FT-IR Spektroskopie Grundlagen
Was ist Infrarot- und FT-IR-Spektroskopie? Wo ist der Unterschied?
Über die Infrarot-Spektroskopie (IR)
Die Infrarotspektroskopie (IR) beruht auf der Tatsache, dass die meisten Moleküle Licht im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums absorbieren und die aufgenommene Energie in molekulare Schwingungen umwandeln.
Diese Absorption ist charakteristisch für die chemischen Bindungsverhältnisse eines Materials.
Der Einsatz eines Spektrometers erlaubt es uns diese Absorption als Funktion der Wellenlänge messen
(als Wellenzahl, typischerweise von 4000 - 600 cm-1).
Als Ergebnis erhalten wir ein IR-Spektrum, das als charakteristischer "molekularer Fingerabdruck" dient. Damit ist es dem Anwender möglich unbekannte organische und anorganische Proben zweifelsfrei
chemisch zu identifizieren.
Über die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie
In den Anfängen der Infrarotspektroskopie wurden Proben analysiert, indem diese sequentiell mit einer isolierten Wellenlänge (dispersiv) bestrahlt wurden. Ein langsamer und zeitraubender Prozess.
Die Verwendung eines Interferometers und damit der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) macht es jedoch möglich alle IR-Wellenlängen mit einer einzigen Messung zu analysieren.
Eine thermische Quelle erzeugt dabei infrarotes Licht über einen großen Wellenlängenbereich. Dieses Infrarotlicht wird durch das Interferometer, die Probe und schließlich auf einen Detektor geleitet.
Im Gegensatz zu dispersiven Messungen erhalten wir zunächst ein Interferogramm, welches dann mittels Fourier-Transformation ein IR-Spektrum ergibt.
Der Unterschied zwischen IR und FT-IR
Dieses Interferogramm (ein Rohsignal) stellt die Lichtintensität nicht als Funktion der Wellenlänge, sondern als Funktion der Position eines Spiegels im Interferometer dar.
Daher muss das Signal zuerst Fourier-transformiert (FT) werden, um die übliche IR-darstellung der Lichtintensität als Funktion der Wellenzahl zu erzeugen. Daher der Name "FT-IR".
Daraus ergeben sich mehrere Vorteile. Das Messen von FT-IR-Spektren ist zum einen viel schneller als mit dispersiven Spektrometern und die FT-IR-Spektren zeigen ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
Zusätzlich ergibt sich eine viel höhere Wellenlängen-genauigkeit, da die Wellenlängenskala mit einem Laser, d.h. sehr präzise, kalibriert ist.
Wie misst man ein IR-Spektrum?
Dies hängt größtenteils von der zu untersuchenden Probe ab.
Feste Proben wurden klassischerweise entweder mit einem IR-transparenten Material vermahlen und in ein Pellet gepresst (z.B. Kaliumbromid; KBr) oder so dünn geschnitten, dass das IR-Licht die Probe immer noch durchdringen kann.
Ist die Probe an sich schon so dünn (<15 µm), dass genügend IR-Licht die Probe passieren kann, kann Sie natürlich auch ohne Verdünnung, d.h. ohne KBr oder den Einsatz von Lösemitteln, analysiert werden. Dies trifft vor allem auf Polymerfilme oder mit einem Mikrotom präparierte biologische Gewebeschnitte zu.
Flüssigkeiten hingegen wurden entweder mit einem IR-transparenten Lösemittel verdünnt (Tetrachlorkohlenstoff; CCl4), oder direkt, d.h. pur, vermessen. Diese Methodik wird meist unter dem Begriff Transmission zusammengefasst.
Eine weitere Technik ist die Reflexion. Hier interagiert das IR-Licht einzig mit der Oberfläche eines Materials, um chemische Informationen zu sammeln. Darüber hinaus gibt es mit der "Diffusen Reflexions-Infrarot-Fourier-Transform-Spektroskopie" (DRIFTS) eine weitere sehr spezielle Probenahmetechnik, die es ermöglicht besonders hochwertige Reflexionsspektren von festen Proben zu erzeugen, die sonst in Transmission sehr schwer zu analysieren sind. Beispielsweise Bodenproben oder Beton-/Zement-Mischungen.
Generell sind viele Reflexions- und Transmissionsmessungen mit einer recht aufwändigen Probenvor- oder Spektrennachbereitung verbunden. Durchgesetzt hat sich deshalb inzwischen die ATR-FT-IR-Spektroskopie. ATR steht hierbei für abgeschwächte Totalreflexion. Sie ist meist zerstörungsfrei, einfach anzuwenden und eignet sich für Feststoffe und Flüssigkeiten gleichermaßen.
