UV/VIS-Spektroskopie

UV/VIS-Spektroskopie beruht auf Messung der Extinktion von sichtbarem und ultraviolettem Licht durch eine Probe. Die spektrale, d. h. wellenlängenabhängige, Information kann entweder durch Selektion und Scannen der Wellenlänge des einfallenden Lichts vor der Probe (siehe unten, Zweistrahl-Spektrometer) oder durch Trennen der Wellenlängen des transmittierten Lichts nach der Probe (siehe unten, Diodenarray-Spektrometer) gewonnen werden. Das Verhältnis der spektralen Intensität des transmittierten und des einfallenden Lichts liefert das Transmissionspektrum. Der logarithmische Kehrwert der Transmission ergibt das Extinktionsspektrum.

Grundsätzlich liefert die Extinktion Informationen über die Absorption, Streuung, Beugung und Reflexion an und in der Probe. Häufig werden in der UV/VIS-Spektroskopie Erscheinungen der Strahlungsabsorption ausgewertet, da die Photonenenergie des sichtbaren und ultravioletten Lichts der Übergangsenergie der Zustände von äußeren Elektronen vieler Atome und Moleküle entspricht. Durch Absorption von Photonen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich können Valenzelektronen (beispielsweise die der p- und d-Orbitale) angeregt werden, das heißt, in einen Zustand höherer Energie übergehen. Das Transmissions- oder Extinktionsspektrum erlaubt daher die Identifikation und quantitative Bestimmung von Analyten.

Um ein Elektron beispielsweise von einem besetzten (HOMO) auf ein unbesetztes, höheres Orbital (LUMO) anzuheben, muss die Energie des absorbierten Photons genau der Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus entsprechen. Über den Zusammenhang

${\displaystyle \Delta E=h\cdot f={\frac {h\cdot c}{\lambda }}}$

kann die Wellenlänge des absorbierten Lichtes für die aufzuwendende Energie berechnet werden, wobei ${\displaystyle E}$ die Energie, ${\displaystyle h}$ das plancksche Wirkungsquantum, ${\displaystyle c}$ die Lichtgeschwindigkeit, ${\displaystyle f}$ die Frequenz und ${\displaystyle \lambda }$ die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle sind. Dieser Zusammenhang wird manchmal auch als Einstein-Bohr-Gleichung bezeichnet.[4] Näherungsweise lässt sich dieser Zusammenhang in Form einer zugeschnittenen Größengleichung vereinfacht darstellen:

${\displaystyle \Delta E=h\cdot f={\frac {h\cdot c}{\lambda }}\approx {\frac {1239{,}8\,\mathrm {eV} }{\frac {\lambda }{\mathrm {nm} }}}}$

Stoffe, die nur im UV-Bereich (${\displaystyle {\lambda }}$ < 400 nm) absorbieren, erscheinen dem menschlichen Auge farblos. Einen Stoff nennt man dann farbig, wenn er Strahlung im Bereich des sichtbaren Spektrums absorbiert. Dies ist sowohl bei Verbindungen zu erwarten, die über niedrige Anregungsenergien verfügen (π-zu-π^*-Übergänge, konjugierten π-Elektronensystemen wie beispielsweise bei den Polyenen), als auch bei anorganischen Ionenkomplexen mit unvollständig aufgefüllten Elektronenniveaus (Beispiel: Cu²⁺-Verbindungen (meist bläulich – grünlich) gegenüber farblosen Cu⁺-Verbindungen). Ebenfalls erscheinen Verbindungen farbig, wenn stark polarisierende Wechselwirkungen zwischen benachbarten Teilchen bestehen, wie es z. B. beim gelben AgI der Fall ist. Bei nur einem Absorptionsgebiet nimmt das Auge die zur absorbierten Strahlung komplementäre Farbe wahr.[5]

Die Stärke der UV/VIS-Absorption einer Substanz ist für die Interpretation des Spektrums relevant. Die Extinktion ${\displaystyle E_{\lambda }}$ (Absorbanz des Materials für Licht der Wellenlänge ${\displaystyle \lambda }$) ist gegeben durch das Lambert-Beer’sche Gesetz:

${\displaystyle E_{\lambda }=\log _{10}\left({\frac {I_{0}}{I_{1}}}\right)=\varepsilon \cdot c\cdot d}$

