Die Spektroskopie ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie. Sie ist eines der leistungsfähigsten Werkzeuge der analytischen Chemie und liefert Informationen über Molekülstruktur, elektronische Konfiguration und elementare Zusammensetzung für praktisch jeden Probentyp. Das elektromagnetische Spektrum reicht von hochenergetischer Gammastrahlung (λ < 10 pm) über Röntgenstrahlung, Ultraviolett (UV), sichtbares Licht (Vis), Infrarot (IR), Mikrowellen bis hin zu niederenergetischen Radiowellen (λ > 1 m). Jeder Bereich untersucht unterschiedliche molekulare oder atomare Übergänge.
Wenn Strahlung mit Materie wechselwirkt, können drei Hauptphänomene auftreten: Absorption (das Molekül nimmt Photonenenergie auf und geht in einen angeregten Zustand über), Emission (eine angeregte Spezies relaxiert durch Abgabe eines Photons) und Streuung (Strahlung wird mit oder ohne Energieänderung abgelenkt – Rayleigh- bzw. Raman-Streuung). Die Absorptionsspektroskopie ist die am weitesten verbreitete Methode, und die Beziehung zwischen Absorption und Konzentration wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben: A = εbc, wobei A die Extinktion, ε der molare Extinktionskoeffizient, b die Schichtdicke und c die Konzentration ist.
Die Molekülspektroskopie umfasst Übergänge zwischen quantisierten Energieniveaus innerhalb von Molekülen – elektronische (UV-Vis), vibrationelle (IR, Raman) und rotatorische (Mikrowelle). Die Atomspektroskopie umfasst Übergänge von Elektronen in freien Atomen, die typischerweise eine Atomisierung bei hohen Temperaturen (Flamme, Ofen oder Plasma) zur Aufbrechung molekularer Bindungen erfordern. Atomabsorption (AAS), Atomemission (AES, ICP-OES) und Atomfluoreszenz (AFS) sind die wichtigsten atomaren Techniken.
Alle spektroskopischen Instrumente haben gemeinsame Komponenten: eine Strahlungsquelle (Kontinuums- oder Linienquelle), einen Wellenlängenselektor (Monochromator oder Filter), der die analytische Wellenlänge isoliert, einen Probenhalter (Küvette, Flamme oder Plasma) und einen Detektor (Sekundärelektronenvervielfacher, Photodiode oder CCD-Sensor), der Lichtintensität in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bestimmt das kleinste nachweisbare Signal und kann durch Signalmitteilung, Modulation und Lock-in-Verstärkung verbessert werden. Moderne Instrumente verfügen oft über Automatisierung, computergesteuerte Datenerfassung und fortschrittliche chemometrische Software zur spektralen Entfaltung.
