Werner Schmidt. Optische

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3 Werner Schmidt Optische

4 Weitere empfehlenswerte Bucher von Wiley-VCH S. Braun / H.-O. Kalinowski / S. Berger 150 and More Basic NMR Experiments A Practical Course - Second Edition Seiten, 200 Abbildungen. ISBN H. Budzikiewicz Massenspektrometrie Seiten, 77 Abbildungen, 4 Tabellen. ISBN H. Friebolin Ein- und Zweidimensionale NMR-Spektroskopie 3. Auflage Seiten, 170 Abbildungen, 50 Tabellen. ISBN H. Giinzler / H. M. Heise IR -Spektroskopie Eine Einfiihrung, 3., neubearbeitete Auflage 1996,412 Seiten, 226 Abbildungen, 59 Tabellen. ISBN J. W. Niemandsverdriet Spectroscopy in Catalysis An Introduction Seiten, 180 Abbildungen, 26 Tabellen. ISBN

5 Werner Schmidt Optische Spektroskopie Eine Einfiihrung 2. Auflage m WILEY.-' ~CH W~inheim. ~ew York Chichester \V. Y, Bnsbane. Slllgapore. Toronto

6 Prof. Dr. Werner Schmidt RaiffeisenstraBe 2 D Konstanz Das vorliegende Werk wurde sorgfaltig erarbeitet. Dennoch iibernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag [(ir die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und RatschHigen sowie [(ir eventuelle Druckfehler keine Haftung. Die lateinischen Zitate zu Beginn jedes Kapitels wurden entnommen aus: Unvergdngliche lateinische Spruchweisheit Urban und human, H. G. Reichert, EOS Verlag, Erzabtei St. Ottilien, 1856/1983. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz [(ir diese Publikation ist bei Die Deutsche Bibliothek erhaltlich WILEY-VCH Verlag GmbH, D Weinheim (Federal Republic of Germany), Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Aile Rechte, insbesondere die der Ubersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form - durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache iibertragen oder iibersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dab diese von jedermann frei benutzt werden diirfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragenen Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschiitzte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form - by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such, are not to be considered unprotected by law. Satz: Hagedorn Kommunikation, D Viernheim ISBN:

7 Vorwort zur 1. Auflage Das vorliegende Buch entstand aus der lange gehegten Idee, einmal aile Aspekte und Grundbegriffe, die sowohl fur das VersHindnis als auch fur die praktische Arbeit in der Optischen Spektrophotometrie erforderlich sind, in einer weitgefacherten EinfUhrung zusammenzufassen. Vor mehr als zwanzig Jahren wurde ich wahrend meiner Promotionsarbeit zum ersten Mal mit der anspruchsvollen Messung optischer Spektren und Konzentrationsanderungen von Pigmenten geringster Konzentration in lebenden Pflanzen konfrontiert. Konventionelle Optische Spektrophotometer, wie sie fur die Routinearbeit in jedem einigermaben gut ausgestatteten Labor standen und stehen, waren und sind hierfur vollig ungeeignet. Erforderliches know how konnte daher nur vergleichsweise muhsam an hand von (durchweg englischsprachigen) Originalarbeiten, die der Problemstellung am nachsten kamen, gewonnen und erarbeitet werden. Hieran hat sich bis heute nichts geandert, wie meine Erfahrung aus der Vorlesungspraxis und der Studentenbetreuung zeigt. Vieles findet sich zwar in diversen Lehrbuchern der Naturwissenschaften und den Unterlagen diverser Firmen, aber nur selten in geschlossener, einfach zu erarbeitender Form. Erst im nachhinein wurde mir deutlich, warum es trotz einer unuberschaubaren Fulle von Primar- und Sekundarliteratur zu Einzelthemen der Optischen Spektralanalyse praktisch kein umfassendes, einfohrendes Lehrbuch der nun vorliegenden Art gab. Das liegt an zwei widerspruchlichen Forderungen. Einmal erfordert die Optische Spektrophotometrie sowohl ein gutes Verstandnis der Quantenmechanik als auch der Optoelektronik, der Informationstheorie und der Computertechnik, zum andern durfen die Erwartungen an entsprechende Vorkenntnisse des Lesers aber nicht zu hoch geschraubt werden. Dieser schwierigen Aufgabe, komplexe und weitgestreute Sachverhalte moglichst einfach zu erklaren und anwendbar zu machen, habe ich mich gestellt. Mir ist klar, dab eine solche Darstellung die Kritik der Spezialisten der jeweiligen Fachgebiete herausfordern mub, doch wird letztlich die von mir anvisierte Zielgruppe von Lesern zu entscheiden haben, inwieweit mir dieser Versuch gelungen ist. Das sind vornehmlich Studenten der Naturwissenschaften und Technik, aber auch all diejeinigen, die sich einfach in das Gebiet der Optischen Spektrophotometrie einarbeiten

