Spektrometer | Zur Analyse der Lichtintensität

In unserem aktuellen Artikel befassen wir uns mit den neuesten Spektrometer Entwicklungen und Trends sowie deren wachsender Bedeutung in Industrie und Forschung. Erfahren Sie, wie moderne Spektrometer das Spektrum und die Wellenlängen von Licht präziser denn je analysieren und so zu innovativen Anwendungen in verschiedenen Fachbereichen beitragen.

Inhalt

• Spektrometer 2024 – Das Wichtigste in Kürze
• Spektrometer Innovationen
  • NIR-Spektrometer kontrolliert Qualität von Olivenöl
  • Spektrometer mit herausragender ED-RFA-Analytik
  • Ultrahochfeld-Spektrometer zur Spitzenforschung eingeweiht
  • Spektralphotometer zur hochgenauen Farbmessung
  • FT-IR Spektrometer mit Touchpanel – Video
  • Spektrometer misst Unregelmäßigkeiten in der Sonnenaktivität
• Häufige Fragen

Spektrometer 2024 – Das Wichtigste in Kürze

Spektrometer dienen Forschern und Entwicklern als unverzichtbare Messinstrumente in der wissenschaftlichen Analyse. Sie bieten immer präzisere Einblicke in die Zusammensetzung von Materialien bis hin zu neuesten Erkenntnissen in der menschlichen Zellforschung.

Die Trends in der Spektrometrie sind geprägt von fortschrittlichen Detektionstechniken und der Integration von KI für Datenauswertungen. Spektrometer spielen eine entscheidende Rolle in der Erforschung neuer Materialien, in der Umweltanalytik und in der medizinischen Diagnostik. Ihre Fähigkeit, komplexe Spektren zu analysieren, macht sie unverzichtbar für bahnbrechende Forschungen in Bereichen wie der Nanotechnologie, Pharmazie und Biotechnologie. Diese Instrumente liefern wertvolle Daten, die für das Verständnis molekularer Interaktionen und für die Entwicklung neuer Therapien und Technologien unerlässlich sind.

In der industriellen Qualitätssicherung dienen Spektrometer neben der Materialprüfung zu Kontaminationsprüfung in der Lebensmittelindustrie, Farbmetrik in der Textil- und Beschichtungskontrolle, zur Emissionskontrolle von Industrieanlagen oder zur petrochemischen Analyse von z. B. Erdölprodukten.

Spektrometer Innovationen

Nachfolgend stellen wir Ihnen Produktneuheiten und Anwendungsbeispiele aus Industrie und Forschung vor:

NIR-Spektrometer kontrolliert Qualität von Olivenöl

07.02.2024 | Gesetzliche Vorgaben zwingen die Lebensmittelproduzenten zu strengen Qualitätskontrollen. Damit sollen die Verbraucher vor Schadstoffen geschützt und Inhaltsstoffe klar deklariert werden. Nahinfrarot- (NIR) Spektrometer sind hierfür das richtige Werkzeug. Sie gestatten zuverlässige und zerstörungsfreie Messungen unterschiedlichster Inhaltsstoffe direkt in den Fertigungslinien von z. B. Molkereiprodukten und Backwaren, Fleischprodukten, Süßwaren oder Speiseölen.

Die Nahinfrarot-Spektroskopie arbeitet mit Licht zwischen ca. 800 und 2500 nm Wellenlänge. Bei der Absorption von NIR-Strahlung werden Moleküle zu Schwingungen angeregt. Aus den reflektierten Spektren lassen sich Informationen über die molekulare Zusammensetzung ablesen. Diese können dann zur Identifizierung als auch zur Quantifizierung von Substanzen genutzt werden. Die folgende Anwendung verdeutlicht das:

Ölgehalt vor der Pressung bestimmen

Polytec hat Spektrometer in modularer Bauweise im Portfolio, die sich flexibel an die jeweils gegebenen Produkt- bzw. Prozesseigenschaften anpassen lassen. Die NIR-Spektrometer finden ihren Einsatz in vielen Bereichen der Lebensmittelproduktion: Hersteller von Speiseölen nutzen die Technologie, um den Ölgehalt von Ölsaaten und Früchten noch vor der Pressung zu bestimmen. Bei Oliven lassen sich Öl und Säuregehalt direkt nach der Ernte auf dem Förderband bestimmen. Das ist wichtig, weil die Lieferanten je nach Ölgehalt der Oliven bezahlt werden.

