UV-Vis- und Fluoreszenzspektroskopie
Die UV/Vis Spektroskopie gehört zu den wichtigsten und empfindlichsten Methoden in der optischen Molekülspektroskopie und überstreicht den Wellenlängenbereich von etwa 200nm bis ca. 780nm. Da die Detektoren in der Regel bis etwa 1000nm (Si-Basis) empfindlich sind, wird der kurzwellige Teil des NIR Bereiches (s-NIR) technisch mit in die UV/Vis Spektroskopie einbezogen. Der Vorteil der UV/Vis Spektroskopie liegt in der außerordentlich hohen Empfindlichkeit und der Verfügbarkeit kostengünstiger Bauteile. Grund hierfür ist der breite Einsatz der Mikrostrukturtechnik auf Basis des Halbleiters Silizium.
Unter Fluoreszenz versteht man die Emission von Licht aus dem ersten angeregten elektronischen Singulettzustand (Spins kompensiert) in den elektronischen Grundzustand (Singulett) des Moleküls. Dieser Vorgang ist quantenmechanisch erlaubt und deshalb sehr schnell, etwa im Nanosekunden Bereich. Als Phosphoreszenz wird bezeichnet, wenn ein Übergang vom ersten angeregten Triplettzustand (Spins gepaart und entsprechend der Hund`schen Regel damit energieärmer) in den Singulett-Grundzustand des Moleküls übergeht. Dieser Vorgang ist quantenmechanisch verboten und kommt demzufolge in Zeitdomänen von μs bis Sekunden vor. Die phosphoreszenz ist mehr rot-verschoben als bei der Fluoreszenz.
Bei der EEM Spektroskopie, Excitation-Emission Spektroskopie, werden die Emissionsspektren bei einer Vielzahl von Anregungswellenlängen oder die Anregungsspektren bei einer Vielzahl von Emissionswellenlängen vermessen. Zudem können die Emissionsspektren auch noch zeitaufgelöst gemessen werden, was eine weitere Selektion von unterschiedlichen Molekülen z.B. in der Biotechnologie und Medizintechnik, erlaubt. Die mehrdimensionale Fluoreszenzspektroskopie kann damit die optisch-spektroskopische Differenzierung von Molekülgemischen zudem markierungsfrei erleichtern, ohne dass es einer vorhergehenden chromatographischen Trennung bedarf. Während in der Absorptionsspektroskopie spezifische Banden nicht immer den einzelnen Molekülen zugewiesen werden können, lassen sich hier die einzelnen Verbindungen selektiv anregen.
Schwingungs-Absorptions-Spektroskopie
Sie unterteilt sich in den Bereich des kurzwelligen Nahinfrarots (s-NIR), der von etwa 700nm bis ca. 1100nm geht, dem Nahen Infrarot (NIR), das sich von grob 1000nm bis ca. 2500nm erstreckt, bis hin zu dem mittleren Infrarot Bereich (MIR) bis etwa 30 000nm. Der Bereich jenseits von 30 μm wird Fernes Infrarot (FIR) oder Terahertz-Spektroskopie bezeichnet. Üblicherweise wird im s-NIR und NIR mit der Wellenlängenskala gearbeitet, im MIR meist in cm-1, was proportional zur Energie ist (E= hν = h c/λ)
Im MIR Bereich detektiert man im Wesentlichen Absorptionsbanden, die den Grundschwingungen funktioneller Gruppen im Molekül zuzuordnen sind. Wegen der hohen quantenmechanischen Übergangswahrscheinlichkeit sind diese sehr empfindlich und können sehr gut für eine Quantifizierung der Komponenten eingesetzt werden. Im NIR Bereich sind es meist Oberschwingungen von starken Grundschwingungen oder Kombinationsschwingungen, die in der Regel nur schwer zuzuordnen sind. Die Grundschwingungen im MIR haben meist hohe Absorptionskoeffizienten, im NIR sind die Banden wesentlich schwächer ausgeprägt. Dies hat den Vorteil, dass man NIR Spektren in situ ohne jede Probenvorbereitung messen kann. Der Nachteil ist die deutlich geringere Empfindlichkeit der Methodik.
Aus den IR-Spektren können durch die Lage, Form und Intensität der Banden durch Vergleich oder absolut Stoffe identifiziert werden und Strukturen aufgeklärt werden. Dies gelingt insbesondere im MIR. Durch Überlagerungen der Banden unterschiedlicher Komponenten kommt es aber oft zu Lageverschiebungen, was die Interpretation erschwert.
Raman-Spektroskopie
Die klassische Lichtstreuung analysiert ausschließlich gestreutes Licht, das die gleiche Frequenz wie das einfallende Licht besitzt (Rayleigh-Streuung). Zusätzlich zu diesem elastisch gestreuten Anteil findet man in Streuspektren noch andere, äußerst intensitätsschwache Banden. Diese so genannten Raman-Banden sind relativ zur Anregungswellenlänge frequenzverschoben. Hervorgerufen wird die Verschiebung durch die An- oder Abregung molekularer Schwingungen der Streuzentren durch einfallende Photonen. Von diesen gibt dabei ein kleiner Anteil im Streuvorgang entweder Energie ab oder gewinnt einen entsprechenden Energiebetrag. Jeder Raman-Peak entspricht also einer bestimmten Vibrationsmode des streuenden Moleküls. In diesem Sinn besitzen chemische Spezies einmalige spektrale Signaturen, die eine qualitative Analyse ermöglichen. Die Frequenzverschiebung wird kurz als Raman-Shift bezeichnet und in Einheiten von reziproken Wellenlängen, den sogenannten Wellenzahlen (cm-1) gemessen. Konventionsgemäß wird in Raman-Spektren die Intensität des inelastisch gestreuten Lichtes als Funktion des Raman-Shift dargestellt. Sowohl Moleküle in ihrer Gesamtheit als auch Molekülteile, wie z.B. Polymere und in diesen enthaltenen funktionellen Gruppen, können Streuzentren sein.