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Espectroscopia infrarroja

Para una tabla de los datos IR de la espectroscopia, vea tabla de correlación infrarroja de la espectroscopia.

Espectroscopia infrarroja (Espectroscopia IR) es el subconjunto de espectroscopia ese trata de infrarrojo región del espectro electromágnetico. Cubre una gama de técnicas, el ser más común una forma de espectroscopia de absorción. Como con todas las técnicas espectroscópicas, puede ser utilizado para identificar compuestos o para investigar la composición de la muestra. Tablas de correlación infrarrojas de la espectroscopia se tabulan en la literatura.

Contenido

Teoría

La porción infrarroja del espectro electromágnetico se divide en tres regiones; el el cercano, mediados de y lejos infrarrojo, nombrado para su relación al espectro visible. El far-infrared, aproximadamente 400-10 centímetro-1 (μm 1000-30), mintiendo adyacente a microonda la región, tiene de poca energía y se puede utilizar para espectroscopia rotatoria. El mediados de-infrarrojo, aproximadamente 4000-400 centímetro-1 (μm 30-1.4) puede ser utilizado estudiar las vibraciones fundamentales y ser asociado rotatorio-vibratorio estructura. La energía más alta cercano-IR, aproximadamente 14000-4000 centímetro-1 (μm 1.4-0.8) puede excitar insinuación o armónico vibraciones. Los nombres y las clasificaciones de estos subregions son simplemente convenciones. Son ni divisiones terminantes ni basado en características moleculares o electromágneticas exactas.

La espectroscopia infrarroja explota el hecho de que las moléculas tienen frecuencias específicas en las cuales roten o vibren corresponder a discreto niveles de energía. Éstos frecuencias resonantes son determinados por la forma del molecular superficies potenciales de la energía, las masas de los átomos y, por el asociado acoplador vibronic. Para que un modo vibratorio en una molécula a ser activo IR, él se deba asociar a los cambios en el dipolo permanente. Particularmente, en Llevado-Oppenheimer y aproximaciones armónicas, es decir. cuando hamiltoniano molecular el corresponder al electrónico estado de tierra puede ser aproximado por a oscilador armónico en la vecindad del equilibrio geometría molecular, las frecuencias resonantes son determinadas por modos normales el corresponder a la superficie potencial electrónica molecular de la energía del estado de tierra. Sin embargo, las frecuencias resonantes pueden estar en un primer acercamiento relacionado con la fuerza del enlace, y masa de los átomos en cualquier extremo de él. Así, la frecuencia de las vibraciones se puede asociar a un tipo en enlace particular.

Las moléculas diatómicas simples tienen solamente un enlace, que puede estirar. Moléculas más complejas tienen muchos enlaces, y las vibraciones se pueden conjugar, conduciendo a las absorciones infrarrojas en las frecuencias características que se pueden relacionar con los grupos químicos. Por ejemplo, los átomos en un CH2 el grupo, encontró comúnmente adentro compuestos orgánicos puede vibrar de seis diversas maneras: el estirar simétrico y antisymmetrical, el scissoring, oscilación, el menear y el torcer:

Simétrico
el estirar		 Antisymmetrical
el estirar		 Scissoring Oscilación El menear El torcer

El espectro infrarrojo de una muestra es recogido pasando una viga de la luz infrarroja a través de la muestra. La examinación de la luz transmitida revela cuánto energía fue absorbida en cada longitud de onda. Esto se puede hacer con a monocromático emita, que cambia en longitud de onda en un cierto plazo, o usando a Fourier transforma equipe para medir todas las longitudes de onda inmediatamente. De esto, a transmittance o absorbencia el espectro se puede producir, demostrando en qué longitudes de onda IR absorbe la muestra. El análisis de estas características de la absorción revela los detalles sobre la estructura molecular de la muestra.

