Techniklexikon

Emissionsspektroskopie

Atom- und MolekülphysikLaserphysik und -technik, Anregungsspektroskopie, eine Form der Laserspektroskopie, in der ein durchstimmbarer Laser benutzt wird, um ein Probengemisch anhand des Fluoreszenzlichts des Gemisches auf seine Zusammensetzung bzw. das Vorkommen bestimmter Elemente oder Verbindungen zu untersuchen. In der Emissionsspektroskopie wird der Laserstrahl durch eine Zelle geschickt, die das meist gasförmige zu untersuchende Gemisch enthält. Trifft ein vom Laser ausgesandtes Photon in der Zelle auf ein Gasatom, so kann es nur dann absorbiert werden, wenn die Frequenz des Photons, d.h. seine EnergieE_photon = h n,

der EnergiedifferenzDE_ik = E_k - E_i

eines elektronischen Übergangs des Elements entspricht. Im Gegensatz zur Absorptionsspektroskopie wird nicht gemessen, wie stark die Probe den Laserstrahl absorbiert. Statt dessen detektiert man die Fluoreszenzphotonen der Probe: Da die Teilchen nach der Absorption in einem angeregten Zustand  sind, werden sie nach kurzer Zeit (typischerweise einige ns) durch spontane Emission eines Photons wieder in einen tieferen Zustand zurückkehren. Gibt es keine strahlungslosen Übergänge, durch die ein angeregtes Atom seine Energie ohne Aussendung eines Lichtquants wieder abgeben könnte, dann induziert jedes absorbierte Photon mindestens ein Fluoreszenzphoton. Mit einer Optik (Linsen, Spiegel, Glasfasern) können diese Lichtquanten, die isotrop ausgesandt werden, gesammelt und mit einem Detektor in einer entsprechenden Messanordnung mit sehr hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden. Mit Photomultipliern ist es prinzipiell möglich, auch einzelne Fluoreszenzphotonen nachzuweisen, allerdings ist dies aufgrund von Streulicht, Dunkelströmen und Detektorrauschen kaum praktikabel. Sicher nachweisen lassen sich jedoch noch Absorptionsraten von 1000 Photonen/s und damit relative Absorptionen von etwa DI / I £ 10^-15 - also bis zu einem Faktor 10¹⁰ empfindlicher als mit der Absorptionsspektroskopie. Die so erreichbare Nachweisempfindlichkeit, die es erlaubt, auch geringste Mengen eines Stoffes in einer Probe nachzuweisen, macht die Emissionspektroskopie besonders in der Spurenanalytik unverzichtbar. So konnten z.B. schon Natrium-Atom-Konzentrationen im Bereich von 100 Atomen/cm³ gemessen werden. Das Auflösungsvermögen ist in der Emissionsspektroskopie vor allem durch die Doppler-Verbreiterung der Linien beschränkt, die aus der thermischen Bewegung der Teilchen im Gas resultiert. Erst in der Kombination mit anderen Methoden der Laserspektroskopie, so z.B. der Laserspektroskopie am kollimierten Atomstrahl statt in einer Zelle, ist es möglich, das Auflösungsvermögen über die Doppler-Verbreiterungsgrenze hinaus zu erhöhen.

Bei der Analyse sehr geringer Teilchenkonzentrationen wird oft eine Form der Ionisationsspektroskopie angewandt, die durch ihre sehr effiziente Messung der im Gas angeregten Teilchen eine noch bessere Nachweisempfindlichkeit erlaubt.

Die Emission von Fluoreszenzlicht heisser Plasmen wird mittels Plasmaspektroskopie untersucht. [PVDH, SW]