Anwendungen der UV/VIS-Spektrometrie. Literatur: H.-H. Perkampus, UV-VIS-Spektroskopie und ihre Anwendungen, Springer-Verlag Berlin

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1 Anwendungen der UV/VIS-Spektrometrie Literatur: H.-H. Perkampus, UV-VIS-Spektroskopie und ihre Anwendungen, Springer-Verlag Berlin Quantitative Analytik: Allgemein liegen die Extinktionskoeffizienten zwischen 10 3 und 10 5 l mol -1 cm -1. Damit sind Nachweisgrenzen zwischen 10-6 und 10-7 mol/l erreichbar. Bestimmung der Elemente mit Hilfe von Komplexbildnern Beispiel: Dithizon-Verfahren (Diphenyl-thiocarbazon)) Bestimmung von Anionen und Ammoniak mittels Farbreagenzien: Br -, Cl -, CN -, F -, I -, NO 3 -, NO 2 -, Phosphate, Silikate, SO 4 2-, H 2 S, S 2-, NH 3 Photometrische Wasseranalysen von Kationen und Anionen mittels Farbreagenzien Bestimmung organischer Verbindungen, vor allem konjugierter Systeme (in einigen Fällen nach Derivatisierung zur Verlängerung des konjugierten Systems) Ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Thiole und Struktuverwandte, Oxy-, Oxo-, Hydroxylamin-, Hydrazin-, Amino-, Azo-, Diazo-, Nitro-, Nitroso-, Halogenverbindungen, Carbonsäuren und ihre Derivate, Organische Sulfate und Sulfonate, Organische Metall- und Nichtmetallverbindungen, Stickstofffreie Heterocyclen, Saccharide, Aminosäuren, Peptide, Proteine Steroide und Strukturverwandte Enzymatische Analyse und Enzymkinetik Qualitative Analytik: Identifizierung und Strukturbestimmung: Spektrometrisch aktive Strukturelemente organischer Verbindungen: Ungesättigte Ringe und C C-Mehrfachbindungen Kondensierte Aromaten und ungesättigte Heterocyclen sowie Homocyclen Konjugation und Kumulation Untersuchung von Gleichgewichten: Protolytische Gleichgewichte Komplexbildungsgleichgewichte H-Brückenassoziation Charge-Transfer-Komplexe Metallkomplexe Untersuchung der Kinetik chemischer Reaktionen Bestimmung molekülphysikalischer Daten: Oszillatorenstärke und Übergangsmomente Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 1/13

2 Elektronische Absorptionsbanden einiger repräsentativer Chromophore λ max in nm ε max in l (mol cm) -1 Chromophor System λ max ε max λ max ε max λ max ε max Ether O Thioether S Amin NH Thiol SH Disulfid S S Bromid Br Iodid I Nitril C N 160 Acetylid C C Sulfon SO Oxim NOH Azido > C = N Ethylen C = C Keton > C = O Thioketon > C = S 205 stark Ester COOR Aldehyd CHO 210 stark Carboxyl COOH Sulfoxid > S = O Nitro NO stark Nitrit ONO Azo N = N Nitroso N = O Nitrat ONO 2 (C = C) 2 (azyklisch) 270 (Schulter) (C = C) (C = C) (C = C) (C = C) 2 (zyklisch) C = C C C C = C C = N C = C C = O schwach C = C NO Benzol Diphenyl Naphtalin Anthracen Pyridin Quinolin Isoquinolin Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 2/13

3 Ultraviolette Absorptionskanten hochreiner Lösungsmittel (10 mm Schichtdicke gegen destilliertes Wasser) Wellenlänge Wellenlänge Lösungsmittel in nm Lösungsmittel in nm Essigsäure 260 Glycerin 207 Aceton 330 Hexadecan 200 Acetonitril 190 Hexan 210 Benzol 280 Methanol Butanol Methoxyethanol Butanol 260 Methylcyclohexan 210 n-butylacetat 254 Methylethylketon 330 Kohlenstoffdisulfide 380 Methylisobutylketon 335 Kohlenstofftetrachlorid Methyl-1-propanol Chlorobutane 220 N-Methylpyrrolidon 285 Chloroform (stabilisiert Pentan 210 mit Ethanol) 245 Pentylacetat 212 Cyclohexan Propanol 210 1,2-Dichloroethan Propanol 210 1,2-Dimethoxyethan 240 Pyridin 330 N, N-Dimethylacetamid 268 Tetrachlorethylen N, N-Dimethylformamid 270 (stabilisiert mit Thymol) 290 Dimethysulfoxid 265 Tetrahydrofuran 220 1,4-Dioxan 215 Toluol 286 Diethylether 218 1,1,2-Trichlor-1,2,2-tri- Ethanol 210 fluoroethan Ethoxyethanol 210 2,2,4-Trimethylpentan 215 Ethylacetat 255 o-xylol 290 Ethylenchloride 228 Wasser 191 Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 3/13

4 Extinktion von Aceton ( c = 8 ml/l) in Wasser (A), Methanol (B), Acetonitril (C) und Hexan (D) Extinktion von N-Phenylbarbital ( c = 10 mg/l) bei ph 9 und ph 13 Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 4/13

5 Definition der Basislinien-Extinktion bei streuenden Proben ΔE ist die Basislinien-Extinktion Zur Festlegung der Basislinie benutzt man eine doppelt-logarithmische Auftragung Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 5/13

