1

Spectrometria in infrarosu

Spectrofotometria, în toate formele ei, este o tehnică deosebit de utilă pentru studiul

structurii compuşilor chimici, se bazează pe proprietatea substanţelor de a absorbi selectiv radiaţiile electromagnetice şi este folosită pentru identificarea şi determinarea cantitativă a acestora.

Domeniile de aplicare ale spectrofotometriei în IR sunt multiple ca de exemplu determinarea distanţei interatomice, a grupărilor funcţionale, a structurii cristaline, a ramificaţiilor scurte din polimeri, a ordinei conformaţionale, a izomerilor, în cazul urmăririi procesului de reacţie, a mecanismelor de cataliză, a reacţiilor cinetice etc.

Metode spectroscopice

Metodele spectrale de analizǎ se bazeazǎ pe utilizarea fenomenelor de emisie sau de interacţiune a radiaţiei electromagnetice cu atomii sau moleculele substanţei de analizat.

Emisia sau absorbţia radiaţiilor electromagnetice de cǎtre sistemul cercetat duce la apariţia unui semnal analitic

Radiaţia electromagnetică se poate reprezenta printr-un camp electric şi unul magnetic, care

oscileaza în fază, perpendicular unul pe celălalt şi în acelaşi timp perpendicular pe direcţia de propagare după o lege sinusoidală.

Spectrul electromagnetic acoperǎ un domeniu larg de lungimi de undă.

Spectrofotometria în infraroșu (IR) este acea parte a spectroscopiei care se ocupă cu studiul regiunii infraroșu al spectrului electromagnetic (0,8 – 1000 µm), adică acel domeniu cu o lungime de undă mai mare și frecvență mai redusă decât lumina vizibilă.

Spectrofotometria în IR acoperă o gamă largă de tehnici, cea mai mare parte bazate pe spectroscopia de absorbție.

2

Ca și în toate tehnicile spectroscopice, spectrofotometria în IR poate fi utilizată pentru caracetrizarea fizico – chimică, identificarea și determinarea cantitatică a substanţelor chimice.

Succesul spectrometriei IR se datorează avantajelor pe care le oferă, dintre acestea: � este o metodă rapidă şi sensibilă � tehnica de preparare a probelor pentru analiză este simplă şi uşoară � aparatura este relativ ieftină � operarea și întreţinerea instrumentelor este simplă � interpretarea ușoară a spectrelor.

Spectrometria IR permite obținerea de informații asupra microstructurii (de exemplu determinarea ramificațiilor scurte în polietilenă), a ordinei conformaționale, a cristalinității și interacțiunilor intermoleculare. Din aceste motive, ea a devenit un instrument de rutină în laboratoarele de sinteză, pentru identificarea și caracterizarea materialelor. Totuși, pentru studiul microstructurii, spectrometria de rezonanță magnetică nucleară (RMN) a depășit posibilitățile oferite de spectrometria IR. Principala limitare a spectrometriei IR apare în cazul determinărilor cantitative.

Pornind de la energii mari, sau regiunea de lungimi de unda mici a spectrului, se intalnesc razele γ, care produc tranzitii între stǎrile energetice în interiorul nucleelor (baza spectrometriei Mössbauer), în timp ce absorbţiile radiaţiilor X implicǎ electronii din nivelele inferioare ale atomilor.

Lumina din vizibil şi ultraviolet (UV) provoacǎ, de asemenea, tranziţii electronice şi constituie baza spectrometriei UV – VIS. Electronii legaţi mai puţin puternic se gǎsesc pe orbitalii de tip π ai sistemelor conjugate care absorb în regiunea vizibilǎ a lumini, în timp ce lumina UV , cu energii (frecvenţe) mai mari, este necesarǎ pentrupentru excitarea electronilor mai puternic legaţi.

