1 (c) David MILDE, 2004-2012 VIBRAČNÍ SPEKTROMETRIE David MILDE, 2004 INFRAČERVENÁ SPEKTROMETRIE 2 David MILDE, 2008 INFRAČERVENÉ ZÁŘENÍ Infračervené (IR) záření: vlnočty 13000 – 10 cm-1, což odpovídá  0,78 – 1000 µm. DĚLENÍ: blízká IR oblast 13000 – 5000 cm-1 (Near IR, NIR) střední IR oblast 5000 – 200 cm-1 (Medium IR, MIR) daleká IR oblast 200 – 10 cm-1 (Far IR, FIR) IR záření nemá dostatečnou E, aby při interakci s molekulou změnilo její elektronový stav; mění pouze její vibrační nebo rotační stav. Při absorpci IR záření molekulami dochází ke zvýšení jejich EVIB (v plynné fázi i EROT). IR spektra poskytují informace o vibračním pohybu molekuly, které je možno využít při identifikaci látek a určování jejich struktury. David MILDE, 2006 MOLEKULOVÉ VIBRACE Dále zjednodušení: molekula je v kondenzovaném stavu, nemůže rotovat; přechody pouze mezi vibračními hladinami. Vibrační pohyb se u 2 atomové molekuly popisuje modelem harmonického oscilátoru.  Předpokládá se, že oba atomy na sebe působí ve směru vazby silou, která je úměrná odchylce délky vazby (x0) od rovnovážné polohy. Konstanta této úměrnosti k se nazývá silová konstanta (N/m). Tato soustava vykonává vibrační pohyb s jedinou frekvencí : F = -fx síla potřebná k pohybu atomu, natahování pružiny fx dt xd m dt xd mF              2 2 2 2 Z Newtonova zákona – síla je úměrná hmotnosti a zrychlení.  Spojením rovnic získáme diferenciální rovnici druhého řádu. 3 David MILDE, 2008 MOLEKULOVÉ VIBRACE Řešením a úpravou diferenciální rovnice získáme vztah pro přirozenou frekvenci harmonického oscilátoru m: Pro dvouatomovou molekulu o hmotnostech m1 a m2 zavádíme redukovanou hmotnost . Klasická mechanika nepopisuje komplexně chování částic velikosti atomů – kvantovaná E vibračních přechodů. Kvantová mechanika zavádí model harmonického oscilátoru a v něm vibrační kvantové číslo v: m f m   2 1    f paka mm mm m 2 1 21 21     mhvE m kh vE   ) 2 1 ( 2 ) 2 1 (  David MILDE, 2008 MOLEKULOVÉ VIBRACE Za laboratorní teploty je většina molekul (asi 99%) v základním stavu v = 0. Dovolené přechody u harmonického oscilátoru v = 1:  Fundamentální přechod: 1  0  Horké přechody (vycházejí z tepelně excitovaných hladin): 2  1 Harmonický oscilátor je jen hrubým přiblížením pohybu reálné dvouatomové molekuly, která se ve skutečnosti chová jako anharmonický oscilátor.  V důsledku anharmonicity se ve spektru objevují také tzv. svrchní tóny = přechody, kde se  mění o více než 1. 4 David MILDE, 2008 MOLEKULOVÉ VIBRACE Určení vibračních frekvencí je komplikováno (anharmonicita):  Kvantový model E harmonického oscilátoru je parabola E může neomezeně růst. V praxi však dochází k disociaci vazby při určité E.  Vibrace molekuly se s rostoucím počtem atomů komplikují. Kromě natahování a smršťování délky vazby může docházet k vibracím, kdy se mění úhel mezi vazbami. David MILDE, 2008 MOLEKULOVÉ VIBRACE Faktory ovlivňujících vibrační spektra od teoretických předpokladů kvantové mechaniky:  Svrchní tóny.  Fermiho resonance: Má-li svrchní tón a fundamentální přechod stejnou nebo velmi blízkou frekvenci, objeví se 2 pásy na místo jednoho – tzv. Fermiho dublet.  