Infrarot-Spektroskopie

Für eine Tabelle der IR -Spektroskopiedaten siehe Korrelationstabelle Infrarotspektroskopie.
OVIRS-Instrument der Osiris-Rex-Sonde ist ein sichtbares und Infrarotspektrometer

Infrarot-Spektroskopie (IR -Spektroskopie oder Schwingungsspektroskopie) ist die Messung der Wechselwirkung von Infrarot Strahlung mit Angelegenheit durch Absorption, Emission, oder Betrachtung. Es wird verwendet, um zu studieren und zu identifizieren Chemikalien oder funktionelle Gruppen in festen, flüssigen oder gasförmigen Formen. Es kann verwendet werden, um neue Materialien zu charakterisieren oder bekannte und unbekannte Proben zu identifizieren und zu überprüfen. Die Methode oder Technik der Infrarotspektroskopie wird mit einem Instrument als als bezeichnet Infrarotspektrometer (oder Spektrophotometer), das eine erzeugt Infrarotspektrum. Ein IR -Spektrum kann in einem Diagramm von Infrarotlicht sichtbar gemacht werden Absorption (oder Durchlässigkeit) auf der vertikalen Achse vs. Frequenz, Wellenzahl oder Wellenlänge Auf der horizontalen Achse. Typisch Einheiten von in IR -Spektren verwendeten Wellenzahl sind gegenseitige Zentimetermit dem Symbol cm–1. Einheiten der IR -Wellenlänge werden üblicherweise in angegeben Mikrometer (früher als "Mikron" bezeichnet), Symbol μm, die mit der Wellenzahl in a zusammenhängen gegenseitig Weg. Ein gemeinsames Laborinstrument, das diese Technik verwendet, ist a Fourier-Transformations-Infrarot (Ftir) Spektrometer. Zweidimensionaler IR ist ebenfalls möglich, wie diskutiert unter.

Der Infrarotanteil der elektromagnetisches Spektrum ist normalerweise in drei Regionen unterteilt; das nahe-, mittel- und weit- Infrarot, benannt nach ihrer Beziehung zum sichtbaren Spektrum. Die höherenergie in der Nähe von IR, ca. 14.000 bis 4.000 cm–1 (0,7–2,5 μm Wellenlänge) können anregen Oberton oder Kombinationsmodi von molekulare Schwingungen. Das mittlere Infrarot, ungefähr 4.000 bis 400 cm–1 (2,5–25 μm) wird im Allgemeinen verwendet, um die grundlegenden Schwingungen und assoziiert zu untersuchen Rotations -Vibration Struktur. Das Far-Infrarot, ungefähr 400–10 cm–1 (25–1.000 μm) haben niedrige Energie und können für verwendet werden Rotationsspektroskopie und Niederfrequenzvibrationen. Die Region von 2 bis 1330 cm–1grenzt an die Mikrowelle Region wird als die angesehen Terahertz Region und können intermolekulare Schwingungen untersuchen.[1] Die Namen und Klassifikationen dieser Subregionen sind Konventionen und basieren nur lose auf den relativen molekularen oder elektromagnetischen Eigenschaften.

Theorie

Probe einer IR -Spezifikation. lesen; Dieser ist von Bromomethan (CH3BR), der Spitzen um 3000, 1300 und 1000 cm zeigt–1 (auf der horizontalen Achse).

Infrarotspektroskopie nutzt die Tatsache aus, dass Moleküle Frequenzen absorbieren, die für sie charakteristisch sind Struktur. Diese Absorptionen treten bei Resonanzfrequenzen, d.h. die Frequenz der absorbierten Strahlung entspricht der Schwingungsfrequenz. Die Energien werden durch die Form des Molekulares beeinflusst Potentielle Energieflächen, die Massen der Atome und die damit verbundenen Vibronische Kopplung.

3D-Animation des symmetrischen Stretch-Kompress-Modus der CH-Bindungen von Bromomethan

Insbesondere in der Geboren - springenheimer und harmonische Näherungen, d. H. Wenn die Molekular Hamiltonian entsprechend der elektronischen Grundzustand kann durch a angenähert werden harmonischer Oszillator in der Nachbarschaft des Gleichgewichts MolekulargeometrieDie Resonanzfrequenzen sind mit dem verbunden Normale Modi der Vibration, die der molekularen Elektronik entspricht Grundzustand potentielle Energieoberfläche.

Die Resonanzfrequenzen hängen auch mit der Stärke der Bindung und der Masse der Atome an beiden Enden. Somit ist die Frequenz der Schwingungen mit einem bestimmten normalen Bewegungsmodus und einem bestimmten Bindungsart verbunden.

Anzahl der Schwingungsmodi

Damit ein Schwingungsmodus in einer Probe "IR -aktiv" ist, muss er mit Änderungen im Dipolmoment verbunden sein. Ein dauerhafter Dipol ist nicht erforderlich, da die Regel nur eine Änderung des Dipolmoments erfordert.[2]

Ein Molekül kann in vielerlei Hinsicht vibrieren, und jeder Weg wird als a genannt Schwingungsmodus. Für Moleküle mit n Anzahl von Atomen geometrisch lineare Moleküle habe 3N- 5 Grad Vibrationsmodi, während Nichtlineare Moleküle habe 3N- 6 Grad der Schwingungsmodi (auch Vibrationsgrade genannt). Als Beispiele linear Kohlendioxid (Co2) hat 3 × 3-5 = 4, während nicht linear Wasser (h2Ö), hat nur 3 × 3 - 6 = 3.

Oszillationen ausdehnen und biegen des co2 Kohlendioxidmolekül. Oben links: Symmetrische Dehnung. Oben rechts: Antisymmetrische Dehnung. Untere Linie: Entartes Paar Biegemodi.

Einfach Diatommoleküle Haben Sie nur eine Bindung und nur eine Schwingungsbande. Wenn das Molekül symmetrisch ist, z. N2Das Band wird im IR -Spektrum nicht beobachtet, sondern nur in der Raman -Spektrum. Asymmetrische Diatommoleküle, z. Kohlenmonoxid (CO), absorbieren im IR -Spektrum. Komplexere Moleküle haben viele Bindungen, und ihre Schwingungsspektren sind entsprechend komplexer, d. H. Große Moleküle haben viele Peaks in ihren IR -Spektren.

