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Inhaltsverzeichnis

 

Spektrometer

 

 

Allgemeine Hinweise


 

Zu Anwendungsbeispielen wird auf andere Veröffentlichungen verwiesen [4][5][12].

Im Unterschied zu photographierenden Spektrographen oder zu Spektroskopen für Spektren - Direktbeobachtungen mit den Augen messen Spektrometer Positionen und Intensitäten der Muster in einem Spektrum mit Licht - Detektoren und geben die Messwerte graphisch in Form von Diagramm - Kurven (Spektrogrammen) oder numerisch als Daten - Listen aus [13].

 

 

Scannende Spektrometer


 

Vor dem Aufkommen digitaler elektronischer Techniken arbeiteten Spektrometer in der Regel mit einem Licht - Sensor, der ein Spektrum entlang dessen Längsachse abfuhr oder über den hinweg ein Spektrum - Bild bewegt wurde. Registriert wurden dabei Werte - Paare für die Detektor - Position bezüglich des Spektrums und die zugehörige Licht - Intensität. Nach diesem Prinzip arbeitende Selbstbau - Spektrometer können relativ einfach konstruiert sein und mit preisgünstigen Licht - Sensoren und empfindlichen und hoch auflösenden elektrischen Messgeräten eine große analytische Empfindlichkeit und einen großen Dynamik - Bereich erreichen, siehe unten. Da das räumliche Abfahren eines Spektrums seine Zeit braucht, ist diese Methode vor Allem zur Aufnahme der Spektren von Proben geeignet, die zeitlich weitgehend konstante Eigenschaften zeigen, zum Beispiel unbewegte und chemisch stabile Lösungen, Festkörper oder konstant "brennende" Gas - Entladungen.

Mechanische Scanner - Antriebe zeigen beim Zusammenhang zwischen eingestellter und realer Position des Licht - Detektors oft eine Hysterese - Charakteristik. Das bedeutet, dass bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Detektors wegen des in der Praxis schwierig zu vermeidenden Spiels des mechanischen Getriebes, das den Detektor bewegt, trotz Bewegung in der Positionierregelung der Detektor zunächst einmal in seiner Stellung verharrt, bevor er der nun entgegengesetzt zur bisherigen Richtung erfolgenden neuen Bewegungsrichtung folgt. Das hat zur Folge, dass der Zusammenhang zwischen der Positionseinstellung und der realen Detektor - Position innerhalb eines Spektrums, die mit der Licht - Wellenlänge im Spektrum zusammenhängt, in der einen Bewegungsrichtung etwas anders ist als bei Bewegung in entgegengesetzter Richtung. Die Bestimmung der Wellenlänge zu einem Ort innerhalb eines Spektrums erfordert jedoch einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Detektor - Position und Wellenlänge. Die Aufnahme eines Spektrums darf daher immer nur in einer Bewegungsrichtung erfolgen. Bei Unterbrechung der Aufnahme, zum Beispiel bei einer Störung, um eine bereits passierte Stelle im Spektrum nochmals zu scannen, muss während des Zurückfahrens des Detektors die Spektrum - Aufnahme unterbrochen werden und sie darf erst wieder aufgenommen werden, wenn sich der Detektor wieder in der ursprünglichen Richtung relativ zum Spektrum bewegt. Auch muss bei der Aufnahme eines Probenspektrums und einer davon getrennten Aufnahme eines Kalibrierspektrums jeweils die gleiche Bewegungsrichtung des Detektors eingehalten werden. Um zu Genauigkeitsdefiziten führende Verwechselungen zu vermeiden sollte zu jedem aufgenommenen Spektrum besagte Bewegungsrichtung vermerkt werden.

Schwankt beim Scannen mittels Gegeneinander - Bewegung von Detektor und Spektrum - Bild die Intensität der Licht - Quelle schnell mit der Zeit, kann dies Signale erzeugen, die Spektrallinien oder -banden vortäuschen (Artefakte). Um derartige falsche Muster zu erkennen, kann ein Spektrum zwei mal gescannt werden. Reale Linien und Banden treten in beiden Spektren an den gleichen Positionen auf, aus oben genannter Ursache vorgetäuschte eher an verschiedenen, wenn die Intensität der Licht - Quelle zufallsartig schwankt. Scanner mit nur einem Detektor - Element haben andererseits den Vorzug, dass ihnen die bei Detektoren aus vielen aneinandergereihten Sensoren möglichen Artefakte fehlen, siehe unten.

Wechselwirkt während eines Scan - Vorgangs ein Photon oder Teilchen aus der kosmischen (Höhenstrahlung) oder der terrestrischen (Radioaktivität) Strahlung mit dem Licht - Sensor - Element, kann Dies ein Muster im Spektrum ähnlich dem eines von einer Analysenprobe erzeugten Peaks verursachen.

 

 

Array - Spektrometer


 

Ein Spektrometer im Digital - Zeitalter enthält meistens eine Zeile aus vielen gleichartigen, nebeneinander angeordneten Detektoren (Detektor - Array), wobei die Zeile in Richtung der Wellenlängen - Änderung im Spektrum - Bild ausgerichtet ist. So kann ein Spektrum in seiner Gesamtheit in sehr kurzer Zeit aufgenommen werden.

Bei Array - Spektrometern mit nur unbeweglichen Bauteilen erzeugen wegen der fast simultanen Aufnahme eines Spektrum - Bereichs Intensitätsschwankungen der Licht - Quelle kaum noch darauf begründete fehlerhafte Muster in einem Spektrum (Artefakte). Solche anderer Art können bei diesen Geräten aber zum Beispiel durch herstellungsbedingt etwas unterschiedliche Eigenschaften der Sensoren innerhalb eines Arrays oder durch Schmutz auf einzelnen Sensoren entstehen. Eine weitere Artefakt - Quelle bei Arrays sind die zwischen den einzelnen Sensoren gelegenen Flächen ohne Lichtregistrierfunktion. Fällt zum Beispiel das Licht einer Spektrallinie zum Teil auf ein Sensor - Element und zum Teil auf die Zwischenfläche, wird die Intensität der Linie falsch zu niedrig registriert. Eine Spektrallinie in einem Spektrum - Bild sollte daher mittels Einstellung der Breite des Eingangsspaltes immer so breit gemacht werden, dass sie mehrere Sensor - Pixel eines Arrays überdeckt. Manche Molekülspektren zeigen eine Folge nebeneinander liegender Banden. Weicht der Abstand zwischen solchen Banden nur wenig vom Abstand zwischen den Sensor - Elementen eines Arrays ab, können die von der Elektronik ausgelesenen Signale ein spektrales Muster anzeigen, dass vom realen von einer untersuchten Probe stammenden Muster abweicht [9]. Diese speziellen Arten von Artefakten werden Alias genannt oder die betreffenden Phänomene Aliasing.

Auch bei einem Array - Spektrometer kann eine Wechselwirkung zwischen einem Sensor - Element oder mehreren benachbarten Elementen und ionisiserender Strahlung oder Teilchen - Strahlung einen Peak ähnlich einem von einem Probeninhaltsstoff erzeugen Peak in einem Spektrum verursachen.

