OPTIK INSTRUMENTS stellt neue Technologien in mobilen FTIR-Spektrometern vor

Die FTIR-Spektrometrie ist längst keine reine Labortechnik mehr. Durch die Miniaturisierung optischer und elektronischer Komponenten lassen sich FTIR-Spektrometer transportieren und diese Analysen auch im Feld durchführen, was die Einsatzmöglichkeiten der FTIR-Spektrometrie noch erweitert. Mit der Miniaturisierung und dem Transport geht jedoch auch eine Vielzahl von Problemen einher, beispielsweise eine Verringerung der Geräteleistung (Spektrenqualität) zugunsten kleinerer Abmessungen oder eine Dejustierung der Optik durch Stöße und Erschütterungen beim Transport des Geräts. In den folgenden Absätzen zeigen wir am Beispiel des neuen mobilen FTIR-Spektrometers MOBILE-IR II (Bruker Optics), wie diese Einschränkungen durch neue Technologien und Verbesserungen beseitigt werden.

Robustheit an erster Stelle

In erster Linie müssen wir uns bewusst machen, dass optische Geräte schon von Natur aus nicht für den Transport und häufige Handhabung geeignet sind. Jede Erschütterung kann eine Dejustierung der Spiegel der internen Optik verursachen, was letztlich zu einem Signalabfall am Detektor führt. Eine weitere allgemeine Tatsache ist, dass die spektralen Eigenschaften der Geräte umso schlechter sind, je weniger Platz für das optische System zur Verfügung steht (Signal-Rausch-Verhältnis, Auflösung, Wellenzahlgenauigkeit und weitere). Wie begegnet das Spektrometer MOBILE-IR also den oben genannten Gegebenheiten?

Das Gerät MOBILE-IR verfügt dank der über Jahre bewährten patentierten Konstruktion der internen Optik Rocksolid™ über eine bemerkenswerte Signalstabilität (siehe Abb. 1). Worin besteht diese Lösung? Statt herkömmlicher Spiegel verwendet das Gerät sogenannte Eckreflektoren (vergoldete Winkelspiegel), die das Lichtbündel stets in die Richtung zurückwerfen, aus der es gekommen ist. Dadurch ist die interne Optik des Geräts dauerhaft justiert und somit auch sehr widerstandsfähig gegen Stöße und Erschütterungen.  Berücksichtigen wir zusätzlich die Tatsache, dass die gesamte optische Bank auf einer speziell konstruierten schwingungsdämpfenden Basis gelagert ist, steht uns ein Gerät zur Verfügung, das selbst während der Fahrt im Auto, in industrieller Umgebung usw. stabil messen kann. Ergänzen wir dazu noch das Metallgehäuse des Geräts mit Schutzart IP65 (staubdicht und gegen Strahlwasser geschützt), erhalten wir ein FTIR-Spektrometer, das für die anspruchsvollsten Umgebungen geschaffen ist.

Abb. 1: Prinzip des Eckreflektors und Schema des RockSolid™-Interferometers

Höhere Empfindlichkeit als bei Forschungsgeräten

Wie bereits erwähnt, stellt die Qualität der erzeugten Daten eine wesentliche Einschränkung tragbarer Geräte dar. Bei der FTIR-Analyse ist das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) ein entscheidender Parameter. Es gibt an, um wie viel höher das Signal im Gerät unter standardisierten Messbedingungen gegenüber dem Rauschen ist. Je höher dieser Wert ist, desto besser ist das in der Praxis gemessene Spektrum und desto größer ist die Chance, den jeweiligen Stoff erfolgreich zu identifizieren oder seine Konzentration zu bestimmen. Kurz gesagt: Das Signal-Rausch-Verhältnis ist ein Indikator für den Erfolg Ihrer Analyse. 

