Θεωρία, μέθοδος και χρήσεις φασματοσκοπίας υπερύθρων

Το υπέρυθρη φασματοσκοπία είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο τα μόρια απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία και τελικά τη μετατρέπουν σε θερμότητα.

Αυτή η διαδικασία μπορεί να αναλυθεί με τρεις τρόπους: μέτρηση απορρόφησης, εκπομπής και αντανάκλασης. Αυτή η ακρίβεια καθιστά τη φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας μία από τις πιο σημαντικές αναλυτικές τεχνικές που είναι διαθέσιμες στους σημερινούς επιστήμονες.

Ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα της υπέρυθρης φασματοσκοπίας είναι ότι σχεδόν οποιοδήποτε δείγμα μπορεί να μελετηθεί σε όλες σχεδόν τις πολιτείες.

Τα υγρά, οι σκόνες, οι μεμβράνες, τα διαλύματα, οι πάστες, οι ίνες, τα αέρια και οι επιφάνειες μπορούν να εξεταστούν με σωστή επιλογή τεχνικών δειγματοληψίας. Ως συνέπεια των βελτιωμένων οργάνων, αναπτύχθηκε τώρα μια ποικιλία νέων ευαίσθητων τεχνικών για να εξεταστούν προηγουμένως ανυπόστατα δείγματα.

Η φασματοσκοπία υπερύθρου, μεταξύ πολλών άλλων χρήσεων και εφαρμογών, είναι χρήσιμη για τη μέτρηση του βαθμού πολυμερισμού στην παραγωγή πολυμερών. Οι αλλαγές στην ποσότητα ή τον χαρακτήρα ενός συγκεκριμένου συνδέσμου αξιολογούνται με τη μέτρηση μιας συγκεκριμένης συχνότητας με την πάροδο του χρόνου.

Τα σύγχρονα ερευνητικά μέσα μπορούν να λαμβάνουν μετρήσεις υπέρυθρης ακτινοβολίας σε όλο το φάσμα ενδιαφέροντος, όσο συχνά και 32 φορές ανά δευτερόλεπτο.

Αυτό μπορεί να γίνει ενώ οι ταυτόχρονες μετρήσεις γίνονται με άλλες τεχνικές, καθιστώντας τις παρατηρήσεις των χημικών αντιδράσεων και των διαδικασιών γρηγορότερες και ακριβέστερες.

Θεωρία της υπέρυθρης φασματοσκοπίας

Ένα ανεκτίμητο εργαλείο στον προσδιορισμό και την επαλήθευση των οργανικών δομών περιλαμβάνει την κατηγορία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (REM) με συχνότητες μεταξύ 4000 και 400 cm-1 (αριθμοί κυμάτων).

Η κατηγορία της ακτινοβολίας EM ονομάζεται υπέρυθρη (IR) ακτινοβολία και η εφαρμογή της στην οργανική χημεία γνωστή ως φασματοσκοπία IR..

Η ακτινοβολία σε αυτή την περιοχή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον προσδιορισμό της οργανικής δομής κάνοντας χρήση του γεγονότος ότι απορροφάται από διατοματικούς δεσμούς σε οργανικές ενώσεις.

Οι χημικοί δεσμοί σε διαφορετικά περιβάλλοντα θα απορροφούν μεταβλητές εντάσεις και μεταβλητές συχνότητες. Ως εκ τούτου, η φασματοσκοπία IR περιλαμβάνει τη συλλογή των πληροφοριών απορρόφησης και την ανάλυση της με τη μορφή ενός φάσματος.

Οι συχνότητες στις οποίες υπάρχουν απορροφήσεις IR ακτινοβολίας (κορυφές ή σήματα) μπορούν να συσχετιστούν άμεσα με τους συνδέσμους μέσα στην εν λόγω ένωση.

Επειδή κάθε ενδοατομικός σύνδεσμος μπορεί να δονείται σε πολλές διαφορετικές κινήσεις (τέντωμα ή κάμψη), οι μεμονωμένοι σύνδεσμοι μπορούν να απορροφήσουν περισσότερες από μία συχνότητες IR.

Οι απορροφήσεις τεντώματος τείνουν να παράγουν ισχυρότερες κορυφές από την κάμψη, ωστόσο οι ασθενέστερες απορροφήσεις κάμψης μπορεί να είναι χρήσιμες για τη διαφοροποίηση παρόμοιων τύπων δεσμών (π.χ. αρωματική υποκατάσταση).

Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι οι συμμετρικές δονήσεις δεν προκαλούν απορρόφηση της ακτινοβολίας IR. Για παράδειγμα, κανένας από τους δεσμούς άνθρακα-άνθρακα αιθυλενίου ή αιθυλενίου δεν απορροφά την ακτινοβολία IR.

Μέθοδοι οργάνου προσδιορισμού της δομής

Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (NMR)

Συγκέντρωση του πυρήνα των ατόμων μέσω ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων. Παρέχει εκτενείς πληροφορίες σχετικά με τη μοριακή δομή και τη συνδεσιμότητα των ατόμων.