Werden mit einem Array - Spektrometer Dunkelspektren bei lichtdicht verschlossenem Spektrometer - Eingang aufgenommen und miteinander verglichen, zeigt sich Folgendes:

Auch bei 2 zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Aufnahmen eines Dunkelspektrums kann ein bestimmtes Sensor - Pixel sehr unterschiedliche Dunkelströme erzeugen. Der Quotient aus den Dunkelströmen beider Aufnahmen kann von Pixel zu Pixel stark variieren. Auch bei Minuten - langer Belichtungszeit geben manche Sensor - Pixel bei der 2. Aufnahme höhere Dunkelstrom - Messwerte aus als bei der 1. Aufnahme, andere Pixel niedrigere Werte. Werden also das Spektrum einer Analysenprobe und, zur Kompensation des von den Dunkelströmen verursachten Anteils des Rauschuntergrunds, ein später vom Probenspektrum zu subtrahierendes Dunkelspektrum zeitlich getrennt aufgenommen, kann der Dunkelstrom - Anteil im Probenspektrum weder durch einfache Subtraktion des Dunkelspektrums noch durch der Subtraktion vorangehende Multiplikation der Dunkelstrom - Messwerte der Sensor - Pixel mit einem einheitlichen Faktor für die zeitliche Drift der Dunkelstrom - Werte vollständig herausgerechnet werden. Durch Subtraktion kann jedoch die Rauhigkeit des Untergrunds, die durch in den einzelnen Sensor - Pixeln fest eingeprägte unterschiedliche elektronischen Eigenschaften verursacht wird, in einem Probenspektrum relativ zur mittleren Höhe des Dunkelstrom - Sockels verringert werden.

Nach Subtraktion des jeweiligen Dunkelstrom - Untergrunds können mehrere Spektren einer Probe addiert werden durch Addition der bei den Spektren - Aufnahmen erhaltenen Messwerte jeweils eines Sensor - Pixels. Wie oben erwähnt, variiert ein Teil des Dunkelstrom - Untergrunds zeitlich über die einzelnen Sensor - Pixel hinweg. Bei Addition der zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommenen Sensor - Pixel - Signale fallen, statistisch verteilt, immer wieder einmal stärkere Signale eines Pixels aus einem Teil der Aufnahmen mit schwächeren Signalen aus anderen Aufnahmen zusammen. Dies bewirkt, dass die Unebenheit der Dunkelstrom - Signale über das Summenspektrum hinweg auch mit zunehmender Zahl der addierten Spektren etwa gleich bleibt. Die von einer Analysenprobe verursachten spektralen Muster erscheinen jedoch in jedem Spektrum einer Aufnahmenserie an derselben Stelle. Die durch diese Muster verursachten Sensor - Pixel - Signale wachsen daher mit jedem addierten Spektrum um etwa den gleichen Betrag, wenn die Aufnahme - Bedingungen für jedes Spektrum gleich gehalten werden. Die Addition mehrerer Spektren einer Analysenprobe bewirkt also eine deutlichere Hervorhebung von durch Inhaltsstoffe der Probe verursachten Mustern im Summenspektrum über dem Dunkelstrom - Untergrund, auch wenn das Verhältnis zwischen der Höhe eines Inhaltsstoff - Peaks und der Höhe des Dunkelstrom - Sockels ungefähr gleich bleibt. Die Addition der Spektren - Signale kann erfolgen durch Übertragung der von einem Spektrometer bei jeder Spektrum - Aufnahme erzeugten Liste von Messwerten in die Tabelle einer Tabellenkalkulation - Software und Eingabe der Addition - Anweisung.

Zeigen ein Sensor - Pixel oder mehrere benachbarte Pixel herstellungstechnisch bedingt bei Licht - Einfall von den übrigen Pixeln stark abweichende Photoströme, kann im Spektrometer gestreutes Licht bewirken, dass solche abnormen Pixel elektrische Signale erzeugen, die in einem Spektrogramm ähnlich dargestellt werden wie Spektrum - Peaks einer Analysenprobe. So entstandene Pseudopeaks heben sich wie echte Probenspektrum - Peaks bei Spektren - Addition, siehe oben, zunehmend vom Rauschuntergrund ab. Erkennbar sind sie bei Aufnahme des kontinuierlichen Spektrums einer Licht - Quelle, deren Emissionspektrum selbst keine Probenpeak - artigen Muster aufweist, was zum Beispiel bei Glühbirnen ohne Halogen - Füllung der Fall ist. Zwar erzeugt vom glühenden Faden ausgehender Metalldampf theoretisch Atomabsorptionspeaks, deren geringe Tiefe dürfte aber nur bei extrem empfindlichen Spektrometern zu Störungen führen.

Bei Licht - Sensoren auf CMOS - Basis ist im Unterschied zu nach dem CCD - Prinzip aufgebauten Sensoren jedes einzelne Sensor - Pixel mit einer eigenen Auslese - Elektronik versehen. Fertigungstechnisch bedingte Variationen der Eigenschaften dieser Pixel - Elektroniken machen CMOS - Sensoren besonders anfällig für Dunkelstrom - Rauschen und für die Erzeugung von Störsignalen in Probenspektren.

 

 

Digital - Kameras als Spektrometer


 

Im Zeitalter billiger Digital - Kameras verdient die indirekte Spektrometrie durch Umsetzung eines digitalen Spektrum - Photos in ein Spektrogramm besonderes Interesse [6]. Zum Einen sind mit elektronischen Bildaufnehmern (Sensor - Chips) von Massenware - Kameras, wenn auch auf Umwegen, Spektrogramme gewinnbar, die vergleichbar sind mit solchen viel teurerer spezieller Spektrometer. Zum Anderen bietet die Zwischenstufe Photo die Möglichkeit einer visuellen Kontrolle auf Artefakte in einem Spektrum. Vom Prinzip her sind Digital - Kameras sehr ähnlich den Array - Spektrometern.

 

 

Kenngrößen eines Spektrometers


 

Die spektrale Auflösung gibt an, welcher Wellenlängen - Unterschied entweder von zwei benachbarten Sensoren eines Arrays oder, bei Typen mit gegeneinander bewegtem Spektrum - Bild und Sensor, bei einem Weiterbewegungsschritt registriert werden kann. Hier gilt: Je kleiner der Auflösungswert in Nanometer (nm), um so besser die getrennte Erfassung zweier eng benachbarter Spektrallinien. Bei Array - Spektrometern würde allerdings eine Spektrallinienbreite kleiner als etwa 2 benachbarte Sensor - Pixel verstärkt zu Artefakten, siehe oben, Anlass geben.

Ein weiteres Maß der Spektrometer - Fähigkeit ist der Wert für die spektrale Bandbreite. Er gibt an, welcher Wellenlängen - Bereich im Spektrum bei einem Messvorgang erfasst wird. Spektrometer, die Spektrum - Bereiche im ultravioletten oder infraroten Bereich des Lichts registrieren, erfordern spezielle Bauteile. Abgesehen von teuren Spezialgeräten bieten kommerzielle Instrumente entweder eine relativ kleine Bandbreite und dafür eine hohe Wellenlängen - Auflösung oder eine große, zum Beispiel das gesamte Licht - Spektrum umfassende Bandbreite bei jedoch geringerer Wellenlängen - Auflösung. Selbstbau - Geräte können durch austauschbare Optiken für beide Varianten ausgelegt werden.