Die Atome in einem ch2X2 Gruppe, häufig in gefunden in organische Verbindungen und wo x jedes andere Atom darstellen kann, kann auf neun verschiedene Arten vibrieren. Sechs dieser Schwingungen betreffen nur die CH2 Teil: zwei Dehnung Modi (ν): symmetrisch (νs) und antisymmetrisch (νwie); und vier Biegen Modi: Scheren (δ), rocken (ρ), wedeln (ω) und verdrehen (τ), wie unten gezeigt. Strukturen, die nicht die zwei zusätzlichen X -Gruppen haben, haben weniger Modi, da einige Modi durch bestimmte Beziehungen zu diesen anderen angehängten Gruppen definiert werden. Zum Beispiel gibt es in Wasser nicht das Schaukel-, Wedel- und Verdrehungsmodus, da diese Arten von Bewegungen der H -Atome eher eine einfache Rotation des gesamten Moleküls als Schwingungen darstellen. Im Falle komplexerer Moleküle, aus der Ebene (γ) Schwingungsmodi können ebenfalls vorhanden sein.[3]

Symmetrie

Richtung
 Symmetrisch Antisymmetrisch
Radial Symmetrical stretching.gif
Symmetrische Dehnung (νs))		 Asymmetrical stretching.gif
Antisymmetrische Dehnung (νwie))
Bratitudinal Scissoring.gif
Schissorie (δ)		 Modo rotacao.gif
Rocken (ρ)
Längsschnitt Wagging.gif
Wedel (ω)		 Twisting.gif
Verdrehen (τ)

Diese Zahlen repräsentieren nicht das "Rückstoß" des C Atome, die zwangsläufig vorhanden sind, um die Gesamtbewegungen des Moleküls auszugleichen, sind viel kleiner als die Bewegungen des Feuerzeugs H Atome.

Der einfachste und wichtigste oder grundlegend IR -Banden entstehen aus den Anregungen normaler Modi, den einfachsten Verzerrungen des Moleküls, von der Grundzustand mit Schwingungsquantenzahl v = 0 bis zum ersten aufgeregter Zustand mit Schwingungsquantenzahl v = 1. In einigen Fällen, Obertonbänder werden beobachtet. Eine Obertonbande ergibt sich aus der Absorption eines Photons, der zu einem direkten Übergang vom Grundzustand zum zweiten angeregten Schwingungszustand führt (v = 2). Eine solche Bande erscheint ungefähr doppelt so viel Energie des Grundbandes für denselben normalen Modus. Einige sogenannte Aufregung Kombinationsmodimit einer gleichzeitigen Anregung von mehr als einem normalen Modus. Das Phänomen von Fermi -Resonanz kann entstehen, wenn zwei Modi in Energie ähnlich sind; Die Fermi -Resonanz führt zu einer unerwarteten Verschiebung der Energie und Intensität der Bänder usw.

Praktische IR -Spektroskopie

Das Infrarotspektrum einer Probe wird durch die Übergabe eines Strahls aus Infrarotlicht durch die Probe aufgezeichnet. Wenn die Frequenz des IR die gleiche Schwingungsfrequenz einer Bindung oder Ansammlung von Bindungen entspricht, tritt die Absorption auf. Die Untersuchung des übertragenen Lichts zeigt, wie viel Energie bei jeder Frequenz (oder Wellenlänge) absorbiert wurde. Diese Messung kann durch Scannen des Wellenlängenbereichs mit a erreicht werden Monochromator. Alternativ wird der gesamte Wellenlängenbereich unter Verwendung von a gemessen Fourier-Transformation Instrument und dann a Durchlässigkeit oder Absorption Das Spektrum wird unter Verwendung eines dedizierten Verfahrens generiert.

Diese Technik wird häufig zur Analyse von Proben mit verwendet kovalente Bindungen. Einfache Spektren werden aus Proben mit wenigen IR -aktiven Bindungen und einem hohen Reinheitsgrad erhalten. Komplexere molekulare Strukturen führen zu mehr Absorptionsbändern und komplexeren Spektren.

Typische IR -Lösungszelle. Die Fenster sind CAF2.

Probenvorbereitung

Gasproben

Gasproben erfordern eine Probenzelle mit einer langen Pfadlänge Um die Verdünde auszugleichen. Die Pfadlänge der Probenzelle hängt von der Konzentration der interessierenden Verbindung ab. Ein einfaches Glasrohr mit einer Länge von 5 bis 10 cm, die mit Infrarottransparenten an beiden Enden des Rohrs ausgestattet ist, kann für Konzentrationen bis zu mehreren hundert ppm verwendet werden. Probengaskonzentrationen weit unter ppm können mit a gemessen werden Weißes Zelle in dem das Infrarotlicht mit Spiegeln geführt wird, um durch das Gas zu reisen. Die Zellen von White sind mit der optischen Pfadlänge ab 0,5 m bis zu hundert Metern erhältlich.

Flüssige Proben

Flüssige Proben können zwischen zwei Salzplatten (üblicherweise Natriumchlorid, oder gemeinsames Salz, obwohl eine Reihe anderer Salze wie z. Kaliumbromid oder Kalziumfluorid werden auch verwendet).[4] Die Platten sind transparent zum Infrarotlicht und führen keine Linien in die Spektren ein.