Φασματοσκοπία υπερύθρου (IR)

Αποτελείται από πυρκαγιές μοριακών δονήσεων μέσω ακτινοβολίας με υπέρυθρο φως. Παρέχει κυρίως πληροφορίες σχετικά με την παρουσία ή την απουσία ορισμένων λειτουργικών ομάδων.

Φασματομετρία μάζας

Βομβαρδισμός του δείγματος με ηλεκτρόνια και ανίχνευση των μοριακών θραυσμάτων που προκύπτουν. Παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη συνδεσιμότητα της μοριακής μάζας και των ατόμων.

Φασματοσκοπία υπεριώδους (UV)

Προώθηση ηλεκτρονίων σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας με ακτινοβολία του μορίου με υπεριώδες φως. Παρέχει πληροφορίες σχετικά με την παρουσία συζευγμένων συστημάτων π και διπλών και τριπλών δεσμών.

Φασματοσκοπία

Είναι η μελέτη των φασματικών πληροφοριών. Μετά την ακτινοβόληση με υπέρυθρο φως, ορισμένοι δεσμοί αποκρίνονται ταχύτερα από τους κραδασμούς. Αυτή η απάντηση μπορεί να ανιχνευθεί και να μεταφραστεί σε μια οπτική αναπαράσταση που ονομάζεται φάσμα. 

Διαδικασία ερμηνείας φάσματος

1. Αναγνωρίστε ένα μοτίβο.
2. Συνδέστε σχέδια με φυσικές παραμέτρους.
3. Προσδιορίστε τις πιθανές έννοιες, δηλαδή να προτείνετε εξηγήσεις.

Μόλις ληφθεί ένα φάσμα, η κύρια πρόκληση είναι να εξαγάγει τις πληροφορίες που περιέχει σε μια αφηρημένη ή κρυφή μορφή.

Αυτό απαιτεί την αναγνώριση ορισμένων μοτίβων, τη συσχέτιση αυτών των μοτίβων με τις φυσικές παραμέτρους και την ερμηνεία αυτών των μοτίβων όσον αφορά σημαντικές και λογικές εξηγήσεις..

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Η περισσότερη οργανική φασματοσκοπία χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, ή ακτινοβολία, ως φυσικό ερέθισμα. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια (όπως το ορατό φως) δεν έχει ανιχνεύσιμη συνιστώσα μάζας. Με άλλα λόγια, μπορεί να ονομαστεί "καθαρή ενέργεια".

Άλλοι τύποι ακτινοβολίας, όπως οι άλφα ακτίνες, οι οποίοι αποτελούνται από πυρήνες ηλίου, έχουν ανιχνεύσιμη συνιστώσα μάζας και συνεπώς δεν μπορούν να ταξινομηθούν ως ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.

Οι σημαντικές παράμετροι που σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι

• Ενέργεια (E): Η ενέργεια είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητας και αντιστρόφως ανάλογη προς το μήκος κύματος, όπως υποδεικνύεται στην παρακάτω εξίσωση.

• Συχνότητα (μ)
• Μήκος κύματος (λ)
• Εξίσωση: E = hμ

Δονητικές λειτουργίες

• Οι ομοιοπολικοί δεσμοί μπορούν να δονηθούν με διάφορους τρόπους, συμπεριλαμβανομένου του τεντώματος, του λικνίσματος και του ψαλιδιού.

• Οι πιο χρήσιμες ζώνες σε ένα υπέρυθρο φάσμα αντιστοιχούν σε συχνότητες τεντώματος.

Διαβίβαση εναντίον Απορρόφηση

Όταν ένα χημικό δείγμα εκτίθεται στη δράση του IR LIGHT (υπέρυθρο φως), μπορεί να απορροφήσει μερικές συχνότητες και να μεταδώσει το υπόλοιπο. Μέρος του φωτός μπορεί επίσης να αντανακλάται πίσω στην πηγή.

Ο ανιχνευτής ανιχνεύει τις μεταδιδόμενες συχνότητες, και με αυτόν τον τρόπο αποκαλύπτει επίσης τις τιμές των απορροφούμενων συχνοτήτων.

Ένα φάσμα IR σε τρόπο απορρόφησης

Το φάσμα IR είναι βασικά ένα γράφημα των μεταδιδόμενων (ή απορροφούμενων) συχνοτήτων σε σχέση με την ένταση της μετάδοσης (ή απορρόφησης). Οι συχνότητες εμφανίζονται στον άξονα x σε μονάδες αντίστροφων εκατοστών (αριθμοί κυμάτων) και οι εντάσεις αναπαρίστανται στον άξονα y και σε ποσοστιαίες μονάδες. Το γράφημα δείχνει ένα φάσμα σε τρόπο απορρόφησης:

Ένα φάσμα IR σε λειτουργία μετάδοσης

Το γράφημα δείχνει ένα φάσμα στη λειτουργία μετάδοσης. Αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη αναπαράσταση και αυτή που βρίσκεται στα περισσότερα βιβλία χημείας και φασματοσκοπίας.

