Der Unterschied zwischen Spektroskop, Spektrometer und Spektralphotometer

Das weite Feld der Spektroskopie ist inhaltlich schon komplex genug. Erschwerend kommt hinzu, dass sich in der Welt der dazugehörigen Messinstrumente eine Fülle verschiedener Begrifflichkeiten tummeln. Dieser Artikel soll ein wenig Übersicht ins Feld bringen.

Grundsätzlich beschäftigen sich alle verschiedenen Geräte damit, Spektren zu bewerten. Ein Spektrum bezeichnet dabei die Zusammensetzung der Frequenzen eines Signals. Nehmen wir das Beispiel Licht: Während unser Auge nur einen Farbeindruck wahrnimmt, besteht die Strahlung eigentlich aus einer Vielzahl unterschiedlicher Strahlen mit jeweils anderen Frequenzen. Der Farbeindruck ergibt sich aus dem gleichzeitigen Auftreffen all dieser unterschiedlichen Strahlen auf unserer Netzhaut.

Ein Spektroskop zerlegt dabei Strahlung (z.B. die der Sonne) und macht sie für die beobachtende Person als Spektrum sichtbar. Das typische Ergebnis ist ein Absorptionsspektrum: Ein Regenbogen, bei dem an einzelnen Stellen Teile durch schwarze Streifen ersetzt wurden.

Spektroskope waren in der Geschichte dieser Technologie der erste große Schritt zur Analyse von Spektren. Aus der An- oder Abwesenheit bestimmter Spektrallinien lassen sich bereits viele Informationen gewinnen. Das folgende Bild zeigt u.a. die Spektrallinien von Wasserstoff und diejenigen der Sonne. Bei genauer Betrachtung ist erkennbar, dass alle Linien von Wasserstoff auch im Spektrum der Sonne vorhanden sind. Offenbar muss die Sonne teilweise aus Wasserstoff bestehen:

Und tatsächlich macht Wasserstoff über 90 % der Masse der Sonne aus. Die zusätzlichen Linien im Spektrum der Sonne sind Ergebnis der anderen Bestandteile wie Helium, Sauerstoff und Kohlenstoff. Spektroskope sind auch in der Gegenwart noch wichtige Werkzeuge für die Astronomie.

Es gibt jedoch eine Grenze des Erkenntnisgewinns: Zwar kann man aus den Spektrallinien die Anwesenheit von z.B. Wasserstoff in der Sonne herauslesen, jedoch nicht die Menge des jeweiligen Stoffs. Die Spektrallinien des Wasserstoffs sehen immer gleich aus, unabhängig davon, ob die Sonne zu 9% oder zu 90% aus Wasserstoff besteht. Die Position der Linien im Spektrum und auch ihre unterschiedliche Breite sagen nur etwas über die Beschaffenheit der Elemente und Moleküle aus. Sie verändern ihre Form aber nicht, wenn weniger oder mehr von diesem Stoff vorhanden ist.

Das ist der Unterschied zu Spektrometern. Spektrometer geben nicht nur Auskunft darüber, ob ein bestimmter Stoff vorhanden ist, sondern auch, wie viel davon gemessen wurde. Mit anderen Worten: Spektrometer geben für ihren Messbereich an, wie groß die Strahlungsintensität bei der jeweils beobachteten Wellenlänge ist. Damit sind dann auch Aussagen über verschiedene Mengenverhältnisse möglich. Man könnte etwa eine unbekannte Menge Zucker und Salz in Wasser auflösen und durch eine Messung herausfinden, welche genauen Zucker- und Salzanteile sich in der Probe befinden. Tatsächlich werden auf diese Weise z.B. flüssige Lebensmittel wie etwa Öle in der Produktion auf eventuelle Schadstoffe geprüft.

Es gibt Spektrometer in vielen verschiedenen Bauformen und für verschiedene Strahlungsbereiche des elektromagnetischen Spektrums, und auch für Teilchenstrahlung. Zum elektromagnetischen Spektrum gehört auch das für uns sichtbare Licht. Spektrometer, die das sichtbare Licht (und die nahen Randbereiche der ultravioletten Strahlung auf der einen und der Infrarotstrahlung auf der anderen Seite) messen, werden meist als Spektralphotometer bezeichnet. Spektrometer ist also der allgemeinere Begriff, der alle Messinstrumente beschreibt, und Spektralphotometer eine bestimmte Form von Spektrometer.

Eine Eselsbrücke: Spektralphotometer sind für Strahlungsbereiche, von denen man ein Foto machen kann, also von sichtbarem Licht.

Wie funktioniert ein Spektralphotometer?

Bei einer Messung mit einem Spektralphotometer muss zunächst eine Lichtquelle vorhanden sein. Entweder soll tatsächlich eine Lichtquelle gemessen werden (z.B. die Sonne, oder eine frisch produzierte LED oder ähnliches), oder das zu messende Material wird durchleuchtet (z.B. transparente Flüssigkeiten), oder es wird z.B. eine Oberfläche beleuchtet und das zurückgeworfene Licht analysiert.

Diese einfallende Strahlung muss nun aufgefächert, d.h. gleichmäßig nach Wellenlänge aufgeteilt werden. Das aufgefächerte Spektrum wird anschließend Wellenlänge für Wellenlänge einzeln ausgemessen. Als Ergebnis liegt am Ende für jeden gemessenen Wellenlängenbereich die jeweilige Strahlungsintensität vor.

