Anwendungen der UV-Vis-Spektroskopie

Was ist die UV-Vis-Spektroskopie?

UV-Vis-Spektralphotometer sind Instrumente der analytischen Chemie, mit denen Absorptions-, Transmissions- und Reflexionseigenschaften von Proben gemessen werden. Dabei wird in der Regel mit ultraviolettem und sichtbarem Licht gearbeitet. Shimadzu bietet außerdem leistungsstarke Spektralphotometer an, die zusätzlich den Nahinfrarotbereich abdecken, man spricht dann auch von UV-Vis-NIR-Spektroskopie.

Die häufigste Anwendung der UV-Vis-Spektroskopie ist die Gehaltsbestimmung in flüssigen Proben. Darüber hinaus können aus gemessenen Spektren auch optische Eigenschaften abgeleitet werden, wie z. B. die Farbe oder die Durchlässigkeit der Probe für verschiedene Wellenlängenbereiche des Lichts.

Im Vergleich zu anderen analytischen Methoden zeichnet sich die UV-Vis-Spektroskopie dabei durch hohe Zuverlässigkeit bei sehr geringem Wartungsaufwand, schneller Messdurchführung und einfacher Handhabung aus.

Weiterführende Informationen:
UV-Vis-Spektralphotometer Übersicht
 

Welche Proben können mit der UV-Vis-Spektroskopie gemessen werden?

Flüssige Proben

 

Eine Küvette wird vor der Messung im Probenraum eines Shimadzu UV-Vis-Spektrophotometer positioniert.

Die am weitesten verbreitete Messmethode in der Spektralphotometrie ist die Küvettenmessung. Dabei werden flüssige Proben in einer lichtdurchlässigen Küvette (je nach Wellenlängenbereich z. B. aus Kunststoff oder Quarzglas) gemessen. Das Spektralphotometer misst die Intensität des Lichts, nachdem es die Probenküvette durchdrungen hat, und bestimmt dabei die Lichtabsorption durch die Probe. Dies geschieht entweder photometrisch bei einzelnen Wellenlängen oder durch Messung eines Spektrums über einen definierten Wellenlängenbereich.

Feste Proben

Ulbrichtkugel-Zubehör mit Halterungen für Pulverproben. Das Zubehör wird vor der Messung an Stelle des Küvettenhalters im Spektralphotometer eingesetzt.

Die UV-Vis-Spektroskopie ermöglicht die Analyse von Feststoffen wie Pulvern, Gläsern, Textilien, Beschichtungen oder auch optischen Komponenten wie Linsen oder Spiegeln. Klare und dünne Proben wie Folien oder dünne Gläser mit einer Dicke von wenigen Millimetern können in der Regel direkt in einem Spektralphotometer mit einer Filmhalterung gemessen werden.

Lichtundurchlässige Proben wie Pulver oder Spiegel werden typischerweise über ihre Reflexion gemessen. Je nach Probe werden daher Messzubehöre wie Ulbrichtkugeln (auch Integrationskugeln genannt) oder Zubehöre für die Messung der gerichteten oder diffusen Reflexion verwendet. Diese werden in der Regel anstelle des Küvettenhalters in das Spektralphotometer eingesetzt.

Ulbrichtkugel-Zubehöre sind auf der Innenseite reflektierend beschichtete Kugeln, die Licht einfangen und auf einen Satz interner Detektoren lenken. Proben werden an einer Öffnung der Kugel positioniert, um entweder das durchgelassene oder das reflektierte Licht zu messen. Eine besondere Eigenschaft von Ulbrichtkugeln ist ihre Fähigkeit, diffus gestreutes Licht einzufangen. Dies ermöglicht reproduzierbare Messungen an milchigen Proben wie kolloidalen Suspensionen, trüben Gläsern oder auch an lichtbrechenden Proben wie optischen Linsen. Große Ulbrichtkugeln ermöglichen auch die gezielte Messung von gestreutem und nicht gestreutem Licht zur Bestimmung des Trübungsgrades (auch Haze-Wert genannt).

Weitere Informationen über Ulbrichtkugeln und die Messung von Festkörpern finden Sie in unseren Analysis Basics.
 

