Analytische Chemie III - Teil 1 Lendl

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1 1 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Analytische Chemie III - Teil 1 Lendl WS 2010/2011 (VL Nr ) TUWIS Zugangsschlüssel: AC Infrarot-und Raman-Spektroskopie (B. Lendl) Grundlagen der optischen Spektroskopie Beobachtung der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und Materie Licht: besteht aus zwei aufeinander normal stehenden Feldern (elektrisches magnetisches). Wellenlänge, λ Amplitude, A Intensität I, proportional A² Transversale elektromagnetische Frequenz, ν Wellenzahl, cm -1 In Worten: Die Intensität entspricht dem Quadrat der Amplituden der beiden Felder. Frequenz und Wellenzahl beschreiben die Eigenschaft Ausbreitungsrichtung. Welle-Teilchen Dualismus Licht wird einerseits als Welle betrachtet, da typische Welleneigenschaften auftreten: Beugung Brechung Betrachtung als Teilchen, diesem (einem Photon) kann Energie zugeordnet werden: =h =h λ =h c 1 λ 1eV = 8100 cm -1 (Elektronenvolt) 1 THz = 33 cm -1 (Terraherz) h= 6,63*10^-34 Js (Plancksche Wirkungsquantum) c= 3*10*10^8 m/s (Lichtgeschwindigkeit) v= Frequenz Einheit: 1/s Einheit der Energie: Plancksche Wirkungsquantum * Frequenz ( Js * 1/s = J)

2 2 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Wellenzahl: Einheit: 1/cm Anzahl der Wellenlängen welche in einem Zentimeter Platz haben Bemerkung: Es variiert nurλ. Für als die Wellenzahl definiert und hat die λ Einheit cm^-1. Da h und c konstant sind wird die Energie nur durch die Variation der Wellenzahl (der Wellenlänge) beeinflusst. Arten der Spektroskopie Sichtbarer Bereich des Lichtes: *10^-9m Energetischer Zustand: Abhängig von der Wellenlänge. Desto länger die Wellenlänge, desto kleiner die Energie desto kleiner die Wellenlänge desto größer die Energie. Elektronenanregung (äußere π π* Orbitale) ist bei UV/Vis möglich, da zum Anregen von Elektronen viel Energie benötigt wird. Um Moleküle zum Schwingen zu bringen, wird weniger Energie benötigt (längere Wellenlänge) Um eine Molekül rotieren zu lassen wird wiederum weniger Energie benötigt. Deshalb kann man UV/vis > IR/RAMAN > Mikrowellenspektorskopie Zusätzliche Bemerkung: Röntgenfluoriszentanalyse ist Atom -elementspezifisch.

3 3 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Schwingungs und elektronische Übergänge S Singulettzustand (Elektronen stehen antiparallel) T Triplettzustand fund fundermental harm ( nah IR) S0.0 Molekül im energetischen Grundzustand Oberton doppelte Frequenz Die Länge des Pfeiles symbolisiert den Energiebetrag. Schwingungsrelaxation Wenn sich die Spektren überlappen kommt es zur stufenweisen Abgabe der Energie. Verschiebung der Wellenlänge kommt vor, wenn die Energie die zugefügt wird > als die Energie die abgestrahlt wird ist. Zur Grafik: Unterste horizontale Linie stellt die Energie des Moleküls im Grundzustand dar, der normalerweise ein Singuelettzustand ist und mit S 0 bezeichnet wird. Die oberen betonten Linien stellen die Energieniveaus der Schwingungszustände dar. Die beiden Linien auf der linken Seite geben den ersten (S1) und zweiten (S2) elektronischen Singulettzustand wieder. Die Rechte Linie (T1) repräsentiert die Energie des ersten elektronischen Triplettzustands.

4 4 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner (Skoog Leary instrumentelle Analytik S.191) Zahlreiche Schwingungsenergieniveaus sind mit den schwächer gezeichneten horizontalen Linien angedeutet. Definition Singulettzustand: Ein molekularer Elektronenzustand, in dem alle Elektronenspins gepaart sind, wird Singulettzustand genannt, und es tritt keine Aufspaltung der Engergieniveaus ein, wenn das Molekül einem Magnetfeld ausgesetzt wird. (Skoog Leary instrumentelle Analytik S.190) Raman Effekt Wird ein Elektron eines Elektronenpaars in einem Molekül in ein höheres Energieniveau angeregt so ist sowohl ein Singulett also auch ein Triplettzustand erlaubt. Im angeregten Singulettzustand ist der Spinn des angehobenen Elektrons immer noch mit dem Elektron im Grundzustand gepaart; im Triplettzustand sind die Spins der beiden Elektronen jedoch ungepaart und daher gleichsinnig ausgerichtet. Diese Zustände können dargestellt werden. (Triplettzustand ist energetisch ärmer als Singulettzustand) Singulettzustand: Paramagnetisch Triplettzustand: Diamagnetisch Als Raman-Streuung (auch Raman- Effekt oder Smekal-Raman-Effekt) wird die unelastische Streuung von Licht an Atomen oder Molekülen bezeichnet. Das emittierte Streulicht ist bei der Raman-Streuung spezifisch und besitzt eine höhere oder niedrigere Frequenz als die des einfallenden Lichtstrahls. Aufgrund des kleineren Streuquerschnittes ist der Anteil des frequenzverschobenen Lichtes jedoch um einen Faktor 10 3 bis 10 4 geringer als der des elastisch gestreuten Lichtes, welches als Rayleigh-Streuung bezeichnet wird. Findet eine Wechselwirkung zwischen einem Molekül oder einem Kristall und einem Photon statt, kommt es mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit zu einer bleibenden Energieübertragung zwischen dem anregenden Photon und der angeregten Materie. Dabei ändert sich die Rotations- und Schwingungsenergie des beteiligten Moleküls bzw. die Schwingungsenergie in einem Kristallgitter. Befindet sich das Molekül nach dem Streuvorgang auf einem höheren Energieniveau als zuvor, so ist die Energie und die Frequenz des emittierten Photons geringer als die des anregenden Photons. Dieser Vorgang wird als Stokes-Raman-Streuung bezeichnet. Befindet sich das streuende Molekül nach dem

