Der ultimative Leitfaden zur Spektrometerintegration

Die Auswahl und Integration eines OEM-Spektrometers in ein spektroskopisches Instrument erfordert multidisziplinäre Fachkompetenz in verschiedenen Ingenieurdisziplinen, darunter Optik, Mechanik, Elektronik und Softwareentwicklung. Der Aufbau profunden Fachwissens in all diesen Bereichen kann eine Herausforderung darstellen, wodurch es schwierig wird, zu bewerten, welche Spektrometerlösung sich am besten für Ihre Anwendung eignet. Dieses eBook unterteilt die wichtigsten Designentscheidungen in einfache, umsetzbare Richtlinien, die Ihnen helfen, fundierte Entscheidungen zu treffen und die Entwicklung Ihres Instruments zu beschleunigen.

Die Spektroskopie wird eingesetzt, um die Bestandteile einer Probe zu identifizieren und zu quantifizieren. Dies kann die Anzahl der aktiven
Inhaltsstoffe in einer pharmazeutischen Tablette, der Proteingehalt von geerntetem Getreide oder der Atomgehalt einer Gesteinsprobe auf dem Mars sein.

Es gibt viele verschiedene Techniken für die Spektroskopie, und in diesem Leitfaden beschränken wir uns auf optische Spektrometer, wie sie typischerweise in der Molekularspektroskopie eingesetzt werden. Das bedeutet, dass unser Instrument Licht zur Analyse der Probe nutzt. Der Hauptvorteil der Verwendung von Licht für die Spektroskopie besteht darin, dass sie schnelle (oft Echtzeit-)Ergebnisse liefert, ohne die Probe zu zerstören oder zu beeinträchtigen.

Ein spektroskopisches Instrument erfasst das Spektrum, das von einer Probe emittiert, reflektiert oder durch sie hindurchgelassen wird. Ein Beispiel für ein emittiertes Spektrum ist das Licht, das vom Farbbildschirm Ihres Mobiltelefons ausgeht. Die Farben, die Sie auf dem Bildschirm sehen, werden durch das Mischen von rotem, grünem und blauem Licht aus einer Vielzahl kleiner Lichtquellen im Inneren des Bildschirms erzeugt. Wenn gleiche Mengen an Rot, Grün und Blau vorhanden sind, nimmt unser Auge dies als weißes Licht wahr; wenn wir es jedoch mit einem Spektrometer analysieren, können wir die drei ausgeprägten Wellenlängenpeaks deutlich erkennen.

Ein Spektroskopiegerät enthält im Allgemeinen die in Abbildung 1 im gestrichelten Rahmen dargestellten Grundelemente: Eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Probe, ein Spektrometer zur Aufzeichnung des Spektrums und ein Softwaremodell zur Umwandlung des Spektrums in nützliche Informationen für den Endbenutzer.

Die Auswahl der richtigen Lichtquelle ist ein entscheidender Teil des Instrumentendesigns, obwohl die Anwendung selbst oft die am besten geeignete Wahl vorgibt. In einigen Fällen ist keine Lichtquelle erforderlich, da die Probe selbstleuchtend ist, wie etwa bei Bildschirmen, Lampen oder anderen lichtemittierenden Objekten. Bei anderen Anwendungen kann Umgebungslicht von der Sonne oder der Raumbeleuchtung genutzt werden, wodurch eine integrierte Lichtquelle entfällt – allerdings muss die Messmethode dann robust gegenüber Schwankungen der Lichtintensität und des spektralen Inhalts sein. Wenn eine aktive Beleuchtung erforderlich ist, werden Breitband-Lichtquellen wie Deuterium-, Wolfram-Halogen- oder Xenon-Lampen häufig für Absorptionsmessungen und Anwendungen eingesetzt, die einen breiten Wellenlängenbereich abdecken. Für Messungen, die auf einen engeren Wellenlängenbereich fokussiert sind, bieten LEDs eine kompakte, energieeffiziente und kostengünstige Lösung. Einige Techniken wie Fluoreszenz-, Raman- und laserinduzierte Plasmaspektroskopie erfordern noch schmalbandigere Anregungsquellen, typischerweise LEDs oder Laser.

Zusammen mit der Lichtquelle bestimmt das Spektrometer die optische Leistung Ihres spektroskopischen Instruments. Die Grundfunktion eines Spektrometers besteht darin, die Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge zu erfassen.

Funktionsweise eines Spektrometers

Ein Spektrometer nutzt ein Beugungsgitter, um das einfallende Licht in seine einzelnen Wellenlängen aufzuteilen, und ein Detektor-Array, um die Lichtintensität bei jeder Wellenlänge in elektrische Signale umzuwandeln, die von herkömmlichen Elektronikkomponenten verarbeitet werden können. Darüber hinaus enthält ein Spektrometer typischerweise einen Eintrittsspalt sowie eine Kombination aus Linsen und/oder Spiegeln, die das Licht sammeln, fokussieren und durch das optische System leiten.

Wichtige Parameter bei der Spektrometerspezifikation

Die beiden wichtigsten Parameter bei der Spezifikation eines Spektrometers sind der Wellenlängenbereich und die spektrale Auflösung. Der Wellenlängenbereich bestimmt die für Ihre Anwendung erforderliche Bandbreite des Spektrums – beispielsweise 400–750 nm für Messungen im sichtbaren Licht –, während die spektrale Auflösung festlegt, wie nah beieinander liegende spektrale Merkmale noch unterschieden werden können. Generell ist es wichtig, Spezifikationen auszuwählen, die den Anforderungen Ihrer Anwendung entsprechen, anstatt die Leistung zu überdimensionieren, da unnötig streng gefasste Spezifikationen die Systemkomplexität und die Kosten erhöhen können, ohne zusätzliche Vorteile zu bieten.

Spektrometergröße und -kosten

Kompaktheit ist bei der Geräteentwicklung ein zunehmend wichtiger Aspekt. Dies wird sowohl durch die wachsende Nachfrage nach handheld Geräten, die einfach zu transportieren und zu bedienen sind, als auch durch die Notwendigkeit angetrieben, mehr Ausrüstung auf begrenztem Laborraum unterzubringen. Die Größe eines Spektrometers wird in erster Linie durch die vom Gitter geforderte Dispersion und die physische Länge des Detektorarrays bestimmt.
Die Kosten sind natürlich ein weiterer entscheidender Faktor, da Geräteentwickler die Leistung gegen die Gesamtsystemkosten abwägen müssen. Als Faustregel gilt, dass kleinere Spektrometer mit ungekühlten Detektoren tendenziell kosteneffizienter sind als größere Systeme mit gekühlten Detektoren. Daher ist es wichtig, Spezifikationen zu wählen, die den Anforderungen der Anwendung entsprechen, ohne unnötige Komplexität oder Kosten zu verursachen.

Weitere zu berücksichtigende Parameter

Neben Wellenlängenbereich, Spektrale Auflösung, Größe und Kosten müssen bei der Auswahl eines Spektrometers viele weitere Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem Messgeschwindigkeit, Empfindlichkeit, Robustheit und Umgebungsanforderungen. Laden Sie unser eBook herunter, um mehr zu erfahren.