Feste Proben

Feste Proben können auf verschiedene Arten hergestellt werden. Eine gemeinsame Methode besteht darin, die Probe mit einem öligen zu vernichten Schmalzagent (Normalerweise Mineralöl Nujol). Ein dünner Film des Mull wird auf Salzplatten aufgetragen und gemessen. Die zweite Methode besteht darin, eine Menge der Probe mit einem speziell gereinigten Salz zu mahlen (normalerweise Kaliumbromid) fein (um Streueffekte aus großen Kristallen zu entfernen). Diese Pulvermischung wird dann in mechanischer Weise gedrückt Drücken Sie Um ein durchscheinendes Pellet zu bilden, durch das der Strahl des Spektrometers passieren kann.[4] Eine dritte Technik ist die "Cast Film" -Technik, die hauptsächlich für polymere Materialien verwendet wird. Die Probe wird zuerst in einem geeigneten, nicht gelösten, nicht gelösthygroskopisch Lösungsmittel. Ein Tropfen dieser Lösung wird auf der Oberfläche von abgelagert KBR oder NaCl Zelle. Die Lösung wird dann zur Trockenheit verdampft und der in der Zelle gebildete Film wird direkt analysiert. Sorgfalt ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Film nicht zu dick ist, sonst kann Licht nicht durchgehen. Diese Technik eignet sich für eine qualitative Analyse. Die endgültige Methode ist die Verwendung Mikrotomie um einen dünnen (20–100 μm) Film aus einer festen Probe zu schneiden. Dies ist eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Analyse fehlgeschlagener Kunststoffprodukte beispielsweise, da die Integrität des Feststoffs erhalten bleibt.

Im Photoakustische Spektroskopie Die Notwendigkeit einer Probenbehandlung ist minimal. Die Probe, flüssig oder fest, wird in die Probenbecher gegeben, die in die photoakustische Zelle eingeführt wird, die dann für die Messung versiegelt wird. Die Probe kann ein festes Stück, ein Pulver oder im Grunde genommen in irgendeiner Form für die Messung sein. Zum Beispiel kann ein Stück Gestein in den Probenbecher und das daraus gemessene Spektrum eingeführt werden.

Vergleich zu einer Referenz

Schemata eines Zweistrahlabsorptionsspektrometers. Ein Strahl von Infrarotlicht wird erzeugt, durch eine durchlaufen Interferometer (nicht gezeigt) und dann in zwei separate Strahlen aufgeteilt. Einer wird durch die Probe geleitet, der andere durchläuft eine Referenz. Die Strahlen werden beide wieder in Richtung eines Detektors reflektiert, aber zuerst gehen sie durch einen Splitter, der schnell wechselt, welche der beiden Strahlen in den Detektor eintreten. Die beiden Signale werden dann verglichen und ein Ausdruck wird erhalten. Dieses "Zweistrahl" -Setup ergibt genaue Spektren, auch wenn die Intensität der Lichtquelle im Laufe der Zeit driftet.

Es ist typisch, Spektrum sowohl der Probe als auch einer "Referenz" aufzuzeichnen. Dieser Schritt steuert eine Reihe von Variablen, z. Infrarotdetektor, was das Spektrum beeinflussen kann. Die Referenzmessung ermöglicht es, den Einfluss des Instruments zu beseitigen.

Die entsprechende "Referenz" hängt von der Messung und ihrem Ziel ab. Die einfachste Referenzmessung besteht darin, die Probe einfach zu entfernen (ersetzen sie durch Luft). Manchmal ist jedoch eine andere Referenz nützlicher. Wenn beispielsweise die Probe ein verdünnter gelöster gelöster in Wasser in einem Bechern gelöstes verdünnter gelöster Stoff ist, könnte eine gute Referenzmessung darin bestehen, reines Wasser im selben Becherglas zu messen. Dann würde die Referenzmessung nicht nur alle instrumentellen Eigenschaften (wie die Verwendung von Lichtquellen), sondern auch die lichtabsorbierenden und lichtreflektierenden Eigenschaften von Wasser und Becher aufsaugen, und das Endergebnis würde nur die Eigenschaften der Eigenschaften des gelösten gelösten (mindestens ungefähr).

Eine häufige Möglichkeit, mit einer Referenz zu vergleichen, ist nacheinander: Messen Sie zuerst die Referenz, ersetzen Sie dann die Referenz durch die Probe und messen Sie die Probe. Diese Technik ist nicht vollkommen zuverlässig; Wenn die Infrarotlampe während der Referenzmessung etwas heller ist, wird während der Probenmessung ein bisschen dimmer, die Messung wird verzerrt. Ausführlichere Methoden wie ein "Zwei-Strahl" -Setup (siehe Abbildung) können diese Art von Effekten korrigieren, um sehr genaue Ergebnisse zu erzielen. Das Standard -Addition Methode kann verwendet werden, um diese Fehler statistisch zu stornieren.

Dennoch unter verschiedenen absorptionsbasierten Techniken, die für die Erkennung von Gasspezies verwendet werden, werden Hohlraumring-Down-Spektroskopie (CRDS) kann als kalibrierungsfreie Methode verwendet werden. Die Tatsache, dass CRDs auf den Messungen der Photonenlebenszeiten (und nicht der Laserintensität) basiert [5]

Ftir

Hauptartikel: Fourier -Transformationsinfrarotspektroskopie
Ein Interferogramm aus einem Ftir Messung. Die horizontale Achse ist die Position des Spiegels, und die vertikale Achse ist die Lichtmenge. Dies sind die "Rohdaten", die sein können Fourier transformiert um das tatsächliche Spektrum zu erhalten.

Fourier-Transformation Infrarot -Spektroskopie ist eine Messtechnik, mit der man Infrarotspektren aufzeichnet. Infrarotlicht wird durch eine geführt Interferometer und dann durch die Probe (oder umgekehrt). Ein beweglicher Spiegel im Gerät verändert die Verteilung des Infrarotlichts, die durch das Interferometer fließt. Das direkt aufgezeichnete Signal, das als "Interferogramm" bezeichnet wird, repräsentiert die Lichtleistung als Funktion der Spiegelposition. Eine Datenverarbeitungstechnik genannt Fourier-Transformation verwandelt diese Rohdaten in das gewünschte Ergebnis (das Spektrum der Probe): Lichtausgabe als Funktion des Infrarots Wellenlänge (oder gleichwertig, Wellenzahl). Wie oben beschrieben, wird das Spektrum der Probe immer mit einer Referenz verglichen.

