Küvetten im Labor

Küvetten für spektroskopische Untersuchungen (franz.: cuvette = kleines Gefäß) sind standardisierte, kleinvolumige Laborbehälter zur Aufnahme von Flüssigkeiten oder Gasen, um deren optische Eigenschaften mit Hilfe von Spektralphotometern zu untersuchen. Die ermittelten optischen Eigenschaften geben Hinweise auf die chemische Struktur, aber auch zur Konzentration von Komponenten in flüssigen oder gasförmigen Mischungen.

Dazu wird Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches oder einer Wellenlänge durch die Küvette geschickt, welches durch Wechselwirkung mit den Fluiden in der Küvette an Intensität verliert und gemessen wird. Die Methode bezeichnet man im Falle der chemischen Strukturaufklärung als optische Spektroskopie, im Falle der mengenmäßigen, quantitativen Bestimmung von Komponenten bei einer fixen Wellenlänge als Spektralphotometrie.

Auswahl des Materials für Laborküvetten

Für die Messungen werden Küvetten unterschiedlicher Materialien eingesetzt. Die Auswahl richtet sich zum einen nach physikalisch-chemischen Gesichtspunkten, das sind Lichtdurchlässigkeit und erforderliche Präzision der Messung, zum anderen nach technischen und wirtschaftlichen Faktoren, wie der Stabilität des Küvettenmaterials gegenüber der Messprobe, der Messtemperatur und den Kosten für die Küvetten.

Je nach Wellenlänge des eingesetzten Lichts unterscheidet man die Spektralbereiche Ultraviolett (UV) von 100 bis 380 nm, sichtbares Licht (VIS) von 380 bis 780 nm und Infrarot (IR) von 780 bis 5000 nm.

Das Material der Küvetten muss für den gewählten Wellenlängenbereich durchlässig sein, sodass die Strahlung möglichst nur mit der Probe in der Küvette in Wechselwirkung tritt.

Küvetten aus Glas und Quarzglas

Die Transparenz von Quarzglas (engl.: fused silicagel) reicht von 180 bis 5000 nm und überstreicht damit den gesamten Bereich von Ultraviolett (UV) bis Infrarot (IR). Mehrweg-Küvetten aus Quarzglas sind chemisch inert, aufgrund ihrer aufwändigen Herstellung aber teuer.

Aufbau und Prinzip eines Absorptionsspektrometers

Die Transparenz von optischem Glas reicht, je nach Zusammensetzung, von 380 bis zu 2500 nm, dem nahen Infrarot (NIR). Hinsichtlich Durchlässigkeit, chemischer Stabilität und Preis stellen Glasküvetten einen preisgünstigen Kompromiss zu den Quarzküvetten dar und genügen den meisten Anforderungen.

Küvetten aus Kunststoffen

Kunststoff-Küvetten sind preiswerte Alternativen zum Einsatz im VIS-Bereich, die jedoch nicht gegenüber allen organischen Lösungsmitteln beständig sind und zudem eine geringere Maßhaltigkeit zeigen.

Die Durchlässigkeit von Acrylglas (PMMA) von etwa 300 bis 900 nm ist mit der von Polystyrolglas (PS), die zwischen 340 und 900 nm liegt, vergleichbar.

Für Präzisionsmessungen innerhalb einer Messreihe werden nur Kunststoff-Küvetten aus einer Charge verwendet.

Fenster-Küvetten

Im IR-Bereich werden für flüssige Proben neben herkömmlichen Küvetten aus Quarz und Gläsern je nach Messbereich auch Fenster-Küvetten eingesetzt. Die Fenster sind meist kreisrunde Plättchen, die aus IR-lichtdurchlässigem Material gepresst und paarweise in einen Wechselrahmen zu einer Küvette zusammengesetzt werden. Die Probe wird zwischen den beiden Fenstern platziert.

Als Fenstermaterialen kommen die Silberhalogenide Silberbromid (AgBr) und Silberchlorid (AgCl) in Betracht, die beiden Erdalkalifluoride Calciumfluorid (CaF₂) und Bariumfluorid (BaF₂) sowie Zink-Chalkogenide, hier hauptsächlich Zinksulfid (ZnS) und Zinkselenid (ZnSe). Fenster aus diesen Materialien sind allerdings leicht zerbrechlich, teuer bei der Beschaffung und mehr oder minder feuchtigkeitsempfindlich, die silberhaltigen Fenster sogar empfindlich gegenüber Tageslicht.

Anforderungen an Laborküvetten

Küvetten als Laborbehälter für die Spektrophotometrie haben üblicherweise rechteckige Querschnitte und feste Volumina. Durchfluss-Küvetten, mit denen kontinuierliche Messungen durchgeführt werden, sind vor allem in der Industrie zur Prozesskontrolle von Interesse. Auch für die Kopplung von stofftrennenden Analysemethoden, wie der Flüssigchromatographie mit der Spektralphotometrie, finden Durchfluss-Küvetten ihre Anwendung.

In jedem Fall muss die Weglänge in Durchstrahlungsrichtung exakt bekannt sein, denn sie ist eine Eingangsgröße zur Berechnung der Konzentration von Komponenten in der Probe.

Bei Standard-Küvetten beträgt die Weglänge 1 cm, schwach absorbierende Proben werden mit Makro-Küvetten vermessen, die über Weglängen bis zu 10 cm verfügen.