Anwendungen der UV-Vis-Spektroskopie

UV-Vis-Spektroskopie in der pharmazeutischen Industrie

Spektralphotometer werden in pharmazeutischen Laboratorien von der Forschung und Entwicklung bis zur Qualitätssicherung eingesetzt. Dabei machen verschiedene Pharmakopöen und deren Monographien Vorgaben für die Identifizierung, Analyse und auch Reinheitskontrolle nicht nur von Arzneimitteln und deren Inhaltsstoffen, sondern auch von deren Verpackungsmaterialien. Diese Verpackungsmaterialien werden beispielsweise mit Hilfe der UV-Vis-Spektroskopie auf ihre UV-Durchlässigkeit untersucht. Damit wird unter anderem sichergestellt, dass UV-empfindliche Medikamente die gewünschte Haltbarkeit aufweisen.

Gerade für den Pharmabereich ist die Einhaltung der sogenannten GxP-Richtlinien von höchster Relevanz. Sei es die Dokumentation, die Datenintegrität oder der Einsatz von qualifizierten Geräten, Software und Personal. Überall wird besonderer Wert auf die Rückverfolgbarkeit durch Audit Trails und die Regelung von Zugriffsrechten und Benutzerauthentifizierung gelegt. Sowohl Messgeräte als auch Software und Methodiken müssen Validierungs- und Qualifizierungsverfahren durchlaufen, um eine maximale Patientensicherheit zu gewährleisten.

Deshalb bietet Shimadzu speziell für den regulierten Bereich Softwarelösungen mit integriertem Datenmanagement an, die die Einhaltung der Vorschriften und Richtlinien der pharmazeutischen Industrie wie EU GMP Annex 11, US FDA 21 CFR Part 11 und PIC/S GMP ermöglichen. Diese bieten wir mit LabSolutions DB als Standalone-Variante sowie serverbasiert mit LabSolutions CS an. Diese können auch an bestehende Laborinformations- und Managementsysteme (LIMS) angebunden werden.

Im Folgenden haben wir Ihnen eine Auswahl von Applikationsnoten zusammengestellt.

Spektroskopische Prüfungen nach Arzneibuchvorgaben

Spektroskopische Analyse von Nukleinsäuren

UV-Vis-Spektroskopie in der Umweltanalytik

Ob Trinkwasser, Oberflächenwasser oder Abwasser: Bei der Beurteilung der Wasserqualität spielt die UV-Vis-Spektroskopie eine wesentliche Rolle. Sie ermöglicht die schnelle Bestimmung der Belastung von Wasserproben mit beispielsweise Nitrat, Nitrit, Phosphat, Phenol oder Chromat. Darüber hinaus werden Summenparameter wie Trübung und Färbung erfasst, die durch gelöste Stoffe, Schwebstoffe oder andere Faktoren wie mikrobielle Kontamination beeinflusst werden können. Der spektrale UV-Absorptionskoeffizient bei 254 nm (SAK254) gibt darüber hinaus Auskunft über enthaltene organische Substanzen. Die Bestimmung dieser Parameter erfolgt nach standardisierten Verfahren, die in entsprechenden Normen wie DIN- oder ISO-Normen festgelegt sind.

Für Umweltlabore ist dabei die Effizienz der Analytik aufgrund des z.T. hohen Probenaufkommens von großer Bedeutung. Um einen hohen Probendurchsatz zu ermöglichen, wird daher häufig Messzubehör zur Messautomatisierung eingesetzt. Dazu gehören automatische Küvettenwechsler oder auch Pumpenzubehör (typischerweise als „Sipper“ bezeichnet), die Probenlösungen automatisch aus einem Probengefäß in eine Durchflussküvette überführen.

In Kombination mit einem Autosampler kann das Messverfahren für bis zu mehrere hundert Proben voll automatisiert werden. Bei einem hohen Probenaufkommen wird das Laborpersonal so von sich wiederholenden Handgriffen entlastet und die Arbeitszeit kann deutlich verkürzt werden. Automatisierte Abläufe reduzieren zudem die Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei der Messdurchführung und können die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessern.

Für hohen Probendurchsatz: Das Zweistrahl-Spektrophotometer UV-1900i Plus mit dem Autosampler ASX-560.

