(Infra Red Spectroscopy, IR)

Φασματοσκοπία Υπερύθρου (Infra Red Spectroscopy, IR) Πέτρος Α. Ταραντίλης, Αναπληρωτής καθηγητής Χρήστος Παππάς, Επίκουρος καθηγητής 1

1.Υλικό - είγματα: Συλλογή, Συντήρηση 2. Παραλαβή Συστατικών: Εκχύλιση ή Απόσταξη 3. ιαχωρισμός & Απομόνωση Συστατικών: Χρωματογραφικές Τεχνικές i. Αέρια Χρωματογραφία (Gas Chromatography, GC) ii. Υγρή Χρωματογραφία (Liquid Chromatography, LC) 4. Ταυτοποίηση: Φασματοσκοπικές Τεχνικές i. Υπεριώδους - Ορατού (Ultraviolet-Visible, UV-Vis) Vis) ii. Υπερύθρου (Infra-Red, IR) iii. Φασματοσκοπία Raman iv. Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) v. Κρυσταλλογραφία με Ακτίνες Χ (Χ-Rays) vi. Φασματομετρία Μαζών (Mass Spectrometry, t MS) 2

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Τμήμα Ακτινοβολίας Μήκος Κύματος Ακτίνες Χ 0,3-100 Å Υπεριώδες 200-400 nm Ορατό 400-800 nm Εγγύς Υπέρυθρο 0825μm 0,8-2,5 (10000-4000 cm -1 ) Υπέρυθρο 2,5-15 μm (4000-400 cm -1 ) Άπω Υπέρυθρο 15-200 μm (400-10 cm -1 ) Μικροκύματα 0270 0,2-7,0 mm Ραδιοσυχνότητες 100-10000 m 3

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Α. Εγγύς Υπέρυθρο (Near IR) 0,75-2,5 μm ή 13.300 4.000 cm -1 B. Υπέρυθρο (Mid IR) 2,5-50 μm ή 4.000 400 cm -1 Γ. Άπω Υπέρυθρο (Far IR) 50-1000 μm ή 400 10 cm -1 4

Κυματαριθμός Συνήθως στο IR αντί του μήκους κύματος ή της συχνότητας χρησιμοποιείται η έννοια του κυματαριθμού ο οποίος ορίζεται σαν το πηλίκο της συχνότητας της ακτινοβολίας προς την ταχύτητα του φωτός. 1 c 5

Βασικές αρχές 6

Βασικές αρχές Η απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας από ένα μόριο προκαλεί διεγέρσεις στις δονήσεις των ατόμων ομοσθενών δεσμών σε υψηλότερες στάθμες που είναι κβαντισμένες. 7

Βασικές αρχές Πρότυπο απλού αρμονικού ταλαντωτή Μάζα Μάζα κ m m 1 2 Η συχνότητα της κίνησης δίνεται από την εξίσωση: κ: σταθερά δύναμης του δεσμού και μ: ανηγμένη μάζα, 1 1 1 m 1 m 2 m 1 m 2 m 1 m 2 v 1 2 8

Βασικές αρχές Ενέργεια κίνησης αρμονικού ταλαντωτή: n = 0, 1, 2,, δονητικός κβαντικός αριθμός (vibrational quantum number), h = εσταθερά Planck και ν ταλ = συχνότητα σε cps. Κανόνας επιλογής (selection rule). Για έναν αρμονικό ταλαντωτή, στην κβαντομηχανική, οι επιτρεπόμενες μεταβάσεις (transitions) μεταξύ των διαφόρων ενεργειακών επιπέδων (στάθμες), είναι μόνο αυτές για τις οποίες Ε = Ε n+1 E n = hν. Άρα, η μετάβαση από το Ε ο Ε 2 είναι απαγορευμένη, ( Ε = Ε 2 E 0 = 2hν) ενώ οι μεταβάσεις Ε ο Ε 1 Ε 2 είναι επιτρεπτές ( Ε = 2hν) 9

