LM-Analytik, spektroskopische Methoden at Karlsruher Institut für Technologie

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Grundlagen der IR-Spektroskopie? Was ermöglicht sie und warum wird sie eingesetzt?
Darstellung?

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Maximale Anzahl von Schwingungen im Molekül? Arten von Schwingungen?

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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? Wo werden Banden der Oberschwingungen gefunden?

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Einschränkungen/Möglichkeiten für Qualitativen/quantitativen Einsatz der IR?

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Kalibrierung der NIR?

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spektrale Interferenzen bei der AAS?

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Nicht-spektrale Interferenzen bei der AAS?

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Probenvorbereitung AAS?

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Von welchen Faktoren hängt der Einsatz verschiedener Massenanalysatoren ab?
Welche gibt es?

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Funktion und Aufbau eines Quadrupol Massenanalysators?

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LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Grundlagen der IR-Spektroskopie? Was ermöglicht sie und warum wird sie eingesetzt?
Darstellung?
- 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? Arten von Schwingungen?
(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? Wo werden Banden der Oberschwingungen gefunden?
- 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

Einschränkungen/Möglichkeiten für Qualitativen/quantitativen Einsatz 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

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Nicht-spektrale Interferenzen bei der AAS?
- Vorgänge, die zu einer Verminderung der Zahl der gasförmigen Atome im Grundzustand im Absorptionsvolumen führen
- Transport-Interferenzen, durch zB unterschiedlich viskose Lösungen (zb Zerstäuber)
- Verdampfungsinterferenzen 
+ zu bestimmendes Element wird durch Begleitsubstanzen bei niedrigen Temperaturen verflüchtigt (Graphitrohr)
+ Bildung von geringflüchtigen Verbindungen (zb. Ca) in Gegenwart von Sulfat oder Phosphat

- Gasphaseninterferenzen
+ Dissoziationsgleichgewichte (zwischen Verbindung und freien Atomen)
+ Anregungsgleichgewichte (zwischen Atomen im Grund- und angeregten Zustand)
+ Ionisationsgleichgewichte (zwischen Atomen und Ionen)

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Probenvorbereitung AAS?
- Probe muss in wässriger Form (bei Flammen- AAS zwingend erforderlich) in Atomisierungseinheit eingebracht werden -> Aufschlüsse
- §64 LFGB L00.00-19/1 Druckaufschluss:
+ Aufschluss mit 65% Salpetersäure in druckstabilen Gefäßen (zb aus PTFE mit Quarzeinsätzen) (Nassveraschung)
+ geschlossenes Gefäß mit Probe und HNO3, zb bei 300°C erhitzen
+ für Messung auf definiertes Volumen einstellen
+ anstelle von Druckaufschlüssen mit konventioneller Heizung können sie auch mittels Mikrowellenheizung erfolgen (bis zu 1000 W)
+ Graphitrohrtechnik: Blut, Urin, etc können auch direkt gemessen werden; aber: Matrixeffekte besonders berücksichtigen!

LM-Analytik, spektroskopische Methoden

Von welchen Faktoren hängt der Einsatz verschiedener Massenanalysatoren ab?
Welche gibt es?
- Hochauflösung gewünscht?
- Analyse einfach geladener Polymere, z.B. Bei MALDI
- Empfindlichkeit
- Platzbedarf
- Budget

Derzeit am häufigsten eingesetzt:
Quadrupol, Ionenfalle, Flugzeitanalysator, Hybridgeräte (Kombinationen daraus)
Sonst noch:
Magnetsektorfeld, 
Neueste Entwicklung für Routine: Orbitrap

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 

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