Allerdings steigt mit zunehmender Weglänge auch der Einfluss von Inhomogenitäten in der Probelösung, wie Schlieren oder Partikeln.

Die beiden durchstrahlten Fensterseiten der Küvette müssen planparallel und fein geschliffen sein, um die Strahlungsintensität nicht durch Reflexion und Lichtstreuung zu schwächen. Spezielle Küvettenhalter sorgen für eine optimale Position der Küvetten im Messgerät. Systematische Fehlerquellen werden durch den Nullabgleich der Messanordnung mit der leeren Küvette eliminiert bevor die Messung erfolgt, vergleichbar mit dem Tarieren einer Balkenwaage vor der Wägung.

Kapazität der Küvetten

Neben Standard-Küvetten mit ca. 3 ml Nennvolumen unterscheidet man zwischen Makroküvetten mit 4 bis 35 ml Volumen, Halbmikro-Küvetten mit ca. 1,5 ml Nennvolumen, Mikro-Küvetten mit 700 µl und Ultramikro-Küvetten mit 50 µl Nennvolumen.

Analyse einer Probenlösung mittels Spektralphotometer

Die geringeren, von dem Standardvolumen abweichenden Nennvolumina werden erreicht, indem man die Küvetten mit identischen Außenmaßen, aber dickeren Wandungen und Böden fertigt. So passen Küvetten mit unterschiedlichen Nennvolumina stets in den gleichen Küvettenhalter.

Küvettenstopfen: Deckelverschlüsse für Laborküvetten

Das Verschließen der Küvetten wird notwendig, wenn Lösungen mit leichtflüchtigen Lösungsmitteln gemessen werden sollen oder zum Schutz der Probe vor Kontamination bei Messungen über längere Zeiten, wie bei kinetischen Untersuchungen.

Dafür stehen Küvettenstopfen aus unterschiedlichen Materialien zur Verfügung, wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Silikon, PTFE und Glas. Die Verschlüsse sind als Deckel oder Stopfen ausgelegt. Für spezielle Anwendungen, etwa für die Umweltanalytik, sind zertifizierte Küvetten mit Verschlüssen erhältlich, die den Standards der United States Environmental Protection Agency (US EPA) entsprechen.

Die Auswahl der Verschlüsse erfolgt unter Beachtung der chemischen und thermischen Beständigkeit sowie der Ansprüche an die Dichtigkeit. Deckel aus Kunststoffen und Silikonkautschuk sind preiswerte Massenware zur einmaligen Verwendung.

Als hilfreich haben sich farbige Küvettenverschlüsse bei Serienmessungen zur leichteren Identifikation von Messproben erwiesen. Allerdings sind nicht alle Kunststoffe gegenüber organischen Lösungsmitteln beständig. Auch Silikonkautschuk kann unter Umständen mit Lösungsmitteln zur Quellung neigen. Verschlüsse aus PTFE oder Glas sind wegen ihrer chemischen und thermischen Beständigkeit hingegen sehr sicher und auch wiederholt verwendbar, letztendlich sind sie aber kostenintensiver.

Umgang mit optischen Küvetten

Zum Einfüllen von Proben sind in Form und Größe angepasste Küvettentrichter als Laborbedarf erhältlich.

Küvetten aus Kunststoffen sind, im Gegensatz zu Küvetten aus optischen Gläsern oder Quarz, gewöhnlich Einmalartikel, die nach ihrem Einsatz lediglich gespült und sodann entsorgt werden.

Da Glasküvetten und Quarzküvetten polierte Oberflächen haben, um optimale Lichtdurchlässigkeit zu gewährleisten, sind sie besonders kratzempfindlich. Deshalb sind für die Reinigung optischer Küvetten mechanische Hilfsmittel, wie Bürsten, ebenso ungeeignet wie die Reinigung im Ultraschallbad oder auch mit aggressiven Putzmitteln.

Das Trocknen gereinigter Küvetten im Trockenschrank kann zu Spannungen im Material und schließlich zur Zerstörung führen. Risikolos ist hingegen die Verwendung kommerziell verfügbarer Küvettenwäscher, einfach zu handhabende Vakuum-Spülvorrichtungen, mit deren Hilfe optische Küvetten mit Waschlösungen und Lösungsmitteln sowohl schonend gespült und gereinigt als auch ohne Erwärmung getrocknet werden können.

Die Aufbewahrung der Küvetten erfolgt in Küvettenständern oder Küvettenboxen, die sie vor Fremdverschmutzung und Beschädigung schützen.

Laborküvetten für verschiedene Einsatzbereiche

Küvetten stehen in mehreren standardisierten Füllgrößen aus Kunststoffen, optischen Gläsen und Quarzglas zur Verfügung. Ihr Anwendungsgebiet ist die Spektrophotometrie. Seltener kommen dafür Fensterküvetten zum Einsatz, die mit auswechselbaren optischen Fenstern aus Silberhalogeniden, Erdalkalifluoriden oder Zink-Chalkogeniden bestückt werden. Für flüssigchromatographische Trenntechniken und für kontinuierliche Prozessüberwachungen werden Durchfluss-Küvetten eingesetzt.

Bildquellen:
Beitragsbild | © luchschenF – stock.adobe.com
Aufbau und Prinzip eines Absorptionsspektrometers | © Sciencia58, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons
Analyse einer Probenlösung mittels Spektralphotometer | © tonaquatic – stock.adobe.com