Теорија, метода и употреба инфрацрвене спектроскопије

Тхе инфрацрвена спектроскопија је проучавање како молекули апсорбују инфрацрвено зрачење и коначно га претварају у топлоту.

Овај процес се може анализирати на три начина: мјерење апсорпције, емисије и рефлексије. Ова прецизност чини инфрацрвену спектроскопију једном од најважнијих аналитичких техника доступних данашњим научницима.

Једна од великих предности инфрацрвене спектроскопије је да се практично сваки узорак може проучавати у готово свим државама.

Течности, прашкови, филмови, раствори, пасте, влакна, гасови и површине могу се испитати уз разумну селекцију технике узорковања. Као последица побољшане инструментације, сада је развијено мноштво нових осетљивих техника за испитивање претходно неукротивих узорака.

Инфрацрвена спектроскопија, поред многих других примена и примена, корисна је за мерење степена полимеризације у производњи полимера. Промене количине или карактера одређене везе се процењују мерењем специфичне фреквенције током времена.

Савремени истраживачки инструменти могу да примене инфрацрвена мерења у распону интереса, чак и 32 пута у секунди.

Ово се може урадити док се истовремена мерења врше коришћењем других техника, чинећи опсервације хемијских реакција и процеса брже и прецизније.

Теорија инфрацрвене спектроскопије

Непроцјењив алат у одређивању и верификацији органских структура укључује класу електромагнетног зрачења (РЕМ) са фреквенцијама између 4000 и 400 цм-1 (таласни бројеви).

Категорија ЕМ зрачења зове се инфрацрвено (ИР) зрачење, а њена примена на органску хемију познату као ИР спектроскопија..

Радијација у овом региону може се користити за одређивање органске структуре, користећи чињеницу да се апсорбује међудатомским везама у органским једињењима..

Хемијске везе у различитим срединама ће апсорбовати променљиве интензитете и променљиве фреквенције. Стога, ИР спектроскопија укључује прикупљање информација о апсорпцији и анализу у облику спектра.

Фреквенције у којима постоје апсорпције ИР зрачења (пикови или сигнали) могу бити директно у корелацији са везама унутар предметног једињења..

Пошто свака интератомска веза може вибрирати у неколико различитих покрета (истезање или савијање), појединачне везе могу апсорбовати више од једне ИР фреквенције.

Стретцх апсорпције имају тенденцију да производе јаче врхове од савијања, али слабије упијање савијања може бити корисно за разликовање сличних типова веза (нпр. Ароматична супституција)..

Такође је важно напоменути да симетричне вибрације не изазивају апсорпцију ИР зрачења. На пример, ниједна веза угљеник-угљеник етилена или етилена не апсорбује ИР зрачење.

Инструменталне методе одређивања структуре

Нуклеарна магнетна резонанца (НМР)

Ексцитација нуклеуса атома путем радиофреквентног зрачења. Пружа опсежне информације о молекуларној структури и повезаности атома.

Инфрацрвена спектроскопија (ИР)

Састоји се од испаљивања молекуларних вибрација кроз зрачење инфрацрвеним светлом. Она углавном пружа информације о присуству или одсуству одређених функционалних група.

Масена спектрометрија

Бомбардовање узорка електронима и детекција резултирајућих молекуларних фрагмената. Пружа информације о повезаности молекуларне масе и атома.

Ултраљубичаста спектроскопија (УВ)

Промоција електрона на вишим нивоима енергије озрачивањем молекула ултраљубичастим светлом. Пружа информације о присуству коњугованих π система и двоструких и троструких веза.

Спектроскопија

То је проучавање спектралних информација. Након озрачивања инфрацрвеним светлом, одређене везе брже реагују вибрацијама. Овај одговор се може детектовати и превести у визуелни приказ назван спектар. 

Процес интерпретације спектра

1. Препознајте узорак.
2. Повезати обрасце са физичким параметрима.
3. Идентификујте могућа значења, односно предложите објашњења.

Када се добије спектар, главни изазов је да се извуче информација која садржи у апстрактном или скривеном облику.

Ово захтева препознавање одређених образаца, асоцијацију ових образаца са физичким параметрима и тумачење ових образаца у смислу смислених и логичких објашњења..

Електромагнетни спектар

Већина органске спектроскопије користи електромагнетну енергију или зрачење као физички стимуланс. Електромагнетна енергија (као што је видљива светлост) нема детектабилну масовну компоненту. Другим речима, може се назвати "чиста енергија".

Остале врсте зрачења, као што су алфа-зраке, које се састоје од језгра хелијума, имају детектабилну масену компоненту и стога се не могу класификовати као електромагнетна енергија.

