Infrarotspektroskopie (IR) - Chemische Analyse

Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) ist eine Methode der Schwingungsspektroskopie, bei der Materialien mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich untersucht werden. Grundlage des Verfahrens ist die Wechselwirkung zwischen infraroter Strahlung und den Molekülen einer Probe.

Dabei wird Strahlung im mittleren Infrarotbereich, üblicherweise angegeben als Wellenzahl in cm⁻¹, in die Probe eingestrahlt. Moleküle absorbieren bestimmte Anteile dieser Strahlung, wenn deren Energie mit den Eigenfrequenzen der Molekülschwingungen übereinstimmt. Die aufgenommene Energie wird in Schwingungen der chemischen Bindungen umgesetzt, wobei unterschiedliche Bindungstypen und funktionelle Gruppen charakteristische Schwingungsfrequenzen besitzen.

Die nicht absorbierte Strahlung wird detektiert und in ein IR-Spektrum umgewandelt, das die Intensität der Absorption in Abhängigkeit von der Wellenzahl darstellt. Die dabei entstehenden Absorptionsbanden sind spezifisch für die jeweilige chemische Struktur und ergeben ein charakteristisches Spektrum, das als „Fingerabdruck“ eines Stoffes bezeichnet wird.

Die gebräuchlichste Variante der Infrarotspektroskopie ist die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR). Bei dieser Messmethode werden Interferogramme der zu untersuchenden Substanz in wesentlich kürzerer Zeit aufgenommen als bei dispersiven Spektrometern. Aus diesen Interferogrammen werden durch Fouriertransformation Infrarotspektren mit charakteristischen Peaks gewonnen.

Bei der FTIR-Mikrospektroskopie wird die hohe chemische Aussagekraft der FTIR-Spektroskopie mit der räumlichen Auflösung der Mikroskopie kombiniert. Dadurch ist eine gezielte Analyse sehr kleiner Probenbereiche möglich. Die Methode eignet sich besonders für die Analyse von Partikeln, Fasern und dünnen Schichten sowie für Anwendungen, bei denen neben der chemischen Zusammensetzung auch deren lokale Verteilung von Bedeutung ist.

Hierzu wird die Infrarotstrahlung eines FTIR-Spektrometers über ein gekoppeltes IR-Mikroskop auf einen definierten Probenbereich fokussiert. Je nach Probenart kann die Messung im Transmissions-, Reflexions- oder ATR-Modus erfolgen. Das entstehende IR-Spektrum liefert einen charakteristischen molekularen Fingerabdruck, der die Identifikation von Materialien, funktionellen Gruppen und chemischen Bindungen ermöglicht. Aufgrund der hohen Ortsauflösung lassen sich zudem Inhomogenitäten, Schichtaufbauten und lokale Veränderungen zuverlässig erfassen.

Die FTIR-Mikro-Spektroskopie wird unter anderem in der Material- und Polymeranalytik zur Untersuchung von Fremdpartikeln, Defekten und Mehrschichtsystemen eingesetzt. In der Qualitätskontrolle dient sie der Analyse kleinster Verunreinigungen oder Schadstellen. Weitere Anwendungsgebiete finden sich in der Forensik, der Umweltanalytik sowie in Forschung und Entwicklung.