7. Wykorzystanie metod spektroskopii FTIR i spektroskopii

Dr inż. Grażyna Żukowska
Wykorzystanie metod spektroskopii oscylacyjnej do analizy materiałów organicznych i
nieorganicznych
1. Informacje podstawowe
Spektroskopia Ramana i spektroskopia w podczerwieni są metodami umożliwiającymi
badanie drgań cząsteczek związków chemicznych. Dostarczają informacji o budowie
chemicznej związków poprzez identyfikację grup funkcyjnych i analizę widm w zakresie tzw.
fingerprint. Pozwalają także ilościowo lub półilościowo oznaczyć ilość badanej substancji w
próbce. Obie spektroskopie są wykorzystywane przy kontroli przebiegu reakcji, przez analizę
widm produktów lub ich mieszaniny, a także przy badaniu oddziaływań zachodzących
pomiędzy składnikami roztworów (np. kation- rozpuszczalnik), mechanizmów działania
katalizatorów itd.
W spektroskopii w podczerwieni próbka jest naświetlana promieniowaniem z zakresu
podczerwieni (1000- 20000 nm). Jeśli energia promieniowania odpowiada różnicy energii
pomiędzy stanem podstawowym a stanem wzbudzonym cząsteczki, foton ulega absorpcji a
cząsteczka przechodzi w stan wzbudzony o wyższej energii. Tę właśnie różnicę energii
mierzy się w spektroskopii w podczerwieni, poprzez rejestrację spadku energii wiązki
przechodzącej przez próbkę.
Aby drganie było aktywne w podczerwieni, musi następować zmiana momentu
dipolowego,
q
0 , a więc w widmach w podczerwieni intensywne są głownie pasma
pochodzące od drgań grup polarnych, takich jak OH, NH, C=O lub CF. Należy jednak
pamiętać o tym, że absorbancja, zgodnie ze wzorem A= l c, gdzie
- integralny
współczynnik absorpcji, l- długość drogi optycznej, c- stężenie, zależy od stężenia grup
funkcyjnych danego rodzaju w próbce. Zatem w widmie metanolu pasma drgań
rozciągających grup OH i CO będą dominować w widmie, podczas gdy w widmie alkoholu o
długim łańcuchu, np. dekanolu, relatywnie silniejsze będą pasma pochodzące od drgań
rozciągających i deformacyjnych licznych grup metylenowych.
W uproszczeniu zakłada się, że drgający fragment cząsteczki zachowuje się jak
oscylator harmoniczny, stąd częstość drgań dana jest wzorem
siłowa, - masa zredukowana
1
2
k
, gdzie k- stała
m1 m2
m1, m2- masy atomów tworzących wiązanie. Im
m1 m2
1
wyższa stała siłowa, tym wyższa jest częstość drgania. Efekt ten można łatwo zaobserwować
na przykładzie drgań rozciągających C-C, C=C i C C, którym odpowiadają pasma w
zakresach odpowiednio 800- 1200 cm-1(C-C), ~1500- 1650 cm-1(C=C) i 2000- 2200 cm-1 (C
C).
Należy też zwrócić uwagę, że w równaniu powyżej uwzględnia się masę atomu, a
więc drgania podobnych cząsteczek, zawierających różne izotopy tego samego pierwiastka,
będą miały różne częstości. Jest to szczególnie dobrze widoczne w przypadku izotopów
wodoru; na przykład częstość drgań rozciągających symetrycznych H2O w fazie gazowej
wynosi 3657 cm-1, zaś D2O 2671 cm-1, jest więc w przybliżeniu ~
1
2
niższa.
Dodatkowe oddziaływania pomiędzy grupami funkcyjnymi, jak tworzenie wiązania
wodorowego czy kompleksowanie powodują zmiany zarówno intensywności, jak i położenia
pasm grup funkcyjnych.
W spektroskopii Ramana wykorzystuje się zjawisko polegające na nieelastycznym
rozpraszaniu promieniowania przez próbkę. Jako źródło promieniowania we współczesnych
spektrometrach Ramana wykorzystuje się lasery, o emitowanej długości fali od zakresu
ultrafioletu i światła widzialnego (spektrometry dyspersyjne) do podczerwieni (spektrometry
fourierowskie). W zarejestrowanym widmie obserwuje się silną linię o częstości równej
częstości padającego promieniowania oraz szereg dużo słabszych linii o częstościach
przesuniętych w stosunku do promieniowania początkowego, tzw. linii stokesowskich i
antystokesowskich,
o
częstotliwościach
odpowiednio
promieniowania początkowego.
