Infrarød spektroskopi teori, metode og anvendelser

den infrarød spektroskopi er undersøgelsen af, hvordan molekyler absorberer infrarød stråling og endelig omdanner det til varme.

Denne proces kan analyseres på tre måder: måling af absorption, emission og refleksion. Denne præcision gør infrarødspektroskopi til en af ​​de vigtigste analytiske teknikker til rådighed for dagens forskere.

En af de store fordele ved infrarød spektroskopi er, at stort set enhver prøve kan studeres i næsten alle stater.

Væsker, pulvere, film, opløsninger, pastaer, fibre, gasser og overflader kan undersøges med et velovervejet udvalg af prøveudtagningsteknik. Som en følge af forbedret instrumentering er der nu udviklet en række nye følsomme teknikker til at undersøge tidligere intakte prøver.

Infrarød spektroskopi er blandt mange andre anvendelser og anvendelser nyttig til måling af polymeriseringsgraden ved fremstilling af polymerer. Ændringer i mængden eller karakteren af ​​et bestemt link evalueres ved at måle en specifik frekvens over tid.

Moderne forskningsinstrumenter kan tage infrarøde målinger på tværs af interesseintervallet så ofte som 32 gange pr. Sekund.

Dette kan gøres, mens samtidige målinger foretages ved hjælp af andre teknikker, der gør observationer af kemiske reaktioner og processer hurtigere og mere præcise.

Teorien om infrarød spektroskopi

Et uvurderligt redskab til bestemmelse og verifikation af organiske strukturer indebærer klassen elektromagnetisk stråling (REM) med frekvenser mellem 4000 og 400 cm-1 (bølgetal).

Kategori af EM-stråling kaldes infrarød (IR) stråling, og dens anvendelse på organisk kemi kendt som IR-spektroskopi..

Strålingen i denne region kan anvendes til bestemmelse af den organiske struktur, der gør brug af det faktum, at den absorberes af interatomiske bindinger i organiske forbindelser.

De kemiske bindinger i forskellige miljøer vil absorbere variable intensiteter og variable frekvenser. Derfor involverer IR-spektroskopi indsamling af absorptionsinformationen og analyserer den i form af et spektrum.

Frekvenserne, hvor der er absorberinger af IR-stråling (toppe eller signaler), kan direkte korreleres med forbindelser i den pågældende forbindelse.

Fordi hvert interatomisk link kan vibrere i flere forskellige bevægelser (strækning eller bøjning), kan individuelle links absorbere mere end en IR-frekvens.

Strækabsorptioner har en tendens til at producere stærkere toppe end bøjning, men svagere bøjningsabsorptioner kan være nyttige til at differentiere lignende typer af bindinger (fx aromatisk substitution).

Det er også vigtigt at bemærke, at symmetriske vibrationer ikke forårsager absorption af IR-stråling. For eksempel absorberer ingen af ​​carbon-carbon-bindingerne af ethylen eller ethylen IR-stråling.

Instrumentelle metoder til strukturbestemmelse

Kernemagnetisk resonans (NMR)

Excitation af atomkerner gennem radiofrekvensbestråling. Giver omfattende information om atomernes molekylære struktur og tilslutning.

Infrarød spektroskopi (IR)

Det består i at afbrænde molekylære vibrationer gennem bestråling med infrarødt lys. Det giver primært information om tilstedeværelsen eller fraværet af visse funktionelle grupper.

Massespektrometri

Bombardement af prøven med elektroner og påvisning af resulterende molekylfragmenter. Giver information om molekylmasse og atomer.

Ultraviolet spektroskopi (UV)

Fremme af elektroner på højere energiniveauer ved at bestråle molekylet med ultraviolet lys. Giver information om tilstedeværelsen af ​​konjugerede π-systemer og dobbelt- og tredobbeltbindinger.

spektroskopi

Det er undersøgelsen af ​​spektral information. Efter bestråling med infrarødt lys responderer visse bindinger hurtigere ved vibrationer. Dette svar kan detekteres og oversættes til en visuel repræsentation kaldet spektrum. 

Spektrum fortolkning proces

1. Anerkend et mønster.
2. Tilknyt mønstre med fysiske parametre.
3. Identificer mulige betydninger, det vil sige foreslå forklaringer.

Når først et spektrum er opnået, er den største udfordring at udvinde de oplysninger, den indeholder i en abstrakt eller skjult form.

Dette kræver anerkendelse af visse mønstre, forening af disse mønstre med fysiske parametre og fortolkningen af ​​disse mønstre med hensyn til meningsfulde og logiske forklaringer..

Elektromagnetisk spektrum

De fleste organiske spektroskopi bruger elektromagnetisk energi eller stråling som en fysisk stimulus. Elektromagnetisk energi (som synligt lys) har ikke en detekterbar massekomponent. Det kan med andre ord kaldes "ren energi".

