Allgemeine Optische Spektroskopie

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1 Allgemeine Optische Spektroskopie Instrumentelle Analytik SoSe 2019 Dr. Oliver Thorn-Seshold C1.059 (Fr 12-13) / oliver.thorn-seshold@cup.lmu.de Ziele Licht Eigenschaften Spektralbereiche Spektrometer: Quelle, Selektor, Absorption im Probe, Detektor Wechselwirkungen Licht/Verbindungen KRÜ 2

2 Spektroskopie Spektroskopie: Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung ( Licht ) und Materie Strukturaufklärung Identitätsprüfung Reinheitsprüfung Gehaltsbestimmung Atomspektroskopie Atomemissionsspektroskopie (AES) Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) Molekülspektroskopie UV-Vis-Spektroskopie Fluorimetrie IR-Spektroskopie NMR-Spektroskopie Chiroptische Methoden Polarimetrie Optische Rotationsdispersion (ORD) Circulardichroismus (CD) Refraktometrie Massenspektrometrie 3 Spektroskopie Spektroskopie: Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung ( Licht ) und Materie Strahlung Selektor Probe Spektrum Gerätekunde Lichtquelle Gitter/Prisma Küvette Detektor Theorie Emission Interferenz/ Absorption Datenverarbeitung Brechung [Emission] 4

3 Spektroskopische Messinstrumente allgemein Emissionsspektroskopie Strahlungsquelle(n) Wellenlängenselektor Probenbehälter Detektor Signalverarbeitung & Datenanzeige Absorptionsspektroskopie Fluoreszenzspektroskopie 5 1. STRAHLUNG & QUELLE 6

4 Elektromagnetischer Strahlung ( Licht ) Elektromagnetische Strahlung: sich wellenartig ausbreitende transversale elektrische (E) und magnetische (H) Felder A Bei allen weiteren Betrachtungen: nur E-Vektor siehe auch: VLS Polarimetrie Charakteristische Größen: c = Ausbreitungsgeschwindigkeit = m.s -1 Nichts ist schneller i. Vak. als das Licht (Einstein)* n = Frequenz [s -1 = Hz] n-angabe üblich nur im > µm Bereich l = Wellenlänge [Å] bei Röntgen; [nm] bei UV, VIS, NIR; [µm] bei IR;... c = n.l n ~ 1_ = Wellenzahl = l [cm -1 ] A = Amplitude I = Intensität ~ A 2 7 Energieinhalt elektromagnetischer Strahlung Anzahl der Maxima pro Zeiteinheit: n [s -1 = Hz] Teilchennatur des Lichts (Welle-Teilchen-Dualismus) Lichtquanten bzw. Photonen Planck sche Gleichung: Ausbreitungsgeschwindigkeit c ~ Materie Energie aber konstant => Energie eines Photons oft durch l i. Vak. ( Luft ) gegeben h = J.s (Planck sches Wirkungsquantum) Strahlungsenergie kj.mol -1 N A = UV IR 8

5 Energie elektromagnetischer Wellen Elektronenvolt [ev] Frequenz u [Hz] Wellenlänge l [m] Wellenzahl u [cm -1 ]... sind als Energieeinheiten oder als energie-proportionale Einheiten äquivalent und lassen sich ineinander umrechnen. - E= h. u c= l. u u= 1/l - Energie [kj.mol-1] Kernresonanz NMR Molekül- Rotationen IR Molekül- Schwingungen Elektronen- Anregung UV-Vis Ionisierung 9 Energie elektromagnetischer Wellen NMR IR UV-Vis Kernresonanz Molekül- Rotationen Molekül- Schwingungen Elektronen- Anregung Ionisierung Energie [kj.mol-1] 1 m 1 mm 1 µm 1 nm 10

6 Quellen 1 m 1 mm 1 µm 1 nm Quellen für AAS, UV-Vis [Fluo], IR - s. entsprechende Teil Glut (Kerz, Gluhbirne): IR, NIR, Vis, nuv Electroluminescenz (LED): NIR, Vis, nuv Gasentladung (Xe, Na, D 2 ): NIR, Vis, tief UV!AAS D 2 Lampe nm Xe Lampe! nm W Gluhbirne nm SELEKTOR 12

7 Eigenschaften der Strahlung 1: Interferenz Licht breitet sich gerade aus bis Brechung oder Interferenz Konstruktive und destruktive Interferenz 13 Eigenschaften der Strahlung 1: Interferenz Schwebung bei unterschiedlichen Wellenlängendifferenzen 14

