Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni w jakościowej i ilościowej analizie organicznej dr hab. Alina T. Dubis Zakład Chemii Produktów Naturalnych Instytut Chemii UwB

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

Odkrycie promieniowania podczerwonego Sir Frederick William Herschel stwierdził w 1800 r., że istnieje promieniowanie poza obszarem widzialnym. To „ promieniowanie cieplne” nazwano później promieniowaniem podczerwony (prefix infra oznacza ‘pod’). Eksperyment Herschel‘a był ważny nie tylko dlatego, że doprowadził do odkrycia promieniowania IR, ale również dlatego, że po raz pierwszy zauważono istnienie formy światła niewidzialnego dla ludzkiego oka. William Herschel, właściwie Friedrich Wilhelm Herschel (ur. 15 listopada 1738 r. w Hanowerze, Niemcy, zm. 25 sierpnia 1822 r. w Windsorze) – astronom, konstruktor teleskopów i kompozytor, znany z wielu odkryć astronomicznych, a szczególnie z odkrycia Urana. Był synem syn Izaaka i Anny Herschelów. Od najmłodszych lat uczył się gry na skrzypcach i oboju. W wieku 15 lat wstąpił do orkiestry pułku gwardii hanowerskiej, a w 1757 roku wyjechał z bratem do Anglii, gdzie pracował jako muzyk. Tam też w roku 1793 otrzymał obywatelstwo angielskie i przyjął imię William, którego odtąd używał jako jedynego. W 1766 roku został organistą w Octagon Chapel, w miejscowości Bath, a następnie objął stanowisko głównego dyrygenta orkiestry. Cały czas rozwijał swoje zainteresowania astronomiczne, a od 1773 roku zaczął kupować i konstruować teleskopy. Zbudował teleskop o średnicy 120 cm. Jako miłośnik astronomii próbował szlifować zwierciadła. W 1772 roku do Anglii przybyła jego siostra Caroline, która pomagała mu w pracach astronomicznych (samodzielnie odkryła 8 komet m.in. kometę Enckego). W 1774 sporządził 5-ciostopowy teleskop i wszystkie noce poświęcił na obserwacje nieba. Za pomocą własnych urządzeń 13 marca 1781 roku odkrył planetę Uran, którą na cześć króla Anglii – Jerzego III, nazwał Georgium Sidus. Była to pierwsza nowa planeta odkryta od czasów starożytnych. W roku 1782 król Jerzy III powołał go na stanowisko osobistego astronoma królewskiego oraz dał mu pensję roczną 200 funtów na dalsze badania. W 1783 odkrył ruch własny systemu słonecznego, zaś rok później (1784) stwierdził skończone rozmiary galaktyki. Kontynuując badania nowej planety w roku 1787 odkrył 2 księżyce Urana. Jego zaawansowane technicznie teleskopy umożliwiły mu odkrycie w 1789 roku szóstego i siódmego księżyca Saturna (Enceladus oraz Mimas) oraz obliczenie wysokości gór na Księżycu. Stworzył i wydał listę ponad 850 gwiazd podwójnych i wielokrotnych oraz opublikował pierwszy katalog mgławic, których odkrył 2500. W roku 1803 zaobserwował istnienie względnego ruchu gwiazd-składników układów podwójnych. Najwięcej odkryć dokonał Herschel w dziedzinie astronomii gwiazd stałych. Ze swoich badań wyprowadził wiele ważnych wniosków, dotyczących budowy Wszechświata i kształtu Drogi Mlecznej. Pod koniec życia otrzymał angielski tytuł szlachecki "Sir". Jest autorem przeszło 70 prac, drukowanych w Philosophical Transactions (1780–1818). Zbiór jego dzieł wydano jako Scientific Papers (Londyn, 1912, 2 tomy). Na jego cześć jedna z planetoid została nazwana 2000 Herschel. Jego syn, John Herschel także został sławnym astronomem. 14 maja 2009 roku Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wysłała na orbitę największy w historii badań kosmosu teleskop (zwierciadło o średnicy 3,5 metra), nazwany właśnie imieniem tego słynnego astronoma: Kosmiczne Obserwatorium Herschela[1]. eyes. Herschel's origin Herschelowi zawdzięczamy również odkrycie promieniowania podczerwonego. Gdy badał za pomocą termometrów temperaturę promieniowania słonecznego w różnych pasmach światła widzialnego - od fioletowego do czerwonego - zauważył, że najwyższe wskazania uzyskuje się dla termometrów ustawionych tuż za czerwonym krańcem widma słonecznego. To odkrycie opisał w 1800 r. w pracy "Experiments on the refrangibility of the invisible rays of the Sun" (Doświadczenia dotyczące załamywania się niewidzialnych  al prism and mirror are on display at the National Museum of Science and Industry in London, England.