Când frecvenţa descreşte (sau lungimea de unda creşte ), energia radiaţiei nu mai este suficientǎ pentru a excita electronii. Moleculele au nivele tipice ale energiei de vibraţie pentru legǎturile chimice existente, numite moduri, care sunt excitate de cǎtre radiaţia din domeniul infraroşu (de obicei, regiunea de lungimi de undǎ cuprinsǎ între 0,1 – 0,00025 cm (numere de undǎ 12800 – 10 cm-1) sau, în modul mai frecvent utilizat, cea a numerelor de undǎ pornind de la 10 şi pînă la 4000 cm-1). Cea mai utilizatǎ regiune este de la 300 la 4000 cm-1 . Regiunea 300 – 10 cm-1 constituie domeniul infraroşu îndepartat, dar energia micǎ a sursei IR pentru aceastǎ regiune o face inaccesibilǎ, exceptând cazul în care se foloseste aparaturǎ specialǎ.

Procesele moleculare şi absorbţia radiaţiei optice

Domenii ale spectrului infraroşu

Regiunea Domniul de lungimi

de undă (µm) Domeniul numerelor

de undă (cm-1) Domeniul de frecvenţă

(Hz)

Apropiat 0,78 – 2,5 12800 - 4000 3,8 · 1014 – 1,2 ·1014

Mediu 2,5 – 50 4000 -200 1,2 · 1014 – 6,0 ·1012

Îndepărtat 50 – 1000 200 - 10 6,0 · 1014 – 3,0 ·1011

Cel mai utilizat

2,5 – 15 4000 -670 1,2 · 1014 – 2,0 · 1011

3

Domeniul ce prezintă cel mai mare interes pentru analiza organică este foarte limitat şi cuprinde vibraţiile cu lungimie de undă între 2,5 - 25 µm, respectiv număr de undă între 4000 – 400 cm-1.

Energia acestor radiaţii este prea mică pentru a produce modificări în structura electronică a moleculelor sau atomilor absorbanţi, dar este suficientă pentru a produce modificări în energia lor de vibraţie sau rotaţie.

Prin analogie cu spectrele UV-VIS, spectrul IR este o reprezentarea grafică a procentului de energie absorbită (absorbanţa sau transmisia) funcţie de lungimea de undă exprimată în µm sau număr de undă exprimată în cm-1.

Spectrul IR pentru vanilină în CCl4

4

Intensităţile bezilor de absorbţie sunt indicate fie prin transmisie T, fie prin absorbanţă A (D,E).

Transmisia = energia fascicolului IR după trecerea prin probă / energia fascicolului IR la intrarea în probă;

Notăm: I = intensitatea luminii transmise; I0 = intensitatea luminii incidente; T = I / I0 ; A = log (1/T) = log(I0/I) T% = 100 ( I / I0)

unde: T% = transmitanța substanţei de analizat (în procente);

Există două tipuri de vibraţii moleculare:

vibraţii de alungire (stretching) şi vibraţii de deformare (bending)

O vibraţie de alungire este cea în cursul căreia doi atomi se apropie şi se depărtează periodic

de-a lungul axei lor comune (se modifică continuu distanţa interatomică).

Alungire (Întindere)

Simetrică Antisimmetrică

Îndoire (in plan)

Forfecare Balansare

Îndoire (în afara planului) Basculare Răsucire

Într-o vibraţie de deformare, sunt modificate şi unghiurile dintre legături, iar în spectrul IR

vor fi observate numai cele care antrenează variaţii periodice ale mementului de dipol al moleculelor.

5

Sunt perturbări ce survin în repartiţia sarcinilor electrice în interiorul moleculei din cauza diverselor vibraţii care sunt responsabile de interacţiunea ce se produce între moleculă şi câmpul electromagnetic oscilant al radiaţiei IR.

Vibraţiile de deformare sunt de patru tipuri: forfecare, legănare, răsucire, basculare. Considerând un grup de atomi aşezaţi neliniar de forma AX2, acesta va cuprinde 3 vibraţii:

alungire, deformare în plan şi deformare în afara planului. În general, pentru o moleculă ce cuprinde n atomi, se vor înregistra 3n - 6 tipuri de vibraţii

fundamentale (de exemplu 3⋅3-6 = 3 vibrații pentru un compus de tipul AX2). Acest număr teoretic al tipurilor de vibraţii (şi de frecvenţe de absorbţie) nu corespunde

numărului de benzi de absorbţie din spectru. Se pot observa benzi suplimentare ce corespund frecvenţelor armonice ale frecvenţei

fundamentale sau benzilor de combinaţie a căror frecvenţă este egală cu suma frecvenţelor celor două vibraţii fundamentale.

