IR-Spektroskopie
In der IR-Spektroskopie werden, ausgehend von der Anregungsstrahlung im infraroten Spektralbereich, Absorptionen der Probe beobachtet. Die Energie der Strahlung regt dabei Schwingungen zwischen den Atomen im Molekül oder eines Festkörpergitters an. Bei theoretischer Betrachtung können die Schwingungsfrequenzen der Moleküle näherungsweise über das Federkraftmodell als harmonischer Oszillator beschrieben werden. Führt man die Überlegungen auf Basis der Wellenmechanik weiter fort und berücksichtigt ausschließlich die zugänglichen, diskreten Energieniveaus, so erhält man für zweiatomige Moleküle die Gleichung:
E=h/2π * √[f/µ*(ν+½)]
(E Energie, h Planck’sches Wirkungsquantum, f Kraftkonstante, μ reduzierte Masse, ν Schwingungsquantenzahl)
In der Realität verhalten sich die Moleküle nicht vollständig harmonisch (bei zu großen Schwingungsamplituden würden die Moleküle dissoziieren bzw. das Gitter aufbrechen), so dass Oberton-Schwingungen entgegen obiger Gleichung nicht ganz bei der doppelten Energie im Spektrum auftreten. Bei mehratomigen Molekülen sind die Schwingungen der einzelnen Atome gekoppelt und die theoretische Beschreibung der Oszillationen wird deutlich komplizierter. Die Zahl der Schwingungen in einem Molekül kann aber sehr genau nach folgender Gleichung bestimmt werden[1]:
Z=3n-6
(Z Zahl der Schwingungen, n Anzahl Atome im Molekül; bei linearen Molekülen: Z = 3n – 5)
Die Schwingungsarten werden mit griechischen Buchstaben beschrieben und grundlegend eingeteilt in Valenzschwingungen (auch Streckschwingungen genannt, νs symmetrisch, νas antisymmetrisch) und Deformationsschwingungen (δ und γ Biegeschwingungen, τ twisting-S., ρ rocking-S., ω wagging-S.). In der IR-Spektroskopie sind nur diejenigen Schwingungen beobachtbar, die zu einer Änderung des Dipolmoments eines Moleküls führen. Demzufolge teilt man die Schwingungen in IR-aktiv und IR-inaktiv ein.
Die Instrumentierung der IR-Spektroskopie unterscheidet sich teilweise deutlich zwischen dem nahen, mittleren und dem fernen Infrarot. Während bis zu einer Wellenlänge von circa 1000 nm noch vollständig auf Linsen, Optiken und Detektoren aus der UV-VIS-Spektroskopie zurückgegriffen werden kann, erfordert die Beobachtung im nahen, mittleren bzw. fernen Infrarot die erwähnten speziellen Detektoren auf Basis von InGaAs oder MCT. Letztere müssen teilweise auch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Ab dem mittleren Infrarot ab 2500 nm ist der Einsatz von speziellen Optikmaterialien wie Kaliumbromid (KBr), Zinkselenid (ZnSe), Germanium (Ge) oder Silizium (Si) obligatorisch, da nur ausgewählte Materialien in diesem Spektralbereich transparent sind. Bis 2500 nm kann die Anregung auch durch Halogenlampen erfolgen, da sie einen erheblichen Anteil der Emission im nahen Infrarot als Wärmestrahlung abgeben. Ab dem mittleren Infrarot werden z. B. rotglühende SiC-Keramiken (‚Globar‘) als Emissionsquelle eingesetzt. Generell ist bei empfindlichen Proben auch der Wärmeeintrag der IR-Quellen zu beachten.
[1] Ein Molekül mit n Atomen besitzt entsprechend der drei Raumrichtungen 3n Bewegungsfreiheitsgrade. Davon entfallen 3 auf die Translationsbewegung und 3 auf die Rotationsbewegungen (bei linearen Molekülen ist die Rotation für zwei Raumrichtungen identisch und es werden nur 2 Freiheitsgrade abgezogen), jeweils entlang der räumlichen Achsen. Die restlichen Freiheitsgrade entfallen auf die Schwingungsbewegungen.