Eine alternative Methode zum Erwerb von Spektren ist das "dispergative" oder "Scannen Monochromator"Methode. In diesem Ansatz wird die Probe nacheinander mit verschiedenen Einzelwellenlängen bestrahlt. Die dispersive Methode ist häufiger in UV-Vis-Spektroskopie, ist aber im Infrarot weniger praktisch als bei der FTIR -Methode. Ein Grund, warum FTIR bevorzugt wird, heißt ""Farrengetts Vorteil"oder der" Multiplex -Vorteil ": Die Informationen bei allen Frequenzen werden gleichzeitig gesammelt, wodurch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Geschwindigkeit verbessert werden Signal-Rausch-Verhältnis. Ein anderer wird als "Jacquinots Durchsatzvorteil" bezeichnet: Eine dispersive Messung erfordert das Erkennen viel niedrigerer Lichtniveaus als eine FTIR -Messung.[6] Es gibt andere Vorteile sowie einige Nachteile.[6] Praktisch alle modernen Infrarotspektrometer sind jedoch FTIR -Instrumente.

Infrarotmikroskopie

Verschiedene Formen von Infrarotmikroskopie existieren. Dazu gehören IR-Versionen der Subdiffraktikmikroskopie[7][8] wie ir Nsom,[9] Phototherme Mikrospektroskopie, Nano-Fftir und Infrarotspektroskopie auf Atomkraftmikroskopbasis (AFM-IR).

Andere Methoden in der molekularen Schwingungsspektroskopie

Die Infrarotspektroskopie ist nicht die einzige Methode zur Untersuchung molekularer Schwingungsspektren. Raman -Spektroskopie beinhaltet an Unelastische Streuung Prozess, bei dem nur ein Teil der Energie eines einfallenden Photons vom Molekül absorbiert wird und der verbleibende Teil verstreut und nachgewiesen wird. Die Energiedifferenz entspricht absorbierter Schwingungsenergie.

Das Auswahlregeln für Infrarot und Raman -Spektroskopie unterscheiden sich zumindest für einige zumindest für einige Molekulare Symmetrien, so dass die beiden Methoden insofern komplementär sind, als sie Schwingungen verschiedener Symmetrien beobachten.

Eine andere Methode ist Elektronenergieverlustspektroskopie (Aale), bei denen die absorbierte Energie eher durch ein unelastisch verstreutes Elektron als durch ein Photon bereitgestellt wird. Diese Methode ist nützlich, um Schwingungen von Molekülen zu untersuchen adsorbiert auf einer festen Oberfläche.

In letzter Zeit, Hochauflösende Aale (Hreels) hat sich als Technik zur Durchführung von Schwingungsspektroskopie in a entwickelt Transmissionselektronenmikroskop (TEM).[10] In Kombination mit der hohen räumlichen Auflösung des TEM wurden beispiellose Experimente durchgeführt, wie z. B. Temperaturmessungen im Nanomaßstab,[11][12] Zuordnung von isotopisch markierten Molekülen,[13] Zuordnung von Phononmodi im Positions- und Impulsraum,[14][15] Vibrationsoberflächen- und Bulk -Modus -Mapping auf Nanocubes,[16] und Untersuchungen von Polariton Modi in Van der Waals -Kristalle.[17]Analyse von Vibrationsmodi, die irinaktiv sind, aber in erscheinen Unelastische Neutronenstreuung ist auch bei hoher räumlicher Auflösung mit AELs möglich.[18] Obwohl die räumliche Auflösung von Hreels sehr hoch ist, sind die Bänder im Vergleich zu anderen Techniken extrem breit.[10]

Recheninfrarotmikroskopie

Durch Verwendung von Computer Simulationen und normaler Modus Analyse Es ist möglich, theoretische Frequenzen von Molekülen zu berechnen.[19]

Absorptionsbänder

IR -Spektroskopie wird häufig verwendet, um Strukturen zu identifizieren, weil funktionelle Gruppen führt zu charakteristischen Bändern sowohl in Bezug auf Intensität als auch in Position (Frequenz). Die Positionen dieser Banden sind in Korrelationstabellen zusammengefasst, wie unten gezeigt.

Hauptartikel: Korrelationstabelle Infrarotspektroskopie
Liste der Haupt -IR -Spektroskopie -Banden. Zum Beispiel enthält die Carboxylgruppe ein C = O -Band bei 1700 cm–1 und eine OH -Band bei 3500 cm–1 (Gesamtgruppe -cooh). Wellenzahlen aufgeführt cm–1.

Regionen

Ein Spektrograph wird oft als zwei Regionen interpretiert.[20]

  • Funktionsgruppenregion

In der Funktionsregion gibt es einen bis einige Trogs pro funktionaler Gruppe.[20]

  • Fingerabdruckregion

In der Fingerabdruckregion gibt es viele Trogs, die ein kompliziertes Muster bilden, das wie ein Fingerabdruck verwendet werden kann, um die Verbindung zu bestimmen.[20]

Dachsregel

Für viele Arten von Proben sind die Zuordnungen bekannt, d. H. Welche Bindungsverformungen (en) sind mit welcher Häufigkeit verbunden. In solchen Fällen können weitere Informationen über die Stärke einer Bindung gesetzt werden, die sich auf die empirische Richtlinie bezeichnet Dachsregel. Ursprünglich veröffentlicht von Richard McLean Badger 1934,[21] Diese Regel besagt, dass die Stärke einer Bindung (in Bezug auf die Kraftkonstante) mit der Bindungslänge korreliert. Das heißt, eine Erhöhung der Bindungsstärke führt zu einer entsprechenden Bindungsverkürzung und umgekehrt.

Verwendungen und Anwendungen

Infrarotspektrophotometer zur Analyse der Diethyltoluamid Insektenschutzmittel, 1960
UNS Food and Drug Administration Der Wissenschaftler verwendet tragbares Gerät in der Nähe von Infrarotspektroskopie, um potenziell illegale Substanzen zu erkennen

Die Infrarotspektroskopie ist eine einfache und zuverlässige Technik, die sowohl in organischer als auch in organischer Chemie, in Forschung und Industrie weit verbreitet ist. In der Katalyseforschung ist es ein sehr nützliches Instrument, um den Katalysator zu charakterisieren.[22][23][24][25] sowie Zwischenprodukte zu erkennen[26] und Produkte während der katalytischen Reaktion. Es wird in der Qualitätskontrolle, dynamischen Messungen und Überwachungsanwendungen wie der langfristigen unbeaufsichtigten Messung von CO verwendet2 Konzentrationen in Gewächshäusern und Wachstumskammern durch Infrarotgasanalysatoren.

