Molekülspektroskopie

Entdecken Sie unsere robusten, zuverlässigen und nachweisstarken UV/Vis-Spektralphotometer. Wir bieten UV/Vis-Geräte mit Doppelstrahl-, Mikrovolumen- und Diodenarray-Technologie für eine Vielzahl von Routine- und Spezialanwendungen.

Molekülspektroskopie

Auch, wenn wir sie häufig nicht sehen: Elektromagnetische Strahlung ist allgegenwärtig. Und überall dort, wo die elektromagnetischen Wellen auf Materie treffen, treten hochinteressante Wechselwirkungen auf. Radiowellen verändern den Kernspin einzelner Atomkerne, Mikrowellen lassen Moleküle rotieren und UV-Strahlung hebt die Valenzelektronen in Atomen auf ein höheres Energieniveau. Die analytische Chemie hat die vielseitigen Möglichkeiten der Spektroskopie früh erkannt und setzt spektroskopische Verfahren heute in verschiedensten Bereichen ein. Dabei haben sich vor allem die Atom- und Molekülspektroskopie bewährt.

Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Verfahrensgruppen liegt in der Wechselwirkung: Während bei der Atomspektroskopie die Elektronenübergänge präzise Linienspektren erzeugen, werden bei der Molekülspektroskopie sogenannte Bandenspektren mit dicht gehäuften Linien in zusammengesetzten, sich überlappenden Gruppen beobachtet. Die Ursache liegt in den vielseitigen molekularen Wechselwirkungen, dazu gehören neben den Elektronenübergängen auch Atomschwingungen und Molekülrotationen.

Die Analyse von Molekülspektren erlaubt es dem Anwender, sich umfassend über die untersuchte Probe zu informieren: Die Erkenntnisse reichen von Trägheitsmomenten, Rotationsfrequenzen und Energieniveaus über isotope Zusammensetzungen und die Kinetik chemischer Reaktionen bis zu Elektronenstrukturen. Zu den wichtigsten molekülspektroskopischen Verfahren gehören die UV/Vis-Spektroskopie, die Fluoreszenzspektroskopie, die Kernresonanzspektroskopie und die Nahinfrarotspektroskopie. Diese Messmethoden kommen jeweils bei unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Das Leistungsspektrum der UV/Vis-Spektroskopie reicht beispielsweise von der Untersuchung biologischer Proben über die Qualitätssicherung in der Lebensmittelindustrie bis zur Abwasseranalyse in der Chemieindustrie.

Moleküle, Schwingungen und Energie

Die Molekülspektroskopie macht sich zunutze, dass beim Auftreffen elektromagnetischer Strahlung auf Moleküle ein charakteristisches, frequenzabhängiges Linien- oder Bandenspektrum entsteht. Dieses Spektrum gibt Aufschluss über die Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie – eine Analyse des Spektrums erlaubt also Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Molekülstruktur. Bei den physikalischen Wechselwirkungen handelt es sich im Wesentlichen um Absorption, Streuung, Beugung und Reflexion elektromagnetischer Strahlung am Molekül.

Das Grundprinzip lässt sich eingängig am Beispiel der Absorption erläutern, welche auch in der UV/Vis-Spektroskopie zur Anwendung kommt. In den äußersten Orbitalen von Atomen befinden sich Valenzelektronen, die umgangssprachlich auch als Außenelektronen bezeichnet werden. Diese Elektronen sind beispielsweise in den p- und d-Orbitalen von Atomen angeordnet und können durch elektromagnetische Strahlung angeregt werden. Das bedeutet, dass die Elektronen in einen Zustand höherer Energie übergehen, indem sie Energie einer ganz bestimmten Wellenlänge absorbieren. Voraussetzung ist, dass die Energie des absorbierten Photons exakt der Differenz zwischen den beiden Energieniveaus entspricht.

Findet eine solche Anregung statt, so lässt sich die Stärke der Absorption (Extinktion) mithilfe des Lambert-Beer’schen Gesetzes bestimmen. Bei der Molekülspektroskopie machen sich chemische Analytiker genau diesen Umstand zunutze: Durch die gezielte Bestrahlung von Proben mit Licht einer bestimmten Wellenlänge und die Analyse der resultierenden Wechselwirkungen gelingt es, Rückschlüsse auf die molekulare Struktur zu ziehen.

