Spektrometer

Wie funktioniert ein Spektrometer?

Wenn chemische Verbindungen mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken, können sie Licht unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren. Erfolgt die Absorption von Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums, so erscheint das Objekt (die Verbindung) dem Betrachter in der entsprechenden Komplementärfarbe - also der im Farbkreis gegenüberliegenden Farbe. So absorbiert β-Carotin, der Farbstoff aus Karotten, Wellenlängen um die 450 nm (blau); bekanntermaßen sind Karotten orange (Komplementärfarbe).  Quelle: Uni Bielefeld.

Ein Absorptionsspektrometer nutzt diesen Effekt. Es besteht aus einer monochromatischen Lichtquelle (z.B. Hallogenlampe mit Prisma), der zu untersuchenden Probe (in einer Küvette) und einem Detektor. Aus der Sicht unseres IoT-Device haben wir einen Aktor um Licht einer spezifischen Wellenlänge zu erzeugen und einen Sensor. Beides können wir direkt aus dem Baukasten der IoT-Werkstatt entnehmen. Lichtquelle ist ein Neopixel (4 Kanäle, Rot, Grün, Blau und Weiss) und der Sensor TSL2561 mit einer Fotodiode zur Detektion von sichtbarem Licht.

Ein Spektrometer nutzen wir in der Chemie z.B. um die Konzentration eines Stoffes zu bestimmen. Hintergrund ist das Lambert Beersche Gesetz, welches die Schwächung der Strahlungsintensität I beim Durchgang durch eine absorbierende Substanz beschreibt. Die Absorbanz A bzw. Extinktion ist proportional zur Schichtdicke d, der Konzentration C und eines stoffspezifischen Absorptionskoeffizienten.

Selber machen: Spektrometer bauen und das Lambert-Beersche Gesetz überprüfen

Im folgenden Beispiel wollen wir ein Spektrometer selber bauen und damit die Grundlagen des Lambert-Beerschen Gesetz erforschen. Als monochromatische Lichtquelle steht und das RGB-Neopixel zur Verfügung. Im Adafruit-Datenblatt finden wir folgende Angaben zu den Wellenlängen der einzelnen Farbkanäle: Rot (620-630 nm), Grün (515-525 nm), Blau(460-470 nm) und einen breitbandigen Kanal im sichtbaren Bereich (Weiss). Als Detektor nutzen wir den Lichtsensor TSL2561 mit zwei Photodioden im sichtbaren Bereich bzw. im IR. Dieser Sensor liefert die Beleuchtungsstärke direkt in der Einheit Lux. Sensormodule mit TSL2561 gibt es in verschiedenen Bauformen bei diversen Herstellern. Wir empfehlen die Verwendung eines Moduls ohne Grove-Connector, dieser ist geometrisch ungünstig angebracht und behindert die Montage. Besser die 4 Litzen eines I2C-Grove-Kabels direkt mit dem Sensormodul verlöten (rot=VCC, schwarz=GND, gelb = SCL, weiss=SDA).

Zum Versuchsaufbau verwenden wir weiterhin ein im 3D-Druck gefertigtes Gehäuse (das 3D-File dazu finden Sie in kürze hier). Für das folgende Experiment benötigen Sie das neueste IoT-Ardublock (Version V5.2BSECtsl2) - ggf. ein Update durchführen.

1.Montage des Octopus und des Sensors im Gehäuse: Wichtig ist die feste Fixierung des Sensors z.B. mit Klebeband, da kleine geometrische Verschiebungen unmittelbaren Einfluss auf die Messgenauigkeit haben.

2. Entwicklung einer Software zur Messung: In einer Endlosschleife ermitteln wir die Beleuchtungsstärke für dir drei RGB-Kanäle.

3. Farbige Folien ersetzen die Küvette.  In einem ersten Experiment wollen wir die Absorption verschiedenfarbiger Folien untersuchen. Hierzu eignen sich z. B. mit Filzstift gefärbte Overheadfolien, die wir in den Strahlengang halten.

4. Messdaten aufnehmen: Für jede bunte Folie notieren wir uns der Reihe nach die Beleuchtungsstärke für jeden der drei Farbkanäle. Eine ungefärbte Folie dient als Leerprobe. Anhand der Messwerte erkennen wir, dass eine rote Folie das rote Licht fast ungehindert passieren lässt, blau und grün aber deutlich abschwächt.