Andre former for stråling, såsom alfa stråler, som består af heliumkerner, har en detekterbar massekomponent og kan derfor ikke klassificeres som elektromagnetisk energi.

De vigtige parametre forbundet med elektromagnetisk stråling er:

• Energi (E): Energien er direkte proportional med frekvensen og omvendt proportional med bølgelængden, som angivet i ligningen nedenfor.

• Frekvens (μ)
• Bølgelængde (λ)
• Ligning: E ​​= hμ

Vibrationelle tilstande

• Kovalente bindinger kan vibrere på forskellige måder, herunder strækning, rocking og saks.

• De mest nyttige bånd i et infrarødt spektrum svarer til strækfrekvenser.

Transmission vs. absorption

Når en kemisk prøve udsættes for virkningen af ​​IR LIGHT (infrarød strålingslys), kan det absorbere nogle frekvenser og overføre resten. En del af lyset kan også reflekteres tilbage til kilden.

Detektoren detekterer de transmitterede frekvenser, og afslører dermed værdierne for de absorberede frekvenser.

Et IR spektrum i absorptionsmodus

IR-spektret er i grunden en graf over frekvenser, der transmitteres (eller absorberes) versus intensiteten af ​​transmissionen (eller absorptionen). Frekvenserne vises i x-aksen i enheder af inverse centimeter (wavenumbers), og intensiteterne er repræsenteret i y-aksen og i procent af enheder. Grafen viser et spektrum i absorptionsmåde:

Et IR-spektrum i transmissionstilstand

Grafen viser et spektrum i transmissionsmodus. Dette er den mest almindeligt anvendte repræsentation og det, der findes i de fleste kemi og spektroskopi bøger.

Anvendelser og applikationer

Fordi infrarød spektroskopi er en pålidelig og enkel teknik, anvendes den i vid udstrækning i organisk syntese, polymervidenskab, petrokemi, farmaceutisk industri og fødevareanalyse..

Da FTIR-spektrometre kan saniteres ved kromatografi, kan mekanismen for kemiske reaktioner og påvisning af ustabile stoffer desuden undersøges med sådanne instrumenter.

Nogle anvendelser og applikationer omfatter:

Kvalitetskontrol

Den bruges til kvalitetskontrol, dynamiske måle- og overvågningsapplikationer som den langsigtede uovervåget måling af CO2-koncentrationer i drivhuse og vækstkamre ved hjælp af infrarøde gasanalysatorer.

Forensisk analyse

Den anvendes til retsmedicinsk analyse i kriminelle og civile sager, for eksempel ved identifikation af polymernedbrydning. Kan bruges til at bestemme alkoholindholdet i en driver, der mistænkes for at være fuld.

Analyse af faste prøver uden behov for at skære

En nyttig måde at analysere faste prøver på uden at skære er at bruge ATR eller dæmpet totalreflektionsspektroskopi. Ved hjælp af denne fremgangsmåde presses prøverne mod et enkelt krystal. Infrarød stråling passerer gennem glasset og interagerer kun med prøven ved grænsefladen mellem de to materialer.

Analyse og identifikation af pigmenter

IR-spektroskopi er blevet anvendt succesfuldt i analyse og identifikation af pigmenter i malerier og andre kunstgenstande, såsom belyste manuskripter.

Anvendes i fødevareindustrien

En anden vigtig anvendelse af infrarød spektroskopi er i fødevareindustrien at måle koncentrationen af ​​forskellige forbindelser i forskellige fødevareprodukter.

Præcisionsundersøgelser

Med stigningen i teknologi i computerfiltrering og manipulation af resultater kan prøver i opløsning nu måles nøjagtigt. Nogle instrumenter vil også automatisk fortælle dig, hvilket stof der måles fra en butik med tusindvis af lagrede referencespektre.

Feltprøver

Instrumenterne er nu små og kan transporteres, selv til brug i feltprøver.

Gaslækage

Infrarød spektroskopi anvendes også i gaslækningsdetekteringsindretninger såsom DP-IR og EyeCGAs. Disse anordninger registrerer lækager af kulbrintegas ved transport af naturlig og rå gas.

Brug i rummet

NASA bruger en meget opdateret database baseret på infrarød spektroskopi til sporing af polycykliske aromatiske carbonhydrider i universet.

Ifølge forskere kan mere end 20% af carbonet i universet associeres med polycykliske aromatiske carbonhydrider, mulige udgangsmaterialer til dannelse af liv.

De polycykliske aromatiske carbonhydrider synes at have været dannet kort efter Big Bang. De er udbredt i hele universet og er forbundet med nye stjerner og eksoplaneter.

referencer

1. Nancy Birkner (2015). Mind Touch. Hvordan fungerer et FTIR spektrometer. Hentet fra: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Teori og fortolkning af IR spektra. Pearson Prentice Hall. Hentet fra: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Infrarød spektroskopi. Wiley. Hentet fra: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Infrarød spektroskopi. Wikipedia, den frie encyklopædi. Hentet fra: en.wikipedia.org.