METODE INFRACRVENE

SPEKTROSKOPIJE

-VIBRACIONA SPEKTROSKOPIJA-

Prof. dr Ljiljana Damjanović-Vasilić

E-mail adresa: ljiljana@ffh.bg.ac.rs

• Spektroskopija je oblast nauke koja se bavi

proučavanjem interakcija elektromagnetnog

zračenja i materije.

• Energetski nivoi molekula imaju složeniju

strukturu u odnosu na atomske.

• Pored potencijalne energije elektrona, što

imamo i kod atoma, molekuli imaju i vibracionu i

rotacionu energiju, koja je takođe kvantirana.

• Vibraciona spektroskopija izučava vibracione

prelaze kod molekula.

SPEKTAR ELEKTROMAGNETNOG ZRAČENJA

nevidljivo

nevidljivo

gama

zraci

x-zraci

UV zraci

vidljivo

IC

Mikrotalasi

TV

talasi

radio

talasi

INFRACRVENI DEO SPEKTRA

(od 0,78 do 1000 mm)

OBLAST TALASNA DUŽINA (l) TALASNI BROJ ( ) Frekvencija (n)

bliska IC 0,78 do 2,5 mm 12800 do 4000 cm-1 3,8·1014 do 1,2·1014 Hz

srednja IC 2,5 do 50 mm 4000 do 200 cm-1 1,2·1014 do 6,0·1012 Hz

daleka IC 50 do 1000 mm 200 do 10 cm-1 6,0·1012 do 3,0·1011 Hz

NAJČEŠĆE KORIŠĆENA OBLAST

2,5 do 15mm 4000 do 670 cm-1 1,2·1014 do 2,0·1014 Hz

OBLAST OTISAKA PRSTIJU ZA HEMIJSKA JEDINJENJA

n~

• Apsorpcija IC zračenja od strane molekula jekvantirana i molekul može da apsorbuje samoone talasne dužine koje odgovaraju vibracionimenergijama tog molekula.

• Vibracione frekvencije su karakteristične zaodređene funkcionalne grupe. Ovekarakteristične vibracije se koriste zaidentifikaciju materijala i za određivanje strukturenepoznatog jedinjenja.

Apsorpcija zračenja

(b) Energetski dijagram

log logo

IA T

I

Io I

+ +

+

-

-

TIPOVI VIBRACIJA ATOMA U MOLEKULU

ISTEŽUĆE (VALENTNE)

simetrične

asimetrične

SAVIJAJUĆE (DEFORMACIONE)

makazaste

ljuljajuće

uvijajuće

mašuće

(klanjajuće)

simetrične asimetrične

ljuljajuće

makazaste

mašućeuvijajuće

nn

ln

~

1~1

hchE

cmcm

Do apsorpcije IC zračenja dolazi samo ukoliko se dipolni moment menja

usled sopstvenog vibracionog ili rotacionog kretanja molekula.

Homonuklearni molekuli poput N2, O2 ili Cl2 sa nepolarnim vezama ne

apsorbuju (“transparentni su”) u IC oblasti.

Kada je vibracija polarne hemijske veze ili rotacija asimetričnog molekula ista

sa frekvencijom promenljivog električnog polja EM zračenja dolazi do prenosa

energije, tj. do apsorpcije zračenja.

e lv i br o tt o t EEEE

e Vh cEc m 1 2 5.0~1 0 0 0~ 1 nza

Eel ~ 3 - 4 eV

Erot ~ 0,01 eV (100 cm-1)

• Rotacioni prelazi: spektri gasova- diskretne, jasno definisane linije (fina

rotaciona struktura); tečnosti i čvrsti uzorci proširenje linija usled

intramolekularnih sudara i interakcija

• Vibraciono-rotacioni prelazi: spektri gasova - serije bliskih linija

(više rotacionih stanja za svako vibraciono);

tečnosti i čvrsti uzorci- trake

Vibraciono-rotacioni spektar CO

Talasni broj

Tra

nspa

rencija

, %

Shema FT-IC spektrofotometra

I-izvor; O1-pokretno ogledalo; O2-nepokretno ogledalo; P-delitelj snopa zračenja

Zračenje iz izvora se usmerava na delitelj snopa koji polovinu zračenja reflektuje

u pravcu pokretnog ogledala, a drugu propušta na nepokretno ogledalo. Posle refleksije

na ogledalima, zraci se vraćaju na delitelj snopa gde dolazi do njihove interferencije

posle čega prolaze kroz uzorak i padaju na detektor.