Für jede Anwendung die passende Molekülspektroskopie

Die verschiedenen molekülspektroskopischen Verfahren unterscheiden sich im Wesentlichen in der Zusammensetzung des verwendeten Lichtspektrums: Je nach Wellenlängenspektrum werden in der untersuchten Probe unterschiedliche Wechselwirkungen hervorgerufen. Die wichtigsten molekülspektroskopischen Verfahren im Überblick:

UV/Vis-Spektroskopie

Die UV/Vis-Spektroskopie nutzt nur einen ganz bestimmten Bereich des Lichtspektrums. Dieser wird durch Wellenlängen zwischen 200 und 800 nm charakterisiert. Das Spektrum deckt daher sowohl einen sichtbaren Bereich als auch einen farblosen UV-Bereich ab. Strahlung mit weniger als 400 nm Wellenlänge wird vom menschlichen Auge als farblos wahrgenommen.

Das physikalische Prinzip der UV/Vis-Spektroskopie entspricht dem bereits beschriebenen Absorptionseffekt: Wenn die Photonenenergie des Lichtspektrums genau der Übergangsenergie der Elektronen in der untersuchten Probe entspricht, können Valenzelektronen in höhere Energiezustände übergehen. Die Stärke des Absorptionseffekts in der Probe lässt sich schließlich im Spektralphotometer ablesen und gibt Aufschluss über die Beschaffenheit des untersuchten Moleküls.

Das UV/Vis-Verfahren hat sich in verschiedenen Bereichen der analytischen Chemie fest etabliert. Die SPECORD PLUS Serie wird beispielsweise im Pharma- und Life-Science-Bereic, in der Lebensmittelindustrie sowie in der chemischen Industrie zur Untersuchung von Proben eingesetzt.

NIR-Spektroskopie

Die Nahinfrarotspektroskopie untersucht Proben mithilfe von elektromagnetischer Strahlung aus dem kurzwelligen Infrarotbereich (760 – 2.500 nm). Das Verfahren zielt darauf ab, in organischen Verbindungen kovalente Molekülbindungen in Schwingung zu versetzen. Die erzeugten Oberton- und Kombinationsschwingungen lassen sich statistisch auswerten und erlauben Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der analysierten Probe.

Die NIR-Spektroskopie erfreut sich vor allem bei der Analyse von landwirtschaftlichen, pharmazeutischen und chemischen Produkten großer Beliebtheit. Das Verfahren erlaubt beispielsweise die Bestimmung des Wasser- bzw. Feuchtegehalts in landwirtschaftlichen Produkten und lässt damit Rückschlüsse auf die Qualität der untersuchten Probe zu. In der Neurologie kommt die NIR-Spektroskopie zudem als bildgebendes Verfahren zur Messung der Gehirnaktivität zum Einsatz.

Übrigens: Analytik Jena vereint in der leistungsstarken SPECORD PLUS Serie die Vorteile des UV/Vis-Verfahren mit denen der NIR-Spektroskopie. Die präzisen Messgeräte der Serie sind in der Lage, einen Teilbereich des NIR-Spektrums bis 1.200 nm abzubilden und das Anwendungsspektrum dadurch zu erweitern.

Fluoreszenz-Spektroskopie

Anders als die UV/Vis- oder Nahinfrarotspektroskopie analysiert die Fluoreszenz-Spektroskopie nicht die Strahlungsabsorption, sondern beobachtet das von der Probe remittierte Fluoreszenzlicht. Das Verfahren macht sich dabei den unterschiedlich schnellen Ablauf der Wechselwirkungen nach der Anregung von Elektronen zunutze und nimmt speziell den Zeitraum zwischen der Absorption und der „Wiederaussendung“ eines Lichtquants (Fluoreszenz) unter die Lupe. Durch diese Vorgehensweise gelingt es, Eigenschaften biologischer Proben zu untersuchen, die anderen Verfahren verborgen bleiben.

Die Fluoreszenz-Spektroskopie unterscheidet sich auch im Geräteaufbau von absorptionsbasierten Messverfahren: So wird die Fluoreszenz im sogenannten Fluorimeter in der Regel in einem Winkel von 90 Grad gemessen. Dadurch gelingt es, eine Beeinflussung der Messergebnisse durch die Anregungsstrahlung zu vermeiden.

NMR-Spektroskopie

Die NMR-Spektroskopie (NMR=Nuclear Magnetic Resonance) wird im Deutschen auch als Kernspinresonanzspektroskopie bezeichnet und analysiert Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Atomkernen einer Probe. Das Verfahren macht sich den Effekt der Kernresonanz zunutze: Ist ein Atomkern einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt, kann es zu einer Anregung des Kernspins, also des Drehimpulses, kommen. Diese Anregung ist mit Übergängen zwischen Energieniveaus verbunden, welche sich als elektrischer Strom detektieren lassen.

