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Prozess-Sonden und Messzellen
Spektroskopie und ihre Anwendungen
Optische Spektroskopie
Applikationen von der Tiefsee bis in den Weltraum
Optische Spektroskopie ist eine bewährte Technik, um Inhaltsstoffe als Hauptparamter in Medien direkt zu bestimmen und deren Konzentration messen zu können. Genauso vielfältig wie das Produktspektrum sind auch die Einsatzmöglichkeiten der Hellma Produkte. Im Spektralbereich von UV, Vis, NIR bis IR (inklusive Raman und Fluoreszenz) können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase gemessen werden. Applikationen finden sich in den verschiedensten Branchen wie (Petro-)Chemie, Pharmazie, Lebens- und Futtermittel, Biotech oder Energie. Aber nicht nur in der klassischen Prozessindustrie - auch wenn die Anforderungen das Gewöhnliche überschreiten, sind Hellma Lösungen mit dabei – von der Tiefsee bis in den Weltraum entwickeln wir mit feinem Gespür die richtige Lösung gemäß den gestellten Anforderungen.
Wissenswertes über Molekülspektroskopie
Was ist Molekülspektroskopie?
Im Wort Spektroskopie steckt der Wortstamm Spektrum – in diesem Zusammenhang ist das Lichtspektrum gemeint. Was wir Menschen unter Licht verstehen, besteht aus elektromagnetischer Strahlung bzw. Wellen. Elektromagnetische Wellen sind wiederum in einem Spektrum nach ihrer Wellenlänge in eine Skala eingeteilt und strukturiert.
Menschen kennen „Optische Spektroskopie“ aus der Natur von einem Regenbogen, der dem Auge ein bestimmtes Lichtspektrum anzeigt. Winzige Regentropfen in der Luft brechen das Sonnenlicht und machen ein bestimmtes Spektrum sichtbar. Möglich wird dies durch die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen einer Materie, in diesem Fall also mit Wasser, was uns Menschen dann in den 7 Farben des Regenbogens erscheint. Das Lichtspektrum, also die Wellenlängen des für Menschen sichtbaren Lichts, liegt zwischen 380 Nanometer und 780 nm. Es gibt auch für Menschen nicht wahrnehmbares Licht, dessen Wellenlängen unterhalb und oberhalb des für uns sichtbaren Bereichs liegen.
Wie kann Molekülspektroskopie genutzt werden?
Die beschriebene Wechselwirkung von Licht mit Molekülen einer Materie, also Stoffen und Stoffgemischen und der Art des durch die Bestrahlung emittierten Lichts, kann eindeutige Rückschlüsse auf die Zusammensetzung, Art und Menge des mit Licht bestrahlten Mediums oder Stoffs ermöglichen. Somit kann eine berührungslose und zerstörungsfreie Analytik realisiert werden, die in der analytischen Chemie die Basis für Qualifizierung und Quantifizierung von Medien und Stoffen benötigt wird.
Was kann mit Spektroskopie gemessen werden?
Im Wesentlichen können alle organischen Moleküle gemessen werden. Diese können durch Spektroskopie identifiziert sowie deren Konzentration bestimmt werden. Ein einfaches Beispiel wäre eine reife und unreife Tomate über die Bestimmung ihrer Farbe. Eine unreife Tomate ist grün und eine reife eben rot – eine überreife vielleicht tiefrot. In der analytischen Praxis ist es nicht so einfach und augenscheinlich und die Unterschiede können minimal sowie für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sein.
Spezielle Messgeräte und Instrumente, sogenannte Spektrometer oder Spektralfotometer ermöglichen eine sehr exakte und eindeutige Bestimmung über die gemessene Wellenlänge des emittierten Lichts. Im Bereich der Spurenanalytik stößt Spektroskopie an ihre Grenzen, hier können nicht mehr alle Varianten der Molekülspektroskopie eingesetzt werden. Ungeeignet ist Spektroskopie bei Metallen und anorganischen Salzen.
Wie kann mit Spektroskopie gemessen werden?
Über die Bestrahlung von Feststoffen oder die Durchstrahlung von Gasen oder Flüssigkeiten mittels Licht einer definierten Wellenlänge kommt es zu Wechselwirkungen mit der Probe, wodurch ein Teil des Anregungslichts verloren geht. Das Spektrometer misst je nach Messprinzip das von der Probe emittierte Licht oder transmittierte Licht. Die empfangenen Lichtsignale sind für jede Substanz einzigartig und lassen so Rückschlüsse auf Art und Zusammensetzung zu. Gase und Flüssigkeiten können mit einer Küvette, Messzelle oder Sonde gemessen werden, dabei durchdringt das Licht die Substanz oder Probe. Bei Feststoffen wird das Licht an der Oberfläche reflektiert und dann aufgefangen. Diese Art der Vermessung einer Probe beinhaltet viele Informationen über die physikalische und molekulare Struktur der Probe, die mit statistischen Auswertemethoden zur Aufschlüsselung der Probenzusammensetzung benutzt werden. Sehr gängige und bewährte Messbereiche, über die viele Medien und Stoffe identifizierbar sind (Chemometrie), befinden sich in den Wellenlängenbereichen UV, Vis, NIR, MIR.
Welche Vorteile gibt es gegenüber anderen Messmethoden?
