PowerPoint - FT-IR-Spektroskopie · - Quarz-Halogen-Lampe (2000-25000 cm-1) - Hg-Hochdrucklampe...
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Übersicht
- Aufbau und Funktionsweise eines FT-IR-Spektrometers
- Beispiele verschiedener Anwendungen
- Apparativer Versuch
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
1: Strahlungsquelle
2,4,8,11: Spiegel
3: Lochblende
5-7: Interferrometer
(Strahlenteiler,
Immobilisierter Spiegel,
beweglicher Spiegel)
9,10: Probenraum, Probe
12: Detektor
13-17: Laseroptik
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Unterteilung der IR-Strahlung:
Nahes IR: 3 - 400 cm-1
Mittleres IR: 400– 4000 cm-1
Fernes IR: 4000 – 12500 cm-1
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Strahlungsquellen abhängig von der benötigten
Wellenlänge der IR-Strahlung:
- Globar (200-10000 cm-1)
- Quarz-Halogen-Lampe (2000-25000 cm-1)
- Hg-Hochdrucklampe (3-200 cm-1)
- Lochblende dient zur Größeneinstellung der
Lichtquelle. Das wirkt sich auf die Absorption des
Spektrums aus.
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Michelson-Interferrometer:
- IR-Strahl wird vom Strahlenteiler zu gleichen Teilen reflektiert und durchgelassen
- Teilstrahlen treffen je auf den beweglichen und unbeweglichen Spiegel, werden reflektiert und am Strahlenteiler wieder vereint.
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
- Aufgrund des beweglichen Spiegels erhält man eine Wegdifferenz der beiden Teilstrahlen
- Daraus resultiert eine polychromatischen Interferenz
- Die Strahlung gelangt mit unterschiedlichen Intensitäten zum Detektor
- Dort wird sie als
Interferogramm
aufgezeichnet
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
- Mit Hilfe der Laseroptik wird die Spiegelposition genau bestimmt
- Dazu wird ein monochromatischer Strahl parallel zum IR-Strahl in das Interferometer eingespiegelt
- Der Laser erzeugt eine monochromatische Interferenz
- Durch die gute Definiertheit und hohe Konstanz der Wellenlänge des Lasers kann aus dieser Interferenz die Spiegelposition sehr genau bestimmt werden.
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Probenvorbereitung:Generell können Substanzen in allen Aggregatzuständen eingesetzt werden.
- Feststoff als Presslinge (Kristalle klein gegen Wellenlänge)
- Feststoff gelöst als Film oder suspendiert in Öl auf NaCl-Platten aufgetragen
- Flüssigkeiten direkt als Film oder in Lösungsmittel als Film
- Gase mit speziellen Küvetten
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Detektoren:
DTGS-Detektoren und MCT-Detektoren
- Detektieren im mittleren IR-Bereich dabei wird ein auftreffender Lichtquant in einen direkt messbaren Strom umgewandelt
- Im fernen IR-Bereich werden thermische Detektoren eingesetzt
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Funktionsweise von DTGS-Detektoren (deuteriertesTriglycinsulfat)
- gehört zu den pyroelektrischen Detektoren- Ferroelektrika, die unterhalb der Curie-Temperatur
spontan elektrisch polarisieren- Veränderte Strahlungsleistung, führt zu einer
Änderung der Polarisation, die als Spannungsstoßgemessen wird
- Spannungsstoß ist proportional der Temperaturänderung bzw. Änderung der Strahlungsleistung nach der Zeit
Aufbau eines FT-IR-Spektrometers
Vergleich zu klassischen IR-Messgeräten:
- Wesentlich kürzere Messzeit durch gleichzeitige Messung aller Wellenlängen
- Besseres Signal/Rausch-Verhältnis
Anwendungen
� Fingerprint bei organischen Molekülen
� Organische Funktionelle Gruppen besitzen prominente IR-Banden z.B. Carbonylgruppenund Hydroxylgruppen
Anwendungen
� Anwendung zum Beispiel bei qualitativer Reaktionskontrolle (Reduktionen, Oxidationen, etc.)
Anwendungen
IR-Spektroskopie ist eine wichtige Methode bei der Sicherung von Beweisen bei kriminalistischen Ermittlungen.So ist es zum Beispiel möglich, anhand von IR-Spektren Materialien zu identifizieren, Vergleichsanalysen zu erstellen oder Alterungsprozesse zu untersuchen.
Anwendungen
Mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie lassen sich mit einer einzigen Messung zahlreiche qualitätsrelevante Probenparameter bestimmen:
� Alkohol-, Zucker- und Wassergehalt in Getränken
� Zucker, Fasern und titrierbare Säure in Säften
� Protein, Öl, Asche, Feuchtigkeit und Partikelgröße in Mehl
Anwendungen
Anwendung in der Landwirtschaft zur Qualitätskontrolle
� Feuchtigkeitsgehalt, Protein, Ölgehalt in Sojabohnen, Korn, Reis, etc.