${\displaystyle d}$ ist die Schichtdicke des durchstrahlten Körpers (Einheit: m). Hierbei ist ${\displaystyle \varepsilon }$ der dekadischer Extinktionskoeffizient (oft auch als spektraler Absorptionskoeffizient bezeichnet), welcher eine wellenlängenabhängige Stoffkonstante ist. Er wird in der Einheit ${\displaystyle {\mathsf {M^{-1}cm^{-1}}}}$ bzw. ${\displaystyle {\mathsf {Lmol^{-1}cm^{-1}}}}$ angegeben. Als Ordinatengröße für UV/VIS-Spektren wird ${\displaystyle \varepsilon }$ bzw. ${\displaystyle \log \varepsilon }$, wenn sich der ${\displaystyle \varepsilon }$-Wert im Spektrum über mehrere Zehnerpotenzen ändert, häufig verwendet.[2]

UV/VIS-Spektrum eines Chrom(III)-Komplexes

Die UV/VIS-Spektroskopie wird in der analytischen Chemie routinemäßig zur quantitativen Bestimmung verschiedener Analyten oder Proben eingesetzt, z. B. von Übergangsmetallionen, stark konjugierten organischen Verbindungen und biologischen Makromolekülen. Spektroskopische Analysen werden in der Regel in Lösungen durchgeführt, aber auch Feststoffe und Gase können untersucht werden.

Spektrometer für Messungen zwischen 200 und 1100 nm

Die Lichtquelle strahlt ultraviolettes, sichtbares und nahinfrarotes Licht im Wellenlängenbereich von etwa 200 nm bis 1100 nm aus. Im Monochromator wird zunächst die zur Messung ausgewählte Wellenlänge selektiert, worauf der Lichtstrahl auf den Sektorspiegel fällt. Der Sektorspiegel lässt das Licht abwechselnd durch die Messlösung und durch die Vergleichslösung fallen. Beide Lösungen befinden sich in sogenannten Küvetten. Die zwei Lichtstrahlen werden im Detektor empfangen und die Intensitäten im Verstärker verglichen. Der Verstärker passt dann die Intensität des Lichtstrahls aus der Vergleichslösung durch Einfahren der Kammblende der Intensität des Lichtstrahls aus der Messlösung an. Diese Bewegung wird auf einen Schreiber übertragen oder die Messwerte an eine Datenverarbeitung weitergegeben.

Schematischer Aufbau eines Zweistrahl-UV/Vis-Spektrometers

Zunehmend werden küvettenfreie UV/VIS-Spektrometer zur Konzentrationsbestimmung kleiner Probevolumina (unter 2 Mikroliter) von Proben höherer Konzentrationen eingesetzt.[7][8][9] Sogenannte Nanophotometer arbeiten mit Schichtdicken in Bereichen von 0,04 mm bis 2 mm. Sie benötigen keine Küvetten, keine Verdünnungen und können Proben mit einem Volumen von nur 0,3 µl analysieren (bei kleinster Schichtdicke), besitzen jedoch aufgrund der geringen Schichtdicke eine höhere Nachweisgrenze. Eine bewährte Technik basiert auf einer Kompression der Probe, welche somit unabhängig von der Oberflächenspannung und Verdunstung der Probe ist. Diese Methode findet Verwendung bei der Analyse von Nukleinsäuren (DNA, RNA, Oligonucleotide) und Proteinen (UV-Absorption bei 280 nm). Nach dem Lambert-Beer’schen Gesetz besteht ein Zusammenhang zwischen Absorption und Schichtdicke. Die Absorptionswerte bei den verschiedenen Schichtdicken (0,04 mm bis 2 mm) können somit berechnet werden. Geringe Schichtdicken wirken wie eine virtuelle Verdünnung der Probe, können jedoch nur bei entsprechend höheren Konzentrationen eingesetzt werden. Oftmals kann daher auf eine manuelle Verdünnung der Probe ganz verzichtet werden.

Funktionsprinzip eines Diodenarray-Spektrometers

Kompaktes Diodenarray-UV/VIS-Spektrometer

Eine weitere Technologie ist die Diodenarray-Technologie[10]. Die Probe in der Küvette wird mit einem Lichtstrahl bestrahlt, bestehend aus dem kontinuierlichen Wellenlängenbereich der Lichtquelle (z. B. Xenonblitzlichtlampe, 190 nm bis 1100 nm). Die Probe absorbiert bei einer Messung unterschiedliche Wellenlängen der Lichtquelle. Nicht absorbiertes Licht gelangt durch den Eintrittsspalt und wird an einem Beugungsgitter nach seiner Wellenlänge aufgespalten. Das Spektrum wird mithilfe eines CCD-Sensors detektiert und anschließend ausgewertet. Bei nicht automatisierten Geräten muss die Referenzprobe zusätzlich gemessen werden. Vorteile der Technologie sind kurze Messzeiten, da das gesamte UV/VIS-Spektrum mit einer Messung aufgenommen werden kann, ein niedriger Wartungsaufwand, da keine beweglichen Bauteile im Spektrometer vorhanden sind und dass die Geräte kompakt konstruiert werden können.

