2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie

Grundlagen der InstrumentellenAnalytikVorlesungszyklus über 2 SWSim WS 2011/12Prof. Dr. Norbert Schön

InhaltsverzeichnisLiteraturverzeichnisI Spektroskopie Folie1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.1 Allgemeines1.2 Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung1.3 Das Spektrum1.4 Quantitative Spektroskopie2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische Einführung2.2 Messanordnung und Geräte für die UV/Vis-Spektroskopie2.3 Probenvorbereitung und Aufnahme von Spektren2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen2.4.1 Isolierte Chromophore2.4.2 Ausgedehnte Chromophore2.4.3 Farbstoffe2.5 Quantitative UV/Vis-Spektroskopie3. Grundlagen der Molekülfluoreszenz-Spektroskopie3.1 Theoretische Grundlagen3.2 Messung von Fluoreszenzspektren3.3. Anwendung von FluoreszenzspektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 2

Inhaltsverzeichnis4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.1 Allgemeines4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: Resonanzbedingung4.2.2 Auswahlregel für Schwingungsanregungen mit IR-Strahlung4.2.3 Schwingungen in komplexeren Molekülen4.2.4 Rotationsschwingungsspektren4.3 Messanordnung und Geräte für die IR-Spektroskopie4.3.1 Dispersive Geräte4.3.2 Fourier-Transform-Geräte4,4 Darstellung von IR-Spektren4.5 Probenvorbereitung und Aufnahme von Spektren4.6 Qualitative Spektreninterpretation4.7 Quantitative IR-Spektroskopie4.8 Besondere IR-Techniken4.8.1 Messung unter Reflektion (ATR-Technik)4.8.2 Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR)5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.1 Grundprinzipien der MS5.2 Allgemeiner Aufbau und Messanordnungen5.3 Analyse von einheitlichen Substanzen5.4 Analyse von Substanzmischungen: Kopplung Chromatographie/MassenspektrometrieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 3

Inhaltsverzeichnis6. Grundlagen der Chromatographie6.1 Theoretische Grundlagen6.1.1 Allgemeines Prinzip6.1.2 Trennprinzipien6.1.3 Physikalisch-chemische Kenngrößen6.1.4 Optimierung der Leistungsfähigkeit6.2 Dünnschichtchromatographie (DC; TLC)6.3 Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)6.4 Gaschromatographie (GC)6.5 Kapillarelektrophorese7. Durchführung eines Analysenverfahrens und statistische Auswertung der gewonnenenanalytischen Daten7. Probenahme und Probenvorbereitung7.2. Quantifizierung (Kalibrierung)7.3 Validierung von analytischen DatenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 4

LiteraturverzeichnisAllgemeine Lehrbücher zur Instrumentellen Analytik:D.A. Skoog und J.J. Leary, Instrumentelle Analytik, 1.Aufl., Springerverlag, Berlin,Heidelberg, New York 1996; ISBN 3-540-60450-2; € 59.95Matthias Otto, Analytische Chemie, 4. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim 2006; ISBN: 978-3-527-32881-9; € 55.-Allgemeine Lehrbücher zur Spektroskopie:M.Hesse, H.Meier und B.Zeeh, Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, 7.Aufl., Thieme Verlag Stuttgart 2005, ISBN 3-13-576107-1 [FH-Bibl. Nr. O IV 483b]; € 69.958.Aufl. ab Nov. 2011 € 79.99.Chromatographie:G.Schwedt und C. Vogt, Analytische Trennmethoden, 1.Aufl., Wiley-VCH, Weinheim, 2010;ISBN: 978-3-527-32494-1; 39.90 €J. Böcker, Chromatographie, 1. Aufl., Vogel Verlag, Würzburg 1997, ISBN 3-8023-1582-0; €42.80IR-Spektroskopie:H.Günzler und H.Gremlich, IR-Spektroskopie, Wiley-VCH, Weinheim 2003,ISBN: 978-3-527-30801-9; 59.90 €UV/Vis- und Fluoreszenz-Spektroskopie:N. Schön, Skript zu den Versuchen UV/Vis- und FluoreszenzspektroskopieIR-Spektroskopie:N. Schön, Skript zum Versuch IR-SpektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 5

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.1 AllgemeinesAnalytische ChemieInstrumentelleAnalytikKlassischenasschemischeMethodenSpektroskopischeMethodenChromatographischeTrenntechnikenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 6

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.1 AllgemeinesDefinition des Begriffs „Spektroskopie“Spektroskopie = Wissenschaft von der Wechselwirkung von Materiemit (elektromagnetischer) StrahlungDie dabei auftretenden Wechselwirkungenkönnen verschiedenster Art sein:- Absorption von Strahlung (I A )- Reflektion und Streuung von Strahlung (I R, I S)- Beugung von Strahlung- Drehung der Ebene von polarisierter Strahlung- (Emission (Aussendung) von Strahlung (I E ))u.a.aber:Bei der Massenspektroskopie ist keine elektromagnetischeStrahlung beteiligt, sondern Strahlengeladener TeilchenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 7

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.1 AllgemeinesWechselwirkung von Materie mit elektromagnetischerStrahlungangeregter ZustandEnergieAbsorptionΔE = hνEmissionE = hνE = hνI AGrundzustandI 0I E- Die Energiezustände von Materie sind quantisiert:⇒ diskontinuierliches Energiespektrum- Die Energieportion zur Anregung eines Atoms oder Moleküls wird durch einQuant der elektromagnetischen Strahlung = Photon aufgebrachtProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 8

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.2 Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung:WelleneigenschaftenSkoog-Learyλ [m] = WellenlängeP [s] = Schwingungsperiodeν [s -1 ] = Frequenz (ν sprich nü)v i= λ i⋅ν[m⋅s -1 ] = Ausbreitungsgeschwindigkeitv iim Vakuum = c (Lichtgeschwindigkeit = 3⋅10 8 m⋅s -1 )λ, ν (bzw.P) und ν ihängen voneinander ab: v ioder c = λ i · νA = Amplitude = Stärke des elektrischen Feldvektors im Maximum der WelleI = Intensität ∼ A 2Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 9

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.2 Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung:bei der Wechselwirkung mit MaterieEnergie eines Photons: SpektralgrößenEnergie Photon= h ⋅ν = h ⋅ c / λmit c = λ⋅ν und ν = ω / 2π(λ = Wellenlänge, ν = Frequenz, ω = Kreisfrequenz;c = Lichtgeschwindigkeit i. Vakuum = 3⋅10 5 km⋅s -1 = 3⋅10 8 m⋅s -1 = 3⋅10 10 cm⋅s -1h = Plank’sches Wirkungsquantum = 6,63⋅10 -34 J⋅sFrequenz: ν = E / h [s -1 ] oder [Hz]energieproportional(z.B. NMR-Spektroskopie)Wellenlänge: λ = h ⋅ c / E [nm] oder [μm] umgekehrt energieproportional(UV/Vis-Spektroskopie)Wellenzahl: ~ ν (Nü-Schlange) = 1 / λ = E / h⋅c [cm -1 ] energieproportional(IR-Spektroskopie) 1 cm -1 = 1 Kaiser = 1K 1000 cm -1 = 1 kKauf molare Mengen bezogene Energieeinheiten:auf 1 Mol Lichtquanten (= 1 Einstein) bezogene EnergienE [kJ⋅mol -1 ] = L ⋅ h ⋅ c ⋅ 1/λ = 1,19⋅10 5 ⋅ 1/λ (mit λ in nm)E [kJ⋅mol -1 ] = L ⋅ h ⋅ c ⋅ 1/λ = 1,19⋅10 -2 ⋅ 1/λ (mit 1/λ = v in cm -1 )(L = Loschmidt’sche Zahl = 6,022⋅10 23 Teilchen/mol)Strahlung mit 1/λ = 1000 cm -1 = 12 KJ/Einstein96,5 KJ/Einstein = 8066 cm -1 = 1eV/EinsteinProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 10

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.2 Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung:Elektromagnetisches SpektrumAbb.2: SpektralbereicheWellenlängeλ10 nm50 nm750 nm 1 μm10 20 μm100μm1 mm10 mm 100 mm1 mFrequenzHz 6 10 15 4 10 14 1,5 10 13 3 10 11 3 10 9·Wellenzahlν [cm -1 ]10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1EnergieΔE [kJ mol -1 ]> 2400 2400 -300300-160160 - 6 6 - 0,1 0,1 - 10 -3 < 10 -310 -2Art der Strahlung:RöntgenstrahlungUV VISnahes Infrarotfernes InfrarotMikrowellenRadiowellenAnregungsartElektronenanregungenaus inneren SchalenAnregungvon ValenzelektronenMolekülschwingungenAnregung vonRotationenAnregung vonRotationenAnregung vonKernspinzuständenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 11

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.2 Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung:Anregungsmöglichkeiten von MolekülenKernanregunge - -AnregungH••C••C••H••HRotationH••••H••HSchwingungTranslationProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 12

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.3 Das SpektrumIntensitätAbsorption I 0 - I/I 0Transmission I/I 0ExtinktionEnergieFrequenz νWellenzahl 1/λWellenlänge λProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 13

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.4 Quantitative SpektroskopieI 0dxdII absII 0= Intensität des eingestrahlten LichtsI = I 0-I abs = Intensität des austretenden LichtsI abs = I 0- I = Intensität des absorbierten LichtsdDefinitionen:Transmission oder Durchlässigkeit:T oder D = I / I 0 ⋅100 [%]Absorption:A = I abs/I 0= (I 0-I) / I 0⋅ 100 [%]A oder T sind beide nicht proportional zur Schichtdicke d oder zur Konzentration c,jedoch die Extinktion E = log 10I 0/ I.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 14

1. Allgemeine Prinzipien der Spektroskopie1.4 Das Lambert-Beer‘sche GesetzLambert-Beer’sches Gesetz:E λ= log 10 I 0 / I = ε λ ⋅ c ⋅ dmitE λ = Extinktion, optische Dichte (OD) oder englisch Absorbance (ABS)ε λ = molarer Extinktionskoeffizient [1000 cm 2 ⋅ mol -1 ] oder [L ⋅ mol -1 ⋅cm -1 ]c = Konzentration [mol ⋅ L -1 ]; d = Schichtdicke [cm]Abweichungen von der Linearität des Lambert-Beer’schen Gesetzestritt in folgenden Fällen auf:• hohe Analytenkonzentration (> 0,01 Mol ⋅ L -1 ) ⇒ intermolekulare WW (ε wird konzentrationsabhängig!)• konzentrationsabhängige Reaktionen des Analyten, wie Dissoziation, Reaktion mit dem Lösungsmitteletc.• Abweichungen aufgrund polyfrequenter Strahlung(Lambert-Beer-Gesetz gilt streng nur für monochromatische Strahlung)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 15

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungSpektralbereich Wellenlänge Wellenzahl Energie hνλ [nm] = 1/λ [cm -1 ] E [kJ/mol] [kcal/mol]Gesamtbereich 100 - 1000 10 5 -10 4 1200 - 120 285 - 28,5100 - 10 kKfernes UV 100 - 200 10 5 - 5·10 4 1200-600 285 - 145(Vakuum-UV)(N 2-UV) 175 - 200 6·10 4 -5 ·10 4 680 - 600 163 - 145nahes UV 200 - 400 5·104 - 2,5·104 600 - 300 145 - 7250 -25 kK(UVA 315 - 400UVB 280 - 315 (physiologische Wirkung auf den Menschen)UVC) 200 - 280VIS 400 - 750 25·10 3 –13,3⋅10 3 300 - 160 72 - 38(sichtbarer Ber.)25 - 12,5 kKProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 16

