Molekülspektroskopie at Hochschule Fresenius

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Wie funktioniert Fluoreszenz?

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Was passiert bei der Absorption von elektromagnetischer Strahlung?

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Wie funktioniert Lichtbrechung?
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Wie funktioniert Streuung?

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Welches Prinzip steckt hinter der UV/VIS-Spektroskopie?
Welche Übergänge werden betrachtet?

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Welche Anforderungen werden an Wellenlängenselektoren gestellt?

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Was ist ein Linienstrahler?
(Beispiele)
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Welche Anforderungen werden an den Detektor gestellt?

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Was sind die Leistungsmerkmale eines Monochromators?

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Was sind Photonendetektoren?
(Beispiele)

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Welche Arten von Wellenlängenselektoren gibt es?
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Was ist ein kontinuierlicher Strahler?
(Beispiele)

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Molekülspektroskopie

Wie funktioniert Fluoreszenz?

- Absorption elektromagnetischer Strahlung erzeugt angeregte Zustände  

- strahlungsfreie Desaktivierung führt zu Zuständen geringerer Energie 

- Emission von Licht längerer Wellenlänge (Rotverschoben)

Molekülspektroskopie

Was passiert bei der Absorption von elektromagnetischer Strahlung?

- bei der Absorption elektromagnetischer Strahlung muss die Energie des absorbierten Photons exakt der Differenz zwischen verschiedenen Zuständen der absorbierenden Materie entsprechen (stimmt für die meisten Spektroskopie Arten) 

- Nur Übergänge zwischen bestimmten Energieniveaus sind erlaubt (Übergänge sind gequantelt)

- je nach Energie der absorbierten Photonen werden verschiedene Übergänge angeregt

Molekülspektroskopie

Wie funktioniert Lichtbrechung?

- an einer Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher optischer Dichte kann es zu einer Lichtbrechung kommen.

- plötzliche Richtungsänderung ergibt sich durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Strahlung in den Medien

- beim Übergang von einem weniger dichten in ein dichteres Medium erfolgt die Brechung hin zur Normalen ansonsten von der Normalen weg

- optische Dichte (oft auch als Brechungsindex bezeichnet) ist wellenlängenabhängig

- verschiedene Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen und es kann zu einer Aufspaltung des Lichtes nach seiner Wellenlänge kommen (Dispersion)

- an zwei Grenzflächen mit unterschiedlicher optischer Dichte tritt immer Reflexion auf

- je flacher der Winkel und je größer der Unterschied in der optischen Dichte je größer der Anteil der Reflexion

Molekülspektroskopie

Wie funktioniert Streuung?

- Interaktion von Licht mit Atomen, Molekülen, oder Partikeln (periodische Polarisation)

- Elastische Lichtstreuung (keine Änderung der Energie)

- Ungerichtete Emission


- Strahlung wird kurzzeitig eingefangen 

-> periodischen Polarisierung der atomaren oder molekularen Spezies

-> Fortpflanzungsgeschwindigkeit um diesen Zeitraum verlangsamt



Molekülspektroskopie

Welches Prinzip steckt hinter der UV/VIS-Spektroskopie?
Welche Übergänge werden betrachtet?

Anregung:

- M + hv -> M* 

- Energie eines Photons wird absorbiert 

- absorbierte Energie wird verwendet um ein Elektron auf ein höheres Energieniveau anzuheben 

- Energie von UV/Vis-Strahlung ist nur ausreichend um Valenz- und Bindungselektronen anzuregen 

- kernnahe Elektronen werden nicht angeregt


Übergänge
- 200 - 700 nm n -> pi* und pi -> pi*
- ungesättigte funktionelle Gruppen nötig
- n -> pi* => nur wenn freie Elektronenpaare vorhanden sind, meist sehr schwach (Überlappungsregel)
π -> π* Alle Moleküle bei denen ϖ-Elektronen an der Bindung beteiligt sind (Mehrfachbindungen). Größere konjugierte Systeme führen zu geringeren Übergangsenergien (größere Wellenlängen)

Molekülspektroskopie

Welche Anforderungen werden an Wellenlängenselektoren gestellt?

