Infračervená spektroskopie Metody chemické výzkumu Zdeněk Moravec, A12/316, hugo@chemi.muni.cz ► Molekulová spektroskopie ► Základní principy IR spektroskopie ► Symetrie molekul ► Měřící techniky ► FT-IR transmisní měření ► ATR, DRIFT, PAS ► TG/IR, GC/IR ■s -f) 2/47 Molekulová spektroskopie ► Studuje interakci elektromagnetického záření s molekulami vzorku ► Jde o kvalitativní i kvantitativní analytickou metodu ► Metody molekulové spektroskopie ► Infračervená spektroskopie ► Ramanova spektroskopie ► Mikrovlnná spektroskopie Elektromagnetické záření ► Kombinace magnetického a elektrického vlnění (pole) ► E = h.f = = hcu ► E - energie záření ► h - Planckova konstanta: 6, 626176(36).10~34Js ► f - frekvence záření ► c - rychlost světla: 2, 99792458(01).108at7.s_1 ► A - vlnová délka ► v - vlnočet E . í t "O ^ O' 4/47 Vlnová délka, frekvence, vlnočet, energie ► Vlnová délka (A) - dráha, kterou urazí vlna během jednoho kmitu. 1Á = 10"10A7? = 0, lnm ► Frekvence (f) - počet kmitů vlny za 1 s. 1 Hz = 1 s_1 ► Vlnočet (z>) - počet vln, připadající na dráhu 1 cm ve směru šírení vlny [cm-1] ► E = h.f = ¥ = hcu i 5/47 Spektrum elektromagnetického záření Penetrates Earth's Atmosphere? Radiation Type Radio Wavelength (m) 103 Approximate Scale of Wavelength Microwave Infrared Visible Ultraviolet X-ray Gamma ray 10" 10 5 0.5xl0"e 10~8 10 10 10"12 Buildings Humans Butterflies Needle Point Protozoans Molecules Atoms Atomic Nuclei Frequency (Hz) Temperature of objects at which this radiation is the most intense wavelength emitted 10' 10' 10 12 1015 lO16 1018 1020 IK 100 K 10,000 K 10,000,000 K -272 X -173 °C 9.727 °C -10,000,000 °C Molekulová spektroskopie ► Soubor metod založených na využití těch vlastností molekul, které jsou spojeny s přítomností: ► kovalentních vazeb ► koordinačních vazeb H F H-N: F-B H F F H F-B-N-H F H Molekulová spektroskopie UV-VIS IR MW 50-800 nm 1-100 jim 1-10 mm Elektronická Absorpční UV-VIS spektroskopie Luminiscenční troskopie spek- Vibrační Ramanova spek- Infračervená spektroskopie troskopie spektroskopie Rotační Ramanova spek- Mikrovlnná spektroskopie troskopie spektroskopie Základní principy IR spektroskopie electronic energy lewH vibianona] energy leveh rotational energy lewis electronic transition im! Vibrace chemických vazeb ► Během vibrace vazby dochází k přechodu systému na jinou energetickou hladinu. ► Energie (frekvence) vibrace závisí na síle vazby a hmotnosti atomů, které vazbu tvoří. v = — í~^-' a = mAl7lB 2tt y M ' ^ mA+mB v - frekvence vibrace; k - silová konstanta; ijl - redukovaná hmotnost; m a- m b - hmotnosti atomů ► Silová konstanta vazby (k) - závisí na hmotnosti atomů, vazebné energii a řádu vazby. 10/47 Vibrace chemických vazeb ► 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 vibrace - dochází ke změně mezijaderné vzdálenosti. ► Deformační vibrace - dochází ke změně vazebného úhlu. 11/47 Vibrace ve víceatomové molekule ► Víceatomové molekuly můžeme popsat jako soustavy hmotných bodů. ► Výsledná vibrace je rovna součtu normálních vibrací. ► Počet normálních vibrací je roven počtu vibračních stupňů volnosti. Pro nelineární molekulu o N atomech je počet vibrací roven 3N-6, u lineární je to 3N-5. 