Signal detektora, S(x), se zove interferogram i predstavlja funkciju pomeraja (x) ogledala

O2, koji se Furijeovom transformacijom prevodi u IC spektar.

S(x)

• Prednosti FT-IC spektrometara:

1. Znatno povećan odnos signal/šum

2. Veći svetlosni fluks

3. Povećana osetljivost

4. Visoka tačnost i preciznost određivanja talasnih

dužina

5. Visoka moć razlaganja

6. Znatno povećana brzina snimanja spektra

7. Olakšane operacije sa spektrima (čuvanje, sabiranje i

oduzimanje spektara, automatsko konsultovanje

biblioteke spektara) i samim tim otvorene nove

mogućnosti korišćenja IC spektara

Infracrveni spektar: predstavlja odnos intenziteta svetlosti propuštene

kroz uzorak i kroz praznu ćeliju (ili referenti uzorak) u funkciji frekvencije

Ordinata: TRANSPARENCIJA (% ) ILI APSORBANCIJA A = log (1/T)

Apcisa: TALASNA DUŽINA ILI TALASNI BROJ (često se zove skala frekvencija)

IC spektar tankog filma polistirena; Skala apcise se menja na 2000 cm-1

Talasna dužina, mm

Talasni broj, cm-1

Tra

nsp

are

ncija

, %

FTIC spektar polistirenskog filma

(rezultat oduzimanja

spektra 1 od spektra 2)

Poboljšanje odnosa

signal/šum sa većim

brojem akumulacija:

• IC spektroskopija je nedestruktivna

metoda i relativno lako se mogu dobiti

spektri uzoraka u sva tri agregatna stanja:

gasnom, tečnom i čvrstom.

Gasna ćelija

Usled slabe apsorpcije gasova

poželjan duži optički put

Gasna ćelija

Montirajuća ćelija za tečne uzorke

Najčešće korišćeni rastvarači: CCl4,

CS2 i CHCl3.

Koriste se i benzen, dihlormetan,

cikloheksan.

Za polarna jedinjenja dimetilsulfoksid.

Neophodno sušenje, nekad i prečišćavanje.

Čiste tečnosti se snimaju kapilarno.

Za rastvore se mora izabrati pogodna

debljina ćelije u zavisnosti od koncentracije.

• Ćelije konstantne –kalibrisane debljine.

• Ćelije promenljive debljine (0,01 – 10 mm).

Montirajuća ćelija za tečne uzorke

Analiza čvrstih uzoraka1. Tehnika KBr pastile (KBr ne pokazuje apsorpciju

između 4000 i 350 cm-1)

Kalup za pravljenje KBr pastila

Oko 1,5 mg uzorka

se pomeša sa 150

mg KBr praha,

spraši u avanu,

prenese u kalup i

presuje.

Može usled visokog

pritiska doći do

modifikacije uzorka

Hidraulična presa

2. Tehnika suspenzije

Veza Vrsta jedinjenja Opseg frekvencija, cm-1 Intenzitet

C-H Alkani 2850-2970 jak

C-H Alkeni 3010-3095

675-995

srednji

jak

C-H Alkini 3300 jak

C-H Aromatični prstenovi 3010-3100

690-900

srednji

jak

O-H Monomerni alkoholi, fenoli

Vodonična veza kod alkohola, fenoli

Monomerne karboksilne kiseline

Vodonična veza kod karboksilnih kiselina

3590-3650

3200-3600

3500-3650

2500-2700

promenljiv

promenljiv, ponekad široka

srednji

široka traka

N-H Amini, amidi 3300-3500 srednji

C=C Alkeni 1610-1680 promenljiv

C=C Aromatični prstenovi 1500-1600 promenljiv

Alkini 2100-2260 promenljiv

C-N Amini, amidi 1180-1360 jak

Nitrili 2210-2280 jak

C-O Alkoholi, etri,karboksilne kiseline, estri 1050-1300 jak

C=O Aldehidi, ketoni, karboksilne kiseline, estri 1690-1760 jak

NO2 Nitro jedinjenja 1500-1570

1300-1370

jak

C C

H

C C H

C C

C N

Kvalitativna analiza

Kvalitativna analiza

Nepoznat uzorak

US000022 Benzen

Oblast “otiska prstiju” – prednosti i

ograničenja:

Kvantitativna analiza

Beer-ov zakon:

A = a · b · c

a molarni apsorpcioni

koeficijent

b debljina sloja

c koncentracija

A apsorbancija

Potrebne kalibracione

krive

• IC spektroskopija se koristi za kvalitativnu i

kvantitativnu analizu svih molekulskih vrsta.