Deasemenea, anumite benzi, previzibile teoretic, pot să nu apară din diferite motive: - frecvenţa fundamentală este în afara domeniului 2,5-15 µm; - banda fundamentală are o intensitate prea mică pentru a fi vizibilă în spectru; - două frecvenţe fundamentale sunt foarte apropiate şi se confundă etc. Calculul frecvenţei ce corespunde vibraţiei de alungire a unei legături, poate să se facă

apelând la legea lui Hooke. Aceasta se bazează pe un model mecanic al vibraţiei de alungire pentru o moleculă

diatomică, considerată a fi formată din două mase reunite printr-un resort (oscilator armonic).

Se obţine relaţia:

1

2

f

Mx Myc

Mx My

νπ

=⋅

+

în care:

ν = frecvenţa în cm-1 (număr de undă); c = viteza luminii (cm.s-1); f = constanta de forţă a legăturii (în dyne.cm-1); Mx şi My = masele atomilor x şi y (în grame).

În general, constanta de forţă a legăturii este de ordinul a 5x105 dyn/cm pentru legături

simple, respectiv de 2 sau de 3 ori mai mare pentru legături duble respectiv triple. Prin aplicarea formulei de calcul a frecvenţei conform legii lui Hooke, în cazul legăturii

simple C – H, considerând masele celor doi atomi 19,8 x 10-24 g respectiv 1,64 x 10-24 g rezultă:

M1 = 12 g x mol-1/6 x1023 atomi x mol-1 = 19,8 x 1024 M2 = 1 g x mol-1/6 x 1023 atomi x mol-1 = 1,66 x 10-24

frecvenţa de vibraţie calculată pentru această legătură va fi 3040 cm-1 (3,3 m). În realitate, frecvenţa pentru legăturile C – H din grupările metil şi metilen apare la 2960 şi

2850 cm-1. Imprecizia calculului se explică prin aceea că nu s-a ţinut cont şi de influenţa atomilor vecini

legăturii C – H. Înlocuind H cu deuteriu frecvenţa de vibraţie a legăturii C–D apare la valori mai mari ale lui

ca la C–H, fapt ce serveşte la atribuirea frecvenţelor de vibraţie C–H diverselor grupări prezente în moleculă.

6

Calcule asemănătoare celui de mai sus permit să se prevadă următoarele domenii de frecvenţă pentru:

Pentru a aduce mai multă precizie în calculul frecvenţelor de vibraţie prin relaţia lui Hooke, este necesar să se ţină seama simultan de masa atomilor şi de energiile de legătură. Creşterea constantei de forţă joacă un rol mai important decât creşterea masei atomilor.

Astfel, legătura F-H va absorbi la o frecvenţă mai ridicată decât legătura C-H (4138 cm-1

faţă de 2862 cm-1). Energia utilizată pentru o vibraţie de deformare este în general mai slabă decât energia unei

vibraţii de alungire şi benzile caracteristice din spectrul IR apar spre frecvenţe mai mici decât cele corespunzătoare vibraţiilor de alungire.

Domeniile atribuite diverselor frecvenţe de alungire şi de deformare sunt indicate în tabelele ce cuprind frecvenţele sau lungimile de undă caracteristice câtorva grupe de atomi

Influenţa legăturii de hidrogen asupra frecvenţei de vibraţie trebuie luată în seamă deoarece micşorează frecvenţele de alungire şi măreşte frecvenţele de deformare.

Aparatura utilizată în spectrofotometria în IR În spectrofotometria în IR se folosesc spectrofotometre dispersive şi nedispersive. Spectrofotometre nedispersive Spectrofotometrele nedispersive (simple) permit analiza cantitativă a moleculelor organice

prin spectrofotometrie de absorbţie, emisie sau reflexie. Nu permit obţinerea unui spectru, deci sunt inutile în scop calitativ. Se folosoesc doar pentru

analize de amestecuri cunoscute, ca de exemplu în cazul unor procese industriale sau în controlul mediului.