5 5 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Anregungsvorgang auf einem niedrigeren Energieniveau als zuvor, so besitzt das gestreute Photon eine höhere Energie und eine höhere Frequenz als die des anregenden Photons. Dies wird als Anti-Stokes-Raman-Streuung bezeichnet. Die Energiedifferenz zwischen eingestrahltem und gestreutem Photon wird als Raman- Frequenzverschiebung bezeichnet und ist charakteristisch für das streuende Molekül. Über das Plancksche Wirkungsquantum ist die Energie eines Photons linear mit seiner Frequenz verknüpft. (Wikipedia: Raman Streuung) Infrarotspektroskopie r - Bindungswinkel ändert sich Deformationsschwindung Bindungslänge ändert sich - Streckschwingung Anregungsmechanismus: M(ν0, ri) + hν -> M*(ν1, (2...), rj) Erklärung: v 0 Grundzustand r i Rotation r i wird zu r j (j i) ändert sich Frage: Warum nimmt die Rotationsenergie zu, die Schwingungsenergie jedoch nicht? Antwort: Zur Anregung einer Rotation benötigt man weniger Energie, als für die Anregung einer Schwingung. (kann mit Bolzmannverteilung beschrieben werden) Formel: = Voraussetzungen: Damit es zur Anregung einer Schwingung kommt, muss die Resonanzbedingung =h erfüllt sein, d. h. die einfallenden Photonen müssen genau jene Energie aufweisen, die benötigt wird, um ein Molekül vom unteren in den oberen Schwingungszustand anzuregen. Die Energie dieses Überganges, der der Auswahlregeln folgt, wird als Grundton bezeichnet. Diese Grundschwingungen treten im Mid-IR auf. Im NIR können auch Obertöne angeregt werden, die ein ganzzahliges Vielfaches dieser Energie benötigen. Neben der Resonanzbedingung muss sich auch das Dipolmoment des Moleküls verändern, lineare symmetrische Schwingungen sind daher IR-inaktiv (zb. symmetrische CO 2 -Streckschwingung) Homonukleare Moleküle wie z.b. N 2, O 2 besitzen kein solches Dipolmoment und können daher nicht auf diese Weise angeregt werden. Bei den Streckschwingungen können nur die asymmetrischen in Absorption beobachtet werden.

6 6 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner NIR Spektroskopie: (Nahinfratotspektorskopie) Messung von Obertönen, Kombinationsschwingungen 0,8 2,5 μm ( cm^-1) Große Energie MIR Spektroskopie: (Mittel-) Messung von Grundschwingungen cm^-1 die µm berechnen sich 1/12500 bzw. 1/4000 Zur Messung der Grundschwingung. Wird am meisten im Labor angewendet. FIR Spektroskopie: (Fern-) Messung von Rotationsübergängen, Schwingungen kristalliner Substanzen, Skelettschwingungen großer Moleküle cm^-1 Zusatz (aus Karl Cammann - Instrumentelle Analytische Chemie Kap 5 Seite 24): Prinzip der IR-Spektroskopie ist die Messung von Wellenlänge und Intensität der Absorption infraroter Strahlung durch eine Probe. Der infrarote Bereich des elektromagnetischen Spektrums befindet sich etwa zwischen 0,7 μm und 50 μm. Wird eine Molekülsorte mit Licht aus dem IR-Bereich bestrahlt, so stellt man bei der Transmissionsmessung fest, dass bei bestimmten Wellenlängen Licht absorbiert wurde. Die Energie des fehlenden Lichts hat das Molekül zu Schwingungen angeregt. Das IR lässt sich in drei Bereichen unterteilen NIRS, MIRS, FIRS (siehe oben) Durch Infrarotlicht werden vorzugsweise Schwingungen und Rotationen der Moleküle um den gemeinsamen Schwerpunkt angeregt. Im Bereich des Fernen Infrarotlichts werden hingegen vorwiegend Rotationen angeregt, im Bereich des Mittleren Infrarots die Grundschwingungen der Moleküle und im Bereich des Nahen Infrarotlichts des sogenannte Kombinations- und Obertonschwingungen. (Ein harmonischer Oberton schwingt mit einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz eines Grundtons. (Wikipedia) Kombinationsschwingungen ergeben sich aus der Addition zweier oder mehrerer Grundschwingungen. Diese Banden haben nur eine geringe Intensität im Vergleich zu den Grundschwingungen. (Chempedia)) Zahl der Schwingungen Normalschwingungen (MIR Bereich): Schwingungen mit ν0 ν1 Da komplexe Moleküle mehrere Arten von Atomen und Bindungen besetzen und eine Vielzahl möglicher Schwingungen verursachen ist es in den IR Spektren oft schwer diese zu interpretieren. (Skoog Leavy S 281) Theoretisch Lineares Molekül: 3N-5 (HCN): (-5 weil 3 * Translationsschwingung in jeweils x, y, z, Richtung + 2 * wegen Rotationsschwingungen) Nicht lineares Molekül: 3N-6 (H2O): (-6 weil 3 * Translationsschwingung in jeweils x, y, z, Richtung und 3 * wegen Rotationsschwingungen)

7 7 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Bei komplizierten Molekülen mit vielen Atomen kommt es aber zu einem komplizierten Schwingungsverhalten. Grund dafür ist das Auftreten von Kombinationsschwingungen, IRinaktiven Schwingungen und entarteten Schwingungen : Deformationsschwingungen (Bindungswinkel ändert sich) 2: symmetrische Streckschwingung (IR-inaktiv) sym. Streckschwingungen sind nur für lineare Moleküle IR-inaktiv, bei gewinkelten Molekülen kommt es sehr wohl zu einer Änderung des Dipolmoments. 3: asymmetrische Streckschwingung Bei den Deformationsschwingungen gewinkelter Moleküle unterscheidet man: wagging twisting scissoring rocking Um alle Informationen zu bekommen muss man Raman-Spektroskopie und IR- Spektroskopie verwenden 1. Beim CO2 sind zwei Arten von Streckschwingungen möglich: Symmetrisch und asymmetrische Streckschwingung. Die symmetrische Streckschwingung verursacht keine Änderung des Dipols, weil sich die beiden Sauerstoffatome simultan vom Zentralatom C weg oder auf dieses zu bewegen. Daher ist die Symmetrische Schwingung IR inaktiv. Bei der asymmetrischen Schwingung kommt es zu einer periodischen Gesamtänderung der Ladungsverteilung und damit eine Absorption.

8 8 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner (Skoog Leary instrumentelle Analytik S.283) MIR Absorptionsspektrum von gasförmigen Kohlendioxyd = 2. Rauschen wegen Wasserdampf in der Luft (ist nicht komplett evakuiert) 2. = Banden zusammen (knapp beieinander) Erster Teil der Bande ist Schwingung + Rotation Zweiter Teil der Bande ist Schwingung Rotation. Deshalb ist die zweite Bande etwas niedriger. 4.??? 5. Ist wegen Isotope vom Kohlenstoff (1% C13). Da mehr Masse langsamere Schwingung.