Widmo promieniowania elektromagnetycznego   - Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Oznacza to zakres od 780 nm do 1 mm. Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5 μm), średnią (MIR 5-30 μm) oraz daleką (FIR 30-1000 μm), ale są to tylko umowne granice odczyt płyt CD laserem o długościach 650-790 nm pomiar odległości – dalmierz podczerwony w zakresie 0,25-1,5 m przekaz danych w światłowodzie – przepustowość kanału powyżej 1 Gb/s (gigabita na sekundę) przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilota komunikacja w standardzie IrDA promienniki podczerwieni stosowane w niektórych typach saun lub do ogrzewania wnętrz Spektroskopia IR 780 nm – 1 mm 0.7 – 5 m – bliska podczerwień (NIR) 5 – 30 m – średnia podczerwień (MIR) 30 – 1000 m – daleka podczerwień (FAR)

Promieniowanie podczerwone jest stosowane w: Noktowizji Pomiarze odległości (dalmierze) Przekaz danych w światłowodzie IrDA – przekaz danych w powietrzu Promienniki podczerwone (sauny) …Fotografowanie niewidocznego

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] - -

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

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)

Spektroskopia oscylacyjna

Rodzaje drgań Drgania rozciągające Drgania deformacyjne W płaszczyźnie Kołyszące Nożycowe Poza płaszczyzną Wachlarzowe Skręcające

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

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

Rodzaje drgań w zakresie średniej podczerwieni Długość fali Drgania rozciągające Drgania deformacyjne Liczba falowa

W jakim obszarze absorbują grupy funkcyjne? Alcohols and amines display strong broad O-H and N-H stretching bands in the region 3400-3100 cm . The bands are broadened due to hydrogen bonding and a sharp 'non-bonded' peak can often be seen at around 3400 cm . Alkene and alkyne C-H bonds display sharp stretching absorptions in the region 3100-3000 cm . The bands are of medium intensity and are often obscured by other absorbances in the region (i.e., OH). Triple bond stretching absorptions occur in the region 2400-2200 cm . Absorptions from nitriles are generally of medium intensity and are clearly defined. Alkynes absorb weakly in this region unless they are highly asymmetric; symmetrical alkynes do not show absorption bands. Carbonyl stretching bands occur in the region 1800-1700 cm . The bands are generally very strong and broad. Carbonyl compounds which are more reactive in nucleophilic addition reactions (acyl halides, esters) are generally at higher wave number than simple ketones and aldehydes, and amides are the lowest, absorbing in the region 1700-1650 cm . Carbon-carbon double bond stretching occurs in the region around 1650-1600 cm . The bands are generally sharp and of medium intensity. Aromatic compounds will typically display a series of sharp bands in this region. Carbon-oxygen single bonds display stretching bands in the region 1200-1100 cm . The bands are generally strong and broad. You should note that many other functional groups have bands in this region which appear similar. Grupy funkcyjne Obszar daktyloskopowy

