IR (spektroskopia w podczerwieni)  ^[±²]

powrót                                                         | widmo | podstawy interpretacji | techniki rejestracji | interferometr Michelsona |

---

Kwanty energii niesione przez promieniowanie zaliczane do zakresu podczerwieni są w stanie zmieniać energie oscylacji i rotacji cząsteczki. Ponieważ energia rotacji może być zmieniana praktycznie tylko w przypadku stanów gazowych (w cieczach, roztworach czy ciałach stałych nie ma możliwości swobodnego rotowania), a z takimi w praktyce mamy stosunkowo rzadko do czynienia, zajmiemy się tylko podczerwienią w zakresie oscylacji.

Jeżeli potraktujemy dwie masy (dwie części cząsteczki) powiązane wiązaniem chemicznym jak układ fizyczny dwóch ciał połączonych sprężyną, to energia drgań takiego układu zależy od wielkości tych mas (liczonych tu jako tzw. masa zredukowana) i sprężystości połączenia (tzw. stała siłowa wiązania). Energia ta (a więc i pośrednio długość fali, która może być pochłaniana przez dany układ) jest charakterystyczna dla danego typu wiązań, podlega jednak pewnym modyfikacjom w zależności od tego, w jakim układzie występuje (masy zredukowane). Zatem w praktyce charakterystyczny jest dla danego typu wiązań pewien, czasami nawet dość szeroki, zakres długości fali. Taki zakres nazywamy częstością grupową dotyczącą danego typu wiązań. Na przykład częstości grupowe wiązań C-H to zakres 3 100 - 2 800 cm^-1, w którym wyodrębnić możemy precyzyjniej zakres 3 100 - 3 000 cm^-1, jako zakres dotyczący wiązań C-H dla układów, w których atom węgla należy do pierścienia aromatycznego. Zakresy częstości grupowych poszczególnych typów wiązań zachodzą na siebie, czasami wręcz się pokrywają - dlatego znalezienie na widmie IR pasma należącego do jakiegoś zakresu nie przesądza jeszcze o obecności danego wiązania w analizowanej cząsteczce.

Widmo

Przykładowe widmo IR:

Zakres widma to najczęściej 4 000 - 650 cm-1 (czasem przedłużone do 400, a nawet 200 cm^-1), zapisywane w skali transmitancji. Widmo dość naturalnie dzieli się na dwie części: 4 000 - 2 000 cm^-1 i  2 000 - 650 cm^-1. W pierwszej części znajdujemy pasma związane ze zmianami energii drgań walencyjnych (rozciągających) podstawowych podstawników - grup OH, NH₂, CH_x, SH itp. Druga część widma to przede wszystkim pasma związane z drganiami deformacyjnymi, choć i tam znajdujemy ważne pasma walencyjne, m. in. wiązań C=O, C=C, C-N, C-Cl, C-C. Drganiami deformacyjnymi, w odróżnieniu od rozciągających walencyjnych, nazywamy wszelkie drgania odbywające się ze zmianą kąta między wiązaniami. Opisując bliżej ich charakter stosujemy przymiotnikowe dodatki do nazwy - wachlarzowe, skręcające, nożycowe itp. Wszystkie te opisy charakteryzujące poszczególne pasma i drgania są tylko pewnym przybliżeniem rzeczywistości. W cząsteczce odbywają się bowiem wszystkie te drgania jednocześnie i "czystych" drgań walencyjnych czy deformacyjnych tak naprawdę nie ma. Drgania rozciągające wiązania C-H np. grupy CH₃ odbywają się w czasie, gdy cała grupa drga wzdłuż wiązania C-CH₃, a jednocześnie wahadłowo kołysze się, zmieniając kąt między wiązaniem C-CH₃ a resztą cząsteczki. Prawidłowej byłoby powiedzieć, że mamy do czynienia z drganiem kombinacyjnym, w którym drgania walencyjne maja największy udział. Ze względów praktycznych nie robimy tego, nazywając te drgania drganiami walencyjnymi, ale powinniśmy cały czas pamiętać o ich złożoności. Dodatkowe zamieszanie powoduje fakt, że niektóre drgania nazywamy kombinacyjnymi - dotyczy to jednak tylko pasm, które powstają wyłącznie na drodze wektorowego sumowania ruchów atomów w obrębie danego wiązania, a więc jakby "dodatkowych" pasm, których powstania i energii nie tłumaczy żadne "uproszczone" drganie walencyjne czy deformacyjne.