Βασικές αρχές Ενέργεια κίνησης μη αρμονικού ταλαντωτή: n = 0, 1, 2,, X e = σταθερά της μη αρμονικής κίνησης Οι κανόνες επιλογής για τον μη αρμονικό ταλαντωτή είναι: n = ±1, ±2, ±3,, Η φασματική γραμμή για το ενεργειακό άλμα n=0 n=1 έχει σημαντική ένταση και καλείται θεμελιώδης απορρόφηση η (fundamental absorption) ενώ η n=0 n=2 και η n=0 n=3 έχουν πολύ μικρότερη ένταση και καλούνται πρώτη και δεύτερη υπερτονική (first & second overtones), αντίστοιχα. 10

Βασικές αρχές Ενέργεια περιστροφής διατομικού μορίου: J = 0, 1, 2, 3, κβαντικός αριθμός περιστροφής ρ (rotational quantum number) Ι β = ροπή αδράνειας Το μόριο μπορεί να περιστρέφεται κατά τους τρεις άξονες στο χώρο με κέντρο το κέντρο μάζας Ζ. Ροπές αδράνειας Ι α = 0. Ι β = Ι γ Ι β = μ r o 2 11

Βασικές αρχές ιατομικό Περιστρεφόμενο και ονούμενο Μόριο E ολ = Ε ταλ + Ε περ Joules O συνδυασμός δημιουργεί πολύπλοκα φάσματα με πολλές φασματικές γραμμές, αλλά μόνο έτσι μπορεί κανείς να εξετάσει την πραγματική κατάσταση σε ένα διατομικό μόριο (που και αυτό είναι σχετικά απλό συγκρινόμενο με τις οργανικές χημικές ενώσεις). 12

Βασικές αρχές Σταθερές ύναμης (κ) και Ανηγμένη η Μάζα (μ) για διάφορα ατομικά ζεύγη Ατομικό ζεύγος κ α μ β C-C 4,5 6 C=C 9,6 6 C CC 15,6 685 6,85 C-O 5,0 6,85 C=O 12,11 6,85 C-H 5,1 0,923 O-H 77 7,7 0,941 C-N 5,8 6,46 C N 17,7 6,46 N-H 6,4 0,933 α Εκφρασμένη σε 10 5 dynes /cm. β Εκφρασμένη σε μονάδες mh, όπου mh = μάζα του ατόμου του υδρογόνου = 1,67339 Χ 10-24 g 13

Βασικές αρχές Υπολογισμός της συχνότητας δόνησης ης π.χ. Ο-Η v 5 1 1 7,7 10 2 2 314 3,14 0,941 1,67 10 24 1,11 10 14 Hz c 3 10 14 1,11 10 1 1 cm 3700cm 10 Πειραματική τιμή Ο-Η : 3600 cm -1 C=O : 1700 cm -1 14

Βασικές αρχές Η απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας από ένα μόριο προκαλεί διεγέρσεις στις δονήσεις των ατόμων ομοσθενών δεσμών σε υψηλότερες στάθμες που είναι κβαντισμένες. Προϋπόθεση για να απορροφηθεί ακτινοβολία είναι: α) ησυχνότητατης προσπίπτουσας ακτινοβολίας να είναι ίση με τη συχνότητα δόνησης ή περιστροφής μετωνατόμων του μορίου και β) να δονείται το μόριο κατά τέτοιο τρόπο ώστε η διπολική ροπή του να μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της δόνησης, διαφορετικά η δόνηση θεωρείται ανενεργός στο υπέρυθρο. Όσο αυξάνει η μεταβολή της διπολικής ροπής τόσο ισχυρότερη ρη είναι η απορρόφηση. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο δεν παρατηρείται απορρόφηση ακτινοβολίας από τα πολύ συμμετρικά μόρια. 15

Βασικές αρχές Κανόνες επιλογής 1. Η απορρόφηση η στο υπέρυθρο ρ είναι απαγορευμένη όταν δεν μεταβάλλεται η διπολική ροπή κατά τη διάρκεια της δόνησης. Αποτέλεσμα: Συμμετρικές ομάδες ή συμμετρικά μόρια δεν απορροφούν στο υπέρυθρο (Η 2,Cl 2,R 2 C=CR 2 κλπ) 2. Μια διέγερση είναι απαγορευμένη όταν γίνεται μεταξύ μη γειτονικών επιπέδων δόνησης. 16

