IR Spektroskopie Ing. Jana Kosíková SUPMAT – Podpora vzdělávání pracovníků center pokročilých stavebních materiálů Registrační číslo CZ.1.07/2.3.00/ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Definice spektroskopie   Nedestruktivní metoda, využívá se pro identifikaci a charakterizaci organických sloučenin.   Zabývá se měřením emise či absorpce viditelného i neviditelného záření různých vlnových délek.   Spektroskopie je často užívána ve fyzikální a analytické chemii.   Zařízení k měření spekter se nazývá spektrometr.

Rozdělení spektroskopie   1.Hmotnostní spektroskopie (měření poměru hmotnosti a náboje iontů)   2. Spektroskopie využívající jaderné magnetické rezonance   3. Spektroskopie využívající elektronové paramagnetické rezonance (měření částic obsahujících nepárové elektrony)   4. Elektromagnetická spektroskopie (měření intenzity elektromagnetického záření)

Elektromagnetická spektroskopie   Ramanova spektroskopie - je založena na měření spektra elektromagnetického záření rozptýleného díky Ramanově jevu   Infračevená spektroskopie - je založena na interakci infračerveného tepelného záření se studovanou hmotou

IR Spektroskopie

1. Infračervené záření (InfraRed – IR)   Je jednou z oblastí elektromagnetické záření, které probíhá ve vlnových délkách od 0,78 do 1000mm, což odpovídá rozsahu vlnočtů od do 10cm -1.   Rozsah infračerveného záření navazuje na záření viditelné na jedné straně a na záření mikrovlnné na straně druhé.

1. Infračevené záření

1.1. Infračervené záření – rozdělení  NIR - (near) blízké infračervené záření  MIR - (middle) IR záření střední vlnové délky zkratka také MWIR, IR-C tato oblast se nejčastěji používá.  FIR - (far) vzdálené infračervené záření Pozn.: toto rozdělení je dle vlnových délek

1.2. Infarčervené spektrum  Je grafickým záznamem výsledku měření.  Zobrazuje funkční závislosti energie vyjádřené v  % transmitance (T)  jednotkách absorbance (A) na vlnové délce dopadajícího záření.  Transmitance (schopnost propouštět záření) se definuje jako poměr intenzity záření, které prošlo vzorkem (I), k intenzitě záření vycházejícího ze zdroje (Io).  Absorbance je definována jako dekadický logaritmus 1/T.  Oblasti spekter označujeme jako absorpční pásy. Obvykle je charakterizujeme polohou maxima a relativní intenzitou.

2. Infračervený spektrometr  Přístroj umožňující měřit závislost absorpčních vlastností vzorku na vlnočtu v oblasti IČ záření.

2. Infračervený spektrometr  Druhy přístrojů: .  Disperzní spektrometr   Zdrojem monochromatického IR záření je keramická tyčinka. Tato je rozžhavena na 1000 – 1400°C a tak emituje záření v oblasti IR spektra.   Záření prochází vzorkem, přivádí na vstupní štěrbinu monochromátoru. Funkcí monochromátoru je rozklad, neboli disperze infračerveného záření které pak dopadá na detektor. Pozn.: při této metodě dochází k velkému plýtvání zářivé energie a proto se již nevyužívá

.  Nedisperzní spektrometr Má v podstatě stejnou konstrukci jako disperzní typ, ale neobsahuje žádný disperzní prvek. Monochromatičnost zajišťuje již samotná povaha zdrojů infračerveného záření. Jako zdroje záření se používají vysoce monochromatické lasery, a to buď plynové nebo v posledních letech čím dál častěji používané pevnolátkové lasery (laserové diody).

 Interferometrický spektrometr  Zdrojem polychromatického záření je keramická tyčinka žhavená laserem  Záření je odfiltrováno,  Nejčastější přístroje pro vlnočty Ve středním pásmu IČ záření Ve středním pásmu IČ záření cm cm -1 Další používané druhy přístrojů jsou: Disperzní spektrometr Nedisperzní spektrometr

 Zeslabená úplná reflexe (ATR)  měření vzorků, které silně absorbují infračervené záření  Účinná rychlá metoda, která vyžaduje minimální přípravu vzorku.  ATR analýza vzorků FTIR spektrometrií je rychlá, může být automatizována a eliminuje použití toxických rozpouštědel.  Technika je založena na principu násobného úplného odrazu záření na fázovém rozhraní měřeného vzorku a měřícího krystalu z materiálu o vysokém indexu lomu. Krystal je většinou planární, ve tvaru lichoběžníkového hranolu,  většinou ze ZnSe, AgCl, Si, Ge, safíru.