Bei der UV/VIS-Spektroskopie handelt es sich um eine Elektronenspektroskopie, das heißt, es werden Elektronen angeregt, genauer Valenzelektronen. Die Elektronenübergänge, die dabei auftreten können, lassen sich mit Hilfe der beteiligten Molekülorbitale bestimmen. Nach dem MO-Schema spalten sich die Orbitale bei Überlappung in besetzte bindende (σ, π) und nicht bindende Orbitale (n), sowie in nichtbesetzte antibindende Orbitale (π*, σ*) auf. In der Regel befinden sich alle Elektronen im bindenden Orbital und das antibindende Orbital bleibt leer. Werden Elektronen angeregt, wechseln sie in das antibindende Orbital. Man unterscheidet daher folgende Elektronenübergänge, die mit σ→σ*, π→π*, n→π* usw. bezeichnet werden. σ-Orbitale liefern eine wesentlich größere Aufspaltung als π-Orbitale, da die Energieaufspaltung zwischen dem bindenden und dem antibindenden Orbital mit dem Grad der Überlappung der Atomorbitale zunimmt.[11]

schematische Darstellung von Molekülorbitalen und Elektronenübergängen

Die für die Absorption verantwortlichen Molekülbestandteile werden als Chromophore (griechisch: farbtragend) bezeichnet.[12]

Absorptionsbereiche verschiedener Elektronenübergänge

Elektronenabsorption organischer Verbindungen

Organische Verbindungen, insbesondere solche mit hohem Konjugationsgrad, absorbieren auch Licht im UV- oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Verbindungen mit einem σ→σ*-Übergang sind z. B. Alkane wie Hexan, Cyclohexan und Heptan; mit einem n→σ*-Übergang sind z. B. aliphatische Verbindungen mit Heteroatomen (Alkohole); mit einem π→π*-Übergang sind z. B. Alkene und Alkine; mit einem n→π*-Übergang sind z. B. Verbindungen mit mesomeren Strukturelementen (Carbonylgruppe, Nitrogruppe, Nitrilgruppe). Die π-zu-π^*-Übergänge erfolgen über längerwelliges UV-Licht und sind einfach zu messen. Man erhält Informationen über die absorbierende Wellenlänge des Moleküls, die Struktur und Farbe. Dabei erfolgt die Lichtabsorption im umso längerwelligen Bereich, je größer die Anzahl der konjugierten Doppelbindungen ist.[13] Mit Hilfe der Woodward-Fieser-Regel kann die Lage des Absorptionsmaximums des π→π*-Übergangs (${\displaystyle \lambda _{\mathsf {max}}}$ in nm) abgeschätzt werden. Liegt die Energie der π-zu-π^*-Übergänge im Bereich des sichtbaren Lichts, so erscheint das Molekül farbig. Dabei nimmt es immer die Komplementärfarbe des absorbierten Lichts an. Beispiele für UV/VIS-absorbierende Chemikalien sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Chromophore, ihre Elektronenübergänge und Absorptionen[14]

Beispiel	Chromophor	Übergang	${\displaystyle \lambda _{\mathsf {max}}}$ / nm	${\displaystyle \varepsilon _{\mathsf {max}}}$ / ${\displaystyle {\mathsf {M^{-1}cm^{-1}}}}$
${\displaystyle {\ce {CH4}}}$	${\displaystyle {\ce {C-H}}}$	σ → σ*	122	intensiv
${\displaystyle {\ce {CH3-CH3}}}$	${\displaystyle {\ce {C-C}}}$	σ → σ*	135	intensiv
${\displaystyle {\ce {CH3-OH}}}$	${\displaystyle {\ce {C-O}}}$	n → σ*	177	200
${\displaystyle {\ce {C2H5-NH2}}}$	${\displaystyle {\ce {C-N}}}$	n → σ*	193	2500
${\displaystyle {\ce {CH2=CH2}}}$	${\displaystyle {\ce {C=C}}}$	π → π*	162	15000
${\displaystyle {\ce {(CH3)2C=C(CH3)2}}}$	${\displaystyle {\ce {C=C}}}$	π → π*	197	11000
${\displaystyle {\ce {(CH3)2C=O}}}$	${\displaystyle {\ce {C=O}}}$	n → π*	279	15
${\displaystyle {\ce {CH3COOH}}}$	${\displaystyle {\ce {C=O}}}$	n → π*	200	50

