Infracrvena spektroskopija (IR)

Molekulska spektroskopija APSORPCIONA Vidljiva UV IR EMISIONA Fluorimetrija Ser Frederik Vilijam Heršel (William Herschel; 1738 1822) otkrio je infracrvenu svetlost

ISTORIJAT 1799. godine astronom Hershel je, mereći termometrom jačinu zagrevanja svetlošću pojedinih boja, primetio da se termometar zagreva van vidljivog dela spektra naziv toplotno zračenje. 1869. godine francuski spektrofizičar Edmond Bekerel dao je današnje ime zračenju infra na latinskom ispod. Njegov unuk Anri Bekerel je okrio radiaktivnost. 1905. godine američki fizičar Koblenc prvi je snimio IR spektre raznih organskih jedinjenja razlikovao je grupe jedinjenja alkana, alkena, alkohola...

ISTORIJAT pedesetih godina XXog veka astronomi za proučavanje IR spektara udaljenih zvezda (trebalo je razdvojiti slab signal od šuma) konstruišu prvi FT-IR spektrometar. Prvu infracrvenu fotografiju snimio je W. Abney 1880. Danas se IR primenjuje u vojne svrhe, u medicini, u industriji, astronomiji, kriminalistici, u istraživanju umetničkih premeta, u istraživanju geoloških predmeta...

INFRACRVENO ZRAČENJE (IR) Za ljudsko oko, zraci ovih talasnih dužina su nevidljivi, ali se njihovo delovanje može zapaziti na koži kao osećaj toplote.

INFRACRVENO ZRAČENJE Infracrveni deo spektra (u talasnim brojevima 400-4000 cm -1 ) Deli se (po talasnim dužinama) na blisku (0,8-2,5 µm ili 12500-4000 cm -1 ), srednju (2,5-50 µm ili 4000-200 cm -1 ) i daleku (50-1000 µm ili 200-10 cm -1 ) infracrvenu oblast.

Infracrveno zračenje Zračenje može biti izraženo kao frekvencija (Hz) - broj talasa koji prođu kroz jednu tačku u sekundi, pri čemu je 1 Hz = 1 ciklus/s) talasna dužina (λ - dužina jednog punog talasa) talasni broj - recipročna vrednost talasne dužine (cm -1 ). Dolazi do prelaza sa rotacionih nivoa jednog vibracionog nivoa na rotacione nivoe drugog vibracionog nivoa u istom elektronskom stanju.

Energetski nivoi Rotacioni nivo Vibracioni nivo Elektronski nivo E N E R G Y

Talasni broj određuje mesto apsorpcionih maksimuma IR spektar n-dekana

INFRACRVENO ZRAČENJE Vrste energetskih prelaza koje nastaju apsorpcijom IR zraka su vibracije, rotacije i viši tonovi. Analitički, IR spektroskopija se zasniva na apsorpciji (ili refleksiji) zračenja iz oblasti ~1 do 1000 μm. Najveći broj funkcionalnih grupa apsorbuje u osnovnom delu vibracije Viši tonovi - trake slabog intenziteta

INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA Atomi i molekuli nalaze se u stanju neprekidnog vibriranja Vibracije zavise od složenosti i geometrije molekula i imaju svoju frekvenciju koja zavisi od mase atoma i jačine veze između njih Neke od molekulskih vibracija su karakteristične za molekul kao celinu, a neke za određene funkcionalne grupe Talasne dužine molekulskih vibracija nalaze se u infracrvenoj oblasti spektra elektromagnetnog zračenja

INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA vrši identifikaciju organskih i neorganskih jedinjenja na osnovu njihovog infracrvenog (IR) spektra najšira primena IR spektroskopije je pri analizi organskih jedinjenja, ali je korisna i za poliatomne neorganske molekule i za organometalna jedinjenja IR spektar je karakterističan za svako jedinjenje otisak prsta molekula IR spektar se predstavlja se kao zavisnost transparencije (T), odnosno propustljivosti, od talasne dužine (λ), odnosno talasnog broja

Apsorpcija IR zračenja Apsorpcija u IR oblasti nastaje kao rezultat interakcije zračenja sa monohromatskog izvora i hemijske veze unutar uzorka. Ako su atomi koji grade kovalentu vezu različiti, oni formiraju dipole koji osciluju specifičnom frekvencijom. Ako je na uzorak upućena svetlost te talasne dužine, desiće se interakcija tog zračenja sa hemijskom vezom, odnosno električna komponenta elektromagnetnog talasa preneće svoju energiju ako su talasne dužine/frekvencije ova dva kretanja jednake.

