Einführendes Lehr- und Übungsbuch der Instrumentellen Analytik auf moderner und aktueller Basis in überarbeiteter 4. Auflage. Die Auswahl marktgängiger Geräte im Anhang wurde auf den aktuellen Stand von 2020 gebracht. Inhaltliche Schwerpunkte: Ausführliche Theorie und Praxis der Mess- und Trennmethoden der instrumentellen Analytik; Beschreibung der Geräte- und Messtechnik; Anleitung zur Spektreninterpretation; Probenahme und Qualitätssicherung. 146 Musteraufgaben und 306 Übungsaufgaben mit vollständigen Lösungen. Besonderer Wert wird auf die Anschaulichkeit gelegt, weshalb alle wichtigen physikalischen und physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten grundlegend Schritt für Schritt hergeleitet werden. Dies wird durch eine um-fangreiche Bebilderung unterstützt. Die einzelnen Untersuchungs- und Trennmethoden werden gegenüberge-stellt und auf zahlreiche Beispiele aus der Praxis angewandt.Zielgruppe: Studierende an Fachschulen und Hochschulen, Weiterbildung.
Aus dem Inhalt:
1 Emission sowie Absorption elektromagnetischer Strahlung 9
1.1 Entstehung elektromagnetischer Strahlung und Influenz 9
1.2 Frequenz, Wellenlänge, Lichtgeschwindigkeit und Wellenzahl 11
1.3 Quantenprinzip und Plancksche Strahlungsgleichung 15
1.4 Fotometrische Grundgrößen 19
1.5 Das Bouguer-Lambert-Beersche Gesetz 20
1.6 Spektrenarten 26
1.6.1 Linienspektren 27
1.6.2 Bandenspektren 29
1.6.3 Kontinuierliche Spektren 29
Übungen zu Kapitel 1 30
2 UV/Vis-Spektroskopie 32
2.1 Elektronenübergänge in Molekülen 32
2.2 UV/Vis-Spektren 35
2.3 Chromophore, Auxochrome und Lösemitteleinflüsse 37
2.4 Fotometrie als quantifizierende UV/Vis-Spektrometrie 41
2.5 Funktion und Aufbau von Spektralapparaten 44
2.5.1 Das Auflösungsvermögen dispersiver Spektralapparate 50
2.6 Küvetten und Lösemittel 51
2.7 Detektoren in der UV/Vis-Spektrometrie 52
2.8 Vorgänge nach der Absorption 58
2.9 Fluoreszenz-Spektrometrie und Trübungsmessung 61
Übungen zu Kapitel 2 64
3 Infrarot-Spektroskopie 68
3.1 Rotationsspektroskopie und Rotationsquantenzahl 69
3.2 Schwingungs-Rotations-Spektroskopie 74
3.2.1 Die Schwingungsquantenzahl 76
3.2.2 Feinstruktur von Schwingungs-Rotations-Spektren 79
3.2.3 Kombinationen und Wechselwirkungen von Molekülschwingungen 82
3.2.4 Bandenbreite und Faltung 84
3.3 Spektrometer im Mikrowellen- und IR-Bereich 87
3.3.1 Mikrowellenspektrometer 87
3.3.2 Dispersive IR-Spektrometer 88
3.3.3 Strahlungsquellen 91
3.3.4 Detektoren in der IR-Spektroskopie 92
3.3.5 Präparationsmethoden 93
3.3.6 Nichtdispersive IR-Spektrometrie (NDIR) 94
3.3.7 Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FT-IR-Spektrometer) 98
3.3.7.1 Die Fourier-Transformation 98
3.3.7.2 Das Michelson-Interferometer 100
3.5.7.3 Die Signalverarbeitung in einem FT-IR-Spektrometer 103
3.3.7.4 Die Vorteile der FT-IR-Spektrometer 106