Die Kernspinresonanzspektroskopie ist in der Lage, Proben zerstörungsfrei auf bestimmte Inhaltsstoffe zu untersuchen sowie Molekülstrukturen und Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu analysieren. Das Verfahren hat sich aber nicht nur in der chemischen Analytik bewährt, sondern findet auch in der Medizin als bildgebendes diagnostisches Verfahren (Kernspintomographie) Anwendung.

Der Aufbau eines Spektrometers

Moderne Spektrometer sind in der Lage, elektromagnetische Strahlung eines ganz bestimmten Wellenlängenspektrums zu erzeugen und dadurch Proben gezielt auf bestimmte Wechselwirkungen und strukturelle Eigenschaften zu untersuchen. Da die verschiedenen molekülspektroskopischen Verfahren jeweils auf verschiedenen Wellenlängenbereichen basieren, unterscheidet sich auch der Geräteaufbau je nach Messmethode.

Der Aufbau eines Spektralphotometers zur Analyse von Molekülen kann sich im Detail zwar unterscheiden, folgt in der Regel aber immer dem gleichen Grundprinzip. Eine Lichtquelle erzeugt elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Dieses Licht wird dann mithilfe einer Lichtzerlegungseinheit spektral zerlegt. Durch einen Ausgangsspalt wird ausschließlich das Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Probe geleitet. Die Wechselwirkung der Strahlung mit der Probe lässt sich schließlich mithilfe eines Detektors erfassen: Durch den Vergleich der Lichtintensitäten mit und ohne Probe können die Absorptionswerte analysiert werden, wodurch Rückschlüsse über die Zusammensetzung möglich sind.

Der hier beschriebene Aufbau des Spektrometers entspricht einem Monochromatorsystem, wie es unter anderem auch bei der SPECORD PLUS Serie zum Einsatz kommt. Der alternative Aufbau mit Polychromatorsystem verfolgt einen anderen Ansatz: Hier trifft das Licht zunächst mit seinem vollen Spektrum auf die Probe und wird erst danach in seine spektralen Bestandteile zerlegt.

Die wichtigsten Komponenten des Spektrometers im Überblick:

• Lichtquelle: Erzeugt Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich.
• Lichtzerlegungseinheit: Zerlegt die Strahlung in ihre spektralen Bestandteile.
• Probenraum: Hier befindet sich die Probe, meist in einer Küvette.
• Detektor: Erfasst die Intensität der Lichtstrahlung nach dem Auftreffen auf die Probe.

Neben den hier genannten Hauptkomponenten verfügen moderne Spektrometer über verschiedene optische Bauteile zur präzisen Bündelung und Leitung des Lichts durch den Versuchsaufbau.

Anwendungsfelder der Molekülspektroskopie

Neben den hier genannten molekülspektroskopischen Verfahren gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Messmethoden, mithilfe derer die chemische Analytik Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekülen untersucht. Das Anwendungsspektrum der Molekülspektroskopie ist entsprechend vielseitig und reicht von der Qualitätssicherung in der Lebensmittelindustrie über die Bestimmung von Defekten in der Elektro- und Halbleiterfertigung bis zur Überprüfung von Ausgangsstoffen in der chemischen Industrie.

Die folgenden Beispiele aus dem Bereich der UV/Vis-Spektroskopie stehen stellvertretend für die Vielzahl an molekülspektroskopischen Anwendungen:

• Pharma & Life Science: Ob Blut, Serum oder Plasma – die Molekülspektroskopie kann aus dem Absorptionsspektrum medizinischer Proben wertvolle Erkenntnisse gewinnen. Im Vordergrund steht meist die quantitative Analyse von Molekülstrukturen: So lassen sich beispielsweise die Reinheit und Konzentration von Proteinen präzise bestimmen.
• Lebensmittelindustrie und Landwirtschaft: Die Lebensmittelindustrie ist auf präzise analytische Methoden angewiesen, um strenge Qualitätsstandards nachweisbar zu erfüllen. Die UV/Vis-Spektroskopie spielt hier eine Schlüsselrolle, indem sie die molekularen Strukturen von Milchprodukten, Getränken, Fleischprodukten oder auch landwirtschaftliche Erzeugnisse unter die Lupe nimmt.
• Chemische Industrie: In der chemischen Industrie erleichtert die UV/Vis-Spektroskopie den Nachweis von Qualitätsmerkmalen wie Farbkonzentrationen an Flüssigkeiten oder Feststoffen. So lässt sich mithilfe einer Integrationskugel beispielsweise der Weißgrad von Zahnoberflächen oder der UV-Schutz von Sonnencreme bestimmen.