak - Muster praktisch ohne Einfluss sind. Daher muss offen bleiben, ob dieser Peak wirklich von B verursacht wird, zumal auch Lanthan bei 412,3 nm eine starke Spektrallinie zeigt. Der Spender der Harn - Probe konsumierte täglich etwa 1,2 mg B über ein Pharmapräparat und Mineralwasser, dazu eine unbekannte Menge B über die Nahrung.
Kalium (K): Die beiden stärksten K - Funken - Linien bei 404,4 nm und 404,7 nm fallen mit einem Spektrogramm - Peak zusammen. Weitere eingezeichnete K - Funken - Linien sind so schwach, dass sie als Verursacherinnen erkennbarer Peaks entfallen.
Kohlenstoff (C): Die im nebenstehenden Spektrogramm eingezeichneten C - Linien bei 391,9 nm und 392,1 nm fallen mit 2 einander überlappenden Peaks geringer relativer Höhe zusammen. 3 intensive Linien liegen wegen geringer Wellenlängen - Auflösung im Spektrogramm bei 426,7 nm praktisch aufeinander. Sie fallen mit einem an gleicher Stelle gipfelnden Peak des Spektrogramms zusammen. Im nebenstehenden Spektrogramm sind sie zu einer Linie zusammengefasst, deren Länge proportional der Summe der 3 Einzelintensitäten ist. 2 weitere C - Linien bei 464,7 nm und 465,0 nm liegen an der Stelle eines angedeuteten Peaks, dessen Verbreiterung durch die Überlagerung der beiden Linien - Einzelpeaks erklärt werden könnte. Die C - Linie bei 514,5 nm könnte an der Verbreiterung der längerwelligen Flanke eines nahe gelegenen Peaks beteiligt sein. Eine Linie bei 589,0 nm wird von der ebenfalls dort gelegenen intensiven Natrium (Na) - Linie überstrahlt und ihr möglicher Peak wird durch den hohen Na - Peak überdeckt.
Natrium (Na): Der höchste Peak im Spektrogramm wurde als von Na verursacht vorausgesetzt, da die sehr intensive Na - Funken - Linie bei 589,0 nm mit ihm zusammenfällt und Na in der Analysenprobe als Harn - Inhaltsstoff zu erwarten war. Das Werte - Paar aus Pixel - Position des Peak - Gipfels und besagter Wellenlänge wurde daher zu einem Kalibrierpunkt für das zur Auswertung angefertigte Kalibrierdiagramm umgesetzt [10]. Dass dieser Punkt sich harmonisch in das Kalibrierdiagramm einfügt, spricht für die Richtigkeit der Intepretation des genannten Peaks als zumindest zum großen Teil durch Na verursacht. Weitere Na - Funken - Linien, abgesehen von einer solchen bei 589,6 nm mit 1/10 der Intensität der eben genannten Linie, sind zu schwach, um erkennbare Peaks zu erzeugen.
Strontium (Sr): Die 2 hellsten Bogen - Linien von Sr bei 407,8 nm und 421,5 nm fallen mit Gipfeln von Spektrogramm - Peaks zusammen. Unter Berücksichtigung der Beiträge aus spektralem Untergrund und von möglicherweise an den betreffenden Stellen liegenden Peaks anderer Elemente sind auch die tabellierten relativen Intensitätsverhältnisse dieser Sr - Linien mit den Verhältnissen der Netto - Höhen der Peaks zueinander vereinbar. Ein Peak an der Stelle einer schwächeren Sr - Linie bei 460,7 nm ist gerade noch erkennbar. Weitere Sr - Bogen - Linien sind zu schwach, um erkennbare Peaks zu erzeugen. Der Spender der Harn - Probe nahm zum Zeitpunkt der Probennahme täglich ein Präparat mit 1 mg Sr ein und benutzte täglich eine Sr - haltige Zahncreme.
Lanthan (La): Die beiden im verwendeten Funken - Linien - Verzeichnis nachweisstärksten La - Linien bei 394,9 nm und 412,3 nm fallen mit sehr kleinen Spektrogramm - Peaks zusammen. An der Stelle der drittstärksten La - Linie bei 407,7 nm ist ein starker Peak zu erkennen, der einen potentiell dort gelegenen La - Peak überdecken würde.
Calcium (Ca): Die Ca - Linien bei 393,4 nm und bei 396,8 nm fallen mit Peaks zusammen, deren Höhenverhältnis allerdings abweicht vom tabellierten Verhältnis der Linien - Intensitäten. Die Linie bei 422,7 nm liegt innerhalb eines breiten Peaks, der aus einer Überlagerung einzelner Spektrallinien - Peaks resultieren könnte. Weitere Ca - Linien sind so schwach, dass von ihnen erzeugte Peaks im Spektrogramm - Untergrund verborgen bleiben.
Stickstoff (N): Die N - Linien bei 399,5 nm und bei 411,0 nm fallen mit Peaks zusammen, deren Höhenverhältnis allerdings etwas abweicht vom Verhältnis der Linien - Intensitäten nach der Literatur, was zum Einen durch die Wellenlängen - Abhängigkeit der Licht - Registrierung bedingt sein kann und zum Anderen dadurch, dass sich die Literatur - Daten auf die Emissionslinien bei Anregung mittels Gasentladung beziehen. Weitere N - Linien sind schwächer oder liegen an Stellen im Spektrum, wo die zugehörigen Peaks vom Untergrund oder von anderen Linien - Peaks überstrahlt werden. Die N - Linien dürften zum Einen von der mit angeregten Umgebungsluft verursacht sein, zum Anderen von N - haltigen Harn - Inhaltsstoffen wie Harnstoff oder Protein. Da es bei diesem Vortest primär darum ging, ob piezoelektrisch erzeugte Funken überhaupt ein mit vorhandenen Mitteln photographierbares Emissionsspektrum anregen können, wird hier noch nicht unterschieden zwischen von der Kohle - Tablette, von den Funkenstrecke - Elektroden und von der Harn - Probe erzeugten Spektrum - Mustern.
Die oben angegebenen Übereinstimmungen der Lagen von Spektrallinien mit denen von Spektrogramm - Peak - Maxima oder von Stufen in Peak - Flanken sind zunächst einmal rein formaler Natur. Sichere Nachweise der angegebenen chemischen Elemente in der Probe oder in den Funkenstrecke - Materialien sind derartige Lage - Übereinstimmungen (Koinzidenzen) noch nicht. Die "passenden" Peaks könnten auch Rauschen - Peaks des Digitalkamera - Bild - Sensors sein, dann wären die Koinzidenzen zufällig.
Der hier besprochene Vortest zeigt, dass schon mit schwachen piezoelektrisch erzeugten Funken photographierbare Probenspektren gewinnbar sind. Für aussagekräftigere chemische Analysen muss jedoch die spektrale Auflösung gesteigert werden, um auch eng benachbarte Spektrallinien getrennt identifizieren zu können und muss zur Steigerung der Analysenempfindlichkeit eine andere Art von Probenträger gewählt werden, da die hier verwendete Kohle - Tablette zu viel Probenflüssigkeit in ihrem Inneren der Anregung durch die Funken entzieht.
