Monochromatoren in der instrumentellen Analytik

8.UK – 2006/2007
H. Tschida
Monochromatoren in der instrumentellen Analytik
Ein Monochromator ist ein optisches Gerät zur spektralen Isolierung einer bestimmten Wellenlänge aus einer einfallenden Menge elektromagnetischer Strahlung (z. B. UV-Strahlung,
sichtbares Licht). Mit Hilfe des dispergierenden Elements wird aus dem, von der Strahlungsquelle kommenden, breiten Spektrum, ein schmaler Spektralbereich herausgefiltert. Das dispergierende Element, z. B. ein Prisma oder ein optisches Gitter, trennt also die polychromatische Strahlung in einzelne Wellenlängenbereiche (Dispersion).
Heute verwendet man fast ausschließlich Gitter, da sie eine bessere Auflösung liefern (Wellenlängentrennung).
Im Idealfall erhält man Licht einer Wellenlänge (monochromatische Strahlung).
Der herausgefilterte Spektralbereich ist ein Maß für die Auflösung der Messung und wird
durch die Spaltbreite des Monochromators eingestellt.
Mittels einer Spaltblende wird ein möglichst kleiner Wellenlängenbereich des Lichtes mit der
gewünschten Wellenlänge hindurchgelassen. Der unerwünschte Teil der Strahlung wird von
der Blende eliminiert. Die Wellenlängenselektion geschieht mit Hilfe von je einem Eintrittsspalt und Austrittsspalt. Die optimale Breite ergibt sich als Kompromiss aus benötigter Intensität des Lichts und benötigter spektraler Auflösung d.h. nicht zu breit.
Ein Prisma setzt man dann ein, wenn ein großer Wellenlängenbereich abgedeckt werden
soll. Je nach Wellenlängenbereich setzt man Prismen aus Glas (sichtbar, nahes IR, nahes
UV) oder aus Steinsalz (NaCl, für fernes IR) ein.
Zur Einstellung der gewünschten Wellenlänge ist das dispergierende Element meist auf einem Drehteller montiert, der über eine Welle als mechanischem Antrieb von außen angesteuert wird.
Prinzipiell besteht jeder Monochromator aus:
1. Eingangsspalt
2. Kollimator (Sammellinse od. Hohlspiegel)
3. Prisma od. Gitter
4. Sammellinse od. Hohlspiegel zur Bündelung auf Brennebene/Ausgangsspalt
5. Ausgangsspalt
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Prismen - Reflexionsgitter
Prisma:
Es kommt zur Wellenlängenselektion durch Brechung, wobei dazu das Prisma gedreht wird.
Die Dispersion beruht auf der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex. Je größer die
Wellenlänge, desto schwächer wird das Licht gebrochen.
Nachteile:
 ein Teil der Strahlung wird absorbiert,
 das Prisma hat keine lineare Dispersion, das Licht wird nicht gleichmäßig aufgespaltet, wobei kurzwelliges Licht einer sehr starken und langwelliges Licht einer
schwachen Aufspaltung unterliegt.
Gitter / Reflexionsgitter
Es kommt zur Wellenlängenselektion durch Beugung und Interferenz. An der sägezahnartigen Oberfläche kommt es zur Beugung, wenn der Abstand der Gitterlinien in der Größenordnung der Wellenlänge liegt (UV- und Vis-Bereich = 600 – 2000 Gitterlinien pro Millimeter).
Gitter liefern mehrere nebeneinanderliegende Spektren, wobei Spektren höherer Ordnung
durch den Austrittsspalt ausgeblendet werden.
Mit höherer Ordnung wächst die Dispersion aber das Spektrum wird intensitätsschwächer.
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Beugung:
n......Beugungsordnung
 die nullte Ordnung bedeutet keine Aufspaltung, d.h. nur Reflexion am Gitter
 je höher die Ordnung desto größere ist die Aufspaltung, aber desto geringer ist die Intensität
Echellegitter - spezielle Beugungsgitter
Das Echellegitter enthält keine mechanisch beweglichen Teile. Durch die Kombination eines
Gitters (Aufspaltung des Lichtes in seine Beugungsordnungen) und eines Prismas (Aufspaltung der Beugungsordnungen in die Wellenlängen) ergibt sich eine zweidimensionale Anordnung des Spektrums.
