Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie (Workshop on) Analytical Spectroscopy The Science (and Art) of Spectrochemical Analysis Instructor Information: §Prof. Boris Mizaikoff; Office: O26, 3. Floor, #326 §Email: [email protected]; Extension: 22750 §Administrative Assistant: Ms. Marie Bowman; Extension: 22751 §Office hour: by appointment §VO canceled on: Fr. 6.11., 20.11., 27.11. §Additional VO dates: Wed. 21.10., 28.10., 4.11., (11.11., 2.12., 9.12., 16.12.) Lecture notes in part adapted from Dr. Christy Hayes Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 1 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie DISCLAIMER § Die zur Verfügung gestellten Lehrunterlagen (PPT, PDF) sind für die Lehre und Vermittlung der Lehrinhalte unabdingbar, dienen lediglich der Veranschaulichung und verfolgen keinen kommerziellen Zweck ( 52a Urheberrechtsgesetz) § Die Lehrunterlagen werden über die Homepage des Instituts über einen geschützten Zugang (Login mit Passwort) für die Dauer der Lehrveranstaltung (SoSe 2015) zugänglich gemacht. (http://www.uni-ulm.de/nawi/iabc/lehrveranstaltungen/angebotefuer-bachelor-und-lehramt-studenten.htm) § Die Vervielfältigung oder Weitergabe der Lehrunterlagen wie auch der Zugangsdaten ist strikt untersagt, und kann gegebenenfalls strafrechtlich verfolgt werden. Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 2 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Course notes and hand-outs will be distributed via uni-ulm.de/iabc Other useful sources: James D. Ingle Jr. and Stanley R. Crouch,“Spectrochemical Analysis”, Prentice Hall, New Jersey, 1988. Eugene Hecht, “Optics”, Addison Wesley, New York, 2002. D. A. Skoog, F. J. Holler, S. R. Crouch,“ Principles of Instrumental Analysis”, Harcourt Brace College Publishing, New York, 1997. … and papers, papers, papers J … Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 3 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Class Description • Spectroscopy describes the interaction of electromagnetic radiation with matter. • In analytical spectroscopy, one applies spectroscopic techniques to both pure analytes and analyte mixtures at all states of aggregation and at all concentration levels. • In this class, we will cover fundamental optical principles, fundamental instrumental principles, and a range of contemporary techniques in molecular spectroscopy • We will focus on molecular and biomolecular vibrational spectroscopy rather than atomic analysis (only repetition). Learning Objectives • Critically consume the lectures and scientific literature • Identify appropriate techniques for the analysis of any (molecular) sample and recognize strengths/weaknesses of each method. Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 4 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Learning Objectives Desperate Analytical Chemist Impatient Customer (ALMOST) EVERY ANALYTICAL PROBLEM HAS A SUITABLE SPECTROSCOPIC SOLUTION ! SPE CT R OSCOPY R E V O L U T IO NS Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 5 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Exam • Team presentation at the end of the class on a hot topic in analytical spectroscopy • Each team will be provided with an (presumably) less explored analytical chemistry research question and choose and argue for an appropriate spectroscopic methods to explore this question • Presentations will be given during the last class • Topics will be provided after the Christmas Break! Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 6 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie What will be covered … Fundamentals • Fundamental optics (electromagnetic waves, wave function, etc.) • Descriptive optics (Snell, Fresnel, Brewster, etc.) • Guiding radiation (mirrors, lenses, prisms, waveguides/fibers, evanescent field, etc.) • Interference and diffraction • Radiation sources (from broadband emitters to LEDs and lasers) • Detectors (from photomultipliers to quantum detectors) Methods • Molecular spectroscopy (electronic, vibrational, rotational) • Focus on vibrational spectroscopy: IR and Raman techniques • Laser spectroscopy (throughout the analytical EM spectrum) • Waveguides in analytical spectroscopy • Special techniques (Terahertz, CRD, SPR, SERS, SEIRA, etc.) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 7 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Example … progress in IR spectroscopy! Conventional FT-IR spectrometer Bruker Optics MIDAC FTIR Spectrometer Bruker Optics Fourier-Transform Infrared Spectrometer A2 (now Agilent) Powered by IPMS MEMS technology Modern MEMS technology arises the possibility to use single crystalline silicon piston mirror chips to run ultra fast and rugged FT spectrometers. Block Engineering (first QCL Spectrometer) CTR & FH-IPMS (MEMS Spectrometer) Features Low cost FTIR system MEMS technology Ultra rapid scan capability 1ms time resolution Peltier cooled MCT detector Compact and portable 3HE- spectrometer module Handheld QCL Micro-IR Copyright: Prof. Boris Mizaikoff This portable, robust and cost effective spectrometer allows FTIR techniques to be economically viable for a wider range of applications. Scan rates up to the kHz range allow real-time monitoring of Analytical Spectroscopy / WS transients, reactions, etc. at ms time resolutions. 2014-2015 8 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Before we start … … let’s repeat what we should already know from Instrumental Analysis (a few German slides J)! Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 9 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie OPTISCHE SPEKTROSKOPIE Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 10 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Das elektromagnetische Spektrum Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 11 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Analytische Relevanz Anregung von: Elektronischen Molekül(Molekül- KernspinÜbergängen schwingungen rotationen) übergängen Spektroskopische Methode: Copyright: Prof. Boris Mizaikoff UV/Vis IR Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 NMR 12 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Einführung in die optische Spektroskopie Was wird bei der Interaktion Photon-Materie angeregt? Vergleich der Dimensionen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 13 Einführung in die optische Spektroskopie Natur des Lichtes Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie … will be covered in more detail! Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 14 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wechselwirkung Licht mit Materie Erwünschte vs. unerwünschte Wechselwirkungen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 15 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Physikalische Betrachtungsweise Absorption/Emission – Termschema (Jablonski) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 16 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Zusammenfassung Emission Absorption Lumineszenz Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Streuung/Raman Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 17 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Quantitative optische Spektroskopie Transmission vs. Absorption? Absorption Molekularer Zusammenhang? Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 18 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Einführung in die optische Spektroskopie Gilt das Lambert-Beersche Gesetz uneingeschränkt? Daher beachte: Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 19 Einführung in die optische Spektroskopie Interaktion Licht - Materie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Beugung und Interferenz Transmission durch Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex Brechungsindex: n = c/v (v = λ/T) v ... Phasengeschwindigkeit (v = λ/T) [m oder cm/s) T ... Periode (T = 1/ν) [s] Dispersion: λ-Abhängigkeit des Brechungsindex Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 20 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Einführung in die optische Spektroskopie Interaktion Licht - Materie Brewster Winkel Polarisation PS … Streuung: 3D Darstellung der Mie-Streuung von rotem Licht (633 nm) an einem sphärischen Partikel mit 2 µm Durchmesser. Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 21 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wieso erhalte ich unterschiedliche Spektren? Linienspektren vs. Bandenspektren Linienspektren: nur von Einzelatomen (Gasphase) Bandenspektren: Moleküle oder Esembles (z.B. in flüssiger oder fester Phase) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 22 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Einführung in die optische Spektroskopie Grundsätzlicher Aufbau aller optischer Spektrometer Lichtquelle Absorption Dispersives Element Lumineszenz Detektor Emission Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 23 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Die wichtigsten optischen Komponenten Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 24 Einführung in die optische Spektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Spektroskopische Methoden § Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) § Atomemissionsspektroskopie (AES) § UV/Vis Molekülspektroskopie (UV/Vis) § Infrarot Spektroskopie (IR) § Ramanspektroskopie … will focus on molecular spectroscopy with emphasis on IR and Raman (non-destructive, imaging possible, etc.)! Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 25 Atomabsorptionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Analytische Information in der AAS Typische Linienspektren von Metallen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 26 Atomabsorptionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Grundsätzlicher apparativer Aufbau Gekoppelt mit Probenvorbereitung Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 27 Atomabsorptionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Anwendungen und Detektionslimits Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 28 Atomabsorptionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Beispiele für selektive Absorptions- bzw. Emissionsfrequenzen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 29 Atomemissionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Komplementäre Information Atomabsorption vs. Atomemission Quantitative Information AAS: Intensitätsschwächung nach Lambert-Beer Gesetz Quantitative Information AES: Intensität ist proportional zur Anzahl der Atome im Anregunsvolumen (bei T = konst.) Signalerzeugung AAS: Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Signalerzeugung AAS: Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 30 Atomemissionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Instrumenteller Vergleich Atomabsorption vs. Atomemission Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 31 Atomemissionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie ICP-AES (OES): Ideal für Multikomponentenbestimmung! Archäometrie - Pigmentuntersunchungen - Keramik- und Glasanalysen - Metallurgische Untersuchungen von Werkzeugen, Schmuck und Münzen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Produzierendes