Teorija, metoda in uporaba infrardeče spektroskopije



The infrardeča spektroskopija je študija, kako molekule absorbirajo infrardeče sevanje in jo končno pretvorijo v toploto.

Ta proces je mogoče analizirati na tri načine: merjenje absorpcije, emisije in refleksije. Zaradi te natančnosti je infrardeča spektroskopija ena najpomembnejših analitičnih tehnik, ki so na voljo današnjim znanstvenikom.

Ena od velikih prednosti infrardeče spektroskopije je, da lahko skoraj vsak vzorec preučujemo v skoraj vseh državah.

Tekočine, praški, filmi, raztopine, paste, vlakna, plini in površine lahko preverjamo z razumno izbiro tehnike vzorčenja. Zaradi izboljšane instrumentacije so bile razvite številne nove občutljive tehnike za preučevanje predhodno nezdružljivih vzorcev.

Infrardeča spektroskopija je med mnogimi drugimi uporabami in aplikacijami uporabna za merjenje stopnje polimerizacije pri izdelavi polimerov. Spremembe količine ali značaja določene povezave se ocenijo z merjenjem določene frekvence skozi čas.

Sodobni raziskovalni instrumenti lahko merijo infrardeče v območju interesa, ki je pogosto 32-krat na sekundo.

To je mogoče storiti, medtem ko so hkratne meritve opravljene z uporabo drugih tehnik, kar omogoča hitrejše in natančnejše opazovanje kemijskih reakcij in procesov.

Teorija infrardeče spektroskopije

Neprecenljivo orodje pri določanju in preverjanju organskih struktur vključuje razred elektromagnetnega sevanja (REM) s frekvencami med 4000 in 400 cm-1 (valovna števila).

Kategorija sevanja se imenuje infrardeče (IR) sevanje, njegova uporaba v organski kemiji pa je znana kot IR spektroskopija..

Sevanje v tej regiji se lahko uporabi pri določanju organske strukture, pri čemer se uporabi dejstvo, da jo absorbirajo medatomske vezi v organskih spojinah..

Kemijske vezi v različnih okoljih bodo absorbirale spremenljive intenzitete in spremenljive frekvence. Zato IR spektroskopija vključuje zbiranje informacij o absorpciji in analizo v obliki spektra.

Frekvence, na katerih obstajajo absorpcije IR sevanja (vrhovi ali signali), so lahko neposredno povezane s povezavami znotraj zadevne spojine..

Ker lahko vsaka interatomska povezava vibrira v več različnih gibih (raztezanje ali upogibanje), lahko posamezne povezave absorbirajo več kot eno IR frekvenco.

Razteznostne absorpcije so nagnjene k ustvarjanju močnejših vrhov kot upogibanje, vendar so lahko slabše upogibne absorpcije koristne za razlikovanje podobnih tipov vezi (npr. Aromatična substitucija)..

Pomembno je tudi omeniti, da simetrične vibracije ne povzročajo absorpcije IR sevanja. Na primer, nobena od ogljik-ogljikovih vezi etilena ali etilena ne absorbira IR sevanja.

Instrumentalne metode določanja strukture

Jedrska magnetna resonanca (NMR)

Vzbujanje jedra atomov z radiofrekvenčnim obsevanjem. Zagotavlja obširne informacije o molekularni strukturi in povezljivosti atomov.

Infrardeča spektroskopija (IR)

Sestavlja ga sprožanje molekularnih vibracij z obsevanjem z infrardečo svetlobo. V glavnem zagotavlja informacije o prisotnosti ali odsotnosti nekaterih funkcionalnih skupin.

Masna spektrometrija

Bombardiranje vzorca z elektroni in odkrivanje nastalih molekularnih fragmentov. Zagotavlja informacije o povezljivosti molekulske mase in atomov.

Ultravijolična spektroskopija (UV)

Promocija elektronov na višjih energetskih nivojih z obsevanjem molekule z ultravijolično svetlobo. Zagotavlja informacije o prisotnosti konjugiranih π sistemov in dvojnih in trojnih vezi.

Spektroskopija

Gre za proučevanje spektralnih informacij. Po obsevanju z infrardečo svetlobo se nekatere vezi hitreje odzovejo z vibracijami. Ta odgovor je mogoče zaznati in prevesti v vizualno predstavitev, imenovano spekter. 

Proces interpretacije spektra

  1. Prepoznajte vzorec.
  2. Povežite vzorce s fizičnimi parametri.
  3. Prepoznajte možne pomene, torej predlagajte razlage.

Ko je spekter dosežen, je glavni izziv pridobiti informacije, ki jih vsebuje, v abstraktni ali skriti obliki.

To zahteva priznanje določenih vzorcev, povezavo teh vzorcev s fizičnimi parametri in razlago teh vzorcev v smislu smiselnih in logičnih razlag..

Elektromagnetni spekter

Večina organske spektroskopije uporablja elektromagnetno energijo ali sevanje kot fizično stimulacijo. Elektromagnetna energija (kot je vidna svetloba) nima zaznavne masne komponente. Z drugimi besedami, lahko se imenuje "čista energija".

Druge vrste sevanja, kot so alfa žarki, ki so sestavljeni iz jeder helija, imajo zaznavno masno komponento in se zato ne morejo razvrstiti kot elektromagnetna energija..