Τρόποι δόνησης Οι απορροφήσεις στο IR προέρχονται από δύο βασικές τάξεις δονήσεων: α) ) ονήσεις τάσης (stretching vibrations). β) ονήσεις κάμψης (bending vibrations). 17

Τρόποι δόνησης Γενικά σε ένα πολυατομικό μόριο με n άτομα,, θεωρητικά οι δυνατές δονήσεις είναι 3n-6, από τις οποίες οι n-1 είναι δονήσεις τάσης και οι 2n-5 είναι δονήσεις κάμψης. 18

Τρόποι δόνησης ονήσεις τάσης Ασυμμετρική τάση (~2926 cm -1 ) H C H ονήσεις κάμψης Εντός επιπέδου Εκτός επιπέδου Αιώρηση (~720 cm -1 ) Στρέψη (~1250 cm -1 ) H H H C H C Συμμετρική τάση (~2853 cm -1 ) H C H Ψαλιδισμός (~1450 cm -1 ) H C H Σείση (~1250 cm -1 ) H H C Θεμελιώδεις δονήσεις Μη θεμελιώδεις δονήσεις 19

Τρόποι δόνησης 1,0 1239 C-O (O-C=O) C=O 1764 Οξικός αιθυλεστέρας Absorban nce C-H 2991 C-H 1378 C-O (R-O-C=O) 1054 0,0 4000 Wavenumbers (cm -1 ) 400 Φάσμα IR Μοριακές κινήσεις Λειτουργικές ομάδες 20

Οργανολογία Φασματοφωτομέτρου IR Στην περιοχή από 4000-400 cm -1 που συνήθως χρησιμοποιείται στο IR η ευαισθησία του φασματοφωτομέτρου είναι περιορισμένη και οι εντάσεις των απορροφήσεων πολύ μικρές, με αποτέλεσμα ο "θόρυβος" να σκεπάζει τις ταινίες απορρόφησης. Η αδυναμία αυτή των κοινών φασματοφωτομέτρων υπερνικήθηκε με την φασματοσκοπία IR με Μετασχηματισμό κατά Fourier (Fourier Transform Infra Red spectroscopy, FT-IR). 21

Οργανολογία Φασματοφωτομέτρου IR Φασματόμετρα μ Υπερύθρου ρ ιάφραγμα Πηγή φωτός Ακίνητο κάτοπτρο Κινητό κάτοπτρο ιαχωριστής δέσμης Σχισμή ί είγμα Για να επιλεγεί η συγκεκριμένη ακτινοβολία IR χρησιμοποιείται μια σχισμή Από το συμβολόμετρο δημιουργείται ένα συμβολόγραμμα Ανιχνευτής ί είγμα Συμβολόμετρο Το συμβολόγραμμα μετατρέπεται Michelson σε φάσματος με τη χρήση του Πηγή ακτινοβολίας IR Μετασχηματισμού Fourier (FT). Φασματόμετρο ιασποράς Ανιχνευτής Προκειμένου να καταγραφεί ένα φάσμα IR με το φασματόμετρο διασποράς παίρνει πρακτικά αρκετά χρόνο. Επίσης ο ανιχνευτής λαμβάνει μόνο ένα μικρό μέρος επί τοις % της αρχικής ενέργειας της πηγή. Φασματόμετρο FT Η καταγραφή φασμάτων υπερύθρου με φασματόμετρο FTIR διαρκεί μόνο λίγα δευτερόλεπτα. Επιπλέον, ο ανιχνευτής λαμβάνει έως και το 50% της ενέργειας της αρχικής ενέργειας της πηγή. (πολύ μεγαλύτερη σε ποσοστό από ότι στα φασματόμετρα διασποράς) )

