Optische Spektroskopie E-Book

Werner Schmidt

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 444

Veröffentlichungsjahr: 2014

Beschreibung

Die zweite Auflage dieser kompakten Einführung in Theorie und Praxis der optischen Spektroskopie ist kräftig modernisiert worden. Mit bewährt didaktischem Geschick führt Werner Schmidt die Leser von den Grundlagen an die praktischen Anwendungen heran. Aus Rezensionen zur ersten Auflage: 'Eigentlich liest sich dieses Buch... recht spannend und unterhaltsam... Hier liegt kein übliches, trockenes Lehrbuch vor... Sie sind Ingenieur, Biologe, Chemiker oder Mediziner? Dann kaufen Sie dieses Buch!' (Naturwissenschaften) 'Ein Buch, das alle Aspekte und Grundbegriffe der Optischen Spektroskopie... behandelt und sich nicht an den Spezialisten, sondern an Studenten der Naturwissenschaft und Technik sowie an all diejenigen wendet, die sich EINFACH in dieses Gebiet einarbeiten wollen, wird man freudig begrüßen. Der erste, positive Eindruck wird durch das gelungene Umschlagsbild und die farbigen Abbildungen gleich auf den ersten Seiten sowie den niedrigen Preis verstärkt.' (Angewandte Chemie)

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 1 Auflage

Vorwort zur 2 Auflage

Über den Autar

1 Einleitung in die Optische Spektroskopie

1.1 Überblick

1.2 Geschichte der Optischen Spektroskopie

2 Grundlagen

2.1 Die Natur des Lichts

2.2 Elektromagnetische Strahlung

2.3 Vom Wasserstoffatom zum Makromolekül

2.4 Weiterführende Literatur

3 Spektroskopische Optik

3.1 Einleitung

3.2 Physikalische Lichtgrößen

3.3 Physiologische Lichtgrößen

3.4 Lichtquellen

3.5 Geometrische Optik, Wellenoptik

3.6 Filter

3.7 Monochromatoren

3.8 Photodetektoren

3.9 Küvetten

3.10 Weiterführende Literatur

4 Absorptionsspektrophotometrie

4.1 Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz

4.2 Monochromatoren

4.3 Absorptionseigenschaften von Molekülen

4.4 Modifikation von Absorptionsspektren

4.5 Zweiwellenlängen Spektrophotometrie

4.6 Spektrophotometer für spezielle Anwendungen

4.7 Weiterführende Literatur

5 Lumineszenzspektrophotometrie

5.1 Einleitung

5.2 Fluoreszenzmechanismus

5.3 Fluoreszenzmessung

5.4 Polarisation und Anisotropie

5.5 Fluoreszenzlebensdauer

5.6 Ausgesuchte Topics

5.7 Phosphoreszenz

5.8 Chemo- und Photobiolumineszenz

5.9 Verzögerte Lumineszenz

5.10 Weiterführende Literatur

6 Photoakustische Spektroskopie

6.1 Einleitung

6.2 Das Grundprinzip der Photoakustischen Spektroskopie

6.3 Theorie der Photoakustischen Spektroskopie

6.4 Experimentelle Methodik

6.5 Photochemisch aktive Proben

6.6 Resumé und Ausblick

6.7 Weiterführende Literatur

7 Streuung, Brechung, Reflexion

7.1 Einleitung

7.2 Elastische Streuung

7.3 Raman-Streuung vs. Infrarotspektroskopie

7.4 Reflexionsspektroskopie

7.5 Totale interne Reflexionsspektroskopie (ATR)

7.6 Weiterführende Literatur

8 Circular-Dichroismus und Optische Rotation

8.1 Polarisiertes Licht: Eine Verallgemeinerung

8.2 Optische Rotations-Dispersion (ORD)

8.3 Der Circular-Dichroismus (CD)

8.4 Theoretische Grundlagen des Cotton-Effekts

8.5 Das CD-Spektrometer

8.6 Anwendungen

8.7 Ellipsometrie

8.8 Schlußbemerkungen

8.9 Weiterführende Literatur

9 Das Nahe Infrarot (NIR)

9.1 Einleitung

9.2 Theorie der Nahen Infrarotspektroskopie

9.3 Das Infrarotspektrometer

9.4 Darstellung von NIR-Spektren

9.5 Algorithmen für die Analyse

9.6 Anwendungen

9.7 Resume.

9.8 Weiterführende Literatur

10 Atomspektroskopie (AAS, ICP)

10.1 Atomabsorptionsspektroskopie

10.2 Atomemissionsspektroskopie

10.3 Weiterführende Literatur

Anhang

A1 Umrechnungsfaktoren für Energieeinheiten

A2 Wichtige Naturkonstanten

C Hersteller- und Vertriebsadressen

D Periodensystem der Elemente

Personenregister

Sachregister

Weitere empfehlenswerte Bücher vonWiley-VCH

S. Braun / H.-O. Kalinowski / S. Berger150 and More Basic NMR ExperimentsA Practical Course – Second Edition1998. 604 Seiten, 200 Abbildungen.ISBN 3-527-29512-7

H. BudzikiewiczMassenspektrometrie1998. 204 Seiten, 77 Abbildungen, 4 Tabellen.ISBN 3-527-29381-7

H. FriebolinEin- und Zweidimensionale NMR-Spektroskopie3. Auflage1999. 410 Seiten, 170 Abbildungen, 50 Tabellen.ISBN 3-527-29514-3

H. Günzler / H. M. HeiseIR-SpektroskopieEine Einführung, 3., neubearbeitete Auflage1996, 412 Seiten, 226 Abbildungen, 59 Tabellen.ISBN 3-527-28759-0

J. W. NiemandsverdrietSpectroscopy in CatalysisAn Introduction1995. 297 Seiten, 180 Abbildungen, 26 Tabellen.ISBN 3-527-28729-4

Prof. Dr. Werner SchmidtRaiffeisenstraße 2D-78465 Konstanz

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Die lateinischen Zitate zu Beginn jedes Kapitels wurden entnommen aus:Unvergängliche lateinische SpruchweisheitUrban und human, H. G. Reichert, EOS Verlag, Erzabtei St. Ottilien, 1856/1983.

