Spektroskopie: instrumentelle Analytik mit Atom- und Molekülspektrometrie
Gespeichert in:
1. Verfasser: | |
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Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Würzburg
Vogel
1997
|
Ausgabe: | 1. Aufl. |
Schriftenreihe: | LaborPraxis
|
Schlagworte: | |
Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
Beschreibung: | 519 S. Ill., graph. Darst. |
ISBN: | 3802315812 |
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Inhaltsverzeichnis
Geleitwort . 5
Vorwort . 7
1 Einführung. 19
1.1 Historie . 21
1.2 Warum
instrumentelie
Analytik?. 23
1.2.1 Spurenanalytik. 24
1.2.2 Hoher Probendurchsatz . 25
1.3 Spektroskopie . 26
1.4 Auf der Suche nach dem «Nichts». 29
1.4.1 Beispiel Platin. 33
1.4.2 Grenzen der Spurenanalytik. 33
1.4.3 Der Weg zu brauchbaren Spurenanalysen . 35
1.4.4 Probennahme. 37
1.5 Stand und Trends in der Umweltanalytik . 38
2 Wechselwirkung zwischen Licht und Materie . 45
2.1 Innere und äußere Wechselwirkungen. 46
2.2
Absorptions-
und Emissionsspektroskopie . 47
2.3 Atom- und Molekülspektroskopie. 48
2.4 Anregungsbedingungen. 50
2.5 Einteilung der Spektralbereiche. 52
2.6 Maßsysteme der Spektroskopie. 53
2.6.1 Absorptionsstelle . 53
2.6.2 Absorptionsintensität. 54
2.6.2.1 Besetzungsverhältnis. 54
2.6.2.2 Übergangswahrscheinlichkeit. 54
2.6.2.3 Lambert-Beersches Gesetz . 55
2.7 Qualitative und quantitative Analyse . 56
1.7
Λ
Qualitative Analyse . 56
2.7.2 Quantitative Analyse . 57
2.8 Konventionelles
Spektrometer
. 59
2.8.1 Einstrahl-Spektrometer. 60
2.8.2 Zweistrahl-Spektrometer . 60
3 UV/Vis-Spektroskopie. 63
3.1 Klassifizierung der Elektronenübergänge. 64
3.1.1 Franck-Condon-Prinzip . 65
3.2 Theoretische Berechnung von Elektronenübergängen. 66
3.2.1 Dissoziationsenergie und Ionsierungspotential. 68
3.2.2 Chromophore. 68
11
3.3 Erlaubte und verbotene Übergänge. 71
3.4 Meßprinzip . 72
3.4.1 Lichtquellen . 73
3.4.2 Monochromator. 75
3.4.3 Detektor. 75
3.4.4 Küvetten. 77
3.5 Messung des Spektrums. 77
3.5.1 Schwingungs-Feinstruktur . 78
3.6 Konzentrationsbestimmung über die Eigenfärbung. 79
3.7 Mehrkomponentenanalyse . 81
3.8 Doppelwellenlängen-Messung. 82
3.9 Differenzspektren. 85
3.10 Derivativspektren. 86
3.11 Anforderungen an ein modernes
Spektrometer
. 86
3.12 Diodenarray-Technologie in der UV/Vis-Spektroskopie . 89
3.12.1 Konventionelles Spektralphotometer . 91
3.12.2 Diodenarray-Spektralphotometer. 91
3.12.3 Vorteile der Diodenarray-Technologie. 92
3.12.3.1 Einstrahl-Geräte. 93
3.12.3.2 Schnelle Erfassung spektraler Daten. 94
3.12.3.3 Simultane Messung eines Spektrums . 94
3.12.3.4 Wellenlängen-Reproduzierbarkeit . 94
3.12.3.5 Meßbereich. 95
3.12.3.6 Statistik der Meßdaten. 96
3.13 Einkopplung von Lichtleitern . 96
3.13.1 Theorie der Lichtleiter . 96
3.13.2 Anwendung des Lichtleitersystems. 98
3.14 Schnelltests zur Wasseruntersuchung. 99
3.14.1 Beispiel: Photometrische Cu-Bestimmung im Spurenbereich . 100