8 VI Vorwort zur 1. Auflage wollen, urn eine fundierte Grundlage zu erhalten. (Bio-) Chemiker, Biologen, Mediziner, Ernahrungswissenschaftler, Geologen, Astronomen und Physiker, aber nicht zuletzt der Routineanalytiker und der Entwicklungsingenieuer sind gleichermaben angesprochen, jeder auf seine Weise. Verschiedene Literaturlisten am Ende der einzelnen Kapitel geben die Mbglichkeiten eines vertieften Studiums. Fur das Verstandnis eines jeden Fachgebietes ist die Kenntnis seiner geschichtlichen Entwicklung vorteilhaft. Nur so kbnnen wir den Entwicklungsstand und die Mbglichkeiten einer Methodik wirklich beurteilen; so auch fur die Optische Spektrophotometrie. Bei meinen Recherchen zum vorliegenden Buch (Kapitel 1) mubte ich lernen, dab es speziell zum Thema Geschichte der Optischen Spektroskopie keine allgemeine Abhandlung gibt; und so mubte ich verschiedenste Informationsquellen heranziehen. Auch wenn das vorliegende Buch keine Einleitung in die Grundlagen der Quantenmechanik geben kann, so will ich den interessierten Lernenden aber auch nicht "vor vollendete Tatsachen" stellen. Ich habe daher versucht, die entscheidenden Formeln und Resultate ohne eine mathematisch vollstandige Herleitung zu erklaren und zu erlautern (Kapitel 2). 1m dritten Kapitel schlieblich habe ich die relevanten, mehr technisch-physikalischen Gesichtspunkte der Optoelektronik in geeigneter Form gesammelt und zusammengefabt. Erst nach diesen drei einleitenden Kapiteln werden wir auf die verschiedenen spektrophotometrischen Methoden selbst eingehen. Das Problem wurde bereits angesprochen: wie tief einerseits soli der quantenmechanische Aspekt ausgeleuchtet werden, und wann wird er zum Selbstzweck? Andererseits soli dieses Buch mehr leisten, als nur passende Schlagworte zu den einzelnen Themen zu vermitteln, die in der Regel inhaltlich wenig fbrderlich sind. Schlagworte tauschen Wissen vor und kbnnen sogar bei der Lbsung eines neuartigen Problems eher hinderlich sein, wenn man zum Beispiel - oftmals nicht explizit - verlangte "Randbedingungen" verletzt. Ich hoffe, den rechten Mittelweg gefunden zu haben. Auch wenn die Photoakustik sicherlich noch nicht als Routineanalytik anzusehen ist, erlaubt sie die einfache und elegante Beantwortung vieler energetisch orientierter Fragen, die anderweitig nicht oder kaum beantwortet werden kbnnen. Daher habe ich ihr daher ein eigenes Kapitel (6. Kapitel) gewidmet. Weiterhin ergab sich bei der Vorbereitung des Manuskripts, dab eine strikte Trennung von Lichtreflexion, -streuung und -brechung kaum sinnvoll ist, weshalb ich diesen Analytikbereich geschlossen im Kapitel 7 behandele. Auch wenn die chiroptischen Methoden wie die CD- oder ORD-Spektroskopie theoretische Beziehungen zu letzteren Phanomenen haben, erschien eine weitgehene Abtrennung von Kapitel 7 doch sinnvoll, urn mehr Ubersicht uber die praktisch unterschiedlichen Methoden zu schaffen. Mit zunehmender VerfUgbarkeit "preiswerter", intensiver kurzwelliger Strahlung gewinnen verschiedene analytische Verfahren weiter an Bedeutung, die sich besonders auf die inneren Elektronen eines Moleki.ilverbandes beziehen. Auch wenn diese Methoden nur im weiteren Sinne noch "optospektrophotometrisch" genannt werden kbnnen, da sich

9 Vorwort zur 1. Auflage VII die erforderlichen Wellenliingen bis in den Rontgenbereich erstrecken, habe ich diese - etwas willkiirlich - gemeinsam mit den chiroptischen Methoden im achten Kapitel unter "Spezielle Methoden in der Optischen Spektroskopie" zusammengefabt. 1m Anhang schlieblich sind die wesentlichen Grundlagen und Grundbegriffe der Mikrocomputer-Technik (PC), einschlieblich der Verkopplung von Rechner und Spektrometer, zusammengestellt. Eine Liste verschiedener Hersteller und Lieferanten, die relevant fur die im vorliegenden Buch behandelten Gebiete sind, moge als "Schnittstelle" zwischen Buch und Praxis dienen. Diese Liste ist Resultat jahrelanger eigener Praxis und Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der Optischen Spektrophotometrie, erhebt jedoch keinesfalls den Anspruch auf Vollstiindigkeit. Das Buch ist so konzipiert, dab es gleichzeitig fur den Neuling als Lehrbuch und fur den erfahrenen Anwender als Nachschlagewerk dienen kann. Ich schlie Be mit einer Bitte und einem Dank. Die Bitte geht einmal an alle, die durch Kritik oder Ergiinzungsvorschliige zur Verbesserung des Buches beitragen konnen. Zum andern bitte ich diejenigen mir zu schreiben, denen ich nach meinen Moglichkeiten und in angemessener Form bei der Losung spezieller Probleme in der Optischen Spektrophotometrie behilflich sein kann. Mein besonderer Dank geht an Dr. H. F. Ebel bei der VCH Verlagsgesellschaft, der meine Idee zum vorliegenden Buch auf den Weg gebracht hat. Mein Dank gilt ferner Frau Ute Hartweg fiir hilfreiche sprachliche und wissenschaftliche Unterstiitzung bei der Erstellung des Manuskripts und den Lektoren Frau Karin von der Saal und Herrn Dr. Thomas Mager, die das Werden des Manuskripts fachkundig begleitet haben. Herr 1. Meier von der Herstellung hat schlieblich aus einem Manuskript ein ansprechendes Buch gemacht. Nicht zuletzt gilt me in Dank meiner Frau und meinen Kindern, die in den vergangenen lahren wegen dieses Buches auf so manches verzichten mubten. Konstanz, im Winter 1993 Werner Schmidt

