LIBS vs. Laser-OES – Zwei Begriffe – eine Technologie

Eine kurze Geschichte der LIBS- und Laser-OES-Terminologie

Die heute als Laser-OES (Laser-Optische Emissionsspektrometrie) / LIBS (Laser-Induzierte Breakdown-Spektroskopie) bekannte Technik entstand in den 1960er und 1970er Jahren nach dem Aufkommen des Lasers. Im Laufe der Zeit wurde sie auch unter anderen Bezeichnungen bekannt, darunter LIPS (Laser-Induced Plasma Spectrometry) und LSS (Laser Spark Spectrometry) – alle bezeichnen im Wesentlichen dieselbe zugrunde liegende Methode.

In den Anfängen gab es keine einheitliche Terminologie. Begriffe wie Laser-OES, LIPS, LSS und LIBS waren im Umlauf, während Wissenschaftler untersuchten, wie Laser Plasma erzeugen und wie das emittierte Licht analysiert werden kann. Da das Gebiet noch in den Anfängen steckte, hatte sich noch kein einheitlicher, allgemein akzeptierter Name durchgesetzt.

Ein Großteil der Grundlagenarbeit in dieser Zeit wurde von Pionieren wie L.J. Radziemski und C.M. Cremers geleistet, die maßgeblich an der Entwicklung der experimentellen Techniken und der Demonstration des Potenzials von laserinduzierten Plasmen für die Elementanalyse beteiligt waren. Ihre Forschungen legten den Grundstein für Laser-OES/LIBS als praktische Analysemethode.

In den 1980er und 1990er Jahren wurde LIBS zum dominierenden Begriff in der wissenschaftlichen Literatur. Er vermittelt klar das Schlüsselkonzept: Ein Laserimpuls verursacht einen optischen Zusammenbruch und erzeugt ein Plasma, dessen Licht die elementare Zusammensetzung des Materials offenbart. Der Begriff trug auch dazu bei, diese Methode von anderen laserbasierten Techniken zu unterscheiden.

Heute ist LIBS in der Forschung nach wie vor der bevorzugte Begriff. In der Industrie wird jedoch häufig Laser-OES verwendet, da dieser Begriff besser zu bekannten Techniken wie Spark-OES und ICP-OES passt. Diese Bezeichnung hilft Anwendern in der Produktion und in Analyselabors, die Methode leichter mit bestehenden Prozessen in Verbindung zu bringen.

Aktueller Stand:

Die Begriffe LIBS und Laser-OES beschreiben im Grunde genommen dieselbe Methode: Ein gepulster Laser erzeugt ein kleines Plasma auf der Probenoberfläche, und das von diesem Plasma emittierte Licht wird analysiert, um Elemente zu identifizieren. In der industriellen und angewandten Analyse ist jedoch Laser-OES ein klarerer und sehr nützlicher Begriff, da er besser zu den bestehenden OES-Techniken passt.

Die wichtigsten OES-Techniken und ihre Grundlagen

In der optischen Emissionsspektroskopie werden mehrere wichtige Verfahren in Industrie und Laboren eingesetzt. Sie sind oft nach der Art der Erzeugung des Plasmas oder der Anregungsenergie benannt:

• Spark-OES: Bei dieser Methode werden Atome in einer festen Metallprobe durch einen elektrischen Hochspannungsfunken angeregt. Der Funken erzeugt ein heißes Plasma auf der Probenoberfläche, wodurch die Elemente Licht in charakteristischen Wellenlängen emittieren. Spark-OES wird häufig für die schnelle und zuverlässige Elementanalyse von Metallen und Legierungen in Produktionslinien und in der Qualitätskontrolle eingesetzt, insbesondere in der Stahl- und Automobilindustrie. Es ist bekannt für seine gute Präzision und die Möglichkeit, viele Elemente gleichzeitig zu analysieren.
• Arc-OES: Arc-OES nutzt einen Lichtbogen – ähnlich einer elektrischen Entladung – um Atome in Pulvern, gepressten Pellets oder festen Proben anzuregen, die mit Funken schwer zu analysieren sind. Der Lichtbogen erzeugt ein Plasma mit ausreichender Energie, um Elemente zu atomisieren und anzuregen, die dann Licht emittieren, das für ihre atomare Struktur charakteristisch ist. Dieses Verfahren ist in der Metallurgie und Materialwissenschaft bei der Analyse von Pulvern oder nichtmetallischen Feststoffen nützlich und bietet eine Alternative, wenn Spark-OES weniger effektiv ist.
• ICP-OES (Induktiv gekoppelte Plasma-Optische Emissionsspektroskopie): ICP-OES erzeugt ein sehr heißes Plasma (ca. 10.000 K), indem Radiofrequenzenergie in Argongas gekoppelt wird. Dieses Plasma kann nahezu alle Elemente in flüssigen Proben mit hoher Empfindlichkeit atomisieren und anregen. ICP-OES ist sehr vielseitig und ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Elemente mit niedrigen Nachweisgrenzen, was es zu einer Standardtechnik in der Umweltüberwachung, in chemischen Labors und in der pharmazeutischen Qualitätskontrolle macht. Seine Robustheit und sein breiter Elementbereich haben es zu einem Goldstandard für die Analyse flüssiger Proben gemacht.
• GD-OES (Glimmentladungs-Optische Emissionsspektroskopie): GD-OES verwendet ein Niederdruck-Glimmentladungsplasma, um Atome direkt von der Oberfläche einer festen Probe zu sputtern. Die gesputterten Atome werden im Plasma angeregt und emittieren Licht, was eine oberflächensensitive Elementanalyse und Tiefenprofilierung ermöglicht. Dies macht GD-OES sehr wertvoll für die Beschichtungsanalyse, die Charakterisierung dünner Schichten und die Fehleranalyse in der Materialwissenschaft. Ihre Fähigkeit zur schnellen Tiefenprofilierung unterscheidet sie von anderen OES-Methoden.
• MIP-OES (Mikrowellen-induzierte Plasma-Optische Emissionsspektroskopie): MIP-OES erzeugt mit Mikrowellenenergie ein Plasma, typischerweise bei geringerer Leistung und Temperatur als ICP. Sie eignet sich gut zum Nachweis von leichten Elementen wie Phosphor, Schwefel und Halogenen sowie einigen Metallen. Obwohl sie im Vergleich zu ICP-OES höhere Nachweisgrenzen aufweist, ist MIP-OES eine kostengünstige Alternative für Applikationen, bei denen keine ultrahohe Empfindlichkeit erforderlich ist. Sie findet Anwendung in der industriellen Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle, wo moderate Nachweisgrenzen und niedrigere Betriebskosten akzeptabel sind.

Andere Emissionsspektroskopie Verfahren außerhalb dieser Benennung

Zwei Techniken passen nicht vollständig in das OES-Benennungsschema:

• Flammenemissionsspektroskopie (FES): Bei der FES werden Atome in einer Probe mit einer Flamme, beispielsweise einem Bunsenbrenner, angeregt. Sie wird häufig in Lehrlabors eingesetzt, um die Emissionsfarben von Elementen (z. B. Gelb bei Natrium, Violett bei Kalium) zu demonstrieren. Die FES ist zwar einfach und kostengünstig, weist jedoch eine relativ geringe Empfindlichkeit auf und kann nur wenige Elemente wie Natrium, Kalium und Kalzium zuverlässig nachweisen. Aufgrund dieser Einschränkungen spielt sie in der modernen industriellen Analyse nur eine sehr begrenzte Rolle und wurde größtenteils durch empfindlichere und vielseitigere Methoden ersetzt.
• LIBS: Obwohl es sich bei LIBS technisch gesehen um eine optische Emissionsspektroskopie handelt, unterscheidet sie sich von herkömmlichen Methoden durch die Verwendung eines Laserimpulses zur Erzeugung von Plasma. LIBS kann Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase ohne Probenvorbereitung direkt analysieren und ermöglicht eine schnelle Mehrelementdetektion mit minimalem oder gar keinem Kontakt. Trotz dieser Vorteile wird der Begriff „LIBS“ meist in akademischen und Forschungszusammenhängen verwendet, wodurch er manchmal von industriellen OES-Technologien getrennt wird. Der Begriff Laser-OES hebt die Verbindung zu OES hervor und macht ihn für industrielle Anwender verständlicher und akzeptabler.

Warum wir glauben, dass „Laser-OES” verwendet werden sollte

Der Begriff „Laser-OES” passt natürlich in die Familie der OES-Techniken. Die meisten Prinzipien der Spektralemission, Kalibrierung und Interferenzbehandlung sind dieselben wie bei Spark-OES oder ICP-OES. Der Hauptunterschied liegt in der Energiequelle: Laserimpulse anstelle von elektrischen Funken oder Hochfrequenzplasmen.

Der Einsatz von Laser-OES verbessert die Übersichtlichkeit und Kommunikation in industriellen Umgebungen, in denen mehrere OES-Methoden zum Einsatz kommen. Außerdem unterstützt es die zunehmende Applikation der laserbasierten Emissionsspektroskopie in Bereichen wie Rohstoffprüfung, Recycling, Prozesskontrolle und Qualitätssicherung.

Fazit

Obwohl LIBS und Laser-OES dieselbe Technik beschreiben, ist OES ein in der Industrie ein bekannter und etablierter Begriff. Daher ist für uns Laser-OES der bevorzugte Begriff für industrielle Umgebungen. Er integriert die Methode klar in die Familie der OES-Technologien, erleichtert den Wissenstransfer und unterstützt deren breitere Einführung in der Industrie.