3.14.2 Teststäbchen. 101
3.14.3 Komparator-Testbestecke (Kolorimetrie). 102
3.14.4 Kleinphotometer mit Fertigprogrammen. 103
3.14.5 Referenzstrahl-Technik. 105
3.15 Zusammenfassung und Ausblick. 105
Fluorimetrie
. 109
4.1 Grundlagen der Lumineszenzstrahlung. 109
4.2 Fluoreszenz . 111
4.3 Phosphoreszenz. 114
4.4 Meßparameter. 116
4.4.1 Fluoreszenz-Quantenausbeute . 116
4.4.2 Quantitative Analyse. 117
4.4.3 Fluoreszenzlöschung. 118
4.4.4 Fluoreszenz-Labelling. 119
4.5 Fluoreszenz-Spektrometer. 119
4.5.1 Verschiedene Spektrenarten . 121
4.5.2 Spektrenkorrektur . 122
4.5.3 Lichtstreuung. 123
4.5.4 Weitere Fehlermöglichkeiten . 125
4.6 Probenhalterung . 125
4.7 Temperatureinfluß. 126
4.8 Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) . 127
12
4.9 Zeitaufgelösre
Fluorimetrie
. 128
4.10 Zusammenfassung und Ausblick. 129
Infrarot-Spektroskopie. 131
5.1 Historie . 132
5.2 Prinzip . 133
5.2.1 Auswahlregeln . 134
5.3 IR-Spektrum . 135
5.4 Spektrenauswertung . 137
5.4.1 Theoretische Betrachtung. 137
5.4.1.1 Harmonischer Oszillator . 137
5.4.1.2 Anharmonischer Oszillator . 140
5.4.1.3 Mehratomige Moleküle . 142
5.4.2 Empirische Betrachtung . 143
5.5 Aufnahmetechnik. 147
5.5.1 Konventionelle IR-Spektrometer . 148
5.5.2 Fourier-TransformiFT-IRJ-Spektrometer . 150
5.5.2.1 Michelson-Interferometer. 150
5.5.2.2 Vorteile des FT-IR-Spektrometers. 152
5.5.3 Qualitative Analyse . 153
5.5.4 Quantitative Analyse . 154
5.6 Präparationsmethoden. 154
5.6.1 Flüssigkeiten und Lösungen. 155
5.6.2 Festkörper. 157
5.6.2.1 KBr-Preßtechnik. 157
5.6.2.2 Nujol-Technik. 159
5.63 Gase . 159
5.7 IR-Reflexionsspektroskopie. 162
5.7.1 ATR-Technik . 163
5.7.1.1 Prinzip . 163
5.7.1.2 Anwendungen. 166
5.7.2 Äußere Reflexion in der IR-Spektroskopie. 167
5.7.2.1 Gerichtete Reflexion. 168
5.7.2.2 Reflexions-Absorptions-Spektroskopie
(IRRAS)
. 169
5.7.2.3 Diffuse Reflexion (DRIFT). 170
5.7.2.3.1 Kramers-Kronig-Transformation. 172
5.7.2.3.2 Quantitative Analyse bei diffuser Reflexion. 173
5.7.2.4 Anwendungen der Reflexionsspektroskopie. 174
5.7.2.5 Kopplung mit Lichtleitern . 174
5.8 Photoakustischer Detektor . 175
5.9 Infrarot-Mikroskopie. 177
5.9.1 Funktionsweise. 178
5.9.2 Proben . 179
5.10 Kopplungstechniken . 180
5.10.1 GC-FT-IR-Kopplung. 180
5.10.2 TGA-FT-IR-Kopplung . 181
5.11 Rechnereinsatz in der IR-Spektroskopie . 183
5.12 Zusammenfassung und Ausblick. 184
NIR-Spektroskopie . 187
6.1 Unterschiede zwischen NIR- und MIR-Spektroskopie . 187
6.2 NIR-Spektrometer. 189
13
6.3 Anwendungen . 190
6.3.1 Bestimmung des Wassergehaltes.! 191
6.3.2 Einsatz beim Recycling von Kunststoffen. 193
6.4 Zusammenfassung und Ausblick. 193
7 Raman-Spektroskopie . 195
7.1 Theorie . 196
7.2 Auswahlregeln. 198
7.3 Raman-Spektrometer. 200
7.4 Anwendungen . 202
7.5 Zusammenfassung und Ausblick. 203
8 Mikrowellenspektroskopie. . 205
8.1 Theorie der Rotationsspektren . 206
8.2 Mikrowellenspektrometer. 209
8.3 Anwendungen . 210
8.3.1 Bestimmung von Atomabständen und Valenzwinkeln. 210