• Srednja IC oblast (engl. mid IR) se najviše

koristi, najčešće za kvalitativnu analizu.

• Bliska IC oblast (engl. near IR) se koristi pre

svega za kvantitativna merenja.

• Daleka IC oblast (engl. far IR) se koristi za

određivanje strukture neorganskih i metalo-

organskih jedinjenja.

Analiza smeša droga

Kombinacija FT-IC spektrometra sa

mikroskopom – IC oslikavanje

Proizvođač: Perkin Elmer

Optički mikroskop (levo) povezan sa FTIC spektrofotometrom (sredina) i računarom (desno)

Savremeni trendovi usmereni ka razvoju

kompaktnih i laganih instrumenata

Refleksione tehnike

• Koriste se kada uzorak veoma apsorbuje

ili se radi o premazu na površini koja nije

prozračna za IC oblast

1. Ogledalska refleksija

2. Difuzna refleksija

3. Ometena totalna refleksija

Ogledalska refleksija

• Kada sama površina na kojoj je premaz (sloj boje

ili slično) ima osobine ogledala, te može IC snop

svetlosti vratiti u instrument

Difuzna refleksija

• Uzorci nepravilne i hrapave površine, polikristalni

materijali (prah, tkanine, polimerne pene); male

količine tečnosti nanete na KBr ili KCl (5-10%).

1. Ulazno i 2. izlazno elipsoidno ogledalo,

3. sud sa uzorkom

Ometena totalna refleksija

[Attenuated total reflection (ATR)]

• Zasniva se totalnoj refleksiji svetlosti na međuprovršini-graničnoj površini između dve sredine različitih indeksa prelamanja.

• Uzorci koji jako apsorbuju: emulzije, vodeni rastvori, boje, vlakna tkanina, biološki uzorci - krv

kristal

kristal

bakterije organski molekuli

• ATR je tehnika koja se često koristi jer je brza, nedestruktivna i nije

potrebna nikakva priprema uzorka. Kao optički element koristi se

ATR kristal velikog indeksa prelamanja: KRS-5 (n = 2,4), Ge (n = 4),

ZnSe (n = 2,4), dijamant (n = 2,4), gde je n indeks prelamanja.

• Princip metode se zasniva na sledećem: Kada je upadni ugao

zračenja veći od graničnog (kritičnog) ugla za datu sredinu dolazi do

potpunog unutrašnjeg odbijanja ili totalne unutrašnje refleksije na

graničnoj površini između dve sredine različitih indeksa prelamanja.

Totalna unutrašnja refleksija se javlja samo kada snop zračenja

nailazi iz optički gušće u optički ređu sredinu. Prilikom totalne

unutrašnje refleksije zrak prodire u optički ređu sredinu pre nego što

dođe do refleksije. Dubina prodiranja je obično manja od 2 mm. U

spektralnoj oblasti u kojoj optički ređi materijal apsorbuje zračenje

doći će do smanjenja intenziteta zračenja, dok će u oblastima u

kojima nema karakteristične apsorpcije doći do refleksije zračenja.

Na taj način dolazi do ometanja (atenuacije) upadnog snopa

zračenja.

Izgled ATR dodatka

Uspešna primena IC spektroskopije za analizu

supstanci koje se često javljaju kao dokazni

materijal:

- krv

- veštačka vlakna

- motorna ulja

- lubrikanti

- boje

- mastila

- vlasi ljudske kose

- nelegalne droge.

Primena bliske IC spektroskopije za

određivanje starosti krvi• Na osnovu starosti fleka od krvi moguće je odrediti vreme kada je počinjen zločin.

Promene u IC spektrima posledica su hemijskih promena uzorka. Kako krv stari,

dezoksihemogloboni se konvertuje u metahemoglobin, što je evidentno i u promeni

boji od crvene ka braon.

