IR Spektroskopija

IR spektroskopija

• Infracrvena ili IR spektroskopija je jedna od metoda koja

nam pomaže da odredimo strukturu nepoznatog molekula

propuštanjem infracrvenog zračenja kroz uzorak.

• Nakon prolaska kroz kivetu sa nepoznatim jedinjenjem,

intenzitet upadnog zraka se smanjuje, znači, molekuli

jedinjenja iz kivete apsorbuju jedan deo zračenja.

• Ako analiziramo taj izlazni, oslabljeni zrak po

frekvencijama, videćemo da je slabljenje posebno izraženo

u odreñenim oblastima frekvencije.

• Infracrveno zračenje se u spektru nalazi izmeñu vidljivog dela i mikrotalasa (od 800 nm do 1mm )

• Infracrveno zračenje ima veću talasnu dužinu u odnosu na VIS i kraću u odnosu na mikrotalase

• Infracrveno zračenje ima nižu frekvencu u odnosu na VIS i višu u odnosu na mikrotalase.na VIS i višu u odnosu na mikrotalase.

• Primarni izvor IR zračenja je termalno zračenje (toplota)

• Svi objekti emituju IR zračenje..čak i kocka leda...

2.5-25 µm

• Najčešće primenjivani region je oblast srednjih IR talasa 400 to 4000 cm-1 (2.5 to 25 µm).

(Apsorpcija, refleksija i emisija)

• Bliski IR region od 4000 do 14,000 cm-1 (0.75 to 2.5 µm) Takodje se smatra pogodnim za rutinske kvantitativne Takodje se smatra pogodnim za rutinske kvantitativne analize.

(voda, CO2, niske koncentracije ugljenih-hidrata, aminskog azota)

• Daleka IR oblast se koristi za odredjivanje strukture neorganskih i orgametalnih jedinjenja.

• IR spektrofotometar je instrument kod koga se propušta IR svetlost kroz npr. organski molekul pri čemu se dobija spektar koji predstavlja zavisnost količine propuštene svetlosti od talasne dužine IR zračenja.

• Apsorpcioni pik se dobija u obrnutom smeru, jer se na y osi prati procenat propustljivosti zračenja kroz y osi prati procenat propustljivosti zračenja kroz uzorak.

• Apsorpcija zračenja smanjuje procenat vrednosti propustljivosti.

• Sve veze u organskom molekulu ostvaruju interakcije sa IR zračenjem, tako da IR spektar omogućava dobijanje podataka o samoj strukturi.

IR spectrum of HCl

Abs

orba

nce

Wavenumbers

Abs

orba

nce

*** Svi gasovi osim O2, N2, H2, Cl2, F2, H2S i plemenitih gasova

*** Svaki molekul apsorbuje na karakterističnoj frekvenci

*** Berov zakon

IR spektroskopija

• Apsorpcija energije različitih frekvenci• Prati se količina zračenja propuštena kroz

uzorak u funkciji frekvence uzorak u funkciji frekvence • Jedinjenja imaju “fingerprint” region koji se

primenjuje za identifikaciju

• Nerstov štapić – Oksidi retkih zemalja u obliku cilindra. Kada se kroz njega propusti struja, zagreva se na temperaturu izmeñu 1200 K i 2200 K.

• Globar štapić – od silicijum karbida

• Živin luk – za daleku iR oblast• Živin luk – za daleku iR oblast

• Tungstenova lampa- zablisku IR oblast

• CO2 Laser – za kvantitativno odreñivanje

• IR - Posebno primenljiva za kvalitativnu analizu

• Odreñivanje prisustva odreñenih funkcionalnih grupa

• i...drugih strukturnih karakteristika • i...drugih strukturnih karakteristika • Odreñivanje čistoće • Merenje koncentracije • ...

apsorpcija apsorpcija -- prelazak u viši vibracijski nivoprelazak u viši vibracijski nivo

• Frekvenca opada sa porastom atomske težine.