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische Einführungψ 2 * elektronisch angeregterZustand (LUMO)UV/Vis-AbsorptionEmissionFluoreszenzΔE =E(Ψ 2 *) - E(Ψ 1 )= hνE = hνψ 1 elektronischer Grundzustand (HOMO)Die benötigten Anregungsenergien sind charakteristisch für spezielle Bindungenoder Bindungssysteme⇒ValenzelektronenspektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 17

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungCharakteristika von UV/Vis-SpektrenOriginalspektrum (links) und normiertes Katalogspektrum (rechts)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 18

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungKlassifizierung von ElektronenübergängenWie man erkennt, sind nicht alle denkbaren Übergänge anregbar, beispielsweiseσ → π* oder π → σ*- Übergänge ⇒ siehe Kap. Intensitäten von UV/Vis-BandenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 19

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungIntensität von UV/Vis-BandenDie Intensitäten (ε-Werte) von UV/Vis-Banden, die aus verschiedenen Elektronenanregungen(z.B. π →π∗ und n →π*) resultieren können sich sehr stark um Faktoren biszu 10 6 unterscheiden.Die Größe von ε hängt dabei nachε = 8,7·10 19 · A · Pvon der Fläche des Chromophors A und einer quantenmechanischen ÜbergangswahrscheinlichkeitP (Werte von 0-1) ab.ε-Wert Klassifizierung Beispieledes Übergangs< 10 verboten n→π*10 - 10 3 schwach erlaubt n→π*, verbotene Aromatenabsorption10 3 -10 5 erlaubt π→π* in Polyenen und Aromaten> 10 5 stark erlaubt π→π* in sehr ausgedehnten Chromophoren (A sehr groß)z.B. in bestimmten FarbstoffklassenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 20

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungAuswahlregeln für die Übergangswahrscheinlichkeiten PDie quantenmechanische Übergangswahrscheinlichkeit P wird im wesentlichen durch dreiAuswahlregeln bestimmt.1) Spinverbot (gilt streng):Der Gesamtelektronenspin S eines Moleküls darf sich beim Elektronenübergang nicht ändern, d.h.es kann keine Spinumkehr bei der Anregung stattfinden.2) Überlappungsverbot:Übergänge zwischen Orbitalen des Grundzustands und des angeregtenZustands die sich nicht oder nur wenig räumlich überlappen sind verbotenbzw. nur wenig erlaubt.Beispiel:3) Symmetrieverbot: (wichtigster Fall)n→π*-Übergang bei Carbonylverbindungen; die n-Elektronen-Orbitale stehen senkrecht zu den π*-Orbitalen und überlappennur wenig mit diesen; analog σ→π*-ÜbergängeElektronenübergänge zwischen Orbitalen gleicher Parität (entspricht Symmetrieoperation derInversion i) bei zentrosymmetrischen Molekülen sind verboten.Beispiel: verbotener Aromatenübergang (siehe Kap. 2.4).Das Spinverbot wird bei Absorptionsvorgängen, die sehr schnell ablaufen, streng beachtet.In den Fällen 2) und 3) sind die ε-Werte der Übergänge gering. Dies kann z.B. als Kriteriumfür die Erkennung von z.B. n→π*-Übergängen verwendet werden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 21

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungBandenverbreiterung und FeinstrukturDie hohe Breite einer UV/Vis-Bande von ca. 10 2 nm kommtdadurch zustande, dass die Elektronenanregungen inverschiedene Schwingungs- und Rotationsunterniveaus desangeregten Elektronenzustands erfolgt.Aufgrund des Frank-Condon-Prinzips (= Elektronenanregungenviel schneller als Schwingungen) sind nicht alle Anregungengleich wahrscheinlich. es entstehen Banden mit ausgeprägtenMaxima.Die Schwingungsfeinstruktur ist besonders bei starren, wenigbeweglichen Molekülen sichtbarHesse, Meier,ZehProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 22

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.1 Theoretische EinführungBandenverbreiterung und FeinstrukturHesse, Meier, ZehProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 23

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GeräteAllgemeine Komponenten für die MolekülspektroskopieSkoog-Leary• Strahlungsquelle: liefert elektromagnetische Strahlung über den gewünschtenMessbereich• strahlungsdurchlässiger Behälter: enthält die Analysenprobe• Wellenlängenselektor: wählt einen begrenzten Spektralbereich für die Messung aus• Detektor: fängt die Strahlungsintensität auf und wandelt sie in elektrische Signale um• Signalprozessor und Ausgabegerät: erzeugt das SpektrumDie Einzelkomponenten können z.T. auch anders angeordnet sein.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 24

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GeräteSkoog-LearyBeispiel für FilterphotometerWellenlängenselektoren: auswechselbare FilterEinstrahlgeräte: Analysenprobe (I) und Vergleichsküvette (I 0) werden nacheinandergemessenEinpunktsmessungen bei einer festgelegten Wellenlänge λ zur Konzentrationsbestimmung(anorganische, organische, biochemische, biologische, klinisch-chemische Analytik)Detektoren in der FlüssigkeitschromatographieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 25

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GeräteBeispiel für EinstrahlspektralphotometerSkoog-LearySpektralphotometers: ermöglicht kontinuierliche Messung eines ganzen SpektrumsMessbereich: ca. 190 – 1000 nm (dispersive Geräte)Einstrahlgeräte: Analysenprobe (I) und Vergleichsküvette (I 0) werden nacheinandergemessenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 26

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GeräteBeispiel für ZweistrahlspektralphotometerSkoog-LearyZweistrahlspektralphotometer ermöglichen die zeitnahe Messung von Referenz- (I0) undAnalysenprobe (I)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 27

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GeräteGerätekomponenten:Strahlungsquellen:Linienstrahler für den Einsatz in Photometern;Kontinuumsstrahler für SpektralphotometerJ. BökerLinienstrahler:Quecksilberhochdrucklampe (links);Kontinuumsstrahler: DeuteriumundHalogenlampe (rechts oben)und Xenonlampe (recht unten)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 28

Gerätekomponenten:2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GeräteWellenlängenselektoren: durchstimmbare Monochromatoren mit Prisma oder Gitter als dispersiveElemente, die das polychromatische Licht in monochromatisches aufspaltet.Auflösungsvermögen R = λ / Δλ wird durch die Qualität des Prismas oder Gitter und der Breite desAustrittspalts Δs bestimmt. R ~ 1/Δs.Kleine Δs bedingen geringe Messintensitäten I und I 0(geringe Nachweisempfindlichkeit).Optischer Zerhacker ermöglicht räumliche und zeitliche Auftrennung des StrahlDetektoren meist PhotomultiplierComputer dient zur Aufzeichnung und Bearbeitung von SpektrenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 29

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.2 Messanordnung und GerätePhotodiodenarray-Spektrometer:ermöglicht die schnelle Simultanmessung eines ganzen Spektrumsdurch Verwendung eines Multikanaldetektors = PhotodiodenarraySkoog-LearyEinsatz als UV/Vis-Detektor in der Flüssigkeitschromatographie zurschnellen Aufnahme von Spektren der getrennten KomponentenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 30

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.3 Probenvorbereitung und Aufnahme von SpektrenKonzentrationsbereich:UV/Vis-Spektren werden als Durchstrahlungsspektren in der Regel inverdünnten Lösungen gemessen.Da sich Extinktionswerte E = lg I 0/I nur im Bereich bis ca. 2 (T = 10 -E = 0.01 =1 %) genau genug messen lassen und die meisten Verbindung ε-Werte in derGrößenordnung von ca. 10 4 [L ⋅ Mol -1 ⋅cm -1 ] im Bandenmaximum besitzen,werden meist Konzentrationen in der Größenordnung von ca. 10 -4 Mol ⋅ L -1eingesetzt.c = E / ε⋅dmit E ≅ 1, ε≅10 4 und d = 1 cm ⇒ c ≅ 10 -4 Mol ⋅ L -1oder allgemein:c = E /ε · d = 1/ε mit E = 1 und d = 1 cmε= 10 n ⇒ c = 10 -nε-Werte werden der Literatur entnommen oder anhand ähnlicherVerbindungen abgeschätzt.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 31

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.3 Probenvorbereitung und Aufnahme von SpektrenLösemittel für die Messung von UV/Vis-Spektren:Wichtig bei der verwendeten Qualität ist nicht die chemische Reinheit sondern die optische Reinheit, d.h. das Fehlenvon Verbindungen mit Eigenabsorption im UV/Vis-Bereich!Folgende optisch reinen Lösungsmittel sind im Feinchemikalienhandel zu beziehen:Lösungsmittelverwendbar bisperfluorierte Kohlenwasserstoffe> 180 nmWasser> 190 nmAcetonitril> 191 nmCyclohexan> 195 nmHexan> 200 nmEthanol> 205 nmDiethylether> 215 nmDichlormethan> 220 nmTrichlormethan> 235 nmTetrachlormethan> 255 nmaromatische Kohlenwasserstoffe > 350 nm für den UV-Bereich nicht verwendbar!Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 32

Messküvetten:2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.3 Probenvorbereitung und Aufnahme von SpektrenQuarzküvettenfür den Gesamtbereich verwendbar (teuer undzerbrechlich)Kunststoffküvetten> 300 - 350 nm (billig, für wässrige Lösungen(z.B. Polyethylen)im Biobereich verwendbar);Neuentwicklungen der Fa. Brandt sind auch ab ca. 250 nm verwendbarSchichtdicken:für Lösungsspektren: Normgröße = 1 cmist in den Einheiten im Lambert-Beer‘schen Gesetz meistfestgelegtfür Gasspektren: 5 oder 10 cmProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 33

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenAbb. 2.4.1: Absorptionsbereiche der verschiedenen ElektronenübergängeHesse, Meier,ZehProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 34

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenCharakteristika isolierter Chromophore:(siehe Tabelle 2.4.2)σ→ σ∗−ÜbergängeVorkommen bei σ-Bindungen, d.h. praktisch in allen organischen Ver-bindungen, wieC-C, C-H, C-O, C-N - σ-BindungenMerkmale im UV/Vis-Spektrum:hohe Energie zur Anregung nötig; Absorption im Vakuum-UV (λ max120 - 150 nm)ε-Werte hoch (ca. 10 5 mol⋅l -1 ⋅cm -1 ) → erlaubte Übergänge⇒ Absorptionen im Vakuum-UV messtechnisch nicht erreichbar;⇒ UV-Spektroskopie von Verbindungen, die nur σ-Bindungen besitzen (Alkane) hatkeine Bedeutung.n → σ∗−ÜbergängeVorkommen bei Verbindungen mit freien e - -Paaren, d.h. bei Verbindungen mitHeteroatomen der 5.-7. Hauptgruppen; -N, -P, As, -O, -S, -HalMerkmale im UV/Vis-Spektrum:noch relativ hohe Energie zur Anregung nötig; Absorption im Vakuum-UV (λ max150 -250 nm)ε-Werte mittel - klein (ca. 10 2 -10 4 mol⋅l -1 ⋅cm -1 ) → schwach erlaubte Übergänge(Überlappungsverbot!);Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 35

