Einfache Konzentrationsbestimmung in farbigen Lösungen mithilfe zweier Smartphone (IPhones)

[Seaborg]

Wer "Google Scholar" nach "Colorimetrie /Photometrie mit Smartphon" durchsucht, stößt auf eine Vielzahl von diesbezüglichen Arbeiten, überwiegend hochwissenschaftlichen auf Gebieten wie Virologie, Blutuntersuchungen, sowie auch solche zur Untersuchung von Boden-, oder Luftproben und vielen mehr.
Wer die Fähigkeiten der Physik-App "Phyphox" der RWTH Aachen entdeckt hat, weiß, welche technischen Möglichkeiten in einem modernen Smartphone stecken, dennoch sind die, ein gut arbeitendes Kolorimeter damit zu bauen, eventuell weniger bekannt.

Es soll hier ein einfacher Aufbau, der für die meisten Messungen von Konzentrationen farbiger Lösungen geeignet ist, vorgestellt werden.
Es können damit also Konzentrationen z.B. anorganischer Kationen und Anionen mit einer beeindruckenden Genauigkeit bestimmt werden, wenn es gelingt, sie in beständige Farbverbindungen zu überführen und für solide, reproduzierbare äußere Bedingungen zu sorgen.

Geräte und weiteres:
--2 (!) Smartphone (oder 1 Smartphone und 1 Tablet)
--eine App, die den gesamten Bildschirm eines Smartphons zu einem Lichtkasten macht
(hier: "Screen Flashlight" von von Eduardo Rojas Soriano)
--eine App, die die RGB-Werte von Farben messen kann
(hier: "ColorPicker" von Mikhail Gribanov)
--eine App, die die gemessenen Werte in ein Koordinatensystem überführt und eine Regressionsgrade
zeichnet;
(hier: "Regression Analysis App" von "Chemical Solutions")
--eine hellweiße Abschirmung vor Fremdlicht aus weißem Karton.
--Kuvetten oder andere geeignete Gefäße. Im Beispiel wurden "Einmal-Plastikkuvetten" verwendet.

Chemikalien:
eine rotorangene Mischung von:
Gelborange S (Dinatrium-6-hydroxy-5-[(E)-(4-sulfonatophenyl)diazenyl]-2-naphthalinsulfonat) und
Cochenillerot A (Trinatrium-7-hydroxy-8-[(E)-(4-sulfonato-1-naphthyl)diazenyl]-1,3-naphthalin­disulfonat
in einem Destillat der Firma Campari mit orange-roter Färbung durch die künstlichen Lebensmittelfarbstoffe E 110 (Gelborange S) und E 124 (Cochenillerot A): Aperol

Durchführung:
Mehrere Kuvetten werden mit mehreren definierten Konzentrationen der zu untersuchenden Substanzlösung gefüllt. Zur Demonstration wurde im vorgestellten Beispiel die tieforangene Flüssigkeit des Getränkes "Aperol" genommen, das als 100 %-Wert gesetzt wurde. Daraus wurden Verdünnungen hergestellt (0 %, 25 %; 33 %, 50 %, 66 %, 80 %) und in die Kuvetten gefüllt, die, natürlich mit der durchsichtigen Seite nach vorne, mithilfe eines Gummibandes zusammengebunden wurden.
Das Ensemble wird auf die beleuchtete Vorderfläche des Smartphones gestellt und mit der Papierhutze abgedeckt.

Mithilfe des zweiten Smartphones werden nun einige Photos der Kuvetten angefertigt. Dabei muß auf möglichst hohe Symmetrie geachtet werden.

Das am meisten orthograde Foto wird nun in die App eingespielt und auf dem Bildschirm mit der Color Picker Software ausgemessen. Ich habe dazu eine möglichst große, quadratische Meßfläche eingestellt und an jeweils gleichartigen Orten der Farbflächen im "RGB-Menue" den Grünwert gemessen.(Im Foto ist noch die ebenfalls vorwählbare kreisrunde ROI =region-of-interest abgebildet)

Die "Grün-Werte" der unterschiedlichen Konzentrationen werden in "Daten" der App als x- und y-Werte eingegeben. Unter "Ergebnis" lassen sich viele statistische Daten ablesen und eben auch die Farbwerte von zu untersuchenden Konzentrationen eingeben.