Die für diese UV/VIS-Messungen verwendeten Lösungsmittel sind häufig Wasser für wasserlösliche Verbindungen oder Ethanol für organisch lösliche Verbindungen. Nur bei Messungen im gasförmigen Zustand gibt es keinen Einfluss durch die Umgebung, aber in gelöster Form (kondensierte Phase) sind veränderte Spektren aufgrund von Lösungsmitteleffekten sichtbar. Organische Lösungsmittel können eine beträchtliche UV-Absorption aufweisen. Daher sind nicht alle Lösungsmittel für die UV/VIS-Spektroskopie geeignet. Ethanol absorbiert bei den meisten Wellenlängen sehr schwach. Die Polarität des Lösungsmittels und der pH-Wert können das Absorptionsspektrum einer organischen Verbindung beeinflussen.[1] So zeigt der Reichardt-Farbstoff in Wasser ein Absorptionsmaximum bei 453 nm, in Ethanol bei 550 nm und in Diphenylether bei 810 nm.[3]

Ein UV/VIS-Spektrum enthält keine scharfen Linien (wie das Linienspektrum eines Atoms), sondern breite Banden. Moleküle haben Bandenspektren. Banden bestehen aus vielen eng benachbarten Spektrallinien. Ein UV/VIS-Spektrum ist durch die Lage und Intensität der Absorptionsbande gekennzeichnet. Die Abszissengröße (x-Achse) des Spektrums ist meist die Wellenlänge ${\displaystyle \lambda }$ in nm oder die Wellenzahl ${\displaystyle {\tilde {\nu }}}$ in cm^-1, die beschreiben, in welchem Bereich des elektromagnetischen Spektrums absorbiert wird. Als Ordinatengröße (y-Achse) wird meist der dekadische Extinktionskoeffizient ${\displaystyle \varepsilon }$ bzw. ${\displaystyle \log \varepsilon }$ in M^-1cm^-1 verwendet. Dieser beschreibt die Stärke der Absorption.

Vanillinsäure UV/VIS-Spektrum

Orientierung zur Auswertung von UV/VIS‐Spektren

In Kombination mit anderen spektroskopischen Untersuchungsmethoden (IR-Spektroskopie, NMR-Spektroskopie bspw. ¹H-NMR) kann die UV/VIS-Spektroskopie eine dienliche Methode zur qualitativen Analyse und Strukturbestimmung sein.[11] Das UV/VIS-Spektrum gibt Auskunft über die Art des Chromophors.[6] Diese Spektren dienen somit lediglich dazu, Vermutungen über die Struktur der gesuchten Substanz zu bestätigen oder einzuschränken. Innerhalb einer „Stofffamilie“ treten oft typische Absorptionen auf, die bei Vorliegen bestimmter Strukturen eine einfache Identifizierung ermöglichen.[6] Es ist nicht möglich, aus einem UV/VIS-Spektrum ohne weitere Informationen auf die Molekülstruktur zu schließen.[6]

Eine wertvolle Hilfe bei der qualitativen Interpretation von Spektren sind die Strukturaufklärungstabellen für organische Verbindungen, die in verschiedenen Büchern zu finden sind.

Intensität der Absorptionsbande[6]

Intensität	${\displaystyle \varepsilon _{\mathsf {max}}}$ / ${\displaystyle {\mathsf {M^{-1}cm^{-1}}}}$	Übergang	Chromophor
schwach	10–100	n → π*	${\displaystyle {\ce {C=O}}}$ in Ketonen (ca. 260 nm)
mittel	1000–10000	π → π*	Aromaten
stark	10000–20000	n → π* π → π*	einfach konjugierte Systeme: Diene, α, β-ungesättigte Ketone, substituierte Aromaten
sehr stark	>20000	n → π* π → π*	mehrfach konjugierte Systeme, substituierte Aromate

• Isosbestischer Punkt

• Verzeichnis der ETH Zürich von Datenbanken und Nachschlagewerken mit UV/VIS-Spektren
• White paper von Mettler-Toledo: UV/VIS-Spektrometer im Vergleich: Diodenarray- versus Scan-Technologie

