Chemische Analytik: Information aus Licht

Abbildung 1: Deutsche Bundespost Sondermarke zum <br /> 200. Geburtstag von Joseph von Fraunhofer (1987)

Die Eigenschaften von Licht faszinieren Philosophen und Naturforscher seit der Antike. Die Erkenntnisse von Ptolemäus kurz vor der Zeitenwende und von Ibn-al-Haithan 1000 Jahre später, waren hierbei nicht weit von den Ergebnissen der experimentellen Physik nach dem Jahr 1500 entfernt. Seit Mitte des 17. Jahrhunderts sind die Phänomene der Lichtbrechung, Wellentheorie des Lichts und Lichtzerlegung durch Snellius, Huygens und Newton im modernen physikalischen Sinn formuliert worden. Den Naturforschern wurde nicht lange danach klar, dass spektral zerlegtes Licht wertvolle Informationen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Strahlungsquelle enthält. Zunächst waren es die Physiker und Astronomen, die sich dieser Informationsquelle bedienten: Herschel legte die Grundlagen für die Spektralanalyse, Fraunhofer entdeckte die dunklen Linien im Sonnenspektrum, Rydberg erarbeitete eine Formel für die Frequenzen der Wasserstofflinien, eine Forschergruppe in den USA erstellte die „Harvard, Klassifikation von Sternen" an Hand ihrer Spektren. Die Beobachtung und Erklärung der Rotverschiebung der Spektrallinien entfernter Galaxien durch Hubble und die Formulierung der Urknalltheorie durch Lemaitre sind wesentliche Grundlagen für das Verständnis des Alls um uns.

Abbildung 2: Sonnenaufgang über <br /> Deogarh Mahal, Rajasthan, Indien

Die Nutzung der Eigenschaften des Lichts als Informationsquelle für die Analytische Chemie geht maßgeblich auf Bunsen und Kirchhoff zurück und ist jetzt etwa 150 Jahre alt. Die Verbindung des physikalischen Verfahrens der Spektralanalyse mit der daraus gewonnenen Aussage über die chemische Natur und Quantität von Stoffen ist die Geburtsstunde der modernen Analytischen Chemie. Parallel dazu wurde die Massentrennung und Massenbestimmung entwickelt, die heute ein weiterer Hauptpfeiler chemisch-analytischer Information ist.

Zunächst stand die atomspektroskopische Elementbestimmung an Hand von Emissionslinien im Zentrum der Entwicklung. Elektrische Entladungen durch Funken, Bögen und Glimmentladungen lieferten bis dahin unerreichbar schnelle, richtige und präzise Ergebnisse für die Elementbestimmung in der Metallurgie. Zeitlich parallel hierzu entwickelte sich die Molekülspektroskopie. Die ersten Raman-Spektrometer, IR-Spektrometer (E. Lehrer, 1937; Kommerzialisierung im Jahr 1944), UV-Spektrometer (Mitte der dreißiger Jahre, Kommerzialisierung im Jahr 1941) lieferten hier wertvolle analytische Information.

Die Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) und, in sehr viel geringerem Maß, die Atomfluoreszenzspektroskopie eröffneten ab etwa 1960 mit ihren verschiedenen, der Anwendung angepassten Atomisierungsverfahren, den Weg in die Ultraspurenbestimmung von Elementen. Seit dieser Zeit können Spuren- und Ultraspurenkonzentrationen mit bisher unerreichter Selektivität einfach und schnell bestimmt werden. Die Leistungsfähigkeit der AAS und ihrer Techniken wurden bis etwa 1990 zu einer Reife entwickelt, die kaum noch verbessert werden kann. Die Möglichkeiten moderner Spektroskopie eröffneten zum Beispiel den Umweltlaboren, den Lebensmittelkontrolleuren, der Qualitätssicherung in der Produktion, der Produktkontrolle im internationalen Handel schnelle und kostengünstige chemisch-analytische Information. In Folge wurden die Gesetze und Richtlinien an die Möglichkeiten neuer Messverfahren angepasst, was wiederum zu einem starken Anwachsen der Probenmenge führte.