Spektroskopische Methoden sind schneller und effizienter als eine Vielzahl anderer Analysemethoden. Im Vergleich zum Beispiel zu nasschemischer Analytik bietet Spektroskopie einen sehr erheblichen Zeitvorteil. Die Messung ist zudem zerstörungsfrei und zum Teil auch mit Distanz zum Analysemedium möglich. Weitere Vorteile sind:
Keine Probenvorbereitung
Ideal für heterogenes Material
Kein Abfall, keine Chemikalien
Hoher Probendurchsatz
Analysen in Echtzeit
Einsatz in Ex-geschützten Bereichen
Weshalb sollte man Spektroskopie anwenden?
Die Nutzen von Molekülspektroskopie, vor allem als Inline oder Online-Messung, sind vielfältig und amortisieren die Investitionskosten üblicherweise in relativ kurzer Zeit. Wesentliche Nutzen sind folgende:
Verbesserte Produktionseffizienz
Effektive und schnelle Qualitätskontrolle
Größere Ausbringungsmenge
Höhere Produktqualität
Hohe Zeitersparnis
Reduzierter Energieeinsatz
Weniger Ausschuss
Optimierte Prozesssteuerung
Höhere Prozesstransparenz
Einfache Analyse von Reaktionsprozessen
Mehr Prozesssicherheit
Für welche Branchen ist es interessant?
Molekülspektroskopie kann unabhängig von Branchen in vielen Bereichen eingesetzt werden und Nutzen stiften. Die wesentlichen Branchen, die Spektroskopie seit vielen Jahren erfolgreich einsetzen sind folgende:
Agrar
Biotechnologie
Chemie
Genussmittel
Kunststoffe
Lebensmittel
Petrochemie
Pharmazie
Polymere
Lohnt sich Molekülspektroskopie?
Molekülspektroskopie ist eine seit über 100 Jahren bewährte Messtechnologie, die seit ihrer Erfindung immer weiter entwickelt und verfeinert wurde. Je nach Komplexität, Aufgabenstellung und Messort können sehr kurzfristige Nutzen erzielt werden. Im Bereich der Inline- und Onlinemessungen der Prozessanalysentechnik sind ROI Berechnungen veröffentlicht, die innerhalb von 6 Monaten bis zu 2 Jahren eine Amortisation aufzeigen. Lesen Sie dazu mehr auf dieser Seite und sprechen Sie uns bei Interesse an: www.hellma.com/de/prozessanalytik-loesungen/return-on-investment-und-best-cases/
Effiziente Realisierung vieler Messstellen mit nur einem Spektrometer: NIR-spektroskopische Online-Überwachung komplexer Fertigungspro-zesse am Beispiel der Polymerisation
Prozesskontrolle mittels NIR- Spektroskopie in der Polyoxymethylen- Herstellung
Für den Einsatz unter Extrembedingungen
Hellma-Produkte im Weltraum
So zum Beispiel im Frühjahr 2008 als ein Protein-Kristallisations-Reaktor aus Quarzglas mit dem 24. Flug des NASA Space Shuttle Atlantis zur Internationalen Raumstation ISS gebracht wurde.Der Kristallisationsreaktor kommt im Europäischen Weltraumlabor Columbus zum Einsatz und wird für die Untersuchung von Protein-Kristallisation unter Schwerelosigkeit eingesetzt. Das Wissen aus diesen außerirdischen Experimenten fließt auf der Erde in die Entwicklung von Wirkstoffen gegen Krankheiten ein.
Beim jüngsten Ausflug ins All im Oktober 2018, im Rahmen der ESA-JAXA BepiColombo Mission zum Merkur, lieferten die Spezialisten für optische Kristalle von Hellma Materials einen 3 Zoll großen Cerium-Bromid (CeBr3) Szintillations-Kristall. Dieser arbeitet in dem Gammastrahlen und Neutronen Spektrometer und ist essentiel zur planetaren Fernerkundung.
Hellma-Produkte in der Tiefsee
Die Tiefsee ist ein unwirtlicher Ort ohne Licht und mit hohem Druck. Hellma-Produkte können auch dort einen wertvollen Dienst leisten, wie zum Beispiel bei der Erdölförderung auf See. Die Messung von Wasser in Erdöl unterstützt die Qualitätskontrolle effektiv und erleichtert es die Umwelt-Anforderungen einzuhalten.
Die Anforderungen an die Qualität der Produkte sind bei diesen extremen Bedingungen sehr hoch und die Produkte werden häufig speziell dafür entwickelt. Das Know How aus diesen Projekten fließt kontinuierlich in das Hellma-Produktprogramm ein, wodurch alle Hellma-Kunden automatisch davon profitieren.
Prozessanalytische Einsatzgebiete
Chemie
Energie
Forschung und Entwicklung
Lebensmittel
Life Science
Luft- und Raumfahrt
Pharma
Photonik
Umwelt
Typische Anwendungsbeispiele für Prozesssonden sind z. B.:
Überwachung der Produktion von Kunststoffen, Lacken, Farben und Pigmenten
Kontrolle der Wirkstoff-Freisetzung von Arzneimitteln (TDA)
Verfolgung und Steuerung von Reaktionsverläufen
Bestimmung von Konzentration und Farbe
Bestimmung der Säurezahl, OH-Zahl, Dissoziationskonstanten und Verteilungskoeffizienten
Untersuchung von stark absorbierenden Medien (ATR-Messung)
