Infračervená spektroskopie (FTIR) & její využití ve forenzní vědě EVROPSKÝ SOCIÁLNÍ FOND PRAHA & EU INVESTUJEME DO VAŠÍ BUDOUCNOSTI Podpořeno CZ.2.17/3.1.00/36021 Implementace nových metod ve výuce biochemie a forenzní analýzy.

Infračervená spektroskopie (FTIR) & její využití ve forenzní vědě

William Herschel Kolem roku 1800 W. Herschel studoval spektrum slunečního světla pomocí hranolu. Měřil teplotu každé barvy, a zjistil, že nejvyšší teplota je těsně nad červenou barvou. Tuto oblast záření proto dnes nazýváme "infračervenou„ (infrared, IR). Autor obrázku: John Lewis

Jednotky používané v IR: Vlnočet (cm -1 ) Near-IR: NIR: – cm -1 Mid-IR: 500 – cm -1 Far-IR: 5 – 500 cm -1 Elektromagnetické spektrum center/optics/optics-101-level-1-theoretical-foundations/

Princip infračervené spektroskopie Při průchodu infračerveného záření vzorkem dochází k jeho absorpci Dochází ke změnám rotačně vibračních stavů molekuly v závislosti na změně dipólového momentu

Dipólový moment (elektrický dipólový moment) vektorová veličina popisující nesymetrické rozdělení elektrického náboje, např. v molekule nebo v malé skupině atomů Podle hodnoty dipólového momentu chemie rozlišuje polární a nepolární molekuly. Polární molekuly mají stálou a nenulovou hodnotu elektrického dipólového momentu, tvoří permanentní dipól, nepolární ho mají nulový.

Kovalentní vazby v organických molekulách nejsou tuhé tyčinky - spíše se chovají více jako pružiny. Při pokojové teplotě, jsou organické molekuly vždy v pohybu, protože jejich vazby se protahují, ohýbají a kroutí Tyto komplexní vibrace lze rozdělit na různé vibrační módy: %3A_Structure_Determination_I/Section_4.2%3A__Infrared_spectroscopy Vibrační módy

Infračervenou spektroskopií se sledují vibrační a rotační přechody v molekulách. ● Pokud je změna těchto vibračních či rotačních stavů spojena se změnou dipólových momentů, dochází k absorpci záření charakteristického pro danou vazbu v molekule. ● Největší význam při identifikaci organických sloučenin má oblast spektra v rozmezí vlnočtů cm -1. V této oblasti se organické sloučeniny projevují největším počtem absorpčních pásů a říká se jí „molecular finger print“. ● Značnou výhodou infračervené spektroskopie je možnost měření vzorků ve všech skupenských stavech. Princip infračervené spektroskopie

Většina moderních IČ spektrometrů používá Fourierovu transformaci s využitím Michelsonova interferometru. Chcete-li získat IR absorpční spektrum, jedno zrcadlo z interferometru se pohybuje a způsobuje interferenci záření dopadajícího na detektor. Používá se jak pro kvalitativní, tak rovněž i pro kvantitativní analýzy. Jean-Baptiste-Josephde Fourier ( ) Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR)

Interferometr He-Ne laser Fixní zrcadlo Pohyblivé zrcadlo Vzorek Zdroj záření (keramický) Detektor (DLATGS) Beam splitter Optický systém FTIR

Založen na interferencei vlnových délek Ve fázi: konstruktivní Mimo fázi: destruktivní Michelsonův interferometer

Převedení interferogramu na absorpční spektrum Fourierovou trasmormací

Zdroj: infračervené záření je vyzařováno ze zářícího zdroje černého tělesa. Končí na detektoru Interferometr: paprsek vstupuje do interferometru, kde probíhá "spektrální kódování" Interferogram : výsledný signál po opuštění interferometru Dělič paprsku: příchozí světlo a rozděluje do dvou optických paprsků Vzorek: paprsek vstupuje do prostoru, kde buď vzorkem projde nebo se odrazí od jeho povrchu Detektor: paprsek nakonec projde do detektoru pro finální měření Počítač: měřený signál je digitalizován a odeslán do počítače, kde je provedena Fourierova transformace Pohybující se zrcadlo interferometru je jedinou pohybující se částí přístroje Pevné/fixní zrcadlo Jak FTIR pracuje?