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenCharakteristika isolierter Chromophore:(siehe Tabelle 2.4.2)π → π∗− ÜbergängeVorkommen bei Verbindungen mit isolierten Mehrfachbindungen; C=C, C=N; C≡C,C≡N, C=O, C=S, N=N, N=O u.a.Merkmale im UV/Vis-Spektrum:noch relativ hohe Energie zur Anregung nötig; Absorption im Vakuum-UV (λ max160 -220 nm)ε-Werte hoch (ca. 10 5 mol⋅l -1 ⋅cm -1 ) → erlaubte Übergänge;n → π∗−ÜbergängeVorkommen bei Verbindungen mit Mehrfachbindungen zu Heteroatomen, die freie e - -Paare tragen (Heteroatome der 5.-7. Hauptgruppen; -N, -P, As, -O, -S, -Hal.)n-Elektronen und π-Elektronensystem sind benachbart: C=O, C=N-R, C≡NMerkmale im UV/Vis-Spektrum:weniger hohe Energie zur Anregung nötig; Absorption im nahen UV (λ max250 - 350nm).ε-Werte niedrig (ca. 10 1 -10 2 mol⋅l -1 ⋅cm -1 ) → verbotene bis schwach erlaubteÜbergänge (Überlappungsverbot!);Fazit: Einfache Chromophore haben geringe Bedeutung für die UV/Vis-SpektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 36

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenAbb. 2.4.2: Absorptionen isolierter ChromophoreHesse, Meier, ZehProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 37

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenDefinitionen:bathochromer Effekt (Rotverschiebung):Verschiebung der Absorptionsmaxima zu höheren Wellenlängen oderniedrigeren Anregungsenergien.hypsochromer Effekt (Blauverschiebung): Verschiebung derAbsorptionsmaxima zu niedrigeren Wellenlängen oder höherenAnregungsenergien.hyperchromer Effekt (Intensitätserhöhung): Erhöhung der molarenExtinktionskoeffizienten ε.hypochromer Effekt (Intensitätserniedrigung): Erniedrigung der molarenExtinktionskoeffizienten ε.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 38

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenBeeinflussung von Elektronenübergängen:σ−σ*-Übergänge: lassen sich kaum durch benachbarte Gruppen beeinflussen;Konjugationseffekte zwischen σ-Bindungen und π-Bindungen oder nichtbindendenElektronen sind nur sehr schwach ausgeprägt aufgrund der unterschiedlichenSymmetrie der Orbitale. I-Effekte wirken nicht stark genug zur Verschiebung der Bandenin den nahen UV-Bereich.n−σ*-Übergänge werden vor allem durch die Elektronegativität (EN) und die Größe desHeteroatoms beeinflusst. Heteroatome mit hoher EN binden das freie e - -Paar besondersstark und senken dessen Energie ab. Dagegen wird die Energie des σ*-Orbitals nurwenig beeinflusst. Die Folge ist eine Vergrößerung des HOMO-, LUMO-Abstands (ΔE) undeine Blauverschiebung der n→σ*-Bande.weitere Beispiele: (siehe auch Abb. 2.4.2)λ max[nm] (ε)λ max[nm] (ε)CH 3-Cl 173 (200) CH 3-I 258 (380)CH 3-Br 204 (260) CHI 3349 (2170)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 39

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten Chromophorenσ-Bindungen:HCH 2CHCH 2HHgeringe Wechselwirkungzwischenσ-BindungenKnotenebeneProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 40

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenBeeinflussung von Elektronenübergängen:π−π*-Übergänge in Alkenen und PolyenenRnRHesse, Meier,ZehBei der Konjugation von zwei oder mehreren Doppelbindungenverschiebt sich die längstwellige Bande um 30 -40 nm /Doppelbindung!Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 41

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten Chromophorenπ- Molekülorbitale (MOs) von Alkenen und PolyenenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 42

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenBeeinflussung von Elektronenübergängen:Natürliche farbige Polyene:farblosfarblosorange-rotorange-rotrotorange-rotorange-rotorange-rotfarblosMan erhält farbige Verbindungen mit mindestens 7 konjugierten Doppelbindungen!z.B. Naturstoffe aus der Klasse der CarotinoideDiese sind sehr reaktiv und nicht lange am Licht und der Luft haltbarFarbstoffe werden nach anderem Prinzip aufgebaut ⇒ siehe Kap. FarbstoffeProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 43

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenChromophorgröße und IntensitätHesse, Meier,ZehIm allgemeinen zeigen gestreckte Polyene mit all-(E)-Konfuguration an den Doppelbindungen,wie im ß-Carotin 10, höhere Intensitäten in Vergleich zu den gewickeltenIsomeren, z.B. dem 15-(Z)-ß-Carotin.Regel: Der Abstand der Chromophorenden bestimmt unter Anderem die Intensität(ε-Wert) einer BandeProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 44

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenAromatenspektren: π−π*-Übergänge in cyclisch konjugierten ElektronensystemenIm Gegensatz zu den offenkettigen Polyenen zeigenBenzol und andere Aromaten MO-Schemata mitentarteten = energiegleichen OrbitalenDas führt zu ganz anderen Spektren mit mehrerenunterschiedlich intensiven Banden.Beim Benzol unterscheidet man- α-Bande (254 nm, ε≅20, symmetrieverboten!)- p-Bande (ca. 200 nm, 7900, symmetrieverboten!)- ß-Bande (ca. 185 nm, ε≅60.000, symmetrieerlaubt)Muster ist charakteristisch für einfach substituierteBenzoleProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 45

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenUV/Vis-Spektren substituierter AromatenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 46

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen von ausgedehnten ChromophorenUV/Vis-Spektren kondensierter AromatenKondensierte Aromaten besitzen, ebenso wie das Benzol selbst sehrcharakteristische Bandenstruktur und können leicht zur Identifizierungdes Grundchromophor benutzt werden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 47

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenAuxochrome und Antiauxochrome(= chromophorverlängernde Substituenten)NH 2NO 2λ max(ε) = 254 nm (204) 280 nm (1430) 269 nm (7800)auxochrom- antiauxochromsubstituiertDefinitionen:Auxochrome (farbvertiefend):Donatorsubstituenten mit + M-EffektenAtome mit freien e - -Paaren in Konjugation zum Chromophorz.B. –NH 2 , -OHoder +I-Effekten, z.B. AlkylgruppenAntiauxochrome:Akzeptorsubstituenten mit -M-Effektenpolare π-Systeme in Konjugation zum Chromophorz.B. Carbonyl- Cyano-, Nitrogruppenfür beide Gruppen resultieren bathochrome Bandenverschiebungenvon 5 – 60 nmProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 48

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenAuxochrome und AntiauxochromeUV-Absorptionen monosubstituierter AromatenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 49

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenAuxochrome und AntiauxochromeSpektroskopische Reihe der SubstituentenAuxochrome:Reihe: H < F (-I, +M) < Alkyl (+I) ≤ Cl, Br (-I, +M) < OH < OR

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer VerbindungenAuxochrome und AntiauxochromeWirkung auf n→π* -ÜbergängeOH 3 CCRR-H-CH3-Cl-O-(C=O)-CH3-NH2-OC2H5-OHDurch typische Auxochrome werden die n→π*-Banden´, z.B. in Carbonylverbindungen imGegensatz zu den π−π∗-Banden hypsochrom verschoben (= Blauverschiebung).Durch Konjugation mit weiteren C=C-Bindungen werden n→π*-Banden dagegen nur wenigbeeinflusst.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 51

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer Verbindungen2.4.3 FarbstoffeFarbige Verbindungen absorbieren sichtbares Licht zwischen 400nm und 750nm.Die Eigenfarbe des farbigen Stoffes entsteht durch Absorption eines Teils des weißenpolychromen Tageslichts. Durch den übrig gebliebenen (reflektierten) Anteil des Tageslichtsentsteht im Auge der farbige Eindruck.⇒Eigenfarbe = Komplementärfarbe zur Farbe der absorbierten StrahlungProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 52

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer Verbindungen2.4.3 Der FarbkreisWird Licht einer bestimmten Spektralfarbe absorbiert, dann erkenntdas menschliche Auge die übrig gebliebene Komplementärfarbeabsorbiertes Licht:λ = 580 nm (gelb)die Lösung erscheint blau:Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 53

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer Verbindungen2.4.3 Das Aufbauprinzip der Farbstoffeπ-Donor—Chromophor—π-Azeptor- PrinzipVergleich:254 nmNO 2 OH OH NO 2λ max = 310 nm (Δλ max +56 nm)(Σ Einzeleffekte = 285 nm)λ max = 270 nm(Δλ max +16 nm)λ max = 269 nm(Δλ max +15 nm)NO 2 NH 2 O -NH 2NO 2 O - NO 2NO 2 HO OHλ max = 375 nm (+121)λ max = 280 nm λ max = 287 nm(Σ Einzeleffekte = 295 nm) (+26)(+33)λ max = 405 nm (+151)(Σ Einzeleffekte = 302 nm)farbig !λ max = 267 nm(+13) kein zusätzlicherEffektλ max = 293 nm(+39)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 54

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer Verbindungen2.4.3 Das Aufbauprinzip der Farbstoffeπ-Donor—Chromophor—π-Akzeptor-Prinzip- O N + OO - O N + OŌ-OO - RH 2 NCRH 2 N +CBesonders effektive Ladungsverteilung (Mesomerie) möglich⇒ Prinzip der FarbstoffeProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 55

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.4 Charakteristische UV/Vis-Absorptionen organischer Verbindungen2.4.3 Beispiele für typische FarbstoffeDonorDNOHNO 2CH 3CH CH CH N +NO 2AMartiusgelbsaurer NitrofarbstoffH 3 CHO 3 SAAkzept.N NAHODOrange IIAzofarbstoffAstraphloxin FF = PentamethincyaninAAOODNH-CH 2 -CH 2 OHNH-CH 3Cibacetblau F 3RAnthrachinonfarbstoffDIndikatorfarbstoff:HOO+ H +HOOHCOO -- H +OOPhenolphthaleinim basischen rotim sauren farblosrotfarblosProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 56

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.5 Quantitative UV/Vis-Spektroskopie:Quantitative UV/Vis-Spektroskopie:Grundlage für die quantitative Bestimmung einer oder mehrer Verbindungen in derUV/Vis-Spektroskopie ist das Lambert-Beer’sche Gesetz:Lambert-Beer-Gesetz:E = log 10I 0/ I = ε⋅c ⋅ dmitE = Extinktion, optische Dichte (OD) oder englisch Absorbance (ABS)ε = molarer Extinktionskoeffizient [1000 cm 2 ⋅ mol -1 ] oder [L ⋅ mol -1 ⋅cm -1 ]c = Konzentration [mol ⋅ L -1 ]; d = Schichtdicke [cm]durch Umformung erhält man die Konzentration cc = E λ/ ε λ⋅ d [mol ⋅ L -1 ]Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 57

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.5 Quantitative UV/Vis-Spektroskopie:KalibrierfunktionenIn Fällen, wo keine lineare Beziehung zwischen der gemessenen Extinktion und der Konzentration c besteht, ε λ also nichtunabhängig von der Konzentration ist, muss eine Kalibrierkurve der Extinktion E gegen verschiedene Konzentrationen cüber den relevanten Messbereich aufgenommen werden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 58

2. Grundlagen der UV/Vis-Spektroskopie2.5 Quantitative UV/Vis-Spektroskopie:MehrkomponentenanalysePrinzip:Die Extinktionsbeiträge E λjder verschiedenen Komponenten j bei einer bestimmtenWellenlänge λ verhalten sich additiv.EEλλ= E=λ1+ Eλ2+ Eλ3+ ........ + E∑j=1( ελ1⋅c1+ ελ2⋅c2+ ελ3⋅c3+ ........ε λn ⋅cn) ⋅d= d⋅∑1.Index = Wellenlänge λ; 2. Index = Komponente jλn=nEλjnj=1ελj⋅cjD λ = Ε λ / dProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 59

