Infrasarkanās spektroskopijas teorija, metode un pielietojumi

The infrasarkanā spektroskopija ir pētījums par to, kā molekulas absorbē infrasarkano starojumu un beidzot pārvērš to siltumā.

Šo procesu var analizēt trīs veidos: absorbcijas, emisijas un atstarošanas mērīšana. Šī precizitāte padara infrasarkano spektroskopiju par vienu no svarīgākajām analītiskajām metodēm, kas pieejamas mūsdienu zinātniekiem.

Viena no lielākajām infrasarkanās spektroskopijas priekšrocībām ir tā, ka praktiski jebkuru paraugu var pētīt gandrīz visās valstīs.

Šķidrumus, pulverus, plēves, šķīdumus, pastas, šķiedras, gāzes un virsmas var pārbaudīt, pareizi izvēloties paraugu ņemšanas tehniku. Uzlabotu instrumentu rezultātā tagad ir izstrādāti vairāki jauni sensitīvi paņēmieni, lai pārbaudītu iepriekš nepieņemamus paraugus.

Infrasarkanā spektroskopija, daudzos citos lietojumos un pielietojumos, ir noderīga polimerizācijas pakāpes noteikšanai polimēru ražošanā. Izmaiņas konkrētas saites apjomā vai raksturs tiek novērtētas, mērot konkrētu frekvenci laika gaitā.

Mūsdienu pētniecības instrumenti var veikt infrasarkano staru mērījumus visā interešu diapazonā, kas bieži vien ir 32 reizes sekundē.

To var izdarīt, vienlaikus veicot mērījumus, izmantojot citas metodes, padarot ķīmisko reakciju un procesu novērojumus ātrākus un precīzākus.

Infrasarkanās spektroskopijas teorija

Nenovērtējams rīks organisko struktūru noteikšanā un pārbaudē ietver elektromagnētiskā starojuma klasi (REM) ar frekvencēm no 4000 līdz 400 cm-1 (viļņu skaitļi)..

EM starojuma kategorija tiek saukta par infrasarkano starojumu (IR), un tās pielietojums organiskajai ķīmijai, ko sauc par IR spektroskopiju..

Šā reģiona starojumu var izmantot organiskās struktūras noteikšanai, izmantojot to, ka to absorbē organisko savienojumu savstarpējās saites..

Ķīmiskās saites dažādās vidēs absorbēs mainīgās intensitātes un mainīgās frekvences. Tāpēc IR spektroskopija ietver absorbcijas informācijas vākšanu un analīzi spektra formā.

Frekvences, kurās ir infrasarkanā starojuma absorbcijas (virsotnes vai signāli), var tieši saistīt ar saitēm attiecīgajā savienojumā..

Tā kā katra interatomiskā saite var vibrēt vairākās dažādās kustībās (stiepšanās vai locīšana), atsevišķas saites var absorbēt vairāk nekā vienu IR frekvenci.

Stīvās absorbcijas mēdz veidot spēcīgākas virsotnes nekā lieces, tomēr vājākas lieces absorbcijas var būt noderīgas, lai diferencētu līdzīgus veidus (piemēram, aromātisko aizvietošanu)..

Svarīgi arī atzīmēt, ka simetriskas vibrācijas neizraisa infrasarkanā starojuma absorbciju. Piemēram, neviens no etilēna vai etilēna oglekļa-oglekļa savienojumiem absorbē IS starojumu.

Strukturālās noteikšanas instrumentālās metodes

Kodolmagnētiskā rezonanse (NMR)

Atomu kodola ierosināšana ar radiofrekvenču apstarošanu. Sniedz plašu informāciju par atomu molekulāro struktūru un savienojamību.

Infrasarkanā spektroskopija (IR)

Tas sastāv no molekulāro vibrāciju sadedzināšanas ar infrasarkano staru. Tā galvenokārt sniedz informāciju par noteiktu funkcionālo grupu esamību vai neesamību.