Pomembni parametri, povezani z elektromagnetnim sevanjem, so:

• Energija (E): Energija je neposredno sorazmerna s frekvenco in obratno sorazmerna z valovno dolžino, kot je navedeno v spodnji enačbi..

  • Frekvenca (μ)
  • Valovna dolžina (λ)
  • Enačba: E = hμ

Vibracijski načini

  • Kovalentne vezi lahko vibrirajo na različne načine, vključno z raztezanjem, zibanjem in škarjami.
  • Najbolj uporabni pasovi v infrardečem spektru ustrezajo frekvencam raztezanja.

Prenos v primerjavi s Absorpcija

Ko je kemijski vzorec izpostavljen delovanju IR LIGHT (infrardeče sevalne svetlobe), lahko absorbira nekatere frekvence in prenese ostalo. Del svetlobe se lahko odbije nazaj do vira.

Detektor zazna prenesene frekvence in pri tem razkrije tudi vrednosti absorbiranih frekvenc.

IR-spekter v absorpcijskem načinu

IR spekter je v bistvu graf frekvenc, ki se prenašajo (ali absorbirajo) v primerjavi z intenzivnostjo prenosa (ali absorpcije). Frekvence se pojavijo v osi x v enotah inverznih centimetrov (valovne številke), intenzivnost pa v osi y in v odstotnih enotah. Graf prikazuje spekter v absorpcijskem načinu:

IR spekter v načinu prenosa

Graf prikazuje spekter v načinu prenosa. To je najpogosteje uporabljena predstavitev, ki jo najdemo v večini knjig s področja kemije in spektroskopije.

Uporabe in aplikacije

Ker je infrardeča spektroskopija zanesljiva in enostavna tehnika, se pogosto uporablja v organski sintezi, znanosti o polimerih, petrokemični inženiring, farmacevtski industriji in analizi hrane..

Ker se lahko spektrometri FTIR sintetizirajo s kromatografijo, je mogoče s takimi instrumenti raziskati mehanizem kemijskih reakcij in odkrivanje nestabilnih snovi..

Nekatere uporabe in aplikacije vključujejo:

Nadzor kakovosti

Uporablja se za nadzor kakovosti, dinamične meritve in nadzorne aplikacije, kot je dolgoročno nenadzorovano merjenje koncentracije CO2 v rastlinjakih in rastnih komorah z uporabo infrardečih analizatorjev plina..

Forenzična analiza

Uporablja se pri forenzični analizi v kazenskih in civilnih zadevah, na primer pri ugotavljanju degradacije polimerov. Lahko se uporablja za določanje vsebnosti alkohola v krvi voznika, za katerega se sumi, da je pijan.

Analiza trdnih vzorcev brez potrebe po rezanju

Uporaben način za analizo trdnih vzorcev brez rezanja je uporaba ATR ali oslabljene totalne refleksijske spektroskopije. S tem pristopom se vzorci stisnejo proti obrazu enega kristala. Infrardeče sevanje prehaja skozi steklo in sodeluje le z vzorcem na vmesniku med dvema materialoma.

Analiza in identifikacija pigmentov

IR spektroskopija se uspešno uporablja pri analizi in identifikaciji pigmentov na slikah in drugih umetniških predmetih, kot so osvetljeni rokopisi..

Uporaba v živilski industriji

Druga pomembna uporaba infrardeče spektroskopije je v živilski industriji za merjenje koncentracije različnih spojin v različnih živilskih proizvodih.

Natančne študije

Z naraščanjem tehnologije v računalniškem filtriranju in manipulacijo rezultatov je mogoče zdaj natančno izmeriti vzorce v raztopini. Nekateri instrumenti vam bodo tudi samodejno povedali, katera snov se meri iz skladišča tisočih shranjenih referenčnih spektrov.

Preskusi na terenu

Instrumenti so zdaj majhni in jih je mogoče prevažati, tudi za uporabo na terenskih testih.

Puščanje plina

Infrardeča spektroskopija se uporablja tudi v napravah za odkrivanje uhajanja plina, kot so DP-IR in EyeCGA. Te naprave zaznavajo uhajanje plina ogljikovodikov v transportu naravnega in surovega plina.

Uporaba v vesolju

NASA uporablja zelo posodobljeno podatkovno bazo, ki temelji na infrardeči spektroskopiji, za sledenje policikličnih aromatskih ogljikovodikov v vesolju..

Znanstveniki menijo, da je več kot 20% ogljika v vesolju povezano s policikličnimi aromatičnimi ogljikovodiki, možnimi izhodnimi materiali za oblikovanje življenja..

Zdi se, da so policiklični aromatski ogljikovodiki nastali kmalu po Big Bangu. Razširjeni so po vsem vesolju in so povezani z novimi zvezdami in eksoplaneti.

Reference

  1. Nancy Birkner (2015). Mind Touch. Kako deluje spektrometer FTIR. Vzpostavljeno iz: mindtouch.com.
  2. Cortes (2006). Teorija in interpretacija IR spektrov. Dvorana Pearson Prentice. Vzpostavljeno iz: utdallas.edu.
  3. Barbara Stuart (2004). Infrardeča spektroskopija. Wiley Vzpostavljeno iz: kinetics.nsc.ru.
  4. Wikipedija (2016). Infrardeča spektroskopija. Wikipedija, proste enciklopedije. Vzpostavljeno iz: en.wikipedia.org.