Welche Probenarten können mit der IR-Spektroskopie charakterisiert werden? Analyse von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen

Kurz gesagt ist die IR-Spektroskopie eine bemerkenswert vielseitige Technik, die in der Lage ist, Proben in allen drei primären Aggregatzuständen zu analysieren: fest, flüssig und gasförmig. Entscheidend ist nicht der physikalische Zustand der Probe selbst, sondern wie sie für die Analyse vorbereitet wird.

Die absolut wichtigste Voraussetzung für jede IR-spektroskopische Probe ist die Infrarottansparenz. Die Probe und jedes Material, das zu ihrer Aufnahme oder ihrem Halten verwendet wird, muss die IR-Strahlung durchlassen, damit eine erfolgreiche Messung möglich ist.

Das Kernprinzip: Infrarottransparenz

Um zu verstehen, welche Proben verwendet werden können, müssen wir zunächst verstehen, wie die Technik funktioniert. Die IR-Spektroskopie misst die spezifischen Frequenzen des Infrarotlichts, die von den chemischen Bindungen einer Probe absorbiert werden.

Warum Transparenz unerlässlich ist

Damit der Detektor des Instruments messen kann, welche Frequenzen absorbiert wurden, muss das Licht zunächst in der Lage sein, die Probe zu durchdringen. Wenn die Probe opak ist oder das Licht zu stark streut, können keine aussagekräftigen Daten erfasst werden.

Dieses Prinzip bestimmt jeden Aspekt der Probenvorbereitung. Das Ziel ist immer, eine Probe zu erstellen, die dünn genug, verdünnt genug oder in einem Medium suspendiert ist, das für den IR-Strahl transparent ist.

Die Rolle von Salzplatten (NaCl & KBr)

Sie werden häufig Materialien wie Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumbromid (KBr) zur Herstellung von Probenhaltern, Fenstern und Presslingen sehen. Dies liegt daran, dass ihre Ionenbindungen Licht im mittleren Infrarotbereich nicht absorbieren und sie daher für das Spektrometer effektiv unsichtbar sind.

Analyse fester Proben

Die Vorbereitung fester Proben ist oft der aufwendigste Prozess, da sie in eine Form gebracht werden müssen, die für die Infrarotstrahlung transparent ist.

Die Pressling-Technik

Die gebräuchlichste Methode besteht darin, eine kleine Menge der festen Probe fein zu zermahlen und sie mit einem trockenen, IR-transparenten Salzpulver, typischerweise Kaliumbromid (KBr), zu vermischen. Diese Mischung wird dann unter enormen Druck gesetzt, um eine kleine, transparente Scheibe oder einen „Pressling“ zu bilden, der direkt in den Strahl des Spektrometers eingelegt werden kann.

Die Mull-Technik

Eine alternative Methode besteht darin, den Feststoff zu einem sehr feinen Pulver zu zermahlen und es dann mit ein oder zwei Tropfen eines schweren Öls, wie Nujol (ein Mineralöl), zu vermischen. Dies erzeugt eine dicke Paste oder ein „Mull“, das dann auf eine Salzplatte gestrichen wird. Das Spektrum des Öls selbst muss vom Endergebnis abgezogen werden.

Andere Feststofftechniken

Bei einigen Polymeren kann eine Probe vorbereitet werden, indem das Material in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und auf einer Salzplatte verdampft wird, wodurch ein dünner Gussfilm zurückbleibt.

Analyse von Flüssigkeits- und Gasproben

Flüssigkeiten und Gase sind oft einfacher vorzubereiten, da sie von Natur aus weniger opak sind als massive Feststoffe.

Flüssigkeitsprobenzellen

Die einfachste Methode für Flüssigkeiten besteht darin, einen einzelnen Tropfen zwischen zwei polierte Salzplatten (wie NaCl oder KBr) zu geben. Die Platten werden zusammengedrückt, um einen extrem dünnen Film der Flüssigkeit zu erzeugen, was für die Analyse ausreicht.

Gasprobenzellen

Gasproben werden mit einer speziellen Gaszelle analysiert. Dies sind Röhrchen mit IR-transparenten Fenstern an beiden Enden. Da Gase eine sehr geringe Dichte aufweisen und daher nur sehr wenig IR-Licht absorbieren, müssen diese Zellen einen sehr langen Weglänge (oft 5 bis 10 cm oder mehr) aufweisen, um sicherzustellen, dass genügend Moleküle mit dem Strahl wechselwirken, um ein messbares Signal zu erzeugen.

Verständnis der praktischen Einschränkungen

Obwohl die IR-Spektroskopie vielseitig ist, ist sie nicht ohne Herausforderungen, die sich meist auf die Probenvorbereitung beziehen.

Die Herausforderung von Wasser

Wässrige (wasserbasierte) Proben sind extrem schwierig zu analysieren. Wasser selbst weist sehr starke, breite IR-Absorptionsbanden auf, die die Signale der Probe überdecken können. Darüber hinaus sind die gängigsten Salzplatten (NaCl und KBr) wasserlöslich und würden schnell beschädigt werden.

Die Probenvorbereitung ist der Schlüssel

Eine schlechte Vorbereitung ist die häufigste Quelle für schlechte Daten. Bei Feststoffen streuen die Partikel den IR-Strahl, anstatt ihn zu absorbieren, wenn sie nicht fein genug gemahlen sind, was zu einem verzerrten und unbrauchbaren Spektrum führt.

Konzentration und Weglänge

Die Stärke eines IR-Signals ist proportional zur Konzentration der Probe und der Strecke, die das Licht durch sie zurücklegt. Deshalb werden reine Flüssigkeiten in sehr dünnen Filmen gemessen, während niedrig konzentrierte Gase sehr lange Weglängen erfordern.

Die richtige Wahl für Ihre Probe treffen

Ihr Vorgehen wird ausschließlich durch den physikalischen Zustand und die Eigenschaften des Materials bestimmt, das Sie analysieren müssen.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem reinen Feststoff liegt: Die KBr-Pressling- und Mull-Techniken sind Standardmethoden zur Erzeugung hochwertiger, quantitativer Daten.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer reinen Flüssigkeit liegt: Ein dünner Film zwischen zwei Salzplatten ist die schnellste und direkteste Analysemethode.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem Gas liegt: Sie benötigen eine spezielle Gaszelle mit langer Weglänge, um ein messbares Signal zu erhalten.
• Wenn Ihre Probe in einem Lösungsmittel gelöst ist: Sie müssen sicherstellen, dass das Lösungsmittel selbst im interessierenden IR-Bereich transparent ist, und eine flüssigkeitsbeständige Zelle verwenden.

Letztendlich hängt eine erfolgreiche IR-Analyse weniger vom Zustand der Probe ab als vielmehr von deren korrekter Vorbereitung, um sie für Infrarotlicht transparent zu machen.

Zusammenfassungstabelle:

Aggregatzustand der Probe	Übliche Vorbereitungsmethode	Wesentliche Überlegung
Feststoff	KBr-Pressling oder Mull (Nujol)	Muss fein gemahlen werden, um Lichtstreuung zu vermeiden
Flüssigkeit	Dünner Film zwischen Salzplatten (NaCl/KBr)	IR-transparentes Lösungsmittel erforderlich; Wasser vermeiden
Gas	Gaszelle mit langer Weglänge	Geringe Dichte erfordert längeren Weg zur Detektion

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