Chia sẻ:
Lý thuyết, phương pháp và công dụng của phổ hồng ngoại
các quang phổ hồng ngoại là nghiên cứu về cách các phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại và cuối cùng biến nó thành nhiệt.
Quá trình này có thể được phân tích theo ba cách: đo độ hấp thụ, phát xạ và phản xạ. Độ chính xác này làm cho quang phổ hồng ngoại trở thành một trong những kỹ thuật phân tích quan trọng nhất dành cho các nhà khoa học ngày nay.
Một trong những lợi thế lớn của quang phổ hồng ngoại là hầu như bất kỳ mẫu nào cũng có thể được nghiên cứu ở hầu hết các trạng thái.
Chất lỏng, bột, màng, dung dịch, bột nhão, sợi, khí và bề mặt có thể được kiểm tra với sự lựa chọn hợp lý của kỹ thuật lấy mẫu. Như một hệ quả của thiết bị cải tiến, một loạt các kỹ thuật nhạy cảm mới hiện đã được phát triển để kiểm tra các mẫu có thể thu được trước đây.
Quang phổ hồng ngoại, trong số nhiều ứng dụng và ứng dụng khác, rất hữu ích để đo mức độ trùng hợp trong sản xuất polyme. Thay đổi về số lượng hoặc ký tự của một liên kết cụ thể được đánh giá bằng cách đo tần số cụ thể theo thời gian.
Các công cụ nghiên cứu hiện đại có thể thực hiện các phép đo hồng ngoại trong phạm vi quan tâm thường xuyên tới 32 lần mỗi giây.
Điều này có thể được thực hiện trong khi các phép đo đồng thời được thực hiện bằng các kỹ thuật khác, giúp quan sát các phản ứng và quá trình hóa học nhanh hơn và chính xác hơn.
Lý thuyết về quang phổ hồng ngoại
Một công cụ vô giá trong việc xác định và xác minh các cấu trúc hữu cơ liên quan đến lớp bức xạ điện từ (REM) với tần số trong khoảng từ 4000 đến 400 cm-1 (số sóng).
Loại bức xạ EM được gọi là bức xạ hồng ngoại (IR) và ứng dụng của nó vào hóa học hữu cơ được gọi là quang phổ hồng ngoại..
Bức xạ trong khu vực này có thể được sử dụng để xác định cấu trúc hữu cơ sử dụng thực tế là nó được hấp thụ bởi các liên kết tương tác trong các hợp chất hữu cơ.
Các liên kết hóa học trong các môi trường khác nhau sẽ hấp thụ cường độ thay đổi và tần số thay đổi. Do đó, quang phổ hồng ngoại liên quan đến việc thu thập thông tin hấp thụ và phân tích nó dưới dạng phổ.
Các tần số trong đó có sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại (cực đại hoặc tín hiệu) có thể tương quan trực tiếp với các liên kết trong hợp chất được đề cập.
Bởi vì mỗi liên kết tương tác có thể rung trong một số chuyển động khác nhau (kéo dài hoặc uốn cong), các liên kết riêng lẻ có thể hấp thụ nhiều hơn một tần số IR.
Hấp thụ kéo căng có xu hướng tạo ra các đỉnh mạnh hơn so với uốn, tuy nhiên hấp thụ uốn yếu hơn có thể hữu ích để phân biệt các loại liên kết tương tự (ví dụ: thay thế thơm).
Cũng cần lưu ý rằng các rung động đối xứng không gây ra sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Ví dụ, không có liên kết carbon-carbon nào của ethylene hoặc ethylene hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Phương pháp xác định cấu trúc
Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Kích thích hạt nhân của các nguyên tử thông qua chiếu xạ tần số vô tuyến. Cung cấp thông tin sâu rộng về cấu trúc phân tử và khả năng kết nối của các nguyên tử.
Phổ hồng ngoại (IR)
Nó bao gồm các rung động phân tử bắn qua chiếu xạ bằng tia hồng ngoại. Nó chủ yếu cung cấp thông tin về sự hiện diện hoặc vắng mặt của các nhóm chức năng nhất định.