Spectrofotometre dispersive

Spectrofotometrele dispersive pot fi: - cu reţea sau cu prisme – analiza calitativă şi cantitativă - cu transformată Fourier – analiza calitativă şi cantitativă (rezoluţie mai bună şi viteză de

achiziţie mai mare). Din punctul de vedere al numărului de canale, spectrofotometrele în IR pot di moonocanal

sau cu dublu canal. Acestea descompun radiaţia pe o reţea de difracţie sau pe o prismă optică. Spectrofotometrele mono canal folosesc acelaşi canal pentru radiaţia de referinţă (de obicei

aer) şi pentru proba de analizat. Radiaţia IR provenind de la sursă trece pe rând prin referinţă (aer) şi respective probă. Se compară intensitatea radiaţiei luminoase după ce trece prin probă cu intensitatea radiaţiei luminoase după ce trece prin referinţă.

7

Spectrofotometrele cu dublu canal folosesc un canal pentru radiaţia de referinţă (care de obicei trece prin aer) şi un canal pentru proba de analizat. Radiaţia IR provenind de la sursă trece simultan prin cele două canale şi se compară intensitatea celor două radiaţii luminoase.

Schema de principiu a unui spectrofotometru în infraroşu este prezentată în figura

următoare:

Schema de principiu a unui spectrofotometru în infraroşu

Schema unui spectrofotometru cu dublu canal

Spectrofotometre cu transformată Fourier (FT-IR)

Spectrofotometre cu transformată Fourier (FT-IR) realizează analiza semnalului prin

calculul transformatei Fourier. Aplicaţii: studii în IR fundamental şi îndepărtat. Avantaje: - sensibilitate, rezoluţie şi viteză de achizitie a datelor crescute; -avantajul “multiplex” sau Fellgett, informatiile obtinute asupra tuturor frecventelor din

spectru;

8

-avantajul Jaquinot sau de transfer direct: raport semnal / zgomot bun; -avantaj Connes, efectele de lumina parazita sunt eliminate. Sursa de radiaţii IR Radiaţiile IR se obţin la temperatura de 1000 - 1800°C. Sursa este constituită din:

� bec cu filament din wolfram (pentru domeniul IR apropiat) � filament Nernst (oxizi de zirconiu, thoriu şi ceriu fixaţi pe un liant), baghetă Globar

(carbură de siliciu) sau filament Microm. Acestea sunt aduse la temperatura de lucru prin trecerea unui curent electric (pentru domeniul IR fundamental)

� lămpi cu mercur la presiune ridicată (pentru domeniul IR îndepărtat) Compartimentul pentru probe Compartimentul pentru probe cuprinde locaşul cuvelor pentru proba de analizat şi de

referinţă. Celulele (cuvele) sunt foarte diferite funcţie de substanţa de analizat dar toate trebuie să fie

confecţionate din materiale transparente domeniului IR. Monocromatorul Monocromatorul realizează separarea unei radiaţii monocromatice folosind prisme speciale,

transparente la IR. Astfel, o prismă din NaCl este utilizabilă satisfăcător în domeniul 4000 – 650 cm-1, cele din

CaF2 numai în domeniul 4200 – 1300 cm-1, iar cele din KBr şi CsBr sunt mai indicate pentru domeniul 1100 – 385 cm-1.

În prezent, utilizarea reţelelor de difracţie este din ce în ce mai acceptată, datorită numeroaselor avantaje.

Un aparat are o putere de rezoluţie cu atât mai mare cu cât separă un domeniu de lungimi de undă mai îngust. Cu cât fanta prin care trece fascicolul este mai mică, rezoluţia este mai mare. Nu se poate lucra însă cu fante foarte mici (înguste) deoarece intensitatea radiaţiei emise de sursă scade, mai ales la lungimi de undă mari.

La aparatele moderne, lărgimea fantei este reglată astfel încât intensitatea fascicolului să rămână practic constantă.