M. Lamontagne et al., Spectroscopy 24 (2) 2009.

Posle jedan sat, javlja se nova traka između

460 and 1860 nm i raste sa starenjem krvi.

Ova traka izazvana formiranjem metahemoglobina

i vezivanja vode kontinuirano raste u periodu

od 21 dan i može biti korišćena za određivanje

starosti krvi.

Analiza otisaka prsta• Svaki otisak prsta je

karakterističan samo za jednu

osobu, ali se oni mogu podeliti u

dve grupe:

1. otisci znoja

2. otisci nastali usled dodirivanja

različitih delova tela, kao što su

vrat ili lice- otisci komponenata

lojnih žlezdi.

• Obe grupe sadrže estre masnih

kiselina, proteine iz delića kože i

soli karboksilnih kiselina, dok

materijal iz lojnih žlezda

primarno sadrži estre.

IC spektar otiska prsta

1016 cm-1 asimetrična istežuća O-C-C, estar

1248 cm-1 asimetrična istežuća C-C-O, estar

1456 cm-1 CH2 makazasta

1552 cm-1 NH savijajuća kombinovana sa CH

istežućom, protein amid II

1656 cm-1 C=O istežuća, protein amid I

1744 cm-1 C=O istežuća, saturirani estar

2856 cm-1 metilen C-H istežuća

2920 cm-1 metil C-H istežuća

Analiza mastila i tonera

Verifikacija autentičnosti dokumenata može uključivati i iskaz o tome kako je sporni dokument

napravljen (mikroskopsko određivanje) ali i utvrđivanje marke štampača ili kopir aparata

(zahteva hemijsku analizu).

gel mastila sa cijanin-lutecijommastila sa cijanin-lutecijommastila sa metil-ljubičastim

l-luksol fast plavo

b-Bisfenol A

a-benzil alkohol

g-glicerol

s-stiren

e-etilen glikol

trake

slabih

intenziteta

Određeni su položaj i intenziteti traka → snimljeni IC spektri mogu se podeliti u nekoliko

grupa koje se značajno razlikuju u broju i intenzitetu apsorpcionih traka. Unutar grupe uzorci

mogu imati slične ili iste spektre.

Identifikacija ulja je

kompleksna zbog procesa

raspadanja, koji se odvijaju usled

korišćenja vozila.

Ispitivane dve vrste ulja

Elf Sporty Super i Castrol GTX3

u dva različita automobila.

Maksimumi u spektra-

lnom intervalu od 800 cm-1 do

900 cm-1 odgovaraju Elf ulju i

potiču od ugljovodonične baze i

fragmenata ugljovodoničnih

lanaca iz aditiva.

Maksimumi u spektralnom intervalu:

od 950 cm-1 do 1040 cm-1 za Elf i Castrol ulje odgovaraju Zn-dialkilditiofosfatu,

od 1020 cm-1 do 1150 cm-1 C-O istežućoj vibraciji i Ba-sulfatu,

od 1600 cm-1 do 1780 cm-1 odgovaraju bazama i fragmenatima ugljovodoničnih lanaca

iz aditiva i C=O istežućoj vibraciji iz različitih komponenata.

FTIC spektri A. Elf Sporty Super i B. Castrol GTX3.

Analiza motornih ulja

Analiza nelegalnih droga

Identifikacija metamfetamina

poređenjem FTIC spektra

uzorka sa FTIC spektrima

referentnih jedinjenja

iz baze podataka

Analiza boja za automobile primenom optičkog mikroskopa povezanog

sa FTIC spektrometrom

Optički mikrograf ljuspice boje zatopljene

u smoli, pripremljene za ATR merenjaOptički mikrograf ljuspice boje u KBr-u,

pripremljene za transmisiona merenja

FTIC spektri različitih bojenih slojeva

dobijeni ATR tehnikom FTIC spektri različitih bojenih slojeva

FTIC spektri spoljnih bojenih slojeva

automobila različitih proizvođača

Analiza boja za automobile primenom optičkog mikroskopa povezanog

sa FTIC spektrometrom

Poređenje FTIC spektar žute boje (dole)

sa referentnim spektrima kalcita

i kadmijum žute (gore)

FTIC ATR analiza ofarbanih i neofarbanih

dlaka kose

A-ofarbana i neofarbana kosa; B-

različiti proizvođači farbi za kosu; C-

dve farbe za kosu

Statistička klasifikacija uzoraka