Was ist Nah-Infrarot-Spektroskopie?
Infrarotstrahlung (IR) wurde erstmals im Jahr 1800 von Friedrich Wilhelm Herschel nachgewiesen. Er wollte herausfinden, ob es eine bestimmte Lichtfarbe gab, die mit der Wärme des Sonnenlichts in Zusammenhang stand. Herschel nutzte ein Prisma, um die Lichtfarben zu trennen, und hielt ein Thermometer als Detektor an die verschiedenen Regenbogenfarben bzw. Spektralfarben.
Jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums stellte er die größte Wärmemenge fest. Da dort kein sichtbares Licht vorhanden war, vermutete Herschel, dass es jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums eine unsichtbare Form von Licht geben müsse. Diese für ihn unsichtbare Strahlung nannte er Infrarotstrahlung (IR).
Heute wissen wir, dass sich Infrarotstrahlung noch weiter unterteilen lässt. Infrarotstrahlung setzt sich aus mehreren sogenannten Spektralbereichen zusammen. Um die verschiedenen Spektralbereiche nutzbar zu machen, werden unterschiedliche Strahlungsquellen und optische Komponenten in ein Spektrometer integriert.
Einer der vielseitigsten und nützlichsten Typen von IR-Spektrometern ist das Nah-Infrarot-Spektrometer (NIR-Spektrometer), das Wellenlängen unmittelbar jenseits des sichtbaren Spektrums abdeckt, d. h. von 780 nm bis 2500 nm.
Die Theorie der Molekülspektroskopie
Die Spektroskopie ist ein analytisches Verfahren, das auf der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie beruht, um deren chemische Zusammensetzung und Struktur zu bestimmen
Die gewonnenen Daten werden als Spektrum dargestellt, das als grafische Darstellung der erfassten Intensität elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge definiert ist
In der IR-Spektroskopie absorbieren Moleküle Infrarotstrahlung bei bestimmten Frequenzen, wodurch Übergänge vom Grundzustand in angeregte Schwingungszustände ausgelöst werden. Diese Übergänge stehen im Zusammenhang mit Schwingungsbewegungen molekularer Bindungen, die vorwiegend in zwei Grundmodi auftreten: Dehnungs- und Biegeschwingungen
Typischerweise weisen NIR-Spektren breitere Banden auf, die auf die Überlappung von Harmonischen und Kombinationsschwingungen zurückzuführen sind, die in komplexeren Molekülen auftreten. Bindungen, die in NIR-Spektren in der Regel „erkennbar“ sind, sind H-C-, H-O-, H-S- und H-N-Bindungen. Organische Materialien enthalten häufig diese molekularen Wasserstoffbrückenbindungen. Aus diesem Grund werden biologische und organische Materialien häufig mittels NIR-Spektroskopie analysiert.
Allgemeiner Aufbau des Spektrometers und optische Komponenten
Der Zweck eines Spektrometers besteht darin, die Intensität von Licht (elektromagnetischer Strahlung) über verschiedene Wellenlängen hinweg zu messen, wodurch die einzelnen Bestandteile des Lichts sichtbar gemacht und separat analysiert werden können. Jedes Spektrometer besteht aus einigen wesentlichen optischen Komponenten: Das von einer Quelle (Lichtquelle) emittierte Licht wird zunächst zu einem parallelen Strahl kollimiert (Kollimationsoptik), durchläuft anschließend ein dispersives Element (Beugungsgitter) und wird schließlich durch die Optik auf einen Detektor (Fotodiodenarray) fokussiert.
Lichtquelle: Die Lichtquelle emittiert die spezifische Infrarotstrahlung. Für die verschiedenen Spektralbereiche werden unterschiedliche Lichtquellen verwendet. Für die NIR-Spektroskopie wird eine Halogenlampe verwendet.
