Grundlagen optischer Messmethoden

  • PhotometerPhotometer

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. Analytische Verfahren, die die Veränderung dieser Strahlung beim Auftreffen oder Durchdringen einer Probe als Messgröße verwenden, fasst man als spektroskopische Verfahren zusammen. Verwenden diese Verfahren Strahlung aus dem für den Menschen sichtbaren (Vis, für „visible“) und den angrenzenden Bereichen (ultraviolett, UV und Infrarot, IR), spricht man von optischen Verfahren.
Licht bewegt sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit c. In allen anderen Medien ist die Geschwindigkeit geringer. Refraktometer bestimmen eine substanzspezifische Konstante, den Refraktionsindex, aus dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und im zu bestimmenden Medium. Die Polarimetrie verwendet die Eigenschaft bestimmter Substanzen die Schwingungsebene von polarisiertem Licht zu drehen. Beim Durchgang durch die zu messende Substanz bei bekannter Schichtdicke, wird die Ebene des polarisierten Lichtstrahls um einen für die Substanz spezifischen Winkel gedreht.
Eines der am meisten verwendeten optischen Analyseverfahren ist jedoch die Photometrie, die den Bereich von etwa 190 nm bis 1100 nm Wellenlänge nutzt.

Photometrie
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 mit einer bekannten Schichtdicke, die sogenannte Transmission T.

T% = 1/10 x 100 %

Die Absorption oder Extinktion (E) ist die Abnahme der Lichtintensität:

Eλ = - log (T)

Die Extinktion Eλ (Absorbanz des Materials für Licht der Wellenlänge λ) ist durch das Lambert-Beer'sche Gesetz gegeben.
Steht die Färbung einer flüssigen Probe (ausschließlich) in direktem Zusammenhang mit der Konzentration einer gesuchten Substanz, kann die Konzentration direkt aus der Trübung bestimmt werden. Zumeist wird die Veränderung der Intensität des Lichtes aber durch die sichtbare Färbung einer Flüssigkeit verursacht, die in stöchiometrischer Abhängigkeit von der Konzentration der zu messenden Substanz durch eine chemische Reaktion entsteht.

Hier besteht auch ein direkter Bezug zu vielen Titrationsverfahren, die das gleiche Messprinzip und einen vergleichbaren Messaufbau aufweisen.

Messaufbau
Eine Lampe 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. 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.
Wie auch bei der pH-Messung, der Viskosimetrie und, bei der Verwendung von Licht zur Messung auch der Titration, ist Glas das Herzstück der Technologie. Ohne besonders hochwertige Gläser und ein seltenes spezielles Know-How in der Glas Be- und Verarbeitung ist die Entwicklung von hochwertigen Geräten in diesem Bereich unmöglich.

Konzentration
Die Konzentration einer zu messenden Substanz wird anhand einer Kalibrierungskurve bestimmt. Diese wird durch die Messung einer Verdünnungsreihe aus einem Standard der zu messenden Substanz mit bekannter Konzentration erstellt. Moderne Photometer errechnen aus den einzelnen Messungen einer Verdünnungsreihe die Kalibrierkurve und geben dann die Konzentration der Probe automatisch an.

Absorptionsmaxima
Viele Substanzen absorbieren Licht. In welchem Wellenlängenbereichen sie besonders stark absorbieren, kann mit dem Photometer bestimmt werden. Der gesamte Spektralbereich, den das Gerät ermöglicht, wird gescannt, wobei ein oder mehrere Maxima identifiziert werden. Bei diesen Maxima liegt die optimale Messwellenlänge für eine Konzentrationsbestimmung.

Multiwellenlängen- und Mehrfach­messungen
Aus der Möglichkeit, mehrere Messungen miteinander zu verrechnen, ergeben sich Möglichkeiten zu komplexeren analytischen Aufgaben. Es wird die Veränderungen der optischen Eigenschaften über die Zeit oder über verschiedene Wellenlängen bestimmt. So kann man aus einer Reihe von Konzentrationsmessungen die Umsatzraten einer Reaktion in Abhängigkeit von der Temperatur oder zugeführten Substanzen bestimmen.

Reagenzienfrei
Neben den Methoden, die durch eine chemische Reaktion einen konzentrationsabhängigen Farbwechsel erzeugen, der dann gemessen werden kann, können viele Substanzen auch ohne Farbreaktion gemessen werden, wenn sie im durch das Photometer genutzten Wellenlängenbereich Licht absorbieren. Die photometrische Messung der RNA-, DNA- und Proteinkonzentration sind Beispiele für solche Messungen. In Kläranlagen werden schon seit rund zehn Jahren optische Sensoren eingesetzt, die durch direkte spektrale Messungen den Summenparameter „Chemischer Sauerstoffbedarf“ (CSB) ermitteln.
Diese Technologie ermöglicht auch im Labor unter bestimmten Voraussetzungen die schnelle und direkte, reagenzienfreie und somit umweltfreundliche Messung von CSB, Nitrat- und Nitritgehalt ohne Aufschlussverfahren. Bereits die üblichen chemischen Farbreaktionen für die Photometrie verwenden zum Teil giftige und umweltschädliche Substanzen. Eine Reduktion der Verwendung solcher Chemikalien wäre also wünschenswert. Bei wichtigen Summenparametern, die in Kläranlagen ständig ermittelt werden müssen, wie dem CSB, kommen aufwändige Aufschlussverfahren hinzu, die ohne entsprechend ausgestattete Labore nicht durchführbar sind. Das schließt eine systematische flächendeckende Messung dieser Parameter, zum Beispiel in der Umweltanalytik, aus.
Ausblick
Mit einer solchen Methode ist es möglich, organische Verunreinigungen und deren Ursachen schnell, preiswert und eindeutig ausfindig zu machen. So könnten Schadstoffe, die durch Schäden in Abwasserleitungen, durch Unfälle oder durch Überdüngung in der Landwirtschaft in Oberflächen-, Grund- und Trinkwasser gelangen, ausfindig gemacht werden.

Weitere Artikel dieser Reihe zu Titration, elektrochemischen Messungen und Viskosimetrie finden Sie hier zum Download.

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