9 9 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Harmonischer Oszillator I Änderung der potentiellen Energie (V) bei Auslenkung um dx dv=-fdx = k*x*dx Gesamtenergie (E): E = T + V T Kinetische Energie m1 = m1 m2 = Masse von Molekül/Atom k = Kraftkonstante (z.b. starke kovalente Bindung) (hängt von der Steifheit der Feder ab = Stärke der Bindung) Feder = Bindung Potentielle Energie (max. wenn Auslenkung = Max. und Min wenn x = 0) Kinetische Energie (max. wenn x = 0, min wenn maximale Auslenkung) Gesamtenergie ist zu jedem Zeitpunkt konstant. Newtonsche Bewegungsgleichung zur Beschreibung der Bahnkurve x(t) = = 2. Ableitung des Ortes nach der Zeit = + =0 Reelle Lsg.: (die physikalisch einen Sinn machen) m2 Durch Integration der Grundgleichung. Parabelförmiger Verlauf der Potentiellen Energie = sin ;. cos Harmonischer Oszillator II Für t = 0 soll der Massepunkt seine maximale Auslenkung aus der Ruhelage haben: x = x0 Er ändert seine Auslenkung nach: = 0cos Die Position x0 wird alle =2 eingenommen. =>Der Massepunkt schwingt mit der Frequenz 0= Diese Formel wird auch natürliche Frequenz des mechanischen Oszillators genannt. Es ist von der Energie, die dem System zugeführt wird, unabhängig. Änderungen der Energie resultieren lediglich in einer Änderung der Amplitude A der Schwingung. (Skoog Leary instrumentelle Analytik S.279)

10 10 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Dieses klassische Model berücksichtigt aber nicht, dass Moleküle nur diskrete Energiebeiträge aufnehmen können. => Quantenmechanische Betrachtungen und Ableitungen notwendig Energieeigenwerte und Eigenfunktionen Lösung der Differentialgleichung ergibt Eigenfunktionen mit dazugehörigen Energiewerten => Schwingungszustände sind gequantelt (Die Elektronenenergien können nur bestimmte, diskrete Werte annehmen) 1 2 Auswahlregel welche sich aus dem Modell des harmonischen Oszillators ergeben: Δν = +/-1 1. Erlaubt 2. Nicht erlaubt Molekülstruktur Gruppenfrequenzen mr ist bezogen auf Schwingungen von 2 Massen von Atomen = = k: Kraftkonstante [Nm -1 ] (Bindungsstärke z.b. kovalente Bindungen / Wasserstoffbrückenbindungen) mr: reduzierte Masse [kg]

11 11 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Die Frequenz der obigen Gleichung entspricht genau der Anregungsfrequenz des Schwingungsüberganges wie man bei der Behandlung des harmonischen Oszillators sehen kann. Aus der Proportionalität erkennen wir, dass stärkere Bindungen mit einer höheren Frequenz schwingen und somit energiereicher sind. Daher müsste die C=O-Streckschwingung bei höheren Wellenzahlen im Spektrum erscheinen als eine C-O-Streckschwingung. Außerdem müsste ein schwereres Molekül mit einer kleineren Frequenz schwingen und somit bei geringeren Wellenzahlen erscheinen, =1,66 10 =1,2 10 =5 10 = = 1 2 C=O: 1723 cm -1 C-O: 1112 cm -1 Obwohl der harmonische Oszillator die zu beobachtenden, durch die Grundschwingungen verursachten Spektralbanden erklärt, versagt er bei der Erklärung anderer Phänomene, die essentiell für die NIR-Spektroskopie sind. Dazu gehärt das Auftreten von Obertönen und Kombinationsschwingungen. Grund: reale Bindungen gehorchen nicht genau dem Hook schen Gesetz (linear-elastisches Verhalten). Die Schwingungsenergie treten nicht in äquidistanten Schritten auf, wie beim Harmonischen Oszillator, sondern die Abstände von einer Energiestufe zur nächsten werden immer mit steigendem n kleiner. (Cammann - Instrumentelle Analytische Chemie Kap 5 Seite 24) Grund für diese Form ist: Nähern sich zwei Kerne steigt die Potentielle Energie (Coulombsche Abstoßung) schneller als im harmonischen Oszillatormodel beschrieben wird. Im Gegenzug dazu nimmt die potentielle Energie sehr schnell ab, sobald der interatomare Abstand den Wert erreicht, bei dem eine Dissoziation der Atome stattfindet. Die Anharmonizität führt zu zweierlei Abweichungen: Bei höheren Quantenzahlen wird E kleiner und die Auswahlregel wir nicht mehr strikt erfüllt; als folge beobachtet man Übergänge mit v=+-2 oder +-3. Derartige Übergänge sind für das Erscheinen von Obertonlinien bei Frequenzen verantwortlich, die etwa die zwei oder dreifache Frequenz der Grundlinie besitzen. Zusätzlich kann es vorkommen dass zwei verschiedene Schwingungen in einem Molekül wechselwirken können. Jedoch sind diese Kombinationssignale meist schwach. (Skoog Leavy S. 281)

12 12 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Gruppenfrequenzbereiche Hinweise auf das Gesamtmolekül Streckschwingung %D ist die Transmission (Durchlässigkeit) erkennbar da die Peaks nach unten gehen. Fingerprintbereich: da viele Atome mit gleicher Frequenz schwingen Bei Absorption gehen die Peaks nach oben. Fingerprintbereich Bei vielen Schwingungen welche unterhalb von ~1400 cm -1 (Fingerprintbereich) auftauchen bewegen sich mehrere (viele) Atome eines Moleküls mit der gleichen Frequenz. Deshalb ist dessen genaue Frequenz (Wellenzahl) auch für die jeweilige Stereochemie, sowie dessen interund intramolekulare Wechselwirkungen charakteristisch. Da bei einem organischen Molekül mit vielen solchen Schwingungen zu rechnen ist, sind die Absorptionen in diesem Bereich des IR Spektrums für ein gegebenes Molekül charakteristisch. (Im Gegensatz dazu handelt es sich bei den Gruppenfrequenzen um stark lokalisierte Schwingungen. Manche Gruppenfrequenzen (z.b. ν-c-cl) treten jedoch auch im Fingerprintbereich auf.) Da Molekülschwingungen bestimmter Atomgruppen im Bereich von cm 1 besonders charakteristisch sind, eignet sich die IR-Spektroskopie zur Bestimmung der funktionellen Gruppen des untersuchten Moleküls. Zusätzlich ist das gesamte Spektrum und besonders der Fingerprintbereich, im Bereich von cm 1, zwar nicht für

13 13 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner buchstäblich jede Substanz charakteristisch, wie oft behauptet, bietet aber oft wertvolle Anhaltspunkte zur Identifikation. (Wikipedia: IR-Spektroskopie) Gruppenfrequenzbereiche Lage der Valenzschwingungen von Dreifachbindungen und kumulierten Doppelbindungen Die ungefähre Frequenz, bei der eine Funktionelle organische Gruppe wie C=O, C=C, C-H; Infrarot-Strahlung absorbiert, kann mit Hilfe der Atommassen und der Kraftkonstante der Bindung zwischen diesen Atomen berechnet werden kann. Wegen der Wechselwirkungen mit anderen Schwingungen, die eines oder beide Atome, aus denen sich die Gruppe zusammensetzt beeinflussen, sind diese Frequenzen die deshalb Gruppenfrequenzen genannt werden, selten völlig invariant. Jedoch ist der Einfluss derartiger Wechselwirkungen meist gering; folglich lässt sich ein Frequenzbereich zuordnen innerhalb dessen es sehr wahrscheinlich ist, dass das Absorptionssignal einer gegebenen funktionellen Gruppe auftritt. (Skoog Leavy S. 300) Bei der Valenzschwingung handelt es sich um einen Begriff aus dem Bereich der Molekülspektroskopie, die die Änderung der Abstände (Bindungslänge) der einzelnen Atome im Molekül beschreibt. (Wikipedia) w = weak s = strong v = variabel m = medium (geringe Intensität) (Starke Absorptionsbanden

14 14 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Beeinflussung der Gruppenfrequenz durch das Restmolekül. Ringschwingung des Benzolmoleküls Aromatische Ringstrukturen sind über 3000 einzuordnen, aliphatische Ringsysteme unter Übersicht über wichtige Gruppenfrequenzen N-H Deformationsschwingung ist wichtig für die Proteinbildung.