Die Deutsche Bibliothek – CIP-EinheitsaufnahmeEin Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Die Deutsche Bibliothek erhältlich

© WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republic of Germany), 2000.

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Satz: Hagedorn Kommunikation, D-68519 Viernheim

ISBN: 978-3-527-29828-0

Vorwort zur 1. Auflage

Das vorliegende Buch entstand aus der lange gehegten Idee, einmal alle Aspekte und Grundbegriffe, die sowohl für das Verständnis als auch für die praktische Arbeit in der Optischen Spektrophotometrie erforderlich sind, in einer weitgefächerten Einführung zusammenzufassen. Vor mehr als zwanzig Jahren wurde ich während meiner Promotionsarbeit zum ersten Mal mit der anspruchsvollen Messung optischer Spektren und Konzentrationsänderungen von Pigmenten geringster Konzentration in lebenden Pflanzen konfrontiert. Konventionelle Optische Spektrophotometer, wie sie für die Routinearbeit in jedem einigermaßen gut ausgestatteten Labor standen und stehen, waren und sind hierfür völlig ungeeignet. Erforderliches know how konnte daher nur vergleichsweise mühsam anhand von (durchweg englischsprachigen) Originalarbeiten, die der Problemstellung am nächsten kamen, gewonnen und erarbeitet werden. Hieran hat sich bis heute nichts geändert, wie meine Erfahrung aus der Vorlesungspraxis und der Studentenbetreuung zeigt. Vieles findet sich zwar in diversen Lehrbüchern der Naturwissenschaften und den Unterlagen diverser Firmen, aber nur selten in geschlossener, einfach zu erarbeitender Form.

Erst im nachhinein wurde mir deutlich, warum es trotz einer unüberschaubaren Fülle von Primär- und Sekundärliteratur zu Einzelthemen der Optischen Spektralanalyse praktisch kein umfassendes, einführendes Lehrbuch der nun vorliegenden Art gab. Das liegt an zwei widersprüchlichen Forderungen. Einmal erfordert die Optische Spektrophotometrie sowohl ein gutes Verständnis der Quantenmechanik als auch der Optoelektronik, der Informationstheorie und der Computertechnik, zum andern dürfen die Erwartungen an entsprechende Vorkenntnisse des Lesers aber nicht zu hoch geschraubt werden. Dieser schwierigen Aufgabe, komplexe und weitgestreute Sachverhalte möglichst einfach zu erklären und anwendbar zu machen, habe ich mich gestellt. Mir ist klar, daß eine solche Darstellung die Kritik der Spezialisten der jeweiligen Fachgebiete herausfordern muß, doch wird letztlich die von mir anvisierte Zielgruppe von Lesern zu entscheiden haben, inwieweit mir dieser Versuch gelungen ist. Das sind vornehmlich Studenten der Naturwissenschaften und Technik, aber auch all diejeinigen, die sich einfach in das Gebiet der Optischen Spektrophotometrie einarbeiten wollen, um eine fundierte Grundlage zu erhalten. (Bio-) Chemiker, Biologen, Mediziner, Ernährungswissenschaftler, Geologen, Astronomen und Physiker, aber nicht zuletzt der Routineanalytiker und der Entwicklungsingenieuer sind gleichermaßen angesprochen, jeder auf seine Weise. Verschiedene Literaturlisten am Ende der einzelnen Kapitel geben die Möglichkeiten eines vertieften Studiums.

Für das Verständnis eines jeden Fachgebietes ist die Kenntnis seiner geschichtlichen Entwicklung vorteilhaft. Nur so können wir den Entwicklungsstand und die Möglichkeiten einer Methodik wirklich beurteilen; so auch für die Optische Spektrophotometrie. Bei meinen Recherchen zum vorliegenden Buch (Kapitel 1) mußte ich lernen, daß es speziell zum Thema Geschichte der Optischen Spektroskopie keine allgemeine Abhandlung gibt; und so mußte ich verschiedenste Informationsquellen heranziehen.

Auch wenn das vorliegende Buch keine Einleitung in die Grundlagen der Quantenmechanik geben kann, so will ich den interessierten Lernenden aber auch nicht „vor vollendete Tatsachen“ stellen. Ich habe daher versucht, die entscheidenden Formeln und Resultate ohne eine mathematisch vollständige Herleitung zu erklären und zu erläutern (Kapitel 2). Im dritten Kapitel schließlich habe ich die relevanten, mehr technisch-physikalischen Gesichtspunkte der Optoelektronik in geeigneter Form gesammelt und zusammengefaßt.