Unter dem button ganz rechts findet sich das Koordinatensystem mit der Regressionsgeraden.

Zu beachten:
Die Lichtverteilung im "Meßraum" muß für alle Kuvetten gleich sein!
Die Flüssigkeiten in den Kuvetten sollten mitsamt der Proben schnell gemessen werden, damit es nicht zu ungleichen Konzentrationen durch Verdunstungen kommt; es sei denn, die Gefäße haben Kappen.


Erklärung:
Schon nach wenigen Korrekturen der Lichtführung und der Meßflächen (möglichst groß und an den gleichen Stellen) wurden erstaunlich gleichförmige Messungen erzielt.
Es ist empfehlenswert, als Farbkanal zur Messung immer die Komplementärfarbe der Lösungen zu nehmen; hier also zur Messung einer roten Lösung den "Grün-Kanal". Wenn man die Werte aller drei Kanäle misst, stellt man fest, daß die beiden nicht komplementären Kanäle ungeeignet sind, da sie oft waagerecht verlaufen!


Literatur:

Chemie in unserer Zeit, Vorschau Heft 2/2024
https://doi.org/10.1039/D1AN00025J
https://doi.org/10.1002/ckon.202200056
https://doi.org/10.1002/ckon.201900074 (Czubatinski, 2020)
https://doi.org/10.1039/c01c00358a

[mgritsch]

Sehr nett, ja das Thema fliegt in der Literatur schon öfter rum, auch im J.Chem.Education gibt's viele einschlägige Vorschriften. Sicher nicht die Genauigkeit eines professionellen Photometers, aber im Verhältnis zu den Mitteln sehr, sehr brauchbar!

Du erwähnst die "Physik-App "Phyphox" der RWTH Aachen" in der Einleitung, später kommt die aber nicht mehr vor - was könnte die?

Der Tipp mit dem Gummiband ist so naheliegend und dennoch Gold wert ich habe auch mal in der Richtung gespielt und fand es irgendwie frickelig, das fällt mit Gummiband weg.

Warum ist die orthograde Aufnahme besser als Durchlicht, straight von oben gegen den Screen? Wegen der Höhe der Flüssigkeitssäule? wenn man die gleichmäßig hinbekommt - wäre das dann nicht besser? (gleichmäßigerer Hintergrund, größere Schichtdicken = Empfindlichkeit oder weniger Probenvolumen...) und selbst wenn nicht - was spricht dagegen das Beleuchtungs-Phone dahinter vertikal zu positionieren?

Hast du mal damit gespielt was Kombinationen aus den Kanälen für Kalibrierkurven ergeben? zB du hast dich für die "Grün-Werte" entschieden, warum nicht blau (wäre die Komplementärfarbe zu orange) oder ein gewichteter Mix aus G+B?

Empfehlung zur Bildauswertung: die (freie) Software ImageJ ist für wissenschaftliche Bildauswertungen gemacht und kann einiges was hier hilfreich sein kann, zB automatische Erkennung (und Korrektur) eines Helligkeitsverlaufs über das ganze Bild (auch wenn die Beleuchtung perfekt ist haben Linsensysteme doch mitunter Abweichungen und Helligkeitsabfälle zum Rand hin...)
https://imagej.net/ij/download.html

[Seaborg]

Du erwähnst die "Physik-App "Phyphox" der RWTH Aachen" in der Einleitung, später kommt die aber nicht mehr vor - was könnte die?

das sind soviele Möglichkeiten; u.a.: Beschleunigungsmessung, Gyroskop, Lichtmessung!, Magnetfeld, Audio-Amplitude, -Oszilloskop, -Spektrum, Tongenerator, Fadenpendel, Federpendel, Neigungsmesser, Akust. Stoppuhr und und und....; unbedingt ansehen !!!!

Der Tipp mit dem Gummiband ist so naheliegend und dennoch Gold wert ich habe auch mal in der Richtung gespielt und fand es irgendwie frickelig, das fällt mit Gummiband weg.

Es soll ja alles möglichst einfach sein und einen Gen-Z-ler nicht überbeanspruchen, sonst könnte man auch ein schönes "rack" aus Pappe basteln.