Charakterystyczne częstości grupowe Grupa/drganie / cm-1 Intensywność O-H rozciągające 3590 - 3650 s =C-H rozciągające 3000 - 3100 w >C-H rozciągające 2850 - 2970 C=O rozciągające 1680 - 1780 vvs C=C rozciągające 1620 - 1680 >CH2 nożycowe 1460 m C-CH3 symetryczneC-H deform. 1375 C-O (ester) rozciągające 1150 - 1300 vs -CH=CH2 deformacyjne – poza płaszczyzną 985 - 995 i 905 - 915 -CH=CH- (trans) poza płaszczyzną 960 - 970 >C=CH- poza płaszczyzną 790 - 840 -(CH2)x- (x > 4) poza płaszczyzną 720

Widmo formaldehydu H2C=O w fazie gazowej Cząsteczka nieliniowa posiada 3N-6 oscylacyjnych stopni swobody czyli 3x4-6 = 6 wachlarzowe rozciągające nożycowe kołyszące rozciągające rozciągające

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 Liczba falowa (cm-1) When you analyze the spectra, it is easier if you follow a series of steps in examining each spectrum.   1. Look first for the carbonyl C::O band. Look for a strong band at 1820-1660 cm-1. This band is usually the most intense absorption band in a spectrum. It will have a medium width. If you see the carbonyl band, look for other bands associated with functional groups that contain the carbonyl by going to step 2. If no C::O band is present, check for alcohols and go to step 3. 2. If a C::O is present you want to determine if it is part of an acid, an ester, or an aldehyde or ketone. At this time you may not be able to distinguish aldehyde from ketone and you will not be asked to do so. ACIDLook for indications that an O-H is also present. It has a broad absorption near 3300-2500 cm-1. This actually will overlap the C-H stretch. There will also be a C-O single bond band near 1100-1300 cm-1. Look for the carbonyl band near 1725-1700 cm-1.ESTERLook for C-O absorption of medium intensity near 1300-1000 cm-1. There will be no O-H band. ALDEHYDELook for aldehyde type C-H absorption bands. These are two weak absorptions to the right of the C-H stretch near 2850 cm-1 and 2750 cm-1 and are caused by the C-H bond that is part of the CHO aldehyde functional group. Look for the carbonyl band around 1740-1720 cm-1.KETONEThe weak aldehyde CH absorption bands will be absent. Look for the carbonyl CO band around 1725-1705 cm-1. 3. If no carbonyl band appears in the spectrum, look for an alcohol O-H band. ALCOHOLLook for the broad OH band near 3600-3300 cm-1 and a C-O absorption band near 1300-1000 cm-1. 4. If no carbonyl bands and no O-H bands are in the spectrum, check for double bonds, C::C, from an aromatic or an alkene.  ALKENELook for weak absorption near 1650 cm-1 for a double bond. There will be a CH stretch band near 3000 cm-1.  AROMATICLook for the benzene, C::C, double bonds which appear as medium to strong absorptions in the region 1650-1450 cm-1. The CH stretch band is much weaker than in alkenes. 5. If none of the previous groups can be identified, you may have an alkane. ALKANEThe main absorption will be the C-H stretch near 3000 cm-1. The spectrum will be simple with another band near 1450 cm-1. 6. If the spectrum still cannot be assigned you may have an alkyl bromide. ALKYL BROMIDELook for the C-H stretch and a relatively simple spectrum with an absorption to the right of 667 cm-1.

Analiza widm IR Krok drugi: Jeżeli stwierdziliśmy obecność grupy karbonylowej wówczas określamy czy jest ona składnikiem kwasu, estru, aldehydu bądź ketonu

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

Estry pasmo drgań rozciągających C-O o średniej intensywności 1100-1300 cm-1 C=O 1745-1720 cm-1

Aldehydy dwa słabe pasma C-H ok. 2850 i 2750 cm-1 C=O 1740-1720 cm-1

Ketony C=O 1725-1705 cm-1

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

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

Analiza widm IR Krok piąty brak grup funkcyjnych świadczy o obecności alkanu lub halogenopochodnej

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

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

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

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

Spektrometry IR dyspersyjny fourierowski

Jak działa interferometr?