Wasseranalytik mithilfe der UV-Vis-Spektroskopie

Autosampler in der UV-Vis-Spektroskopie

Farbanalytik mithilfe der UV-Vis-Spektroskopie

Da die UV-Vis-Spektroskopie das gesamte sichtbare Lichtspektrum (typischerweise definiert als 380 - 780 nm) abdeckt, können Farbeigenschaften anhand von Transmissions- und Reflexionsspektren analysiert werden. Mit Hilfe von Farbräumen wie CIELAB, CIEXYZ oder Hunter Lab können Farbmerkmale wie Farbton, Sättigung und Helligkeit bestimmt werden. Da die Farbwahrnehmung auch von der Beleuchtung und dem Betrachtungswinkel abhängt, werden diese bei der Auswertung ebenfalls berücksichtigt. Ergebnis der Messung sind Farbparameter wie L*, a* und b* (CIELAB) oder x,y und z (CIEXYZ). Diese Parameter ermöglichen weiterhin eine Farbvisualisierung in Form von Farbtafeln.

Weitere Details zum Thema Farbmessung finden Sie hier.

Die spektroskopische Bestimmung von Farbwerten ermöglicht im Gegensatz zu menschlichen Beobachtern nicht nur eine quantitative, sondern auch eine objektive Bewertung. So kann in der Qualitätssicherung und Produktentwicklung reproduzierbar geprüft werden, ob Produkte den gewünschten Farbstandards entsprechen.

Dies ist besonders wichtig in Branchen wie der Automobilindustrie, wo Lacke präzise Farbanforderungen erfüllen müssen, sowie in der Textil- und Lebensmittelindustrie. Auch im Bauwesen spielt der Farbwiedergabeindex von Verglasungen eine wichtige Rolle, um eine neutrale Farbwiedergabe in Innenräumen zu gewährleisten. Für chemische Produkte, die ein klares Erscheinungsbild haben sollen, wie z.B. Glycerin, wird typischerweise die APHA-Hazen-Farbskala verwendet, die auf Platin-Cobalt-Standards basiert und in Normen wie ISO 6271:2015 oder ASTM D1209-05(2019) definiert ist. LabSolutions UV-Vis Color verfügt über eine entsprechende Kalibrierung, die die Verwendung von Farbstandards überflüssig macht.

CIEXYZ-Farbtafel: Kobaltchlorid zeigt in verschiedenen Lösungsmitteln unterschiedliche Farben.

Farbeigenschaften können sowohl für flüssige als auch für feste Proben gemessen werden. Für Lösungen können einfache Transmissionsmessungen in einer Küvette durchgeführt werden. Da feste Proben in der Regel kein Licht durchlassen, bietet sich für Pulver oder auch ganze Festkörper die Verwendung einer Ulbrichtkugel an. Diese ermöglicht die Bestimmung der Farbeigenschaften durch Messung des reflektierten Lichtes.

Farbanalytik von Lebensmitteln

Farbanalytik in Forschung und Entwicklung

Farbanalytik von Kunststoffen

Farbanalytik in der chemischen Industrie

Spektroskopische Charakterisierung von Glas und optischen Komponenten

Zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von Komponenten wie Filtergläsern, Spiegeln und Linsen ist die UV-Vis-NIR-Spektroskopie unerlässlich. Sie ermöglicht die Bestimmung von Transmissions- und Reflexionsgraden sowie wichtiger spektraler Qualitätseigenschaften wie Halbwertsbreiten, Zentralwellenlängen oder Cut-Off-Wellenlängen. Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist für optische Komponenten vor dem Einbau in optische Geräte und Experimente von größter Bedeutung. Für typische Qualitätsprüfungen von optischen Komponenten haben wir Ihnen unten eine Reihe von Applikationsnoten zusammengestellt.

Analog werden Verglasungen im Bauwesen untersucht, bei denen neben dem UV-Transmissionsgrad und ihren Farbeigenschaften auch die solaren Transmissions- und Reflexionsgrade entscheidend sind. Letztere sind vor allem für die Optimierung der Energieeffizienz von Gebäuden von Interesse und werden z.B. durch spezielle Coatings eingestellt. Die LabSolutions UV-Vis ist neben der Farbanalytik auch mit einer „Daylight“-Option erweiterbar, die entsprechende Prüfparameter nach unter anderem ISO 9050:2003 und GB/T 2680:1994 enthält.

