Infrarooispektroskopie

Die elektromagnetiese spektrum met infrarooi langs sigbare lig aangedui.

Infrarooispektroskopie (word ook IR-spektroskopie of vibrasiespektroskopie genoem) is die meting van die interaksie van die infrarooi-gedeelte van die elektromagnetiese spektrum met materie deur absorpsie, emissie of refleksie. Dit word gebruik om chemiese verbindings of funksionele groepe in vaste, vloeibare of gasvormige vorm te bestudeer en te identifiseer. Dit kan gebruik word om nuwe materiale te karakteriseer of bekende en onbekende monsters te identifiseer.

Infrarooispektroskopie word uitgevoer met 'n instrument genaamd 'n infrarooi spektrometer (of spektrofotometer) wat 'n infrarooi spektrum produseer. Tipiese frekwensie-eenhede wat in IR-spektra gebruik word, is wederkerige sentimeter (soms genoem golfgetalle), met die simbool cm⁻¹. Eenhede van IR-golflengte word gewoonlik in mikrometers aangewys (voorheen genoem "mikrone"), simbool μm, wat op 'n wederkerige manier met golfgetalle verband hou. 'n Algemene laboratoriuminstrument wat hierdie tegniek gebruik, is 'n Fourier-transform infrarooispektrometer (FTIR). Tweedimensionele infrarooispektroskopie is ook moontlik.

Teorie

Infrarooispektroskopie benut die feit dat molekules frekwensies absorbeer wat kenmerkend is van hul struktuur. Hierdie absorpsies vind plaas teen die resonante frekwensies, dit wil sê die frekwensie van die geabsorbeerde straling pas by die vibrasiefrekwensie. Die energieë word beïnvloed deur die vorm van die molekulêre potensiële energie-oppervlaktes, die massas van die atome en die gepaardgaande vibroniese koppeling. Die molekule se elektroniese grondtoestandvibrasies kan benader word deur 'n harmoniese ossillator en die resonante frekwensies hou dan verband met die normale vibrasiemodusse van hierdie stelsel. Die resonante frekwensies hou ook verband met die sterkte van die binding en die massa van die atome aan weerskante van die binding. Die frekwensie van die vibrasies word dus geassosieer met 'n bepaalde normale bewegingsmodus en 'n bepaalde bindingstipe. (Sien Wiskundige modelle hieronder)

3D-animasie van die simmetriese rek-kompressie-modus van die C–H-bindings van broommetaan

Aantal vibrasiemodusse

Vir 'n virbasionele modus om deur IR-spektroskopie opgespoor te word, moet dit geassosieer word met veranderinge in die dipoolmoment. 'n Permanente dipool is nie nodig nie, aangesien die reël slegs 'n verandering in dipoolmoment vereis.^[1]

Soutsuurspektrum:Hoë resolusie infrarooi-spektrum van soutsuur in die gastoestand.

'n Molekule kan op baie maniere vibreer, en elke manier word 'n vibrasiemodus genoem. Vir molekules met N aantal atome, het lineêre molekules 3N – 5 grade vibrasiemodusse, terwyl nie-lineêre molekules 3N – 6 grade vibrasiemodusse het (ook genoem vibrasiegrade van vryheid). As 'n voorbeeld sal H₂O, 'n nie-lineêre molekule, 3 × 3 – 6 = 3 grade van vibrasievryheid, of modusse hê.

Eenvoudige diatomiese molekules het net een binding en net een vibrasieband. As die molekule simmetries is, bv. N₂, word die band nie in die IR-spektrum waargeneem nie, maar slegs in die Raman-spektrum. Asimmetriese diatomiese molekules, bv. CO, absorbeer in die IR-spektrum. Meer komplekse molekules het baie bindings, en hul vibrasiespektra is ook meer kompleks, dit wil sê groot molekules het baie pieke in hul IR-spektra.

Rotasie-vibrasiespektrum van metaan (CH₄) in die gastoestand met P-, Q- en R-takke.

Die atome in 'n CH₂X₂-groep, wat algemeen in organiese verbindings voorkom en waar X enige ander atoom kan verteenwoordig, kan op nege verskillende maniere vibreer, soos in die tabel getoon.

	simmetries	Asimmetries
Radiaal	Simmetriese strek (νs)	Asimmetriese strek (νas)
Breedwydte	Skêr (δ)	Wieg (ρ)
Lengtewydte	Waggel (ω)	Draai (τ)

Gebruike en toepassings

Draagbare naby-infrarooispektroskopie toestel wat gebruik word om potensieel onwettige stowwe en dwelms op te spoor

Infrarooispektroskopie is 'n eenvoudige en betroubare tegniek wat wyd gebruik word in beide organiese en anorganiese chemie, in navorsing en industrie. Dit word gebruik in gehaltebeheer, dinamiese meting en monitering toepassings soos die langtermyn meting van CO₂ konsentrasies in kweekhuise en groeikamers deur infrarooi gas ontleders.

