Spektroskopija vibrirajući atomi (FTIR, Raman)

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA SEMINAR Spektroskopija vibrirajući atomi (FTIR, Raman) Ivan Crnov Antonio Gužvinec David Horvat Nikola Vuger Zagreb, prosinac, 2015.

Sadržaj 1. Uvod... 2 2. Podjele spektroskopije... 3 3. Ramanova spektroskopija... 5 3.1 Instrumenti... 6 3.2 Ramanova spektroskopija in-line... 8 3.3 Primjene... 10 4. Infracrvena spektroskopija (IR)... 12 4.1 Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (FTIR)... 13 5. Zaključak... 17 6. Literatura... 18 1

1. Uvod Spektroskopija je znanstvena disciplina koja se bavi proučavanjem emisijskih i apsorpcijskih elektromagnetskih spektara atoma i molekula. Njome se mjeri veličina zračenja u ovisnosti o energiji, valnoj duljini, frekvenciji ili količini gibanja. Upotrebljava se u kemiji, medicini, astronomiji, metalurgiji i drugdje zbog mogućnosti određivanja fizikalnih i kemijskih osobina neke tvari. Spektroskopija je vrlo razvijena disiplina i dijeli se na brojne poddiscipline prema: Vrsti zračenja tj. frekvenciji (radio, mikrovalna, terahercna, infracrvena, vidljiva, ultraljubičasta, rendgenska, gama) Nivou interakcije (nuklearna, atomska, molekularna, agregacijska) Pronalazaču (Ramanova, Mesbauerova) Tehnici (Furijeova, rezonantna, laserska, koherentna, emisijska, apsorbcijska) Slika 1.1 Elektromagnetski spektar U elektromagnetnom spektru prikazanom na slici 1.1 koji se proteže od gama zraka do radio-vala, vidljiva svjetlost obuhvaća tek jedan mali dio. Ispod svake oblasti naznačeni su opsezi valnih dužina: gama-zrake ~ 0,01 nm, h-zrake ~ 1 nm, ultraljubičaste zrake ~ 100 nm, vidljiva svjetlost ~400-700 nm, infracrveni zrake ~ 1 mm-1 cm i radio-valovi 1 m - 1 km. 2

2. Podjele spektroskopije Spektroskopija se, prema fenomenu koji izaziva sprezanje elektromagnetskog zračenja može podijeliti na : Rotacijsku spektroskopiju Elektronsku spektroskopiju Vibracijsku spektroskopiju Vibracijska spektroskopija je grana spektroskopije koja proučava spektre, koji su uzrokovani vibracijama molekula. To obuhvaća infracrvenu spektroskopiju i Ramanovu spektroskopiju. Primjenjuje se za identifikaciju molekula na temelju vibracija njihovih atoma, odnosno periodičkih promjena kuteva i međuatomskih udaljenosti. Vibracijske spektroskopske tehnike mogu se temeljiti na apsorpciji ili raspršenju elektromagnetskog zračenja, pa stoga razlikujemo infracrvenu odnosno Ramanovu spektroskopiju. Sve molekule vibriraju. Molekulske vibracije, za razliku od vibracija makroskopskih tijela, su kvantizirane. Molekula može vibrirati točno određenim amplitudama, koje odgovaraju vibracijskim energijskim razinama. Spektroskopski prijelaz se može dogoditi jedino ako je energija apsorbiranog ili emitiranog fotona jednaka razlici dviju vibracijskih energijskih razina (Bohrov uvjet), odnosno ako je razlika energija raspršenog i dolazećeg fotona jednaka razlici energijskih razina.ukoliko vibracija molekule uzrokuje promjenu dipolnog momenta molekule, vibracija će se sprezati s elektromagnetskim zračenjem i doći će do apsorpcije ili emisije zračenja. Takva vibracija će biti aktivna u infracrvenom spektru. Vibracija će biti aktivna u Ramanovom spektru ako vibracija uzrokuje promjenu polarizabilnosti molekule. Elektromagnetsko zračenje se može sprezati i s kvadrupolnim ili magnetskim momentom, ali ta sprega je vrlo slaba, pa je takve vibracije izuzetno teško proučavati. 3

