Selbstbau - UV-Spektrometer

DIY-Physiker · Anmeldungsdatum: 14.10.2016 Beiträge: 1

Meine Frage:
Guten Tag zusammen,

Ich bin zwar kein Physiker (dafür aber ein phsyik-interessierter Physikalischer Chemiker Augenzwinkern

) und möchte für ein Schüler-Projekt folgendes konzipieren / in Zusammenarbeit mit den Schülern bauen:

Ein (UV-)Vis-Spektrometer. Ich denke den meisten wird das etwas sagen, falls nicht: Eine Lichtquelle (möglichst kontinuierliches Spektrum vom UV bis zum oberen Vis-Bereich wird durch einen Monochromator gelenkt und dann anschließend durch eine Lösung einer Probe geleitet. Dahinter steht ein Detektor. Es gibt zwei Ansätze um "Hintergrundstrahlung" herauszurechnen, einmal würde man das Lösungsmittel ohne die Probesubstanz messen und anschließen die Probe, oder ein Zweistrahlspektrometer bauen, in dem zwei Probehalter vorhanden sind, einmal eine "Blindprobe" und einmal die zu vermessende.

Nun habe ich folgende Probleme:
1. Ich möchte zwar hauptsächlich den Vis-Bereich messen können (UV wird wohl von Lichtquelle und Detektor zu anspruchsvoll), weiß aber nicht, welche Lichtquelle am besten geeignet ist.
2. Eignen sich herkömmliche LDRs als Detektoren?
3. Meine Kenntniss in Optik ist ein wenig eingerostet, ich nehme an ich muss das Licht zunächst auf den "Monochromator" (s.u.) fokussieren.

Meine Ideen:
Meine Ansätz zu:
1. Eine Glühglampe (alte Fahrradleuchte, Taschenlampe) wäre wohl die erste Wahl, da mWn hier das Spektrum am kontinuierlichsten ist.

2. Da die LDRs (genauso wie die Lichtquelle) unterschiedliche Intensitäten bei verschiedenen Wellenlängen haben, muss zunächst (neben der Kennlinie) auch eine Kalibration mit einer "Leermessung" vorgenommen werden, um bei jeder Wellenlänge eine gleiche Intensität aufnehmen zu können (das würde ich dann digital über ein PC-Programm regeln.

3. Als "Monochromatoren" kommen mir zunächst ein Prisma, das ich auf einen feinen Schrittmotor befestigt in den Sinn, ansonsten eventuell die Unterseite einer DVD. Wäre stattdessen auch ein optisches Gitter (diese sind ja auch nichtmehr teuer) geeignet? Der "zerlegte" Lichtstrahl würde dann durch zwei hintereinander etwas von einander stehende schmale Schlitze geleitet, damit sichergestellt ist, dass möglichst nur ein kleiner Bereich der gewünschten Wellenlänge hindurchgelangt.

Danach würde ich den LDR / oder mehrere, falls ich keinen LDR für einen Bereich von ~400nm bis 800nm finde, leiten, über einen Messverstärker an den PC anschließen und dann mit selbstgeschriebener Auswertungssoftware verarbeiten.

Selbstverständlich ist mit das Lambert-Beersche-Gesetz ein Begriff, da es aber hauptsächlich (da Schülerprojekt) um die Konzentration (Eichgerade aufnehmen, Probe mit unbekannter Konzentration messen. Der Aufbau wird selbstverständlich in einem Abgedunkelten Kasten untergebracht.

Zusammenfassend sind meine größten Probleme:
- Welcher Monochromator ist am geeignesten? (die Wellenlänge sollte je nach Aufbau +/- 1nm betragen)
- Wie wichtig (und wenn ja, meine optischen Kenntnisse sind ein wenig eingerostet) ist die Fokussierung auf das Prisma, und woher bekomme ich günstig Linsen dafür?

Berufspenner · Anmeldungsdatum: 05.10.2016 Beiträge: 12

Moin

Zunächst einmal ist zu sagen, dass das ein interessantes Vorhaben ist. Im nächsten Satz muss ich aber sagen, dass, auch wenn ein Absorptions- bzw. Transmissionsspektrometer vom Prinzip her eine recht simple sache ist, steckt der Teufel doch im Detail.

DIY-Phyisker · Gast

Hey, danke für die Antwort!

Ich promoviere gerade in Chemie (allerdings organische Big Laugh

), und nutze photometrische Dinge nichtmehr allzuoft.

Das ganze soll auch eher ein Schüler-Projekt werden, daher ist das mit der Genauigkeit nicht sooo wichtig. Es geht eher um den Lern-Effekt "Oha! in einem Schwarzen Edding ist ja mehr als nur schwarz drin" (ja, ich weiß, das kann durch Chromatographie auch leichter gezeigt werden, aber das ganze soll alles in einer Art Verknüpfung von physikalischem, chemischem und (fein-)meschanischem ablaufen.

Ich schraube wohl meine Ansprüche ein wenig herunter, ich habe zwar auch schon Fabrstoffe im Kopf, die Alltagsbezogen sind (sprich im Alltag farblos, chemisch leicht anfärbbar und dadurch Gehaltsbestimmung möglich), aber erst muss das mechanische geklärt werden.

