Spektrometria w podczerwieni B. Augustyniak B. Augustyniak

Zagadnienia Techniki spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni Spektrofotometry siatkowe (IR) i fourierowskie (FTIR B. Augustyniak

Tematyka Spektroskopia - podział i zastosowanie Promieniowanie elektromagnetyczne Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z drgającymi molekułami Częstości grupowe Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni Budowa i zasada działania spektrometrów do podczerwieni: - klasycznych - fourierowskich dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Wielkości charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne Właściwości falowe Prędkość w próżni c=3x108 m/s Okres drgań T [s] Częstotliwość drgań  [Hz] Długość fali =c/ = c/= c Liczba falowa  [cm-1] Właściwości korpuskularne Energia promieniowania E= h Związek między falowym a korpuskularnym opisem promieniowania E=h= hc/ h=6.62x10-34 [Js] - - dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Widmo fal EM a spektroskopia http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf B. Augustyniak

Widmo promieniowania elektromagnetycznego 780 nm – 1 mm 0.7 – 5 m – bliska podczerwień (NIR) 5 – 30 m – średnia podczerwień (MIR) 30 – 1000 m – daleka podczerwień (FAR) dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt 6

Widmo fal EM a spektroskopia IR B. Augustyniak Appendix_1_Qual_Instrumentation_03.pdf

Podział zakresu średniej podczerwieni 4000 – 400 cm-1 4000-2500 cm-1 drgania rozciągające wiązań pojedynczych pomiędzy atomami znacznie różniącymi się masą np. C-H, O-H, N-H, S-H 2500-2000 cm-1 drgania rozciągające wiązań potrójnych C≡C , C≡N 2000-1500 cm-1 drgania rozciągające wiązań podwójnych C=C, C=N, N=N, N=O 1500-1000 cm-1 „obszar daktyloskopowy” Drgania rozciągające wiązań pojedynczych atomów o zbliżonych masach: C-C, C-N, C-O Drgania deformacyjne różnych wiązań Drgania szkieletowe cząsteczki 1000- 600 cm-1 drgania deformacyjne poza płaszczyzną wiązań C-H w układach aromatycznych i alkenylowych dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Jak promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią Całkowita energia cząsteczki jest rozdzielona pomiędzy różne rodzaje energii. Rodzaje energii są powiązane z różnymi formami ruchu cząsteczki: Translacyjna Rotacyjna Oscylacyjna Elektronowa Promieniowanie radiowe powoduje zmianę orientacji magnetycznej jąder (Spektrometria NMR) Promieniowanie mikrofalowe powoduje wzbudzenie rotacji (Spektroskopia mikrofalowa) Promieniowanie podczerwone – wzbudza oscylacje atomów (Spektroskopia IR) Promieniowanie widzialne i ultrafioletowe – przejścia między poziomami elektronowymi powłoki walencyjnej (Spektroskopia UV-VIS) dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt 9

Rodzaje drgań molekuł Drgania rozciągające – następują zmiany odległości między atomowych wzdłuż osi wiązań. rozciągające symetryczne (symmetrical stretching) rozciągające asymetryczne (assymetrical stretching) Drgania zginające – zmianie ulegają kąty pomiędzy wiązaniami nożycowe (scissoring) kołyszące (rocking) kołyszące (rocking) kołyszące (rocking) http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf B. Augustyniak

Rodzaje drgań Drgania rozciągające Drgania deformacyjne W płaszczyźnie Kołyszące Nożycowe Poza płaszczyzną Wachlarzowe Skręcające dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Stretch – Vibration or oscillation along the line of the bond Bend – Vibration or oscillation not along the line of the bond H C H C symmetric asymmetric H C H C H C H C scissor in plane twist out of plane wag rock chemistry.bd.psu.edu/justik/...212/.../CHEM%20210%20IR%202010.ppt