12/47 Vibrace v lineární molekule ► Lineární molekula - C02 - N = 3 ► 3N-5 = 3x3-5 = 4 0=C=0— —o=c=o a) b) o=c=o 6=c=b a,b) valenční vibrace; c,d) deformační vibrace 13/47 Vibrace v nelineární molekule ► Nelineární molekula - H20 - N = 3 ► 3N-6 = 3x3-6 = 3 /A\ A H H H H H H a) b) c) a,b) valenční vibrace; c) deformační vibrace 14/47 Symetrie molekul ► Struktura a symetrie molekuly je velmi důležitá pro interpretaci molekulových spekter. ► Operace symetrie - geometrická operace, jejímž provedením dostaneme objekt do polohy nerozlišitelné od výchozí. ► Prvek symetrie - body, jejichž poloha se v průběhu provádění operace symetrie nemění. ► U molekul existuje pět prvků symetrie.Test Operace symetrie Symbol Prvek symetrie Identita E Celý objekt Rotace Cn Rotační osa Zrcadlení a Rovina symetrie Inverze i Střed symetrie Nevlastní osa s„ Rotačně-reflexní osa Symetrie molekul ► Každou molekulu lze na základě její symetrie zařadit do jedné z bodových grup symetrie. ► Grupa - množina objektů, jejichž individuální vlastnosti jsou podmíněny navzájem. ► Kombinováním dvou libovolných prvků grupy získáme prvek, který náleží do stejné grupy. 1http://plus.maths.org/content/os/issue48/package/index 2White, J.E. J. Chem. Ed. 1967, 44, 128-135. An Introduction to Group Theory for Chemists 16 Bodové grupy symetrie ► Množina prvků symetrie, jejichž operace ponechávají alespoň jeden bod tělesa nepohyblivý. ► Příslušnost molekuly k bodové grupě se určuje pomocí prvků symetrie dané molekuly. ► Bodové grupy se označují pomocí Schônfliesovy symboliky. ► Q: tato grupa obsahuje pouze identitu, CHFCIBr ► Q\ E, i. Např. FCIHC-CHCIF ► Cs: E, s. Např. CH2CIF ► Cn\ E, Cn\ H202 ► Cnv\ E, C, n av] H20, NH3 ► Cnhm. E, Cn, n 07,; H3B03, ŕra/7S-l,2-dichlorethen "O ^ O' 17/47 Bodové grupy symetrie ► Dn\ E, C„, n C2; Di = C2 ► D„/,: E, C, n C2, &h> pokud je n sudé, má grupa i střed symetrie; D2h'. naftalen; D^h'. BF3 ► Dnď. E, C, n C2, ač/, pokud je n liché, má grupa i střed symetrie ► Tetraedrické - 7~, Tj, Th ► Td: E, 4 C3, 3 C2, 6 crd ► CH4, S042' ► Oktaedrické - O, O/, ► Oh' E, 3 S4, 3 C4, 6 C2, 4 Sô, 4 C3, 3 07,, 6 ad, i ► SbF6, Mo(CO)6 ► Ikosaedrieka -lh ► //,: E, 6 S10, 10 S6, 6 C5, 10 C3, 15 C2 and 15 a ► B12, C60 Bodové grupy symetrie ► Úplná rotační grupa -Rh - Obsahuje nekonečně mnoho os se všemi možnými hodnotami četnosti. Osy se protínají ve středu symetrie. Dále obsahuje nekonečně mnoho rovin symetrie, které procházejí středem symetrie. Dipólový moment ► Vektor popisující rozložení elektrického náboje v molekule. ► Výsledný dipólmoment získáme vektorovým součtem dipólmomentů jednotlivých vazeb. 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 pásu je úměrná druhé mocnině změny dipólového momentu. ► Absorpcí infračerveného záření molekulami vznikají pásová spektra. Infračervená spektroskopie ► NIR (0,7 - 2,5 //m; 14 000 - 4 000 cm-1) - infračervená spektroskopie v blízké oblasti ► MIR (2,5 - 25 //m; 4 000 - 400 cm-1) - infračervená spektroskopie ve střední oblasti ► FIR (25 - 1000 //m; 400 - 10 cm-1) - infračervená spektroskopie ve vzdálené oblasti 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2S0O 2600 2400 2200 2000 1800 I800 1400 1200 1000 300 600 ► Absorpční spektrum indiga 23/47 Měřící techniky ► FT-IR - transmise, ATR ► DRIFT, IRRAS ► TG-IR, GC-IR Infračervený spektrometr ► ► ► Disperzní - za vzorkem je umístěn monochromátor (mřížka), který postupně propouští jednotlivé vlnové délky na detektor. Nedisperzní- využívá monochromatické zdroje záření. Interferometrický spektrometr (FT-IR) ► neobsahuje monochromátor, ale interferometr (Michelsonův interferometr) ► celé spektrum se snímá najednou a získaný interferogram je nutné zpracovat pomocí Fourierovy transformace. ► je citlivější než jiné typy spektrometrů. 