Vibračně-rotační pásy: viditelné při měření plynů při vysokém rozlišení. Vznikají díky rotačním pohybům, které jsou spojeny s vibračními přechody. Molekuly v kondenzovaném stavu jsou ve vzájemné interakci  přechodům neodpovídají ostré linie, ale absorpční pásy o šířce, která je mírou interakcí. 5 David MILDE, 2012 MOLEKULOVÉ VIBRACE Základní výběrové pravidlo:  Absorpce elektromagnetického záření je důsledkem jeho interakce s oscilujícím dipólem. Intenzita vibrace ve spektru závisí na změně dipólového momentu (μ) při změně délky vazby. 0  Ke změně vibračního stavu molekuly dojde pouze, pokud se současně změní její dipólový moment.  V IR neaktivní: O2, N2, O3, S, uhlík (diamant), …  V IR aktivní: HCl, H2O, CO2, SO2, NOxy, anorganické soli, -NO2, -OH, karbonyl a karboxyl deriváty, … David MILDE, 2004 MOLEKULOVÉ VIBRACE Valenční vibrace (): streching – symetrická a asymetrická Deformační rovinné (): rocking – kyvadlová; scissoring – nůžková Deformační mimorovinné (): wagging – vějířová; twisting – kroutivá 6 David MILDE, 2004 MOLEKULOVÉ VIBRACE Počet normálních vibrací a jím odpovídající počet fundamentálních vibračních přechodů u molekuly:  3N-6 pro nelineární a 3N-5 pro lineární molekulu s N atomy.  Každý atom má 3 stupně volnosti (pohybu – v 3 rozměrném prostoru). Systém N atomů má 3N stupňů volnosti. Je-li N atomů vázáno v molekule, jejich pohyb není nezávislý, neboť molekula se pohybuje jako celek. K popisu polohy těžiště potřebujeme 3 souřadnice a další 3 pro popis rotace v souřadnicovém systému  3N-6. U lineární molekuly je to 3N-5, protože rotace kolem osy molekuly nemá smysl. CO2 3 atomy, lineární molekula  4 fundamentální vibrace H2O 3 atomy, nelineární molekula  3 fundamentální vibrace David MILDE, 2008 MOLEKULOVÉ VIBRACE Př.: Kolik vibračních stupňů volnosti má molekula CHCl3? Nelineární molekula 3x5-6=9 7 David MILDE, 2012 MOLEKULOVÉ ROTACE E rotačních hladin je o 1-3 řády menší než u vibračních hladin  rotace se projeví jemnou strukturou vibračních pásů. Velký počet píků rotačně-vibračních pásů je dán bohatým zastoupením excitovaných molekul ve vyšších rotačních stavech. Absorpční spektrum vibračně rotačních přechodů CO Výběrové pravidlo: rotační kvantové číslo J = 0, ±1 J = 0 : Q větev J = +1: R větev J = -1: P větev 1 B … rotační konstanta David MILDE, 2004 INFRAČERVENÉ SPEKTRUM V IR spektrech sledujeme závislost transmitance nebo absorbance na vlnočtu absorbovaného záření. Spektrum je pásové a pásy odpovídají různým typům vibračních přechodů. Rotační přechody mají malý význam a lze je měřit pouze v plynech. V kapalinách a tuhých látkách splývají v kontinuum v důsledků interakcí molekul. Ve spektrech převažují vibrační přechody. IR spektrum se dělí na 2 oblasti:  Oblast charakteristických (skupinových) vibrací: 4000-1000 cm-1. Oblast se využívá pro identifikaci funkčních skupin v molekule.  Oblast otisku palce: 1000-400 cm-1. Zde se nachází deformační vibrace ovlivněné strukturou molekuly a umožňují identifikovat konkrétní organickou látku. 8 David MILDE, 2004 INFRAČERVENÉ SPEKTRUM David MILDE, 2008 INFRAČERVENÉ SPEKTRUM 9 David MILDE, 2009 Instrumentace 2 typy spektrometrů:  DISPERZNÍ – starší typ pracující na principu rozkladu IR záření v hranolovém či mřížkovém monochromátoru.  