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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).





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





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.





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).





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





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





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).





Bild 11 Spektrum nach Entfernung des Untergrunds, Skolezit in der Bibliothek erkannt

Bild 12 Ausschnitt aus Bild 11, Skolezit in der Bibliothek erkannt





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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