5. Lambert-Beer überprüfen: Jetzt starten wir mit 4 übereinanderliegenden roten Folien und betrachten den blauen Farbkanal. Das Experiment wiederholen wir für drei, zwei und schließlich für eine Folienlage. Hiermit haben wir jetzt eine chemische Substanz in 4 verschiedenen Konzentrationen in einer Küvette simuliert. Konzentration 4 (4 Folien) ist 4 mal so stark wie die Konzentration 1 (1 Folie). Berechnen wir aus der Beleuchtungsstärke (die sich proportional zur Intensität I verhält) die Absorption (Extiktion), so können wir die Aussage des Lambert-Beerschen Gesetz überprüfen. Ein Excel-Sheet findet sich hier.

Funktionsprinzip Spektrometer
Funktionsprinzip eines Absorptionsspektrometers. Die Extinktion (Absorbanz) ist proportional zur Schichtdicke und Konzentration der Probe in der Küvette (Lambert-Beer).
Bausatz DIY-Spektrometer
Unser im 3D-Druck gefertigtes Gehäuse umschließt den Octopus und ermöglicht die Befestigung des Detektors (TSL2561) direkt gegenüber des linken Neopixels. Die Küvette mit der Probe wird später zur Messung in die quadratische Aussparung eingestellt. Der TSL2561 wird über den I2C-Grove-Connector mit dem Octopus verbunden. Hierzu ist ein kurzes Kabel zu löten. Die aus dem Datenblatt des Neopixels entnommenen Spektralinformationen sind vor allem für die spätere chemische Analytik von Interesse.
Ardublock-Programm zur Messung der drei Farbkanäle
In einer kontinuierlichen Schleife wird jeweils abwechselnd ein Farbkanal des Neopixels aktiviert und die Beleuchtungsstärke gemessen.
Test mit bunten Folien
Um das Lambert-Beersche Gesetz zu überprüfen, werden verschiedefarbige Folien in den Strahlengang gehalten.
Auswertung
Die Auswertung der Messergebnisse zeigt, dass eine farbige Folie nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlässt (Experiment 1). Bringen wir mehrere Folien in den Strahlengang, so ist die Extinktion proportional zur Anzahl der Folien (Experiment 2), was die Aussage des Lambert-Beerschen Gesetz bestätigt.

Selber machen: Smartphone-Spektrometer für Profis

Im vorhergehenden Versuchsaufbau haben wir die Grundfunktion eines Spektrometers kennen gelernt. Jetzt möchten wir uns die Bedienung so komfortabel wie möglich gestalten. Hierzu hat die HAW Hamburg (CC Ulrich Scheffler) ein tolles Smartphone-Spektrometer entwickelt, welches hier als Grundlage für unseren Ansatz dient. Die Software erlaubt die Definition einer Leerprobe und die Messung von bis zu 5 weiteren Proben. Die Ergebnisse lassen sich über eine Downloadfunktion im Browser als Excel-Datei exportieren und am PC weiterverarbeiten.

1. Ardublock-Programm erstellen: Ein vom IoT-Kit generierter WLAN-Accesspoint ermöglicht die Verbindung zwischen Smartphone und Octopus. Der zur Bedienung notwendige Web-Server lässt sich über den Baukasten MINT direkt auswählen. Je nach Betriebsmodus läßt sich ein breitbandiges Spektrum (Weiss) oder die bereits bekannten RGB-Kanäle nutzen. Nach Hochladen des Programmes erfolgt die Bedienung im Web-Browser am Smartphone oder Notebook.

2. Smartphone verbinden und Spektrometer bedienen: Am Smartphone (Notebook) muss eine Verbindung zum Octopus aufgebaut werden. Hierzu den Accesspoint per WLAN verbinden und im Browser die URL 192.168.4.1 aufrufen.

 

 

RGB Spektrometer
Das obige Ardublockprogramm implementiert einen Webserver zur Bedienung des Spektrometers im Webbrowser. Dazu vorher das Notebook mit dem aufgespannten Accesspoint verbinden. In diesem Fall verwendet der Accesspoint kein Passwort. Nach Herstellen der Verbindung lässt sich der Server unter der IP 192.168.4.1 erreichen.
Spektrometer mit weisser LED
Über die Wahl des Parameters läßt sich auch die weisse LED im Neopixel zur Messung nutzen.
HAW-Spektrometer
Die Spektrometer-Idee der HAW Hamburg besteht aus einem WeMos D1 Mini (statt Octopus) und einer am GPIO-Pin 15 angeschlossenen externen LED. Der Lichtsensor wird über I2C verdrahtet. Auch diese Kombination kässt sich per Ardublock programmieren.
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