Podstawy interpretacji

Interpretacja widm IR nie należy do najłatwiejszych. Generalnie przeprowadza się ją w sposób następujący. Na podstawie najbardziej charakterystycznych pasm (co do położenia i kształtu) stawiamy wstępną hipotezę o istnieniu w cząsteczce konkretnych wiązań i grup. Hipotezę tę weryfikujemy, szukając w oparciu o tzw. tablice korelacyjne (opis występowania i charakterystyki poszczególnych pasm drgań walencyjnych i deformacyjnych danego wiązania) wszystkich bądź większości pasm związanych z danym ugrupowaniem. Ważnym jest, by hipotetyczne drgania były potwierdzone co najmniej 2-3 pasmami w widmie, inaczej bowiem prawdopodobieństwo postawionej przez nas hipotezy jest nikłe, wiemy bowiem że wiele częstości grupowych się zazębia bądź wręcz pokrywa. W czasie weryfikacji wstępnej hipotezy zwracamy uwagę nie tylko na położenie pasm mających "uprawdopodobnić" nasze założenia, ale także dużą wagę przywiązujemy do kształtu tych pasma. Chodzi tu zarówno o natężenie jak i szerokość pasma. Pasma widm IR są bowiem bardzo czułe na różnego typu oddziaływania międzycząsteczkowe, w szczególności na wiązania wodorowe. Ta czułość na wpływu czynników zewnętrznych powoduje, że w czasie interpretacji musimy brać pod uwagę także technikę rejestracji widma. Ta sama substancja da inne widmo gdy zarejestrujemy je techniką tabletki a inne w roztworze. O tym ostatnim trzeba również pamiętać wykorzystując gotowe komputerowe biblioteki widm. Nie znalezienie naszego widma w bibliotece nie oznacza jeszcze, że nie ma w niej widma naszej substancji. Może jest, tylko zarejestrowane inną techniką i wizualnie różni się na tyle, że program wyszukujący traktuje je jako widmo niezgodne. Czasem nawet zmiana stężenia rejestrowanego roztworu może powodować znaczne zmiany w przebiegu widma.

Jeśli nie brakuje nam pasm potwierdzających naszą hipotezę, a ich położenie i natężenie oraz szerokość są zgodne z oczekiwaniami możemy uznać, że nasza hipoteza wykazuje dość duże prawdopodobieństwo z rzeczywistością. Pamiętajmy, że będzie to jednak prawdopodobieństwo znacznie bliższe 70% niż 95%. Aby prawdopodobieństwo to znacznie zwiększyć musimy sięgnąć do innych metod np. NMR czy MS.

Techniki rejestracji 

Podstawowymi technikami rejestracji widm IR jest dla ciał stałych technika tabletki z KBr a dla cieczy film cieczy. Ponadto można rejestrować widmo IR techniką roztworów w kuwetach o określonej grubości warstwy, w postaci filmu zawiesiny w nujolu, filmu ciała stałego itp. Technik może być tyle ilu eksperymentatorów. Jedynym ograniczeniem jest konieczność uzyskania odpowiednio cienkiej warstwy (drogi promienia przez substancję) i odpowiedniego do grubości warstwy stężenia badanej substancji, oraz brak substancji zakłócających.

Tabletki z KBr można wykorzystywać w przypadku ciał stałych, łatwych do subtelnego rozdrobnienia (np. krystaliczne). Do około 99 części KBr dodaje się 1-2 części sproszkowanej substancji badanej, dokładnie miesza przez ucieranie, by uzyskać dokładne rozprowadzenie oznaczanej substancji i całość, w specjalnej matrycy, poddaje się działaniu wysokiego ciśnienia (ponad 500 atm) przez parę minut. Wysokie ciśnienie powoduje otrzymanie krystalicznej (przezroczystej) tabletki, o grubości ułamka milimetra z subtelną zawiesiną badanego związku. Ponieważ kryształy KBr są nieaktywne w zakresie podczerwieni (do 400 cm^-1) wiązka promieniowania oddziałuje jedynie z cząsteczkami badanej substancji.

Substancje ciekłe, a także maziste można rejestrować jako film (cienka warstwa o nieustalonej grubości) cieczy. W tym celu umieszcza się kroplę badanej substancji między dwoma płytkami z bromku potasu i całość umieszcza w odpowiedniej oprawie pozwalającej docisnąć płytki do siebie w celu uzyskania odpowiedniej grubości warstwy badanego związku. Warstwa ta musi być bardzo cienka, bowiem wiązka promieniowania przechodzi przez 100% substancję.