Der Dynamik - Bereich ist ein Maß dafür, in welchen Umfang die Intensitätsunterschiede des Licht in einem Spektrum - Bild registriert werden können.

Die Sensor - Empfindlichkeit gibt an, wie schwach einfallendes Licht sein darf, um noch ein sich vom Rauschuntergrund des Detektors abhebendes Signal hervorzurufen. Eine hohe Empfindlichkeit ist natürlich bei der Registrierung lichtschwacher Spektren vorteilhaft.

 

 

Kommerzielle Fertig - Spektrometer


 

Industriell gefertigte UV - VIS - Spektrometer sind in großer Auswahl zu Preisen zwischen mehreren hundert und mehreren tausend EUR erhältlich. Viele Herstellfirmen bieten ihre Geräte in Internet - Shops an. Auch Lehrmittel - Handel - Firmen haben einige Modelle im Angebot. Wegen der vielfältigen und mit der Zeit wechselnden Modell - Paletten sollten Interessierte die Geräte - Angebote jeweils aktuell recherchieren. Bei der Beurteilung der Qualität kommerzieller Spektrometer können Bewertungen von Firmen zu Produkten konkurrierender Unternehmen hilfreich sein [14].

 

"Lab. Junior"

 

Im Vergleich mit anderen Geräten seiner Preis - Klasse ist es verhältnismäßig üppig ausgestattet mit 2048 Sensor - Elementen, die einen Wellenlängen - Bereich von 344 nm bis 1066 nm erfassen. Am kurzwelligen Ende des Spektralbereiches kommen 2, am langwelligen 4 bis 5 Sensor - Elemente auf 1 nm Licht - Wellenlänge. Der praktisch nutzbare Registrierbereich (Die Dynamik) für die Licht - Intensität umfasst etwa 16000 relative Einheiten, was die gleichzeitige Registrierung lichtschwacher und lichtstarker Spektrum - Strukturen erleichtert. Die zugehörige Software lässt zwar Einiges zu wünschen übrig, manche Defizite sind aber kompensierbar. [8]

Die spezifizierte maximale Integrationszeit (Belichtungsdauer des Sensors) von 30 s ist beim Gerät des Verfassers zwar eingebbar, die Reaktion der Spektrogramm - Anzeige auf sich ändernde Helligkeiten bei dieser Einstellung spricht jedoch für eine reale Integrationszeit von etwa 3 statt der eingestellten 30 s, was auch im bei anderen kommerziellen Spektrometern üblichen Rahmen liegen würde. Auch das unten abgebildete Diagramm zur Lage des Sensor - Sättigungsbereichs weist darauf hin, dass bei diesem Gerät nur Integrationszeiten von maximal wenigen Sekunden von Nutzen sein können.

Das folgende Bild zeigt das mit diesem Gerät aufgenommene Emissionsspektrum einer Niederdruck - Quecksilber - Dampf - Gasentladungsröhre.

Spektrogramm der Hg - Lampe

Das blaue Fadenkreuz im obigen Bild ist ein Cursor, dessen Stellung in Form eines Koordinaten - Paares aus Sensor - Element - Nummer (Rechts - Wert) und Licht - Intensität - Einheit (Hoch - Wert) am unteren Rand des Software - Fensters angezeigt wird. Mittels den "Rechts - Pfeil" und "Links - Pfeil" - Tasten kann mit dem Cursor ein Spektrum - Diagramm Sensor - Element - weise abgefahren werden. Das Fadenkreuz folgt dabei der Graph - Linie automatisch nach oben und unten. Durch Klicken auf die Schaltfläche "Schalten" kann der Cursor entfernt und auch wieder zum Vorschein gebracht werden.

Ein Doppelklick in die Spektrogramm - Zeichnung - Fläche öffnet die Registerkarten - Gruppe "Change Graph Layout", mit der die Abstände der Graphik - Skalen zu den Skalen - Legenden eingestellt werden können. Durch Stellen des Cursors auf die Außengrenzen des Spektrogramm - Fensters und Verschieben dieser Grenzen können die Außenabmessungen variiert werden. Ein Klick auf die Schaltfläche "Freie Skala" öffnet das Fenster "Ausschnitt ändern", in dem die beiden Spektrogramm - Skalen auf gewünschte Werte - Bereiche beschränkt werden können. Achtung: Je nach Wahl der genannten Einstellungen kann es passieren, dass beim Kopieren des Spektrogramms über die Zwischenablage in ein Bildbearbeitung - Programm der untere Teil des Graphen mitsamt der unteren Skala weggeschnitten wird. Nach Erfahrung des Verfassers wird der gesamte Graph bis herab zur Null - Marke der Helligkeit - Skala in die Zwischenablage kopiert, wenn diese Skala im negativen Bereich auf die -3000 - Marke ausgedehnt wird, entweder mittels Schaltfläche "Freie Skala" oder mittels Schaltfläche "Schieben" und Hochschieben des Diagramm - Feldes, bis auf der Helligkeit - Skala die Marke -3000 auftaucht. Bei der letzteren Variante besteht aber die Gefahr, dass beim Schieben versehentlich Teile des Diagramm - Graphen am linken oder am rechten oder am oberen Ende abgeschnitten werden.

Die von "Lab. Junior" angegebenen Wellenlängen für Helligkeitsmaxima erfasster Spektrallinien - Peaks können einige nm von Literatur - Werten abweichen. Zur chemischen Analyse von Material - Proben mit diesem Gerät muss also mittels Kalibrierlichtquellen eine Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen der vom Gerät angezeigten Messpunkt - Nummer und der Licht - Wellenlänge erfolgen [11].

Bei der Interpretation von mit "Lab.Junior" aufgenommenen Spektren muss unterschieden werden zwischen Mustern in der Spektrum - Kurve, die vom untersuchten Objekt herrühren, und solchen, die durch die variable Licht - Empfindlichkeit des Spektrometers über den erfassten Spektralbereich hinweg bedingt sind. Bei einer Glühlampe zum Beispiel zeigt die Kurve der abgestrahlten Licht - Intensität in Abhängigkeit von der Licht - Wellenlänge einen glatten, glockenförmigen Verlauf. In einem mit "Lab.Junior" aufgenommenen Spektrum von Glühlampenlicht sind jedoch einige Dellen erkennbar, wie die folgende Abbildung zeigt. Für diese Aufnahme wurde die Spektrometer - Öffnung auf eine Stelle abseits des Aufdrucks auf dem Glas - Kolben der Lampe gerichtet, um eine Verfälschung des Spektrums durch Licht - Absorption durch die Druckfarbe zu vermeiden und es wurde hinter der Lampe ein Schirm aus weißem Papier platziert, um den Einfluss von an anderen Objekten in der Umgebung der Lampe reflektiertem Licht auszuschalten.