Es wird auch in verwendet forensische Analyse Sowohl in kriminellen als auch in zivilen Fällen beispielsweise bei der Identifizierung Polymerabbau. Es kann verwendet werden, um die zu bestimmen Blutalkoholgehalt eines mutmaßlichen betrunkenen Fahrers.

Die IR-Spektroskopie wurde erfolgreich bei der Analyse und Identifizierung von verwendet Pigmente in Gemälde[27] und andere Kunstobjekte[28] wie zum Beispiel Beleuchtete Manuskripte.[29]

Eine nützliche Methode, um feste Proben zu analysieren, ohne dass das Schneiden von Proben verwendet werden muss, verwendet ATR oder abgeschwächte Gesamtreflexion Spektroskopie. Mit diesem Ansatz werden Proben gegen das Gesicht eines einzelnen Kristalls gedrückt. Die Infrarotstrahlung fließt durch den Kristall und interagiert nur mit der Probe an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien.

Mit zunehmender Technologie bei der Computerfilterung und Manipulation der Ergebnisse können die Proben in Lösung nun genau gemessen werden (Wasser erzeugt eine breite Absorption im gesamten Interesse und macht so die Spektren ohne diese Computerbehandlung unlesbar).

Einige Instrumente identifizieren auch automatisch die Substanz, die aus einem Geschäft von Tausenden von Referenzspektren gemessen wird, die im Speicher gehalten werden.

Infrarotspektroskopie ist auch nützlich bei der Messung des Polymerisationsgrades in Polymer Herstellung. Änderungen des Charakters oder der Menge einer bestimmten Bindung werden durch Messung einer bestimmten Frequenz über die Zeit bewertet. Moderne Forschungsinstrumente können Infrarotmessungen im Bereich von Interesse bis 32 -mal pro Sekunde annehmen. Dies kann durchgeführt werden, während gleichzeitige Messungen unter Verwendung anderer Techniken durchgeführt werden. Dies macht die Beobachtungen chemischer Reaktionen und Prozesse schneller und genauer.

Die Infrarotspektroskopie wurde auch im Bereich der Halbleiter -Mikroelektronik erfolgreich verwendet:[30] Zum Beispiel kann die Infrarotspektroskopie auf Halbleiter wie angewendet werden Silizium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Zink Selenidamorphes Silizium, Siliziumnitrid, etc.

Eine weitere wichtige Anwendung der Infrarotspektroskopie ist in der Nahrungsmittelindustrie um das zu messen Konzentration von verschiedenen Verbindungen in verschiedenen Lebensmitteln.[31][32]

Die Instrumente sind jetzt klein und können selbst zur Verwendung in Feldversuchen transportiert werden.

Infrarotspektroskopie wird auch in Gasleck-Nachweisgeräten wie DP-IR und Eyecgas verwendet.[33] Diese Geräte erkennen Kohlenwasserstoffgaslecks beim Transport von Erdgas und Rohöl.

Im Februar 2014, NASA kündigte eine stark aktualisierte Datenbank an,[34] Basierend auf der IR -Spektroskopie zur Verfolgung polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) in der Universum. Laut Wissenschaftlern mehr als 20% der Kohlenstoff im Universum kann mit PAK in Verbindung gebracht werden, möglich Ausgangsmaterialien für die Formation von Leben. PAK scheinen kurz danach gebildet worden zu sein Urknallsind im gesamten Universum weit verbreitet und sind miteinander verbunden Neue Sterne und Exoplaneten.[35] Infrarotspektroskopie ist eine wichtige Analysemethode im Recyclingprozess des Haushalts Kunststoffund eine bequeme Ausfallmethode, um Kunststoff verschiedener Polymere zu sortieren (HAUSTIER, HDPE, ...).[36]

Weitere Entwicklungen sind ein Miniatur-IR-Spektrometer, das mit einer Cloud-basierten Datenbank verknüpft ist und für den persönlichen Alltag geeignet ist.[37] und NIR-Spectroscopic Chips[38] Das kann in Smartphones und verschiedene Geräte eingebettet werden.

Isotopeneffekte

Die verschiedenen Isotope bei einer bestimmten Art können unterschiedliche feine Details in der Infrarotspektroskopie aufweisen. Zum Beispiel die O -O -Dehnungsfrequenz (in gegenseitigen Zentimetern) von OxyHämocyanin wird experimentell zu 832 und 788 cm bestimmt–1 für ν (16Ö-16O) und ν (18Ö-18O), jeweils.

Durch die Betrachtung der O -O -Bindung als Feder kann die Frequenz der Absorption als a berechnet werden Wellenzahl [= Frequenz/(Lichtgeschwindigkeit)]]

wo k ist die Federkonstante für die Bindung, c ist die Lichtgeschwindigkeit und μ ist der Reduzierte Masse des A -B -Systems:

( ist die Masse des Atoms ).

Die reduzierten Massen für 16Ö-16O und 18Ö-18O kann als 8 bzw. 9 angenähert werden. Daher

Die Wirkung von Isotopen sowohl auf die Schwingung als auch auf die Zerfalldynamik wurde stärker als bisher angenommen. In einigen Systemen wie Silizium und Germanium beinhaltet der Zerfall des antisymmetrischen Stichtmodus des interstitiellen Sauerstoffs den symmetrischen Streckenmodus mit einer starken Isotopenabhängigkeit. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass für eine natürliche Siliziumprobe die Lebensdauer der antisymmetrischen Schwingung 11,4 ps beträgt. Wenn das Isotop eines der Siliziumatome erhöht wird 29Si, die Lebensdauer steigt auf 19 ps. In ähnlicher Weise, wenn das Siliziumatom in geändert wird 30Si, die Lebensdauer wird 27 ps.[39]

Zweidimensionaler IR

Zweidimensionale Infrarot-Korrelationsspektroskopieanalyse Kombiniert mehrere Proben von Infrarotspektren, um komplexere Eigenschaften aufzudecken. Durch Erweiterung der spektralen Informationen einer gestörten Probe wird die spektrale Analyse vereinfacht und die Auflösung verbessert. Die 2D -Synchron- und 2D -asynchronen Spektren stellen einen grafischen Überblick über die spektralen Veränderungen aufgrund einer Störung (z. B. einer sich ändernden Konzentration oder Änderungstemperatur) sowie der Beziehung zwischen den spektralen Veränderungen bei zwei verschiedenen Wellenzummen dar.

