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.