UV/Vis-Spektroskopie

UV/Vis-Spektroskopie

Farbeigenschaften von Lebensmitteln bestimmen, die Abwasserqualität nach Normverfahren bewerten oder die Konzentration und Reinheit eines Wirkstoffs in Medikamenten prüfen: Die UV/Vis-Spektroskopie ist das richtige Verfahren für diese Anwendungen. So deckt das spektroskopische Verfahren Einsatzbereiche in allen Industriebereichen, aber vor allem in der Pharmabranche, der Umwelttechnik sowie der Chemie- und Lebensmittelindustrie ab. Hier leisten UV/Vis-Spektralphotometer täglich in Spezialanwendungen und Routineanalysen einen wichtigen Beitrag, um Wissen über die Eigenschaften und Konzentration einzelner Moleküle und Atome, bzw. Ionen zu gewinnen.

Grundlagen des Verfahrens

Spektroskopie bezeichnet verschiedene physikalische Methoden, die mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung Stoffeigenschaften wie z.B. Elektronenübergänge oder Schwingungszustände an Proben untersuchen. Die UV/Vis-Spektroskopie nutzt dazu die Wechselwirkung von Molekülen mit elektromagnetischer Energie (Molekülspektroskopie). Damit gehört das Verfahren zu einer von mehreren Spektroskopie-Arten mit vielen untergeordneten Methoden:

• Atomspektroskopie (AAS)
• Molekülspektroskopie (UV/Vis, NIR, Fluoreszenz, NMR)
• Atomemissionsspektrometrie (OES)
• Röntgenspektroskopie (XRS, XRF)

Was ist UV/Vis-Spektroskopie?

Die UV/Vis-Spektroskopie beruht auf der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie. Trifft elektromagnetische Strahlung auf Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase, kommt es zu verschiedenen Effekten. Es lassen sich Absorption, Reflexion und Streuung beobachten. In der Optik fallen diese Phänomene unter den Begriff der Extinktion. Das sind Prozesse der Abschwächung von Strahlung. Die UV/Vis-Spektroskopie befasst sich dabei nur mit Strahlung eines bestimmten Bereiches des Spektrums: Neben der UV-Strahlung und dem sichtbaren Bereich der Strahlung (Vis) erweitern leistungsfähige Geräte, wie der SPECORD Plus, die Abdeckung bis in den Nahinfrarot-Bereich (NIR). Alternative Bezeichnungen für das Verfahren sind Spektralphotometrie oder Elektronenabsorptionsspektroskopie.

Die UV/Vis-Spektroskopie dient zur Auswertung der Absorption von Strahlung. Kommt es zur Absorption von Photonen von UV- und sichtbarem Licht, kann das zur Anregung von Valenzelektronen der Atome oder Moleküle führen. Dabei gehen diese in einen Zustand höherer Energie über.

Die Wellenlänge der Strahlung gibt Aufschluss über die aufgenommene Energie. Dabei steht eine kürzere Wellenlänge für eine größere Energie. UV/Vis-Spektralphotometer können die Lage der Absorptionsstellen und die Absorptionsgröße bestimmen. Das Ergebnis sind Transmissionsspektren, die das Verhältnis des transmittierten und des einfallenden Lichtes beschreiben. Damit kann die UV/Vis-Spektralphotometrie unter anderem folgende Aufgabenstellungen lösen:

• Wellenlänge
  • Identifizierung von Substanzen
  • Farbbestimmung von Substanzen
• Absorption
  • Bestimmung der absorbierten Lichtmenge
  • Quantitative Bestimmung von Substanzen
• Relative Absorption zweier Signale
  • Reinheitsprüfung von Substanzen
  • Bestimmung der Reaktionskinetik

Verfahrensaufbau

Die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch eine Probe in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge messen: das ist das Prinzip der UV/Vis-Spektroskopie. Dazu ist ein modernes UV/Vis-Spektralphotometer im Wesentlichen aus diesen Komponenten aufgebaut:

• Strahlungsquelle: Kontinuumstrahler (beispielsweise Deuterium- und Halogenlampe)
• Lichtzerlegungseinheit: Interferenzfilter, Prismen oder holographische Gitter
• Probenraum: meistfür Flüssigkeiten oder Lösungen in Küvetten
• Detektor: Photodioden oder Photomultiplier (PMT)
• Steuerrechner

Daneben verfügen die Messgeräte über optische Bauteile, die das Licht durch die verschiedenen Komponenten leiten.

Funktionsprinzip UV/Vis

Verschiedene Ausführungen von UV/Vis-Spektralphotometern unterscheiden sich vor allem anhand der Strahlungsquelle, viel mehr noch aber anhand der Einheit zur spektralen Lichterzerlegung und der Führung der Strahlung. Das wird bei der Betrachtung des Funktionsprinzips deutlich.

