Praktické využití IR spektroskopie Zdeněk Moravec 20. listopadu 2014 Osnova ► Základní principy IR spektroskopie ► Měřící techniky ► FT-IR transmisní měření ► ATR, DRIFT, PAS ► TG/IR, GC/IR ► Zpracování spekter ► Analýza spekter ► Spektrální databáze ► Aplikace ► Chemie ► Restaurování uměleckých předmětů ► Biologie ► Informace o přístrojovém vybavení UCH Molekulová spektroskopie UV-VIS IR MW 50-800 nm 1-100 /im 1-10 mm Elektronická Absorpční UV-VIS spektroskopie Luminiscenční spektroskopie Vibrační Ra manová spek- Infračervená spektroskopie troskopie spektroskopie Rotační Ra manová spek- Mikrovlnná spektroskopie troskopie spektroskopie Základní principy IR spektroskopie ^^=_ - electronic energy levels — vibrational energy levels — rotational energy levels electronic transition Vibrace chemických vazeb ► Během vibrace vazby dochází k přechodu systému na jinou energetickou hladinu. ► Přechod mezi základní a 1. excitovanou hladinou se nazývá základní (fundamentální) vibrace . ► Pokud dochází k přechodům na vyšší hladinu, jedná se o tzv. vyšší harmonické přechody (overtony) . Jejich frekvence jsou přibližně násobkem fundamentální frekvence (energetické hladiny se postupně zhušťují). ► Pokud dojde k současné změně dvou vibračních stav molekuly jedná se o kombinační přechody . Valenční a deformační vibrace ► Valenční vibrace - dochází ke změně mezijaderné vzdálenosti. ► Deformační vibrace - dochází ke změně vazebného úhlu. —o=c=o— -^o=c=o — a) b) o=c=o ô=c=ô c) j j d) Absorpce infračerveného záření ► Aby mohla molekula absorbovat infračervené záření musí během vibrace docházet ke změně dipólového momentu. ► Při absorpci dochází ke změně amplitudy vibrace, frekvence zůstává nezměněna. ► Intenzita absorpčních pásuje úměrná druhé mocnině změny dipólového momentu. ► Absorpcí infračerveného záření molekulami vznikají pásová spektra. Infračervená spektroskopie ► NIR (0,7 - 2,5 fim; 14 000 - 4 000 cm"1) - infračervená spektroskopie v blízké oblasti ► MIR (2,5 - 25 /xm; 4 000 - 400 cm"1) - infračervená spektroskopie ve střední oblasti ► FIR (25 - 1000 /xm; 400 - 10 cm"1) - infračervená spektroskopie ve vzdálené oblasti Absorpční spektrum A A ► Absorpční spektrum indiga ► FT-1R - transmise, ATR ► DRIFT, IRRAS ► TG-IR, GC-IR ! -0<».O 11/36 FT-IR ► Nejběžnější měřící technika ► Podle úpravy vzorku rozlišujeme měření v transmisním módu a ATR ► Spektrometr neobsahuje monochromátor, ale interferometr ► Celé spektrum se snímá najednou, získáme interferogram, který je nutné zpracovat pomocí Fourierovy transformace 12/36 FT-1R nsmisni mereni nsmisni mereni ► ATR - Attenuated Total Reflection ► Krystaly jsou z diamantu, ZnSe, Ge, KRS-5 (směs TIBr a Til) nebo křemíku ► Vzorek se přitlačí vysokým tlakem k měřícímu krystalu ► Paprsek se pohybuje po povrchu vzorku (0,5 - 5 /xm) IRRAS ► IRRAS - IR Reflection Absorption Spectroscopy ► Metoda vhodná pro tenké vrstvy nanesené na kovových materiálech nebo nasorbované látky na materiálech ► Pro zvýšení citlivosti se využívá polarizovaného záření 18/36 ► DRIFTS - Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy ► Tato technika je vhodná pro měření malých částic nebo hrubých povrchů ► Využívá rozptylu IR záření ► Rozptýlené záření je pomocí kulového zrcadla odráženo na detektor ► Práškové vzorky se měří v kelímcích, pevné vzorky se obrousí abrasivem (SiC) a měří se částice zachycené na abrasivu 19/36 Coupling TGA/IR ► TGA - termogravimetrická analýza ► Plyny vznikající během degradace vzorku vedeme do měřící cely a pomocí IR spektroskopie stanovíme jejich složení ► Během transportu plynů z pece do měřící cely dochází k velkému zředění plynu, proto je nutné používat citlivější detektory (MCT) 20/36 Coupling GC/IR ► GC - plynová chromatografie ► Méně citlivé než GC/MS, ale umožňuje analýzu stereoizomerů. ► Interferogramy je nutné snímat v krátkých časových intervalech 22/36 Analýza spekter *■ Oblast otisku prstu - 500 - 1500 arT1 *■ valenční vibrace většiny anorganických molekul ► deformační vibrace organických molekul - S HCH, S CCH, S COH ► některé valenční vibrace organických molekul v C-C, v C-0 ► Charakteristické vibrace - poloha spektrálních pásů funkčních skupin je relativně málo závislá na zbytku molekuly, proto je možné jejich vlnočty tabelovat 23/36 Tabulky vlnočtů Analýza spekter ► Izotopicky obohacené molekuly ► Izotopická substituce usnadňuje interpretaci vibračních spekter ► Nedochází ke změně geometrie molekuly, ale změní se hmotnost atomů a tím i poloha absorpčních pásů ► Analýza vodíkových vazeb ► R-O-H-0 í/(OH) = 3500-2500 cm"1 ► R-O-H í/(OH) = 3700-3600 cm"1 25/36 Využití IR spektroskopie v chemii ► Identifikace sloučenin srovnáním spekter s databází ► Kontrola čistoty připravených produktů, výhodou metody je její vysoká citlivost ► Kvalitativní a kvantitativní analýza polymerů, analýza degradačních produktů ► Monitorování polymerizačních reakcí ► Analýza povrchových vrstev s využitím ATR ► Kvantitativní analýza - Lambert-Beerův zákon: ► Plyny: A = $ *■ Kapaliny: A — ecl *■ Je nutné zvolit vhodný pás - vysoký absorpční koeficient, bez překryvu s okolními pásy, symetrický a vykazující lineární závislost intenzity na koncentraci 27/36 Využití IR spektroskopie v oblasti restaurování a konzervování uměleckých děl Využití IR spektroskopie v oblasti restaurování a konzervování uměleckých děl ► Rutinně lze provést analýzy pigmentů, pojiv, organických složek (dřevěné rámy, povrchové úpravy, apod.) ► Mezi speciální aplikace patří např. datování dřeva, které může být pro mladší dřevěné předměty podstatně přesnější než datování pomocí 14C. ► FT-IR mikroskop se lze využít k analýze nábrusů a identifikaci složení a stratigrafie vrstev 29/36 Využití IR spektroskopie v biologii ► IR spektrosokopii lze využít ke studiu biologických systémů, tzn. lipidů, proteinů, peptidů, biomembrán, nukleových kyselin, tkání, buněk, atd. ► U fosfolipidů lze stanovit konformaci řetězce a tím získat informace o uspořádání v buňce ► IR spektra proteinů obsahují výrazné absorpční pásy amidové skupiny, podle jejich vlnočtu a intenzity lze určit konformaci sekundární strukturu (dekonvolucí a fitováním pásů) ■oso 16C0 1040 ťňUi"urciDBrr