Aufbau und Prüfung des UV-Vis-Spektralphotometers
Aus welchen Bauteilen ein UV-Vis-Spektralphotometer besteht, welche Lampen, Prismen und Küvettenmaterialien zu welchem Spektralbereich passen und wie man Wellenlängenskala und Streulicht prüft.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein UV-Vis-Spektralphotometer besteht aus Lichtquelle, Monochromator, Küvette und Detektor; das Zweistrahlgerät gleicht Lampendrift über einen Sektorspiegel aus.
- Lichtquellen haben ein kontinuierliches Emissionsspektrum: die Deuteriumlampe für das UV, die Wolfram-Halogen-Lampe für das Sichtbare (etwa 400 bis 800 nm).
- Ein Prisma trennt Wellenlängen durch Brechung (Dispersion), ein Gitter durch Beugung; das Nicol’sche Prisma polarisiert nur und zerlegt nicht.
- Quarzglasküvetten sind auch bei 254 nm durchlässig; Borosilikatglas, Glas und Polystyrol nur im Sichtbaren bzw. bis ins UV-A.
- Die Wellenlängenskala prüft man mit Holmium(III)-perchlorat, Quecksilberlinien oder der Wasserstofflinie bei 656 nm, das Streulicht mit einem Kantenfilter wie Kaliumchlorid-Lösung.
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Worum es geht
Jede photometrische Gehaltsbestimmung im Arzneibuch ist nur so gut wie das Gerät, mit dem sie gemessen wird. Wer weiß, welche Lampe, welches Prisma und welche Küvette für welchen Wellenlängenbereich taugt und wie man das Gerät prüft, vermeidet systematische Fehler. Die Theorie der Absorption steht beim Lambert-Beer-Gesetz, hier geht es um die Hardware.
Strahlengang im Überblick
Ein Spektralphotometer hat vier Grundbausteine. Die Lichtquelle liefert Strahlung vieler Wellenlängen. Der Monochromator schneidet daraus einen schmalen Wellenlängenbereich heraus. Dieses Licht durchstrahlt die Probe in der Küvette, und der Detektor misst, wie viel ankommt.
Beim klassischen Gerät steht der Monochromator vor der Probe. Das Diodenarray-Gerät dreht die Reihenfolge um: Das gesamte Licht geht durch die Probe und wird erst danach am Gitter zerlegt. Viele Dioden nebeneinander erfassen so das ganze Spektrum auf einmal.
Im Einstrahlgerät misst man nacheinander die Vergleichslösung und die Probe. Schwankt die Lampe zwischen beiden Messungen, verfälscht das das Ergebnis. Das Zweistrahlgerät löst dieses Problem mit einem rotierenden Sektorspiegel. Er lenkt den Strahl abwechselnd durch Vergleichs- und Probenküvette auf denselben Detektor. Das Gerät bildet laufend das Verhältnis beider Signale und gleicht so Lampendrift und Eigenabsorption des Lösungsmittels aus.
Lichtquellen
Ein Spektrum lässt sich nur aufnehmen, wenn die Lampe über den ganzen Messbereich Licht liefert. Lichtquellen der UV-Vis-Spektroskopie haben deshalb ein kontinuierliches Emissionsspektrum. Keine einzelne Lampe deckt UV und Vis gut ab, darum enthalten die meisten Geräte zwei.
| Lampe | Bereich | Hinweis |
|---|---|---|
| Deuteriumlampe | UV | Gasentladung in \(\ce{D2}\), für 500 nm nicht nötig |
| Wolfram-Halogen-Lampe (Wolframfadenlampe) | Vis, etwa 400 bis 800 nm | Glühlampe, für 200 bis 300 nm ungeeignet |
Die Deuteriumlampe ist eine Gasentladungslampe. Angeregte Deuteriummoleküle senden ein Kontinuum im UV aus. Eine Glühlampe strahlt dagegen als heißer Körper, ihre Intensität fällt unterhalb des Sichtbaren stark ab. Für eine Messung bei 500 nm reicht also die Wolframlampe allein.
Anders als die Hohlkathodenlampe der AAS, die scharfe Elementlinien liefert, eignen sich beide Kontinuumsstrahler nicht als Lichtquelle für den Absorptionsvorgang der AAS.
Monochromator
Der Monochromator besteht aus Eintrittsspalt, einem dispergierenden Element und Austrittsspalt. Das dispergierende Element fächert das polychromatische Licht nach Wellenlängen auf. Durch Drehen wählt man, welcher schmale Bereich den Austrittsspalt passiert.
Ein Prisma zerlegt Licht durch Dispersion, also durch wellenlängenabhängige Brechung. Kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges. Die Brechzahl ändert sich dabei nicht linear mit der Wellenlänge, die Skala eines Prismengeräts ist daher ungleichmäßig gespreizt. Mehr zur Dispersion steht bei der Brechzahl. Ein Gitter trennt die Wellenlängen dagegen durch Beugung und ist in modernen Geräten Standard.
Für sichtbares Licht eignen sich Gitter, Glasprisma, Quarzprisma und Geradsichtprisma. Für das UV braucht man Quarz, weil Glas dort absorbiert. Das Nicol’sche Prisma zerlegt Licht nicht in Farben, sondern erzeugt linear polarisiertes Licht. Es gehört deshalb ins Polarimeter. Ein Natriumchlorid-Prisma ist kein Bauteil eines UV-Vis-Geräts, denn Steinsalz verwendet man wegen seiner Durchlässigkeit im Infraroten.