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische Grundlagenψ 2 * elektronisch angeregterZustand (LUMO)AbsorptionΔE = hνEmission = LumineszenzΔE = hνψ 1 elektronischer Grundzustand(HOMO)Wenn sich ein elektronisch angeregtes Molekül unter Aussendung (= Emission) vonStrahlung desaktiviert, spricht man allgemein von „Lumineszenz“Man unterscheidet bei der Lumineszenz: Fluoreszenz oder PhosphoreszenzJe nach Anregungsart spricht man von: Photolumineszenz oder ChemilumineszenzProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 60

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenJablonski-Termschema:Im Jablonski-Termschema sind neben den Elektronenniveaus S 0–S 2und T 1auch Schwingungsunterniveaus(ν 0– ν n) dargestellt. Man unterscheidet zwischen Strahlungsprozessen (Striche) und strahlungslosenProzessen (Wellenlinien).Bei den meisten Molekülen dominieren strahlungslose Desaktivierungsprozesse gegenüberLumineszenzvorgängenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 61

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenJablonski-Termschema:S 0, S 1, S 2... = elektronische SingulettzuständeT 0, T 1, T 2... = elektronische TriplettzuständeEin Singulett-Zustand S besitzt nur gepaarte Elektronen, der Gesamtspin S = 0; Ein Triplettzustand Tbesitzt zwei ungepaarte Elektronen, der Gesamtspin S = 1; daraus ergibt sich die Multiplizität M = 2 S + 1(Anzahl der Energieniveaus in Anwesenheit eines Magnetfelds). Für Singulett-Zustände ist M = 2 ⋅ 0 + 1 = 1und für Triplettzustände ist M = 2 ⋅ 1 + 1 = 3.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 62

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenJablonski-Termschema:Strahlungsprozesse(Lumineszenz): →Absorption A ist ein sehr schneller Prozess (10 -15 bis 10 -14 s). Wie aus der UV/Vis-Spektroskopie bekannt,verläuft er ohne Spinumkehr. Aus einem S 0-Zustand können daher keine Triplett-Zustände T direktbesetzt werden. Dies geschieht durch nach geschaltete strahlungslose Vorgänge (Intersystem-Crossing).Fluoreszenz F ist immer noch ein sehr schneller Vorgang (10 -9 bis 10 -7 s). Man versteht darunter einenLumineszenz-Vorgang, der ohne Spinumkehr z. B. vom S 1in den S 0-oder vom T 1in T 0-Zustand stattfindetEr ist spinerlaubt, deshalb relativ wahrscheinlich und damit schnell.Phosphoreszenz Ph ist ein Lumineszenzvorgang der unter Spinumkehr z.B. von einem T 1in einen S 0-Zustand abläuft. Er ist spinverboten, deshalb unwahrscheinlich und sehr langsam (10 -4 bis 10 2 s).Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 63

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenJablonski-Termschema:Strahlungslose ProzesseDesaktivierungen: ~~~Schwingungsrelationen führen zur Desaktivierung von schwingungsangeregten Elektronenzuständen S noder T nbis zum Schwingungsgrundzustand v 0unter Umwandlung der Energie in Wärme. Sie sind sehrschnell (Lebensdauer ca. 10 -12 s) gegenüber Lumineszenzsvorgängen, wie der Fluoreszenz.⇒ Fluoreszenz oder Phosphoreszenz erfolgt immer aus einem Schwingungsgrundzustand v 0eineselektronisch angeregten Zustands S noder T n. Deshalb ist die Emissionsbande gegenüber derAnregungsbande immer zu höheren Wellenlängen verschoben (Bathochromie). Man nennt diesen Effektdie „Stokes-Verschiebung“ der Emissionsbande. Man erhält breite z.T. strukturierte Emissionsbanden,da die Elektronen in jedes mögliche Schwingungsniveau des elektronischen Grundzustands S 0zurückfallenkönnen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 64

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenStokes-Shift zwischen Anregungs- und EmissionsbandenAnregungsbandeEmissionsbandeStokes-Verschiebung: Die Emissionbande ist gegenüber der Anregungsbande (Absorptionsbande) immerzu höheren Wellenlängen (kleineren Frequenzen) verschoben!Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 65

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenJablonski-Termschema:Strahlungslose ProzesseDesaktivierungen: ~~~Interne Umwandlungen (internal conversions, IC) sind strahlungslose Desaktivierungsprozesse, welcheinnerhalb eines Moleküls stattfinden. Dabei wechselt das Molekül von einem höher angeregtenelektronischen Zustand in einen energetisch niedrigeren Zustand (S 1→S 2oder S 1→S 0). Voraussetzungdafür ist meist, dass die verschiedenen Zustände energetisch nahe beieinander liegen oder garüberlappen. Der Energieüberschuss wird in Form von Wärme abgeführt. Besonders effektiv scheintdieser Prozess bei sehr beweglichen Molekülen zu sein. Deshalb findet man bei aliphatischenVerbindungen fast ausschließlich IC bis zum elektronischen Grundzustand und keine Fluoreszenz.Externe Umwandlungen (external conversion EC) finden zwischen einem elektronisch angeregtenMolekül und einem benachbarten Molekül statt. Diese benachbarten Moleküle können dasselbe Molekül,Lösungsmittelmoleküle oder Verunreinigungen sein. Hinweise für solche EC-Vorgänge sind ausgeprägteKonzentrations- und Solvenseffekte auf die Fluoreszenzintensität.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 66

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenJablonski-Termschema:Strahlungslose ProzesseSpinumkehr: ~~~Intersystem crossing (ISC oder Interkombination) ist ein strahlungsloser Vorgang, bei dem eineSpinumkehr eines Elektrons stattfindet. Dabei wird aus einem Singulett-Zustand ein Triplett-Zustandund umgekehrt. Wie bei den IC-Vorgängen wird dieser Übergang durch Überlappung eines angeregtenSingulett-Zustands mit dem Triplett-Zustand erleichtert. ISC ist der Vorgang der zur Besetzung einesTriplettzustands aus einem Singulettzustand führt und damit Voraussetzung für die Beobachtung vonPhosphoreszenz. Die Phosphoreszenz ist also erwartungsgemäß ein sehr selten beobachtbarer Vorgang.Paramagnetische Substanzen mit ungepaarten Elektronen, wie beispielsweise molekularer Sauerstoff O 2vermitteln als Katalysatoren den ISC-Vorgang und begünstigen häufig Phosphoreszenz-Vorgänge.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 67

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenStrahlungslose ProzesseSpinumkehr: ~~~Voraussetzung für Intersystem crossing (ISC) ist eine energetische Überlappung der beteiligtenElektronenzustände. Die Phosphoreszenzbanden sind im Vergleich zur Fluoreszenzemissionsbande nochstärker bathochrom verschoben.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 68

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenStrahlungslose ProzesseDesaktivierungen: ~~~Dissoziation (D) und Prädissoziation (PD) sind strahlungslose Desaktivierungsprozesse, die unterBindungsspaltung ablaufen. Bei der D werden stark schwingungsangeregten Zustände direkt bei derAbsorption besetzt. Bei der PD werden durch interne Umwandlungsprozess (IC) so starkschwingungsangeregte Zustände in einem benachbarten Elektronenzustand besetzt, dass es zumBindungsbruch kommt. Beide Vorgänge führen zur Bindungsspaltung und Zerstörung des Moleküls.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 69

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenStrahlungslose ProzesseDesaktivierungen: ~~~Dissoziation (D) und Prädissoziation (PD): Anregung mit energiereicher UV-Strahlung < 250 nm führt fastimmer zur Zerstörung der Moleküle durch Dissoziation D oder Prädissoziation PD. Deshalb benötigt manausgedehntere π-Syteme (konjugierte Polyene oder Aromaten) aus deren angeregten π→π*-Zuständendie Fluoreszenz stattfinden kann.Fluoreszenz mit einfachen Chromophoren ist seltenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 70

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenFluoreszenz und MolekülstrukturRPhNHSO 3-NaphthalinderivateBenzolderivateChinolinNNHIndolOOAnthracenPhenanthrenCumarinAnregung mit energiereicher UV-Strahlung < 250 nm führt fast immer zur Zerstörung der Moleküledurch Dissoziation D oder Prädissoziation PD. Deshalb benötigt man ausgedehntere π-Syteme(konjugierte Polyene oder Aromaten) aus deren angeregten π→π*-Zuständen die Fluoreszenz stattfindenkann. Da offenkettige Polyene meist noch hohe innere Beweglichkeit besitzen, wird die Fluoreszenzdurch IC-Vorgänge meist abgeschwächt oder ganz verhindert. Starre π-Systeme, wie Aromaten zeigendagegen viel häufiger Fluoreszenz. Besonders starke Fluoreszenz findet man bei kondensiertenAromaten und Heterocyclen, die einerseits mit weniger energiereicher UV-Strahlung anregbar sind, undgleichzeitig geringe innere Beweglichkeit besitzen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 71

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenFluoreszenz und MolekülstrukturFluorenΦ = 1BiphenylΦ = 0,2Dass die Starrheit eine wichtiger Faktor für Fluoreszenz ist, kann man durch Vergleich der FluoreszenzquantenausbeuteΦ F(siehe unten) zwischen dem starren Molekül Fluoren 1 (Quantenausbeute Φ F≅ 1)und Biphenyl 2 (Φ F= 0,2) erkennen.Äußere Einflüsse:Tiefe Temperaturen, hohe Lösungsmittelviskositäten und geringe Analytenkonzentration erniedrigen dieWahrscheinlichkeit der strahlungslosen Desaktivierung durch EC-Vorgänge und begünstigen dieFluoreszenz. Durch Vorhandensein von Schweratomen, wie Iod wird die Fluoreszenz dagegenherabgesetzt. Das wird in manchen Fällen benutzt, wenn erhöhte Phosphoreszenz gegenüber derFluoreszenz erwünscht ist.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 72

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenDie Stärke der FluoreszenzDie Fluoreszenzintensität I F hängt im Wesentlichen von den folgendenFaktoren ab:I F= K ⋅ I 0(λ)⋅ε λ⋅ c ⋅ l ⋅ Φ FmitK = instrumentelle Konstante (muss bestimmt werden)I 0= Anregungsintensität (Lampe)ε λ= molarer Extinktionskoeffizient des Analytenc = Analytenkonzentration (für kleine c)l = WeglängeΦ F= FluoreszenzquantenausbeuteProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 73

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.1 Theoretische GrundlagenFluoreszenzquantenausbeute Φ FΦF=ccfa=kf+kIC+kECkf+ kD+kPD+kISCmit c f= Konzentration der fluoreszierenden Molekülec a= Konzentration der angeregten Molekülek f= Geschwindigkeitskonstante des Fluoreszenzvorgangsk IC, k EC, k D, k PDund k ISC= Geschwindigkeitskonstanten derstrahlungslosen DesaktivierungsvorgängeDie Werte für die Fluoreszenzquantenausbeute Φ Fliegen definitionsgemäß zwischen 0 und1 (0% und 100%). k f, k IC, k D, k PDund k ISChängen stark von der Struktur des Moleküls ab. k ECund k ISCwerden stark von der Umgebung beeinflusst.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 74

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.2 Messung von FluoreszenzspektrenTypischer Aufbau eines SpektralfluorimetersProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 75

