Techniklexikon

dielektrische Spektroskopie

Biophysik, Dielektrometrie, Impedanz-Spektroskopie, Wechselstrom-Spektroskopie, Untersuchung der Absorption von elektromagnetischen Wellen in einem Frequenzbereich von 10 ^{- 4} Hz bis zu etwa 20 GHz durch Materie. Die Methode richtet die Aufmerksamkeit auf elektrische Übergänge, die langsamer und weiträumiger sind als jene aus der klassischen UV- oder IR-Spektroskopie, d.h. auf die induzierte Polarisation und Orientationspolarisation (die Bewegung von Ladungen und induzierten und permanenten Dipolen als Reaktion auf veränderliche elektrische Felder). Die passiven elektrischen Eigenschaften eines Systems können vollständig durch die frequenzabhängige komplexe Dielektrizitätskonstante e * (oft: Permittivität) und die Leitfähigkeit s beschrieben werden. Um deren Werte zu messen, legt man an die Probe ein elektrisches Wechselfeld an, wodurch in ihr ein Strom erzeugt wird. Anschliessend bestimmt man den Leitwert G (reziproker Widerstand) und die elektrische Kapazität C in einem ausreichenden Frequenzintervall. Diese beiden Grössen spiegeln die phasengleiche und die um 90° phasenverschobene Komponente des Stromes zum angelegten sinusförmigen Potential wider. Es gibt im wesentlichen drei Ausführungsformen von dielektrischen Spektrometern: Frequenzganganalysatoren, Impedanzmessbrücken und koaxiale Reflektometer.

In der Physik der kondensierten Materie wird die dielektrische Spektroskopie zur Bestimmung der dielektrischen Relaxationseigenschaften eingesetzt, wobei die Relaxationsprozesse mit hoher Auflösung über den gesamten Frequenzbereich detektiert werden können.

In der Biophysik wird die dielektrische Spektroskopie hauptsächlich zum Studium der Hydratation von Biomakromolekülen eingesetzt. Das typische dielektrische Spektrum von biologischem Gewebe hat drei Hauptbereiche (a, b, g) und zwei kleinere (b₁, d) dielektrische Dispersionen (Abbildung). Der Effekt ist sehr gross im Vergleich zur Dielektrizitätszahl des Wassers (e_r » 80 bei 25 °C). Die Hauptmechanismen sind die Relaxation von Ionen an geladenen Zellmembranen (a), das Aufladen der Kapazität der Zellmembranen (b), die Rotation kleiner Dipole, hauptsächlich Wassermoleküle (g), die Rotation von Proteinmolekülen (b₁), und die Rotation von Aminosäureseitenketten der Proteine und von adsorbierten Wassermolekülen (d). [FE]

dielektrische Spektroskopie: Abhängigkeit des Realteils der Dielektrizitätskonstante eines typischen biologischen Gewebes von der Frequenz mit Bezeichnung der Bereiche bekannter dielektrischer Dispersionen (a, b, b₁, g, d).