3.4 Interpretation von IR-Spektren 106
3.4.1 Kurze Anleitung zur IR-Spektreninterpretation 108
3.5 Quantifizierende IR-Spektroskopie 113
3.6 IR-Emissionsspektroskopie 115
3.7 Ferninfrarotspektroskopie (FIR) 117
3.8 NIR-Spektroskopie 117
Übungen zu Kapitel 3 122
4 Raman-Spektroskopie 128
4.1 Strahlungslose Relaxation, Stokes-Verschiebung, Rayleigh-Streuung und Raman-Effekt 128
4.2 Raman-Verschiebung und Raman-Spektrum 130
4.3 Auswahlregeln der Raman-Spektroskopie 133
4.4 Interpretation von Raman-Spektren 137
4.5 Steckbrief der Raman-Spektroskopie 141
4.6 Raman- Spektrometer 143
4.6.1 Dispersive Raman-Spektrometer 144
4.6.2 Four/er-Transform-Raman-Spektrometer 147
4.7 Anwendungsbeispiele der Raman Spektroskopie 148
4.7.1 Strukturaufklärung und Identifizierung 148
4.7.2 Raman-Mikroskopie 150
4.7.3 Raman-Diagnostik in der Medizin 151
4.7.4 Untersuchung von Molekülschwingungen 151
4.7.5 Anwendungen in der Industrie 152
4.7.6 UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie 153
Übungen zu Kapitel 4 155
5 Kernresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) 156
5.1 Physikalische Grundlagen der Kernresonanz 156
5.1.1 Resonanzbedingungen 158
5.1.2 Besetzungshäufigkeit, Auflösung und Empfindlichkeit 160
5.2 Chemische Verschiebung 162
5.3 NMR-Spektrometer 166
5.3.1 CW-NMR-Spektrometer 166
5.3.2 FT-NMR-Spektrometer 169
5.3.3 Relaxation, FID-Kurve und Fourier-Transformation 170
5.3.4 Faltung des FT-NMR-Spektrums 174
5.3.5 Vorteile der FT-NMR-Spektroskopie 175
5.4 NMR-Spektren 175
5.4.1 Spin-Spin-Kopplung (Skalare Kopplung, J-Kopplung) 178
5.4.2 Lösemittel und Lösemitteleffekte 182
5.4.3 Aromatenprotonen 184
5.4.4 Äquivalente Kerne und stereochemische Einflüsse 186
5.4.5 Skalare Kopplungsmöglichkeiten und NMR-Spektrenordnung 190
5.4.6 Maßnahmen bei Spektren höherer Ordnung 195
5.5 Der Kern-Overhai/ser-Effekt 197
5.6 13C-NMR-Spektroskopie 199
5.7 Zweidimensionale FT-NMR-Spektroskopie 204
5.8 Anwendungsbeispiele der Kernresonanz 207
Übungen zu Kapitel 5 210
6 Massenspektrometrie 214
6.1 Das Aston-Massenspektrometer 215
6.2 Klassifizierung der Massenspektrometer entsprechend der Analysatoren 216
6.2.1 Einfach fokussierende Sektorfeldgeräte 217
6.2.2 Doppelfokussierende Massenspektrometer 218
6.2.3 Quadrupol-Massenspektrometer 219
6.2.4 Flugzeit-Massenspektrometer (TOF-MS) 221
6.2.5 loneneinfang-Analysator (Ion Trap) 223
6.2.6 Fourier-Transform-Massenspektrometer (FT-MS und FT-ICR-MS) 224
6.2.7 Der Orbitrap-Analysator 227
6.3 Ionisierung 229
6.3.1 Elektronenstoßionisation, Elektronenionisierung (El) 229
6.3.2 Chemische Ionisierung im Vakuum (CI) 231
6.3.3 Vergleich harter und weicher lonisierungsarten 231
6.3.4 Elektrospray-Ionisation (ESI) 232
6.3.5 Chemische Ionisierung unter Atmosphärendruck (APCI) 233
6.3.6 MALDI 235
6.3.7 Fast Atomic Bombardement (FAB) und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) 238
