UV-Vis-Spektroskopie

Synonym

  • UV-Vis-Spektrometrie

Übersicht

Analytik

Definition

  • Spektrometrisches Verfahren, das auf der stoffspezifischen Absorption von Lichtquanten bestimmter Energie beruht.

Aufbau

  • Im Einsatz sind sowohl Ein- als auch Zweistrahlgeräte.
  • Bei den Einstrahlgeräten ist vor der eigentlichen Messung der Blindwert der benutzten Küvette mit dem reinen Lösemittel aufzunehmen. Bei Zweistrahlgeräten muss eine vergleichbare Küvette mit dem reinen Lösemittel in den Vergleichsweg gebracht werden.
  • Die Qualität (und der Preis) der Geräte zeigt sich z.B. in der maximalen Auflösung des Geräts. Diese ist vor allem von der spektralen Bandbreite des Spektrometers abhängig. Diese gibt an, wie genau die gewählte Wellenlänge eingehalten wird. Eine hohe spektrale Bandbreite äußert sich somit in einer starken Streuung des eingestrahlten Wellenlängenbereichs und somit schlechter Signaltrennung.
  • Ein weiterer Qualitätsfaktor ist der nutzbare Dynamikbereich des Detektors. Während normale Photodioden Vorteile bei niedrigen Konzentrationen (also viel Licht = niedrige Absorptionswerte) haben, sind Photomultiplier bei hohen Konzentrationen (wenig Restlicht = hohe Absorptionswerte) klar im Vorteil. Sehr gute Geräte können noch Absorptionswerte von ca. 8 sicher bestimmen (1/100.000.000stel des eingestrahlten Lichts!).

Anwendungsgebiet

  • Qualitative und quantitative Bestimmung vieler organischer Moleküle.

Auswertung

Absolutmethode

c : Konzentration
A : gemessene Absorption
α : molarer Absorptionskoeffizient
d : Schichtdicke
  • Da α sowohl von der Temperatur, als auch von der Frequenz abhängig ist, ergibt sich eine gewisse Ungenauigkeit. Diese entsteht dadurch, dass eine genaue Punktmessung bei nur einer Frequenz nicht möglich ist. Vielmehr wird die Absorption in einem Wellenlängenbereich gemessen, dessen Breite von der Qualität des Spektrometers abhängt. Je besser das Gerät ist, desto kleiner ist der Messbereich.

Externer Standard

c : Konzentration
cR : Konzentration der Referenzlösung
A : gemessene Absorption
AR : Absorption der Referenzlösung
  • Es erfolgen mehrere Messungen nacheinander. So werden Fehlerquellen im Gerät und im anderen Messablauf minimiert.
  • Zur Ermittlung der notwendigen Kalibriergerade sollten Punkte in der Nähe der (anzunehmenden) Konzentration der Probe verwendet werden, da der angenommene lineare Zusammenhang nur für kleine Konzentrationsdifferenzen gilt.

Leistungsbewertung

Physik

Messprinzip

  • Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des ultravioletten und sichtbaren Lichts wird teilweise von, v.a. organischen, Molekülen absorbiert.
  • Dabei werden jedoch nur Lichtquanten mit den Energien absorbiert, die zu einer Anregung von π- und n-Elektronen führen können.
  • Die Absorption folgt dem Lambert-Beerschen-Gesetz und ergibt sich zu:

A : Absorption
I0 : Ausgangsintensität des Lichtstrahls
I : Intensität des Lichtstrahls nach Durchlaufen der Probe
ε : molarer Extinktionskoeffizient
c : molare Konzentration
d : Schichtdicke
  • Messtechnisch registriert wird nun die durch die Probe gelassene Lichtstrahlung bei einer, besser jedoch mehreren verschiedenen Wellenlängen. Daraus ergibt sich die Absorption und mit ihr entweder eine Information über die eingesetzte Stoffkonzentration (c), oder aber den Stoff selbst (ε).

Verbotene Elektronenübergänge

  • Nicht alle theoretisch nun denkbaren Elektronenübergänge kommen tatsächlich vor.
  • Es gibt mehrere Übergangsverbote:
    • Spin-Verbot (Interkombinationsverbot)
      • Verbot des Übergangs von Singulett- in Triplett-Zustände und vice versa.
    • Überlappungsverbot (Raumverbot)
      • Verbot von Elektronenübergängen, bei welchen sich die beteiligten Orbitale nicht oder nicht genügend überlappen.
    • Symmetrieverbot
      • Verbot von Elektronenübergängen zwischen Elektronenzuständen gleicher Symmetrie.
  • Für die UV-Spektroskopie von Bedeutung ist die Tatsache, dass diese Verbote unter bestimmten Bedingungen durchbrochen werden können und trotzdem Absorptionsbanden messbar sind (verbotene Übergänge). Allerdings sind ihre Signale meist nur geringer Intensität, da die Übergangswahrscheinlichkeit ebenfalls nur gering ist.

Aussehen der Absorptionsbanden

  • Die Absorptionsbanden im UV-Vis-Spektrum sind durch ihre Lage (λmax), ihre Höhe (εmax) und ihre Form gekennzeichnet.
  • Die Lage des Absorptionsmaximums (λmax) hängt von der Energie ab, die zur Anregung aus dem Grundzustand S0 in einen angeregten Zustand erforderlich ist.
  • Im Falle erlaubter Übergänge ist eine UV-Vis-Bande umso intensiver (also die Übergangswahrscheinlichkeit aus dem Grund in den Anregungszustand umso größer), je leichter das Molekül mit der eingestrahlten Strahlung in Wechselwirkung treten kann.
  • Dies ist umso besser möglich, je mehr sich die Ladungsverteilung im Molekül bei Elektronenübergängen ändert. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass das elektromagnetische Wechselfeld des Lichts leichter an Moleküle angreifen kann, deren Ladungsverteilung zwischen den beteiligten Zuständen unterschiedlicher ist.
  • Die Intensitätserhöhung einer Bande wird als hyperchromer Effekt bezeichnet, eine Abschwächung als hypochromer Effekt.
  • Die Breite der Absorptionsbanden hängt von der Lebensdauer der Anregungszustände ab. Sie werden mit abnehmender Stabilität der Energieniveaus breiter.
  • Ebenso steigt die Bandenbreite mit zunehmender Wechselwirkung der Substanz mit dem Lösungsmittel, was mit der erleichterten Energieabgabe erklärt werden kann. Daher erhält man bei der Untersuchung von Molekülen im Gaszustand schmale Banden, in unpolaren Lösungsmitteln etwas breitere und in polaren Lösungsmitteln relativ breite. Dieser Effekt betrifft vor allem die für das Lösungsmittel leichter zugänglichen n-Orbitale.
  • Die für die Lichtabsorption verantwortlichen Teile des Moleküls werden als Chromophore bezeichnet.
  • Die wichtigsten Chromophore enthalten mindestens eine Doppelbindung und sind durch Energieübergänge π-π* gekennzeichnet.. 
  • Wichtige Chromophore aus π-Elektronen sind separat aufgeführt.
 

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