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.2 Messung von FluoreszenzspektrenEmissionsspektrum: Fluoreszenzintensität I Fwird gegen Fluoreszenzwellenlänge λ Fbei konstanterAnregungswellenlänge gemessenAnregungsspektrum: Fluoreszenzintensität I Fwird gegen Anregungswellenlänge λ Ebei konstanter(excitation)Fluoreszenzwellenlänge gemessenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 76

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.2 Messung von FluoreszenzspektrenSpiegelbildregel zwischen Emissions- und AnregungsspektrenDas Emissionsspektrum verhält sich häufig spiegelbildlich zum Anregungsspektrum, da die Schwingungsunterniveausin beiden Elektronenzuständen ähnlich verteilt sind.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 77

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.2 Messung von FluoreszenzspektrenTypische Störbanden in Wasser als LösungsmittelRayleigh-Bande2.OrdnungRayleigh-BandeRaman-Stokes-BandeRaman-Stokes-Bande2.OrdnungReines Wasser zeigt im Fluoreszenzspektrometer eine Reihe von schwachen Störbanden:- Rayleigh-Streubanden: die gestreute Strahlung besitzt die gleiche Energie, wie die Anregungsstrahlung- Raman-Streubanden: die gestreute Strahlung besitzt geringere (Stokes) oder höhere Energie (Anti-Stokes) alsdie Anregungsstrahlung. Die Differenzenergie wird zur Schwingungsanregung von Wasser benutzt.- Die Banden 2. Ordnung werden prinzipbedingt durch Gittermonochromatoren erzeugt.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 78

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.3 Anwendungen von FluoreszenzspektroskopieFluoreszenz- und Phosphoreszenzmethoden sind um den Faktor 100 -1000empfindlicher als absorptionsspektroskopische Methoden (UV/Vis-Spektroskopie)Sie gehören zu den empfindlichsten Analysenmethoden überhaupt !Die Wiederholgenauigkeit ist allerdings wesentlich geringer als bei der UV/Vis-SpektroskopieHauptanwendungsbereich ist der SpurenanalytikbereichMan unterscheidet:direkte Messmethoden:Fluorophor im Analyten wird direkt bestimmt.indirekte Messmethoden:Beeinflussung eines Fluoreszenzfarbstoffs durch den zu bestimmenden Analyten(z.B. durch Fluoreszenzlöschung)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 79

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.3 Anwendungen von FluoreszenzspektroskopieTypische Anwendungsbereiche:Qualitativer und quantitativer Nachweis vonAnorganischen Ionen durch Komplexierung mit fluoreszierenden Liganden (1)Organischen Fluoroszenzfarbstoffen im Spurenbereich (2)Biomolekülen nach Fluoreszenzmarkierung (4) oder direkter Nachweis vonfluoreszierenden Aminosäure (3) in freier Form oder gebunden in Proteinen (5).OHOOO∗CO 2 H1N2ZnFluoreszein2COOHNHNH 2(L)-Tryptophan 3Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 80

3. Grundlagen der Molekülfluoreszenzspektroskopie3.3 Anwendungen von FluoreszenzspektroskopieDAPI (4) =Fluoreszenzfarbstoff, der sich in bestimmteTeile der DNA einlagert und dort blaueFluoreszenz zeigt (angefärbte Fibroplasten)GFP = Green Fluoreszent Proteinfluoresziert ohne FluoreszenzmarkierungVisualisierung der Zellmembran von Hefezellenmit GFP- und RFP-FusionsproteinenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 81

Grundlagen der InstrumentellenAnalytik4. InfrarotspektroskopieVorlesungszyklus über 2 SWSim WS 2010/11Prof. Dr. Norbert Schön

Inhaltsverzeichnis4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.1 Allgemeines4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Frequenz einer Molekülschwingung: Resonanzbedingung4.2.2 Auswahlregel für Schwingungsanregungen mit IR-Strahlung4.2.3 Schwingungen in komplexeren Molekülen4.2.4 Rotationsschwingungsspektren4.3 Messanordnung und Geräte für die IR-Spektroskopie4.3.1 Dispersive Geräte4.3.2 Fourier-Transform-Geräte4,4 Darstellung von IR-Spektren4.5 Probenvorbereitung und Aufnahme von Spektren4.6 Qualitative Spektreninterpretation4.7 Quantitative IR-Spektroskopie4.8 Besondere IR-Techniken4.8.1 Messung unter Reflektion (ATR-Technik)4.8.2 Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR)5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.1 Grundprinzipien der MS5.2 Allgemeiner Aufbau und Messanordnungen5.3 Analyse von einheitlichen Substanzen5.4 Analyse von Substanzmischungen: Kopplung Chromatographie/MassenspektrometrieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 80

LiteraturverzeichnisAllgemeine Lehrbücher zur Instrumentellen Analytik:D.A. Skoog und J.J. Leary, Instrumentelle Analytik, 1.Aufl., Springerverlag, Berlin,Heidelberg, New York 1996; ISBN 3-540-60450-2; € 59.95Matthias Otto, Analytische Chemie, 3. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim 2006; ISBN: 978-3-527-31416-4; € 55.-Allgemeine Lehrbücher zur Spektroskopie:M.Hesse, H.Meier und B.Zeeh, Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, 7.Aufl., Thieme Verlag Stuttgart 2005, ISBN 3-13-576107-1 [FH-Bibl. Nr. O IV 483b]; € 69.95J. Böcker, Spektroskopie, 1. Aufl., Vogel Buchverlag, Würzburg 1997; ISBN 3-8023-1581-2.(€ 42.80).Chromatographie:G.Schwedt und C. Vogt, Analytische Trennmethoden, 1.Aufl., Wiley-VCH, Weinheim, 2010;ISBN: 978-3-527-32494-1; 39.90 €J. Böcker, Chromatographie, 1. Aufl., Vogel Verlag, Würzburg 1997, ISBN 3-8023-1582-0IR-Spektroskopie:H.Günzler und H.Gremlich, IR-Spektroskopie, Wiley-VCH, Weinheim 2003,ISBN: 978-3-527-30801-9; 57.90 €UV/Vis- und Fluoreszenz-Spektroskopie:N. Schön, Skript zu den Versuchen UV/Vis- und FluoreszenzspektroskopieIR-Spektroskopie:N. Schön, Skript zum Versuch IR-SpektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 81

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.1 AllgemeinesAn den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums schließt sichzu niedrigeren Energien (höheren Wellenlängen λ) der so genannte Infrarot-Bereich des Spektrums an.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 82

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.1 AllgemeinesDie Energie von IR-Strahlung reichtnicht mehr zur Anregung vonelektronischen Übergängen aus.Es werden aber Schwingungen undRotationen von organischenMolekülen angeregt.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 83

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungEin zweiatomiges Molekül als Harmonischer OszillatorHooke‘sches Gesetz:Beim Harmonischen Oszillator istdie Rückstellkraft F proportionalzur Auslenkung rF = - K ⋅ r =μ⋅aHooke‘s Gesetzmit:F = Rückstellkraft der Bindung; K = Kraftkonstante (Bindungsstärke);r = x = Auslenkungμ = reduzierte Masse; schwingende Masse; a = BeschleunigungMoleküle sind keine starren Gebilde, die Atomschwerpunkte bewegen sich gegeneinander,sie führen Schwingungen aus. Zur mathematischen Beschreibung benutzt man imeinfachsten Fall des „Harmonischen Oszillators“ das Hooke‘sche GesetzProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 84

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungDie reduzierte Masse μ als effektive Masse eines 2-atomigen Molekülsμ =mm11⋅ m+ m22= reduzierte MasseDie reduzierte Masse μ ist so definiert, dass die Schwingung zweier unterschiedlicherMassen um ihren Schwerpunkt S beschrieben wird. dabei bewegt sich die leichtere Massem 1 stärker als die schwerere Masse m 2 .Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 85

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungEin zweiatomiges Molekül als Harmonischer OszillatorF = −K⋅r⇒2=d rμ ⋅2dtμ ⋅a+K ⋅rlinearehomogeneDifferntialgleichnug2.Ordnung!==02d rμ ⋅2dtAllgemeine Lösung: r = A · sin(ω·t + ϕ)Bewegungsgleichnung des harmonischen Oszillatorsmit r = Auslenkung, A = max. Auslenkung oder Amplidude;ω = Kreisfrequenz [Hz]; ϕ = PhasenwinkelProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 86

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungEin zweiatomiges Molekül als Harmonischer OszillatorDieEigenfrequenz eines Harmonischen Oszillators(Frequenzbeziehung)ω =Kμundν=1⋅2πKμmitω = Kreisfrequenz [Hz]undν = Frequenz[Hz]Die Eigenfrequenz eines harmonischen Oszillators hängt in einfacher Weise von denmolekularen Größen Bindungsstärke K und schwingenden Massen μ ab:Moleküle mit starken Bindungen (großes K) schwingen schnell, solche mit großenschwingenden Massen (großes μ) langsam.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 87

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungDie Schwingungsenergien eines Harmonischen OszillatorsKlasssisches ModellDie Gesamtschwingungsenergie E ges.einesharmonischen Oszillators setzt sich zusammenaus seiner potentiellen EnergieV(r) = ½ K· r 2(= 0 bei r 0und maximal bei A max)undseiner kinetischen EnergieE kin(r) = ½ m·v 2 = ½ m·ω 2·(A2 -r 2 )(= maximal bei r 0und 0 bei A max)E ges.= V(r) + E kin(r) = ½ K·A 2Die Gesamtschwingungsenergie hängt von dermaximalen Auslenkung A maxab.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 88

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungDie Schwingungsenergien im quantenmechanischen ModellResonanzbedingung:E vib= (v + 1/2) h ⋅ν oscΔE vib= E vib(1) - E vib(0) = 1,5 - 0,5 h ⋅ν osc= 1 · h ⋅ν osc= E LQ= h ⋅ν LQmit v = Schwingungsquantenzahl = 0, 1, 2 ... n;erlaubte Übergänge Δv = ± 1h = Plank-WirkungsquantumνOSC=1⋅2πKμZur Anregung einer Schwingung benötigt man ein Photon mit der gleichen Frequenz, wie dieEigenschwingungsfrequenz ν OSCder anzuregenden Schwingung.Es existiert ein Schwingungsgrundzustand mit der Energie E 0ungleich 0Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 89

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Die Eigenfrequenz einer Molekülschwingung: ResonanzbedingungDie Schwingungsenergien im quantenmechanischen anharmonischen OszillatorDissoziationsenergieWirkliche Moleküle verhalten sich nicht wie ein harmonischer Oszillator:- Bei starker Dehnung kommt es zu Bindungsbruch (= Dissoziation); bei starker Stauchungwächst die Abstoßungsenergie überdimensional stark.- Die Energieniveaus-Abstände nehmen nach oben ab: ΔE anharm< ΔE harm- Neben den Grundschwingungsanregungen Δv = +1 sind auch Oberschwingungsanregungen Δv = +2, +3erlaubtProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 90

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.2 Auswahlregel für SchwingungsanregungenDie Resonanzbedingung ist zwar notwendig, reicht jedoch nicht aus um Schwingungen einesMoleküls anzuregen. Der elektrische Feldvektor der Strahlung muss mit dem Elektronensystemeiner Bindung in Wechselwirkung treten können. Dies ist nur dann möglich, wenn beider Schwingung eine Dipolmonentsänderung auftritt.Es gilt die folgende Auswahlregel für IR-aktive Schwingungen:Eine Schwingung kann dann angeregt werden (ist IR-aktiv), wenn sich das Dipolmoment μdes Moleküls während der Schwingung ändert.oder: wenn das Dipolmoment μ eines Moleküls in den Extremstellungen der Schwingungunterschiedlich ist.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 91

