Was ist der Unterschied zwischen KBr und ATR? Ein Leitfaden zur Auswahl der richtigen IR-Spektroskopiemethode

Im Grunde besteht der Unterschied zwischen KBr und ATR in der Unterscheidung zwischen zwei fundamental unterschiedlichen Methoden zur Messung eines Infrarotspektrums. Die KBr-Pressling-Methode ist ein Transmissions-Verfahren, bei dem der IR-Strahl durch eine vorbereitete Probe geleitet wird, während die ATR (Attenuated Total Reflectance) ein Oberflächenreflexions-Verfahren ist, bei dem der IR-Strahl nur mit der äußersten Schicht der Probe interagiert.

Die zentrale Entscheidung zwischen KBr und ATR ist ein Kompromiss: Die KBr-Methode liefert ein klassisches, originalgetreues Transmissionsspektrum, erfordert jedoch eine erhebliche Probenvorbereitung und Geschick. ATR bietet unübertroffene Geschwindigkeit und Einfachheit, analysiert aber nur die Oberfläche der Probe und kann vorhersehbare spektrale Abweichungen verursachen.

Die fundamentalen Prinzipien verstehen

Um die richtige Methode auszuwählen, müssen Sie zunächst verstehen, wie jede Methode ein Spektrum erzeugt. Sie sind nicht austauschbar, und die zugrunde liegende Physik bestimmt ihre Stärken und Schwächen.

Wie die KBr-Pressling-Methode funktioniert (Transmission)

Die Kaliumbromid (KBr)-Pressling-Methode ist ein klassisches Transmissionsverfahren. Zuerst wird eine kleine Menge einer festen Probe zu einem extrem feinen Pulver zermahlen.

Dieses Pulver wird dann gründlich mit trockenem, IR-geeignetem KBr-Pulver vermischt. KBr wird verwendet, weil es für Infrarotstrahlung transparent ist und unter Druck eine feste, glasartige Scheibe bildet.

Diese Mischung wird unter hohem Vakuum und Druck zu einem kleinen, transparenten Pressling gepresst. Der IR-Strahl wird dann direkt durch diesen Pressling geleitet, und der Detektor misst, welche Frequenzen des Lichts von der Probe absorbiert wurden.

Wie ATR funktioniert (Interne Reflexion)

Die ATR (Attenuated Total Reflectance) ist ein Oberflächenanalyseverfahren, das ein ATR-Zubehör erfordert, das typischerweise einen Kristall mit hohem Brechungsindex (wie Diamant, Zinkselenid oder Germanium) aufweist.

Die Probe (fest oder flüssig) wird in direkten Kontakt mit diesem Kristall gepresst. Der IR-Strahl wird in einem bestimmten Winkel in den Kristall geleitet, wodurch er intern reflektiert wird.

An jedem Reflexionspunkt dringt eine elektromagnetische Welle, die als Nahfeldwelle (evanescent wave) bezeichnet wird, eine sehr kurze Strecke (typischerweise 0,5 bis 2 Mikrometer) über die Oberfläche des Kristalls hinaus in Ihre Probe ein. Wenn die Probe IR-Strahlung bei bestimmten Frequenzen absorbiert, schwächt sie diese Welle ab, und der resultierende reflektierte Strahl trägt die spektralen Informationen zum Detektor.

Praktischer Vergleich: Arbeitsablauf und spektrales Ergebnis

Die tägliche Erfahrung und die daraus resultierenden Daten dieser beiden Methoden unterscheiden sich erheblich.

Probenvorbereitung: Der größte Unterschied

Die KBr-Methode ist arbeitsintensiv. Sie erfordert sorgfältiges Mahlen, Wiegen, Mischen und Pressen. Der gesamte Vorgang kann für einen erfahrenen Benutzer 5–15 Minuten pro Probe dauern und zerstört die Probe.

ATR hingegen erfordert praktisch keine Probenvorbereitung. Sie legen die Probe auf den Kristall, üben mit einer eingebauten Klemme Druck aus und starten den Scan. Das Reinigen des Kristalls mit einem lösungsmittelgetränkten Tupfer dauert Sekunden.

Resultierendes Spektrum: Transmission vs. Absorption

Ein KBr-Spektrum ist ein „echtes“ Transmissionsspektrum, das oft das Standardformat historischer Spektralbibliotheken ist. Die Peak-Intensitäten stehen in direktem Zusammenhang mit der Konzentration der funktionellen Gruppen entlang des Strahlengangs.