Interferogram with N 2 Interferogram with sample Background Single beam sample spectrum Transmitanční spektrum Absorbanční spektrum Transmitanční spektrum je příkladem jediného paprsku měřícího jen atmosféru/ pozadí Absorbanční spektrum = záporný logaritmus transmitance Automaticky převede a zobrazí spektra jako absorbance spektra Postup při měření

Co můžeme zjistit pomocí infračervené spektroskopie? Chemická analýza: Shoda spektra se spektrem v databázi - Identifikace neznámé sloučeniny, forenzní aplikace, atd. Monitorování chemické reakce in situ Molekulová struktura: Lze určit, jaké chemické skupiny jsou přítomny ve sloučenině Elektronické informace: Lze změřit optickou vodivost - Zjistit, zda se jedná o kov, izolátor, supravodič či polovodič,

Ve forenzní analýze může být FTIR použita pro identifikaci mnoha velmi rozmanitých materiálů: Maleb/barevných vrstev Polymerů Nátěrů Vláken Kontaminantů Povýstřelových zplodin Forenzní věda

Optika používaná v infračerveném mikroskopu je reflexní optika, tj. zrcadla (kvůli velké absorpci nelze použít skleněné nebo křemenné čočky). Světlo je fokusováno do roviny vzorku a na detektor Cassegrainovými objektivy. Připojený detektor intenzity záření musí vykazovat vysokou citlivost, používá se pyroelektrický MCT detektor (mercury mercury- cadmium cadmium-telurid), který je chlazen kapalným dusíkem. Mikroskop je schopen pracovat i ve viditelném světle. To umožňuje visuálně nalézt analyzovaný objekt a pomocí clon vymezit pracovní plochu, případně pořídit fotodokumentaci. Minimální plocha, kterou je možno analyzovat je řádově omezena vlnovou délkou infračerveného záření, cca průměr 10 μm. Infračervený mikroskop

Příklad infračerveného spektra 2-hexanon

Ve forenzní analýze může přinést důkazy pro trestním řízení. Vlákno nalezené na místě činu může poskytnout informace o oblečení nebo specifickém místě, kterou pachatel nebo oběť navštívili. V textilním průmyslu je identifikaci jednotlivých vláken textilní matrice zajímavá jako součást kontroly jakosti procesu. Pro restaurátory textilních artefaktů je možnost identifikace vláken pocházejících z různých přírodních materiálů (např. bavlna, sisal, lýková, hedvábí a vlny) velmi užitečná pro zvolení vhodného postupu k jejich ošetření. Identifikace vláken pomocí FTIR

Syntetická vlákna připravená na vzorkovací desce (vlevo) a získaná IR spektra (vpravo). Knihovna spekter umožňuje snadnou identifikaci, chemické složení, vláken i přesto, že jejich vizuální vzhled je velmi podobný. Jen dvě vlákna jsou vyrobena ze stejného polymer. Identifikace vláken pomocí FTIR

Mapa line měření na lidském vlasu. Obrázek zobrazuje rozdíl mezi barvenou a odbarvenou částí vlasu na základě vyhodnocení IR-pásu při vlnočtu 1040 cm -1. Imaging lidského vlasu

DĚKUJI ZA POZORNOST

Reference 1) ogical_Emphasis/Chapter__4%3A_Structure_Determination_I/Section_4.2%3A__I nfrared_spectroscopy 2) 3) 4) FT-IR/LUMOS/AN/AN102_LUMOS_identification_fibers_EN.pdf 5) 6) level-1-theoretical-foundations/