Infraröd spektroskopi

Denna teknik täcker regionen elektromagnetiskt spektrum mellan det synliga (våglängden 800 nanometer) och mikrovågsugnen med kort våglängd (0,3 millimeter). De spektra som observeras i denna region är främst associerade med den inre vibrationsrörelsen hos molekyler, men några få ljusmolekyler kommer att ha rotationsövergångar i regionen. För det infraröda området är vågnumret (ν̄, ömsesidig av våglängden) används ofta för att mäta energi. Infraröd spektroskopi har historiskt delats in i tre regioner: den nära infraröda (4000–12 500 inversa centimeter [cm−1]), mitten av infraröd (400-4000 cm−1) och den långt infraröda (10–400 cm−1). Med utvecklingen av Fourier-transform-spektrometrar har denna skillnad på områden suddats ut och de mer sofistikerade instrumenten kan täcka från 10 till 25 000 cm−1genom ett utbyte av källa, stråldelare, detektor och provcell.

Infraröd instrumentering

För det nära infraröda området en volfram-glödlampa (6000–25 000 cm)−1) fungerar som en källa. I mittregionen är standardkällan en Globar (50–6 000 cm−1), en kiselkarbidcylinder som är elektriskt uppvärmd för att fungera som en svart kroppsstrålare. Strålning från en kvicksilverbågslampa (10–70 cm−1) används i det avlägsna infraröda området. I ett instrument av gitter-monokromatortyp skannas hela sortimentet av käll-detektorkombinationen genom att ändra gitterläget mekaniskt. I ett Fourier-transforminstrument begränsas räckvidden för en enda skanning i allmänhet av stråldelningsegenskaperna. Stråldelaren fungerar för att dela källsignalen i två delar för att bilda ett störningsmönster. I det nära infraröda området används antingen en kvartsplatta eller kisel avsatt på en kvartsplatta. I det mellersta infraröda området finns en mängd optisk kvalitet kristaller , såsom kalciumfluorid (CaFtvåzinkselenid (ZnSe), cesiumjodid (CsI), eller kaliumbromid (KBr), belagd med kisel eller germanium används. Under 200 cm−1Mylarfilmer av varierande tjocklek används för att täcka smala delar av regionen. Termisk detektering av infraröd strålning baseras på omvandlingen av en temperatur förändring, resulterande från sådan strålning som faller på ett lämpligt material, till en mätbar signal. En Golay-detektor använder reflektion av ljus från en termiskt förvrängbar reflekterande film på en fotoelektrisk cell, medan en bolometer uppvisar en förändring i elektrisk motstånd med en temperaturförändring. I båda fallen måste enheten svara på mycket små och mycket snabba förändringar. I Fourier-transformspektrometrarna kan hela den optiska banan evakueras för att förhindra störningar från främmande material såsom vatten och koldioxid i luften.



en huvudbestämmelse i monroe-doktrinen var att

Ett stort antal prover kan undersökas med hjälp av infraröd spektroskopi. Normal transmission kan användas för vätskor, tunna filmer av fasta ämnen och gaser. Inneslutningen av vätske- och gasprover måste finnas i en cell som har infrarödsändande fönster som natriumklorid, kalium bromid, eller cesium jodid. Fasta ämnen, filmer och beläggningar kan undersökas med hjälp av flera tekniker som använder reflektion av strålning från provet.



Utvecklingen av halvledardiodlasrar, F-centrumlasrar och spin-flip Raman-lasrar ger nya källor för infraröda spektrometrar. Dessa källor är i allmänhet inte bredband men har hög intensitet och är användbara för konstruktion av instrument som är utformade för specifika applikationer i smala frekvensområden.

Analys av absorption spektra

Upptäck de tekniker som används för att bedöma äktheten hos målningar

Upptäck de tekniker som används för att bedöma målningarnas äkthet Lär dig hur kemi kan användas för att upptäcka konstförfalskning. American Chemical Society (Britannica Publishing Partner) Se alla videor för den här artikeln



Absorptionen av infraröd strålning beror på en molekyls vibrationsrörelse. För en diatomisk molekyl är analysen av denna rörelse relativt enkel eftersom det bara finns ett vibrationssätt, bindningens sträckning. För polyatomiska molekyler är situationen sammansatt genom samtidig rörelse av många kärnor. Den mekaniska modellen som används för att analysera denna komplexa rörelse är en där kärnorna anses vara punktmassor och de interatomiska kemiska bindningarna ses som masslösa fjädrar. Även om vibrationerna i en molekyl följer kvantmekanikens lagar kan molekylära system analyseras med klassisk mekanik för att fastställa vibrationsrörelsens natur. Analys visar att ett sådant system kommer att visa en uppsättning resonansfrekvenser, var och en är associerad med en annan kombination av kärnrörelser. Antalet sådana resonanser som uppstår är 3 N - 5 för en linjär molekyl och 3 N - 6 för en icke-linjär, där N är antalet atomer i molekylen. Rörelserna för de enskilda kärnorna är sådana att systemets masscentrum inte förändras under förskjutningarna. Frekvenserna vid vilka infraröd strålning absorberas motsvarar frekvenserna för de normala vibrationssätten eller kan betraktas som övergångar mellan kvantiserade energinivåer, vilka var och en motsvarar exciterade tillstånd i ett normalt läge. En analys av alla normala frekvenser för en molekyl kan ge en uppsättning kraftkonstanter som är relaterade till de individuella bindningssträcknings- och bindningsböjningsrörelserna i molekylen.