Mit Lab.Junior aufgenommenes Spektrogramm einer Glühampe

Die Unebenheiten in der Spektrum - Kurve bei etwa 500 nm und etwa 630 nm könnten durch die Eigenschaft des Photodetektor - Materials von "Lab.Junior" bedingt sein. So zeigt zum Beispiel der NPN - Silizium - Phototransistor BPY 62 einen ähnlichen, nachfolgend abgebildeten spektralen Verlauf seiner Lichtempfindlichkeit [17]:

Spektrale Empfindlichkeit des BPY 62

Dass die Inhomogenitäten in der Kurve der spektralen Empfindlichkeit beim BPY 62 gegenüber dem "Lab.Junior" entlang der Wellenlänge - Skala um etwa 100 nm versetzt sind, könnte an unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Licht - empfindlichen Materialien beider Detektoren liegen. Zur Ermittlung des spektralen Verlaufs der absoluten Licht - Emission eines Objektes müssen also die vom Spektrometer gelieferten Messwerte entsprechend den Variationen der Licht - Empfindlichkeit des Gerätes korrigiert werden. Geht es nur um die Messung der Positionen schmaler Spektrallinien, dürften die sich breit hinziehenden Inhomogenitäten in der Empfindlichkeitskurve des Spektrometers weniger stören. Eine Darstellung von Spektren mit breiten Banden kann dagegen durch diese Spektrometer - Eigenschaft stark verfälscht werden, was besonders bei solchen qualitativen chemischen Analysen ins Gewicht fällt, bei denen Stoffe anhand ihrer Bandenspektren identifiziert werden sollen. Für quantitative Analysen sind aber die spektralen Empfindlichkeitsschwankungen von "Lab.Junior" weniger gefährlich, wenn hierbei zur Ermittlung der Konzentrationen von Inhaltstoffen das von einer Analysenprobe kommende Licht nur an einer Stelle des Spektrums gemessen wird. Bei Konzentrationsermittlungen übliche Methoden wie Standard - Zusatz oder Untergrund - Korrektur werden durch spektrale Detektor - Eigenschaften eines Spektrometers kaum behindert.

Die Stärke der Auswirkung der Licht - Empfindlichkeit - Variabilität von "Lab.Junior" hängt auch von der Lage der Intensitätsmaxima des von einem untersuchten Objekt emittierten Lichts ab. Im oben abgebildeten Glühlampenspektrum ist bei 500 nm nur eine leichte Auslenkung in der Spektralkurve erkennbar, die in der steilen Flanke zum Licht - Maximum - Bereich hin liegt. Fällt jedoch die maximale Licht - Intensität eines Objekts in die Gegend um 500 nm, wird aus der Auslenkung ein prägnantes relatives Minimum, wie das nachfolgend abgebildete Spektrum des Lichts einer weißen Schichtwolken - Decke zeigt.

Mit Lab.Junior aufgenommenes Spektrogramm von Wolkenlicht

 

Für quantitative chemische Analysen ist ein möglichst geradliniger (linearer) Verlauf des Zusammenhangs zwischen in das Spektrometer einfallender und von diesem als Messwert angezeigter Licht - "Menge" wünschenswert. Die Empfindlichkeit von Analysen kann um so höher gemacht werden, je größer das Verhältnis "Vom Spektrometer angezeigte relative Licht - "Menge" / Wahre ins Spektrometer einfallende Licht - "Menge"" ist. Beide Parameter wurden vom Verfasser getestet durch Aufnahme von Spektren einer konstant leuchtenden Licht - Quelle, einer "Neonleuchte mit Schlangen-Effekt", einer Xenon - Niederdruck - Gasentladungslampe, mit unterschiedlichen Licht - Sammelzeiten. Den ermittelten Zusammenhang am Ort der Spitze eines Xenon - Spektrallinienpeaks zeigt die folgende Graphik:

Diagramm zum nutzbaren Bereich der Licht - Intensität - Messung

Am steilsten und damit für analytische Zwecke am geeignetsten verläuft der Graph zwischen 0 und 16000 relativen Einheiten der angezeigten Licht - "Menge". Der Verlauf weicht etwas von exakter Linearität ab, was aber bei Analysen mittels Standard - Zusätzen bekannter Stoff - Mengen zu einer Probe über die Konzentrationskalibrierung automatisch mit korrigiert wird. Eine Intensivierung der Spektrometer - Belichtung mit dem von einer Analysenprobe ausgehenden Licht zum Zwecke der Steigerung der Analysenempfindlichkeit darf nach obigem Diagramm nur so weit gehen, dass die höchste Stelle des Diagramm - Graphen bis an die 16000 Einheiten - Marke heranreicht, da bei noch intensiverem Licht - Einfall die Empfindlichkeit rapide abnimmt. Im letzteren Fall kann es passieren, dass ein Spektrallinienpeak mit zunehmender Belichtung bereits in die "Null - Wachstum" - Zone im obigen Diagramm gerät, während der Rauschuntergrund noch in der Anstiegszone befindlich ist und weiter anwächst. Dann verringert sich der Abstand zwischen Linienpeak und Untergrund, was das Spektrum abnehmend brauchbar für chemische Analysen macht.

Bei der Aufnahme von Emissionsspektren im Modus "Strahlungsverteilung" bleibt die Dunkelrauschen - Kurve des Gerätes bei einer maximal möglichen Belichtungszeit (Integrationszeit) nur bei ausreichend niedrigen Umgebungstemperaturen unter der oben genannten Obergrenze für angezeigte Licht - Intensitäten von 16000 Einheiten. Die Temperatur - Abhängigkeit des Dunkelrauschens erfordert bei quantitativen Analysen zum Einen eine möglichst gleichbleibende Temperierung des Spektrometers während der Messungen bei einem Analysengang, zum Anderen die wiederholte Kontrolle des Niveaus dieses bei fehlendem Licht - Einfall sich einstellenden Untergrund - Signals.

Um alle Optionen einer späteren Auswertung oder graphischen Bearbeitung eines Spektrum - Diagramms offen zu halten sollte ein solches immer zuerst im "Lab. Junior" eigenen Format ".sample" gespeichert werden, also mittels "Datei" → "Speichern" oder "Save as..", und erst dann mittels "Bearbeiten" → "Graph kopieren" als Graphik - Datei in die Zwischenablage. Die ".sample" - Datei kann dann mit der Spektrometer - Software "VisualSpectra" geöffnet und nachuntersucht werden. Die in die Zwischenablage kopierte Datei - Variante kann von einem Bildbearbeitung -Programm geöffnet und mit Diesem nachbearbeitet werden. So kann zum Beispiel der schwarze Hintergrund des Spektrums mittels "Farbfüller" / "Farbeimer" eines Bild - Bearbeitungsprogramms in eine gewünschte Tönung oder Farbe umgewandelt werden, wobei sehr schmale Peaks eventuell per Zeichenstift manuell nachbearbeitet werden müssen. Um eine ursprünglich helle Farbe des Graphen dunkler zu machen ist dem Verfasser, abgesehen von mühsamem Nachzeichnen per Hand, nur folgender Umweg bekannt: Am unteren Rand des "VisualSpectra" - Fensters sind 8 kleine Quadrate angeordnet, mit deren Farben die in einem Diagramm gleichzeitig abbildbaren Graphen aus unterschiedlichen aufgenommenen Spektren versehen werden. Diese Graphen sind bis zu einer maximalen Anzahl von 7 unter "Ansicht" → "Messung ... hinzufügen", aufgelistet. Der Graph von "Messung 1 hinzufügen..." erhält die Farbe des 2. Kästchens von links, der Graph von "Messung 2 hinzufügen..." die Farbe des 3. Kästchens und so weiter. Um einen gegebenen Diagramm - Graphen in eine aus der von den Kästchen vorgegebenen Farbe umzufärben muss im leeren Software - Fenster aus der "Messung ... hinzufügen" - Liste diejenige Nummer angeklickt werden, die der Wunschfarbe entspricht. Im sich daraufhin öffnenden "Öffnen" - Fenster kann dann die Diagramm - Datei mit dem umzufärbenden Graphen angeklickt werden, woraufhin dieser in der Wunschfarbe erscheint. Dieses neu gestaltete Diagramm kann dann unter neuem Namen gespeichert werden.

