Mit mehreren Strahlungen, die um Sie herum auftreten, sind Sie nicht neugierig, sie zu untersuchen und ihre Wechselwirkungen zu verstehen? Spektroskopie befasst sich mit der Erforschung und Untersuchung der Spektren, die von Materie erzeugt werden, oder der Aufspaltung von Licht in seine Bestandteilsfarben. Erfahren Sie im Detail mehr über die Definition, Verwendung, Arten, Instrumente und mehr.
Was ist Spektroskopie?
Definition: Die Untersuchung und Messung des Spektrums, das Materie erzeugt, wenn sie mit elektromagnetischer (EM) Strahlung interagiert, wird als Spektroskopie bezeichnet. Es ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlung in Abhängigkeit von Frequenz oder Wellenlänge.
Das Experiment beinhaltet das Durchführen von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs von einer Quelle durch eine Probe mit bestimmten Verbindungen. Dies führt entweder zu Emission oder Absorption.
Absorptions- vs. Emissionsspektroskopie
Während Absorption bedeutet, dass die Energie der Lichtquelle durch die Probe absorbiert wird, emittiert die Probe bei der Emission Licht mit einer anderen Wellenlänge als der ursprünglichen Wellenlänge des Lichts von der Quelle.
Bei der Absorptionsspektroskopie wird eine Probe mit bestimmten Verbindungen erregt, wenn sie Energie absorbiert, die sie von einer Lichtquelle durch elektromagnetische Strahlung erhält. Sobald die Moleküle Energie gewinnen, springen sie von einem energiearmen Grundzustand zu einem höheren energetischen Anregungszustand. Ein Detektor auf der gegenüberliegenden Seite der Probe hält eine Aufzeichnung der Wellenlängenabsorptionen und bestimmt ihr Ausmaß. Dieses absorbierte Spektrum von Wellenlängen durch die Probe wird als Absorptionsspektrum bezeichnet. Mit der Absorption können Sie also die Konzentration von Metallabsorptionen ermitteln.
Bei der Emissionsspektroskopie geschieht das Gegenteil, das heißt, die Elektronen emittieren elektromagnetische Strahlung und wechseln vom angeregten Zustand in den Grundzustand oder niedrigere Energieniveaus. Dies hilft bei der Bestimmung der Konzentration des Analyten durch Emission.
Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Arten:
| Merkmale | Absorption | Emission |
|---|---|---|
| Prinzip | Absorption von Licht durch Elektronen | Emission von Licht durch Elektronen |
| EM-Strahlung | Absorbiert | Emission |
| Übergänge | Grundzustand zu angeregtem Zustand | Angeregter Zustand zu Grundzustand |
| Abhängigkeit | Atome im Grundzustand | Atome im angeregten Zustand |
| Feste Proben | Kann nicht analysiert werden | Kann analysiert werden |
| Spektrum | Gefärbt | Dunkle Linien |
Spektroskopie vs. Spektrometrie
Vor dem Studium verschiedener Arten von Spektroskopie ist es wichtig, den Unterschied zwischen Spektroskopie und Spektrometrie zu verstehen.
Es handelt sich um die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Energie und Materie. Sie erzeugt keine Ergebnisse von alleine. Spektrometrie ist jedoch eine Anwendung, um die Quantifizierung der Ergebnisse zu erreichen und sie zu bewerten.
Arten der Spektroskopie
Die verschiedenen Arten der Spektroskopie sind wie folgt:
- Akustische Resonanz: Eine Spektroskopie im akustischen Bereich, hauptsächlich im ultraschall- und klangbereich. Es handelt sich um eine weit verbreitete kostengünstige Methode zur Identifizierung und Quantifizierung von Materialien.
- Röntgenphotoelektronenspektroskopie: Sie stützt sich auf Beugungsmuster, die entstehen, wenn Röntgenstrahlen durch kristalline Materialien passieren. Diese Muster helfen, die Natur der Kristallstruktur abzuleiten.
- Kreisdichroismus: Eine Form der Lichtabsorptionsspektroskopie, mit der Sie den Unterschied in der Absorption von links- und rechtszirkular polarisiertem Licht durch eine Probe messen können.
- Ultraviolett-Sichtbar (UV/VIS)-Spektroskopie: Geeignet zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Molekülen und zur Identifizierung der vorhandenen Verbindungen. Es hilft bei der Identifizierung von Peptidbindungen, Cofaktoren, Aminosäureseitenketten und Prosthetikgruppen.
- Kernmagnetische Resonanz (NMR)-Spektroskopie: Die Kernmagnetresonanzspektroskopie ermöglicht es Ihnen, die magnetischen Felder um die Kerne zu messen. Sie verwendet Radioimpulse zur Anregung von Atomkernen in einer Probe. Radioreceiver detektieren die resonierenden Kerne. Die NMR-Spektroskopie ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der Natur monomolekularer organischer Verbindungen.
- Infrarotspektroskopie: Diese Art der Spektroskopie betrifft den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Infrarotstrahlen haben längere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen, und die Infrarotspektroskopie arbeitet nach dem Prinzip der Absorptionsspektroskopie.
- Raman-Spektroskopie: Eine Spektroskopietechnik zur Analyse von Rotations-, Schwingungs- und anderen Systemmodi mit niedriger Frequenz. In der Chemie liefert sie einen Fingerabdruck zur Identifizierung von Molekülen. Sie basiert auf der Raman-Streuung, d. h. der inelastischen Streuung monochromatischen Lichts.
Wussten Sie schon?
Raman-Spektroskopie wurde von einem indischen Physiker, CV Raman, eingeführt. Es handelt sich um eine nicht-invasive optische Technik zur Diagnose bestimmter Krankheiten. Aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungen auf dem Gebiet der Diagnose wird diese Spektroskopie auch als optische Biopsietechnik bezeichnet.
