Die Wahl des richtigen Spektrometers

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, werden Spektrometer in zwei Gruppen unterteilt: Strahlungsspektrometer (auch Strahlenspektrometer genannt) und Massenspektrometer.

Raman-Spektroskop der Marke Horiba

Strahlungsspektroskopie

• Absorptionsspektroskopie: Dieses Verfahren bestimmt Spektren unterschiedlicher Substanzen, indem es die Absorption misst, die eingestrahltes Licht beim Durchgang durch die Substanz erfährt. Es misst also die Proportionalität zwischen der Intensität des absorbierten Lichts und der Menge des absorbierenden Materials. Die Spektren zeigen Peaks unterschiedlicher Wellenlängen auf, die jeweils den in der Probe vorhandenen Bestandteilen entsprechen. Diese Technik kann sowohl für Moleküle in der Flüssig- oder Gasphase als auch für Atomdampf angewendet werden, der durch die thermische Zersetzung flüssiger oder fester Proben entsteht.

• Emissionsspektroskopie: Bei dieser Art von Spektrometern werden die Atome in der Probe einer Anregungsquelle ausgesetzt. In dem darauffolgenden Entregungsprozess, d. h. wenn sie wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren, geben sie eine für das zu analysierende Material charakteristische Strahlung ab.

• Raman-Spektroskopie: Sie untersucht die inelastische Streuung der einfallenden Strahlung (i. d. R. monochromatisches Licht) an den Molekülen der zu untersuchenden Materie. Anhand des Frequenzunterschieds zwischen der gestreuten Strahlung und der einfallenden Strahlung lassen sich die chemischen Bindungen dieser Moleküle identifizieren. Die Raman-Spektroskopie ist daher eine optimale Technik für die Strukturanalyse, in Ergänzung zur Infrarotspektroskopie und der Massenspektrometrie.

• Kernspinresonanzspektroskopie: Diese Technik wird auch NMR-Spektroskopie genannt (vom Engl. nuclear magnetic resonance). Sie beruht auf der Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und den Wechselwirkungen mit ihren Nachbaratomen. Bei der NMR wird der Energieübergang der kernmagnetischen Momente von Atomkernen der Probe vom niedrigsten zum höchsten Energieniveau induziert und nachgewiesen. Dazu werden die zu untersuchenden Atome in ein magnetisches Wechselfeld gebracht und einer Hochfrequenzstrahlung ausgesetzt. Die Messung der Resonanzfrequenz dieses Feldes ermöglicht dann die Analyse der Moleküle.

Massenspektrometrie

Massenspektrometer der Marke Thermo Scientific

Das Funktionsprinzip von Massenspektrometern beruht darauf, dass die zu untersuchenden Moleküle in die Gasphase überführt und anschließend ionisiert werden. Daraufhin werden die ionisierten Moleküle durch ein elektrisches Feld beschleunigt und von dem Analysator nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) aufgetrennt und sortiert. Folgendes kann mit Massenspektrometern bestimmt werden:

• Die Molekülmasse einer Verbindung
• Die Masse der Fragmente dieser Verbindung
• Die Menge der Materie

Die Spektrometrie umfasst eine Vielzahl von Anwendungen. In diesem Einkaufsführer konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die Bereiche Bioanalytik, Forschung, Pharmazeutik und Umweltanalytik.

• Bioanalytik: Die Massenspektrometrie stellt die bevorzugte Technik zur Analyse biologischer Proben dar. So werden Massenspektrometer z. B. zum Nachweis von Biomarkern in biologischen Flüssigkeiten eingesetzt.
• Forschung: Spektrometer werden insbesondere in der Molekularbiologie zur Analyse von genetischem Material eingesetzt.
• Pharmazeutik: Spektrometer werden zur Überprüfung der Zusammensetzung von Arzneimitteln und in erster Linie ihrer Wirkstoffe eingesetzt.
• Umweltanalytik: Mit Spektrometern lassen sich zahlreiche Stoffe wie Pestizide, flüchtige organische Verbindungen und aromatische Kohlenwasserstoffe nachweisen.

Atomabsorptionsspektrometer von Agilent

Je nach Art der Analyse und Anregungsmethode können verschiedene Arten unterschieden werden: Atomabsorption, Molekülabsorption und Infrarot.

Atomabsorptionsspektrometrie

Dieses Verfahren stellt eine bewährte Methode zur quantitativen und qualitativen Analyse chemischer Elemente auf atomarer Ebene dar. Es basiert auf der Schwächung bzw. Absorption von Strahlung durch Wechselwirkung mit freien Atomen. Im Allgemeinen erfordert es eine vorherige Atomisierung, d. h. Dissoziation der chemischen Verbindung in freie Atome. Diese Art der Absorptionsspektrometrie ist sehr effizient und findet daher ein breites Anwendungsspektrum. Sie ermöglicht hochpräzise Messungen, selbst wenn die chemische Zusammensetzung der Probe komplexer ist. Es handelt sich um eine Referenztechnik zur Analyse von Spurenelementen in zahlreichen unterschiedlichen Proben, einschließlich biologischer Proben. In der Medizin beispielsweise wird sie für die präzise Analyse von Blut- und Gewebeproben eingesetzt.