Fettsäuregehalt entscheidet über Güteklasse

Nach der ersten Pressung misst ein NIR-Spektrometer den Gehalt an Fettsäure, der über die Güteklasse entscheidet. So darf zum Beispiel bei der höchsten Güteklasse extra vergine der Fettsäuregehalt nicht über 0,8, besser noch unter 0,5 % liegen. Beim Trester lässt sich nach der Pressung der Restölgehalt bestimmen, um zu entscheiden, ob sich eine weitere Verarbeitung mit schlechterer Güteklasse lohnt. So können NIR-Spektrometer dabei helfen, die Effizienz des Pressvorgangs zu erhöhen und die Qualität des erzeugten Speiseöls sicherzustellen und bestenfalls noch zu steigern.

Spektrometer mit herausragender ED-RFA-Analytik

25.01.2024 | Spectro Analytical Instruments präsentiert die neueste Generation des Spektrometers „Spectro Xepos“ als einen weiteren Quantensprung in der energiedispersiven Röntgenfluoreszenz-Analyse (ED-RFA). Es soll herkömmliche ED-RFA-Geräte mit einer Leistung übertreffen, die oft der von wellenlängendispersiven WD-RFA-Geräten entspricht - bei deutlich geringeren Betriebskosten. 

Das neueste Spectro Xepos zeichnet sich durch zahlreiche Verbesserungen aus, darunter:

1. Verbesserte Spektrenentfaltung für höhere Genauigkeit der Screening-Methoden auch bei schwieriger Probe mit komplexem Spektrum.
2. Bis zu 2-fach kürzere Messzeiten als beim Vorgängermodel, jedoch vergleichbar präzise. Für viele Proben ist die vollständige Analyse innerhalb von 1 bis 2 min abgeschlossen.
3. Neues Multilayer-Paket gestattet es dem Spektrometer, die Dicke bis in den Nanometerbereich sowie die Zusammensetzung von bis zu 8 Schichten für bis zu 55 Elemente auf einem Substrat zu analysieren. Als Ergebnis liefert das Gerät eine referenzfreie Analytik, die allein auf festen Reinstproben basiert.

Das neue Spektrometer eignet sich besonders für anspruchsvollen Aufgaben für schnelle Übersichtsanalysen oder präzise Qualitätskontrollen. Anwendungen finden sich u. a. in der Umwelttechnik, Petrochemie und Chemie, Geologie, Nahrungs- und Futtermittelindustrie, Pharmazie.

Vier Modellvarianten bieten eine optimierte Leistung für die jeweils relevanten Elementgruppen in den entsprechenden Matrices.

Ultrahochfeld-Spektrometer zur Spitzenforschung eingeweiht

01.12.2023 | An der Goethe-Universität in Frankfurt wurde ein hochmodernes Kernspinresonanz-Spektrometer (NMR-Spektrometer) mit einer Frequenz von 1,2 Gigahertz in Betrieb genommen, ein Meilenstein in der biomolekularen Forschung.

Bei der Einweihung waren Persönlichkeiten wie Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger und Hessens Finanzminister Michael Boddenberg anwesend. Das Spektrometer, eine Investition von 30 Millionen Euro, finanziert durch Bundesmittel, Land Hessen und die Universität, ist eines der weltweit leistungsfähigsten seiner Art und spezialisiert auf die Untersuchung von Biomolekülen in der Impfstoff-, Krebs- und Alzheimerforschung.