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.2 Auswahlregel für SchwingungsanregungenBeispiele für IR-aktive und IR-inaktive SchwingungenCl Cl Cl Clμ = 0 IR-inaktiv μ = 0LadungsverteilungsymmetrischDipolmoment = 0μ 1 = μ 2 Δμ =0ICμ 1 ≠ 0OICIR-aktivμ 2 ≠ 0OLadungsverteilungunsymmetrischDipolmoment ≠ 0μ 1 < μ 2 Δμ ≠ 0O C O O C OΔμ = 0 IR-inaktivΔμ ≠ 0 IR-aktivDie Bandenintensitäten hängen von der Größe der Dipolmomentsänderung ab: I ~ (Δμ / ΔQ) 2Die Raman-Spektroskopie (siehe Ramanstreuung) ist eine alternative Möglichkeit zur Gewinnungvon IR-Spektren. Diese ist z.T. komplementär zur normalen IR-SpektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 92

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.2 Auswahlregel für Schwingungsanregungen (Raman)In der Ramanspektroskopie können nurSchwingungen angeregt werden, beidenen sich die Polarisierbarkeit αwährend der Schwingung ändert.Es gelten andere Auswahlregeln, als inder IR-SpektroskopieDie IR- und Ramanspektren unterscheidensich deutlich. Banden , die imIR-Spektrum nicht sichtbar sind, sind imRamanspektrum erkennbar.IR-Spektrum von BenzolIR- und Ramanspektroskopie ergänzensich teilweise, sie sind teilweise komplementärRaman-Spektrum von BenzolProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 93

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.3 Schwingungen in mehratomigen Molekülen: NormalschwingungenNormalschwingungen Z von 3-atomigen MolekülenCO 2 , linear: Z = 3N - 5 = 4H 2 O gewinkelt: Z = 3N - 6 = 3O C OO C OO C O+ - +O C Oν 1ν 2ν 3ν 4IR-inaktivIR-aktivIR-aktiv2-fach entartetHHH+HOOO-OHHH+Hν 1ν 2ν 3IR-aktivIR-aktivIR-aktivRotation !Schwingungsbanden im IR-Spektrum:- Normalschwingungen (fundamentale Schwingungen) eines Moleküls oder- Überlagerungen dieser Normalschwingungen zu so genannten Kombinationsschwingungen.- Oberschwingungen (siehe Kap. 4.2.1) oder deren KombinationsschwingungenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 94

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.3 Schwingungen in mehratomigen MolekülenKlassifizierung der Schwingungen am Beispiel des Molekülfragments -CH 2-Schwingungskopplung:In Fällen, wo zwei oder mehrere Bindungen mit gleicher oder ähnlicher Eigenschwingungsfrequenzν OSCüber ein gemeinsames Atom mit einander verbunden sind findet man Schwingungskopplung;die Bindungen schwingen nicht mehr unabhängig voneinander. Ist das nicht der Fallschwingen die Bindungen unabhängig voneinander.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 95

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.2 Theoretische Grundlagen4.2.4 RotationsschwingungsspektrenBei der Schwingungsanregung werden gleichzeitig auch Rotationen mit angeregt. Das führt zurVerbreiterung der IR-Banden in kondensierter Phase.Bei Gasspektren (z.B. Wasserdampf) ist die Rotationsfeinstruktur meist aufgelöstProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 96

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.1 Dispersive GeräteDispersive IR-Geräte sind im Prinzip ähnlich aufgebaut, wie UV/Vis-Geräte. Spezielle Ausführungder Bauteile (siehe IR-Skript). Da Glas und Quarzglas für IR-Licht nicht durchlässig ist, werdenvorallem Spiegeloptiken verwendet. Statt dieser dispersiven Geräte werden heute praktisch nurnoch Fouriertransform (FT-) Geräte benutzt!Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 97

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.2 FouriertransformprinzipMichelson-InterferometerFourier-TransformationAnalysenprobeInterferogrammDetektorMultiplex-Prinzip der FT-Spektroskopie: Im Gegensatz zu den dispersiven Geräten wird das gesamteSpektralbereich auf einmal durch die Analysenprobe geschickt. Das Spektrum wird durch einInterferenzverfahren erzeugt.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 98

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.2 FouriertransformprinzipmonochromatischeStrahlungMichelson-InterferometerIm Michelson-Interferometer wird die einfallende Strahlung 1 im Strahlteiler 2 geteilt und auf einenfeststehenden 4 bzw. bewegten Spiegel 5 geworfen. Bei der Rückspiegelung interfererieren die beidenTeilstrahlen. Wenn die Wegstreckendifferenz Δl= 0 oder n·λ sind, ergibt sich maximale additive Interferenz,also maximale Intensität. Bei Δl = n·λ/2 ergibt sich Auslöschung. Man erhält bei gleichförmigerBewegung des Spiegels eine sinusförmiges Interferogramm I gegen Δl.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 99

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.2 FouriertransformprinzipPolychromatischeStrahlungMichelson-InterferometerMit polychromater Strahlung, die Wellenlängen des gesamten Messbereichs enthält, erhält mankomplexere Interferogramme.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 100

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.2 FouriertransformprinzipMichelson-InterferometerAnalysenprobeFourier-TransformationInterferogrammSpektrum:Intensität / Frequenz νDetektorInterferogramm:Intensität / Δx oder tBeim Durchgang dieses Interferogramms durch die Analysenprobe wird das Interferogramm durch IR-Absorption spezifisch verändert. Es enthält dann alle Informationen eines normalen Spektrums undkann durch eine mathematische Umrechnung (Fourier-Transformation) in ein normales Spektrum umgerechnetwerden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 101

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.2 Fouriertransformgeräte: GeräteausführungDurchsatzvorteil = wenigoptischeElementeund keineSpalteergibthoheStrahlungsleistungMultiplexvorteil = schnelle Messung (wenige Sekunden) ermöglicht Addition vieler Spektren (Scans) zurauschärmeren Spektren ⇒ hohes Signal/RauschverhältnisProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 102

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.3 Geräte für die Infrarotspektroskopie4.3.2 Fouriertransformgeräte: EinstrahlprinzipFT-IR-Geräte sind i.d.R. Einstrahlgeräte. Der störende Untergrund (z.B. feuchte Luft) wird separatgemessen und automatisch vom Analytenspektrum abgezogen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 103

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.4 Darstellung von InfrarotspektrenPolystyrolspektrenIR-Spektren werden meist als Transmissions- seltener als Extinktionsspektren dargestellt. typischerMessbereich 4000 - 500 cm -1 = 2,5 - 20 μm.Die Wellenlängenskala ist im unteren Bereich (< 2000 cm -1 ) gedehnt, da dieser Bereich bandenreicherist (Fingerprint!);Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 104

1) Flüssige Proben:4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.5 Aufnahme von IR-SpektrenMessung in dünner Schicht zwischen zwei NaCl- oder KBr-PlattenIR-durchlässige Materialien:MaterialMeßbereich[cm-1]EinsatzBemerkungNaCl 4000 - 625 nicht wässrig mechanisch empfindlich ; preiswertKBr 4000 - 400 nicht wässrig mechanisch empfindlich ; preiswertlöslich in Alkoholen;CsJ 4000 - 165 nicht wässrig löslich in AlkoholenAlle Alkalihalogenide wasserempfindlich, hygrokopisch und gehen Halogenaustausch ein!CaF 24000 - 1110 wässrig empfindlich gegen NH 4-SalzlösungenZnSIrtran-2MgOIrtran-5SiO 2Infrasil4000 - 710 wässrig, Säurenund Basensehr widerstandsfähig gegen T und p;mechanisch stabil4000 - 1175 wässrig empf. gegen NH 4-Salzlös. und Säuren,druckstabil4000 - 2500 wässrig sehr widerstandsfähigempf. gegen AlkaliPolyethylen 500 - 10 wässrig billiges MaterialNormales Glas ist nicht für IR-Licht durchlässig, Quarzglas nur sehr eingeschränkt.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 105

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.5 Aufnahme von IR-Spektren2) Spektren in Lösung:Küvetten mit definierter Schichtdicke (1,0 -0,1 mm); Analysenkonzentration 0,1 - 20 Gew.-%Typische IR-Lösemittel:Es gibt keine idealen Lösemittel, da die meisten selbst im IR-Bereich absorbieren.Die meisten Küvettenmaterialien vertragen keine wässrigen Lösungen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 106

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.5 Aufnahme von IR-Spektren3) Spektren als Suspensionen in Einbettungsmitteln:Messung der Suspension in dünner Schicht zwischen zwei NaCl- oder KBr-PlattenEinbettungsmittel Nujol-Öl = Paraffinöl:Das einfachste Einbettungsmittel für feste Analyten ist Nujolöl. Es enthält nur wenige genau definierteAbsorptionsbanden, die bei der Interpretation berücksichtigt werden können.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 107

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.5 Aufnahme von IR-Spektren3) Spektren als Suspensionen in Einbettungsmitteln:Messung eines festen Analyten in einer KBr-Tablette hergestellt durch Sinterung bei hohem DruckAcetanilid als KBr-Pressling:Presswerkzeug und KBr-TablettenKBr zeigt keine Eigenabsorptionen im typischen Messbereich; unter günstigen Bedingungen erhält mansehr hoch aufgelöste Spektren mit schmalen Banden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 108

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationGruppenfrequenzbereichfinger-print-BereichDie Infrarot-Spektroskopie wird vor allem zum Nachweis von funktionellen Gruppen benutzt:Dazu verwendet man i.d.Regel den Gruppenfrequenzbereich von 4000-1300 cm -1 .Im Finger-print-Bereich von 1300 - 400 cm -1 findet man meist sehr viele Banden, die nicht einfachenfunktionellen Gruppen zuordenbar sind, sondern von Kombinationsschwingungen stammen.Man benutzt diese in ihrer Gesamtheit als Muster zur Identifizierung einer bekannten Verbindungdurch Spektrenvergleich (Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 109

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationGrobe Bereichseinteilung des IR-Spektrums:O-H, N-HStreckschwingungen: νDeformationsschwingung i.p.: δDeformationsschwingungo.o.p.: γFrequenzbeziehung:k1ω = und ν = ⋅oscμ2πkμProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 110

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationCharakteristische IR-Absorptionen verschiedener Substanzklassen:InterpretationstafelnGenauere Interpretationshilfen siehe Skript IR-Spektroskopie!Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 111

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:1-Hexanolδ (−CH3)γ (−CH2-)rockingδ (−CH2-)ν (C-O)ν (O-H)OH-Bauch!ν(sp 3 C-H)H 3 CH 2CH 2CCH 2H 2CCH 2O-Hν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 112

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:Lage der O-H-Bande in Abhängigkeit von der AlkoholkonzentrationWasser und Alkohole bilden in reiner Form komplexe Strukturen mit Wasserstoffbrücken aus.Das zeigt sich am auftreten von breiten sehr intensiven O-H-Bäuchen.In verdünnten Lösungen, dagegen treten kaum H-Brücken auf. man findet die scharfen Monomerbandenbei ca. 3600 cm -1 .Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 113

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:ToluolAromatenfingerδ (−CH3)ν(sp 3 C-H)CH 3ν (C=C)arom.δ (−CH2-)ν (sp 2 C-H)aromatischγ (sp 2 C-H, oop)aromatischν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 114

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:N-MethylanilinAromatenfingerν(sp 2 C-H)aromatischν(sp 3 C-H)HN CH 3ν(NH)δ (−CH3)ν (C=C)arom.δ (−CH2-)γ (sp 2 C-H, oop)aromatischν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 115