15 15 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Beispiele: Proteine bestehen aus Aminosäuren (Peptidbindung = Eine Peptidbindung ( NH CO ) ist eine amidartige Bindung zwischen der Carboxygruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer zweiten Aminosäure. (Wikipedia) Somit besteht ein Protein aus sehr vielen Atomen und besitzt dementsprechend nach (3N-6) sehr viele Schwingungen, welche jedoch nicht einzeln sichtbar sind OH, NH Streckschwingung 2. CH- Streckschwingung 3.??? 3&4 Sekundästrukturen analysierbar 4. NH- Deformationsschwingung 5. OH Absorptionsbanden 6. Aliphatische CH 7. CH Deformationsschwingung 8. CO Streckschwingung / COH Deformationsschwingung IR Spektren der protonierten sowie der deprotonierten Essigsäure in Wasser 1. Acetation (mesomere Grenzform) 2. Protonierte Essigsäure 3. Da ist zu erkennen, dass bei 5 dem Ion der Peak 3 1 verschwindet Dieser Bereich ist nicht messbar, weil Wasser in der Atmosphäre stört (Rauschen) 2 5. Beim Ion ist zu erkennen, das es durch die symmetrische und asymmetrische Streckschwingung zwei Peaks entstehen (links: asymmetrisch rechts symmetrisch Entwicklung erster IR Spektrometer Motivation: Problemlösung bei der Produktion von Schlüsselchemikalien im 2. Weltkrieg: Treibstoff, Gummi, Penicilin Entscheidung des amerikanischen Office of Rubber Reserve ein IR Spektrometer für die Prozesskontrolle zu entwickeln: Beckman IR1

16 16 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Wichtigsten Bauteile eines Spektrometers 2 Arten: Erste Variante wird meistens verwendet. Zur Zerlegung der IR-Strahlung gibt es 2 Arten von Systemen: dispersive (verwendet Gitter zur Aufspaltung des Strahles) und nicht-dispersive. (verwendet das traditionelle Prisma zur Aufspaltung des Strahles) (Karl Cammann: 5-27/28) Genauer siehe S. 18) Schema eines Gitterspektrometers Heute ohne jede praktische Bedeutung im MIR, macht aber verständlich warum IR Spektren (noch) oft in T(%) dargestellt werden (Verschiebung des Attenuators ist direkt prop. der Abschwächung durch die Probe) Eine moderne Version eines Gitterspektrometers mit Array-Detektoren ähnlich dem UV-Vis Spektralbereich ist aus Kostengründen (noch) nicht praktikabel Attenuator Zweikanalspektrometer: Licht wird breitbandig emittiert 2 Wege (1x durch den Proberaum, Aufbau eines Fourier-Transform- 1x Referenzpfad). Zu Chopper (Radsegment welches entweder Lichtstrahl durchlässt oder reflektiert. Das Gitter dreht sich damit die Intensität immer gleich bleibt bewegt sich der Attenuator proportional zur Abschwächung des Lichtes durch die Probe. Nachteil: pro Zeiteinheit wird nur eine Wellenlänge vom Detektor erfasst. nicht sehr effizient. Dadurch Signal-Rauschverhältnis schlecht.

17 17 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Lichtquellen MIR: Globar: SiC Temp: rund 1500 K (Globar = Glühstift) Nernst Stift: Si(Zr,Ce,La) Ox-Stab: rund C NIR: auch Quarz und Halogenlampen FIR: auch Hg-Dampf Lampen Spektrale Leistungsdichte eines schwarzen Strahlers Optimaler Bereich: bei 2,5-25µm (1500K) Ein schwarzer Körper (auch: schwarzer Strahler, planckscher Strahler) ist in der Physik ein idealisierter Körper, der auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Er ist zugleich eine ideale thermische Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung mit einem charakteristischen, nur von der Temperatur abhängigen Spektrum aussendet (Wikipedia)

18 18 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Monochromatoren Einheit, welche die Messung der Strahlungsintensität f(wellenlänge, Wellenzahl, Frequenz) ermöglicht. Prismen: basieren auf der Brechung des Lichtes da n f (λ) erste IR Spektrometer verwendeten NaCl Prismen, Gitter: basieren auf der Beugung des Lichtes Interferometer Michelson Interferometer (heute in MIR Spektrometer dominierend) Funktionsweise eines Prismas Beruht auf den Unterschied der Brechungsindices zweier Stoffe. Formel: Nernst sches Brechungsgesetz (Nernst Gleichung) Die Brechung ist von der Wellenlänge abhängig. Funktionsweise eines Gittermonochromators Durch drehen des Gitters wird eine Wellenlänge nach der anderen durch den Ausgangspalt auf den Detektor abgebildet. => pro Messzeiteinheit wird ein Großteil der vorhandenen Lichtwellenlängen ausgeblendet; sie gehen praktisch verloren; der Durchsatz (throughput) ist stark limitiert.

19 19 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner konstruktive Interferenz von Strahl 1 und 2 wenn der der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist: n*λ= (CD AB) Sägezahnprofil = sin * = sin * Winkel r kommt dort auch vor. Der Sinus ist genau die Strecke um die 1 und 2 verschoben sein müssen, damit sie wieder eine konstruktive Interferenz bilden Spektrale Auflösung eines Beim Gitterspektrometer wird die IR-Strahlung am Gitter monochromatisiert. Dabei werden ein Großteil der Wellenlänge durch einen Spalt ausgeblendet. Durch Verschieben des Gitters wird der Wellenlängebereich abgescant. Dadurch wandert die Strahlung beim Scannen normal am Spalt vorbei und dadurch werden die eigentlich prallelen Strahlenbündel als spitze Peaks detektiert. Reale Strahlung: Strahlung, wie sie am Detektor nach Passieren des Spalts aufgezeichnet wird: Diese Funktion bezeichnet man als Apparatefunktion, sie zeigt, wie ein idealer Strahl durch die Messung aufgezeichnet wird.