Важни параметри повезани са електромагнетним зрачењем су:

• Енергија (Е): Енергија је директно пропорционална фреквенцији и обрнуто пропорционална таласној дужини, као што је назначено у доњој једначини.

• Фреквенција (μ)
• Таласна дужина (λ)
• Једнаџба: Е = хμ

Вибрациони модови

• Ковалентне везе могу вибрирати на различите начине, укључујући истезање, љуљање и маказе.

• Најкориснији опсези у инфрацрвеном спектру одговарају фреквенцијама истезања.

Трансмиссион вс. Апсорпција

Када је хемијски узорак изложен дејству ИР светла (инфрацрвено зрачење), може апсорбовати неке фреквенције и пренети остатак. Део светла се такође може рефлектовати назад до извора.

Детектор детектује емитоване фреквенције и тако открива вриједности апсорбованих фреквенција.

ИР спектар у моду апсорпције

ИР спектар је у основи граф фреквенција које се преносе (или апсорбују) у односу на интензитет преноса (или апсорпције). Фреквенције се појављују у к-оси у јединицама инверзних центиметара (таласним бројевима), а интензитети су представљени у и-оси иу постотним јединицама. Графикон приказује спектар у моду апсорпције:

ИР спектар у режиму преноса

Графикон приказује спектар у режиму преноса. Ово је најчешће коришћена репрезентација и она која се налази у већини књига о хемији и спектроскопији.

Користи и апликације

Пошто је инфрацрвена спектроскопија поуздана и једноставна техника, широко се користи у органској синтези, науци о полимерима, петрохемијском инжењерству, фармацеутској индустрији и анализи хране..

Поред тога, пошто се ФТИР спектрометри могу дезинфиковати хроматографијом, механизам хемијских реакција и детекција нестабилних супстанци може се испитати таквим инструментима.

Неке употребе и апликације укључују:

Контрола квалитета

Користи се у контроли квалитета, динамичким мјерењима и апликацијама за праћење, као што је дугорочно ненадзирано мјерење концентрације ЦО2 у стакленицима и коморама за раст помоћу инфрацрвених анализатора плина.

Форензичка анализа

Користи се у форензичкој анализи у кривичним и грађанским предметима, на пример у идентификацији деградације полимера. Може се користити за одређивање садржаја алкохола у крви возача за који се сумња да је пијан.

Анализа чврстих узорака без потребе за резањем

Користан начин за анализу чврстих узорака без потребе за резањем је употреба АТР или атенуиране тоталне рефлексијске спектроскопије. Користећи овај приступ, узорци се притискају уз лице једног кристала. Инфрацрвено зрачење пролази кроз стакло и само ступа у интеракцију са узорком на граници између два материјала.

Анализа и идентификација пигмената

ИР спектроскопија се успешно користи у анализи и идентификацији пигмената на сликама и другим уметничким предметима, као што су осветљени рукописи.

Користи се у прехрамбеној индустрији

Још једна важна примјена инфрацрвене спектроскопије је у прехрамбеној индустрији за мјерење концентрације различитих спојева у различитим прехрамбеним производима.

Прецисион студиес

Повећањем технологије у компјутерском филтрирању и манипулацијом резултата, узорци у отопини се сада могу прецизно мјерити. Неки инструменти ће вам аутоматски рећи која се супстанца мери из складишта хиљада меморисаних референтних спектара.

Теренска испитивања

Инструменти су сада мали и могу се транспортовати, чак и за теренска испитивања.

Гас леакс

Инфрацрвена спектроскопија се такође користи у уређајима за детекцију цурења гаса као што су ДП-ИР и ЕиеЦГА. Ови уређаји детектују цурење угљиководичног плина у транспорту природног и сировог плина.

Користи се у свемиру

НАСА користи веома ажурирану базу података, базирану на инфрацрвеној спектроскопији, за праћење полицикличних ароматичних угљоводоника у универзуму.

Према научницима, више од 20% угљеника у свемиру може бити повезано са полицикличким ароматичним угљоводоницима, могућим полазним материјалима за формирање живота..

Чини се да су полициклични ароматични угљоводоници формирани убрзо након Великог праска. Они су распрострањени широм универзума и повезани су са новим звездама и егзопланетама.

Референце

1. Нанци Биркнер (2015). Минд Тоуцх. Како функционише ФТИР спектрометар. Добављено из: миндтоуцх.цом.
2. Цортес (2006). Теорија и интерпретација ИР спектара. Пеарсон Прентице Халл. Преузето са: утдаллас.еду.
3. Барбара Стуарт (2004). Инфраред Спецтросцопи. Вилеи Преузето са: кинетицс.нсц.ру.
4. Википедиа (2016). Инфрацрвена спектроскопија. Википедиа, слободна енциклопедија. Преузето са: ен.википедиа.орг.