Paweł Szroeder Rezonanse magnetyczne oraz wybrane techniki pomiarowe fizyki ciała stałego Wykład XIII Techniki spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni Spektrofotometry siatkowe (IR) i fourierowskie (FTIR) Przykłady zastosowań
Widmo elektromagnetyczne a spektroskopia X UV VIS bliska IR daleka IR µfale fale radiowe środkowa IR 10 9 10 7 10 5 10 3 10 1 10-1 10-3 10-5 Liczba falowa [cm -1 ] jądrowe elektronowe oscylacyjne rotacyjne EPR, NMR 10-5 10-3 10-1 10 1 10 3 10 5 10 7 10 9 Długość fali [µm]
Widmo elektromagnetyczne a spektroskopia Zakres podczerwieni zwykle dzielony jest na trzy podzakresy: Zakres długość fali [µm] Liczba falowa [cm -1 ] bliska podczerwień (NIR) 0,78 2,5 12 800 4 000 środkowa podczerwień (Middle IR) 2,5 25 4 000 400 daleka podczerwień (Far IR) 25 1000 400 10
Oscylacje cząsteczek wywoływane przez absorpcję w podczerwieni Oscylacje molekuły dwuatomowej z dobrym przybliŝeniem opisuje prawo Hooke a: ~ 1 ν = 2 π c f ( m1 + m m m gdzie ~ ν jest liczbą falową [cm -1 ], m 1 oraz m 2 masami atomów 1 oraz 2 [g], c prędkością światła [cm/s] oraz f stałą siłową wiązania [dyna/cm]. Liczba falowa promieniowania podczerwonego, przy której następuje absorpcja, zaleŝy przede wszystkim od stałej siłowej wiązania oraz masy atomów biorących udział w określonym drganiu molekuły. Związki między długością fali, częstotliwością oraz liczbą falową są następujące: Jak przeliczać: 1cm ν = 1 2 2 ), c 1, ~ ν =, ν = c ~ ν. λ λ 124,3 = 29,979 GHz = 1,2398 10 ev λ[ µ m] =. E[eV] 1 4
Oscylacje cząsteczek wywoływane przez absorpcję w podczerwieni Wiązanie C H C D C C C C C = C C C cięŝsze atomy Energia wiązania [kj/mol] ZaleŜność częstości od masy atomowej 420 420 350 ZaleŜność częstości od energii wiązania 350 611 840 silniejsze wiązanie Częstość drgań rozciągających [cm -1 ] 3000 2100 1200 1200 1660 2200 częstość maleje częstość rośnie Częstość maleje ze wzrostem masy atomowej Częstość rośnie ze wzrostem energii wiązania Rozciągające > Zginające > Wahadłowe/Skręcające
Kiedy mody drgań są aktywne w podczerwieni Częstotliwość światła musi pokrywać się z częstotliwością własną oscylacji cząsteczki (rezonans). Podczas oscylacji muszą ulegać zmianie momenty dipolowe molekuł. Zmiany dipoli muszą zachodzić w tym samym kierunku, co zmiany wektora elektrycznego fali. dµ/dq 0 dµ/dq = 0 Cząsteczka HCl. W czasie drgania rozciągającego zmienia się moment dipolowy. Zatem drganie rozciągające jest aktywne w podczerwieni. Cząsteczka N 2. Drganie rozciągające nie powodują zmian momentu dipolowego, którego wartość zawsze wynosi 0. Linie absorpcyjne w podczerwieni nie występują.
