Echtzeit Spektralmessung Mit UV und sichtbarem Licht die Wasserqualität analysieren

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Für eine genaue und schnelle Überwachung der Wasserqualität in Echtzeit bietet sich die UV-VIS-Spektroskopie an. Neben dem ultravioletten Spektrum wird auch sichtbares Licht verwendet. Eine umweltfreundliche Alternative zur herkömmlichen Labormethode.

Die weltweit wachsende Sorge um unsere Wasserqualität unterstreicht die Schutzbedürftigkeit dieser lebensnotwendigen Ressource. Fakt ist, die Qualität unseres Trink- und Nutzwassers wirkt sich unter anderem auf unsere Lebensmittelversorgung, unsere Umwelt und unsere persönliche Gesundheit aus. Vom Menschen ausgehende Faktoren wie die wachsende Bevölkerungsanzahl, die intensivierte, landwirtschaftliche Nutzung des Wassers und anhaltende Verunreinigung durch Industrieabfälle gefährden die – auch in Zukunft wünschenswerte – uneingeschränkte Verfügbarkeit und Qualität unserer natürlichen Wasservorkommen.

Ein wichtiger erster Schritt, um dieses Problem anzugehen ist es, die Qualität und Zusammensetzung des Wasser effizient, präzise und umweltschonend zu bestimmen [1]. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat Hamamatsu Photonics fortschrittliche UV-Spektrometer entwickelt, die innovative Lösungen für die Wasserqualitätsanalyse bieten.

Bei der konventionellen Praxis zur Überwachung der Wasserqualität werden routinemäßig Wasserproben gesammelt und zur Analyse in ein Labor gesendet. Da die dafür standardmäßig genutzten Instrumente meist teuer und platzraubend sind und vorwiegend nur unter Laborbedingungen betrieben werden können, müssen die Proben oft große Distanzen zurücklegen, bis ein entsprechendes Labor erreicht wird. Das wiederum kann zu langen Wartezeiten und zusätzlichen CO₂-Emissionen führen. Kurzfristige Schwankungen der Wasserqualität, wie auch dessen zeitlicher Verlauf können so oft nicht vollständig erfasst werden. Gleichzeitig verzögert sich die Einleitung von Maßnahmen die zur Verbesserung der Wasserqualität beitragen sollen. Wünschenswert wäre demnach eine Analyse-Methodik, die Vorort angewandt werden kann und so schnell durchführbar ist, dass der zeitliche Verlauf aller essentiellen Parameter vollständig erfasst werden kann.

Echtzeit-UV-VIS-Spektroskopie für schnelle und lokale Wasserüberwachung

Eine Möglichkeit dazu liefert die Echtzeit-UV-VIS-Spektroskopie. Diese physikalische Methode nutzt zur Analyse der Proben spektrale Remote Sensing Technologien im ultravioletten (UV) und sichtbaren (VIS) Wellenlängen. Das Prinzip der UV-VIS-Spektralphotometrie beruht auf der Korrelation zwischen der Absorption bestimmter Lichtwellenlängen durch eine Substanz und ihrer Konzentration [2].

Dank der softwaregestützten Partikelkompensation erfordert die Spektralphotometrie im Allgemeinen keine Probenfiltrationen. Sie ist reagenzienfrei und ermöglicht schnelle Messungen der Wasserqualität in Echtzeit. Diese Methode wurde in den letzten Jahren zunehmend für die schnelle Bewertung der Wasserqualität eingesetzt [3].

Zu den Parametern, die mit UV-VIS-Spektralphotometern gemessen werden können, gehören in der Regel Farbe, Nitratgehalt, reduzierter Sauerstoffgehalt (DOC), Gesamtsauerstoffgehalt (TOC) und der spektrale Absorptionskoeffizient SAC254 (manchmal auch als UV254 bezeichnet). In den letzten Jahren wurden weitere Parameter in die Überwachung der Wasserqualität mit Echtzeit-UV-VIS-Spektralphotometern aufgenommen [2], wie beispielsweise die Messung gelöster organischer Stoffe [4], des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) in Gewässern [5] und von Desinfektionsmitteln in Trinkwasser [6].