8.3.2 Bestimmung von Dipolmomenten . 211
8.3.3 Kernquadrupolkopplung . 211
8.4 Zusammenfassung und Ausblick. 212
9 Atomabsorptionsspektrometrie. 215
9.1 Historie . 217
9.2 Prinzip. 218
9.3 Linienspektrum . 221
9.3.1 Auswahlregeln . 222
9.3.2 Auswahl der Linien. 223
9.3.3 Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen . 224
9.4 Atomabsoptionsspektrometer . 225
9.4.1 Modulationsprinzip und spektrale Interferenzen. 225
9.4.2 Lininebreite. 226
9.5 Hohlkatodenlampen . 227
9.5.1 Mehrelement-Hohlkatodenlampen . 228
9.5.2 Elektrodenlose Entladungslampen. 229
9.6 Atomisierung. 229
9.6.1 Atomisierung in Flammen. 229
9.6.1.1 Luft-Acetylen-Flamme . 230
9.6.1.2 Lachgas-Acetylen-Flamme . 231
9.6.1.3 Zerstäuber und Mischkammer. 231
9.6.1.4 Kalibrierung und Kurvenkorrektur . 234
9.6.2 Atomisierung im Graphitrohrofen. 235
9.6.2.1 Extrem schnelle Heizrate . 239
9.6.2.2 L'vov-Plattform. 240
9.6.2.3 Temperatursprung und Gasstop. 241
9.6.2.4 Signalflächenintegration. 241
9.6.2.5 Grafische Verfolgung der Atomisierung. 242
9.6.2.6 Matrixmodifikation . 242
9.6.3 Hydrid- und Kaltdampftechnik . 243
9.6.4 Kriterien zur Auswahl der bestgeeigneten AAS-Technik . 244
9.7 Interferenzen . 245
9.7.1 Chemische Interferenzen. 246
9.7.2 Physikalische Interferenzen. 246
14
9.7.3 Ionisations-Interferenzen. 247
9.7.4 Spektrale Interferenzen. 248
9.7.5 Additionsmethode . 248
9.8 Untergrundabsorption. 249
9.8.1 Kompensation mit Kontinuumstrahlern. 251
9.8.2 Zeeman-Untergrundkorrektur. 253
9.8.2.1 Zeeman-Effekt . 253
9.8.2.2 Verschiedene
Zeeman-
A
AS-Systeme. 255
9.8.2.3 Grenzen der Zeeman-Untergrundkorrektur. 260
9.8.3 Smith-Hieftje-System . 261
9.9 Instrumentation. 263
9.9
Λ
Simultane Multielementbestimmung . 268
9.10 Fließinjektionsanalyse in der Atomabsorptionsspektrometrie. 270
9.10.1 FI-Quecksilber/Hydrid-AAS. 271
9.10.2 FI-Flammen-AAS . 272
9.10.3
FI
in Verbindung mit einem Hochdruckzerstäubersystem . 274
9.10.3.1 Kopplung mit der Ionenchromatographie . 275
9.10.3.2 Elementanreicherung und Matrixabtrennung . 276
9.10.4 Zukunftsperspektiven der Fließinjektion in der AAS. 278
9.11 AAS-Labor. 279
9.11.1 Abzugsanlage für die Flammen-AAS . 279
9.11.2 Arbeitsraum . 280
9.11.3 Brennerdrainage. 280
9.12 Zusammenfassung und Ausblick. 280
10 Atomfluoreszenzspektrometrie . 285
11 Atomspektrometrie mit Plasmen . 289
11.1 Grundlagen . 292
11.1.1 Was ist Plasma? . 294
11.2 Erzeugung von Plasma. 295
11.2.1 Induktiv gekoppeltes Plasma . 296
11.2.2 Dreielektroden-Gleichstromplasma . 298
11.2.3 Mikrowelleninduziertes Plasma . 299
11.3 Komponenten des ICP-Spektrometers. 300
11.3.1 Hochfrequenzgenerator . 301
11.3.2 Plasmabrennersystem. 301
11.3.2.1
Torches
. 301
11.3.2.2 Verschiedene Betriebsarten. 303
10.3.2.3 Zerstäubung. 306
11.3.2.4 Zerstäuberkammer. 309
11.3.2.5 Verringerung des Argonverbrauchs . 310
11.4 Aufbau einer ICP-Apparatur. 311
11.4.1 ICP-Sequenz-Emissionsspektrometer. 312
11.4.1.1 Monochromator beim sequentiellen