Dieses Spitzengerät eröffnet neue Möglichkeiten in der Erforschung der räumlichen Gestalt von Biomolekülen, insbesondere „intrinsisch ungeordneter Proteine“. Diese Proteine, die mehr als ein Drittel der Proteine in menschlichen Zellen ausmachen, sind entscheidend für die Funktionsweise und Steuerung von Proteinen in der Zelle.

Abweichungen in diesen Proteinen können zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen. Mit innovativer Supraleittechnologie ausgestattet, erzeugt das NMR-Spektrometer ein extrem homogenes Magnetfeld, das 600.000 mal stärker ist als das Erdmagnetfeld und somit präzise Untersuchungen ermöglicht.

Spektralphotometer zur hochgenauen Farbmessung

25.03.2020 | Für eine geringere Ausschussquote in der Fertigung sind die Prozesse permanent zu überwachen. Colorlite hat dafür das Spektralphotometer SPH IPM für die hundertprozentige Farb-Messung entwickelt. Dank der hohen Messstabilität und Genauigkeit können auf aufwendige Laboranalysen entfallen.

Detektiert das kompakte und leistungsfähige Farbmesssystem eine Farbabweichung außerhalb der festgelegten Toleranz, übermittelt es die Information sofort an das Prozessleitsystem. Die Produktion wird dann automatisch gestoppt. Eine Ampel zeigt den Fehler optisch an. Die Kommunikation zum PLS erfolgt über kundenspezifisch angepasste Schnittstellen.

Das Gerät zur Fabmessung ist mit einem 7“ Touchscreen- und Farbdisplay ausgestattet. Dank einfacher und logischer Menüführung sieht der Bediener Messwerte, Auswertung, sowie Status und Alarmhinweise sofort am Display. Auch in rauer Fertigungsumgebung ist die Messtechnik nach IP65 durch das massive Aluminiumgehäuse vor Staub und Wasser geschützt.

Messköpfe für jeden Anwendungsbereich

Zur Reflexionsmessung lässt sich der Messkopf in das Gehäuse integrieren. Dazu kann er extern an eine Messkammer oder Traverse über der Fertigungslinie angebracht werden. Zur Auswahl stehen Messköpfe mit einer nach DIN 5033 genormten 45°/0° oder d/8° Messgeometrien sowie ein d/0° Messkopf bis 80 mm Messfläche. Zur Transmissionsmessung von Licht durchlässigen Produkten wie Folien oder Plexiglas wird eine zusätzliche Lichtquelle installiert. Für Flüssigkeiten und Pulvern ist eine Tauchsonde nach Schutzklasse IP67 anschließbar.

Dank des modularen Aufbaus wird das Farbmesssystem je nach Produkt und Anwendung individuell konfiguriert und ist mit einer Vielzahl von optionalem Zubehör kombinierbar. Beispielsweise kann es mit einer vollautomatischen Kalibriereinheit ausgestattet werden.

FT-IR Spektrometer mit Touchpanel

02.10.2017 | Das kompakte FT-IR-Spektrometer ALPHA II von Bruker ist einfach bedienbar und sehr leistungsfähig. Die moderne Bedienung mit dem Touchpanel ist intuitiv und komfortabel. Das Spektrometer eignet sich zur Qualitätskontrolle und die Identifizierung von Materialien.

Unregelmäßigkeiten in der Sonnenaktivität messen

19.05.2011 | Ein Spektrometer, das Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg entwickelt haben, misst auf der Internationalen Raumstation ISS die Sonnenaktivität mit großer Genauigkeit und lieferte bereits unerwartete Ergebnisse. Künftig sollen diese in einer Datenbank öffentlich zugänglich gemacht werden: Klimaforscher können mit den Daten untersuchen, wie stark die Sonnenaktivität das Erdklima beeinflusst.