20 20 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Die Halbwertsbreite der Peaks entspricht der spektralen Spaltbreite. Ist diese zu groß, erhält man eine sehr schlechte Auflösung: Man kann daher die Auflösung verbessern, indem man die Spaltbreite verkleinert. Dies ist jedoch limitiert, da es bei zu kleinen Spaltbreiten zur Beugung kommen kann. Da die Lichtintensität mit der Spaltbreite linear zunimmt, das Rauschen jedoch quadratisch steigt, erzielt man mit kleineren Spaltbreiten auch ein besseres S/N-Verhältnis. Grundlagen zur FTIR Technik 1. Lichtstrahl trifft auf einen teilweist durchlässigen/ undurchlässigen Spiegel. Davon werden 50% reflektiert und 50% durchgelassen 2. Die reflektierten 50% werden von einem fixen Spiegel zurückreflektiert. Beim Beamsplitter (Strahlenteiler) werden wiederum nur 50% von den 50% durchgelassen (= 25%) die schlussendlich zum Detektor gelangen

21 21 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner 3. Die im Punkt 1. Durchgelassenen 50% werden an einem beweglichen Spiegel reflektiert und beim Beamsplitter werden wie im Punkt 2 nur (50% von 50%) 25% durchgelassen. 4. Somit gelangen insgesamt 50% des Lichtstrahles zum Detektor. In einem FT-IR Gerät wird das Licht der IR Strahlungsquelle mithilfe eines Strahlteilers auf den es mit einem 45 Grad Winkel auftrifft, in zwei Strahlen geteilt. Der eine wird an einem feststehenden Spiegel A reflektiert, während der zweite von einem beweglichen Spiegel B reflektiert wird. Wenn die beiden Spiegel A und B äquidistant zum Strahlenteiler sind, tritt konstruktive Interferenz auf. Wird der bewegliche Spiegel um ein Viertel Wellenlänge des auftreffenden Lichtes verändert, bring dies die reflektierten Wellen am Strahlenteiler aus der Phase, was zu destruktiver Interferenz führt. Eine gleichförmige Bewegung des Spiegels B erzeugt so alternierend Energiemaxima und Minima. Ein Detektor zeichnet ein Interferogramm auf. Wegen der gleichförmigen Bewegung des Spiegels B zeigt es einen Intensitäts-Zeit-Verlauf. Der Mathematische Prozess, mit dem diese Zeitabhängigkeit in eine Frequenzabhängigkeit umgewandelt wird heißt Fourier-Transform-Analyse. Dadurch erhält man letztendlich ein normales IR- Spektrum. (Karl Cammann: S. 5-28) Dabei wird durch Bewegung des Spiegels konstruktive und destruktive Interferenz beobachtet. Man erhält ein Interferogramm: monochromatisch: polychromatisch: Ein ideales Interferogramm erhält man, wenn man den Spiegel unendlich weit auslenken kann, was aber natürlich nicht möglich ist, daher entstehen Interferogramme, die durch FT-Transformation nicht in Linien sondern in etwas breitere Peaks mit Nebenmaxima und minima entwickelt werden:

22 22 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Man kann die Auflösung erhöhen, indem man den Spiegel weiter auslenkt. Mathematisch kann man die Auflösung erhöhen, indem man auf das Interferogramm eine Boxcar-Funktion anwendet. Diese definiert einen rechteckigen Bereich, dessen Funktionswerte erhalten bleiben. Die Werte außerhalb werden alle 0. Entstehung des Interferogramms Das Detektorsignal ID gemessen gegen die Auslenkung δ wird als Interferogramm bezeichnet. Bezüglich monochromatischer Strahlung verläuft das Interferogramm als sinusförmig oszillierende Kurve Für einen Spiegel, der sich kontinuierlich in einem konstanten Verhältnis bewegt, alterniert die Intensität am Detektor sinusförmig zwischen "hell" und "dunkel" für jede λ/4 Bewegung des Spiegels, wie skizzenhaft in der Zeichnung oben zu sehen ist. Folglich besteht die Intensität des Detektorsignals I aus einem konstanten (dc) und einem modulierten (ac) Teil. (Teach/Me) Gleichzeitig mit der IR Strahlung wird auch ein HeNe Laser (λ=633 nm ~ cm-1) durch das Interferometer gesandt. Dessen Interferogramm wird mittels einer Photodiode aufgezeichnet. Dieses Interferogramm dient dazu die aktuelle Position des beweglichen Spiegels zu bestimmen, es wird auch zur Kalibration der Wellenlängenachse benötigt.

23 23 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Bsp. 1. & 2 sind jeweils Spektren von einem monochromatischen Interferogramm. Bsp. 3. Ist ein Spektrum eines polychromatischen Stahl (= Summer viele monochromatische Interferogrammen -Kontinuum) Die Wellenfunktion besteht aus einem konstanten Teil: I/2 und einem variierenden Teil: cos 2 / Bsp. 2 halbe Wellenlänge Folge: man muss den Spiegel auch nur um die halbe Länge verschieben bis Max/Min erreicht wird. Bei Überlagerungen kann der Detektor nicht unterscheiden welche WL vorhanden sind - er summiert nur die Werte aller. δ(wegunterschied) = 2(OM OF) Die Auflösung eines Interferogramms und somit des Spektrums hängt vom maximalen Spiegelweg ab, d.h. bei unendlichem Spiegelweg (die Integration der Faltung erfolgt von 0 bis ) würde man die beste Auflösung erhalten. In der Praxis jedoch ist die Weglänge begrenzt. Diese Begrenzung führt zu künstlichen Nebenmaxima, die durch Apodisation (wörtlich: Füße abschneiden) reduziert werden können. Mathematisch kann die Beschränkung der Weglänge dadurch ausgedrückt werden, dass man die Interferogrammfunktion einer Rechtecksfunktion D(δ) multipliziert. Dabei entsteht ein Produkt zweier Funktionen welche fouriertransformiert werden. Dies entspricht nach dem Faltungstheorem einer Faltung der Fouriertransformierten der einzelnen Funktionen. ( z.b. :1/0.25 = 4 wellenzahl

24 24 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner 3 Vorteile der FT Technik (nach Physiker benannt die es als erstes erkannten) Die 3 großen Vorteile wurden nach Physikern benannt, die sie als erstes beschrieben. Fellgett-Vorteil Bei Verwendung eines Gitters oder Prismas wird das Spektrum kontinuierlich gemessen (alle auswählbaren Wellenlängen werden nacheinander durchlaufen). Bei Verwendung eines Interferometers werden alle Wellenlängen gleichzeitig gemessen. Dadurch kommt es zu einem höheren Energiedurchsatz. Bei der FT-Technik werden 50% durchgelassen, bei Gittern und Prismen nur ein sehr kleiner Teil der Strahlung, der Rest wird durch die Monochromatisierung ausgeblendet. Somit erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis. Jacquinot-Vorteil Weil man kein Gitter oder Prisma benötigt, braucht man auch keinen Spalt, es können Lochblenden verwendet werden und der Lichtstrahl behält seine runde Form (größerer Querschnitt), wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Connes-Vorteil Durch den eingebauten HeNe-Laser hat man einen Wellenlängenstandard, wodurch man nicht mit einem anderen Standard das Spektroskop auf die Wellenzahl kalibrieren muss. Der Laser ist ein Maßband und bestimmt zu jedem Zeitpunkt die Auslenkung des beweglichen Spiegels. Einteilung von IR Detektoren Detektoren Photonendetektoren: Kühlung notwendig wegen thermischen Rauschens photoconductive: Messung des Widerstandes; Material wird besser leitend bei Bestrahlung photovoltaic: Messung des ausgelösten Stroms; p- und n-halbleiter induzieren Strom bei Bestrahlung thermische Detektoren: können auch bei RT betrieben werden Thermoelement (engl: thermocouple), thermopile: Temperaturunterschied führt zu Spannung Bolometer: Änderung des Widerstandes durch Erwärmung wird gemessen pyroelektrischer Detektoren (in Spektroskopen dominierend) Thermische Detektoren Funktionsweise: Einfallende IR-Strahlung führt zu einer Erwärmung. Die Temperaturänderung ist proportional zur einfallenden Intensität und kann mittels Thermoelement über die Spannung, mittels Bolometer über den Widerstand oder mittels pyroelektrischem Detektors über den Strom

