Was ist UV-VIS-Absorptionsspektroskopie?

Die Absorptionsspektroskopie ist eine weit verbreitete Analysetechnik in der Chemie und den Biowissenschaften zur Identifizierung und Quantifizierung von Substanzen innerhalb einer Probe. Sie basiert auf dem Prinzip, dass Moleküle Licht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren, abhängig von ihrer elektronischen Struktur. Durch die Messung der Lichtmenge, die bei diesen charakteristischen Wellenlängen absorbiert wird, ist es möglich, nicht nur festzustellen, ob eine bestimmte Verbindung vorhanden ist, sondern auch ihre Konzentration mit hoher Genauigkeit zu schätzen.

Eine der am häufigsten verwendeten Formen dieser Technik ist die Ultraviolett-sichtbare (UV-VIS)-Spektroskopie, die Licht im UV-Bereich (typischerweise 200–400 nm) und im sichtbaren Bereich (400–700 nm) nutzt. Die UV-VIS-Spektroskopie wird routinemäßig in Anwendungen wie der pharmazeutischen Qualitätskontrolle, der Umweltüberwachung, biochemischen Assays und der Prüfung der Lebensmittelsicherheit eingesetzt.

Die Einfachheit, Geschwindigkeit und zerstörungsfreie Natur der Absorptionsspektroskopie machen sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug sowohl in der Forschung als auch in industriellen Umgebungen. Mit der richtigen Kalibrierung und Probenvorbereitung kann sie präzise quantitative Daten liefern, oft bis hinunter zu mikromolaren oder nanomolaren Konzentrationen, so dass Wissenschaftler und Ingenieure chemische Prozesse überwachen, Verunreinigungen erkennen und Produktformulierungen mit Zuversicht validieren können.

Es gibt viele verschiedene Ansätze zur Messung von Absorptionsspektren in der Spektralphotometrie. Der gebräuchlichste ist, einen Lichtstrahl auf eine Probe zu richten und die Intensität der Strahlung zu messen, die durch sie hindurchgeht. Die Absorption ist definiert als das Negative des Logarithmus (Basis 10) der relativen Transmission. Eine 10%ige Transmission entspricht einer Absorption von 1 Absorptionseinheit (AE) und eine Transmission von 1% entspricht 2 AE.

Insbesondere für die UV-VIS-Spektroskopie ist es üblich, die Konzentration eines bestimmten Moleküls aus der gemessenen Absorption mit dem Beer-Lambert-Gesetz zu berechnen.

Der UV-Detektor in einem Spektralphotometer für die Absorptionsspektroskopie kann auf drei grundlegend verschiedene Arten implementiert werden.

• Detektor mit fester Wellenlänge
• Durchstimmbarer Wellenlängen-Detektor
• Vollspektrum Detektor

Nachfolgend können Sie detailliertere Beschreibungen der einzelnen Punkte lesen.

Ein Festwellenlängen-Detektor besteht aus einem optischen Bandpassfilter, das eine bestimmte Wellenlänge (z. B. 254 nm) zu einem Silizium-Photo-Detektor durchlässt. Alle anderen Wellenlängen als die Filterwellenlänge werden blockiert. Die Hauptvorteile dieser Lösung sind ihre Einfachheit, Robustheit und relativ geringe Kosten. Der Hauptnachteil ist, dass die Wellenlänge fest ist und man nur bei einer bestimmten Wellenlänge gleichzeitig analysieren kann. Das bedeutet, dass diese Art von Lösung am besten für Systeme geeignet ist, bei denen man immer wieder die gleiche Analyse am gleichen Material durchführt – wie in einer Produktionsanlage in einer Fabrik. Einige Systeme ermöglichen es, den Filter manuell auszutauschen oder mehrere Filter im UV-Detektor einzubauen. In jedem Fall ist man immer noch auf einen festen Satz von Analysewellenlängen beschränkt. Aus diesem Grund kann es schwierig sein, Fehler zu beheben, wenn etwas schief geht – z. B. wenn Ihre Probe verunreinigt ist und es bei einer anderen Wellenlänge als der, bei der Sie messen, zu einer Absorption kommt.

In einem abstimmbaren Wellenlängendetektor ist das Filterelement ein sogenannter Gittermonochromator, der (durch die Instrumentensteuerungssoftware) so eingestellt werden kann, dass er die Wellenlänge auswählt, die Sie für die Analyse verwenden möchten. Der Vorteil dabei ist natürlich, dass Sie jede beliebige Analysewellenlänge frei wählen können. Wie beim Festwellenlängenfilter oben kann es jedoch schwierig sein, Fehler zu beheben, wenn Sie nur Daten bei einer Wellenlänge haben.

Der Gittermonochromator kann auch verwendet werden, um den gesamten Wellenlängenbereich für jede Messung zu scannen. Das bedeutet, dass Sie viele Daten haben, die zur Fehlersuche oder zur Analyse komplexerer Absorptionsspektren mit vielen Peaks bei verschiedenen Wellenlängen verwendet werden können. Das Scannen ist jedoch relativ langsam – ein vollständiger Scan dauert oft etwa 1 Minute. Daher ist dies oft keine praktikable Methode für zeitkritische Experimente.

Gitter-Monochromatoren können einen großen Absorptionsbereich bieten – sogar bis zu 5 AU für die fortschrittlicheren Modelle.

Abschließend ist zu erwähnen, dass Monochromatoren bewegliche Teile im Inneren des Detektors haben, die mit der Zeit verschleißen können.

Ein Spektrometer mit einem Detektor-Array erfasst die Absorption bei allen Wellenlängen im Spektrum gleichzeitig. Diese Art der Analyse ist somit vielseitiger als die beiden anderen Methoden, da Sie immer Absorptionsdaten bei allen Wellenlängen in einem “Schuss” erhalten. Typischerweise kann ein volles Spektrum in wenigen Millisekunden erfasst werden. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie Ihr Instrument für viele verschiedene Proben verwenden – wie bei der Entwicklung neuer Pharmazeutika oder für die Online-Prozesskontrolle in der Fertigung. Selbst wenn Sie nur an der Absorption bei einer Wellenlänge interessiert sind, wird Ihnen der Zugriff auf das gesamte Spektrum die Fehlersuche erheblich erleichtern, falls etwas schief geht.

Ein Spektrometer mit einem Dioden-Array ist ebenfalls robust und kompakt, da es keine beweglichen Teile enthält.

Verglichen mit Filtern und Monochromatoren ist der Hauptnachteil von Spektrometern mit Dioden-Arrays und festen Transmissionsgitter, dass sie typischerweise nur Absorptionswerte bis zu 2,5 – 3 AU messen können.