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11 Vorwort zur 2. Auflage Nachdem das Manuskript zur ersten Auflage der "Optischen Spektroskopie" vor nunmehr 7 Jahren abgeschlossen worden ist und das Buch gute Akzeptanz erfahren hat, war es nun Zeit fiir die vorliegende zweite Auflage. Meine Vorgabe durch den Verlag war, den Gesamtumfang leicht zu kiirzen und das Buch kompakt und preisgiinstig zu halten. Aufgrund vieler positiver Riickmeldungen, Kommentare und VerbesserungsvorschUige habe ich die zweite Auflage griindlich aufgearbeitet und verbessert. Die ersten sieben Kapitel blieben in ihrer Struktur erhalten. Das achte Kapitel widmet sich nun ausschlieblich der Polarimetrie, die durch die Ellipsometrie erweitert wurde. Auf die "Spektroskopie der inneren Elektronen" (in der ersten Auflage Kap. 8) und die "Datenverarbeitung/Computertechnik" (in der ersten Auflage Anhang A) wurde vollends verzichtet, da dieses heute weitgehend eigenshindige Themenbereiche sind und einer ausfiihrlicheren Behandlung bediirfen, als das im hier vorgegebenen Rahmen moglich ist. Aus Griinden der Aktualitiit lag mir jedoch daran, sowohl die Nahe-Infrarot-Spektroskopie als auch die Atomabsorptions- und Atomemissionsspektroskopie in eigenen, neuen Kapiteln ausfiihrlicher als in der ersten Auflage des Buches darzustellen (Kap. 9, 10). Eine Reihe weniger wichtiger, z. T. redundanter Abbildungen wurde herausgenommen, einige wurden verbessert, andere kamen neu hinzu. Eine Reihe weiterer kleiner Tabellen erlaubt einen klareren Uberblick als eine Beschreibung im Text. Das Gemalde Fraunhofers von R. Wimmer (erste Auflage, Tafel II) aus dem Deutschen Museum habe ich gegen ein photographisches Portrait von Warren L. Butler ( bis ) ausgetauscht; eine Hommage an ihn. Er war einer der Wegbereiter besonders der optospektroskopischen Analytik "biolgisch schwieriger Proben" und wahrend meiner postdoc-zeit Mitte der siebziger Jahre in seinem Labor an der UCSD in San Diego/Californien mein herrausragender und pragender Lehrer. Weiterhin habe ich versucht, den zwangslaufig "sproden" Text des Buches durch die Portraitbilder jeweils themenrelevanter Wissenschaftler aufzulockern. leh danke Herrn Wengenmayr yom Verlag Wiley-VCH in Weinheim fiir seine standige Hilfsbereitschaft und die aktive Mitgestaltung des Buches.

12 X Vorwort zur 2. Auflage Mein Dank gilt auch Frau Dr. Waltraud Wiist, die dem Manuskript den letzten Schliff gegeben hat. Ingenieur Dieter Wengert (Konstanz) hat mich tatkraftig bei der technischen Produktion des Manuskripts unterstiitzt. Zusammen mit Prof. P.-S. Song aus Lincoln/Nebraskar und mir wird der Verlag Wiley-VCR das vorliegende Buch in modifizierter Form 2001 in englischer Sprache herausbringen. Konstanz, im Sommer 1999 Werner Schmidt

13 Uber den Autar Werner Schmidt, geboren 1941 in Oberhausen, studierte in Berlin und Freiburg Physik und Biologie. Seit einem mehrjahrigen postdoc-aufenthalt in den renommierten Labors von Prof. W.L. Butler (Univ. San Diego), Prof. M. Delbruck (Caltech/Pasadena) und Prof. K. Poff (Univ. East Lansing, Michigan) arbeitet er an der Erforschung pflanzlicher Photorezepotoren, ihrer Lokalisation in der Zelle und insbesondere deren Primarreaktionen bei der physiologischen (Licht-) Reizubertragung (sensory transduction). Diese Arbeiten erfordern zwangslaufig ein vertieftes Verstandnis optospektroskopischer Methoden und die Entwicklung spezieller Analysegerate und -verfahren. Hieraus resultierten letztlich verschiedene Patente, die nun mit Partnern aus der Industrie verwertet werden. Von 1976 bis 1983 war Werner Schmidt Assistent am Lehrstuhl des bekannten Flavinchemikers Peter Hemmerich an der Universitat Konstanz. Nach dessen fruhen Tod 1982 habilitierte er sich im Fach Biophysik und ist (Mit-) Autor zahlreicher Fachbucher und Originalpublikationen. Seit 1996 ist er Professor fur Biophysik an der Universitat Konstanz.

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15 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie Uberblick Geschichte der Optischen Spektroskopie 6 2 Grundlagen Die Natur des Lichts Elektromagnetische Strahlung Vom Wasserstoffatorn zum Makrornolekiil Das Wasserstoffatorn: Grundlagen Optischer Spektroskopie Atorne mit rnehreren Elektronen Schalen und Perioden Vektorrnodell, Regeln von Pauli und Hund Das Heliurnatorn Einfache Molekiile und ihr Spektralverhalten Chemische Bindung Elektronensprung-Spektren zweiatorniger Molekiile Molekiil-Schwingungen Ubergangsmomente Das Rotationsspektrurn Rotations-Sch wingungs banden Schwingungs-, Rotations- und elektronische Ubergange Atomspektren, Spektren kleiner und grober Molekiile, ein Vergleich Weiterfiihrende Literatur 60 3 Spektroskopische Optik Einleitung Physikalische LichtgrbBen Physiologische LichtgrbBen 69