Ein Wellenlängenselektor muss:

- eine möglichst schmale, kontinuierliche Bande (enger Wellenlängenbereich) erzeugen

- eine möglichst hohe Transmission für diesen Wellenlängenbereich ermöglichen

- oder (!) das einfallende Licht möglichst exakt und genau definiert in seine einzelnen Wellenlängen aufspalten

Molekülspektroskopie

Was ist ein Linienstrahler?
(Beispiele)

- emittieren wenige diskrete Linien mit (meist) hoher Intensität. Sie sind weit verbreitet in der Atomabsorptions- Fluoreszenz- und Ramanspektroskopie

Beispiele:

- Metalldampflampen

- Hohlkathodenlampen (Atomabsorptionsspektroskopie)

- Elektrodenlose Entladungslampen (Atomabsorptionsspektroskopie)

- Laser (!)

Molekülspektroskopie

Welche Anforderungen werden an den Detektor gestellt?

- sollte eine hohe Empfindlichkeit aufweisen 

- sollte ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis aufweisen

- sollte über einen großen Wellenlängenbereich ein konstantes Ansprechverhalten besitzen 

- sollte eine kurze Ansprechzeit haben 

- sollte einen möglichst niedrigen Nullwert haben

Molekülspektroskopie

Was sind die Leistungsmerkmale eines Monochromators?

Spektrale Reinheit:

- Überlagerung des Austretenden Strahls mit kleinen Mengen an Streustrahlung einer anderen Wellenlänge

- entsteht z.B. durch Streuung an Staubpartikeln

Auflösung:

- beschreibt die Fähigkeit eins Monochromators verschiedene Wellenlängen voneinander zu trennen

Lichtsammelleistung:

- beschreibt die Fähigkeit eines Monochromators das durch den Eingangsspalt fallende Licht zu sammeln

- hohe Lichtsammelleistung erhöht die Intensität des auf den Detektor auftreffenden Lichts und damit die Empfindlichkeit der Messung

Molekülspektroskopie

Was sind Photonendetektoren?
(Beispiele)

- besitzen eine aktive Oberfläche die Strahlung absorbiert -> Elektronen emittiert oder Elektronen zum Übergang in ein Leitungsband (Halbleiter) angeregt

- wichtigsten Photonendetektoren sind:

    - Photomultiplier 

    - Photozelle 

    - Silicium-Photodiode 

    - CCD-Sensor

Molekülspektroskopie

Welche Arten von Wellenlängenselektoren gibt es?

Prinzipiell werden drei Arten von Wellenlängenselektoren eingesetzt:

- Filter:

    -  selektieren einen fixen Wellenlängenbereich

    - wird ein anderer Wellenlängenbereich benötigt muss der Filter gewechselt werden

    - die gebräuchlichsten Filter sind Absorptions- und Interferenzfilter

- Monochromatoren:    

    - sind dazu in der Lage den spektralen Bereich abzutasten 

    - enge Wellenlängenbereiche schnell nacheinander zu betrachten 

- Interferometer: 

    Interferometer ermöglichen die parallele Messung aller Wellenlängen (in einem bestimmten Bereich). Die Wellenlängen werden durch Interferenz unterschieden

Molekülspektroskopie

Was ist ein kontinuierlicher Strahler?
(Beispiele)

- emittieren elektromagnetische Strahlung deren Intensität sich mit der Wellenlänge nur langsam ändert

- decken einen weiten Wellenlängenbereich ab 

- sind besonders in der Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie (IR und UV/Vis) weit verbreitet

Beispiele:

- Deuteriumlampen

- Wolframlampen

- Nernststift

- Glowbar

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