17.1: Спектометрія поглинання середнього інфрачервоного діапазону

Серединно-інфрачервона спектрометрія використовується для рутинного якісного аналізу і, меншою мірою, кількісного аналізу органічних молекул. У цьому розділі розглядається абсорбційна спектрометрія, в якій ми вимірюємо поглинання ІЧ-світла при проходженні через газ, розчин, рідину або твердий зразок. У розділі 17.2 ми розглядаємо спектрометрію відбиття, в якій вимірюємо поглинання ІЧ-світла, оскільки воно відбивається від поверхні твердого зразка або тонкої плівки рідкого зразка.

Обробка зразків

Інфрачервона спектроскопія зазвичай використовується для аналізу газових, рідких і твердих зразків. Ми знаємо з закону Біра\(A = \epsilon b C\), що поглинання є лінійною функцією концентрації аналіта\(C\), і відстань\(b\), світло проходить через зразок. Проблемою з отриманням ІЧ-спектру рідко є концентрація аналіта або довжина шляху; замість цього він знаходить матеріали та розчинники, прозорі для ІЧ-випромінювання. Оптичні вікна в ІЧ-осередках виготовлені з матеріалів, таких як NaCl і KBr, які є прозорими для інфрачервоного випромінювання.

Зразки газової фази

Комірка для аналізу зразка в газовій фазі, як правило, являє собою скляний балон розміром 5—10 см, оснащений оптично прозорими вікнами. Для аналіту з особливо малою концентрацією клітинка зразка розроблена з відбиваючими поверхнями, які дозволяють інфрачервоному випромінюванню зробити кілька проходів через клітину, перш ніж вона вийде з клітини зразка, збільшуючи довжину шляху і, отже, поглинання.

Рішення рішення

Аналіз зразка в розчині обмежений інфрачервоними поглинаючими властивостями розчинника, при цьому чотирихлористий вуглець, CCl ₄, сірковуглець, CS ₂ та хлороформ, ChCl ₃, є загальними розчинниками. Типова осередок розчину показана на малюнку\(\PageIndex{1}\). Він виконаний з двома вікнами NaCl, розділеними розпіркою. Змінюючи розпірки, отримують довжини доріжок від 0,015—1,0 мм. Зразок вводять в осередок за допомогою шприца і вхідного отвору для проби.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): ІЧ-клітина для аналітів, які знаходяться в розчині. (a) Вид зверху, що показує вхідний отвір для зразка, вихід зразка та вікно NaCl. (b) Вид збоку, що показує дві пластини NaCl.

Зразки рідкої фази

Зразок, який є летючою рідиною, може бути проаналізований за допомогою осередку розчину на рис\(\PageIndex{1}\). Для нелеткого рідкого зразка, однак, відповідний зразок для якісної роботи можна підготувати, помістивши краплю рідини між двома пластинами NaCl, показаними на малюнку\(\PageIndex{2}a\), утворюючи тонку плівку, яка зазвичай має товщину менше 0,01 мм. Альтернативним підходом є розміщення краплі зразка на одноразову картку, забезпечену поліетиленовим «віконцем», яке ІК прозоре за винятком сильних смуг поглинання на 2918 см ^—1 і 2849 см ^—1 (рис.\(\PageIndex{2}b\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Два приклади ІЧ-осередків зразків для рідких зразків: (а) пластини солей NaCl; (б) одноразова картка з поліетиленовим вікном, яке є ІЧ-прозорим, за винятком сильних смуг поглинання при 2918 см ^—1 і 2849 см ^—1.

Зразки твердої фази

Прозорі тверді зразки аналізуються шляхом розміщення їх безпосередньо в ІЧ-пучку. Більшість твердих зразків, однак, непрозорі і спочатку диспергуються в більш прозорому середовищі перед записом ІЧ-спектра. Якщо є відповідний розчинник, то тверде речовина аналізується шляхом приготування розчину і аналізу, як описано вище. Коли відповідного розчинника немає в наявності, тверді зразки аналізують, готуючи муль дрібно порошкоподібного зразка з відповідним маслом і потім розмазуючи його на сольовій тарілці NaCl або одноразової ІК-карті (рис.\(\PageIndex{2}\)). Як варіант, порошкоподібний зразок змішують з KBr і пресують під високим тиском в тонку оптично прозору гранулу, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Прес KBr для підготовки твердого зразка до ІЧ-аналізу. На фото зліва зображена преса. У задню частину преса вкручується болт з різьбою (прихований від виду). Частина зразка, змішаного з Кбр, додається в прес і другий болт з різьбою вкручується в прес. Два болта затягуються шляхом повороту один проти одного, утворюючи оптично прозору гранулу, як показано на фото праворуч, яке дивиться крізь гранулу. При знятих різьбових болтах прес сидить у тримачі і розміщується в оптичному шляху спектрометра.