Erst nach diesen drei einleitenden Kapiteln werden wir auf die verschiedenen spektrophotometrischen Methoden selbst eingehen. Das Problem wurde bereits angesprochen: wie tief einerseits soll der quantenmechanische Aspekt ausgeleuchtet werden, und wann wird er zum Selbstzweck? Andererseits soll dieses Buch mehr leisten, als nur passende Schlagworte zu den einzelnen Themen zu vermitteln, die in der Regel inhaltlich wenig förderlich sind. Schlagworte täuschen Wissen vor und können sogar bei der Lösung eines neuartigen Problems eher hinderlich sein, wenn man zum Beispiel – oftmals nicht explizit – verlangte „Randbedingungen“ verletzt. Ich hoffe, den rechten Mittelweg gefunden zu haben.

Auch wenn die Photoakustik sicherlich noch nicht als Routineanalytik anzusehen ist, erlaubt sie die einfache und elegante Beantwortung vieler energetisch orientierter Fragen, die anderweitig nicht oder kaum beantwortet werden können. Daher habe ich ihr daher ein eigenes Kapitel (6. Kapitel) gewidmet. Weiterhin ergab sich bei der Vorbereitung des Manuskripts, daß eine strikte Trennung von Lichtreflexion, -Streuung und -brechung kaum sinnvoll ist, weshalb ich diesen Analytikbereich geschlossen im Kapitel 7 behandele.

Auch wenn die chiroptischen Methoden wie die CD- oder ORD-Spektroskopie theoretische Beziehungen zu letzteren Phänomenen haben, erschien eine weitgehene Abtrennung von Kapitel 7 doch sinnvoll, um mehr Übersicht über die praktisch unterschiedlichen Methoden zu schaffen. Mit zunehmender Verfügbarkeit „preiswerter“, intensiver kurzwelliger Strahlung gewinnen verschiedene analytische Verfahren weiter an Bedeutung, die sich besonders auf die inneren Elektronen eines Molekülverbandes beziehen. Auch wenn diese Methoden nur im weiteren Sinne noch „optospektrophotometrisch“ genannt werden können, da sich die erforderlichen Wellenlängen bis in den Röntgenbereich erstrecken, habe ich diese – etwas willkürlich – gemeinsam mit den chiroptischen Methoden im achten Kapitel unter „Spezielle Methoden in der Optischen Spektroskopie“ zusammengefaßt.

Im Anhang schließlich sind die wesentlichen Grundlagen und Grundbegriffe der Mikrocomputer-Technik (PC), einschließlich der Verkopplung von Rechner und Spektrometer, zusammengestellt. Eine Liste verschiedener Hersteller und Lieferanten, die relevant für die im vorliegenden Buch behandelten Gebiete sind, möge als „Schnittstelle“ zwischen Buch und Praxis dienen. Diese Liste ist Resultat jahrelanger eigener Praxis und Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der Optischen Spektrophotometrie, erhebt jedoch keinesfalls den Anspruch auf Vollständigkeit.

Das Buch ist so konzipiert, daß es gleichzeitig für den Neuling als Lehrbuch und für den erfahrenen Anwender als Nachschlagewerk dienen kann.

Ich schließe mit einer Bitte und einem Dank. Die Bitte geht einmal an alle, die durch Kritik oder Ergänzungsvorschläge zur Verbesserung des Buches beitragen können. Zum andern bitte ich diejenigen mir zu schreiben, denen ich nach meinen Möglichkeiten und in angemessener Form bei der Lösung spezieller Probleme in der Optischen Spektrophotometrie behilflich sein kann. Mein besonderer Dank geht an Dr. H. F. Ebel bei der VCH Verlagsgesellschaft, der meine Idee zum vorliegenden Buch auf den Weg gebracht hat. Mein Dank gilt ferner Frau Ute Hartweg für hilfreiche sprachliche und wissenschaftliche Unterstützung bei der Erstellung des Manuskripts und den Lektoren Frau Karin von der Saal und Herrn Dr. Thomas Mager, die das Werden des Manuskripts fachkundig begleitet haben. Herr J. Meier von der Herstellung hat schließlich aus einem Manuskript ein ansprechendes Buch gemacht.

Nicht zuletzt gilt mein Dank meiner Frau und meinen Kindern, die in den vergangenen Jahren wegen dieses Buches auf so manches verzichten mußten.

Konstanz, im Winter 1993

Werner Schmidt

Vorwort zur 2. Auflage

Nachdem das Manuskript zur ersten Auflage der „Optischen Spektroskopie“ vor nunmehr 7 Jahren abgeschlossen worden ist und das Buch gute Akzeptanz erfahren hat, war es nun Zeit für die vorliegende zweite Auflage. Meine Vorgabe durch den Verlag war, den Gesamtumfang leicht zu kürzen und das Buch kompakt und preisgünstig zu halten. Aufgrund vieler positiver Rückmeldungen, Kommentare und Verbesserungsvorschläge habe ich die zweite Auflage gründlich aufgearbeitet und verbessert.

Die ersten sieben Kapitel blieben in ihrer Struktur erhalten. Das achte Kapitel widmet sich nun ausschließlich der Polarimetrie, die durch die Ellipsometrie erweitert wurde. Auf die „Spektroskopie der inneren Elektronen“ (in der ersten Auflage Kap. 8) und die „Datenverarbeitung/Computertechnik“ (in der ersten Auflage Anhang A) wurde vollends verzichtet, da dieses heute weitgehend eigenständige Themenbereiche sind und einer ausführlicheren Behandlung bedürfen, als das im hier vorgegebenen Rahmen möglich ist. Aus Gründen der Aktualität lag mir jedoch daran, sowohl die Nahe-Infrarot-Spektroskopie als auch die Atomabsorptions- und Atomemissionsspektroskopie in eigenen, neuen Kapiteln ausführlicher als in der ersten Auflage des Buches darzustellen (Kap. 9, 10).

