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stonemaster UG (haftungsbeschränkt) Auf die Bell 2 76351 Linkenheim-Hochstetten
Telefon: +49 7247 947066 E-Mail: info@stonemaster.eu Web: http://www.stonemaster.eu WEEE-Reg. Nr. :DE51902644 © Brauch
08.06.2017 Ansprechpartner: Dr. Ilko und Angela Brauch iabrauch@gmx.net 0176 55143117
Mineralienbestimmung mit dem Mineralienanalyser
MA-RB-V01
Dieser kleine Text behandelt einige wesentliche Grundlagen für die Mineralienbestimmung
mit dem MA-RB-V01 Analyser.
Ist eine Kalibration durchgeführt (s. Text zur Kalibration von MA-RB-V01) kann mit der
Analyse begonnen werden. Es sind hierzu nur wenige Schritte erforderlich:
1. Wahl der zu untersuchenden Stelle auf der Probe
2. Aufnahme des Spektrums
3. Suche des Spektrums in der Bibliothek 1
Anhand von Bildbeispielen werden im Folgenden kurz einige Einstellungen und ihr Einfluss
auf die Qualität der aufgenommenen Spektren erläutert. Dabei dienen Proben verschiedener
Minerale (Skolezit, Malachit, Aegirin und Calcit) als Beispiel.
1. Wahl der zu untersuchenden Stelle auf der Probe
Wie mit einem Mikroskop kann die gewünschte Position über ein Livebild zunächst mit
einem Übersichtsobjektiv auf dem Mineral gesucht und anschließend mit einem stärker
vergrößernden Objektiv, welches die Aufnahme besserer Spektren ermöglicht, eingestellt
werden (Bild 1).
Bild 1 Position auf dem Mineral wählen (Skolezit, siehe unten)
Bei einer hinreichend glatten Oberfläche kann dabei der Strahl auf einen Durchmesser von 2
bis 3 µm oder weniger (vgl. Bild 2 mit Linientarget 1.000 Linien/mm) fokussiert und somit
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ein sehr detaillierter Bereich der Probe untersucht werden. Die Einstellung erfolgt mit stark
reduzierter Intensität des Laserstrahls, um mit vertretbarer Beleuchtungsstärke gleichzeitig
den Laserfokus und die Oberfläche der Probe im Kamerabild zu erkennen.
Bild 2 Fokussierter Laserstrahl auf Glasplatte (Linientarget)
2. Aufnahme des Spektrums
2.1 Kontrolle des Spektrums, Spaltbreite Nach Auswahl der gewünschten Position kann zur Kontrolle in den Vorschaumodus
gewechselt werden. In diesem kann über die Spektralkamera ein Bild des Spektrums mit
kurzer Belichtungszeit (wenige Mikro- bis zehntel-Sekunden) erfasst, aggregiert und live
wiedergegeben werden (Bild 3).
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Bild 3 Vorschau des Calcit-Spektrums im Livebild mit weitem Spalt
Über die Einstellung der Breite des Eingangsspaltes zum Spektrometer kann die
Erkennbarkeit des Spektrums über das SNR (Signal zu Rauschverhältnis) beeinflusst werden.
Ein Vergleich der Bilder 3 und 4 zeigt den Effekt einer Veränderung der Spaltbreite - ein
weiter Spalt liefert mehr Licht und somit ein besseres SNR, gleichzeitig jedoch eine geringere
Auflösung.
Bild 4 Vorschau des Calcit-Spektrums im Livebild mit engem Spalt
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Zur Demonstration wurde hier eine Calcit-Probe verwendet, da diese eine besonders schmale
Linie aufweist, wodurch der Einfluss der Spaltweite besonders gut erkennbar ist.
Je nach Anforderung an die Auflösung und das Signal-Rauschverhältnis, kann im Suchmodus
die Spaltweite entsprechend angepasst werden. Bild 4 zeigt eine Einstellung mit engem Spalt
für höhere Auflösung bei der folgenden länger belichteten Aufnahme. Bild 5 zeigt das Calcit-
Spektrum aus Bild 4 bei 30 s Belichtungszeit.
Bild 5 Aufnahme des Calcit-Spektrums, 30 s Belichtungszeit
2.2 Auswirkung der Kühlung auf das Spektrum
In Bild 6 ist ein wichtiger Einfluss der Sensortemperatur auf die Beschaffenheit des
Spektrums zu erkennen. Oben ist ein Spektrum gezeigt, das mit einem ungekühlten
Sensorchip, unten ein Spektrum das mit einem gekühlten Sensorchip aufgenommen wurde.
Insbesondere in warmer Umgebung neigen Sensorchips dazu sogenannte Hotpixel
aufzuweisen, deren Auslesewerte nicht in gleichem Maße wie die der anderen Pixel von der
einfallenden Strahlung abhängen. Grundsätzlich sind einige wenige Hotpixel kaum störend
und lassen sich zudem aus den Daten gut herausfiltern. Zu viele Hotpixel wirken sich jedoch
nachteilig auf die Qualität des Spektrums aus, wie das Spektrum in Bild 6 oben nahelegt.