25 25 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner gemessen werden. Thermische Detektoren weisen über den gesamten IR-Bereich eine konstante Empfindlichkeit auf. Beispiel: pyroelektrischer Detektor Pyroelektrische Kristalle (z.b. DTGS deuteriertes Triglycinsulfat) werden wie alle Dielektrika im elektrischen Feld polarisiert. Im Unterschied zu gewöhnlichen Dielektrika bleibt die Polarisierung aber nach Entfernen des elektrischen Feldes erhalten und ist temperaturabhängig. Mit zwei Elektroden erhält man einen temperaturabhängigen Kondensator. Einfallende IR-Strahlung verändert die Temperatur und somit die Ladungsverteilung, die als Strom gemessen werden kann. Diese Detektoren müssen unter die Curie-Temperatur gekühlt werden (DTGS: 47 C). Da sich die Ladungsverteilung nur bei Temperaturänderung ändert, erhält man bei gleichbleibender Strahlung kein Signal, man benötigt daher eine modulierte Strahlung (Chopper). Dieser Detektortyp hat zwar eine gewisse Ansprechzeit, diese ist aber ausreichend schnell, sodass diese Detektoren in FTIR- Spektrometern bevorzugt eingesetzt werden. Photonendetektoren Funktionsweise Bei Photonendetektoren beeinflussen einfallende Photonen das elektrische Verhalten der Detektoren. Beispiel Halbleiterdetektor (photovoltaic) Diese Detektoren müssen auf konstante Temperatur gekühlt werden, um das Rauschen zu minimieren und um den Elektronen nicht genug Energie zu geben, um aus dem Valenzband in das Leitungsband zu gelangen. Durch einfallende IR-Strahlung können nicht leitende Elektronen in einen energiereicheren leitenden Zustand gehoben werden. Die Lichtstärke kann als Abnahme des Widerstandes oder als Stromfluss gemessen werden. Ab einer gewissen Wellenlänge wird durch die Photonen zu wenig Energie übertragen, sodass die Empfindlichkeit dieser Detektoren schlagartig auf 0 fällt. Generell besitzen Photonendetektoren über den Wellenlängebereich unterschiedliche Empfindlichkeit. Häufig verwendet werden MCT-Detektoren (=Mercury-Cadmium-Telluride). Hg 1-x Cd x Te Photonendetektoren haben eine schnellere Ansprechzeit als thermische Detektoren, mit ihnen kann schneller gescannt werden.

26 26 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Abhängigkeit des Responses von der Wellenlänge: Standard in der FTIR Spektroskopie narrow, middle and wide band MCTs Wellenlänge im mittleren Infrarot angepasst Änderung des Widerstands des Halbleiters durch Bestrahlung messbar (Detektoren schneller) Werden gekühlt auf Temperatur von flüssigen N 2. Alle e- werden am Valenzband durch Anregung gemessen Problematisch ist im IR Spektralbereich natürlich immer der Einfluss der Umgebungswärme. Diese beeinflussen das Rauschverhalten und die Empfindlichkeit des Detektors, was wichtige Parameter für die Güte eines IR-Spektrometers sind. Diese beiden Werte gehen in den so genannten Wert D* ein, der damit ein gutes Kriterium für die Detektorauswahl darstellt. Je höher der D* Wert desto besser der Detektor. (Karl Cammann S 5-32)

27 27 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Schema zur Aufnahme von (Absorptions)-Spektren Oben: Lichtquelle wird durch Spektrometer durch geschickt um das Hintergrundspektrum zu messen. Typischer Verlauf + Einbrüche (Glockenkurve = Eigenschaften der Lichtquelle) Warum entstehen die markanten Einbrüche? Wegen Luftfeuchtigkeit 1. Co CH (Verunreinigungen durch Kohlenwasserstoffe. Einkanalspektrum = Spektrum ohne Probe Unten: Enthält die Informationen der Lichtquelle und Infos der Probe (damit man nur die Information der Probe erhält nimmt man das Verhältnis zwischen Oben und Unten (Division: wenn zwei Werte gleich sind erhält man: 1/1 = 1 Wenn nicht, erhält man (mal 100) die Prozente des Transmissionsspektrums. Spektren werden in ein Absorptionsspektren umgewandelt damit Lambert beer Gesetz anwendbar ist. Transmission und Absorption als f(c)

28 28 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Lambert Beer sches Gesetz Annahme: parallele monochromatische Strahlung trifft auf Materie der Länge x in welcher sich absorbierende Teilchen befinden. Nach Durchtritt hat sich die Anzahl der Photonen von I0 auf I vermindert. Jedem der Teilchen kann man eine Fläche q(molekülquerschnitt -kein geometrischer Querschnitt sondern Maß für die quantenmechanische Wahrscheinlichkeit des betreffenden Übergangs) zuordnen an der Photoneneinfang (Absorption) stattfindet. Der Wert bei der Formel ist der Umrechnungsfaktor vom natürlichen auf den dekadischen Logarithmus. Molare Exstinktion und Absorption (ist nicht dasselbe): Exstinktion ist die Summe aller Vorgänge die zu einer Abschwächung führen. Und die Absorption ist sozusagen nur ein Teil davon. Aufnahmetechniken in der IR Spektroskopie Transmission (Licht durch Küvette) (Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase) Reflexionstechniken (Feststoffe, Flüssigkeiten) o Interne Reflexion, auch abgeschwächte Totalreflexion (ATR) o Externe Reflexion (Licht von außen auf Probe) Gerichtete Reflexion Diffuse Reflexion Photoakustik (Gase, Feststoffe) (man verwendet um IR Strahlung um Probe zu erwärmen. Durch die angeregt Energie wird in Form von Wärme frei (wenn gepulste Strahlung) warm kalt - warm (Ausdehnung ist als periodische Druckwelle (Schall) messbar) Vorteil: lange Linearität. Intensität des Schalls proportional zu verwendete IR Strahlung (bei Log I/I 0 Intensität proportional zur Konzentration) Emissionsspektroskopie

