Infraröd spektroskopi teori, metod och användningsområden

den infrarödspektroskopi är studien av hur molekyler absorberar infraröd strålning och slutligen omvandla den till värme.

Denna process kan analyseras på tre sätt: mätning av absorption, utsläpp och reflektion. Denna precision gör att infrarödspektroskopi är en av de viktigaste analytiska teknikerna för dagens forskare.

En av de stora fördelarna med infrarödspektroskopi är att nästan alla prov kan studeras i nästan alla stater.

Vätskor, pulver, filmer, lösningar, pastor, fibrer, gaser och ytor kan undersökas med ett välgrundat urval av provtagningsteknik. Till följd av förbättrad instrumentering har en rad nya känsliga tekniker nu utvecklats för att undersöka tidigare intrakta prover.

Infrarödspektroskopi, bland många andra användningar och applikationer, är användbar för att mäta graden av polymerisering vid framställning av polymerer. Förändringar i mängden eller karaktären hos en viss länk utvärderas genom mätning av en specifik frekvens över tiden.

Moderna forskningsinstrument kan ta infraröda mätningar inom intervallet av intresse så ofta som 32 gånger per sekund.

Detta kan göras samtidigt som mätningar görs med andra tekniker, vilket gör observationer av kemiska reaktioner och processer snabbare och mer exakt.

Teorin om infraröd spektroskopi

Ett ovärderligt verktyg för bestämning och kontroll av organiska strukturer innefattar klassen elektromagnetisk strålning (REM) med frekvenser mellan 4000 och 400 cm-1 (vågnummer).

Kategorin EM-strålning kallas infraröd (IR) strålning, och dess tillämpning på organisk kemi som är känd som IR-spektroskopi..

Strålningen i denna region kan användas vid bestämning av den organiska strukturen och utnyttjar det faktum att den absorberas av interatomiska bindningar i organiska föreningar.

De kemiska bindningarna i olika miljöer kommer att absorbera variabla intensiteter och variabla frekvenser. Därför innefattar IR-spektroskopi insamlingsinformationen och analyserar den i form av ett spektrum.

Frekvenserna i vilka det finns absorptioner av IR-strålning (toppar eller signaler) kan direkt korreleras med länkar i den aktuella föreningen.

Eftersom varje interatomisk länk kan vibrera i flera olika rörelser (sträckning eller böjning) kan enskilda länkar absorbera mer än en IR-frekvens.

Sträckabsorptioner tenderar att producera starkare toppar än böjning, men svagare böjabsorptioner kan vara användbara för att skilja mellan olika typer av bindningar (t.ex. aromatisk substitution).

Det är också viktigt att notera att symmetriska vibrationer inte orsakar absorption av IR-strålning. Till exempel absorberar ingen av kol-kolbindningarna av eten eller eten absorption av IR-strålning.

Instrumentella metoder för strukturbestämning

Kärnmagnetisk resonans (NMR)

Excitation av atomkärnan genom radiofrekvensbestrålning. Ger omfattande information om atomernas molekylära struktur och anslutning.

Infrarödspektroskopi (IR)

Det består av att skjuta molekylvibrationer genom bestrålning med infrarött ljus. Det tillhandahåller huvudsakligen information om närvaron eller frånvaron av vissa funktionella grupper.

Masspektrometri

Bombardemang av provet med elektroner och detektion av resulterande molekylfragment. Ger information om molekylmassa och atomer.

Ultraviolett spektroskopi (UV)

Främjande av elektroner vid högre energinivåer genom att bestråla molekylen med ultraviolett ljus. Ger information om förekomsten av konjugerade π-system och dubbel- och trippelbindningar.

spektroskopi

Det är studien av spektral information. Efter bestrålning med infrarött ljus svarar vissa bindningar snabbare genom vibrationer. Detta svar kan detekteras och översättas till en visuell representation som kallas spektrum. 

Spektrum tolkningsprocess

1. Känna igen ett mönster.
2. Sammankoppla mönster med fysiska parametrar.
3. Identifiera möjliga betydelser, det vill säga föreslå förklaringar.

När ett spektrum har uppnåtts är den största utmaningen att extrahera den information som den innehåller i en abstrakt eller dold form.

Detta kräver erkännande av vissa mönster, sammansättningen av dessa mönster med fysiska parametrar och tolkningen av dessa mönster när det gäller meningsfulla och logiska förklaringar..

Elektromagnetiskt spektrum

De flesta organiska spektroskopier använder elektromagnetisk energi, eller strålning, som en fysisk stimulans. Elektromagnetisk energi (såsom synligt ljus) har ingen detekterbar masskomponent. Med andra ord kan det kallas "ren energi".

