Funktionsprinzip eines Absorptionsspektrometers

1. Elektromagnetische Strahlung

Das, was man gemeinhin als (farbiges) "Licht bezeichnet, ist nur ein kleiner Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung. Bei dem in Abbildung 1 gezeigten Spektrum nimmt die Energie der Strahlung von links nach rechts zu. Das ist bei Betrachtung der verschiedenen Strahlungsarten auf der unteren Skala durchaus einleuchtend. So kann man beim Aufwärmen einer Pizza in einem Mikrowellenofen oder beim Radio hören auf eine Bleiweste verzichten, jedoch sollte man bei Röntgenuntersuchungen unbedingt auf eine solche bestehen, wenn die Familienplanung noch nicht abgeschlossen ist.



Abbildung 1: Das elektromagnetische Spektrum.

Verantwortlich für den "Energiegehalt" der Strahlung ist ihre Wellenlänge. Ihr Formelzeichen ist das kleine griechische Lambda: λ. Die Wellenlänge ist der räumliche Abstand zwischen zwei Wellenbergen oder -tälern einer Welle (siehe Abbildung 2). Ihre Einheit muss folglich eine Länge sein. Die Angabe der Wellenlänge erfolgt in der Spektroskopie aus praktischen Gründen nicht der SI-Einheit "Meter" sondern in Nanometern (nm); ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters: 1 nm = 10-9 m.



Abbildung 2: Wellenlänge λ.

Betrachtet man die Skalen in Abbildung 1 genau, stellt man fest, dass die Energie der Strahlung anti-proportional zur Wellenlänge ist. Also: Je kürzer die Wellenlänge, desto größer die Energie der Strahlung. Die unterschiedlichen Arten der elektromagnetischen Strahlung werden in der Chemie in den verschiedensten Methoden der Spektroskopie eingesetzt:


Die im Verlaufe des B2- und B4-Praktikums durchgeführten Spektroskopie-Versuche nutzen Strahlung aus dem UV/VIS-Bereich des Spektrums. Hier werden also zur elektronischen Anregung der Moleküle Bereiche des ultravioletten (UV) und des sichtbaren (VIS, von englisch: visible) Lichtes genutzt. Tatsächlich nimmt das menschliche Auge nur Strahlung wahr, die etwa zwischen 400 nm und 700 nm liegt. Für Strahlung mit kleineren oder größeren Wellenlängen ist das menschliche Auge hingegen blind. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der UV/VIS-Spektroskopie um eine elektronische Anregung der Moleküle. Dabei werden bestimmte Elektronen des Moleküls von besetzten in energetisch höher liegende unbesetzte Orbitale angehoben. Die Energie, die dazu aufzubringen ist, erhält das System aus dem eingestrahlten Licht, indem es die Wellenlängen "passender" Energien absorbiert.

Theoretischer Hintergrund und Aufbau

Wenn chemische Verbindungen mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken, können sie Licht unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren. Erfolgt die Absorption von Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums (λ ≈ 400 nm bis 750 nm), so erscheint das Objekt (die Verbindung) dem Betrachter in der entsprechenden Komplementärfarbe - also der im Farbkreis (Abbildung 3 links) gegenüberliegenden Farbe. So absorbiert β-Carotin, der Farbstoff aus Karotten, Wellenlängen um die 450 nm (blau, siehe Abbildung 3 rechts); bekanntermaßen sind Karotten orange.



Abbildung 3: Links: Farbkreis --- Rechts: Absorptionsspektrum von β-Carotin.

Während der Absorption verändert sich die Energie des Moleküls; es nimmt zum Teil die Energie des Lichtes auf. In welchem Bereich des Lichtes es zu einer Anregung der Moleküle kommt, lässt sich durch die Aufnahme eines Absorptionsspektrums feststellen. Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Zweistrahlphotometers:



Abbildung 4: Schematische Darstellung eines Zweistrahl-Absorptionsspektrometers.

