Infracrvena spektroskopija (IR)instrumentalne.tmf.bg.ac.rs/Predavanja/5. IR.pdf · Apsorpcija IR...
Transcript of Infracrvena spektroskopija (IR)instrumentalne.tmf.bg.ac.rs/Predavanja/5. IR.pdf · Apsorpcija IR...
Infracrvena spektroskopija (IR)
Molekulska spektroskopija
APSORPCIONA Vidljiva UV IR
EMISIONA Fluorimetrija
Ser Frederik Vilijam Heršel (William Herschel; 1738–1822) otkrio je infracrvenu svetlost
ISTORIJAT
1799. godine astronom Hershel je, mereći termometrom jačinu zagrevanja svetlošću pojedinih boja, primetio da se termometar zagreva van vidljivog dela spektra – naziv “toplotno zračenje”.
1869. godine francuski spektrofizičar Edmond Bekerel dao je današnje ime zračenju – “infra” na latinskom “ispod”.
Njegov unuk Anri Bekerel je okrio radiaktivnost. 1905. godine američki fizičar Koblenc prvi je snimio IR
spektre raznih organskih jedinjenja – razlikovao je grupe jedinjenja alkana, alkena, alkohola.....
ISTORIJAT
pedesetih godina XXog veka astronomi za proučavanje IR spektara udaljenih zvezda (trebalo je razdvojiti slab signal od šuma) konstruišu prvi FT-IR spektrometar.
Prvu infracrvenu fotografiju snimio je W. Abney 1880. Danas se IR primenjuje u vojne svrhe, u medicini, u industriji, astronomiji, kriminalistici, u istraživanju umetničkih premeta, u istraživanju geoloških predmeta...
INFRACRVENO ZRAČENJE (IR) Za ljudsko oko, zraci ovih talasnih dužina su nevidljivi, ali se njihovo delovanje može zapaziti na koži kao osećaj toplote.
INFRACRVENO ZRAČENJE
Infracrveni deo spektra (u talasnim brojevima 400 - 4000 cm-1) Deli se (po talasnim dužinama) na
• blisku (0,8-2,5 µm ili 12500 - 4000 cm-1), • srednju (2,5-50 µm ili 4000 - 200 cm-1) i • daleku (50-1000 µm ili 200 - 10 cm-1) infracrvenu oblast.
Infracrveno zračenje
Zračenje može biti izraženo kao frekvencija (Hz) - broj talasa koji prođu kroz jednu
tačku u sekundi, pri čemu je 1 Hz = 1 ciklus/s) talasna dužina (λ - dužina jednog punog talasa) talasni broj - recipročna vrednost talasne dužine (cm-1). Dolazi do prelaza sa rotacionih nivoa jednog
vibracionog nivoa na rotacione nivoe drugog vibracionog nivoa u istom elektronskom stanju.
Energetski nivoi
E
N
E
R
G
Y
Elektronski nivo
Rotacioni nivo
Vibracioni nivo
Talasni broj određuje mesto apsorpcionih maksimuma
IR spektar n-dekana
INFRACRVENO ZRAČENJE
Vrste energetskih prelaza koje nastaju apsorpcijom IR zraka su vibracije, rotacije i viši tonovi.
Analitički, IR spektroskopija se zasniva na apsorpciji (ili refleksiji) zračenja iz oblasti ~1 do 1000 μm.
Najveći broj funkcionalnih grupa apsorbuje u osnovnom delu – vibracije
Viši tonovi - trake slabog intenziteta
INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA
Atomi i molekuli nalaze se u stanju neprekidnog vibriranja
Vibracije zavise od složenosti i geometrije molekula i imaju svoju frekvenciju koja zavisi od mase atoma i jačine veze između njih
Neke od molekulskih vibracija su karakteristične za molekul kao celinu, a neke za određene funkcionalne grupe
Talasne dužine molekulskih vibracija nalaze se u infracrvenoj oblasti spektra elektromagnetnog zračenja
INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA
vrši identifikaciju organskih i neorganskih jedinjenja na osnovu njihovog infracrvenog (IR) spektra
najšira primena IR spektroskopije je pri analizi organskih jedinjenja, ali je korisna i za poliatomne neorganske molekule i za organometalna jedinjenja
IR spektar je karakterističan za svako jedinjenje → “otisak prsta molekula”
IR spektar se predstavlja se kao zavisnost transparencije (T), odnosno propustljivosti, od talasne dužine (λ), odnosno talasnog broja
Apsorpcija IR zračenja
Apsorpcija u IR oblasti nastaje kao rezultat interakcije zračenja sa monohromatskog izvora i hemijske veze unutar uzorka.