16 XIV lnhaltsve rzeichnis 3.4 Lichtquellen Der Schwarze Strahler Gltihlampen Gasentladungslampen Laser Synchrotron Strahlung Geometrische Optik, Wellenoptik Brechung und Reflexion Die Fresnel-Formeln Linsen und Spiegel Strahlengange Lichtleiter Ulbrichtkugel Modulatoren/Doppelbrechung Filter Monochromatoren Dispersions-Prismen Dispersions-Gitter Photodetektoren Photodetektoren mit auberem Photoeffekt Photodetektoren mit innerem Photoeffekt Photodetektoren mit Thermoeffekt Photochemische Detektoren Kiivetten Weiterfiihrende Literatur Absorptionsspektrophotometrie Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz Ableitung Abweichungen Terminologie Monochromatoren Monochromatoranordnungen Gittertypen Linearisierung der Wellenlange Typen scannender Absorptionsspektrometer Das Rauschen Photometrischer Fehler Falschlicht Messung triiber Proben S pezifikationen Absorptionseigenschaften von Molekiilen 155

17 Grundtypen elektronischer Ubergange Charge-Transfer-Komplexe.... Ubergangsmetallkomplexe..... Modifikation von Absorptionsspektren Differenz-Spektrophotometrie Hyper- und Hypochromismus Derivativspektroskopie Korrelationen Theorie Glattung.. Ableitungen. Dekonvolution Fourier vs. Korrelation Spektrale Multikomponentenanalyse Zweiwellenlangen Spektrophotometrie. Einleitung.... Methodik.... Messung von Hamoglobin in-vivo Spektrophotometer fur spezielle Anwendungen Stopped -Flow-S pektrophotometrie Rapid-Scan-Spektrophotometrie Weiterfiihrende Literatur lnhaltsverzeichnis XV Lumineszenzspektrophotometrie Einleitung.... Fluoreszenzmechanismus... Ursprung von Fluoreszenz und Phosphoreszenz Potentialdiagramme.... Vom Potentialdiagramm zum Spektrum Losungsmitteleffekte..... Quantenmechanische Grundlagen Fluoreszenz-Quantenausbeute Fluoreszenzmessung..... Fluorometer Korrektur von Fluoreszenzspektren Linearitat des Fluoreszenzsignals. Trube Proben und Tieftemperaturmessung Weitere Fehlerquellen Polarisation und Anisotropie. Definitionen Energietransfer Depolarisation

18 XVI lnhaltsverzeichnis Fluoreszenzlebensdauer Definitionen.... Experimentelle Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer Bestimmung der Quantenausbeute Fluoreszenzlbschung Ausgesuchte Topics Proteine Marker, Sonden.. Chelate.... Bestimmung von Calcium Totalfluorometrie Fluoreszenzsensoren.. Das Pulsamplituden-Fluorometer (PAM) Phosphoreszenz Chemo- und Photobiolumineszenz Chemolumineszenz.... Biolumineszenz..... Leuchtkafer Biolumineszenz Bakterien Biolumineszenz. Enzym-katalysierte Systeme, die Wasserstoffperoxid produzieren Instrumente Ultraschwache Lumineszenz Verzogerte Lumineszenz Grundlagen Apparative Erfordernisse Weiterfiihrende Literatur Photoakustische Spektroskopie Einleitung.... Das Grundprinzip der Photoakustischen Spektroskopie Theorie der Photoakustischen Spektroskopie. Uberblick.... Photoakustisch detektierte Absorptionsspektren Sattigungsverhalten... Tiefenprofile des PA-Spektrums Experimentelle Methodik.. Photochemisch aktive Proben Modifikation des PA-Signals. Das Frequenzspektrum eines PA-Signals Chloroplasten..... Resume und Ausblick Weiterfiihrende Literatur

19 Inhaltsverzeichnis XVII 7 Streuung, Brechung, Reflexion Einleitung Elastische Streuung Herleitung der Rayleigh-Gleichung Bestimmung der Molmasse ("Molekulargewicht") Streuung durch grbbere Partikel Fraunhofer-Streuung Streuintensitat Is und TeilchengrbBe Dynamische Streuung Raman-Streuung vs. Infrarotspektroskopie Reflexionsspektroskopie Theoretische Uberlegungen Einige praktische Ergebnisse Totale interne Reflexionsspektroskopie (ATR) WeiterfUhrende Literatur Circular-Dichroismus und Optische Rotation Polarisiertes Licht: Eine Verallgemeinerung Optische Rotations-Dispersion (ORD) Der Circular-Dichroismus (CD) Theoretische Grundlagen des Cotton-Effekts Das CD-Spektrometer Anwendungen Ellipsometrie SchluBbemerkungen Weiterfiihrende Literatur Das Nahe Infrarot (NIR) Einleitung Theorie der Nahen Infrarotspektroskopie Das Infrarotspektrometer Darstellung von NIR-Spektren Algorithmen fur die Analyse Anwendungen Medizin und Pharmazie Kunststoffe Salzgehalt von Meerwasser 340

20 XVIII lnhaltsverzeichnis 9.7 Resume Weiterfiihrende Literatur 10 Atomspektroskopie (AAS, ICP) 10.1 Atomabsorptionsspektroskopie 10.2 Atomemissionsspektroskopie Weiterfiihrende Literatur Anhang Al Urnrechnungsfaktoren fiir Energieeinheiten. A2 Wichtige N aturkonstanten... C Hersteller- und Vertriebsadressen D Periodensystem der Elemente Personenregister Sachregister