Apsorpcija IR zračenja Do apsorpcije IR zračenja dolazi samo ukoliko se dipolni moment menja usled sopstvenog vibracionog ili rotacionog kretanja molekula. Molekuli poput N 2, O 2 ili Cl 2 sa nepolarnim vezama ne apsorbuju ( transparentni su ) u IR oblasti. Kada je vibracija polarne hemijske veze ili rotacija asimetričnog molekula ista kao frekvencija promenljivog električnog polja elektromagnetnog zračenja, dolazi do prenosa energije, tj. do apsorpcije zračenja.

APSORPCIJA INFRACRVENOG ZRAČENJA Da bi došlo do apsorpcije potrebno je: da frekvencija vibracije hemijske veze ν (prirodna frekvencija) bude jednaka frekvenciji zračenja; da hemijska veza bude dipolarna. Položaj apsorpcionog maksimuma određuje frekvencija vibracije, a intenzitet - veličina promene dipolnog momenta najintenzivnije maksimume imaju polarne veze: C=O, C-O, N=O. slabe trake u IR spektru daju C C, C=C...

Dva različita tipa vibracija: Tipovi vibracija - Istezanje (stretching): vibracije koje uključuju promenu dužine veze VALENCIONE VIBRACIJE - Savijanje (bending): uključuju promenu ugla veze (bond angle) DEFORMACIONE VIBRACIJE

Deformacione vibracije se dele na: - seckanje (scissoring), - ljuljanje (rocking), - klanjanje (wagging) i - uvrtanje (twisting).

Primer - Metan H H H H H H C C C H H H H H H Asymmetrical stretching Symmetrical stretching Bending or scissoring H H H H H H C C C H H H H H H Rocking or in plane bending Twisting or outof-plane bending Wagging or outof-plane bending

Symmetric stretching Antisymmetric stretching Scissoring Rocking Wagging Twisting

Osnovna kretanja veza - primeri H 2 0 (nelinearan molekul) Simetrično istezanje Asimetrično istezanje Primicanje (seckanje) C0 2 (linearan molekul) Istezanje Primicanje

Valencione i deformacione vibracije - primer Vibracije CH2 grupe

Valencione i deformacione vibracije primer CO2 Valencione menja se dužina veze Deformacione menja se ugao

Koje vibracije menjaju dipolni moment molekula? Asimetrično istezanje/savijanje i interna rotacija menjaju dipolni moment molekula. Asimetrično istezanje/savijanje je IR aktivno. Simetrično istezanje/savijanje ne menja dipolni moment molekula i nije IR aktivno.

Valencione vibracije zahtevaju veću energiju od deformacionih. Frekvencija valencione vibracije se izračunava iz Hukovog zakona. Hukov zakon f-konstanta jačine veze

Daleka IR - Rotacioni prelazi kod molekula gasa, potrebno je znatno manje energije za pobuđivanje oblast dalekog IR spektra

Broj vibracionih frekvenci Broj stepeni slobode molekula jednak je zbiru stepeni slobode pojedinih atoma (n-broj atoma). Svaki atom ima 3 stepena slobode u x,y i z pravcu, pa molekul ima 3*n. Kod nelinearnih molekula 3 stepena slobode opisuju rotaciju i 3 vibraciju celog molekula. Kod linearnih molekula samo 2 stepena slobode opisuju rotaciju i 3 vibraciju celog molekula.

Broj vibracionih frekvenci - broj traka 3n ukupan broj stepeni slobode molekula 3n-6 broj fundamentalnih vibracija kod nelinearnih molekula (Oduzimaju se kretanja u kojima se ne menja međusobni položaj atoma i molekula -3 translacije i 3 rotacije celog molekula) 3n-5 broj fundamentalnih vibracija kod linearnih molekula (2 rotac. i 3 vibrac. celog molekula) Broj apsorpcionih maksimuma manji je od ukupnog broja mogućih vibracija.

