LM-Analytik, spektroskopische Methoden at Karlsruher Institut für Technologie

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Warum Einsatz der Stabilisotopenverdünnungsanalyse ?

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Funktion und Aufbau eines Quadrupol Massenanalysators?

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3D Ionenfalle: MS^n?

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Voraussetzungen für die Richtigkeit der Stabilisotopenverdünnungsanalyse?

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Grundlagen der IR-Spektroskopie?

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Maximale Anzahl von Schwingungen im Molekül?

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Einteilung von Schwingungen?

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Welche Arten von Schwingungen sind für die IR-Spektreninterpretation besonders nützlich?

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Ober- und Kombinationsschwingungen in der IR?

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Qualitative/quantitative Einsatzmöglichkeiten der IR?

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Kalibrierung der NIR?

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spektrale Interferenzen bei der AAS?

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LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Warum Einsatz der Stabilisotopenverdünnungsanalyse ?
– Stabilisotopenverdünnumgdanalyse ist bei GC-MS und LC-MS bei richtiger Durchführung ideal, um 
+ Analytverluste bei Probenaufreinigung 
+ matrixinduzierte Ionensuppression (besonders bei LC-ESI-MS)
auszugleichen
+
– stabilisotopenmarkierte (2H, 13C, 15N) Analoga der Analyten werden als interne Standardsubstanzen eingesetzt
– sollen sich während gesamter Analyse wie Analyten verhalten, können durch MS-Detektion unterschieden werden

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Funktion und Aufbau eines Quadrupol Massenanalysators?
– Stabilität der Flugbahn eines Ions lons mit definiertem m/z in Quadrupol wird durch die angelegte Wechselspannung V sowie das Verhältnis U/V bestimmt
– für jede Kombination an Einstellungen können nur Ionen in einem engen m/z -Bereich den Quadrupol passieren 

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

3D Ionenfalle: MS^n?
– tandem-in-time: nur ein MS-Analysator wird eingesetzt
– Ionenselektion, Fragmentierung, Produkt-Ion-analyse laufen nicht räumlich, sondern zeitlich voneinander getrennt ab
– Isolierung einer Ionenspezies durch Entfernung aller anderer m/z aus der Falle 
– Stoßfragmentierung aller Ionenspezies
– Massenanalyse der entstandenen Fragmente
– theoretisch n-fache Wiederholung möglich, begrenzt durch Häufigkeit des ursprünglich vorhandenen Vorläufer-Ions
– realistisch: MS^3 oder MS^4

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Voraussetzungen für die Richtigkeit der Stabilisotopenverdünnungsanalyse?
1. vergleichbare Extrahierbarkeit der isotopologen Verbindungen
2. stabile und vollständige Markierung der Standardsubstanzen 
3. möglichst geringe spektrale Überlappung
4. Minimierung/Vermeidung von Isotopeneffekten 
Um 2 – 4 zu erfüllen, müssen verschiedene Synthesestrategien für die internen Standardsubstanzen eingesetzt werden

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Grundlagen der IR-Spektroskopie?
– durch Absorption von Strahlung im infraroten Bereich werden Molekülschwingungen und -Rotation angeregt
– viele Absorptionsbanden entsprechen Molekülschwingungen, die weitestgehend auf die funktionellen Gruppen lokalisiert sind und nicht den Rest des Moleküls erfassen
-> einfache Zuordnung zu Verbindungsklassen
– Schwingungen 2-atomiger Moleküle kann zufriedenstellend dargestellt werden
– mehratomige Moleküle: keine 2 Atome schwingen unabhängig voneinander -> Vereinfachungen

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Maximale Anzahl von Schwingungen im Molekül?

