Elektromagnetische Strahlung für die Analyse von Proben – die Bedeutung von Photometrie für die Analytik

Photometrie Kompendium: Eine Einführung

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  • Abb.1: Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung, © Horst Frank / Phrood / Anony
  • Abb.2: Schematischer Aufbau eines Photometers und Berechnung der Transmission

Elektromagnetische Strahlung wird in verschiedenen Variationen in der Analytik genutzt. Oft werden diese Methoden unter dem Begriff „Spektroskopie“ zusammengefasst. Was alle gemeinsam haben ist, dass die Veränderung der Strahlung nach dem Auftreffen auf die Probe zur Analyse verwendet wird. Eine der bedeutendsten Methoden in der Analytik ist die Photometrie.

Wie funktioniert die Photometrie in der Praxis?

Wie viele andere spektroskopische Methoden auch, nutzt die Photometrie die Abnahme der Intensität des eingestrahlten Lichts im Vergleich zu der Intensität nach dem Durchgang durch eine Probe, die sogenannte Transmission T. Da die Photometrie überwiegend im sichtbaren Bereich und den eng daran angrenzenden Frequenzbereichen stattfindet, nutzt sie die Veränderung der Intensität des eingestrahlten Lichtes, meist durch die sichtbare Färbung einer Flüssigkeit.

Wenn eine solche Färbung in direktem Zusammenhang mit der Konzentration einer gesuchten Substanz steht, kann man aus der Abnahme der Intensität über eine bekannte Wegstrecke (Schichtdicke) die Konzentration dieser Substanz ermitteln. Die Färbung kann entweder eine Eigenschaft der Probe sein, wie beispielsweise in der Routineanalytik bei der Qualitätsbewertung und -kontrolle von Wein, bei der die Farbe des Weines selbst dazu herangezogen wird.

Aber auch eine Farbreaktion, die konzentrationsabhängig durch eine gesuchte Substanz die Färbung erzeugt, wird sehr häufig eingesetzt. Solche Testansätze sind für hunderte verschiedene Substanzen in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen und verschiedenen Darreichungsformen verfügbar. Manche UV-VIS photometrische Methoden nutzen aber auch die Absorption von Licht im nicht sichtbaren Bereich, wie bei der Konzentrationsmessung von DNA, die bei 260 nm absorbiert, oder von Proteinen, die bei 280 nm gemessen werden.

Welche Technologie wird bei der Photometrie verwendet?

Eine Lampe (Wolfram- und Halogenlampen für den sichtbaren Bereich, Deuterium- und Quecksilberlampen für den UV-Bereich, seit einigen Jahren vermehrt auch LEDs) erzeugt polychromatisches Licht. Durch eine Blende fällt dieses auf einen Monochromator (z. B. Prisma oder optisches Gitter) und wird durch eine weitere Blende durch eine Messküvette mit der zu messenden Flüssigkeit geleitet. Die Strecke, die das Licht durch die Probe zurücklegt, ist durch die Abmessungen der Messküvette bekannt. Nach der Probe fällt das verbliebene Licht auf einen Detektor, der die Intensität des Lichtes bestimmt und mit der ursprünglich abgestrahlten Intensität vergleicht.

Das Ergebnis ist die sogenannte Extinktion, die Verringerung der Lichtintensität durch die Probe. Solche Einstrahlphotometer haben den prinzipiellen Nachteil, dass sich die Leuchtkraft der Lampe und die Empfindlichkeit des Detektors über die Zeit verändern, was Messungenauigkeiten bewirkt und eine häufige Kalibrierung erfordert. Bei Zweistrahlphotometern wird über einen Spiegel das Licht entweder abwechselnd durch die Probe und durch eine Referenz ohne Farbreaktion geschickt, oder durch einen halbdurchlässigen Spiegel wird ein bekannter Teil des Lichtes durch einen zweiten Strahlengang abgeleitet. Jeder der beiden Strahlen fällt auf jeweils einen Detektor. So können Schwankungen der Lichtintensität kompensiert werden – nicht jedoch die Veränderungen der Detektoren. Diese können nur ausgeschlossen werden, indem man einen einzigen Detektor verwendet, auf den die beiden Strahlen abwechselnd geleitet werden.

Für welche Anwendungen ist die Photometrie geeignet?

Die Fülle an Anwendungen für moderne Spektralphotometer ist riesig. Schon die Anzahl und Formenvielfalt an erhältlichen Testansätzen für Konzentrationsbestimmungen verschiedenster Analyten und der Konzentrationsbereich, den die verfügbare Chemie abdecken kann, ist groß. Hinzu kommen eine Reihe von Anwendungen, die entweder eine Veränderung der Konzentrationsverhältnisse über einen Zeitraum oder über die Veränderung anderer Versuchsparameter durch Mehrfachmessungen bei einer oder mehreren verschiedenen Wellenlängen messen. Hinzu kommen die schon erwähnten Anwendungen, in denen optische Eigenschaften der zu bestimmenden Substanzen direkt verwendet werden.

