Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w analizie jakościowej i ilościowej dr Alina Dubis Zakład Chemii Produktów Naturalnych Instytut Chemii UwB
Tematyka Spektroskopia - podział i zastosowanie Promieniowanie elektromagnetyczne Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z drgającymi molekułami Częstości grupowe Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni Budowa i zasada działania spektrometrów do podczerwieni: - klasycznych - fourierowskich
Odkrywca podczerwieni Sir Frederick William Herschel stwierdził w 1800 r., że istnieje promieniowanie poza widzialnym obszarem. To promieniowanie cieplne nazwano później promieniowaniem podczerwony (prefix infra oznacza pod ). Eksperyment Herschel a był ważny nie tylko dlatego, że doprowadził do odkrycia promieniowania IR, ale również dlatego, że po raz pierwszy zauważono istnienie formy światła niewidzialnego dla ludzkiego oka.
Widmo promieniowania elektromagnetycznego - 780 nm 1 mm 0.7 5 m bliska podczerwień (NIR) 5 30 m średnia podczerwień (MIR) 30 1000 m daleka podczerwień (FAR)
Promieniowanie podczerwone jest stosowane w: Noktowizji Pomiarze odległości (dalmierze) Przekaz danych w światłowodzie IrDA przekaz danych w powietrzu Promienniki podczerwone (sauny) Fotografowanie niewidocznego
Wielkości charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne Właściwości falowe Prędkość w próżni Okres drgań c=3x10 8 m/s T [s] Częstotliwość drgań [Hz] Długość fali Liczba falowa [cm -1 ] =c/ = c/ = c Właściwości korpuskularne Energia promieniowania E= h Związek między falowym a korpuskularnym opisem promieniowania E=h = hc/ - h=6.62x10-34 [Js] -
Wielkości opisujące zjawisko absorpcji Intensywność wiązki padającej I 0 przechodzącej I Absorbancja A=logI 0 /I Transmitancja T= I/I 0 x100% A=log1/T Prawo Lamberta-Beera A= cl
Jak promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią Całkowita energia cząsteczki jest rozdzielona pomiędzy różne rodzaje energii. Rodzaje energii są powiązane z różnymi formami ruchu cząsteczki: Translacyjna Rotacyjna Oscylacyjna Elektronowa Promieniowanie radiowe powoduje zmianę orientacji magnetycznej jąder (Spektrometria NMR) Promieniowanie mikrofalowe powoduje wzbudzenie rotacji (Spektroskopia mikrofalowa) Promieniowanie podczerwone wzbudza oscylacje atomów (Spektroskopia IR) Promieniowanie widzialne i ultrafioletowe przejścia między poziomami elektronowymi powłoki walencyjnej (Spektroskopia UV-VIS)
Spektroskopia oscylacyjna
Rodzaje drgań Drgania rozciągające Drgania deformacyjne W płaszczyźnie Kołyszące Nożycowe Poza płaszczyzną Wachlarzowe Skręcające
Drgania oscylacyjne cząsteczki wody Cząsteczka nieliniowa posiada 3N-6 (3x3-6) oscylacyjnych stopni swobody O-H drganie rozciągające asymetryczne O-H drganie rozciągające symetryczne O-H drganie deformacyjne
Podział zakresu średniej podczerwieni 4000 400 cm -1 4000-2500 cm -1 drgania rozciągające wiązań pojedynczych pomiędzy atomami znacznie różniącymi się masą np. C-H, O-H, N-H, S-H 2500-2000 cm -1 drgania rozciągające wiązań potrójnych C C, C N 2000-1500 cm -1 drgania rozciągające wiązań podwójnych C=C, C=N, N=N, N=O 1500-1000 cm -1 obszar daktyloskopowy Drgania rozciągające wiązań pojedynczych atomów o zbliżonych masach: C-C, C-N, C-O Drgania deformacyjne różnych wiązań Drgania szkieletowe cząsteczki 1000-600 cm -1 drgania deformacyjne poza płaszczyzną wiązań C-H w układach aromatycznych i alkenylowych
Rodzaje drgań w zakresie średniej podczerwieni Długość fali Drgania rozciągające Drgania deformacyjne Liczba falowa
W jakim obszarze absorbują grupy funkcyjne? Liczby falowe Grupy funkcyjne Obszar daktyloskopowy
Charakterystyczne częstości grupowe Grupa/drganie / cm -1 Intensywność O-H rozciągające 3590-3650 s =C-H rozciągające 3000-3100 w >C-H rozciągające 2850-2970 w C=O rozciągające 1680-1780 vvs C=C rozciągające 1620-1680 w >CH 2 nożycowe 1460 m C-CH 3 symetrycznec-h deform. 1375 w C-O (ester) rozciągające 1150-1300 vs -CH=CH 2 deformacyjne poza płaszczyzną 985-995 i 905-915 -CH=CH- (trans) poza płaszczyzną 960-970 m >C=CH- poza płaszczyzną 790-840 m -(CH 2 ) x - (x > 4) poza płaszczyzną 720 m v m m
Widmo formaldehydu H 2 C=O w fazie gazowej Cząsteczka nieliniowa posiada 3N-6 oscylacyjnych stopni swobody czyli 3x4-6 = 6 wachlarzowe rozciągające nożycowe kołyszące rozciągające rozciągające
Krok pierwszy: Analiza widma IR W obszarze 1820-1660 cm -1 poszukujemy pasma karbonylowego. Jest to zazwyczaj najbardziej intensywne pasmo w widmie. Jeżeli takie pasmo zostało znalezione poszukujemy innych pasm związanych z grupami funkcyjnymi zawierającymi wiązanie C=O Liczba falowa (cm (cm -1 ) -1 )
