Infračervená a Ramanova spektroskopie Zdeněk Moravec hugo@chemi.muni.cz ► 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 2/1 Molekulová spektroskopie UV-VIS IR MW 50-800 nm 1-100 lim 1-10 mm Elektronická Absorpční UV-VIS spektroskopie Luminiscenční spektroskopie Vibrační Ramanova spek- Infračervená spektroskopie troskopie spektroskopie Rotační Ramanova spek- Mikrovlnná spektroskopie troskopie spektroskopie Základní principy IR spektroskopie Penetrates Earth's Atmosphere? Radiation Type Radio Wavelengih / m itŕ Microwave Infrared Visible Ultraviolet X-ray Gamma ray 10' 105 0.5>t10e iae 1ÜT10 ■o ■2 Approximate Scale rjt Wavelength Hi Buildings Humans Butterflies Needle Point Protozoans Molecules Atoms Atomic Nuclei Frequency/Hz IQ4 10 101S 101' 10 ,lí IG20 Temperature of objects at which this radiation is the peak wavelength emitted 1 K 10( ■27?aC -17; )K 10,0 l°C 9,72 M K 10OQ0 &°C "10,000 ,000 K ,ooo(c; Základní principy IR spektroskopie s, Si electronic energy levé U vibrational energy levels rotational energy lewis electronic transition 1L llll^ 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) t o=c=o Ô=c=Ô c) I I d) 7/1 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 fim; 14 000 - 4 000 cm-1) - infračervená spektroskopie v blízké oblasti ► MIR (2,5 - 25 iim; 4 000 - 400 cm-1) - infračervená spektroskopie ve střední oblasti ► FIR (25 - 1000 iim; 400 - 10 cm-1) - infračervená spektroskopie ve vzdálené oblasti ► Absorpční spektrum indiga < [f? ► < -E ► < -ž ► š O Q, O 10/1 Měřící techniky ► FT-IR - transmise, ATR ► DRIFT, IRRAS ► TG-IR, GC-IR ejbeznejsi merici technika Podle úpravy vzorku rozlišujeme měření v transmisním módu 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 Transmisní měření ► 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, ...) 15/1 54 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 ► 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 /im) 90' Film Double-pass multiple internal L ► 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 4 ^ >■ 4 ± k < -Š ► 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 Coupling TGA/IR ► TGA - termogra vi metrická 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) 20/1 0.000 0.100 0.200 0.300 .....p ► GC - plynová chromatografie ► Méně citlivé než GC/MS, ale umožňuje analýzu stereoizomerů. ► Interferogramy je nutné snímat v krátkých časových intervalech 22/1 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 Ramanova spektroskopie Energy A Virtual energy level AE:=hv 1 st excited vibrational state Ground state AE =hv V V AEe=-hv0 Rayleigh scattering AE:=hv AE. -h(v0-vv) Stokes scattering AE:=hv AE. -h(v0+v) anti-Stokes scattering http: //commons. wikimedia.org/wiki/File:Ramanscattering.svg 24 D«toctor pvm«» Lasery ► 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 4 ^ >■ 4 ± k 4 S ► Ramanova spektroskopie v > 27/1 Ramanova spektroskopie The Bruker FRA106 FT-Raman Accessory, The FRA 106 enables the analyst to routinely collect essentially fluorescence-free Raman data without sample preparation. Optical diagram of the FRA 706 FT-Raman accessory and IFS 66 bench. Ramanova 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. 3500 300O ?500 ?.™ 1500 1000 500 _ _ Rarrun shift, cm"1 30/1 < [f? ► < -e ► < -ž ► š o q, o 31/1 Analýza spekter ► Oblast otisku prstu - 500 - 1500 cm'1 ► valenční vibrace většiny anorganických molekul ► deformační vibrace organických molekul - ô HCH, ô CCH, ô 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 Tabulky vlnočtů 606 cm ■* 3500 3000 2500 1—T CH.-C METHYL CHr-(C-0)...L... CH,— METHYLENE 1 —CH,—CH-NH,, ..O-Nil,.. 4000 cm- 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1400 1200 1000 2.50m 2.75 a, 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 9.0 800 _L- 600 400 10 11 12 13 14 15 25 nalýza 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-0-H---0 z/(OH) = 3500-2500 cm"1 ► R-O-H i/(OH) = 3700-3600 cm"1 Databáze spekter ► http://sdbs.riodb.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi Spectral Database for BffiBW, p-g^g, Ifffjl KHQ BBffHl KWUBI B BM. «7 Organic Compounds SDBS ■ ■ SDBS Compounds and Spectral Search Compound Name: I Molecular Formula: I- C, H. then Hie ol-ioi elements are I :i I".". t~i=_?. i __ a I order."% ,T" for ihe wild card Molecular Weight: I--1» I Numbers belween left and righit columns-Up Id the first place of a decimal point CAS Registry No.: r fci lha wild card. SDBS No.: I- "%,*" to Iľie wild card. Atoms: I match partial _*j QCerbon) H(Hydrůgen) NfNil re 96(1] O^Osygen) F(Fluonine) CI(Chloiina) Br[6romiiie) Ifjcdng) S(Sülfur) P(Phosphorus) Si(Siliccn) Numbers belwean lefl snj right columns. Spectrum: ChHck the spectra of /our interest. r ms r ir r 13c NMR r Raman T 1H NMR r ESR IRPeaksícm-1) Allowance — ±|To or space is Ihe separator for multiple peaks. Uss to sel a range:, eg 550-750,1650 3000- % Transnnittance < |ěčí 13C NMR Shift(ppm): Allowance "," is the separator for multiple shifts, eg. 129.3,18.4.... Ha shift regions: | Range defined by two numbers separated by a space, eg. 110 73,... nH NMR Shiftfppm): Ho shift regions: | MS Peaks and intensities: Mass and its intensity are a sei if data separated by a space, eg 110 22... Soachl Clear | Hil; |20hit Son by; |MoleciflarWeighl |Ascending Order [c] National Institute of Advanced Industrial Science and Technolog (AIS"Q 36/1 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, Motes Show Credits NIST reserves the right to charge for access to this database in the future. Search Options top General Searches Physical Property Based Searches • Formula • Ion energetics properties • Name • Vibrational and electronic energies • IUP AC identifier • Molecular weight • CAS registry number • Reaction • Author • Structure Models and Tools top • Thermophysical Properties of Fluid Systems: High accuracy data for a select group of fluids. ■ Group Additivity Based Estimates: Estimates of gas phase thermodynamic properties based on a submitted structure • Formula Browser: Locates chemical species by building up a chemical formula in Hill order. Special Data Collections top • Benchmark Spray Combustion Database: A collection of spray combustion data from experiments conducted at NIST. • Droplet Laden Flow Data: Results from experiments involving flow over cylinders. ■š ► •< -š ► 37/1 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 Využití IR spektroskopie v oblasti restaurování a konzervování uměleckých děl ► Výhodou IR spektroskopie je nízká spotřeba vzorku, 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, a pod.) ► 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 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) i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i 1700 16B0 1650 1640 1620 1600 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 2 4 6 :l 1Ü 12 14 16 19 řO Pressure (kbar) Spektrometry na ústavu chemie ► MIR spektrometr Bruker IFS 28 ► FT-IR ( NIR+MIR) spektrometr Bruker Equinox IFS 55/S s Ramanovým nástavcem FRA 106/S ► FT-IR ( NIR+MIR) spektrometr Bruker Tensor 27 s možností měření TG/IR ► ATR Bruker Alpha Platinum Bruker Equinox IFS 55/S s Ramanovým nástavcem FRA 106/S 47/1