NIR-Spektroskopie

Die Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie gehört zur den Methoden der Molekülspektroskopie. Durch Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich werden in den untersuchten Proben Molekülschwingungen angeregt. Für den NIR-Bereich von 0,78-3 µm sind das vor allem Ober- und Kombinationsschwingungen von C-H, N-H und O-H Bindungen. Aus diesem Grund ist die NIR-Spektroskopie vor allem für die Identifikation und Analyse von organischen Verbindungen wie z.B. Polymeren, Lacken oder Lebensmitteln sowie von Mineralien, die Wasser oder Hydroxylgruppen enthalten, geeignet.

Die Intensität des (von der Probe transmittierten oder reflektierten) Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge bilden die aufgezeichneten Messdaten (Spektren). Die Spektren zeichnen sich dabei vor allem durch breitbandige Absorptionssignale aus. Deshalb arbeitet die NIR-Absorptionsspektroskopie fast ausschließlich mit chemometrischen Analyseverfahren zur quantitativen oder qualitativen Materialanalyse.

Die NIR-Spektroskopie ist gekennzeichnet durch die Möglichkeit zur schnellen, berührungslosen Messung von Proben in Reflexion, eine Analyse ohne Probenvorbereitung sowie die Fähigkeit zur Messung von Proben in schneller Bewegung. Dadurch ist diese Methode prädestiniert für Anwendungen im Bereich der Prozessanalytik, im Chemical Imaging oder der optischen Sortierung. So hat die NIR-Spektroskopie bei der Überwachung zahlreicher chemischer Synthesen, in der Kunststoffproduktion, aber auch beim Sortieren unterschiedlicher Kunststoffe beim Recycling, in der Kontrolle dünner Schichten sowie in der Lebensmittel- und Mineralienindustrie ein breites Einsatzspektrum gefunden.

Bezeichnung Wellenlänge (µm)
Nahes Infrarot (NIR) 0,78 ... 3,0
Mittleres Infrarot (MIR) 3,0 ... 50
Fernes Infrarot (FIR) 50 ... 1000

 

Prozessanalytik

Für den Anwendungsbereich Sortierung und Prozessanalytik werden vorzugsweise NIR-Spektrographen mit Dispersionsgittern verwendet, bei denen Infrarot-Sensorarrays oder Zeilensensoren das komplette NIR-Spektrum für jeden Messpunkt (oder für die gesamte linienförmige Messfläche bei Sensorarrays) simultan detektieren. Im Bereich des NIR stehen mit den weit verbreiteten InGaAs-Sensoren schnelle und leistungsfähige Detektoren zur Verfügung, die mit Peltierelementen gekühlt werden und Messfrequenzen bis in den Kilohertzbereich erlauben (InGaAs-Standard bis 1,7 µm; InGaAs-extended bis 2,2 µm, MCT bis 2,5 µm).

Neben schnell auszulesenden Zeilenspektrometern und bildgebenden Spektrometern sind ebenfalls FT-NIR- Spektrometer erhältlich, die scannend arbeiten und auf Grund der Interferometergeometrie und geringeren Messfrequenzen eher für Laboranwendungen interessant sind. In Abhängigkeit der Applikation stellen entweder NIR-Zeilenspektrometer oder Hyperspektralkameras die optimale Lösung dar. Diesbezüglich sollten Ortsauflösung, spektrale Auflösung, Messfrequenz und Dynamikbereich/Lichtstärke bewertet werden.

UV/VIS-Spektroskopie

Die UV/VIS Spektroskopie gehört zu den Methoden der Molekülspektroskopie. Durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten (UV) und / oder sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich werden in den untersuchten Proben elektronische Übergänge angeregt. Die Anregung beschränkt sich im Allgemeinen auf Valenzelektronen.
Liegt die Energie dieser Übergänge im Bereich des für den Menschen sichtbaren Teils der elektromagnetischen Strahlung (von 380 nm bis 780 nm), so erscheint das Material farbig. Dabei nimmt das Material immer die Komplementärfarbe des absorbierten Lichts an.

