Probenvorbereitung und Messtechniken im MIR
Wie man feste, flüssige und gasförmige Proben für die MIR-Spektroskopie vorbereitet und wann die ATR-Technik die bessere Wahl ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Probenvorbereitung im MIR richtet sich nach dem Aggregatzustand: Feststoffe als KBr-Pressling, Nujol-Suspension oder Trockenfilm, Flüssigkeiten als Film oder Lösung, dazu Schmelze, Gasphase und ATR.
- Eine Nujol-Suspension zwischen NaCl-Platten verdeckt die \(\ce{C-H}\)-Bereiche um 2920, 2850, 1460 und 1375 cm⁻¹.
- Ein Trockenfilm entsteht durch Eindampfen einer Methanol-Lösung im Stickstoffstrom bei Raumtemperatur auf einem Alkalihalogenid-Plättchen.
- Wenig flüchtige Flüssigkeiten misst man als Film zwischen NaCl-Platten, Lösungen in \(\ce{CHCl3}\) oder \(\ce{CCl4}\), Wasserstoffbrücken in verdünnter \(\ce{CCl4}\)-Lösung.
- Bei der ATR wird die Strahlung im Kristall (z. B. KRS-5) mehrfach totalreflektiert, die Eindringtiefe hängt von Wellenlänge, Einfallswinkel und beiden Brechzahlen ab.
- Ab einigen Mikrometern Probendicke ist die ATR-Absorbanz schichtdickenunabhängig, ATR-Spektren sind quantitativ nutzbar, aber nicht identisch mit KBr-Spektren.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Ein IR-Spektrum ist nur so gut wie die Probe im Strahlengang. Je nach Aggregatzustand braucht man eine andere Technik: Pressling, Suspension, Film, Küvette oder ATR-Kristall. Für die Identitätsprüfung von Arzneistoffen muss man diese Techniken kennen, weil Spektren verschiedener Techniken nicht immer vergleichbar sind.
Feste Substanzen
Feste Proben kann man nicht einfach in den Strahl legen. Grobe Kristalle streuen das Licht, und die Schicht wäre viel zu dick. Man verteilt den Stoff deshalb fein in einem Medium, das im MIR möglichst durchlässig ist.
KBr-Pressling
Für den KBr-Pressling verreibt man etwa 1 mg Substanz mit rund 200 mg trockenem Kaliumbromid. Die Mischung wird unter hohem Druck zu einer klaren Tablette gepresst. KBr ist wie die IR-Fenstermaterialien ein Alkalihalogenid und im MIR praktisch ohne Eigenbanden. Es ist aber hygroskopisch. Feuchtes KBr zeigt Wasserbanden um 3400 und 1640 cm⁻¹. Reiben und Druck können zudem die Kristallform verändern, was bei der Polymorphie zählt.
Nujol-Suspension
Alternativ verreibt man die Substanz mit Paraffinöl (Nujol) zu einer Paste. Diese Nujol-Suspension streicht man zwischen zwei NaCl-Platten. Paraffinöl besteht aus gesättigten Kohlenwasserstoffen. Seine \(\ce{C-H}\)-Banden überdecken daher genau die Bereiche, in denen auch die Probe ihre \(\ce{C-H}\)-Schwingungen zeigt.
Trockenfilm
Ist der Analyt löslich, löst man ihn etwa in Methanol. Die Lösung bringt man auf ein Alkalihalogenid-Plättchen und dampft sie im Stickstoffstrom bei Raumtemperatur ein. Zurück bleibt ein dünner Trockenfilm. Anders als bei einer Einbettung in Agar oder Polyvinylacetat stört hier keine Matrix, denn solche organischen Materialien hätten selbst viele IR-Banden.
Flüssigkeiten, Lösungen und Gase
Flüssigkeiten sind einfacher. Eine wenig flüchtige Flüssigkeit gibt man als Tropfen zwischen zwei NaCl-Platten. Beim Zusammendrücken entsteht ein dünner Film. Leicht flüchtige Proben würden dabei verdunsten, man misst sie in einer verschlossenen Küvette.
Für Lösungsspektren dienen Chloroform (\(\ce{CHCl3}\)) und Tetrachlormethan (\(\ce{CCl4}\)) in geeigneten Küvetten, etwa aus NaCl. Beide Lösungsmittel haben nur wenige Eigenbanden. Wo sie absorbieren, ist das Spektrum nicht auswertbar. Eine Vergleichsküvette mit reinem Lösungsmittel gleicht den Rest aus. Wasser scheidet aus, denn es löst die Salzfenster und absorbiert selbst sehr stark.
Tetrachlormethan hat einen besonderen Zweck. In stark verdünnter Lösung in \(\ce{CCl4}\) liegen die Moleküle vereinzelt vor. Intermolekulare Wasserstoffbrücken brechen auf, intramolekulare bleiben erhalten. So lassen sich beide Arten unterscheiden, wie bei der Strukturzuordnung im IR gezeigt.
Wird im Examen gerne gefragt: Wenig flüchtige Flüssigkeiten misst man als Film zwischen NaCl-Platten, Lösungen in \(\ce{CHCl3}\) oder \(\ce{CCl4}\). Für Wasserstoffbrücken in verdünnter Lösung ist \(\ce{CCl4}\) in NaCl-Küvetten das Mittel der Wahl.