Warum ist die orthograde Aufnahme besser als Durchlicht, straight von oben gegen den Screen? Wegen der Höhe der Flüssigkeitssäule? wenn man die gleichmäßig hinbekommt - wäre das dann nicht besser? (gleichmäßigerer Hintergrund, größere Schichtdicken = Empfindlichkeit oder weniger Probenvolumen...) und selbst wenn nicht - was spricht dagegen das Beleuchtungs-Phone dahinter vertikal zu positionieren?

Dagegen sprechen nur die wahrscheinlich höheren Hürden für die reproduzierbare und orthograde Positionierung des aufnehmenden Gerätes. Man müßte eine plane Halterung für das aufnehmende Smartphon am besten höhenverstellbar basteln. Freihand geht das nicht.
Außerdem sieht man von oben die kapillarkraftbedingten Randverdunklungen. Der Meßbereich ist dann kleiner.
Im Beispiel kann man das Ding waagerecht auf den Tisch vor der Anordnung auflegen; muß aber auch hier darauf achten, daß es orthogonal ist, d.h. daß alle im Smartphon sichtbaren Ränder "gerade" und rechtwinklig sind.

Hast du mal damit gespielt was Kombinationen aus den Kanälen für Kalibrierkurven ergeben? zB du hast dich für die "Grün-Werte" entschieden, warum nicht blau (wäre die Komplementärfarbe zu orange) oder ein gewichteter Mix aus G+B?

Habe ich. Man sieht, daß nur ein Kanal wirklich zielführend ist. Bei neuen Farben muß man ggf. alle Farbkanäle als Regressionsgeraden aufzeichnen. Man wird sehen, daß nur ein Kanal eine gute Steigung hat. Insofern ist dann eine rechnerische Einbindung weiterer Kanäle nicht hilfreich. Auch andere Farbräume werden kaum empfohlen.
Aber: bitte ggf. austesten!

Empfehlung zur Bildauswertung: die (freie) Software ImageJ ist für wissenschaftliche Bildauswertungen gemacht und kann einiges was hier hilfreich sein kann, zB automatische Erkennung (und Korrektur) eines Helligkeitsverlaufs über das ganze Bild (auch wenn die Beleuchtung perfekt ist haben Linsensysteme doch mitunter Abweichungen und Helligkeitsabfälle zum Rand hin...)
https://imagej.net/ij/download.html

Die ganze Anordnung bleibt natürlich nur eine Hilfe für das Heimlabor oder für ein nordkoreanisches Top-Labor.
Die Breite der nebeneinanderstehenden Kuvetten sollte möglichst klein sein, da die Aufnahmedistanz zum Sensor natürlich wächst und dadurch Licht verlorengeht. Man könnte sich auf drei gut gewählte Eich-Konzentrationen beschränken, die Kuvetten in einem Kreissegment aufstellen, die Position der Kuvetten in verschiedenen Anordnungen messen und Mittelwerte bilden.
Aber: wie man ja sieht: es geht auch so und die Abweichungen von der Regressionsgerade können sich sehen lassen.
Die ungleichmäßigen Verdunstungen aus den Kuvetten und andere STörfaktoren müssen genauso berücksichtigt werden.

[mgritsch]

das sind soviele Möglichkeiten; u.a.: Beschleunigungsmessung, Gyroskop, Lichtmessung!, Magnetfeld, Audio-Amplitude, -Oszilloskop, -Spektrum, Tongenerator, Fadenpendel, Federpendel, Neigungsmesser, Akust. Stoppuhr und und und....; unbedingt ansehen !!!!

angesehen und bin begeistert! Danke für den Tipp!

Dagegen sprechen nur die wahrscheinlich höheren Hürden für die reproduzierbare und orthograde Positionierung des aufnehmenden Gerätes. Man müßte eine plane Halterung für das aufnehmende Smartphon am besten höhenverstellbar basteln.

ja verstehe, zumindest zwischen Aufnahmen ist das mit Abstand absolut ein Thema. Wobei ich zwischen den Aufnahmen so oder so Bedenken bzgl Reproduzierbarkeit hätte - alleine dass das Ding automatisch mit Belichtung und Weißabgleich tut was es für richtig hält macht das potenziell zunichte. Im Prinzip musst du immer deine Standards auf jedem Bild mit aufnehmen, und seien es nur 2 Extrempunkte.