Eine Reihe weniger wichtiger, z. T. redundanter Abbildungen wurde herausgenommen, einige wurden verbessert, andere kamen neu hinzu. Eine Reihe weiterer kleiner Tabellen erlaubt einen klareren Überblick als eine Beschreibung im Text. Das Gemälde Fraunhofers von R. Wimmer (erste Auflage, Tafel II) aus dem Deutschen Museum habe ich gegen ein photographisches Portrait von Warren L. Butler (28. 1. 1925 bis 21. 6. 1984) ausgetauscht; eine Hommage an ihn. Er war einer der Wegbereiter besonders der optospektroskopischen Analytik „biolgisch schwieriger Proben“ und während meiner postdoc-Zeit Mitte der siebziger Jahre in seinem Labor an der UCSD in San Diego/Californien mein herrausragender und prägender Lehrer. Weiterhin habe ich versucht, den zwangsläufig „spröden“ Text des Buches durch die Portraitbilder jeweils themenrelevanter Wissenschaftler aufzulockern.

Ich danke Herrn Wengenmayr vom Verlag Wiley-VCH in Weinheim für seine ständige Hilfsbereitschaft und die aktive Mitgestaltung des Buches. Mein Dank gilt auch Frau Dr. Waltraud Wüst, die dem Manuskript den letzten Schliff gegeben hat. Ingenieur Dieter Wengert (Konstanz) hat mich tatkräftig bei der technischen Produktion des Manuskripts unterstützt. Zusammen mit Prof. P.-S. Song aus Lincoln/Nebraskar und mir wird der Verlag Wiley-VCH das vorliegende Buch in modifizierter Form 2001 in englischer Sprache herausbringen.

Konstanz, im Sommer 1999

Werner Schmidt

Über den Autor

Werner Schmidt, geboren 1941 in Oberhausen, studierte in Berlin und Freiburg Physik und Biologie. Seit einem mehrjährigen postdoc-Aufenthalt in den renommierten Labors von Prof. W.L. Butler (Univ. San Diego), Prof. M. Delbrück (Caltech/Pasadena) und Prof. K. Poff (Univ. East Lansing, Michigan) arbeitet er an der Erforschung pflanzlicher Photorezepotoren, ihrer Lokalisation in der Zelle und insbesondere deren Primärreaktionen bei der physiologischen (Licht-) Reizübertragung (sensory transduction). Diese Arbeiten erfordern zwangsläufig ein vertieftes Verständnis optospektroskopischer Methoden und die Entwicklung spezieller Analysegeräte und -verfahren. Hieraus resultierten letztlich verschiedene Patente, die nun mit Partnern aus der Industrie verwertet werden. Von 1976 bis 1983 war Werner Schmidt Assistent am Lehrstuhl des bekannten Flavinchemikers Peter Hemmerich an der Universität Konstanz. Nach dessen frühen Tod 1982 habilitierte er sich im Fach Biophysik und ist (Mit-) Autor zahlreicher Fachbücher und Originalpublikationen. Seit 1996 ist er Professor für Biophysik an der Universität Konstanz.

1

Einleitung in die Optische Spektroskopie

Bene docet, qui bene distinguit*)(Horaz)

1.1 Überblick

Unter Optischer Spektroskopie (Optische Spektrophotometrie, OSP) versteht man die Gesamtheit aller qualitativen und quantitativen Analysenverfahren, die auf der Wechselwirkung von Licht mit toter und auch lebender Materie beruhen.

Laut DIN 58960, Teil 2, sind Photometer „Geräte zur vergleichenden Messung von vorzugsweise spektralen Strahlungsgrößen, die zur Bestimmung von optischen Eigenschaften und Analysenproben durch die in DIN 58960, Teil 1, aufgeführten Grundvorgänge dienen, um daraus Rückschlüsse auf die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Analysenprobe zu ziehen.“ In dieser DIN-Norm sind auch die verschiedenen Typen der (Spektral-) Photometer differenziert.

Hierbei umfaßt der Begriff Licht den Spektralbereich vom fernen Ultraviolett (UV), über den wirklich sichtbaren Bereich (VIS) bis hin ins nahe Infrarot (NIR). Die OSP wird seit nahezu 200 Jahren in den verschiedensten Zweigen von Technik und Naturwissenschaft, insbesondere in der (Bio-)Chemie, Biologie, Medizin, Physik und Astronomie, eingesetzt und überdeckt in beispielloser Weise einen breiten analytischen Anwendungsbereich. Sie ist hochspezifisch, da jede Substanz von jeder anderen spektral verschieden ist. Proben lassen sich sowohl qualitativ als auch quantitativ analysieren, Moleküle ebenso wie Atome. Im Gegensatz zu anderen spektroskopischen Analyseverfahren (NMR-, ESR-, Mößbauer- oder Massenspektroskopie) sind die Anforderungen der OSP an die zu untersuchende Probe gering. Die Bestimmung verschiedener optischer Parameter als Funktion der Wellenlänge („Spektrum“) oder der Zeit („Kinetik“) liefert wertvolle Informationen, die mit anderen Analyseverfahren nicht oder kaum gewonnen werden können.

