Allgemeine Optische Spektroskopie

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1 Allgemeine Optische Spektroskopie nstrumentelle Analytik Sommersemester 2018 Dr. Oliver Thorn-Seshold Ziel Licht Eigenschaften Spektralbereiche Spektrometer: Quelle, Selektor, Absorption im Probe, Detektor Wechselwirkungen Licht/Verbindungen 2

2 Spektroskopie Spektroskopie: Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung ( Licht ) und Materie Strukturaufklärung dentitätsprüfung Reinheitsprüfung Gehaltsbestimmung Atomspektroskopie Atomemissionsspektroskopie (AES) Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) Molekülspektroskopie UV-Vis-Spektroskopie Fluorimetrie R-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 nterferenz/ 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) ν = Frequenz [s -1 = Hz] ν-angabe üblich nur im > µm Bereich λ = Wellenlänge [Å] bei Röntgen; [nm] bei UV, VS, NR; [µm] bei R;... c = ν.λ ν ~ 1 _ = Wellenzahl = λ [cm -1 ] A = Amplitude = ntensität ~ A 2 7 Energieinhalt elektromagnetischer Strahlung Anzahl der Maxima pro Zeiteinheit: ν [s -1 = Hz] Teilchennatur des Lichts (Welle-Teilchen-Dualismus) Lichtquanten bzw. Photonen Planck sche Gleichung: E = hν = hc/λ [J] Ausbreitungsgeschwindigkeit c ~ Materie Energie aber konstant => Energie eines Photons oft durch λ i. Vak. ( Luft ) gegeben h = J.s (Planck sches Wirkungsquantum) Strahlungsenergie kj.mol -1 N A = UV R 8

5 Energie elektromagnetischer Wellen Elektronenvolt [ev] Frequenz υ [Hz] Wellenlänge λ [m] Wellenzahl υ [cm -1 ]... sind als Energieeinheiten oder als energie-proportionale Einheiten äquivalent und lassen sich ineinander umrechnen. - E= h. υ c= λ. υ υ= 1/λ - Energie [kj.mol-1] Kernresonanz NMR Molekül- Rotationen Molekül- Elektronen- Schwingungen Anregung R UV-Vis onisierung 9 Energie elektromagnetischer Wellen NMR R UV-Vis Kernresonanz Molekül- Rotationen Molekül- Elektronen- Schwingungen Anregung onisierung 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], R - s. entsprechende Teil Glut (Kerz, Gluhbirne): R, NR, Vis, nuv Electroluminescenz (LED): NR, Vis, nuv Gasentladung (Xe, Na, D 2 ): NR, Vis, tief UV!AAS D 2 Lampe nm Xe Lampe! nm W Gluhbirne nm SELEKTOR 12

7 Eigenschaften der Strahlung 1: nterferenz Licht ausbreitet sich geradeaus bis Brechung oder nterferenz Konstruktive und destruktive nterferenz 13 Eigenschaften der Strahlung 1: nterferenz Schwebung bei unterschiedlichen Wellenlängendifferenzen 14

8 Eigenschaften der Strahlung 1: nterferenz UV-Vis >> Gitter Aufspaltung von weißem Licht nach Wellenlängen: nterferenz im Gitter (vgl. Röntgen Diffraktion im Kristall) Empfehlung: zu Hause nachlesen (Bonus: nterferometer) Transmissionsgitter Reflektionsgitter Strukturelle Farbe : Vogelfädern; CD-farben; Dünnschicht-farben [Öl auf Wasser];. 15 Eigenschaften der Strahlung 1: nterferenz UV-Vis >> Gitter Gitter: Auftrennung groß im VS / NR Lineare Wellenlängenskala Wechsel von Gittern für unterschiedliche λ-bereiche ~Billig und einfach herzustellen im VS/NR m Prinzip kein Lichtverlust durch Absorption aber (0 ) 1, 2, Reflektion 16

9 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. ntensität des Lichtbandes, das den Monochromator verlässt Anpassende Bandbreite ganz wichtig bei genaue Messung 17 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 λ c 1 c 2 dichteres Medium 2 b n (UV) > n (VS) > n (R)!nicht linear 18

10 Eigenschaften der Strahlung 2: Brechung UV-Vis >> Prisma n (UV) > n (VS/NR) : Auftrennung im UV am großten kein 1, 2 >> groß Bereich von ein Prisma abgedeckt Strahlung geht durch das Prisma >> Absorption möglich Glas: nur für > 300 nm ; Quartz: > 200 nm Große gute Prismen sind relativ teuer 19 Wellenlängeselektoren Kontinuierliche Selektoren: UV-Vis: Prismen & Gittern, je nachdem welche λ-bereich Diskontinuierliche Selektoren: Absorptionsfilter (z.b. Farbeglas) nterferenzfilter (v.a. in Mikroskopie) 20

11 3. PROBE & ABSORPTON 21 Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung Energie {! h.ν ΔE Absorption Absorptions- Spektroskopie Atomabsorptionsspektroskopie (AAS), UV-Vis; R; NMR angeregter Zustand M* M Grundzustand s Fluoreszenz Phosphoreszenz oder Wärme Emissions- Spektroskopie Atomemissionsspektroskopie (AES) Fluorimetrie h.ν Die gesamte Energie eines Photons wird auf ein Atom/Molekül übertragen. Übertragung von Teilbeträgen der Energie findet nie statt. h. c ΔE = h. ν = = h. c. ν ~ λ o durchkommende Lichtintensität reduziert durch Absorption 22

12 Absorption und Emission - Lichtquelle Monochrom 1 Küvette Detektor λ Absorptionsspektroskopie Monochrom 2 (90, minimales Streulicht) Detektor häufig PM Emissions spektroskopie 23 Wechselwirkungen Licht/Verbindungen Verbindungen/Atome absorbieren Energie in diverse Weise γ-strahlung E onisation π* π +. UV-Vis- Strahlung Elektronenanregung σ-elektronen π-elektronen nichtbindende Elektronenpaare π* π R-Strahlung Anregung von Molekülschwingungen Mikrowellen Anregung von Molekülrotationen 24

13 Absorption / das Lambert-Beersche Gesetz: A λ =ε λ *c*d A λ =ε λ *c*d c = Konzentration [mol/l] = [M] d = Schichtdicke der Küvette [cm]: z.b. 1 ε λ = molarer Extinktionskoeffizient bei λ siehe Ableitung (Bonusfolien) ε: stoffspezifische Proportionalitätskonstante, abhängig von λ ; Einheit [M -1 cm -1 ] Bestimmung: ε λ = A λ /(c*d) A kann zur Berechnung der Konzentration c herangezogen werden c = A λ /(ε λ *d) A 1% = spezifische Absorption: Absorptionswert einer 1%igen Lösung in einer Standardküvette von 1cm Absorption und Transmission T = P / P 0 A = -log(t) = -log (P/P 0 ) d 25 Absorption / das Lambert-Beersche Gesetz: A λ =ε λ *c*d Transmission c Transmission T = = e -kcd o 2c c Konzentration 4c 5c Absorption 2 1,5 1 0,5 0 Absorption A = -log 10 T = -log 10 = log o 10 o = ε. c. d c 2c 3c Konzentration 4c 5c Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes: Nur Absorption (kein Fluoreszenz oder Phosphoreszenz der Probe) monochromatische Strahlung (da ε ist von λ abhängig) 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 26

14 ! Achtung Probekuvetten bzw. Lösungsmitteln soll transparent sein Lösungsmittel Durchlässigkeitsgrenze Wasser 200 nm n-hexan, Cyclohexan 200 nm MeOH, EtOH, 2-Propanol 210 nm Dichlormethan 240 nm Toluol 290 nm Küvetten Durchlässigkeitsgrenze Quarz nm Silikatglas nm 27 Absorption Excellente Chromophore: Fluorescein: ε 500 = M -1 cm -1 Cy3: ε 564 = M -1 cm -1 Weltrekord ca M -1 cm -1 28

15 Spektren: Representation ntensität A oder ε Bandenspektrum λ nm Energie Wellenlänge λ Frequenz ν ~ Wellenzahl ν ntensität Linienspektrum λ angeregter Zustand M* nm M Grundzustand DETEKTOR 30

16 Detektoren Unterschiedliche, je nachdem welche λ-bereich. z.b. Photozelle Photomultiplier Photodiode ( nm) Details: s. relevante Methoden 31 Auge als Detektor 32

17 Auge als Detektor: Komplementarfarben Warum sind Blätter grün? Absorptionsspektrum von Chlorophyll orange blau Farbkreis 33 Auge als Detektor: Komplementarfarben Warum ist Rotwein rot? R 1 R 2 HO OH O + OH R Anthocyanidine 3 Absorption Wellenlänge [nm] orange blau Farbkreis 34

18 5. ZUSAMMENBAU 35 Einstrahl vs Zweistrahl Spektroskop 1 2 Einstrahl: Hintergrundmessung im selben Strahl wird zu anderer Zeit aufgenommen & subtrahiert Zweistrahl: ntensitätsschwankungen der Lampe werden durch die Referenzmessung berücksichtigt 36

19 BONUSFOLEN 37 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. nduzierte 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. 38

20 Bonus : Ableitung Lambert-Beer, 1 o Bouguer-Lambert sches Gesetz Beer sches Gesetz Transmission % % % 25% 12.5% 6.25% 3.125% o Schichtdicke T = = e -k d o Transmission % % o T = = e -kcd o c 50% 1 100% 2c o 25% 2 100% o Konzentration A = -log(t) = -log (/ 0 ) è A = kcd è A = εcd 3c T = = e -k c o 12.5% 3 100% o 4c 6.25% 4 5c 39 Bonus : Ableitung Lambert-Beer, 2 dx d -d ~. c. dx -d = k.. c. dx - d d o ln log o log o o = k. c. dx d 0 = -k. c. dx = -k. c. d = k. c. d = - ε. c. d = A = ε. c. d 40

21 Photometrische Bestimmung zweier Komponenten nebeneinander Absorption im Gemisch der Stoffe 1 und 2 : A gesamt λ1 =ε1 λ1 *c1 *d + ε 2 λ1 *c2 *d bei Wellenlänge λ1 A gesamt λ2 =ε1 λ2 *c1 *d + ε 2 λ2 *c2 *d bei Wellenlänge λ2 Zwei Messwerte (A λ1,a λ2 ) Zwei Gleichungen, -> zwei Unbekannte (c 1, c 2 ) können ermittelt werden 41 Bandenspektren β-carotin 42

22 Bandenspektren Schwingungsniveaus (ν) Rotationsniveaus () A β-carotin λ nm Jablonski-Termschema 43