Eine Anweisung zur Anzeige der numerischen Daten (Messwerte in Zahlen - Form) zu einem Spektrum - Diagramm fehlt zwar in der Bedienoberfläche der Gerätesoftware. Ein Text - Editor kann jedoch eine ".sample" - Datei öffnen und die Messdaten in Form einer 3-spaltigen Tabelle mit den Kenngrößen Sensor - Pixel - Nummer, Licht - Wellenlänge und relative Licht - Intensität anzeigen. Die Wellenlänge wird in der Maßeinheit Nanometer (nm) angezeigt mit einem Punkt als Trennzeichen zwischen den Einer - und den Zehntel - Stellen. Auch die Lichtintensitätswerte enthalten ein Trennzeichen. Ist das später eingesetzte Tabellenkalkulationsprogramm auf das Komma als Trennzeichen eingestellt, muss im Text - Editor mit der "Ersetzen" - Funktion der Trennpunkt gegen ein Trennkomma ausgetauscht werden, damit die Wellenlängen - Zahlen und Licht - Intensitäten richtig zu einem Spektrogramm verarbeitet werden können. Anderenfalls werden die Zahlen in der Kalkulationstabelle ohne Trennzeichen und mit wegen Unterdrückung der letzten Nullen unterschiedlichen Längen dargestellt, was zu Fehlern bei der Spektrogramm - Erstellung führt.

Achtung: Nach Austausch der Trennpunkte gegen Trennkommas muss eine so geänderte Text - Datei unter anderem Namen oder ohne Übernahme der Änderung gespeichert werden. Bei Speicherung mit Kommas unter dem ursprünglichen Namen im Format .sample kann die "Lab.Junior" - Software die mit Trennkommas versehenen Messwerte - Zahlen nicht mehr lesen und damit auch nicht mehr in eine Spektrogramm - Graphik umsetzen.

Um die Zahlen - Werte in eine Kalkulationstabelle zu übertragen zwecks späterer Erstellung eines Spektrogramms können die Werte - Listen in einem Textbearbeitung - Programm geöffnet werden, das zur Markierung einer einzelnen senkrechten Zahlenreihe inmitten weiterer Zahlenreihen fähig ist (Spalten - Markierung), was zum Beispiel mit dem Programm "Microsoft Word" möglich ist. Es erleichtert die Arbeit, wenn die zu markierende Zahlenreihe in einem Format vorliegt, bei dem alle Zeichen, hier also alle Ziffern einer Zahl, gleich breit sind, zum Beispiel in der Schrift - Art "Courier". Für die Markierung einer Zahlen - Spalte wird der Cursor in der obersten Zahl der Spalte links vor die erste Ziffer gestellt, die Taste "Alt" gedrückt gehalten und dann der Cursor die Reihe herunter gezogen bis zur letzten zu berücksichtigenden Zahl unten und rechts neben deren äußerste rechte Ziffer gestellt. Die so markierte Zahlenreihe kann nun in die Zwischenablage kopiert und von dort in eine Kalkulationstabelle übertragen werden. Wichtig: Hat die oberste zu markierende Zahl einer Werte - Liste eine geringere Länge (Stelligkeit) als die längste(n) Zahl(en) in der Liste, muss der Cursor so viele Leerstellen links vor der ersten linken Ziffer des obersten Wertes platziert werden, dass beim Herunterziehen des Cursors der linke Markierungsrand die längste(n) Zahl(en) vollständig mitmarkiert werden. Auch dürfen rechts hinter den Zahlen einer Liste stehende Absatz - Zeichen keinesfalls mitmarkiert werden.

Nach Öffnen einer Kalkulationstabelle kann nun die Zahlen - Liste aus der Zwischenablage in eine Tabellenspalte einkopiert werden. Hierzu wird der Cursor in die Tabellenzelle gestellt, in der die Liste beginnen soll, und die "Einfügen" - Anweisung gegeben. Die Firma SoftMaker stellt als Werbegeschenk die Ausgabe 2006 ihrer Tabellenkalkulation - Software "PlanMaker" gratis zur Verfügung [16]. Dieses Programm bietet mehr Gestaltungsmöglichkeiten bei der Diagramm - und damit auch der Spektrogramm - Erstellung an als das Tabellenkalkulationsprogramm des Programm - Pakets "Microsoft Works", das, als Software - Zugabe auf Computern mit "Microsoft Windows" - Betriebssystemen, verbreitet zugänglich ist. Beim Einkopieren einer wie oben beschrieben Spalten - markierten Zahlen - Reihe aus einem Text - Editor über die Zwischenablage erscheint jedoch in einer "PlanMaker" Tabelle die Zahlen - Kolonne als Text formatiert, erkennbar an der linksbündigen Ausrichtung. Wird aber eine Zahlen - Spalte aus einem Text - Editor in eine "Works" - Tabelle kopiert, erkennt dieses Programm die Zeichen als Zahlen und richtet sie rechtsbündig aus. Um also eine Zahlen - Spalte aus einem Text - Editor in eine solche in "PlanMaker" zu überführen, die von diesem Programm auch als aus rechenbaren Zahlen bestehend anerkannt wird, kann der Umweg über "Works" eingeschlagen werden. Um mit den Voreinstellungen von "PlanMaker" ein x - y - Diagramm zu erstellen, bei dem die Wellenlängen gegen die Licht - Intensitäten aufgetragen sind, also ein Spektrogramm, müssen die Tabellenspalten mit den Intensitätswerten und mit den Wellenlängen benachbart stehen. Die linke Spalte wird zur x - Achse im Diagramm, die rechte Spalte zur y - Achse. Natürlich kann auch jede Tabellenspalte als die x - oder die y - Werte enthaltend deklariert werden, was aber die entsprechende Änderung der Voreinstellungen erfordert. Weiteres zum Gebrauch dieser Software zur Spektrogramm - Erstellung ist anderen Kapiteln zu entnehmen [6].