Bisher schwankte die Sonnenaktivität zyklisch: Alle elf Jahre erreichte sie ein Minimum, alle elf Jahre strahlte die Sonne mit maximaler Intensität. Beim letzten Minimum im August 2008 brauchten die Forscher allerdings Geduld: Die Aktivität des Himmelskörpers stieg nicht wie erwartet an, sondern verringerte sich weiter – völlig unerwartet brach die Sonne aus ihrem sonst so verlässlichen Rhythmus. Erst ein Jahr später im September 2009 begann ihre Aktivität wieder leicht anzusteigen. In wie weit beeinflussen die Schwankungen der Sonnenintensität und diese Verschiebung des Sonnenzyklus das Erdklima?

Diese Frage zu klären hilft ein Sonnenspektrometer, entwickelt vom IPM aus einem Guss von der Elektronik über die Optik bis hin zur Mechanik. Es ermittelte auch die Daten, die die Verschiebung des Sonnenzyklus belegen. »Mit dem Spektrometer messen wir die extreme Ultraviolett-Strahlung, kurz EUV, mit Wellenlängen von 17 bis 220 nm«, sagt Dr. Raimund Brunner, Projektleiter am IPM.

Viel präzisere Messungen als bisher

Das Besondere dabei: Die Wissenschaftler können mit dem Spektrometer nicht nur über einen längeren Beobachtungszeitraum als bei bisherigen Missionen üblich die Aktivität der Sonne messen, sondern auch viel präziser. Möglich machen das zwei Ionisationskammern im Spektrometer, die mit Edelgas gefüllt sind. Trifft extreme UV-Strahlung auf das Edelgas, löst sie Elektronen aus dem Gas heraus – es fließt elektrischer Strom.

Dieser Strom ist proportional zur Stärke der Sonneneinstrahlung und dient den Forschern als Grundlage, um das Spektrometer zu kalibrieren und genaue quantitative Aussagen zu machen – und schlussendlich etwas über die Sonnenaktivität zu erfahren. »Wir erzielen Messwerte mit Fehlern, die unter zehn Prozent liegen, was weitaus besser ist als bei bisherigen Ergebnissen«, betont Dr. Gerhard Schmidtke, wissenschaftlicher Leiter des Projektes.

Schichtdickenmessung sichert Qualität in der Pulverbeschichtung

Die Ergebnisse aus diesem sowie aus zwei ergänzenden Experimenten auf der Raumstation sollen Klimaforschern künftig dabei helfen herauszufinden, in wie weit die Schwankungen der Sonnenintensität das Klima unserer Atmosphäre beeinflussen:

• Wie viel des Treibhauseffekts ist hausgemacht?
• Wie viel davon ist auf die Änderung der Sonnenstrahlung zurückzuführen?

Die Messdaten verraten insbesondere vieles über die Bedingungen in der Iono- und Thermosphäre, die ab einer Höhe von 80 km über der Erdoberfläche beginnen. Die EUV-Strahlung steuert die Temperatur und die Teilchendichten der Ionosphäre. Das hat Folgen: Ändert sich die Intensität der Einstrahlung, beeinflusst das sowohl die Bahn von Satelliten als auch die Funkverbindung der Satelliten untereinander und zur Erde. So muss beispielsweise für zentimetergenaue GPS-Daten die Zusammensetzung der Ionosphäre bekannt sein. Künftig sollen die gewonnenen Daten in einer Datenbank im Internet gespeichert werden, um sie öffentlich zugänglich zu machen.

Vermutlich Überlagerung der Sonnenzyklen

Was der Grund dafür ist, dass die Sonne erstmals seit der Dokumentation der Sonnenaktivität aus ihrem elfjährigen Rhythmus ausgebrochen ist, können die Forscher noch nicht mit Sicherheit sagen. Sie vermuten, dass es neben dem bisher bekannten Sonnenzyklus noch einen weiteren gibt, den Gleissberg-Zyklus, der eine sehr viel größere Zeitspanne hat – vermutlich 75 bis 100 Jahre – und den elfjährigen Zyklus überlagert.

