Μέθοδοι έρευνας ορυκτών και πετρωμάτων Μάθημα 8 ο Φασματοσκοπία απορρόφησης υπερύθρων (IR) και Φασματοσκοπία απορρόφησης υπερύθρων με μετασχηματισμό Fourier (FTIR) Διδάσκων Δρ. Αδαμαντία Χατζηαποστόλου Τμήμα Γεωλογίας Πανεπιστημίου Πατρών Ακαδημαϊκό Έτος 2017-2018
Ύλη 8 ου μαθήματος Αρχές λειτουργίας της φασματοσκοπίας απορρόφησης υπερύθρων Εφαρμογές της μεθόδου ανάλυσης στη γεωλογία Προπαρασκευή δείγματος και επίδειξη αναλυτικού οργάνου Ερμηνεία και αξιολόγηση φασμάτων ανάλυσης Μέτρα αξιοπιστίας μέτρησης και αβεβαιότητες Διόρθωση σφαλμάτων - Σύγκριση μετρήσεων και αναλυτικών μεθόδων
Εισαγωγή Στην φασματοσκοπία υπερύθρου μελετάμε την απορρόφηση υπέρυθρης ακτινοβολίας από ένα δείγμα συναρτήσει της συχνότητας. Η μέθοδος βασίζεται στις δονήσεις των ατόμων/μορίων του κρυσταλλικού πλέγματος των ορυκτών όταν εκτεθούν σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Οι δονήσεις απορροφούν τμήματα του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, διαγνωστικά των συστατικών στοιχείων του υλικού και των μεταξύ τους δεσμών. Μέτρηση μοριακής δόνησης. Η υπέρυθρη ακτινοβολία δεν διαθέτει αρκετή ενέργεια για να προκαλέσει τα είδη των ηλεκτρονιακών μεταπτώσεων που συναντώνται στην υψηλότερης ενέργειας ορατή και υπεριώδη ακτινοβολία.
Εισαγωγή Απορρόφηση ενέργειας όταν η ενέργεια της ακτινοβολίας ταυτίζεται με την ενεργειακή διαφορά δύο δονητικών συχνοτήτων. Κατά την απορρόφηση ενέργειας αυξάνει το πλάτος της μοριακής δόνησης δηλαδή το ελατήριο που συνδέει τα δύο άτομα εκτείνεται ή συμπιέζεται λίγο περισσότερο. Εφαρμόζεται για την αναγνώριση οργανικών ενώσεων, αλλά και ανόργανων (π.χ. διάκριση αργιλικών ορυκτών).
Φάσμα Η/Μ ακτινοβολίας
Ορισμός Υπέρυθρου φάσματος Η υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος εκτείνεται από το ορατό μέχρι τα μικροκύματα (400 έως 1.000.000 nm). Υποδιαιρείται στις περιοχές: 1. Εγγύς Υπέρυθρο (Near IR) (700 έως 2.500 nm). 2. Μέσο Υπέρυθρο (Mid-IR) (2.500 έως 25.000 nm). 3. Άπω Υπέρυθρο (Far IR) (25.000 έως 1.000.000 nm). Το πλέον ενδιαφέρον για τη χημική ανάλυση παρουσιάζει το Mid-IR, όπου συμβαίνουν μεταβολές της δονητικής ενέργειας των μορίων, ενώ αυτά παραμένουν στη θεμελιώδη ηλεκτρονική τους κατάσταση.
Ορισμός Υπέρυθρου φάσματος Η μέθοδος της ανακλαστικής φασματοσκοπίας αξιοποιεί τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και συγκεκριμένα τις περιοχές του ορατού, (400-700 nm), εγγύς υπέρυθρου, (700-1300 nm) και μικρού μήκους κύματος υπέρυθρου φάσματος, (1300-2500 nm), για την μελέτη υλικών.