Die in der UV-VIS Spektroskopie aufgezeichneten Messdaten (Spektren) bilden die Intensität des von der Probe reflektierten  oder transmittierten Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge ab. Anhand der gemessenen Spektren lassen sich Materialien identifizieren bzw. bestimmte Eigenschaften bestimmen. Die Spektren zeichnen sich vor allem durch breitbandige Absorptionssignale aus. Daher werden vor allem automatisierte Analyseverfahren wie die chemometrische Bestimmung verwendet.

Die UV/VIS Spektroskopie stellt ebenso wie die NIR Spektroskopie eine Möglichkeit zur schnellen, berührungslosen Messung von Proben dar. Bei Verwendung von Hyperspektralkameras im UV VIS Wellenlängenbereich, wie der uniSPEC0.9HSI ist es deshalb möglich, Proben in schneller Bewegung zuverlässig zu analysieren. Diese Technologie ist deshalb ideal geeignet, um Materialströme in Echtzeit zu analysieren und neuartige Sortieranwendungen zu erschließen, die mittels NIR Hyperspektralkameras bislang nicht zugänglich waren.

Fluoreszenz-Spektroskopie

Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht (Strahlung im sichtbaren Spektralbereich) kurz nach der Anregung mit ultravioletter Strahlung. Die Emission wird durch Übergang zwischen zwei elektronischen Zuständen gleichen Spins hervorgerufen. Dadurch ist die Lebensdauer der Fluoreszenzstrahlung geringer als die von beispielsweise Phosphoreszenz.

Die natürliche Fluoreszenz von bestimmten Stoffen kann zu deren Identifikation ausgenutzt werden. So weisen bestimmte Mineralien wie beispielsweise Fluorit eine natürliche Fluoreszenz auf. Weit verbreitet ist auch die Fluoreszenzspektroskopie an biologischen Farbstoffsystemen wie Hämoglobin oder Chlorophyll, die Aussagen über die biologische Aktivität des Organismus erlauben.

Die UV/VIS Hyperspektralkameras sind aufgrund der hohen Ortsauflösung in Kombination mit einer hohen Messgeschwindigkeit sehr gut für eine online Fluoreszenzdetektion geeignet. Dadurch ist es möglich, Analyseergebnisse auf Basis der Fluoreszenzstrahlung zu erhalten, die für Sortieranwendungen oder online Qualitätskontrolle verwendet werden können.

Erkennung von Farbabweichungen

Bei vielen Produkten spielt der Farbeindruck einer Oberfläche eine wichtige Rolle. Bei der industriellen Fertigung ist die Bewertung des optischen Farbeindruckes für den Hersteller somit unerlässlicher Bestandteil seiner Qualitätssicherung geworden, um kontinuierlich eine hohe Produktqualität zu gewährleisten. Mit dem bildgebenden UV/VIS-Spektrometer uniSPEC0.9HSI können Oberflächen im ultravioletten und visuellen Spektralbereich untersucht und Farbunterschiede objektiv erfasst werden.

Vielfältige Einsatzbereiche in Industrie und Forschung sind denkbar, wie folgende Beispiele zeigen:
■ Kunststoffindustrie
■ Papier- und Druckindustrie (z.B. Zeitschriften, Verpackungen)
■ Kosmetik- und Pharmaindustrie (z.B. Tablettenbeschichtungen)
■ Möbelindustrie (z.B. Furniere, Dekorfolien, Dekorpapiere)
■ Automobil- und Luftfahrtindustrie (Lacke und Beschichtungen)

RGB / HSV Farbbestimmung

HSV Modell
HSV Modell

RGB Farbzeilen Kameras analysieren die Farbe und bestimmen RGB Werte anhand des RGB (Rot Grün Blau) Farbraums. Um eine kundenfreundlichere Bedienung zu ermöglichen, werden die RGB Daten in den HSV (Hue Saturation Value) Farbraum konvertiert, dessen Modell anschaulicher und somit benutzerfreundlicher ist. (Abbildung HSV Modell)

Zur Farbmessung mit uniScanRGB Kamera werden Lichtquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich zur Messung von Proben verwendet. Die Strahlung wird von der Probe reflektiert, ein materialspezifischer Teil der Strahlung wird von der Probe absorbiert. Der reflektierte Teil der Strahlung verändert dadurch die spektrale Verteilung im Vergleich zur Strahlung der Beleuchtungsquelle. Diese Unterschiede werden für die Evaluierung der RGB Farbwerte genutzt.

