5.14: Spektroskopia w podczerwieni

1. Włącz spektrometr podczerwieni i pozwól mu się rozgrzać.
2. Uzyskaj nieznaną próbkę od instruktora i zapisz literę i wygląd próbki.
3. Zbierz widmo tła.
4. Za pomocą metalowej szpatułki umieść niewielką ilość próbki pod sondą.
5. Przekręć sondę, aż zablokuje się na swoim miejscu.
6. Zapisać widmo IR nieznanej próbki.
7. W razie potrzeby powtórz czynność, aby uzyskać widmo dobrej jakości.
8. Zapisać częstotliwości absorpcji wskazujące na obecne grupy funkcyjne.
9. Wyczyść sondę acetonem.
10. Wyłącz spektrometr.
11. Przeanalizuj uzyskane widmo. Rysunek 3 przedstawia możliwych kandydatów do nieznanej próbki. Podać prawdopodobną identyfikację nieznanej próbki.

Rysunek 3. Diagram przedstawiający możliwe tożsamości nieznanego.

Spektroskopia w podczerwieni lub IR to technika stosowana do charakteryzowania wiązań kowalencyjnych.

Cząsteczki z pewnymi typami wiązań kowalencyjnych mogą pochłaniać promieniowanie podczerwone, powodując wibracje wiązań. Spektrofotometr IR może zmierzyć, które częstotliwości są pochłaniane. Jest to zwykle reprezentowane przez widmo procentowego promieniowania podczerwonego przechodzącego przez próbkę z daną częstotliwością w liczbach falowych. W tym typie widma piki są odwrócone, ponieważ reprezentują spadek przepuszczanego światła przy tej częstotliwości.

Pochłonięte częstotliwości zależą od tożsamości i środowiska elektronicznego wiązań, nadając każdej cząsteczce charakterystyczne spektrum. Jednak każdy rodzaj wiązania będzie pochłaniał promieniowanie podczerwone w określonym zakresie częstotliwości i będzie miał wspólny kształt piku i siłę absorpcji. Piki można zatem przypisać do określonych wiązań, co pozwala na identyfikację nieznanego związku z widma IR.

Ten film zilustruje charakterystykę nieznanego związku organicznego za pomocą spektroskopii w podczerwieni i przedstawi kilka innych zastosowań spektroskopii w podczerwieni w chemii organicznej.

Wiązanie kowalencyjne między dwoma atomami można modelować jako sprężynę łączącą dwa ciała o masach m1 i m2. Ta "sprężyna" ma częstotliwość rezonansową, która w tym przypadku jest częstotliwością światła odpowiadającą kwantowi energii potrzebnej do wzbudzenia oscylacji wiązania o tej samej częstotliwości, ale o jeszcze większej amplitudzie.

Częstotliwość rezonansowa wiązania zależy od siły i długości wiązania, tożsamości zaangażowanych atomów i środowiska. Na przykład wiązanie sprzężone będzie wibrować w innym zakresie częstotliwości niż wiązanie niesprzężone.

Częstotliwość rezonansowa zależy również od trybu wibracyjnego, który jest wzorcem oscylacji atomów w cząsteczce. Najczęstszymi modami drgań obserwowanymi przez spektroskopię IR są rozciąganie i zginanie. Cząsteczki liniowe mają 3N minus 5 modów wibracyjnych, gdzie N to liczba atomów, a cząsteczki nieliniowe mają 3N minus 6 modów wibracyjnych.

Spektrofotometria w podczerwieni jest wykonywana głównie poprzez kierowanie na próbkę źródła światła o szerokim spektrum przez interferometr, który blokuje wszystkie długości światła z wyjątkiem kilku w danym momencie. Detektor podczerwieni mierzy natężenie światła dla każdego ustawienia interferometru. Po zebraniu danych w żądanym zakresie częstotliwości, są one przetwarzane na rozpoznawalne widmo za pomocą transformaty Fouriera.

Próbka może być gazowa, ciekła lub stała, w zależności od konstrukcji instrumentu. W przypadku standardowego detektora gazy i ciecze są umieszczane w celi z okienkami przezroczystymi w podczerwieni, a ciała stałe są zawieszane w oleju lub prasowane w przezroczystą osadę z bromkiem potasu. Światło podczerwone jest następnie kierowane przez próbkę do detektora.

