Vom Licht einer Flamme bis zum Tiefenprofil einer Beschichtung. Die optische Emissionsspektroskopie wertet Licht aus, das angeregte Atome, Ionen oder Moleküle aussenden. Je nach Messaufgabe liefert das Spektrum Hinweise auf die Zusammensetzung einer Probe, den Zustand eines Plasmas oder den Aufbau einer Beschichtung. Entscheidend sind die Art der Anregung und die spektrale Erfassung des emittierten Lichts.
Wie funktioniert optische Emissionsspektroskopie?
Eine Flamme, ein Plasma oder eine elektrische Entladung regt Teilchen an. Beim Übergang in einen niedrigeren Energiezustand können sie Licht aussenden. Atome und Ionen erzeugen charakteristische Spektrallinien. Moleküle können Gruppen dicht benachbarter Linien bilden, die als Banden erscheinen. Eine Sammeloptik erfasst das Licht und führt es über eine Faser oder im Freistrahl zum Spektrometer. Dort wird es nach Wellenlänge aufgetrennt und mit einem Detektor erfasst.
Welche Informationen liefert OES?
Elemente erkennen und quantifizieren
Die Wellenlänge einer geeigneten Linie gibt Hinweise auf das emittierende Element. Für Konzentrationsangaben müssen Linienintensitäten in der Regel mit passenden Standards kalibriert und Einflüsse von Untergrund, Probenmatrix und überlagerten Linien berücksichtigt werden.
Prozesse und Materialschichten untersuchen
Werden Spektren wiederholt aufgenommen, lassen sich Änderungen von Linien und Banden verfolgen. In einem Prozessplasma kann das auf veränderte Anregungsbedingungen oder Spezies hinweisen. Bei GD-OES lässt sich verfolgen, wie sich die Zusammensetzung beim Schichtabtrag ändert.
Flamme, kontinuierliches Plasma und Glimmentladung
Flammen-OES
Bei der klassischen Flammenemissionsspektroskopie wird eine flüssige Probe meist zerstäubt und als Aerosol in die Flamme eingebracht. Dort werden freie Atome gebildet und thermisch angeregt. Das Verfahren eignet sich besonders für leicht anregbare Elemente wie Natrium und Kalium. Auch in der Verbrennungsdiagnostik lässt sich das Eigenleuchten der Flamme auswerten. Dort geben etwa die Emissionsbanden angeregter OH- und CH-Radikale Hinweise auf die Reaktionszone.
OES an kontinuierlich betriebenen Plasmen
In der Elementanalytik ist ICP-OES ein Beispiel. Eine meist flüssige Probe gelangt bei dieser Emissionsspektroskopie als Aerosol in ein induktiv gekoppeltes Argonplasma. Die Emission angeregter Atome und Ionen erlaubt es, mehrere Elemente über ihre charakteristischen Linien zu bestimmen.
Bei der Prozessplasma-Diagnostik wird das Licht des vorhandenen Plasmas beobachtet, etwa in einem Beschichtungs- oder Ätzprozess. Zeitreihen ausgewählter Linien oder Banden können Änderungen im Prozess sichtbar machen. Linienintensitäten hängen dabei sowohl von der Menge der emittierenden Spezies als auch von deren Anregungsbedingungen ab.
Glimmentladungs-OES (GD-OES)
In einer Niederdruck-Glimmentladung treffen meist Argonionen auf die Oberfläche einer Festkörperprobe und tragen Material ab. Die freigesetzten Atome werden in der Entladung angeregt. Ihre Emission wird bei GD-OES während des Abtrags aufgezeichnet. So werden Übergänge zwischen Beschichtung und Grundmaterial sichtbar. Für quantitative Konzentrations-Tiefenprofile müssen die Intensitäten und die Umrechnung von Sputterzeit in Tiefe für das Material kalibriert werden.
Die Verfahren im Überblick
| Verfahren | Typische Messaufgabe | Worauf kommt es an? |
|---|---|---|
| Flammen-OES | Leicht anregbare Elemente in Lösungen bestimmen oder Flammenemission beobachten. | Geeignete Linien oder Banden und reproduzierbare Beobachtungsbedingungen. |
| Kontinuierliche Plasma-OES | Mehrere Elemente in Proben bestimmen (z. B. ICP-OES) oder Änderungen im Prozessplasma verfolgen. | Bei der Elementanalytik geeignete Analysenlinien und Kalibrierung, bei der Prozessdiagnostik zusätzlich passende zeitliche Abtastung. |
| GD-OES | Elementverteilung in Beschichtungen und oberflächennahen Bereichen untersuchen. | Wiederholte Aufnahme während des Abtrags und Kalibrierung für quantitative Tiefenprofile. |
| LIBS | Festkörper lokal analysieren, etwa an einzelnen Messpunkten oder in einem Raster. | Abstimmung von Laseranregung und Detektionszeitfenster auf das kurzlebige Plasma. |
Auch Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) gehört zur OES. Hier erzeugt ein kurzer Laserpuls das Plasma direkt am Messpunkt. Das ermöglicht ortsaufgelöste Analysen, etwa an Partikeln oder auf Materialoberflächen.