Krok drugi: Analiza widm IR Jeżeli stwierdziliśmy obecność grupy karbonylowej wówczas określamy czy jest ona składnikiem kwasu, estru, aldehydu bądź ketonu
Kwasy szeroka absorpcja O-H 3300-2500 cm -1 pasmo drgań rozciągających C-O o średniej intensywności 1100-1300 cm -1 C=O 1725-1700 cm -1
Estry pasmo drgań rozciągających C-O o średniej intensywności 1100-1300 cm -1 C=O 1745-1720 cm -1
Aldehydy dwa słabe pasma C-H ok. 2850 i 2750 cm -1 C=O 1740-1720 cm -1
Ketony C=O 1725-1705 cm -1
Krok trzeci Analiza widm IR Jeżeli w widmie nieobecne jest pasmo karbonylowe wówczas poszukujemy pasma O-H alkoholu w obszarze 3300-2600 cm -1 oraz pasma C-O w obszarze 1300-1100 cm -1
Krok czwarty Analiza widm IR Jeżeli C=O i O-H są nieobecne, poszukujemy wiązań wielokrotnych C-H powyżej 3000 cm -1 C=C 1650-1450 cm -1
Krok piąty Analiza widm IR brak grup funkcyjnych świadczy o obecności alkanu lub halogenopochodnej
Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w zakresie średniej podczerwieni 4000-400 cm -1 Identyfikacja substancji o znanej strukturze Określanie struktury cząsteczki na podstawie tabeli częstości grupowych Określanie czystości związków Kontrola przebiegu reakcji Analiza ilościowa Badanie oddziaływań międzycząsteczkowych
Podczerwień bliska NIR 0.7 5 m Pasma absorpcyjne pochodzą od podstawowych drgań oscylacyjnych dających nadtony i pasma kombinacyjne. W tym regionie występują nadtony drgań rozciągających wiązań: OH np. w wodzie (trzy pasma o różnej intensywności pozwalają na pomiary wilgotności w zakresie 1-90%) NH - organiczny azot ( amidy) CH oleje Zastosowanie: badanie zawartości wilgoci w mące, skrobi, mleku w proszku, kawie rozpuszczalnej, chipsach analiza widma światła odbitego lub emitowanego przez planety
Podczerwień daleka FAR poniżej 200 cm -1 30 1000 m W tym obszarze zachodzi absorpcja spowodowana przejściami pomiędzy różnymi poziomami rotacyjnymi w cząsteczce Zastosowanie: badanie rezonansu sieci kryształów badanie drgań o niskiej częstotliwości całych zrębów molekularnych białek oraz fragmentów łańcuchów aminokwasowych lub też całych molekuł względem siebie
Zastosowanie spektroskopii IR w analizie związków nieorganicznych KNO 2 sieć krystaliczna składa się z kationów K + i anionów NO 2 - Można założyć, że drgania jonów są niezależne od siebie W widmie IR będziemy obserwować 3N-6 pasm anionu NO 2 - sym 1335 cm -1 asym 1250 cm -1 830 cm -1 Zmiana kationu powoduje jedynie niewielkie przesunięcia pasm anionu Gdy kation powoduje modyfikację krystalograficzną, ulegają zmianie pasma absorpcyjne związane z drganiami sieci krystalograficznej, występujące w dalekiej podczerwieni poniżej 600 cm -1
Spektrometry IR dyspersyjny fourierowski
Jak działa interferometr?
Jak działa interferometr?
Interferometr Michelsona Za jego pomocą Michelson zmierzył długość wzorca metra przechowywanego w Paryżu wyrażając ją jako 1553163.5 długości fal czerwonego światła kadmu, za co w 1907 r. uhonorowano go nagrodę Nobla Także empiryczny dowód stałości prędkości światła w każdym układzie odniesienia zawdzięczamy interferometrowi Michelsona, który jako pierwszy wykonał je w 1881. W 1907 r. dostał Nagrodę Nobla za konstrukcję precyzyjnych instrumentów optycznych i pomiary w dziedzinie spektroskopii i metrologii. Był pierwszym Amerykaninem-noblistą.
Transformacja Fouriera - - F( ) = F(x)cos2 xdx -
Przewaga spektrometrów fourierowskich nad przyrządami dyspersyjnymi Duża szybkość zbierania danych zysk multipleksowy Brak szczelin ograniczających zdolność rozdzielczą zysk aperturowy Duża precyzja skali częstości samoskalowanie Inne korzyści: FT-IR są odporne na przypadkowe promieniowanie. W urządzeniach dyspersyjnych detektor nie rozróżnia energii IR ze źródła od energii pochodzącej z zewnątrz np. żarówki FT-IR mają tylko jedno ruchome zwierciadło. Instrumenty dyspersyjne posiadają dużo ruchomych części, które z biegiem czasu rozregulowują się
Materiały przepuszczające promieniowanie podczerwone Materiał Granica przepuszczalności m cm -1 szkło 2.5 4000 kwarc 4.4 2300 szafir 6.5 1500 LiF 7.0 1400 CaF 2 10.0 1000 NaCl 20 500 AgCl 28 360 KBr 32 310 CsI 60 170 KSR-5 50 200
Techniki pomiarowe stosowane w FT-IR Transmisyjne Emisyjne Fotoakustyczne Odbiciowe - odbicie wewnętrzne (ATR, HATR) - odbicie zwierciadlane (SR) - odbicie rozproszone (DRIFTS)
Techniki pomiarowe TS ES PAS ATR DRIFTS SR