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Bild 6 Skolezit-Spektrum, aufgenommen ohne Kühlung (oben) und mit Kühlung des Sensors (unten)
Bei MA-RB-V01 ist es möglich die Kamera zur Erfassung der Spektren geregelt bis auf ca.
40° C unterhalb der Umgebungstemperatur zu kühlen. Dadurch werden Hotpixel sehr
effizient reduziert.
Nicht immer ist die Entstehung heller Pixel der Kamera zuzuordnen, vereinzelt können diese
z. B. auch durch kosmische Strahlung verursacht werden.
2.3 Auswirkung der Belichtungszeit
Ist die Spaltbreite festgelegt, kann eine Einzelaufnahme mit der gewünschten Belichtungszeit
durchgeführt werden (Bild 7 und Bild 8).
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Bild 7 Skolezit-Spektrum, 30 s Belichtungszeit
Bild 8 Skolezit- Spektrum, 180 s Belichtungszeit
Die Belichtungszeit beeinflusst direkt das Signal-zu Rauschverhältnis, ein wichtiges Merkmal
des Spektrums. Da unterschiedliche Proben verschieden starke Raman-Signale liefern, ist
gegebenenfalls die Wahl einer längeren Belichtungszeit erforderlich, um ein akzeptables SNR
zu erhalten.
Für die Belichtungszeit ist die bequeme Verwendung voreingestellter Werte (2 s, 30 s, und
60 s) oder die manuelle Eingabe einer Zeit von bis zu 30 Minuten möglich. Außerdem kann
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zusätzlich der auf einen mittleren Wert voreingestellte Wert des Gains der Kamera gewählt
werden. Dies wird ausführlicher an anderer Stelle behandelt.
2.4 Entfernen des Untergrunds
Verursacht durch Streu- und Falschlicht aus dem Spektrometer, aber vor allem auch durch die
Probe selbst weist das Spektrum einen gewissen Untergrund, d.h. einen nicht von der
Ramanstreuung herrührenden über das Spektrum langsam veränderlichen Beitrag zur
Intensität auf. Die in der Praxis beobachtete Charakteristik des Untergrundes hängt dabei von
einer Vielzahl von geräte- und probenspezifischen Parametern ab (vgl. Bild 9 und Bild 10).
Bild 9 Skolezit-Spektrum mit Untergrund, 180 s belichtet
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Bild 10 Malachit-Spektrum mit Untergrund, 180 s belichtet
Insbesondere der von der Probe durch Fluoreszenz verursachte Beitrag kann so stark sein,
dass er eine genauere Erfassung des Raman-Signals verhindert. Auf diesen Aspekt wird an
anderer Stelle näher eingegangen.
In der Regel ist es möglich, den Untergrund wirksam von dem Rohspektrum abzuziehen. Im
MA-RB-V01erfolgt dieser Schritt der Datenvorverarbeitung vollautomatisch im Rahmen der
Suche, die im folgenden Schritt kurz dargestellt wird.
3. Suche des Spektrums in der Bibliothek Wurde ein Spektrum mit ausreichender Qualität aufgenommen, kann in einem einzigen
Schritt die Suche in der Bibliothek durchgeführt werden. Dazu wird das Suchfenster
aufgerufen. Es kann direkt mit dem gerade aufgenommenen Spektrum fortgefahren oder nach
einem bereits vorhandenen Spektrum gesucht werden. Die Suche wird über einen einzigen
Mausklick auf den Suchbutton aktiviert. Die Ergebnisse werden schließlich sortiert nach
Übereinstimmung und werden in Tabellenform angezeigt (Bild 11 und Bild 12). Das
aufgenommene Skolezit-Spektrum (blau) kann gleichzeitig mit Spektren aus der Bibliothek
angezeigt werden (hier ebenfalls Skolezit, rot).
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Bild 11 Spektrum nach Entfernung des Untergrunds, Skolezit in der Bibliothek erkannt
Bild 12 Ausschnitt aus Bild 11, Skolezit in der Bibliothek erkannt
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Bild 13 Suchergebnis Aegirin
Bild 13 zeigt das Spektrum von Aegirin (blau) gleichzeitig mit dem Spektrum aus der
Bibliothek (rot).
In vielen Fällen liefert die automatische Suche direkt das zutreffende Mineral. Insbesondere
bei schwächeren Spektren (sowohl aufgenommenen als auch in der Bibliothek vorhandenen)
liefert die Autosuche zwar wichtige Einschränkungen, zur zuverlässigen Bestimmung müssen
aber verschiedene Spektren manuell durchgesehen und verglichen werden.
Bei schwierigen Objekten gibt es verschiedene Strategien, um letztlich auch hier zu einer
erfolgreichen und sicheren Bestimmung zu gelangen. Dieses Thema wird in einem separaten
Text behandelt.
Quelle: 1 rruff-Bibliothek Lafuente B, Downs R T, Yang H, Stone N (2015) The power of databases: the RRUFF project. In: Highlights in Mineralogical Crystallography, T Armbruster and R M Danisi, eds. Berlin, Germany, W. De Gruyter, pp 1-30
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