Οργανολογία Φασματοφωτομέτρου IR Τα φασματόμετρα μ FT-IR του εργαστηρίου μας 23

Οργανολογία Φασματοφωτομέτρου IR Πηγή ακτινοβολίας: Λυχνία νικελίου χρωμίου (Nicrome) Πηγή Laser: ιέγερση ατόμων ηλίου και νέου (HeNe) Συμβολόμετρο Michelson: ιαχωριστής δέσμης από KBr, Kινητό και Ακίνητο κάτοπτρο Ανιχνευτής: ευτεριωμένη θειϊκή τριγλυκίνη (Deuterated TriGlycine Sulfate, DTGS) 24

Οργανολογία Φασματοφωτομέτρου IR Συμβολόμετρο Michelson Ακίνητο κάτοπτρο (M r) Πηγή la s e r Υπολογ ισ τής και λογισμικό OMNIC Παραβολικό κάτοπτρο DTGS ανιχνευτής Κινούμενο κάτοπτρο (Mm) Διαχωρι στής B ) D S Χώρος δείγματος Κάτοπτρο Κάτοπτρο εστίασης Σχηματικό διάγραμμα φασματοφωτομέτρου FT-IR Οπή Π ηγή υπερ ύθρ ου 25

Οργανολογία Φασματοφωτομέτρου IR Σχηματικό διάγραμμα συμβολομέτρου 26

Χαρακτηριστικές παράμετροι 1. ιαχωριστική ικανότητα (Resolution) 2. Λόγος σήματος προς θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio, RSN). 3. Αποδισμός (Apodization) 4. Ο ρόλος της ταχύτητας κίνησης του κινητού κατόπτρου 27

1. ιαχωριστική ικανότητα (Resolution) Ως διαχωριστική ικανότητα ορίζεται η ικανότητα του οργάνου να ξεχωρίζει κορυφές απορρόφησης που αντιστοιχούν σε πολύ κοντινούς κυματαριθμούς. Για να ξεχωρίσουν δύο κορυφές απαιτούνται τρία σημεία (data points). Ένα για κάθε κορυφή και ένα για το μεταξύ τους διάστημα. Τα σημεία αυτά απέχουν μεταξύ τους το ½ της διαχωριστικής ικανότητας που έχει αρχικά επιλεχθεί. Όσο μεγαλύτερη η διαχωριστική ικανότητα τόσο οξύτερες οι κορυφές. Γιαταστερεάκαιταυγράσυνήθωςχρησιμοποιείταιητιμή8-4 cm -1 ενώ για τα αέρια 2-0,5 cm -1. 28

1. ιαχωριστική ικανότητα (Resolution) Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα μιας μεγάλης διαχωριστικής ικανότητας. Πλεονεκτήματα Μεγαλύτερη ανάλυση κορυφών Οξύτερες κορυφές Μειονεκτήματα Μεγαλύτερος θόρυβος Αυξάνει ο χρόνος λήψης του φάσματος Η διαχωριστική ικανότητα εξαρτάται από τη χρονική καθυστέρηση δηλαδή από το πόσο μεγάλες είναι οι αποστάσεις που διανύει το κινητό κάτοπτρο από τη θέση ZPD (Zero Path Difference). Όσο αυξάνει η χρονική καθυστέρηση τόσο περισσότερο διακριτές είναι οι συχνότητες στο συμβολόγραμμα. 29

2. Λόγος σήματος προς θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio, RSN). Ως «θόρυβος» εννοούνται όλα εκείνα τα σήματα τα οποία καταγράφονται και δεν ανταποκρίνονται σε πραγματικές απορροφήσεις του δείγματος αλλά σε άλλους λόγους. Για να αξιολογηθούν τα σήματα χρησιμοποιείται οόρος«λόγος σήματος προς θόρυβο». Η αξιολόγηση του RSN επιτυγχάνεται με τον υπολογισμό της τετραγωνικής ρίζας του μέσου όρου του αθροίσματος των τετραγώνων (Root Mean Square, RMS) των RSN όλων των σημείων μίας περιοχής για την οποία υπάρχει απόλυτη βεβαιότητα ότι δεν υπάρχει κορυφή που να αποδίδεται στο δείγμα. To RMS υπολογίζεται με τη χρήση αλγορίθμων. Ένας από τους αλγόριθμους που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι και αυτός των Savitsky-Golay. Ο RSN είναι αντιστρόφως ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας του αριθμού των επαναλήψεων. Επομένως αυξανομένου του αριθμού των επαναλήψεων ο θόρυβος μειώνεται. 30

