UV-Vis-Spektroskopie

Hallo und herzlich willkommen. Das heutige Thema lautet UV-Vis-Spektroskopie. Nach dem Video weißt du, was UV-Vis-Spektroskopie ist, du weißt, worin Prinzip und Methode der UV-Vis-Spektroskopie bestehen und du weißt, wo sie eingesetzt wird. Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, 1. was elektromagnetische Strahlung und das elektromagnetische Spektrum sind, 2. was Spektroskopie ist und 3. was ein Orbital ist. Vielleicht aber doch noch einmal als kleine Wiederholung ein paar Worte zur elektromagnetischen Strahlung. Die Energie eines elektromagnetischen Quants, wird beschrieben durch die Gleichung E=h×f. h ist das Plancksche Wirkungsquantum, eine Naturkonstante, und f ist die Frequenz der Strahlung. Die Frequenz ihrerseits wird beschrieben durch die Gleichung f=c/Lambda, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, eine Konstante, und Lambda die Wellenlänge. Aufgrund dieser beiden Zusammenhänge kann man nun folgende Aussage treffen: Die Energie einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsart ist abhängig von ihrer Wellenlänge. Bestrahlen wir nun eine Probe mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen, dann können wir manchmal beobachten, dass manche dieser Wellenlängen die Probe durchqueren können und hinten wieder rauskommen, aber andere Wellenlängen nicht wieder hinten rauskommen. Diese Wellenlängen wurden folglich absorbiert. Da stellt sich natürlich gleich die Frage, warum wurde die eine Wellenlänge absorbiert und die andere nicht? Und die Antwort darauf lautet: Elektromagnetische Strahlung wird dann absorbiert, wenn sie genau jene Energie besitzt, die ein Molekül benötigt, um angeregt zu werden. Und da wir, wenn wir von Energie reden, wir eigentlich auch von der Wellenlänge reden, können wir den Satz auch so formulieren: Elektromagnetische Strahlung wird dann absorbiert, wenn sie genau jene Wellenlänge besitzt, die ein Molekül benötigt, um angeregt zu werden. Unser Thema heute ist ja die UV-Vis-Spektroskopie. Und wie der Name schon sagt, geht es dabei um elektromagnetische Strahlung im UV- und im sichtbaren Bereich. Diese beiden Strahlungsarten befinden sich aufgrund ihrer Wellenlänge nun genau in jenem Energiebereich, in dem Valenzelektronen gerne angeregt werden. Was passiert dabei? Ein Elektron befindet sich auf einem niedrig energetischen Orbital und springt, wenn es angeregt wird, auf ein höher energetisches Orbital. Das niedrig energetische Orbital nennt man auch das HOMO, das ist die Abkürzung für highest occupied molecular orbital, also höchstes, besetztes Molekülorbital, und das energetisch darüber liegende Orbital nennt man das LUMO, das lowest unoccupied molecular orbital, also das niedrigste, nicht besetzte Molekülorbital. Der energetische Abstand dieser beiden Orbitale ist nun genau jene Energie, die unser Elektron benötigt, um angeregt zu werden. Und daraus folgt, dass es nur mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt werden kann. Entspricht die eingestrahlte Energie oder die eingestrahlte Wellenlänge nun genau jenem energetischen Abstand, dann wird die Strahlung absorbiert. Und damit sind wir auch schon beim Prinzip der UV-Vis-Spektroskopie, die man mitunter auch Elektronenspektroskopie nennt, weil sie sich mit den Übergängen von Valenzelektronen beschäftigt. Ihr Prinzip besteht in der Messung der Absorption von UV-Strahlung und sichtbarem Licht durch eine Probe.  Wir haben also eine Probe, die wir mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlen, wobei es sich in diesem Falle um UV- oder sichtbares Licht handelt. Das Licht, das die Probe durchdringen kann, wird dann hinten von einem Detektor analysiert, und zwar misst dieser Detektor die Intensität des Lichtes, das hinten raus kam. Weiß man nun wie viel Licht vorne eingestrahlt wurde, dann kann man anhand dieser Messung die Absorption des Lichtes dieser Wellenlänge von der Probe bestimmen. Im nächsten Schritt verändert man ein wenig die Wellenlänge, bleibt aber immer noch im kritischen Bereich, und misst wieder die Intensität. Dann verändert man die Wellenlänge noch einmal und misst wieder und so weiter. Das Ergebnis dieser Messungen stellt man dann in einer Grafik dar. Die x-Achse dieser Grafik bezeichnet die Wellenlänge, und die y-Achse bezeichnet die Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge, beziehungsweise man nennt sie auch die Extinktion. In der UV-Vis-Spektroskopie variiert man die Wellenlänge üblicherweise von 200 bis 800 Nanometern, wobei der Bereich unter 400 Nanometern dem UV-Bereich entspräche, und von 400 bis 800 ungefähr dem sichtbaren Bereich. Jede unserer Einzelmessungen bei einer bestimmten Wellenlänge ergibt nun einen