Spektroskopie
Ein Spektrum verbindet eine physikalische Wechselwirkung mit einem gemessenen Signal. Bevor ein Peak zugeordnet wird, müssen die Achsen und der Mechanismus identifiziert werden, der das Signal erzeugt.
Physikalischer Ursprung des Signals
Für ein Photon gilt E = hν = hc/λ. Wechselt Materie zwischen zwei Zuständen mit dem Energieabstand ΔE, erfüllt die resonante Photonenfrequenz ΔE = hν. Ein größerer Energieabstand entspricht daher einer höheren Frequenz und einer kürzeren Wellenlänge.
Das bedeutet nicht, dass jede mögliche Energiedifferenz eine starke Linie erzeugt. Quantenmechanische Auswahlregeln und die genaue Kopplung zwischen Strahlung und Materie bestimmen, ob ein Übergang erlaubt ist und wie intensiv er erscheint.
Bei der Absorptionsspektroskopieverliert die einfallende Strahlung bestimmte Photonenenergien, weil die Probe in höherenergetische Zustände angeregt wird. Bei der Emissionsspektroskopiegibt eine angeregte Probe Photonen ab, wenn sie in energieärmere Zustände übergeht. Dieselbe Energielücke kann daher in einem Experiment als Absorptionsmerkmal und in einem anderen als Emissionsmerkmal erscheinen.
Bei der Streuspektroskopiehat das detektierte Photon mit der Probe wechselgewirkt und seine Richtung geändert. Der größte Teil der Streuung ist elastisch; in der Raman-Spektroskopie tauscht jedoch ein kleiner Anteil der Photonen Energie mit Molekülschwingungen aus. Die Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts liefert dann Schwingungsinformationen, ohne die gewöhnliche IR-Absorption zu messen.
Ein isoliertes Atom besitzt elektronische Energieniveaus. Ein Übergang zwischen zwei Niveaus erzeugt eine genau definierte Photonenenergie, weshalb Atomspektren häufig relativ schmale Linien enthalten. Wasserstoff ist das klassische Beispiel: Die sichtbaren Balmer-Linien entsprechen Übergängen mit Endniveau n = 2, während die Lyman- und Paschen-Serien überwiegend im Ultraviolett beziehungsweise Infrarot liegen.
Moleküle besitzen mehr Möglichkeiten, Energie zu speichern. Elektronische Zustände enthalten Schwingungsunterniveaus, die wiederum Rotationsstruktur aufweisen. Viele dicht benachbarte Übergänge können sich daher zu Bandenüberlagern. In kondensierten Phasen werden sie durch Stöße und Wechselwirkungen mit benachbarten Molekülen zusätzlich verbreitert. Ein Molekülspektrum ist nicht „unordentlicher, weil das Instrument schlechter ist“; ein großer Teil dieser Komplexität gehört zum Molekül selbst.
Ein Spektrum lesen
Die horizontale Achse ist nicht universell. Je nach Methode kann sie die Wellenlänge λ, die Frequenz ν, die Photonenenergie E, die Wellenzahl ṽ in cm⁻¹ oder die chemische Verschiebung δ der NMR in ppm darstellen. Die vertikale Achse kann Intensität, Absorbanz, Transmission, Emissionszählungen oder eine andere Detektorantwort zeigen.
Das ist wichtig, weil sich die visuelle Richtung umkehren kann. In der IR-Spektroskopie werden Spektren häufig mit hohen Wellenzahlen links dargestellt. In einem Transmissionsspektrum erscheinen Absorptionen als nach unten gerichtete Merkmale; in einem Absorbanzspektrum zeigen dieselben Absorptionen nach oben. Vor einer chemischen Peakzuordnung müssen Achsen, Einheiten und Darstellungskonvention erkannt werden.
| Methode | Wechselwirkung | Typische Information |
|---|---|---|
| UV–Vis | Elektronische Übergänge | Absorption, Farbe, Konzentration |
| IR | Schwingungen | Bindungen und funktionelle Gruppen |
| Raman | Inelastische Streuung | Zu IR komplementäre Schwingungsinformation |
| NMR | Kernspins | Lokale Umgebungen und Verknüpfung |
Gängige Methoden
UV–Vis
UV–Vis-Strahlung regt häufig Valenzelektronen zwischen Molekülorbitalen oder elektronischen Zuständen an. Konjugierte π-Systeme und Übergangsmetallkomplexe sind typische Beispiele, weil ihre Energieabstände im UV- oder sichtbaren Bereich liegen. Die Absorption sichtbarer Wellenlängen erklärt auch Farbe: Eine Lösung erscheint farbig, weil bestimmte Bereiche des sichtbaren Lichts stärker absorbiert werden als andere.
UV–Vis ist besonders nützlich, wenn nicht nur eine absorbierende Spezies identifiziert, sondern auch ihre Konzentration gemessen werden soll. Die zentrale Beziehung ist das Beer-Lambert-Gesetz:
A = εbc
Dabei ist A die Absorbanz (dimensionslos), ε der molare Absorptionskoeffizient, häufig in L mol⁻¹ cm⁻¹, b die optische Weglänge in cm und c die Konzentration in mol L⁻¹. Bei einer gewählten Wellenlänge ist die Absorbanz proportional zur Konzentration, solange die chemische Form stabil bleibt und die experimentellen Bedingungen im linearen Bereich liegen.
Infrarot
Infrarotstrahlung kann Übergänge zwischen molekularen Schwingungszuständen anregen. Streck- und Deformationsfrequenzen hängen von der Bindungssteifigkeit, den Atommassen und der molekularen Umgebung ab. Eine starke C=O-Streckschwingungsbande liegt beispielsweise bei einer deutlich anderen Wellenzahl als der O–H-Streckbereich.
Eine Schwingung absorbiert IR nur, wenn sie das Dipolmoment des Moleküls verändert. Diese Auswahlbedingung erklärt die Bedeutung der Symmetrie und warum IR- und Raman-Spektren einander häufig ergänzen. Der dicht belegte Bereich niedrigerer Wellenzahlen, die Fingerprint-Region , kann für ein Molekül sehr charakteristisch sein, selbst wenn einzelne Banden schwer separat zuzuordnen sind.
Raman
Die Raman-Spektroskopie misst den kleinen inelastischen Anteil des gestreuten Lichts. Eine Molekülschwingung ist Raman-aktiv, wenn sie die Polarisierbarkeit des Moleküls verändert. IR-Aktivität setzt dagegen eine Änderung des Dipolmoments voraus. Da diese Bedingungen verschieden sind, kann eine in IR schwache oder fehlende Schwingung in Raman stark erscheinen, besonders bei symmetrischen Molekülen.
Diese Komplementarität ist nützlicher als die Aussage, eine Methode sei „besser“. Das Experiment sollte nach der physikalischen Wechselwirkung gewählt werden, die das interessierende Merkmal sichtbar machen kann.
NMR
Die Kernspinresonanz untersucht nicht primär Molekülschwingungen oder elektronische Farbe. Bestimmte Kerne besitzen Spin und können in einem Magnetfeld verschiedene magnetische Energiezustände einnehmen. Hochfrequenzstrahlung regt Übergänge zwischen ihnen an.
Die lokale Elektronenverteilung schirmt einen Kern geringfügig vom angelegten Feld ab. Deshalb resonieren chemisch unterschiedliche Wasserstoff- oder Kohlenstoffkerne bei verschiedenen chemischen Verschiebungen, üblicherweise in ppm angegeben. Signalzahl, chemische Verschiebung, integrierte Fläche und Spin-Spin-Aufspaltung liefern unterschiedliche Strukturinformationen. NMR eignet sich daher besonders dazu, die Verknüpfung von Atomen zu rekonstruieren, nicht nur dazu, nach einer vorhandenen funktionellen Gruppe zu fragen.
Berechnungen
Beer-Lambert
Ein Analyt besitzt bei seinem Absorptionsmaximum ε = 1,50 × 10⁴ L mol⁻¹ cm⁻¹. Eine Küvette mit 1,00 cm Schichtdicke ergibt A = 0,720. Dann gilt:
c = A/(εb) = 0,720 / [(1,50 × 10⁴)(1,00)] = 4,80 × 10⁻⁵ mol L⁻¹.
Die Rechnung ist einfach, die experimentelle Beurteilung nicht. Ein von null verschiedener Blindwert, Streulicht, Streuung, ein konzentrationsabhängiges chemisches Gleichgewicht oder Absorbanzwerte außerhalb des brauchbaren linearen Bereichs können die scheinbar lineare Beziehung unzuverlässig machen. Gute Spektrophotometrie verwendet daher Blindproben und meist eine Kalibrierreihe, statt einer einzelnen Gleichung blind zu vertrauen.
Photonenenergie
Eine Linie bei 486,1 nm entspricht ungefähr einer Photonenenergie von:
E ≈ 1240 eV·nm / 486,1 nm = 2,55 eV.
Wird diese Linie durch einen atomaren Übergang erzeugt, entsprechen 2,55 eV der Energiedifferenz zwischen den beiden beteiligten Zuständen. Die Wellenlänge ist keine beliebige Farbbezeichnung, sondern eine Energiemessung.
Reale Spektren und Instrumentierung
Die Atome jedes Elements besitzen ein charakteristisches Muster erlaubter Energiedifferenzen. Angeregtes Natrium, Wasserstoff, Helium oder Eisen emittiert und absorbiert daher unterschiedliche Wellenlängensätze. Im Labor nutzt die Atomspektroskopie diese Signaturen zur Elementanalyse; in der Astronomie erlaubt dieselbe Physik Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von Sternatmosphären, ohne eine physische Probe zu entnehmen.
Die Position einer Linie kennzeichnet eine Energiedifferenz. Ihre Intensität hängt von weiteren Faktoren ab, etwa der Besetzung der Zustände, der Übergangswahrscheinlichkeit, der Menge der vorhandenen Spezies und der Geräteantwort. Die Intensität ist daher kein direktes Maß dafür, „wie viel Energie dieses Niveau enthält“.
Keine reale Spektrallinie ist unendlich schmal. Eine endliche Lebensdauer des angeregten Zustands verursacht natürliche Linienverbreiterung. Thermische Bewegung führt zur Doppler-Verbreiterung, weil bewegte Emitter oder Absorber leicht verschobene Frequenzen wahrnehmen. Stöße verursachen Druckverbreiterung. Auch das Instrument selbst trägt eine endliche Antwortbreite bei.
Auflösung beschreibt die Fähigkeit, nahe beieinanderliegende spektrale Merkmale zu unterscheiden. Eine höhere Auflösung kann zuvor verschmolzene Peaks trennen, erzeugt aber keine Information, die in der Probe nicht vorhanden war. Geräteeinstellungen führen außerdem zu Kompromissen zwischen Auflösung, Signalstärke, Messzeit und Rauschen.
Instrumente können sehr unterschiedlich aussehen, führen aber meist dieselben logischen Schritte aus: Strahlung erzeugen oder aufnehmen, ihren spektralen Inhalt auswählen oder codieren, mit der Probe wechselwirken lassen, die Antwort detektieren und daraus ein Spektrum erzeugen. Ein dispersives UV–Vis-Gerät kann ein Gitter oder einen Monochromator verwenden, um Wellenlängen nacheinander auszuwählen. Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie zeichnet dagegen ein Interferogramm mit vielen Frequenzen gleichzeitig auf und transformiert es mathematisch in ein Spektrum.
Die dargestellte Kurve ist daher bereits das Ergebnis von Optik, Elektronik und Datenverarbeitung. Hintergrundsubtraktion, Detektorempfindlichkeit, Kalibrierung und Basislinienkorrektur sind Teil der Messung und keine kosmetischen Schritte nach der „eigentlichen“ Wissenschaft.
Analytische Interpretation
Massenspektrometrie wird häufig zusammen mit IR, UV–Vis und NMR behandelt, weil alle für die chemische Identifizierung zentral sind. Streng genommen misst die Massenspektrometrie jedoch keine elektromagnetische Absorption oder Emission als Funktion der Photonenenergie. Sie ionisiert Spezies und trennt oder analysiert Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z.
Die Unterscheidung ist wichtig, weil die Informationen komplementär sind. Massenspektrometrie kann Molekülmasse und Summenformel eingrenzen oder Fragmentierung zeigen; IR kann Bindungstypen identifizieren; NMR liefert lokale atomare Umgebungen und Verknüpfungen; UV–Vis kann elektronische Struktur und Konzentration untersuchen. Moderne Strukturaufklärung wird wesentlich belastbarer, wenn diese unabhängigen Hinweise übereinstimmen.
- Methode bestimmen. IR, UV–Vis, NMR und Atomemission verwenden nicht dieselben Achsen oder Interpretationsregeln.
- Achsen und Einheiten lesen. Nie einen Peak zuordnen, bevor dies geklärt ist.
- Position, Intensität und Breite trennen. Sie beantworten unterschiedliche Fragen.
- Nach Mustern suchen, nicht nach isolierten Peaks. Serien, Bandenformen, Aufspaltungen und relative Intensitäten sind häufig informativer als ein einzelnes Merkmal.
- Physikalische Plausibilität prüfen. Passt der vorgeschlagene Übergang oder die funktionelle Gruppe zur übrigen Chemie der Probe?
- Methoden kombinieren. Unabhängige Spektren als gemeinsame Randbedingungen für eine Struktur behandeln, nicht als getrennte Identifikationsspiele.
Eine Peakzuordnung ist eine durch physikalische Modelle und Vergleiche gestützte Hypothese, kein magisches Etikett des Instruments. Überlappende Banden, Gemische, Lösungsmittelsignale, Fluoreszenz, Streuung, Sättigung, Matrixeffekte und unvollkommene Kalibrierung können die Interpretation verfälschen. Datenbankabgleiche sind leistungsfähig, doch eine numerische Übereinstimmung ohne chemischen Kontext kann trotzdem falsch sein.
Die stärkste Schlussfolgerung wird meist durch mehrere unabhängige Beobachtungen gestützt: passende Peakpositionen, plausible Intensitäten, geeignete Linienformen und Übereinstimmung mit einer weiteren analytischen Methode.
Übungen
Beer-Lambert
Zwei Lösungen derselben Spezies werden unter identischen Bedingungen gemessen. Die Konzentration der zweiten wird verdoppelt und der lineare Bereich gilt. Was geschieht mit der Absorbanz?
Lösung
Sie verdoppelt sich, weil A = εbc gilt und ε sowie b unverändert bleiben.
Eine Methode auswählen
Mehrere Protonenumgebungen in einem organischen Molekül sollen unterschieden werden. Welche Methode ist am direktesten?
Lösung
NMR, weil die chemische Verschiebung von der lokalen elektronischen Umgebung der beobachteten Kerne abhängt.