Alternatywną metodą dla próbek stałych i ciekłych jest całkowity współczynnik odbicia przy tłumieniu lub ATR. W tej metodzie czystą próbkę umieszcza się w kontakcie z powierzchnią kryształu. Światło podczerwone jest następnie odbijane od spodu kryształu do detektora, przy czym pochłonięte częstotliwości odbijają się słabiej. Próbka nie musi być najpierw przetwarzana, ponieważ światło przez nią nie przepływa.

Teraz, gdy rozumiesz zasady spektroskopii w podczerwieni, przejdźmy przez procedurę identyfikacji nieznanego związku organicznego za pomocą techniki pobierania próbek ATR na instrumencie FTIR.

Aby rozpocząć procedurę charakteryzacji, włącz spektrometr FTIR i pozwól lampie rozgrzać się do temperatury roboczej.

Upewnij się, że kryształ ATR jest czysty. Następnie, bez próbki na miejscu, użyj oprogramowania spektrometru, aby zarejestrować widmo tła.

Następnie uzyskaj stałą próbkę nieznanego związku organicznego i zwróć uwagę na jego wygląd. Za pomocą czystej metalowej szpatułki ostrożnie umieść próbkę na powierzchni kryształu. Alternatywnie, w przypadku próbek płynnych, do przenoszenia próbek na powierzchnię kryształu używa się pipety.

Ostrożnie przykręć sondę, aż zablokuje się na swoim miejscu, aby przymocować próbkę do powierzchni kryształu.

Następnie zbierz co najmniej jedno widmo IR nieznanej próbki. Po zakończeniu zbierania danych i odjęciu tła użyj narzędzi analitycznych w oprogramowaniu, aby zidentyfikować liczby falowe pików.

Po zakończeniu pracy ze spektrometrem wyjmij próbkę i wyczyść sondę acetonem. Zapisz widma, zamknij oprogramowanie i wyłącz spektrometr.

W tym eksperymencie nieznana próbka może być jednym z dziesięciu związków organicznych, z których każdy ma pięć charakterystycznych pików IR. Na podstawie fazy i wizualnego wyglądu nieznanego, 8 możliwości może zostać wyeliminowanych.

Widmo nieznanego związku pokazuje szeroki pik w pobliżu obszaru 3300 liczb falowych, co wskazuje na absorpcję rozciągającą -OH lub -NH. Piki po prawej wskazują na obecność podwójnych wiązań węgiel-węgiel i wiązań węglowo-tlenowych. Z dwóch pozostałych związków tylko jeden ma grupę -OH, więc związkiem jest fenol.

Spektrofotometria w podczerwieni jest szeroko stosowanym narzędziem charakteryzacji w biologii i chemii. Spójrzmy na kilka przykładów.

W niniejszej procedurze wykorzystano spektroskopię FTIR wykonaną metodą ATR w celu uzyskania obrazów absorbancji tkanki w podczerwieni poprzez wprowadzenie do instrumentu komponentu mikroskopowego. Każdy piksel na obrazie miał odpowiadające mu widmo podczerwieni, co pozwalało na określenie składu molekularnego tkanki z doskonałą rozdzielczością przestrzenną. Obraz tkanki może być również wyświetlany z różnymi częstotliwościami, aby uwidocznić rozmieszczenie typów cząsteczek w tkance.

Na drgania molekularne grup peptydowych w białku mają wpływ zmiany konformacyjne białek. Monitorując próbkę białka za pomocą FTIR ze skanowaniem krokowym, który ma rozdzielczość czasową rzędu kilkudziesięciu nanosekund, można monitorować dynamikę białek poprzez zmiany w ich widmach absorbancji. Dane mogą być prezentowane jako indywidualne widma lub jako wykresy 3D intensywności, częstotliwości i czasu w celu identyfikacji pików i dalszej analizy.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do spektroskopii IR. Powinieneś teraz zapoznać się z podstawowymi zasadami spektroskopii w podczerwieni, procedurą spektroskopii w podczerwieni związków organicznych oraz kilkoma przykładami zastosowania spektroskopii w podczerwieni w chemii organicznej. Dzięki za oglądanie!