Infrarotspektroskopie (IR Spektroskopie) ist die Spektroskopie, die sich mit dem Infrarotgebiet des elektromagnetischen Spektrums befasst, das mit einer längeren Wellenlänge und niedrigerer Frequenz leicht ist als sichtbares Licht. Es bedeckt eine Reihe von Techniken, die größtenteils auf der Absorptionsspektroskopie gestützt sind. Als mit allen spektroskopischen Techniken kann es verwendet werden, um Chemikalien zu identifizieren und zu studieren. Ein allgemeines Laborinstrument, das diese Technik verwendet, ist ein Fourier gestalten infrarotes (FTIR) Spektrometer um.

Der Infrarotteil des elektromagnetischen Spektrums wird gewöhnlich in drei Gebiete geteilt; die Nähe - Mitte - und weit - infrarot, genannt für ihre Beziehung zum sichtbaren Spektrum. Die höhere Energie nahe - IR, etwa 14000-4000 Cm (0.8-2.5 μm Wellenlänge) können Oberton oder harmonische Vibrationen erregen. Die infrarote Mitte, etwa 4000-400 Cm (2.5-25 μm) können verwendet werden, um die grundsätzlichen Vibrationen zu studieren, und haben Rotationsschwingstruktur vereinigt. Weit-infrarot, etwa 400-10 Cm (25-1000 μm), neben dem Mikrowellengebiet liegend, hat niedrige Energie und kann für die Rotationsspektroskopie verwendet werden. Die Namen und Klassifikationen dieser Subgebiete sind Vereinbarung, und basieren nur lose auf den elektromagnetischen oder molekularen Verhältniseigenschaften.

Theorie

Infrarotspektroskopie nutzt die Tatsache aus, dass Moleküle spezifische Frequenzen absorbieren, die für ihre Struktur charakteristisch sind. Diese Absorptionen sind Resonanzfrequenzen, d. h. die Frequenz der absorbierten Radiation vergleicht die Frequenz des Bandes oder der Gruppe, die vibriert. Die Energien werden durch die Gestalt der molekularen potenziellen Energieoberflächen, die Massen der Atome und die verbundene vibronic Kopplung bestimmt.

Insbesondere in den Geborenen-Oppenheimer und harmonischen Annäherungen, d. h. wenn molekularem Hamiltonian entsprechend dem elektronischen Boden-Staat durch einen harmonischen Oszillator in der Nachbarschaft des Gleichgewichts molekulare Geometrie näher gekommen werden kann, werden die Resonanzfrequenzen durch die normalen Weisen entsprechend dem molekularen elektronischen Boden bestimmt setzen potenzielle Energieoberfläche fest. Dennoch können die Resonanzfrequenzen in einer ersten Annäherung sein, die mit der Kraft des Bandes und der Masse der Atome an jedem Ende davon verbunden ist. So kann die Frequenz der Vibrationen mit einem besonderen Band-Typ vereinigt werden.

Zahl von Schwingweisen

In der Größenordnung von einer Schwingweise in einem Molekül, um "aktiver IR zu sein," muss es mit Änderungen im Dipol vereinigt werden. Ein dauerhafter Dipol ist nicht notwendig, weil die Regel nur eine Änderung im Dipolmoment verlangt.

Ein Molekül kann auf viele Weisen vibrieren, und jeder Weg wird eine Schwingweise genannt. Für Moleküle mit N Atomen in ihnen haben geradlinige Moleküle 3N - 5 Grade von Schwingweisen, wohingegen nichtlineare Moleküle 3N - 6 Grade von Schwingweisen haben (auch hat Schwinggrade der Freiheit genannt). Als ein Beispiel wird HO, ein nichtlineares Molekül, 3 × 3 - 6 = 3 Grade der Schwingfreiheit oder Weisen haben.