Fotometrul Fotometrul este dispozitivul care realizează măsurarea intensităţii fascicolului ce străbate

proba comparativ cu a celui de referinţă. Fascicolul de referinţă reflectat de un sistem de oglinzi, cade pe o oglindă turnantă ce

realizează un fascicol intermitent cu o frecvenţă între 8 şi 13 cicluri pe secundă, după care trece printr-o fantă şi cade pe fotocelulă.

Concomitent, fascicolul ce străbate proba cade printr-un sistem de oglinzi pe aceeaşi oglină turnantă şi apoi prin aceeaşi fantă, pe detector.

Se poate spune că cele două radiaţii au fost combinate întrun singur fascicol modelat cu o frecvenţă ce depinde de viteza de rotaţie a oglinzii turnante. Cele două fascicole pot fi echilibrate cu ajutorul unui dispozitiv de atenuare, piptene, ce absoarbe mai mult sau mai puţin fascicolul de referinţă. Cu ajutorul unui servomecanism atenuatorul echilibrează cele două fascicole; mişcarea acestuia este apoi înregistrată funcţie de lungimea de undă, realizându-se spectrul IR de absorbţie.

Detectorul – înregistratorul Detectorul - înregistratorul (receptorul) este un dispozitiv ce furnizează datele privind

intensitatea fascicolului ce străbate proba. În general, se utilizează trei tipuri de detectori: detectori termici, piroelectrici şi

fotoconductori. Se mai foloseşte celula pneumatică sau celula Golay - bazată pe energia totală care acţionează asupra detectorului, flexibilă şi foarte sensibilă, utilă în domeniul 0,8 - 1000 µm.

9

Detectorii termici folosesc efectul caloric al fascicolului de lumină. Se utilizează termocuplul şi bolometrul.

În cazul termocuplului, energia fascicolului încălzeşte lucul de sudură a două lame bimetalice, forţa electromotoare ce ia naştere fiind funcţie de energia incidentă.

În cazul bolometrului, încălzirea are ca efect modificarea valorii unei rezistenţe, modificare ce este dependentă de energia incidentă.

Deci, orice modificare a intensităţii fascicolului probei, comparativ cu cel de referinţă, se traduce printr-un semnal electric care se înregistrează.

Atât termocuplul cât şi bolometrul sunt utilizate pentru domeniul 0,8-400 m, dar nu au sensibilitate prea mare.

Detectorii piroelectrici sunt confecţionaţi din materiale dielectrice cu proprietăţi termice şi electrice speciale. Cel mai utilizat material este triglicin-sulfatul deuterat.

Celula fotoconductivă - semiconductor din PbS sau PbSe utilizată pentru domeniul 0,7 - 3,3 µm.

Pregătirea probei în vederea analizei Spectrele IR se pot înregistra pentru toate substanţele, idiferent de starea de agregare. Gazele şi lichidele cu punct de fierbere scăzut sunt examinate în celule speciale, în prealabil

vidate. În acestea şi lichidele cu punctul de fierbere scăzut se volatilizează şi se realizează de fapt spectrul vaporilor. Pentru cele cu punctul de fierbere mai ridicat, pentru a avea loc volatilizarea, celulele pot fi încălzite. În cazul gazelor drumul optic poate atinge şi 40 m.

Lichidele pot fi examinate în stare pură sau în soluţie, folosind cuve speciale cu grosimea între 0,005 mm şi 0,1 mm, cantitatea de produs variind între 1 şi 10 mg.

Dacă se folosesc soluţii, acestea se introduc în cuve cu grosimea de 0,1-1,00 mm; concentraţiile soluţiilor pot fi de 0,05-10% (1-15 mg substanţă).

Celula cu proba martor conţine solventul; are grosimea fixă sau variabilă şi se plasează pe traiectoria fascicolului de referinţă, fiind confecţionată din acelaşi material şi având aceeaşi grosime cu cuva pentru probă.

Materialul din care sunt confecţionate cuvele trebuie să fie transparent pentru lumina infraroşie (clorură de sodiu, bromură de potasiu, fluorură de litiu).

