Was ist Nahinfrarot-Spektroskopie?
 

Die Infrarotstrahlung (IR) wurde erstmals im Jahr 1800 von Friedrich Wilhelm Herschel nachgewiesen. Er wollte wissen, ob es eine bestimmte Farbe des Lichts gibt, die sich mit der Wärme des Sonnenlichts in Verbindung bringen lässt. Herschel benutzte ein Prisma, um die Farben des Lichts zu trennen, und hielt ein Thermometer als Detektor an die unterschiedlichen Regenbogenfarben bzw. Spektralfarben. Jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums fand er die maximale Wärmeentwicklung. Da kein sichtbares Licht vorhanden war, vermutete Herschel, dass es eine unsichtbare Form von Licht jenseits des roten Bereichs des sichtbaren Spektrums geben muss. Diese für ihn unsichtbare Strahlung nannte er Infrarotstrahlung (IR).

Heute wissen wir, dass sich die Infrarot-Strahlung noch weiter aufteilen lässt. Die Infrarot-Strahlung setzt sich aus mehreren sogenannten Spektralbereichen zusammen. Um die unterschiedlichen Spektralbereiche nutzbar zu machen, werden verschiedene Strahlungsquellen und optische Komponenten in einem Spektrometer verbaut.

Einer der vielseitigsten und nützlichsten Typen von IR-Spektrometern ist das Nahinfrarot (NIR)-Spektrometer, das Wellenlängen knapp jenseits des Sichtbaren abdeckt, also von 780 nm bis 2500 nm.

Die Theorie der Molekularspektroskopie

Die Spektroskopie ist eine analytische Technik. Sie nutzt die Wechselwirkung von optischer Energie mit einer Probe zu deren Analyse und Zusammensetzung.

Die erfassten Daten werden in einem Spektrum dargestellt. Das Spektrum ist eine graphische Darstellung erfasster Lichtintensität im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts.

Bei der IR-Spektroskopie absorbieren die Moleküle bestimmte Frequenzen der optischen Energie (Photonen), die die Moleküle von ihrem „Grundzustand" in „angeregte Zustände“ überführen. Diese Zustände erzeugen Schwingungen und Rotationen der Molekülbindungen.

Typischerweise zeigen NIR-Spektren breitere Banden, die aus den sich überlappenden Obertönen und Kombinationsschwingungen entstehen, welche in komplexeren Molekülen vorkommen. Bindungen, die normalerweise in NIR-Spektren „gesehen" werden können, sind H-C, H-O, H-S und H-N. Organische Materialien enthalten häufig diese molekularen H-Bindungen. Aufgrund dieser Tatsache werden biologische und organische Materialien häufig mit NIR-Spektroskopie analysiert.

Allgemeines Spektrometer-Design und optische Komponenten
 

Der Zweck eines Spektrometers besteht darin, die "Lichtmenge" bei verschiedenen Wellenlängen getrennt zu messen, um selektiv "jede Farbe des Regenbogens“ zu sehen. Jedes Spektrometer besteht aus einigen allgemeinen optischen Komponenten: Eingangs- und Kollimationsoptik (Lichtquelle), Beugungselement (Gitter) und Fokussierungsoptik, um das Spektrum auf den Detektor (Array) zu richten.

 

Lichtquelle: Die Lichtquelle sendet die spezifische Infrarotstrahlung aus. Unterschiedliche Lichtquellen werden für die verschiedenen Spektralbereiche eingesetzt. Für die NIR-Spektroskopie kommt eine Halogenlampe zum Einsatz.

Beugungselement / Gitter:  Um das von der Lichtquelle ausgesendete Licht in die unterschiedlichen Spektralbereiche aufzuspalten, wird eine Art Prisma verwendet. Die Polytec NIR-Spektrometer verwenden ein Gitter, ein sogenanntes Grating. Ein Grating ist ein optisches Element, das elektromagnetische Strahlung entsprechend der Energiedifferenz beugt (aufspaltet). Ein weitverbreiteter Typ ist eine reflektierende Oberfläche mit einer regelmäßigen Anordnung von Linien/Rillen, die in die Oberfläche geätzt sind. Die Anzahl der Linien, das Profil und die Tiefe bestimmen den Spektralbereich, die Effizienz, die Auflösung und die Gesamtleistung. Für ein Liniengitter werden häufig mit einem diamantbestückten Werkzeug Linien in ein Glassubstrat mit einer reflektierenden Beschichtung geschnitten.

Die zweite wichtige Art von Gittern ist das holografische Volumenphasengitter. Holografische Gitter werden durch ein photolithografisches Verfahren hergestellt, in der Regel in einem Matrixmaterial (dichromierte Gelatine), das zwischen transparenten Abdeckungen (Glas) eingeschlossen ist. Die Beugung erfolgt aufgrund einer periodischen Änderung des Brechungsindexes bei konstanter Dicke.

Detektor / Photodiodenzeile: Im Spektrometer wird zur Messung der Lichtintensität als Detektoreinheit eine Photodiodenzeile verwendet. Eine Photodiodenzeile (englisch photodiode array oder diode array) ist ein Halbleiterbauelement. Das Detektorelement besteht aus einer Gruppe linear (zeilenförmig) angeordneter Photodioden sowie Versorgungs- und Ausleseschaltung. Das zum Einsatz kommende Halbleitermaterial dieser Dioden richtet sich nach der spektralen Empfindlichkeit für den geforderten Wellenlängenbereich. Für das Nahinfrarot-Spektrum und den Spektralbereich von 900–2500 nm kommt InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid) oder PbS (Bleisulfid) zum Einsatz.

Spektrometer-Konstruktionen: CzernyTurner (CZ)- und Transmissionsspektrograf (TR)
 

Zwei sehr häufig verwendete Spektrometerdesigns sind der CzernyTurner-Spektrograf, der in der Regel auf einem Reflexionsgitter und Spiegeln basiert, und der Transmissionsspektrograf.

Die größten Probleme bei CZ-Spektrografen sind Streulicht aufgrund von Unvollkommenheiten des Gitters und der geringere Durchsatz des Systems aufgrund des reflektierenden Gitters und der geringeren Reflektivität von Spiegeln im Vergleich zur Transmission von Linsen. Außerdem sind spiegelbasierte Systeme schwerer in der Lage, optische Fehler wie chromatische Aberration oder Astigmatismus zu kompensieren.

Vorteile des Transmissionsdesigns

Der Hauptvorteil eines auf Transmissionsgittern basierenden Spektrometers ist ein höherer Durchsatz (im Vergleich zu Reflexionsspektrometern). Den größten Beitrag dazu leistet die höhere Beugungseffizienz von volumenphaseholographischen Gittern (VPH). Diese ergibt sich aus der höheren Regelmäßigkeit von VPH-Gittern und der Möglichkeit, die Abdeckungen der VPH-Gitter mit Antireflexbeschichtungen zu versehen. Reflektierende Gitter (und die in einem CZ-Spektrografen verwendeten Spiegel) haben aufgrund von Oberflächenverlusten beim Reflexionsprozess einen geringeren Durchsatz. Bei der Konstruktion von VPH-Gittern gibt es auch mehr Parameter, um das Gitter für den vorgesehenen Wellenlängenbereich zu optimieren. Das Verhältnis zwischen Wirkungsgrad und Wellenlänge ist bei VPH-Gittern recht homogen, während Reflexionsgitter für eine bestimmte Wellenlänge optimiert sind und ihr Wirkungsgrad außerhalb dieser Wellenlänge deutlich abnimmt.