UV-Vis-Spektroskopie

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Grundlagen[Bearbeiten]

Sowohl UV- (180 - 400 nm) als auch visuelles (400 - 800 nm) Licht kann von diversen Probenmolekülen absorbiert werden. Die Absorption beruht auf Elektronenübergängen zwischen diskreten Energiezuständen der Analytmoleküle. Es werden hier die äußeren Elektronen angeregt. Die Übergänge erfolgen i.d.R. von einem bindenden Orbital zu einem nicht- oder antibindenden Orbital. Da die Absorption von dem Abstand der Energieniveaus abhängig ist, kann man auf bestimmte Strukturelemente einer Probe zurückschließen.
Die UV-Vis-Spektren müssen in sehr geringkonzentrierten Lösungen gemessen werden, da das u.g. Lambert-Beersche Gesetz nur hier eine Linearität aufweist.
Die Konzentration der Probe sollte bei ca. 1 mg/100mL liegen. Als Lösungsmittel kommen Wasser, Ethanol oder ähnliches in Frage.
Je nach Wellenlängenbereich in dem gemessen werden soll, werden die Proben in Quarz-, Glas- oder Plastikküvetten mit einer Schichtdicke von 1 cm überführt und im Photometer gemessen.

Bei den meisten Analysen wird gegen Luft gemessen, manche Photometer benötigen aber eine Referenzküvette die das reine Lösemittel enthält. (Versuchs- bzw. Photometerbeschreibung beachten!)

Das Spektrum zeigt nun die Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Wie die Extinktion berechnet wird kommt weiter untern). Einerseits ermöglicht einem das Aufnehmen des kompletten Spektrums das Auffinden des Absorptionsmaximums eines Analyten. So ist es sinnvoll quantitative Bestimmungen beim Absorptionsmaximum druchzuführen. Andererseits kann man mit der Aufnahme eines kompletten Spektrums auch bedingt Analytmoleküle charakterisieren.

UV-Spektrum-Nitrit.png

Das Bild zeigt das UV-Vis-Spektrum von Nitrit. Da es sich bei der Nachweisreaktion mittels Lunge's Reagenz um eine "farbige" Reaktion handelt . Ist für die Photometrische Messung im Anschluss nur das Maximum bei 544,5 nm von Interesse.

Die -Bindungen (wie beispielsweise C-C oder C-H-Bindungen) werden erst bei sehr energiereicher Strahlung mit Wellenlänge kleiner 150 nm angeregt. Daher sind diese im Spektrum nicht zu sehen. Anders verhalten sich -Elektronen wie sie in Doppelbindungen oder in freien Elektronenpaaren vorkommen. Die sogenannten chromophoren Gruppen lassen sich leichter, d.h. mit weniger Energie und damit mit längeren Wellenlängen anregen. sind dann auch noch konjugierte Doppelbindungen anwesend, verschiebt sich die Absorptionsbanden weiter in den energieärmeren Bereich mit längeren Wellenlängen. Dies wird als bathochrome Verschiebung bzw. als bathochromer Effekt bezeichnet.
Es gibt aber noch einige weitere Verschiebungen: Auxochrome sind Substituenten, die zwar keine Strahlung absorbieren, die aber bei Bindung an einem Chromophor eine Rotverschiebung, also eine Verschiebung zu längeren Wellenlängen, bewirken. Der hypsochrome Effekt bezeichnet eine Blauverschiebung.

Chromophor Übergang Wellenlänge [nm]
Kohlenwasserstoffe 150 - 160
Alkohole, Ether ca. 185
Doppelbindung isoliert < 200 10000
Doppelbindung alkylsubstituiert ca. 200
Polyene (2 DB) ca. 220 21000
Polyene (4 DB) ca. 300 76500
Polyene (8 DB) ca. 400
Ketone, Aldehyde (gesättigt) 270 - 300 < 30
Ketone, Aldehyde (-ungesättigt) 215 - 250 104 - 2*104
310 - 330 ca. 100
-ungesättigte Carbonsäuren, Ester, Lactone 200 - 240 ca. 104
-ungesättigte Amide 200 - 220 ca. 104
-ungesättigte Lactame ca. 250 ca. 103
-ungesättigte Nitrile ca. 215 ca. 104
-NO2, -N=O, NO3-, NO2- ca. 270 um 20
Aromate, einfache Benzolderivate 200 - 300 ca. 103


Anhand des aufgenommen Spektrums können nun Rückschlüsse auf die Struktur gezogen werden. Ein Anwendungsbeispiel wäre die Untersuchung von Fett auf Raffination, denn bei der Raffination werden ungesättigte Fettsäuren häufig entfernt bzw. reduziert und dadurch verschieben sich die Banden.
Man sollte jedoch nicht meinen man könne komplett die Struktur einer Verbindung aufklären ohne weitere Hilfsmittel. Man muss die erhaltenen Ergebnisse mit anderen spektroskopischen Analysen (wie beispielsweise MS oder IR-Spektroskopie oder NMR-Spektroskopie) und den schon vorhandenen Sammlungen von Vergleichsspektren abgleichen.

Lambert Beer'sches Gesetz[Bearbeiten]

Der Zusammenhang von Konzentration und der Durchlässigkeit der Probe ist nur für sehr geringe Konzentrationen linear. Bei zu hohen Konzentrationen bekommt man alles aber keine gerade Linie! Es gilt:


Wobei:
= Durchlässigkeit der Probe bei der entsprechenden Wellenlänge
ID = Intensität des Lichtstrahl nach Durchlaufen der Probe
I0 = Intensität des Lichtstrahl vor Durchlaufen der Probe
= molarer dekadischer Absorptionskoeffizient bei der entsprechenden Wellenlänge
c = Konzentration der absorbierenden Moleküle
d = Schichtdicke der Küvette

Die Extinktion E die ein Photometer meistens ausspuckt ist als negativ dekadischer Logarithmus der Durchlässigkeit der Probe definiert. Die Extinktion ist proportional zur Konzentration des Analyten (aber Merke: nur bei geringen Konzetrationen!)


