ATR-Spektroskopie
ATR steht für Attenuated Total Reflection oder auf deutsch Abgeschwächte Totalreflexion oder auch verhinderte Totalreflexion.Kernstück dieser Methode ist ein Lichtwellenleiter, in dem Strahlung in Totalreflexion geführt wird. Dieser Lichtwellenleiter ist für gewöhnlich ein Prisma, eine Faser ohne Mantel oder ein spezieller ATR-Kristall, in dem Mehrfachreflexionen möglich sind.
Bei Totalreflexion bilden sich hinter der reflektierenden Grenzfläche evaneszente Wellen aus. Diese haben etwa die Reichweite einer Wellenlänge. Wird nun eine Probe nahe an die Oberfläche des Lichtwellenleiters gebracht, kann diese mit der evaneszente Welle wechselwirken. Das im Wellenleiter geführte Licht wird abgeschwächt.
= Anwendung =
Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)
Hier wird die winkelabhängige Absorption bei festen Wellenlängen gemessen. Es gibt zwei verschieden Möglichkeiten der Anordnung: Zum einen die Otto-Methode[1], bei der ein Luftspalt zwischen Prisma und dem zu untersuchenden Metall gelassen wird. Zum anderen die Kretschmann-Methode[2], bei der ein dünner Metallfilm auf das Prisma aufgebracht wird.
Das evaneszente Feld regt nun unter bestimmten Bedingungen Oberflächenplasmonen an einer Grenzfläche der Probe an und wird dabei absorbiert. Nimmt man die Reflexion winkelabhängig auf, kann man aus dem Verlauf die komplexe Brechzahl der Probe berechnen.
Die Kretschmann-Methode findet auch in der Biologie ihre Anwendung. Hier wird auf ein Prisma mit einen Goldfilm eine Membran präpariert, die biologische Moleküle absorbieren kann. Die Bedeckung der Membran mit Molekülen verändert die Brechzahl der Schicht, die mit dieser Methode sehr empfindlich gemessen werden kann.
IR-Spektroskopie
Hier werden feste und flüssige Proben in das evaneszente Feld gebracht und die wellenlängenabhängige Absorption gemessen. Feste Proben werden dabei an die Oberfläche des Lichtwellenleiters angepresst, um ein möglichst hohes Messsignal zu erhalten.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit werden Lichtwellenleiter eingesetzt, in denen der Messstrahl mehrfach reflektiert wird.
Für die Aufnahme von IR-Spektren von Werkstücken und Materialproben gehört ATR heute zu den am häufigsten angewandten Methoden. Als Materialien für IR-Strahlung wählt man je nach Wellenzahlbereich meist ZnSe, Ge, KRS-5, Si, AMTIR oder Diamant.
Bei der Untersuchung von Proben ist darauf zu achten, dass die Brechzahl des eingesetzten ATR-Elements hinreichend groß ist, so dass beim Kontakt zwischen Medium und ATR-Element weiterhin die Bedingungen für Totalreflexion erfüllt sind.
Optische Eindringtiefe
Die optische Eindringtiefe im Medium wird als eine exponentiale Eindringtiefe des Lichtes definiert, mit Lambda gleich der optischen Wellenlänge des Lichtes, Theta gleich der Einfallswinkel im optisch dichteren Medium (im Beispiel ZnSe), und nr gleich die relative Brechzahl zwischen ATR Element und das flüssige Medium. http://www.udobecker.net/fh-wedel/atr/atr.html
d = Lambda / (2*Pi*sqrt(sin(Theta)*sin(Theta)- nr*nr))
Die Eindringtiefe ist von der Polarisationsrichtung abhängig.
Die folgende Summe wird als effektive Eindringtiefe bezeichnet
deff = Summe(Ni * di) wobei Ni= Anzahl Totalreflexionen bei Winkel Thetai, je mit Eindringtiefe di, bei ATR Elemente mit mehr als eine Totalreflexion, zur erhöhten Mediumkontakt.
Vor- und Nachteile
* Auch nicht homogenisierbare Substanzen sind messbar (z.B.Polymere)
* Das Herstellen der KBr-Presslinge entfällt
* Die Empfindlichkeit bei der ATR-Spektroskopie wird über die Eindringtiefe sowie die Anzahl der Reflektionen eingestellt. Bei derzeit gebräuchlichen ATR-Sonden mit zwei Reflexionen können bei chemometrischer Auswertung nur Konzentrationen ab etwa 1% detektiert werden.
* Die im mittleren Infrarot transparenten Materialien sind zumeist mechanisch und/oder chemisch instabil. Ausnahme bilden hier teure ATR-Elemente aus Diamant.
Quellen
1. Otto, A., Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection. Zeitschrift für Physik, 1968. 216: p. 398-410.
2. Kretschmann, E., Die Bestimmung optischer Konstanten von metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen. Zeitschrift für Physik, 1971. 241: p. 313-324.
Weiterführende Literatur
• FT-IR Spectroscopy?Attenuated Total Reflectance (ATR) (PDF, 226 KB), Technische Information von Perkin Elmer, einem Hersteller von Spektrometern (Englisch).
Weblinks
• Online-Monitoring von Reaktionen mittels ATR-FTIR Spektroskopie