(Nicht alle Schwingungen sind IR-aktiv)

Allgemein:

Z = 3N – 6

Lineare Moleküle:

Z = 3N – 5
Z: Anzahl Schwingungsfreiheitsgrade
3: mögliche Richtungen, in die sich Moleküle bewegen können
N : Anzahl der Atome pro Molekül
6: 3 Schwingungen, bei denen sich Atome in die gleiche Richtung bewegen (Verlagerung des Molekülmasseschwerpunkts), 3 Rotationen um Masseschwerpunkt
1. Deformations- (/Beuge-)Schwingung:
Änderung des Bindungswinkels
2. Valenz- (Streck-)schwingung:
Änderung der Bindungslänge
3. Antisymmetrische Valenzschwingung

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Einteilung von Schwingungen?
1. Deformations- (/Beuge-)Schwingung:
Änderung des Bindungswinkels
2. Valenz- (Streck-)schwingung:
Änderung der Bindungslänge
3. Antisymmetrische Valenzschwingung
– symmetrische Schwingungen:
(Molekülsymmetrie bleibt erhalten)
– antisymmetrische Schwingungen (Verlust eines oder mehrerer Symmetrieelemente)
– entartete Schwingungen (unterschiedliche Schwingungen, die bei gleicher Frequenz absorbieren-> nur ein Signal)

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Welche Arten von Schwingungen sind für die IR-Spektreninterpretation besonders nützlich?
– wichtig: Schwingungen, die in erster Näherung funktionellen Gruppen / Einzelbindungen entsprechen
– Gerüstschwingungen verursachen Banden bei niedrigerer Energie (<1500 cm^-1), erschweren Zuordnung lokalisierter Banden durch Überschneidung

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Ober- und Kombinationsschwingungen in der IR?
– 1. OS wird bei fast genau der doppelten Wellenzahl der Grundschwingung gefunden
– Bandenintensitäten der Oberschwingungen nehmen wegen geringerer Übergangswahrscheinlichkeiten mit zunehmender Schwingungsquantenzahl ν stark ab
– Kombinationsschwingungen: ein Photon regt simultan zwei Einzelschwingungen an, Frequenz der Kombinationsbande entspricht etwa der Summe oder Differenz der beiden Grundschwingungen

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Qualitative/quantitative Einsatzmöglichkeiten der IR?
– MIR sehr gut geeignet für Klassifikation von Substanzen
– Quantifizierung möglich, grundsätzlich gilt Lambert-Beer’sches Gesetz, aber:
+ häufig Abweichungen von Lambert-Beer
+ häufig überlappende Absorptionssignale wegen überlappender Spektren
+ umständliche Korrektur der Verluste durch Solvens und Zelle (Streuung, Absorption), Verwendung der gleichen Zelle für Analyt und LM, da unterschiedliche Zellen wegen der kurzen Wegstrecke und veränderlicher Zellfenster zumeist unterschiedlich sind 

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Kalibrierung der NIR?
– NIR-absorptionsbanden sind idR wegen vielfältiger Überlappungen breit
– keine Wellenzahl, bei der von einem Substanzgemisch nur eine Komponente absorbiert
Kalibrierung erforderlich:
+ NIR = sekundäre Methode, Spektren müssen mit Referenzmethoden verglichen werden
-> äußerst aufwendige Kalibrierung mit bis zu mehreren hundert Proben nötig
Chemometrie erforderlich:
+ wesentliche Informationen aus großen Datenmengen werden durch mathematische Methoden herausgefiltert
+ z.B. PCR (Principal Component Regression) oder PLS (Partial Least Square) -Verfahren

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

spektrale Interferenzen bei der AAS?
Überlappung von Atomlinien verschiedener Elemente (selten, da schmale Emissions-/Absorptionslinien)
-> Lösung: Wahl anderer Linie
– Absorption von Strahlung durch Moleküle (Breite Absorptionsbanden)
Streuung von Strahlung an Partikeln
– spektrale Interferenzen durch Absorption/Streuung an Molekülen/Partikeln bei Graphitrohrofen oft größer als bei Flammenatomisierung
-> Maßnahmen zur Untergrundkorrektur:
+ Untergrundkompensation mit Kontinuumstrahlern (zB Deuteriumlampe)
+ Zeeman-Untergrundkompensation

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