2
mniejszych
i
większych
od
Część antystokesowska i stokesowska widma Ramana cykloheksanu. (Modern Raman
Spectroscopy – A Practical Approach W.E. Smith and G. Dent, 2005)
W widmach Ramana na ogół analizuje się pasma stokesowskie, odpowiadające
oddziaływaniom cząsteczek znajdujących się w stanie podstawowym z promieniowaniem, ze
względu na ich znacznie większą intensywność w widmie. W przeciwieństwie do widm w
podczerwieni, w których najbardziej intensywne są pasma odpowiadające drganiom grup
polarnych, a więc tych, dla których obserwuje się dużą zmianę momentu dipolowego, w
widmach Ramana silne są przede wszystkim drgania pochodzące od niepolarnych,
homojądrowych ugrupowań, takich jak C=C, N-N a także symetrycznych drgań
rozciągających, np. pierścieni aromatycznych. Dużą zaletą spektroskopii Ramana, w
porównaniu ze spektroskopią w podczerwieni, jest brak konieczności specjalnego
przygotowywania próbki. Ponadto spektroskopia Ramana umożliwia łatwe rejestrowanie
widm w zakresie dalekiej podczerwieni (50 – 400 cm-1), w którym występuje wiele pasm
charakterystycznych dla związków nieorganicznych.
W przypadku spektrometrów Ramana wyposażonych w mikroskop konfokalny
możliwe jest analizowanie składu niejednorodnych próbek z rozdzielczością powierzchniową
do 1 m i konfokalną do 2 m. Zastosowanie zautomatyzowanego stolika mikroskopowego
umożliwia wykonanie tzw. mapowania, czyli rejestracji zestawu widm (mapy) z
zaznaczonego obszaru, w którym każdemu punktowi mapy odpowiada widmo Ramana.
Należy jednak pamiętać, ze przy mapowaniu w głąb próbki sygnał pochodzący z głębszych
warstw ( w przypadku polimerów 10- 20 m) jest dużo słabszy niż zbierany z powierzchni
próbki. Innym ograniczeniem spektroskopii Ramana jest występująca niekiedy fluorescencja
badanych materiałów, a także punktowe wypalanie się próbki w miejscu, na które pada
wiązka. Pierwszą przeszkodę można często ominąć przez zmianę długości fali wzbudzającej
(przełączenie spektrometru na inny laser), drugą przez zredukowanie mocy lasera na próbce.
Ze względu na zasadę dzialania, spektrometry IR można podzielić na spektrometry
dyspersyjne i spektrometry FT-ir , czyli spektrometry IR z transformacją Fouriera. Prawie
wszystkie obecnie używane spektrometry to spektrometry FT-ir.
Ich podstawową zaletą w porównaniu ze spektrometrami dyspersyjnymi jest znacznie
krótszy czas pomiaru. W spektrometrach dyspersyjnych próbka jest naświetlana prawie
monochromatycznymi wiązkami promieniowania. Przy rozdzielczości 4 cm-1, czas rejestracji
jednego widma wynosił zwykle kilka minut, a przy rozdzielczości 1 cm-1 wydłużał się do
3
kilkudziesięciu minut. W przypadku spektrometru FT-ir, próbka jest naświetlana
promieniowaniem z całego zakresu jednocześnie, a przy tym mniej energii jest tracone
pomiędzy źródłem a detektorem. Dzięki temu rejestrowanie widm z wykorzystaniem
spektrometru FT-ir jest o wiele szybsze, a czułość pomiaru znacznie wyższa. Istotną częścią
spektrometru FTir jest interferometr Michelsona, przedstawiony na rysunku poniżej.
Wiązka wychodząca ze spektrometru dzielona jest na dwie części, jedna z nich kierowana na
lusterko nieruchone, drugie zaś na ruchome. Po odbiciu od luster i przejściu przez dzielnik
wiązki obie wiązki interferują i otrzymuje się interferogram.
Pomiędzy wiązkami odbijającymi się od ruchomego i nieruchomego lusterka powstaje
różnica dróg optycznych równa 2 (OM-OF). Różnica dróg optycznych (OPD) zwana jest
retardacją, .
Przy różnicy dróg optycznych równej zero, obie wiązki są w tej samej fazie po
rekombinacji przy przejściu przez dzielnik wiązki, a intensywność wiązki na detektorze jest
równa ich sumie. Jeśli różnica dróg optycznych równa jest lo/2, wiązki się wygaszają.