Proučavanje spektra elektromagnetskog zračenja se provodi pomoću spektroskopa tj. spektrometra. Analizom se dobivaju podaci o prisutnosti raznih vrsta atoma i molekula u tvari. Spektroskop služi za identifikaciju nepoznatih vrsta spojeva pa se uspješno upotrebljava u znanosti, medicini, industriji i slično. Ako se proučava spektralne linije zračenja koje emitira tvar, radi se o emisijskoj spektroskopiji. U slučaju apsorbcije zračenja govori se o apsorbcijskoj spektroskopiji. NMR (Nuklearna magnetska rezonancija) bavi se interakcijom između atomskih jezgri. Postoji i infracrvena spektroskopija koja proučava molekularne vibracije i ona je tema ovog seminarskog rada. Slika 2.1. Princip rada spektrometra 4

3. Ramanova spektroskopija Ramanova spektroskopija koristi neelastično raspršenje monokromatske svjetlosti (najčešće laser). Ramanovo raspršenje se koristi za prikupljanje spektroskopskih podataka. Neelastično raspršenje znači da se frekvencija fotona u monokromatskom svijetlu mijenja nakon interakcije s uzorkom. Elektromagnetsko zračenje, raspršeno na molekuli, sadrži dvije komponente koje dolaze od vibracija ili rotacija molekula. Foton koji odlazi od sustava nema jednaku energiju kao i foton koji je došao na sustav. Sustav Ramanovim raspršenjem dobiva ili gubi energiju. Razlika u energiji sustava, prije i nakon Ramanovog raspršenja odgovara razlici energija dolazećeg i odlazećeg fotona. Ukoliko odlazeći foton ima nižu energiju od dolazećeg fotona (sustav je raspršenjem dobio energiju), raspršenje se naziva Stokesovo raspršenje, u suprotnom slučaju raspršenje se naziva antistokesovo raspršenje. Slika 3.1 Ramanova tranzicijska shema Energija spektroskopskog prijelaza se određuje razlikom energija iz Stokesove ili anti-stokesove vrpce i valne duljine upadnog, monokromatskog zračenja. Kako su Stokesove i antistokesove vrpce puno manjeg intenziteta od Rayleighovog raspršenog zračenja, potrebno je primijeniti izvor zračenja velikog intenziteta. Stokesovo i anti-stokesovo raspršenje ovise o promjeni polarizabilnosti molekula u vremenu, pa Ramanov spektar pokazuju samo one vibracije i rotacije molekula koje mijenjaju polarizabilnost molekule. Zato u Ramanovom i infracrvenom spektru, iste vrpce obično imaju različite intenzitete, a ponekad su u jednom od tih spektara potpuno nevidljive. Zato se infracrvena i Ramanova spektroskopija smatraju komplementarnima. Ramanova spektroskopija ima veliku prednost nad infracrvenom 5

spektroskopijom jer se ramanovi spektri mogu snimati u vodenim otopinama. Ramanova spektroskopija može se još upotrijebiti i za proučavanje krutog i plinovitog uzoraka. Oko 99.999% svih sudara fotona u spontanoj Raman spektroskopiji podilaze elastičnom Rayleighovom raspršenju. Ovakav tip raspršenja je beskoristan za praktičnu upotrebu za molekularnu karakterizaciju. Samo 0.001% od upadne monokromatske svjetlosti stvara neelastičan Ramanov signal frekvencije ν0± νm. Spontano Raman raspršenje je vrlo slabo i treba poduzeti posebne mjere kako bi se razlikovalo od prevladavajućeg Rayleighovog raspršenja. Instrumenti kao što su urez filtra, uskladljiv filtar, laser stop otvori, kvostruki i trostruki spektrometrijski sustavi se koriste za smanjenje Rayleighovog raspršenja i dobivanje kvalitetnog Ramanovog spektra. 3.1 Instrumenti Sustav Raman spektroskopije se tipično sastoji od četiri glavne komponente. Ramanovi spektrofotometri koriste izvor monokromatskog zračenja koje je usmjereno na uzorak. Zračenje, raspršeno pod nekim kutem (obično pod 90º) vodi se na monokromator, iz kojeg se propušta samo jedna valna duljina. Skeniranjem u području valnih duljina oko valne duljine izvora zračenja, dobiva se spektar. Slika 3.2 Raman spektrometar 6

