Spektroskopi i det nære infrarøde område

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. januar 2015; checks kræver 4 redigeringer .

Spektroskopi i det nære infrarøde område (NIR-spektroskopi, engelsk nær-infrarød spektroskopi, NIR ) er et afsnit af spektroskopi , der studerer interaktionen af nær infrarød stråling (fra 780 til 2500 nm, eller fra 12.800 til 4000 cm -1 ) med stoffer . Det nær-infrarøde område ligger mellem synligt lys og det midt-infrarøde område.

Historie

Infrarød stråling blev opdaget i 1800 af den engelske astronom William Herschel . Efter at have nedbrudt synligt lys til et spektrum ved hjælp af et stort glasprisme, bemærkede han, at opvarmningen af termometeret stiger fra den violette del af spektret til den røde, og den maksimale effekt er allerede observeret uden for det synlige spektrum. Yderligere fremskridt kom i 1880'erne, da William Abney og Edward Festing registrerede adskillige spektre af organiske væsker i området 1 til 1,2 µm. Den amerikanske fysiker William Koblenz designede sit eget spektrometer ved hjælp af et stensaltprisme som monokromator . På trods af det faktum, at enheden var meget følsom over for eksterne vibrationer, og det tog en hel dag at tage ét spektrum, var Koblenz i stand til at optage spektrene for flere hundrede stoffer i bølgelængdeområdet fra 1 til 15 μm og bemærkede endda nogle spektrale ligheder i visse klasser af forbindelser [1] .

Der gik omkring et halvt århundrede mellem opdagelsen og rutinemæssig brug af infrarød spektroskopi : Kun få videnskabsmænd havde adgang til IR-spektrometre. Derudover var deres enhed langt fra perfekt. Hvad angår spektroskopi i det nære infrarøde område, tog det endnu mere tid. Det begyndte kun at blive brugt omkring 70 år efter dets opdagelse. I 1970 var der kun udkommet 70 artikler om denne variation af spektroskopi. I 1930'erne blev blysulfid i forbindelse med Anden Verdenskrig undersøgt som varmedetektor, og allerede i 1950'erne dukkede det op på markedet som en meget følsom strålingsdetektor i området fra 1 til 2,5 μm [1] .

Undersøgelsen af spektrene i den nære IR-region, i sammenligning med de infrarøde spektre, blev udført i et meget langsomt tempo. Spektroskopister anså denne region for svær at fortolke. Derudover havde signalerne meget lav intensitet (2-3 størrelsesordener lavere end signalerne i IR-regionen), og grundlinjen var svær at bestemme på grund af det store antal signaler. Metoden havde dog også sine fordele. For det første er dette en meget følsom blysulfiddetektor og muligheden for at bruge wolframglødelamper som strålingskilder. Takket være disse komponenter var det muligt at optage diffuse reflektansspektre . For det andet var det muligt at skabe billige spektrometre, da almindelige glaskilder, detektorer og optik var ganske overkommelige [1] .

I 1950'erne var der et stort behov for kvantificering af vand, proteiner og fedtstoffer. Til disse formål valgte ansatte i det amerikanske landbrugsministerium NIR-spektroskopi og udviklede allerede i 1970'erne spektrometre og metoder til deres kalibrering til landbrugets behov. I 1980'erne begyndte spektrometre at blive styret af computere [1] .

Metodeprincip

Harmonisk oscillator tilnærmelse

Vibrationerne af et diatomisk molekyle kan tilnærmelsesvis beskrives ved hjælp af den harmoniske oscillatormodel. Ifølge denne model betragtes et diatomisk molekyle som to punktmasser m 1 og m 2 forbundet af en elastisk vægtløs fjeder med en elasticitetskoefficient (kraftkonstant) K . Den potentielle energi V i et sådant system er relateret til afvigelsen af masserne q , som følge af svingninger [2] .

$V={\frac {1}{2}}Kq^{2}$

Som et resultat heraf har den potentielle energikurve en parabolsk form og er symmetrisk med hensyn til ligevægtslængden af den vibrerende binding. Fjederens oscillationsfrekvens er også relateret til kraftkonstanten og den reducerede masse μ [2] .

$\nu _{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {K}{\mu }}};\mu ={\frac {m_{1}m_ {2}}{m_{1}+m_{2}}}$

Hvis oscillationsfrekvensen er udtrykt i bølgetal, vil dette udtryk tage følgende form [2] :

${\tilde {\nu _{0))}={\frac {1}{2\pi c)){\sqrt {\frac {K}{\mu ))}.$

Den kvantemekaniske løsning af Schrödinger-ligningen viser, at vibrationsenergien er kvantiseret , dvs. den tager visse diskrete værdier ifølge ligningen [2] :