Es kommen gleiche Wellenlängen in unterschiedlichen Ordnungen vor.
Beim Echelle-Spektrographen lässt sich das Spektrum mit einem quadratischen CCD (Charge Coupled Device) aufnehmen.
Echellespektrometer erreichen bei kompakter Bauweise gute spektrale Auflösungsvermögen. Das Wort „échelle“ stammt aus dem Französischen: (Sprossen-)Leiter, Stiege. Die einzelnen Zeilen eines Échelle-Spektrogramms sind parallel wie die Sprossen einer Leiter.
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Rowlandkreisanordnung
Durch den Eintrittsspalt wird das Licht auf das Gitter fokussiert, das Licht wird in seine einzelnen Wellenlängen aufgespalten.
Auf dem Rowlandkreis werden Austrittsspalte so exakt positioniert, dass nur das Licht einer
festgelegten Wellenlänge den Spalt passieren kann. Hinter jedem Spalt befindliche Photomultiplier wandeln das auftreffende Licht in ein Signal um, das proportional zur Lichtintensität
ist.
Kenngrößen von Monochromatoren
Die Qualität eines Monochromators hängt ab von der optischen Reinheit der ausgesandten
Strahlung, der Fähigkeit, benachbarte Wellenlängen aufzulösen, der lichtsammelnden Leistung und der spektralen Bandbreite.
Spektrale Reinheit:
Streustrahlung ist das Licht anderer Wellenlänge, das das Nutzlicht überlagert.
Ursache dafür sind Oberflächenbeschädigungen bzw. Staub auf optischen Flächen. Abhilfe
schafft die Innenflächen mit schwarzer Farbe zu bedecken.
Auflösungsvermögen:
Das Auflösungsvermögen beschreibt die Fähigkeit, nahe bzw. aneinander liegende Wellenlängen, als getrennt zu unterscheiden. Es wird als kleinste Differenz  der Wellenlängen
eines Spektrums, die unterscheidbar sind, gemessen.
R =  /  = n*N
(dimensionslos)
(n..... Beugungsordnung und N......Anzahl der Gitterfurchen)
Bsp.:
K:
Fe:
 = 404,414 nm
 = 404,382 nm
A = 404,414 / 0,168 = 2 407
 A  2 500
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Lichtsammelleistung:
Um das Signal/Rausch-Verhältnis zu erhöhen, ist es notwendig, dass die Strahlungsenergie
mit einem Maximum zum Detektor gelangt. Eine Kenngröße dafür ist die Blendenzahl f.
Sie ist ein Maß, für die Sammlung der Strahlung die vom Eingangsspalt kommt.
Die Blendenzahl f ist definiert als Quotient aus Brennweite F und dem Durchmesser des
Kollimators.
f=F/d
Effektive spektrale Bandbreite e:
Wird der Austrittsspalt verkleinert, verbessert sich die spektrale Reinheit, die Intensität verringert sich allerdings, das Limit hierbei ist die Detektorempfindlichkeit. Die vollständige
Trennung zweier Linien ist nur möglich, wenn die Spaltbreite so eingestellt ist, dass die effektive Bandbreite gleich die Hälfte der Wellenlängendifferenzen ist.
Brennweite:
Werden parallele Lichtstrahlen von einem entfernten Objekt mit einer einfachen Konvexlinse
in einem Punkt fokussiert, entspricht die Brennweite der Entfernung zwischen dem Mittelpunkt der Linse und dem Brennpunkt.
Je größer die Brennweite, desto größer ist die Auflösung,
Anzahl der Linien/Furchen pro mm am Gitter:
Je mehr Linien am Gitter vorhanden sind, desto besser ist die Auflösung.
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