Теорія, метод і використання інфрачервоної спектроскопії

The інфрачервона спектроскопія є вивчення того, як молекули поглинають інфрачервоне випромінювання і остаточно перетворюють його в тепло.

Цей процес можна проаналізувати трьома способами: вимірювання поглинання, випромінювання та відображення. Ця точність робить інфрачервону спектроскопію однією з найважливіших аналітичних методів, доступних сучасним вченим.

Одним з великих переваг інфрачервоної спектроскопії є те, що практично будь-який зразок можна вивчити практично у всіх станах.

Рідини, порошки, плівки, розчини, пасти, волокна, гази та поверхні можна досліджувати з розумним вибором техніки відбору проб. Як наслідок поліпшеної апаратури, нині розроблено низку нових чутливих методів для дослідження раніше нерозв'язних зразків.

Інфрачервона спектроскопія, серед багатьох інших застосувань і застосувань, корисна для вимірювання ступеня полімеризації при виготовленні полімерів. Зміни кількості або характеру конкретного зв'язку оцінюються шляхом вимірювання певної частоти у часі.

Сучасні дослідницькі інструменти можуть приймати інфрачервоні вимірювання в інтересах частоти 32 рази в секунду.

Це може бути зроблено, коли одночасні вимірювання проводяться з використанням інших методів, що робить спостереження хімічних реакцій і процесів більш швидкими і точними.

Теорія інфрачервоної спектроскопії

Неоціненним інструментом у визначенні та перевірці органічних структур є клас електромагнітного випромінювання (REM) з частотами від 4000 до 400 см-1 (хвильові числа).

Категорія ЕМ випромінювання називається інфрачервоним (ІЧ) випромінюванням, а її застосування в органічній хімії відоме як ІЧ-спектроскопія..

Випромінювання в цій області можна використовувати при визначенні органічної структури, використовуючи той факт, що вона поглинається міжатомними зв'язками в органічних сполуках..

Хімічні зв'язки в різних середовищах поглинають змінні інтенсивності та змінні частоти. Тому ІЧ-спектроскопія передбачає збір інформації про поглинання та її аналіз у вигляді спектру.

Частоти, в яких є поглинання ІЧ-випромінювання (піки або сигнали), можуть бути безпосередньо корельовані з ланками в межах даної сполуки..

Оскільки кожна міжатомна зв'язок може вібрувати в декількох різних рухах (розтягування або згинання), окремі ланки можуть поглинати більше однієї ІЧ частоти.

Розтягування смуга поглинання часто виробляє сильніше, ніж ізгібние піки, проте поглинання слабкіше вигин може бути корисним, щоб відрізнити подібні типи з'єднань (наприклад, ароматичне заміщення).

Важливо також відзначити, що симетричні коливання не викликають поглинання ІЧ-випромінювання. Наприклад, жодна з вуглець-вуглецевих зв'язків етилену або етилену не поглинає ІЧ-випромінювання.

Інструментальні методи визначення структури

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР)

Збудження ядра атомів через радіочастотне опромінення. Надає широку інформацію про молекулярну структуру і зв'язок атомів.

Інфрачервона спектроскопія (ІЧ)

Вона полягає у випалюванні молекулярних коливань через опромінення інфрачервоним світлом. Вона, в основному, надає інформацію про наявність або відсутність певних функціональних груп.

Мас-спектрометрія

Бомбардування зразка електронами і виявлення отриманих молекулярних фрагментів. Надає інформацію про зв'язок молекулярної маси і атомів.

Ультрафіолетова спектроскопія (УФ)

Просування електронів на більш високих енергетичних рівнях шляхом опромінення молекули ультрафіолетовим світлом. Надає інформацію про наявність спряжених π-систем і подвійних і потрійних зв'язків.

Спектроскопія

Це дослідження спектральної інформації. Після опромінення інфрачервоним світлом деякі зв'язки швидше реагують на вібрацію. Цей відповідь може бути виявлений і переведений у візуальне представлення, яке називається спектром. 

Процес інтерпретації спектру

1. Розпізнати шаблон.
2. Асоційовані структури з фізичними параметрами.
3. Визначити можливі значення, тобто запропонувати пояснення.

Як тільки спектр отриманий, головним завданням є вилучення інформації, що вона містить у абстрактній або прихованій формі.

Це вимагає визнання певних закономірностей, асоціації цих моделей з фізичними параметрами, а також інтерпретації цих закономірностей в термінах осмислених і логічних пояснень..

Електромагнітний спектр

Більшість органічної спектроскопії використовує електромагнітну енергію або випромінювання як фізичний стимул. Електромагнітна енергія (наприклад, видиме світло) не має виявленої масової складової. Іншими словами, його можна назвати "чистою енергією".

Інші види випромінювання, такі як альфа-промені, які складаються з ядер гелію, мають компонент маси, що виявляється, і тому не можуть бути класифіковані як електромагнітна енергія.