21 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie Bene docet, qui bene distingui() (Horaz) 1.1 Ube rb lick Unter Optischer Spektroskopie (Optische Spektrophotometrie, OSP) versteht man die Gesamtheit aller qualitativen und quantitativen Analysenverfahren, die auf der Wechselwirkung von Licht mit toter und auch Ie bender Materie beruhen. Laut DIN 58960, Teil 2, sind Photometer "Geriite zur vergleichenden Messung von vorzugsweise spektralen StrahlungsgroBen, die zur Bestimmung von optischen Eigenschaften und Analysenproben durch die in DIN 58960, Teil 1, aufgeflihrten Grundvorgiinge dienen, urn daraus Rlickschliisse auf die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Analysenprobe zu ziehen." In dieser DIN-Norm sind auch die verschiedenen Typen der (Spektral-) Photometer differenziert. Hierbei umfabt der Begriff Licht den Spektralbereich yom fernen Ultraviolett (UV), tiber den wirklich sichtbaren Bereich (VIS) bis hin ins nahe Infrarot (NIR). Die OSP wird seit nahezu 200 Jahren in den verschiedensten Zweigen von Technik und Naturwissenschaft, insbesondere in der (Bio-)Chemie, Biologie, Medizin, Physik und Astronomie, eingesetzt und tiberdeckt in beispielloser Weise einen breiten analytischen Anwendungsbereich. Sie ist hochspezifisch, da jede Substanz von jeder anderen spektral verschieden ist. Proben lassen sich sowohl qualitativ als auch quantitativ analysieren, Molektile ebenso wie Atome. 1m Gegensatz zu anderen spektroskopischen Analyseverfahren (NMR-, ESR-, MoBbauer- oder Massenspektroskopie) sind die Anforderungen der OSP an die zu untersuchende Probe gering. Die Bestimmung verschiedener optischer Parameter als Funktion der Wellenlange ("Spektrum") oder der Zeit ("Kinetik") liefert wertvolle Informationen, die mit anderen Analyseverfahren nicht oder kaum gewonnen werden konnen. *) Wer gut aussucht, lehrt gut

22 2 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie Die Entwicklung der Optischen Spektralanalyse ist in den wesentlichen Grundziigen abgeschlossen, auch wenn sich standig neue Anwendungsgebiete auf tun. Entsprechend der jeweiligen Fragestellung und den erforderlichen Spezifikationen unterscheiden sich die jeweiligen Spektrophotometer in ihrem AuBeren und ihrer Handhabung betrachtlich; sie lassen sich in nahezu idealer Weise auf die jeweilige Fragestellung anpassen. Der Trend geht eindeutig hin zum Spezialspektrophotometer fiir einen bestimmten Zweck und weg vom kostspieligen "Alleskonner" mit einer Vielzahl von Optionen, von denen in der Praxis erfahrungsgemab nur wenige durch den jeweiligen Anwender genutzt werden. Die Spezifikationen moderner Optischer Spektrophotometer nahern sich den von der Natur gesetzten Grenzen, die Vorteile gegeniiber anderen Analyseverfahren sind uniibersehbar: Die OSP ist nicht destruktiv oder invasiv. Remote Measurements sind durchfiihrbar, d. h. Fernmessungen aus Abstanden von Millimetern bis hin zu sehr groben Entfernungen, etwa von Satelliten aus, ohne direkten Kontakt zur Probe; gefiihrliche oder unzugangliche Objekte lassen sich so analysieren Sowohl fliissige, als auch feste oder gasformige Proben sind akzeptabel, prinzipiell unabhangig von deren "Optischen Qualitat"; klare Proben, aber auch hochstreuende Suspensionen sind mebbar Der erfabbare photometrische und auch zeitliche MeBbereich (Dynamik) ist auberordentlich hoch und wird von kaum einer anderen Analytikmethode erreicht Untersuchung extrem schneller Vorgange bis hinunter in den Femptosekunden-Bereich (l015 s, Blitzlichtspektrophotometrie) Erfassung sehr kleiner Proben bis in den Mikrometer-Bereich (Mikrospektrophotometrie) oder sehr unwahrscheinlicher Ereignisse mittels Einzelphotonenmessung (single photon counting, Messung weniger Photonen pro Sekunde) Extrem kleine Stoffmengen bis hinunter zu Mol lassen sich heute iiber Lumineszenzmethoden nachweisen, z. B. zur Entdeckung auberirdischen Lebens. Radioaktive Marker zur Aufklarung von Reaktions- und Stoffwechselwegen werden zunehmend durch billigere und weit einfacher zu handhabende Lumineszenzmarker in Verbindung mit entsprechend preiswerten Colorimetern ersetzt. Wir wollen im vorliegenden Buch die wesentlichen Grundlagen der Optischen Spektroskopie erarbeiten, ohne uns durch die Vielfalt der heute existierenden optospektrophotometrischen Verfahren und Geratschaften verwirren zu lassen, was insbesondere in Anbetracht der groben Fortschritte wahrend der letzten Jahre in der Optoelektronik, der Laser- und Mikrocomputertechnik nicht

