Spektrometrie/Spektroskopie

Spektrochemische Analyse

spectrometry/spectroscopy; spectrochemical analysis

Die Begriffe Spektrometrie und Spektroskopie sind Oberbegriffe für alle Messmethoden (Messmethode) und Verfahren, bei denen Phänomene der Lichtabsorption und Lichtemission aufgenommen und ausgewertet werden.

Beide Begriffe werden zumeist synonym verwandt. Tatsächlich werden rein spektroskopische Methoden in der Analytik immer seltener angewandt. Der Begriff Spektrometrie setzt sich deshalb immer stärker durch. Nach der gültigen IUPAC-Definition ist der Begriff Spektrometrie zu verwenden, insbesondere dann, wenn die Lichtabsorptions- und Lichtemissionsphänomene durch einen Detektor aufgezeichnet (und nicht nur visuell beobachtet) werden. Danach sind praktisch alle im klinisch-chemischen Labor eingesetzten, auf Lichtabsorption bzw. Lichtemission beruhenden Analysenverfahren spektrometrische Verfahren.

Grundlage der Spektrometrie ist das Lambert-Beer-Gesetz. Zur Bestimmung der Konzentration (c) eines Analyten aus der Extinktion (E) wird das Gesetz in der Form c = E_λ,T/ε_λ,T × d angewandt, wobei die Schichtdicke (d) und der Extinktionskoeffizient (ε_λ,T) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ) und der Temperatur (T) durch die Messbedingungen festgelegt sind.

Das Einsatzgebiet der Spektrometrie umfasst praktisch alle Bereiche des klinisch-chemischen Labors, also z. B. enzymatische, immunologische, elektrophoretische und chromatographische Analysen. Einige Methoden nutzen charakteristische physikochemische (spektrochemische) Eigenschaften des Analyten direkt zur Analyse (z. B. Atomabsorptionsspektrometrie und Atomemissionsspektrometrie, Flammenatomabsorptionsspektrometrie (Flammenatomabsorptionsspektrometrie/-spektroskopie), Flammenemissionsspektrometrie, UV/VIS-Spektrometrie mit Photodioden-Array-Detektor). Andere werten die infolge von spezifischen Reaktionen eintretenden Veränderungen in den spektrochemischen Eigenschaften des Analysensystems aus. Diese Veränderungen können unmittelbares Ergebnis der Umsetzungsreaktion sein (z. B. im optischen Test nach Warburg [Enzymaktivität], in der Immunnephelometrie und Immunturbidimetrie) oder aus mit der Umsetzung des Analyten gekoppelten Reaktionen resultieren (z. B. im gekoppelten optischen Test nach Warburg).

Prinzipiell sind alle Untersuchungsmaterialien unabhängig vom Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) für spektrometrische Analysen geeignet. Im klinisch-chemischen Labor handelt es sich mehrheitlich um Analysen in ursprünglich flüssigen Proben (Blut, Plasma, Serum, Urin) oder durch Flüssigextraktion gewonnene Extrakte aus festen Proben (z. B. Fäzes).

Ein spektrometrisches Analysensystem zur Lichtabsorptionsmessung besteht in seiner allgemeinen Form aus einer Strahlungsquelle, z. B. einer Deuteriumlampe oder Xenonlampe zur Erzeugung von Licht im ultravioletten oder einer Wolfram(faden)lampe („Glühbirne“) für den visuellen Wellenlängenbereich. Der Strahlengang wird durch ein Dispersionssystem wie z. B. ein Prisma oder ein Gitter (Monochromator) geführt, um aus dem originär polychromatischen Licht monochromatisches Licht, d. h. Licht einer bestimmten Wellenlänge (exakter eines sehr engen Wellenlängenbereiches), zu isolieren. Dieses wird durch die Messzelle (Küvette) geleitet und in Abhängigkeit von der Farbe und Farbdichte der in der Messzelle vorliegenden Probe unterschiedlich stark absorbiert. Hierdurch erfolgt eine Abschwächung des Lichtes. Aus der Differenz der Intensitäten des in die Messzelle eintretenden und aus ihr austretenden Lichtes kann, unter Zugrundelegung vom Lambert-Beer-Gesetz und geeigneter Kalibrationsfunktionen, auf die Konzentration des Analyten in der Messzelle bzw. der Probe geschlossen werden.

Als Strahlungsempfänger werden photoelektrische Empfänger wie Photoelement, Photozelle, Photomultiplier (Sekundärelektronenvervielfacher, SEV) und Photodiode, aber auch thermoelektrische Empfänger wie Thermoelemente und Widerstandsthermometer eingesetzt. Einzelheiten unten den jeweiligen Stichwörtern.

In der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) kann auf das Dispersionssystem zur Herstellung monochromatischen Lichts verzichtet werden, da dieses (elementspezifisch) direkt in einer sog. Hohlkathodenlampe generiert wird. Zu den Besonderheiten der Atomemissionsspektrometrie (AES) s. dort.

Analytische Spezifität und Sensitivität spektrometrischer Methoden sind, in Abhängigkeit von der jeweiligen Fragestellung (Untersuchungsgut, Analyt, störende Begleitsubstanzen mit ähnlichen physiko-chemischen Eigenschaften) ausreichend bis hervorragend.

Unter der Voraussetzung einer ausreichenden analytischen Validierung sind spektrometrische Analysenverfahren hinreichend richtig und präzise. Zu möglichen Fehlerquellen s. unter den speziellen Analysenverfahren.

Die Spektrometrie ist die mit großem Abstand am häufigsten eingesetzte Analysenmethode des klinisch-chemischen Labors. Dementsprechend steht eine breite Auswahl an Spektrometern vom transportablen Handgerät bis zum vollmechanisierten Analysensystem zur Verfügung. Letztere sind geeignet, Analysenserien von mehreren Hundert Proben und diese bei fast gleichzeitiger Bestimmung von teilweise mehr als 50 verschiedenen Analyten aus einer Probe zu bewältigen. Die Reagenzienkosten betragen derzeit zwischen wenigen Cent für die klinisch-chemischen Basisparameter (klinisch-chemisches Profil) und ca. 5 Euro für Spezialanalyte. Der Personalaufwand ist gering, sodass sich trotz hoher Gerätekosten (bis zu 1 Million Euro) bei hohen Analysenzahlen kurze Amortisationszeiten realisieren lassen.

Spektrometrische Analysenverfahren sind bei richtiger Durchführung und hinreichender Validation (durch den Hersteller und/oder Anwender) richtig und präzise. Variationskoeffizienten in der Analysenserie (Intra-assay CV) und zwischen den Analysenserien (Inter-assay CV) von <10 % sind problemlos erreichbar.