Absorptionsspektroskopie

Was ist die Absorptionsspektroskopie?

Um es einfach auszudrücken, bei der Absorptionsspektroskopie handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Menge an Licht, die von einer Probe auf ihrem Weg durch ein Medium absorbiert wird, gemessen wird. Der Grad dieser Absorption - und damit die Intensität des durchgelassenen Lichts - ist eine Funktion der Eigenschaften und der Konzentration der Probe. In Form einer mathematischen Gleichung wird das Lambert-Beersche Gesetz verwendet, um die Beziehung zwischen der Lichtabsorption und der Konzentration und Länge des Pfades (die Distanz, die das Licht durch die Probe zurücklegt) zu berechnen. In Formel: \[ A = \varepsilon \cdot c \cdot l \] wobei

• \(A\) die Absorption darstellt,
• \(\varepsilon\) der molare Extinktionskoeffizient ist,
• \(c\) die Konzentration der Probe ist und
• \(l\) die Pfadlänge darstellt.

Die Auswirkungen bestimmter Faktoren auf die Absorption können mittels Variation der einzelnen Parameter in obiger Formel bestimmt werden.

Absorptionsspektroskopie Definition

Definieren wir die Absorptionsspektroskopie in technischen Begriffen, so versteht man darunter eine analytische Methode zur Quantifizierung einzelner chemischer Substanzen, indem die Stärke der Absorption von Lichtwellen (oder Photonen) bei spezifischen Wellenlängen, Energiepegeln oder Frequenzen durch chemische Substanzen gemessen wird.

Absorptionsspektroskopie: Prinzip und Funktionsweise

Im Herzen der Absorptionsspektroskopie liegt das Wechselwirkungsprinzip – das Licht, das auf eine Probe trifft, wird absorbiert und führt zu elektronischen Anregungen innerhalb der Atome oder Moleküle der Probe. Wie bereits erwähnt, hat jeder einzelne Stoff seine spezifischen Lichtabsorptionseigenschaften – ähnlich wie einen Fingerabdruck. Daher können durch die Untersuchung des absorbierten Lichtspektrums Rückschlüsse auf die in der Probe vorhandenen Stoffe gezogen werden. Die Funktionsweise eines Absorptionsspektroskopiegeräts kann in drei grundlegende Schritte unterteilt werden:

1. Lichtquelle erzeugt Licht mit einem bekannten Spektrum.
2. Das Licht wird durch die Probe geschickt.
3. Ein Detektor misst das Spektrum des durchgelassenen Lichts.

Die Differenz zwischen dem ursprünglichen Spektrum und dem durchgelassenen Spektrum gibt Aufschluss über die in der Probe vorhandenen Substanzen.

Spezifische Arten der Absorptionsspektroskopie

Die Absorptionsspektroskopie kommt in unterschiedlichen Formen vor, die jeweils für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Drei gängige Arten, die in den Ingenieurwissenschaften häufig verwendet werden, sind die UV-VIS Absorptionsspektroskopie, Laser Absorptionsspektroskopie und Transiente Absorptionsspektroskopie.

UV-VIS Absorptionsspektroskopie einfach erklärt

Die UV-VIS Absorptionsspektroskopie bezieht sich auf Absorptionsmessungen im ultravioletten (UV) und sichtbaren (VIS) Lichtbereich. Anders ausgedrückt: Hierbei wird untersucht, wieviel Licht einer bestimmten Wellenlänge von einer Probe absorbiert wird.Bei der UV-VIS-Spektroskopie wird das von einer Probe absorbierende Licht gegen die Wellenlänge des Lichts aufgetragen und schafft so ein Absorptionsspektrum. Dieses Spektrum spiegelt dann die Absorptionsbanden wider, die spezifisch für die in der Probe vorhandenen chemischen Spezies sind. Beschäftigen wir uns mit den Besonderheiten der UV-VIS Absorptionsspektroskopie, so stellen wir fest, dass diese Technik die Quantifizierung von Chromophoren ermöglicht. Chromophoren sind Teile von Molekülen, die Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren können. Typische Anwendungen der UV-VIS Absorptionsspektroskopie umfassen:

• Analyse von Lebensmittel- und Getränkeproben
• Biochemische Untersuchungen
• Umwelt- und Wasseranalytik