Esta técnica trabaja casi exclusivamente en muestras con enlaces covalentes. Los espectros simples se obtienen de muestras con pocos enlaces activos IR y altos niveles de la pureza. Estructuras moleculares más complejas conducen a más vendas de absorción y espectros más complejos. La técnica se ha utilizado para la caracterización de mezclas muy complejas.

Preparación de la muestra

Las muestras gaseosas requieren poca preparación más allá de la purificación, pero una célula de la muestra con un largo longitud del camino (típicamente 5-10 centímetro) es normalmente necesario, pues los gases demuestran absorbencias relativamente débiles.

Las muestras líquidas se pueden intercalar entre dos placas de una sal de la pureza elevada (comúnmente cloruro de sodio, o sal común, aunque un número de otras sales por ejemplo bromuro del potasio o fluoruro del calcio también se utilizan). Las placas son transparentes a la luz infrarroja y no introducirán ningunas líneas sobre los espectros. Algunas placas de la sal son altamente solubles en agua, así que la muestra y los reactivo que se lavan deben ser anhidro (sin el agua).

Las muestras sólidas se pueden preparar de cuatro maneras importantes. El primer es machacar la muestra con un agente que reflexiona sobre (generalmente nujol) en a mármol o ágata mortero, con una maja. Una película fina del reflexionar sobre se aplica sobre las placas de la sal y se mide.

El segundo método es moler una cantidad de la muestra con una sal especialmente purificada (generalmente bromuro del potasio) finalmente (quitar la dispersión de efectos de cristales grandes). Esta mezcla del polvo entonces se machaca en una prensa mecánica del dado para formar una pelotilla translúcida a través de la cual la viga del espectrómetro pueda pasar.

La tercera técnica es la técnica de la película del molde, que se utiliza principalmente para los materiales poliméricos. La muestra primero se disuelve en un solvente conveniente, no higroscópico. Una gota de esta solución se deposita en la superficie de la célula del KBr o del NaCl. La solución entonces se evapora al estado seco y la película formada en la célula se analiza directamente. El cuidado es importante asegurarse de que la película no es luz demasiado gruesa no puede pasar de otra manera a través. Esta técnica es conveniente para el análisis cualitativo.

El método final es utilizar microtomy para cortar un fino (20-100 micrón) película de una muestra sólida. Éste es una de las maneras más importantes de analizar productos plásticos fallados por ejemplo porque la integridad del sólido se preserva.

Es importante observar que los espectros obtenidos de diversos métodos de la preparación de la muestra parecerán levemente diferentes de uno a debido a las diferencias en los estados físicos de las muestras.

Método típico

Una viga de la luz infrarroja se produce y está partida en dos vigas separadas. Uno se pasa a través de la muestra, la otra pasada con una referencia que sea a menudo la sustancia que la muestra se disuelve pulg. Las vigas ambas se reflejan detrás hacia un detector, no obstante primero pasan a través de un divisor que se alterne rápidamente que de las dos vigas entra en el detector. Las dos señales entonces se comparan y se obtiene un listado.

Una referencia se utiliza por dos razones:

  • Esto previene fluctuaciones en la salida de la fuente que afecta los datos
  • Esto permite que los efectos del solvente sean cancelados hacia fuera (la referencia es generalmente una forma pura del solvente que la muestra está adentro)

Resumen de absorciones de enlaces en moléculas orgánicas

Artículo principal: Tabla de correlación infrarroja de la espectroscopia

Wavenumbers enumeró adentro centímetro-1.

Aplicaciones y usos

La espectroscopia infrarroja es ampliamente utilizada en la investigación y la industria como técnica simple y confiable para la medida, el control de calidad y la medida dinámica. Está de uso especial adentro análisis forense en casos criminales y civiles, permitiendo la identificación de degradación del polímero por ejemplo. Es quizás el método más ampliamente utilizado de espectroscopia aplicada.[la citación necesitó]

Los instrumentos son pequeños ahora, y se pueden transportar, incluso para el uso en ensayos prácticos. Con el aumento de tecnología en la filtración de la computadora y la manipulación de los resultados, las muestras en la solución pueden ahora ser medidas exactamente (el agua produce una amplia absorbencia a través de la gama del interés, y así hace los espectros ilegibles sin este tratamiento de la computadora). Algunas máquinas también automáticamente le dirán qué sustancia se está midiendo de un almacén de millares de espectros de la referencia llevados a cabo en almacenaje.