Якісний аналіз

Найважливішим застосуванням середньо-інфрачервоної спектроскопії є якісна ідентифікація органічних молекул. \(\PageIndex{4}\)На малюнку показані середні ІЧ спектри розчину для чотирьох простих спиртів: метанолу, CH ₃ OH, етанолу, CH ₃ CH ₂ OH, пропанолу, CH ₃ CH _{2 CH 2} OH та ізопропанолу, (CH ₃) ₂ CHOH. Очевидно, що в цих чотирьох спектрах є подібності та відмінності: подібності, які можуть змусити нас очікувати, що кожна молекула містить однакові функціональні групи та відмінності, які з'являються як особливості, унікальні для конкретної молекули. Подібності в цих чотирьох спектрах з'являються на вищому кінці хвильового числа шкали осі х; ми називаємо піки, які ми знаходимо там групові частоти. Відмінності в цих чотирьох спектрах виникають нижче приблизно 1500 см ^—1 в тому, що ми називаємо областю відбитків пальців.

Примітка

Область відбитків пальців визначається тут як початок з 1500 см ^—1, і поширюється до найнижчого хвильового числа, показаного на осі x. Якщо ви здійсните пошук у регіоні відбитків пальців, ви побачите, що немає широкої згоди щодо того, де він починається. Під час пошуку я знайшов джерела, які розміщують початок області відбитків пальців як 1500 см ^—1, 1450 см ^—1, 1300 см ^—1, 1200 см ^—1 та 1000 см ^—1.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): ІЧ-спектри для чотирьох простих спиртів: метанол, СН ₃ ОН, етанол, СН ₃ СН ₂ ОН, пропанол, СН ₃ СН _{2 СН 2} ОН і ізо-пропанол, (СН ₃) ₂ CHOH. Зразки готували з використанням чотирихлористого вуглецю в якості розчинника. Вертикальна пунктирна червона лінія на 1500 см ^—1 позначає початок області відбитків пальців. Вихідні дані для цих спектрів взяті з NIST.

Групові частоти

Усі чотири спектри на малюнку мають\(\PageIndex{4}\) невелику інтенсивність, різкий пік приблизно 3650 см ^—1, сильну інтенсивність, широкий пік приблизно 3350 см ^—1 та два середніх інтенсивності, різкі піки 2950 см ^—1 та 3850 см ^—1. Порівнюючи спектри для цих та інших сполук, ми знаємо, що наявність широкого піку між приблизно 3200 см ^—1 і 3600 см ^—1 є хорошим доказом того, що сполука містить функціональну групу, пов'язану з воднем —ОН. Різкий пік приблизно 3650 см ^—1 також є свідченням функціональної групи —OH, але тієї, яка не пов'язана з воднем. Дві гострі піки на рівні 2950 см ^—1 і 3850 см ^—1 відповідають зв'язкам C—H. Всі чотири ці піки призначені для розтягування вібрацій. Таблиці групових частот зазвичай доступні.

Регіон «Відбиток пальців»

\(\PageIndex{5}\)На малюнку показано крупний план області відбитків пальців для зразків алкоголю на малюнку\(\PageIndex{4}\). Особливий інтерес при цьому наборі зразків викликає зростаюча складність спектрів у міру переходу від найпростішого з цих спиртів (метанолу), до найскладніших з цих спиртів (пропанол і ізопропанол). Також інтерес представляє те, що кожен спектр унікальний таким чином, що дозволяє нам підтвердити зразок шляхом зіставлення його з бібліотекою записаних спектрів. Існує ряд доступних колекцій спектрів, які доступні для цієї мети. Однією з таких колекцій спектрів є NIST Webbook —NIST - Національний інститут стандартів та технологій - який є джерелом даних, що використовуються для відображення спектрів, включених у цифри цього розділу, і який включає спектри для більш ніж 16 000 сполук.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): ІЧ-спектри в області відбитків пальців для чотирьох простих спиртів: метанолу, CH ₃ OH, етанолу, CH ₃ CH ₂ OH, пропанолу, CH ₃ CH _{2 CH 2} OH та ізо-пропанолу, (CH ₃) ₂ CHOH. Зразки готували з використанням чотирихлористого вуглецю в якості розчинника. Вихідні дані для цих спектрів взяті з NIST.

Комп'ютерні пошукові системи

При наявності комп'ютеризованого збору та зберігання даних можна будувати цифрові бібліотеки стандартних еталонних спектрів. Ідентичність невідомої сполуки часто можна визначити шляхом порівняння його спектра з бібліотекою еталонних спектрів, процесом, відомим як спектральний пошук. Порівняння проводяться за допомогою алгоритму, який обчислює кумулятивну різницю між спектром зразка та еталонним спектром. Наприклад, один простий алгоритм використовує наступне рівняння

\[D = \sum_{i = 1}^n | (A_{sample})_i - (A_{reference})_i | \label{spec_sub} \]

де D - сукупна різниця, _зразок - це поглинання зразка на довжині хвилі або wavenumber i, _{посилання} - поглинання еталонної сполуки при тому ж довжина хвилі або хвильове число, а n - кількість оцифрованих точок у спектрах. Зауважте, що спектри тут визначаються абсорбцією замість пропускання, оскільки поглинання прямо пропорційно концентрації. Сукупна абсолютна різниця обчислюється для кожного еталонного спектра. Посилальна сполука з найменшим значенням D є найближчим збігом до невідомої сполуки. Точність спектрального пошуку обмежена кількістю і типом сполук, що входять до бібліотеки, і впливом матриці зразка на спектр.

Ще однією перевагою комп'ютеризованого збору даних є можливість віднімання одного спектра від іншого. У поєднанні зі спектральним пошуком можна визначити ідентичність декількох компонентів у зразку без необхідності попереднього етапу поділу шляхом багаторазового пошуку та віднімання еталонних спектрів. Приклад показаний на\(\PageIndex{6}\) малюнку, на якому склад двокомпонентної суміші визначається послідовним пошуком і відніманням. \(\PageIndex{6}a\)На малюнку показаний спектр суміші. Пошук спектральної бібліотеки вибирає Cocaine•HCl (рис.\(\PageIndex{6}b\)) як ймовірний компонент суміші. Віднімання еталонного спектра для кокаїну • HCl зі спектра суміші залишає результат (рис.\(\PageIndex{6}c\)), який тісно відповідає еталонному спектру манітолу (рис.\(\PageIndex{6}d\)). Віднімання еталонного спектра для манітолу залишає невеликий залишковий сигнал (рис.\(\PageIndex{6}e\)).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Ідентифікація компонентів суміші шляхом спектрального пошуку та віднімання. (а) ІК-спектр суміші; (б) еталонний ІЧ-спектр кокаїну • HCl; (c) Результат віднімання спектра кокаїну • HCl зі спектра суміші; (г) еталонний ІЧ-спектр манітолу; і (е) залишковий спектр після видалення внеску манітолу в спектр суміші. ІЧ-спектри традиційно відображаються за допомогою відсотка пропускання,% T, вздовж осі y. Оскільки поглинання, а не відсоток пропускання - це лінійна функція концентрації, спектрального пошуку та спектрального віднімання, легше зробити при відображенні поглинання на осі y.

Кількісні програми

Кількісний аналіз, заснований на поглинанні інфрачервоного випромінювання, хоча і важливий, зустрічається рідше, ніж при поглинанні УФ/ВІС, насамперед через три питання, порушені тут.

Відхилення від закону пива

Одним із викликів кількісного ІЧ є більша тенденція до інструментальних відхилень від закону Біра при використанні інфрачервоного випромінювання. Оскільки інфрачервона смуга поглинання відносно вузька, будь-яке відхилення через відсутність монохроматичного випромінювання є більш вираженим. Крім того, інфрачервоні джерела менш інтенсивні, ніж джерела УФ/ВІС, що робить бродяче випромінювання більш проблемою. Відмінності між довжиною шляху для зразків і стандартів при використанні тонких рідких плівок або гранул KBr є проблемою, хоча внутрішній стандарт може виправити будь-яку різницю в довжині шляху; альтернативно, ми можемо використовувати комірку, показану на малюнку,\(\PageIndex{1}\) для підтримки постійної довжини шляху.

Корекція фону

Вода і вуглекислий газ у повітрі мають сильні поглинання в середині ІК. Двопроменевий дисперсійний прилад коригує внески парів CO _{2 та H 2} O, оскільки вони присутні в обох шляхах через прилад. FT-IR, однак, включає лише один оптичний шлях, тому необхідно збирати окремий спектр для компенсації поглинання атмосферних парів CO ₂ і H ₂ O. Це робиться шляхом збору фонового спектра без зразка і зберігання результату в пам'яті комп'ютера приладу. Фоновий спектр видаляється зі спектру зразка, приймаючи співвідношення двох сигналів. Інший підхід полягає в промиванні відсіку для зразків азотом.

Вимірювання поглинання

Ще однією проблемою для кількісного ІЧ є те, що встановлення базової лінії 100% T (A = 0) часто важко, оскільки оптичні властивості клітин зразка NaCl можуть значно змінюватися з довжиною хвилі через забруднення та деградацію. Ми можемо мінімізувати цю проблему, вимірюючи поглинання відносно базової лінії, встановленої для смуги поглинання. \(\PageIndex{7}\)На малюнку показано, як це відбувається.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Метод визначення поглинання з ІЧ-спектра.

Типові програми

Нещодавній оглядовий документ [Фахелебом, К.М.; Салех, А.; Аль-Табаха, М.А.; Ашамес, А.А. Хім. 2022, 41, 21—33] узагальнює багату літературу з кількісної інфрачервоної спектрометрії. Серед розглянутих областей є аналіз фармацевтичних препаратів, включаючи антибіотики, гіпотензивні засоби, противірусні та контрафактні препарати. Середньо-інфрачервона спектрометрія також знаходить застосування для аналізу екологічно значущих газів, таких як метан, CH ₄, хлористий водень, HCl, діоксид сірки, SO ₂ та оксид азоту, NO.