Laser Absorptionsspektroskopie: Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Die Laser Absorptionsspektroskopie unterscheidet sich von der UV-VIS-Spektroskopie durch die Verwendung von Laserlichtquellen. Dabei handelt es sich um sehr fokussierte und intensiv strahlende Lichtquellen mit einer bestimmten Wellenlänge. Mit solch präzisen Lichtstrahlen kann die Laser Absorptionsspektroskopie die Intensität des absorbierten Lichts genau messen. Das ermöglicht hochgenaue Konzentrationsmessungen von Gasmolekülen in einer Probe, sogar auf mikroskopischer Ebene.Obwohl die beiden Techniken unterschiedlich erscheinen, gibt es grundlegende Gemeinsamkeiten zwischen UV-VIS- und Laser-Absorptionsspektroskopie. In beiden Fällen wird Licht auf eine Probe gerichtet und die absorbierte Menge gemessen. Weiterhin geben beide Methoden Aufschluss über die Konzentration bestimmter Moleküle in einer Probe.

Transiente Absorptionsspektroskopie im Detail

Die Transiente Absorptionsspektroskopie ist eine zeitaufgelöste spektroskopische Methode zur Untersuchung der dynamischen Prozesse in Atomen, Molekülen oder Festkörpern nach ihrer Anregung durch Licht. Herkömmliche Spektroskopietechniken messen den stabilen Zustand eines Systems, während die Transiente Absorptionsspektroskopie die zeitliche Entwicklung nach einer Anregung erfasst. Im Allgemeinen werden zwei Pulse verwendet - ein Anregungspuls, der die Probe in einen angeregten Zustand versetzt, und ein Sondierungspuls, der den Absorptionsspektrum der Probe misst, während sie zurück in ihren Grundzustand zurückkehrt.Jede dieser Absorptionsspektroskopietechniken hat ihre eigenen Stärken und Anwendungsbereiche. Jede Technik liefert auf einzigartige Weise detaillierte Informationen über chemische und molekulare Eigenschaften, die sowohl in Forschung als auch in Industrie äußerst wertvoll sind.

Durchführung und Interpretation einer Absorptionsspektroskopie

Die Durchführung der Absorptionsspektroskopie und die spätere Interpretation der gewonnenen Daten ist ein anspruchsvoller Vorgang. Dieser beinhaltet mehrere Schritte, die eng miteinander vernetzt sind. Beginnen wir mit dem ersten Schritt: Dem Aufbau und Verfahren.

Absorptionsspektroskopie Aufbau und Verfahren

Ein typischer Spektroskopieaufbau besteht aus einer Lichtquelle, einer Haltevorrichtung für die Probe (oft eine Küvette), einem Monochromator und einem Detektor. Die Lichtquelle emittiert Licht, das mithilfe des Monochromators auf spezifische Wellenlängen eingestellt wird. Die ausgewählten Lichtstrahlen treffen danach auf die Probe. Licht, das nicht von der Probe absorbiert wird, ist messbar durch den Detektor. Die Art der Lichtquelle und des Detektors hängen von der speziellen Spektroskopiemethode ab. Bei der UV-Vis-Absorptionsspektroskopie beispielsweise wird oft eine Deuteriumlampe als Lichtquelle und ein Photomultiplier als Detektor benutzt. Bei der Laser Absorptionsspektroskopie ist die Lichtquelle hingegen ein Laser, und der Detektor könnte zum Beispiel einem Photodioden sein. Nach der Durchführung der Messung wird die erhobene Absorptionsinformation oftmals in einer spektroskopischen Tabelle festgehalten, welche folgendermaßen aussehen könnte:

In obiger Tabelle entspricht jede Zeile einer spektralen Messung bei einer bestimmten Wellenlänge, und die Absorbance-Angabe stellt die Lichtintensität dar, die von der Probe absorbiert wurde.

Absorptionsspektroskopie Messung: Schritt für Schritt

Das Prozedere der Durchführung einer spektroskopischen Messung ist klar strukturiert:

1. Zuerst wird die Klinge bzw. der Detektorbereich gereinigt, um Verunreinigungen zu vermeiden.
2. Als nächstes wird das sogenannte "Blank", eine Lösung des Lösungsmittels ohne zu analysierende Substanz, in die Küvette gefüllt und das Gerät wird auf "Null" gesetzt. Das Blank dient zur Kalibrierung des Instruments und zur Eliminierung des Einflusses des Lösungsmittels.
3. Danach wird die Probe in die Küvette gefüllt und das Absorptionsspektrum aufgenommen.