$E_{n}=h\nu _{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right),$

hvor h er Plancks konstant, og n er et vibrationskvantetal, der tager heltalsværdierne 0, 1, 2, 3...osv. Således er vibrationsniveauerne i samme afstand fra hinanden. Ifølge Boltzmann-fordelingen optager de fleste molekyler ved stuetemperatur nulvibrationsniveauet. Da der i infrarød spektroskopi kun er overgange til det tilstødende vibrationsniveau tilladt af udvælgelsesreglerne, så [2] :

$\Delta n=\pm 1,$

i IR-spektrene observeres hovedsageligt kun overgange fra nul til det første vibrationsniveau, de såkaldte fundamentale overgange. De fleste af dem falder inden for området fra 4000 til 200 cm- 1 . [2]

Anharmonisk oscillator tilnærmelse

Den harmoniske oscillatormodel beskriver ikke helt præcist molekylernes vibrationer, da den ikke tager højde for, at der er frastødende kræfter mellem atomer med én binding, og at dissociation kan forekomme ved en stærk bindingsforlængelse . Ifølge en mere nøjagtig model af en anharmonisk oscillator udtrykkes energien af vibrationsniveauer som følger [3] :

$E_{n}=h{\nu }_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)-{\chi }h{\nu}_{0}\left (n+{\frac {1}{2}}\right)^{2},$

hvor χ er anharmonicitetskonstanten. Den potentielle energikurve antager således en asymmetrisk form ( morsekurve ). Afstanden mellem niveauerne er ikke længere den samme, og udvælgelsesreglen, der forbyder overgange til fjerne vibrationsniveauer, håndhæves ikke så strengt. I denne henseende tilføjes til antallet af mulige fundamentale vibrationer af molekylet, som er lig med 3 n –6 (5), tidligere forbudte overgange - overtoner svarende til [3]

$\Delta n=\pm 2,\pm 3,...$

Ud over overtoner kan infrarød spektroskopi også observere sammensatte (kombinations) bånd, som er summen eller forskellen af fundamentale vibrationer. Det er disse to typer bånd, der vises i det nære infrarøde område. Imidlertid har både overtoner og sammensatte bånd en meget lavere intensitet end de fundamentale bånd, og deres overlap komplicerer fortolkningen af NIR-spektrene [3] .

Beregning af bølgenumre af overtoner

tøven	Konstant χ [4]
ν(С–Н)	~1,9 10 -2
ν(іD)	~1,5 10 -2
ν(іF)	~4 10 –3
ν(С–Cl)	~6 10 –3
v(C=O)	~6,5 10 -3

Energien af en fundamental vibration eller overtone, såvel som værdien af det bølgetal, hvor de optræder, kan beregnes som følger:

$G_{n}={\frac {E_{n}}{hc}}={\tilde {\nu }}_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right )-{\chi }{\tilde {\nu}}_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)^{2};$

${\tilde {\nu }}_{n}=G_{n}-G_{0}={\tilde {\nu }}_{0}n-\chi {\tilde {\nu }} _{0}n(n+1).$ [fire]

Men da bølgetallet ṽ 0 ikke kan opnås direkte fra spektraldataene, skal det udtrykkes i form af bølgetallet ṽ 1 og erstattes med udtrykket for overtonebølgetallet:

${\tilde {\nu }}_{0}={\frac {{\tilde {\nu}}_{1}}{1-2\chi }});$

${\tilde {\nu }}_{n}={\frac ({\tilde {\nu}}_{1}n-{\tilde {\nu}}_{1}\chi n( n+1)}{1-2\chi }}.$ [fire]

Det resulterende udtryk giver dig mulighed for at finde bølgetallet for enhver overtone med n = 2, 3, 4... baseret på bølgetallet for den fundamentale vibration, såvel som anharmonicitetskonstanten χ. Det er også muligt at beregne konstanten χ ud fra den, hvis for eksempel ṽ 1 og ṽ 2 [4] er kendt .

Overtoneintensiteter er også relateret til anharmonicitet. Det er vist, at vibrationer med lave anharmonicitetskonstanter giver overtoner med lave intensiteter. Tværtimod dominerer X-H-strækvibrationer, som har en høj anharmonicitet, i spektrene af det nær-infrarøde område [4] .

Sammenligning med relaterede metoder

іН vibrationer i CHCl 3 molekylet [5]

Overgang	Strip position		e, cm²/mol
Overgang	nm	cm -1	e, cm²/mol
grundlæggende	3290	3040	25.000
overtone 1	1693	5907	1620
overtone 2	1154	8666	48
overtone 3	882	11 338	1.7
overtone 4	724	13 831	0,15

Spektroskopi i det nære infrarøde område er baseret på brugen af stråling i det spektrale område fra 12800 til 4000 cm -1 . Denne region er domineret af overtoner og sammensatte bånd. Da sandsynligheden for sådanne overgange er relativt lille, falder intensiteten af de tilsvarende bånd med ca. 1-2 størrelsesordener for hvert trin fra den fundamentale oscillation. Det vil sige, at ekstinktionskoefficienten ε for en overtone med Δ n = 3 er cirka 100 gange lavere end for en overtone med Δ n = 2. synlig stråling, overgange med stor Δ n observeres , og sandsynligheden for sådanne overgange er lille. Dette er den væsentlige forskel mellem NIR-spektroskopi og IR-spektroskopi og Raman-spektroskopi, hvor signalerne i hele det spektrale område tilfældigt ændrer deres intensitet afhængigt af excitationsbetingelserne for hver enkelt vibration [6] [5] .