Важливими параметрами, пов'язаними з електромагнітним випромінюванням, є:

• Енергія (Е): Енергія прямо пропорційна частоті і обернено пропорційна довжині хвилі, як зазначено нижче.

• Частота (μ)
• Довжина хвилі (λ)
• Рівняння: E = hμ

Вібраційні режими

• Ковалентні зв'язки можуть вібрувати різними способами, включаючи розтягування, гойдання і ножиці.

• Найбільш корисні смуги в інфрачервоному спектрі відповідають частотам розтягування.

Передача проти Поглинання

Коли хімічний зразок піддається дії ІЧ-СВІТЛА (інфрачервоне випромінювання світлом), він може поглинати деякі частоти і передавати інші. Частина світла також може бути відбита назад до джерела.

Детектор виявляє передані частоти, і при цьому також виявляє значення поглинених частот.

ІЧ-спектр в режимі поглинання

ІЧ-спектр - це в основному графік частот, що передаються (або поглинаються), порівняно з інтенсивністю передачі (або поглинання). Частоти з'являються по осі абсцис в одиницях зворотних сантиметрів (хвильових чисел), а інтенсивності представлені на осі у і в відсоткових одиницях. Графік показує спектр в режимі поглинання:

ІЧ-спектр в режимі передачі

Графік показує спектр в режимі передачі. Це найчастіше використовуване репрезентація, що міститься в більшості книг з хімії та спектроскопії.

Використання та застосування

Оскільки інфрачервона спектроскопія є надійним і простий метод, він широко використовується в органічному синтезі, полімерної науки, техніки нафтохімічної, фармацевтичної промисловості та аналізування харчових продуктів.

Крім того, оскільки спектрометри FTIR можуть бути дезінфіковані хроматографією, з такими приладами можна досліджувати механізм хімічних реакцій і виявлення нестабільних речовин..

До деяких застосувань і додатків належать:

Контроль якості

Він використовується в контролі якості, динамічних вимірювань і моніторингу додатків, таких як вимірювання довгострокових автоматичної концентрації СО2 в теплицях і ростових камерах за допомогою інфрачервоних аналізаторів газів.

Судово-медичний аналіз

Він використовується в судовому аналізі в кримінальних і цивільних справах, наприклад, при виявленні деградації полімерів. Може бути використаний для визначення вмісту алкоголю в крові у водія, який підозрюється в стані алкогольного сп'яніння.

Аналіз твердих зразків без необхідності різання

Корисним способом аналізу твердих зразків без необхідності різання є використання АТР або ослабленої сумарної спектроскопії відбиття. Використовуючи цей підхід, зразки притискаються до лиця монокристала. Інфрачервоне випромінювання проходить через скло і тільки взаємодіє з зразком на межі розділу між двома матеріалами.

Аналіз та ідентифікація пігментів

ІЧ-спектроскопія успішно використовується при аналізі та ідентифікації пігментів на картинах та інших мистецьких об'єктах, таких як ілюстровані рукописи..

Використання в харчовій промисловості

Інше важливе застосування інфрачервоної спектроскопії в харчовій промисловості для вимірювання концентрації різних сполук у різних харчових продуктах.

Точні дослідження

Зі збільшенням технології комп'ютерної фільтрації та маніпуляції результатами, зразки в розчині тепер можуть бути точно виміряні. Деякі прилади також автоматично повідомлятимуть про те, яку речовину вимірюють із запасу тисяч збережених спектрів.

Польові випробування

Інструменти зараз невеликі, і їх можна транспортувати навіть для використання в польових випробуваннях.

Витоки газу

Інфрачервона спектроскопія також використовується в пристроях виявлення витоків газу, таких як DP-IR і EyeCGA. Ці пристрої виявляють витоки вуглеводневого газу в транспорті природного і сирого газу.

Використання в просторі

NASA використовує дуже сучасну базу даних, засновану на інфрачервоній спектроскопії, для відстеження поліциклічних ароматичних вуглеводнів у Всесвіті.

На думку вчених, більше 20% вуглецю у Всесвіті може бути пов'язано з поліциклічними ароматичними вуглеводнями, можливими вихідними матеріалами для формування життя \ t.

Здається, що поліциклічні ароматичні вуглеводні утворилися незабаром після Великого Вибуху. Вони широко поширені по всьому Всесвіту і пов'язані з новими зірками і екзопланетами.

Список літератури

1. Ненсі Біркнер (2015). Mind Touch. Як працює спектрометр FTIR. Отримано з: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Теорія та інтерпретація ІЧ-спектрів. Pearson Prentice Hall. Отримано з: utdallas.edu.
3. Барбара Стюарт (2004). Інфрачервона спектроскопія. Wiley Отримано з: kinetics.nsc.ru.
4. Вікіпедія (2016). Інфрачервона спектроскопія. Вікіпедія, вільна енциклопедія. Отримано з: en.wikipedia.org.