Trübung

Einführung

Trübung in Flüssigkeiten wird durch kleine suspendierte (ungelöste) Partikel verursacht, die einen anderen Brechungsindex aufweisen als das umgebende Medium. Dieser Unterschied führt zu Reflexion, Absorption und Streuung, d.h. zu einer Richtungsänderung des eingestrahlten Lichts. Mit zunehmender Partikelkonzentration steigt die Intensität des gestreuten Lichts und erreicht ein Maximum, das von der Wellenlänge des Lichts, Größe und Form der Partikel, dem Brechungsindex und der Farbe der Lösung beeinflusst wird. Die beiden wichtigsten Faktoren, welche die Intensität und die räumliche Verteilung des gestreuten Lichts beeinflussen, sind die Wellenlänge des Lichts und die Größe der Partikel. In den meisten biologischen Anwendungen, deren Größe innerhalb eines hohen Nanometer (100 - 500 nm, Kolloide) bis zu einem mittleren Mikrometer Bereich (0,5 - 5 μm Zellen) liegt. Um den Einfluss von farbigen Substanzen auszuschließen liegen die bei Trübungsmessungen verwendeten Wellenlängen in der Regel im nahen Infrarotbereich (NIR 700-1000 nm). Weil besonders bei größeren Partikeln die Winkelintensitätsverteilung des gestreuten Lichts um ein Partikel herum nicht symmetrisch ist [1] (Abb. 1.), ist für die Trübungsmessung der Winkel zwischen dem Emissionslichtstrahl und dem Detektor von entscheidender Bedeutung. Mit Ausnahme der Rückstreuung sind Streulichtmessungen ideal zur Messung sehr geringer Trübungen geeignet, wohingegen die Absorption oder Rückstreuung für sehr hohe Trübungen genutzt wird. (Abb. 2).

Messung der Streuung – Winkelabhängigkeit

Trübungsmessungen mit einem Detektionswinkel von 90° (Seitstreuung) sind am empfindlichsten gegenüber Partikeln im Größenbereich von 0,1 – 0,5 µm [2], wie z.B. Kolloide. Deshalb wird diese Methode üblicherweise für Qualitätsmessungen in Bier und Trinkwasser beschrieben und verwendet. Für Messungen von Partikeln im Bereich von 0,5 - 5 μm sind jedoch geringere Winkel zur Messung der intensiven Vorwärtsstreuung, bedingt durch größere Partikel, besser geeignet. Theoretisch wird das höchste Signal- zu Hintergrundverhältnis oder die höchste Empfindlichkeit erreicht, wenn die Messung so nah wie möglich an 0° erfolgt. Aufgrund der Notwendigkeit, die Streuung von dem Transmissionssignal des Anregungsstrahls zu trennen, ist der kleinste, technisch realisierbare Winkel 11 °. Bei niedrigeren Winkeln würde der Einfluss des Transmissionssignals, mit seiner durch zunehmende Absorption bedingten negativen Steigung, zu groß werden.

Abbildung 3 stellt Messungen mit Formazin dar, einem allgemeinen Trübungsstandard mit einer Partikelgrößenverteilung im Bereich von 1 -2 μm. Dies zeigt deutlich, dass die Empfindlichkeit bei 11° höher ist als bei größeren Winkeln einschließlich 90°.

Abhängigkeit des Streulichtsignals von der Partikelgröße bei verschiedenen Winkeln

Messungen mit Polystyrolkügelchen definierter Größe zeigen, dass die Messung bei 11° empfindlicher ist als Messungen bei 90°. Noch deutlicher wird dieser Effekt bei der Messung relativ großer Partikel im Größenbereich von Zellen (Abb. 4). Bei der Messung von Kolloiden mit einer Größe kleiner 200 nm hat die Messung bei 11° keinen Vorteil gegenüber der 90°-Messung. Wenn jedoch Partikel von größeren Abmessungen erfasst werden sollen, ist eine Messung bei 11° wesentlich empfindlicher.

Trübungsmessungen basierend auf Streuung und Absorption

Während die 11° Streulichtmessung sehr empfindlich auf niedrige Trübungswerte reagiert, ist bei mittleren Trübungswerten das Signal gesättigt oder sogar umgekehrt. Dies ist bedingt durch mehrere Streulichtereignisse. Das Absorptionssignal bei 0°, das relativ unempfindlich gegenüber niedrigen Trübungswerten ist, zeigt jedoch ein lineares Verhalten bis zu hohen Konzentrationen (Abb. 5). Die Verbindung beider Methoden in einem Sensor führt zu einer Kombination aus hoher Empfindlichkeit und großem Dynamikbereich.

Trübungsmessung durch Absorption - Pfadlänge und Optik

Die technisch einfachere 0° Absorptionsmethode ermöglicht Messungen bei mittleren bis hohen Trübungswerten, weit über den Bereich der Streusignalmessung hinaus. Im Gegensatz zu einer Streulichtmessung kann die optische Pfadlänge mit verschiedenen Sensorkörpern auf den erwarteten oder gewünschten Trübungsbereich optimiert werden, insbesondere sehr kurze Pfadlängen, wenn hohe Trübungswerte überwacht werden sollen. Bei Absorptionsmessungen, bei denen die Intensität des Lichts, das den Detektor erreicht, mit zunehmender Trübung abnehmen soll, führen Streulichtereignisse außerhalb der Detektoroptik zu einem negativen Effekt (Abb. 6). Das von der Absorptionsoptik erfasste Streulicht beeinflusst die Linearität des Absorptionssignals. Je nach Anwendung kann der optische Aufbau der Absorptionsmessung entweder auf einen maximalen Messbereich mit einer Standardoptik optimiert werden, oder auf maximale Linearität und Empfindlichkeit mittels Hochleistungsoptik (Abb. 7). Abbildung 8 zeigt den Leistungsvorteil der Empfindlichkeit und Linearität gegenüber der Standardoptik. Ein positiver Nebeneffekt der Hochleistungsoptik ist eine reduzierte Inter-Sensor-Variabilität und damit eine bessere Vergleichbarkeit, die für redundante Messungen erforderlich ist.

Abb. 1:Winkelintensitätsverteilung des Streulichts verursacht durch:

• A) Größere Partikel
• B) Kolloide
• C) Mischung aus beiden

Abb. 2:Signal aus verschiedenen Messwinkeln in Formazin. Mit Ausnahme der Rückstreuung, deren Signalmaximum bei hohen Trübungen ist, sind alle Signale normalisiert.

Abb. 3:Streusignal von drei verschiedenen Detektionswinkeln mit Formazin

Abb. 4:Streulichtsignal von 11° und 90° unter Verwendung von Polystyrolkügelchen in zwei verschiedenen Größen.

Abb. 5:Signalverhalten bei 11° Streuung und 0° Absorption

Abb. 6:Streulichteffekt in Standardoptiken

Abb 8:Messung der Konzentration von Hefezellen mit zwei verschiedenen Optiken.

Abb. 7:Reduzierter Streulichteffekt in der fokussierten Optik