Die reale Wellenlänge - Auflösung von "Lab.Junior" bleibt hinter der von seiner Anzahl an Licht - Sensoren, siehe oben, her möglich erscheinenden zurück. So werden im Emissionsspektrogramm von Quecksilber (Hg) die Spektrallinie bei der Wellenlänge 577,0 nm und das Linienpaar bei 579,0 nm und 579,1 nm als eingipfeliger Peak dargestellt, auch in der gezoomten Detail - Ansicht des Spektrogramms und auch bei Reduktion der Belichtungszeit zur Verringerung eventueller Streustrahlung, durch die das Licht einer Spektrallinie auf mehrere benachbarte Licht - Sensoren des Spektrometers trifft. Mit diesem geringen Auflösungsvermögen scheint das Gerät für die Element - Analyse von Proben, die mehrere chemische Elemente enthalten, anhand von deren Spektrallinien kaum geeignet. Vielleicht ist es aber einsetzbar für die Identifizierung von Elementen nach deren chromatographischer Trennung voneinander nach einem Probenaufschluss. Möglich sind vielleicht auch Analysen von Proben auf Elemente der Seltenen Erden mittels deren Absorptions-, Fluoreszenz- oder Reflektionsspektren, die Banden größerer Breiten zeigen als die Breiten von Spektrallinien und daher auch mit Spektrometern geringer Wellenlänge - Auflösung sinnvoll registrierbar sind.

 

"Black Comet"

 

Bezüglich Preis und Leistungsfähigkeit "LabJunior" deutlich überlegen ist das Spektrometer "Black Comet" der Firma StellarNet.

 

 

Selbstbau - Spektrometer


 

Die Hobby - Elektronik - Vereinigung "Arbeitskreis Amateurfunk und Telekommunikation in der Schule (AATIS)" bietet einen Spektrometer - Bausatz an, erheblich unter dem Preis - Niveau kommerzieller Fertiggeräte [1]. Wegen des modularen Aufbaus kann die Optik und damit die Wellenlänge - Auflösung einem Einsatzzweck angepasst werden. Im Lieferumfang ist ein Gitter als Wellenlänge - Zerleger enthalten, das eine Überlagerung von Spektren der einzelnen Beugungsordnungen mit sich bringt und damit die Gefahr der Fehlinterpretation eines Spektrums. Das Herausrechnen solcher Überlagerungen wird mit zunehmender Komplexität eines Spektrums immer komplizierter. Als Alternative kann das Licht einer Quelle durch ein Prisma zerlegt werden, bei dem nur noch störende, aber einfacher zu erkennende Reflektionen an den Prisma - Wänden auftreten können.

Die U. S. - Lehrmittelfirma Pasco bietet fertig konfektionierte Bauteile zur Selbstherstellung von Spektrometern an, bei denen ein Einzeldetektor mechanisch über das von einer Optik erzeugte Spektrum - Bild hinweg bewegt wird [15].

Zum Selbstbau von Array - Spektrometern, siehe oben, sind Photodioden - Zeilen mit einigen 100 bis einigen 1000 Licht - registrierenden Einzelelementen und zugehöriger Software zur Spektrogramm - Erstellung erhältlich [18].

 

 

Untergrund - Kompensation


 

Elektronische Licht - Sensoren, die in Spektrographen mit Digital - Kameras oder in Spektrometern die Strahlungsverteilung innerhalb eines Spektrums registrieren, geben elektrische Signale aus auch ohne Licht - Einfall (Dunkelspektrum). Ein solches Signal wird Dunkelstrom genannt. Bei Sensor - Modulen, die aus vielen nebeneinander angeordneten Einzelsensoren bestehen, variieren deren lichtelektrische Eigenschaften innerhalb eines einzelnen Moduls (Zum Beispiel Photodioden - Zeile oder Digitalkamera - Sensor). Die zeitlichen Mittelwerte der Dunkelströme der Einzelsensoren eines Moduls sind daher ebenfalls unterschiedlich. Innerhalb eines Einzelsensors wird der Elektronen - Fluss durch die Wärme - bedingten (thermischen) Bewegungen der Atome der Sensor - Materialien gebremst. Da diese Atom - Bewegungen auch bei gleich gehaltener Sensor - Temperatur bezüglich Richtung und Stärke mit der Zeit schwanken, ist auch der Dunkelstrom eines jeden Einzelsensors über die Zeit hinweg variabel. Die unterschiedlichen Licht - Empfindlichkeiten von Einzelsensoren eines Sensor - Moduls und die zeitlichen Variationen der Dunkelströme der Einzelsensoren bewirken, dass auch bei homogenem Licht - Einfall auf die gesamte Sensor - Modul - Fläche oder bei absoluter Dunkelheit das Sensor - Modul der Digitalkamera eines Spektrographen ein Bild erzeugt, das eine wie zufällig verstreut erscheinende Verteilung hellerer und dunklerer Bild - Partien zeigt. Das durch die Individualität der Einzelsensoren verursachte Bild - Muster ist über die Bild - Fläche und über die Zeit hinweg ortsfest. Die durch die Wärme - Bewegungen der Atome im Sensor - Material bewirkte Dunkelstrom - Variation macht sich dagegen unabhängig von der örtlichen Lage eines Einzelsensors auf einem Modul nur in der Zeit - Dimension bemerkbar, zum Beispiel beim Vergleich zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommener Spektren. Bei einem Spektrometer mit einer Licht - Sensoren - Zeile, einem Array, der ein Spektrum in Form eines Diagramms (Spektrogramms) ausgibt, zeigt ein Dunkelspektrogramm durch die Individualitätsunterschiede der Einzelsensoren bedingt eine entlang der Wellenlänge - Skala auf und ab schwingende Spektrogramm - Kurve, die einem von Spektrallinien einer Analysenprobe erzeugten Peak - Muster ähnlich sein kann. Auch hier zeigen in zeitlichen Abständen aufgenommene Dunkelspektrogramme zusätzliche Variationen der Spektrogramm - Kurven, verursacht durch die thermisch bedingten Dunkelstrom - Variationen. Entsprechendes gilt natürlich auch für aus Spektren - Photos gewonnene Spektrogramme [6]. Die Variabilität der elektrischen Ströme zwischen Einzelsensoren und mit der Zeit und das dadurch verursachte Auf und Ab in einem Dunkelspektrogramm oder in dessen Anteil an einem Probenspektrum wird als Untergrund - oder Hintergrund (Englisch: Background) - Rauschen (Englisch: Noise) bezeichnet. Technisch können Dunkelstrom und thermisches Rauschen durch Kühlung eines Halbleiter - Licht - Sensors verringert werden. Stärke und Wärme - bedingte zeitliche Variabilität des durch einen solchen Sensor fließenden elektrischen Stroms nehmen in der Regel ab mit abnehmender Sensor - Temperatur.