Warum ist die orthogonale Ausrichtung so wichtig? Komplett schief halten wird man es wohl nicht und ein paar ° Abweichung sollte keine großen Helligkeitsunterschiede verursachen, oder hast du da andere Erfahrung?

Die Breite der nebeneinanderstehenden Kuvetten sollte möglichst klein sein, da die Aufnahmedistanz zum Sensor natürlich wächst und dadurch Licht verlorengeht.

hm, über Licht verlieren mache ich mir wenig sorgen, dafür gibt's große Blenden, die kleinen Objektive sind erstaunlich lichtstark. Eigentlich sollte der Abstand Kamera-Küvette so groß wie möglich gewählt werden und besser stattdessen einzoomen, sonst ist der Abstand Objektiv-mittlere Küvette und Objektiv-Küvette am Rand sehr merklich anders (Grüße von Pythagoras ), vermutlich deutlich mehr als jedes Verkanten des Phone jemals ausmachen kann. Nebeneffekt: Verkanten wird automatisch vermieden, man muss zwangsläufig orthogonal sein um es überhaupt noch im Bild zu haben

[Seaborg]

Warum ist die orthogonale Ausrichtung so wichtig? Komplett schief halten wird man es wohl nicht und ein paar ° Abweichung sollte keine großen Helligkeitsunterschiede verursachen, oder hast du da andere Erfahrung?

Ich habe es nicht getestet, weil durch das einfache Anwenden der Orthogonalität (cum grano salis) das evtl. Problem vorab vermieden wird.

hm, über Licht verlieren mache ich mir wenig sorgen, dafür gibt's große Blenden, die kleinen Objektive sind erstaunlich lichtstark. Eigentlich sollte der Abstand Kamera-Küvette so groß wie möglich gewählt werden und besser stattdessen einzoomen, sonst ist der Abstand Objektiv-mittlere Küvette und Objektiv-Küvette am Rand sehr merklich anders (Grüße von Pythagoras ), vermutlich deutlich mehr als jedes Verkanten des Phone jemals ausmachen kann. Nebeneffekt: Verkanten wird automatisch vermieden, man muss zwangsläufig orthogonal sein um es überhaupt noch im Bild zu haben

Da gebe ich dir Recht. Der Abstand als solcher sollte etwas größer sein, um ein eventuelles Krümmungsproblem der Bildebene zu entschärfen. Im Versuch war ich eher darauf bedacht, Fremdlichteinflüsse auf dem Weg zu minimieren.
Es gäbe sicher etliche Möglichkeiten, die Meßgenauigkeit weiter zu verbessern, insbesondere wenn man noch 3D-Druck-Teile in Bertracht zieht, wie in einigen Veröffentlichungen vorgestellt. Aber dann wird es ja immer mehr zu einem "boomer-device".

[lemmi]

Faszinierend! Die optimale Farbe zur Auswertung ist vermutlich die Komplementärfarbe der Lösung - oder kann man auf diesem Wege auch Absorptionsspektren bestimmen?

Das zweite Smartphone dient offenbar lediglich der gleichmäßigen Beleuchtung, d.h. man könnte es durch eine andere Lichtquelle ersetzen. Ich habe da noch einen ausrangierten Röntgenbildbetrachter im Keller (heute guckt man ja keine analogen Röntgenbilder mehr im Originalformat an), der gibt einen sehr schön gleichmäßig hellen Hintergrund - jedenfalls für mein Auge. Könnte das reichen, oder müsste man da doch deutliche Differenzen der Lichtstärke vermuten, die man vielleicht nicht mit dem Auge sieht, aber die App schon? Sonst könnte man doch z.B. einen Laptop-Bildschirm verwenden (digital immigrants wie ich haben nur ein smartphone )

@Seaborg: du hast mgritschs Frage nicht beantwortet, ob man die Lichtquelle nicht auch einfach hinter die Küvetten stellen könnte? Dann wäre das Fotografieren von vorne mit abgestützem Smartphoen auch gut möglich.