8 Eigenschaften der Strahlung 1: Interferenz UV-Vis >> Gitter Aufspaltung von weißem Licht nach Wellenlängen: Interferenz im Gitter (vgl. Röntgen Diffraktion im Kristall) Empfehlung: zu Hause nachlesen (Bonus: Interferometer) Transmissionsgitter Reflektionsgitter 15 Eigenschaften der Strahlung 1: Interferenz UV-Vis >> Gitter Strukturelle Farbe : Gitter: ~Vogelfädern; CD-farben; Interferenz: Dünnschicht-farben [Öl auf Wasser]; Reflektionsgitter 16

9 Eigenschaften der Strahlung 1: Interferenz UV-Vis >> Gitter Gitter: Auftrennung groß im VIS / NIR Lineare Wellenlängenskala Wechsel von Gittern für unterschiedliche l-bereiche ~Billig und einfach herzustellen im VIS/NIR Im Prinzip kein Lichtverlust durch Absorption aber (0 ) 1, 2, Reflektion 17 Bandbreite Austrittsspalt Spaltbreite meist variabel ð effektive Bandbreite veränderbar nominale Wellenlänge enger Spalt = enger Bandbreite = hoher Auflösung: aber Strahlungsintensität i (messgenauigkeit i?) effektive Bandbreite Breite in halber Höhe der max. Intensität des Lichtbandes, das den Monochromator verlässt Passende Bandbreite ganz wichtig für genaue Messungen s. Teil UV-Vis 18

10 Eigenschaften der Strahlung 2: Brechung UV-Vis >> Prisma Brechungsphänomen: siehe VLS Refraktometrie n medium = c / c medium n medium sina sin b a dünneres Medium 1 Brechungsindex stark abhängig von l c 1 c 2 dichteres Medium 2 b n (UV) > n (VIS) > n (IR)!nicht linear 19 Eigenschaften der Strahlung 2: Brechung UV-Vis >> Prisma n (UV) > n (VIS/NIR) : Auftrennung im UV am Größten kein 1, 2 >> groß Bereich von ein Prisma abgedeckt Strahlung geht durch das Prisma >> Absorption möglich Glas: nur für ; Quartz: Große gute Prismen sind relativ teuer 20

11 Wellenlängeselektoren Kontinuierliche Selektoren: UV-Vis: Prismen & Gittern, je nachdem welche l-bereich Diskontinuierliche Selektoren: Absorptionsfilter (z.b. Farbeglas) Interferenzfilter (v.a. in Mikroskopie) PROBE & ABSORPTION 22

12 Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung Energie h.n DE{ Absorption Absorptions- Spektroskopie Atomabsorptionsspektroskopie (AAS), UV-Vis; IR; NMR angeregter Zustand M* M Grundzustand s Fluoreszenz Phosphoreszenz oder Wärme Emissions- Spektroskopie Atomemissionsspektroskopie (AES) Fluorimetrie h.n Die gesamte Energie eines Photons wird auf ein Atom/Molekül übertragen. Übertragung von Teilbeträgen der Energie findet nie statt. DE = h. n = h. c l = h. c. n ~ I durchkommende Lichtintensität reduziert durch Absorption 23 Absorption und Emission -Lichtquelle Monochrom 1 l Küvette Detektor Monochrom 2 (90, minimales Streulicht) Detektor häufig PM Absorptionsspektroskopie Emissionsspektroskopie 24

13 Wechselwirkungen Licht/Verbindungen Verbindungen/Atome absorbieren Energie auf diverse Weise g-strahlung UV-Vis- Strahlung E Ionisation Elektronenanregung s-elektronen p-elektronen nichtbindende Elektronenpaare p* p p* p +. IR-Strahlung Anregung von Molekülschwingungen Mikrowellen Anregung von Molekülrotationen 25 Absorption / das Lambert-Beersche Gesetz: A l =e l *c*d A l =e l *c*d c = Konzentration [mol/l] = [M] d = Schichtdicke der Küvette [cm]: z.b. 1 e l = molarer Extinktionskoeffizient bei l siehe Ableitung (Bonusfolien) e: stoffspezifische Proportionalitätskonstante, abhängig von l ; Einheit [M -1 cm -1 ] Bestimmung: e l = A l /(c*d) A kann zur Berechnung der Konzentration c herangezogen werden c = A l /(e l *d) A 1% = spezifische Absorption: Absorptionswert einer 1%igen Lösung in einer Standardküvette von 1 cm Absorption und Transmission T = P / P 0 A = log(1/t) = -log(t) = -log (P/P 0 ) d 26