Ako su atomi koji grade kovalentu vezu različiti, oni formiraju dipole koji osciluju specifičnom frekvencijom. Ako je na uzorak upućena svetlost te talasne dužine, desiće se interakcija tog zračenja sa hemijskom vezom, odnosno električna komponenta elektromagnetnog talasa preneće svoju energiju ako su talasne dužine/frekvencije ova dva kretanja jednake.
Apsorpcija IR zračenja
Do apsorpcije IR zračenja dolazi samo ukoliko se dipolni moment menja usled sopstvenog vibracionog ili rotacionog kretanja molekula.
Molekuli poput N2, O2 ili Cl2 sa nepolarnim vezama ne apsorbuju (“transparentni su”) u IR oblasti.
Kada je vibracija polarne hemijske veze ili rotacija asimetričnog molekula ista kao frekvencija promenljivog električnog polja elektromagnetnog zračenja, dolazi do prenosa energije, tj. do apsorpcije zračenja.
APSORPCIJA INFRACRVENOG ZRAČENJA
Da bi došlo do apsorpcije potrebno je: da frekvencija vibracije hemijske veze ν (prirodna
frekvencija) bude jednaka frekvenciji zračenja; da hemijska veza bude dipolarna.
Položaj apsorpcionog maksimuma određuje frekvencija vibracije, a intenzitet - veličina promene dipolnog momenta
najintenzivnije maksimume imaju polarne veze: C=O, C-O, N=O.
slabe trake u IR spektru daju C≡C, C=C...
Dva različita tipa vibracija: - Istezanje (stretching): vibracije koje uključuju promenu
dužine veze – VALENCIONE VIBRACIJE - Savijanje (bending): uključuju promenu ugla veze (bond
angle) – DEFORMACIONE VIBRACIJE
Tipovi vibracija
Deformacione vibracije se dele na:
- seckanje (scissoring),
- ljuljanje (rocking),
- klanjanje (wagging) i
- uvrtanje (twisting).
Primer - Metan
Rocking or in plane bending
H H H H H H
C
H H
H H
H H
H
H H
C
H H
C
H
H
C
H H
C
H H
C
H
Asymmetrical stretching
Symmetrical stretching
Bending or scissoring
Twisting or out-of-plane bending
Wagging or out-of-plane bending
Symmetric stretching
Antisymmetric stretching Scissoring
Rocking Wagging Twisting
Osnovna kretanja veza - primeri
H20 (nelinearan molekul)
Simetrično istezanje Asimetrično istezanje Primicanje (seckanje)
C02 (linearan molekul)
Istezanje Primicanje
Valencione i deformacione vibracije - primer
Vibracije CH2 grupe
Valencione i deformacione vibracije – primer CO2
Valencione Deformacione menja se dužina veze menja se ugao
Koje vibracije menjaju dipolni moment molekula?
Asimetrično istezanje/savijanje i interna
rotacija menjaju dipolni moment molekula. Asimetrično istezanje/savijanje je IR aktivno.
Simetrično istezanje/savijanje ne menja
dipolni moment molekula i nije IR aktivno.
Valencione vibracije zahtevaju veću energiju od deformacionih. Frekvencija valencione vibracije se izračunava iz Hukovog zakona.
Hukov zakon
f-konstanta jačine veze
Daleka IR - Rotacioni prelazi
kod molekula gasa, potrebno je znatno manje energije za pobuđivanje
oblast dalekog IR spektra
Broj vibracionih frekvenci
Broj stepeni slobode molekula jednak je zbiru stepeni slobode pojedinih atoma (n-broj atoma).
Svaki atom ima 3 stepena slobode u x,y i z pravcu, pa molekul ima 3*n.
Kod nelinearnih molekula 3 stepena slobode opisuju rotaciju i 3 vibraciju celog molekula.
Kod linearnih molekula samo 2 stepena slobode opisuju rotaciju i 3 vibraciju celog molekula.
Broj vibracionih frekvenci - broj traka
3n ukupan broj stepeni slobode molekula
3n-6 broj fundamentalnih vibracija kod nelinearnih molekula (Oduzimaju se kretanja u kojima se ne menja međusobni položaj atoma i molekula -3 translacije i 3 rotacije celog molekula)
3n-5 broj fundamentalnih vibracija kod linearnih molekula (2 rotac. i 3 vibrac. celog molekula)
Broj apsorpcionih maksimuma manji je od ukupnog broja mogućih vibracija.