Aufgrund der hohen Ortsauflösung in Kombination mit Hohen Messgeschwindigkeiten sind die Farbzeilen Kameras ideal für online Farbmessungen oder sensorgestützte Sortieranwendungen geeignet.

Bildgebende NIR-Zeilenspektrometer

Bildgebende NIR-Spektrometer auf Basis eines Zeilensensors werden seit über 15 Jahren erfolgreich in der Sortierung eingesetzt.

Für die Herstellung der NIR Spektrometer von LLA Instruments GmbH werden holographische Konkavgitter eingesetzt, die ein geebnetes Bildfeld aufweisen. In dieser Bildfeldebene wird mit einer speziell für die NIR-Spektroskopie entworfenen Zeilenkamera das Spektrum aufgezeichnet. Die Messwerte werden an einen Rechner übertragen und dort ausgewertet. Da das Spektrometer nur eine Eintrittsöffnung hat, kann mit derartigen Geräten jeweils nur eine Messstelle erfasst werden. Für den Prozess benötigt man jedoch viele Messstellen oder Messköpfe.

Zu diesem Zweck wird dem Spektrometer ein optischer Multiplexer vorgeschaltet, der die einzelnen Messköpfe nacheinander auf die Eintrittsöffnung des Spektrometers schaltet. Beim Einsatz von Lichtleitfasern können diese Messköpfe zu einer Messzeile zusammengefasst oder dezentral viele Meter voneinander getrennt angeordnet werden.

LLA Instruments NIR-Messtechnik mit Zeilensensor:
KUSTAx.xMPL-24V
uniSPECx.xMPL-24V
■ uniSPEC2.2USB / uniSPEC2.2S und uniSPEC2.2P (nicht mehr verfügbar!)

Prinzipschaltbild und Funktionsweise eines Zeilenspektrometers

Multiplexed NIR-Spektrometer mit kombiniertem Farbsensor

Bildgebende NIR-Spektroskopie mit Hyperspektralkameras

Illustration High Performance Hyperspektralkamera
Illustration High Performance Hyperspektralkamera

Die bildgebende oder ortsauflösende NIR-Spektroskopie ist eine neue Generation hoch produktiver Messtechnik. Die typische Information der NIR-Zeilenspektrometer mit Darstellung der Intensität über der Wellenlänge, wird bei der neuen Spektrometergeneration um eine weitere Dimension, den Ort, erweitert.

Diese bildgebenden Spektrographen sind derart berechnet, dass die Ortsinformation der auf den Eingangsspalt abgebildeten Messfläche über die Spalthöhe erhalten bleibt. Die in der Bildfeldebene entstehende Abbildung besteht dann aus einer räumlichen und senkrecht dazu aufgespreizten spektralen Komponente. Bei Verwendung eines Flächensensors können beide Parameter simultan erfasst werden, so dass zu jedem Bildpunkt entlang der linienförmigen Messfläche ein komplettes NIR-Spektrum aufgezeichnet wird. Dieser Aufbau wird auch als Push-Broom Technik bezeichnet.

Die Spektrometer von LLA zeichnen sich durch eine verzerrungsfreie Optik aus, das heißt die Spektren verlaufen geradlinig auf dem Sensor, was bedeutet, dass die Spektren von räumlich eng benachbarten Objekten sich nicht vermischen. Die hohe spektrale und räumliche Auflösung erfasst sehr feine Objektstrukturen und ermöglicht die Unterscheidung von feinen Bandenstrukturen. Kurzbrennweitige korrigierte NIR-Objektive erlauben die Erfassung eines großen Bildfeldes bei kurzem Arbeitsabstand. Hohe Bildraten ermöglichen dabei die Messung bzw. Erfassung extrem schnell beweglicher Objekte.

LLA Instruments NIR-Messtechnik mit Flächensensor:
KUSTAx.xMSI
uniSPECx.xHSI
uniSPECx.xFOM

Hochauflösende Atomemissions-Spektroskopie

LIPS Messprinzip
LIPS Messprinzip

Für analytische Anwendungen in der Atomspektroskopie sind die relevanten Atomlinien der Elemente quantitativ zu bewerten. Bei komplexen Materialien treten außerordentlich viele Atomlinien auf, die sich bei nicht ausreichender spektraler Auflösung überlagern. Häufig ist die Anregung der Atomlinien ein dynamischer Prozess, der auch eine zeitaufgelöste Erfassung der Spektrallinien erfordert.

