Grundlagen spektroskopischer Analysemethoden

Bei spektroskopischen Analysenmethoden wird die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie, d. h. den Teilchen (Atomen, Molekülen oder Ionen) der Analysenprobe, gemessen. Die Energie (E) von elektromagnetischer Strahlung steht in Beziehung zur Wellenlänge ($\lambda$) bzw. Frequenz ($\nu$) der Strahlung. Elektromagnetische Strahlung mit hoher Energie ist kurzwellig, d.h. sie hat eine hohe Frequenz. Niedrige Energie hat Strahlung mit nierdriger Frequenz und langen Wellenlängen.

Elektromagnetische Strahlung kann je nach ihrem Energiegehalt unterschiedliche Wechselwirkungen mit der Materie haben. So regt z.B. Strahlung im Infrarotbereich Schwingungen in den Molekülen an, während Strahlung im sichtbaren (VIS) und ultravioletten (UV) die Elektronen der Teilchen anregt. Noch höher energetische Strahlung wie Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung kann sogar Bindungen in Molekülen zerstören.

Prinzipiell sind folgende Wechselwirkungen zwischen Materie und Strahlung möglich:

Bei Absorptions- und Emissionsmessungen erhält man ein Spektrum. Ein Absorptionsspektrum zeigt für den untersuchten Energie- bzw. Wellenlängenbereich, bei welchen Wellenlängen und wie stark die elektromagnetische Strahlung von der zu untersuchenden Probe absorbiert worden ist. Meistens wird dazu der Strahl durch die Probe geleitet und mit einem zweiten Strahl aus der selben Strahlenquelle verglichen, der nicht durch die Probe geleitet wurde (Zweistrahlgeräte).

Ein Emissionsspektrum zeigt für den entsprechenden Energie- bzw. Wellenlängenbereich, welche Wellenlängen mit unterschiedlicher Intensität ausgestrahlt (emittiert) werden. Damit eine Probe Energie ausstrahlt muss sie in der Regel vorher angeregt werden. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen, durch Wärmezufuhr (z. B. Atomemissionsspektroskopie) oder durch elektromagnetische Strahlung (z. B. Fluoreszensspektroskopie). Bei letzterer Anregungsmethode muss man darauf achten, dass man nur den Wellenlängenbereich aufzeichnet, in dem die Emission zu beobachten ist und die Strahlung der Anregung nicht mitgemessen wird.

Aus der Intensität und der Wellenlänge der absorbierten bzw. emittierten Strahlung kann man Schlussfolgerungen bezüglich der quantitativen Zusammensetzung und Struktur der Probe ziehen.

Überblick über wichtige strukturanalytische Methoden
Bei der Strukturanalyse untersucht man die räumliche Anordnung von Atomen und Ionen in chemischen Verbindungen mithilfe spektroskopischer, röntgenografischer oder anderer physikalischer Analysenmethoden. Wichtige strukturanalytische Methoden sind u. a. die Infrarot-Spektroskopie (IR), die UV-Sektroskopie, die Fluoreszensspektroskopie, die Massenspektrometrie und die Röntgenkristallstrukturanalyse. Eine sehr informative strukturanalytische Methode ist die Kernresonanz-Spektroskopie, NMR (nuclear magnetic resonance), die auch aus der medizinischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken ist und dort in Form der MRT (Magnet Resonanz Tomografie) zur Analyse und Darstellung von Gewebestrukturen verwendet wird.

Es ein darauf hingewiesen, dass die Massenspektrometrie und die Röntgenstrukturanalyse (nicht zu verwechseln mit der Röntgenspektroskopie) keine spektroskopischen Analyseverfahren sind!
Allerdings erhält man mit diesen Methoden z. B. Informationen zur geometrischen Form von Molekülen sowie den darin vorliegenden Bindungsverhältnissen bzw. zur Struktur unbekannter fester Verbindungen. Die Ergebnisse strukturanalytischer Messungen werden in großen Datenbanken zusammengefasst und gespeichert, sodass man z. B. eine organische Verbindung anhand ihrer charakteristischen NMR- und Massenspektren sowie der Röntgenstrukturdaten eindeutig identifizieren kann.