Einfache diatomic Moleküle haben nur ein Band und nur ein Schwingband. Wenn das Molekül z.B symmetrisch ist. N wird das Band im IR Spektrum, aber nur im Spektrum von Raman nicht beobachtet. Asymmetrische diatomic Moleküle, z.B. CO, absorbieren Sie im IR Spektrum. Kompliziertere Moleküle haben viele Obligationen, und ihre Schwingspektren sind entsprechend kompliziertere d. h. große Moleküle haben viele Spitzen in ihren IR Spektren.

Die Atome in einer CH Gruppe, die allgemein in organischen Zusammensetzungen gefunden ist, können auf sechs verschiedene Weisen vibrieren: das symmetrische und antisymmetrische Ausdehnen, schneidend, das Schaukeln, das Wackeln und die Drehung:

(Diese Zahlen vertreten den "Rückstoß" der C Atome nicht, die, obwohl notwendigerweise präsentieren, die gesamten Bewegungen des Moleküls zu erwägen, viel kleiner sind als die Bewegungen leichter H Atome).

Spezielle Effekten

Die einfachsten und wichtigsten IR Bänder entstehen aus den "normalen Weisen," die einfachsten Verzerrungen des Moleküls. In einigen Fällen "werden Oberton-Bänder" beobachtet. Diese Bänder entstehen aus der Absorption eines Fotons, das zu einem doppelt aufgeregten Schwingstaat führt. Solche Bänder erscheinen an ungefähr zweimal der Energie der normalen Weise. Einige Vibrationen, so genannte 'Kombinationsweisen," schließen mehr als eine normale Weise ein. Das Phänomen der Klangfülle von Fermi kann entstehen, wenn zwei Weisen in der Energie ähnlich sind; Klangfülle von Fermi läuft auf eine unerwartete Verschiebung auf die Energie und Intensität der Bänder hinaus.

Praktische IR Spektroskopie

Das Infrarotspektrum einer Probe wird durch den Übergang eines Balkens des Infrarotlichtes durch die Probe registriert. Wenn die Frequenz des IR dasselbe als die Schwingfrequenz eines Bandes ist, kommt Absorption vor. Die Überprüfung des übersandten Lichtes offenbart, wie viel Energie an jeder Frequenz (oder Wellenlänge) absorbiert wurde. Das kann durch die Abtastung des Wellenlangenbereichs mit einem monochromator erreicht werden. Wechselweise wird der ganze Wellenlangenbereich sofort mit einem Fourier gemessen gestalten Instrument um, und dann wird Durchlässigkeitsgrad- oder Absorptionsvermögen-Spektrum mit einem hingebungsvollen Verfahren erzeugt. Die Analyse der Position, Gestalt und Intensität von Spitzen in diesem Spektrum offenbart Details über die molekulare Struktur der Probe.

Diese Technik arbeitet fast exklusiv an Proben mit covalent Obligationen. Einfache Spektren werden bei Proben mit wenigen IR aktiven Obligationen und hohen Niveaus der Reinheit erhalten. Kompliziertere molekulare Strukturen führen zu mehr Absorptionsbändern und komplizierteren Spektren. Die Technik ist für die Charakterisierung von sehr komplizierten Mischungen verwendet worden. Spektrum-Probleme mit der Infrarotfluoreszenz sind selten.

Beispielvorbereitung

Gasartige Proben verlangen, dass eine Beispielzelle mit einem langen pathlength die Verdünntkeit ersetzt. Der pathlength der Beispielzelle hängt von der Konzentration der Zusammensetzung vom Interesse ab. Eine einfache Glastube mit der Länge von 5 bis 10 Cm, die mit Infrarotfenstern an den beiden Enden der Tube ausgestattet sind, kann für Konzentrationen unten zu mehreren hundert ppm verwendet werden. Beispielgaskonzentrationen ganz unter ppm können mit einer Zelle eines Weißes gemessen werden, in der das Infrarotlicht mit Spiegeln geführt wird, um durch das Benzin zu reisen. Die Zellen des Weißes sind mit optischem pathlength verfügbar, der von 0.5 M bis zu Hundert Meter anfängt.

Flüssige Proben können zwischen zwei Tellern eines Salzes eingeschoben werden (allgemein Natriumchlorid oder Kochsalz, obwohl mehrere andere Salze wie Kalium-Bromid oder Kalzium-Fluorid auch verwendet werden).