Položaj traka Valencione stretching Deformacione bending Trake deformacionih vibracija su uvek na nižim frekvencijama od valencionih

Vidljivost vibracija Svaka vibracija nije IR vidljiva. vidljive nevidljive Samo vibracije koje dovode do promene u dipolnom momentu apsorbuju IR zračenje Primer: od četiri vibracije u molekulu C0 2 samo su asimetrične IR aktivne pošto dovode do promene dipolnog momenta (apsorpcije u oblastma 2350 i 666 cm -1 ).

IR spektar ljudskog daha

IR spektar CH 2 grupe

Apsorpciona područja

Područje otiska prsta (Fingerprint region) U području od 1300 do 400 cm -1, vibracijske frekvencije pod uticajem su celog molekula područje otiska prsta. Apsorpcija u tom području otiska prsta karakteristična je za molekul kao celinu. Ta oblast nalazi najširu primenu za identifikaciju molekula poređenjem sa spektrima iz biblioteke spektara.

IR spektri Identifikacija funkcionalnih grupa Otisak prsta jedinjenja

Interpretacija IR spektara Za interpretaciju IR spektara potrebno je veliko iskustvo. Područje 1600-3600 cm -1 : korišćenjem tablica ili baza podataka sa IR spektrima moguće je identifikovati neke pikove (tip veze, tip vibracije, npr. O-H vibracije istezanja ili C-H vibracije savijanja). Najkorisnija područja su: 1680-1750 cm -1 : C=O istezanje je jako naglašeno u IR spektru, a tip karbonilne grupe može se odrediti iz tačne pozicije pika. 2700-3100 cm -1 : različiti tipovi C-H vibracija istezanja. 3200-3700 cm -1 : različiti tipovi O-H i N-H vibracija istezanja. 600-1600 cm -1 : previše veza apsorbuje u tom području da bi omogućilo pouzdanu identifikaciju pojedinih pikova. Međutim, to je područje otiska prsta molekula, pa ako je spektar gotovo identičan autentičnom referentnom spektru, struktura se može potvrditi sa izvesnom pouzdanošću.

Područja apsorpcije IR zračenja Tipično područje IR apsorpcije za kovalentne veze je 600-4000 cm -1.

INSTRUMENTI IR spektrofotometar FTIR spektrofotometar

Infracrveni spektrofotometar

IR spektrofotometar IR izvor Nosač uzoraka Detektor

IR SPEKTROFOTOMETAR

IR SPEKTROFOTOMETAR-princip rada Zrak iz izvora deli se na dva dela pomoću ogledala, pri čemu se obrazuju referentni zrak i zrak za analizu. Oba zraka, nakon fokusiranja ogledalima padaju na oslabljivače, čija je funkcija da se odnos intenziteta dvaju zraka tako podesi da propustljivost bude 100 % kada je uzorak potpuno transparentan, a 0 % kada je put zraka potpuno blokiran. Izvor zračenja emituje vrlo širok spektar talasnih dužina. Pomoću filtera se vrši gruba selekcija talasnih dužina, a nakon reflektovanja od ogledala, zrak pada na monohromator, koji razlaže zrake u usku oblast talasnih dužina i sukcesivno ih fokusira. Refleksijom od ogledala, zrak stiže do detektora.

IR SPEKTROFOTOMETAR-princip rada Naizmenični pretvarač predstavlja obrtni element koji naizmenično omogućuje prolaz gornjem ili donjem zraku ka ogledalu. Kao rezultat ovakve reakcije, biće naizmenično, u veoma kratkim vremenskim intervalima, fokusirani čas referentni zrak, a čas zrak za analizu. To omogućuje detektoru da vrši stalno poređenje između intenziteta dva zraka, pa je apsorpcija uvek data relativno u odnosu na referentni zrak, čime se obezbeđuje veća tačnost i eliminiše uticaj eventualnih nestabilnosti i kolebanja u elektronskom ili optičkom sistemu na rezultat merenja.