FTIR (Fourier transform IR) používají Michelsonův interferometr. Zdroj záření – na 1500-2000 °c vyhřívané pevné látky:  Globar: elektricky žhavená tyčinka z SiC.  Nernstova tyčinka: oxidy kovů vzácných zemin.  Rtuťová oblouková lampa pro FIR oblast.  W žárovka pro NIR oblast. „Optika“ z propustných materiálů:  MIR oblast: NaCl, KBr, CsI, CaF2, ZnSe, …  FIR oblast: polyethylen, …  NIR oblast: křemen, … David MILDE, 2009 Detektory pro MIR Termoelektrický detektor (bolometr – Bi a Sb): elektrický proud vzniká v důsledku ohřevu spoje dvou elementů. Pyroelektrický detektor DTGS (dnešní standard v FTIR): absorpcí záření dochází ke změně teploty v pyroelektrickém krystalu (deuterovaný triglycinsulfát – DTGS), tím se mění stupeň orientace polárních molekul a to vyvolá elektrický náboj. Výsledkem je měřitelný proud. Fotovoltaický detektor: polovodičový materiál nanesený na sklo, např.: mercury/cadmium telluride (77 K; MIR a FIR) nebo lead sulfide (laboratorní teplota; NIR). Absorpcí záření dochází ke sníženi odporu v polovodiči. Vysoká citlivost a vyšší cena. 10 David MILDE, 2012 Detektory • Detektory pro FIR: DTGS, GaAs-Zn • Detektory pro NIR: MCT, PbSe, InSb David MILDE, 2012 IR spektrometry 11 David MILDE, 2004 FTIR spektrometr Michelsonovův interferometr (místo monochromátoru), který na principu interference zesiluje/zeslabuje záření ze zdroje. Vzorek je ozařován polychromatickým zářením ze zdroje. Interferencí paprsků vzniká interferogram, který obsahuje informaci o IR absorpčním spektru. Digitalizací interferogramu a matematickou (Fourierovou) transformací se získá IR spektrum ve formě A = f( ). V místě polopropustného děliče se setkávají odražené paprsky a interferencí se zesilují ty, které jsou ve fázi. Pohybem zrcadla (0,1 – 50 cm/s) se mění  zesíleného záření. Je-li vzdálenost mezi děličem paprsků a nepohyblivým zrcadlem stejná jako vzdálenost mezi děličem a pohyblivým zrcadlem – tj. jeli optický dráhový rozdíl nulový (nebo celistvý násobek vlnové délky), dochází mezi paprsky ke konstruktivní interferenci = svazek paprsků dopadající na detektor má maximální intenzitu.Je-li optický dráhový rozdíl nenulový, svazky paprsků od obou zrcadel nejsou ve fázi a interferují destruktivně, což vede k redukci intenzity.  David MILDE, 2009 Interferogramy a spektra u FTIR A – 1 monochromatická linie B – 2 monochromatické linie C – linie s lorentzovským tvarem     dttitsS )2exp()()(  Interferogram: závislost intenzity na čase. (IR) spektrum: závislost intenzity na vlnočtu. Fourierova transformace: 12 David MILDE, 2004 Porovnání FTIR a disperzní spektrometrie Nevýhody disperzních spektrometrů: malá rychlost záznamu spektra, malá optická propustnost spektrometru, možné zahřívání vzorku vedoucí k jeho změnám (rozklad apod.). Výhody FTIR spektrometrů:  Fellgetova výhoda: rychlý záznam spektra umožňuje za krátkou dobu změřit N interferogramů a výrazně zlepšit poměr S/N. Rychlost moderních spektrometrů – 1 záznam za 20 ms, asi 50 spekter za 1s.  Jacquintova výhoda (citlivost): interferometr má větší propustnost toku záření, protože nemá omezující vstupní a výstupní štěrbinu monochromátoru.  Výhoda Connesové: velmi přesné nastavení vlnočtů; pro kontrolu pohybu zrcadla se používá laser – interní kalibrace přístroje.  