Die Teller sind zum Infrarotlicht durchsichtig und führen keine Linien auf die Spektren ein.

Feste Proben können in einer Vielfalt von Wegen bereit sein. Eine übliche Methodik ist, die Probe mit einem öligen mulling Agenten (gewöhnlich Nujol) in einem Marmor oder Achat-Mörser mit einer Mörserkeule zu zerquetschen. Ein dünner Film des Mulls wird auf Salz-Teller geschmiert und gemessen. Die zweite Methode ist, eine Menge der Probe mit einem besonders gereinigten Salz (gewöhnlich Kalium-Bromid) fein zu schleifen (um sich zerstreuende Effekten von großen Kristallen zu entfernen). Diese Puder-Mischung wird dann in einer mechanischen Presse gedrückt, um ein lichtdurchlässiges Kügelchen zu bilden, durch das der Balken des Spektrometers gehen kann. Eine dritte Technik ist die "Wurf" Filmtechnik, die hauptsächlich für polymere Materialien verwendet wird. Die Probe wird zuerst in einem passenden, nicht hygroskopischem Lösungsmittel aufgelöst. Ein Fall dieser Lösung wird auf der Oberfläche von KBr oder Zelle von NaCl abgelegt. Die Lösung wird dann zur Trockenheit verdampft, und der auf der Zelle gebildete Film wird direkt analysiert. Sorge ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Film sonst leicht nicht zu dick ist, kann nicht durchgehen. Diese Technik ist für die qualitative Analyse passend. Die Endmethode ist, microtomy zu verwenden, um einen dünnen (20-100 µm) Film von einer festen Probe zu schneiden. Das ist eine der wichtigsten Weisen zu analysieren hat Plastikprodukten zum Beispiel gefehlt, weil die Integrität des Festkörpers bewahrt wird.

In der photoakustischen Spektroskopie ist das Bedürfnis nach der Beispielbehandlung minimal. Die Probe, flüssig oder fest, wird in die Beispieltasse gelegt, die in die photoakustische Zelle eingefügt wird, die dann für das Maß gesiegelt wird. Die Probe kann ein festes Stück, Puder oder grundsätzlich in jeder Form für das Maß sein. Zum Beispiel kann ein Stück des Felsens in die Beispieltasse und das davon gemessene Spektrum eingefügt werden.

Es ist wichtig zu bemerken, dass bei verschiedenen Beispielvorbereitungsmethoden erhaltene Spektren ein bisschen verschieden von einander wegen Unterschiede in den physischen Staaten der Proben aussehen werden.

Das Vergleichen mit einer Verweisung

Um das Infrarotspektrum einer Probe zu nehmen, ist es notwendig, sowohl die Probe als auch eine "Verweisung" (oder "Kontrolle") zu messen. Das ist, weil jedes Maß durch nicht nur die Eigenschaften der leichten Absorption der Probe, sondern auch die Eigenschaften des Instrumentes betroffen wird (zum Beispiel, welche leichte Quelle verwendet wird, welcher Infrarotentdecker, usw. verwendet wird). Das Bezugsmaß macht es möglich, den Instrument-Einfluss zu beseitigen. Mathematisch wird das Beispielübertragungsspektrum durch das Bezugsübertragungsspektrum geteilt.

Die passende "Verweisung" hängt vom Maß und seiner Absicht ab. Das einfachste Bezugsmaß soll einfach die Probe (das Ersetzen davon mit dem Flugzeug) entfernen. Jedoch manchmal ist eine verschiedene Verweisung nützlicher. Zum Beispiel, wenn die Probe ein verdünnter solute ist, der in Wasser in einem Trinkbecher aufgelöst ist, dann könnte ein gutes Bezugsmaß sein, reines Wasser in demselben Trinkbecher zu messen. Dann würde das Bezugsmaß nicht nur alle instrumentalen Eigenschaften annullieren (wie, welche leichte Quelle verwendet wird), sondern auch die leicht fesselnden und Licht widerspiegelnden Eigenschaften des Wassers und Trinkbecher, und das Endresultat gerade die Eigenschaften des solute (mindestens ungefähr) zeigen würde.