Technika rejestracji roztworów w kuwetach o określonej grubości stosowana jest przede wszystkim w przypadku wykorzystywania spektroskopii IR w badaniach ilościowych (podobnie prowadzonych jak w przypadku UV). Od techniki pracy w UV różni je to, że stosujemy warstwy o grubości ułamka milimetra (nawet 0,01 mm) i mamy większy kłopoty  z dobraniem rozpuszczalnika. Ponieważ w IR pasma powstają przez zmiany energii wiązań, a nie ma rozpuszczalników bez wiązań - nie ma zatem rozpuszczalników przezroczystych w całym zakresie. Każdy rozpuszczalnik zakłóca nam widmo substancji swoimi silnymi pasmami własnymi. Wybieramy więc takie rozpuszczalniki, które są najprostsze pod względem budowy (mało wiązań to mało pasm) najczęściej CS₂ i CCl₄. Dodatkowym problemem jest stosowanie w spektroskopii IR bromku potasu (materiał tani i przezroczysty praktycznie dla całego zakresu), który jest bardzo wrażliwy na wilgoć i polarne rozpuszczalniki, a do tego dość kruchy i mało odporny mechanicznie.

W przypadku, gdy musimy zarejestrować widmo IR substancji stałej nie dającej się rozdrobnić (elastyczne tworzywa) lecz rozpuszczalnej w lotnych rozpuszczalnikach (chloroform, CCl₄, eter, metanol itp.) stosujemy technikę folii. W tym celu rozpuszczamy badana substancję w odpowiednim rozpuszczalniku, rozprowadzamy krople roztworu na płytce z KBr i czekamy na odparowanie rozpuszczalnika. Na płytce pozostaje cieniutka folia badanej substancji. Płytkę z folią wstawiamy w bieg promieniowania IR i rejestrujemy widmo.

Popularna swego czasu technika zawiesiny w nujolu polega na wytworzeniu, przez ucieranie, subtelnej zawiesiny badanej substancji w specjalnie oczyszczonej parafinie płynnej (handlowa nazwa Nujol) i zarejestrowanie widma tej zawiesiny technika filmu cieczy. Jedyną zaletą tej techniki jest taniość i prostota wykonania, mankamentem, i to dość znacznym, pojawienie się w widmie pasm własnych nujolu (C-H i C-C), które przesłaniają dość znaczne rejony widma.

Interferometr ^[±²]

Klasyczny spektrofotometr do podczerwieni w swej zasadzie działania nie różni się od klasycznego spektrofotometru UV. W obecnych czasach coraz większa popularność zdobywają spektrofotometry do podczerwieni pracujące w oparciu o interferometr Michelsona. Ten sposób rejestracji skraca czas analizy z kilkunastu-kilkudziesięciu minut do paru sekund, co jest podstawą do zastosowania spektrometrów FTIR jako detektorów w procesie chromatograficznym. Pierwotna informacja zapisana tym sposobem jest całkowicie nieczytelna i wymaga opracowania matematycznego zwanego transformacja Fouriera. Rejestrujemy bowiem zmiany transmitancji w dziedzinie czasu a widmo zdatne do interpretacji to zapis transmitancji w dziedzinie częstości.

Wiązka emitowana przez źródło promieniowania IR, zawierająca całe konieczne spektrum promieniowania, trafia na lustro półprzepuszczalne L, dzieląc się na dwie części. Pierwsza część odbijając się od L trafia na lustro L 1 i wraca do lustra L. Druga część wiązki przechodzi przez lustro półprzepuszczalne  L i trafia na ruchome lustro L 2. Lustro L 2 porusza się w czasie rejestracji widma ruchem jednostajnym, powodując, że odbita od niego połowa wiązki po dojściu do lustra L jest przesunięta w fazie w stosunku do połowy odbitej od lustra L 1 (przebiega bowiem krótszą drogę niż wiązka odbita od L1). Obydwie połowy wiązki po zsumowaniu na lustrze L ulegają interferencji i biegną dalej do próbki badanej. Próbka badana pochłania niektóre długości fal (odpowiednio do swojej budowy chemicznej) i osłabiona wiązka trafia do detektora. Zapisanie zmian natężenia wiązki w czasie, wraz z zapisem zmian wywołanych przez interferencje związane z ruchem lustra L 2 są wystarczającym materiałem do obliczenie, poprzez transformację Fouriera, widma w dziedzinie częstości lub długości fali.

 

 do strony głównej