• Frekvenca raste sa porastom energije veze. • Frekvenca raste sa porastom energije veze.

•• AtomiAtomi povezanipovezani kovalentnomkovalentnom vezomvezom vibrirajuvibriraju

•• EnergijeEnergije tihtih vibracijavibracija susu kvantikvantirraneane

IR spektroskopija

• Frekvencija apsorpcije vibracije zavisi od:• Frekvencija apsorpcije vibracije zavisi od:- jačine veze koja vibrira - mase atoma

C - H (3000 cm-1) C - C (1200 cm-1) C - Cl (800 cm-1)C - Br (550 cm-1)

C=O istezanje (1700 cm-1) C-O istezanje (1200 cm-1)

C=C istezanje (1650 cm-1)C-C istezanje (1200 cm-1)

Princip

• Kontinualno zračenje• Različite frekvence pokazuju različitu

apsorbancu • Zrak se fokusira na ulaznom razrezu • Zrak se fokusira na ulaznom razrezu • Molekuli apsorbuju zračenje • Vibracioni prelazi

• Monohromator razlaže zračenje u spektar • Jedna frekvenca se pojavljuje na izlaznom

razrezu • Zračenje dolazi do detektora • Zračenje dolazi do detektora • Detektor pretvara energiju u signal • Signal se umnožava i registruje

� Identifikacija i kvantifikacija organskih

čvrstih, tečnih ili gasovitih uzoraka

� Analiza praha, čvrstih uzoraka, gelova,

emulzija, čistih tečnosti i rastvora, polimera,

čistih gasova i smeše gasova.

� Primena u istraživanjima, razvoju metoda,

kontroli kvaliteta.

� Uzorci od samo jednog vlakna (2 mikrona)

do studija o atmosferskom zagañenju velikih

površina.

�Farmaceutska istraživanja�Forenzika �Analiza polimera�Formulacija maziva i aditiva � Ispitivanje hrane�Obezbeñenje i kontrola kvaliteta�Životna sredina, kvalitet vode �Biohemija i Biomedicina �Premazi i površinski aktivne supstance� itd

• Čvrsti uzorci 50 do 200 mg

• minimalna masa za kvalitativnu analizu je 10 µg sa

transparentnim matriksom (KBr)

• 1 to 10 µg je minimalno potrebno, ukoliko je rastvorno

u pogodnom rastvaraču (ugljen-tetrahlorid, ugljen-

UZORCI

u pogodnom rastvaraču (ugljen-tetrahlorid, ugljen-

disulfid)

• Tečnosti, min 0.5 µL (manje, ukoliko je potpuno čista)

• Gasovi, min 50 ppb

VREME -

Spektar se dobija za 1-10 minuta u

zavisnosti od vrste instrumenta i zahtevane

rezolucije.rezolucije.

Većina uzoraka se priprema za 1-5 minuta!

Instrument

• Instrumenti sa duplim zrakom i optičkom nulom (Optical-null double-beam instruments)

• Zračenje direktno prolazi kroz obe ćelije • Zračenje direktno prolazi kroz obe ćelije pomoću sistema ogledala

• ...zrak uzorka i referentni zrak• chopper• difrakciona rešetka

• Dobijeni spektar predstavlja zavisnost intenziteta zračenja od talasne dužine

IR detektoriIR detektori

• Golay detektor – gas se širi pod dejstvom toplote dovodi do pomeranja fleksibilnih ogledala pa se meri fotostruja izvora vidljive svetlosti (optoakusti čni detektor )

DetectorDetector

IR beamIR beam VisVissourcesource

GASGAS

Flexible mirrorFlexible mirror

DisperzioniSpektrometar

• Nekoliko minuta.• detektor prima samo nekoliko

% iz početnog izvora svetlosti

FTIR

• Nekoliko sekundi.• detektor prima do 50% iz

početnog izvora svetlosti

Infracrvena spektroskopija sa Furieovim transformacijama

Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

• Primenjuje se interferometar

• Interferometar je instrument koji primenjuje tehniku interferencije dva ili više talasa u cilju detekcije razlika izmeñu njih.