Beim Schritt der Datenerhebung werden die Intensitäten des einfallenden (I0) und des durchgelassenen Lichts (I) gemessen. Die Absorption (A) wird dann mithilfe des log10 des Quotienten von I0 und I berechnet: \[ A = -\log_{10} \left(\frac{I}{I_{0}}\right) \]

Absorptionsspektroskopie Interpretation: Verstehen und Anwenden

Die Interpretation der Absorptionsspektroskopie-Daten basiert auf dem Verstehen der gesammelten Informationen in Form des Absorptionsspektrums. Das Spektrum zeigt die Absorbtionsintensitäten im Verhältnis zu den jeweiligen Wellenlängen. Hochabsorbierende Wellenlängenbereiche erscheinen als Peaks (Spitzen) im Spektrum. Jeder Peak korrespondiert mit einer spezifischen angeregten Zustandsübergang der analysierten Moleküle. Damit kann auf die in der Probe vorliegenden Substanzen geschlossen werden. Für eine detaillierte Identifizierung der Substanzen und ihrer Konzentrationen werden die ermittelten Spektren oftmals mit bekanntem Referenzmaterial verglichen. Hierbei spielen Referenzdatenbanken eine enorme Rolle, in denen Absorptionsspektren einer Vielzahl verschiedener Substanzen hinterlegt sind. In der Praxis geht die Interpretation jedoch über die einfache Identifizierung von Peaks hinaus und beinhaltet oft zusätzliche Analysen, um das Verhalten und die Wechselwirkungen der Substanzen in der Probe besser zu verstehen. Dazu können beispielsweise die Breite und Höhe der Peaks, die Lage der Peaks im Wellenlängenbereich oder das Gesamtbild des Spektrums herangezogen werden. Jedes dieser Merkmale kann wichtige Hinweise auf die Eigenschaften der Probe und ihre Inhalte liefern.

Licht und Absorptionsspektroskopie

Licht spielt in der Absorptionsspektroskopie eine entscheidende Rolle. Grundsätzlich ist Licht in diesem Zusammenhang als eine Welle aus sich bewegenden elektromagnetischen Feldern zu verstehen. Diese Wellen können unterschiedliche Energielevel oder Frequenzen repräsentieren, was wiederum als verschiedene Farben wahrgenommen wird, wenn es sich um sichtbares Licht handelt. Die jeweilige Farbe eines Lichtstrahls wird dabei durch seine spezifische Wellenlänge bestimmt. Diese spektralen Eigenschaften des Lichts ermöglichen es, bestimmte Substanzen durch ihre charakteristischen Absorptionsspektren zu identifizieren und zu quantifizieren. In der Absorptionsspektroskopie wird Licht einer bestimmten Wellenlänge - oder eines kontinuierlichen Spektrums von Wellenlängen - durch eine Probe geschickt. Ein Teil des Lichts wird von den Molekülen in der Probe absorbiert. Diese Absorption führt zu einer Verschiebung im charakteristischen Absorptionsspektren. Der restliche, nicht absorbierte, Lichtanteil kann messbar durch die Probe durchtreten und wird vom Detektor erfasst. Je nach Art und Zustand der Absorptionsspektroskopie-Technik können folgende Arten von Licht verwendet werden:

• Ultraviolettes Licht (UV)
• Sichtbares Licht (VIS)
• Infrarotes Licht (IR)
• Licht aus dem Röntgenbereich (X-Ray)

Jede Wellenlänge oder Energie hat ihre spezifischen Anwendungen und liefert unterschiedliche Arten von Informationen über die Probe, sodass die Auswahl der optimalen Wellenlängen bzw. der Lichtquelle je nach Anwendung und den spezifischen Anforderungen der Analyse erfolgt.