Wann lohnt sich ein Echelle-Spektrometer?
Wenn, wie bei der Emissionsspektroskopie, viele Linien gleichzeitig erfasst werden sollen oder relevante Signale dicht beieinanderliegen, bietet die Echelle-Spektroskopie eine Kombination aus breiter simultaner Wellenlängenabdeckung und hoher spektraler Auflösung. In einem Echelle-Spektrographen trennt eine zweite Dispersion die überlappenden Beugungsordnungen auf einem Flächendetektor. Dadurch stehen in einer Aufnahme mehrere Linien pro Element sowie Referenzlinien und Bereiche für die Untergrundkorrektur zur Verfügung, sofern sie im erfassten Spektralbereich liegen.
Beim GD-OES-Tiefenprofil einer Zink-Nickel-Beschichtung lassen sich die Linien von Zink und Nickel gemeinsam mit denen von Eisen, Mangan und Chrom erfassen. Da die Oberfläche während der Messung kontinuierlich abgetragen wird, ist die gleichzeitige Aufnahme besonders hilfreich: Alle fünf Signale lassen sich derselben Sputterzeit zuordnen.
Für die Auslegung in der Emissionsspektroskopie zählen die Zielwellenlängen und der kleinste aufzulösende Linienabstand ebenso wie Lichtdurchsatz, Dynamikbereich und benötigte Messrate. Besonders im tiefen UV muss der gesamte optische Pfad zur Zielwellenlänge passen, vom Fenster an der Quelle über die Lichtführung bis zum Detektor. Bei schwachen oder schnell wechselnden Signalen ist die Kombination aus Lichtsammlung, Detektor und Belichtungszeit entscheidend.
Echelle-Spektrometer für Ihren OES-Aufbau
LTB hat Echelle-Spektrometer bereits für Flammen-OES, kontinuierliche Plasma-OES und GD-OES bereitgestellt. Die ARYELLE-Spektrographen übernehmen in solchen Aufbauten die spektrale Erfassung. Welche Konfiguration zur Messaufgabe passt, hängt vom benötigten Wellenlängenbereich, der Auflösung und der Anbindung an die vorhandene Quelle ab.
ARYELLE 200
Kompakter Echelle-Spektrograph für die simultane Erfassung eines breiten Wellenlängenbereichs, etwa für Multielementmessungen und die Beobachtung mehrerer Plasmalinien.
ARYELLE 400
Echelle-Spektrograph mit höherem Auflösungsvermögen für Anwendungen mit eng benachbarten Emissionslinien und komplexen Spektren.
ARYELLE Butterfly
Doppel-Echelle-Spektrograph mit zwei Spektrographen in einem Gehäuse, wenn unterschiedliche Spektralbereiche gemeinsam erfasst werden sollen.
Häufige Fragen zur optischen Emissionsspektroskopie
Kann Optische Emissionsspektroskopie Konzentrationen direkt aus der Linienintensität bestimmen?
Eine quantitative Auswertung erfordert in der Regel eine Kalibrierung. Bei gleicher Konzentration kann sich die Intensität beispielsweise durch andere Plasmabedingungen, Matrixeffekte oder Selbstabsorption ändern. Für die Methodenentwicklung sind geeignete Referenzproben und störungsarme Linien wichtig.
Kann ein Echelle-Spektrometer an eine vorhandene Plasmaquelle angeschlossen werden?
Eine Anbindung ist je nach Aufbau über eine Faser oder Freistrahloptik möglich. Für die Auswahl sind die Geometrie und das Fenster der Quelle, der gewünschte Spektralbereich, die verfügbare Lichtmenge und die erforderliche Messrate relevant.
Was unterscheidet spektrale Auflösung und Zeitauflösung?
Die spektrale Auflösung bestimmt, wie eng zwei Emissionslinien beieinanderliegen dürfen, damit sie getrennt erfasst werden. Die Zeitauflösung bestimmt, wie schnell sich Änderungen der Emission verfolgen lassen. Sie hängt unter anderem von Belichtungszeit, Auslesegeschwindigkeit und Synchronisation ab.
Ihre OES-Messaufgabe besprechen
Sie planen einen OES-Aufbau oder möchten Ihre vorhandene Quelle um eine spektrale Erfassung ergänzen? Zielwellenlängen, erwartete Signalstärke und die gewünschte Messrate helfen uns, gemeinsam eine passende Konfiguration auszuwählen.