Die Entwicklung der Optischen Spektralanalyse ist in den wesentlichen Grundzügen abgeschlossen, auch wenn sich ständig neue Anwendungsgebiete auftun. Entsprechend der jeweiligen Fragestellung und den erforderlichen Spezifikationen unterscheiden sich die jeweiligen Spektrophotometer in ihrem Äußeren und ihrer Handhabung beträchtlich; sie lassen sich in nahezu idealer Weise auf die jeweilige Fragestellung anpassen. Der Trend geht eindeutig hin zum Spezialspektrophotometer für einen bestimmten Zweck und weg vom kostspieligen „Alleskönner“ mit einer Vielzahl von Optionen, von denen in der Praxis erfahrungsgemäß nur wenige durch den jeweiligen Anwender genutzt werden.

Die Spezifikationen moderner Optischer Spektrophotometer nähern sich den von der Natur gesetzten Grenzen, die Vorteile gegenüber anderen Analyseverfahren sind unübersehbar:

Die OSP ist nicht destruktiv oder invasiv.

Remote Measurements sind durchführbar, d. h. Fernmessungen aus Abständen von Millimetern bis hin zu sehr großen Entfernungen, etwa von Satelliten aus, ohne direkten Kontakt zur Probe; gefährliche oder unzugängliche Objekte lassen sich so analysieren

Sowohl flüssige, als auch feste oder gasförmige Proben sind akzeptabel, prinzipiell unabhängig von deren „Optischen Qualität“; klare Proben, aber auch hochstreuende Suspensionen sind meßbar

Der erfaßbare photometrische und auch zeitliche Meßbereich (Dynamik) ist außerordentlich hoch und wird von kaum einer anderen Analytikmethode erreicht

Untersuchung extrem schneller Vorgänge bis hinunter in den Femptosekun-den-Bereich (10

15

s, Blitzlichtspektrophotometrie)

Erfassung sehr kleiner Proben bis in den Mikrometer-Bereich (Mikrospektro-photometrie) oder sehr unwahrscheinlicher Ereignisse mittels Einzelphotonenmessung (single photon counting, Messung weniger Photonen pro Sekunde)

Extrem kleine Stoffmengen bis hinunter zu 10

−18

Mol lassen sich heute über Lumineszenzmethoden nachweisen, z. B. zur Entdeckung außerirdischen Lebens. Radioaktive Marker zur Aufklärung von Reaktions- und Stoffwechselwegen werden zunehmend durch billigere und weit einfacher zu handhabende Lumineszenzmarker in Verbindung mit entsprechend preiswerten Colorimetern ersetzt.

Wir wollen im vorliegenden Buch die wesentlichen Grundlagen der Optischen Spektroskopie erarbeiten, ohne uns durch die Vielfalt der heute existierenden optospektrophotometrischen Verfahren und Gerätschaften verwirren zu lassen, was insbesondere in Anbetracht der großen Fortschritte während der letzten Jahre in der Optoelektronik, der Laser- und Mikrocomputertechnik nicht immer einfach ist. Dieses Buch will aber keine Anleitung zur Bedienung bestimmter Geräte sein, es wäre zu schnell veraltet. Zu diesem Zweck sollte man die entsprechenden Handbücher zurate ziehen, auch wenn diese häufig zu wünschen übriglassen. Darüber hinaus bieten die großen Hersteller Optischer Spektrophotometer praktische und theoretische Einführungsseminare in die Optische Spektroskopie an, allerdings meist gegen eine beträchtliche Gebühr und in Hinblick auf eigene Produkte.

Nach einem kurzen Streifzug in die Geschichte der Optischen Spektroskopie im vorliegenden Kapitel 1 bietet das Kapitel 2 eine orientierende Einführung in die Quantentheorie, deren Grundlagen unabdingbare Voraussetzung für das Verständnis spektroskopischer Eigenschaften von Materie sind. Ausgehend vom Wasserstoffatom als dem einfachsten atomaren quantenmechanischen System lernen wir zunächst die spektroskopischen Eigenschaften größerer Atome, über die kleinerer, zweiatomiger Moleküle, bis hin zu denen komplexer organischer Moleküle besonders der Biochemie kennen.

Die Optische Spektroskopie ist eng verknüpft mit der Technischen Optik. In Kapitel 3 befassen wir uns daher eingehender mit den erforderlichen Grundlagen und den Bauelementen, angefangen bei der Definition von Lichteinheiten, über die Grundlagen der Geometrischen und der Wellenoptik, bis hin zur Lichterzeugung und -messung. Die wesentlichen optischen Elemente wie Filter, Spiegel, Linsen, Lichtfasern, photometrische Kugeln sowie Methoden der Lichtdispersion mittels Prisma, Gitter oder Interferometer werden besprochen.

Im vierten Kapitel schließlich wenden wir uns ausführlich der Theorie und Praxis der Absorptionsspektroskopie als dem wohl verbreitetsten analytischen Verfahren zu. Wir besprechen die unterschiedlichen Varianten von Absorptions-spektrometern und gehen auf diverse Methoden der Spektrenbearbeitung ein, um so für das bloße Auge „versteckte“ Informationen zu extrahieren.