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:Butanonν(C=O)1.Oberschwingung)CO 2aus derLuftν(sp 3 C-H)Oδ (−CH2-)ν (C=O)arom.δ (−CH3)ν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 116

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:Benzaldehydν (sp 2 C-H)aromatischAromatenfingerOCHν(C-H)ν (C=O)ν (C=C)arom.ν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 117

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:BenzoesäureAromatenfingerν (sp 2 C-H)aromatischν(O-H)SäurebauchOCOHν (C=C)arom.ν (C=O)ν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 118

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.6 Qualitative SpektreninterpretationAusgewählte Interpretationsbeispiele:Essigsäureethylesterν (sp 3 C-H)aliphatischOOν (C=O)ν (C-O)ν = Streck- oder Valenzschwingungen; δ = in plane Deformationsschwingungen;γ = out of plane Deformationsschwingungen; sy = symmetrische, as = asymmetrische Schwingungen ;Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 119

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.7 Quantitative SpektrenauswertungKalibrierkurve für eine EinkomponentenbestimmungZwischen der Extinktion E und der Konzentration c besteht in der IR-Spektroskopie keine lineare Beziehungmehr. Der ε-Wert wird konzentrationsabhängig. In der Literatur sind deshalb und wegen derVielzahl von Banden keine ε-Werte tabelliert. Man muss die Beziehung zwischen der Extinktion E undder Konzentration c empirisch durch eine Kalbrierung ermitteln.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 120

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.7 Quantitative SpektrenauswertungQuantitative Auswertung von IR-BandenmitE = log 10I 0/ I = ε⋅c ⋅ dE = Extinktion, optische Dichte (OD) oder englisch Absorbance (ABS)ε = molarer Extinktionskoeffizient [1000 cm 2 ⋅ mol -1 ] oder [L ⋅ mol -1 ⋅cm -1 ]c = Konzentration [mol ⋅ L -1 ]; d = Schichtdicke [cm]Zur Ermittlung der Extinktion E einer IR-Bande kann nicht einfach die Intensität im Bandenmaximumverwendet werden. Es muss die Untergrundabsorption I Omitberücksichtigt werden. Zu deren Bestimmungwendet man verschiedene Basislinienverfahren an.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 121

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.8 Besondere IR-Techniken4.8.1 Messung unter Reflektion (ATR-Technik)ATR = attenuated total reflectance =abgeschwächte TotalreflektionBei der Reflektion dringt der IR-Strahletwas in die Analysenprobe ein und wirddort teilweise absorbiert. Die Reststrahlunggelangt auf den Detektor.Die ATR-Technik wurde ursprünglich eingesetzt, wenn die untersuchte Probe nicht im üblichen Durchstrahlungsmodusgemessen werden konnte. Mittlerweile ist die Technik soweit entwickelt, dass sieroutinemäßig eingesetzt werden kann. Man verwendet als optisch dichteres Reflektionsmedium einenkleinen Diamant-Einkristall.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 122

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.8 Besondere IR-Technikena) Durchstrahlungsspektrum; b) ATR-Spektrum einer PolymerprobeReflexionsspektren sind nicht direkt mit den Durchstrahlungsspektren derselben Substanz vergleichbar, da sie eineandere Intensitätsverteilung zeigen. Aufgrund der von der Wellenzahl abhängigen Eindringtiefe ist die Bandenintensitätbei großen Wellenzahlen kleiner als im Durchstrahlungsmodus Quantitative Messungen sind schwierig, da dieBandenintensität stark vom Anpressdruck der Probe abhängt. Moderne Geräte ermöglich aufgrund ihres hohen undreproduzierbaren Anpressdrucks auch quantitative Messungen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 123

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.8 Besondere IR-Techniken4.8.2 Nahinfrarotspektroskopie = NIR-SpektroskopieOAcetonDer nahe Infrarotbereich, der sich zu höheren Wellenlängen direkt an den sichtbaren Spektralbereichanschließt, reicht von ca. 13500 cm -1 bis 4000 cm -1 (750 nm - 2500 nm). Da die Grundschwingungen alleunterhalb von 4000 cm -1 liegen, findet man im NIR-Bereich nur noch die wenig intensiven Oberschwingungsbanden(siehe Kap. 4.2.1), sowie deren Kombinationsschwingungsbanden. Das NIR-Spektrum ist also im Gegensatz zum normalen MIR-Spektrum nicht zur Strukturanalyse geeignet.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 124

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.8 Besondere IR-Techniken4.8.2 Nahinfrarotspektroskopie = NIR-SpektroskopieOAcetonHauptanwendungsgebiet der NIR-Spektroskopie ist die Identifizierung von Substanzen und derenquantitative Analyse. Zur Identifizierung von Substanzen müssen die NIR-Spektren dieser Verbindungenallerdings bekannt sein und können dann computergestützt durch Vergleich zugeordnet werden. Diequantitative Bestimmung von Einzelsubstanzen oder von Substanzgemischen erfordert strengkalibrierte Bedingungen. Die Auswertung der komplexen Spektren und die Ermittlung derZusammensetzung übernimmt heute der Computer mit sogenannten Chemometrie-Programmen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 125

4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.8 Besondere IR-Techniken4.8.2 Nahinfrarotspektroskopie = NIR-SpektroskopieDa NIR-Strahlung von 13.000 bis 2.500 cm -1 Glas oder Quarzglas durchdringen kann, ergeben sich abergroße messtechnische Vorteile durch die einfachere Optik gegenüber der MIR-Spektroskopie, z.B. mitHilfe von Glasfaserkabeln. Es kann eine Probe in einem Reaktionsgefäß direkt bestimmt werdenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 126

Grundlagen der InstrumentellenAnalytik5. Massenspektroskopie (MS)Vorlesungszyklus über 2 SWSim WS 2010/11Prof. Dr. Norbert Schön

Inhaltsverzeichnis4. Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie (IR)4.1 Allgemeines4.2 Theoretische Grundlagen4.2.1 Frequenz einer Molekülschwingung: Resonanzbedingung4.2.2 Auswahlregel für Schwingungsanregungen mit IR-Strahlung4.2.3 Schwingungen in komplexeren Molekülen4.2.4 Rotationsschwingungsspektren4.3 Messanordnung und Geräte für die IR-Spektroskopie4.3.1 Dispersive Geräte4.3.2 Fourier-Transform-Geräte4,4 Darstellung von IR-Spektren4.5 Probenvorbereitung und Aufnahme von Spektren4.6 Qualitative Spektreninterpretation4.7 Quantitative IR-Spektroskopie4.8 Besondere IR-Techniken4.8.1 Messung unter Reflektion (ATR-Technik)4.8.2 Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR)5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.1 Grundprinzipien der MS5.2 Allgemeiner Aufbau und Messanordnungen5.3 Analyse von einheitlichen Substanzen5.4 Analyse von Substanzmischungen: Kopplung Chromatographie/MassenspektrometrieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 125

LiteraturverzeichnisAllgemeine Lehrbücher zur Instrumentellen Analytik:D.A. Skoog und J.J. Leary, Instrumentelle Analytik, 1.Aufl., Springerverlag, Berlin,Heidelberg, New York 1996; ISBN 3-540-60450-2; € 59.95Matthias Otto, Analytische Chemie, 3. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim 2006; ISBN: 978-3-527-31416-4; € 55.-Allgemeine Lehrbücher zur Spektroskopie:M.Hesse, H.Meier und B.Zeeh, Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, 7.Aufl., Thieme Verlag Stuttgart 2005, ISBN 3-13-576107-1 [FH-Bibl. Nr. O IV 483b]; € 69.95J. Böcker, Spektroskopie, 1. Aufl., Vogel Buchverlag, Würzburg 1997; ISBN 3-8023-1581-2.(€ 42.80).Chromatographie:G.Schwedt und C. Vogt, Analytische Trennmethoden, 1.Aufl., Wiley-VCH, Weinheim, 2010;ISBN: 978-3-527-32494-1; 39.90 €J. Böcker, Chromatographie, 1. Aufl., Vogel Verlag, Würzburg 1997, ISBN 3-8023-1582-0IR-Spektroskopie:H.Günzler und H.Gremlich, IR-Spektroskopie, Wiley-VCH, Weinheim 2003,ISBN: 978-3-527-30801-9; 57.90 €UV/Vis- und Fluoreszenz-Spektroskopie:N. Schön, Skript zu den Versuchen UV/Vis- und FluoreszenzspektroskopieIR-Spektroskopie:N. Schön, Skript zum Versuch IR-SpektroskopieProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 126

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.1 Allgemeines PrinzipBei der Massenspektroskopie (MS) werden Analytmoleküle in gasförmigeIonenstrahlen überführt, die enthaltenen Ionen nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) aufgetrennt und detektiert. Man erhält ein Massenspektrum(siehe Abbildung), welches aufgrund der enthaltenen Ionensignale und derenrelativer Größe Rückschlüsse auf die Struktur des Analyten zulässt.Molekül M → M +• + e -M +• → Fragment ++ BMan erhält Informationenüber die Molmasse (M +• )und die Molekülstruktur(Fragment-Ionen + )Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 127

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.1 Allgemeines PrinzipAtomare MasseneinheitenIn den meisten Fällen erhält man bei der Ionisierung einfach geladene positiv geladeneRadikalkationen M +• als primäre Molekülionen. In solchen Fällen ist das Masse-Ladungs-Verhältnis m/z = m/1 = m. Seltener treten höher geladene Ionen auf.Die atomare Masseneinheit 1 atomic mass unit [amu] = 1 Dalton1Dalton=112⋅ m6C= 1,66054⋅1012-12kg/Atom126C1 mol 12 C wiegt damit genau 12,0000gDurch Vergleich mit dieser Normmasse lassen sich die Atommassen aller Elemente und ihrerIsotope genau bestimmen (siehe Atom- und Molekülmassen)Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 128

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.1 Allgemeines PrinzipAtomare MasseneinheitenDas mittlere Molekulargewicht einerVerbindung ergibt sich aus der Summeder mittleren Atomgewichte der enthaltenenElemente (siehe Periodensystem)und diese wiederum aus derSumme der Isotopenmassenmultipliziert mit deren Häufigkeit.Häufig gibt man im Massenspektrometernur ganz zahlige Werte für die Massenan. Diese heißen NennmassenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 129

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungFunktionellesVakuum10 -5 -10 -8 mbarProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 130

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungEinlasssystemeFunktionellesVakuum10 -5 -10 -8 mbarMan unterscheidet:• Chargen-Einlaß für gasförmige undflüssige Proben bis Sdp. 500 °CZugabe mittels Spritze über Septum• Direkter Probeneinlaß für Festkörper undnicht flüchtige FlüssigkeitenZugabe über Schiebestange/Sonde• Chromatographischer Einlasssiehe Kopplung Chromatographie/MSProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 131

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungIonenquellenNameKürzelAnregungsenergieReaktionElektronenstoßionisationEIElektronen M + e - M +• + 2e -Chemische IonisationCIReaktand Gas M + CH 5+ MH + +CH 4Feldionisation /desorptionFI /FDHochspannung10-20kVM M +• + e -FunktionellesVakuum10 -5 -10 -8 mbarFast Atom BombardmentFABBeschleunigteM + Xe M + / M -Atome keVLaserdesorptionLDUV Licht M + hν M + + e -SekundärionenanregungSIMSIonenM + Ar + M + + ArDie Art der Ionisierung beeinflusst maßgeblich das entstehende Ionenmuster und damit dieAussagekraft eines Massenspektrums:Man unterscheidet harte (z.B. EI) und weiche Ionisationsmethoden (z.B. CI): Bei hartenIonisationsmethoden wird dem Molekül-Ion ein hoher Energieüberschuss mitgegeben; dieMolekül-Ionen neigen zum Zerfall unter Bildung von Fragment-Ionen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 132