25/47 Zdroj infračerveného záření ► Nernstova lampa - lampa s žhavenou keramickou tyčinkou ► Globar ► tyčinka z karbidu křemíku vyhřívaná na teplotu 1000-1400 °C. ► keramická tyčinka omotaná odporovým drátem, který ji vyhřívá ► nej běžnější zdroj záření pro FT-IR spektrometry ► IR LED - diody z III/V polovodičů, poskytují monochromatické záření. ► IR lasery - plynové nebo pevnolátkové lasery, zdroje monochromatického záření. Michelsonův interferometr ► Autorem je americký fyzik Albert A. Michelson. ► Skládá se z beamsplitteru a dvou zrcadel. ► Jedno ze zrcadel se pohybuje, konstantní rychlostí, po dráze kolmé k jeho ploše. ► Interferometr moduluje vstupující záření plynulou změnou rozdílu délky drah paprsků. http://blockeng.com/technology/ftirtechnology.html ^ *o<\ Michelsonův interferometr Beamsplitter (BS) rozděluje paprsek ze zdroje na dva stejné paprsky. Jeden je odražen na nepohyblivé zrcadlo (Zl), od kterého se odrazí zpět. Druhý projde beamsplitterem a dopadne na pohyblivé zdrcadlo (Z2). Oba paprsky dopadnou zpět na BS, kde interferují a výsledný paprsek je znovu zčásti odražen k detektoru a z části projde BS směrem ke zdroji. Intenzita výsledného paprskuje závislá na rozdílu vzdáleností obou zrcadel od BS. Zl Z2 Detektory Nejčastěji se využívají pyroelektrické detektory. ► DLaTGS ► triglycinsulfát dopovaný L-alaninem ► pyroelektrický detektor (krystal, po dopadu záření dojde k jeho ohřátí a tím vzniku elektrického napětí na povrchu krystalu) ► MCT ► mercury/cadmium/telluride ► fotovodivostní detektor (dioda) ► citlivější než DLaTGS ► vyžaduje chlazení na teplotu kapalného dusíku _ IV I "I W NX ■ NX ' VV/ X , I "I ► Nejbeznejsi merici 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 FT-1R A Pohyblivé zrcadlo Beam splitter Pevné zrcadlo Vzorek Zdroj IR záření Detektor 31 32/47 ► Lze měřit pevné látky, kapaliny i plyny ► Pevné látky měříme ve formě KBr tablet (1-3 hm. % v KBr) nebo jako suspenze v Nujolu ► Kapaliny měříme jako tenký film mezi okny z vhodného materiálu (KBr, KRS, NaCI, ...) 33/47 Kvantitativní analýza ► Lambert-Beerův zákon - A\ = e\lc ► A\ - absorbance vzorku při vlnové délce A ► e\ - absorpční koeficient při vlnové délce A. Je charakteristický pro každou sloučeninu. ► I - délka kyvety ► c - koncentrace vzorku ► Pro stanovení koncentrace se využívá kalibrační křivka. 34/47 35/47 Transmisní měření ► Plyny se měří v plynových kyvetách, ty jsou konstruované tak, aby dráha paprsku byla co nejdelší ► Protože v plynném skupenství existují pouze slabé interakce mezi částicemi lze naměřit čistě rotační, rotačně-vibrační i elektronově-rotačně-vibrační spektra 36/47 ATR ► 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 //m) 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 45" p iaitů mirror aná polarise? aspíieríťj^ min™ (bebiisíJ) (iefectíir tower FTTR spectrometer MOVPR tpiartí gäass reactor I tipper window for RAS} FT sample wafer graphite sasciptor DRIFTS ► 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 sample IR source detector 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) 40/47 ► GC - plynová chromatografie ► Méně citlivé než GC/MS, ale umožňuje analýzu stereoizomerů. ► Interferogramy je nutné snímat v krátkých časových intervalech 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 43/47 Využití IR spektroskopie v oblasti restaurování a konzervování uměleckých děl ► Výhodou IR spektroskopie je nízká spotřeba vzorku, příp. nedestruktivnost metody, při použití bezkontaktního spektrometru. 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 ' 14 r* pomoci C. ► FT-IR mikroskop se lze využít k analýze nábrusů a identifikaci složení a stratigrafie vrstev 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 a sekundární strukturu (dekonvolucí a fitováním pásů) 1700 1660 1640 -coc 46/47 Využití IR spektroskopie v biologii ■ ► Spektra nukleových kyselin poskytují informace o konformaci hlavního řetězce kyseliny a o párování bází ► IR spektra lze využít i pro diagnostiku nádorů, např. sledováním závislosti polohy pásu deformační vibrace methylenové skupiny na tlaku lze odlišit zdravou a rakovinovou tkáň 0 2 4 6 :l 1Ü 12 14 16 19 20 Pressure (kbar)