Bau eines LED-Photometers und seine Einbindung in den Schulunterricht

Das Internationale Jahr des Lichts ist Auslöser und bildet zugleich die Basis für verschiedene aktuelle Photonik-Projekte des AATiS. Der Arbeitskreis für Amateurfunk und Telekommunikation in der Schule e.V. (AATiS) wurde vor mehr als zwanzig Jahren zur Förderung des technisch-naturwissenschaftlichen Nachwuchses gegründet. Der Verein fördert Lehrer und Ausbilder und bietet ihnen Materialien für ihre Arbeit an (Abbildung 1). Es sind Projekte, die gleichermaßen Lehrer, Jugendleiter, Kinder und Jugendliche faszinieren. Als Medien zur Weiterbildung werden Workshops, ein jährlich erscheinendes Praxisheft mit ausführlichen Beschreibungen und z.B. Lehrerfortbildungen im Rahmen von Messen (z.B. HAM RADIO) angeboten[1].

Abbildung 1: Im Rahmen einer Fortbildungsveranstaltung für Lehrer in Friedrichshafen am Bodensee konnten Schüler unter fachkundiger Anleitung das Photometer aufbauen und testen

Die Projekte sind eine Fundgrube für den Unterricht der MINT-Fächer, wobei sich aus ihnen auch Themen für naturwissenschaftliche Schülerwettbewerbe (z.B. Jugend forscht) ableiten lassen. Rund um das Thema "Licht" werden verschiede Aspekte in unterschiedlich anspruchsvollen Projekten angeboten:

•    Lichttechnische Grundlagen (Emissionsspektren von LEDs und anderer Leuchtmittel)
•    Analytische Messgeräte im Selbstbau (Photometer und Gitterspektrometer mit elektronischer Datenübertragung)
•    Informationsübertragung per Licht (Laufschrift) und optische Telekommunikation mittels LEDs
•    Themen zur Lichtverschmutzung

Auf das Projekt "Bau eines LED-Photometers für den Schulunterricht" soll näher eingegangen werden, da es die Themen Licht und Chemie in idealer Weise vereint.

Die erste Veröffentlichung, in der LEDs als Lichtquellen für einfache Photometer vorgeschlagen wurden, stammt aus dem Jahr 1973[2]. Durch die Nutzung von LEDs als Strahlungsquellen kann auf teure Monochromatoren verzichtet werden, was den technischen Aufbau wesentlich vereinfacht. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Halbwertsbreite des emittierten LED-Lichts um 20 nm liegen kann, woraus sich ein kleinerer linearer Arbeitsbereich im Vergleich zu Geräten mit Monochromatoren ergeben kann. Die Absorptionswellenlänge vieler photometrischer Tests liegt im Bereich zwischen 400 nm und 1000 nm, so dass in diesen Fällen LEDs als Lichtquellen genutzt werden können. Einen Übersichtsartikel zu Sensorkonzepten und analytischen Methoden auf Basis von LED-Photometern wurde in 2008 publiziert[3]. Zudem sind von mehreren Herstellern verschiedene kommerzielle Geräte erhältlich.

In den letzten Jahren haben einige Entwicklungen dazu beigetragen, das Konzept von LED-Photometern noch interessanter werden zu lassen:

In den 1970er Jahren bestand eine Limitierung in den wenigen verfügbaren Emissionswellenlängen (rot, gelb und grün). Blaue LEDs mit 490 nm waren ab 1984 verfügbar[4]. Nach und nach kamen auch bezahlbare UV-A-LEDs auf den Markt. Aktuelles Anwendungsbeispiel von UV-A-LEDs sind Geldscheinprüfer oder UV-Taschenlampen auf Basis von Leuchtdioden mit ca. 400 nm Emissionswellenlänge. Ergänzend sei erwähnt, dass bereits LEDs im UV-B- und UV-C-Bereich erhältlich sind. Diese spielen aber aufgrund ihres hohen Preises (> 100 Euro pro Stück) und einer begrenzten Lebensdauer derzeit nur in ausgewählten wissenschaftlichen Anwendungen eine Rolle. Als weitere generelle Entwicklung neben der größeren Wellenlängenvielfalt ist in den letzten Jahren auch die Lichtintensität der LEDs deutlich gestiegen.

