Wozu werden Integrationskugeln benötigt?
Integrationskugeln bestehen aus einem kugelförmigen Hohlkörper, dessen Innenseite gleichmäßig mit einem diffus reflektierenden Material ausgekleidet ist. Das diffus reflektierende Material darf über den betrachteten Wellenlängenbereich keine Eigenabsorptionen aufweisen, ebenso muß die Reflektivität möglichst hoch sein. Weitere Anforderungen bestehen in der chemischen und physikalischen Beständigkeit – die Auskleidung darf ihre spektralen Eigenschaften im Zeitverlauf natürlich nicht verändern. Für den UV-Vis Spektralbereich kommen deshalb Substanzen wie z.B. BaSO4 und MgO zum Einsatz, im IR-Spektralbereich besteht die Auskleidung aus einer Goldschicht. Neben dem Reflexionsgrad sind die Oberflächenrauheit, der innere Kugeldurchmesser sowie die Größe der Öffnungen für die Probe bzw. die Referenz weitere Parameter, die das Meßergebnis maßgeblich beeinflussen.
Geht es ausschließlich um die Gewinnung chemischer Informationen, dann reichen Diffus-Reflexionsmeßzusätze wie EasiDiff, DiffusIR und UpIR vollkommen. Je nach Anordnung des ellipsoidförmigen Sammelspiegels können zudem störende Anteile gerichteter Reflexion eliminiert werden, die bei stark absorbierenden Proben zu unerwünschten Artefakten in den Spektren führen können.
Geht es jedoch zusätzlich um photometrische Grössen wie Gesamtreflexion (bestehend aus diffus gestreuter sowie gerichteter Reflexion) oder Gesamttransmission (bestehend aus diffus gestreuter sowie gerichteter Transmission), dann müssen diese Grössen raumumgreifend gesammelt und detektiert werden, wie es nur die Integrationskugeln bieten. Hinzu kommt, daß sich Integrationskugeln unempfindlich gegenüber unterschiedlichen Polarisationszuständen des Lichts verhalten, d.h. selbst Proben mit molekularen Vozugsrichtungen werden vollkommen isotrop erfasst.
Integrationskugeln eignen sich insbesonders zur Bestimmung der folgenden spektralen Größen, wie sie u.a. in der Norm DIN 5036 beschrieben sind:
- Quantitative Messung des Gesamtreflexionsgrades
- Quantitative Messung des Diffus-Reflexionsgrades durch Öffnen des Ausfallstrahl-Ports bei 12° zum Ausschluß der gerichteten Reflexion
- Quantitative Messung des Gesamttransmissionsgrades
Aus dem Gesamtreflexionsgrad und dem Diffus-Reflexionsgrad lässt sich wiederum durch Subtraktion der gerichtete Reflexionsgrad ermitteln.
Substitutionsmethode:
Zunächst wird eine Untergrundmessung mit einem diffus streuendem Goldspiegel durchgeführt, anschließend wird der Goldspiegel durch die Probe ersetzt und das Meßergebnis mit dem Untergrund verrechnet. So einfach und nachvollziehbar sich diese Methode gibt, so enthält sie dennoch einen Fehler („Kugelfehler“), da die Größe der inneren Kugeloberfläche zwischen Untergrund- und Probenmessung voneinander abweicht. Im Prinzip verhält es sich so, als ob zwei verschiedene Kugeln miteinander in Bezug gesetzt werden. Solange die Reflektivität der Probe ähnlich der des Referenzmaterials ist, beträgt der Kugelfehler ungefähr 5%. Weicht die Reflektivität der Probe hingegen stark von der des Referenzmaterials ab, kann der Fehler eine signifikante Größenordnung annehmen. Bei rein qualitativen Arbeiten kann dieser Fehler dennoch vernachlässigt werden.
Vergleichsmethode (Taylor-Methode):
Bei dieser Vorgehensweise verbleibt die Probe sowohl während der Untergrundmessung als auch der Probenmessung in ihrer Position. Stattdessen wird ein Spiegel im Innern der Kugel umgelegt, sodaß die einfallende IR-Strahlung im Falle der Untergrundmessung auf die Kugelwand geleitet wird und im Falle der Probenmessung auf die Probe. Diese Methode verhindert den Kugelfehler, da die Größe der Oberfläche zwischen Untergrund- und Probenmessung identisch bleibt. Diese Methode ist bei quantitativen Arbeiten unbedingt zu bevorzugen.