När de undersöks med hjälp av ett högupplöst instrument och med proverna i gasfasen kommer de enskilda normala absorptionslinjerna för polyatomiska molekyler att separeras i en serie av nära varandra vassa linjer. Analysen av denna vibrationsstruktur kan ge samma typ av information som kan erhållas från rotationsspektra, men även de högsta upplösningens infraröda instrument (0,0001 cm−1) kan inte närma sig en Fourier-transform mikrovågsspektrometer (10 kilohertz), och resultaten är därför inte alls lika exakta.

På grund av anharmoniciteten hos de molekylära vibrationerna, övergångar motsvarande multiplar (2ν i , 3ν i , etc., känd som övertoner) och kombinationer (v1+ vtvå, 2ν3+ v4, etc.) av de grundläggande frekvenserna kommer att inträffa.



Normala modfrekvenser tenderar att associeras med intramolekylära rörelser av specifika molekylära enheter och kommer att befinnas ha värden som ligger i ett relativt smalt frekvensområde för alla molekyler som innehåller den enheten. Till exempel kommer alla molekyler som innehåller en karboxylgrupp (C = O) att ha ett normalt vibrationsläge som involverar sträckning av kol-syre-dubbelbindningen. Dess speciella frekvens kommer att variera beroende på naturen hos atomerna eller grupperna av atomer fästa vid kolatomen men kommer vanligtvis att förekomma i området 1 650–1 750 cm−1. Samma typ av beteende observeras för andra enheter såsom syre-väte (O ― H) sträckningsrörelse i hydroxylgruppen och C = C sträckningsrörelse i molekyler med kol-kol dubbelbindningar. Detta förutsägbara beteende har lett till utvecklingen av spektrala korrelationskartor som kan jämföras med observerade infraröda spektra för att underlätta fastställa närvaron eller frånvaron av speciella molekylära enheter och vid bestämning av strukturen hos nysyntetiserade eller okända arter. Det infraröda spektrumet för varje enskild molekyl är ett unikt fingeravtryck för den molekylen och kan fungera som en pålitlig form av identifiering.

Ramanspektroskopi

Ramanspektroskopi baseras på absorptionen av fotoner med en specifik frekvens följt av spridning med högre eller lägre frekvens. Modifieringen av de spridda fotonerna beror på att de infallande fotonerna antingen får energi från eller förlorar energi till molekylens vibrations- och rotationsrörelse. Kvantitativt bestrålas ett prov (fast, flytande eller gas) med en källfrekvens ν0och den spridda strålningen kommer att ha frekvensen v0± ν i , där ν i är frekvensen som motsvarar en vibrations- eller rotationsövergång i molekylen. Eftersom molekyler finns i ett antal olika rotations- och vibrationstillstånd (beroende på temperaturen) har många olika värden på ν i är möjliga. Följaktligen kommer Ramans spektra att bestå av ett stort antal spridda linjer.

vilken karaktär som skiljer bakterier från archaea

De flesta infallande fotoner sprids av provet utan ändring i frekvens i en process som kallas Rayleigh-spridning. Till förbättra observationen av strålningen vid v0± ν i , observeras den spridda strålningen vinkelrätt mot den infallande strålen. Att tillhandahålla högintensiv infallande strålning och möjliggöra observation av linjer där ν i är liten (som på grund av rotationsförändringar) är källan i en Raman-spektrometer en monokromatisk synlig laser. Den spridda strålningen kan sedan analyseras med användning av en optisk monokromator som skannar med ett ljusrör som en detektor.



Observation av en molekyls vibrationsramspektrum beror på en förändring av molekylernas polariserbarhet (förmåga att förvrängas av ett elektriskt fält) snarare än dess dipolmoment under atomernas vibration. Som ett resultat ger infraröda och Raman-spektra kompletterande information, och mellan de två teknikerna kan alla vibrationsövergångar observeras. Denna kombination av tekniker är väsentlig för mätningen av alla vibrationsfrekvenser hos molekyler med hög symmetri som inte har permanenta dipolmoment. Analogt kommer det att finnas ett rotationsramanspektrum för molekyler utan permanent dipolmoment som följaktligen inte har några rena rotationsspektrum.