Was ist ATR bzw. abgeschwächte Totalreflexion?
Abgeschwächte Totalreflexion (ATR) ist zur Standardtechnik für die Messung von FT-IR-Spektren geworden. Hier passiert infrarotes Licht einen Kristall aus einem
IR-transparenten Material (Diamant, ZnSe oder Germanium) und interagiert dann mit einer Probe, die zuvor auf den Kristall gepresst wurde. Der enge Kontakt ist besonders wichtig, um qualitativ hochwertige IR-Spektren zu erhalten.
Das so generierte IR-Spektrum ist klassischen Transmissions-Spektren sehr ähnlich. Aufgrund physikalischer Effekte, zeigen ATR-Spektren jedoch andere Intensitätsverhältnisse der beobachteten Absorptionsbänder.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass ATR-Spektren schwieriger zu interpretieren sind, ganz im Gegenteil. ATR- und Transmissionsspektren lassen sich sehr einfach mathematisch ineinander umwandeln. Dies ist nützlich, wenn neuerstellte ATR-Daten mit älteren Transmissions-Referenzdaten verglichen werden sollen.
Was ist IR-Reflexion? Was ist DRIFTS?
Reflexions-FT-IR-Messungen spielen in der IR-Spektroskopie eine besondere Rolle. Prinzipiell sind Reflexionsmessungen mit Ausnahme von DRIFTS immer zerstörungsfrei und werden deshalb beispielsweise bei der Analyse wertvoller Kunstobjekte sowie zu Restaurierungszwecken eingesetzt.
Die Stärke der Reflexion wird dabei durch den Brechungsindex bestimmt, so dass sich überall dort, wo ein Absorptionsband vorhanden ist, auch das Ausmaß der Reflexion ändert. Daher unterscheidet sich ein (gerichtetes) Reflexionsspektrum deutlich von denen aus Transmissionsmessungen. Dies wird durch die Betrachtung eines isolierten IR-Signal klarer.
Bei einem isolierten Absorptionsband zeigt der Brechungsindex ein Maximum in Richtung höherer Wellenlängen und ein Minimum an niedrigeren Wellenlängen. Deswegen zeigen die Spektren dann eine sehr ähnliche Bandenform, nämlich die einer ersten Ableitung. Mehr erfahren Sie in unserem Erklärvideo:
FT-IR Grundlagen Tutorial Videos
Anwendung der FT-IR-Spektroskopie
Häufig gestellte Fragen zu FT-IR
Was ist Infrarotlicht?
Infrarotlicht (IR), genauer gesagt Infrarotstrahlung, ist eine elektromagnetische Strahlung (EMR) mit Wellenlängen, die länger sind als die des sichtbaren Lichts.
Sie ist daher für das menschliche Auge unsichtbar, kann aber in Form von Wärmestrahlung wahrgenommen werden. Fun Fact: mehr als die Hälfte der von der Sonne abgestrahlten Energie erreicht die Erde als Infrarote Strahlung!
Wie interagiert Infrarotlicht mit Materie?
Wenn Infrarotstrahlung auf Materie trifft, kann sie die Bewegung von Molekülen und atomaren Bindungen stimulieren. Diese Bewegung kann verschiedene Formen annehmen, z.B. Rotation oder Schwingung. Je nachdem, wie das Molekül angeregt wird, können wir durch den Einsatz eines Spektrometers Informationen über die Struktur, Identität oder (Rotations)-Energieniveaus des Materials erhalten.
Kann Infrarotlicht alle Materialien analysieren?
Im Allgemeinen ja, denn organische wie auch anorganische Substanzen können mit Infrarotstrahlung untersucht werden. Die Grundvoraussetzung für die Analyse mit Infrarot ist schlicht, dass das untersuchte Material Infrarotstrahlung absorbiert. Bestimmte Stoffe jedoch wie Metalle und einatomige Gase, können allerdings nicht direkt untersucht werden.
Welche Materialien werden häufig analysiert?
Speziell für Analyse organische Substanzen ist die IR-Spektroskopie ein probates Werkzeug, um viele chemische Informationen zu erhalten. Dazu gehören die Identifizierung von Polymeren, Arzneimitteln, Pharmazeutika, Industriechemikalien sowie die Bestimmung von Inhaltsstoffen wie Wasser in Öl. Die IR-Spektroskopie ist sehr flexibel und ihre Anwendung ist so verbreitet, dass man IR-Anwender in allen Industrie- und Forschungsbereichen finden kann.
Welche Art von Analyse ist möglich?
