Теория, метод и применение инфракрасной спектроскопии



инфракрасная спектроскопия изучение того, как молекулы поглощают инфракрасное излучение и, наконец, превращают его в тепло.

Этот процесс может быть проанализирован тремя способами: измерение поглощения, эмиссии и отражения. Эта точность делает инфракрасную спектроскопию одним из наиболее важных аналитических методов, доступных для современных ученых..

Одним из больших преимуществ инфракрасной спектроскопии является то, что практически любой образец может быть изучен практически во всех состояниях..

Жидкости, порошки, пленки, растворы, пасты, волокна, газы и поверхности можно исследовать с помощью разумного выбора метода отбора проб. В результате усовершенствования приборов в настоящее время разработано множество новых чувствительных методов для изучения ранее трудноизвлекаемых образцов..

Инфракрасная спектроскопия, среди многих других применений и применений, полезна для измерения степени полимеризации при производстве полимеров. Изменения количества или характера конкретной ссылки оцениваются путем измерения определенной частоты с течением времени..

Современные исследовательские приборы могут проводить инфракрасные измерения в интересующем диапазоне так часто, как 32 раза в секунду..

Это может быть сделано, в то время как одновременные измерения выполняются с использованием других методов, делая наблюдения за химическими реакциями и процессами более быстрыми и точными..

Теория инфракрасной спектроскопии

Бесценный инструмент в определении и проверке органических структур включает класс электромагнитного излучения (REM) с частотами между 4000 и 400 см-1 (волновые числа).

Категория электромагнитного излучения называется инфракрасным (ИК) излучением, а ее применение в органической химии известно как ИК-спектроскопия..

Излучение в этой области может быть использовано при определении органической структуры с использованием того факта, что оно поглощается межатомными связями в органических соединениях..

Химические связи в разных средах будут поглощать переменные интенсивности и частоты. Следовательно, ИК-спектроскопия включает сбор информации о поглощении и анализ ее в форме спектра..

Частоты, на которых происходит поглощение ИК-излучения (пиков или сигналов), могут быть напрямую соотнесены со связями в рассматриваемом соединении..

Поскольку каждое межатомное звено может вибрировать в нескольких различных движениях (растяжение или изгиб), отдельные звенья могут поглощать более одной ИК-частоты..

Поглощения при растяжении имеют тенденцию давать более сильные пики, чем изгибы, однако более слабые поглощения при изгибе могут быть полезны для дифференциации аналогичных типов связей (например, ароматическое замещение).

Также важно отметить, что симметричные колебания не вызывают поглощения инфракрасного излучения. Например, ни одна из углерод-углеродных связей этилена или этилена не поглощает инфракрасное излучение.

Инструментальные методы определения структуры

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Возбуждение ядер атомов путем радиочастотного облучения. Предоставляет обширную информацию о молекулярной структуре и связности атомов.

Инфракрасная спектроскопия (ИК)

Он состоит из запуска молекулярных колебаний путем облучения инфракрасным светом. Он в основном предоставляет информацию о наличии или отсутствии определенных функциональных групп.

Масс-спектрометрия

Бомбардировка образца электронами и обнаружение полученных молекулярных фрагментов. Предоставляет информацию о связности молекулярной массы и атомов.

Ультрафиолетовая спектроскопия (УФ)

Продвижение электронов на более высоких уровнях энергии путем облучения молекулы ультрафиолетовым светом. Предоставляет информацию о наличии сопряженных π-систем и двойных и тройных связей.

спектроскопия

Это изучение спектральной информации. После облучения инфракрасным светом некоторые соединения быстрее реагируют на вибрацию. Этот ответ может быть обнаружен и переведен в визуальное представление, называемое спектром. 

Процесс интерпретации спектра

  1. Распознать шаблон.
  2. Связать шаблоны с физическими параметрами.
  3. Определить возможные значения, то есть предложить объяснения.

Как только спектр получен, основная задача состоит в том, чтобы извлечь информацию, которую он содержит в абстрактном или скрытом виде..

Это требует распознавания определенных шаблонов, ассоциации этих шаблонов с физическими параметрами и интерпретации этих шаблонов в терминах значимых и логических объяснений..

Электромагнитный спектр

Большая часть органической спектроскопии использует электромагнитную энергию или излучение в качестве физического стимула. Электромагнитная энергия (такая как видимый свет) не имеет определяемой массовой составляющей. Другими словами, это можно назвать «чистой энергией».

Другие типы излучения, такие как альфа-лучи, которые состоят из ядер гелия, имеют детектируемый компонент массы и поэтому не могут быть классифицированы как электромагнитная энергия.