UV/Vis mit Monochromatorsystem

Bei einem Monochromatorsystem, wie es Analytik Jena in der SPECORD PLUS Serie anwendet, findet die spektrale Zerlegung des Lichts vor dem Auftreffen auf die Probe statt. Dementsprechend durchleuchtet nur monochromatisches Licht die Probe. Das hat den zentralen Vorteil, dass Messungen auch dann präzise Ergebnisse liefern, wenn die Probe insgesamt nur sehr wenig Strahlung absorbiert.

Der optische Aufbau gliedert sich bei einem Monochromatorsystem wie folgt:

1. Strahlungsquelle
2. Eingangsspalt
3. Filterrad
4. Ausgangsspalt
5. Probenraum mit Küvetten
6. Detektor

Von der Lichtquelle aus trifft polychromatisches Licht auf den Eingangsspalt der Lichtzerlegungseinheit. Dort befindet sich ein bewegliches Filterelement, das die Strahlung zerlegt. Der nachfolgende Ausgangsspalt lässt nur ein schmales spektrales Lichtband hindurch, das in der Folge auf die Probe trifft. Von dort aus gelangt der Lichtstrahl zum Detektor. Die Absorption der zu analysierenden Probe ergibt sich aus dem Vergleich der Lichtintensitäten im Detektor mit und ohne Probe (Blank). Mit einem solchen UV/Vis-Spektralphotometer lassen sich Spektren durch die fortlaufende Messung des Absorptionswertes bei jeder definierten Wellenlänge scannen (Scanning-UV/Vis-Spektralphotometer).
Zusätzlich trägt die geringe Anzahl beweglicher Bauteile zu einer hohen Lebensdauer der SPECORD Spektralphotometer bei. Daneben verfügen SPECORD 210 PLUS und SPECORD 250 PLUS über variable Spaltbreiten des Austrittsspalts. Mit dieser anpassbaren spektralen Auflösung lassen sich die Geräte optimal auf die Verwendung mit Zubehör für bestimmte Probentypen und verschiedene Konzentrationen anpassen.

Schmaler Spalt: bessere Auflösung

• Für Substanzen mit eng beieinander liegenden Peaks
• Zur Unterscheidung sehr ähnlicher Substanzen

Breiter Spalt: mehr Energie

• Für bestimmte Zubehöre (beispielsweise Integrationskugel für feste Proben)
• Zur Bestimmung an der Nachweisgrenze

UV/Vis mit Polychromatorsystem

Das Polychromatorsystem wählt eine andere Reihenfolge der Komponenten. Hier trifft das volle Lichtspektrum auf die Probe auf und wird erst hinterher spektral zerlegt.

Nach dem Passieren der Probe gelangt die Strahlung zur Einheit der Lichtzerlegung. Der vom Polychromator aufgespaltene Lichtstrahl trifft auf ein Diodenarray, das als Detektor dient. Jede dieser Dioden misst die Intensität eines eng begrenzten Bereiches im Spektrum. Daher werden solche UV/Vis-Geräte auch als Diodenarray-Spektralphotometer bezeichnet. Damit erlauben Polychromatorsysteme besonders schnelle Spektrenmessungen, deren Präzision jedoch unter den Ergebnissen eines Monochromatorsystems liegt.

Ein- und Zweistrahlgeräte

Mono- und Polychromatorsysteme der UV/Vis können als Einstrahlgeräte konzipiert werden. Eine möglichst geringe Anzahl optischer Bauteile mit guter Durchlässigkeit kommt dabei zum Einsatz. Dieser einfache Aufbau erlaubt ein kostengünstiges Setup mit geringen Intensitätsverlusten. Die Spektren von Probe und Blank müssen dabei jedoch nacheinander gemessen werden.

Zweistrahlphotometer haben einen anderen optischen Aufbau, der gleichzeitige Messungen an Probe und Blank ermöglicht. Ein geteilter Strahl passiert die beiden Küvetten und trifft auf zwei dezidierte Detektoren. Damit lässt sich eine im Zeitverlauf schwankende Intensität der Strahlung (Drift) als Fehlerquelle ausschließen. In der SPECORD PLUS Serie gewährleistet Analytik Jena mit diesem Aufbau Messungen mit höchster Präzision. Vor allem Anwender aus den Bereichen Chemicals & Materials sowie Umwelt setzen auf die Möglichkeiten zur Bestimmung geringer Stoffmengenkonzentrationen.

Mit dem SPECORD 50 PLUS geht Analytik Jena bewusst einen anderen Weg, um ein besonders attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis zu erreichen. Das Spektralphotometer nutzt die Split-Beam-Technologie. Der Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler geteilt, dabei werden ca. 10% der Gesamtenergie auf einen internen Referenzspiegel geleitet und die restlichen 90% zur Probe. Dadurch wird die Probe mit viel Energie durchleuchtet, so dass insbesondere trübe Proben besonders gut gemessen werden können.