Da in Glasscheiben Lichtbrechung auftritt, die insbesondere bei größeren Probendicken den Strahlengang des Spektralphotometers beeinflussen kann, werden hier besonders häufig Ulbrichtkugeln verwendet. Diese werden anstelle des Küvettenhalters in das Instrument gebracht und ermöglichen sogar reproduzierbare Transmissionsmessungen an optischen Linsen. Ulbrichtkugeln erlauben auch die Bestimmung der gerichteten und der diffusen Reflexion, was unter anderem die Bestimmung des Trübungsgrades („Haze“) ermöglicht.

Für flache Proben, die nur gerichtete Reflexion aufweisen, wie z. B. Spiegel, können auch einfache Reflexionszubehöre verwendet werden, die das von der Probe reflektierte Licht auf die Detektoren des Spektralphotometers lenken.

Ideal für Forschung und Routine: Das UV-Vis-NIR-Spektrophotometer UV-3600i Plus mit Doppelmonochromator ermöglicht umfassende Analytik von 190 – 3300 nm

Spektroskopische Analyse von optischen Komponenten

Spektroskopische Analyse von Glas

Spektroskopische Analyse von Textilien

UV-Vis-Spektroskopie unter verschiedenen Einfalls- und Messwinkeln

Die winkelvariable UV-Vis-Spektroskopie ermöglicht die Charakterisierung optischer Komponenten unter verschiedenen Einfalls- und Detektionswinkeln, was unter anderem für die Sensortechnik oder dielektrische Filme von Bedeutung ist. Darüber hinaus kann mit winkelvariablem UV-Vis-Zubehör die absolute Reflexion bestimmt werden, da für die Reflexionsmessung kein Standard benötigt wird.

Lernen Sie mehr über Reflexionsmessungen in unseren Analysis Basics.

Eine Variable-Angle-Unit für die UV-Vis-Spektroskopie ermöglicht die Messung von Transmission und Reflexion unter verschiedenen Einfalls- und Detektionswinkeln.

Applikationsnoten für Messungen mit variablen Winkeln

UV-Vis-Spektroskopie an Wafern und großen Proben

Die UV-Vis-Spektroskopie spielt eine entscheidende Rolle bei der Analyse von Wafern und Beschichtungen in der Halbleiterindustrie. Durch Transmissions- und Reflexionsmessungen können wichtige Eigenschaften wie Bandlücken, Defekte, Reinheit sowie Dicke und Homogenität von Beschichtungen bestimmt werden. Durch den Einsatz eines automatisierten Probenhalters können Proben außerdem systematisch abgerastert werden. Dies wird auch als Mapping bezeichnet. Mit diesen ortsaufgelösten Messungen kann bestimmt werden, wie sich Probeneigenschaften über eine Fläche verändern, z.B. die Homogenität oder Dicke von Beschichtungen. Außerdem können so mehrere kleine Proben automatisiert gemessen werden.

Um besonders große Proben wie Glasscheiben oder ganze Wafer ohne Probenvorbereitung zu analysieren, bietet Shimadzu das UV-Vis-NIR-Großraum-Spektrophotometer SolidSpec-3700i an. Dieses ermöglicht die Messung großer Proben in Transmission und Reflexion sowie mittels UV-Vis-NIR Mapping.

Um auch in denen tiefen UV-Bereich zu gelangen („deep UV“), müssen störende Sauerstoffsignale während der Messung unterdrückt werden. Der Probenraum des SolidSpec-3700i DUV lässt sich daher mit Stickstoff spülen und ermöglicht somit Messungen bis 165 nm. In Kombination mit einem Küvettenwechsler oder einer X-Y-Stage können Proben automatisch gemessen werden, ohne dass der Probenraum geöffnet werden muss und die Stickstoffatmosphäre verloren geht.

Für sehr große Proben wie Wafer oder Glasscheiben: Das SolidSpec-3700i UV-Vis-NIR-Spektrophotometer.

Erweitert mit einer X-Y-Stage ermöglicht das SolidSpec-3700i vollautomatische Mapping-Messungen großer Proben in Transmission und Reflexion.
Die Abbildung zeigt einen Wafer, der auf der X-Y-Stage positioniert ist.