Seit Mitte der Siebziger Jahre erhielt die optische Emissionsspektroskopie der Elemente (OES) durch die Entwicklung leistungsfähiger Kleinplasmen den entscheidenden Entwicklungsschub. Die ICP-OES – ICP steht für das induktiv gekoppelte Plasma - übernahm in den darauf folgenden Jahrzehnten einen erheblichen Teil der quantitativen Messaufgaben überall dort, wo viele Elemente in vielen Proben bestimmt werden müssen. Entscheidend für den Durchbruch der Technik waren neben der enormen Leistungsfähigkeit der Ionenquelle (des induktiv gekoppelten Argonplasmas) insbesondere die rasche Entwicklung von Halbleiterdetektoren und Datenverarbeitungsverfahren, die komplexe Spektren simultan in Sekunden erfassen und verarbeiten können. Die Möglichkeiten spezieller der Technologien angepasster aktiver Pixelsensoren haben auch dazu geführt, dass die klassischen Spektrometer mehr und mehr durch Échelle- Systeme abgelöst wurden. Der optischen Spektroskopie steht seit etwa 1985 die noch deutlich nachweisstärkere ICP-Massenspektroskopie (ICP-MS) zur Seite, die die schnelle, nachweisstarke und spezifische Elementbestimmung der heutigen Zeit komplettiert. Die Analytische Chemie hat sich im Bereich der Elementbestimmung mehr und mehr auf die Aussagefähigkeit der physikalischen Messverfahren verlassen. Chemische Arbeitsschritte betreffen großenteils die Probenahme und die Aufbereitung der Probe.

Abbildung 3: Echelle Spektrum der atomaren und molekularen Absorptionslinien im Sonnenlicht; Quelle: Dr. Stefan Florek; Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften - ISAS - e. V., Institutsteil Berlin

In der Molekülspektroskopie hatten sich in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts unterdessen die Verfahren der UV-VIS, der Nahinfrarot(NIR)- und der Infrarot(IR)-Techniken mit ähnlicher Geschwindigkeit weiterentwickelt. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FT-IR) haben seit den siebziger Jahren die dispersiven Geräte fast vollständig ersetzt. Die Geschwindigkeit der modernen Datenaufzeichnung hat es möglich gemacht, bildgebende Verfahren in die Spektroskopie einzuführen. Die dreidimensional aufgelösten Rotationen und Schwingungen der Moleküle enthalten einen Reichtum an chemischer Information, die in sämtlichen Sparten unseres wissenschaftlich und technisch erfassten Lebensbereichs, von der Umwelt bis zur Medizin, zur unverzichtbaren Informationsquelle geworden ist. Der Absorptionsspektometrie steht dabei die Molekülfluoreszenz-Spektroskopie zur Seite, die insbesondere im Bereich der Biochemie die Basis einfacher und schneller Bestimmungen geworden ist.

Während sich einerseits die Nutzung des „Lichtspektrums" von extrem kurzwelliger und energiereicher Strahlung bis zur Terahertzstrahlung im langewelligen Bereich ausgeweitet hat, haben andererseits lang bekannte und einst wenig genutzte Techniken eine eindrucksvolle Renaissance erfahren. Hier soll insbesondere beispielhaft die Ramanspektroskopie genannt werden. Dieses molekülspektroskopische Verfahren, benannt nach seinem Entdecker Chandrasekhara Raman, gehörte zu den frühesten technisch angewendeten Methoden der Molekülspektroskopie. Es handelt sich hierbei um ein Streuverfahren von monochromatischem Licht an Molekülen. Neben dem elastischen Stoß ohne Änderung des Energiezustands von Molekül und Frequenz des anregenden Lichts (Rayleigh-Streuung) treten auch unelastische Stöße zwischen Photon und Molekül auf (Raman- Streuung), die zu einer Energieaufnahme im Molekül, oder zu einer Energieabgabe des Moleküls an das Photon führt. Messtechnisch führt dies zu niederfrequenterem Licht (längerwellige Streustrahlung bzw. Stokes-Linie) oder zu höherfrequentem Licht (kürzerwellige Streustrahlung bzw. Anti-Stokes-Linie). Obgleich der Aufbau eines Raman-Spektrometers recht einfach ist und sie seit den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt sind, stand das Verfahren lange Zeit im Schatten der sehr viel empfindlicheren Absorptions- und Fluoreszenzverfahren. Hauptgrund war die geringe Empfindlichkeit der Raman-Spektrometrie, denn die unelastischen Stöße sind statistisch sehr selten. Nur etwa jedes Millionste Photon führt zu einem unelastischen Stoß. Erst die Entwicklung extrem lichtstarker Laser und hochempfindlicher Detektoren führte zu annehmbaren Empfindlichkeiten. Dazu konnten mit Oberflächeneffekten Empfindlichkeitsverstärkungen um viele Zehnerpotenzen erreicht werden. Nun konnte die Bioanalytik von einer anderen wichtigen Eigenschaft der Raman-Spektroskopie profitieren: Wasser, Hauptbestandteil organischen Materials ist, ganz im Gegensatz zur IR-Spektroskopie, kaum Raman-aktiv. Daher kann gerade der Fingerprint von großen organischen Molekülen mit hohem Wasseranteil mit der Raman-Spektroskopie sehr gut erfasst und ausgewertet werden. So erlebte das Ramanverfahren insbesondere in der Bioanalytik eine eindrucksvolle Renaissance. Als Beispiel sei hier eine Anwendung genannt, die das Potential moderner Molekülspektroskopie gerade im Bereich der Lebenswissenschaften eindrucksvoll zu zeigen vermag:

Schwere Infektionskrankheiten erfordern einen zeitnahen und gezielten Einsatz von Antibiotika, um die auslösenden Erreger erfolgreich bekämpfen zu können. Die bisher eingesetzten Standardverfahren basieren auf mikrobiologischer Diagnostik, d.h. auf Kulturen, die üblicherweise mehr als einen Tag für ein auswertbares Resultat benötigen. Eine Arbeitsgruppe aus Jena zeigte nun am Beispiel der Bakterienstämme Escheria coli und Enterococcus faecalis dass diese im Urin von Patienten innerhalb weniger Minuten mit der Raman-Spektroskopie klassifiziert werden können [1]. Die niedrigen Konzentrationen erfordern hier allerdings zuvor eine Anreicherung mittels Dielektrophorese. Raman Spektrometer und auf die Anwendung optimierten Trenn- und Anreicherungsverfahren könnten die Diagnostik von und die medizinische Reaktion auf aggressive Erreger demnach revolutionieren. Ein weiteres Ziel ist es, kleine hochautomatisierte Messsysteme mit einem Minimum an chemischer Probenvorbereitung zu entwickeln, die dann die schnelle Pathogenerkennung auch vor Ort und nicht nur im hochspezialisierten chemisch-analytischen Labor ermöglichen.

Abbildung 4: Bestimmung von Bakterien in Urin mit der Raman Spektroskopie: Probenahme, Zentrifugierung, Applikation auf Nickelfolie, Spektrenaufnahme im Raman Mikroskop [2]; Quelle: Leibniz-Institut für Photonische Technologien, Jena.

Das Ziel der Analytiker, die benötigte chemische Information nur durch die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen oder Atomen zu gewinnen, ist in vielen Bereichen heute Routine. Gleichzeitig steigen jedoch ständig die Anforderungen an Nachweisgrenzen, Komplexität der Matrix und Spezifität der analytischen Aussage, welche die Spektroskopie alleine nicht mehr liefern kann. In den hochleistungsfähigen Verfahren, die in den letzten Jahren entwickelt und publiziert wurden, sind daher meist die Spektrometer mit sehr spezifischen und automatisierbaren Trenn- und Anreicherungsverfahren verknüpft. Diese Kombination ermöglicht schlussendlich die benötigte Information.

Das Verständnis der Eigenschaften von Licht und dessen Nutzung für Technik und Naturwissenschaft hat unsere Welt im Laufe nur eines Jahrhunderts wesentlich verändert. Davon haben auch die Chemie und die Analytik wesentlich profitiert. Dieser Prozess ist weit vorangeschritten, doch die Zukunft hält noch viele aufregende Entwicklungen bereit.

Literatur

[1] U. Neugebauer et al.; Analytical Chemistry (2013), 85, 10717-10724

[2] S. Kloß et al.; Analytical Chemistry(2013), 85,9610-9616