W pozostałych przypadkach, intensywność wiązki wynosi:
I ' ( ) 0.5I ( ~o ) 1 cos 2
Po uproszczeniu
I ( ) 0.5I ( ~o) cos 2 ~o
Intensywność sygnału wynosi:
o
B( ~o) cos 2 ~o
S( )
Gdzie B ( o) odpowiada intensywności źródła przy
o
po uwzględnieniu
charakterystyki instrumentu
Widmo IR powstaje przez przekształcenie interferogramu
Fouriera.
B( ~) 2 S ( ) cos 2 ~ d
4
przez transformatę
Interferogram (po lewej) i widmo IR.
Wykonanie widma w podczerwieni na ogół wymaga pewnego przygotowania próbki.
Najstarszą metodą rejestrowania widm IR jest wykonywanie widm transmisyjnych, w której
kuwetę lub uchwyt umieszcza się na drodze wiązki. W przypadku cieczy, próbkę, w postaci
kropli, umieszcza się pomiędzy okienkami wykonanymi z materiału przezroczystego dla
podczerwieni w odpowiednim zakresie. Najczęściej okienka wykonuje się z KBr i NaCl, w
przypadku roztworów wodnych wykorzystuje się kryształy BaF2 i CaF2. Substancje stałe
muszą być przygotowane poprzez utarcie z odpowiednią solą (zwykle KBr), przygotowanie
zawiesiny w oleju mineralnym, tzw. Nujolu, lub roztworu w rozpuszczalniku. Przeważnie do
wykonywania widm roztworów wykorzystuje się rozpuszczalniki niepolarne o szerokim
oknie spektralnym, takie, jak CCl4 lub CS2., jednak można też rejestrować widmo w
dowolnym rozpuszczalniku, pod warunkiem, że jego pasma charakterystyczne nie maskują
pasm substancji badanej. W przypadku zarówno substancji stałych, jak i cieczy, można też
rejestrować widma przy użyciu technik odbiciowych. Badaną substancję umieszcza się na
powierzchni kryształu (np. diament, ZnSe, german). Warunkiem otrzymania widma jest dobry
kontakt badanej próbki z powierzchnią kryształu oraz odpowiednia wartość współczynnika
załamania światła (musi być wyższy, niż dla próbki). Dla materiałów powszechnie
stosowanych jako kryształy ATR waha się on w granicach 2.4- 4.
5
2. Wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wykonanie i analiza widm Ramana wybranych minerałów oraz widm
Ramana i FTir wybranych polimerów i monomerów.
1. Wykonanie widm Ramana.
Włączyć program Omnic i otworzyć w programie okienko Atlas. Ustawić na
mikroskopie obiektyw 10x. Próbkę badanego materiału umieścić na płytce stalowej na
stoliku mikroskopu oraz ustawić ostrość przy pomocy pomocy pokrętła (zgrubnie) i
dżojstika. Przesuwając stolik mikroskopu, wybrać fragment próbki, w którym ma być
zarejestrowane widmo. Przestawić położenie uchwytu rewolwerowego na obiektyw z
długą ogniskową i powiększeniem 50x. Ponownie ustawić ostrość, zamknąć wrota
spektrometru.
Wybrać laser, przy którego pomocy będzie rejestrowane widmo; jeśli próbka ulega
destrukcji, przełączyć spektroskop ma na inny laser zmniejszyć moc lasera, przesunąć
stolik i zogniskować mikroskop ponownie. Dobrać parametry eksperymentu (typ
lasera, rodzaj przesłony, czas akwizycji) i zarejestrować widmo.
Porównać otrzymane widma z widmami wzorców.
Dyspersyjny Spektrometr Ramana
6
Jeśli to konieczne, skorygować linię bazową otrzymanych widm, w sposób pokazany
na rysunku poniżej.
24000 PDI?_diglim_rozt wor z nasyconego roztworu_1
22000
20000
18000
In t
16000
14000
12000
10000
8000
6000
*PDI ?_diglim_roztwor z nasyconego rozt woru_1
14000
12000
In t
10000
8000
6000
4000
2000
0
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
cm-1
Porównać otrzymane widma Ramana i FTir; przypisać najbardziej intensywne pasma
poszczególnym drganiom.
2. Literatura
1. R. M. Silverstein, Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych,
Warszawa 2008
2. W. Zieliński, Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji
związków organicznych :Warszawa 2000
3. J. Sadlej, Spektroskopia molekularna, Warszawa 2002
4. W. Przygocki, Metody fizyczne badań polimerów, Warszawa 1990
7