Midiendo en una frecuencia específica en un cierto plazo, los cambios en el carácter o la cantidad de un enlace particular pueden ser medidos. Esto es especialmente útil en medir el grado de polimerización adentro polímero fabricación. Las máquinas modernas de la investigación pueden tomar las medidas infrarrojas a través de la gama entera del interés tan con frecuencia como 32 veces al segundo. Esto puede ser hecha mientras que se hacen las medidas simultáneas usando otras técnicas. Esto hace las observaciones de reacciones químicas y los procesos más rápidos y más exactos.

Las técnicas se han desarrollado para determinar la calidad de hojas de té usando la espectroscopia infrarroja. Esto significará que los expertos altamente entrenados (también llamados las “narices”) pueden ser utilizados más escasamente, en un ahorro de coste significativo.[1]

La espectroscopia infrarroja ha sido altamente acertada para los usos en química orgánica e inorgánica. La espectroscopia infrarroja también se ha utilizado con éxito en el campo de la microelectrónica del semiconductor[2]: por ejemplo, la espectroscopia infrarroja se puede aplicar a los semiconductores como silicio, arseniuro de galio, nitruro del galio, selenide del cinc, silicio amorfo, nitruro de silicio, etc.

Efectos del isótopo

Los diversos isótopos en una especie particular pueden dan el detalle fino en la espectroscopia infrarroja. Por ejemplo, el O-O que estira la frecuencia de oxyhemocyanin se determina experimental de ser 832 y 788 centímetros-1 para el ν (16O-16O) y ν (18O-18O) respectivamente.

Considerando el O-O como resorte, la longitud de onda de la absorbencia, ν puede ser calculada:

donde k es el resorte constante para el enlace, y μ es masa reducida del sistema del A-B:

(mi es la masa del átomo i).

Las masas reducidas para 16O-16O y 18O-18O se puede aproximar como 8 y 9 respectivamente. Así

Fourier transforma la espectroscopia infrarroja

Artículo principal: Fourier transforma la espectroscopia

Fourier transforma la espectroscopia infrarroja (FTIR) es una técnica de la medida para recoger los espectros infrarrojos. En vez de registrar la cantidad de energía absorbió cuando la frecuencia de la luz infrarroja se varía (monochromator), la luz IR se dirige con interferómetro. Después de pasar la muestra la señal medida es el interferogram. Ejecución de un matemático Fourier transforma en esta señal da lugar a un espectro idéntico a ése de la espectroscopia infrarroja (dispersiva) convencional.

Los espectrómetros de FTIR son más baratos que los espectrómetros convencionales porque el edificio de interferómetros es más fácil que la fabricación de un monochromator. Además, la medida de un solo espectro es más rápida para la técnica de FTIR porque la información en todas las frecuencias se recoge simultáneamente. Esto permite que haceas un promedio las muestras múltiples sean recogidas y juntas dando por resultado una mejora en sensibilidad. Debido a sus varias ventajas, virtualmente todos los espectrómetros infrarrojos modernos son instrumentos de FTIR.

Espectroscopia infrarroja de dos dimensiones

Artículo principal: Análisis infrarrojo de dos dimensiones de la espectroscopia

Análisis infrarrojo de dos dimensiones de la espectroscopia de la correlación es el uso del 2.o análisis de la correlación en los espectros infrarrojos. Ampliando la información espectral de una muestra perturbada, el análisis espectral es simplificado y se realza la resolución. Los 2.os espectros asincrónicos síncronos y 2.os representan una descripción gráfica de los cambios espectrales debido a una perturbación (tal como una concentración que cambia o una temperatura que cambia) así como la relación entre los cambios espectrales en dos diversos wavenumbers.