Položaj traka
Valencione – stretching Deformacione – bending Trake deformacionih
vibracija su uvek na nižim frekvencijama od valencionih
“Vidljivost” vibracija
Svaka vibracija nije IR “vidljiva”.
vidljive nevidljive Samo vibracije koje dovode do promene u dipolnom momentu
apsorbuju IR zračenje
Primer: od četiri vibracije u molekulu C02 samo su asimetrične IR aktivne pošto dovode do promene dipolnog momenta (apsorpcije u oblastma 2350 i 666 cm-1).
IR spektar ljudskog daha
IR spektar CH2 grupe
Apsorpciona područja
Područje „otiska prsta” (Fingerprint region) U području od ≈ 1300 do 400 cm-1, vibracijske frekvencije pod uticajem su celog molekula– područje „otiska prsta”.
Apsorpcija u tom području „otiska prsta” karakteristična je za molekul kao celinu. Ta oblast nalazi najširu primenu za identifikaciju molekula poređenjem sa spektrima iz biblioteke spektara.
IR spektri
Identifikacija funkcionalnih grupa Otisak prsta jedinjenja
Interpretacija IR spektara
Za interpretaciju IR spektara potrebno je veliko iskustvo.
Područje 1600-3600 cm-1: korišćenjem tablica ili baza podataka sa IR spektrima moguće je identifikovati neke pikove (tip veze, tip vibracije, npr. O-H vibracije istezanja ili C-H vibracije savijanja).
Najkorisnija područja su:
1680-1750 cm-1: C=O istezanje je jako naglašeno u IR spektru, a tip karbonilne grupe može se odrediti iz tačne pozicije pika.
2700-3100 cm-1: različiti tipovi C-H vibracija istezanja.
3200-3700 cm-1: različiti tipovi O-H i N-H vibracija istezanja.
600-1600 cm-1: previše veza apsorbuje u tom području da bi omogućilo pouzdanu identifikaciju pojedinih pikova. Međutim, to je područje „otiska prsta” molekula, pa ako je spektar gotovo identičan autentičnom referentnom spektru, struktura se može potvrditi sa izvesnom pouzdanošću.
Područja apsorpcije IR zračenja Tipično područje IR apsorpcije za kovalentne veze je 600 - 4000 cm-1.
INSTRUMENTI
IR spektrofotometar
FTIR spektrofotometar
Infracrveni spektrofotometar
IR spektrofotometar
Nosač uzoraka IR izvor Detektor
IR SPEKTROFOTOMETAR
IR SPEKTROFOTOMETAR-princip rada
Zrak iz izvora deli se na dva dela pomoću ogledala, pri čemu se obrazuju referentni zrak i zrak za analizu.
Oba zraka, nakon fokusiranja ogledalima padaju na oslabljivače, čija je funkcija da se odnos intenziteta dvaju zraka tako podesi da propustljivost bude 100 % kada je uzorak potpuno transparentan, a 0 % kada je put zraka potpuno blokiran.
Izvor zračenja emituje vrlo širok spektar talasnih dužina. Pomoću filtera se vrši gruba selekcija talasnih dužina, a nakon reflektovanja od ogledala, zrak pada na monohromator, koji razlaže zrake u usku oblast talasnih dužina i sukcesivno ih fokusira. Refleksijom od ogledala, zrak stiže do detektora.
IR SPEKTROFOTOMETAR-princip rada
Naizmenični pretvarač predstavlja obrtni element koji naizmenično omogućuje prolaz gornjem ili donjem zraku ka ogledalu. Kao rezultat ovakve reakcije, biće naizmenično, u veoma kratkim vremenskim intervalima, fokusirani čas referentni zrak, a čas zrak za analizu. To omogućuje detektoru da vrši stalno poređenje između intenziteta dva zraka, pa je apsorpcija uvek data relativno u odnosu na referentni zrak, čime se obezbeđuje veća tačnost i eliminiše uticaj eventualnih nestabilnosti i kolebanja u elektronskom ili optičkom sistemu na rezultat merenja.