23 1.1 Uberblick 3 immer einfach ist. Dieses Buch will aber keine Anleitung zur Bedienung bestimmter Gerate sein, es ware zu schnell veraltet. Zu diesem Zweck sollte man die entsprechenden Handbticher zurate ziehen, auch wenn diese haufig zu wtinschen iibriglassen. Dariiber hinaus bieten die groben Hersteller Optischer Spektrophotometer praktische und theoretische Einftihrungsseminare in die Optische Spektroskopie an, allerdings meist gegen eine betrachtliche Gebiihr und in Hinblick auf eigene Produkte. Nach einem kurzen Streifzug in die Geschichte der Optischen Spektroskopie im vorliegenden Kapitel 1 bietet das Kapitel 2 eine orientierende Einfiihrung in die Quantentheorie, deren Grundlagen unabdingbare Voraussetzung fiir das Verstandnis spektroskopischer Eigenschaften von Materie sind. Ausgehend yom Wasserstoffatom als dem einfachsten atomaren quantenmechanischen System lernen wir zunachst die spektroskopischen Eigenschaften graberer Atome, tiber die kleinerer, zweiatomiger Molektile, bis hin zu denen komplexer organischer Molekiile besonders der Biochemie kennen. Die Optische Spektroskopie ist eng verkniipft mit der Technischen Optik. In Kapitel 3 befassen wir uns daher eingehender mit den erforderlichen Grundlagen und den Bauelementen, angefangen bei der Definition von Lichteinheiten, tiber die Grundlagen der Geometrischen und der Wellenoptik, bis hin zur Lichterzeugung und -messung. Die wesentlichen optischen Elemente wie Filter, Spiegel, Linsen, Lichtfasern, photometrische Kugeln sowie Methoden der Lichtdispersion mittels Prisma, Gitter oder Interferometer werden besprochen. 1m vierten Kapitel schlieblich wenden wir uns ausfiihrlich der Theorie und Praxis der Absorptionsspektroskopie als dem wohl verbreitetsten analytischen Verfahren zu. Wir besprechen die unterschiedlichen Varianten von Absorptionsspektrometern und gehen auf diverse Methoden der Spektrenbearbeitung ein, urn so ftir das blobe Auge "versteckte" Informationen zu extrahieren. In ahnlicher Ausfiihrlichkeit widmet sich das fiinfte Kapitel der Lumineszenzspektroskopie. Wahrend in der Absorptionsspektroskopie der Extinktionskoeffizient letztlich der einzige MeBparameter ist, haben wir es in der Lumineszenzspektrophotometrie mit einer Vielfalt mebbarer GraBen zu tun. Das schafft eine ganze Palette unterschiedlicher Analyseverfahren, weshalb die einzelnen Abschnitte relativ gerafft dargestellt sind. Die Photoakustische Spektroskopie, bei der nicht Licht sondern die Emission von Warmewellen detektiert wird, wird in Kapitel sechs besprochen. Sie gestattet in Erganzung zur Absorptions- und Lumineszenzspektroskopie einmal Aussagen bzgl. der thermodynamischen Verhaltnisse besonders komplexerer Molektilsysteme in Biologie, Chemie und Medizin als auch die spektrale Erfassung unterschiedlich tiefer Schichten des Probenmaterials (Haut, Fruchtschale). MeBmethoden und Phanomene, die auf verschiedenartigen Streuprozessen wie der Rayleigh-, Mie-, Fraunhofer-, aber auch Ramanstreuung beruhen, werden einschlieblich der hiermit eng verkniipften Reflexionsspektroskopie sowie der ATR-Spektroskopie (attenuated total reflection), im siebten Kapitel behandelt. Aufgrund der Bedeutung chiroptischer Verfahren fiir die molekulare Analytik und Strukturaufklarung in der Chemie wenden wir uns im achten Kapitel der

24 4 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie ORD- (optical rotational dispersion) und CD- (circular dichroism) Spektroskopie zu, auch wenn beide Methoden gleichsam Abwandlungen der Absorptions- bzw. Streuspektroskopie sind und inhaltlich an das vierte und siebte Kapitel ankiipfen. Die Ellipsometrie schlieblich nutzt die Phasenanderung bei der Oberflachenreflexion polarisierten Lichts aus, was man zur hochempfindlichen Analyse besonders biologisch relevanter Molekiile ausnutzt. Nach Erscheinen der ersten Auflage dieses Buches (1994) und nachdem zunehmend preiswerte, sehr schnelle online Rechner hoher Speicherkapazitat verfiigbar wurden, hat die Nahe Infrarot Spektroskopie (NIR) besonders in der industrieellen Routineanalytik einen ungeahnten Aufschwung erfahren. Sie ist in der Pharmaindustrie und Medizin, der Nahrungsmittelindustrie, der Petrochemie, der Geologie oder Umweltanalytik unverzichtbar geworden und wird auch in anderen Anwendungsbereichen oder auch der angewandten Forschung weiter stiirmisch an Bedeutung gewinnen. Daher wurde der NIR-Spektroskopie in der vorliegenden zweiten Auflage der "Optischen Spektroskopie" eigens das Kapitel neun gewidmet. Ahnlich wurde die Atomspektroskopie aufgrund ihrer rasant wachsenden Bedeutung in das eigene Kapitel zehn aufgenommen. Hier werden die beiden Varianten Atomabsorptionsspektroskopie und Atomemmissionsspektroskopie theoretisch und praktisch ausgeleuchtet. 1m Anhang verbleiben wie in der ersten Auflage die Liste der wesentlichen Naturkonstanten, die auch im Buch verwendet werden. Das Periodensystem der Elemente inklusive ausfiihrlicher Elektronenverteilungen dient der schnellen Orientierung. Eine Tabelle erlaubt die schnelle Umrechnung der verschiedenen Energieeinheiten ineinander. Gleichsam als Schnittstelle zwischen dem Leser und verschiedenen Herstellern und Vertreibern von optischen Spektrometern und optischen Bauteilen aller Art angegeben sind entsprechende Adressen angegeben - wenn verfiigbar mit entsprechenden und Internetadressen. Das Anhangskapitel der ersten Auflage zur Datenverarbeitung und zur Verbindung von Spektrometern mit Mikroprozessoren - vor wenigen Jahren noch eine neue, hbchst fortschrittliche Technik - wurde aus Platzgriinden ersatzlos gestrichen. Die Verkniipfung Rechner-Spektrophotometer ist heute Standard, von wenigen Ausnahmen abgesehen, und nicht mehr sinnvoll in einem einzigen Kapitel abzuhandeln. Erganzende Literatur findet sich jeweils am Ende der einzelnen Kapitel. Abbildung 1.1 fabt das gesamte Gebiet der Optischen Spektroskopie schematisch zusammen, das in den wesentlichen Teilen im vorliegenden Buch behandelt wird. In der Grobeinteilung unterscheiden wir demnach Absorptions-, Reflexions-, Streuungs- und Lumineszenzspektroskopie, die sich - wie gezeigt - jeweils in weitere Spezialdisziplinen unterteilen lassen.