2. Λόγος σήματος προς θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio, RSN). Οι κυριότερες αιτίες που δημιουργούν θόρυβο οφείλονται: α) ) στην κατάσταση του δείγματος, το οποίο όταν είναι σε στερεά κατάσταση ή δεν έχει διαλυθεί πλήρως στο διαλύτη διαχέει μέρος της προσπίπτουσας σε αυτό ακτινοβολίας, β) στην πηγή, γ) στο συμβολόμετρο, δ) στον ανιχνευτή, ε) στην ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος (αποδισμός), στ) στην υψηλή διαχωριστική ικανότητα που έχει ζητηθεί ζ) σε διάφορους θορύβους ηλεκτρονικής ή τυχαίας φύσης. 31

3. Αποδισμός (Apodization) Οφείλεται στη μετατροπή του αναλογικού σε ψηφιακό σήμα. Η ψηφιοποίηση οδηγεί σε σχηματισμό λοβών στη βάση των κορυφών. Για τη διαδικασία του αποδισμού, το φασματοφωτόμετρο της Nicolet (750 magna series) χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο Happ- Genzel. 4. Ο ρόλος της ταχύτητας κίνησης του κινητού κατόπτρου Όσο μειώνεται η ταχύτητα του κινητού κατόπτρου, αυξάνεται η ένταση του φάσματος. 32

Τεχνικές Λήψης Φάσματος Α. Κλασικές τεχνικές (διαπερατότητας) 1. Υγρά δείγματα: μεταξύ διαφανών πλακιδίων ή/και σε κυψελίδες NaCl, KΒr, ZnSe 2. Στερεά δείγματα: α) Σε μορφή διαλύματος σε κυψελίδες β) Σε μορφή δισκίων με KBr 3. Αέρια δείγματα: σε κυψελίδες Β. Σύγχρονες τεχνικές (ανάκλασης) 1. Τεχνική της διάχυτης ανάκλασης (Diffuse Reflectance Infra- Red Fourier Transform spectroscopy DRIFTS) 2. Τεχνική της εξασθενημένης ολικής ανάκλασης (Attenuated Total Reflectance spectroscopy, ATR) 33

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (διαπερατότητας) Πλακίδια ZnSe 34

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (διαπερατότητας) ό Kυψελίδα διαλυμάτων 35

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (διαπερατότητας) ό Μήτρα και πιεστήριο για την παρασκευή δισκίων με KBr 36

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (διαπερατότητας) ό Kυψελίδα αερίων είγματα πλαστικών 37

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (ανάκλασης) ά λ Τεχνική της διάχυτης ανάκλασης (Diffuse Reflectance Infra-Red Fourier Transform spectroscopy, DRIFTS) Εξάρτημα με υποδοχέα δείγματος για τη λήψη φασμάτων υπερύθρου με την τεχνική DRIFTS 38

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (ανάκλασης) ά λ Τεχνική της διάχυτης ανάκλασης (Diffuse Reflectance Infra-Red Fourier Transform spectroscopy, DRIFTS) Μ=Κάτοπτρο M 3 ρ M 4 S = Προσαρμοζόμενο ύψος έσμη προς ανιχνευτή M 6 S M 1 Μεγάλος υποδοχέας Μικρός υποδοχέας έσμη από συμβολόμετρο M 5 M 2 Εξάρτημα με υποδοχέα δείγματος για τη λήψη φασμάτων υπερύθρου με την τεχνική DRIFTS 39

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (ανάκλασης) ά λ Τεχνική της διάχυτης ανάκλασης (Diffuse Reflectance Infra-Red Fourier Transform spectroscopy, DRIFTS) Τα τρία είδη ανάκλασης υπέρυθρης ακτινοβολίας σε στερεό δείγμα με μορφή σκόνης. AR: απορροφητικά ανακλώμενη DS: διαχυτικά ανακλώμενη TS: αληθινά ανακλώμενη 40