Vzorek je umístěn za interferometrem a tím je omezen vliv emise ze vzorku (emisní záření není modulováno).  Mechanická jednoduchost – minimum pohyblivých částí. Přenosné spektrometry Rychle se vyvíjející oblast pro kvalitativní i kvantitativní analýzu v terénu:  Bezdisperzní spektrometry (jen s filtry) pro analýzu plynů, dokáží rozlišit až 100 plynů, jejichž spektra mají v paměti.  Přenosné spektrometry založené na chipové technologii. David MILDE, 2004 13 David MILDE, 2012 Měření spekter – transmisní techniky Plynné vzorky: skleněná kyveta s délkou nejméně 10 cm a okénky z alkalického halogenidu. Kapalné vzorky: kyvety s tloušťkou asi 0,1 mm z NaCl.  Rozpouštědla: CS2, CCl4, CHCl3  Voda nevhodná – absorbuje IR záření a vyžaduje kyvety z nerozpustného směsného jodidu a bromidu thalného. David MILDE, 2012 Měření spekter – transmisní techniky Pevné vzorky:  NUJOLová technika: vzorek se rozetře s parafinovým olejem v achátové misce na hustou suspenzi a měří se v tenké vrstvě.  KBr tablety: vzorek se smíchá (asi 1:20-50) a rozemele s KBr a pod vysokým tlakem se vylisuje tableta, přes kterou prochází záření. 14 David MILDE, 2012 Měření spekter - odrazné techniky ATR (Attenuated Total Reflection) – metoda zesílení úplného odrazu: úplný odraz záření na fázovém rozhraní měřeného vzorku a měřícího krystalu. Měřený vzorek je v dokonalém kontaktu s ATR krystalem a záření proniká částečně do analyzovaného materiálu. Pokud měřený vzorek absorbuje záření o určité frekvenci, pak tato složka bude v totálně odraženém světle zeslabena. Výhody: minimální příprava vzorků, snadné čištění, pevné i kapalné vzorky. David MILDE, 2008 Měření spekter - odrazné techniky - ATR Interakce IR záření se vzorkem sériemi tzv. evanescentních vln. Evanescentní vlna: vstupuje do vzorku (do hloubky 1-4 µm) a změněné (zeslabené) záření pak vystupuje zpět do IR paprsku a je vedeno do interferometru ke zpracování. Evanescentní vlna obsahuje informace o absorbovaném záření. 15 David MILDE, 2008 Měření spekter - odrazné techniky DR (Diffuse Reflectance) – difusní odraz spočívá ve fokusaci infračerveného paprsku na pevný (práškový) vzorek, část je absorbována, část je odražena a část je rozptýlena. Difúzně rozptýlené záření je převedeno vhodným optickým zařízením na detektor. David MILDE, 2004 Analytické využití IR absorpční spektrometrie je jednou z nejdůležitějších, rychlých a relativně levných metod kvalitativní analýzy organických i anorganických látek ve všech skupenstvích. Kvalitativní analýza:  Identifikace funkčních skupin (C=O, OH, NH, COOH) bez ohledu na zbytek molekuly (tabulky IR spekter – polohy a intenzita pásů).  Identifikace jednotlivých látek (část otisku palce) – porovnání s knihovnami spekter většinou pomocí PC. Kvantitativní analýza: menší uplatnění, využívá se LambertBeerova zákona. MIR – běžné spektrometry měřící od 4000 do 400 cm-1. NIR – spektrometr pokrývá oblasti UV/Vis/NIR. Horké přechody vibrací CH, N-H a O-H vazeb. Analýza potravin a farmaceutických výrobků, hojně se používají reflexní techniky pro tuhé vzorky (DRIFT). FIR – rotační struktura plynných vzorků; vibrace mřížek krystalů anaorganických sloučenin.