Podstawowe rodzaje drgań Drgania rozciągające następują zmiany odległości międzyatomowych wzdłuŝ osi wiązań. rozciągające asymetryczne (ν-as) (assymetrical stretching) rozciągające symetryczne (ν-sym) (symmetrical stretching)
Podstawowe rodzaje drgań Zginające (deformacyjne) zmianie ulegają kąty pomiędzy wiązaniami noŝycowe - δ (scissoring) kołyszące - ρ (rocking) skręcające - τ (twisting) wahadłowe (ω) (wagging)
Przykład charakterystyczne pasma grupy alifatycznej CH 2 H H R C R Typ drgania PołoŜenie pasma NatęŜenie cm -1 R IR Antysymetryczne ν as 2925 s m Symetryczne ν sym 2850 s m NoŜycowe ν δ 1465 m m Wahające ν ω 1300 w -
Opis ilościowy absorpcji w podczerwieni Transmisja (T): 100% 0 Absorbancja (A): 0 próbka przeźroczysta całkowita absorpcja I 0 I próbka T = I I 0, natęŝenie promieniowania przechodzącego natęŝenie promieniowania padającego 1 I A = log = log 0. T I
Sposób przedstawiania widm w podczerwieni I widmo transmisji T = 100% I 0 1 I widmo absorpcji A = log = log 0. T I
Interpretacja widm w podczerwieni 4000 N H O H X-H dołączone do heteroatomów 3200 C-H 2800 C = O C C C = N C N C = C 2300 2100 1800 1500 potrójne podwójne drgania charakterystyczne molekuł pojedyncze (2380) 4000 3000 2000 CO 1000 2 Obszar pojedynczych wiązań przypisuje się pasma występujące pomiędzy 3300 i 2800 cm -1, Obszar podwójnych wiązań (1750 1500 cm -1 ); Obszar potrójnych wiązań (2300 2100 cm -1 ). W obszarze od 600 do 1500 cm -1 występują pasma pochodzące od drgań charakterystycznych konkretnych molekuł. W przypadku pomiaru więcej niŝ jednej substancji dochodzi do przekrywania pasm, co utrudnia ich identyfikację. W obszarze tym obserwuje się takŝe pasma pochodzące od drgań rozciągających cięŝkich atomów. Istnieją bazy danych widm w podczerwieni, np. Pouchert CJ, The Aldrich Library of IR Sepctra, Aldrich Chemical, Milwaukee, 1981, lub elektroniczna baza IRUG (http://www.irug.org/). cm -1
Interpretacja widm w podczerwieni
Analiza ilościowa NatęŜenie maksimów absorpcyjnych zaleŝy od ilości substancji (prawo Beera): ( ~ ) ( ~ I ν A ν ) = log ( ~ ), ( ~ = ε ν bc I ν ) 0 gdzie ε jest współczynnikiem ekstynkcji molowej, b jest grubością próbki zaś c stęŝeniem roztworu. PoniewaŜ współczynnik ekstynkcji zaleŝy od liczby falowej, absorbancja jest równieŝ funkcją liczby falowej. W układzie wieloskładnikowym (składniki nie oddziałują ze sobą) absorbancja od poszczególnych składników sumuje się. Jak wynika z prawa Beera, absorbancja jest bezpośrednio związana ze stęŝeniem mierzonej substancji. Wielkością uzyskiwaną bezpośrednio z pomiaru jest transmisja.
Spektroskopia absorpcyjna w podczerwnieni Promiennik IR Detektor Pomiar promieniowania źródła Ocena zmiany charakterystyki wiązki promieniowania po przejściu przez preparat
Spektroskopia absorpcyjna w podczernieni Schemat blokowy spektrometru dyspersyjnego
Dyspersyjny spektrometr w podczerwieni
Komora pomiarowa spektrometru
Spektroskopia fourierowska interferometr Michelsona Interferometr zbudowany jest z dwóch płaskich zwierciadeł ustawionych względem siebie pod kątem prostym. Jedno ze zwierciadeł jest ruchome. Promieniowanie pada na zwierciadło półprzepuszczalne, które część natęŝenia wiązki padającej kieruje do nieruchomego zwierciadła, część do ruchomego. Obie wiązki odbite od zwierciadeł po ponownym przejściu przez zwierciadło półprzepuszczalne trafiają do detektora. Kompensator wykorzystywany jest do wyrównania dróg optycznych w obu ramionach interferometru. Przemieszczenie x ruchomego zwierciadła powoduje zwiększenie róŝnicy dróg optycznych o wielkość 2x, przez co wprowadzona zostaje róŝnica faz δ = 4πx. λ x zwierciadło ruchome zwierciadło półprzepuszczalne źródło zwierciadło nieruchome kompensator do detektora
Interferometr Michelsona (I) zwierciadło I zwierciadło II (II) zwierciadło półprzepuszczalne detektor (III) (IV) (V)
Spektrometr z transformatą fourierowską (FTIR) interferometr źródło IR detektor IR komora próbki zwierciadła z otworami na wiązkę laserową detektor lasera laser Część promieniowania IR trafia poprzez zwierciadło półprzepuszczalne do zwierciadła nieruchomego, stamtąd po odbiciu do detektora. Druga część zaś trafia do zwierciadła ruchomego, skąd po odbiciu równieŝ trafia do detektora. RóŜnica dróg optycznych obu wiązek wynosi 2x. Laser He-Ne uŝywany jest jako monochromatyczne źródło odniesienia. Wiązka lasera kierowana jest do interferometru w kierunku przeciwnym do biegu promieniowania podczerwonego.