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (ανάκλασης) ά λ Τεχνική της εξασθενημένης ης ολικής ανάκλασης (Attenuated Total Reflectance spectroscopy, ATR) Εξάρτημα με υποδοχέα δείγματος για τη λήψη φασμάτων υπερύθρου ρ με την τεχνική ΑTR 41

Τεχνικές Λήψης Φάσματος (ανάκλασης) ά λ Τεχνική της εξασθενημένης ης ολικής ανάκλασης (Attenuated Total Reflectance spectroscopy, ATR) ί είγμα Κρύσταλλος ZnSe έσμη προς τον ανιχνευτή Κάτοπτρο M M 2 Κάτοπτρο M M 1 έσμη από το συμβολόμετρο Εξάρτημα με υποδοχέα δείγματος για τη λήψη φασμάτων υπερύθρου ρ με την τεχνική ΑTR 42

Τεχνικές Λήψης Φάσματος Κλασικές τεχνικές (διαπερατότητας) ρ η Πλεονεκτήματα Το σύνολο της υπέρυθρης ακτινοβολίας προσπίπτει στο δείγμα. Μειονεκτήματα Η οπτική διαδρομή είναι μικρή. Έτσι οι πληροφορίες προέρχονται μόνον από το τμήμα του δείγματος στο οποίο προσπίπτει η υπέρυθρη ακτινοβολία. Με δεδομένο ότι τουλάχιστον τα στερεά μίγματα δεν είναι απόλυτα ομογενή, υπάρχει ο κίνδυνος το φάσμα να μην είναι αντιπροσωπευτικό. Για το λόγο αυτό πρέπει να λαμβάνονται φάσματα από 3 τουλάχιστον δισκία του ίδιου δείγματος. 43

Τεχνικές Λήψης Φάσματος Σύγχρονες τεχνικές (ανάκλασης) Τεχνική της διάχυτης ανάκλασης (Diffuse Reflectance Infra-Red Fourier Transform spectroscopy, py, DRIFTS) Πλεονεκτήματα 1. Η οπτική διαδρομή είναι μεγάλη και με τις διαδοχικές ανακλάσεις της απορροφητικά ανακλώμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας, οι πληροφορίες προέρχονται από μεγάλο τμήμα του δείγματος. 2. Είναι πολύ σύντομη Μειονεκτήματα 1. Στο δείγμα προσπίπτει μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας και επομένως η ένταση των κορυφών είναι σχετικά μικρή. 2. Οι κορυφές είναι σχετικά πλατειές. 44

Τεχνικές Λήψης Φάσματος Πλεονεκτήματα Σύγχρονες τεχνικές (ανάκλασης) Τεχνική της εξασθενημένης ολικής ανάκλασης (Attenuated Total Reflectance spectroscopy, py, ATR) 1. Η οπτική διαδρομή είναι μεγάλη και με τις διαδοχικές ανακλάσεις της απορροφητικά ανακλώμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας, οι πληροφορίες προέρχονται από μεγάλο τμήμα του δείγματος. 2. Είναι πολύ σύντομη Μειονεκτήματα 1. Επειδή το μήκος της οπτικής διαδρομής είναι πολύ μεγάλο και οι διαδοχικές ανακλάσεις πολλές, μέρος τελικά της υπέρυθρης ακτινοβολίας προσπίπτει σε όλο το δείγμα και επομένως η ένταση των κορυφών είναι σχετικά μικρή. 2. Ο θόρυβος, κυρίως στα διαλύματα, είναι μεγάλος. 45

Καταγραφή Φάσματος FT-IR Καταγραφή φάσματος FT-IR Ένα συμβολόγραμμα δημιουργείται από το συμβολόμετρο Το συμβολόγραμμα μετασχηματίζεται σε ένα φάσμα με τη χρήση του μετασχηματισμού Fourier είγμα Background είγμα Φάσμα IR Πέτρος Α. Ταραντίλης, Επίκουρος Καθηγητής, Ενόργανη Ανάλυση Φυτικών Προϊόντων Εργαστήριο Χημείας, Γενικό Τμήμα, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών e-mail: ptara@aua.gr, Τηλ.: 210 529 4262, Fax: 210 529 4265