Ein Photometer kann grob in vier Teile eingeteilt werden: Lichtquelle, Monochromator, Probe und Detektor. Die Lichtquelle, in der Regel eine Halogenlampe, sendet polychromatisches Licht (von griechisch: poly-chromos; viel-farbig) aus. Der Monochromator "zerlegt" dieses Licht in monochromatisches Licht, also Strahlung einer bestimmten, einstellbaren Wellen-länge. Die Zerlegung erfolgt, wie in Abbildung 4 dargestellt, mit Hilfe eines Prismas oder mit einem Gitter. In dem hier vorgestellten Zweistrahl-Absorptionsphotometer wird der Lichtstrahl nach dem Austritt aus dem Monochromator geteilt. Als Strahlteiler kann z. B. einen halbdurchlässiger Spiegel dienen. Der eine Teil des Lichtes trifft nun auf die Probesubstanz in der Küvette, wo ein Teil des Lichtes absorbiert wird (oberer Strahlengang). Der andere Teil des Lichtes wird gleichzeitig durch eine Küvette geleitet, in dem sich das zum Lösen der Probe verwendete Lösungsmittel befindet (unterer Strahlengang). Diese Referenzmessung ist unbedingt erforderlich, um das Messergebnis nicht zu verfälschen. Uns interessiert bei dieser Messung ausschließlich die Absorption der Probesubstanz. Jedoch kann auch das Lösungsmittel absorbieren und Licht kann an der Küvette reflektiert oder gestreut werden. Diese Effekte können durch die Referenzmessung eliminiert werden. Jeweils ein Detektor misst die durch die Probe tretende Intensität I (oberer Strahlengang) und ein Computer errechnet aus I und I0 (unterer Strahlengang) die Transmission T der Probe:

T = I/I0

Zwischen der Absorption A und der Transmission T besteht ein Zusammenhang, der sich ausdrücken lässt als:

A = - log T = - log I/I0

Des Weiteren ist A proportional zur Konzentration der absorbierenden Moleküle c und der Schichtdicke der Probe d. Das Lambert Beer'sche Gesetz fasst die Abhängigkeiten zusammen:

A = ε · c · d

Dabei ist ε der Proportionalitätsfaktor.
In einem Einstrahl-Absorptionsphotometer befindet sich, wie der Name schon sagt, nur ein Strahlengang. I0 und I können folglich nicht gleichzeitig gemessen werden. Man verfährt jetzt so, dass vor jeder (!!) Messung zunächst die Referenzküvette mit dem Lösungsmittel vermessen wird. Der erhaltene Wert wird gespeichert (siehe Anhang im Praktikumsskript) und anschließend kann die Probe vermessen werden. Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Einstrahlphotometers:



Abbildung 5: Schematische Darstellung eines Einstrahl-Absorptionsspektrometers.

Praktische Hinweise zu den Spektrometerversuchen.

Wie man aus Gleichung (2.3) entnehmen kann, lässt sich mit Hilfe von Photometermessungen die Konzentration c von absor-bierenden Substanzen in Lösung bestimmen. Die Messungen werden in speziellen Gefäßen, den Küvetten (siehe Abbildung 6), durchgeführt. Sie sind aus Glas oder Kunststoff hergestellt und weisen planparallele Seitenflächen auf. In der Regel ist ihr Abstand auf 10.0 mm genormt, sodass man für die Schichtdicke d in Gleichung (2.3) fast immer 1 cm einsetzen kann.



Abbildung 6: Küvetten.

Um gute Messwerte zu erhalten, muss sauber gearbeitet werden! Beim Arbeiten mit Küvetten sollte deshalb Folgendes beachtet werden:

Jetzt kann es endlich losgehen!
Die Küvette sollte nun auch in der richtigen Position in die Küvettenhalterung im Photometer gestellt werden. Sonst liefert auch das sauberste Arbeiten schlechte Ergebnisse. Schlecht ist auch, wenn in der Küvette so wenig der zu untersuchenden Flüssigkeit enthalten ist, dass nur Luft vermessen werden kann. Die Goldene Regel hierzu lautet: Mit einer Pipette ausreichend viel Lösung in die Küvette geben, aber nicht so viel, dass man sich beim Entnehmen oder Transportieren der Küvette alles über den Kittel oder in das Photometer gießt.

Weitere Informationen

Spektrometer

In den Abbildungen 4 und 5 ist die "Zerlegung" des Lichtes mit Hilfe eines Prismas gezeigt. Ursache für die Auffächerung von weißem Licht in ein Spektrum ist, dass sich die verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark am Prisma-Medium brechen. Dieser Effekt wird als Dispersion bezeichnet (bei Wikipedia findet man dazu einen netten animierten Artikel). In Photometern sucht man jedoch heutzutage vergeblich mach einem Prisma, denn die Licht-Zerlegung erfolgt fast ausschließlich mit Hilfe von Gittern. Jetzt ist Gitter nicht gleich Gitter es gibt "grobe" und "feine" Gitter, die sich in der Anzahl ihrer Striche pro Längeneinheit unterscheiden. Ein in einem Gitterspektrographen verwendetes Gitter weist zum Teil mehrere tausend Striche pro mm (!) auf. Hergestellt werden solche extrem feinen Gitter mit Hilfe der Holographie-Technik, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Die Auffächerung von Licht an einem Gitter ist nichts Exotisches oder speziell Spektroskopisches: Wer die Rückseite einer CD im Licht betrachtet, beobachtet den selben Effekt. Die Informationen, die sich auf der CD befinden, sind in kleinen Rillen gespeichert, die offensichtlich so nahe zusammen liegen, dass die Aufspaltung von weißem Licht in ein Spektrum erfolgen kann (anders als bei einer Schallplatte, deren Rillen zu weit auseinander liegen).
Jetzt bleibt die Frage, warum nun ein Gitter so viel besser sein soll als ein Prisma. Die Verwendung von Gittern hat allein praktische Gründe: Um die Wellenlänge zu verändern, müssen sowohl Gitter als auch Prisma leicht gedreht werden. Dies ist bei Gittern technisch einfacher zu realisieren, denn die Veränderung des Drehwinkels ist genau proportional zur Veränderung der Wellenlänge. Beim Prisma ist dies nicht der Fall, weshalb ein Prisma auf einer Vielzahl genau platzierter und geformter Ei-förmiger Scheiben fixiert ist, die sich gegeneinander drehen. Das klingt schon viel komplizierter und reparaturanfälliger als bei einem Gitter und so ist es auch...

Küvetten

Möchte man Substanzen spektroskopisch untersuchen, gilt: Küvette ist nicht gleich Küvette! Je nach Material sind Küvetten für Licht bestimmter Wellenlängenbereiche undurchlässig. Dieses Problem besteht hauptsächlich bei Messungen im UV-Betreich des Spektrums, wie Abbildung 7 zeigt. Küvetten aus normalem Glas und Kunststoffe (PS = Polystyrol, PMMA = Polymethylmethacrylat,) sind für UV-Licht nicht transparent. Die Küvetten absorbieren also das Licht, welches eigentlich zur Anregung der Probenmoleküle gedacht war. Entsprechend ist die Transmission, also der Anteil der durchgelassenen Strahlung, solcher Küvetten gering (0 % = Küvette undurchlässig). Wählt man hingegen das erheblich teurere Quarzglas als Küvettenmaterial (Quarzglas ist hochreines SiO2), kann der Messbereich weiter in den UV-Bereich verschoben werden. Man sollte sich also vor der jeweiligen Messung überlegen, in welchen Bereichen die Probe in etwa absorbiert und die Küvette entsprechend auswählen. Nähere Informationen zu Küvettenmaterialien und den Kennzeichnungen unter: www.hellma-worldwide.de.



Abbildung 7: Transmissionsbereiche unterschiedlicher Küvettenmaterialien.

Jetzt kann man in die Verlegenheit kommen (spätestens Im PC-Praktikum im 5. Semester), nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Gase spektroskopisch untersuchen zu wollen oder zu müssen. An einer passenden Küvette soll es nicht scheitern; Abbildung 8 zeigt eine spezielle Gasküvette. Da Gase bekanntlich eine geringere Dichte als Flüssigkeiten oder Feststoffe aufweisen, ist der Probenraum abschließbar. Die schichtdicke d ist im Vergleich zu Flüssigkeitsküvetten (d = 1 cm) erheblich größer (bis zu 20 cm und mehr). Als Fenster dienen wiederum Quarzglas oder speziell gepresste Salze (z. B. KBr, das IR-transparent ist).



Abbildung 8: Gasküvette.