IZVORI ZRAČENJA Kao izvori zračenja, najčešće se koriste laseri jer daju monokromatsko zračenje velikog intenziteta. Najčešće se koriste laseri koji rade u vidljivom području, a rjeđe ultraljubičasti ili infracrveni laseri. Najčešće korišten je argonski laser. Nekad su se koristile živine lampe, jer se njihovo zračenje sastoji od nekoliko linija od kojih jedna linija ima jako veliki intenzitet. OPTIČKI ELEMENT Za ramanovu spektroskopiju koriste se optički elementi koji propuštaju vidljivo, ili u slučaju ultraljubičastog ili infracrvenog lasera ultraljubičasto, odnosno infracrveno zračenje. Optički elementi su najčešće od stakla optičke kvalitete. Uzorci se stavljaju u kivete koje su slične kivetama za UV-VIS spektroskopiju. MONOKROMATOR Za Ramanovu spektroskopiju, koriste se monokromatori kao i u UV-VIS spektroskopiji: optička rešetka ili optička prizma. DETEKTOR Kao detektor, najčešće se koristi fotomultiplikator. Koriste se i fotoosjetljive diode ili CCD čipovi. 7

3.2 Ramanova spektroskopija in-line Vibracijska karakterizacija farmaceutskih proizvoda može se na robustan, jednostavan i siguran način izvoditi tehnikom Ramanove spektroskopije in-line, pomoću Ramanove sonde. Slika 3 3.1 Grafički prikaz Ramanove sonde s optičkim vlaknima Pobudno zračenje prenosi se optičkim vlaknom za pobudu preko sonde do uzorka, a zatim se raspršeno zračenje skuplja te optičkim vlaknima prenosi do spektrometra i na kraju do detektora. Obično postoji jedno vlakno za pobudu te nekoliko vlakana za prikupljanje signala. Većina Ramanovih sondi posjeduje konfiguraciju uz povratno raspršenje. Kod procesnih Ramanovih sondi vlakna za pobudu i prikupljanje smještena su prostorno blizu, što omogućava praćenje procesa u realnom vremenu. Jedna od prednosti sondi jest i njihova fleksibilnost te prilagodljivost eksperimentalnim uvjetima. Ramanova spektroskopija in-line omogućuje nedestruktivnu analizu in situ pomoću sonde. Široko spektralno područje i mogućnost snimanja u vodenim otopinama čine Ramanovu spektroskopiju in-line jednom od tehnika izbora za praćenje i kontrolu industrijskih procesa. Ova tehnika primjenjuje se u biokemiji za praćenje kristalizacije enzima i reakcija kataliziranih pomoću enzim, 8

kemiji materijala te industriji polimera za kontrolu procesa otapanja, kristalizacije i proizvodnje. Nadalje, Ramanovom spektroskopijom in-line moguće je pratiti procese u farmaceutskoj industriji, poput homogenizacije, kristalizacije i sinteze djelatnih tvari. Za praćenje procesa u laboratorijskim uvjetima može se upotrijebiti aparatura prikazana na slici 3.3.2. Slika 3.3.2 Aparatura za praćenje Ramanove spektroskopije in-line Sastoji se od Ramanove sonde, miješalice i termometra uronjenih u laboratorijski reaktor s dvostrukom stijenkom. Temperatura u reaktoru održava se pomoću termostatirane kupelji koja osigurava kontinuirani protok tekućine u prostoru između stijenki reaktora. Aparatura prikazana na 3.3.2 primijenjena je za praćenje Knoevenagelove kondenzacijske reakcije između 3,4-dihidroksi-5-nitrobenzaldehida i 2-cijano-N,N-dietilacetamida. Najvažniji nedostaci Ramanove spektroskopije in-line su osjetljivost na nehomogenosti u uzorku zbog malog promjera laserske zrake te nizak omjer signala i šuma. Utjecaj nehomogenosti može se umanjiti postupkom 9