Spektrometr z transformatą fourierowską (FTIR)
Pomiar FTIR interferogram FFT widmo
Pomiar FTIR
Zalety spektroskopii fourierowskiej pomiar całego widma odbywa się równocześnie; n 1/2 razy większy stosunek sygnału do tła; zysk aperturowy szczelina monochromatyczna w spektrometrach dyspersyjnych powoduje straty natęŝenia; pomiary mogą być wykonywane dla próbek o masie rzędu µm. W mikroskopach fourierowskich przepustowość światła moŝna zwiększyć od 10 do 200 razy. Zdolność rozdzielcza nie jest bowiem ograniczona przez wielkość apertury. W spektrometrach fourierowskich 1 ( ν~ ) =, ( x) m gdzie x jest krokiem przesuwu zwierciadła ruchomego. Stosunek sygnału do szumu S/N: S = N n S N x x.
Przygotowanie próbek Ciecze: pomiary wykonuje się bezpośrednio w kuwetach z NaCl lub KBr; badaną ciecz umieszcza się pomiędzy płytkami z NaCl lub KBr. Próbki stałe: próbki w ilości 0,5 1 mg rozdrabnia się do ziaren nie większych niŝ 2 µm; miesza się z ok. 100 mg sproszkowanego bromku potasu; wykonuje się pastylki o średnicy 0,5 1,5 mm; lub proszek miesza się z płynną parafiną i nanosi na powierzchnię NaCl bądź KBr;
Prasa do wykonywania pastylek KBr Pastylka KBr
Wybrane widma wzorcowe pigmentów biel ołowiowa azuryt malachit pucola
Wybrane widma wzorcowe spoiw i wypełniaczy kazeina kreda klej glutynowy gips
Widmo IR oleju lnianego na płytce KBr
Badania spoiw z próbek olejnych warstw malarskich metodą FTIR 100 90 90 80 85 %T 70 60 50 40 1165 C-O 1746 C=O 2855 2921 2956 C-H J. Matejko (1870) pastylka KBr %T 80 75 70 1164 C-O 1740 C=O 2855 2921 2955 C-H S. Witkiewicz (1911) pastylka KBr 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Liczba falowa, cm -1 J. Matejko, Portret Antoniego Serafińskiego (1870), Muzeum Narodowe w Poznaniu, MP 58 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Liczba falowa, cm -1 S. Witkiewicz, Kompozycja z pięcioma postaciami (1911), Muzeum Narodowe w Warszawie, MPW 3615
Analiza pasm w obszarze 2800 3000 cm -1 (drgania rozciągające wiązań C-H) L4 L6 L2
Analiza kształtu pasm w obszarze 2800 3000 cm -1 (drgania rozciągające wiązań C-H) 6 L2L6 40 L4L6 35 30 4 25 I(L2)/I(L6) 2 I(L4)/I(L6) 20 15 10 5 0 0 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 Rok powstania obrazu -5 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 Rok powstania obrazu Stosunek natęŝeń całkowych L2 i L6 w funkcji daty próbki Stosunek natęŝeń całkowych L4 i L6 w funkcji daty próbki
Przykład badania pigmentów z próbek warstw malarstwa ściennego Narteks Nawa - detal Polichromie wewnątrz XVII w. drewnianej cerkwii Pogorera Sfantului Duh, Dretea k. Cluj, Rumunia Al. Popescu, D. Bogdea, M. Giurginca, A. Popescu, S. Stoleriu: The role played by the scientific techniques used in the examination and analyses of the mural painting of wooden Romanian churches, materiały z konferencji CIPA 2005 XX International Symposium, 26 Sept. 01Oct., 2005, Torino, Italy
Widma FTIR, pomiar transmisji, pastylki KBr warstwa czerwona - minia ultramaryna warstwa Ŝółta - FeO czerwono-brązowa FeO + cynober Al. Popescu, D. Bogdea, M. Giurginca, A. Popescu, S. Stoleriu: The role played by the scientific techniques used in the examination and analyses of the mural painting of wooden Romanian churches, materiały z konferencji CIPA 2005 XX International Symposium, 26 Sept. 01Oct., 2005, Torino, Italy