IR spektrofotometri jednostavni za upotrebu imaju veliku osetljivost snimaju spektar za nekoliko minuta pogodni za uzorak bilo kog agregatnog stanja koriste se u kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi

Izvori zračenja Nernst-ov izvor (ZrO 2 + Y 2 O 3 ) Ni-Cr vlakno Globar (SiC)

Monohromatori Optičke prizme (NaCl, KBr, LiF, CaF 2 ) neujednačeno razlaganje Optičke rešetke ujednačenije razlaganje, danas češće u upotrebi NaCl prizme

Detektori (osetljivi na toplotu) Termo-par (meri napon) Bolometar (meri otpor) Golay pneumatska ćelija (promena pritiska sa temperaturom) Detektor je najčešće neki termo-par koji se zagreva dejstvom energije zračenja i proizvodi električni impuls odgovarajućeg intenziteta. Impuls pokreće formiranje apsorpcione trake, a skup apsorpcionih traka u funkciji talasne dužine (ili frekvencije) zračenja predstavlja infracrveni spektar uzorka.

UZORCI čvrsti tečni gasovi KIVETE od NaCl, KBr

Spektri gasova Staklene gasne ćelije od IR-propustljivih materijala (NaCl, KBr) ćelija za snimanje gasovitih uzoraka

Spektri tečnosti kapilarni film Uzorak se nalazi između IR-propustljivih pločica NaCl pločice (za zračenje do 650cm -1 ),CaF 2, AgCl Debljina filma 0,1-0,3mm. pločice za snimanje kapilarnog filma

Spektri tečnosti kapilarni film pločice za snimanje kapilarnog filma

Spektri rastvora Rastvarači sa malo apsorpcionih maksimuma - CCl 4, CS 2, CHCl 3 Koncentracija rastvora 1-5% Snima se u ćeliji koja se sastoji od IR-propustljivih pločica razdvojenih prstenom od teflona ili olova (određuju debljinu ćelije) Apsorpcija rastvarača kompenzuje se propuštanjem referentnog zraka kroz čist rastvarač Za ceo spektar potrebna kombinacija rastvarača

Spektri čvrstih uzoraka KBr pilule Suspenzije Rastvori

KBr pilula Uzorak se mrvi sa ižarenim KBr, u koncentraciji 0,1-2% u odnosu na KBr. Smesa se presuje u kalupu, vakuum pumpa izbacuje vazduh Pilula (disk) je prečnika 13mm, debljine 0,3mm kalup za presovanje KBr pilula

Suspenzije Uzorak se mrvi sa sredstvom za suspendovanje - parafinsko ulje Suspenzija se snima kao i kapilarni film Mana: spektar sadrži i trake sredstva za suspendovanje

IR spektri istog jedinjenja snimljen pod različitim uslovima

Analiza IR spektra analiza spektralne oblasti karakterističnih funkcionalnih grupa (OH, NH, C-C, C=O..) analiza oblasti otiska prsta

Tumačenje IR spektra

Karakteristične vibracije Funkcionalna grupa Valencione (stretching) Opseg (cm -1 ) Intezitet Odgovarajuće veze Alkani 2850-3000 str Alkeni Alkini Areni Alkoholi i fenoli Amini Aldehidi i ketoni 3020-3100 1630-1680 1900-2000 3300 2100-2250 3030 1600 & 1500 3580-3650 3200-3550 970-1250 3400-3500 (dil. soln.) 3300-3400 (dil. soln.) 1000-1250 2690-2840(2 bands) 1720-1740 1710-1720 1690 1675 1745 1780 med var str str var var med-wk var str str wk wk med med str str str str str str CH 3, CH 2 & CH 2 or 3 bands =C-H & =CH 2 (usually sharp) C=C (symmetry reduces intensity) C=C asymmetric stretch C-H (usually sharp) C C (symmetry reduces intensity) C-H (may be several bands) C=C (in ring) (2 bands) (3 if conjugated) O-H (free), usually sharp O-H (H-bonded), usually broad C-O N-H (1 -amines), 2 bands N-H (2 -amines) C-N C-H (aldehyde C-H) C=O (saturated aldehyde) C=O (saturated ketone) aryl ketone α, β-unsaturation cyclopentanone cyclobutanone Opseg (cm -1 ) 1350-1470 1370-1390 720-725 880-995 780-850 675-730 Deformacione (bending) Intenzi tet med med wk str med med Odgovarajuće veze CH 2 & CH 3 deformation CH 3 deformation CH 2 rocking =C-H & =CH 2 (out-of-plane bending) cis-rch=chr 600-700 str C-H deformation 690-900 str-med 1330-1430 650-770 1550-1650 660-900 1350-1360 1400-1450 1100 med var-wk med-str var str str med C-H bending & ring puckering O-H bending (in-plane) O-H bend (out-ofplane) NH 2 scissoring (1 amines) NH 2 & N-H wagging (shifts on H-bonding) α-ch 3 bending α-ch 2 bending C-C-C bending

