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Orientierung

Wie ihr bestimmt wisst, entsteht die grüne Farbe von Blättern durch das Chlorophyll, welches in den Blättern enthalten ist. Nun stellt sich die Frage: „Wie funktioniert dies?“ Dies ist im Grunde ziemlich einfach zu verstehen. Das sichtbare Licht, welches von der Sonne zu uns gelangt, besteht aus einem Farbenspektrum. Dies ist in folgender Abbildung dargestellt.

Abbildung 1: Sichtbares Spektrum des Lichts (Quelle: http://www.flexogravur.de/media/pictures/upload/18-01-2010___19_25_57.jpg)

Nun kommt es zu dem Effekt, dass das Chlorophyll die Farben Rot und Blau fast vollständig absorbiert und lediglich grüne Farben hindurchlässt. Dadurch erscheinen Blätter Grün. Diesen Effekt der Absorption bestimmter Wellenlängen des Lichts verwendet die Absorptionsspektroskopie um Spektren zu erstellen, wodurch Materialien, Moleküle oder in unserem Fall Nanopartikel unterschieden werden können. Beispielweise können dadurch Chlorophyll a und b unterschieden werden, obwohl diese nach außen beide grün erscheinen. Dieses Absorptionsspektrum ist in folgender Abbildung dargestellt.

Abbildung 2: Absorptionsspektrum von Chlorophyll a und b (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Chlorophylle#mediaviewer/Datei:Chlorophyll_spectrum.png)

Erklärung

Die UV-VIS-Absorptionsspektroskopie ist eine Spektroskopie, die mit Hilfe des sichtbaren (400 nm – 800 nm) und des nicht sichtbaren (ultravioletter Bereich 200 nm – 400 nm) Bereichs von Licht die Absorptionsspektren von Proben erstellt. Während der Spektroskopie wird Licht mit einer bestimmten Wellenlänge auf die Probe gestrahlt, wobei Valenzelektronen Licht absorbieren und dadurch in ein höheres Energieniveau angeregt werden. Durch diese Absorption nimmt die Intensität des Lichtes ab. Mit Hilfe eines Detektors kann daraufhin die Abschwächung des Lichts bestimmt werden. Dies wird kontinuierlich für jede Wellenlänge durchgeführt, wodurch am Ende ein Absorptionsspektrum entsteht, mit dem anschließend verschiedenste Aussagen über das Nanomaterial getroffen werden können. Für die Berechnung der Abschwächung der Intensität des Lichts, auch Extinktion genannt, wird das Lambert – Beer´sche Gesetz verwendet. Die Berechnung der Absorption kann durch Beugung, Streuung oder Reflexion verfälscht werden. Streuung und Beugung können aufgrund ihrer geringen Abschwächung der Intensität des Lichts vernachlässigt werden. Um die Reflexionsabschwächung zu bestimmen, wird gleichzeitig eine Messung einer Blindprobe durchgeführt, wodurch das Absorptionsspektrum der eigentlichen Probe korrigiert werden kann.

Bei metallischen Nanopartikeln tritt des Weiteren der Effekt der Plasmonenresonanz ein. Durch diese Resonanz werden bestimmte Wellenlängen abhängig von der Partikelgröße vollständig absorbiert. Dadurch kann über ein Absorptionsspektrum und ein zum Material passendes Diagramm, das die Absorptionsmaxima in Abhängigkeit der Partikelgröße darstellt, die durchschnittliche Größe der Nanopartikel ermittelt werden. Dies ist am Beispiel eines Absorptionsspektrums einer Goldnanopartikellösung in folgender Abbildung dargestellt.

 

Abbildung 3: Absorptionsspektrum einer Goldnanopartikellösung. Das Absorptionsmaximum liegt bei 522 nm, was mit einem mittleren Durchmesser von ca. 20 nm korreliert (Quelle: Marmé, N., Aupperle-Pauls, A., Pauls, F. & Knemeyer, J.P. (2014): „Zwerge“ aus dem Minilabor. Synthese von metallischen Nanopartikeln. Heidelberg)

Handlungswissen

Möchtet ihr ein Absorptionsspektrum eurer synthetisierten Nanopartikel erstellen und damit die durchschnittliche Größe ermitteln, so solltet ihr folgende Punkte beachten

1. Eure synthetisierten Nanopartikel müssen in gelöster Form vorliegen.

2. Befüllt eine Küvette mit eurer Nanopartikellösung und eine weitere Küvette mit einer Blindprobe. Die Blindprobe sollte euer Lösungsmittel sein (in den meisten Fällen ist es destilliertes Wasser).

3. Steckt die Küvetten in den Spektrometer, schließt ihn und startet das Programm am Bildschirm.

4. Zieht euch die Absorptionsspektren auf einen Stick, sodass sie nicht verloren gehen.

5. Wertet die Spektren aus.

Aufgabe

Welche der folgenden Aussagen trifft auf die UV/VIS-Absorptionsspektroskopie zu?

1. Bei der UV/VIS-Absorptionsspektroskopie werden die Nanopartikel mit dem sichtbaren Bereich des Lichts bestrahlt.

2. Nachdem die Nanopartikel mit Licht bestrahl wurden, wird geschaut welche Wellenlängen des Lichts an Intensität verloren haben.

3. Mit einem Absorptionsspektrum von metallischen Nanopartikeln lässt sich die durchschnittliche Größe der Partikel herausfinden.

4. Es wird keine Blindprobe benötigt, da die Beugung, Streuung oder Reflexion des Lichts nur gering die Intensität schwächen.

Quellen für weitere Recherchen

Grundlagen UV/VIS-Absorptionsspektroskopie (auf Englisch)

Funktionsweise UV/VIS-Absorptionsspektroskopie

Absorptionseigenschaften von unterschiedlich großen Goldnanopartikeln

Absorptionseigenschaften von unterschiedlich großen Silbernanopartikel

Wikipedia: UV/VIS Spektroskopie

Lambert - Beer´sches Gesetz

Literatur

Merten, C. & Willmann, J. (2005): Physikalische Grundlagen der Spektroskopie. Bremen, Online verfügbar unter http://www.ia.uni-bremen.de/Lehre/Spektroskopie_1.pdf, (Zugriff: 17.06.2014)

Topp, K. (2011): Kolloidale Goldnanopartikel–Synthese, Charakterisierung und Wirkung in Polymer/Fulleren-Solarzellen. Dissertation, Oldenburg, Online verfügbar unter http://oops.uni-oldenburg.de/1161/1/topkol11.pdf, (Zugriff: 17.06.2014)

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