25 Optische Spektroskopie Abb Einteilung der Optischen Spektroskopie. Wir unterscheiden Absorptions-, Reflexions-, Streuungs- und Lumineszenzspektroskopie. Jeder Spektroskopietyp ist weiter unterteilt wie angegeben. ' '- C:::: <::l (\) ~ Pi "'"' Ul

26 6 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie 1.2 Geschichte der Optischen Spektroskopie (Tafel I) Das Wort Spektrum kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie "Erscheinung", "Schema". Isaac Newton hatte schon 1666 in seinem grundlegenden Werk Optiks den Begriff Spektrum im heutigen naturwissenschaftlichen Sinn eingefuhrt. Er benutzte als erster ein Glasprisma, urn Sonnenlicht in seine Spektralfarben zu zerlegen (Abb.1.2). Markgraf verwendete erstmals 1758 die Flammenfarbung zum Nachweis eingebrachter Substanzen, wenn auch ohne jegliche Hilfmittel, nur mit dem blogen Auge griff der englische Physiker William H. Wollaston den Newton Prismenversuch wieder auf, verbesserte die Anordnung und entdeckte so als erster zahlreiche dunkle Linien im Sonnenspekrum. Auf dieselbe Weise zerlegten J. Herschel und W.H.T. Talbot das Flammenlicht schlieblich gelang es Talbot mit der gleichen Methode, die rote Lithiumflamme von der ebenfalls roten Strontiumflamme eindeutig spektral zu unterscheiden, was man als Geburtsstunde der chemischen Spektralanalyse ansehen mag. Mit einer neuen Technik, die die gesamte Optische Spektroskopie bis auf den heutigen Tag ungeheuer bereichern soute, gelang dem ehemaligen Spiegelschleiferlehrling, Autodidakten und spateren Professor fur Physik in Munchen, losef Fraunhofer, die Zerlegung des Sonnenlichts (1814). Auf der Grundlage des von ihm erfundenen Streugitters, wie wir es im Prinzip heute immer noch in modern en Spektralapparaten verwenden, entwickelte er ein hochauflosendes Spektroskop, welches im Deutschen Museum seinen angemessenen Platz gefunden hat (s. Abschn. 2.5, Tafel III). Auf dieser Basis entdeckte Kirchhoff 1859 Natrium im Sonnenspektrum (Tafel IV) und lei tete darauf basierend das Kirchhoffsche Gesetz ab: Bei gegebener Wellen Hinge und Temperatur ist der spektrale Emissionsgrad eines beliebigen Korpers gleich seinem Absorptionsgrad. rot orange ge/6 9rG!) 6/ 0 I..; Abb Newton entdeckte als erster, dab ein Glasprisma kollimiertes (paralleles) Sonnenlicht in seine Bestandteile zerlegt.

27 1.2 Geschichte der Optischen Spektroskopie Sir Isaac Newton benutzt erstmals ein Glasprispma zur Spektralzerlegung 1675 Newton grobes Werk uber die Optik ("Optikus") 1758 Markgraf: F1ammenfiirbungs-Analyse (ohne Spektralzerlegung) 1800 Herschel entdeckt die IR-Strahlung 1801 Ritter entdeckt die UV-Strahlung 1802 Wollaston : SpaIt + Linse (Flammenspektroskopie) 1807 Young: Doppelspaltversuch zum Wellenbeweis des Lichtes erkannte "Farben dunner PHittchen" und Wirkungsweise von Beugungsgittern 1808 Malus erkennt Polarisation von Licht (durch Reflexion) 1814 Fraunhofer: Erfindung des Gitters (1500 Linien in der Sonne) 1817 Young IOste Problem "Polarisation durch Reflexion": vereinigte Welle und Korpuskel: transveersable Polarisation Fresnel und Hygens vereinen Wellencharakter und Huygens' Prinzip 1834 Talbot unterscheidet spektral"strontium-rot" von "Litium-Rot" 1848 Foucoult: Natrium im elektrischen Lichtbogen (Absorption/Emission) 1859 Kirchhoff: Absorptions- = Emissionswellenlange. Hohlraumstrahlung, Natrium in der Sonne entdeckt Kirchhoff und Bunsen entdecken Caesium und Rubidium 1868 Angstrom listet Linien des Sonnenspektrums 1868 Kirchoff und Bunsen entdecken Helium in der Sonne 1885 Balmer entdeckt die Ba1merserie des Waserstoffs 1887 Michelson und Morley-Versuch, Ende der Ather-Theorie 1887 Henry A. Rowland revolutioniert mit seinem Konkavgitter die experimentelle Spektroskopie; Verbesserung der Experimente Angstroms von Rowland publiziert ersten Sonnen atlas ("Rowlandkreis!) 1891 Rowland verg1eicht Spektren aller bekannten Elemente mit dem Sonnenspektrum und findet dabei weitere, unbekannte Linien 1893 Rowland gibt seinen Standard-Spektralatlas heraus (Referenz: Natrium) 1894 Helium auf der Erde entdeckt (1868 imsonnenspektrum) 1896 Balmer gibt die erste Serienformel an 1897 Thompson entdeckt das Elektron 1897 Rubens gelingt die erste Isolation einer IR-Bande mittels Mehrfachreflexionen an Metallschichten 1911 Rutherford entdeckt den Atomkern 1920 H. v. Halban : erste Konzentrationsbestimmung von MolekUlen mittels "lichtelektrischer Apparate" 1925 G. Scheibe, W. Gerlach und E. Schweitzer: erste quantitative Spektralanalytik 1926 G. Hansen baut nach Vorstellungen von P.P. Koch (1912) das erste registrierende Doppelstrahlspektrometer 1941 Das beruhmte Prismen-Photometer Modell DU der Firma Zeiss kommt auf den Markt, welches als erstes kommerzielles Gerat den UV-Bereich abdeckt. Zeigerab1esung, Auflosung 1 nm W.L. Butler benutzt erstmals einen Monochromator (Cary 14) online mit einen Minicomputer (PDP11, Digital Equipment Corp. AF-Ol) und setzt damit neue MaBstabe in der Optischen Spektroskopie (siehe Photo Tafel II und Literaturliste). Tafe11. Geschichte der Optischen Spektroskopie)