Andra typer av strålning, såsom alfastrålar, som består av heliumkärnor, har en detekterbar masskomponent och kan därför inte klassificeras som elektromagnetisk energi.

De viktiga parametrarna i samband med elektromagnetisk strålning är:

• Energi (E): Energin är direkt proportionell mot frekvensen och omvänt proportionell mot våglängden, som anges i ekvationen nedan.

• Frekvens (μ)
• Våglängd (λ)
• Ekvation: E = hμ

Vibrationslägen

• Kovalenta bindningar kan vibrera på olika sätt, inklusive sträckning, gunga och sax.

• De mest användbara banden i ett infrarödspektrum motsvarar sträckfrekvenser.

Överföring vs absorption

När ett kemiskt prov exponeras för verkan av IR LIGHT (infraröd strålningsljus) kan det absorbera vissa frekvenser och överföra resten. En del av ljuset kan också reflekteras tillbaka till källan.

Detektorn detekterar de överförda frekvenserna, och därvid avslöjar även värdena för de absorberade frekvenserna.

Ett IR-spektrum i absorptionsläge

IR-spektret är i grund och botten ett diagram över frekvenser som sänds (eller absorberas) mot överföringens intensitet (eller absorption). Frekvenserna uppträder i x-axeln i enheter av inverscentimeter (vågmedel), och intensiteterna representeras i y-axeln och i procentenheter. Diagrammet visar ett spektrum i absorptionsläge:

Ett IR-spektrum i överföringsläge

Diagrammet visar ett spektrum i överföringsläge. Detta är den vanligaste representationen och den som finns i de flesta kemi- och spektroskopiböcker.

Användningar och applikationer

Eftersom infrarödspektroskopi är en pålitlig och enkel teknik används den allmänt inom organisk syntes, polymervetenskap, petrokemi, läkemedelsindustri och matanalys..

Eftersom FTIR-spektrometrar kan saneras genom kromatografi kan dessutom mekanismen för kemiska reaktioner och detekteringen av instabila substanser undersökas med sådana instrument.

Vissa användningar och applikationer inkluderar:

Kvalitetskontroller

Den används i kvalitetskontroll, dynamiska mätnings- och övervakningsapplikationer, såsom långsiktigt obevakat mätning av CO2-koncentrationer i växthus och tillväxtkammare med hjälp av infraröda gasanalysatorer.

Rättsmedicinsk analys

Den används i rättsmedicinsk analys i brottsliga och civila fall, till exempel vid identifiering av polymernedbrytning. Kan användas för att bestämma alkoholhalten i blodet hos en förare som misstänks vara full.

Analys av fasta prov utan att behöva klippa

Ett användbart sätt att analysera fasta prover utan att behöva klippa är att använda ATR eller dämpad totalreflektionsspektroskopi. Genom att använda detta tillvägagångssätt pressas proverna mot ansiktet av en enda kristall. Infraröd strålning passerar genom glaset och interagerar bara med provet vid gränssnittet mellan de två materialen.

Analys och identifiering av pigment

IR-spektroskopi har använts framgångsrikt vid analys och identifiering av pigment i målningar och andra konstobjekt, såsom upplysta manuskript.

Används inom livsmedelsindustrin

En annan viktig tillämpning av den infraröda spektroskopin är i livsmedelsindustrin att mäta koncentrationen av olika föreningar i olika livsmedelsprodukter.

Precisionsstudier

Med ökningen av teknik i datorfiltrering och manipulering av resultat kan prover i lösning nu mätas exakt. Vissa instrument kommer också automatiskt att berätta vad ämnet mäts från en butik med tusentals lagrade referensspektra.

Fältförsök

Instrumentet är nu litet och kan transporteras, även för användning i fälttester.

Gasläckor

Infrarödspektroskopi används också i gasläckningsdetekteringsanordningar såsom DP-IR och EyeCGAs. Dessa anordningar upptäcker läckage av kolvätegas vid transport av naturlig och rå gas.

Använd i rymden

NASA använder en mycket aktuell databas, baserad på infraröd spektroskopi, för spårning av polycykliska aromatiska kolväten i universum.

Enligt forskare kan mer än 20% av kolet i universum associeras med polycykliska aromatiska kolväten, möjliga utgångsmaterial för livsformning.

De polycykliska aromatiska kolvätena verkar ha bildats strax efter Big Bang. De är utbredd i hela universum och är förknippade med nya stjärnor och exoplaneter.

referenser

1. Nancy Birkner (2015). Mind Touch. Hur fungerar en FTIR spektrometer. Hämtad från: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Teori och tolkning av IR-spektra. Pearson Prentice Hall. Hämtad från: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Infraröd spektroskopi. Wiley. Hämtad från: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Infraröd spektroskopi. Wikipedia, den fria encyklopedin. Hämtad från: en.wikipedia.org.