Soluţiile şi lichidele mai pot fi examinate şi sub forma uni film între două ferestre. Spectrul înregistrat în cazul soluţiilor cuprinde atât benzile de absorbţie ale substanţei

dizolvate cât şi benzile caracteristice solventului. Din acest motiv, solvenţii utilizaţi pentru analiza IR trebuie să fie anhidri, transparenţi în domeniul de lungimi de undă explorat şi să nu formeze legături de hidrogen cu substanţa de cercetat

Solidele se pot examina în IR prin trei procedee: suspensie într-un lichid vâscos, dispersie solidă sub formă de pastilă obţinută prin comprimare, film (peliculă) depus pe o lamă transparentă la radiaţiile IR.

Suspensiile se obţin prin amestecarea a 2 - 5 mg probă solidă cu o picătură de nujol (ulei de parafină cu punct de fierbere ridicat), fluorolube (amestec de hidrocarburi fluorurate) sau hexaclorbutadienă. Suspensia astfel obţinută este examinată sub forma unui film subţire plasat între două plăci din sare transparentă la IR, folosind pentru compensare solventul fixat între plăci din acelaşi material şi aceeaşi grosime.

Pastilele sunt obţinute prin comprimarea puternică a unui amestec omogen obţinut din 1 mg substanţă de analizat şi 100 - 400 mg KBr anhidră, de puritate spectrală; amestecul se introduce într-o matriţă specială şi se comprimă la o presiune de câteva sute kg/cm2. Se înregistrează spectrul IR faţă de un comprimat preparat în aceleaşi condiţii însă fără substanţa de analizat.

Filmele depuse pe o placă se utilizează mai rar şi numai pentru substanţele care pot fi topite şi solidificate sau pentru cele care se dizolvă într-un solvent nepolar, uşor volatil.

Indiferent de maniera în care se pregăteşte proba de analizat, aceasta trebuie să fie anhidră.

10

Tehnici utilizate în spectrofotometria în IR

Principalele tehnici utilizate în spectrofotometria în IR sunt: - Microspectrofotometria IR - Spectrofotometria de transmisie

Spectrofotometria în domeniul infraroşu apropiat (NIRS, Near Infrared Spectometry)

Domeniu 770 – 2500 nm (13000 – 4000 cm-1) Benzile de absorbţie sunt constituite din armonici sau combinaţii de benzi fundamentale de

vibraţie situate în regiunea 2000 – 1700 cm-1 Se utilizează pentru analiza cantitativa a:

� apei; � proteinelor � hidrocarburilor cu masa moleculara mica � petrolului � Industriei chimice

Se efectuează măsuratori atat prin transmisie cât şi prin reflexie difuză.

Caracteristicile şi interpretarea spectrelor

Spectrul unui material este un grafic ce redă variaţia intensităţii luminii transmise sau absorbite de probă în funcţie de frecvenţa sau lungimea de undă.

� Spectorofotometrul IR trebuie să aibă o bună rezoluţie � Substanţa studiată să fie bine purificată � Aparatul folosit să fie corect etalonat

11

12

13

Analiza cantitativă în IR

Scop: � Determinarea exactă a raporturilor cantitative dintre componenţii unei substanţe � Determinarea concentraţiei unei soluţii � Determinarea formulelor şi structurii moleculare a substanţelor

Avantaje: � Unicitatea � Obţinerea datelor semicantitative din spectrul probei � Nu are restricţie pentru compuşii volatili

Dezavantaje: � Interferenţa � Timpul necesar preparării probelor � Necesitatea folosirii etaloanelor � Netransferabilitatea datelor de calibrare din spectrometre

Etape

14

� Cunoaşterea datelor: � câţi componenţi sunt prezenţi ? � ce componenţi sunt prezenţi ? � care dintre aceştia trebuie identificaţi ?

Spectrul preliminar al informaţiilor semicantitative din sistem. � Alegerea condiţiilor optime � Prepararea etaloanelor şi calcularea concentraţiei, efectuarea corecţiilor de interferenţă.

Determinarea probelor. Prelucrarea statistică.