Verschiedene Lichtquellen

Über alle Wellenlängen ideale Lichtquellen gibt es in der Praxis nicht. Bei der UV/Vis kommen daher oft mehrere Lichtquellen im Verbund zum Einsatz, um möglichst gute Bedingungen zu schaffen. Dabei ist es vor allem das Ziel, eine konstante Strahlungsintensität bei geringem Rauschen zu erreichen. Aus Gründen von Präzision und Wirtschaftlichkeit ist ebenfalls eine hohe Langzeitstabilität der Lichtquelle erforderlich.

Deuteriumlampen bieten eine stabile Intensität im UV-Bereich der Strahlung. Im sichtbaren Spektralbereich ist die Intensität jedoch nicht mehr ausreichend. Für den Vis-Bereich wird daher eine Halogenlampe genutzt.

Eine Alternative zu dieser verbreiteten Kombination stellen Xenonlampen dar. Sie zeichnen sich durch die gute Abdeckung von UV und sichtbarem Bereich gleichermaßen aus. Nachteilig wirkt sich jedoch das vergleichsweise hohe Rauschen aus, wodurch Xenonlampen vor allem für Anwendungen mit hoher Strahlungsintensität eingesetzt werden.

Analytik Jena stattet seine Spektralphotometer der SPECORD PLUS Serie mit einer Kombination aus Deuterium- und Halogenlampen aus. Damit erreichen die Geräte eine gleichmäßig hohe Energieintensität über einen sehr breiten Wellenlängenbereich.

Optimales Probenhandling mit dem Analytik Jena Zubehörprogramm

Die UV/Vis arbeitet hauptsächlich mit Flüssigkeiten und Lösungen. Diese können je nach Spektralphotometer manuell oder (teil-)automatisch in Küvetten im Probenraum des Spektralphotometers gemessen werden. Mit geeignetem Zubehör ist es daneben möglich, auch Gase und Feststoffe per UV/Vis zu untersuchen.

Küvetten sind hinsichtlich ihres Absorptionsverhaltens optimiert, um den nutzbaren Messbereich möglichst nicht einzuschränken. Je nach Anforderung an die Haltbarkeit und den Messbereich kommen verschiedene Materialen zum Einsatz. Daneben sind Küvetten in vielen unterschiedlichen Ausführungen erhältlich, etwa für besonders kleine Probenvolumina, wie sie im Bereich Pharma und Life Science zum Einsatz kommen, oder als Durchflussküvette, welche hauptsächlich in der Umweltanalytik eingesetzt werden.

Analytik Jena bietet für die SPECORD PLUS Serie ein breites Sortiment an Zubehör für flüssige, feste und gasförmige Proben an. So analysieren die Spektralphotometer mit dem passenden Küvettenhalter minimale Probevolumina von bis zu 5 µl. Da sich die Empfindlichkeit der Messung mit der Schichtdicke der Küvette steigern lässt, stehen auch Halter für Küvetten bis 100 mm zur Verfügung. An der Aufnahme für Küvetten der SPECORD PLUS Spektralphotometer lassen sich daneben Halter mit Rührer oder integrierter Temperaturkontrolle befestigen. Zusätzlich steht zahlreiches Zubehör für die Automatisierung bereit. Mehrfach-Küvettenwechsler sind ebenso erhältlich wie Sippersysteme für Messungen im Durchfluss. Mit diesem Zubehör lässt sich der Probendurchsatz an den Messgeräten gezielt optimieren.

ASpect UV Software

Das Potenzial der Hardware wird erst mit Hilfe der richtigen Software nutzbar. Analytik Jena stattet daher alle Spektralphotometer aus der SPECORD PLUS Serie mit der ASpect UV Software aus. Mit nur wenigen Klicks lassen sich damit UV/Vis-Daten erfassen und analysieren. Die verschiedenen Module decken schon in der Standardkonfiguration ein breites Anwendungsfeld ab:

• Photometrie
• Spektralanalyse
• Zeitabhängige Analysen (Kinetik)
• Temperaturabhängige Analysen
• Farbbestimmung

Zusammen mit dem umfangreichen Zubehör für das Probenhandling sorgt die ASpect UV Software für die einfache und effiziente Handhabung der Geräte. Dabei werden die anwendungsspezifischen Anforderungen berücksichtigt: So stellt die umfangreiche Benutzerverwaltung die Einhaltung der strengen Vorschriften für Messungen im Pharmabereich sicher. Die verschiedenen Validierungsmodle erfüllen zudem die Anforderungen der Europäischen und US Pharmakopöe.