Manche Stoffe misst man auch im geschmolzenen Zustand, etwa zwischen beheizten Platten. Selbst Gase lassen sich IR-spektroskopisch vermessen. Wegen ihrer geringen Teilchendichte braucht man Gasküvetten mit langer Schichtdicke, oft 10 cm und mehr. Ein Anwendungsbeispiel ist die Bestimmung von Kohlenmonoxid in medizinischen Gasen.
Abgeschwächte Totalreflexion
Die ATR (attenuated total reflection, abgeschwächte Totalreflexion) kommt fast ohne Probenvorbereitung aus. Man drückt die Probe direkt auf einen Kristall mit hoher Brechzahl. Die IR-Strahlung fällt schräg ein, und zwar über dem Grenzwinkel der Totalreflexion. An der Grenzfläche zur Probe wird sie deshalb totalreflektiert.
Ganz unberührt bleibt die Probe aber nicht. Ein evaneszentes Feld reicht wenige Mikrometer über die Kristalloberfläche hinaus. Wo die Probe absorbiert, entzieht sie diesem Feld Energie, und der reflektierte Strahl ist dort geschwächt. Man kann sich das wie eine Hand vorstellen, die beim Abprallen kurz die Oberfläche streift. In einem langen, trapezförmigen Kristall wird der Strahl viele Male reflektiert. Diese Mehrfachreflexion verstärkt das Signal. Ein Zickzack-Strahlengang durch einen Kristall mit aufliegender Probe ist das Erkennungszeichen der ATR-Anordnung.
Der Kristall muss im MIR durchlässig sein und eine höhere Brechzahl als die Probe haben. Gebräuchlich sind:
| Kristall | Material | Brechzahl |
|---|---|---|
| KRS-5 | Thalliumbromidiodid | ca. 2,4 |
| ZnSe | Zinkselenid | ca. 2,4 |
| Ge | Germanium | ca. 4,0 |
| Diamant | Kohlenstoff | ca. 2,4 |
Eindringtiefe
Die Eindringtiefe \(d_p\) gibt an, nach welcher Strecke das evaneszente Feld in der Probe auf 1/e abgefallen ist. Sie liegt meist zwischen 0,5 und 5 µm.
\[d_p = \frac{\lambda}{2\pi n_1 \sqrt{\sin^2\theta - (n_2/n_1)^2}}\]
\(\lambda\) Wellenlänge, \(n_1\) Brechzahl des Kristalls, \(n_2\) Brechzahl der Probe, \(\theta\) Einfallswinkel.
Die Eindringtiefe hängt also nicht nur von der Kristallbrechzahl ab. Ebenso zählen Probe, Einfallswinkel und Wellenlänge. Ein größerer Einfallswinkel verringert die Eindringtiefe und damit die Absorbanz. Langwellige Strahlung dringt dagegen tiefer ein. Banden bei kleinen Wellenzahlen erscheinen im ATR-Spektrum deshalb relativ stärker als im Transmissionsspektrum.
Ein ATR-Spektrum ist nicht identisch mit dem KBr-Transmissionsspektrum desselben Stoffes. Vergleichen darf man nur mit einem Referenzspektrum derselben Technik.
Die Probe muss nur dicker sein als einige Mikrometer. Dann erfasst das Feld immer dieselbe wirksame Schicht, und die Absorbanz ist unabhängig von der Schichtdicke. Bei gleichem Kristall, gleichem Winkel und gutem Kontakt ist die Messung gut reproduzierbar. ATR-Spektren erlauben daher auch quantitative Messungen.
Quiz
Aussage 1
Bei einer Suspension in Paraffinöl lassen sich die Bereiche um 2920 und 1375 cm⁻¹ nicht auswerten.
Nujol besteht aus gesättigten Kohlenwasserstoffen und zeigt dort eigene \(\ce{C-H}\)-Banden.
Aussage 2
Ist die Probe dicker als einige Mikrometer, hängt die ATR-Absorbanz nicht mehr von der Schichtdicke ab.
Das evaneszente Feld erfasst nur wenige Mikrometer. Deshalb ist die wirksame Schicht konstant und quantitative Messungen sind möglich.
Aussage 3
Für einen IR-Trockenfilm bettet man den Analyten in Polyvinylacetat ein und trocknet die Schicht.
Polymermatrices haben viele Eigenbanden. Richtig ist: Eine Lösung des Analyten, etwa in Methanol, wird im Stickstoffstrom bei Raumtemperatur auf einem Alkalihalogenid-Plättchen eingedampft.
Aussage 4
Wässrige Lösungen eines Arzneistoffs misst man im MIR bevorzugt in NaCl-Küvetten.
Wasser löst die NaCl-Fenster und absorbiert selbst stark. Als Lösungsmittel dienen \(\ce{CHCl3}\) oder \(\ce{CCl4}\).
Aussage 5
Verdünnte Lösungen in Tetrachlormethan in NaCl-Küvetten eignen sich, um Wasserstoffbrücken IR-spektroskopisch zu untersuchen.
In starker Verdünnung brechen intermolekulare Wasserstoffbrücken auf, intramolekulare bleiben. So lassen sie sich unterscheiden.
Aussage 6
Die Eindringtiefe bei der ATR-Messung wird allein durch die Brechzahl des Kristalls bestimmt.
Sie hängt auch von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel und der Brechzahl der Probe ab.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.