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
Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Optische Spektroskopie 1 1..1 Überblick 1 1.2 Geschichte der Optischen Spektroskopie 5 2 Grundlagen 11 2.1 Die Natur des Lichts 11 2.2 Das Elektromagnetische Spektrum 14 2.3 Wechselwirkung von Licht mit Materie 18 2.3.1 Das Wasserstoffatom: Grundlagen Optischer Spektroskopie.. 19 2.3.2 Atome mit mehreren Elektronen 27 2.3.2.1 Schalen und Perioden 27 2.3.2.2 Vektormodell, Regeln von Pauli und Hund 31 2.3.2.3 Das Heliumatom 34 2.3.3 Einfache Moleküle und ihr Spektralverhalten 37 2.3.3.1 Chemische Bindung 37 2.3.3.2 Elektronensprung-Spektren zweiatomiger Moleküle 38 2.3.3.3 Molekülschwingungen 44 2.3.3.4 Übergangsmomente 50 2.3.3.5 Das Rotationsspektrum 51 2.3.3.6 Rotations-Schwingungsbanden 53 2.3.3.7 Schwingungs-, Rotations- und elektronische Übergänge.... 54 2.3.3.8 Atomspektren, Spektren kleiner und großer Moleküle, ein Vergleich 55 2.4 Weiterführende Literatur 58 3 Spektroskopische Optik 61 3.1 Einleitung 61 3.2 Physikalische Lichtgrößen 62
XII Inhaltsverzeichnis 3.3 Physiologische Einheiten von Lichtgrößen.. -. 66 3.4 Farbensehen des Menschen 67 3.5 Lichtquellen.. c 69 3.5.1 Der Schwarze Strahler 70 3.5.2 Glühlampen 72 3.5.3 Gasentladungslampen 73 3.5.4 Laser 75 3.5.5 Synchrotronstrahlung 79 3.6 Geometrische Optik, Wellenoptik 80 3.6.1 Brechung und Reflexion 80 3.6.2 Die Fresnel-Formeln 81 3.6.3 Linsen und Spiegel 84 3.6.4 Strahlengänge 87 3.6.5 Lichtleiter 88 3.6.6 Ulbrichtkugel 91 3.6.7 Modulatoren/Doppelbrechung 93 3.7 Filter 95 3.8 Monochromatoren 99 3.8.1 Dispersions-Prismen 99 3.8.2 Dispersions-Gitter 101 3.9 Photodetektoren 107 3.9.1 Photodetektoren mit äußerem Photoeffekt 107 3.9.2 Photodetektoren mit innerem Photoeffekt 110 3.9.3 Photodetektoren mit Thermoeffekt 111 3.9.4 Photochemische Detektoren 112 3.10 Küvetten 113 3.11 Weiterführende Literatur 114 4 Absorptionsspektrophotometrie 117,4.1 Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz 117 4.1.1 Ableitung 117 4.1.2 Abweichungen 121 4.1.3 Terminologie 124 4.2 Monochromatoren 125 4.2.1 Monochromatoranordnungen 125 4.2.2 Gittertypen 130 4.2.3 Linearisierung der Wellenlänge 131 4.2.4 Typen scannender Absorptionsspektrometer 134 4.2.5 Das Rauschen 137 4.2.6 Photometrischer Fehler 139 4.2.7 Falschlicht 141 4.2.8 Messung trüber Proben 142 4.2.9 Spezifikationen 146
Inhaltsverzeichnis XIII 4.3 Absorptionseigenschaften von Molekülen 147 ^4.3.1 Grundtypen elektronischer Übergänge 147 4.3.2 Charge-Transfer-Komplexe 150 4.3.3 Übergangsmetallkomplexe 151 4.4 Modifikation von Absorptionsspektren 158 4.4.1 Differenz-Spektrophotometrie 158 4.4.2 Perturbations-Spektrophotometrie 159 4.4.3 Derivativspektroskopie 163 4.4.4 Korrelationen 167 4.4.4.1 Theorie 167 4.4.4.2 Glättung 168 4.4.4.3 Ableitungen 168 4.4.4.4 Dekonvolution 170 4.4.4.5 Fourier vs. Korrelation 171 4.4.5 Spektrale Multikomponentenanalyse 173 4.5 Zweiwellenlängen Spektrophotometrie 174 4.5.1 Einleitung 174 4.5.2 Methodik 175 4.5.3 Messung von Hämoglobin in-vivo 177 4.6 Spektrophotometer für spezielle Anwendungen 178 4.6.1 Stopped-Flow-Spektrophotometrie 179 4.6.2 Rapid-Scan-Spektrophotometrie 180 4.6.3 Atomabsorptionsspektrophotometrie 181 4.6.4 Durchflußspektrophotometrie 183 4.6.5 Der Nahe Infrarotbereich 184 4.7 Weiterführende Literatur 185 5 Lumineszenzspektrophotometrie 187 5.1 Einleitung 187 5.2 Fluoreszenzmechanismus 189 5.2.1 Ursprung von Fluoreszenz und Phosphoreszenz 189 5.2.2 Potentialdiagramme 190 5.2.3 Vom Potentialdiagramm zum Spektrum 192 5.2.4 Lösungsmitteleffekte 194 5.2.5 Quantenmechanische Grundlagen 197 5.2.6 Fluoreszenz-Quantenausbeute 200 5.3 Fluoreszenzmessung 200 5.3.1 Fluorometer 200 5.3.2 Korrektur von Fluoreszenzspektren 203 5.3.3 Linearität des Fluoreszenzsignals 205 5.3.4 Trübe Proben und Tieftemperaturmessung 207 5.3.5 Weitere Fehlerquellen 209 5.3.6 Synchron-Fluoreszenzspektren 210