Die Missionszeit des Spektrometers mit der Bezeichnung Solaces, die anfangs nur für eineinhalb Jahre geplant war und nun bereits drei Jahre beträgt, wurde kürzlich von der ESA um weitere drei Jahre verlängert. »So können wir auch das Maximum der Sonnenintensität im Jahre 2013 mit untersuchen«, freut sich der Wissenschaftler.

Häufige Fragen

Was ist ein Spektrometer?

Ein Spektrometer ist ein essenzielles Instrument zur Messung des Spektrums von Lichtquellen. Es erfasst und analysiert die Lichtintensität über verschiedene Abschnitte des elektromagnetischen Spektrums, einschließlich des sichtbaren Lichts und anderer Wellenlängenbereiche.

Was misst man mit einem Spektrometer?

Mit einem Spektrometer können Wissenschaftler und Techniker die spektrale Zusammensetzung von Lichtquellen untersuchen, um chemische Zusammensetzungen zu identifizieren, die Qualität von Materialien zu beurteilen oder Umweltveränderungen zu überwachen.

Was für Spektrometer gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Spektrometern, die jeweils speziell für unterschiedliche Anwendungen und Messbereiche des Spektrums konzipiert sind. Zu den häufigsten gehören:

1. Atomabsorptionsspektrometer spezialisiert auf die Analyse von Metallen und anderen Elementen.
2. Emissionsspektrometer messen die Emission von Licht oder elektromagnetischer Strahlung durch eine Probe – Anwendung: Materialanalyse und Astronomie. 
3. Fluoreszenzspektrometer messen die Emission von Licht, das von einer Substanz abgegeben wird, wenn sie Licht oder eine andere elektromagnetische Strahlung absorbiert.
4. FTIR-Spektrometer (Fourier-Transform-Infrarot) für die Analyse von organischen Verbindungen und einigen anorganischen Stoffen. Jedes dieser Spektrometer nutzt unterschiedliche Methoden, um Informationen über die Zusammensetzung und Eigenschaften von Proben zu gewinnen.
5. Infrarotspektrometer messen die Absorption, Reflexion oder Transmission von Infrarotlicht durch eine Probe – Anwendung: chemischen Analyse, Lebensmittelindustrie, Umweltüberwachung.
6. Massenspektrometer für die Analyse der Massen von Molekülen und Atomen.
7. Raman-Spektrometer nutzen die Raman-Streuung, um Informationen über die molekulare Struktur einer Probe zu erhalten – Anwendung: Materialwissenschaft, Forensik, pharmazeutische Industrie.
8. Spektralphotometer wird hauptsächlich zur Messung der Absorption oder Reflexion von Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen verwendet.
9. UV-Vis-Spektrometer messen die Absorption oder Reflexion von ultraviolettem (UV) und sichtbarem (Vis) Licht durch eine Probe – Anwendung: Analytik, Biochemie, Lebensmittelindustrie.

Wie funktioniert ein optisches Spektrometer?

Ein optisches Spektrometer funktioniert, indem es Licht von einer Lichtquelle durch ein Prisma oder ein Gitter leitet, wodurch das Licht in seine verschiedenen spektralen Komponenten (verschiedene Farben oder Wellenlängen) zerlegt wird. Diese Komponenten werden dann auf einen Detektor projiziert, der die Lichtintensität in jedem Abschnitt des Spektrums misst. Die resultierenden Daten geben Aufschluss über die spektrale Zusammensetzung der Lichtquelle, ermöglichen die Identifizierung von chemischen Substanzen oder die Messung von Konzentrationen bestimmter Elemente oder Verbindungen in einer Probe.

Quellenangabe: Dieser Beitrag basiert auf Informationen folgender Unternehmen: Bruker, Colorlite, Fraunhofer, Goehthe Universität, Polytec, Spectro.

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