Spektrometria w podczerwieni

Prezentacja na temat: "Spektrometria w podczerwieni"— Zapis prezentacji:

1 Spektrometria w podczerwieni
B. Augustyniak B. Augustyniak

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

3 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

4 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

5 Widmo fal EM a spektroskopia
B. Augustyniak

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

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

8 Podział zakresu średniej podczerwieni 4000 – 400 cm-1
cm-1 drgania rozciągające wiązań pojedynczych pomiędzy atomami znacznie różniącymi się masą np. C-H, O-H, N-H, S-H cm-1 drgania rozciągające wiązań potrójnych C≡C , C≡N cm-1 drgania rozciągające wiązań podwójnych C=C, C=N, N=N, N=O 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 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

9 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

10 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) B. Augustyniak

11 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

12 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% ppt

13 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

14 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.

15 Zależność częstości drgań od masy i siły wiązania atomów
B. Augustyniak

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

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

18 Warunki niezbędne dla rezonansowego oddziaływania światła na drgania molekuły
1 2 3 B. Augustyniak

19 Opis ilościowy efektu absorbcji energii przez molekuły
B. Augustyniak

20 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

21 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% ppt

22 Widmo transmisji oraz aborbcji
B. Augustyniak

23 Rezonanse częstotliwości rgań własnych atomów
B. Augustyniak

24 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

25 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

26 W jakim obszarze absorbują grupy funkcyjne?
26

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

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

29 Krzywe energii potencjalnej

30 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

31 Analiza widma IR Krok pierwszy:
W obszarze 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

32 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

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

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

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

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

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

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

39 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

40 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

41 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

42 SPEKTROMETRY

43 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

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

45 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.

46 • 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.

47 SPEKTROMETR DYSPERSYJNY

48 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

49 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

50 SPEKTROMETR FOURIEROWSKI

51 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

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

53 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 cm/s) • FT-IR spectrometers use a polychromatic source and collect the entire spectrum simultaneously and decode the spectrum by Fourier Transform.

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

55

56 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).

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

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

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

60 PRZYKŁADY SPECTROMETRÓW

61 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

62 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.

63 NICOLET_FT-IR 6700 Rozdzielacz Źródło Detektory Próbka B. Augustyniak

64 NICOLET_FT-IR 6700 DETEKTORY
B. Augustyniak

65 NICOLET_FT-IR 6700 ŹRÓDŁA B. Augustyniak

66 NICOLET_FT-IR 6700 ROZDZIELACZ
B. Augustyniak

67 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

68 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

69 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

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

71 B. Augustyniak