Malowidła ścienne w skarbcu Konkatedry w Kamieniu Pomorskim UkrzyŜowanie (po lewej) i Zmartwychstanie (po prawej) Zwiastowanie (po lewej) i Ofiarowanie (po prawej) Deesis
Widma FTIR próbek malowideł ściennych w KP Mikrofotografia przekroju ciemnobłekitnej warstwy malarskiej Ch kreda, Res Ŝywica, Azu azuryt, CO 3 węglany zaprawy, Alb - albumina
Widma FTIR próbek malowideł ściennych w KP Mikrofotografia przekroju jasnobłekitnej warstwy malarskiej LL lapis lazuli, Ch kreda, Res Ŝywica, Azu azuryt, Alb - albumina
Widma FTIR próbek malowideł ściennych w KP Mikrofotografia przekroju zielonej warstwy malarskiej LW biel ołowiowa, Ch kreda, Mal - malachit
Widma FTIR próbek malowideł ściennych w KP Mikrofotografia przekroju czerwonej warstwy malarskiej Puc puccola, Ch kreda, CB czerń węglowa
Metody odbiciowe spektroskopii w podczerwieni 1. Rejestrujemy promieniowanie odbite z przylegających powierzchni (powietrze - próbka, ciało stałe - próbka, ciecz - próbka) 2. Metodami tymi moŝna analizować ciała stałe, ciecze, Ŝele, pokrycia, 3. Metody te są mniej wymagające w fazie preparacji próbek 4. Metody przydatne w analizach ilościowych.
Odbiciowe metody pomiarów Metoda osłabionego odbicia całkowitego (ATR attenuated total reflectance): wiązka promieniowania podczerwonego odbija się od przylegających powierzchni na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia; próbka musi być w kontakcie optycznym z kryształkiem; informację zbieramy z powierzchni próbki. Metoda odbicia rozproszonego (DRIFTs): proszki i ciała stałe zalane w matrycy przezroczystej dla IR; informację uzyskuje się z duŝej części objętości matrycy. Metoda zewnętrznego odbicia: próbka musi być odbijająca bądź umieszczona na powierzchni odbijającej; informację spektroskopową uzyskuje się z obszaru makroskopowego.
Metoda ATR odbijająca pokrywa Jednoodbiciowa docisk próbka Wieloodbiciowa głębokość penetracji IR do 2 µm próbka kryształ IR do detektora IR próbka kryształ do detektora Mały obszar próbkowania Metoda wykorzystywana w pomiarach substancji o silnej absorpcji DuŜy obszar próbkowania, duŝy kontakt próbki z kryształkiem ATR Metoda stosowana przy substancjach o słabej absorpcji Próbki stałe
Metoda ATR głębokość penetracji, zastosowania d p = 2πn atr sin 2 λ θ ( n próbki / n atr ) 2, Głębokość penetracji zaleŝy od współczynników załamania kryształku n atr oraz próbki n próbki oraz kąta padania promieniowania θ. Zakres spektralny zaleŝy od przepuszczalności kryształku. Metoda ATR moŝe być stosowana do próbek stałych, płynnych, Ŝelów oraz past. Pomiarom mogą być poddawane zarówno próbki ciekłe, jak i zasadowe. ATR stosuje się z powodzeniem do pomiarów polimerów w postaci pastylek lub regularnych klocków oraz warstw polimerowych. Metoda ta jest bardzo owocna w badaniach struktur wielowarstwowych. Dobierając odpowiednio kąt padania wiązki IR oraz wykonując widma róŝnicowe moŝemy uzyskać informacje z konkretnej warstwy.