Küvetten
Gemessen wird meist an Lösungen in einer Küvette. Das ist ein Gefäß mit planparallelen, optisch durchlässigen Fenstern, das im Küvettenhalter des Geräts sitzt. Die übliche Schichtdicke beträgt 10 mm. Sie geht direkt in das Lambert-Beer-Gesetz ein.
Das Fenstermaterial darf bei der Messwellenlänge nicht selbst absorbieren. Wie beim Cut-off von Lösungsmitteln gilt: Unterhalb einer materialtypischen Grenze wird es undurchlässig.
| Material | Vis | UV-A | 254 nm (UV-C) |
|---|---|---|---|
| Quarzglas | durchlässig | durchlässig | durchlässig |
| Borosilikatglas | durchlässig | durchlässig | undurchlässig |
| normales Glas | durchlässig | eingeschränkt | nicht ausreichend |
| Polystyrol | durchlässig | eingeschränkt | ungeeignet |
Für UV-Messungen nimmt man deshalb Quarzglasküvetten. Im Sichtbaren funktionieren sie ebenso, dort genügen aber billigere Materialien. Einwegküvetten bestehen meist aus Polystyrol und dienen der Routinemessung im Vis.
Quarz kann alles, Glas und Polystyrol nur das Sichtbare. Quarz ist im Vis geeignet, aber nicht erforderlich.
Geräteprüfung
Das Arzneibuch verlangt regelmäßige Kontrollen des Geräts. Die allgemeine Logik der Gerätequalifizierung gilt auch hier. Zwei Prüfungen betreffen besonders die Optik.
Wellenlängenskala
Zur Prüfung der Wellenlängenskala braucht man Bezugspunkte mit exakt bekannter, scharfer Lage. Diese liefert eine Lösung von Holmium(III)-perchlorat (\(\ce{Ho(ClO4)3}\)) mit vielen schmalen Banden. Ebenso dienen die Emissionslinien einer Quecksilberlampe und die Wasserstofflinie bei ca. 656 nm. Diese Linie stammt von angeregten Wasserstoffatomen. Elektronenübergänge in Wasserstoffmolekülen liefern dagegen ein Kontinuum.
Kaliumchromat, Kaliumdichromat und Kaliumpermanganat haben breite Banden ohne scharfes Maximum, sie taugen daher nicht für die Wellenlängenprüfung. Kaliumchlorid-Lösung hat eine andere Aufgabe.
Streulicht
Streulicht ist Strahlung außerhalb des eingestellten Wellenlängenbereichs, die trotzdem den Detektor erreicht. Es täuscht eine zu niedrige Absorption vor, vor allem bei hohen Absorptionswerten und kurzen Wellenlängen.
Zur Prüfung dient ein Kantenfilter. Das ist eine Lösung, die bei der Prüfwellenlänge praktisch vollständig absorbiert und bei längeren Wellenlängen durchlässig ist. Misst der Detektor bei der Prüfwellenlänge noch Licht, kann es nur Streulicht aus dem langwelligen Bereich sein. Der klassische Standard im UV ist Kaliumchlorid-Lösung.
Wer aus mehreren Spektren das passende für eine Prüfung bei 220 nm wählen soll, sucht ein Bild wie eine Treppenstufe. Die Absorption muss bei 220 nm und darunter sehr hoch sein. Oberhalb einer steilen Kante fällt sie nahezu auf null. Ein Stoff, der über den ganzen Bereich breit absorbiert, ist ungeeignet.
Quiz
Aussage 1
Eine Küvette aus Borosilikatglas ist für eine Messung bei 254 nm geeignet.
Borosilikatglas lässt sichtbares Licht und UV-A durch, absorbiert aber im UV-C. Bei 254 nm braucht man Quarzglas.
Aussage 2
Eine Kaliumpermanganat-Lösung dient als Standard zur Prüfung der Wellenlängenskala.
Kaliumpermanganat hat breite Banden ohne scharfe Bezugspunkte. Die Wellenlängenskala prüft man mit Holmium(III)-perchlorat-Lösung, Quecksilberlinien oder der Wasserstofflinie bei 656 nm.
Aussage 3
Die spektrale Zerlegung von Licht in einem Prisma beruht auf wellenlängenabhängiger Brechung.
Das Prisma zerlegt durch Dispersion, also Brechung. Beugung ist das Prinzip des Gitters.
Aussage 4
Für eine photometrische Messung bei 500 nm muss die Deuteriumlampe des Geräts eingeschaltet sein.
Bei 500 nm liegt sichtbares Licht vor, dafür genügt die Wolfram-Halogen-Lampe. Die Deuteriumlampe wird nur für das UV gebraucht.
Aussage 5
Quarzglasküvetten können auch für Messungen im sichtbaren Bereich verwendet werden.
Quarzglas ist vom UV bis ins Sichtbare durchlässig. Im Vis ist es geeignet, aber nicht erforderlich.
Aussage 6
Eine Lösung zur Streulichtprüfung bei 220 nm muss bei 220 nm praktisch vollständig absorbieren und bei längeren Wellenlängen durchlässig sein.
So wirkt sie als Kantenfilter: Licht, das bei 220 nm noch den Detektor erreicht, kann nur langwelliges Streulicht sein.
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