Auch die Bandbreite an Industrien, in denen die Photometrie benötigt wird, ist groß. Der klassische Anwendungsbereich, das chemische oder biologische analytische Labor spielt dabei heute nur noch eine von mehreren Rollen. Direkte Bedeutung für den Menschen hat die Photometrie zum Beispiel in der Qualitätssicherung der Trinkwasserversorgung und Lebensmittelindustrie. Gleichermaßen von Bedeutung für alle ist die Umweltanalytik und die Prozesskontrolle in Kläranlagen. Photometer finden Anwendung in der Routineanalytik in Gewässern durch Umweltschutz und Fischerei, der Farbmessung in der Druck- und Farbindustrie, der Farbtonbestimmung von Wein oder der Feldanalytik in der Geologie, Pharmazeutik, Medizin und, und, und....

Welchen Stellenwert hat die Photometrie in der Analytik?

Die Photometrie ist eine der bedeutendsten Methoden der Analytik und jeder Mensch in Deutschland hat zumindest indirekt mit dieser Technik zu tun. Trotz der im Prinzip einfachen Technik gibt es vieles, was man wissen muss, will man gute Ergebnisse mit dem Photometer erzielen. Das Gemeinschaftsprojekt „www.photometrie-kompendium.de“ des Wiley-VCH Verlags und der WTW wird in dieser Ausgabe der GIT Labor-Fachzeitschrift und auf der Microsite unter dieser Adresse gestartet und wird den Anwendern einen umfassenden Einblick in die Photometrie geben. Klare Handlungsanleitungen, Tipps zur Anwendung, die häufigsten Fehlerquellen und vieles mehr werden wir in der GIT Labor-Fachzeitschrift ansprechen, in Videos veranschaulichen und mit Hintergrundinformationen untermauern. Besuchen Sie unsere Microsite und versäumen Sie nicht die nächsten Hefte der GIT.

 

Das Spektrum – die Gesamtheit elektromagnetischer Wellen verschiedener Wellenlängen

Als das „Spektrum“ wird die Gesamtheit der elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen bezeichnet. Historisch bedingt ist das Spektrum willkürlich in Bereiche untergliedert worden. Diese umfassen meist Wellenlängenbereiche über mehrere Größenordnungen. Ordnet man die Strahlung nach zunehmender Frequenz bzw. abnehmender Wellenlänge, beginnt das Spektrum bei den viele tausend Kilometer langen Wellen, den Niederfrequenzwellen.
Daran schließen sich die Radiowellen mit der Langwelle ab 10 km Wellenlänge und 30 kHz an. Auf die Ultrakurzwelle (UKW), die bis 10 m und 300 MHz reicht, folgen die Mikrowellen bis 1 mm und 30 GHz. Nach den Terahertzbereich folgt die Infrarot bzw. Wärmestrahlung (bis 3,0 µm und 385 THz) und das für das menschliche Auge sichtbare Licht:

  • Rot (640 - 780 nm, 384 - 468 THz),
  • Orange (600 - 640 nm, 468 - 500 THz),
  • Gelb (570 -600 nm, 500 - 526 THz),
  • Grün (490 – 570 nm, 526 - 612 THz),
  • Blau (430 - 490 nm, 612 - 697 THz), und
  • Violett (380 - 430 nm, 697 - 789 THz).

Darauf folgt die UV-Strahlung bis 50 nm und 300 PHz, die Röntgenstrahlung bis 1 nm und 30 EHz und die Gammastrahlung bis 10 pm und 30 EHz.
In der Analytik werden die Frequenzbereiche von der Terahertzspektroskopie bis  zur Mößbauerspektroskopie (Zetahertzbereich, Gammastrahlung) genutzt. Auf die Infrarotspektroskopie, über Raman- und die NIR-Spektroskopie, folgt die Colorimetrie und die Photometrie, im sichtbaren Bereich des Lichtes, im Spektrum von 190 nm bis 1100 nm (UV-VIS bis nahen IR).

Auf diesen Bereich bezieht sich das „Photometrie-Kompendium“, ein crossmediales Projekt der GIT Labor-Fachzeitschrift und der WTW (Wissenschaftlich-Technische Werkstätten) einem Hersteller von Photometriegeräten. Gemeinsam haben wir uns zum Ziel gesetzt, alle Informationen zusammenzufassen, die man benötigt, um diese Technologie effektiv anzuwenden.

 

Dieser Artikel ist Zusatzmaterial für Folge 1 des Photometrie-Kompendium.

 

Alle Materialien zur Folge 1 finden Sie hier.

 

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Xylem Analytics Germany Sales GmbH & Co., WTW
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