Ultraviolettspektroskopie – Prinzip, Instrument, Anwendung

Die Spektroskopie ist die Messung und Interpretation elektromagnetischer Strahlung, die absorbiert oder emittiert wird, wenn die Moleküle, Atome oder Ionen einer Probe von einem Energiezustand in einen anderen Energiezustand übergehen.

Bei der Ultraviolettspektroskopie handelt es sich um ein Absorptionsspektrum, bei dem Licht im ultravioletten Bereich (200-400 nm) von Molekülen absorbiert wird, wodurch Elektronen vom Grundzustand in einen Zustand hoher Energie angeregt werden.

Grundlagen der UV-Spektroskopie

Die Spektroskopie befasst sich im Grunde mit der Wechselwirkung von Licht und Materie.

Wenn Licht von Materie absorbiert wird, führt dies zu einer Erhöhung des Energieinhalts der Atome oder Moleküle.

Bei der Absorption ultravioletter Strahlung werden Elektronen vom Grundzustand in einen höheren Energiezustand angeregt.

Moleküle enthaltenπ Elektronen oder nichtbindende Elektronen (n-Elektronen) können Energie in Form von ultravioletten Strahlen absorbieren und dadurch in höhere, bindungsresistente Molekülorbitale angeregt werden.

Je leichter ein Elektron angeregt werden kann, desto länger ist die Wellenlänge des Lichts, das es absorbiert. Es gibt vier mögliche Übergangstypen (π–π *, N–π *, σ–σ *, und n–σ *), und ihre Reihenfolge ist wie folgt:σ–σ *> n–σ *>π– π *> n–Π *

Die Absorption von ultraviolettem Licht durch die Verbindung erzeugt ein einzigartiges Spektrum, das zur Identifizierung der Verbindung beiträgt.

UV-Spektrometer

Lichtquelle

Wolframfadenlampen und Wasserstoff-Deuterium-Lampen sind die am weitesten verbreiteten und geeignetsten Lichtquellen, da sie den gesamten ultravioletten Bereich abdecken.

Wolframfadenlampen sind reich an roter Strahlung. Genauer gesagt emittieren sie Strahlung bei 375 nm, und die Intensität der Wasserstoff-Deuterium-Lampe sinkt unter 375 nm.

Monochromator

Der Monochromator besteht üblicherweise aus einem Prisma und einem Spalt.

Die meisten Spektralphotometer für den sichtbaren Bereich sind Zweistrahl-Spektralphotometer.

Die von der Hauptlichtquelle ausgesendete Strahlung wird mittels eines rotierenden Prismas gestreut.

Anschließend werden die verschiedenen Wellenlängen der Lichtquelle, die durch das Prisma getrennt werden, mithilfe des Spalts so ausgewählt, dass durch die Drehung des Prismas eine Reihe von kontinuierlich zunehmenden Wellenlängen durch den Spalt hindurchtritt, um aufgezeichnet zu werden.

Der durch den Spalt ausgewählte Lichtstrahl ist monochromatisch und wird mittels eines weiteren Prismas in zwei Strahlen aufgeteilt.

Probenzelle und Referenzzelle

Einer der beiden getrennten Strahlen durchdringt die Probenlösung, der zweite Strahl durchdringt die Referenzlösung.

Sowohl die Probenlösung als auch die Referenzlösung befinden sich in der Zelle.

Diese Batterien bestehen aus Siliziumdioxid oder Quarz. Glas kann für Zellen nicht verwendet werden, da es auch Licht im ultravioletten Bereich absorbiert.

Detektor

Üblicherweise werden zwei Fotozellen als Detektor im ultravioletten Spektrum verwendet.

Eine der Fotozellen empfängt den Lichtstrahl von der Probenzelle, der zweite Detektor empfängt den Lichtstrahl von der Referenzzelle.

Die Strahlungsintensität der Referenzzelle ist stärker als die des Strahls der Probenzelle. Dies führt zu Pulsationen bzw. Wechselstrom in der Fotozelle.

Leistungsverstärker

Der in der Fotozelle erzeugte Wechselstrom wird an den Verstärker weitergeleitet.

Der Verstärker ist mit einem kleinen Servometer gekoppelt.

Im Allgemeinen ist die Intensität des in der Photovoltaikzelle erzeugten Stroms sehr gering, und der Hauptzweck des Verstärkers besteht darin, das Signal um ein Vielfaches zu verstärken, um ein klares und aufzeichnungsfähiges Signal zu erhalten.

Aufnahmegerät

In den meisten Fällen ist der Verstärker mit einem Stiftrekorder gekoppelt, der an den Computer angeschlossen ist.

Der Computer speichert alle generierten Daten und erzeugt die Spektren der benötigten Verbindungen.

Anwendung der UV-Spektroskopie

Verunreinigungserkennung

Es ist eine der besten Methoden zur Bestimmung von Verunreinigungen in organischen Molekülen.

Aufgrund von Verunreinigungen in der Probe können weitere Peaks beobachtet und mit Standardrohstoffen verglichen werden.

Durch Messung der Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge können Verunreinigungen nachgewiesen werden.

Strukturaufklärung organischer Verbindungen

Es kann zur Aufklärung der Struktur organischer Moleküle verwendet werden, beispielsweise zum Nachweis des Vorhandenseins oder Fehlens ungesättigter Bindungen und des Vorhandenseins von Heteroatomen.

Mithilfe der Ultraviolett-Absorptionsspektroskopie lassen sich Verbindungen, die ultraviolettes Licht absorbieren, quantitativ bestimmen.

Die UV-Absorptionsspektroskopie ermöglicht die Charakterisierung von Verbindungen, die ultraviolette Strahlung absorbieren, und dient somit der qualitativen Bestimmung von Verbindungen. Die Identifizierung erfolgt durch Vergleich des Absorptionsspektrums mit dem Spektrum einer bekannten Verbindung.

Diese Technik dient dem Nachweis des Vorhandenseins oder Fehlens funktioneller Gruppen in Verbindungen. Banden ohne eine spezifische Wellenlänge gelten als Beleg für das Fehlen bestimmter Gruppen.

Die Reaktionskinetik kann auch mittels UV-Spektroskopie untersucht werden. Die ultraviolette Strahlung durchdringt die Reaktionszelle, und die Änderung der Absorption kann beobachtet werden.

Viele Arzneimittel liegen entweder als Rohstoffe oder als Zubereitungen vor. Sie können nachgewiesen werden, indem man eine geeignete Arzneimittellösung herstellt und die Absorption bei einer spezifischen Wellenlänge misst.

Das Molekulargewicht der Verbindungen kann spektrophotometrisch durch Herstellung geeigneter Derivate dieser Verbindungen gemessen werden.

Ein UV-Spektrophotometer kann als Detektor für die HPLC verwendet werden.