Interpretacija IR spektra Svaki maksimum određen je položajem, intenzitetom i oblikom. Relativan intenzitet (u odnosu na druge trake) i oblik omogućavaju razlikovanje traka koje apsorbuju u istoj oblasti

Aromatična jedinjenja

Zapis na IR spektrofotometru

Primena IR u kvantitativnoj analizi Za određivanje koncentracije uzorka meri se intenzitet ili površina absorpcionog maksimuma Lambert-Beerov zakon A=log(1/T)=ε x d x c A- apsorpcija (apsorbanca) c- koncentracija d- debljina uzorka ε- absorpcioni koeficijent

Određivanje koncentracije primenom kalibracione krive Apsorbanca (A) se dobija merenjem visine ili površine apsorpcionog maksimuma Nepoznata koncentracija se određuje pomoću kalibracione krive A=f(c) Rezultati manje tačni od UV analize

FT-IR Nova generacija instrumenata pod nazivom FT-IR (Furier-ova transformacija) zasniva se na principu interferometra. Interferometar meri sve frekvencije istovremeno. FT-IR instrumenti ne daju neposredan spektar nego interferogram, koji se naknadnom obradom elektronskim putem (Furijer-ova transformacija) prevode u uobičajeni oblik spektra. FT-IR su pogodni za daleku IR oblast između 200 i 10 cm -1. Ovi spektroskopi imaju veliku moć razlaganja

Prednosti FTIR instrumenta nad klasičnim Brže snimanje spektra- nekoliko sekundi Veća osetljivost Uzorci manjih dimenzija Mogućnost ponavljanja interferograma Veća preciznost i bolje razlaganje Naknadne prepravke spektra vrši računar Poređenje spektra sa spektrima iz biblioteke računara Zahvata širi spektralni opseg

Primena IR spektroskopije U neorganskoj i organskoj hemiji, biohemiji Identifikacija funkcionalnih grupa, praćenje toka hemijskih reakcija Analiza prehrambenih proizvoda farmaceutskih proizvoda uzoraka iz životne sredine kliničkih uzoraka

Primena u medicini i biohemiji Klinička biohemija analiza fizioloških rastvora: krv, urin, analiza zglobne tečnosti, itd. Patologija tkiva različitih organa ex vivo In vivo dijagnoza stanja bolesti IR imidžing - oslikavanje

Analize hrane Hrana predstavlja kompleksne smeše jedinjenja, sa glavnim komponentama: vodom, proteinima, mastima, ugljenim hidratima, vitaminima, mineralima... U hrani se mogu naći i aditivi (antioksidansi, boje, zaslađivači, prirodni polisaharidi, konzervansi), zagađujuće materije, antibakterijska jedinjenja i sl. Njihova upotreba je regulisana zakonima i zna se koji aditivi se smeju u kojoj količini i u kojoj vrsti namirnica dodavati. Na primer, benzoeva kiselina se nikako ne sme koristiti u mlečnoj industriji.

Analize hrane Da bi se sprečila zloupotreba pojedinih supstanci u industriji hrane, očuvao njen kvalitet i pre svega zdravlje ljudi, potrebna je stalna kontrola kvaliteta. Najveći broj navedenih komponenata mogu se detektovati i kvantitativno odrediti IR spektroskopijom.

Analize hrane On-line kontrola proizvodnog procesa i off-line kontrola kvaliteta: masti i ulja; mleka i mlečnih proizvoda; voća, povrća, voćnih sokova; mesa i mesnih prerađevina; proizvoda od brašna; konditorskih proizvoda; alkoholnih pića...

Farmaceutska industrija U farmaceutskoj industriji IR spektroskopija ima veliku primenu i u kvalitativnoj i u kvantitativnoj analizi. IR analiza materijala biljnog porekla ukazuje na sastav biljnih vlakana, kao i na moguće modifikacije zbog upotrebe određenih hemikalija.