Phổ khối
Bắn phá mẫu bằng điện tử và phát hiện các mảnh phân tử kết quả. Cung cấp thông tin về sự kết nối của khối lượng phân tử và nguyên tử.
Quang phổ tử ngoại (UV)
Thúc đẩy các electron ở mức năng lượng cao hơn bằng cách chiếu xạ phân tử bằng tia cực tím. Cung cấp thông tin về sự hiện diện của các hệ thống liên hợp và liên kết đôi và ba.
Quang phổ
Đó là nghiên cứu về thông tin quang phổ. Sau khi chiếu xạ bằng ánh sáng hồng ngoại, một số liên kết nhất định phản ứng nhanh hơn bởi độ rung. Phản ứng này có thể được phát hiện và dịch thành một biểu diễn trực quan gọi là phổ.
Quá trình giải thích phổ
- Nhận ra một mô hình.
- Liên kết các mẫu với các tham số vật lý.
- Xác định ý nghĩa có thể, đó là, đề xuất giải thích.
Sau khi thu được phổ, thách thức chính là trích xuất thông tin chứa trong dạng trừu tượng hoặc ẩn.
Điều này đòi hỏi sự công nhận của các mẫu nhất định, sự liên kết của các mẫu này với các tham số vật lý và giải thích các mẫu này theo các giải thích hợp lý và có ý nghĩa..
Phổ điện từ
Hầu hết các quang phổ hữu cơ sử dụng năng lượng điện từ, hoặc bức xạ, như một kích thích vật lý. Năng lượng điện từ (như ánh sáng khả kiến) không có thành phần khối lượng có thể phát hiện được. Nói cách khác, nó có thể được gọi là "năng lượng tinh khiết".
Các loại bức xạ khác, chẳng hạn như tia alpha, bao gồm hạt nhân helium, có thành phần khối lượng có thể phát hiện được và do đó không thể được phân loại là năng lượng điện từ.
Các thông số quan trọng liên quan đến bức xạ điện từ là:
• Năng lượng (E): Năng lượng tỷ lệ thuận với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng, như được chỉ ra trong phương trình dưới đây.
- Tần số (μ)
- Bước sóng (λ)
- Phương trình: E = hμ
Chế độ rung
- Liên kết cộng hóa trị có thể rung theo nhiều cách khác nhau, bao gồm kéo dài, lắc và kéo.
- Các băng tần hữu ích nhất trong phổ hồng ngoại tương ứng với tần số kéo dài.
Truyền so với Hấp thụ
Khi một mẫu hóa chất tiếp xúc với tác động của IR LIGHT (ánh sáng bức xạ hồng ngoại), nó có thể hấp thụ một số tần số và truyền phần còn lại. Một phần của ánh sáng cũng có thể được phản xạ trở lại nguồn.
Máy dò phát hiện các tần số truyền và khi làm như vậy cũng cho thấy các giá trị của tần số được hấp thụ.
Phổ hồng ngoại ở chế độ hấp thụ
Phổ IR về cơ bản là một biểu đồ tần số được truyền (hoặc hấp thụ) so với cường độ truyền (hoặc độ hấp thụ). Các tần số xuất hiện trong trục x theo đơn vị centimet nghịch đảo (wavenumbers) và cường độ được biểu thị theo trục y và theo đơn vị tỷ lệ phần trăm. Biểu đồ cho thấy một phổ trong chế độ hấp thụ:
Phổ hồng ngoại ở chế độ truyền
Biểu đồ cho thấy một phổ trong chế độ truyền. Đây là đại diện được sử dụng phổ biến nhất và được tìm thấy trong hầu hết các sách hóa học và quang phổ.
Công dụng và ứng dụng
Bởi vì quang phổ hồng ngoại là một kỹ thuật đơn giản và đáng tin cậy, nó được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, khoa học polymer, kỹ thuật hóa dầu, công nghiệp dược phẩm và phân tích thực phẩm..
