Molekulová absorpční spektrometrie v infračervené oblasti (Infračervená spektrometrie)

Princip metody Absorpce záření o  = 800 nm – 1 000 m (Dν̃ = 12 000 – 10 cm-1). Změna vibračního a rotačního stavu molekuly

Oblasti infračerveného spektra (IR) vzdálená, FIR (50 - 1 000 m; 200 – 10 cm-1): změna rotačního stavu (malé E). Er = 0,05 eV střední, MIR (2,5 - 50 m; 4 000 – 200 cm-1): změna vibračního a rotačního stavu Ev = 0,1 eV blízká, NIR (800 - 2 500 nm, 1 200 – 4 000 cm-1) : změna vibračního a rotačního stavu (změna energetického stavu elektronů: Ee = 5 eV)

TEORETICKÝ ZÁKLAD Platí vztahy pro harmonický oscilátor: Dvouatomová molekula: Platí vztahy pro harmonický oscilátor: v = 0, 1, 2 ... Ze spojitého IR záření absorbována taková frekvence, která je totožná s frekvencí vibrace  .

Vztah teoretických a naměřených hodnot : ñ = f (k, 1/Mr) k (N cm-1 ) ñ (cm-1) C – C 5.1010 1 193 C = C 10.1010 1 683 C  C 15.1010 2 067 Mr ñ (cm-1) C – F 7,3 1 200 C – Cl 8,9 700 C – C 10.4 550 Při absorpci záření se zvětší amplituda, ne frekvence vibrace !!!

v = 0  1: přechod základní (fundamentální); Při vibraci vychýlení atomů z rovnovážné polohy. Potenciální energie (parabolická závislost): Dovolené přechody: v = 1 v = 0  1: přechod základní (fundamentální); nejpravděpodobnější  nejintenzivnější všechna E = h  1 pás. Nesouhlasí se skutečností, proto: Anharmonický oscilátor: nesymetrická potenciální křivka. Se zvyšováním v se zmenšuje vzdálenost energetických hladin přechody v =  1  vyšší harmonické frekvence (overtony); menší pravděpodobnost a tedy intenzita E  konst.  více pásů při populaci vyšších vibračních stavů

Polyatomová molekula Výsledná vibrace =  normálních vibrací (stejná frekvence, fáze) počet pásů v IR spektru Počet normálních vibrací = počet vibračních stupňů volnosti: N atomů, každý 3 stupně volnosti  3N stupňů volnosti: 3 stupně translace, 3 rotace  3N – 6 vibračních pohybů, tj. normálních vibrací 3N – 5 pro lineární molekulu (jen 2 rotace)

Polyatomová molekula Stupně volnosti polyatomických molekul

Molekula vody H2O: 3 x 3 – 6 = 3 normální vibrace Vibrace molekuly vody: a) symetrická valenční vibrace; b) antisymetrická valenční vibrace; c) deformační vibrace

Molekula CO2 CO2 : 3 x 3 – 5 = 4 normální vibrace Možné vibrace molekuly CO2 a odpovídající maxima pásů Také součtové a rozdílové kombinační pásy, Fermiho rezonance

CH3 skupina Vibrační módy CH3 skupiny Vibrační módy CH3 skupiny

Dvojná vazba Možné vibrační módy CH2 skupiny

6-ti členný kruh Možné vibrační módy v 6-ti členném kruhu

Aktivita vibrace Vibrační energie vazby (molekuly) se zvýší absorpcí záření jen při změně dipólového momentu  při vibraci ( dán distribucí a vzdáleností kladných a záporných nábojů) Aktivita vibrací molekuly CO2 v infračervené spektrometrii a v Ramanově spektrometrii

Aktivita vibrace Souvisí se symetrií molekuly: O = O, N = N nemají   neposkytují pásy v IR spektru O = C = O sym. vibrace: každá vazba má , při vibraci se kompenzují  neposkytují pás O = C = O antisym. vibrace: změna  se nekompenzuje  vibrace aktivní, poskytuje pás  IR spektrometrie poskytuje informace především o polárních vazbách Charakteristické vibrace – lokalizované do určité části molekuly

Rotace molekul látky v plynném stavu Dvouatomová molekula: - vzdálenost energetických hladin není konst., závisí na J Dovolené přechody: J = 1 Větší pravděpodobnost obsazení vyšších hladin (viz Boltzmanův vztah)

Rotace molekul Polyatomová molekula Lineární molekuly: vztahy obdobné jako molekuly dvouatomové Ostatní molekuly: korekce Aktivita rotace: změna dipólového momentu molekuly 

Vibračně rotační přechody Dvouatomová molekula Dovolené přechody: v = + 1, J = -1 (pás P, event. jemná struktura spektra) v = + 1, J = +1 (pás R, event. jemná struktura spektra)

Dvouatomová molekula

Dvouatomová molekula IR spektrum molekuly CO v plynném stavu (spektrometr s malým rozlišením) IR spektrum molekuly CO v roztoku v tetrachlormethanu IR spektrum molekuly CO v plynném stavu (spektrometr s velkým rozlišením)

Polyatomová molekula lineární: podle směru   vzhledem k : stejný (valenční vibrace) - v = + 1, J = 1  pás stejný jako u dvouatomové molekuly kolmo (deformační vibrace) - také v = + 1, J = 0 (pás Q u vibrační frekvence ) nelineární: podle poměru tří momentů setrvačnosti

EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ Přístroje Zdroje záření: nichromový zdroj, Globar, Nernstova tyčinka (viz úvod) Monochromátory: odrazové mřížky Detektory: termočlánky (tepelné účinky IR záření). Odezva nezávisí na ; pomalé pyroelektrické (teplotní závislost permitivity): triglycinsulfát (TGS), deuterovaný TGS. Rychlá odezva polovodičové mercury-cadmium-telluride, PbS. Odezva závisí na , rychlé, citlivé optoakustické

Disperzní spektrometry jednopaprskové (analyzátory) dvoupaprskové (optická kompenzace nebo „ratio-recording“) Optické schéma dvoupaprskového disperzního spektrometru

Spektrometry s Fourierovou transformací (FT-IR) Interferogram  frekvenční spektrum (bez použití monochromátorů) Schéma Michelsonova interferometru

Spektrometry s Fourierovou transformací (FT-IR) Vysoká světelnost zařízení  citlivost měření; velká rozlišovací schopnost; rychlost záznamu a možnost akumulace spekter  vysoký poměr signál/šum Interferometr s vysokým rozlišením

Spektrometry s Fourierovou transformací (FT-IR) Konstrukční uspořádání komerčního FTIR spektrometru firmy Nicolet

Měřené látky Transmisní měření Odrazová (reflexní) měření

Transmisní měření kapalné vzorky a roztoky: rozebíratelné kyvety s „okénky“ z materiálu transparentního pro IR, netečného k měřené látce a rozpouštědlu. Tloušťka vrstvy 0.01-1 mm. Okénka: NaCl, KBr (široký rozsah, nízká cena; rozpustné v H2O, alkoholech, hygroskopické, měkké) CaF2, BaF2, AgCl, AgBr, ZnS, ZnSe, Ge, Si (nerozpustné, mechan. pevné; vysoká cena)

Kapalné vzorky a roztoky Různé konstrukce rozebíratelných cel pro měření kapalných vzorků

Kapalné vzorky a roztoky Propustnost materiálů pro infračervené záření

Kapalné vzorky a roztoky Rozpouštědla: CHCl3, CS2 (sušená), H2O (intenzivní absorpce) Při interakci se vzorkem vliv na polohu pásů, H-můstky atd. IR spektra běžně používaných rozpouštědel pro měření kapalných vzorků

Plynné vzorky vysoký obsah analytu nebo zvýšený tlak, velká tloušťka kyvety (10 cm), kyvety s násobným průchodem (odraz od zrcátek, délka paprsku 10-20 m). Okénka z materiálu transparentního pro IR. Volná rotace molekul v plynném stavu  rotační struktura pásů

Pevné vzorky folie, tenký film na okénku tabletová technika (směs s KBr, jiné látky) – smíchání, homogenizace, lisování); vliv velikosti a tvaru krystalů, iontová výměna suspenze v olejích (nujol, tetrachlorbutadien, fluorolube); vlastní absorpční pásy

Pevné vzorky Infračervená spektra vybraných látek pro suspenzní techniky

Odrazová (reflexní) měření Spekulární odraz (tenké filmy látek na nosiči) Zeslabení úplného odrazu – ATR (Attenuated Total Reflection) Metoda násobného odrazu Metoda zeslabení úplného odrazu

Odrazová (reflexní) měření Zeslabení úplného odrazu – ATR (Attenuated Total Reflection) Uspořádání ATR pro měření kapalných vzorků

Odrazová (reflexní) měření Difuzní odraz (práškové vzorky nebo jejich směs s KBr) – DRIFTS (Difuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy) DRIFTS analýza práškových vzorků Optické uspořádání pro DRIFTS měření

ANALYTICKÉ APLIKACE Kvalitativní analýza Oblast charakteristických skupinových vibrací Vibrační pohyb atomů v některých částech molekuly lokalizován, značně nezávislý na zbytku molekuly  frekvence této vibrace je charakteristická pro tuto strukturní jednotku (skupinu, vazbu); ve spektru různých látek pásy poskytuje pásy s blízkými hodnotami vlnočtů. Charakteristické skupinové vibrace: vyšší hodnoty vlnočtů střední IR oblasti (4 000 – 1 600 cm-1) . Shromážděny v tabulkách – přiřazení změřených vlnočtů skupinám v molekule.

Kvalitativní analýza Přehled oblastí charakteristických vibrací jednotlivých funkčních skupin organických látek

Kvalitativní analýza Oblast skeletárních vibrací (oblast „otisků prstů“) Spřažené, delokalizované vibrace, charakteristické pro molekulu jako celek (1 500 – 600 cm-1; v této oblasti však také valenční a deformační charakteristické vibrace)

Kvantitativní analýza Analytický pás, výška nebo plocha (při překryvu pásů metoda základní linie). Metoda základní linie: a) spektrum vzorku b) samotného rozpouštědla

Kvantitativní analýza Využití Lambertova-Beerova zákona (pro spektrum měřené v jednotkách absorbance). Odchylky dané vzorkem nebo instrumentální Vyhodnocení koncentrace: metoda kalibrační křivky, metoda standardního přídavku, diferenční metoda. Při výpočtu z Lambertova - Beerova zákona nutno určit tloušťku absorbující vrstvy

Příklady analytických aplikací Složení výfukových plynů, koncentrace ropných látek ve vodách a půdách, stárnutí olejů, tloušťka vrstvy polovodičů (odrazová měření). kriminalistika (mj. identifikace drog), farmacie (vývoj nových léčiv – DRIFTS – analýza v obalu!), potravinářství (cukry, tuky, d-, l-, cis-, trans- izomery), medicina (glukosa, cholesterol, proteiny, rakovinné tkáně, ledvinové kameny) Studium chemických rovnováh, kinetiky reakcí, detekce v TLC, GS