In ähnlicher Ausführlichkeit widmet sich das fünfte Kapitel der Lumineszenz-spektroskopie. Während in der Absorptionsspektroskopie der Extinktionskoeffizient letztlich der einzige Meßparameter ist, haben wir es in der Lumineszenz-spektrophotometrie mit einer Vielfalt meßbarer Größen zu tun. Das schafft eine ganze Palette unterschiedlicher Analyseverfahren, weshalb die einzelnen Abschnitte relativ gerafft dargestellt sind.

Die Photoakustische Spektroskopie, bei der nicht Licht sondern die Emission von Wärmewellen detektiert wird, wird in Kapitel sechs besprochen. Sie gestattet in Ergänzung zur Absorptions- und Lumineszenzspektroskopie einmal Aussagen bzgl. der thermodynamischen Verhältnisse besonders komplexerer Molekülsysteme in Biologie, Chemie und Medizin als auch die spektrale Erfassung unterschiedlich tiefer Schichten des Probenmaterials (Haut, Fruchtschale).

Meßmethoden und Phänomene, die auf verschiedenartigen Streuprozessen wie der Rayleigh-, Mie-, Fraunhofer-, aber auch Ramanstreuung beruhen, werden einschließlich der hiermit eng verknüpften Reflexionsspektroskopie sowie der ATR-Spektroskopie (attenuated total reflection), im siebten Kapitel behandelt.

Aufgrund der Bedeutung chiroptischer Verfahren für die molekulare Analytik und Strukturaufklärung in der Chemie wenden wir uns im achten Kapitel der ORD- (optical rotational dispersion) und CD- (circular dichroism) Spektroskopie zu, auch wenn beide Methoden gleichsam Abwandlungen der Absorptions- bzw. Streuspektroskopie sind und inhaltlich an das vierte und siebte Kapitel anküpfen. Die Ellipsometrie schließlich nutzt die Phasenänderung bei der Oberflächenreflexion polarisierten Lichts aus, was man zur hochempfindlichen Analyse besonders biologisch relevanter Moleküle ausnutzt.

Nach Erscheinen der ersten Auflage dieses Buches (1994) und nachdem zunehmend preiswerte, sehr schnelle online Rechner hoher Speicherkapazität verfügbar wurden, hat die Nahe Infrarot Spektroskopie (NIR) besonders in der industrieellen Routineanalytik einen ungeahnten Aufschwung erfahren. Sie ist in der Pharmaindustrie und Medizin, der Nahrungsmittelindustrie, der Petrochemie, der Geologie oder Umweltanalytik unverzichtbar geworden und wird auch in anderen Anwendungsbereichen oder auch der angewandten Forschung weiter stürmisch an Bedeutung gewinnen. Daher wurde der NIR-Spektroskopie in der vorliegenden zweiten Auflage der „Optischen Spektroskopie“ eigens das Kapitel neun gewidmet.

Ähnlich wurde die Atomspektroskopie aufgrund ihrer rasant wachsenden Bedeutung in das eigene Kapitel zehn aufgenommen. Hier werden die beiden Varianten Atomabsorptionsspektroskopie und Atomemmissionsspektroskopie theoretisch und praktisch ausgeleuchtet.

Im Anhang verbleiben wie in der ersten Auflage die Liste der wesentlichen Naturkonstanten, die auch im Buch verwendet werden. Das Periodensystem der Elemente inklusive ausführlicher Elektronenverteilungen dient der schnellen Orientierung. Eine Tabelle erlaubt die schnelle Umrechnung der verschiedenen Energieeinheiten ineinander. Gleichsam als Schnittstelle zwischen dem Leser und verschiedenen Herstellern und Vertreibern von optischen Spektrometern und optischen Bauteilen aller Art angegeben sind entsprechende Adressen angegeben – wenn verfügbar mit entsprechenden e-mail und Internetadressen. Das Anhangskapitel der ersten Auflage zur Datenverarbeitung und zur Verbindung von Spektrometern mit Mikroprozessoren – vor wenigen Jahren noch eine neue, höchst fortschrittliche Technik – wurde aus Platzgründen ersatzlos gestrichen. Die Verknüpfung Rechner-Spektrophotometer ist heute Standard, von wenigen Ausnahmen abgesehen, und nicht mehr sinnvoll in einem einzigen Kapitel abzuhandeln. Ergänzende Literatur findet sich jeweils am Ende der einzelnen Kapitel.

Abbildung 1.1 faßt das gesamte Gebiet der Optischen Spektroskopie schematisch zusammen, das in den wesentlichen Teilen im vorliegenden Buch behandelt wird. In der Grobeinteilung unterscheiden wir demnach Absorptions-, Reflexions-, Streuungs- und Lumineszenzspektroskopie, die sich – wie gezeigt – jeweils in weitere Spezialdisziplinen unterteilen lassen.

Abb. 1.1. Einteilung der Optischen Spektroskopie. Wir unterscheiden Absorptions-, Reflexions-, Streuungs- und Lumineszenzspektroskopie. Jeder Spektroskopietyp ist weiter unterteilt wie angegeben.

