Infračervená a Ramanova spektroskopie Zdeněk Moravec hugo@chemi.muni.cz 1/47 Osnova ► Základní principy IR spektroskopie ► Měřící techniky ► FT-IR transmisní měření ► ATR, DRIFT, PAS ► TG/IR, GC/IR ► Ramanova spektroskopie ► 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 ěřící techniky ► FT-IR - transmise, ATR ► DRIFT, IRRAS ► TG-IR, GC-IR ! -0<».O 11/47 FT-IR ► Nejběznější 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 12/47 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 18/47 ► 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 19/47 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) 20/47 Coupling GC/IR ► GC - plynová chromatografie ► Méně citlivé než GC/MS, ale umožňuje analýzu stereoizomerů. ► Interferogramy je nutné snímat v krátkých časových intervalech 22/47 Ramanova spektroskopie ► Komplementární metoda k infračervené spektroskopii. ► 1928 - Sir Chandrasekhara Venkata Räman objevil nepružný rozptyl záření (Ramanův rozptyl). ► Využívá silné zdroje monochromatického záření - lasery. ► Při interakci se vzorkem dochází z největší části k Rayleighovu rozptylu, energie rozptýleného záření je stejná jako energie excitujícího záření. ► S nižší pravděpodobností dochází k Ramanovu rozptylu, kdy záření část své energie předává vzorku (Stokesovy linie) nebo ji naopak vzorku odebírá (Anti-Stokesovy linie). ► Aby mohlo dojít k Ramanovu rozptylu, děj musí být spojen se změnou tenzoru polarizovatelnosti. 23/47 Ramanova spektroskopie Energy Virtual energy level AE = hv0 ......>■ 1 st excited vibrational state Ground state AE =hv {I AE =-hv0 ......>■ Rayleigh scattering AE =hv0 ......>■ AEe = -h(v„-v) ......>■ Stokes scattering AE = hv0 ......>■ AEe = -h(v0+v) ......>■ anti-Stokes scattering http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ramanscattering.svg 24/47 Ramanova spektroskopie ► Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ► He-Ne laser - 632,8 nm »• Ar laser - 488 nm, 496,5 nm a 514,4 nm ► Kr laser - 530,9 nm a 674,1 nm ► Nd:YAG laser - 1064 nm ► laserové diody ► laditelné lasery 27/47 manová spektroskopie Rama nova spektroskopie - příprava vzorku ► Jednodušší než u IR spektroskopie. ► Pevné vzorky se měří ve skleněných kapilárách nebo jako tenké vrstvy na vhodném substrátu. Větší vzorky lze uchytit do držáku vzorku bez úpravy. ► Kapalné vzorky se také plní do kapilár. ► Pro měření plynných vzorků se využívají kyvety s násobným odrazem. ► Komplikací při měření bývá luminiscence vzorku. Lze ji potlačit změnou vlnové délky laseru, pokud to spektrometr umožňuje. 29/47 Ramanova spektroskopie 31/47 Ramanova spektroskopie 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 33/47 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 35/47 Databáze spekter http://webbook. nist.gov/chemistry/ NIST Chemistry WebBook NIST Standard Reference Database Number 69 View: Search Options. Models and Tools, Special Data Collections, Documentation, Changes, Notes Show Credits HIST reserves the right to charge for access to this database in the future. Search Options to; General Searches Physical Property Based Searches • Formula • Ion energetics propettie: • rjJPAC identifier • Molecular weight • CAS registry number Models and Tools top • Thermophysical Properties of Fluid Systems: High accuracy data for a select group of E • Group Additivity Based Estimates: Estimates of gas phase thermodynamic properties bi • Formula Browser: Locates chemical species "by building up a chemical formula in Fill or Special Data Collections top • Benchmark Spray Combustion Database: A collection of spray comb • Droplet Laden Flow Data: Results from experiments involving flow 01 37/47 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 38/47 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 40/47 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