IR spektrofotometri
jednostavni za upotrebu imaju veliku osetljivost snimaju spektar za nekoliko
minuta pogodni za uzorak bilo kog
agregatnog stanja koriste se u kvalitativnoj i
kvantitativnoj analizi
Izvori zračenja
Nernst-ov izvor (ZrO2 + Y2O3) Ni-Cr vlakno Globar (SiC)
Monohromatori
Optičke prizme (NaCl, KBr, LiF, CaF2) –
neujednačeno razlaganje
Optičke rešetke ujednačenije razlaganje, danas češće u upotrebi
NaCl prizme
Detektori (osetljivi na toplotu)
Termo-par (meri napon) Bolometar (meri otpor) Golay pneumatska ćelija (promena pritiska sa
temperaturom)
Detektor je najčešće neki termo-par koji se zagreva dejstvom energije zračenja i proizvodi električni impuls odgovarajućeg intenziteta. Impuls pokreće formiranje apsorpcione trake, a skup apsorpcionih traka u funkciji talasne dužine (ili frekvencije) zračenja predstavlja infracrveni spektar uzorka.
UZORCI
čvrsti tečni gasovi
KIVETE od NaCl, KBr
Spektri gasova
Staklene gasne ćelije od IR-propustljivih materijala
(NaCl, KBr)
ćelija za snimanje gasovitih uzoraka
Spektri tečnosti – kapilarni film
Uzorak se nalazi između IR-propustljivih pločica NaCl pločice (za zračenje do 650cm-1),CaF2, AgCl Debljina filma 0,1-0,3mm.
pločice za snimanje kapilarnog filma
Spektri tečnosti – kapilarni film
pločice za snimanje kapilarnog filma
Spektri rastvora
Rastvarači sa malo apsorpcionih maksimuma - CCl4, CS2, CHCl3
Koncentracija rastvora 1-5%
Snima se u ćeliji koja se sastoji od IR-propustljivih pločica razdvojenih prstenom od teflona ili olova (određuju debljinu ćelije)
Apsorpcija rastvarača kompenzuje se propuštanjem referentnog zraka kroz čist rastvarač
Za ceo spektar potrebna kombinacija rastvarača
Spektri čvrstih uzoraka
KBr pilule Suspenzije Rastvori
KBr pilula
Uzorak se mrvi sa ižarenim KBr, u koncentraciji 0,1-2% u odnosu na KBr.
Smesa se presuje u kalupu, vakuum pumpa izbacuje vazduh
Pilula (disk) je prečnika 13mm, debljine 0,3mm
kalup za presovanje KBr pilula
Suspenzije
Uzorak se mrvi sa sredstvom za suspendovanje - parafinsko ulje
Suspenzija se snima kao i kapilarni film Mana: spektar sadrži i trake sredstva za
suspendovanje
IR spektri istog jedinjenja snimljen pod različitim uslovima
Analiza IR spektra
analiza spektralne oblasti karakterističnih funkcionalnih grupa (OH, NH, C-C, C=O..)
analiza oblasti “otiska prsta”
Tumačenje IR spektra
Karakteristične vibracije
Valencione (stretching) Deformacione (bending)
Funkcionalna grupa Opseg (cm-1) Intezitet Odgovarajuće veze Opseg
(cm-1) Intenzi
tet Odgovarajuće veze
Alkani 2850-3000 str CH3, CH2 & CH 2 or 3 bands
1350-1470 1370-1390 720-725
med med wk
CH2 & CH3 deformation CH3 deformation CH2 rocking
Alkeni 3020-3100 1630-1680 1900-2000
med var str
=C-H & =CH2 (usually sharp) C=C (symmetry reduces intensity) C=C asymmetric stretch
880-995 780-850 675-730
str med med
=C-H & =CH2 (out-of-plane bending) cis-RCH=CHR
Alkini 3300 2100-2250
str var
C-H (usually sharp) C≡C (symmetry reduces intensity)
600-700 str C-H deformation
Areni 3030 1600 & 1500
var med-wk
C-H (may be several bands) C=C (in ring) (2 bands) (3 if conjugated)
690-900 str-med C-H bending & ring puckering
Alkoholi i fenoli
3580-3650 3200-3550 970-1250
var str str
O-H (free), usually sharp O-H (H-bonded), usually broad C-O
1330-1430 650-770
med var-wk
O-H bending (in-plane) O-H bend (out-of-plane)
Amini
3400-3500 (dil. soln.) 3300-3400 (dil. soln.) 1000-1250
wk wk med
N-H (1°-amines), 2 bands N-H (2°-amines) C-N
1550-1650 660-900
med-str var
NH2 scissoring (1°-amines) NH2 & N-H wagging (shifts on H-bonding)
Aldehidi i ketoni
