Optische Spektroskopie

Eine Einführung

Werner Schmidt

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2014
• ISBN drucken: 9783527298280
• eBook-ISBN: 9783527663347
• Auflage: 2
• Thema: Sciences physiques
• Thema: Chimie physique et théorique

This book is a compact and simultaneously comprehensive introduction to the theory and practice of optical spectroscopy. The author skillfully leads the reader from the basics to practical applications. The main topics covered are:
- theory of optical spectroscopy
- components of spectrometers (light sources, filters, lenses and mirror chromators, detectors, cuvettes)
- evaluation of data and interpretation of spectra Such important methods as absorption and luminescence spectroscopy, scattering and reflection spectroscopy and photoaccustic spectroscopy are covered in depth. A useful appendix with the addresses of pertinent equipment manufacturers rounds off the work. Easy to understand and well illustrated, this book is suitable both as a textbook for beginners and as a reference work for the practitioner.

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 (10¹⁵ 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...

Inhaltsverzeichnis

• Decken
• Inhaltsverzeichnis
• Titelseite
• Urheberrecht
• Vorwort zur 1 Auflage
• Vorwort zur 2 Auflage
• Über den Autar
• 1 Einleitung in die Optische Spektroskopie
• 2 Grundlagen
• 3 Spektroskopische Optik
• 4 Absorptionsspektrophotometrie
• 5 Lumineszenzspektrophotometrie
• 6 Photoakustische Spektroskopie
• 7 Streuung, Brechung, Reflexion
• 8 Circular-Dichroismus und Optische Rotation
• 9 Das Nahe Infrarot
• 10 Atomspektroskopie
• Anhang
• Personenregister
• Sachregister