1.2 Geschichte derOptischen Spektroskopie (Tafel I)

Das Wort Spektrum kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie „Erscheinung“, „Schema“. Isaac Newton hatte schon 1666 in seinem grundlegenden Werk Optiks den Begriff Spektrum im heutigen naturwissenschaftlichen Sinn eingeführt. Er benutzte als erster ein Glasprisma, um Sonnenlicht in seine Spektralfarben zu zerlegen (Abb. 1.2). Markgraf verwendete erstmals 1758 die Flammenfärbung zum Nachweis eingebrachter Substanzen, wenn auch ohne jegliche Hilfmittel, nur mit dem bloßen Auge. 1802 griff der englische Physiker William H. Wollaston den Newton Prismenversuch wieder auf, verbesserte die Anordnung und entdeckte so als erster zahlreiche dunkle Linien im Sonnenspekrum. Auf dieselbe Weise zerlegten J. Herschel und W.H.T. Talbot das Flammenlicht. 1834 schließlich gelang es Talbot mit der gleichen Methode, die rote Lithiumflamme von der ebenfalls roten Strontiumflamme eindeutig spektral zu unterscheiden, was man als Geburtsstunde der chemischen Spektralanalyse ansehen mag.

Mit einer neuen Technik, die die gesamte Optische Spektroskopie bis auf den heutigen Tag ungeheuer bereichern sollte, gelang dem ehemaligen Spiegelschleiferlehrling, Autodidakten und späteren Professor für Physik in München, Josef Fraunhofer, die Zerlegung des Sonnenlichts (1814). Auf der Grundlage des von ihm erfundenen Streugitters, wie wir es im Prinzip heute immer noch in modernen Spektralapparaten verwenden, entwickelte er ein hochauflösendes Spektroskop, welches im Deutschen Museum seinen angemessenen Platz gefunden hat (s. Abschn. 2.5, Tafel III). Auf dieser Basis entdeckte Kirchhoff 1859 Natrium im Sonnenspektrum (Tafel IV) und leitete darauf basierend das Kirchhoffsche Gesetz ab:

Bei gegebener Wellenlänge und Temperatur ist der spektrale Emissionsgrad eines beliebigen Körpers gleich seinem Absorptionsgrad.

Abb. 1.2. Newton entdeckte als erster, daß ein Glasprisma kollimiertes (paralleles) Sonnenlicht in seine Bestandteile zerlegt.

Tafel I. Geschichte der Optischen Spektroskopie)

Joseph von Fraunhofer(1787-1826)

Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887)

Vor dem zwanzigsten Jahrhundert gab es keine Theorie, die das komplexe spektrale Verhalten, welches alle Substanzen ausnahmslos zeigen, befriedigend erklären konnte. Die wichtigsten Meilensteine, die zum heutigen guten Verständnis von Spektren führten, werden im Folgenden genannt.

1885 entdeckt der Schweizer JJ. Balmer die nach ihm benannte Linienserie im Wasserstoff. 1897 entdeckt der englische Physiker JJ. Thompson das Elektron, 1911 sein Landsmann Ernest Rutherford den Atomkern. 1900 formuliert Max Planck die ersten Prinzipien der Quantentheorie. Werner Heisenberg (1932) und Erwin Schrödinger (1933) bekommen den Nobelpreis für ihre bahnbrechenden Arbeiten in der Quantentheorie. Diese wurde entscheidend durch Paul A.M. Dirac und Wolfgang Pauli (1945) vorangetrieben, die dann auch beide mit dem Nobelpreis geehrt wurden (Dirac 1933 gemeinsam mit Schrödinger). Sie ist heute im wesentlichen etabliert, und ihre Entwicklung ist zu einem gewissen Abschluß gekommen.

Wie die Geschichte der Naturwissenschaften unabdingbar mit der Geschichte der Analytik verknüpft ist, so wurde die Geschichte der Optischen Spektroskopie weitgehend durch astronomische Fragestellungen bestimmt und ist damit gleichzeitig auch die Geschichte der Atomspektroskopie. Erst Ende des letzten Jahrhunderts rückte die Molekülspektroskopie als mächtige analytische Methode in den Vordergrund, als z.B. die Gerichtsmediziner zur Lösung von Mordfällen erstmals nur winzige Blutflecken anhand der charakteristischen „Banden“ des Blutfarbstoffs, dem Hämoglobin, mit dem Spektrophotometer eindeutig als solche identifizieren und von kriminologischen „Fälschungen“ mit rotem Farbstoff unterscheiden konnten. Die Optische Spektroskopie war wegen der noch einfachen Wolframglühlampen, Prismen, Streugitter und Lichtdetektoren lange Zeit zunächst auf den sehr engen sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen etwa 500 und 700 nm beschränkt. Überhaupt gab es Anfang der 40er Jahre dieses Jahrhunderts nur wenige kommerzielle Spektrophotometer, die obendrein schwierig zu handhaben waren und nur in geringen Stückzahlen produziert wurden (General Electric Hardy Spectrophotometer, Cenco „Spectrophotelometer“, Coleman Modell DM). Die „Messung“ von Extinktionen zur Konzentrationsbestimmung erfolgte durchweg visuell durch Vergleich zweier Sehfelder mit dem Auge. Auch das berühmte Pulfrich-Photometer (mehrere Tausend Exemplare) arbeitete nach diesem Prinzip und verdankt seine Erfolge einer Reihe sog. S-Filter (Interferenzfilter mit Halbwertsbreiten von 15 bis 20 nm) der Firma Zeiss im sichtbaren Bereich. Bereits 1941 lagen mehr als 800 Publikationen zur Konzentrationsbestimmung klinisch wichtiger Substanzen im Blut und anderen Körperflüssigkeiten mit diesem Spektrophotometer vor. Schon in den 30er Jahren hatte man die große Bedeutung des ultravioletten Spektralbereichs (UV) insbesondere für die chemische Analytik erkannt, wobei die quantitative Bestimmung von Vitamin A (Absorption bei 320 bis 330 nm) eine Schlüsselrolle für die Spektrometerentwicklung spielen sollte.