Drgania oscylacyjne cząsteczki wody Cząsteczka nieliniowa posiada 3N-6 (3x3 - 6) oscylacyjnych stopni swobody O-H drganie rozciągające asymetryczne O-H drganie rozciągające symetryczne O-H drganie deformacyjne dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Oscylacje molekuł Oscylacje molekuły dwuatomowej z dobrym przybliżeniem opisuje prawo Hooke’a: gdzie  jest liczbą falową [cm-1], m1 oraz m2 masami atomów 1 oraz 2 [kg], c - prędkością dźwięku oraz f stałą siłową wiązania [N/m]. f is proportional to bond strength or bond order. C=O vibrates at a higher frequency than C-O. Furthermore, the change in the force constant of different carbonyl groups can be understood based on the contribution of resonance structures. The base value for the stretching frequency of a carbonyl (e.g., acetone) is CO ˜ 1715 cm-1. http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf

Zależność częstości drgań od masy i siły wiązania atomów http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf B. Augustyniak

Zależność częstości drgań od masy i siły wiązania atomów Photosynth Res (2009) 101:157–170 B. Augustyniak

Rodzaje drgań w zakresie średniej podczerwieni dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Warunki niezbędne dla rezonansowego oddziaływania światła na drgania molekuły 1 2 3 B. Augustyniak http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf

Opis ilościowy efektu absorbcji energii przez molekuły http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf B. Augustyniak

Wielkości opisujące zjawisko absorpcji Intensywność wiązki padającej I0 przechodzącej I Absorbancja A=logI0 /I Transmitancja T= I/I0x100%  A=log1/T Prawo Lamberta-Beera A=cl dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

WIDMO ABSORPCJI Each stretching and bending vibration occurs with a characteristic frequency as the atoms and charges involved are different for different bonds The y-axis on an IR spectrum is in units of % transmittance In regions where the EM field of an osc. bond interacts with IR light of the same  – transmittance is low (light is absorbed) In regions where no osc. bond is interacting with IR light, transmittance nears 100% chemistry.bd.psu.edu/justik/...212/.../CHEM%20210%20IR%202010.ppt

Widmo transmisji oraz aborbcji http://www.fizyka.umk.pl/~psz/w13.pdf B. Augustyniak

Rezonanse częstotliwości rgań własnych atomów B. Augustyniak

Podczerwień bliska NIR 0.7 – 5 m Pasma absorpcyjne pochodzą od podstawowych drgań oscylacyjnych dających nadtony i pasma kombinacyjne. W tym regionie występują nadtony drgań rozciągających wiązań: OH – np. w wodzie (trzy pasma o różnej intensywności pozwalają na pomiary wilgotności w zakresie 1-90%) NH - organiczny azot ( amidy) CH – oleje Zastosowanie: badanie zawartości wilgoci w mące, skrobi, mleku w proszku, kawie rozpuszczalnej, chipsach analiza widma światła odbitego lub emitowanego przez planety dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Podczerwień daleka FAR – poniżej 200 cm-1 30 – 1000 m W tym obszarze zachodzi absorpcja spowodowana przejściami pomiędzy różnymi poziomami rotacyjnymi w cząsteczce Zastosowanie: badanie rezonansu sieci kryształów badanie drgań o niskiej częstotliwości całych zrębów molekularnych białek oraz fragmentów łańcuchów aminokwasowych lub też całych molekuł względem siebie dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

W jakim obszarze absorbują grupy funkcyjne? 26

Absorpcja drgań rozciągających wiązań pojedynczych i wielokrotnych dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Krzywe energii potencjalnej Kwantowa liczba rotacji Kwantowa liczba oscylacji dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Krzywe energii potencjalnej http://www.authorstream.com/Presentation/parmar.arpan-76792-infrared-spectroscopy-instruments-final-ir-sem-education-ppt-powerpoint/