Spannend wäre es, das mal mit einer wirklichen Analysensubstanz zu probieren - z.B. Tetraamminkupfer(II) oder so.

[Seaborg]

Faszinierend! Die optimale Farbe zur Auswertung ist vermutlich die Komplementärfarbe der Lösung - oder kann man auf diesem Wege auch Absorptionsspektren bestimmen?

siehe abstract: https://doi.org/10.1039/D1AN00025J. Alles ist möglich !

Das zweite Smartphone dient offenbar lediglich der gleichmäßigen Beleuchtung, d.h. man könnte es durch eine andere Lichtquelle ersetzen. Ich habe da noch einen ausrangierten Röntgenbildbetrachter im Keller (heute guckt man ja keine analogen Röntgenbilder mehr im Originalformat an), der gibt einen sehr schön gleichmäßig hellen Hintergrund - jedenfalls für mein Auge. Könnte das reichen, oder müsste man da doch deutliche Differenzen der Lichtstärke vermuten, die man vielleicht nicht mit dem Auge sieht, aber die App schon? Sonst könnte man doch z.B. einen Laptop-Bildschirm verwenden (digital immigrants wie ich haben nur ein smartphone )

das wird wahrscheinlich alles gehen. Ich vermute, es wird sogar auf einem weißen Blatt Papier gehen, wenn dieses vor einem diffus sonnenbeleuchteten Fenster liegt. Und außerdem könnte man natürlich auch seine Digitalkamera nehmen; die kann die RGB-Werte auch messen, aber wahrscheinlich nur punktuell und ohne Verschieblichkeit der ROI's.

@Seaborg: du hast mgritschs Frage nicht beantwortet, ob man die Lichtquelle nicht auch einfach hinter die Küvetten stellen könnte? Dann wäre das Fotografieren von vorne mit abgestützem Smartphoen auch gut möglich.

Letztlich ist doch alles ganz einfach: Entweder man kriegt mit seiner Anordnung eine saubere Regressionsgerade mit geringen Standardabweichungen hin oder nicht.

Spannend wäre es, das mal mit einer wirklichen Analysensubstanz zu probieren - z.B. Tetraamminkupfer(II) oder so.

Sind denn die von mir verwendeten Substanzen:
Dinatrium-6-hydroxy-5-[(E)-(4-sulfonatophenyl)diazenyl]-2-naphthalinsulfonat und
Trinatrium-7-hydroxy-8-[(E)-(4-sulfonato-1-naphthyl)diazenyl]-1,3-naphthalin­disulfonat
gar nichts ???

[lemmi]

Sind denn die von mir verwendeten Substanzen:
Dinatrium-6-hydroxy-5-[(E)-(4-sulfonatophenyl)diazenyl]-2-naphthalinsulfonat und
Trinatrium-7-hydroxy-8-[(E)-(4-sulfonato-1-naphthyl)diazenyl]-1,3-naphthalin­disulfonat
gar nichts ???

Das sollte keine Kritik sein! Du hast einen proof of principle geleistet, und das ist natürlich schon alleine viel wert. Ich wollte nur wissen, ob du die andere Variante mit der Beleuchtung von hinten resp. anderen Lichtquellen auch ausprobiert hast. Hätte ja sein können, dass das zweite (Beleuchtungs-) Smartphone eine besonders optimale Lichtquelle ist. Und eine Anwendung ist halt immer nett. Muss aber natürlich nicht sein.

[Seaborg]

Habe ich auch nicht so verstanden
Im Mikroskopie-Forum (für Mitglieder) hat u.a. Hubert (Physiker) Stellung zu der optischen Problematik dieser Anordnung gegeben. Sehr interessant.

Schönes WE

[mgritsch]

Im Mikroskopie-Forum (für Mitglieder) hat u.a. Hubert (Physiker) Stellung zu der optischen Problematik dieser Anordnung gegeben. Sehr interessant.

Magst du uns hier vielleicht eine Kurzzusammenfasdung davon geben?

[Seaborg]

Kommt !