29 29 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Photoakustik genau: Im Falle von hoch undurchsichtigen Proben, wie Polymersplitter oder irregulären Strukturen mit großen Oberflächen, kann photoarkustische IR-Spektroskopie angewendet werden. Hier beruht das Detektionsprinzip darauf, Veränderungen der Audiofrequenzen, verursacht durch Absorption der infraroten Strahlung durch die Probe, Erhitzung der Probe und daraus resultierenden Druckveränderungen, mit einem empfindlichen Mikrofon aufzunehmen. IR- Strahlung, moduliert mit einem z.b. Michelson-Interferometer, produziert einen Ton im Audiofrequenzbereich. Durch Interaktion mit einer IR-absorbierenden Probe, die sich in einer versiegelten Kammer gefüllt mit inertem Gas (z.b. N2) befindet, wird die Probe periodisch auf der Frequenz der Modulation erhitzt. Die daraus resultierenden Änderungen können als IR-Spektrum mit einem Mikrofon aufgrund der verursachten Druckänderungen aufgenommen werden. Die großen Vorteile dieser Technik liegen darin, dass Probenvorbereitungsschritte (z.b. zerreiben, was die Probe beeinträchtigen könnte) umgangen werden. (Teach/Me) Transmissionsmessung von Feststoffen Spektren von Festkörpern, die in einer infrarot durchlässigen Solvenz nicht löslich sind, erhält man durch Verteilung des Analyten in einer flüssigen oder Festen Matrix, die auch Aufschlämmung genannt wird. (Voraussetzung: Partikelgröße des suspendierten Feststoff muss kleiner als die Wellenlänge des IR Strahls sein. Sonst Streuung) (Skoog Leary: S.300) Transmissionsmessung: a) KBr-Presslinge: Diese Methode eignet sich besonders gut für die qualitative Messung von spröden, pulverisierbaren Feststoffen. Ca. 1 mg Substanz wird gemahlen und mit 200 bis 300 mg KBr-Pulver gut vermischt und in die offene Presse eingeführt. Mit einem Druck von etwa 0,75 GPa für eine Dauer von 2 min wird der Pressling hergestellt, zusätzlich ist während des Vorgangs noch eine Vakuumpumpe angeschlossen um vorzeitiges Rekristallisieren zu verhindern. Nachteile: Für quantitative Analysen ist die Methode nur schlecht geeignet (möglicher Substanzverlust im Presswerkzeug, KBr ist stark hygroskopisch) Streueffekte b) Suspension in Paraffinöl (Nujol) Diese besonders schonende Probenvorbereitung eignet sich vor allem für

30 30 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Luft- und feuchtigkeitsempfindliche Substanzen. Zur Herstellung der Suspension der feingemahlenen Substanz in Paraffinöl (Nujol), benötigt man zwei mattierte Glasplatten. Auf die Platten wird ein Tropfen Öl und 5 bis 7 mg der zu untersuchende Substanz gegeben und miteinander verrieben. Anschließend wird die klare Suspension auf das Fenster eine Küvette überführt. Nachteile: Auftreten von Absorptionsbanden des Öls (kann jedoch mit der Wahl einer geeigneten flüssigen Phase vermieden werden) Streueffekte Transmissionsmessung von Flüssigkeiten Reinstoffe können als dünner Film zwischen 2 Fenstern vermessen werden. Für Lösung werden jedoch meist Küvetten mit definierter Schichtdicke verwendet. Bestimmung der Schichtdicke durch Reflexion des eingestrahlten Lichts kommt es zur Interferenz. Durch den Abstand der Maxima kann die Schichtdicke der Transmissionsküvette berechnet werden. Messung von Gasen Gasküvetten: meist Vielfachreflexionsküvetten, physikalische Länge beträgt zwischen wenigen cm bis m. wegen der oftmaligen Reflexion an der Innenseite kann sie opt. Weglänge: 10 cm -360 m betragen GC-FTIR on-the-fly Light pipe interface o Direkt oder über Transferlinie mit GC verbunden diese wird erhitzt um die Kondensation der Probenkomponenten zu verhindern ( C), ist auch eine IR Quelle => Rauschen o Mit Gold verspiegelte Glasröhrchen; Optimales Volumen: Trägervolumen welches FWHH eines GC Peaks entspricht

31 31 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner o Typische Abmessungen : (ID: mm, l = 5-15 cm),vol = μl o Detektionslimits: ng (injiziert in light pipe) Bsp. GC-FTIR in pharmazeutischer Forschung Beim Transmissionsspektrum 1. Wird die Frage gestellt um welches Molekül es sich handelt (2 Möglichkeiten) 1.04 Beide Substanzen werden spektroskopiert - man erkennt, dass ein Spektrum Ähnlichkeiten mit der Para Form hat. Warum sind am Anfang charakteristische Unterschiede zu erkennen: Intramolekulare H Brückenbindungen bei Orto bei Para nicht (OH Streckschwingung sehr scharf) Generell: Bei dem Versuch, Spektren der gasförmigen Eluate mit denen einer Spektrenbibliothek zu vergleichen, die mit flüssigen oder festen Proben erhalten wurden, treten manchmal Schwierigkeiten auf. Gasförmige Spektren enthalten Rotationsschwingungsbanden, die in den flüssigen oder festen Spektren nicht auftreten, so dass sich die Spektren wesentlich voneinander unterschieden können. Ein weiterer Unterschied zwischen gasförmigen und flüssigen Spektren besteht darin, dass in den erstgenannten die Banden fehlen die infolge von intermolekularen Wechselwirkungen, wie z.b. Wasserstoffbrückenbindungen in Alkoholen und Säuren auftreten. (Skoog Leary S. 671) Abgeschwächte Totalreflexion ( interne Reflexion) Fällt Licht durch ein Medium mit einem relativ hohen Brechungsindex (hier dem ATR Kristall, n1) unter einem größeren als den kritischen Einfallswinkel auf die Grenzfläche zu einem Medium mit kleinerem Brechungsindex (hier der Probe, n2), so wird die Strahlung in das optisch dichtere

32 32 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Material zurückreflektiert. Ein Teil der Strahlung dringt geringfügig in das optisch dünnere Material (die Probe) ein. Wird der Lichtstrahl wieder vollständig in das optisch dichtere Material zurückreflektiert, so spricht man von Totalreflexion. Die ATR Technik beruht auf dem Prinzip der abgeschwächten Totalreflexion. Hierbei wird ein Teil der Strahlung von der Probe absorbiert und fehlt im reflektierten Strahl. Diese Intensitätsänderung des einfach bzw. mehrfach reflektierten Strahls in Abhängigkeit von der Wellenzahl wird aufgezeichnet und mit einem Leerstrahl (ATR Kristall ohne Probe) verglichen. Die Eindringtiefe der Lichtwelle in die Probe ist eine Funktion des Kristallmaterials und des Einfallswinkels. Diese wird als depth of penetration angegeben. Als dp versteht man jenen Abstand von der ATR Oberfläche bei der die ursprüngliche Intensität auf 1/e abgesunken ist (rund 27%). Je kleiner der Einfallswinkel und je niedriger der Brechungsindex des Kristalls desto größer die Eindringtiefe. Die Eindringtiefe erhöht sich ebenfalls mit der Wellenlänge. Voraussetzung für die ATR Messungen ist ein guter Kontakt zwischen Kristall und Probe. ( Nachteile: Nur die Oberfläche wird vermessen Eventuelle Kontamination der Probe durch Kontakt mit dem ATR-Kristall Kostenfaktor bei Diamantzellen Materialien für ATR Elemente

