Spektroskopiker entschlüsseln Informationen im Plasma-Licht (Teil 1)

Die Plasma-Spektroskopiker an der Universität Münster nutzen die besonderen Eigenschaften von Plasmagas für analytische Zwecke. Sie sind in der Lage, die in den Lichtemissionen von Plasmen – das sind ionisierte und meist sehr heiße Gase – enthaltenen analytisch-chemischen Informationen zu entschlüsseln und so qualitative und quantitative Analysen praktisch alle Arten von Proben zu ermöglichen. Mit der Plasmaspektroskopie steht den Analytikern eine hocheffiziente Methode zur Verfügung, die es ihnen erlaubt, selbst geringste Spuren von Inhaltsstoffen zu analysierender Proben zu aufzuspüren.

In der modernen Elementanalyse bilden heute plasma-spektrometrische Methoden die wichtigsten Techniken der Analytiker. Plasmen sind in der Lage, so mit Probenmaterie wechselzuwirken, dass dadurch sehr viele Informationen über die Proben gewonnen werden können. Im Plasma wirken hohe Energien auf die Moleküle und Atome des Probenmaterials, wodurch diese ihre charakteristischen Eigenschaften preisgeben und dem Spektroskopiker offenbaren. Dafür gibt es verschiedene Wege wie zum Beispiel die Erzeugung von Element-Ionen, die aus dem Probenmaterial gebildet und mit einem Massenspektrometer (MS) hochempfindlich gemessen werden können. Im Jahr des Lichtes 2015 soll in diesem Beitrag das Augenmerk aber auf die Informationen gelegt werden, die das Plasma und die Probe bei ihrer Wechselwirkung in das Licht kodieren, welches dann vom Plasma emittiert wird. Die Analytik, bei der dieses kodierte Licht entschlüsselt wird, nennt man optische Emissionsspektroskopie (OES).

Aber wenden wir uns zunächst der Frage zu: Was ist überhaupt ein Plasma?

Plasma – der vierte Aggregatzustand der Materie

Neben den drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig gibt es einen weiteren Zustand, in den Materie durch Zufuhr von Energie überführt werden kann – das Plasma. Durch thermische, elektrische oder durch die Energie elektromagnetischer Strahlung können die Atome eines Gases ionisiert werden, sodass neben den neutralen Gasatomen oder -molekülen Kationen und freie Elektronen vorliegen. Führt man solchen ionisierten und somit auch elektrisch leitfähigen Gasen kontinuierlich weitere Energie zu, so entwickelt sich unter bestimmten Rahmenbedingungen ein chaotischer Zustand von Zusammenstößen hochenergetischer Teilchen, wodurch sich die Energie im gesamten energieversorgten Volumen des Gases verteilt und immer wieder neue elektronische Anregungs- und Ionisationsprozesse auftreten. Ein Plasma ist also ein ganz oder teilweise ionisiertes Gas, welches hochenergetische Teilchen enthält.

Beim Blick in den sternklaren Nachthimmel sehen wir das von den Spektroskopikern so begehrte Resultat derartiger Plasmaprozesse. Jeder leuchtende Stern im Weltall – wie auch unsere Sonne – befindet sich im Plasmazustand. Der vierte Aggregatzustand ist also wohl der mit Abstand häufigste Zustand im Universum.

Die dort hoch angeregten Elementarbestandteile der Sterne emittieren große Mengen an Strahlungsenergie, von sehr kurzwelligen und energiereichen Gammastrahlen bis zu den langwelligen Radiowellen. In diesem elektromagnetischen Strahlungsspektrum ist auch der relativ kleine Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm enthalten, der für das menschliche Auge als Licht wahrgenommen wird.

Plasmen weisen je nach den Rahmenbedingung, unter denen sie entstehen, unterschiedlichsten Eigenschaften auf. Abbildung 1 gibt einen groben Überblick welche Arten von Plasmen bei welchen Elektronendichten und Temperaturen auftreten.

                                                         
Abbildung 1: Plasmen gibt es in vielen verschiedenen Arten, deren Eigenschaften vorrangig durch ihre Elektronendichten und Temperaturen bestimmt werden. Analytische genutzte Plasmen finden sich im grün eingekreisten Bereich.

Im Spektroskopie-Labor erzeugen die Analytiker gezielt derartige Plasmen, um deren Eigenschaften für Element- und Molekülanalysen zu nutzen. Dabei werden in der Regel Edelgase wie Helium oder Argon verwendet, denen mit verschiedenen Techniken elektrische bzw. elektromagnetische Energie zugeführt wird. Für manche Analysen, wie etwa die Bestimmung der Alkali- und Erdalkalielemente, reicht sogar das relativ "kalte" Plasma einer normalen Erdgasflamme aus, um die Informationen der Elemente damit sichtbar zu machen. Wegen der besonders hohen Energiezustände von im Plasma angeregten Edelgasatomen und -ionen sind diese aber besonders gut dazu geeignet, ihre Energie durch Stöße mit den zu analysierenden Elementen auf diese zu übertragen. Ihrerseits angeregt, emittieren die gesuchten Analyten beim Übergang von höheren zu niedrigeren Anregungszuständen daraufhin ihre elementcharakteristische Linienstrahlung bei ganz bestimmten Wellenlängen. Diese ergeben sich überaus scharf (wenige Pikometer Wellenlängenbreite) aus den Energiedifferenzen der beteiligten Energiezustände, zwischen denen der Energieübergang stattfindet. Diese scharfen "Elementlinien" des Lichtes sind dem Spektroskopiker natürlich für alle Elemente genauestens bekannt, so dass nach entsprechender Wellenlängenseparation die Elemente, aus welchen die zu untersuchenden Proben zusammengesetzt sind, präzise und mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden können.