I modsætning til IR- og Raman-spektroskopi kræver NIR-spektroskopi tilstedeværelsen af en stor anharmonicitet af vibrationer, derfor forekommer hovedsageligt CH-, N-H og O-H vibrationer i det nære infrarøde område. Dette fænomen lettes også af det faktum, at disse gruppers fundamentale vibrationer optræder ved bølgetal over 2000 cm – 1 , så deres overtoner er allerede i NIR-området. På den anden side optræder de mest almindelige og intense vibrationer i IR-spektrene ved bølgetal under 2000 cm – 1 , så deres første overtoner er stadig uden for det nære infrarøde område. Da intensiteten af den anden og tredje overtone falder kraftigt, er de praktisk talt usynlige i spektrene. For eksempel forekommer intens vibration af C-F-gruppen ved 1600 cm – 1 , men på grund af den lave anharmonicitetskonstant er første og anden overtone på 2400 og 3600 cm – 1 og falder ikke ind i NIR-området [6 ] .

Superpositionen af mange overtoner og sammensatte signaler i det nær-infrarøde område fører til et fald i den strukturelle selektivitet af NIR-spektrene sammenlignet med IR- eller Raman-spektrene, hvor de grundlæggende vibrationer normalt er klart adskilt fra hinanden. Signalerne kan dog korreleres med de tilsvarende vibrationer enten ved at beregne frekvensen af overtonerne eller ved at bruge kemometriske metoder [6] .

Ligesom IR-spektroskopi overholder NIR-spektroskopi Bouguer-Lambert-Beer-loven , det vil sige, at intensiteten af transmitteret lys er relateret til koncentrationen af opløsningen og længden af den optiske vej gennem kuvetten. Tværtimod bestemmes strålingsintensiteten i Raman-spektroskopi kun af koncentrationen af analytten [6] .

Karakteristika [7]	Raman spektroskopi	IR-spektroskopi	NIR spektroskopi
type spektroskopi	spredningsspektroskopi	absorptionsspektroskopi
overgange
striber	fundamental 4000-50 cm -1	fundamental 4000-200 cm -1	overtoner og kombination 12 500-4000 cm -1
stråling	monokromatisk	polykromatisk
udvælgelsesregler	${\frac {\partial \alpha }{\partial q))\neq 0$ polarisationsændring _	${\frac {\partial \mu }{\partial q))\neq 0$ dipolmomentændring _	${\frac {\partial \mu }{\partial q))\neq 0,anharm.$ anharmonicitet
observerede grupper	homonukleær (for eksempel C=C)	polær (for eksempel C=O)	grupper CH, OH, NH
strukturel selektivitet	høj		lav
kvantitativ egenskab	$I_{Raman}\sim C$	$\lg {\frac {I_{0}}{I}}=\varepsilon \cdot C\cdot l$

Noter

↑ 1 2 3 4 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 3-6.
↑ 1 2 3 4 5 6 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 9-11.
↑ 1 2 3 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 11-12.
↑ 1 2 3 4 5 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 12.
↑ 1 2 Böcker, 2009 , s. 196-199.
↑ 1 2 3 4 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 15-16.
↑ Burns, Ciurczak, 2007 , s. 9, 11.

Litteratur

Böcker Y. Spectroscopy = Spektroskopie / Pr. med ham. L. N. Kazantseva, red. A. A. Pupysheva, M. V. Polyakova. — M .: Technosfera, 2009. — 528 s. - ISBN 978-5-94836-220-5 .
Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry / Lindon J. - 2. udg. - Academic Press, 2010. - 3312 s.
Boas, DA Hæmoglobin-iltmætning som biomarkør: problemet og en løsning : [ eng. ] / DA Boas, MA Franceschini // Philosophical Transactions of the Royal Society A . - 2011. - Bd. 369, nr. 1955. - S. 4407-4424. doi : 10.1098 / rsta.2011.0250 . — PMID 22006898 .
Burns D.A., Ciurczak E.W. Handbook of Near-Infrared Analysis . - CRC Press, 2007. - 826 s. - ISBN 978-0-8493-7393-0 .
Scheeren, TWL Overvågning af vævsiltning ved nær infrarød spektroskopi (NIRS): baggrund og aktuelle anvendelser : [ eng. ] / TWL Scheeren, P. Schober, LA Schwarte // Journal of Clinical Monitoring and Computing. - 2012. - Bd. 26, nr. 4. - S. 279-287. - doi : 10.1007/s10877-012-9348-y . — PMID 22467064 .