osvjetljavanja na širokoj površini. Zraćenje pritom fokusira pri većoj žarišnoj duljini na šire područje. Nadalje, omjer signala i šuma se može povećati primjenom pobudnog zraćenja kraće valne duljine i veće snage. S druge strane, takvo zraćenje može uzrokovati fluorescenciju i degradaciju uzorka. Danas postoje razlićite modifikacije ove spektroskopske tehnike kojima se navedeni učinci mogu umanjiti. 3.3 Primjene Jedna od brojnih primjena Raman spektroskopije je u restauraciji. Na slici xx je freska iz 12. Stoljeća iz crkve u Italiji, koju je trebalo restaurirati. Koje boje upotrijebiti odredilo se pomoću raman spektroskopije. Slika 3.4.1 Freska koju je potrebno restaurirati 10

Raman analiza pomoću Ramanove spektroskopije identificira boje i pigmente koji su prisutni u originalu, dozvoljavajući ispravan izbor materijala za čišćenje i ponovno bojanje nakon toga, kako bi se vratilo originalno stanje Slika 3.4.2. Raman spektar Još jedna od primjena je u krivotvorenju dijamanata. Od dijamanata smeđeg tipa mogu se dobiti naizgled prirodno čisti dijamanti. Slika 3.4.3. Dijamanti prije i poslje upotrebe Raman spektroskopije 11

4. Infracrvena spektroskopija (IR) Osnovna primjena infracrvene spektroskopije je identifikacijka nepoznatih supstanci pomoću infracrvenog zračenja. Obično se promatra apsorpcija u ovisnosti o valnoj duljini. Međutim, da bi došlo do pojave, atomi i molekule u uzorku moraju titrati (titranje električnog dipolnog momenta) s frekvencijama u infracrvenom dijelu elektromagnetskog spektra. Kako atomi u metalu nemaju takvih dipolnih oscilacija, metoda se ne koristi za metale. Kod spektrometara s fourierovom transformacijom, sve frekvencije se mjere istovremeno i dobiveni interferogram se obrađuje pomoću računala da bi se dobilo traženo frekventno područje. FTIR(Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom) se može koristiti i za površinsku karakterizaciju, pogotovo poluvodičkih materijala. Koriste se valne duljine od 850 do 1300 nm, a razlučivanje površinskih defekata je oko 1µm. Infracrveni spektar izmjeren spektrometrom vrlo visoke razlučivosti uzorka u plinskoj fazi sastoji se od mnoštva vrlo bliskih apsorpcijskih linija. Infracrveni spektar izmjeren za krute ili tekuće uzorke sastoji se od apsorpcijskih vrpca koje mogu biti šire ili uže. Apsorpcijska vrpca je posljedica toga što prijelaz između vibracijskih stanja može biti iz velikog broja energetski bliskih rotacijskih stanja. Da bi se mjerio infracrveni spektar potrebni su infracrveni spektrometri koji mjere apsorpcijske ili emisijske spektre. Njihove osnovne karakteristike su mjerno područje, razlučivost i osjetljivost. Dijelovi infracrvenog spektrometra prikazani su na slici 4.1 Slika 4.1 Dijelovi infracrvenog spektrometra Izvor zračenja mora biti stabilan i snažan izvor elektromagnetskog zračenja energije u mjernom području spektrometra. Iz slike 4.1 može se vidjeti da zračenje dolazi na monokromator. On omogućuje izbor valne duljine(frekvencije) mjerenja. Sastoji se od disperzijskog elementa što je kod IR spektrometara difrakcijska rešetka i sustava 12

