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2.6 Fluorimetrie und Phosphorimetrie
AES: Thermische Anregung der Atome
Fluorimetrie: Anregung der Atome oder Moleküle durch Strahlungsabsorption. (Linienstrahler: HKL, Laser; Kontinuumstrahler: Xe- oder Hg(Xe)-Hochdrucklampe)
Proben: gasförmig (z.B. Atome im Plasma) flüssig (z.B. Moleküle in Lösung) fest
2.6.0 Atom-Fluoreszenz-Spektrometrie AFS
Im Unterschied zur AES erfolgt bei der Atom-Fluoreszenz-Spektrometrie AFS die Anregung der Atome optisch mit Hilfe von:
- HKL (schmalbandige Einstrahlung und Absorption elementspezifischer Wellenlängen)
- Xenonhochdrucklampe (spektral gefilterter Kontinuumstrahler)
- Laser (z.B. auf eine Absorptionswellenlänge abgestimmte Farbstofflaser)
Messprinzip eines AF-Spektrometers
- Probe wird in heißer Flamme (ICP) atomisiert. Die Atome befinden sich in der Flamme überwiegend im Grundzustand (Boltzmannfaktor).
- Resonanzabsorption der schmalbandigen Anregungsstrahlung entsprechend hf = W Absorption , d.h. die Anregungswellenlänge wird auf einen Absorptionsübergang abgestimmt.
- Unter Emission der Anregungsenergie oder Teilen davon in Form von Fluoreszenzlicht kehren die Atome in den Grundzustand oder einen niedrigeren Anregungszustand zurück.
- Die Wellenlänge des emittierten Fluoreszenzlichtes ist charakteristisch für die Atomsorte und wird mit Hilfe eines Filters bzw. Monochromators isoliert und mit einem geeigneten Detektor gemessen.
- Der Monochromator beseitigt dabei störende Fluoreszenz bei anderen Wellenlängen.
- Um die störende Eigenemission der Flamme zu eliminieren, moduliert man die Anregungsstrahlung. Damit wird vom Detektor nur das Fluoreszenzlicht registriert, das durch die Anregungsstrahlung hervorgerufen wird (Lock-In-Verstärker).
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Arten der Atomfluoreszenz
Man unterscheidet verschiedene Arten von Atomfluoreszenz:
- Resonanzfluoreszenz (Fluoreszenzstrahlung besitzt die gleiche Wellenlänge wie die absorbierte Strahlung)
- Thermisch unterstützte Resonanzfluoreszenz
- Direktlinienfluoreszenz (Fluoreszenz bei größeren Wellenlängen, als es der absorbierten Strahlung entspricht). Beispiel: Thallium Anregungswellenlänge 377,6 nm; Fluoreszenz 535,0 nm in metastabilen Zustand
- Stufenweise Fluoreszenz (Das in einen höheren Zustand angeregte Atom geht zunächst durch Deaktivierung in den ersten angeregten Zustand über). Beispiel: Natrium Anregungswellenlänge 330,3 nm (3^2 S1/2 42 P3/2 ); Fluoreszenz 589,0 nm (3^2 P3/2 32 S1/2 )
- Thermisch unterstützte Anti-Stokes-Fluoreszenz
- Thermisch unterstützte Direktlinien-Fluoreszenz
- Thermisch unterstützte stufenweise Anti-Stokes-Fluoreszenz
Bedeutung der AFS
- AFS ist eine Emissionsmethode hoher Dynamikbereich bis zu 5 Zehnerpotenzen. Daher: Erweiterung des Arbeitsbereichs z.B. bei der Quecksilberbestimmung mit Kaltdampf-AAS durch die Kaltdampf-AFS.
- Die strengsten Normen für die Quecksilberbestimmung in den USA und Europa basieren auf der Methode der Atomfluoreszenz.
- Für die USA wurde mit der EPA Methode 1631 „Mercury in Water by Oxidation, and Cold Vapor Atomic Fluorescene Spectrometry” eine Bestimmungsgrenze von 0,5 ng/l bei einer Nachweisgrenze von 0,2 ng/l festgeschrieben.
- Für Europa gilt die CEN TC 230, die auf Trinkwasser, Oberflächenwasser, Grund- und Regenwasser anwendbar ist. Der Arbeitsbereich hier liegt von 1 ng/l bis 100 ng/l und die dazugehörige Verfahrensnachweisgrenze bei < 1 ng/l..
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Entstehung des Fluoreszenzsignals (nach Franck-Condon-Prinzip)
Kasha-Regel :
Fluoreszenz geht nur vom relaxierten (= schwingunslosen) S 1 - Zustand aus.
