Das klassische IR- Spektrometer
Als erste soll zum allgemeinen Verständnis der klassische Aufbau eines IR-Spektrometers behandelt werden. Wichtig ist hierbei vor allem die Tatsache, das alle verwendeten optischen Bauelemente selbstverständlich für die benötigte infrarote Strahlung durchlässig sein müssen.
In der Abbildung oben ist das Blockschema eines so genannten Zweistrahlgerätes dargestellt. Bei einem Zweistrahlgerät werden normalerweise die zum messende Probe und eine Vergleichsprobe vermessen und das Spekrum der Vergleichsprobe (die exakt die gleiche Zusammensetzung wie die Probe bis auf die Probensubstanz hat) wird dabei vom Spektrum der eigentlichen Probe abgezogen. Dieser Vorgang findet im Photometer statt (das Verfahren dazu ist als optischer Nullabgleich bekannt und soll hier nicht näher beschrieben werden). Auf diese Weise wird in einem Schritt der gesamte spektrale Hintergrund im Meßergebniss ausgeblendet. Im Unterschied dazu müssen bei einem Einstrahlgerät Probe und Vergleichsprobe möglichst zeitnah nacheinander vermessen und dann mittels Computer voneinander abgezogen werden.
Der Monochromator (oder allgemein das dispergierende System) zerlegt nun die elektromagnetische Strahlung in die einzelnen Wellenlängen des zu beobachtenden Bereiches, welche dann von einem geeigneten Detektor aufgezeichnet werden. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die in der Infrarotspektroskopie gebräuchlichen Bauteile:
| Bereich | Lichtquelle | Monochromator | Detektor |
|---|---|---|---|
| Fernes IR | Nernst-Stift; Globar; Hg-Brenner | CsI-Prisma; Gitter | Thermoelement; Golay-Zelle; Bolometer |
| Mittleres IR | Nernst-Stift; Globar; Keramikstäbchen mit Heizwendel | CsBr-, Kbr-, NaCl-,LiF-Prisma; Gitter | Thermoelement; Golay-Zelle; Bolometer |
| Nahes IR | Glühlampe; Wolframbandlampe | Quarz-Prisma; Glas-Prisma; Gitter | PbS-Zelle; Se-Zelle; Photoplatte |
Ein Globar ist ein Siliziumcarbidstab, der Nernststift besteht aus Zirkonoxid und seltenen Erden.
Fourier-Transform IR-Spektroskopie
Die im vorigen Abschnitt dargestellte „klassische“ IR-Spektroskopie ist heute weitestgehend durch die sehr viel schneller FT-IR Spektroskopie abgelöst worden. Während bei der „klassischen“ IR- Spektroskopie die Wellenlänge einzeln durchgemessen werden, kann man bei der FT-IR Technik praktisch den gesamten interessierende IR- Bereich in einem Rutsch vermessen. Die gerätetechnische Grundlage für die FT-IR Spektroskopie bildet das Michelson- Interferometer, dessen prinzipieller Aufbau in der folgenden Abbildung wiedergegeben ist:
Das Funktionsprinzip des Michelson-Interferometers kann man sich am besten mit monochromatischer Strahlung veranschaulichen. Die Lichtquelle emittiert als erstes natürlich die entsprechende Strahlung (in diesem Modellfall ist die Strahlung monochromatisch). Diese trifft anschließend auf einen halbdurchlässigen Spiegel. Ein Teil der Strahlung wird dabei auf einen starren Spiegel gelenkt, der Rest passiert den halbdurchlässigen Spiegel und trifft auf einen beweglichen Spiegel. Sowohl vom starren als auch vom beweglichen Spiegel wird die Strahlung reflektiert und vom halbdurchlässigen Spiegel Richtung Detektor gelenkt. Dabei werden die beiden Teilstrahlen wieder zusammen geführt. Je nach Stellung des beweglichen Spiegels kommt es dabei nun zu Interferenzen. Sind die beiden Strahlen in gleicher Phase (sprich beide Spiegel gleichweit vom halbdurchlässigen Spiegel entfernt), so kommt es zu einer Verstärkung durch Überlagerung. Bewegt sich nun der Spiegel, so nimmt diese Verstärkung ab und erreicht bei einer Phasendifferenz von 90° völlige Auslöschung. Dies entspricht einem Weglängenunterschied von λ/4 für beide Spiegel! Für den Fall polychromatischer Strahlung (wie das im realen FT-IR Spektrometer der Fall ist) werden die Verhältnisse komplexer! Sind beide Spiegel gleichweit vom halbdurchlässigen Spiegel entfernt, so erhält man konstruktive Interferenz für alle Frequenzen und damit ein maximales Signal am Detektor. Bewegt man nun den beweglichen Spiegel gleichmäßig von dieser Position weg, so dämpft man das Signal entsprechend. Wichtig ist die Tatsache, das man durch die Bewegung des beweglichen Spiegels ein zeitabhängiges Signal am Detektor bekommt. Dieses Zeitabhängige Signal, welches durch Überlagerung periodischer Signale entsteht, kann nun mittels Fouriertransformation in ein frequenzabhängiges Signal umgewandelt werden. Führt man nun noch eine Probe in den Strahlengang ein ( zum Beispiel zwischen halbdurchlässigen Spiegel und Detektor), dann findet entsprechend den Eigenschaften der Probe Absorption statt und man erhält nach der Fouriertransformation das IR-Spektrum der Verbindung. Es wird bei den Geräten noch zusätzlich mit Hilfe eines Lasers, der ja kohärente Strahlung definierter Wellenlänge aussendet, zu jeder Zeit der Messung die genaue Position des beweglichen Spiegels bestimmt. Das Laserlicht liegt dabei im Allgemeinen im Bereich des sichtbaren Lichtes und hat demzufolge auf das Absorptionsverhalten der Probe im infraroten Bereich keinerlei Einfluss.