6.3.8 Feldionisation (Fl) und Felddesorption (FD) 239
6.4 Probenzuführung 241
6.5 Detektoren 242
6.6 Vergleichende Übersicht der Massenspektrometer (MS) 245
6.7 Tandem- und Hybrid-Massenspektrometer 246
6.8 Interpretation von Massenspektren 248
Übungen zu Kapitel 6 254
7 Atomspektrometrie 256
7.1 Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) 256
7.1.1 Physikalische Grundlagen der Atomabsorption 256
7.1.2 Aufbau des Atomabsorptionsspektrometers 259
7.1.3 Strahlungsquellen 261
7.1.3.1 Die Hohlkathodenlampe (HKL) 261
7.1.3.2 Elektrodenlose Entladungslampen (EDL) 262
7.1.3.3 Kontinuierliche Strahlungsquellen 262
7.1.4 Atomisierung 263
7.1.4.1 Atomisierung in der Flamme (F AAS) 263
7.1.4.2 Elektrothermische Atomisierung (ET AAS, GF AAS) 264
7.1.4.3 Atomisierung durch Kaltdampftechnik (CV AAS) 265
7.1.4.4 Atomisierung durch Hydridbildung (HG AAS) 265
7.1.5 Monochromatoren 266
7.1.6 Systematische Fehler und Störungen der AAS-Messung 267
7.1.7 Korrektur der Untergrundabsorption und Kalibrierung 268
7.1.8 Hochauflösende Atomabsorptionsspektrometrie mit Kontinuumstrahlern (HR-CS AAS) 271
7.2 Optische Emissionsspektrometrie (OES) 273
7.2.1 Flammenfotometrie 274
7.2.2 Plasma-Emissionsspektrometrie (ICP-OES) 275
7.2.2.1 Plasmabrenner und optische Emission 276
7.2.2.2 Polychromatoren in der ICP-OES 278
7.2.3 Vergleich AAS und ICP-OES 278
7.3 Plasmabrenner und Massenspektrometer - die ICP-MS 279
7.4 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 280
7.4.1 Röntgenröhre und Bremsspektrum 281
7.4.2 Röntgenspektrallinien und Röntgenfluoreszenz 281
7.4.3 Das Röntgenfluoreszenzspektrometer 283
7.4.4 Quantifizierung mittel RFA 285
Übungen zu Kapitel 7 287
8 Elektroanalytik 289
8.1 Physikalisch-chemische Grundlagen der Elektroanalytik 289
8.1.1 Elektrolyse 289
8.1.2 Elektrochemische Spannungsreihe und Freie Enthalpie (AG) 291
8.1.3 Elektrolyse, Polarisation, Diffusion und Überspannung 296
8.1.4 Die Nernstsche Gleichung 300
8.1.5 Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen 304
8.1.5.1 lonenbeweglichkeit, lonenleitfähigkeit und Grenzleitfähigkeit 308
8.1.5.2 Überführung 310
8.1.6 Physikalisch-chemischer Steckbrief der Elektroanalytik 311
8.2 Elektrogravimetrie 312
8.3 Potentiometrie 314
8.3.1 Bezugselektroden 314
8.3.2 Indikatorelektroden und Messelektroden 317
8.3.3 Potentiometrische Titration 320
8.4 Konduktometrie 322
8.5 Voltametrie und Voltammetrie 324
8.5.1 Voltametrie oder die Polarisationsspannungsindikation 324
8.5.2 Die Polarographie - ein voltammetrisches Verfahren 327
8.5.2.1 Messtechniken in der Polarographie 331
8.5.2.2 Anwendungen der Polarographie 332
8.5.3 Zyklische Voltammetrie (Cyclovoltammetrie) 333
8.5.4 Voltammetrische Sensoren 335
8.5.5 Dead Stop-Titration 336
8.5.6 Coulometrie 338
Übungen zu Kapitel 8 342