3. Typy a příprava vzorků   V IR spektroskopii je možno použít různé měřící techniky a každá z nich může vyžadovat jinou úpravu vzorků.   Vzorky můžeme měřit v plynném, kapalném stavu, roztoky tuhém stavu.

3. Příprava vzorků pro měření  Plynné vzorky – kyvety  Kapalné vzorky – kyvety, dvě okénka  Pevné vzorky – rozemleté na prach KBr tablety KBr tablety Ze zhomogenizované směsi prášku vzorku a KBr, směs se v ocelové raznici za sníženého tlaku (ve vakuu) lisuje max. tlakem cca 80KN na transparentní tabletu o tl. cca 0,5mm.Ze zhomogenizované směsi prášku vzorku a KBr, směs se v ocelové raznici za sníženého tlaku (ve vakuu) lisuje max. tlakem cca 80KN na transparentní tabletu o tl. cca 0,5mm. nujólová metoda nujólová metoda Smícháním na prášek rozemletého vzorku s kapkou parafínového olejeSmícháním na prášek rozemletého vzorku s kapkou parafínového oleje tenké filmy tenké filmy Vzniknou po smíchání vzorku s prchavým rozpouštědlem a nanesení této směsi na destičku z NaClVzniknou po smíchání vzorku s prchavým rozpouštědlem a nanesení této směsi na destičku z NaCl

4. Výsledek – IČ spektrum  Grafické zobrazení funkční závislosti energie na vlnové délce dopadajícího záření.  Program OMNIC.

5. Vyhodnocení měření  Každý pík vyjadřuje vibraci určitých vazeb, způsobenou absorbcí IČ záření: Př: na obrázku je spektrum polystyrenu Př: na obrázku je spektrum polystyrenu

6. Knihovny spekter   Pro vyhodnocení spekter je vhodné porovnání, pro které lze využít knihovny spekter, které existují v několika formách:   Tištěné největší knihovnou je knihovna Aldrichova, která má několik dílů, rozdělených dle materiálů a každý obsahuje cca spekter pro obecné látky je to knihovna Setlerova, která obsahuje přes spekter pro polymerní materiály je nejznámější knihovna Hummelova, která je již zpracována i jako software pro anorganické materiály - Nikristova knihovna

  Softwarové Tyto knihovny bývají součástí softwaru pro zpracování spekter, nebo je lze koupit samostatně   Internetové Existují databáze, jako např.: Bellstein, Specinfo (provozuje databázové centrum STN – Service Centre Europe), do kterých je však vstup často placený   Uživatelské knihovny Softwary pro zpracování spekter umožňují vytvářet nové knihovny spekter

7. Použití IR   Pomocí vibrační spektroskopie lze studovat mnoho chemických a fyzikálních vlastností vzorků. změny struktury molekul, izomerizace, polymerace, vzájemné interakce molekul, chemické reakce, fázové přechody, rozpouštědlový efekt, adsorpce molekul na povrch.

  Speciální aplikace má infračervená spektroskopie při studiu polymerů. Jde především o identifikaci polymerního materiálu, a to jak kvalitativní, tak i kvantitativní určení jeho chemického složení (stanovení koncových skupin, větvení řetězců, konfigurace a konformace atd.). Infračervená spektroskopie slouží dále k určení koncentrace nečistot, antioxidantů, aditiv a emulgátorů, změkčovadel, plnidel a zbytkových monomerů v polymerním materiálu. Vzhledem k pomalosti procesů lze dále sledovat takové procesy, jako je vulkanizace, polymerace nebo degradace. V neposlední řadě lze studovat vliv vnějších podmínek na polymery (teploty a tlaku, záření, deformace, vliv stárnutí nebo vlhkosti okolního prostředí).

8. Použití IR ve stavebnictví  Nátěry  Podklady nátěrů  Typy polymerních pojiv (dřevotřísky, epoxidy)  Lepidla  Poměrové zastoupení složek (EP)  Degradace materiálů (polymery, asf.)  Změny surovin

Děkuji za pozornost