Komponenten der Spektroskopie
Lichtquellen: Dies sind wichtige Komponenten der Spektroskopie, die von der Analyse des elektromagnetischen Spektrums abhängen. Zum Beispiel ist Xenon die beliebteste Lichtquelle für UV-VIS- und NIR-Bereichsspektroskopie. Die meisten Spektrometer verwenden eine Halogenlampe als Lichtquelle, da sie erschwinglicher sind. Xenon bietet jedoch eine gleichmäßigere Emission. Eine Deuterium-Bogenlampe eignet sich für das kontinuierliche UV-Spektrum, da sie eine hohe Intensität und eine lange Lebensdauer bietet.
Nichtdispersive Elemente: Diese Elemente helfen dabei, die nichtzielgerichteten Wellenlängen von der Lichtquelle zu filtern. Sie ermöglichen es Ihnen, Streulicht einzuschränken und die Auflösung zu verbessern.
Dispersionselemente: Ein Prisma war schon immer das beliebteste Dispersionselement. Newton verwendete es in den 1660er Jahren, um Licht in ein Spektrum zu zerlegen. Beugungsgitter werden ebenfalls als Dispersionselemente in der Spektroskopie verwendet, da sie effizienter als Prismen sind. Ein Prisma ist bekannt dafür, manchmal das Licht, das durch es hindurchtritt, zu absorbieren, da es das Licht refraktiert. Beugungsgitter reflektieren jedoch Licht, sodass keine Photonen verloren gehen oder verpasst werden. Gitter unterstützen auch UV-Strahlen, während Prismen dies nicht tun.
Was ist Massenspektroskopie?
Massenspektrometrie wird häufig von Chemikern und Biologen verwendet und eignet sich ideal zur Messung des Massen-zu-Ladungs-Verhältnisses (m/z) für eine oder mehrere Moleküle in einer Probe. Dieses Verhältnis hilft bei der Berechnung der Molekulargewichte der Komponenten der Lösung, und anhand der Informationen kann die molekulare Zusammensetzung der Lösungen bestimmt werden. Massenspektrometrie ist ein wichtiges Instrument in der biologischen Forschung und eignet sich für folgende Zwecke:
- Nachweis von Verunreinigungen in einer Probe
- Analyse eines gereinigten Proteins
- Charakterisierung von Biomolekülen wie Proteinen, Zuckern und Oligonukleotiden
- Untersuchung des Proteins von Zellen
Massenspektrometer verwenden die folgenden drei Komponenten für Messungen:
- Ionisationsquelle: Wandelt Moleküle durch Verdampfung in die Gasphase um.
- Massenanalysator: Sortiert Ionen nach ihrem Massen-zu-Ladungs-Verhältnis durch Ablenkung und Beschleunigung.
- Ionen-Detektionssystem: Misst die Ionen und sendet die Daten an ein System, in dem die Verhältnisse gespeichert werden können.
Was sind Spektrometer?
Ein Spektrometer ist ein Gerät, das Licht aufnimmt, in seine spektralen Bestandteile aufspaltet, das Signal als Funktion der Wellenlänge digitalisiert und es über einen Computer darstellt.
In letzter Zeit gewinnen drahtlose Spektrometer oder VIS an Beliebtheit, da sie spektroskopische Untersuchungen für Schülerinnen und Schüler sowie Pädagoginnen und Pädagogen einfacher und zugänglicher machen. Sie verfügen über eine benutzerfreundliche Software und Analysetools, die denen ähneln, die bereits verwendet werden. Drahtlose Spektrometer reduzieren die Testzeit und die Zeit, um das vollständige Spektrum zu erfassen. Studierende können die Absorption und Emission von Spektren einer Lösung effizient analysieren und interaktive Anzeigen sowie automatisierte Standardkurven nutzen.
Spektrometer und Spektrophotometer
Spektrometer messen die spektrale Energieverteilung von Lichtquellen, die klein sind. Es zerlegt das Licht über Prismen oder Beugungsgitter und zeichnet das Strahlungsspektrum auf, um Parameter wie Farbkoordinaten und Leuchtdichte zu berechnen. Empfindlichkeit, Streulicht, Linearität und Polarisation haben weniger Einfluss auf das Spektrometer.
Spektrophotometer messen das absorbierte, reflektierte und durch eine chemische Substanz übertragene Licht. Es bewertet die Lichtintensität, während der Strahl durch eine Probe geht. Das Gerät verfügt über eine Öffnung, durch die das Licht eintritt, und ein holographisches Beugungsgitter, das es in seine Bestandteilwellenlängen aufteilt. Die Lichtstrahlen werden dann auf einen CCD-Array-Detektor gelenkt, um die Intensität jeder Wellenlänge über einen Pixel des Arrays zu bestimmen. Spektrophotometer verwenden Infrarotlichtwellenlängen des elektromagnetischen Spektrums und werden von Organischen Chemikern verwendet, da sie die Schwingungen der Atome messen und Chemikern ermöglichen, die funktionellen Gruppen der Probe zu bestimmen.
Verwendungen und Anwendungen der Spektroskopie
Sie findet Anwendung in der Chemie, Physik und Biologie. Sie wird in der analytischen und physikalischen Chemie eingesetzt, um die molekulare und strukturelle Zusammensetzung einer gegebenen Probe zu erfassen und zu bestimmen. Da jedes Atom eine charakteristische Art hat, elektromagnetische Strahlung zu reflektieren, zu absorbieren oder zu emittieren, verwendet die Spektroskopie diese Eigenschaften und ermittelt die Zusammensetzung einer Probe.