Χρήσεις και εφαρμογές

Επειδή η φασματοσκοπία υπερύθρου είναι μια αξιόπιστη και απλή τεχνική, χρησιμοποιείται ευρέως στην οργανική σύνθεση, την πολυμερή επιστήμη, τη πετροχημική μηχανική, τη φαρμακευτική βιομηχανία και την ανάλυση τροφίμων..

Επιπλέον, επειδή τα φασματοφωτόμετρα FTIR μπορούν να απολυμανθούν με χρωματογραφία, ο μηχανισμός των χημικών αντιδράσεων και η ανίχνευση ασταθών ουσιών μπορούν να διερευνηθούν με τέτοια όργανα.

Ορισμένες χρήσεις και εφαρμογές περιλαμβάνουν:

Έλεγχοι ποιότητας

Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές ελέγχου της ποιότητας, δυναμικής μέτρησης και παρακολούθησης, όπως η μακροχρόνια μη επιτηρούμενη μέτρηση συγκεντρώσεων CO2 σε θερμοκήπια και θάλαμοι ανάπτυξης χρησιμοποιώντας αναλυτές υπέρυθρων αερίων.

Δικαστική ανάλυση

Χρησιμοποιείται στην εγκληματολογική ανάλυση σε ποινικές και αστικές περιπτώσεις, για παράδειγμα στην ταυτοποίηση της υποβάθμισης του πολυμερούς. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του περιεχομένου αλκοόλ αίματος ενός οδηγού που είναι ύποπτος ότι είναι μεθυσμένος.

Ανάλυση στερεών δειγμάτων χωρίς την ανάγκη κοπής

Ένας χρήσιμος τρόπος για την ανάλυση στερεών δειγμάτων χωρίς την ανάγκη κοπής είναι η χρήση φασματοσκοπίας ATR ή εξασθενημένης ολικής ανάκλασης. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, τα δείγματα πιέζονται στην όψη ενός μόνο κρυστάλλου. Η υπέρυθρη ακτινοβολία διέρχεται από το γυαλί και αλληλεπιδρά μόνο με το δείγμα στη διεπιφάνεια μεταξύ των δύο υλικών.

Ανάλυση και ταυτοποίηση των χρωστικών ουσιών

Η φασματοσκοπία IR έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στην ανάλυση και ταυτοποίηση των χρωστικών σε πίνακες και άλλα αντικείμενα τέχνης, όπως φωτισμένα χειρόγραφα.

Χρήση στη βιομηχανία τροφίμων

Μια άλλη σημαντική εφαρμογή της υπέρυθρης φασματοσκοπίας είναι στη βιομηχανία τροφίμων για τη μέτρηση της συγκέντρωσης διαφόρων ενώσεων σε διάφορα τρόφιμα.

Μελέτες ακριβείας

Με την αύξηση της τεχνολογίας στο φιλτράρισμα του υπολογιστή και τον χειρισμό των αποτελεσμάτων, τα δείγματα σε διάλυμα μπορούν τώρα να μετρηθούν με ακρίβεια. Ορισμένα όργανα θα σας ενημερώσουν αυτόματα ποια ουσία μετριέται από μια αποθήκη χιλιάδων αποθηκευμένων φάσεων αναφοράς.

Δοκιμές πεδίου

Τα όργανα είναι τώρα μικρά και μπορούν να μεταφερθούν, ακόμη και για χρήση σε δοκιμές πεδίου.

Διαρροές αερίου

Η φασματοσκοπία υπερύθρου χρησιμοποιείται επίσης σε συσκευές ανίχνευσης διαρροών αερίων όπως DP-IR και EyeCGAs. Αυτές οι συσκευές ανιχνεύουν διαρροές αερίων υδρογονανθράκων στη μεταφορά φυσικού και ακατέργαστου αερίου.

Χρήση στο διάστημα

Η NASA χρησιμοποιεί μια πολύ ενημερωμένη βάση δεδομένων, βασισμένη στην υπέρυθρη φασματοσκοπία, για την παρακολούθηση πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων στο σύμπαν.

Σύμφωνα με επιστήμονες, περισσότερο από το 20% του άνθρακα στο σύμπαν μπορεί να συνδεθεί με πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, πιθανές πρώτες ύλες για το σχηματισμό της ζωής.

Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες φαίνεται να έχουν σχηματιστεί λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Είναι ευρέως διαδεδομένα σε όλο το σύμπαν και σχετίζονται με νέα αστέρια και εξωπλανήτες.

Αναφορές

1. Νανσί Μπέρκνερ (2015). Mind Touch. Πώς λειτουργεί ένα φασματόμετρο FTIR. Ανακτήθηκε από: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Θεωρία και ερμηνεία των φασμάτων IR. Pearson Prentice Hall. Ανακτήθηκε από: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Φασματοσκοπία υπερύθρων. Wiley Ανακτήθηκε από: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Φασματοσκοπία υπερύθρων. Wikipedia, η ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org.