Hauptartikel: Zweidimensionale Infrarotspektroskopie
Impulsequenz verwendet, um ein zweidimensionales Fourier-Transformationsinfrarotspektrum zu erhalten. Die Zeitperiode wird normalerweise als Kohärenzzeit und zweiter Zeitraum bezeichnet ist als Wartezeit bekannt. Die Anregungsfrequenz wird durch Fourier -Transformation entlang der erhalten Achse.

Nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie[40][41] ist die Infrarotversion von Korrelationsspektroskopie. Die nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie ist eine Technik, die mit der Entwicklung von verfügbar geworden ist Femtosekunde Infrarot -Laserimpulse. In diesem Experiment wird zunächst ein Satz Pumpenimpulse auf die Probe angewendet. Darauf folgt eine Wartezeit, in der sich das System entspannen darf. Die typische Wartezeit dauert von Null bis zu mehreren Pikosekunden, und die Dauer kann mit einer Auflösung von zehn Femtosekunden kontrolliert werden. Anschließend wird ein Sondenimpuls angewendet, was zur Emission eines Signals aus der Probe führt. Das nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektrum ist ein zweidimensionales Korrelationsdiagramm der Frequenz ω1 Das wurde durch die anfänglichen Pumpenimpulse und die Frequenz ω angeregt3 nach der Wartezeit vom Sondeimpuls aufgeregt. Dies ermöglicht die Beobachtung der Kopplung zwischen verschiedenen Schwingungsmodi; Aufgrund seiner extrem feinen Zeitauflösung kann es verwendet werden, um die molekulare Dynamik auf einer Pikosekundenzeit zu überwachen. Es ist immer noch eine weitgehend unerforschte Technik und wird für grundlegende Forschung immer beliebter.