2690-2840(2 bands) 1720-1740 1710-1720 1690 1675 1745 1780
med str str str str str str
C-H (aldehyde C-H) C=O (saturated aldehyde) C=O (saturated ketone) aryl ketone α, β-unsaturation cyclopentanone cyclobutanone
1350-1360 1400-1450 1100
str str med
α-CH3 bending α-CH2 bending C-C-C bending
Interpretacija IR spektra
Svaki maksimum određen je položajem, intenzitetom i oblikom. Relativan intenzitet (u odnosu na druge trake) i oblik
omogućavaju razlikovanje traka koje apsorbuju u istoj oblasti
Aromatična jedinjenja
Zapis na IR spektrofotometru
Primena IR u kvantitativnoj analizi
Za određivanje koncentracije uzorka meri se intenzitet ili površina absorpcionog maksimuma
Lambert-Beerov zakon A=log(1/T)=ε x d x c A- apsorpcija (apsorbanca) c- koncentracija d- debljina uzorka ε- absorpcioni koeficijent
Određivanje koncentracije primenom kalibracione krive
Apsorbanca (A) se dobija merenjem visine ili površine apsorpcionog maksimuma
Nepoznata koncentracija se određuje pomoću kalibracione krive A=f(c)
Rezultati manje tačni od UV analize
FT-IR
FT-IR
Nova generacija instrumenata pod nazivom FT-IR (Furier-ova transformacija) zasniva se na principu interferometra.
Interferometar meri sve frekvencije istovremeno. FT-IR instrumenti ne daju neposredan spektar nego
interferogram, koji se naknadnom obradom elektronskim putem (Furijer-ova transformacija) prevode u uobičajeni oblik spektra.
FT-IR su pogodni za daleku IR oblast između 200 i 10 cm-1.
Ovi spektroskopi imaju veliku moć razlaganja
Prednosti FTIR instrumenta nad klasičnim
Brže snimanje spektra- nekoliko sekundi Veća osetljivost Uzorci manjih dimenzija Mogućnost ponavljanja interferograma Veća preciznost i bolje razlaganje Naknadne prepravke spektra vrši računar Poređenje spektra sa spektrima iz biblioteke
računara Zahvata širi spektralni opseg
Primena IR spektroskopije
U neorganskoj i organskoj hemiji, biohemiji Identifikacija funkcionalnih grupa, praćenje
toka hemijskih reakcija Analiza prehrambenih proizvoda farmaceutskih proizvoda uzoraka iz životne sredine kliničkih uzoraka
Primena u medicini i biohemiji
Klinička biohemija – analiza fizioloških rastvora: krv, urin, analiza zglobne tečnosti, itd.
Patologija tkiva različitih organa ex vivo In vivo dijagnoza stanja bolesti IR imidžing - oslikavanje
Analize hrane
Hrana predstavlja kompleksne smeše jedinjenja, sa glavnim komponentama: vodom, proteinima, mastima, ugljenim hidratima, vitaminima, mineralima...
U hrani se mogu naći i aditivi (antioksidansi, boje, zaslađivači, prirodni polisaharidi, konzervansi), zagađujuće materije, antibakterijska jedinjenja i sl. Njihova upotreba je regulisana zakonima i zna se koji aditivi se smeju u kojoj količini i u kojoj vrsti namirnica dodavati. Na primer, benzoeva kiselina se nikako ne sme koristiti u mlečnoj industriji.
Analize hrane
Da bi se sprečila zloupotreba pojedinih supstanci u industriji hrane, očuvao njen kvalitet i pre svega zdravlje ljudi, potrebna je stalna kontrola kvaliteta.
Najveći broj navedenih komponenata mogu se detektovati i kvantitativno odrediti IR spektroskopijom.
Analize hrane
On-line kontrola proizvodnog procesa i off-line kontrola kvaliteta:
masti i ulja; mleka i mlečnih proizvoda; voća, povrća, voćnih sokova; mesa i mesnih prerađevina; proizvoda od brašna; konditorskih proizvoda; alkoholnih pića...
Farmaceutska industrija
U farmaceutskoj industriji IR spektroskopija ima veliku primenu i u kvalitativnoj i u kvantitativnoj analizi.
IR analiza materijala biljnog porekla “ukazuje na sastav biljnih vlakana, kao i na moguće modifikacije zbog upotrebe određenih hemikalija.