Ein ATR-Spektrum ist technisch gesehen ein Reflexionsspektrum, obwohl die Software es in ein Format umwandelt, das einem Absorptionsspektrum ähnelt. Ein wichtiges Artefakt bleibt jedoch bestehen: Die Eindringtiefe der Nahfeldwelle ist wellenlängenabhängig. Sie dringt bei längeren Wellenlängen (niedrigeren Wellenzahlen) tiefer ein, wodurch Peaks in diesem Bereich relativ intensiver erscheinen, als sie es in einem KBr-Spektrum wären. Moderne Software kann eine Korrektur dafür anwenden.

Die Kompromisse und Fallstricke verstehen

Keine Methode ist perfekt. Ihr Erfolg hängt davon ab, ihre inhärenten Einschränkungen zu verstehen.

Das Feuchtigkeitsproblem bei KBr

KBr ist stark hygroskopisch, was bedeutet, dass es leicht Wasser aus der Atmosphäre aufnimmt. Wenn Ihr KBr-Pulver nicht absolut trocken gehalten wird oder wenn Sie den Pressling in einer feuchten Umgebung vorbereiten, sehen Sie große, breite Peaks für die O-H-Streckschwingung (~3400 cm⁻¹) und die H-O-H-Biegeschwingung (~1640 cm⁻¹), die die Peaks Ihrer eigentlichen Probe verdecken können.

Die Oberflächenempfindlichkeit von ATR

ATR analysiert nur die obersten Mikrometer einer Probe. Dies ist ein erheblicher Vorteil für die Analyse von Oberflächenschichten, Beschichtungen oder undurchsichtigen Materialien. Wenn Ihre Probe jedoch inhomogen ist (z. B. ein Polymer mit einem Oberflächenadditiv), ist das ATR-Spektrum nicht repräsentativ für das Volumenmaterial.

Das Kontaktproblem bei ATR

Damit ATR funktioniert, muss die Probe intimen Kontakt mit dem Kristall herstellen. Bei harten, unregelmäßigen Feststoffen kann es schwierig sein, genügend Kontakt zu erreichen, was zu einem schwachen oder verzerrten Spektrum führt. Weiche Pulver und Flüssigkeiten haben dieses Problem nicht.

Mahlen und Streuung in KBr

Wenn die Probe für den KBr-Pressling nicht fein genug gemahlen wird, können ihre Partikel den IR-Strahl streuen. Dies führt oft zu einer abfallenden Basislinie und verzerrten Peakformen, ein Phänomen, das als Christiansen-Effekt bekannt ist.

Die richtige Methode auswählen

Ihre Wahl sollte von Ihrem Probenmaterial, dem analytischen Ziel und dem erforderlichen Durchsatz bestimmt werden.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Geschwindigkeit und hohem Durchsatz liegt: Wählen Sie ATR. Es ist die Methode der Wahl für die routinemäßige Qualitätskontrolle und das schnelle Screening vieler Proben.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Erstellung eines qualitativ hochwertigen Referenzspektrums für eine Bibliothek oder Veröffentlichung liegt: Verwenden Sie die KBr-Pressling-Methode, vorausgesetzt, Sie haben die Zeit und das Geschick, einen guten Pressling herzustellen.
• Wenn Ihre Probe eine Flüssigkeit, ein Gel oder eine Paste ist: ATR ist weitaus überlegen. Es ist schnell, sauber und erfordert keine Verdünnung oder spezielle Zellen.
• Wenn Sie eine Oberfläche, ein Laminat oder eine Beschichtung analysieren: ATR ist die einzige der beiden Optionen, da es sich von Natur aus um eine Oberflächentechnik handelt.
• Wenn Sie eine quantitative Analyse durchführen: ATR wird oft bevorzugt, da der Messweg konstant und reproduzierbar ist, während die Weglänge eines KBr-Presslings von seiner Dicke abhängt.

Letztendlich hängt die richtige Wahl davon ab, den Bedarf an analytischer Reinheit gegen die Anforderungen der praktischen Effizienz abzuwägen.

Zusammenfassungstabelle:

Merkmal	KBr (Transmission)	ATR (Reflexion)
Prinzip	IR-Strahl durchquert die Probe	IR-Strahl interagiert mit der Probenoberfläche
Probenvorbereitung	Arbeitsintensiv (Mahlen, Pressen)	Minimal (Probe auf Kristall legen)
Geschwindigkeit	Langsam (5–15 Min./Probe)	Schnell (Sekunden bis Minuten)
Probenart	Homogene Feststoffe, feine Pulver	Feststoffe, Flüssigkeiten, Pasten, Oberflächenschichten
Hauptvorteil	Originalgetreues, klassisches Spektrum	Geschwindigkeit, Einfachheit, Oberflächenanalyse
Hauptbeschränkung	Hygroskopisch, feuchtigkeitsempfindlich	Nur Oberfläche, guter Kontakt erforderlich

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