Die optische Bank des MOBILE-IR II basiert auf dem FTIR-Spektrometer ALPHA II, dessen Signal-Rausch-Verhältnis bereits höher ist als das der überwiegenden Mehrheit der FTIR-Tischspektrometer. MOBILE-IR verfügt jedoch anstelle eines herkömmlichen DLaTGS-Detektors über eine technologische Neuheit – einen thermoelektrisch gekühlten MCT-Detektor (TE-MCT). MCT-Detektoren werden üblicherweise in anspruchsvollsten wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt, bei denen mit höchstmöglicher Empfindlichkeit oder maximaler Datenerfassungsgeschwindigkeit gemessen werden muss. Ihr Nachteil war jedoch stets die Notwendigkeit, den Detektor mit flüssigem Stickstoff zu kühlen. Diese Notwendigkeit entfällt jedoch im Fall des TE-MCT – die gesamte Kühlung erfolgt mithilfe elektrischer Energie. Der TE-MCT-Detektor weist eine 2-3x höhere Empfindlichkeit als ein herkömmlicher DLaTGS-Detektor auf! Dadurch erzielen wir im Feld ein um ein Mehrfaches höheres Signal-Rausch-Verhältnis und die eindeutig höchste Spektrenqualität unter den tragbaren FTIR-Spektrometern, die heute auf dem Markt zur Verfügung stehen. Einen Vergleich der Spektren von DLaTGS- und TE-MCT-Detektoren finden Sie in Abb. 2.

Abb. 2 – Vergleich der Spektrenqualität von DLaTGS-Detektoren (verrauschtes Spektrum) und TE-MCT-Detektoren unter identischen Messbedingungen.

FTIR-Analyse einfach, schnell und zweckmäßig

Es ist großartig, ein leistungsfähiges und robustes Gerät zu haben, doch ebenso wichtig ist, dass es einfach zu bedienen und zu warten ist. MOBILE-IR II lässt sich einfach über PC, Notebook oder Tablet bedienen, und zwar völlig kabellos. Die moderne Bediensoftware OPUS Touch kann je nach Bedarf mit Funktionen ausgestattet werden. Anschließend lässt sich die Analyse anhand eines vordefinierten Arbeitsablaufs mit wenigen Mausklicks oder Berührungen des Bildschirms einfach durchführen (siehe Abb. 3).

Abb. 3 – OPUS TOUCH-Workflow bei der Identifizierung: 1) Probennamen eingeben; 2) Messen; 3) Identifizieren

Was die Wartung des Geräts betrifft, so verfügt MOBILE-IR über einen integrierten Akku mit einer Laufzeit von 7 Stunden. Die interne Optik ist mit ZnSe-Fenstern ausgestattet und dadurch unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, wodurch auch der Bedarf an einem Austausch der Trockenmittel im Geräteinneren minimiert wird.

Als hervorragende Funktion kann zweifellos auch der hochwertige Diamant-Messkristall angesehen werden. Es handelt sich um einen hochwertigen Einkristall, der mechanisch (ohne Klebstoffe) fixiert ist, was seine chemische Beständigkeit erheblich erhöht. Zugleich verfügt dieser Kristall über eine Heizfunktion, was bei der Analyse von Stoffen in einem Lösungsmittel äußerst vorteilhaft ist. Dank der erhöhten Temperatur verdampft das Lösungsmittel einfach, und auf dem ATR-Kristall messen wir nur noch den reinen Analyten.

Wozu ist das gut?

Mit neuen Technologien wie dem TE-MCT-Detektor erreichen heutige tragbare FTIR-Spektrometer eine wesentlich bessere Spektrenqualität. Zudem vereinfachen sie dank kleiner Modifikationen wie der Beheizung des ATR-Kristalls, angepasster Software usw. die Arbeit mit dem Gerät erheblich, heben die Zuverlässigkeit der FTIR-Analyse im Feld auf ein neues Niveau und erweitern das Einsatzpotenzial der FTIR-Spektrometrie an zahlreichen Orten, zu denen beispielsweise folgende gehören:

   • Lager für Chemikalien, Kunststoffe und API in der Chemie-, Kunststoff- oder Pharmaindustrie
   • Tatorte oder Orte von Umweltunfällen zur Identifizierung von Beweismaterialien
   • Mobile Labore von Polizei, Feuerwehr oder Militär
   • Abbaustätten – Untersuchung von Böden und Gesteinen