14 Absorption / das Lambert-Beersche Gesetz: A l =e l *c*d Transmission c Transmission T = = e -kcd = e. c. d 2 5c 2c I c Konzentration 4c 5c Absorption 1,5 1 0,5 0 c Absorption A = -log I 10 T = -log 10 = log I 10 o 2c 3c Konzentration 4c I Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes: Nur Absorption (kein Fluoreszenz oder Phosphoreszenz der Probe) monochromatische Strahlung (da e von l abhängig ist) verdünnte Lösungen (0.2 A 1.5); Optimaler Bereich Unterhalb: instrumentelles Rauschen: Messungenauigkeit bei kleine Werte Oberhalb (>0.01M) : nichtlinearer Bereich durch Wechselwirkung zwischen den Chromophoren, und Veränderungen des Brechungsindexes bei hohen Konzentrationen klare Lösungen sonst Streustrahlung durch kleine Partikel in der Probe 27! Achtung Probekuvetten bzw. Lösungsmittel soll transparent sein Lösungsmittel Wasser n-hexan, Cyclohexan MeOH, EtOH, 2-Propanol Dichlormethan Toluol Durchlässigkeitsgrenze 200 nm 200 nm 210 nm 240 nm 290 nm Küvetten Quarz Silikatglas Durchlässigkeitsgrenze nm nm 28

15 Absorption Exzellente Chromophore: Fluorescein: e 500 = M -1 cm -1 Cy3: e 564 = M -1 cm -1 Weltrekord ca M -1 cm -1 pro Chromophor (multichromophore photosynthetische Proteine: bis zu M -1 cm -1 ) 29 Spektren: Representation Intensität A oder e Bandenspektrum l nm Energie Wellenlänge l Frequenz n ~ Wellenzahl n Intensität Linienspektrum l angeregter Zustand M* nm M Grundzustand 30

16 4. DETEKTOR 31 Detektoren Unterschiedliche, je nachdem welche l-bereich. z.b. Photozelle Photomultiplier Photodiode ( nm) Details: s. relevante Methoden 32

17 Auge als Detektor 33 Auge als Detektor: Komplementärfarben Warum ist Rotwein rot? R 1 R 2 HO OH O + OH R Anthocyanidine 3 Absorption Wellenlänge [nm] rot orange grün violett blau gelb Farbkreis 34

18 Auge als Detektor: Komplementärfarben Warum sind Blätter grün? Absorptionsspektrum von Chlorophyll rot orange violett blau grün gelb Farbkreis 35 Photometrische Bestimmung zweier Komponenten nebeneinander Absorption im Gemisch der Stoffe 1 und 2 : A gesamt l1=e 1 l1 *c1 *d + e 2 l1 *c2 *d bei Wellenlänge l1 A gesamt l2=e 1 l2 *c1 *d + e 2 l2 *c2 *d bei Wellenlänge l2 Zwei Messwerte (A l1,a l2 ) Zwei Gleichungen, -> zwei Unbekannte (c 1, c 2 ) können ermittelt werden Bei 3-Komponenten-Gemisch: 3 Messwerte Funktioniert nur wenn l mess,1 & l mess,2 weit voneinander entfernt sind (unabhängig) 36

19 5. ZUSAMMENBAU 37 Einstrahl vs Zweistrahl Spektroskop 1 2 Einstrahl: Hintergrundmessung im selben Strahl wird zu anderer Zeit aufgenommen & subtrahiert Zweistrahl: Intensitätsschwankungen der Lampe werden durch die Referenzmessung berücksichtigt 38

20 IMPP 39 IMPP Optik 5.1 Allgemeine Eigenschaften des Lichtes Modellvorstellungen Wellen- und Korpuskular-Beschreibung des Lichtes Lichtgeschwindigkeit Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wert für Vakuum; Zusammenhang mit der Brechzahl der Materie; Zusammenhang von Ausbreitungsgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge; Abhängigkeit dieser Größen vom Medium; Definition der Wellenzahl Spektralbereiche Spektrum elektromagnetischer Strahlung, sichtbarer Spektralbereich, ungefähre Wellenlängen Quantenstrahlung Zusammenhang von Quantenenergie und Frequenz; Photoeffekt (Grundzüge); Ionisation (Grundzüge) Lambert-Beer sches Gesetz (s.a. PhAna ) Quantitativ; Absorption [gemäß Arzneibuch A = Ig (I0/I)], Abhängigkeit von Schichtdicke und Konzentration; Halbwertdicke; Begriff der Transmission Quadratisches Abstandsgesetz Abnahme der Strahlungsflussdichte mit wachsendem Abstand von einer punktförmigen Quelle 40