Gewerbe und Industrie - Materialuntersuchungen - Reinheits- und Qualitätskontrollen Abfall und Altlasten - Sondermüllklassifizierung - Abfallkriminalität - Boden- und Gewässeruntersuchungen Biochemie und Mikrobiologie - Metalloenzyme - Zelltoxikologische Untersuchungen als Tierversuchsalternativen Medizin - Bestimmung essentieller Metalle in humanbiologischen Proben (Blut, Urin, Stuhl, Gewebe) Toxikologie - Bestimmung toxischer Metalle in humanbiologischen Proben - Ausscheidungskinetiken Hygiene - Trinkwasserüberwachung - Kontrollen natürlicher Gewässer Agrar- und Ernährungswissenschaft - Reinheitsüberprüfungen Arbeits- und Umweltschutz - Bestimmung toxischer Metalle in humanbiologischen Proben - Bestimmung des Metallgehaltes von inhalierbaren Aerosolen (z.B. Staub, Rauch, Nebel) Gerichtsmedizin und Kriminaltechnik - Forensische Untersuchungen von Vergiftungen: Haaranalysen, Mageninhalte - Unfallaufklärung: Lackspurenuntersuchung - Schmauchspurenuntersuchungen bei Schußwaffenverletzungen Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 32 Atomemissionsspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie ICP-AES (OES): Ideal für Multikomponentenbestimmung! Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 33 Molekülspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Hintergrund § Wie in Atomen befinden sich in Molekülen die e- auf genau festgelegten Bahnen, sogenannten Molekülorbitalen (MO). § Die inneren (Core) Orbitale sind nicht relevant für UV/Vis Absorption (E zu hoch), aber die Bindungelektronen werden bei UV/vis Absorption angeregt. § σ-Orbitale: enthalten e- der Einfachbindungen zw. Atomen der Einfachbindungen zw. Atomen durch Überlappungen von Atomorbitalen entlang der Bindungsachsen. § σ*-Orbitale: antibindende σ-Orbitale (E sehr hoch). § π-Orbitale: enthalten e- der Doppel- und Mehrfachbindungen zw. Atomen durch Atomen durch Überlappungen von Atomorbitalen senkrecht der Bindungsachsen. § π*-Orbitale: antibindendes π-Orbital. § n-Orbitale: enthalten e- der freien, nichtbindenden Elektronenpaare (z.B. N-, O-, oder S-Atome). § Quantenmechanische Auswahlregeln: legen fest, ob ein Übergang erlaubt (“hohe Wahrscheinlichkeit“) oder verboten (“niedere Wahrscheinlichkeit”) ist. Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 34 Molekülspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Elektronenübergänge Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 35 Molekülspektroskopie UV/Vis Spektrometer Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Alt: Neu: Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 36 Molekülspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Moderner Spektrometeraufbau Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 37 Molekülspektroskopie Lichtquelle Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Dispersives Element Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 38 Molekülspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Detektoren: wandeln das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 39 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Molekülspektroskopie Beispiele UV/Vis Absorptionsspektren BEISPIEL: Desoxyhämoglobin (I) und Oxyhämoglobin (II); letzteres ist mit Sauerstoff beladen BEISPIEL: Aromatische Aminosäuren (Tryptophan, Tyrosin, Phenylalanin) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 40 Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Infrarotspektroskopie Hintergrund - Anregung von Molekülschwingungen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 41 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Normalschwingungen Wiederholung Phys. Chem. Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 42 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wiederholung Phys. Chem. – Der harmonische Oszillator (I) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 43 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wiederholung Phys. Chem. – Der harmonische Oszillator (II) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 44 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie BEISPIEL: Aceton Zuordnung über Bandentabellen Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 45 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie BEISPIELE: IR Spektren (I) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 46 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie BEISPIELE: IR Spektren (II) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 47 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Instrumenteller Aufbau IR Spektrometer (I) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 48 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Instrumenteller Aufbau IR Spektrometer (II) Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 49 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Moderner Spektrometeraufbau – Fourier Transform IR Spektrometer Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 50 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wie funktioniert ein Interferometer? Beugung und Interferenz Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Michelson Interferometer Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 51 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wie entsteht ein Interferogramm? Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 52 Infrarotspektroskopie Prof. Boris Mizaikoff Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie Wie entsteht ein Interferogramm? Copyright: Prof. Boris Mizaikoff Analytical Spectroscopy / WS 2014-2015 53
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