[Seaborg]

hier noch der Kommentar eines Physikers aus dem Mikroforum mit Erklärungen und Verbesserungen zum Aufbau
Insbesondere empfiehlt sich also eine schwarze Umgebung der Proben und eine Handy-Beleuchtung von hinten.
Seine Skizzen habe ich auf die Schnelle nicht alle übertragen können. Eine Anmeldung im Mikroforum wäre somit notwendig und allemal empfehlenswert.



eine interessante "Spielerei". Jedenfalls sehr lehrreich um sich mit einfachen Mitteln dem dem Thema zu beschäftigen.

Wenn es genauer werden soll wäre es sicherlich wichtig, den Hintergrund mit größerem Abstand zu den Küvetten zu montieren um die unvermeidliche Lichtreflexion von den Küvetten zum Hintergrund zu minimieren. Denn diese beeinflusst auch den Hintergrund der jeweiligen benachbarten Küvetten (kann man am veränderlichen Farbstich des Hintergrundes erkennen). Warum nicht das Beleuchtungs-Smartphone als Hintergrund, alles innerhalb schwarzer Abdeckung, verwenden?

Es ist empfehlenswert, als Farbkanal zur Messung immer die Komplementärfarbe der Lösungen zu nehmen; hier also zur Messung einer roten Lösung den "Grün-Kanal. Wenn man die Werte aller drei Kanäle misst, stellt man fest, daß die beiden nicht komplementären Kanäle ungeeignet sind, da sie oft waagerecht verlaufen!"

Da sieht man die Grenzen dieses doch sehr einfachen Verfahrens, denn messen kann man nur innerhalb der jeweiligen Empfindlichkeitskurve des jeweiligen roten, grünen oder blauen Farbkanals der Kamera als Summenwert der jeweiligen Bandbreite. Hier liegt ja subtraktive Farbmischung vor, das Orangerot ergibt sich daraus dass die Flüssigkeit den blauen Spektralbereich und teilweise den Grünen absorbiert.

Den blauen Kanal könnte man zum Messen verwenden wenn die Sensorauswertung als JPG-Wert eine höhere Dynamik hätte, bei den 8 Bit ist aber bereits bei der vierten Küvette von links die messbare Intensität von Blau auf Null gesunken.

Rot dagegen hat das Problem, dass im Spektralbereich des Kamerasensors nahezu keine Absorption auftritt (siehe Grafik). Daher auch keine Veränderung des Wertes durch verschiedenen Konzentrationen.

Im Smartphone-Beispiel ist ein Problem der nicht ausreichend homogene Hintergrund, der nicht nur vom 2. Smartphone beleuchtet wird sondern auch durch die Reflexionen der davor liegenden Küvetten. Meine Auswertung des Bildes mittels Bildbearbeitungsprogramm (Histogramm einer jeweils ausgewählten Kreisfläche) zeigt den Effekt. Die Intensitätsstatistik der Bildpixel für eine einzelne Farbe gibt gleichzeitig einen Hinweis auf die Qualität der Messfläche.

Die Hintergrundintensität über den Küvetten ist im mittleren Bereich am höchsten (Strich-Punkt-Linien), und zeigt durch die rechten, stärker gefärbten Küvetten naturgemäß einen zunehmenden Rotstich (Abstand zu dem grün-blauen Linienpaar). Für Blau ist wie schon erwähnt durch die höhere Absorption des Farbstoffs die Intensitätsauflösung der Kamera (und durch die gewählte Belichtung/Farbabgleich) nicht ausreichend.

https://www.dropbox.com/scl/fi/444o3jve ... 2fvue&dl=0

[mgritsch]

Insbesondere empfiehlt sich also eine schwarze Umgebung der Proben und eine Handy-Beleuchtung von hinten.

Genau mein Gedanke richtig Durchlicht, nicht von unten beleuchten. Alles andere ringsum so schwarz wie möglich.

Den blauen Kanal könnte man zum Messen verwenden wenn die Sensorauswertung als JPG-Wert eine höhere Dynamik hätte, bei den 8 Bit ist aber bereits bei der vierten Küvette von links die messbare Intensität von Blau auf Null gesunken.

Auch hier lag ich richtig, blau wäre die optimale komplementäre Farbe. In dem Fall bloß einfach schon zu empfindlich, sprich damit könnte man nur geringere Konzentrationen messen wo du nicht schon bei 0 anstehst.

[lemmi]

Danke für die Erklärungen!