Neben der Vielfalt der aktuell verfügbaren LEDs sind die enormen Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Mikroelektronik, Sensorik und Datenverarbeitung zu nennen. Typischerweise waren einfache Selbstbau-Photometer mit Photodioden und einem Transimpedanzverstärker ausgestattet, die eine Transmissionsanzeige hatten. Die Transmission muss noch in Extinktionseinheiten umgerechnet werden, damit sich ein linearer Zusammenhang zwischen Konzentration und Detektorsignal ergibt. Da ein solcher logarithmierender Verstärker nur mit einem erhöhten finanziellen Aufwand realisierbar war, wurden die Transmissionwerte oft manuell oder bestenfalls über eine Schnittstelle in einen Rechner übertragen, der dann die Logarithmierung durchgeführt hat. Seit einigen Jahren sind aber Microcontroller auf dem Markt verfügbar, die sich frei programmieren lassen und z.B. auch die Ausgabe des logarithmierten Werts auf einem Display ermöglichen. Insbesondere ist hier die Arduino-Plattform zu nennen, die auf einfache und kostengünstige Weise den Bau von hochpräzisen Messgeräten ermöglicht und eine neue Dimension in der Steuer-, Mess- und Regeltechnik eröffnet hat[5].


Das LED-Photometer des AATiS

Die Verfügbarkeit einer großen Auswahl an Emissionswellenlängen und die neuen Möglichkeiten der modernen Mikroelektronik haben den AATiS im Rahmen des Photonik-Projekts zum Internationalen Jahr des Lichts veranlasst, einen zeitgemäßen LED-Photometer-Bausatz für den Schulunterricht zu entwickeln (Abbildung 2).

Abbildung 2: Frontansicht des LED-Photometers.

Dieses Photometer ermöglicht auf einfache Weise analytische Bestimmungen von Inhaltsstoffen über Absorptionsmessungen. Analyte können nicht nur Farbstoffe, sondern auch über Farbreagenzien zugängliche Wasserinhaltsstoffe (z.B. Sulfat, Kupfer, Phosphat, Nitrat, Nitrit, Ammonium, Eisen, Chromat, …) sein. Zur Adaption einer analytischen Methode muss eine LED mit passender Wellenlänge verwendet werden. Dem Bausatz liegen bereits acht charakterisierte LEDs bei, deren Emissionswellenlängen für viele Anwendungen geeignet sind. Das Photometer ist durch den Mikrocontroller und das Display als Stand-Alone-Gerät verwendbar (Anzeige von z.B. LED-Wellenlänge, Rohdaten, Transmission, Ex-tinktion). Durch die Übertragung der Messdaten per USB in die mitgelieferte Software ist das Photometer auch als Online-Detektor in Fließsystemen einsetzbar oder es lassen sich Experimente zur Reaktionskinetik realisieren. Eine ausführliche Beschreibung zum Aufbau, Betrieb und zu bereits übertragenen analytischen Methoden kann über die Seite des AATiS erhalten werden[6].

Abbildung 3: (links): Absorptionsspektrum von Tartrazin und Emissionsspektrum einer LED mit 402 nm. (rechts) Resultierende Kalibriergerade mit dem LED-Photometer

Dem Bausatz liegt ein Farbstoffstandard (Tartrazin) bei, der für erste photometrische Übungen verwendet werden kann. Da es sich um einen Lebensmittelfarbstoff in Wasser handelt, können die Experimente auch eigenständig von jüngeren Schülern durchgeführt werden. In Abbildung 3 ist das Absorptionsspektrum von Tartrazin, das Emissionsspektrum der passenden mitgelieferten LED und die mit dem Photometer erhaltene Kalibriergerade zu sehen. Neben zahlreichen photometrischen Methoden zur Wasseranalytik können auch anspruchsvolle Versuche zur Reaktionskinetik (z.B. das Ausbleichen von Kristallviolett) durchgeführt werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Kinetikversuch zum Ausbleichen von Kristallviolett

Literatur

[1] www.jahr-des-lichts.de/experimente-mit-licht-von-der-messtechnik-zur-telekommunikation/

[2] H. Flaschka, C. McKeithan, R. Barnes, Light emitting diodes and phototransistors in photometric modules, Analytical Letters, 1973, 6(7), 584-594.

[3] M. O'Toole, D. Diamond, Review: Absorbance based light emitting diode optical sensors and sensing devices, Sensors, 2008, 8, 2453-2479.

[4] P.K. Dasgupta, H.S. Bellamy, H. Liu, J.L. Lopez, E.L. Loree, K. Morris, K. Petersen, K.A. Mir, Light emitting diode based flow-through optical absorption detectors, Talanta, 1993, 40(1), 53-74.

[5] www.arduino.cc

[6] www.aatis.de/content/bausatz/AS535_Foto%C2%ADmeter