optike. Promatrani uzorci mogu biti krutine, tekućine ili plinovi. Zrake preko njih putuju do detektora infracrvenog spektrometra koji mjeri intenzitet zračenja te je povezan sa sustavom elektronike. Kao detektori se koriste fotomultiplikator, fotodioda i fotonaponski detektori. 4.1 Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (FTIR) U ovoj metodi se koriste infracrvene zrake koje ili uzorak apsorbira ili prolaze kroz uzorak. Rezultirajući spektar predstavlja molekularnu apsorpciju i transmisiju odnosno prijenos, stvarajući molekularni otisak uzorka. Kao i otisak prsta ne postoje dvije molekularne strukture koje proizvode isti infracrveni spektar, što čini infracrvenu spektroskopiju korisnu za nekoliko vrsta analiza. Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom može: - identificirati nepoznate materijale - odrediti kvalitetu ili postojanost uzorka - odrediti količinu komponenata u mješavini Metoda je razvijena kako bi prevladala ograničenja koja sadrže disperzivni instrumenti. Glavni problem je bio sporo skeniranje procesa. Stoga je napravljen jako jednostavan optički uređaj, interferometar. Interferometar proizvodni jedinstvenu vrstu signala koji ima sve infracrvene frekvencije zapisane u sebi. Signal se može mjeriti jako brzo, obično u jednoj sekundi. Većina interferometara sadrži razdvajač zraka koji prima ulaznu infracrvenu zraku i razdvaja ju u dvije optičke zrake. Jedna zraka se reflektira od ravnog zrcala koje je fiksirano u mjestu, a druga zraka se reflektira od ravnog zrcala koje je na mehanizmu koji dozvoljava tom zrcalu da se pomiče po kratkoj udaljenosti(par milimetara) od razdvajača zraka. Zbog toga što je put jedne zrake koje prolazi konstantne duljine, a druge se konstantno mijenja kako se zrcalo pomiče, signal koji izlazi iz interferometra je rezultat djelovanja između te dvije zrake. Rezultirajući signal se zove interferogram i ima jedinstveno svojstvo da svaki podatak zrake koji tvori signal ima informacije o svakoj infracrvenoj frekvenciji koja dolazi iz izvora. To znači kada je interferogram mjeren, sve frekvencije se istovremeno izmjere, što dovodi do ekstremno brzih vremena mjerenja. Svi dijelovi potrebni za izvođenje ovakve vrste spektroskopije prikazani su na slici 4.1.1 13

Slika 4.1.1. Dijelovi potrebni za IC-FT U ovoj metodi se zahtjeva sredstvo za dekodiranje pojedinih frekvencija. Taj zahtjev se rješava uporabom dobro poznate matematičke tehnike zvane Fourierova transformacija. Ova transformacija je izvedena pomoću računala koji prikazuje korisniku željeni spektar podataka potrebnih za analizu. Primjer takvog postupka može se vidjeti na slici 4.1.2. Slika 4.1.2.Primjer Fourierove transformacije 14

Da bi se provelo testiranje nekog uzorka potrebni su sljedeći instrumenti: 1. IZVOR infracrvene zrake se emitiraju iz izvora u obliku crnog užarenog dijela. Te zrake prolaze kroz dio koji kontrolira količinu energije predanu uzorku, te dalje detektoru. 2. INTERFEROMETAR zraka ulazi u interferometar gdje se odvija dekodiranje spektra. Rezultirajući signal interferograma tada izlazi iz interferometra. 3. UZORAK zraka ulazi u uzorak te prolazi kroz njega ili se reflektira od površine uzorka, ovisno o vrsti analize koja se provodi. To je mjesto gdje se specifične frekvencije energije, koje su jedinstvene karakteristike uzorka, apsorbiraju. 4. DETEKTOR zraka napokon dolazi do detektora na završno mjerenje. Detektori su specijalno izrađeni za mjerenje specijalnog interferogramskog signala. 5. RAČUNALO izmjereni signal se digitalizira i šalje na računalo gdje se odvija Fourierova transformacija. Konačni infracrveni spektar se tada prikazuje korisniku koji ga koristi za interpretaciju i bilo kakvu daljnju uporabu. Ovakav princip prikazan je na slici 4.1.3 Slika 4.1.2 Princip rada IC-FT-a 15