Max Planck(1858-1947)

Werner Karl Heisenberg(1901-1976)

Erwin Schrödinger(1887-1961)

Wolfgang Pauli(1900-1958)

Federführend durch H. H. Cary und A.O. Beckman brachte das berühmte Modell D-Spektrophotometer mit einem Verkaufspreis von 723 US-Dollar im Jahr 1941 den Durchbruch in der Optischen Spektroskopie, da es als erstes kommerzielles Gerät den UV-Bereich einschloß. Hierzu wurde die Wasserstofflampe als damals einzig mögliche UV-Quelle entwickelt. Das für UV-Prismen erforderliche Quarz aus Brasilien war schwierig zu beschaffen, da es vornehmlich für die Rüstung benötigt wurde (für Schwingkreise in Funkanlagen). Ein Photomultiplier für den UV-Bereich bis hinunter zu 220 nm mußte auch eigens entwickelt werden (verfügbare Cäsium-Oxid-Typen waren nur für Wellenlängen > 600 nm brauchbar). Die DU/DUl-Serie von Beckmann – wohl die erfolgreichste weltweit – wurde bis 1976 ständig weiterentwickelt, und es wurden insgesamt über 30 000 Geräte verkauft. Etwa parallel zur Entwicklung der UV-VIS-Spektrophotometer lief die Entwicklung der Infrarotspektrometer. Doch erst nach dem 2. Weltkrieg erweiterte sich der Markt für die optospektroskopische Analytik rapide, verschiedene Hersteller entwickelten die Technik zügig weiter. Das Streugitter gewann wegen besserer Auflösung und geringerem Falschlichtanteil gegenüber dem Prisma wieder die Vorhand, automatisch scannende und registrierende Doppelstrahl-Monochromatoren rationalisierten die Routinearbeit. Mit Doppelmonochromatoren wurde der Streulichtuntergrund drastisch erniedrigt, womit die Nachweisempfindlichkeit von Spektrophotometern um 4 bis 5 Größenordnungen vergrößert wurde. Spezialphotometer, etwa für die Radiometrie, Colorimetrie oder Zweiwellenlängen-Analyse, wurden zur Marktreife entwickelt. Ein frappanter Entwicklungsschub kam wieder Ende der 70er Jahre mit der Verfügbarkeit preiswerter Mikrocomputer, ein Prozess der Anfang der 80er Jahre mit dem Begin der heutigen PC-Technik nochmals beschleunigt wurde. Der PC (personal computer) erleichtert nicht nur die Routinearbeit, sondern ermöglicht darüber hinaus die online Messung und eine komplexe Analytik, die bislang nur dem Großrechner vorbehalten war. Alte Theorien wie die von Kubelka-Munk in der Streuanalytik oder diverse, rechenaufwendige Korrelations- und Fitverfahren sind so heute elegant in die Praxis umzusetzen.

Tafel II. Warren Lee Butler (28. 1. 1925 bis 21. 6. 1984), Mitentdeckder des Phytochroms und einer der Wegbereiter der Optischen Spektroskopie in den Biowissenschaften.

Tafel III. Erstes Gitterspektrometer, Fraunhofer, 1821 (mit freundlicher Genehmigung des Deutschen Museums)

Tafel IV. Sonnenspektrum mit Fraunhoferschen Linien. Kupferstich, 1814, aus: Denkschriften der kgl. Akademie der Wissenschaften zu München für die Jahre 1814 und 1815, Band 5, Tab. II, München 1817. Das durchgezogene Spektrum gibt die Augenempfindlichkeit an (mit freundlicher Genehmigung des Deutschen Museums).

*) Wer gut aussucht, lehrt gut

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Grundlagen

Natura in minimis maxim*)(aus der Zeit des Pythagoras)

2.1 Die Natur des Lichts

Optische Phänomene lassen sich grundsätzlich unter drei Aspekten sehen. Die Geometrische Optik ist die anschauliche Betrachtungsweise, die Licht als „Strahlen“ interpretiert. Sie beschreibt die Gesetze, nach denen sich Lichtstrahlen ausbreiten und optische Bilder entstehen. Sie macht jedoch keinerlei Aussage über die Wechselwirkung von Licht und Materie und kann als Grenzfall der Wellenoptik für unendlich kleine Wellenlängen angesehen werden. In der Wellenoptik faßt man Licht als periodische Oszillationen elektrischer und magnetischer Felder in Zeit und Raum auf (Abb. 2.1). Aufbauend auf den Feldvorstellungen Faradays (1831) formulierte der englische Physiker James Clark Maxwell 1864 erstmals in vereinfachter Form die zugrundeliegenden Gleichungen der Elektrodynamik, die „Aufschluß über die Struktur des elektromagnetischen (Licht-) Feldes geben“ (Albert Einstein). In vieler Hinsicht sind Lichtwellen vergleichbar mit mechanischen Wellen von Flüssigkeiten, auch wenn diese Analogie ihre Grenzen hat. Doch nur in diesem Bild lassen sich Phänomene wie Brechung, Beugung, Interferenz oder Polarisation „verstehen“. Im dritten Aspekt schließlich, der Quantenoptik, beschreibt man Licht als Strom masseloser Teilchen, den sogenannten Photonen. Die quantenoptische Interpretation allein kann die Lichtabsorption und –emission als Grundlage der Optischen Spektroskopie erfassen.