1. Manfred Reichenbächer, Jürgen Popp: Strukturanalytik organischer und anorganischer Verbindungen: Ein Übungsbuch. Springer Science & Business Media, 2007, ISBN 978-3-8351-0190-6, S. 119 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
2. Wolfgang Bechmann, Ilko Bald: Einstieg in die Physikalische Chemie für Naturwissenschaftler. doi:10.1007/978-3-662-55858-4 (springer.com [abgerufen am 13. April 2023]).
3. Martin Badertscher: ANALYTISCHE CHEMIE für Biologen und Pharmazeuten. 2011, abgerufen am 18. April 2023.
4. Christopher G. Morris, Academic Press: Academic Press dictionary of science and technology. Gulf Professional Publishing, 1992, ISBN 0-12-200400-0, S. 716 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
5. Autorenkollektiv, federführende Autoren: K. Doernel, R. Geyer: Analytikum – Methoden der analytischen Chemie und ihre theoretischen Grundlagen. 8. Auflage. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990, ISBN 3-342-00191-7, S. 259 ff.
6. P. Wörfel, M. Bitzer, U. Claus, H. Felber, M. Hübel, B. Vollenweider: Laborpraxis. Springer Basel AG, 1990, doi:10.1007/978-3-0348-6162-5 (springer.com [abgerufen am 14. April 2023]).
7. H. Stranneheim, J. Lundeberg: Stepping stones in DNA sequencing. In: Biotechnology journal. Band 7, Nummer 9, September 2012, ISSN 1860-7314, S. 1063–1073, doi:10.1002/biot.201200153, PMID 22887891, PMC 3472021 (freier Volltext).
8. P. O. Michel, C. Degen, M. Hubert, L. Baldi, D. L. Hacker, F. M. Wurm: A NanoDrop-based method for rapid determination of viability decline in suspension cultures of animal cells. In: Analytical biochemistry. Band 430, Nummer 2, November 2012, ISSN 1096-0309, S. 138–140, doi:10.1016/j.ab.2012.08.028, PMID 22960013.
9. M. T. Kelliher, M. S. Piraino, M. E. Gemoules, C. A. Southern: A comparison of Förster resonance energy transfer analysis approaches for Nanodrop fluorometry. In: Analytical biochemistry. Band 441, Nummer 1, Oktober 2013, ISSN 1096-0309, S. 44–50, doi:10.1016/j.ab.2013.06.009, PMID 23811157.
10. Tony Owen: Fundamentals of Modern UV-Visible Spectroscopy: A Primer. 1996, OCLC 918510068.
11. Stefan Bienz, Laurent Bigler, Thomas Fox, Herbert Meier: Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie. 9. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2016, ISBN 978-3-13-576109-1, doi:10.1055/b-004-129729 (thieme.de [abgerufen am 13. April 2023]).
12. Roland Winter, Frank Noll: Methoden der Biophysikalischen Chemie. Vieweg+Teubner Verlag Wiesbaden, 1998, doi:10.1007/978-3-663-05794-9 (springer.com [abgerufen am 14. April 2023]).
13. Joseph B. Lambert, Scott Gronert, Herbert F. Shurvell, David A. Lightner: Spektroskopie – Strukturaufklärung in der Organischen Chemie 2. Auflage, Pearson Deutschland, München 2012, ISBN 978-3-86894-146-3, S. 591–653.
14. Ernö Pretsch, Philippe Bühlmann, Martin Badertscher: Spektroskopische Daten zur Strukturaufklärung organischer Verbindungen. doi:10.1007/978-3-540-76866-1 (springer.com [abgerufen am 13. April 2023]).
15. E Hawe, C Fitzpatrick, P Chambers, E Lewis: An investigation into the use of an integrating sphere as a gas absorption cell. In: Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. Band 9, Nr. 6, 1. Juni 2007, ISSN 1464-4258, S. S12–S18, doi:10.1088/1464-4258/9/6/S03 (iop.org [abgerufen am 14. April 2023]).
16. Birgit Weber: Koordinationschemie. doi:10.1007/978-3-662-63819-4 (springer.com [abgerufen am 13. April 2023]).
17. Manfred Reichenbächer, Jürgen Popp: Strukturanalytik organischer und anorganischer Verbindungen. Vieweg+Teubner Verlag Wiesbaden, 2007, doi:10.1007/978-3-8351-9204-1 (springer.com [abgerufen am 14. April 2023]).
18. Koordinationschemie. Ludwig-Maximilians-Universität München, abgerufen am 13. April 2023.