Masu spektrometrija

Parauga bombardēšana ar elektroniem un iegūto molekulāro fragmentu noteikšana. Sniedz informāciju par molekulmasas un atomu savienojamību.

Ultravioleto spektroskopija (UV)

Elektronu veicināšana augstākā enerģijas līmenī, molekulu apstarojot ar ultravioleto gaismu. Sniedz informāciju par konjugētu π sistēmu un divkāršu un trīskāršu obligāciju klātbūtni.

Spektroskopija

Tā ir spektra informācijas izpēte. Pēc apstarošanas ar infrasarkano gaismu, dažas saites reaģē ātrāk ar vibrāciju. Šo atbildi var atklāt un pārvērst vizuālajā attēlojumā, ko sauc par spektru. 

Spektra interpretācijas process

1. Atzīstiet modeli.
2. Saistīt modeļus ar fiziskiem parametriem.
3. Nosakiet iespējamās nozīmes, proti, ierosiniet paskaidrojumus.

Tiklīdz spektrs ir iegūts, galvenais uzdevums ir iegūt informāciju, kas satur to abstraktā vai slēptajā formā.

Tas prasa noteiktu modeļu atpazīšanu, šo modeļu saistīšanu ar fiziskiem parametriem un šo modeļu interpretāciju jēgpilnu un loģisku skaidrojumu izteiksmē..

Elektromagnētiskais spektrs

Lielākā daļa organisko spektroskopiju izmanto elektromagnētisko enerģiju vai radiāciju kā fizisku stimulu. Elektromagnētiskajai enerģijai (piemēram, redzamajai gaismai) nav nosakāms masas komponents. Citiem vārdiem sakot, to var saukt par "tīru enerģiju".

Citiem starojuma veidiem, piemēram, alfa stariem, kas sastāv no hēlija kodoliem, ir konstatējams masas komponents, un tādēļ tos nevar klasificēt kā elektromagnētisko enerģiju..

Svarīgi parametri, kas saistīti ar elektromagnētisko starojumu, ir:

• Enerģija (E): enerģija ir tieši proporcionāla frekvencei un apgriezti proporcionāla viļņa garumam, kā norādīts zemāk sniegtajā vienādojumā..

• Biežums (μ)
• Viļņa garums (λ)
• Vienādojums: E = hμ

Vibrācijas režīmi

• Kovalentās saites var vibrēt dažādos veidos, tostarp stiepšanās, šūpošanas un šķēres.

• Visnoderīgākās joslas infrasarkanajā spektrā atbilst stiepšanās frekvencēm.

Pārsūtīšana pret Absorbcija

Ja ķīmiskais paraugs ir pakļauts IR LIGHT (infrasarkanā starojuma gaismas) iedarbībai, tas var absorbēt dažas frekvences un pārraidīt pārējo. Daļu no gaismas var arī atspoguļot atpakaļ uz avotu.

Detektors atklāj pārraidītās frekvences, un tas arī atklāj absorbēto frekvenču vērtības.

IR spektrs absorbcijas režīmā

IR spektrs pamatā ir pārraidīto (vai absorbēto) frekvenču grafiks salīdzinājumā ar pārraides intensitāti (vai absorbciju). Frekvences parādās x-ass apgriezto centimetru vienībās (viļņgalvas), un intensitātes ir attēlotas y-asī un procentos. Diagrammā parādīts spektrs absorbcijas režīmā:

IR spektrs pārraides režīmā

Grafiks parāda spektru pārraides režīmā. Šī ir visbiežāk izmantotā pārstāvība, kas atrodama lielākajā daļā ķīmijas un spektroskopijas grāmatu.

Lietojumi un lietojumprogrammas

Tā kā infrasarkanā spektroskopija ir uzticama un vienkārša tehnika, to plaši izmanto organiskā sintēze, polimēru zinātne, naftas ķīmijas inženierija, farmācijas rūpniecība un pārtikas analīze..