Καταγραφή Φάσματος FT-IR Φάσμα IR Νερού H 2 O (cm -1 )

Καταγραφή Φάσματος FT-IR Φάσμα IR διοξειδίου δί του άθ άνθρακα CO 2 Wavenumbers (cm -1 )

Καταγραφή Φάσματος FT-IR Background: H 2 O, CO 2

Καταγραφή Φάσματος FT-IR Φάσμα IR Ισοπροπανόλης CO 2 (cm -1 )

Επεξεργασία των φασμάτων FT-IR α) Εξομάλυνση του σήματος. β) ιόρθωση της βασικής γραμμής. γ) Αποσυνέλιξη. 51

Επεξεργασία των φασμάτων FT-IR α) ) Εξομάλυνση του σήματος. 52

Επεξεργασία των φασμάτων FT-IR β) ιόρθωση της βασικής γραμμής. 53

Επεξεργασία των φασμάτων FT-IR γ) Αποσυνέλιξη. 54

Ταυτοποίηση με FT-IR - Ερμηνεία Φασμάτων Σ ένα υπέρυθρο φάσμα διακρίνονται δύο περιοχές: Α) των χαρακτηριστικών ομάδων (4.000 1.500 cm -1 ) και Β) των δακτυλικών αποτυπωμάτων (1.500-600 cm -1 ) Για την αναγνώριση και απόδοση των κορυφών ενός φάσματος υπάρχει η δυνατότητα αναφοράς σε πίνακες που περιέχουν τις διάφορες χαρακτηριστικές ομάδες με τους αντίστοιχους κυματαριθμούς 55

Ταυτοποίηση με FT-IR Οδηγός ερμηνείας φασμάτων Στην αρχή διακρίνουμε αν υπάρχουν χαρακτηριστικές ομάδες όπως O-H, C-C, C N, NO 2 και C-X. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην παρουσία ή όχι καρβονυλικής ομάδας. C=O, 1. Αν υπάρχει καρβονύλιο (C=O), που απορροφά στην περιοχή των 1820-1660 cm -1 τότε μπορεί να έχουμε : Οξύ, όταν υπάρχει φαρδιά απορρόφηση του ΟΗ στα 3400-2400 cm -1, που επικαλύπτεται συχνά από αυτή του C-H. Αμίδιο,, όταν υπάρχει και μέτρια απορρόφηση η του NH κοντά στα 3500 cm -1 που μερικές φορές είναι διπλή. Εστέρας, όταν υπάρχει και η απορρόφηση ισχυρής έντασης του C-O στην περιοχή 1300-1100 cm -1. Ανυδρίτης, παρουσιάζει δύο κορυφές για το C=O στα 1810 και 1760 cm -1. Αλδεΰδη, όταν υπάρχουν και δύο ασθενείς απορροφήσεις στα 2850 και 2750 cm -1 του C-H της αλδεΰδης, δεξιά των άλλων απορροφήσεων C-H. Κετόνη, όταν οι προηγούμενες πέντε εκδοχές έχουν αποκλεισθεί. 56

Ταυτοποίηση με FT-IR Οδηγός ερμηνείας φασμάτων 2. Αν δεν υπάρχει καρβονύλιο (C=O), τότε έχουμε: Αλκοόλη ή Φαινόλη, όταν υπάρχει έντονη και φαρδιά απορρόφηση στα 3600-3300 cm -1, που επιβεβαιώνεται από την απορρόφηση του C-O στα 1300-1100 cm -1. Αμίνη, όταν παρουσιάζει μέτρια απορρόφηση του Ν-Η στα3500-3300 cm -1. Αιθέρας, όταν παρουσιάζει έντονη απορρόφηση του C-O στην περιοχή 1300-1100 1100 cm -1. 3. ιπλοί δεσμοί ή Αρωματικοί δακτύλιοι. Ο διπλός δεσμός C=C C παρουσιάζει μια μέτρια απορρόφηση στα 1650 cm -1. Οι αρωματικοί δακτύλιοι παρουσιάζουν μέτριες απορροφήσεις στην περιοχή 1650-1450 cm -1. Ηεπιβεβαίωση ββ των παραπάνω προέρχεται ρχ από την περιοχή των C-H που βρίσκονται αριστερά από τα 3000 cm -1 (τα αλειφατικά βρίσκονται δεξιά). 57