Ungefähre Spiegelsymmetrie zwischen Absorptionsspektrum (Anregung) und Fluoreszenzspektrum (Emission)
Ursache: Franck-Condon Prinzip, Schwingungsrelaxation im ps-Bereich, Fluoreszenz im ns-Bereich
Potentialdiagramm, Franck-Condon Prinzip
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Prozesse bei der Photolumineszenz (Übersicht nach Jablonskischema)
- Absorption A (S 0 Sn )
- Fluoreszenz (S 1 S 0 )
- Phosphoreszenz P (T 1 S 0 strahlend))
- Interne Conversion IC (S 1 S 0 )
- Intersystem Crossing ISC (S 1 T 1 )
- Vibronische Relaxation R , VR (Schwingungsrelaxation
Fluoreszenzfähigkeit und Molekülstruktur
Konkurrenzprozesse: IC zum Grundzustand und ISC zum Triplettzustand. Folglich ist die Fluoreszenzquantenausbeute groß, wenn Konkurrenzprozesse vergleichsweise langsam sind.
Starke Fluoreszenz: Starrer Molekülbau mit großen mesomeren Systemen und Doppelbindungen (kleine IC-Raten): Aromaten, kondensierte Aromaten, Heterocyclen, Carbonylverbindungen
Keine Fluoreszenz: Flexible Moleküle (sehr schnelle IC-Raten): Halogensubstituierte Substanzen (Jod) haben meist hohe ISC-Raten. Beispiel: Chininsulfat fluoresziert, Chininhydrochlorid fluoresziert nicht
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Messgeometrie:
a) Beobachtung unter 90° bei schwach absorbierenden Proben. Zusätzlich kann noch ein Hohlspiegel hinter der Probe angebracht werden.
b) Beobachtung in Re-Emission (z.B. 30°/60°) bei stark absorbierenden oder trüben Proben, sowie bei Feststoffen. Bei einem Einfallswinkel von 53° tritt kein störender Reflex auf (Brewster-Winkel für n H2O = 1,33).
Zwei unterschiedliche Messmodi
(Zunächst wird meist das Absorptions- spektrum gemessen.)
Anregungsspektrum Emissionsmonochromator: steht fest auf E
Emissionsintensität wird als Funktion der Anregungswellenlänge A registriert: A < E
Emissions/Fluoreszenzspektrum Anregungsmonochromator: steht fest auf A Emissionsintensität wird als Funktion der Emissionswellenlänge E registriert: E > A
Wichtig: Fluoreszenzanregungsspektrum gleicht dem Absorptionsspektrum unter folgenden Bedingungen:
- Absorption der Probe muss hinreichend klein sein ( A < 0,01), damit die Zahl der absorbierten Quanten proportional zur Absorption ist.
- Die Fluoreszenzquantenausbeute ist unabhängig von der Anregungswellenlänge (meist erfüllt).
- Es sind keine absorbierenden Verunreinigungen vorhanden, die zur Fluoreszenz der Substanz beitragen! Wichtiges Reinheitskriterium! Anregungs- und Emissions- spektrum von Anthrazen
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Lösungsmittel
- Ethanol, Isopropanol, Acetonitril, Wasser, Dioxan, Aceton, Cyklohexan, Pentan
- hohe Reinheitsanforderungen: keine Eigenabsorption, keine Eigenfluoreszenz.
Störungen :
- Quencheffekte (Fluoreszenzlöschung): z.B. gelöster Luftsauerstoff, polare Lösungsmittel oder Matrixbestandteile
- Selbstabsorption bei zu hoher Konzentration (keine Linearität von Fluoreszenz und Konzentration).
- spektrale Verschiebungen und Änderungen in der Fluoreszenzausbeute (besonders in polaren Lösungsmitteln und bei Änderung des ph-Wertes)
Vorteile der Fluoreszenzmessung
- "Null-Methode" Nachweisempfindlichkeit bis in den ppb-Bereich
- hohe Selektivität und Spezifität (besser als bei Absorptionsmessung): Differenzierung bezüglich Anregung und Emissionswellenlänge möglich.
- hohe Selektivität: wenige Substanzen zeigen Fluoreszenz Messung auch in Gegenwart anderer (nichtfluoreszierender) Stoffe
Quantenausbeute der Fluoreszenz und Phosphoreszenz für einige wichtige Verbindungen
F Fluoreszenzquantenau sbeute
P Phosphoreszenzquante nausbeute
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Fluorimetrische und phosphorimetrische Nachweisgrenzen
Verbindung Nachweisgrenze in μg/L
Fluorimetrie
- Aromatische Kohlenwasserstoffe Benzo[a]pyren Benzo [ghi]perylen Dibenz[a, c]anthracen 20 -Methyl-cholanthren
2 Aminosäuren Phenylalanin Tryptophan Tyrosin
- Alkaloide Cocain Strychnin Reserpin Chinin Tetrahydrocannibino
- Vitamine Folsäure Riboflavin Vitamin-A-Acetat
Phosphorimetrie
- Aromatische Kohlenwasserstoffe Phenanthren Coronen Triphenylen
- Aromatische Carbonylverbindungen Benzaldehyd Benzoesäure Anthrachinon Anthron
- Aminosäuren Phenylalanin Tryptophan Tyrosin
- Pharmazeutjka und Alkaloide Aspirin Phenacetin Atropin Cocain Codein Morphin Nicotin