In der Praxis gibt es zwei unterschiedliche Bauarten für Spektralphotometer: Entweder werden die aufgefächerten Wellenlängen eine nach der anderen einzeln gemessen, oder das gesamte Spektrum wird auf einmal erfasst.

Bei den sogenannten Einstrahl-Spektralphotometern werden die einzelnen Abschnitte des Spektrums nacheinander gemessen. Das Licht wird z.B. durch ein Prisma geleitet, bei sichtbarem Licht entsteht das bekannte Regenbogenmuster. Hinter dem Prisma befindet sich eine sehr schmale Blende, die nur einen schmalen Teil des Spektrums durchlässt. Prisma und Blende zusammen nennt man Monochromator.
Am Ende des Weges steht eine Photozelle, die die Anzahl der einstrahlenden Photonen misst.

Der Clou: Das Prisma lässt sich drehen. Auf diese Weise dreht sich auch das Regenbogenspektrum, es fällt also jeweils ein anderer Teil des Lichts durch die Blende und erreicht auf diese Weise die Photodiode. So kann man schrittweise das gesamte Spektrum durchleuchten.

Alternativ können statt Prisma und Blende andere optische Geräte benutzt werden, um sicherzustellen, dass immer nur ein bestimmter, möglichst schmaler Teil des Spektrums zur Photodiode gelangt. Eine mögliche, aber meist teurere Option wäre ein variabler Bandpassfilter. Das ist eine auf spezielle Weise behandelte scheinbar durchsichtige Scheibe, die an jeder bestimmten Stelle nur eine bestimmte Wellenlänge durchlässt. Durch Hin- und Herbewegen des Bandpassfilters ist es auch hier möglich, die Strahlungsintensität für einzelne Wellenlängen zu bestimmen.

Es gibt auch sogenannte Zweistrahl-Spektralphotometer. Diese Geräte funktionieren fast genauso, es gibt jedoch einen zweiten Lichtweg, der nicht durch das zu messende durchsichtige Objekt durchscheint. Im zweiten Strahl steht stattdessen ein Referenzmaterial, von dem die genaue Beschaffenheit bekannt ist. Das erlaubt den Abgleich der Messergebnisse mit den Referenzwerten. Stimmen die Messergebnisse nicht mit den erwarteten Referenzwerten überein, dann können die Ergebnisse automatisch angepasst werden. So werden insgesamt höhere Genauigkeiten ermöglicht.

Der große Vorteil dieses von Einstrahl- oder Zweistrahl-Spektralphotometern ist die erreichbare Genauigkeit. Das macht sie besonders für Laboranwendungen interessant. Die höchstmögliche Präzision wird allerdings mit geringen Messgeschwindigkeiten erkauft: Da die einzelnen Wellenlängen nur nacheinander vermessen werden können, dauert ein Messvorgang umso länger, je feiner man die einzelnen Wellenbereiche wählt. Leser/-innen mit ingenieurwissenschaftlichem Hintergrund erkennen auch sofort einen weiteren Nachteil: Es gibt bewegliche Teile, und damit eine potenzielle Verschleißquelle.

Das alternative Design nennt sich Diodenarray-Spektralphotometer. Hier gibt es nicht nur eine einzelne Photodiode, sondern eine ganze Zeile mit identischen Dioden nebeneinander. Das aufgefächerte Licht-Spektrum wird hier nicht mit einer Blende beschränkt. Stattdessen erreicht das gesamte Spektrum gleichzeitig die Sensorzeile - und wird so auch gleichzeitig ausgemessen.

Die fehlenden Pfeile im Bild lassen es erahnen: Hier gibt es keine beweglichen Teile. Das hat neben der Robustheit den zusätzlichen Vorteil, dass auf diese Weise sehr kompakte Geräte konstruierbar sind. Zusätzlich liegen bei Diodenarray-Spektralphotometern sofort die Ergebnisse für den gesamten Messbereich vor - es sind also in der Praxis deutlich höhere Messgeschwindigkeiten möglich. Der Nachteil dieses Designs: In der Regel ist die spektrale Auflösung geringer als bei Ein- oder Zweistrahl-Spektralphotometern.

Es gibt daher nicht das eine optimale Spektrometer. Je nach Anwendungsbereich ist entweder hohe Präzision oder hohe Geschwindigkeit gefragt. In einer Laborsituation spielt es meist eine untergeordnete Rolle, ob eine Messung nun 0,02 oder 0,2 Sekunden dauert. Stattdessen ist hier in der Regel die maximale Auflösung gefragt, um am Grenzbereich des Möglichen noch Ergebnisse zu erzielen.

In der Produktion wiederum geht es meist schneller und rauer zu. Hier werden chemische Farbumschläge beobachtet, oder die Einhaltung von Sollwerten von Produkten, die in Höchstgeschwindigkeit auf einem Fließband am Messkopf vorbeilaufen. In diesen Fällen wird häufig vorab eine robuste Messvariante gefunden, die dann reliabel, schnell und vor allem kontinuierlich, 24 Stunden am Tag durchläuft. Da können Diodenarray-Spektralphotometer punkten.