33 33 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Vergleich der Absorptionsstärken Transmission vs. ATR Da Strahlung mit größerer Wellenlänge tiefer in die Probe eindringt, sind die ATR-Spektren-Banden bei größeren Wellenlängen intensiver als bei Transmissionsspektren. Neue Entwicklung: Diamant ATR Für die Aufnahme von IR-Spektren von Werkstücken und Materialproben gehört ATR heute zu den am häufigsten angewandten Methoden. Als Materialien für IR- Strahlung wählt man je nach Wellenzahlbereich meist ZnSe, Ge, Thalliumbromoiodid (KRS-5), Si, oder Diamant. Bei der Untersuchung von Proben ist darauf zu achten, dass die Brechzahl des eingesetzten ATR-Elements hinreichend groß ist, so dass beim Kontakt zwischen Medium und ATR-Element weiterhin die Bedingungen für Totalreflexion erfüllt sind. (Wikipedia: ATR-IR) Welche Informationen werden bei IR gewonnen? Charakteristische Banden in Spektrum können funktionellen Gruppen zugeordnet werden, wodurch die IR-Spektren einen Beitrag zur Strukturaufklärung liefern. Durch Vergleich des Fingerprint-Bereiches mit Datenbanken können gemessene Proben qualitativ identifiziert werden. Auch die simultane Messung von mehreren Analyten ist möglich. Quantifizierung über Lambert-Beer`sches Gesetz möglich: =log = Beispiel: C=O-Streckschwingung: cm -1, abhängig von Substituenten. Inter- und intramolekulare Wechselwirkungen können detektiert werden, wie etwa H- Brücken.

34 34 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Beispiel: Sekundärstruktur von Proteinen (Anteile an α-helices, β-sheets, random coils) Es können außerdem Informationen über latente Variablen (= nicht direkt beobachtbare Variablen) gewonnen werden. Beispiel: Klassifizierung von Weinen IR Mikroskopie Messungen in Transmission, Reflexion aber auch im ATR Modus möglich. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen 400 und 750 nm. Das unsichtbare infrarote Licht hat eine höhere Wellenlängen bis nm. Infrarot kann viele Materialien besser durchdringen als sichtbares Licht. Die Untersuchung dicker, wenig durchsichtiger Präparate im infraroten Licht liefert daher oft bessere Ergebnisse. Die Erfassung des Bildes erfolgt hier natürlich nicht über das Auge, sondern mit Hilfe einer Infrarot-empfindlichen Video- oder Fotokamera. ( Für die Aufnahme von IR-Spektren muss eine reflektierende Optik wie die Cassegrain- Spiegelobjektive eingesetzt werden, da Glas- oder Quarzobjektive im IR-Bereich nicht transparent sind. Die Cassegrain-Spiegel können als Kondensor, Objektiv und als Linse zur Fokussierung der Strahlung auf den Detektor genutzt werden. Die von der Strahlungsquelle ausgehende IR-Strahlung wird über Spiegel auf den kleinen Spiegel des Cassegrain- Objektives (Kondensor) geleitet, von dort zum großen Spiegel reflektiert. Mit dem großen Spiegel wird die Strahlung auf die Probe fokussiert. Wird in Transmission gemessen, gelangt die Strahlung schließlich auf das zweite Cassegrain-Objektiv, welches die durch die Probe nicht absorbierte Strahlung zum Detektor leitet. Um den zu spektroskopierenden Probenbereich einzugrenzen und beugungsbedingte Fehler in den Spektren zu vermeiden, werden Aperturen vor dem Cassegrain-Kondensor und nach dem Cassegrain-Objektiv

35 35 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner genutzt. Bei Reflexionsmessungen fungiert der Cassegrain-Kondensor auch als Objektiv. Zunächst passiert die von der Strahlungsquelle kommende IR-Strahlung den Cassegrain- Kondensor in der oben beschriebenen Weise. Beim Auftreffen der Strahlung auf die Probe findet Reflexion statt, die Strahlung wird wieder auf das obere Cassegrain-Objektiv reflektiert und über den oberen Spiegel zum Detektor geleitet. ( vsc/de/ch/3/anc/ir_spek/ir_spektroskopie/reflexionsmethoden/ir_6_5/irmikr_m14ht0500.v scml.html) IR Imaging System Imaging einer Maus-Aorta Beispiel: Bestimmung von latenten Variablen Klassifizierung von Rotweinen -Konzept

36 36 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Klassifizierung von Rotweinen Ergebnisse Clusteranalyse: Spektren ähnlicher Proben werden nebeneinander dargestellt Man kann die Sorte spektroskopisch untersuchen. Beispiel ad intramolekulare WW: Information über die Sekundärstruktur von Proteinen

37 37 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner ( NIR Spektroskopie o Messung von Obertönen und Kombinationsschwingungen o Wichtige Beiträge von stark unsymmetrischen Bindungen: N-H, C-H, O-H => diese Gruppen dominieren die NIR Spektren o Stark überlagernde Banden => für quantitative Analyse müssen multivariate Kalibrationsverfahren eingesetzt werden. o Bedeutung in der Prozessanalytik. o Im NIR sind die molaren dekadischen Absorptionskoeffizienten deutlich kleiner als im MIR =>es können größere Schichtdicken durchstrahlt werden. o In den Wellenlängenbereich der NIR Spektroskopie gibt es sehr gute Faseroptiken => In-line Messungen über Faseroptik wird leicht möglich

38 38 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Beispiel für NIR Spektren Temperaturabhängigkeit der NIR Spektren eines aliphatischen Amids Streuung o Streuung an größeren Teilchen: Mechanismus: Reflexion an Teilchenoberfläche o Streuobjekte: Wassertropfen, Aerosole, etc. o Streuintensität: I str. prop. NT(NT = Anzahl der Teilchen) o Analytischer Einsatz: Nephelometrie, evaporative Lightscattering o Rayleigh Streuung: Streuung an kleineren Teilchen Voraussetzung: Teilchendurchmesser d < 0,1λ o Mechanismus: Induktion eines Dipols im Teilchen welches dann selbst (mit gleicher Frequenz) strahlt o Streuobjekte: Atome Moleküle o Streuintensität: I str. prop. ν 4 o Beispiel: Streuung von Sonnenlicht an Luft o

39 39 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Intensitäten von Banden in Raman Spektren Raman: Intensität prop. KI L (ν 0 -ν i ) 4 (dα/dq)²(ir: Intensität prop. (dμ/dq)²)

40 40 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Schematischer Aufbau eines Raman Spektrometers Wellenlängenselektion a) Dispersiv (Czerny Turner) b) Interferometer (FT) a Schema eines FT Raman Spektrometers In dieser Abbildung sieht man die schematische Geräteanordung zur Fourier-Transform- Raman-Messung. Als Detektor wird ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Germanium- Photohalbleiter verwendet. Weil die Intensität der Rayleigh-Linie mehrere

41 41 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Größenordnungen höher ist als die der Raman-Linien, werden Sperrfilter in die Geräte eingebaut, um die Strahlung die den Detektor erreicht, auf Wellenlängen einzugrenzen die länger sind als diejenige der anregenden Strahlung. (Skoog Leary: S.331) Der Unterschied zum ersten Bild besteht nur darin, dass beim ersten aufbau noch ein Laser eingeschleust wird um den Abstand des Spiegels zu messen. Spektrale Auflösung Dispersion [nm/mm] versus [cm-1/mm]

42 42 AC III Teil 1 Lendl Martin Prießner Spektrale Auflösung