### Interferencija je pojava superpozicije (sabiranja, slaganja) talasa koji sesusretnu u jednoj tački u prostoru.

SB

Sin

gle

stre

ngth

Fourier transform

4000 400Optical path difference[x] Wavenumber[cm -1]

Osa / vreme talasna dužina

• Koristi interferometar • Analizira sve talasne dužine istovremeno • Bolja rezolucija, veća osetljivost• Potrebna manja energija izvora• Potrebna manja energija izvora• Kompletno skeniranje završeno za 1-2

sekunde

srce FTIR

Ogledala se pomeraju konstantnom brzinomCepa jedan zrak na dva, različitih dužina , pa ih rekombinuje.Detektor meri promenu intenziteta izlaznog zraka u funkciji razlike u putevima.

Interferometer

Modulated IRBeam

Interferogram

IR Spectrum

FourierTransformation

• Mehanički –jednostavna • Brza, osetljiva, tačna• Interna kalibracija, HeNe laser je interni standard za

kalibraciju / ne treba da se vrši kalibracija od strane instrumentatora

• IR ne može sam da se primeni za odreñivanje strukture

• Neki signali mogu da budu nejasni • Obično se vrši indikacija prisustva

funkcionalnih grupa funkcionalnih grupa • Odsustvo signala je siguran dokaz da

neka funkcionalna grupa nije prisutna.• Poreñenje sa IR spektrom standarda

potvrñuje identitet jedinjenja.

CO2, NH3, C2H4

H2OCO, N2ONO2

CH4C3H8

HClHCHO

NOHF

Component Gas Standard analysis area Interferents

Water vapor H2O 3200 – 3401 NH3

Carbon dioxide CO2 926 – 1150 H2O, N2O, SO2, NH3, C2H4

Carbon monoxide CO 2000 – 2200, 2540 – 2590 H2O, CO2, N2O

Nitrous oxide N2O 2000 – 2222, 2540 – 2590 H2O, CO2, CO

Nitrogen monoxide NO 1875 – 2138 H2O, CO2, CO, N2O

Nitrogen dioxide NO2 2700 – 2950 H2O, HCl, CH4, C2H4, C3H8, HCHO, N2O

Sulfur dioxide SO2 1200 – 1366 H2O, N2O, NH3, CH4, C3H8Sulfur dioxide SO2 1200 – 1366 H2O, N2O, NH3, CH4, C3H8

Ammonia NH3 910 – 1150 H2O, CO2, N2O, SO2, C2H4

Hydrogen chloride HCl 2617 – 2880 H2O, NO2, CH4, C2H4, C3H8, HCHO, N2O

Methane CH4 2700 – 3200 H2O, HCl, NO2, C2H4, C3H8, HCHO, N2O

Hydrogen fluoride HF 3200 – 3400, 4020 – 4200 H2O, NH3

Propane C3H8 2600 – 3200 H2O, HCl, NO2, CH4, C2H4, HCHO, N2O

Ethylene C2H4 910 – 1150 H2O, CO2, N2O, SO2, NH3

Formaldehyde HCHO 2550 – 2850 H2O, CO2, NO2, HCl, C2H4, CH4, C3H8

Kvantitativne IR apsorpcione metode su nešto drugačije u odnosu na UV/VIS zbog mnogo veće složenosti spektra, dobijanja veoma oštrih apsorpcionih traka i samih ograničenja instrumentacije.

Kvantitativna analiza

Kvantitativni podaci dobijeni ovom metodom su za nijansu lošijeg kvaliteta u poreñenju sa onim dobijenim UV/VIS spektrofotometrijom.