Wie bei zweidimensionaler nuklearer Magnetresonanz (2dnmr) Spektroskopie verbreitet diese Technik das Spektrum in zwei Dimensionen und ermöglicht die Beobachtung von Kreuzpeaks, die Informationen zur Kopplung zwischen verschiedenen Modi enthalten. Im Gegensatz zu 2DNMR beinhaltet die nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie auch die Anregung zu Obertönen. Diese Anregungen führen zu Absorptionspeaks für angeregte Zustands unterhalb der diagonalen und Kreuzpeaks. In 2dnmr zwei unterschiedliche Techniken, GEMÜTLICH und Noesywerden häufig verwendet. Die Kreuzpeaks in der ersten hängen mit der Skalarkopplung zusammen, während sie im letzteren mit dem Spintransfer zwischen verschiedenen Kernen zusammenhängen. In nichtlinearen zweidimensionalen Infrarotspektroskopie wurden Analoga zu diesen 2DNMR-Techniken gezogen. Die nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie mit Null-Wartezeit entspricht gemütlichem, und nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie mit endlicher Wartezeit, wobei die Übertragung von Schwingungsbevölkerung der Noesy entspricht. Die gemütliche Variante der nichtlinearen zweidimensionalen Infrarotspektroskopie wurde zur Bestimmung des Sekundärstrukturgehalts von Proteinen verwendet.[42]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Zeitler JA, Taday PF, Newnham DA, Pepper M, Gordon KC, Rades T (Februar 2007). "Terahertz pulsierte Spektroskopie und Bildgebung im pharmazeutischen Umfeld-eine Übersicht". Das Journal of Pharmacy and Pharmacology. 59 (2): 209–23. doi:10.1211/jpp.59.2.0008. PMID 17270075. S2CID 34705104.
  2. ^ Atkins PW, De Paula J (2009). Elemente der physikalischen Chemie (5. Aufl.). Oxford: Oxford U.P. p. 459. ISBN 978-0-19-922672-6.
  3. ^ Schrader B (1995). Infrarot- und Raman -Spektroskopie: Methoden und Anwendungen. New York: VCH, Weinheim. p. 787. ISBN 978-3-527-26446-9.
  4. ^ a b Harwood LM, Moody CJ (1989). Experimentelle organische Chemie: Prinzipien und Praxis (Illustriert Ed.). Wiley-Blackwell. p.292. ISBN 978-0-632-02017-1.
  5. ^ Shadman S, Rose C, Yalin AP (2016). "Open-Pfad-Hohlraum-Ring-Down-Spektroskopiesensor für atmosphärisches Ammoniak". Angewandte Physik b. 122 (7): 194. Bibcode:2016APPHB.122..194s. doi:10.1007/s00340-016-6461-5. S2CID 123834102.
  6. ^ a b Chromatographie/Fourier -Transformationsinfrarotspektroskopie und ihre Anwendungen, von Robert White, P7
  7. ^ H M Pollock und S G Kazarian, Mikrospektroskopie im mittleren Infrarot, in Encyclopedia of Analytical Chemistry (Robert A. Meyers, Hrsg, 1-26 (2014), John Wiley & Sons Ltd.
  8. ^ Pollock Hubert M (2014). "Mikrospektroskopie im Mittelinfrarot". Enzyklopädie der analytischen Chemie. S. 1–26. doi:10.1002/9780470027318.A5609.Pub2. ISBN 9780470027318.
  9. ^ H M Pollock und D A Smith, die Verwendung von Nahfeldsonden für Schwingungsspektroskopie und phototherme Bildgebung, in Handbuch der Schwingungsspektroskopie, J. M. Chalmers und P. R. Griffiths (Hrsg.), John Wiley & Sons Ltd, vol. 2, S. 1472 - 1492 (2002)
  10. ^ a b Krivanek Ol, Lovejoy TC, Dellby N., Aoki T., Carpenter RW, Rez P. et al. (Oktober 2014). "Schwingungsspektroskopie im Elektronenmikroskop". Natur. 514 (7521): 209–12. Bibcode:2014natur.514..209k. doi:10.1038/nature13870. PMID 25297434. S2CID 4467249.
  11. ^ Idrobo JC, Lupini AR, Feng T., Unocic RR, Walden FS, Gardiner DS, et al. (März 2018). "Temperaturmessung durch eine nanoskalige Elektronensonde unter Verwendung von Energiegewinn- und Verlustspektroskopie". Physische Überprüfungsbriefe. 120 (9): 095901. Bibcode:2018phrvl.120i5901i. doi:10.1103/PhysRevlett.120.095901. PMID 29547334.
  12. ^ Lagos MJ, Batson PE (Juli 2018). "Thermometrie mit Subnanometerauflösung im Elektronenmikroskop unter Verwendung des Prinzips des detaillierten Ausgleichs". Nanobriefe. 18 (7): 4556–4563. Bibcode:2018nanol..18.4556l. doi:10.1021/acs.nanolett.8b01791. PMID 29874456. S2CID 206748146.
  13. ^ Hachtel JA, Huang J., Popovs I., Jansone-Popova S., Keum JK, Jakowski J. et al. (Februar 2019). "Identifizierung ortsspezifischer Isotopenbezeichnungen durch Schwingungsspektroskopie im Elektronenmikroskop". Wissenschaft. 363 (6426): 525–528. Bibcode:2019sci ... 363..525h. doi:10.1126/science.aav5845. PMID 30705191.
  14. ^ Hage FS, Nicholls RJ, Yates JR, McCulloch DG, Lovejoy TC, Dellby N, et al. (Juni 2018). "Nanoskalige Impuls-aufgelöste Schwingungsspektroskopie". Wissenschaft Fortschritte. 4 (6): EAAR7495. Bibcode:2018Scia .... 4.7495h. doi:10.1126/sciadv.aar7495. PMC 6018998. PMID 29951584.
  15. ^ Senga R., Suenaga K., Barone P., Morishita S., Mauri F., Pichler T. (September 2019). "Position und Impulszuordnung von Vibrationen in Graphen -Nanostrukturen". Natur. 573 (7773): 247–250. Arxiv:1812.08294. Bibcode:2019natur.573..247s. doi:10.1038/s41586-019-1477-8. PMID 31406319. S2CID 118999071.
  16. ^ Lagos MJ, Trrügler A, Hohenester U, Batson PE (März 2017). "Mapping Vibrationsoberfläche und Schüttgutmodi in einer einzelnen Nanobe". Natur. 543 (7646): 529–532. Bibcode:2017Natur.543..529l. doi:10.1038/nature21699. PMID 28332537. S2CID 4459728.
  17. ^ Govyadinov AA, Konečná A, Chuvilin A, Vélez S., Dolado I., Nikitin AY, et al. (Juli 2017). "Untersuchung von hyperbolischen Polaritonen mit niedriger Energie in Van der Waals-Kristalle mit Elektronenmikroskop". Naturkommunikation. 8 (1): 95. Arxiv:1611.05371. Bibcode:2017natco ... 8 ... 95g. doi:10.1038/s41467-017-00056-y. PMC 5522439. PMID 28733660.
  18. ^ Venkatraman K, Levin BD, März K, Rez P, Crozier PA (2019). "Schwingungsspektroskopie bei Atomauflösung mit Elektronenwirkungsstreuung". Naturphysik. 15 (12): 1237–1241. Arxiv:1812.08895. Bibcode:2019natph..15.1237v. doi:10.1038/s41567-019-0675-5. S2CID 119452520.