Spektrometer
. 313
11.4.1.2 Auflösungsvermögen . 314
11.4.1.3 Czerny-Turner-Monochromator. 317
11.4.1.4 ICP-Analytik genau im Linienpeak. 317
11.4.2 ICP-Multielement-Emissionsspektrometer. 319
11.4.2.1 Paschen-Runge-Polychromator . 320
11.4.3 Kombinierte Simultan-Sequenz-ICP-Spektrometer. 321
11.4.4 ICP-Spektrometer mit Echelle-Gitter . 321
15
11.4.4.1 Simultane Messung ailer Elemente auf allen Wellenlängen . 325
11.4.5 Probleme der Multielementbestimmung. 326
11.4.6 Lichtleiter bei ICP-Spektrometern . 326
11.4.7 Axiale Plasmabeobachtung. 327
11.4.8 Verwendung eines inneren Standards. 328
11.5 Störungen in der ICP-OES. 328
11.5.1 Untergrundstörungen. 329
11.5.1.1 Streulicht . 329
11.5.1.2 Spektrale Interferenzen. 330
11.5.2 Erkennung und Kompensation von Untergrundstörungen. 331
11.5.2.1 Messung einer Blindlösung. 332
11.5.2.2 Übersichtsanalyse. 332
11.5.2.3 Ausweichen auf andere Linien . 333
11.5.2.4 Messung des Untergrundes neben der Analysenlinie . 334
11.6 Standardlösungen für die Atomemissionsspektrometrie . 335
11.7 Hydridsystem. 335
11.8 Analyse fester Proben . 336
11.8.1 Funkenemissionsspektrometrie. 336
11.8.2 Glimmentladung. 338
11.8.3 Laserinduzierte Mikroplasmen. 339
11.8.4 Graphitrohrtechnik . 339
11.9 AAS oder ICP? Die Wahl des richtigen
Spektrometers
für die Elementanalyse. 340
11.9.1 Nachweisgrenzen . 341
11.9.2 Linearer dynamischer Arbeitsbereich. 342
11.9.3 Meßgeschwindigkeit. 343
11.9.4 Interferenzen. 344
11.9.5 Reproduzierbarkeit. 344
11.9.6 Weitere wichtige Punkte. 344
11.10 Plasmamassenspektrometrie . 345
11.10.1 Verfahrensprinzip der ICP-MS. 346
11.10.2 ICP-Einheit. 346
11.10.3 ICP-MS-Interface . 347
11.10.4 Massenspektrometer. 348
11.10.5 Vorteile der ICP-MS. 348
11.10.5.1 Semiquantitative Analyse. 349
11.10.5.2 Bestimmbare Elemente. 349
11.10.5.3 Analytische Beschränkungen . 350
11.10.6 Neue Anwendungen. 351
11.11 Zusammenfassung und Ausblick. 352
12 Massenspektrometrie. 357
12.1 Grundlagen . 358
12.2 Massenspektrum . 359
12.2.1 Stabilität von Bruchstücken . 360
12.2.2 Umlagerungsprozesse. 361
12.2.3 Metastabile Ionen. 361
12.3 Ionenerzeugung. 362
12.3.1 Elektronenstoßionisation. 362
12.3.2 Chemische Ionisierung. 363
12.3.3 Ionen-Molekül-Reaktionsmassenspektrometrie. 363
12.3.4 MALDI-MS . 364
16
12.3.5 MS-Analyse schwerflüchtiger Verbindungen . 365
12.3.6 Massenspektrometrie mit negativen Ionen. 366
12.4 Massenspektrometer . 367
12.4.1 Quadrupol-Massenspektrometer . 368
12.4.2 Magnetfeld-Massenspektrometer. 370
12.4.3 Flugzeit-Massenspektrometer. 371
12.4.4 Tandem-Massenspektrometer. 372
12.5 Zusammenfassung und Ausblick. 373
13 Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie . 375
13.1 Grundlagen . 377
13.2 Chemische Verschiebung. 381
13.3 Spin-Spin-Kopplung. 384
13.4 Aufnahme von NMR-Spektren . 387
13.4.1 Empfindlichkeit . 387
13.4.2 Substanzbedarf. 388
13.4.3 Spektrenakkumulation. 388
13.4.4 Integration . 389
13.4.5 Quantitative Analyse . 390