Eine allgemeine Weise, sich mit einer Verweisung zu vergleichen, ist folgend: Messen Sie zuerst die Verweisung, dann ersetzen Sie die Verweisung durch die Probe und messen Sie die Probe. Diese Technik ist nicht vollkommen zuverlässig; wenn die Infrarotlampe während des Bezugsmaßes ein bisschen heller ist, dann ein bisschen dunkler während des Beispielmaßes wird das Maß verdreht. Mehr wohl durchdachte Methoden, wie eine "Zwei-Balken-"-Einstellung (sieh Zahl), können für diese Typen von Effekten korrigieren, sehr genaue Ergebnisse zu geben. Die Standardhinzufügungsmethode kann verwendet werden, um diese Fehler statistisch zu annullieren.

FTIR

Fourier verwandelt sich infrarote (FTIR) Spektroskopie ist eine Maß-Technik, die erlaubt, Infrarotspektren zu registrieren. Infrarotlicht wird durch einen interferometer und dann durch die Probe (oder umgekehrt) geführt. Ein bewegender Spiegel innerhalb des Apparats verändert den Vertrieb des Infrarotlichtes, das den interferometer durchführt. Das Signal direkt registriert, genannt einen "interferogram", vertritt leichte Produktion als eine Funktion der Spiegelposition. Eine Datenverarbeitungstechnik genannt Fourier verwandelt sich verwandelt sich dieser rohe Daten ins gewünschte Ergebnis (das Spektrum der Probe): Leichte Produktion als eine Funktion der Infrarotwellenlänge (oder gleichwertig, wavenumber). Wie beschrieben, oben ist das Spektrum der Probe immer im Vergleich zu einer Verweisung.

Es gibt eine abwechselnde Methode, um Spektren zu nehmen (der "dispersive" oder, "monochromator" Methode zu scannen), wo eine Wellenlänge in einer Zeit die Probe durchführt. Die dispersive Methode ist in der UV-Kraft-Spektroskopie üblicher, aber ist in infrarot weniger praktisch als die FTIR Methode. Ein Grund, dass FTIR bevorzugt wird, wird "den Vorteil von Fellgett" oder den "Mehrfachvorteil" genannt: Die Information an allen Frequenzen wird gleichzeitig gesammelt, sich sowohl Geschwindigkeit als auch Verhältnis des Signals zum Geräusch verbessernd. Ein anderer wird "den Durchfluss-Vorteil von Jacquinot" genannt: Ein dispersive Maß verlangt das Ermitteln viel niedrigere leichte Niveaus als ein FTIR Maß. Es gibt andere Vorteile, sowie einige Nachteile, aber eigentlich sind alle modernen Infrarotspektrometer FTIR Instrumente.

Absorptionsbänder

Wavenumbers hat im Cm Schlagseite gehabt.

Gebrauch und Anwendungen

Infrarotspektroskopie ist eine einfache und zuverlässige Technik, die weit sowohl in der organischen als auch in anorganischen Chemie, in der Forschung und Industrie verwendet ist. Es wird in der Qualitätskontrolle, dem dynamischen Maß und den Mithöranwendungen wie das langfristige unbegleitete Maß von CO Konzentrationen in Gewächshäusern und Wachstumsräumen durch infrarote Gasanalysatoren verwendet.

Es wird auch in der forensischen Analyse sowohl in kriminellen als auch in Zivilprozessen zum Beispiel in der sich identifizierenden Polymer-Degradierung verwendet. Es kann im Ermitteln verwendet werden, wie viel Alkohol im Blut eines verdächtigten betrunkenen Treibers gemessen als 1/10,000 g/mL = 100 μg/mL ist.

Eine nützliche Weise, feste Proben ohne das Bedürfnis danach zu analysieren, Beispielgebrauch ATR oder verdünnte reflectance Gesamtspektroskopie zu schneiden. Mit dieser Annäherung werden Proben gegen das Gesicht eines Monokristalls gedrückt. Die Infrarotradiation führt den Kristall durch und wirkt nur mit der Probe an der Schnittstelle zwischen den zwei Materialien aufeinander.