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungIonenquellenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 133

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungIonenquelle: Elektronenstoßionisation (EI)Die Elektronenstoßionisation (5 -200 eV Elektronenenergien) ist die meistgenutzteIonisationsmethode. Standardisiert werden Elektronen mit E kin von 70 eV eingesetzt, dadiese reproduzierbar stark fragmentierte Spektren liefern, die zur automatisiertenDatenbanksuche verwendet werden können.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 134

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungIonenquelle: Chemische Ionisation (CI)Das Reaktantgas z.B. Methan reagiert unter Elektronenbeschuß zu ionisiertenVerbindungen:CH 4 + e - → CH 4+•+ CH 3+CH 4+•+ CH 4 → CH 5++ CH 3•CH 3+ + CH 4 → C 2 H 5++ H 2CH 5+ + XH → CH 4 + XH 2+Protonentransfer Molpeak (M+1) +C 2 H 5+ + XH → X + + C 2 H 6 Hydridtransfer Molpeak (M-1) +Die Chemische Ionisation (CI) ist eine weiche Ionisierungsmethode. Ein Reaktandgas z.B.Methan (CH 4 ) setzt sich unter Elektronenbeschuss zu verschiedenen ionisiertenVerbindungen um , die mit den Analyten unter Protonen- oder Hydridübertragungreagieren. Der Fragmentierungsgrad ist geringer als bei der EI-Methode.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 135

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungVergleich Elektronenstoß- und Chemische IonisationDer Vergleich eines EI- mit einem CI-Massenspektrum von Glucose zeigt, dass bei derharten Ionisation EI praktisch alle Molekül-Ionen fragmentiert sind, bei der weichenIonisationsmethode CI dagegen nur wenige.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 136

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungMassenanalysatorenDie in der Ionenquelle erzeugten Ionen müssen nach ihren Masse-Ladungsverhältnissenm/z getrennt werden. In der Regel erhält man einfachgeladenen Ionen ( z = 1). Dazu werdenverschiedene Massenanalysatoren benutzt. Je nach Anwendung werden verschieden hoheAuflösungen benötigt.Auflösung R = m/Δm mit m = Nennmasse des 1. PeaksEin Spektrometer, welches eine Masse von z.B. 500 und 500,1 separat darstellen kann,besitzt demnach die Auflösung R = 500/0,1 = 5000.Kommerzielle Geräte besitzen Auflösungen zwischen 500 und 500.000.Mit hoch auflösenden Geräten können auch verschiedene Molekülionen mit gleicherNominalmasse unterschieden werden.z.B.: N 2+ (28,0061) und CO + (27,9949)außerdem können sehr genau anhand von Isotopenmustern die Summenformeln einesMoleküls ermittelt werden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 137

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungMassenanalysatorenDie Auflösung R eines Massenspektrometers wird im Wesentlichen vom Massenanalysatorbestimmt:•Sektorfeld•Doppelfokussierendes Sektorfeld•Quadrupol•Time of flight (TOF)•(Ion trap)Wir werden kurz die wichtigsten Typen vorstellen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 138

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungMassenanalysatoren: MagnetsektorfeldgeräteMagnetsektorfeldgeräte sind die am längsten bekannten Massenspektrometer. Grundlage derTrennung ist die unterschiedliche Ablenkung bewegter Ionen im orthogonalen Magnetfeld.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 139

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungMassenanalysatoren: MagnetsektorfeldgeräteEs wirken die magnetischeAblenkungskraft (Lorentzkraft)•F M= B·ze·vmit B = mag. Flußdichte, e = Ladungund v = Ionengeschwindigkeit•und die beharrende Zentripetalkraft•F Z= mv²/ rmit r = KrümmungsradiusDamit der Sektor durchquert werden kann,müssen beide Kräfte gleich groß sein.E kin= ½ mv² = ze U (kinet. Energie der Ionen)Magnetsektorfeldgeräte sind die am längsten bekannten Massenspektrometer. Grundlage derTrennung ist die unterschiedliche Ablenkung bewegter Ionen im orthogonalen Magnetfeld.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 140

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungDoppelt fokussierende MassenspektrometerDoppel fokussierende Massenspektrometer gehören zu den höchstauflösenden aber auch teuerstenGeräten. Bei normalen Magnetsektorfeldgeräten wird die Auflösung durch leicht unterschiedlichekinetische Energie der Ionen begrenzt. In dem vor geschalteten elektrostatischen Selektor werden dieseEnergieabweichungen minimiert. Es werden Auflösungen R größer 10 5 erreichtProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 141

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungQuadrupolmassenspektrometerEin kompakter, robuster und relativ billiger Gerätetyp ist das Quadrupolspektrometer. Es besteht aus 4Metallstäben als Elektroden, an denen paarweise eine Gleichspannung und eine um 180° zwischen denPaaren phasenverschobene Hochfrequenzspannung anliegt. Die Ionen werden dadurch auf Spiralbahngezwungen. Bei vorgegebener Gleich- und Wechselspannung gelangen nur Ionen mit bestimmtemMasse-Ladungsverhältnis auf den Detektor. Durch Variation der Gleich- und Wechselspannung kann dergesamt Massenbereich durchgescannt werden. Mittlerweile ist das Quadrupolspektrometer trotzbegrenzter Auflösung (R < 1000) das Standardmassenspektrometer geworden.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 142

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungTOF = Time of flight-Analysatorfeldfreie DriftzoneDie Flugzeitmassenspektrometer (time of flight =TOF) nutzen zur Trennung die Tatsache aus, dass diegebildeten Ionen nach Passieren der Beschleunigungsstrecke die gleiche kinetische Energie E kinaberunterschiedliche Fluggeschwindigkeiten haben. Leichte Ionen erreichen den Detektor schneller alsschwere Ionen (Δt= 1-30 μs, R < 2000).Vorteile liegen in der Robustheit und dem unbegrenzten Massenbereich.Sie werden in Zusammenhang mit speziellen Ionisierungsmethoden (MALDI) zur Analyse von großenMolekülen, z.B. Proteinen eingesetztProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 143

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.2 Allgemeiner Aufbau und MessanordnungMALDI = Matrix assisted Laser Desorption IonisationDie MALDI-Ionisierungsmethode ist eine sehrschonende Methode um sehr schwere(Bio)moleküle in die Gasphase zu bringen undgleichzeitig zu ionisieren.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 144

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenDas MassenspektrumEI: 75 eVBasispeakOFragment-Ionen-PeaksMolpeak 98Im Massenspektrum wird das m/z-Verhältnis der registrierten Ionen gegen deren relative Intensitätaufgetragen. Das intensivste Ion wird immer auf die relative Intensität 100% (Basis Peak) gesetzt, dieIntensität aller anderen Peaks darauf bezogen. Der Peak mit der höchsten Masse (m/z) ist häufig derMolpeak mit seinen Isotopenpeaks (falls überhaupt sichtbar). Weiterhin sieht man Peaks, die durchFragmentierung des Molpeaks entstanden sind.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 145

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenMolekülmasse und SummenformelBenzamidinNHCNH 2M + = 120,069Die direkte Bestimmung von Summenformeln aus dem Molpeak gelingt nur mit Hilfe der hochauflösendenMassenspektrometrie über die Analyse der genauen Massen (Beispiel: Purin, Benzamidin undBenzophenon).Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 146

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenMolekülmasse und SummenformelEI: 75 eV Molpeak 168(M+1) + /M + = 6,8/92,1 = 7%Skoog,LearyO 2 NNO 2C 6 H 4 N 2 O 4(168)C 12 H 24(168)Molpeak 168(M+1) + / M+ = 1,4/9,8 = 14%Bei niedrig aufgelösten Spektren kann man versuchen einen Teil der Summenformel über das Isotopenmuster herauszufinden.Dabei nutzt man die bekannte natürliche Isotopenverteilung der wichtigsten Elemente.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 147

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenInterpretation von FragmentierungsmusternDie Interpretation von Fragmentierungsmustern ist im Vergleich zur IR- oder NMR-Spektroskopie schwieriger, da dieZerfallswege von ionisierten Molekülen häufig anders verlaufen, als die Reaktionen intakter Moleküle. Trotzdem sind fürbestimmte Substanzklassen charakteristische Zerfallsmuster bekannt und entsprechende Schlüsselfragmente undAbspaltungssequenzen bekannt, die in vielen Tabellen niedergelegt sind.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 148

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenInterpretation von FragmentierungsmusternC 3H 7+C 4H 9+C 5H 11+Beispiel Decan: In unverzweigten Alkanen oder Alkylgruppen findet man beispielsweise Abspaltungsserien vonFragmentionen, die sich jeweils um m/z = 14 (CH 2 ) unterscheiden. Die Peakmaxima liegen bei Bruchstücken mit 3 bis 5 C-AtomenProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 149

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenInterpretation von Fragmentierungsmustern4329721557Beispiel Butanon: In Verbindungen mit Heteroatomen, wie O, N, S werden aus den primär gebildeten Molekülionen α-ständige Bindungen zum Heteroatom gespalten. Im Falle des Ketons Butanon entstehen Acylkationen mit m/z = 57 und43.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 150

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.3 Analyse von einheitlichen SubstanzenRechnergestützte BibliothessuchsystemeModerne rechnergestützte MS-Systeme besitzen als integralen Bestandteil ihrer Software eine Datenbankmit z.T. tausenden von Vergleichsspektren.Der Rechner vergleicht automatisch das Fragmentierungsmuster des gemessenen Spektrums mit denin der Datenbank hinterlegten Spektren und gibt als Vorschlag eine Rankingliste mit den am bestenübereinstimmenden Strukturen aus. Der Übereinstimmungsfaktor (Matchfaktor 1000 - 1) ist ein Maß fürdie Güte der Übereinstimmung. Die endgültige Zuordnung trifft aber immer noch der Analytiker aufGrund von Plausbilitätsbetrachtungen.Die Programme erlauben meist auch die Erstellung eigener Strukturbibliotheken in denen selbstgemessene Spektren hinterlegt werden können.Routinemäßig wird heute von den meisten Anwendern diese rechnergestützte Auswertung genützt, essei denn, dass neue unbekannte Strukturen ermittelt werden müssen.Prof. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 151

5. Grundlagen der Massenspektroskopie (MS)5.4 Kopplung Chromatographie - MassenspektroskopieHeute werden routinemäßig Gaschromatographie und Flüssigchromatographiesysteme mit der Massenspektroskopiegekoppelt. Die Massenspektroskopie dient dabei als Detektor für die in der Chromatographieaufgetrennten Substanzen.Bei der Gaschromatographie (GC) an Kapillarsäulen sind die Trägergasströme häufig so gering, dass dieChromatographiesäule direkt mit der Ionisierungskammer des Massenspektrometers (z.B. Ionenfalle)verbunden werden kann.Bei der Flüssigchromatographie (LC) müssen zur Abtrennung des störenden LösungsmittelsSeparatoren zwischen den Chromatographen und das Massenspektrometer geschaltet werden. Hier 3Beispiele für solche Separatoren:Partikel-Strahl-oder Jet-Trennvorrichtung Thermospray ElektrosprayProf. Dr. N. Schön / Fb CuB "Grundlagen der Instrumentellen Analytik" 152