Dit word ook gebruik in forensiese ontleding in beide kriminele en siviele sake, byvoorbeeld in die identifisering van polimeerdegradasie. Dit kan bv. gebruik word om die bloedalkoholinhoud van 'n vermeende dronk bestuurder te bepaal.

IR-spektroskopie is suksesvol gebruik in die ontleding en identifikasie van pigmente in skilderye^[2] en ander kunsvoorwerpe^[3] soos bv. manuskripte.^[4]

'n Nuttige manier om vaste monsters te analiseer sonder die behoefte om monsters te sny, gebruik verswakte totale reflektansiespektroskopie. Deur hierdie benadering te gebruik, word monsters teen die gesig van 'n enkele kristal gedruk. Die infrarooi straling gaan deur die kristal en tree slegs in wisselwerking met die monster by die raakvlak tussen die twee materiale.

Met toenemende tegnologie in rekenaarfiltrering en manipulasie van die resultate, kan monsters in oplossing nou akkuraat gemeet word (water produseer 'n breë absorpsie oor die reeks van belang, en maak dus die spektra onleesbaar sonder hierdie rekenaarbehandeling).

Sommige instrumente identifiseer ook outomaties die stof wat gemeet word vanaf duisende verwysingsspektra wat in stoor gehou word.

Infrarooispektroskopie is ook nuttig om die graad van polimerisasie in polimeervervaardiging te meet. Veranderinge in die karakter of hoeveelheid van 'n spesifieke verband word beoordeel deur teen 'n spesifieke frekwensie oor tyd te meet. Moderne navorsingsinstrumente kan so gereeld as 32 keer per sekonde infrarooi metings oor die reeks van belangstelling neem. Dit kan gedoen word terwyl gelyktydige metings met ander tegnieke gedoen word. Dit maak die waarnemings van chemiese reaksies en prosesse vinniger en meer akkuraat.

Infrarooispektroskopie is ook suksesvol op die gebied van halfgeleiermikro-elektronika gebruik: byvoorbeeld, infrarooispektroskopie kan toegepas word op halfgeleiers soos silikon, galliumarsenied, galliumnitried, sinkselenied, amorfe silikon, silikonnitried, ens.^[5]

Nog 'n belangrike toepassing van infrarooispektroskopie is in die voedselindustrie om die konsentrasie van verskeie verbindings in verskillende voedselprodukte te meet.^[6][7]

Die instrumente is nou klein, en kan vervoer word, selfs vir gebruik in veldproewe.

Infrarooispektroskopie word ook gebruik in gaslek opsporing toestelle soos die DP-IR en EyeCGAs.^[8] Hierdie toestelle bespeur koolwaterstofgaslekkasies in die vervoer van aardgas en ru-olie.

In Februarie 2014 het NASA 'n opgegradeerde databasis aangekondig, gebaseer op IR-spektroskopie, vir die opsporing van polisikliese aromatiese koolwaterstowwe in die heelal.^[9] Volgens wetenskaplikes kan meer as 20% van die koolstof in die heelal geassosieer word met polisikliese aromatiese koolwaterstowwe (PAK's), moontlike beginmateriaal vir die vorming van lewe. PAK's is blykbaar kort na die Oerknal gevorm, is wydverspreid deur die heelal, en word geassosieer met nuwe sterre en eksoplanete.^[10]

Infrarooispektroskopie is 'n belangrike ontledingsmetode in die herwinningsproses van huishoudelike afvalplastiek, en 'n gerieflike metode om plastiek van verskillende polimere te sorteer.^[11]

Ander ontwikkelings sluit in 'n miniatuur IR-spektrometer wat gekoppel is aan 'n wolkgebaseerde databasis en geskik is vir persoonlike alledaagse gebruik,^[12] en Naby-infrarooispektroskopiese skyfies wat binne in selfone en verskeie toestelle geplaas kan word.^[13]

Wiskundige modelle

Klassieke model

Die eenvoudigste model wat hierdie proses beskryf is die harmoniese ossilator. Die potensiaalput V wat die binding tussen twee deeltjies (atome) voorstel word in hierdie model as parabolies gesien:

${\displaystyle V={\frac {1}{2}}kx^{2}}$

k=kragkonstante

x=afwyking uit die ewewigsposisie as funksie van die tyd t: x(t)

In hierdie model is die krag wat die deeltjies probeer na die ewewigsposisie terug te bring eweredig aan die afwyking x

${\displaystyle F=ma=m{\ddot {x}}=m{\frac {\partial ^{2}x}{\partial t^{2}}}=-kx}$

Die klassieke oplossing van hierdie differensiaalvergelyking is 'n kosinus of sinusfunksie:

${\displaystyle x(t)=Acos(\omega t)}$

Die frekwensie is:

${\displaystyle \omega ={\sqrt {\frac {k}{\mu }}}}$

Die massa μ is die gereduseerde massa. Vir 'n chemiese binding tussen twee atome is hierdie grootheid:

${\displaystyle {\frac {1}{\mu }}={{\frac {1}{m_{1}}}+{\frac {1}{m_{2}}}}}$

Kwantummodel

Omdat in infrarooispektroskopie die ossilatore wat bestudeer word atome betref, is dit nodig om die kwantisasie van die vibrasietoestande te beskou. Die paraboliese potensiaal kan in die Schrödingervergelyking ingevul word:

${\displaystyle H\Psi =E\Psi }$

${\displaystyle -{\frac {h^{2}}{8\pi ^{2}m}}{\frac {\partial ^{2}\Psi }{\partial x^{2}}}+V(x)\Psi =E\Psi }$

${\displaystyle -{\frac {h^{2}}{8\pi ^{2}m}}{\frac {\partial ^{2}\Psi }{\partial x^{2}}}+kx^{2}\Psi =E\Psi }$

Verwysings

1. Atkins, Peter W; de Paula, Julio (2009). Elements of physical chemistry (in Engels) (5de uitg.). Oxford: Oxford U.P. p. 459. ISBN 978-0-19-922672-6.
2. "Infrared Spectroscopy". ColourLex (in Engels). 12 Maart 2021. Besoek op 19 Januarie 2022.
3. Derrick MR, Stulik D, Landry JM (2000). "Infrared Spectroscopy in Conservation Science, Scientific Tools for Conservation" (PDF) (in Engels). Getty Publications.
4. Ricciardi, Paola. "Unlocking the secrets of illuminated manuscripts" (in Engels). Besoek op 19 Januarie 2022.
5. Lau WS (1999). Infrared characterization for microelectronics (in Engels). World Scientific. ISBN 978-981-02-2352-6.
6. Osborne, Brian G. (30 Oktober 2000). Near-Infrared Spectroscopy in Food Analysis (in Engels). Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd. doi:10.1002/9780470027318.a1018.
7. Villar A, Gorritxategi E, Aranzabe E, Fernández S, Otaduy D, Fernández LA (Desember 2012). "Low-cost visible-near infrared sensor for on-line monitoring of fat and fatty acids content during the manufacturing process of the milk". Food Chemistry (in Engels). 135 (4): 2756–60. doi:10.1016/j.foodchem.2012.07.074. PMID 22980869.
8. "Infrared (IR) / Optical Based Archives - Heath Consultants". Heath Consultants (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 20 Januarie 2022. Besoek op 19 Januarie 2022.
9. "NASA Ames PAH IR Spectroscopic Database". The Astrophysics & Astrochemistry Laboratory (in Engels). 12 September 2019. Besoek op 19 Januarie 2022.
10. Hoover, Rachel (21 Februarie 2014). "Need to Track Organic Nano-Particles Across the Universe? NASA's Got an App for That". NASA (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 10 Mei 2020. Besoek op 19 Januarie 2022.
11. Becker, Wolfgang; Sachsenheimer, Kerstin; Klemenz, Melanie (2017). "Detection of Black Plastics in the Middle Infrared Spectrum (MIR) Using Photon Up-Conversion Technique for Polymer Recycling Process". Polymers (in Engels). MDPI. 9 (9). doi:10.3390/polym9090435. PMC 6418689. PMID 30965736.
12. Perry, Tekla S. (14 Maart 2017). "What Happened When We Took the SCiO Food Analyzer Grocery Shopping". IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News (in Engels). Besoek op 19 Januarie 2022.
13. Coates, John (18 Junie 2014). "A Review of New Small-Scale Technologies for Near Infrared Measurements". American Pharmaceutical Review (in Engels). Coates Consulting LLC. Besoek op 19 Januarie 2022.