Ngoài ra, do máy quang phổ FTIR có thể được khử trùng bằng sắc ký, cơ chế của các phản ứng hóa học và phát hiện các chất không ổn định có thể được nghiên cứu bằng các dụng cụ như vậy.
Một số ứng dụng và ứng dụng bao gồm:
Kiểm soát chất lượng
Nó được sử dụng trong các ứng dụng kiểm soát chất lượng, đo lường và giám sát động như đo nồng độ CO2 trong thời gian dài không giám sát trong nhà kính và buồng tăng trưởng sử dụng máy phân tích khí hồng ngoại.
Phân tích pháp y
Nó được sử dụng trong phân tích pháp y trong các vụ án hình sự và dân sự, ví dụ như trong việc xác định suy thoái polymer. Có thể được sử dụng để xác định nồng độ cồn trong máu của tài xế nghi là say rượu.
Phân tích mẫu rắn mà không cần cắt
Một cách hữu ích để phân tích các mẫu rắn mà không cần phải cắt là sử dụng ATR hoặc quang phổ phản xạ tổng suy yếu. Sử dụng phương pháp này, các mẫu được ép vào mặt của một tinh thể. Bức xạ hồng ngoại đi qua kính và chỉ tương tác với mẫu tại giao diện giữa hai vật liệu.
Phân tích và xác định các sắc tố
Quang phổ hồng ngoại đã được sử dụng thành công trong việc phân tích và xác định các sắc tố trong tranh và các vật thể nghệ thuật khác, chẳng hạn như các bản thảo được chiếu sáng.
Sử dụng trong công nghiệp thực phẩm
Một ứng dụng quan trọng khác của Quang phổ hồng ngoại là trong ngành công nghiệp thực phẩm để đo nồng độ của các hợp chất khác nhau trong các sản phẩm thực phẩm khác nhau.
Nghiên cứu chính xác
Với sự gia tăng của công nghệ trong lọc máy tính và thao tác kết quả, các mẫu trong dung dịch giờ đây có thể được đo chính xác. Một số thiết bị cũng sẽ tự động cho bạn biết chất nào đang được đo từ kho lưu trữ hàng ngàn phổ tham chiếu được lưu trữ.
Kiểm tra thực địa
Các thiết bị hiện nay nhỏ và có thể được vận chuyển, thậm chí để sử dụng trong các thử nghiệm hiện trường.
Rò rỉ gas
Quang phổ hồng ngoại cũng được sử dụng trong các thiết bị phát hiện rò rỉ khí như DP-IR và EyeCGA. Những thiết bị này phát hiện rò rỉ khí hydrocarbon trong quá trình vận chuyển khí tự nhiên và dầu thô.
Sử dụng trong không gian
NASA sử dụng một cơ sở dữ liệu rất cập nhật, dựa trên quang phổ hồng ngoại, để theo dõi các hydrocarbon thơm đa vòng trong vũ trụ.
Theo các nhà khoa học, hơn 20% carbon trong vũ trụ có thể được liên kết với hydrocarbon thơm đa vòng, nguyên liệu khởi đầu có thể cho sự hình thành sự sống.
Các hydrocarbon thơm đa vòng dường như đã được hình thành ngay sau Vụ nổ lớn. Chúng phổ biến rộng khắp vũ trụ và được liên kết với các ngôi sao và ngoại hành tinh mới.
Tài liệu tham khảo
- Nancy Birkner (2015). Tâm chạm. Máy quang phổ FTIR hoạt động như thế nào. Lấy từ: mindtouch.com.
- Cortes (2006). Lý thuyết và giải thích phổ IR. Hội trường Prentice Pearson. Lấy từ: utdallas.edu.
- Barbara Stuart (2004). Quang phổ hồng ngoại. Wiley Lấy từ: động học.nsc.ru.
- Wikipedia (2016). Phổ hồng ngoại. Wikipedia, bách khoa toàn thư miễn phí. Lấy từ: en.wikipedia.org.