Widmo formaldehydu H2C=O w fazie gazowej Cząsteczka nieliniowa posiada 3N-6 oscylacyjnych stopni swobody czyli 3x4-6 = 6 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Analiza widma IR Krok pierwszy: W obszarze 1820-1660 cm-1 poszukujemy pasma karbonylowego. Jest to zazwyczaj najbardziej intensywne pasmo w widmie. Jeżeli takie pasmo zostało znalezione poszukujemy innych pasm związanych z grupami funkcyjnymi zawierającymi wiązanie C=O dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt 31

Analiza widm IR Krok drugi: Jeżeli stwierdziliśmy obecność grupy karbonylowej wówczas określamy czy jest ona składnikiem kwasu, estru, aldehydu bądź ketonu dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

szeroka absorpcja O-H 3300-2500 cm-1 Kwasy szeroka absorpcja O-H 3300-2500 cm-1 pasmo drgań rozciągających C-O o średniej intensywności 1100-1300 cm-1 C=O 1725-1700 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Estry pasmo drgań rozciągających C-O o średniej intensywności 1100- 1300 cm-1 C=O 1745-1720 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

dwa słabe pasma C-H ok. 2850 i 2750 cm-1 C=O 1740-1720 cm-1 Aldehydy dwa słabe pasma C-H ok. 2850 i 2750 cm-1 C=O 1740-1720 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Ketony C=O 1725-1705 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Analiza widm IR Krok trzeci Jeżeli w widmie nieobecne jest pasmo karbonylowe wówczas poszukujemy pasma O-H alkoholu w obszarze 3300-2600 cm-1 oraz pasma C-O w obszarze 1300-1100 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Analiza widm IR Krok czwarty Jeżeli C=O i O-H są nieobecne, poszukujemy wiązań wielokrotnych C-H powyżej 3000 cm-1 C=C 1650-1450 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Analiza widm IR Krok piąty brak grup funkcyjnych świadczy o obecności alkanu lub halogenopochodnej dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w zakresie średniej podczerwieni 4000-400 cm-1 Identyfikacja substancji o znanej strukturze Określanie struktury cząsteczki na podstawie tabeli częstości grupowych Określanie czystości związków Kontrola przebiegu reakcji Analiza ilościowa Badanie oddziaływań międzycząsteczkowych dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Zastosowanie spektroskopii IR w analizie związków nieorganicznych KNO2 sieć krystaliczna składa się z kationów K+ i anionów NO2- Można założyć, że drgania jonów są niezależne od siebie W widmie IR będziemy obserwować 3N-6 pasm anionu NO2- sym 1335 cm-1 asym1250 cm-1 830 cm-1 Zmiana kationu powoduje jedynie niewielkie przesunięcia pasm anionu Gdy kation powoduje modyfikację krystalograficzną, ulegają zmianie pasma absorpcyjne związane z drganiami sieci krystalograficznej, występujące w dalekiej podczerwieni – poniżej 600 cm-1 dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

SPEKTROMETRY

Zasada badania widm Zasada badania spektrometrem podczerwieni S – źródło promieniowania, P – komora wiązki próbki, O – komora wiązki odniesienia, F – fotometr, M – monochromator, D – detektor, W – wzmacniacz, R – rejestrator. Porównywane jest natężenie promieniowania przechodzącego przez ‘P’ i ‘O’ B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Spektrometry IR dyspersyjny fourierowski dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

IR Sources Sources - inert solids that heat electrically to 1500 – 2200 K. • Emit blackbody radiation produced by atomic and molecular oscillations excited in the solid by thermal energy. • The inert solid “glows” when heated. • Common sources: 1. Nernst glower - constructed of a rod of a rare earth oxide (lanthanide) with platinum leads. 2. Globar - Silicon carbide rod with water cooled contacts to prevent arcing. 3. Incandescent wire - tightly wound wire heated electrically. Longer life but lower intensity. www.lasalle.edu/~prushan/...files/Instrumental%20Lecture%208.ppt