Die notwendige Konsequenz ist die zeitgleiche Erfassung eines möglichst großen Spektralbereiches bei einer Auflösung von wenigen Picometern, die durch einen Echelle Spektrographen mit nachgeschalteter ICCD-Kamera umgesetzt wird. Durch den optionalen Einsatz eines Bildverstärkers kann die Lichtempfindlichkeit weiter gesteigert werden sowie ein optischer Verschluss für wenige Nanosekunden realisiert werden. Es sind so zeitlich korrelierte Messungen oder Abklingmessungen möglich.

Die Ansteuerung externer Strahlungsquellen, z. B. von Lasern, sowie die zu dieser Ansteuerung zeitlich korrelierte Messung sekundärer Lichtstrahlung, prädestiniert das Spektrometer ESA 4000 für die laserinduzierte Plasma-Spektroskopie (kurz LIPS) und für Applikationen zur simultanen Multielementanalyse.

X-Ray Fluoreszenz Spektroskopie (XRF)

Energiedispersives Spektrum
Energiedispersives Spektrum

Röntgenfluoreszenz bezeichnet die Emission von charakteristischer (fluoreszierender) Röntgenstrahlung von einem Material, welches mit hochenergetischer Röntgen- oder Gammastrahlung angeregt wurde. Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist eine der am häufigsten eingesetzten Methoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Probe und findet Anwendung in der metallverarbeitenden Industrie, bei der Untersuchung von Glas, Keramik und Baustoffen. Da die Proben durch die Messung nicht zerstört werden, ist die Methode besonders beliebt in der Forschung, z.B. zur Untersuchung von Proben der Kriminaltechnik, Archäologie oder Kunst.

Bestrahlt man ein Material mit Röntgenstrahlung (oder Gamma-) werden Atome im Material ionisiert, falls die Energie der anregenden Strahlung höher als die Ionisationsenergie der entsprechenden Atome ist. Atome mit fehlenden Elektronen (Löchern) in den inneren Schalen sind instabil weshalb Elektronen aus äußeren Schalen die Löcher füllen. Die Differenz der Bindungsenergien der an diesem Übergang beteiligten Schalen wird dabei als Photon abgestrahlt. Die Energie dieses Photons ist dabei abhängig vom emittierenden Atom (Element) und den beteiligten Orbitalen (Röntgenlinie).

Zur Messung der Röntgenfluoreszenzstrahlung können energiedispersive (ED) oder wellenlängendispersive (WD) Detektoren verwendet werden.
Wellenlängendispersive Detektoren zeichnen sich durch eine hervorragende Energieauflösung aus. Die Messungen sind jedoch sehr zeitaufwendig, da der gesamte Wellenlängenbereich Schritt für Schritt, abhängig von der gewünschten Auflösung (limitiert durch die intrinsische Auflösung des Analysatorkristalles) gescannt werden muss.
Energiedispersive Systeme sind im Vergleich dazu sehr schnell, da ein breiter Energiebereich simultan gemessen wird. Die Energieauflösung ist dafür aber wesentlich schlechter als bei WD-Systemen.

In beiden Fällen ist die Intensität einer charakteristischen Linie proportional zur Menge des entsprechenden Elementes im Material.

Aufgrund der kurzen Messzeit bei der Prozessanalyse kommen nur ED-Systeme in Frage. Zur Herstellung der Röntgenfluoreszenz-Zeilenkamera von LLA Instruments GmbH wird daher ausschließlich modernste  Röntgendetektortechnologie eingesetzt. Die Silizium Drift Detektoren (SDD´s) der KETEK GmbH zeichnen sich durch hohe Zählraten (>1 Mcps), ein hervorragendes Signal-zu-Hintergrund Verhältnis, eine hervorragende Energieauflösung (Größenordnung von 130 eV) und eine hohe Quanteneffizienz über einen großen Energiebereich (0.2 keV bis 30 keV) aus.