Właściwości kryształów ATR Materiał Zakres spektralny (cm -1 ) Współczynnik załamania Głębokość penetracji [µm] (45 & 1000 cm -1 ) Zastosowanie German 5500 675 4 0,66 Próbki o silnej absorpcji, np. ciemne polimery Krzem 8900 1500 360 120 3,4 0,85 odporne na większość roztworów AMTIR 11 000 725 2,5 1,77 odporny na działanie kwasów ZnSe 15 000 650 2,4 2,01 do ogólnego uŝytku Diament 25 000-100 2,4 2,01 Większość próbek, szczególnie uŝyteczny w przypadku twardych materiałów
Obrazowanie w podczerwieni kamera CCD (w paśmie widzialnym) detektor FPA matryca MCT 64 x 64 zwierciadło strojeniowe obiektyw próbka kondenser źródło IR interferometr zwierciadło strojeniowe
Obrazowanie w podczerwieni MCT tellurek kadmowo rtęciowy (Hg x Cd 1-x Te), półprzewodnikowy stop CdTe oraz HgTe. Ilość kadmu w stopie dobiera się tak, by materiał wykazywał absorpcję w poŝądanym obszarze podczerwieni. CdTe jest półprzewodnikiem o przerwie wzbronionej około 1,5 ev, natomiast HgTe jest półmetalem. Mieszając obie substancje w odpowiednim stosunku uzyskujemy półprzewodnik o przerwie wzbronionej od 0 do 1,5 ev. matryca diod MCT W pierwszej warstwie następuje detekcja fotonów, w drugiej następuje wzmacnianie sygnału i składanie obrazu w wybranym obszarze widma EM. matryca płaszczyzny optycznej FPA (focal plane array) konatakty z indu Colarussa P. et al. Appl. Spectroscopy, 1998, 52, 106A
Obrazowanie w podczerwieni rozpuszczanie polimeru Obraz IR dyfuzji ciekłokrystalicznego monomeru. Obraz pasm absorpcji IR uzyskano w kierunku prostopadłym do kierunku dyfuzji. Obrazowanie IR pozwala na uzyskanie profilów stęŝenia róŝnych grup funkcyjnych w próbce. Koenig JL, et al. Anal. Chem. 2001,73, 361A
Mikrospektroskopia FTIR obrazowanie tkanek Obrazy spektroskopowe tkanki płucnej uzyskane w róŝnych obszarach promieniowania podczerwonego Widma FTIR uzyskane z obszaru pojedynczego piksela. Colarussa P. et al. Appl. Spectroscopy, 1998, 52, 106A
Mikrospektroskopia FTIR obrazowanie tkanek Makroskopowy i mikroskopowy obraz mózgu myszy. Widoczny jest rozkład przestrzenny składników białek i lipidów uzyskany na podstawie odpowiadających im pasm absorpcyjnych w podczerwieni. Colarussa P. et al. Appl. Spectroscopy, 1998, 52, 106A
Ograniczenia spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni niska jakość widm przy badaniu próbek o rozmiarach ziaren większych od długości fali padającej; straty związane z rozpraszaniem i odbiciami na kryształach o duŝym współczynniku załamania w stosunku do medium; inwersja pasm powodowana odbiciami fal elektromagnetycznych; zdolność rozdzielcza spektromikroskopów ograniczona długością fal IR do ~50 µm.