In den letzten zehn Jahren hat die Miniaturisierung von Spektrometern für die Raman-, Infrarot- und Nahinfrarot-Technik große Fortschritte erzielt. Die anfängliche Triebfeder für diese Entwicklung war dabei die in USA massiv geförderte Homeland-Security zur Vor-Ort-Detektion von Explosivstoffen oder toxischen Materialien in Krisengebieten.

Gerätetechnisch basiert ein Großteil der Bauteile dieser portablen Geräte auf der sog. MEMS (micro electro mechanical system)-Technologie. Die damit verbundene Miniaturisierung, robuste Konstruktion und der niedrige Energieverbrauch haben dazu geführt, dass heute ein mobiles Labor für die gesamte Palette von Schwingungsspektrometern problemlos in einer geräumigen Aktentasche transportiert werden kann (Abb. 1).
Dem bekannten Phänomen, dass fluoreszierende Substanzen die Aufnahme von Raman-Spektren empfindlich stören können, wurde kürzlich Rechnung getragen, indem zusätzlich zu dem in Abbildung 1 gezeigten Raman-Spektrometer mit 785 nm Laseranregung ein porta­bles Gerät mit Anregung im nahen Infrarot (1.064 nm) entwickelt wurde (Abb. 2).^

Kleine Geräte mit großer Leistung
Die Leistungsfähigkeit dieser Geräte für analytische Fragestellungen aus den Bereichen Chemie, Pharmazie und Umwelt wurde in den letzten Jahren im Vergleich zu Laborspektrometern eingehend untersucht und nachgewiesen.
Die beschriebene Miniaturisierung wurde aber durch ein bei der Pittcon 2012 in Orlando, USA, erstmals vorgestelltes Nahinfrarot-Spektrometer auf Basis der Linear-Variable-Filter (LVF)-Technologie noch einmal um eine Größenordnung übertroffen (Abb. 3). Über die beiden Messmodi der diffusen Reflexion und der Transmission bietet dieses Gerät mit einem Gewicht von 60 g und einem Durchmesser von 2,5 cm, das über ein USB-Kabel mit einem Laptop verbunden wird, ein extrem breites Einsatzgebiet zur Vor-Ort-Qualitätskontrolle von Flüssigkeiten und Feststoffen verschiedenster Morphologie. Der erfolgreiche Einsatz dieses Spektrometers für die Authentifizierung und Qualitätskontrolle pharmazeutischer Formulierungen sowie für die quantitative Analyse von Kohlenwasserstoffkontaminationen in Böden konnte ebenfalls schon demonstriert werden.

Praxistests
Zur weiteren Vertiefung des Kenntnisstandes werden daher im Rahmen fortlaufender Forschungsarbeiten die erwähnten Spektrometer für ausgewählte Machbarkeitsstudien im Institut für Physikalische Chemie der Universität Duisburg-Essen exemplarisch eingesetzt. Die Auswertung der spektroskopischen Daten erfolgt dabei bevorzugt mit den multivariaten chemometrischen Methoden der Principal Component Analysis (PCA) oder Partial Least Squares (PLS) Regression und hat einerseits die qualitative Identifizierung oder Diskriminierung von Stoffen (z. B. im Wareneingang oder bei der Erkennung von Fälschungen) und andererseits die Quantifizierung von Komponenten in Stoffgemischen (z. B. eines Wirkstoffes in einer pharmazeutischen Formulierung) zum Ziel.
Aus den Ergebnissen dieser Projektstudien sollen die Erfolgsaussichten für den zukünftigen Einsatz handgehaltener Schwingungsspektrometer für die nachfolgenden Anwendungsbereiche abgeleitet werden:

• Wareneingang und Qualitätssicherung (Materialidentifizierung und Prozesskontrolle)
• Exekutivorgane und Gewerbeaufsicht (Identifizierung von Nachahmerprodukten)
• Verbraucherschutz, Lebensmittelsicherheit und -fälschung
• Bewertung der Echtheit von Kunst- und Schmuckgegenständen
• Abfallverwertung (Kunststoff- und Teppich-Recycling)
• Umweltsicherheit (Vor-Ort-Detektion von Kontaminationen in Böden)
• Straßenbau (Vor-Ort-Prüfung von Bitumeneigenschaften)
• Qualitätsbeurteilung petrochemischer Produkte (Bestimmung der Oktanzahl oder des Alkoholgehaltes von Kraftstoffen)

Fortbildung
Ein in Kürze stattfindender Fortbildungskurs der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) soll u. a. die Erfolg versprechenden Anwendungsgebiete miniaturisierter Schwingungsspektrometer für die Qualitäts- und Prozesskontrolle aufzeigen und das Know-how zu deren Einsatz einem breiteren Anwenderkreis zugängig machen. Gerade im Hinblick auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sind Mobilität, Flexibilität, Platzbedarf und Gerätekosten wesentliche Kriterien zur Einführung eines leistungsfähigen Qualitäts- und Prozesskontrollsystems.