6 Mit zunehmender spektraler Spaltbreite nimmt das Signal/Rausch- Verhältnis zu, aber das Auflösungsvermögen sinkt. Es treten auch Verschiebungen der Extinktionsmaxima auf. Optimale spektrale Bandbreiten (SBB) für einige Verbindungen: Bande SBB opt Verbindung λ max in nm Δλ H in nm in nm Aminosäuren Tryptophan ,5 Tyrosin 275 / / 10 4,0 / 1,0 Phenylalanin 258 2,2 0,2 Nukleotide Adenosin ,8 Thymin Proteine Cytochrom C (oxidiert) ,5 Rhodopsin 500 / / 25 9 / 2,5 Ribonuklease Pigmente und Farbstoffe β-karotin ,5 Chlorophyll a Koenzyme Nikotinamid-adenin-dinukleotid ,5 NADH 340 / / 25 5 / 2,5 Einfache organische Stoffe Benzol (Dampf) 253 <<0,1 <<0,01 Benzol (Lösung) ,2 Anthracen ,3 Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 6/13

7 Zweikomponentenanalyse bei deutlich verschiedenen Extinktionskurven der beiden Komponenten: D D ( λ' ) ( λ" ) ( λ' ) E λ' λ' = = ε M cm + ε N cn und d ( λ" ) E = d = ε λ" M c M + ε λ" N c D heißt optische Dichte. Aus diesen beiden Gleichungen können die zwei Unbekannten c M und c N bestimmt werden. N Genauere Ergebnisse erhält man, wenn man den gesamten Informationsgehalt der Extinktionskurve ausnützt: Die Anzahl der Komponenten ist m (hier = 2). Es gelten insgesamt n Gleichungen für die m Unbekannten c j : m E( λi ) λi Di = = ε j c j d j= 1 n liegt zwischen 100 und 200. Das Gleichungssystem ist überbestimmt. n i= 1 r = ε ε Τ ( C - D ) ( C - D ) Min 2 i R T R = = Matrizenschreibweise: D ist ein Spaltenvektor mit n Komponenten, C ein Spaltenvektor mit m Komponenten, ε ist eine (n m)-matrix mit n Zeilen und m Spalten. Dann gilt: D =ε Bei der bestmöglichen Lösung für C bleibt ein Restvektor R =ε C - D übrig. Nach Gauß wird nun C so bestimmt, dass gilt: T ( R ist die transponierte Matrix von R ) Partielle Differentiation nach c j führt zur Bedingung: Τ Τ ε R = ε ( ε C - D ) = 0 oder ε Τ ε C = ε Τ D Dies ist ein lineares Gleichungssystem mit quadratischer Koeffizientenmatrix ε ε 1 Τ ε Τ C ε Τ ε. Die Lösung lautet dann: C = D Die Elemente der Matrix ε werden in einem vorgeschaltetem Kalibrierverfahren spaltenweise aus k linear unabhängigen Mischstandards bekannter Konzentrationen der m Komponenten nach dem gleichen Verfahren ermittelt (k m). Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 7/13

8 Transmission der wichtigsten Lösungsmittel für die IR-Spektrometrie In den schwarz markierten Bereichen beträgt die Transmission mindestens 20 % bei einer Schichtdicke von 0,15 mm. Freon = Trichlortrifluorethan Transmission von Presslingen aus verschiedenen Materialien Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 8/13

9 Bereichseinteilung des IR-Spektrums Charakteristische Schwingungs-Wellenzahlen einiger molekukarer Gruppen IR-Absorptionsspektrum eines einfachen Moleküls: Thioessigsäure Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 9/13

10 Reflexionszusatz für die gerichtete Reflexion und für die Messung spiegelnder Oberflächen Messung der Transmission und der diffusen Reflexion mit der Ulbricht-Kugel Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 10/13

11 Schema einer Photo-Akustik-Anordnung für den UV/VIS- oder IR-Bereich Schema eines Photo-Akustik-Detektors für FTIR-Messungen Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 11/13

12 Totalreflexion tritt auf, wenn n 1 > n 2 und wenn der Einfallswinkel α den Grenzwinkel α g ( sin α g = n 2 /n 1 ) überschreitet. Im optisch dünneren Medium 2 bildet sich aufgrund von Beugungseffekten eine ebene Welle aus, die parallel zur Grenzfläche fortschreitet und deren Intensität mit dem Abstand zur Grenzfläche exponentiell abfällt. Einfallender und reflektierter Strahl sind etwas gegeneinander versetzt (Goos-Hänchen-Effekt). ATR-Zusatz: (a) für feste Einfallswinkel (30, 45 und 60 ) und (b) für variable Einfallswinkel Faseroptischer ATR-Sensor Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 12/13

13 (a) URAS (Hartmann & Braun) (b) ULTRAMAT (Siemens) Prinzip der NDIR-Gasanalyse Die beiden Strahlengänge werden durch den Chopper gleichzeitig freigegeben. Der periodische Druckunterschied, der sich in den beiden mit der Messkomponente gefüllten Empfängerkammern aufbaut, kann entweder mittels eines Membrankondensators (a) oder eines Mikroströmungsdetektors (b) gemessen werden. In den Beispielen ist die Messung von CO dargestellt. In diesem Fall überlappen die stärksten Absorptionsbanden von CO (4,66 µm) teilweise mit denjenigen von CO 2 (4,25 µm). Deshalb werden die Filterküvetten zur Erhöhung der Selektivität mit CO 2 gefüllt. Prof. Dr. D. Winklmair UV/VIS/IR-Anwendungen und Spezialtechniken 13/13