Важными параметрами, связанными с электромагнитным излучением, являются:

• Энергия (E): энергия прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны, как указано в приведенном ниже уравнении.

  • Частота (μ)
  • Длина волны (λ)
  • Уравнение: E = hμ

Колебательные моды

  • Ковалентные связи могут вибрировать различными способами, включая растяжение, раскачивание и ножницы..
  • Наиболее полезные полосы в инфракрасном спектре соответствуют частотам растяжения.

Передача против поглощение

Когда химический образец подвергается воздействию ИК-света (инфракрасного излучения), он может поглощать некоторые частоты и передавать остальные. Часть света также может быть отражена обратно к источнику.

Детектор обнаруживает передаваемые частоты и при этом также выявляет значения поглощенных частот..

ИК-спектр в режиме поглощения

ИК-спектр в основном представляет собой график частот, передаваемых (или поглощаемых) в зависимости от интенсивности передачи (или поглощения). Частоты отображаются на оси x в единицах обратных сантиметров (волновых числах), а интенсивности представлены на оси y и в процентах. График показывает спектр в режиме поглощения:

ИК-спектр в режиме передачи

График показывает спектр в режиме передачи. Это наиболее часто используемое представление, встречающееся в большинстве книг по химии и спектроскопии..

Использование и приложения

Поскольку инфракрасная спектроскопия является надежным и простым методом, она широко используется в органическом синтезе, науке о полимерах, нефтехимическом машиностроении, фармацевтической промышленности и анализе пищевых продуктов..

Кроме того, поскольку ИК-спектрометры можно дезинфицировать с помощью хроматографии, механизм химических реакций и обнаружение нестабильных веществ можно исследовать с помощью таких инструментов..

Некоторые применения и приложения включают в себя:

Контроль качества

Он используется в приложениях для контроля качества, динамических измерений и мониторинга, таких как длительное автоматическое измерение концентрации CO2 в теплицах и камерах роста с использованием инфракрасных газоанализаторов..

Судебный анализ

Он используется в криминалистическом анализе в уголовных и гражданских делах, например, для выявления деградации полимеров. Может использоваться для определения содержания алкоголя в крови водителя, подозреваемого в пьянстве.

Анализ твердых образцов без необходимости разрезать

Полезный способ анализа твердых образцов без необходимости вырезать - использовать ATR или аттенюированную спектроскопию полного отражения. При таком подходе образцы прижимаются к поверхности монокристалла. Инфракрасное излучение проходит через стекло и взаимодействует с образцом только на границе раздела двух материалов..

Анализ и идентификация пигментов

ИК-спектроскопия успешно используется для анализа и идентификации пигментов в картинах и других предметах искусства, таких как освещенные рукописи.

Использование в пищевой промышленности

Другое важное применение инфракрасной спектроскопии - в пищевой промышленности для измерения концентрации различных соединений в различных пищевых продуктах..

Прецизионные исследования

С ростом технологий в компьютерной фильтрации и манипулировании результатами, образцы в растворе теперь могут быть точно измерены. Некоторые приборы также автоматически сообщают вам, какое вещество измеряется из хранилища тысяч сохраненных эталонных спектров..

Полевые испытания

Приборы теперь маленькие и могут перевозиться даже для использования в полевых испытаниях.

Утечки газа

Инфракрасная спектроскопия также используется в устройствах обнаружения утечек газа, таких как DP-IR и EyeCGA. Эти устройства обнаруживают утечки углеводородного газа при транспортировке природного и неочищенного газа..

Использование в космосе

НАСА использует очень современную базу данных, основанную на инфракрасной спектроскопии, для отслеживания полициклических ароматических углеводородов во вселенной.

По мнению ученых, более 20% углерода во вселенной может быть связано с полициклическими ароматическими углеводородами, возможными исходными материалами для формирования жизни.

Полициклические ароматические углеводороды, по-видимому, образовались вскоре после Большого взрыва. Они широко распространены по всей вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами..

ссылки

  1. Нэнси Биркнер (2015). Прикосновение разума. Как работает ИК-спектрометр Получено с: mindtouch.com.
  2. Кортес (2006). Теория и интерпретация ИК спектров. Пирсон Прентис Холл. Получено от: utdallas.edu.
  3. Барбара Стюарт (2004). Инфракрасная спектроскопия. Wiley. Получено с: kinetics.nsc.ru.
  4. Википедия (2016). Инфракрасная спектроскопия. Википедия, свободная энциклопедия. Получено с: en.wikipedia.org.