Analytische Spektroskopie
Die analytische Spektroskopie misst, wie Materie elektromagnetische Strahlung absorbiert, emittiert oder streut, um chemische Spezies zu identifizieren und zu quantifizieren.
Definition
Analytische Spektroskopie ist der Zweig der analytischen Chemie, der die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie nutzt, um die Identität und Menge von Analyten in einer Probe zu bestimmen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die spektrochemischen Methoden, die routinemäßig in analytischen Laboratorien eingesetzt werden: Absorption und Emission in den ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereichen, Atomspektrometrie für die Elementaranalyse, Raman-Streuung und molekulare Lumineszenz. Er behandelt die Instrumentierung (Quellen, Wellenlängenselektoren, Detektoren), die physikalische Grundlage des Analyt-Signals und die quantitativen Beziehungen, die ein gemessenes Signal mit der Konzentration verbinden. Ausgeschlossen sind magnetische Resonanz- und Röntgenmethoden, die zur Strukturchemie gehören, sowie massenbasierte Methoden, die separat unter Massenspektrometrie behandelt werden.
Sub-topics
Core questions
- Wie verhält sich ein gemessenes optisches Signal quantitativ zur Analytkonzentration?
- Welche Spektralregion und welcher Übergang (atomar, Schwingung, elektronisch) eignen sich am besten zur Untersuchung eines bestimmten Analyten?
- Wie werden spektroskopische Methoden kalibriert, und was begrenzt ihre Nachweisgrenze und ihren linearen Bereich?
- Wie können Interferenzen und Matrixeffekte bei spektrochemischen Messungen erkannt und korrigiert werden?
Key theories
- Beer-Lambert-Gesetz
- Die Absorption ist proportional zur molaren Absorptionsfähigkeit, der Schichtdicke und der Analytkonzentration und liefert die grundlegende quantitative Beziehung für die Absorptionsspektroskopie; Abweichungen treten bei hoher Konzentration, durch Streulicht und durch chemische Gleichgewichte auf.
- Atomabsorption und -emission
- Freie gasförmige Atome absorbieren und emittieren Strahlung bei scharf definierten Wellenlängen, die durch ihre elektronischen Energieniveaus festgelegt sind; die Besetzung von Grund- und angeregten Zuständen, die durch die Boltzmann-Verteilung bestimmt wird, entscheidet, ob Absorption oder Emission das stärkere analytische Signal liefert.
Mechanisms
Ein Analyt interagiert mit Photonen durch quantisierte Übergänge: elektronische Übergänge im UV-sichtbaren Bereich, Schwingungsübergänge im Infrarot und bei der Raman-Streuung sowie atomare elektronische Übergänge in Flammen- und Plasmaquellen. Instrumente isolieren ein Wellenlängenband, leiten Strahlung durch die Probe oder sammeln sie von dieser und wandeln das optische Signal mit einem Photomultiplier, einer Photodiodenarray oder einem thermischen Detektor in ein elektrisches Signal um. Die Quantifizierung basiert auf einer Kalibrierung, die das Signal mit der Konzentration in Beziehung setzt, meist über das Beer-Lambert-Gesetz für die Absorption oder eine Arbeitskurve für Emission und Lumineszenz.
Clinical relevance
Spektroskopische Methoden sind die Arbeitspferde der routinemäßigen quantitativen Analyse: Klinisch-chemische Assays, die Überwachung von Trinkwasser und Umweltmetallen, die Gleichmäßigkeit des pharmazeutischen Gehalts sowie Lebensmittel- und Agrartests stützen sich stark auf UV-sichtbare, atomare und Infrarotspektrometrie, da sie empfindlich, schnell und oft kostengünstig sind.
History
Die spektrochemische Analyse entstand aus der Entdeckung von Bunsen und Kirchhoff im 19. Jahrhundert, dass jedes Element ein charakteristisches Linienspektrum emittiert, was die qualitative Spektralanalyse begründete. Die quantitative Absorptionsmessung baute auf den früheren photometrischen Arbeiten von Bouguer, Lambert und Beer auf. Die Einführung der Atomabsorptionsspektrometrie durch Alan Walsh im Jahr 1955 verwandelte die Elementaranalyse in eine routinemäßige quantitative Technik.
Key figures
- August Beer
- Robert Bunsen
- Gustav Kirchhoff
- Alan Walsh
Related topics
Seminal works
- skoog2017
- harris2020
- ingle1988
Frequently asked questions
- Was ist der Unterschied zwischen Atom- und Molekülspektroskopie?
- Die Atomspektroskopie untersucht freie gasförmige Atome und liefert scharfe Linienspektren, die zur Quantifizierung einzelner Elemente verwendet werden; die Molekülspektroskopie untersucht intakte Moleküle und liefert breitere Bandenspektren, die elektronische, Schwingungs- oder Rotationsübergänge widerspiegeln.
- Warum versagt das Beer-Lambert-Gesetz bei hohen Konzentrationen?
- Bei hoher Konzentration interagieren Analytmoleküle, der Brechungsindex ändert sich, und Streulicht sowie instrumentelle Einschränkungen werden signifikant, sodass die Absorption nicht mehr streng proportional zur Konzentration ist und die Kalibrierkurve sich krümmt.