Spektroskopie im IR- und UV/VIS-Bereich Spektrometer

Spektroskopie

im IR- und UV/VIS-Bereich Spektrometer

Dr. Thomas Schmid HCI D323

schmid@org.chem.ethz.ch

http://www.analytik.ethz.ch

Allgemeiner Aufbau eines Spektrometers

d

I₀

Probe I

Lichtintensität

Abstand

Strahlungs- quelle

Monochromator Probenzelle (Küvette)

Detektor Signalerfassung und

-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 ist eine nichtlineare Funktion der

Wellenlänge, daher werden heute fast ausschließlich Gitter verwendet, da deren Dispersion linear mit der Wellenlänge verknüpft ist

Dispersion eines Prismas

Monochromatoren II: Gitter

Konstruktive Interferenz, nur wenn m λ = d sin Θ

(Braggsches Gesetz)

m .... Ordnung (natürliche Zahl) λ ... Wellenlänge

d ... Gitterkonstante (Abstand zwischen zwei Gitterlinien) Θ .... Einfallswinkel

Monochromatoren II: Gitter

Czerny-Turner-Monochromator

A ... Polychromatisches Licht E ... Folussierender Spiegel B ... Eintrittsspalt E ... Gitter F ... Austrittsspalt

C ... 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 Probenraum 10 Probe

11 Spiegel 12 Detektor 13 HeNe-Laser

(λ = 632.8 nm) 14 Optik

15 Spiegel 16 Spiegel 17 Detektor

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

Michelson-Interferometer

 Sinus.xls

1 Von der IR-Quelle kommender Strahl 4 Feststehender Spiegel 2 Strahteiler mit aktiver Fläche 3 5 Beweglicher Spiegel

6 Strahl zum Detektor

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

Messarm

Referenzarm

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

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

Grau: Strahl des Referenzarms Pink: Strahl des Messarms

Rot: 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

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

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

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)-Spektrometer

Fourier-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)-Spektrometer

Fourier-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)-Spektrometer

Fourier-Transformation (FT)

FT

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

Fourier-Transformation (FT)

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

Fourier-Transform(FT)-Spektrometer

Zusammenfassung Interferometer

Das 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)-Spektrometer

Vorteile 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

maximaler Wegunterschied cm #$

%&

Spektrometer

Es müssen immer Referenz- und Probenspektrum gemessen werden Referenzspektrum: Luft oder Probengefäss und -matrix ohne Analyten

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

(zwei parallele Strahlengänge)

Spektrometer

Zweistrahlspektrometer mit Gittermonochromator

Spektrometer

• UV/VIS-Spektroskopie

• (Prismenmonochromator)

• Gittermonochromator

• Diodenarrayspektrometer

• IR-Spektroskopie

• (Gittermonochromator)

• FT-IR-Spektrometer