Jak działa interferometr?

Interferometr Michelsona Za jego pomocą Michelson zmierzył długość wzorca metra przechowywanego w Paryżu wyrażając ją jako 1553163.5 długości fali czerwonego światła kadmu, za co w 1907 r. uhonorowano go nagrodę Nobla Także empiryczny dowód stałości prędkości światła w każdym układzie odniesienia zawdzięczamy interferometrowi Michelsona, który jako pierwszy wykonał badania w 1881. W 1907 r. dostał Nagrodę Nobla za konstrukcję precyzyjnych instrumentów optycznych i pomiary w dziedzinie spektroskopii i metrologii. Był pierwszym Amerykaninem-noblistą.

Transformacja Fouriera F() =  F(x)cos2xdx -  -

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

Materiały przepuszczające promieniowanie podczerwone Granica przepuszczalności m cm-1 szkło 2.5 4000 kwarc 4.4 2300 szafir 6.5 1500 LiF 7.0 1400 CaF2 10.0 1000 NaCl 20 500 AgCl 28 360 KBr 32 310 CsI 60 170 KSR-5 50 200

Techniki pomiarowe stosowane w FT-IR Transmisyjne Emisyjne Fotoakustyczne Odbiciowe - odbicie wewnętrzne (ATR, HATR) - odbicie zwierciadlane (SR) - odbicie rozproszone (DRIFTS)

Techniki pomiarowe ATR DRIFTS SR TS ES PAS

Schemat optyczny urządzenia do pomiarów metodą HATR Podstawy teoretyczne Lustra ze źródła do detektora Próbka Kryształ Schemat optyczny urządzenia do pomiarów metodą HATR

Zastosowania Widma dwóch stron laminatu foliowego poliamid-polietylen (PAPE) wykonane techniką HATR. T [%] PE PA

Zastosowanie techniki ATR badanie materiałów nieprzezroczystych dla promieniowania IR badanie substancji dla których otrzymanie widma transmisyjnego możliwe jest po czasochłonnej preparatyce (tkanki mięśniowe, rogówki i soczewki oczne, hodowle komórkowe) analiza substancji znajdujących się w mediach silnie absorbujących promieniowanie IR analiza folii polimerowych, zbyt cienkich aby wykonać widmo transmisyjne bloki stałych substancji o gładkiej, równej powierzchni analiza włókien analiza substancji powlekających np. papier analiza ciekłych filmów umieszczonych na powierzchni kryształu ATR

Technika Odbicia Rozproszonego DRIFTS

Odbicie Rozproszone Technika odbicia rozproszonego jest stosowana do analizy różnych próbek stałych: proszków i chropowatych powierzchni stałych. Zastępuje ona tradycyjny pomiar transmisyjny w postaci pastylek i zawiesin w oleju parafinowym.

Podstawy teoretyczne Naczynko pomiarowe Promieniowanie odbite rozproszone Ilość odbitego promieniowania opisuje równanie Fresnela. Tylko ta część promieniowania, która jest rozproszona przez próbkę może być zebrana przez urządzenie.

Akcesoria do pomiarów odbicia rozproszonego DRIFTS

Zastosowanie techniki odbicia rozproszonego DRIFTS analiza dokumentów otrzymujemy widmo pasty długopisowej lub tonera z kserokopiarek analiza włókien szklanych powleczonych polimerami analiza materiałów ubraniowych analiza substancji proszkowych analiza substancji rozpuszczonych w lotnym rozpuszczalniku np. frakcja z chromatografii cieczowej może zostać zebrana na sproszkowany KBr, rozpuszczalnik odparowany a pozostała substancja analizowana techniką DRIFTS