Mit IR-Spektroskopie kann ermittelt werden, aus welchen einzelnen Bestandteilen ein Material besteht (qualitative Analyse), aber auch wieviel von jedem Bestandteil in der Probe enthalten ist (quantitative Analyse). Die qualitative Analyse ist die häufigste Anwendung der IR-Spektroskopie und wird hauptsächlich in der Qualitätskontrolle von Rohstoffen, der Fehleranalyse und in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Quantitative Analysen werden hingegen zumeist in industriellen Prozessen zur Bewertung von Produktionsparametern eingesetzt.
Muss ich ein IR-Experte sein, um Infrarotspektren zu messen?
Nein, auf keinen Fall. IR-Spektrometer sind heute einfacher zu bedienen als je zuvor. Meistens gibt es einfache Softwarelösungen (z.B. Touch-Bedienung), die es Nicht-Experten ermöglichen, IR-Analysen unkompliziert durchzuführen. Analysen können aber auch komplett automatisiert werden, so dass jeder Anwender zum Spektroskopiker wird.
Wie lange dauert eine IR-Analyse?
Dies hängt stark von der analytischen Frage ab, die beantwortet werden soll. Eine einfache Überprüfung der Identität einer chemischen Substanz dauert kaum mehr als eine Minute, die mikroskopische Analyse von Mikroplastik aber deutlich länger.
Was ist die abgeschwächte Totalreflexion (ATR)?
ATR ist eine spezielle Probenahmetechnik, um IR-Informationen von Feststoffen und Flüssigkeiten zu erhalten. Das IR-Licht wird auf einen Kristall aus IR-transparentem Material (z.B. Diamant) gerichtet. Die IR-Strahlung interagiert dann mit Proben und Materialien, die in engem Kontakt mit dem Diamanten sind. Sehen Sie sich unser Video zu den ATR-Grundlagen an, um mehr zu erfahren!
Wo verwende ich ATR?
Fast überall, da ATR ein wirklich universeller Ansatz ist. Ob fest oder flüssig, organisch oder anorganisch. Die Probe wird meist so wie sie ist auf den Messkristall aufgebracht. Es besteht keine Notwendigkeit, Probe zu schneiden, zu verdünnen oder vorzubereiten. Dadurch hat sich ATR in den letzten Jahrzehnten zur Standardtechnik in der IR-Spektroskopie entwickelt.
Was ist Transmission?
Anders als ATR erfordert es diese Methode, dass IR-Licht die gesamte Probe durchdringt. Das bedeutet, dass die Probe entweder sehr dünn geschnitten oder verdünnt sein muss. Zur Verdünnung werden feste Proben oft mit Kaliumbromid (KBr) vermengt und in ein Pellet gepresst. Sehr dünne Proben hingegen werden mit einem Mikrotom hergestellt und dann auf ein KBr-Fenster gelegt. Meist erfordern diese Vorbereitungen viel Zeit, Mühe und hohe Fachkenntnis.
Wann verwende Transmission?
Heute ist die Transmission nur für sehr spezifische analytische Fragen notwendig. Dazu gehören die Quantifizierung von niedrig konzentrierten Komponenten in Flüssigkeiten, Polymerfolien und -schmelzfilme, oder Anwendungen in der IR-Mikroskopie. In bestimmten Industriezweigen gibt es auch standardisierte Verfahren, die Transmissions-Messungen erfordern (z.B. in der Herstellung von Arzneimitteln).
Was ist Reflexion?
Reflexion ist die eine Probennahmetechnik in der IR-Spektroskopie. Sie basiert auf der Reflexion von IR-Licht und ermöglicht Rückschlüsse auf die Oberfläche von Materialien. Es ist auch möglich, sehr dünne Proben auf metallischen Spiegeln (Transflexion) zu platzieren.
Wo wird Reflexion verwendet?
Aufgrund der besonderen Anforderungen an Reflexionsmessungen wird es für sehr spezifische analytische Ziele eingesetzt. So ist es beispielsweise möglich, wertvolle Kunstwerke völlig zerstörungsfrei und sorgfältig zu untersuchen, um deren Restaurierung zu ermöglichen.
Was ist DRIFTS?
Die Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transform-Spektroskopie (DRIFTS) ist eine besondere Art der Reflexions-Messtechnik. Hier wird eine Probe in KBr verdünnt und in eine kleine Probenschale gegeben. Das IR-Licht wird dann senkrecht auf die Probe geleitet und nur die diffusen Streuanteile berücksichtigt. Dies ermöglicht es auch schwierige feste Proben (z. B. Bodenproben) zu untersuchen und sehr gute IR-Spektren zu erhalten.