  19. ^ Henschel H, Andersson bei, Jesper W, Mehdi GhahremanPour M, Van der Spoel D (Mai 2020). "Theoretische Infrarotspektren: Quantitative Ähnlichkeitsmessungen und Kraftfelder". Journal of Chemical Theory and Computation. 16 (5): 3307–3315. doi:10.1021/acs.jctc.0c00126. PMC 7304875. PMID 32271575.
  20. ^ a b c Smith JG (2011). "Kapitel 13 Massenspektrometrie und Infrarotspektroskopie" (Buch). In Hodge T, Nemmers D, Klein J (Hrsg.). Organische Chemie (3. Aufl.). New York, NY: McGraw-Hill. S. 463–488. ISBN 978-0-07-337562-5.
  21. ^ Badger R (1934). "Eine Beziehung zwischen internuklearen Entfernungen und Bindungskraftkonstanten" (PDF). Das Journal of Chemical Physics. 2 (3): 128. Bibcode:1934Jchph ... 2..128b. doi:10.1063/1.1749433.
  22. ^ Hävecker, Michael; Wrabetz, Sabine; Kröhnert, Jutta; CSEPEI, Lenard-ISTVAN; Naumann d'Annoncourt, Raoul; Kolen'ko, Yury V.; Girgsdies, Frank; Schlögl, Robert; Trunschke, Annette (2012). "Oberflächenchemie des Phasen-Pure-M1-Movtenb-Oxids während des Betriebs bei der selektiven Oxidation von Propan zu Acrylsäure". J. Catal. 285: 48–60. doi:10.1016/j.jcat.2011.09.012. HDL:11858/00-001M-0000-0012-1BEB-F.
  23. ^ Boosa, Venu; Varimalla, Shirisha; Dumpalapally, Mahesh; Gutta, Naresh; Velisoju, Vijay Kumar; Nama, Narender; Akula, Venugopal (2021-09-05). "Einfluss von Brønsted-Säure-Stellen auf die chemoselektive Synthese von Pyrrolidonen über H-ZSM-5-unterstützten Kupferkatalysator". Angewandte Katalyse B: Umwelt. 292: 120177. doi:10.1016/j.apcatb.2021.120177. ISSN 0926-3373.
  24. ^ Fajdek-Bieda, Anna; Wróblewska, Agnieszka; Miądlicki, Piotr; Tołpa, Jadwiga; Michalkiewicz, Beata (2021-08-01). "Klinoptilolith als natürlicher, aktiver Zeolithkatalysator für die chemischen Transformationen von Geraniol". Reaktionskinetik, Mechanismen und Katalyse. 133 (2): 997–1011. doi:10.1007/s11144-021-02027-3. ISSN 1878-5204. S2CID 236149569.
  25. ^ Azancot, Lola; Bobadilla, Luis F.; Centeno, Miguel A.; Odriozola, José A. (2021-05-15). "IR-spektroskopische Einblicke in den Coking-Resistenz-Effekt von Kalium auf einen Katalysator auf Nickelbasis während der Trockenreformierung von Methan". Angewandte Katalyse B: Umwelt. 285: 119822. doi:10.1016/j.apcatb.2020.119822. ISSN 0926-3373. S2CID 232627637.
  26. ^ Nuguid, Rob Jeremiah G.; Elsener, Martin; Ferri, Davide; Kröcher, Oliver (2021-12-05). "Operando diffuse Reflexionsvermögen Infrarot-Nachweis von Cyanid-Zwischenspezies während der Reaktion von Formaldehyd mit Ammoniak über V2O5/WO3-TiO2". Angewandte Katalyse B: Umwelt. 298: 120629. doi:10.1016/j.apcatb.2021.120629. ISSN 0926-3373.
  27. ^ "Infrarot-Spektroskopie". Colourlex. 12. März 2021. Abgerufen 19. Januar 2022.
  28. ^ Derrick MR, Stulik D, Landry JM (2000). "Infrarotspektroskopie in der Naturschutzwissenschaft, wissenschaftliche Instrumente für die Erhaltung" (PDF). Getty Publications. Abgerufen 11. Dezember 2015. {{}}: Journal zitieren erfordert |journal= (Hilfe)
  29. ^ Ricciardi P. "Entsperren der Geheimnisse beleuchteter Manuskripte". Abgerufen 11. Dezember 2015.
  30. ^ Lau WS (1999). Infrarotcharakterisierung für Mikroelektronik. Welt wissenschaftlich. ISBN 978-981-02-2352-6.
  31. ^ Osborne BG (2006). "Nahinfrarot-Spektroskopie in der Lebensmittelanalyse". Enzyklopädie der analytischen Chemie. John Wiley & Sons. doi:10.1002/9780470027318.A1018. ISBN 9780470027318.
  32. ^ Villar A, Gorritxategi E, Aranzabe E, Fernández S., Otaduy D., Fernández LA (Dezember 2012). "Kostengünstiger sichtbarer Infrarotsensor zur Online-Überwachung des Fett- und Fettsäurengehalts während des Herstellungsprozesses der Milch". Lebensmittelchemie. 135 (4): 2756–60. doi:10.1016/j.foodchem.2012.07.074. PMID 22980869.
  33. ^ www.trmthemes.com, TRM -Thema von. "Infrarot (IR) / Optische Archive basierend - Heath Consultants". Heath Consultants. Abgerufen 2016-04-12.
  34. ^ "NASA AMES PAH IR Spektroskopische Datenbank". Das Labor der Astrophysik & Astrochemie. 12. September 2019. Abgerufen 19. Januar 2022.
  35. ^ Hoover R (21. Februar 2014). "Müssen organische Nanopartikel im gesamten Universum verfolgen? Die NASA hat eine App dafür". NASA. Abgerufen 22. Februar, 2014.
  36. ^ Becker, Wolfgang; Sachsheimer, Kerstin; Klemenz, Melanie (2017). "Nachweis von schwarzen Kunststoffen im mittleren Infrarotspektrum (MIR) unter Verwendung der Photon-Up-Conversion-Technik für Polymerrecyclingprozess". Polymere. MDPI. 9 (9). doi:10.3390/polym9090435. PMC 6418689. PMID 30965736.
  37. ^ Perry, Tekla S. (2017-03-14). "Was ist passiert, als wir den Einkauf des Scio Food Analyzer einnahmen". IEEE -Spektrum: Technologie-, Ingenieur- und Wissenschaftsnachrichten. Abgerufen 2017-03-23.
  38. ^ Coates, John (18. Juni 2014). "Eine Überprüfung neuer kleiner Technologien für nahezu Infrarotmessungen". American Pharmaceutical Review. Coates Consulting LLC. Abgerufen 2017-03-23.
  39. ^ Kohli KK, Davies G., Vinh NQ, West D., Estreicher SK, Gregorkiewicz T. et al. (Juni 2006). "Isotopenabhängigkeit der Lebensdauer der Schwingung von Sauerstoff in Silizium". Physische Überprüfungsbriefe. 96 (22): 225503. Bibcode:2006phrvl..96v5503k. doi:10.1103/PhysRevlett.96.225503. PMID 16803320.
  40. ^ Hamm P, Lim MH, Hochstrasser RM (1998). "Struktur des Amid-I-Bandes von Peptiden, gemessen durch nichtlineare Infrarotspektroskopie". J. Phys. Chem. B. 102 (31): 6123–6138. doi:10.1021/jp9813286.
  41. ^ Mukamel S. (2000). "Mehrdimensionale Femtosekunden -Korrelationsspektroskopien elektronischer und Schwingungsanregungen". Jährliche Überprüfung der physikalischen Chemie. 51 (1): 691–729. Bibcode:2000Arpc ... 51..691m. doi:10.1146/annurev.physchem.51.1.691. PMID 11031297. S2CID 31230696.
  42. ^ Demirdöven N, Cheatum CM, Chung HS, Khalil M, Knoester J, Tokmakoff A (Juni 2004). "Zweidimensionale Infrarotspektroskopie der sekundären Struktur der Antiparallel Beta-Blatt" (PDF). Zeitschrift der American Chemical Society. 126 (25): 7981–90. doi:10.1021/ja049811j. PMID 15212548.

Externe Links