28 8 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie Joseph von Fraunhofer ( ) Gustav Robert Kirchhoff ( ) Vor dem zwanzigsten Jahrhundert gab es keine Theorie, die das komplexe spektrale Verhalten, welches alle Substanzen ausnahmslos zeigen, befriedigend erklaren konnte. Die wichtigsten Meilensteine, die zum heutigen guten Verstandnis von Spektren fuhrten, werden im Folgenden genannt entdeckt der Schweizer J.J. Balmer die nach ihm benannte Linienserie im Wasserstoff entdeckt der englische Physiker J.J. Thompson das Elektron, 1911 sein Landsmann Ernest Rutherford den Atomkern formuliert Max Planck die ersten Prinzipien der Quantentheorie. Werner Heisenberg (1932) und Erwin Schrodinger (1933) bekommen den Nobelpreis fur ihre bahnbrechenden Arbeiten in der Quantentheorie. Diese wurde entscheidend durch Paul A.M. Dirac und Wolfgang Pauli (1945) vorangetrieben, die dann auch beide mit dem Nobelpreis geehrt wurden (Dirac 1933 gemeinsam mit Schrodinger). Sie ist heute im wesentlichen etabliert, und ihre Entwicklung ist zu einem gewissen AbschluB gekommen. Wie die Geschichte der Naturwissenschaften unabdingbar mit der Geschichte der Analytik verknupft ist, so wurde die Geschichte der Optischen Spektroskopie weitgehend durch astronomische Fragestellungen bestimmt und ist damit gleichzeitig auch die Geschichte der Atomspektroskopie. Erst Ende des letzten Jahrhunderts ruckte die Molekiilspektroskopie als machtige analytische Methode in den Vordergrund, als z. B. die Gerichtsmediziner zur Losung von Mordfallen erstmals nur winzige Blutflecken anhand der charakteristischen "Banden" des Blutfarbstoffs, dem Hamoglobin, mit dem Spektrophotometer eindeutig als solche identifizieren und von kriminologischen "Falschungen" mit rotem Farbstoff unterscheiden konnten. Die Optische Spektroskopie war wegen der noch einfachen Wolframgliihlampen, Prismen, Streugitter und Lichtdetektoren lange Zeit zunachst auf den sehr engen sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen etwa 500 und 700 nm beschrankt. Uberhaupt gab es Anfang der 40er Jahre dieses Jahrhunderts nur wenige kommerzielle Spektrophotometer, die obendrein schwierig zu handhaben waren und nur in geringen Stuckzahlen produziert wurden (General Electric Hardy Spectrophotometer, Cenco "Spectropho-

29 1.2 Geschichte der Optischen Spektroskopie 9 Max Planck ( ) Werner Karl Heisenberg ( ) Erwin Schriidinger ( ) Wolfgang Pauli ( ) telometer", Coleman Modell DM). Die "Messung" von Extinktionen zur Konzentrationsbestimmung erfolgte durchweg visuell durch Vergleich zweier Sehfelder mit dem Auge. Auch das beruhmte Pulfrich-Photometer (mehrere Tausend Exemplare) arbeitete nach diesem Prinzip und verdankt seine Erfolge einer Reihe sog. S-Filter (lnterferenzfilter mit Halbwertsbreiten von 15 bis 20 nm) der Firma Zeiss im sichtbaren Bereich. Bereits 1941 lagen mehr als 800 Publikationen zur Konzentrationsbestimmung klinisch wichtiger Substanzen im Blut und anderen Kbrperflussigkeiten mit diesem Spektrophotometer vor. Schon in den 30er Jahren hatte man die grobe Bedeutung des ultravioletten Spektralbereichs (UV) insbesondere fur die chemische Analytik erkannt, wobei die quantitative Bestimmung von Vitamin A (Absorption bei 320 bis 330 nm) eine Schliisselrolle fur die Spektrometerentwicklung spielen sollte. FederfUhrend durch H. H. Cary und A.O. Beckman brachte das beruhmte Modell D-Spektrophotometer mit einem Verkaufspreis von 723 US-Dollar im Jahr 1941 den Durchbruch in der Optischen Spektroskopie, da es als erstes kommerzielles Gerat den UV-Bereich einschlob. Hierzu wurde die Wasserstofflampe als

30 10 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie Tafel II. Warren Lee Butler ( bis ), Mitentdeckder des Phytochroms und einer der Wegbereiter der Optischen Spektroskopie in den Biowissenschaften.