Mit der zunehmenden Technologie in der Computerentstörung und Manipulation der Ergebnisse können Proben in der Lösung jetzt genau gemessen werden (Wasser erzeugt ein breites Absorptionsvermögen über die Reihe von Interesse, und macht so die Spektren, die ohne diese Computerbehandlung unlesbar sind).

Einige Instrumente werden Ihnen auch automatisch erzählen, welche Substanz von einem Laden von Tausenden von in der Lagerung gehaltenen Bezugsspektren gemessen wird.

Infrarotspektroskopie ist auch im Messen des Grads von polymerization in der Polymer-Fertigung nützlich. Änderungen im Charakter oder der Menge eines besonderen Bandes werden durch das Messen an einer spezifischen Frequenz mit der Zeit bewertet. Moderne Forschungsinstrumente können Infrarotmaße über die Reihe von Interesse so oft nehmen wie 32mal pro Sekunde. Das kann getan werden, während gleichzeitige Maße mit anderen Techniken gemacht werden. Das macht die Beobachtungen von chemischen Reaktionen und geht schneller und genauer in einer Prozession.

Infrarotspektroskopie ist auch im Feld der Halbleiter-Mikroelektronik erfolgreich verwertet worden: Zum Beispiel kann Infrarotspektroskopie auf Halbleiter wie Silikon, Gallium arsenide, Gallium-Nitrid, Zink selenide, amorphes Silikon, Silikonnitrid usw. angewandt werden.

Die Instrumente sind jetzt klein, und können sogar für den Gebrauch in Feldversuchen transportiert werden.

Isotop-Effekten

Die verschiedenen Isotope in einer besonderen Art können feines Detail in der Infrarotspektroskopie geben. Zum Beispiel wird der O-O das Ausdehnen der Frequenz (in gegenseitigen Zentimeter) oxyhemocyanin experimentell beschlossen, 832 und 788 Cm für ν (O-O) und ν (O-O) beziehungsweise zu sein.

Durch das Betrachten des O-O Bandes als ein Frühling kann der wavenumber des Absorptionsvermögens, ν berechnet werden:

wo k die Frühlingskonstante für das Band ist, ist c die Geschwindigkeit des Lichtes, und μ ist die reduzierte Masse des A-B Systems:

(ist die Masse des Atoms).

Den reduzierten Massen für O-O und O-O kann als 8 und 9 beziehungsweise näher gekommen werden. So

Wo der wavenumber ist; [wavenumber = Frequenz / (Geschwindigkeit des Lichtes)]

gefunden hat, ist die Wirkung von Isotopen, sowohl auf dem Vibrieren als auch auf der Zerfall-Dynamik, stärker gewesen als vorher Gedanke. In einigen Systemen, wie Silikon und Germanium, schließt der Zerfall der antisymmetrischen Strecken-Weise von zwischenräumlichem Sauerstoff die symmetrische Strecken-Weise mit einer starken Isotop-Abhängigkeit ein. Zum Beispiel wurde es gezeigt, dass für eine natürliche Silikonprobe die Lebenszeit des antisymmetrischen Vibrierens 11.4 ps ist. Wenn das Isotop von einem der Silikonatome Si vergrößert wird, nimmt die Lebenszeit zu 19 ps zu. Auf die ähnliche Weise, wenn das Silikonatom Si geändert wird, wird die Lebenszeit 27 ps.

Zweidimensionaler IR

Zweidimensionale Infrarotkorrelationsspektroskopie-Analyse ist die Anwendung der 2. Korrelationsanalyse auf Infrarotspektren. Durch das Verlängern der geisterhaften Information einer gestörten geisterhaften Beispielanalyse wird vereinfacht, und Entschlossenheit wird erhöht. Die 2. gleichzeitigen und 2. asynchronen Spektren vertreten eine grafische Übersicht der geisterhaften Änderungen wegen einer Unruhe (wie eine sich ändernde Konzentration oder das Ändern der Temperatur) sowie die Beziehung zwischen den geisterhaften Änderungen an zwei verschiedenen wavenumbers.

Nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie ist die Infrarotversion der Korrelationsspektroskopie. Nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie ist eine Technik, die verfügbar mit der Entwicklung der Femtosekunde Infrarotlaserpulse geworden ist. In diesem Experiment zuerst wird eine Reihe von Pumpe-Pulsen auf die Probe angewandt. Dem wird von einer Wartezeit gefolgt, worin dem System erlaubt wird sich zu entspannen. Die typische Wartezeit dauert von der Null bis mehrere picoseconds, und die Dauer kann mit einer Entschlossenheit von Zehnen von Femtosekunden kontrolliert werden. Ein Untersuchungspuls wird dann angewandt, auf die Emission eines Signals von der Probe hinauslaufend. Das nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektrum ist ein zweidimensionaler Korrelationsanschlag der Frequenz ω, der durch die anfänglichen Pumpe-Pulse und die Frequenz ω aufgeregt durch den Untersuchungspuls nach der Wartezeit aufgeregt war. Das erlaubt die Beobachtung der Kopplung zwischen verschiedenen Schwingweisen; wegen sein äußerst höchste Zeit Entschlossenheit kann es verwendet werden, um molekulare Dynamik auf einer picosecond Zeitskala zu kontrollieren. Es ist noch eine größtenteils unerforschte Technik und wird immer populärer für die Grundlagenforschung.

Als mit der zweidimensionalen Kernkernspinresonanz (2DNMR) Spektroskopie breitet diese Technik das Spektrum in zwei Dimensionen aus und berücksichtigt die Beobachtung von bösen Spitzen, die Information über die Kopplung zwischen verschiedenen Weisen enthalten. Im Gegensatz zu 2DNMR schließt nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie auch die Erregung zu Obertönen ein. Diese Erregung laufen auf aufgeregte Zustandabsorptionsspitzen hinaus, die unter der Diagonale und den bösen Spitzen gelegen sind. In 2DNMR werden zwei verschiedene Techniken, GEMÜTLICH und NOESY, oft verwendet. Die bösen Spitzen im ersten sind mit der Skalarkopplung verbunden, während in den Letzteren sie mit der Drehungsübertragung zwischen verschiedenen Kernen verbunden sind. In der nichtlinearen zweidimensionalen Infrarotspektroskopie sind Analoga zu diesen 2DNMR Techniken gezogen worden. Die nichtlineare zweidimensionale Infrarotspektroskopie mit der Nullwartezeit entspricht GEMÜTLICHER und nichtlinearer zweidimensionaler Infrarotspektroskopie mit der begrenzten Wartezeit, Schwingbevölkerungsübertragung erlaubend, entspricht NOESY. Die GEMÜTLICHE Variante der nichtlinearen zweidimensionalen Infrarotspektroskopie ist für den Entschluss vom sekundären Struktur-Inhalt von Proteinen verwendet worden.

Siehe auch

• Absorptionsspektroskopie
• Angewandte Spektroskopie
• Weit-Infrarotastronomie
• Forensische Chemie
• Forensische Technik
• Forensische Polymer-Technik
• Gerichtsmedizin
• Infrarotastronomie
• Infrarotmikroskopie
• Infrarotspektroskopie-Korrelationstisch
• Nah-Infrarotspektroskopie
• Photothermalmikrospektroskopie
• Infrarotspektroskopie von Metall carbonyls
• Spektroskopie von Raman
• Rotationsspektroskopie
• Spektroskopie
• Zeitaufgelöste Spektroskopie
• Schwingspektroskopie

Links

• Ein nützlicher gif Zeichentrickfilm von verschiedenen Schwingweisen: SHU.ac.uk
• Illustriertes Handbuch zur grundlegenden IR Spektrum-Interpretation
• Infrarotspektroskopie für organische Chemiker
• Organische Zusammensetzungsspektrum-Datenbank