Zbog potrebe o relativnoj skali za intenzitet apsorpcije, osnovni spektar mora biti izmjeren. On se obično mjeri bez uzorka, te se uspoređuje sa mjerenjem koji je imao uzorak kako bi se odredio postotak prozračnosti. Prednosti infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom su: a) BRZINA zato jer se sve frekvencije mjere istovremeno, te se sva mjerenja ovom metodom odvijaju u sekundama b) OSJETLJIVOST osjetljivost se značajno poboljšava sa uporabom FT-IR-a. Detektori koji se koriste su puno osjetljiviji, optička propusnost je mnogo veća što dosta smanjuje razinu buke c) MEHANIČKA JEDNOSTAVNOST pokretno zrcalo u interferometru je jedini pokretljivi dio u instrumentu, pa je mogućnost kvara jako mala d) KALIBRACIJA instrumenti se automatski kalibriraju i ne trebaju više nikad biti kalibrirani od strane korisnika Zbog svih ovih prednosti, mjerenja sa FT-IR-om su jako precizna i izvodljiva. Metoda je pogodna za identifikaciju bilo kojeg uzorka. Velika osjetljivost omogućuje identifikaciju čak i najmanjih čestica i nečistoća. 16

5. Zaključak Spektroskopija se primjenjuje u mnogim granama prirodnih znanosti jer daje informacije o građi i sastavu tvari, njezinoj temperaturi i tlaku. Naravno ima puno njezinih grana na koje se dijeli pa se tako i svaka grana koristi u određene svrhe. Tako se infracrvena spektroskopija danas koristi najviše u farmaciji i kemiji. U svakodnevnoj je uporabi u farmaceutskom analitičkom i kemijskom laboratoriju u kontroli kvalitete i razvoju lijekova. Kvalitativna primjena infracrvene spektroskopije, uz određivanje strukture molekula, je identifikacija nepoznatih spojeva i detekcija poznatih spojeva(molekula). Brojne analitičke metode u kemiji, biokemiji i farmaciji se temelje na uporabi infracrvene spektroskopije jer se kvalitativna primjena spektroskopije temelji na mjerenju koncentracije poznatih spojeva u uzorcima.prednosti Ramanove spektroskopije su :što je to nedestruktivna i neinvazivna metoda, ne ovisi o temperaturi ni tlaku, potrebna je jednostavna ili nikakva priprema uzorka. Od iznimne važnosti su optički mikroskopi kombinirani s IR i Raman spektrometrom. Ovim uređajima mogu se dobiti IR i Raman spektri s vrlo malih uzoraka, npr. dijelovi stanice i vrlo sitnih čestica i detektirati u vrlo malim koncentracijama i na rlo malim površinama. Infracrvena spektroskopija još ima važnost u određivanju strukture molekula kao npr. određivanje duljine veza i kuteva veza, te jakosti veze. 17

6. Literatura 1. https://hr.wikipedia.org/wiki/spektroskopija 2. http://web.pdx.edu/~larosaa/applied_optics_464-564/projects_optics/raman_spectrocopy/raman_spectroscopy_basics_princet ON-INSTRUMENTS.pdf 3. http://hrcak.srce.hr/file/144521 4. http://repozitorij.fsb.hr/2453/1/13_09_2013_zavrsni_rad_kristijan_nuic.pdf 5. http://www.phy.pmf.unizg.hr/~atonejc/matekar%203-4%20spektroskopske%20metode.pdf 6.http://studentski.hr/system/materials/2/970dca9cebbdf78c9d794c15b99c35b34baf9 da9.zip?1439380146 18