Mikrospektromter: klein aber oho!

Mit einer einzigen Fotodiode können Forscher in ihrem Mikrospektrometer die Farben des Lichts messen – sichtbare und unsichtbare im UV- sowie Infrarot-Bereich. Ein Prototyp wird auf der Messe Analytica in München Halle A2, Stand 280 vorgestellt.

Wie ist die Atmosphäre der Sonne zusammengesetzt oder das Gestein auf dem Mars? Welche Abgase erzeugt ein Verbrennungsmotor? Liegt auf dem Förderband der Müllsortierungsanlage Polystyrol oder Polypropylen? Spektrometer geben die Antwort. Mit dem spektralen »Fingerabdruck« lassen sich Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase identifizieren und analysieren. Das Herzstück der meisten Spektrometer ist ein Beugungsgitter. Anders als Prismen, die kurzwellige violette Lichtanteile stärker ablenken als die langwellige rote, liefern Beugungsgitter ein gleichmäßig aufgefächertes Spektrum. Die meisten Beugungsgitter-Spektrometer lenken das erzeugte Spektrum direkt auf eine Reihe lichtempfindlicher Elemente, die für jede Farbe die Intensität des Signals messen. Aus der Lichtabsorption des zu analysierenden Stoffs lässt sich auf die chemische Zusammensetzung schließen. Für den sichtbare Bereich des Lichts gibt es bereits preisgünstige Silizium-Dioden. Für Messungen im nahinfraroten oder infraroten Spektrum benötigt man bisher jedoch Arrays aus mehreren hundert Gallium-Arsenid-Detektoren, und die sind teuer.

Eine neue Lösung haben Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden zusammen mit ihrem Industriepartner, der CTR AG in Villach, entwickelt. Auf der Analytica in München stellen sie ein Mikrospektrometer vor, das mit einem einzigen Detektorelement auskommt. Kernstück der Anlage ist ein schwingender Spiegel – den haben die Dresdner Ingenieure ursprünglich als Mikroscanner für Barcode-Leser erdacht. Für das Mikro-Spektrometer wurde in den glatten Scanner-Spiegel ein hochgenaues, reflektierendes Beugungsgitter geäzt. Aus der Position des Spiegels, der sich ständig hin und her bewegt, können die Forscher die zugehörige Wellenlänge errechnen. Auf diese Weise lässt sich das gesamte Spektrum mit nur einem Detektor abrastern.

Der Prototyp des neuen Spektrometers ist 165 x 110 x 80 Millimeter klein, wiegt ein Kilo und enthält einen Prozessor, der die Detektordaten direkt im Gerät verarbeitet. Je nach eingesetzter Diode reicht der Detektionsbereich von ultravioletten 200 Nanometer bis in den Nah-Infrarot-Bereich bei 2 500 Nanometer. Messungen sind bereits beim Licht einer 20 Watt-Halogen-Lampe möglich, wobei das schnellste Schwinggitter pro Millisekunde ein 500 Nanometer-Spektrum abtastet. Die optische Auflösung liegt bei 5 bis 10 Nanometern und ist damit höher als die vieler konventioneller Spektrometer.