XIV Inhaltsverzeichnis 5.4 Polarisation und Anisotropie 211 5.4.1 Definitionen 211 5.4.2 Energietransfer 215 5.4.3 Depolarisier ung 215 5.5 Fluoreszenzlebensdauer 222 5.5.1 Definitionen 222 5.5.2 Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer.... 223 5.5.3 Bestimmung der Quantenausbeute 228 5.5.4 Fluoreszenzlöschung 228 5.5.5 Die Stern-Volmer-Gleichung 230 5.6 Ausgewählte Themen 231 5.6.1 Lanthaniden und Actiniden 231 5.6.2 Proteine 231 5.6.3 Marker, Sonden 232 5.6.4 Chelate 233 5.6.5 Bestimmung von Calcium 233 5.6.6 Totalfluorometrie :.. 234 5.6.7 Fluoreszenzsensoren 235 5.7 Phosphoreszenz 238 5.8 Chemolumineszenz 239 5.8.1 Grundlagen 239 5.8.2 Fragmentierung 240 5.8.3 Biolumineszenz 240 5.8.3.1 Bestimmung von ATP/ATPase 240 5.8.3.2 Bestimmung von NAD(P)H 241 5.8.3.3 Bestimmung von Glukose 241 5.8.3.4 Phagocytose 241 5.8.3.5 Ultraschwache Lumineszenz, 242 5.9 Fluoreszenzmikroskopie 242 5.10 Verzögerte Lumineszenz 244 5.10.1 Grundlagen 244 5.10.2 Apparative Erfordernisse 246 5.10.3 Thermolumineszenz 247 5.11 Literatur zu Kap. 5 248 6 Photoakustische Spektroskopie 251 6.1 Einleitung 251 6.2 Das Grundprinzip der Photoakustischen Spektroskopie.... 252 6.3 Theorie der Photoakustischen Spektroskopie 254 6.3.1 Überblick 254 6.3.2 Photoakustisch detektierte Absorptionsspektren 258
Inhaltsverzeichnis XV 6.3.3 Sättigungsverhalten 259 6.3.4 Tiefenprofile des #4-Spektrums 260 6.3.5 Bestimmung photophysikalischer Parameter mit der PAS... 263 6.4 Experimentelle Methodik 264 6.4.1 Blockschaltbild 264 6.4.2 Das Signal-Rausch-Verhältnis 265 6.4.3 Probenkammer und Mikrophon 265 6.4.4 Korrektur eines ZM-Spektrums 267 6.5 Photochemisch aktive Proben 268 6.5.1 Modifikation des ß4-Signals 268 6.5.2 Das Frequenzspektrum eines PA-Signals 269 6.5.3 Das Dissipationsspektrum 271 6.5.4 Duale Bestrahlung 272 6.6 Weitere Anwendungsbeispiele der PAS 273 6.6.1 Chloroplasten 273 6.6.2 Epidermis 274 6.6.3 Die Augenlinse 277 6.7 Spezielle B4S-Techniken 278 6.7.1 Photo akustische Mikroskopie 278 6.7.2 Laser-induzierte PAS 278 6.7.3 Photothermische Radiometrie (PIR) 279 6.7.4 Fouriertransformation-Infrarot Photoakustische Spektroskopie (FTIR-PAS) 280 6.8 Resume und Ausblick 280 6.9 Literatur zu Kap. 6 282 7 Streuung, Brechung, Reflexion 285 7.1 Einleitung 285 7.2 Elastische Streuung 288 7.2.1 Herleitung der Rayleigh-Gleichung 288 7.2.2 Molekulargewichtsbestimmung 291 7.2.3 Streuung durch größere Partikel 295 7.2.4 Fraunhofer-Streuung 300 7.2.5 Streuintensität 7 S und Teilchengröße 302 7.2.6 Dynamische Streuung 305 7.3 7?araan-Streuung 309 7.4 Regenbögen 313 7.5 Reflexionsspektroskopie 316 7.5.1 Theoretische Überlegungen 316 7.5.2 Einige praktische Ergebnisse 319 7.6 Literatur zu Kap. 7 323
XVI Inhaltsverzeichnis 8 Spezielle Methoden in der Optischen Spektroskopie 325 8.1 Circular-Dichroismus und Optische Rotation 325 8.1.1 Polarisiertes Licht: Eine Verallgemeinerung 326 8.1.2 Optische Rotations-Dispersion (ORD) 329 8.1.3 Der Circular-Dichroismus (CD) 331 8.1.4 Theoretische Grundlagen des Cotton-Effekts e 338 8.1.5 Das CD-Spektrometer.341 8.1.6 Anwendungen 342 8.1.7 Schlußbemerkungen 344 8.2 Spektroskopie der Inneren Elektronen 344 8.2.1 Röntgenspektroskopie, ein Überblick 344 8.2.1.1 Theorie der Röntgenstrahlung. 346 8.2.1.2 Komponenten in der Röntgenspektroskopie 348 8.2.1.3 Röntgen-Absorptionsspektroskopie 352 8.2.1.4 Röntgen-Emissionsspektroskopie 353 8.2.2 Elektronen-Emissions-Spektroskopie 355 8.2.2.1 Photoelektronen-Spektroskopie 355 8.2.2.2 Auger-Elektronen-Spektroskopie 358 8.3 Literatur zu Kap. 8 361 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