Ταυτοποίηση με FT-IR Οδηγός ερμηνείας φασμάτων 4. Τριπλοί δεσμοί. C N παρουσιάζει μια μέτρια και λεπτή απορρόφηση στα 2250 cm -1. C C παρουσιάζει μια μέτρια και λεπτή απορρόφηση στα 2150 cm -1. 5. Υδρογονάνθρακες Πολύ απλό φάσμα που παρουσιάζει απορρόφηση μόνο στις περιοχές 3000, 1450 και 1375 cm -1. 6. Νιτροομάδες Παρουσιάζουν δύο έντονες απορροφήσεις στα 1600-1500 cm -1 και στα 1390-1300 cm -1. 58

Ταυτοποίηση με FT-IR Στις ακόρεστες ενώσεις είναι δυνατό να ταυτοποιηθούν τα ισομερή cis και trans Τα ισομερή cis παρουσιάζουν μια ασθενή απορρόφηση του διπλού δεσμού C=C περίπου στα 1650 cm -1, που δεν έχει το αντίστοιχο ισομερές trans. Η έντονη απορρόφηση κάμψης για =C-H για το cis ισομερές στα 710 cm -1, ενώ για το trans ισομερές στα 970 cm -1. IR των ισομερών cis και trans του 5,5-διμεθυλο-2-πεντενίου 59

Ταυτοποίηση με FT-IR συστατικών του φυτού Crocus sativus L. -ΟΗ C-ΗΗ C-Η C-Η -ΟΗ C-O C=O C-O C=O C=O R 1 O Κροκίνες CH 3 CH 3 O C-O O CH 3 CH 3 R1, R2 =β-d-γεντιοβιοζυλ ή β-d-γλυκοζυλ C-O ιμέθυλοκροκετίνη CH 3 CH 3 O C-O H 3 CO HO O O CH 3 CH 3 Κροκετίνη CH 3 CH 3 O CH 3 CH 3 OR 2 OCH 3 OH 60

Ποιοτική ήανάλυση με FT-IR Σύγκριση φάσματος άγνωστης ένωσης με βάση δεδομένων φασμάτων γνωστών ενώσεων 61

Ποσοτική Ανάλυση με FT-IR Ποσοτικός προσδιορισμός της λιγνίνης απευθείας στο ξύλο με την τεχνική DRIFTS CH 2 OH CH HC CH 2 OH CH HC CH 2 OH CH HC OH (1) OCH 3 H 3 CO OCH 3 OH OH (2) (3) OCH 3 OH (4) (1) κωνιφερυλική αλκοόλη, (2) σινναπυλική αλκοόλη, (3) γουαϊκόλη, (4) π-κουμαρυλική αλκοόλη 62

Ποσοτική Ανάλυση με FT-IR Ποσοτικός προσδιορισμός της λιγνίνης απευθείας στο ξύλο με την τεχνική DRIFTS Λιγνίνη της Cuba 108 0.5 1730 1598 1506 0.5 Φλοιός της Cuba 108 1739 1630 1506 7,0 6,0 Απορρό όφηση 0.5 Ξύλο της Cuba 108 1742 1632 1598 1506 E1506 5,0 4,0 3,0 2,0 1.0 0.5 Ψίχα της Cuba 108 1743 1632 1598 1506 1,0 0,0 0 10 20 30 40 0.0 Λιγνίνη (%) 1900 1500 Κυματαριθμοί (cm -1 ) 1100 Ξύλο 20,5 20,6 %, Ψίχα 14,9 15,363 % Φλοιός 10,4 10,8 %

Συμπεράσματα H Φασματοσκοπία Υπερύθρου βοηθά στην 1. Ποιοτική και 2. Ποσοτική Ανάλυση 3. Είναι ταχύτατη τεχνική 4. Μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς προηγούμενη κατεργασία του δείγματος 5. εν καταστρέφει τα δείγματα 64