� Fett, Protein, Laktose und Feststoffe in Milch
� Fett, Protein und Feuchtigkeitsgehalt in Fleisch und Käse
� Zerstörungsfrei, keine oder geringe Probenvorbereitung
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
1.Teil des Versuchs:
- Aufnahme eines NaNO2 Spektrums bei RT
- Veränderung des Spektrums durch Variation der Geräteeinstellungen
2.Teil des Versuchs:
- Aufnahme von NaNO2 Spektren bei Temperaturen von 20°C bis 180°C
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
- Im NaNO2 Kristall sind Na+ und NO2
- -Ionen an festen Plätzen
- Nur das NO2- -Ion weist
ein Dipolmoment auf und kann somit im IR-Spektrum registriert werden
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
Wieviele Normal-Moden erwarten wir für NaNO2 ?
- Berechnung nach 3N-6 = Anzahl der Schwingungen
- NaNO2 = 4 Atome, also 3*4-6 = 6 Schwingungen
- Da die Ionen im Kristall getrennt vorliegen, kann nur das NO2
- Ion berücksichtigt werden
- Also: 3 Atome, 3*3-6 = 3 Schwingungen
N
OO
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
- Ähnlich dem Wassermolekül, daher 3 Normal-schwingungungen:
- symmetrische Streck-schwingung bei 1381 cm-1
- asymmetrische Streck-schwingung bei 1271 cm-1
- Biegeschwingung bei 825 cm-1
- Kombinationsmoden bei 1637 cm-1, 2061 cm-1, 2555 cm-1
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
- Präparation des NaNO2 erfolgte als KBr-Pressling
- Es wurden 2 Presslinge hergestellt, je einer mit NaNO2 und einer ohne
- Zur Aufnahme eines Spektrums wurde zunächst der Pressling ohne Probe gemessen und diese Referenz anschließend vom Probenspektrum subtrahiert
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
- Normalmoden sind gut zu erkennen (ersten 3 Signale)
- Kombinationsmoden im Spektrum nur schwach oder gar nicht zu erkennen
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
0 1000 2000 3000 4000
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5 Probereferenz Apertur 6 mmApertur 2 mmApertur 12 mm
Inte
nsi
tät
Wellenzahl
Veränderung der Apertur
- Apertur entspricht der Größe der Lochblende
- Vergrößerung der Apertur = Intensivere IR-Einstrahlung
- Führt zu geringerer Absorption des Signals
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
800 810 820 830 840 8500,0
0,5
1,0
Inte
nsitä
t
Wellenzahl
Auflösung 1 Auflösung 2 Auflösung 4
Veränderung der Auflösung
-Auflösung1 = alle Wellenzahlen
-Auflösung2 = jede zweite Wellenzahl
-Auflösung4 = jede vierte Wellenzahl
-Schlechte Auflösung kann zur Verfälschung von Signalen führen
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
1250 1260 1270 1280 1290
0
2
4
Inte
nsitä
t
Wellenzahl
Probenreferenz Blackman-Harris-3Term Probenreferenz Boxcar-Funktion
Änderung der Apodisationsfunktion
- Besser angepasste Apodisationsfunktionenführen zu besseren Signalen
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
1250 1255 1260 1265 1270 1275 1280 1285 1290
0
2
4
Inte
nsitä
t
Wellenzahl
32 Scans 1 Scan 64 Scans
Veränderung der Scananzahl
- Je höher die Zahl der Scans, umso besser ist die Mittelung der Werte
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
2.Teil des Versuchs: NaNO2 Vermessung bei verschiedenen Temperaturen
- NaNO2 durchläuft bei 165°C eine Umwandlung
- Dabei beginnen sich die Ionen auf ihren umzuorientieren
- Hierdurch ändert sich die Kristalleigenschaft von ferroelektrisch zu paraelektrisch
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
Ferroelektrizität: Elektrischer Dipol in Abwesenheit eines externen Feldes. Ladungsschwerpunkte positiver Ladung und negativer Ladung fallen nicht
zusammen.
Paraelektrizitätt: Kein elektrischer Dipol in Abwesenheit eines externen Feldes. Ladungsschwerpunkte positiver Ladung und negativer Ladung fallen
zusammen.
165 °C
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
810 820 830 8400,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Inte
nsitä
t
Wellenzahl
Raumtemperatur 50°C 100°C 130°C 140°C 145°C 150°C 155°C 160°C 165°C 170°C 175°C 180°C
Das Maximum verliert mit steigender Temperatur an Intensität und verschiebt sich zu niedrigeren Wellenzahlen
Versuch: Vermessung von Natriumnitrit
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180824
826
828
Pea
kmax
imum
Temperatur
Peakmaxima gegen die Temperatur: das Maximum nahe der Umwandlungstem-peratur verschiebt sich stärker als bei geringeren Temperaturen
(Höhere Umorientierungsfrequenz der Teilchen)
Literaturverzeichnis
� http://www.pc-chemie.de/ir.htm
� http://www.ir-spektroskopie.de/
� FT-IR-Script
� http://www.bruker.de/