Spektrometer Neues Spektrometer für Nahinfrarot – klein und leistungsstark

Autor / Redakteur: Richard E. Schneider* / Marc Platthaus

Ein platzsparendes Spektrometer wurde von Ingenieuren der Fraunhofer-Gesellschaft in Chemnitz entwickelt. Spektralanalysen von Transportgut im Bereich Nahinfrarot (NIR) können damit unmittelbar vor Ort vorgenommen werden. Die Proben müssen nicht also mehr ins Labor gebracht werden. Das spart Zeit und Kosten.

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Abb. 1 Die geringen Abmessungen von nur 10 x 6 x 8 Zentimeter des Spektrometers erlauben zahlreiche Anwendungen in der prozessnahen Analytik.
Abb. 1 Die geringen Abmessungen von nur 10 x 6 x 8 Zentimeter des Spektrometers erlauben zahlreiche Anwendungen in der prozessnahen Analytik.
( Archiv: Vogel Business Media )

Es ist so klein wie ein Kulturbeutel, aber leistungsfähig wie ein Laborgerät: Das neue Nahinfrarot-Spektrometer (NIR), das Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts IZM (Zuverlässigkeit und Mikrointegration) gemeinsam mit der TU Chemnitz und dem Unternehmen Color Control konstruiert haben.

Es hat nur die Abmessungen 10 x 6 x 8 Zentimeter und folgt dem Wunsch der Anwender nach immer produktionsnäherer Analytik.

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Spektralanalysen könen direkt vor Ort vorgenommen werden. Das Einschicken der Proben ins Labor ist daher nicht mehr nötig.

Spektrometer für die Vor-Ort-Analyse

Wegen seiner Größe und Handlichkeit stehen dem Minispektrometer zahlreiche neue Anwendungsbereiche offen. Mit ihm können nun vor Ort feste chemische Gemische, Flüssigkeiten oder Gase auf ihre Bestandteile analysiert werden. Die Recycling-Industrie erhält hiermit beispielsweise ein Instrument, mit dem rasch und wirtschaftlich Polymere differenziert werden können.

Auch Zoll- und Polizeidienste auf der Suche nach Rauschgift werden den Vorteil der Vor-Ort-Analyse zu schätzen wissen. Die Beamten können z.B. direkt verdächtige Tablettenröhrchen aufschrauben und mit dem Spektrometer sowie der internen Software analysieren und bestimmen. Bisher mussten von dem vor Ort vorgefundenen verdächtigen Material Proben entnommen und ins Labor eingeschickt werden. Von dort kam das Analyseergebnis meist erst zwei bis drei Tage später wieder zurück. Nun kann in Sekundenschnelle vor Ort analysiert werden – was erhebliche Zeit-, Geld- und Personaleinsparungen mit sich bringt.

Mit dieser schnellen Untersuchungsmethode können die Behörden dem Drogen- und Amphetamin-Schmuggel wirkungsvoll begegnen.

Funktionsweise des neuen Nahinfrarot-Spektrometers

Das von einer Lichtquelle angestrahlte Untersuchungs-Objekt reflektiert das empfangene Licht, das vom danebenstehenden Spektrometer aufgenommen wird. Im Gerät wird das Licht an einem Gitter in seine Spektralfarben zerlegt, die von einem extrem hellen und sehr rasch oszillierenden Mikrospiegel zum Detektor hinter dem Austrittsspalt gelenkt werden. Durch die gleichzeitigen Bewegungen des Mikrospiegels verändern sich die Wellenlängen des von der Probe aufgenommenen Lichts. Sie ergeben ein spezifisches Spektrum für das analysierte Objekt. Die Gerätesoftware vergleicht das neue Spektrum mit dem gespeicherter Proben und informiert den Anwender binnen weniger Sekunden über die chemische Zusammensetzung der fraglichen Probe. Bei Amphetamin-Tabletten können beispielsweise nachträgliche, eigene bzw. fremde Zusätze erkannt werden. Rauschgift und andere verbotene Substanzen werden ebenfalls detektiert.

Qualitäts- und Reinheitskontrolle

Ebenso kann das neue Klein-Spektrometer in Produktionsabläufe für Medikamente oder Feinchemikalien integriert werden. Als Kontrollinstanz erkennt es auch unbeabsichtigte Verunreinigungen, wie sie bei Herstellungsverfahren von Medikamenten, Kosmetika oder anderen gesundheitsrelevanten Produkten auftreten können. Damit erhöht sich die Qualität der Produkte und ihre Sicherheit.

Sogar auf medizinisch-kurativem Gebiet, habe man das neue Klein-Spektrometer testweise eingesetzt, berichtet Fraunhofer-Wissenschaftler Ray Saupe. So wurde der Fettgehalt in gefriergetrockneten Stuhlproben ermittelt. Die Ergebnisse ermöglichen Rückschlüsse auf eventuell vorliegende Erkrankungen des Verdauungstrakts beziehungweise die Wirkung von verabreichten Medikamenten.

Landwirtschaftliche Anwendungen

Auch in der Lanwirtschaft kann das Klein-Spektrometer seine Vorteile ausspielen. Mit ihm kann z.B. der Proteingehalt von Nahrungsmitteln oder der Feuchtigkeitsgehalts von Getreide bestimmt werden. Bei Produktions- bzw. Qualitätskontrollen von Lebens- und Futtermittel-Herstellern erkennt es chemisch-biologische Verunreinigungen besonders gut, sagt Saupe. Gleichzeitig könne man damit problemlos die Ingredienzen von Nahrungsmitteln analysieren. Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Umweltschutz. Gewässer- oder Klärschlammuntersuchungen können direkt vor Ort vorgenommen werden.

Recycling-Industrie

Schließlich nennt der Wissenschaftler noch ein anderes, breites Einsatzfeld für sein Klein-Spektrometer: Die Durchführung und Kontrolle von Recycling-Verfahren in Betrieben. Als wichtigstes Leistungskriterium hebt er die schnelle Differenzierung von Polymeren hervor. Das System benö-tigt nur vier Millisekunden für eine Einzelmessung. Da sich die Polymere vorwiegend durch ihre unterschiedlichen molekularen Verknüpfungen unterscheiden, wird ein Wellenlängenbereich von 1000 bis 2100 Nanometer genutzt. Mit der so genannten Hauptkomponenten-Analyse können die einzelnen Polymersorten entweder in granularer oder in verarbeiteter Form differenziert werden. Die Multikomponenten-Analyse erfolgt kontaktfrei, online und auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Zudem ist eine hohe Einsatzflexibilität des Klein-Spektrometers in fabrikationstechnischen Prozessabläufen gewährleistet. Mit ihm kann eine schnelle Polymer-Differenzierung durchgeführt werden, die für Produktions- bzw. Abtrennungsprozesse von großer Bedeutung ist. Aufgrund der Ergebnisse können die Unternehmen auf Prozessänderungen schnell reagieren und so Kosten einsparen.

* R. E. Schneider, freier Wissenschaftsjournalist, 72074 Tübingen

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