FTIR-Spektroskopie

FTIR-Spektroskopie (Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie) ist eine weit verbreitete Analysemethode, die verwendet wird, um die molekulare Struktur von Stoffen zu untersuchen, insbesondere die Schwingungen von Atomen in Molekülen. Sie basiert auf der Messung der Absorption von Infrarotlicht durch eine Probe, um Informationen über die chemische Zusammensetzung und Struktur zu erhalten. Im Folgenden erkläre ich die FTIR-Spektroskopie im Detail:

1. Grundprinzip Die FTIR-Spektroskopie nutzt die Tatsache, dass Moleküle bestimmte Infrarotstrahlen absorbieren, wenn diese eine passende Energie besitzen, die die Schwingungsmoden der chemischen Bindungen im Molekül anregen kann. Jede Art von Bindung (wie C-H, O-H, N-H, C=O) schwingt bei charakteristischen Frequenzen, die von der Art der Bindung und der Masse der beteiligten Atome abhängen. Wenn die Frequenz des einfallenden Lichts mit einer dieser Schwingungsfrequenzen übereinstimmt, wird das Licht absorbiert, und die entsprechende Schwingung wird angeregt.

2. Funktionsweise eines FTIR-Spektrometers Ein FTIR-Spektrometer besteht typischerweise aus folgenden Komponenten:

Infrarotquelle: Diese Quelle erzeugt Infrarotstrahlung, die auf die Probe gerichtet wird. Interferometer: Ein Schlüsselbestandteil der FTIR-Technologie, der die Wellenlängen des Lichts in einem Interferenzmuster erzeugt. Das bekannteste Interferometer ist das Michelson-Interferometer, das die Strahlung in ein Interferenzmuster umwandelt. Dieses Muster enthält alle Wellenlängen des Infrarotbereichs. Probe: Die Probe (meist als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas) wird dem Infrarotlicht ausgesetzt. Ein Teil des Lichts wird von der Probe absorbiert, abhängig von den spezifischen Schwingungseigenschaften der Moleküle. Detektor: Der Detektor misst das Licht, das nach der Wechselwirkung mit der Probe durchgelassen wird, und wandelt es in ein Signal um. 3. Fourier-Transformation Der entscheidende Unterschied zur klassischen Infrarotspektroskopie (die ein Einzelbandmaßstabverfahren verwendet) ist die Verwendung der Fourier-Transformation. Das Interferometer erzeugt ein sogenanntes Interferenzmuster, das alle Frequenzen des Infrarotlichts enthält, aber nicht direkt als Spektrum interpretiert werden kann. Eine Fourier-Transformation wird verwendet, um dieses Interferenzmuster in ein Spektrum umzuwandeln, das die Intensität des Lichts als Funktion der Frequenz oder Wellenzahl (1/Wellenlänge) darstellt. Das resultierende Spektrum zeigt Peaks bei den spezifischen Frequenzen, die den Schwingungen der Molekülbindungen entsprechen.

4. Spektrum und Analyse Das erhaltene FTIR-Spektrum zeigt Absorptionsbanden, die den Schwingungen der Moleküle in der Probe entsprechen. Jede Bande im FTIR-Spektrum entspricht einer bestimmten Schwingungsfrequenz der chemischen Bindungen innerhalb der Moleküle. Die Position und Intensität dieser Banden gibt Aufschluss über die Art der Bindungen und die molekulare Struktur der Probe. Die typischen Bereiche, die analysiert werden, umfassen:

4000–2500 cm⁻¹: Asymmetrische und symmetrische Dehnschwingungen von C-H, N-H, O-H. 2500–2000 cm⁻¹: C≡C und C≡N Dehnschwingungen. 2000–1500 cm⁻¹: C=O Dehnschwingungen und aromatische Ringe. 1500–400 cm⁻¹: Biegung und andere Schwingungen, darunter auch Fingerabdruckregionen (Fingerprint Region), die für die Identifizierung spezifischer Verbindungen besonders nützlich sind. 5. Anwendungen der FTIR-Spektroskopie FTIR-Spektroskopie hat viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, unter anderem:

• Chemie: Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Verbindungen, Identifizierung unbekannter Substanzen und Überprüfung der Reinheit von Substanzen.
• Materialwissenschaften: Analyse von Polymereigenschaften, Oberflächenmodifikationen und Materialdefekten.
• Pharmazeutik: Qualitätssicherung und Identifizierung von Arzneimitteln.
• Umweltwissenschaften: Untersuchung von Luft- und Wasserproben auf Schadstoffe.
• Biologie und Medizin: Untersuchung von biologischen Proben und zellulären Strukturen.

6. Vorteile der FTIR-Spektroskopie
   • Hohe Empfindlichkeit: Es können auch geringe Mengen von Proben untersucht werden.
   • Schnelle Analyse: Das FTIR-Spektrum kann in Sekunden bis Minuten aufgenommen werden.
   • Vielseitigkeit: Geeignet für feste, flüssige und gasförmige Proben.
   • Nicht-destruktiv: Die Probe wird während der Messung nicht beschädigt.