Punkt in der Grafik, Messung für Messung. Und viele Messungen ergeben dann eine Kurve. Diese Kurve besitzt eine charakteristische Form. In unserem Falle sehen wir 3 Absorptionsmaxima. Die Lage und Größe dieser Maxima und überhaupt die Form der gesamten Kurve liefert uns nun Informationen über das untersuchte Molekül. Ganz konkret kann man sagen: Das Spektrum liefert Informationen über einzelne Strukturelemente, beziehungsweise über die Stoffklassenzugehörigkeit einer Verbindung. Man kann also etwa sagen, ob eine bestimmte aromatische Komponente enthalten ist oder eine bestimmte funktionelle Gruppe oder was auch immer. Diese einzelnen Strukturelemente, die für ein bestimmtes Absorptionsmaximum verantwortlich sind, nennt man Chromophore. Nun noch ein paar Worte zur apparativen Methodik. Wie ihr ja wisst, wird die Probe mit dem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt und hinter der Probe wird dann gemessen, wie viel oder welcher Anteil dieses Lichtes die Probe durchdringen konnte. Das Gerät, das das Licht liefert, und zwar das Licht einer bestimmten Wellenlänge, nennt man einen Monochromator. Wir messen also, wie viel Licht verloren ging. Nun ist es leider so, dass Licht nicht nur verloren geht in dem es von der Probe absorbiert wird, sondern es kann auch zum Beispiel an der Oberfläche des Glasbehälters reflektiert werden oder es kann im Lösungsmittel gestreut werden und so weiter. Kurzum, wir haben eine Vielzahl an Fehlerquellen. Um möglichst viele Fehlerquellen auszuschalten, arbeitet man deshalb mit einer Vergleichsprobe. Und das funktioniert so, dass man jedes Mal nachdem man Licht durch die Probe geleitet hat, man den selben Lichtstrahl über eine Spiegelkonstruktion durch die Vergleichsprobe schickt. Diese Vergleichsprobe könnte etwa so aussehen, dass exakt der gleiche Behälter verwendet wird, gefüllt mit Lösungsmittel, ohne den Stoff darin gelöst, den man untersuchen möchte. Zu jeder Messung, das heißt also bei jeder Wellenlänge, wird nun eine Vergleichsmessung durchgeführt. Immer wieder, immer wieder. Die erhaltenen Daten werden dann miteinander abgeglichen, sodass man am Ende eine Kurve erhält, die nur die Absorption durch den zu untersuchenden Stoff berücksichtigt.  Nun zu den Anwendungen der UV-Vis-Spektroskopie. Der erste große Anwendungsbereich ist die qualitative Analyse, das heißt die Frage, welche Substanz habe ich vorliegen? Die Vorgehensweise dazu kennt ihr eigentlich bereits. Man nimmt ein Spektrum auf und schaut sich an, wo die Absorptionsmaxima liegen. Daraus zieht man gewisse Rückschlüsse darüber, welche Chromophore vorliegen im Molekül und daraus wiederum lässt sich ableiten, wie die Molekülstruktur womöglich aussehen könnte. Der zweite große Anwendungsbereich der UV-Vis-Spektroskopie ist die quantitative Analyse. Hier geht es um die Frage, welche Menge oder Konzentration einer bestimmten Verbindung habe ich vorliegen? Die Beantwortung dieser Frage wird möglich durch einen physikalischen Zusammenhang, der da lautet: Elambda=epsilonlambda×c×d. Hierbei ist Elambda die Extinktion bei einer bestimmten Wellenlänge, epsilonlambda ist der sogenannte Extinktionskoeffizient, eine stoffspezifische Konstante, d ist die Dicke der Probe, also sozusagen der Weg, den das Licht in der Probe zurücklegen muss, und c ist die Konzentration des gelösten und zu untersuchenden Stoffes. Kenne ich den Stoff nach dem ich suche, beziehungsweise seinen Extinktionskoeffizienten, und kenne ich die Dicke der Probe, dann kann ich ja die Extinktion messen, und zwar die Extinktion bei einer bestimmten Wellenlänge, und daraus dann die Konzentration berechnen, nämlich gemäß der umgestellten Formel c=Elambda/(epsilonlambda×d). Übrigens nennt man diese Formel, die wir hier verwendet haben, das Lambert-Beersche Gesetz. Meistens geht man bei solchen Untersuchungen so vor, dass man sich eine charakteristische Wellenlänge herauspickt, also eine Wellenlänge, bei der unser Stoff besonders gut absorbiert, und daraus dann die Konzentration berechnet. Zum Beispiel wird diese Vorgehensweise bei der Untersuchung von Blut angewendet. So kann etwa der Glucosegehalt im Blut, der Hämoglobingehalt im Blut oder auch der Gehalt von NADH im Blut auf diese Weise untersucht werden. Der Charme dabei ist, dass man eigentlich nur ein Gerät für eine große Anzahl von Untersuchungen benötigt. Man variiert einfach immer nur die Wellenlänge, auf die man untersucht. So, und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was UV-Vis-Spektroskopie überhaupt ist, außerdem welches Prinzip und welche Methode ihr zugrunde liegen und weiterhin, wie sie eingesetzt wird. Vielen Dank fürs Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal.