Infrarotspektroskopie

Question 1

Prinzip

Answer 1

Absorptionsspektrokopie von Molekülen im IR-Bereich. Anregung von Schwingungs- und Rotationszuständen

Unterteilung des IR Bereiche

Wellenlänge: 0,8 - 100 mikrometer

Wellenzahl: 10 - 12500 1/cm

Wellenzahl = 10^4/Wellenlänge

Question 2

Unterteilung IR-Bereiches

Answer 2

Nahes IR: Obertonschwingungen funktioneller Gruppen, Kombinationsschwingungen

Mittleres Infrarot: qualitative + quantitative Info über funktionelle Gruppen und Gesamtmolekül

Fernes infrarot: Rotation und Schwingung kristalliner Substanzen; Skelettschwingungen großer Moleküle

Question 3

Vorraussetzungen

Answer 3

Resonanzbedingung

Änderung des Dipolmoments

Quantifizierung (lambert-beer)

Question 4

Schwingungen symmetrischer Molküle

Answer 4

statisches Molekül

symmetrische Schwingung –> IR-inaktiv, da keine Änderung des Dipolmonents (aber Raman-aktiv)

asymmetrische Schwingung –> IR-aktiv, da Dipolmoment induziert wird und sich während der Schwingung ändert

Question 5

Schwingungsarten

Answer 5

Valenzschwingungen (=Änderung der Bindungsstärke)

Deformationsschwingung (=Änderung der Bindungswinkel)

–> lokalisierte Schwingung

und Molekülschwingungen

Question 6

Beziehung Molekülstruktur und Gruppenfrequenzen

Answer 6

Gruppenfrequenz: Frequenz der Normalschwingung einer funktionellen Gruppe

In erster Näherung unabhängig vom Restmolekül

abhängig von der Masse der beteiligten Atome

abhängig von der Bindungsstärke

–> beschreibbar durch das Modell des harmonischen Oszillators

Question 7

Nachteile

Answer 7

jede einzelne Wellenlänge

Langsamer Detektor

Question 8

Gerätetechnik

Answer 8

Einstrahlspektometer <-> Zweistrahlspektrometer

Scannende Spektrometer <-> Fourier Transform- Spektrometer
(Michelson-Inferometer)

Question 9

Charakteristika der FTIR

Answer 9

Schnelligkeit der Datenaufzeichnung: Ein Scan erfordert < 1 s (Im Extremfall bis zu 50 ms!)

Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses durch Messwiederholung SNR = proportional zu sqrt(Zahl der Messungen)

Optimale Ausnutzung der Detektorempfindlichkeit, da “gesamte” Intensität auf den Detektor fällt und nicht nur ein “monochromatischer Ausschnitt Lamde +- delta damda

Exzellente Wellenzahlengenauigkeit

Variable teilweise sehr hohe Auflösung /R = propotional 1/delta x)

Question 10

FTIR Strahlungsquellen

Answer 10

Globar: SiC STab auf 1500 ^C im direkten Stromdurchgang erhitzt

Nernst Strahler Si(Zr, Ce, La)O_x Stab, der auf 1200 - 2200 °C erhitzt wird

[schwarze Strahlungskörper]

Question 11

FTIR Detektoren

Answer 11

Halbleiter Detektoren

Pyroelektische Detektoren

thermische Detektoren

Question 12

Gase

Answer 12

Gaskvetten: Einfach- oder Vielfachreflexionsküvetten,
physikalische Länge 10 cm - 1 m
optische Wellenlänge bis zu 100 m

Question 13

Open Path FTIR Spektroskopie

Answer 13

Feldmessungen mit optischen Weglängen bis zu einigen 100 m zwischen optischen Weglängen bis zu einigen 100 m zwischen Quellen und Detektor

Question 14

Flüssigkeiten

Answer 14

Reinsubstanzen: Messung als Dünnfilm zwischen zwei optischen transparenten Fenstern (KBr, NaCl, CaF_2, ..)
Schichtdicke; d = 5 - 500 Mikrometer

verdünnte Substanzen: Küvetten mit d = 0,1 - 1 mm: Lösungsmittelflüssigkeit muss IR transparent sein

Gemische: nach Auftrennung mittels GC-(FT)IR

Question 15

Feststoffe

Answer 15

KbR Presslinge: Verpressen von ~1 mg Probe mit ~ 300 mg KBr unter hohem Druck zu Presslingen
(Problem: hygroskopisch, nicht quantitativ, Streueffekte)

Suspension in Nujol: Nujol = C25-KW
(Problem: zusätzliche Banden durch Nujol, Streueffekte)

Abgeschwächte Totalreflexion; sehr universelle Form der Probenvorbereitung, nicht nur für Feststoffe

[Adsorption meist zu stark]

Question 16

Abgeschwächte Totalreflexion (ATR)

Answer 16

selektive Abschwächung der an einer Phasengrenzfläche totalreflektieren Strahlung durch spezifische Absorption der anliegenden Probe

[Brechungsgesetz]

Question 17

ATR Vorraussetzung

Answer 17

Brechungsindex des ATR-Prismas oder-Kristalles größer als der des angrenzenden Mediums

Question 18

ATR Informationstiefe

Answer 18

ein bis einige mikrometer (abhängig von n_1 und n_2 und dem Einfallswinkel

Question 19

ATR Anwendungen

Answer 19

Oberflächen- und Dünnfilmanalytik, Messung in stark absorbierenden (flüssigen) Medien, Prozessanalytik

Question 20

Einsatzgebiete FTIR - Strukutranalyse

Answer 20

Insbesondere
- in Verbindung mit anderen spektroskopischen Techniken (UV, MS, NMR) oder
- mit Vorinformationen (z.B. Ausgangsprodukt in einer Reaktionssequenz)
- oder anderen Zusatzinformationen (z.B. organische Elementaranlytik)

Identifikation unbekannter Substanzen durch
- Interpretation der Spektren oder
- Suche in Spektrenbibliotheken

Question 21

Einsatzgebiete FTIR - Qualitative verbindungsspezifische Analyse
eifenschaften

Answer 21

(=Substanzidentifikation anhand des charakteristischen IR-Spektrums)

• meist über Vergleich mit (digitalen) Spektrenbibliotheken
• schnell
• zerstörungsfrei
• erfordert minimale Probenvorbereitung
• mäßige Empfindlichkeit (mikrogramm)

Question 22

Einsatzgebiete FTIR - Quantitative verbindungsspezifische Analyse

Answer 22

• meist in Verbindung mit vorhergehender Trennung von Gemischen (GC, auch DC)
• für die Gasanalyse (als dispersives und nicht-dispersives Verfahren; NDIR = nicht-dispersive IR-Spektrometrie –> sehr wichtig für Umwelt- und Prozessanalytik)

Question 23

Einsatzgebiete FTIR - Oberflächenanalyse

Answer 23

• mittels ATR-IR-Spektroskopie
• mittels IR-Mikroskopie –> für Untersuchung von Adsorbaten z.B. in der Katalysenforschung