• Have a slow response time, so they are not well suited to FT-IR. DETECTORS 1. Thermal transducer • Constructed of a bimetal junction, which has a temperature dependant potential (V). (similar to a thermocouple) • Have a slow response time, so they are not well suited to FT-IR. 2. Pyroelectric transducer • Constructed of crystalline wafers of triglycine sulfate (TGS) that have a strong temperature dependent polarization. • Have a fast response time and are well suited for FT-IR. 3. Photoconducting transducer • Constructed of a semiconducting material (lead sulfide, mercury/cadmium telluride, or indium antimonide) deposited on a glass surface and sealed in an evacuated envelope to protect the semiconducting material from the environment. • Absorption of radiation promotes nonconducting valence electrons to a conducting state, thus decreasing the resistance () of the semiconductor. • Fast response time, but require cooling by liquid N2. www.lasalle.edu/~prushan/...files/Instrumental%20Lecture%208.ppt

SPEKTROMETR DYSPERSYJNY

Spektrometr ‘Dyspersyjny’ – źródło światła o danej częstości 1. Źródłem promieniowania jest lampa (żarzone włókno z tlenków cyrkonu, toru i ceru, węglik krzemu) o temperaturze 2000 K. Maksimum emisji dla 5000 – 7000 cm-1 2. Światło emitowane przez lampę pada na pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną Uzyskuje się widmo ‘dyspersyjne’. 3. Do naświetlania próbki wybiera się fragment z tak uzyskanego widma (za pomocą szczeliny) o wybranej długości fali B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Spektrometr ‘dyspersyjny’ Sposób oświetlania i analizy światła S – źródło światła ( z układu dyspersyjnego) , Z – zwierciadła, Zwierciadło Z6 - kieruje do fotometru światło z ‘O’ lub z ‘P’ B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

SPEKTROMETR FOURIEROWSKI

Spektrometr ‘fourierowski’ 1. Źródłem promieniowania jest lampa (żarzone włókno z tlenków cyrkonu, toru i ceru, węglik krzemu) o temperaturze 2000 K. Maksimum emisji dla 5000 – 7000 cm-1 W dalekiej podczerwieni stosowana jest lampa rtęciowa 2. Światło emitowane przez lampę pada na interferometr typu Michelsona z ruchomym lustrem. Zmiana położenia lustra zmienia natężenie światła (interferencja) – są oscylacje 3. Światło z interferometru wykorzystuje się do prześwietlania próbki i wzorca B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Transformacja Fouriera F() =  F(x)cos2xdx -  - dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Multiplexing (FT) Spectrometers • The frequency of the radiation () is directly related to the frequency of the interferogram (f). = frequency of radiation f = frequency of inteferogram m = velocity of the mirror c = speed of light (3.00 x 1010 cm/s) • FT-IR spectrometers use a polychromatic source and collect the entire spectrum simultaneously and decode the spectrum by Fourier Transform. www.lasalle.edu/~prushan/...files/Instrumental%20Lecture%208.ppt

Jak działa interferometr Michelsona dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

www.lasalle.edu/~prushan/...files/Instrumental%20Lecture%208.ppt

B. Multiplexing (FT) Spectrometers 1. Michelson Interferometer • The source beam is split into two beams. • One beam goes to a stationary mirror and the other goes to a moveable mirror. • Movement of the mirror at a constant rate and recombination of the two beams results in a signal that is modulated by constructive and destructive interference (Interferogram). www.lasalle.edu/~prushan/...files/Instrumental%20Lecture%208.ppt

Spektrometr ‘fourierowski’ - interferometr 1. Interferometr Michlsona B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Spektrometr ‘fourierowski’ – część rozdzielająca wiązkę B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Spektrometr ‘fourierowski’ – oscylacje natężenia FFT B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