Sind die durch Inhaltsstoffe einer Analysenprobe erzeugten Peaks in einem Spektrogramm etwa gleich hoch wie Rauschpeaks, sind beide Peak - Arten kaum voneinander zu unterscheiden. Je niedriger die Rauschpeaks in einem Probenspektrum sind, desto deutlicher heben sich auch schwache Probeninhaltsstoff - Peaks vom Rauschuntergrund ab, was einer Steigerung der Analysenempfindlichkeit gleichkommt. Da der durch die Individualität der Einzelsensoren eines Licht - Sensor - Moduls bedingte Anteil am Rauschpeak - Muster bei jeder Aufnahme eines Spektrums annähernd gleich ist, wenn die Temperatur des Moduls konstant gehalten wird, kann dieser Anteil am Rauschuntergrund eines Probenspektrums entfernt werden durch mathematische Subtraktion des mittleren Dunkelstroms eines jeden Einzelsensors, ermittelt anhand einer Dunkelspektrum - Aufnahme, vom durch ein Probenspektrum erzeugten Strom ebenfalls eines jeden Einzelsensors. Eine solche für jeden Einzelsensor durchzuführende Subtraktion kann bei kommerziellen Spektrometern per Software automatisch erledigt werden. Alternativ können auch, wie oben am Beispiel des "Lab.Junior" ausgeführt, die von einem Spektrometer gelieferten numerischen Messwerte in die Spalten einer Tabellenkalkulation - Software kopiert und dort rechnerisch bearbeitet werden, siehe unten.

Ohne eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der Sensor - Elektronik, also ohne einen Thermostaten, muss bei einem Spektrometer nach dessen Inbetriebnahme so lange gewartet werden, bis die durch den Betriebsstrom des Gerätes erzeugte Wärme - Entwicklung im Gleichgewicht steht mit der Abstrahlung von Wärme durch das Gerät an seine Umgebung. In einem solchen thermischen Gleichgewicht - Zustand kann von einer annähernden zeitlichen Temperatur - Konstanz der Sensor - Elektronik ausgegangen werden. Hinweise auf derartige einzuhaltende Wartezeiten sind in Betriebsanweisungen zu Spektrometern zu finden. Die allmähliche Annäherung an ein thermisches Gleichgewicht kann durch wiederholte Aufnahme eines Dunkelspektrums nach Einschalten eines Spektrometers verfolgt werden. Mit Verlangsamung der Temperatur - Zunahme bewegt sich (driftet) auch die Dunkelspektrum - Kurve langsam zu einer Endposition im Spektrum - Diagramm hin. Erst nach Erreichen dieses Endzustandes bringt die Subtraktion eines Dunkelspektrums von einem Probenspektrum eine weitgehende Unterdrückung des Rauschanteils, der durch die Streuung der elektronischen Eigenschaften der Einzelsensoren bestimmt wird.

Fehlt die Zeit zum Abwarten der selbstständigen Einstellung einer konstanten Temperatur des Sensor - Moduls, kann die Subtraktion eines Dunkelspektrums von einem Probenspektrum auch versucht werden wie nachfolgend beschrieben. Es sei die Aufnahme eines Dunkelspektrums angenommen und einige Zeit später die Aufnahme eines Probenspektrums, jeweils mit gleicher Belichtungszeit. In der Zwischenzeit soll wegen Temperatur - Drift der Dunkelstrom eines jeden Einzelsensors zugenommen haben, so dass im Spektrogramm der Analysenprobe der Dunkelstrom - Untergrund höher ist als im Dunkelspektrogramm. Zudem seien Licht - Sensoren angenommen, bei denen bei gleicher Temperatur - Steigerung der Dunkelstrom eines Einzelsensors um so stärker zunimmt, je höher der Dunkelstrom bereits vor dem Temperatur - Anstieg war, also ein der Ausgangsbasis proportionaler Strom - Anstieg stattfindet. Um nun die Dunkelströme bei der Dunkelspektrum - Aufnahme auf die Dunkelstrom - Niveaus bei der Probenspektrum - Aufnahme umzurechnen wird jeder vom Spektrometer für das Dunkelspektrum registrierte Wert des Signals eines Einzelsensors mit dem gleichen Faktor multipliziert. Der Faktor wird so gewählt, dass die umgerechneten Werte aus der Dunkelspektrum - Aufnahme eine Kurve im Probenspektrogramm ergeben, die sich bestmöglich mit der Basis der Probenspektrogramm - Kurve deckt. Danach können die umgerechneten Dunkelspektrum - Signal - Werte von den Signal - Werten des Probenspektrums subtrahiert werden.

Wird ein Dunkelspektrum unmittelbar vor einem Probenspektrum aufgenommen, sollte anhand eines provisorischen Spektrogramms mit beiden Spektrum - Kurven geprüft werden, ob die durch allmähliche Zunahme der Spektrometer - Temperatur verursachte Drift der Dunkelströme zwischen beiden Aufnahmen geringer ist als die durch die thermische Atom - Bewegung in den Sensor - Halbleitern verursachte Dunkelstrom - Schwankung. In diesem Fall genügt es, die Dunkelspektrum - Signale ohne Zeit - Drift - Korrektur von den Probenspektrum - Signalen zu subtrahieren. Dann kann es auch vorkommen, dass bei Einzelsensoren, die Licht an den Stellen in einem Probenspektrum registrieren, an denen nur der Dunkelstrom - Untergrund erscheint, dieser Untergrund im Probenspektrum kleiner ist als im Dunkelspektrum. An solchen Stellen ergibt die Subtraktion der Dunkelstrom - Signale der Dunkelspektrum - Aufnahme von den Probenspektrum - Signalen negative Zahlen. Solche sind deswegen möglich, weil es sich dabei um Licht - Intensität - Differenz - Werte handelt und nicht mehr um Licht - Intensität - Werte des primär aufgenommenen Spektrogramms. Die Licht - Intensität für einen Inhaltsstoff - Peak im Differenz - Werte - Spektrogramm einer Analysenprobe muss aus der Differenz der vom Licht - Sensor gemessenen Signal - Intensitäten, einmal am Peak - Gipfel und einmal an dessen Basis, ermittelt werden. Dieses Peak - Netto - Signal ist dann immer positiv, wenn es mathematisch als Betrag genommen wird, auch wenn die Peak - Basis, also der Rauschen - Untergrund im Spektrogramm, negative Werte zeigt.

Bei der Ermittlung der Konzentration eines Inhaltsstoffes in einer Analysenprobe anhand der Höhe eines von ihm verursachten Peaks im Probenspektrogramm kann unter Umständen auf die Subtraktion des Dunkelspektrums vom Probenspektrum verzichtet werden. Hebt sich ein Peak so weit vom Rauschen - Untergrund ab, dass dessen Schwankungen vernachlässigbar klein sind gegenüber der Peak - Höhe, und liegt die Spektrogramm - Kurve beiderseits des Peaks mit Sicherheit auf dem Niveau des Rauschens, kann es genügen, zeichnerisch ein Verbindungskurvenstück zwischen den beiden Peak - Ansatzstellen zu ziehen, das in Höhe des vermuteten Rauschen - Untergrunds entlang des Peaks verläuft. Die Höhendifferenz zwischen Peak - Gipfel und dem konstruierten Untergrund - Teilstück liefert dann die notwendige Information für eine quantitative chemische Analyse. Speziell bei der Auswertung von Absorptionsspektren kann so verfahren werden, wenn Probenspektrum und Spektrum der die Probe beleuchtenden Licht - Quelle in so kurzem Zeit - Abstand aufgenommen werden, dass die Drift des Rauschen - Untergrunds zwischen beiden Aufnahmen vernachlässigbar gering ist. Hierbei dient natürlich die Spektrogramm - Kurve der Licht - Quelle als Bezugslinie bei der Ermittlung einer Peak - Höhe oder - Tiefe, je nach graphischer Form des Spektrogramms.

