Optische Spektroskopie

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1 Werner Schmidt 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Optische Spektroskopie Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Techniker Weinheim New York Basel Cambridge Tokyo

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Optische Spektroskopie Überblick Geschichte der Optischen Spektroskopie 5 2 Grundlagen Die Natur des Lichts Das Elektromagnetische Spektrum Wechselwirkung von Licht mit Materie Das Wasserstoffatom: Grundlagen Optischer Spektroskopie Atome mit mehreren Elektronen Schalen und Perioden Vektormodell, Regeln von Pauli und Hund Das Heliumatom Einfache Moleküle und ihr Spektralverhalten Chemische Bindung Elektronensprung-Spektren zweiatomiger Moleküle Molekülschwingungen Übergangsmomente Das Rotationsspektrum Rotations-Schwingungsbanden Schwingungs-, Rotations- und elektronische Übergänge Atomspektren, Spektren kleiner und großer Moleküle, ein Vergleich Weiterführende Literatur 58 3 Spektroskopische Optik Einleitung Physikalische Lichtgrößen 62

3 XII Inhaltsverzeichnis 3.3 Physiologische Einheiten von Lichtgrößen Farbensehen des Menschen Lichtquellen.. c Der Schwarze Strahler Glühlampen Gasentladungslampen Laser Synchrotronstrahlung Geometrische Optik, Wellenoptik Brechung und Reflexion Die Fresnel-Formeln Linsen und Spiegel Strahlengänge Lichtleiter Ulbrichtkugel Modulatoren/Doppelbrechung Filter Monochromatoren Dispersions-Prismen Dispersions-Gitter Photodetektoren Photodetektoren mit äußerem Photoeffekt Photodetektoren mit innerem Photoeffekt Photodetektoren mit Thermoeffekt Photochemische Detektoren Küvetten Weiterführende Literatur Absorptionsspektrophotometrie 117,4.1 Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz Ableitung Abweichungen Terminologie Monochromatoren Monochromatoranordnungen Gittertypen Linearisierung der Wellenlänge Typen scannender Absorptionsspektrometer Das Rauschen Photometrischer Fehler Falschlicht Messung trüber Proben Spezifikationen 146

4 Inhaltsverzeichnis XIII 4.3 Absorptionseigenschaften von Molekülen 147 ^4.3.1 Grundtypen elektronischer Übergänge Charge-Transfer-Komplexe Übergangsmetallkomplexe Modifikation von Absorptionsspektren Differenz-Spektrophotometrie Perturbations-Spektrophotometrie Derivativspektroskopie Korrelationen Theorie Glättung Ableitungen Dekonvolution Fourier vs. Korrelation Spektrale Multikomponentenanalyse Zweiwellenlängen Spektrophotometrie Einleitung Methodik Messung von Hämoglobin in-vivo Spektrophotometer für spezielle Anwendungen Stopped-Flow-Spektrophotometrie Rapid-Scan-Spektrophotometrie Atomabsorptionsspektrophotometrie Durchflußspektrophotometrie Der Nahe Infrarotbereich Weiterführende Literatur Lumineszenzspektrophotometrie Einleitung Fluoreszenzmechanismus Ursprung von Fluoreszenz und Phosphoreszenz Potentialdiagramme Vom Potentialdiagramm zum Spektrum Lösungsmitteleffekte Quantenmechanische Grundlagen Fluoreszenz-Quantenausbeute Fluoreszenzmessung Fluorometer Korrektur von Fluoreszenzspektren Linearität des Fluoreszenzsignals Trübe Proben und Tieftemperaturmessung Weitere Fehlerquellen Synchron-Fluoreszenzspektren 210

5 XIV Inhaltsverzeichnis 5.4 Polarisation und Anisotropie Definitionen Energietransfer Depolarisier ung Fluoreszenzlebensdauer Definitionen Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer Bestimmung der Quantenausbeute Fluoreszenzlöschung Die Stern-Volmer-Gleichung Ausgewählte Themen Lanthaniden und Actiniden Proteine Marker, Sonden Chelate Bestimmung von Calcium Totalfluorometrie : Fluoreszenzsensoren Phosphoreszenz Chemolumineszenz Grundlagen Fragmentierung Biolumineszenz Bestimmung von ATP/ATPase Bestimmung von NAD(P)H Bestimmung von Glukose Phagocytose Ultraschwache Lumineszenz, Fluoreszenzmikroskopie Verzögerte Lumineszenz Grundlagen Apparative Erfordernisse Thermolumineszenz Literatur zu Kap Photoakustische Spektroskopie Einleitung Das Grundprinzip der Photoakustischen Spektroskopie Theorie der Photoakustischen Spektroskopie Überblick Photoakustisch detektierte Absorptionsspektren 258

6 Inhaltsverzeichnis XV Sättigungsverhalten Tiefenprofile des #4-Spektrums Bestimmung photophysikalischer Parameter mit der PAS Experimentelle Methodik Blockschaltbild Das Signal-Rausch-Verhältnis Probenkammer und Mikrophon Korrektur eines ZM-Spektrums Photochemisch aktive Proben Modifikation des ß4-Signals Das Frequenzspektrum eines PA-Signals Das Dissipationsspektrum Duale Bestrahlung Weitere Anwendungsbeispiele der PAS Chloroplasten Epidermis Die Augenlinse Spezielle B4S-Techniken Photo akustische Mikroskopie Laser-induzierte PAS Photothermische Radiometrie (PIR) Fouriertransformation-Infrarot Photoakustische Spektroskopie (FTIR-PAS) Resume und Ausblick Literatur zu Kap Streuung, Brechung, Reflexion Einleitung Elastische Streuung Herleitung der Rayleigh-Gleichung Molekulargewichtsbestimmung Streuung durch größere Partikel Fraunhofer-Streuung Streuintensität 7 S und Teilchengröße Dynamische Streuung ?araan-Streuung Regenbögen Reflexionsspektroskopie Theoretische Überlegungen Einige praktische Ergebnisse Literatur zu Kap

7 XVI Inhaltsverzeichnis 8 Spezielle Methoden in der Optischen Spektroskopie Circular-Dichroismus und Optische Rotation Polarisiertes Licht: Eine Verallgemeinerung Optische Rotations-Dispersion (ORD) Der Circular-Dichroismus (CD) Theoretische Grundlagen des Cotton-Effekts e Das CD-Spektrometer Anwendungen Schlußbemerkungen Spektroskopie der Inneren Elektronen Röntgenspektroskopie, ein Überblick Theorie der Röntgenstrahlung Komponenten in der Röntgenspektroskopie Röntgen-Absorptionsspektroskopie Röntgen-Emissionsspektroskopie Elektronen-Emissions-Spektroskopie Photoelektronen-Spektroskopie Auger-Elektronen-Spektroskopie Literatur zu Kap Anhang 363 A Datenverarbeitung 363 A.l Der Personal Computer (PC) in der Optischen Spektroskopie. 363 A.2 Zahlensysteme und Zahlendarstellung 365 A.3 Aufbau eines PC 370 A.4 Hardware-Schnittstellen 372 A.5 AD- und DA-Wandler ; 375 B Schrittmotoren 380 C Naturkonstanten 382 D Periodensystem der Elemente 383 E Hersteller- und Vertriebsadressen (Auswahl) 383 F Literatur zum Anhang 391 Personenregister 393 Sachregister 397