| Abgeschwächte Total Reflexion ATR |
Anwendung
Die Reflexionsspektroskopie wird für die Analyse von Proben angewendet, die für IR-Strahlung nicht oder nur schlecht durchlässig sind und daher nicht in Transmission analysiert werden können.
Vorteile: einfache bzw. völlig entfallende Probenpräparation. |
(Total~)Reflexion
an der Grenzfläche optisch dünner/dichter unterhalb des Grenzwinkels, Abschwächung durch Absorption in einer dünnen Probenschicht
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Anwendung: IR-Spektroskopie |
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Reflexion an einer Grenzfläche
Fällt Licht durch ein Medium mit einem relativ hohen Brechungsindex (hier der ATR-Kristall) unter einem größeren als dem kritischen Einfallswinkel auf die Grenzfläche zu einem Medium mit kleinerem Brechungsindex (hier die Probe), so wird die Strahlung in das optisch dichtere Medium zurückreflektiert. Ein geringer Teil der Strahlung dringt geringügig in das optisch dünnere Medium (die Probe) ein.
Totalreflexion: vollständige Reflexion an der Grenzfläche. |
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ATR - Strahlengang
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Ein Teil der Strahlung wird in der Probe absobiert. Diese Intensitäsänderung des einfach bzw. mehrfach reflektiertenStrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge wird als Absorptionsspektrum aufgezeichnet.
Die Eindringtiefe der Lichtwelle in die Probe ist eine Funktion von Kristallmaterial und Einfallswinkel. Je kleiner der Einfallswinkel und je niedriger der Brechungsindex des Kristalls, desto größer ist die Eindringtiefe.
Diese erhöht sich ebenfalls mit der Wellenlänge.
Vorausetzung für ATR-Messungen ist ein guter Kontakt zwischen Probe und Kristall (Anpressdruck). |
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Bemerkung: Neben dieser internen Reflexion wird Licht natürlich auch extern reflektiert, diffus oder gerichtet. Mit Hilfe der diffusen Streung an Oberflächen werden Pulver und matte Oberflächen untersucht. Die gerichtete Reflexion dient zur Untersuchung von Oberflächenbeschichtungen wie Lacken, Farben etc. |
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| Oberflächenplasmonen
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Man strahlt mit monochromatischem, parallem und polarisiertem Licht wird auf die Hypothenuse eines Glsaprismas. Der Einfallswinkel ist größer als der Winkel der Totalreflexion. Es wird nicht die gesamte Lichtenergie reflektiert, sondern eine exponentiell abklingende Welle breitet sich in dem Raum unterhalb des Glases aus.
Dort befindet sich eine ca. 50 nm dicke Metallschicht (Ag, Au). An der Grenzfläche Metall-Dielektrikum (z.B. Luft-Siliziumdioxid) wird nun - abhängig vom Einfallswinkel - ein Oberflächenplasmon erzeugt.
Dabei handelt es sich um die kollektive Anregung des Elektronengases in Metallen. Analog zu den Volumenanregungen im Elektronengas ("Plasmonen") werden die Quanten dieser Grenzflächenmode als Oberflächenplasmonen bezeichnet. Da die Plasmafrequenz von Metallen typischerweise im UV liegen, können sich die Oberflächenplasmonen mit optischen Frequenzen ausbreiten.
Die Intensität fällt stark ab, wenn der Einfallswinkel einen bestimmten Wert erreicht. Die gesamte LIchtleistung geht dann resonant in die Schwingung der Oberflächenplasmonen über, Joule´sche Wärme wird erzeugt. |
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Praxis
Flüssige Proben auf den Diamenten tropfen, ganz bedecken.
Feststoffe mit Presswerzeug anpressen.
Bei weichen/staubigen Material möglichst nur den Diamant bedecken und langsam anpressen.
Bei leichtflüchtigen Substanzen Glasabdeckuung auflegen. |
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Das Diamantprisma muss von der Probe umspült werden, es wird dabei in einer dünnen Schicht an der Oberfläche des Kristalls gemessen.
Für eine ATR-Sonde im Online-Prozesseinsatz erlauben die ausgesuchten Materialien und die chemische Inerhalt des Diamant ihren universellen Einatz. Einsatztemperaturen bis 130°C sind möglich. |
Literatur: BASF |
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