Es lassen sich zwei Arten der Atomabsorptionsspektrometrie unterscheiden:

• Atomabsorptionsspektrometrie (AAS): Anregung durch elektromagnetische Strahlung
• Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS): Anregung durch Röntgenstrahlung, ohne dass eine vorherige Atomisierung erforderlich ist

UV-Vis-Spektrometer von Spectronic Camspec

Molekülabsorptionsspektrometrie

Dieses Verfahren wird zur Analyse auf molekularer Ebene verwendet. Es ist die am weitesten verbreitete Technik für die qualitative und quantitative Analyse von Substanzen. Die emittierten Photonen liegen im UV/Vis-Spektralbereich, d. h. im Bereich des ultravioletten und sichtbaren (engl. visible) Lichts. Die Molekülabsorptionsspektrometrie hat den Vorteil, dass sie zerstörungsfrei, schnell und einfach durchzuführen ist. Jedoch ist sie nur auf Proben anwendbar, die nicht allzu komplex sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Breite der molekularen Absorptionsbanden nicht genau genug ist, um alle Komponenten eines komplexen Gemischs aufzuschlüsseln und spezifisch zu unterscheiden.

Entsprechend der Anregungsart gibt es:

• UV-Spektrometer: Die Wellenlängen der Photonen liegen im ultravioletten Bereich (100 nm – 400 nm).
• UV/Vis-Spektrometer : Die Wellenlängen der Photonen decken das gesamte Spektrum vom ultravioletten bis zum sichtbaren Bereich ab (100 nm – 750 nm).
• Vis-Spektrometer: Die Wellenlängen der Photonen liegen im sichtbaren Bereich (400 nm – 750 nm).

Infrarotspektroskopie

Infrarotspektrometer der Marke Bruker

Absorptionsspektren im Infrarotbereich ermöglichen es, die Art der chemischen Verbindungen zu bestimmen, aus denen ein Molekül besteht, und können somit zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen genutzt werden. Außerdem dienen sie der quantitativen Bestimmung bereits bekannter Substanzen, deren Identifikation anhand eines Referenzsspektrums erfolgt.

Die Infrarotspektroskopie ist ein gut geeignetes Verfahren, um Unklarheiten hinsichtlich der Struktur von Molekülen zu beseitigen. Wenn das Molekül jedoch viele Atome enthält, verliert es an Genauigkeit. Das Spektrum wird dann schnell zu komplex, um es zuverlässig interpretieren zu können, besonders wenn es sich um organische Verbindungen handelt. In diesen Fällen wird bevorzugt die Atomabsorptionsspektrometrie eingesetzt.

Emissionsspektrometer werden hauptsächlich für quantitative und qualitative Analysen auf atomarer Ebene eingesetzt. Hierfür wird die zu untersuchende Probe angeregt, sodass sie eine elementspezifische elektromagnetische Strahlung aussendet. Durch die quantitative Messung dieser von den angeregten Atomen ausgehenden Strahlung lässt sich die Konzentration der zu analysierenden Substanz bestimmen.

Emissionsspektrometer zeichnen sich durch mehrere spezifische Merkmale aus:

• Sehr breiter und dynamischer Messbereich
• Qualitative und quantitative Analyse mehrerer Elemente in einer einzigen Messung
• Hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit
• Hohe Geschwindigkeit
• Keine chemischen Interferenzen

Je nach Art der Anregung und Emission unterscheidet man zwischen der Fluoreszenzspektrometrie und der Atomemissionsspektrometrie:

Fluoreszenzspektrometrie

Fluoreszenzspektrometer von Edinburgh Instruments

Fluoreszenzemissionen treten auf, wenn Teilchen durch elektromagnetische Strahlung angeregt werden. Die emittierte Strahlung ist charakteristisch für das zu analysierende Teilchen. Diese Technik hat den großen Vorteil, dass sie sehr genau und spezifisch ist, wodurch sie sich besonders für die Messung niedrigster Konzentrationen eignet. Allerdings ist diese Technik komplexer als die Absorptionsspektrometrie.

Wenn die Anregung durch Röntgenstrahlung erfolgt, so spricht man von Röntgenfluoreszenz.

Atomemissionsspektrometrie (AES)

Bei diesem Verfahren werden die Atome thermisch angeregt, d. h. durch Erhitzung auf hohe Temperaturen. Die Anregung ist jedoch nicht selektiv, sondern erfolgt bei allen Teilchen der Probe gleichermaßen. Jede Emissionslinie entspricht einem Element, und das Emissionsspektrum ermöglicht die Identifizierung und Quantifizierung aller in der Probe vorhandenen Atome oder Moleküle.

Die Massenspektrometrie wird eingesetzt, um die Molekülmasse von Substanzen zu bestimmen und ihre Strukturdaten zu ermitteln.

Zur Durchführung einer Analyse per Massenspektrometrie muss die Probe verdampft und ionisiert werden. Das resultierende Molekül-Ion wird in Fragmente aufgespalten, die von einem Analysator nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) sortiert und anschließend von einem Detektor erfasst werden. Das Ergebnis ist ein Massenspektrum, das für die Zusammensetzung der Probe charakteristisch ist.

Es handelt sich um ein äußerst empfindliches Nachweis- und Identifizierungsverfahren,  das u. a. bevorzugt für die Proteinanalyse eingesetzt wird.

Dies sind die Vorteile und Besonderheiten der Massenspektrometrie:

• Sehr breites Anwendungsspektrum, das von der Analyse äußerst kleiner Moleküle (Molekülmasse < 2.000 Da) bis zu Makromolekülen (Molekülmasse > 100.000 Da) reicht.
• Hohe Präzision, dank der die Molekülmasse bis auf ein Dalton genau bestimmt werden kann.
• Mögliche Kombinierung mit anderen Analysetechniken (z. B. der Chromatographie), um eine noch höhere Präzision zu erzielen.