Welche Arten von Proben können mittels Infrarotspektroskopie analysiert werden? Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase & mehr

Kurz gesagt, die Infrarot-(IR)-Spektroskopie kann eine außergewöhnlich breite Palette von Proben analysieren, einschließlich Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Die entscheidende Einschränkung ist nicht der physikalische Zustand der Probe selbst, sondern die Methode, die zu ihrer Vorbereitung verwendet wird. Für eine erfolgreiche Analyse muss die Probe so vorbereitet werden, dass Infrarotlicht entweder durch sie hindurchtreten oder effektiv mit ihrer Oberfläche interagieren kann.

Das Kernprinzip der IR-Probenanalyse ist die Transparenz. Die Probe und jedes Material, das sie enthält (wie ein Fenster oder ein Lösungsmittel), müssen für Infrarotstrahlung im interessierenden Wellenlängenbereich transparent sein, um ein verwertbares Spektrum zu erhalten.

Analyse von Feststoffproben

Die größte Herausforderung bei Feststoffen besteht darin, sie transparent genug zu machen, damit IR-Licht hindurchtreten kann. Mehrere etablierte Techniken erreichen dies.

Die KBr-Pressling-Methode

Dies ist eine klassische Transmissionsmethode. Eine kleine Menge der festen Probe wird fein mit einem trockenen, pulverförmigen Alkalihalogenid, meistens Kaliumbromid (KBr), verrieben. Diese Mischung wird dann unter hohem Druck in einer Matrize zu einem kleinen, transparenten Pressling geformt, der direkt in den IR-Strahl gelegt werden kann.

Die Verreibungstechnik (Mull-Technik)

Bei dieser Methode wird die feste Probe mit einem Verreibungsmittel zu einer feinen Paste (einem „Mull“) verrieben. Das gebräuchlichste Mittel ist Nujol, ein Mineralöl. Ein dünner Film dieser Paste wird dann zwischen zwei flache, polierte Salzplatten (wie NaCl oder KBr) für die Analyse gestrichen.

Abgeschwächte Totalreflexion (ATR)

ATR ist eine moderne Oberflächentechnik, die aufgrund ihrer Einfachheit extrem populär geworden ist. Sie erfordert fast keine Probenvorbereitung. Der Feststoff (oder die Flüssigkeit) wird einfach gegen einen Kristall mit hohem Brechungsindex gepresst, typischerweise aus Diamant, Germanium oder Zinkselenid. Der IR-Strahl wird durch den Kristall geleitet, wo er mit der unmittelbaren Oberfläche der Probe interagiert.

Analyse von Flüssigkeits- und Gasproben

Flüssigkeiten und Gase sind im Allgemeinen einfacher zu analysieren, da sie bereits homogen sind. Die Hauptüberlegung ist, sie in einem IR-transparenten Gefäß zu lagern.

Reine Flüssigkeiten und Lösungen

Reine Flüssigkeiten („neat“-Proben) können analysiert werden, indem ein einzelner Tropfen zwischen zwei Salzplatten gelegt wird, wodurch ein dünner Film entsteht. Bei Lösungen wird die Probe in einem Lösungsmittel mit minimalen IR-Absorptionsbanden (wie Tetrachlorkohlenstoff oder Chloroform) gelöst und in eine spezielle Flüssigkeitsküvette mit IR-transparenten Fenstern gegeben.

Gasanalyse

Gase werden mit einer Gasküvette analysiert. Dies ist ein langes Rohr, das an beiden Enden mit IR-transparenten Fenstern verschlossen ist. Der IR-Strahl durchläuft die Länge der Küvette, wodurch die Weglänge und somit die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung mit den niedrig konzentrierten Gasmolekülen erhöht wird.

Die entscheidende Einschränkung: Warum Salzplatten unerlässlich sind

Sie können keine Standard-Glas- oder Quarzküvetten für die mittlere IR-Spektroskopie verwenden. Dies liegt daran, dass die chemischen Bindungen in diesen Materialien (Silizium-Sauerstoff) IR-Strahlung stark absorbieren, das Signal blockieren und sie effektiv undurchsichtig machen.

Die Rolle von Alkalihalogeniden

Materialien wie Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumbromid (KBr) werden verwendet, weil sie für IR-Licht transparent sind. Die einzelnen ionischen Bindungen in ihrem Kristallgitter haben keine Schwingungsfrequenzen im typischen mittleren IR-Bereich (4000-400 cm⁻¹), sodass sie die Messung der Probe nicht stören.

Die Kompromisse verstehen

Jede Probenvorbereitungsmethode hat unterschiedliche Vor- und Nachteile, die sie für verschiedene Situationen geeignet machen.

KBr-Presslinge: Hohe Qualität, hoher Aufwand

Presslinge erzeugen qualitativ hochwertige Spektren, sind aber arbeitsintensiv und sehr feuchtigkeitsempfindlich. Wasser hat eine sehr starke IR-Absorption und kann das KBr leicht kontaminieren, wodurch Teile des Spektrums verdeckt werden.

Verreibungen: Schnell, aber potenziell störend

Die Verreibungstechnik ist schneller als die Herstellung eines Presslings, aber das Verreibungsmittel (z. B. Nujol) zeigt seine eigenen C-H-Absorptionsbanden im Spektrum. Ein Analytiker muss in der Lage sein, diese bekannten Peaks von den tatsächlichen Peaks der Probe zu unterscheiden.

ATR: Die erste Wahl für Geschwindigkeit und Einfachheit

ATR ist schnell, zerstörungsfrei und funktioniert bei einer Vielzahl von Proben, einschließlich undurchsichtiger Feststoffe, Filme und Pulver. Es ist jedoch eine Oberflächentechnik, daher repräsentiert sie möglicherweise nicht die Gesamtzusammensetzung einer inhomogenen Probe.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Ihre Wahl der Methode hängt vollständig von Ihrem Probentyp und Ihrem analytischen Ziel ab.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Erzielung eines hochwertigen Transmissionsspektrums eines reinen Feststoffs liegt: Die KBr-Pressling-Methode ist der Goldstandard, vorausgesetzt, Sie können Feuchtigkeitskontamination vermeiden.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer schnellen, qualitativen Analyse eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit liegt: ATR ist die schnellste und bequemste verfügbare Methode.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Analyse einer gelösten Verbindung oder einer reinen Flüssigkeit liegt: Verwenden Sie eine Flüssigkeitsküvette oder erstellen Sie einen dünnen Film zwischen zwei Salzplatten.
• Wenn Sie eine Probe in ihrem gasförmigen Zustand analysieren müssen: Eine spezielle Gasküvette ist die einzig geeignete Wahl.

Letztendlich befähigt Sie das Verständnis der Prinzipien der Probenvorbereitung, die optimale Technik für jede analytische Herausforderung auszuwählen.

Zusammenfassungstabelle:

Probentyp	Gängige Vorbereitungsmethoden	Wichtige Überlegungen
Feststoffe	KBr-Pressling, ATR, Verreibung (Nujol)	Transparenz für IR-Licht ist entscheidend; Feuchtigkeitskontamination vermeiden.
Flüssigkeiten	Rein (Salzplatten), Lösung (IR-transparentes Lösungsmittel)	Verwenden Sie Lösungsmittel wie CCl₄ oder Chloroform mit minimaler IR-Absorption.
Gase	Gasküvette (lange Weglänge)	Ideal für niedrig konzentrierte Moleküle; erfordert versiegelte IR-transparente Fenster.

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