PRZYKŁADY SPECTROMETRÓW

APARATURA – SPECTROMETR FT-IR SPECTROLAB Najwyższej klasy naukowo-badawczy spektrofotometr FT-IR, wiodący na rynku światowym. Wyjątkowe parametry techniczne dzięki doskonałej wydajności energetycznej, unikalnej konstrukcji systemu optycznego i układu elektronicznego. Wszystkie spektrometry IR Nicolet Series są budowane na wspólnej platformie optycznej i elektronicznej, tak że możliwe jest dowolne rozbudowywanie każdego spektrometru. Precyzyjna ława optyczna z elementami układu na kołkach pozycjonujących zapewnia, że elementy układu zawsze zachowują optymalne, wyjustowane położenie i jest możliwa wymiana podstawowych elementów przez użytkownika. Technologia ESP gwarantuje kontrolę wszystkich aspektów pomiaru w czasie rzeczywistym  B. Augustyniak http://www.spectro-lab.com.pl/product.php?action=show&CID=38

Multiplexing (FT) Spectrometers 2. FT-IR instrument • Mirror length of travel ranges from 1 to 20 cm. • Scan rates from 0.1 to 10 cm/s • Detectors are usually pyroelectric or photoconducting. • Use multiple scans and signal averaging to improve S/N. • Cost $10,000 - $20,000 • Have virtually replaced dispersive instruments. www.lasalle.edu/~prushan/...files/Instrumental%20Lecture%208.ppt

NICOLET_FT-IR 6700 Rozdzielacz Źródło Detektory Próbka B. Augustyniak http://www.spectro-lab.com.pl/download/__uploads/BYO_Nicolet_6700/bin/superview1b.htm

NICOLET_FT-IR 6700 DETEKTORY B. Augustyniak http://www.spectro-lab.com.pl/download/__uploads/BYO_Nicolet_6700/bin/superview1b.htm

NICOLET_FT-IR 6700 ŹRÓDŁA B. Augustyniak http://www.spectro-lab.com.pl/download/__uploads/BYO_Nicolet_6700/bin/superview1b.htm

NICOLET_FT-IR 6700 ROZDZIELACZ B. Augustyniak http://www.spectro-lab.com.pl/download/__uploads/BYO_Nicolet_6700/bin/superview1b.htm

Porównanie spektrometrów dyspersyjnych i Fourierowskich 1. W spektrometrii dyspersyjnej widmo podzielone jest na przedziały (zależne od szerokości szczeliny). Im węższa szczelina tym większa rozdzielczość widmowa ale mniejsze jest natężenie światła i dłuższy czas badania. 2. W spektrometrze fourierowskim bada się w funkcji położenia zwierciadła z bardzo precyzyjnym wyznaczeniem tego skoku. Analiza FFT jest bardzo szybka - można uśredniać szereg widm, a to zwiększa dokładność badania. 3. Spektrometria Fourierowska jest szczególnie przydatna w badaniu w zakresie dalekiej podczerwieni B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Przewaga spektrometrów fourierowskich nad przyrządami dyspersyjnymi Duża szybkość zbierania danych – zysk multipleksowy Brak szczelin ograniczających zdolność rozdzielczą – zysk aperturowy Duża precyzja skali częstości – samoskalowanie Inne korzyści: FT-IR są odporne na przypadkowe promieniowanie. W urządzeniach dyspersyjnych detektor nie rozróżnia energii IR ze źródła od energii pochodzącej z zewnątrz – np. żarówki FT-IR mają tylko jedno ruchome zwierciadło. Instrumenty dyspersyjne posiadają dużo ruchomych części, które z biegiem czasu rozregulowują się dr Alina Dubis,biol-chem.uwb.edu.pl/ala/Specjalizacja.ppt

Zastosowania spektrometrów Fourierowskich Badanie struktur cząsteczek (chemia organiczna i biochemia) Badanie anharmonizmu drgań atomów – informacja o potencjale międzyatomowym Badania drgań z wpływem defektów struktury Badania przejść fazowych. B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

Zródła Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998 Internet B. Augustyniak

B. Augustyniak