Turklāt, tā kā FTIR spektrometrus var attīrīt ar hromatogrāfiju, ķīmisko reakciju mehānismu un nestabilu vielu noteikšanu var izpētīt ar šādiem instrumentiem..

Daži lietojumi un lietojumprogrammas ietver:

Kvalitātes kontrole

To izmanto kvalitātes kontrolē, dinamiskos mērīšanas un uzraudzības lietojumos, piemēram, ilgstoši bez uzraudzības CO2 koncentrāciju mērīšanai siltumnīcās un augšanas kamerās, izmantojot infrasarkano gāzu analizatorus..

Kriminālistikas analīze

To izmanto kriminālistikas analīzē krimināllietās un civillietās, piemēram, polimēru degradācijas noteikšanā. Var izmantot, lai noteiktu alkohola līmeni asinīs vadītājam, kas ir aizdomas par piedzimšanu.

Cieto paraugu analīze bez nepieciešamības samazināt

Noderīgs veids, kā analizēt cietos paraugus bez nepieciešamības samazināt, ir izmantot ATR vai novājinātu kopējo atstarošanas spektroskopiju. Izmantojot šo pieeju, paraugi tiek saspiesti pret vienu kristālu. Infrasarkanais starojums iziet cauri stiklam un mijiedarbojas tikai ar paraugu abu materiālu saskarnē.

Pigmentu analīze un identifikācija

IR spektroskopija veiksmīgi izmantota pigmentu analīzē un identificēšanā gleznās un citos mākslas priekšmetos, piemēram, izgaismotajos manuskriptos.

Izmantošana pārtikas rūpniecībā

Vēl viens svarīgs infrasarkanās spektroskopijas pielietojums ir pārtikas rūpniecībā, lai noteiktu dažādu savienojumu koncentrāciju dažādos pārtikas produktos..

Precizitātes pētījumi

Pieaugot tehnoloģijām datorfiltrācijā un manipulējot ar rezultātiem, paraugus šķīdumā tagad var precīzi izmērīt. Daži instrumenti arī automātiski pateiks, kāda viela tiek mērīta no tūkstošiem uzglabātu atsauces spektru krātuves.

Lauka testi

Instrumenti tagad ir mazi un var tikt transportēti, pat izmantošanai lauka pārbaudēs.

Gāzes noplūdes

Infrasarkano staru spektroskopiju izmanto arī gāzes noplūdes atklāšanas ierīcēs, piemēram, DP-IR un EyeCGA. Šīs ierīces atklāj ogļūdeņraža gāzes noplūdes dabas un jēlnaftas transportēšanā.

Izmantojiet telpā

NASA izmanto ļoti modernu datubāzi, kas balstīta uz infrasarkanās spektroskopijas, lai izsekotu policikliskos aromātiskos ogļūdeņražus visumā.

Pēc zinātnieku domām, vairāk nekā 20% no oglekļa Visumā var būt saistīti ar policikliskiem aromātiskiem ogļūdeņražiem, iespējamiem izejmateriāliem dzīvības veidošanai..

Šķiet, ka policikliskie aromātiskie ogļūdeņraži ir izveidojušies neilgi pēc lielā sprādziena. Tie ir plaši izplatīti visā Visumā un ir saistīti ar jaunām zvaigznēm un eksoplānām.

Atsauces

1. Nancy Birkner (2015). Mind Touch. Kā darbojas FTIR spektrometrs. Saturs iegūts no: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). IR spektru teorija un interpretācija. Pearson Prentice zāle. Saturs iegūts no: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Infrasarkanā spektroskopija. Wiley Saturs iegūts no: kinetics.nsc.ru.
4. Vikipēdija (2016). Infrasarkanā spektroskopija. Vikipēdija, brīvā enciklopēdija. Saturs iegūts no: en.wikipedia.org.