Key Features und Vorteile des UV-VIS Spektrometers

Als Beispiel einige Key Features der neuen kompakten UV-VIS Spektrometer von Hamamatsu Photonics, die für eine effiziente und fortschrittliche Wasseranalyse entwickelt wurden:

• Die UV-VIS-Spektrometer weisen eine hohe Empfindlichkeit über einen Wellenlängenbereich von 190 bis 400 nm auf. Der breite Wellenlängenbereich ermöglicht die präzise Messung kritischer Wasserqualitätsparameter und damit einen umfassenden Einblick in die Wasserzusammensetzung.

• Die charakteristische kompakte Form unserer Spektralsensoren erleichtert die nahtlose Integration in Miniatur- und Handgeräte. Darüber hinaus können diese Sensoren mühelos direkt in Wasserleitungen eingebaut werden, was ihre Anpassungsfähigkeit und ihren einfachen Einsatz verdeutlicht.

• Die UV-Spektrometer erreichen ein SNR von bis zu 20.000. Dank dieser Eigenschaft lassen sich selbst feinste Schwankungen in der Wasserqualität frühzeitig erkennen und ermöglicht so frühzeitige Alarme und rasche Gegenmaßnahmen.

• Durch die gezielte Eindämmung des Crosstalk beim Auslesen der verschiedenen Wellenlängen wird die Genauigkeit der UV-Spektrometer erheblich verbessert. Dieses Designdetail gewährleistet zuverlässige und konsistente Messungen, die für eine aussagekräftige Analyse unerlässlich sind.

Die Entwicklung und Anwendung von Echtzeit-UV-VIS-Spektrometern markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Wasserqualitätsanalyse. Diese Technologie bietet eine effiziente, präzise und umweltschonende Möglichkeit, die Wasserqualität vor Ort zu überwachen und schnell auf Veränderungen zu reagieren. (heh)

Referenzen

[1] H.I. Chaminé, "Water resources meet sustainability: new trends in environmental hydrogeology and groundwater engineering," Environ Earth Sci, vol. 73, pp. 2513-2520, 2015. doi: 10.1007/s12665-014-3986-y.

[2] Y. Guo, C. Liu, R. Ye, and Q. Duan, "Advances on Water Quality Detection by UV-Vis Spectroscopy," Appl. Sci., vol. 10, p. 6874, 2020. doi: 10.3390/app10196874.

[3] G.V. Pashkova and A.G. Revenko, "A Review of Application of Total Reflection X-ray Fluorescence Spectrometry to Water Analysis," Applied Spectroscopy Reviews, vol. 50, no. 6, pp. 443-472, 2015. doi: 10.1080/05704928.2015.1010205.

[4] P. Li and J. Hur, "Utilization of UV-Vis spectroscopy and related data analyses for dissolved organic matter (DOM) studies: A review," Crit. Rev. Environ. Sci. Technol., vol. 47, pp. 131-154, 2017. doi: 10.1080/10643389.2016.1224573.

[5] F. Liu, P. Zheng, B. Huang, X. Zhao, L. Jiao, and D. Dong, "A review on optical measurement method of chemical oxygen demand in water bodies," in Proceedings of the International Conference on Computer and Computing Technologies in Agriculture, Beijing, China, 27-30 September 2015, pp. 619-636.

[6] S. Hossain, C. W. Chow, G. A. Hewa, D. Cook, and M. Harris, "Spectrophotometric online detection of drinking water disinfectant: A machine learning approach," Sensors, vol. 20, p. 6671, 2020.

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* Kilian Höfling ist Sales Engineer Academic bei Hamamatsu Photonics.

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