Dies bildet die Grundlage der meisten photometrischen Messungen. Sei es direkt über Verdünnungsreihen oder auch bei Vergleichsmessungen, wie es bei der Enzymatik angewendet wird.
Wie schon erwähnt wird bei quantitativen Messungen nicht das ganze Spektrum ermittelt, sondern das Photometer wird auf das Absorptionsmaximum eingestellt und der Analyt bei maximaler Absorption, also nur bei einer Wellenlänge, bestimmt.
Aus den Verdünnungsreihen kann man durch auftragen der Extinktion gegen die Konzentration eine Kalibriergerade (E =f(c)) aufgestellt werden. Der Gehalt der Probe kann dann graphisch über das Koordniatensystem oder rechnerisch über die Geradengleichung ermittelt werden.

Bei Einstrahlgeräten muss ein Nullabgleich mit dem Lösungsmittel vorgenommen werden. Dadurch wird die Absorption des Lösungsmittels eliminiert.

Bei Zweistrahlgeräten (vgl Abb.) erfolgt der Abgleich meist gegen Luft. Hier werden die Strahlungsintensitäten automatisch mit einander abgeglichen.

Schema-Photometer.png

Als Strahlungsquelle dienen im UV-Bereich eine Wasserstoff- oder Deuteriumlampe, im visuellen Bereich wird eine Wolframlampe verwendet. Der Umschaltbereich liegt bei ca. 360 nm. Als Detektor wird ein Photoelektronenvervielfacher verwendet.

Praktische Beispiele:

Die gemessenen Extinktionen sollten einen Wert von 1,2 nicht überschreiten, da hier der Linearitätsbereich verlassen wird.

Häufige Fehler[Bearbeiten]

Küvetten[Bearbeiten]

  • Auswahl des Materials: Quarzküvetten für den UV- und Vis-Bereich, Glas- und Kunststoffküvetten sind nur für den Vis-Bereich geeignet.
  • Leerwert muss berücksichtigt werden
  • Reinheit sicherstellen (v.a. bei mehrfachverwendeten Küvetten, Wasserflecken entfernen)
  • richtige Füllhöhe

Geräteeinstellung[Bearbeiten]

  • Spaltbreite sollte zur Küvette passen
  • richtige Lampe bzw. Wellenlänge?

Meßlösungen[Bearbeiten]

  • Eigenabsorption des Lösungsmittels
  • inhomogene / getrübte Lösungen
  • Konzentrationen zu gering oder zu hoch
  • Verdünnungsfehler
  • Messungen außerhalb des Linearitäts- oder Kalibrierbereichs

Diodenarray-Spektralphotometer[Bearbeiten]

Bei einem "normalen" Spektralphotometer sitzt der Monochromator vor der Küvette, es wird also nur monochromatisches Licht durch die Probenlösung geschickt.
Beim Diodenarray-Spektralphotometer wird polychromatisches Licht durch die Probe geschickt und das anschließend dispergierte Licht wird auf eine Serie von Photodioden geleitet.
Ein Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit innerhalb sehr kurzer Zeiten ein komplettes Spektrum aufzunehmen. Dieser Vorteil wird vor allem bei der HPLC genutzt. Ein Nachteil stellt die relativ hohe Intensität des polychromatischen Lichts dar. Diese erhöht bei empfindlichen Substanzen die Gefahr der photochemischen Reaktionen.

Übungsaufgaben[Bearbeiten]

1) Warum verschwindet die Absorption von Trimethylamin bei 227 nm in saurer Lösung?


Die Absorption in diesem Wellenlängenbereich stammt von einer -Anregung. Wird das Amin protoniert, so ist kein freies Elektronenpaar (n) mehr vorhanden. Nun ist nur noch eine Anregung von möglich. Diese Anregung benötigt aber wesentlich höhere Energien (ca. 140 - 160 nm), die aber noch so einfach ohne Weiteres messbar sind.



2) 2,2'-, 3,3'- und 4,4'-Dimethylbiphenyl zeigen folgende längstwellige Absorptionen:

250 nm ( = 14000)
255 nm ( = 21000)
235 nm ( = 4600)

Welche Absorption gehört zu welchem Isomer?


Im 4,4'-Isomer sthen beide Aromaten in Konjugation zu einander. Im2,2- und teilweise auch im 3,3'-Isomer ist aufgrund der sterischen Hinderung der ortho-Substituenten ein Ring aus der Ebene gedreht (im 2,2'-Isomer um ca. 70°), daher ist die Konjugation stark abgeschwächt:

250 nm ( = 14000) = 3,3'-Isomer
255 nm ( = 21000) = 4,4'-Isomer

235 nm ( = 4600) = 2,2'-Isomer


3) Erläutern Sie das Spektrum von Isophoron (3,5,5-Trimethylcyclohex-2-enon) in Ethanol.

UV-Isophoron-Ethanol.png



In Isophoron ist wie in allen -ungesättigten Carbonylverbindungen eine - und eine -Anregung möglich. Erstere ist bei 215 - 250 nm ( = 104 - 2*104) zu sehen, zweitere bei 310 - 330 nm = 100). Eine isolierte Doppelbindung im Gegensatz dazu bei weniger als 200 nm eine -Anregung zeigen.