IR και διπολική ροπή Ένα μόριο για να απορροφήσει υπέρυθρη ακτινοβολία, πρέπει να υποστεί μεταβολή της διπολικής ροπής του ως αποτέλεσμα της δονητικής ή της περιστροφικής κίνησής του (π.χ. HCl). Κατά τη δόνηση ή περιστροφή ομοπυρηνικών διατομικών μορίων, όπως τα Ο 2, Ν 2, ή Cl 2, δεν πραγματοποιείται καθαρή μεταβολή στη διπολική ροπή. Tέτοιου είδους μόρια δεν απορροφούν στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος.
Είδη μοριακών δονήσεων Οι δονήσεις διακρίνονται σε: 1. Δονήσεις τάσεως ή εκτατικές (ν), όπου η δόνηση γίνεται κατά μήκος του άξονα του δεσμού αλλάζοντας την απόσταση των συνδεόμενων δονούμενων ατόμων. Διακρίνονται σε συμμετρικές και ασύμμετρες. 2. Δονήσεις κάμψης ή παραμορφώσεως (δ), όπου η δόνηση επιδρά στη γεωμετρία του μορίου μεταβάλλοντας τις γωνίες μεταξύ των μοριακών δεσμών. Διακρίνονται σε ψαλιδοειδείς, λικνιζόμενες, παλλόμενες και συστρεφόμενες.
Είδη μοριακών δονήσεων
Είδη μοριακών δονήσεων συμμετρική δόνηση τάσης ασύμμετρη δόνηση τάσης δόνηση κάμψης
Αρχή λειτουργίας του IR Μια δέσμη υπέρυθρου φωτός παράγεται και χωρίζεται σε δύο δέσμες. Η μία διέρχεται από το δείγμα και η άλλη διέρχεται από την ουσία που έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία του παρασκευάσματος (συχνά KBr). Οι δέσμες ανακλώνται και πάλι προς έναν ανιχνευτή, όμως πρώτα περνούν από έναν διαχωριστή, ο οποίος ταυτοχρόνως εναλλάσσει ποια από τις δύο δέσμες εισέρχεται τον ανιχνευτή. Στη συνέχεια τα δύο σήματα συγκρίνονται και λαμβάνεται το φάσμα.
Αρχή λειτουργίας του IR Το υλικό αναφοράς (reference), το οποίο είναι συνήθως μια καθαρή μορφή του διαλύτη μέσα στον οποίο βρίσκεται το δείγμα, χρησιμοποιείται για δύο λόγους: Αυτό αποτρέπει τις διακυμάνσεις στην έξοδο της πηγής που επηρεάζουν τα δεδομένα. Αυτό αποτρέπει τις επιδράσεις που μπορεί να έχει αυτός ο διαλύτης στα αποτελέσματα.
Αποτίμηση φασμάτων IR Για την ερμηνεία των φασμάτων IR ισχύουν τα εξής: Οι απορροφήσεις χαρακτηριστικών ομάδων εμφανίζονται στην περιοχή 2500-7000 nm. Οι απορροφήσεις σκελετού εμφανίζονται στην περιοχή κάτω των 7000 nm (περιοχή δακτυλικών αποτυπωμάτων). Οι χαρακτηριστικές ομάδες δίνουν απορροφήσεις, που εξαρτώνται από τη θέση τους στο μόριο.
Συχνότητες χαρακτηριστικών οργανικών ομάδων
Συχνότητες χαρακτηριστικών οργανικών ομάδων 2500-7000 nm: Περιοχή χαρακτηριστικών ομάδων 2500-4000 nm: Δονήσεις τάσης δεσμού (επιμήκυνση- συμπίεση) Ο-Η, Ν-Η, C-H 4000-5000 nm: Δονήσεις τάσης -C C-, R-C N (τριπλός δεσμός) 5000-7000 nm: Δονήσεις τάσης -C=C-, -C=O, C=N, (διπλός δεσμός) 7000-25000 nm: Περιοχή δακτυλικού αποτυπώματος
Πίνακας συχνοτήτων
Φάσμα IR
Παρασκευή δείγματος Τα δείγματα μπορεί να είναι σε αέρια, υγρή ή στερεή κατάσταση.
Ευχαριστώ πολύ