Artículo principal: Espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal

Espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal[3][4] es la versión infrarroja de espectroscopia de la correlación. La espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal es una técnica de la cual ha llegado a estar disponible con el desarrollo femtosecond pulsos infrarrojos del laser. En este experimento primero un sistema de pulsos de la bomba se aplica a la muestra. Esto se sigue por un tiempo de espera, donde el sistema se permite relajar. El tiempo de espera dura típicamente a partir de la cero a varios picosegundos y la duración se puede controlar con una resolución de diez de femtoseconds. Un pulso de la punta de prueba entonces se aplica dando por resultado la emisión de una señal de la muestra. El espectro infrarrojo de dos dimensiones no lineal es un diagrama de dos dimensiones de la correlación de la frecuencia ω1 eso fue excitada por los pulsos iniciales de la bomba y la frecuencia ω3 excitado por el pulso de la punta de prueba después del tiempo de espera. Esto permite la observación de juntarse entre diversos modos vibratorios. Debido a su resolución del período extremadamente culminante puede ser utilizado para supervisar dinámica molecular en un calendario del picosegundo. Sigue siendo una técnica en gran parte inexplorada y está llegando a ser cada vez más popular para la investigación fundamental.

Como en la espectroscopia de dos dimensiones de la resonancia magnética nuclear (2DNMR) esta técnica separa el espectro en dos dimensiones y permite la observación de los picos cruzados que contienen la información sobre el acoplador entre diversos modos. En contraste con la espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal 2DNMR también implique la excitación a las insinuaciones. Estas excitaciones dan lugar a los límites de absorción excitados del estado situados debajo de los picos de la diagonal y de la cruz. En las técnicas distintas 2DNMR dos, ACOGEDOR y NOESY, se utilizan con frecuencia. Los picos cruzados en los primeros se relacionan con el acoplador escalar, mientras que en el más adelante se relacionan con la transferencia de la vuelta entre diversos núcleos. En la espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal los análogos han sido exhaustos a estas técnicas 2DNMR. La espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal con el tiempo de espera cero corresponde a ACOGEDOR y la espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal con el tiempo de espera finito que permite transferencia vibratoria de la población corresponde a NOESY. La variante ACOGEDORA de la espectroscopia infrarroja de dos dimensiones no lineal se ha utilizado para la determinación de las proteínas secundarias del contenido de la estructura.[5]

Vea también

Referencias

  1. ^ Luypaert, J.; Zhang, M.H. Y Massart, D.L. (2003), “estudio de viabilidad para el uso de la espectroscopia infrarroja cercana en el análisis cualitativo y cuantitativo del té verde, sinensis de la camelia (L.)”, Acta de Analytica Chimica, vol. 478 (2), Elsevier, pp. 303-312 
  2. ^ Lau, W.S. (1999). Caracterización infrarroja para la microelectrónica. Mundo científico. 
  3. ^ P. Hamm, M. H. Lim, R. M. Hochstrasser (1998). La “estructura de la venda de la amida I de peptides midió por la espectroscopia no lineal-infrarroja del femtosecond”. J. Phys. Quím. B 102: 6123. doi:10.1021/jp9813286. 
  4. ^ S. Mukamel (2000). “Espectroscopias multidimensionales de la correlación de Fentosecond de excitaciones electrónicas y vibratorias”. Revisión anual de la física y de la química 51: 691. doi:10.1146/annurev.physchem.51.1.691. 
  5. ^ N. Demirdöven, C. M. Cheatum, H. S. Chungkin, M. Khalil, J. Knoester, A. Tokmakoff (2004). “Espectroscopia infrarroja de dos dimensiones de la estructura secundaria de la beta-hoja del antiparallel”. Diario de la sociedad química americana 126: 7981. doi:10.1021/ja049811j. 

Acoplamientos externos

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Espectroscopia
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