Um Dinge wie Photomultiplier wollte ich herumkommen, indem ich über das Lampenspektrum den Widerstand messe und daraus dann eine Kurve erstelle und diese dann normalisiere. Sollte genau genug sein für meine Zwecke, oder habe ich da einen Denkfehler drin? (also für jede Wellenlänge einen Korrekturfaktur bezogen auf die maximale Absorption).

Viele Grüße

DIY-Phyisker · Gast

kleiner Nachtrag:

- Haben Halogenlampen nicht eher ein diskontinuierliches Spektrum? Ich habe bewusst Glühlampen geschrieben, da diese meines Wissens nach das "kontinuierlichstes" Spektrum haben. Eine andere Überlegung von mit waren mehrfarbige LEDs (4-polig, RGB), aber diese werden wohl auch definierte Banden haben.

- das mit dem Kalibrieren wäre das erste, was ich tun würde: mehrere LDRs (je nachdem welche ich billig bekommen kann mit verschiedenen Wellenlängen oder einige baugleiche) als Detektoren schalten, an einen analogen Signalverstärker schalten und diesen dann via Analog-Digital-Wandler in ein (vermutlich selbstgeschriebenes - das ist mir immer deutlich geheuerer smile

)Programm übergeben, das für jedes Lamba einen Faktor für die Intensität bezogen auf das Absorptions/Transmissionsmaximum berechnet, damit ich eine Skala von 0 bis 100 (oder invers) erhalte.

- Das mit den Schlitzen und dem Beugen habe ich mir auch schon überlegt, allerdings habe ich das schon öfter gelesen, dass es wohl praktisch ist zwei Metall/Karton-Pappen mit je 0.x mm Schlitzen im Abstand von mehreren cm, verschoben zueinander zu platzieren, so das nur ein direkter Strahl hindurch kommt. Aber wie du schon sagtest: Probieren geht über Studieren.

- Beim Aufspalten des Lichtes bin ich auch mit dem Prisma noch _sehr_ unsicher, da ich mittleweile auch einige andere Varianten (z.B. Schichten von alten DVDs oder eben Gitter mit entsprecheder Optik) gefunden habe.

- Und da wären wir wieder beim "größten" Problem, die Optik: ich hab sehr viel Schemata gefunden, teils mit simplen Fokussieren der Lichtquelle auf ein Prisma, bis hin zu mehrfach gegeneinander spiegelnden Gittern, die hinterher wieder fokussiert werden (was ja von der Intensität her wieder sehr viel Sinn machen würde, da ich gerade für die Detektoren nicht allzuviel Geld ausgeben möchte/darf.

Ich würde mich über weitere Anregungen freuen! Nur noch einmal zur Info: ich konzepziere das freiwillig (neben anderen Dingen) für ein Schülerpraktikum, das verschiedene Fachbereiche vernetzen soll. Daher sollte die Planung möglichst billig sein, wenn uns teurere Teile wie Gitter zur Verfügung gestellt werden können - umso besser für uns!

Viele Grüße =)

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

DIY-Phyisker · Gast

Hey, danke für den Beitrag!

Wie schon gesagt, ich will kein taugliches UV-Vis Spektrometer bauen, sondern hauptsächlich Schülern zeigen, wie man mit (rosa-roten) Lösungen eine Eichgerade erstellt und dann eine Probe unbekannter Konzentration bestimmt.

Die meisten Fragen bezogen sich eher auf mein eigenes Interesse, der Reiz ein eigenes (UV-... naja...) Vis-Spektrometer zu basteln liegt eben in der Natur eines technisch versierten Naturwissenschaftler. Dass die UV-Strahlung wohl kaum in meinem Etat liegt, ist klar.

Der Sinn eines Spektrometers (statt monochromatischer Strahlung) ist ganz einfach ein volles Vis-Spektrum aufzunehmen, um auch Lösungsmitteleffekte aufzuzeigen; auch wenn das über das Schülerpraktikum hinaus geht. Aber: "wenn schon, denn schon!". Als Chemiker bin ichs eben gewohnt ein "komplettes UV/Vis-Spektrum, am besten als Kinetik, aufzunehmen, vielleicht deshalb meine Ambition.

Ein "Lego-Projekt" ist zwar für Schüler ganz nett, aber meine "Schüler" sind größtenteils JugendForscht-Kandidaten, die sich da für "höherwertiges interesssieren.

Ich werde jetzt versuchen über die Optik in der Phsyik ein paar "billige" Lösungen zu bekommen (die auch für Schuler ab 13-14 Jahren verständlich sind) und das so umzusetzen. Die Ratschläge hier waren zwar sehr gut, aber leider schon größtenteils bekannt.
Es geht ja nicht darum, ein einfaches "Dings" zu basteln um zu messen "wie rosa ist die Lösung", sondern eben ein schönes Spektrum und auch batho- und hypsochrome Effekte zu zeigen. Und im allerbesten Fall (für die älteren Schüler) isosbestische Punkte zu identifizieren.

Aber das steht alles in den Sternen - ein Schritt nach dem anderen. Ersteinmal - wie schon 2mal geschrieben - Wellenlänge/Intensität kalibrieren mit den billigsten mitteln.

Grüße!