Spektroskopie

im IR- und UV/VIS-Bereich

Spektrometer

Dr. Thomas SchmidHCI D323

schmid@org.chem.ethz.ch

http://www.analytik.ethz.ch

Allgemeiner Aufbau einesSpektrometers

d

I0

IProbe

Lichtintensität

Abstand

Strahlungs-quelle

Monochromator Probenzelle(Küvette)

Detektor Signalerfassungund

-auswertung

UV- und VIS-Bereich: Anregung elektronischer Übergänge in den äußeren Schalen

(Valenzelektronen, chemische Bindungen, nichtbindende Orbitale)

IR-Bereich:Anregung von Molekülschwingungen

Monochromatoren I: Prisma

• Wellenlängendispersion von Prismen isteine nichtlineare Funktion derWellenlänge, daher werden heute fastausschließlich Gitter verwendet, da derenDispersion linear mit der Wellenlängeverknüpft ist

Dispersion eines Prismas

Monochromatoren II: Gitter

Konstruktive Interferenz, nur wennm λ = d sin Θ

(Braggsches Gesetz)

m .... Ordnung (natürliche Zahl)λ ..... Wellenlänged ..... Gitterkonstante (Abstand zwischen zwei Gitterlinien)Θ .... Einfallswinkel

Monochromatoren II: Gitter

Czerny-Turner-MonochromatorA ... Polychromatisches Licht E ... Folussierender SpiegelB ... Eintrittsspalt E ... Gitter F ... AustrittsspaltC ... Kollimierender Spiegel G ... Monochromatisches Licht

Diodenarray-Spektrometer

• Schnelle Spektrenaufzeichnung (gesamtes Spektrum gleichzeitig)

• Mechanisch robust, da keine beweglichen Teile

• Gut miniaturisierbar

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer 1 IR-Quelle 2 Spiegel 3 Blendenrad 4 Spiegel

5 Strahlteiler 6 Feststehender

Spiegel 7 Beweglicher

Spiegel

8 Spiegel 9 Probenraum10 Probe11 Spiegel12 Detektor

13 HeNe-Laser(λ = 632.8 nm)

14 Optik15 Spiegel16 Spiegel17 Detektor

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

Michelson-Interferometer

Sinus.xls

1 Von der IR-Quelle kommender Strahl 4 Feststehender Spiegel2 Strahteiler mit aktiver Fläche 3 5 Beweglicher Spiegel

6 Strahl zum Detektor

http://www.ir-spektroskopie.de/

Messarm

Ref

eren

zarm

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

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Grau: Strahl des ReferenzarmsPink: Strahl des MessarmsRot: Aus der Interferenz resultierender Strahl

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/3/anc/ir_spek/ir_geraete.vlu/Page/vsc/de/ch/3/anc/ir_spek/ir_spektroskopie/ir_geraetetechnik/ir_8_5/ftirspektr_mzu0703.vscml.html

http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

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http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

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http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/3/anc/ir_spek/ir_geraete.vlu/Page/vsc/de/ch/3/anc/ir_spek/ir_spektroskopie/ir_geraetetechnik/ir_8_5/ftirspektr_mzu0703.vscml.html

http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie

Sinus.xls

Fourier-Transform(FT)-SpektrometerFourier-Transformation (FT)

FT

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ma/1/mc/ma_12/ma_12_01/ma_12_01_01.vlu.html

http://www.chemgapedia.de – Reelle Fouriersynthese

Fourier-Transform(FT)-SpektrometerFourier-Transformation (FT)

FT

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http://www.chemgapedia.de – Reelle Fouriersynthese

Fourier-Transform(FT)-SpektrometerFourier-Transformation (FT)

FT

Fourier-Transform(FT)-SpektrometerFourier-Transformation (FT)

Helium-Neon-Laser (HeNe): λ = 632.8 nm

Fourier-Transform(FT)-SpektrometerZusammenfassung

InterferometerDas Interferogramm (Signalintensität vs. Spiegelweg) entspricht dem

Spektrum in der Zeitdomäne(zeitlicher Verlauf der elektromagnetischen Wellen)

Fourier Transformation (FT)FT transformiert das Spektrum in die Frequenzdomäne

IR-Spektrum(Signalintensität vs. Wellenzahl)

FT

Fourier-Transform(FT)-SpektrometerVorteile eines FT-IR-Spektrometers

• Keine Schlitze hoher Lichtdurchsatz

• Alle Frequenzen werden gleichzeitig gemessen

• Hohe Wellenlängenpräzision (Die Kalibrierung ergibt sich automatisch aus der Position des Interferenzmaximums und den Abständen der Interferenzmaxima des HeNe-Lasers)

• Hohe Auflösung über einen grossen Spektralbereich

Maximale Auflösung: ! !" cm-1#$ %& =

1maximaler Wegunterschied cm-1#$ %&

SpektrometerEs müssen immer Referenz- und Probenspektrum gemessen werdenReferenzspektrum: Luft oder Probengefäss und -matrix ohne Analyten

Einstrahlspektrometer: Referenz- und Probenspektrum werden nacheinander gemessenZweistrahlspektrometer: Beide Spektren werden gleichzeitig gemessen

(zwei parallele Strahlengänge)

Spektrometer

Zweistrahlspektrometer mit Gittermonochromator

Spektrometer

• UV/VIS-Spektroskopie

• (Prismenmonochromator)• Gittermonochromator• Diodenarrayspektrometer (meistens mit Beugungsgitter)

• IR-Spektroskopie

• (Gittermonochromator)• FT-IR-Spektrometer