9 Trennmethoden der Instrumentellen Analytik 344
9.1 Wurzeln der Chromatographie und erste Grundbegriffe 344
9.2 Physikalisch-chemische Grundlagen der Chromatographie 347
9.2.1 Adsorptionsgleichgewicht und Adsorptionsisotherme 348
9.2.2 Das Henry-Dalton-Gesetz 349
9.2.3 Nernstscher Verteilungssatz 350
9.3 Craig-Merteilung und Flüssig-Flüssig Chromatographie 352
9.4 Chromatogramm 356
9.4.1 Inneres und äußeres Chromatogramm 356
9.4.2 Retention 357
9.4.3 Verteilungskonstante und Retentionsfaktor 360
9.4.4 Trennfaktor 361
9.4.5 Peakauflösung, Trennvermögen und Zahl der Trennstufen 362
9.4.6 Lineargeschwindigkeit und Bandenbreite 366
9.5 Merkmale stationärer Phasen 368
9.6 Merkmale mobiler Phasen 370
9.7 Gradientenelution 371
9.8 Wege zur verbesserten Auflösung 374
9.9 Peaksymmetrie, Peakschiefe 375
9.10 Detektoreigenschaften 376
9.11 Qualitative Analyse 378
9.12 Quantitative Analyse 378
9.12.1 Methode des externen Standards 380
9.12.2 Methode der 100 %-Normierung 382
9.12.3 Quantifizierung mittels internen Standards 383
9.12.4 Additionsverfahren 384
9.13 Papierchromatographie 385
9.14 Dünnschichtchromatographie 386
9.14.1 Stationäre und mobile Phasen in der DC 388
9.14.2 Zweidimensionale Entwicklung 390
9.14.3 Detektion in der DC 390
9.14.4 Quantifizierung 392
9.14.5 Gängige Anwendungen der Dünnschichtchromatographie 394
9.15 Gaschromatographie 395
9.15.1 Auswahlkriterien für Trägergase 396
9.15.2 Probeneinlasssysteme in der GC 397
9.15.3 Trennsäulen in der Gaschromatographie 400
9.15.4 Temperaturprogramm statt Fließmittelgradient 406
9.15.5 Detektoren in der Gaschromatographie 406
9.15.6 Make-up-Gas 410
9.15.7 Anwendungsbeispiele der Gaschromatographie 410
9.16 Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) 412
9.16.1 Eluentförderung bei der HPLC 414
9.16.2 Säulen in der HPLC 416
9.16.3 Detektoren in der HPLC 418
9.17 Anwendungsbeispiele der HPLC 423
9.18 Spezielle chromatographische Methoden 424
9.19 Klassische Elektrophorese 430
9.20 Kapillarelektrophorese 433
Übungen zu Kapitel 9 437
10 Probenbehandlung und Qualitätsmanagement 442
10.1 Probenahme 443
10.2 Probenvorbereitung 446
10.3 Qualitätsmanagement in der Analytik 450
10.3.1 Gute Laborpraxis (GLP) und Gute Herstellungspraxis (GMP) 452
10.3.2 Auditierung, Zertifizierung, Akkreditierung 454
10.3.3 LIM-Systeme (LIMS) 455
10.4 Qualitätssicherung und Statistik 456
10.4.1 Lageparameter 458
10.4.2 Streuparameter 459
10.4.3 Vertrauensbereich des Mittelwertes 461
10.4.4 Ausreißertests 463
10.5 Methodenvalidierung 465
10.5.1 Präzision und Richtigkeit 466
10.5.2 Linearität, Arbeitsbereich 468
10.5.3 Nachweisgrenze und Bestimmungsgrenze 469
10.5.4 Robustheit 470
10.5.5 Spezifität und Selektivität 471
10.6 Regelkarten 472
Übungen zu Kapitel 10 475
Anhang 478
Auswahl marktgängiger Geräte 2019 478
Lösungen zu den Übungsaufgaben 502
Sachwortverzeichnis 537