13.4.6 Magnetfeld. 390
13.5 NMR-Spektrometer. 391
13.5.1 CW-Spektrometer. 392
13.5.2 PFT-NMR-Spektrometer . 393
13.5.3 Relaxationsmessungen. 395
13.6 Doppelresonanz-Technik. 396
13.7 Zweidimensionale NMR-Spektroskopie. 397
13.8 Kern-Overhauser-Effekt. 399
13.9 Anwendungen der NMR-Spektroskopie . 400
13.9.1 "C-NMR-Spektroskopie . 400
13.9.2 Deuterium-NMR-Spektroskopie . 401
13.9.3 NMR-Tomographie . 402
13.9.4 NMR-Mikroskopie . 403
13.9.5 Festkörper-NMR . 404
13.9.6 Ionen-Cyclotron-Resonanz. 405
13.10 Zusammenfassung und Ausblick. 405
14 Röntgenfluoreszenzanalyse . 409
14.1 Begriff Röntgenfluoreszenz . 411
14.2 Grundlagen . 411
14.2.1 Auger-Effekt. 414
14.2.2 Fluoreszenzausbeute. 415
14.3 Charakteristische Spektrallinien . 416
14.3.1 Zinn-K-Spektrum. 416
14.3.2 Gold-L-Spektrum. 417
14.4 Gesetz von Moseley. 418
14.5 Anregung . 419
14.5.1 Erzeugung von Röntgenstrahlen. 419
14.5.1.1 Röntgenbremsstrahlung. 419
14.5.1.2 Charakteristische Strahlung. 420
14.5.1.3 Wahl des Anodenmaterials. 420
14.6 Absorption der Röntgenstrahlung. 421
14.6.1 Anregung der charakteristischen Strahlung . 423
17
14.6.2 Primär- und Sekundärabsorption. 424
14.7 Röntgenröhre. 425
14.7.1 Anregung durch Radionukleide. 426
14.8 Röntgenspektrometer . 426
14.8.1 Wellenlängen-Dispersionsmethode. 427
14.8.2 Energie-Dispersionsmethode . 428
14.9 Röntgendetektoren . 429
14.9.1 Szintillationszähler. 429
14.9.2 Gaszählrohre . 430
14.9.3 Halbleiterdetektoren. 430
14.10 Analytische Anwendungen . 431
14.10.1 Kalibration. 432
14.10.2 Nachweisgrenzen . 433
14.11 Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TRXRF). 433
14.12 Schichtdickenmessung nach dem Röntgenfluoreszenz-Verfahren . 435
14.12.1 Verwendung von selektiven Absorptionsfolien (Filter). 440
14.12.2 Schichtdickenmessung von Deck- und Zwischenschicht . 441
14.12.3 Schichtdickenmessung einer zweikomponentigen
Legierungsschicht. 443
14.13 Neuere Entwicklungen in der Röntgenspektrometrie . 445
14.13.1
RFA-Analyse
der leichten Elemente . 445
14.3.2 Pseudokristalle. 446
14.14 Zusammenfassung und Ausblick. 446
15 Oberflächenanalytik. 451
15.1 Methoden . 452
15.2 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse. 457
15.2.1 Qualitative Röntgenanalyse. 459
15.2.2 Quantitative Analyse . 459
15.3 Protoneninduzierte
Röntgenemission
. 460
15.4 Auger-Elektronenspektroskopie. 460
15.4.1
Scanning
Auger
Microscope
. 463
15.5 Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse. 464
15.6 Sekundärionen-Massenspektroskopie. 468
15.7 Ionenstreu-Spektroskopie . 470
15.8 Raster-Sonden-Mikroskopie . 471
15.8.1 STM-Prinzip. 472
15.8.2 AFM-Prinzip. 475
15.8.3 Magnetokraft-Mikroskop . 477
15.8.4 Rasterelektrochemisches Mikroskop . 477
15.8.5 Anwendungen. 478
16 Schlußbetrachtung. 481
Verzeichnis der Geräteanbieter . 485
Quellenverzeichnis. 491
Literaturverzeichnis. 503
Abkürzungsverzeichnis . 507
Stichwortverzeichnis . 511
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