Spektroskopie im IR- und UV/VIS-Bereich Spektrometer http://www

Spektroskopie
im IR- und UV/VIS-Bereich
Spektrometer
Dr. Thomas Schmid
HCI D323
[email protected]
http://www.analytik.ethz.ch
Lichtintensität
Allgemeiner Aufbau eines
Spektrometers
d
I0
Probe
I
Abstand
Strahlungsquelle
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
Dispersion eines Prismas
• 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
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
B ... Eintrittsspalt
C ... Kollimierender Spiegel
E ... Gitter
E ... Folussierender Spiegel
F ... Austrittsspalt
G ... Monochromatisches Licht
Diodenarray-Spektrometer
• Schnelle Spektrenaufzeichnung
(gesamtes Spektrum gleichzeitig)
• Mechanisch robust, da keine beweglichen Teile
• Gut miniaturisierbar
Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
1
2
3
4
IR-Quelle
Spiegel
Blendenrad
Spiegel
5 Strahlteiler
6 Feststehender
Spiegel
7 Beweglicher
Spiegel
8
9
10
11
12
Spiegel
Probenraum
Probe
Spiegel
Detektor
13 HeNe-Laser
(λ = 632.8 nm)
14 Optik
15 Spiegel
16 Spiegel
17 Detektor
Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
Referenzarm
Messarm
Michelson-Interferometer
1 Von der IR-Quelle kommender Strahl
2 Strahteiler mit aktiver Fläche 3
 Sinus.xls
4 Feststehender Spiegel
5 Beweglicher Spiegel
6 Strahl zum Detektor
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Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
Grau: Strahl des Referenzarms
Pink: Strahl des Messarms
Rot: Aus der Interferenz resultierender Strahl
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Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie
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
Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie
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Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie
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Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
http://www.chemgapedia.de – IR-Gerätetechnik – FT-IR-Spektroskopie
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
 Sinus.xls
Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
Fourier-Transformation (FT)
FT
http://www.chemgapedia.de – Reelle Fouriersynthese
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ma/1/mc/ma_12/ma_12_01/ma_12_01_01.vlu.html
Fourier-Transform(FT)-Spektrometer
Fourier-Transformation (FT)
FT
http://www.chemgapedia.de – Reelle Fouriersynthese
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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)
FT
Fourier Transformation (FT)
FT transformiert das Spektrum in die Frequenzdomäne
 IR-Spektrum
(Signalintensität vs. Wellenzahl)
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:
1
!"! #$ cm -1 %& =
maximaler Wegunterschied #$ cm -1 %&
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 (meistens mit Beugungsgitter)
• IR-Spektroskopie
• (Gittermonochromator)
• FT-IR-Spektrometer