Beugungselement / Gitter: Es wird eine Art Prisma verwendet, um das von der Lichtquelle emittierte Licht in die verschiedenen Spektralbereiche aufzuteilen. Die NIR-Spektrometer von Polytec verwenden ein Gitter. Ein Gitter ist ein optisches Element, das elektromagnetische Strahlung entsprechend der Energiedifferenz beugt (aufteilt). Eine gängige Bauart ist eine reflektierende Oberfläche mit einer regelmäßigen Anordnung von Linien bzw. Rillen, die in die Oberfläche eingraviert sind. Die Anzahl der Linien, das Profil und die Tiefe bestimmen den Spektralbereich, den Wirkungsgrad, die Auflösung und die Gesamtleistung. Bei einem Liniengitter werden die Linien häufig mit einem diamantbestückten Werkzeug in ein Glassubstrat mit reflektierender Beschichtung geschnitten.
Der zweite wichtige Gittertyp ist das holografische Volumenphasengitter. Holografische Gitter werden durch ein fotolithografisches Verfahren hergestellt, in der Regel in einem Matrixmaterial (dichromatierte Gelatine), das zwischen transparenten Abdeckungen (Glas) eingebettet ist. Die Beugung entsteht durch eine periodische Änderung des Brechungsindex bei konstanter Dicke.
Detektor / Fotodiodenarray: Im Spektrometer wird ein Fotodiodenarray als Detektoreinheit zur Messung der Lichtintensität verwendet. Ein Fotodiodenarray ist ein Halbleiterbauelement. Das Detektorelement besteht aus einer Gruppe linear angeordneter Fotodioden sowie einer Versorgungs- und Ausleseschaltung. Das für diese Dioden verwendete Halbleitermaterial hängt von der spektralen Empfindlichkeit für den erforderlichen Wellenlängenbereich ab. Für das Nah-Infrarot-Spektrum und den Spektralbereich von 900–2500 nm wird InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid) oder PbS (Bleisulfid) verwendet.
Spektrometer-Bauweisen: Czerny-Turner (CZ) und Transmissionsspektrograph (TR)
Zwei sehr häufig verwendete Konstruktionen von Spektrometern sind der Czerny-Turner-Spektrograph, der in der Regel auf einem reflektierenden Gitter und Spiegeln basiert, sowie der Transmissionsspektrograph.
Die größten Probleme bei CZ-Spektrographen sind Streulicht aufgrund von Unvollkommenheiten des Gitters sowie der geringere Durchsatz des Systems, der auf das reflektierende Gitter und die im Vergleich zur Transmission von Linsen geringere Reflektivität der Spiegel zurückzuführen ist. Darüber hinaus ist es bei spiegelbasierten Systemen schwieriger, optische Fehler wie chromatische Aberration oder Astigmatismus zu kompensieren.
Vorteile des Transmissionsprinzips:
Der Hauptvorteil eines auf Transmissionsgittern basierenden Spektrometers liegt im höheren Durchsatz (im Vergleich zu Reflexionsspektrometern). Den größten Beitrag dazu leistet die höhere Beugungseffizienz von volumephasenholografischen Gittern (VPH). Dies resultiert aus der höheren Regelmäßigkeit von VPH-Gittern und der Möglichkeit, Antireflexbeschichtungen auf die Abdeckungen der VPH-Gitter aufzubringen. Reflexionsgitter (und die in einem CZ-Spektrografen verwendeten Spiegel) weisen aufgrund von Oberflächenverlusten beim Reflexionsvorgang einen geringeren Durchsatz auf. Bei der Auslegung von VPH-Gittern stehen zudem mehr Parameter zur Verfügung, um das Gitter für den vorgesehenen Wellenlängenbereich zu optimieren. Das Verhältnis zwischen Effizienz und Wellenlänge ist bei VPH-Gittern recht homogen, während Reflexionsgitter für eine bestimmte Wellenlänge optimiert sind und ihre Effizienz außerhalb dieser Wellenlänge deutlich abnimmt.
Haben Sie Fragen?
Haben Sie Fragen?
Ob in der Lebensmittelproduktion, der Futtermittelindustrie und der Landwirtschaft oder bei Anwendungen direkt an Erntemaschinen – die NIR-Spektrometer von Polytec liefern zuverlässige Ergebnisse in Echtzeit. Unsere Experten unterstützen Sie dabei, die ideale Konfiguration für Ihren Prozess und Ihre Anwendung zu ermitteln.