Auf die oben angegebene Weise wird aus dem Spektrogramm einer Analysenprobe der Dunkelstrom - Untergrund nur näherungsweise entfernt, da vereinfachend angenommen wird, die relativen Unterschiede zwischen den Dunkelströmen der Einzelsensoren eines Sensor - Moduls seien bei den Aufnahmen von Analysenprobe - Spektrum und Dunkelspektrum immer gleich. Dies trifft jedoch nur bei Mittelung der Stromstärken über längere Zeit hinweg und auch dann wieder nur näherungsweise zu. Zum Einen kann es nämlich sein, dass sich die Einzelsensoren nicht nur bezüglich ihrer Licht - Empfindlichkeit bei einer bestimmten Temperatur unterscheiden sondern auch bezüglich der Änderung der Lichtempfindlichkeit bei Änderungen der Temperatur oder der Intensität des einfallenden Lichts. Um auch die beiden letztgenannten Einflüsse bei der Bereinigung eines Probenspektrogramms vom Dunkelstrom - Untergrund und bei der Korrektur einer thermisch bedingten Dunkelstrom - Drift zu berücksichtigen müssten die genannten Abhängigkeiten für jeden Einzelsensor eines Moduls ermittelt werden. Zum Anderen bewirkt die Wärme - Bewegung der Atome in den Sensoren sehr schnelle Schwankungen der Dunkelströme. Alle diese Einflüsse lassen auch nach einer einfachen Untergrund - Korrektur auf die oben beschriebene Art einen Rest - Untergrund bestehen bleiben. Um Diesen durch Berücksichtigung der genannten Einflüsse auch noch zu entfernen wäre ein erheblicher Mess- und Rechenaufwand erforderlich.

Bei Aufnahme eines Probenspektrums mittels Langzeitbelichtung nehmen mit zunehmender Belichtungszeit zwar sowohl der Dunkelstrom - Untergrund als auch das Signal einer von einem Probeninhaltsstoff erzeugten Spektrallinie zu und bleibt das Verhältnis zwischen Dunkelstrom - Signal und Spektralliniensignal gleich. Die absolute Differenz zwischen den beiden Signalen nimmt aber mit der Belichtungszeit zu, was in einem vegrößerten Ausschnitt aus einem Probenspektrogramm eine deutlicheren Heraushebung eines Spektrallinienpeaks über den Untergrund bewirkt. Kann von einer Analysenprobe nur ein Kurzzeit - Spektrum aufgenommen werden, ein solches jedoch unter genau gleichen Bedingungen mehrfach hintereinander, können die Signal - Intensitäten der einzelnen Spektren nach Entfernung des Untergrunds rechnerisch addiert werden, was praktisch einer Langzeitbelichtung gleichkommt.

Das durch unterschiedliche Eigenschaften von Einzelsensoren innerhalb eines Sensor - Moduls bedingte räumliche Dunkelstrom - Muster entfällt bei einem Spektrometer mit nur einem einzigen Einzelsensor, der mechanisch über das Spektrum - Bild einer Analysenprobe hinweg geführt wird. Wie bereits erwähnt ist aber bei einem solchen Spektrometer - Typ im Unterschied zu einem Array - Spektrometer oder zu einem Spektrograph die gleichzeitige Aufnahme aller Partien eines Spektrums natürlich ausgeschlossen. Auch kann sich eine Drift der Eigenschaften der Sensor - Elektronik, siehe oben, innerhalb der Aufnahme - Zeit eines einzelnen Spektrums schon störend bemerkbar machen. Auch bei dieser Art von Spektrometern sollte daher zwischen dem Einschalten und der Aufnahme von Spektren gewartet werden, bis die Drift sich auf ein tolerierbares Maß verringert hat. Alternativ kann auch während des Scan - Vorgangs wiederholt durch Licht - dichte Abdeckung des Sensors der Dunkelstrom für die einzelnen Sensor - Positionen gemessen werden.

 

 

Quellen und Anmerkungen


 

1. Bezugsquelle auf der AATIS - Website: http://www.aatis.de Ausführliche Beschreibung "Das AATIS-Spektrometer AS513" in der Vereinszeitschrift "Praxisheft", Ausgabe 23, S. 122 - 126.
4. Siehe Kapitel "Bibliographie "Arbeitshilfen": Schlagworte C..." → "Chemie" → "UV - VIS - Spektralanalyse".
5. Siehe auf der vorliegenden Site im Inhaltsverzeichnis die Abteilung "Anwendungsbeispiele".
6. Siehe Kapitel "Umsetzung von Spektrenphotos in Spektrogramme".
8. Gitter - und Array - Spektrometer "Lab.Junior". Herstellfirma: Korea Materials and Analysis Corporation (KMAC). Preis im Jahr 2008 etwa 1350 EUR.
9. Busch, K. W. / Busch, M. A.: Multielement detection systems for spectrochemical analysis. John Wiley and Sons: New York ... 1990: Chapter 11 / Solid-state image detectors.
12. Diestelhorst, P.: Spektralanalyse in der Astronomie. Facharbeit aus dem Kollegstufenjahrgang 2006 / 2008 am Luitpold - Gymnasium München. Veröffentlicht im Internet: http://www.scienceandart.de/tumlab/sconference/2008/facharbeiten/diestelhorst_peer_2008_www.pdf
13. Die Firma JETI Technische Instrumente GmbH, Tatzendpromenade 2, 07745 Jena, bietet auf ihrer Site umfangreiche Informationen zu Grundlagen und Anwendungen von Spektrometern: http://www.jeti.com/
14. Flaherty, R. M.: A Comparison of Spectrometers: StellarNet, Inc. vs. the Competition. Veröffentlicht im Internet: http://www.stellarnet-inc.com/public/download/StellarNetFeatures.pdf
15. Firma - Adresse: http://www.pasco.com. Die Spektrometer werden unter den Bezeichnungen "Educational Spectrophotometer" und "Prism Spectrophotometer" geführt. Informationen zu Experimentieren mit diesen Geräten sind in downloadbaren Manuals zu finden: ftp://ftp.pasco.com/Support/Documents/English/OS/OS-8539/Educational%20Spectrophotometer%20kit%20Manual(OS-8539).pdf
16. Das Tabellenkalkulation - Programm "PlanMaker" ist als Version 2006 gratis erhältlich von: http://www.softmakeroffice.de/
17. Graphik gezeichnet nach einem Daten - Blatt der Firma Siemens zum NPN - Phototransistor BPY 62.
18. Photodioden - Zeilen sind zum Beispiel bei folgenden Firmen erhältlich:
  • Fa. L.O.T. Oriel
  • Fa. 3B Scientific

 

Zuletzt aktualisiert am 17.06.2017
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