Licht-Absorption: Prinzipien und Auswirkungen in der Spektroskopie

Beim Prinzip der Absorption in der Absorptionsspektroskopie absorbiert ein Molekül Licht und erhöht dadurch seine Energie. Einfach ausgedrückt kann Licht als eine Welle aus elektromagnetischen Feldern betrachtet werden. Wenn ein Molekül Licht absorbiert, geschieht dies durch den Übergang eines Elektrons von einem niedrigeren Energieniveau zu einem höheren Energieniveau. Die Menge an absorbiertem Licht bei einer bestimmten Wellenlänge wird als Absorbanz bezeichnet und ist proportional zu der Konzentration der absorbierenden Moleküle in der Probe nach dem Lambert-Beer Gesetz: \[ A = \varepsilon \cdot c \cdot l \] In obenstehender Formel steht \(A\) für die Absorbance, \(\varepsilon\) für den molaren Absorptionskoeffizienten (eine Konstante, die für jedes Molekül und jede Wellenlänge unterschiedlich ist), \(c\) für die Konzentration des Moleküls in der Lösung und \(l\) für den optischen Weg (die Distanz, die das Licht durch die Probe zurücklegt). Für gewöhnlich sind die Folgen einer Absorption messbar. Wenn ein Molekül Licht absorbiert, kann dieses Phänomen über eine Veränderung der Lichtintensität \(I\) nachgewiesen werden, die vor und nach der Durchstrahlung der Probe auftritt. Diese Beobachtung und Messung von Lichtabsorption und deren Auswirkungen ist das grundlegende Prinzip hinter vielen wissenschaftlichen Untersuchungen und Analysen, einschließlich der genauen Untersuchung chemischer und physikalischer Eigenschaften einer Probe in der Absorptionsspektroskopie.

Absorptionsspektroskopie in der Praxis

Die Absorptionsspektroskopie ist in der Praxis eine weit verbreitete Methode, die in vielen Bereichen Anwendung findet. Sie wird in der Forschung, in industriellen Prozessen und sogar in der Umweltüberwachung eingesetzt.

Praktische Anwendungen der Absorptionsspektroskopie in der ingenieurwissenschaftlichen Forschung

In der ingenieurwissenschaftlichen Forschung ermöglicht die Absorptionsspektroskopie eine umfassende Charakterisierung und Untersuchung von Materialien. Durch die Messung der Interaktion von Licht mit Materialien kann man Aufschluss über ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften gewinnen. Hier sind einige spezifische Anwendungen:

• Materialcharakterisierung: Unter Verwendung der Absorptionsspektroskopie können Materialien auf mikroskopischer Ebene untersucht werden. Dies wird oft zur Identifikation von Verunreinigungen, zur Untersuchung von Oberflächenbeschaffenheit oder zur Bewertung der Materialkonsistenz verwendet.
• Strukturuntersuchungen: Aus den Absorptionsspektraldaten können strukturelle Informationen abgeleitet werden. Die Art und Lage der Peaks (Spitzen) im Spektrum liefert wertvolle Informationen über Struktur und Bindungen innerhalb des Materials.
• Konzentrationsbestimmung: Mithilfe der Absorptionsspektroskopie können Konzentrationen bestimmter Substanzen in einer Mischung oder Lösung präzise bestimmt werden. Das kann für die Routinemaßanalyse in Labors genutzt werden, um die Effizienz von chemischen Reaktionen zu ermitteln oder Substanzen zu quantifizieren.

Diese Anwendungen zeigen, wie vielseitig die Absorptionsspektroskopie in der ingenieurwissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden kann.

Beispiele für den Einsatz von Absorptionsspektroskopie in der Industrie

Die Absorptionsspektroskopie findet auch in der Industrie breite Anwendung. Sie wird hier eingesetzt, um die Qualität von Produkten zu überprüfen, Prozesse zu überwachen und die Effizienz von Anlagen zu bewerten. Einige Beispiele für den industriellen Einsatz sind:

• Pharmazeutische Industrie: Bei der Produktion von Arzneimitteln ist die Überwachung der Produktqualität von größter Bedeutung. Die Absorptionsspektroskopie kann dazu verwendet werden, um die Konzentrationen von Wirkstoffen und Hilfsstoffen in pharmazeutischen Mischungen zu überprüfen.
• Lebensmittelindustrie: um die Qualität von Lebensmitteln und Getränken zu sichern, können diese auf Verunreinigungen untersucht werden. Darüber hinaus kann die Absorptionsspektroskopie zur Bestimmung des Zuckergehalts in Fruchtsäften oder zur Prüfung des Alkoholgehalts in Bier und Wein herangezogen werden.
• Umwelttechnik: Zur Überwachung und Regulierung der Qualität von Luft, Boden und Wasser. Die Absorptionsspektroskopie kann dabei helfen, Schadstoffe zu identifizieren und deren Konzentrationen zu ermitteln.

Diese Beispiele verdeutlichen die weitgefächerte Einsatzbreite der Absorptionsspektroskopie in der Industrie. Je nach Anwendungszweck und Anforderungen können verschiedene Formen der Absorptionsspektroskopie, wie UV-Vis, Infrarot oder Röntgenabsorptionsspektroskopie, zum Einsatz kommen.