Infraroodspectroscopie

Infrarood, of IR, spectroscopie is een techniek die wordt gebruikt om covalente bindingen te karakteriseren.

Moleculen met bepaalde soorten covalente bindingen kunnen IR-straling absorberen, waardoor de bindingen trillen. Een IR-spectrofotometer kan meten welke frequenties worden geabsorbeerd. Dit wordt over het algemeen weergegeven met een spectrum van procentueel IR-straling die wordt doorgelaten door het monster bij een bepaalde frequentie in golfgetallen. In dit type spectrum zijn de pieken omgekeerd, omdat ze een afname van doorgelaten licht bij die frequentie vertegenwoordigen.

De geabsorbeerde frequenties zijn afhankelijk van de identiteit en elektronische omgeving van de bindingen, waardoor elke molecuul een karakteristiek spectrum heeft. Elk type binding zal echter IR-straling absorberen binnen een specifiek frequentiebereik en zal een gemeenschappelijke piekvorm en absorptiesterkte hebben. Pieken kunnen daarom worden toegewezen aan specifieke bindingen, waardoor identificatie van een onbekende verbinding mogelijk is uit het IR-spectrum.

Deze video zal de karakterisering van een onbekende organische verbinding met IR-spectroscopie illustreren en enkele andere toepassingen van IR-spectroscopie in de organische chemie introduceren.

Een covalente binding tussen twee atomen kan worden gemodelleerd als een veer die twee lichamen met massa's m1 en m2 verbindt. Deze "veer" heeft een resonantiefrequentie, die in dit geval de frequentie van het licht is die overeenkomt met het kwantum van energie dat nodig is om een oscillatie in de binding op diezelfde frequentie te exciteren, maar met een nog grotere amplitude.

De resonantiefrequentie van een binding hangt af van de bindingssterkte en -lengte, de identiteit van de betrokken atomen en de omgeving. Bijvoorbeeld, een geconjugeerd binding zal trillen in een ander frequentiebereik dan een niet-geconjugeerd binding.

De resonantiefrequentie hangt ook af van de trillingsmodus, dat is het oscillatiepatroon van de atomen binnen een molecuul. De meest voorkomende trillingsmodi die door IR-spectroscopie worden waargenomen, zijn strekken en buigen. Lineaire moleculen hebben 3N min 5 trillingsmodi, waarbij N het aantal atomen is, en niet-lineaire moleculen hebben 3N min 6 trillingsmodi.

IR-spectrofotometrie wordt voornamelijk uitgevoerd door een breedspectrumlichtbron door een interferometer te schijnen, die op elk moment alleen een paar golflengten licht blokkeert, op het monster. Een IR-detector meet de lichtintensiteiten voor elke interferometerinstelling. Zodra de gegevens over het gewenste frequentiebereik zijn verzameld, worden ze verwerkt tot een herkenbaar spectrum door Fourier-transformatie.

Het monster kan gasvormig, vloeibaar of vast zijn, afhankelijk van de constructie van het instrument. Voor een standaarddetector worden gassen en vloeistoffen in een cel met IR-transparante ramen geplaatst en vaste stoffen worden gesuspendeerd in olie of geperst in een transparante pellet met kaliumbromide. Het IR-licht wordt vervolgens door het monster naar de detector geleid.

Een alternatieve methode voor vaste en vloeibare monsters is geattenueerde totale reflectie, of ATR. Bij deze methode wordt het pure monster in contact gebracht met een kristaloppervlak. IR-licht wordt vervolgens vanaf de onderkant van het kristal in een detector gereflecteerd, waarbij de geabsorbeerde frequenties zwakker reflecteren. Het monster hoeft niet eerst te worden verwerkt, omdat het licht er niet doorheen reist.

Nu u de principes van IR-spectroscopie begrijpt, laten we een procedure doorlopen voor het identificeren van een onbekende organische verbinding met behulp van de ATR-monstertechniek op een FTIR-instrument.

Om de karakteriseringsprocedure te beginnen, zet u de FTIR-spectrometer aan en laat u de lamp opwarmen tot bedrijfstemperatuur.

Zorg ervoor dat de ATR-kristal schoon is. Plaats vervolgens, zonder monster, met behulp van de spectrometersoftware een achtergrondspectrum op te nemen.

Vervolgens verkrijgt u een vast monster van een onbekende organische verbinding en noteert u het uiterlijk. Gebruik een schone metalen spatel om het monster voorzichtig op het kristaloppervlak te plaatsen. Als alternatief wordt voor vloeibare monsters een pipette gebruikt om monsters naar het kristaloppervlak over te brengen.

Schroef voorzichtig de sonde vast totdat deze op zijn plaats vergrendelt om het monster tegen het kristaloppervlak te fixeren.

Verzamel vervolgens ten minste één IR-spectrum van het onbekende monster. Nadat de gegevensverzameling is voltooid en de achtergrond is afgetrokken, gebruikt u de analysehulpmiddelen in de software om de golfgetallen van de pieken te identificeren.

Wanneer u klaar bent met de spectrometer, verwijdert u het monster en reinigt u de sonde met aceton. Bewaar de spectra, sluit de software en zet de spectrometer uit.

In dit experiment kan het onbekende monster een van tien organische verbindingen zijn, elk met vijf karakteristieke IR-pieken. Op basis van de fase en het visuele uiterlijk van het onbekende kunnen 8 van de mogelijkheden worden geëlimineerd.

Het spectrum van de onbekende verbinding vertoont een brede piek in de buurt van het 3.300-golfgetallengebied, wat duidt op een -OH of -NH rekabsorptie. De pieken aan de rechterkant geven de aanwezigheid van koolstof-koolstof dubbele bindingen en koolstof-zuurstof bindingen aan. Van de twee resterende verbindingen heeft er slechts één een -OH-groep, dus de verbinding is fenol.

IR-spectrofotometrie is een veel gebruikt karakteriseringsinstrument in de biologie en scheikunde. Laten we een paar voorbeelden bekijken.

In deze procedure werd FTIR-spectroscopie uitgevoerd met de ATR-methode om IR-absorptiebeelden van weefsel te verkrijgen door een microscoopcomponent in het instrument te introduceren. Elke pixel in het beeld had een overeenkomstig IR-spectrum, waardoor de moleculaire samenstelling van het weefsel met uitstekende ruimtelijke resolutie kon worden bepaald. Het weefselbeeld kon ook op verschillende frequenties worden weergegeven om de verdeling van molecuultypen door het weefsel te visualiseren.

De moleculaire trillingen van peptidegroepen in een eiwit worden beïnvloed door conformationele veranderingen van eiwitten. Door een eiwitmonster te bewaken met stap-scan FTIR, dat een tijdelijke resolutie heeft van de orde van tientallen nanoseconden, kunnen eiwitdynamieken worden gemonitord via de veranderingen in hun absorptiespectra. De gegevens kunnen worden gepresenteerd als individuele spectra of als 3D-