21 IMPP Geometrische Optik Lichtbündel Parallelbündel, Erzeugung mittels Blende und Linse; divergentes und konvergentes Bündel Reflexion und Brechung Reflexionsgesetz, geometrische Zusammenhänge; Brechungsgesetz, Brechzahl (Messung s. PhAna ); Dispersion; Totalreflexion, Bedingungen des Auftretens, z.b. Lichtleiter Spiegel Abbildung am ebenen Spiegel und am sphärischen Hohlspiegel Linsen Sammel- und Zerstreuungslinsen, Abbildung mit (dünnen) Linsen, Bildkonstruktion, Abbildungsformel, Verhältnis Bildgröße zu Gegenstandsgröße; Linsensysteme aus zwei dicht zusammengefügten dünnen Linsen; Brechwert und Brennweite 41 IMPP Optische Einrichtungen und Systeme Vergrößerung Winkelvergrößerung, Sehwinkel, (konventionelle) deutliche Sehweite Lupe Strahlengang, Vergrößerung Lichtmikroskop Funktion des Objektivs und des Okulars, Zusammenhang von Vergrößerung und Brennweiten von Objektiv und Okular; Okularmikrometer, Eichung mittels Objektmikrometer; Auflösungsvermögen, qualitative Abhängigkeit von Wellenlänge, Apertur und Immersionsflüssigkeit Spektralapparat (s.a. PhAna ) Prismen- und Gitterspektrometer, Aufbau und Strahlengang (s.a ); Handhabung für die Spektralanalyse (Eichung, Vergleichsmessungen) Monochromatoren Spektralfilter; Prismen- und Gittergeräte (vereinfachtes Schema) für ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht (s.a , 5.3.4) 42

22 IMPP Wellen Ausbreitung Zusammenhang von Ausbreitungsgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge; Abhängigkeit dieser Größen vom Medium; Definition der Wellenzahl; Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum (s.a ) Darstellung Raum- und Zeitdarstellung von sinusförmigen Wellen Schwingungsformen Transversale und longitudinale Wellen (schematisch); Beispiele (elektromagnetische Wellen, Schallwellen); Lichtpolarisation (s.a ) Interferenz Huygens sches Prinzip; Überlagerung zweier Wellenzüge, Voraussetzung für vollständige Auslöschung; Grundzüge der Interferenz am optischen Strichgitter (s.a ) 43 IMPP Optische und spektroskopische Verfahren 12.1 Grundlagen Elektromagnetische Strahlung Allgemeines (s. P/PC/AFL 5.1); zur Charakterisierung von Arzneistoffen wichtige Spektralbereiche, Zuordnung einzelner Spektralbereiche zu Methoden des Arzneibuches; graphische Darstellung von Spektren 44

23 KLAUSUHRRELEVANTE ÜBUNG 45 Nächstes Mal: Komplexität Steigt! gelb: organische Chromophore + blau: structurelle Farbe = grün 46

24 Bonus : Ableitung Lambert-Beer, 1 I Bouguer-Lambert sches Gesetz Beer sches Gesetz Transmission % % % 25% 12.5% 6.25% 3.125% I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 T = Schichtdicke I = e -k d T = Transmission % I % c 50% I 1 100% 2c 25% I 2 100% = e -kcd 3c Konzentration 12.5% I 3 T = 100% 4c I 6.25% I 4 = e -k c 5c 47 A = -log(t) = -log (I/I 0 ) è A = kcd è A = ecd Bonus : Ableitung Lambert-Beer, 2 dx d -di ~ I. c. dx -di = k. I. c. dx - I di I = k. c. dx ò di = -k. c. dx I ln log I log I I d ò 0 = -k. c. d = k. c. d = - e. c. d = A = e. c. d 48

25 BONUSFOLIEN 49 Erweiterung: Wechselwirkungen Licht/Materie Absorption: Übergang von einem energetisch niederen in einen höheren Zustand, verbunden mit Energietransfer aus einem Strahlungsfeld an einen Absorber (Atom, Molekül oder Feststoff) Emission: Übergang von einem energetisch höheren in einen niedrigeren Zustand, verbunden mit Energietransfer vom Emitter an ein Strahlungsfeld. Spontane vs. Induzierte Emission Wenn keine Strahlung emittiert wird, wird der Übergang vom energetisch höheren in den niedrigeren Zustand als strahlungslose Deaktivierung bezeichnet. Streuung (Scattering) Umlenkung von Licht durch dessen Wechselwirkung mit Materie. Streuung kann mit und ohne Energietransfer stattfinden, d.h. die Streustrahlung kann, (muss aber nicht) eine leicht veränderte Wellenlänge gegenüber der ursprünglichen Strahlung haben. 50

26 Bandenspektren b-carotin 51 Bandenspektren Schwingungsniveaus (n) Rotationsniveaus (I) A b-carotin l nm Jablonski-Termschema 52