Organická analýza - Infračervená spektroskopie (IR)

10.3 Infračervená spektroskopie

• 10.3.1 Princip
• 10.3.2 Jak měřit infračervená spektra
• 10.3.3 Co lze vyčíst z infračervených spekter
• Závěr

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Infračervená spektroskopie

Princip

Infračervená spektroskopie je metodou nedestruktivní. To znamená, že samotnou analýzou se vzorek nijak nepoškodí. Přesto touto metodou můžeme získat údaje nejen o složení vzorku ale i o jeho molekulové struktuře. Infračervená spektroskopie je založena na interakci elektromagnetického záření s měřeným vzorkem. Za infračervené se považuje elektromagnetické záření v rozsahu vlnočtů 12 500 až 20 cm¯¹ , což odpovídá rozsahu vlnových délek 800 nm až 0,5 mm. Infračervené záření je tedy oblastí mezi zářením viditelným (menší vlnové délky) na jedné straně a zářením mikrovlnným (větší vlnové délky) na straně druhé. Z praktických důvodů infračervenou spektroskopii dělíme podle vlnových délek záření na dalekou (FIR z angl. far infrared), střední (MIR z angl. middle infrared) a blízkou (NIR z angl. near infrared). Pro praktické využití má největší význam střední infračervená oblast (4000 až 400 cm¯¹). Energie tohoto záření je dostatečně velká na to, aby jeho absorpce způsobila změny rotačních a vibračních stavů přítomných molekul. Může tedy docházet jak ke zvětšení amplitudy vibrace molekul vzorku, tak ke zrychlení jejich rotace. Tyto vibrační a rotační přechody tvoří teoretický základ infračervené spektroskopie. Přechody mohou být jak čistě vibrační, tak čistě rotační či kombinované vibračně-rotační. Protože čistě rotační přechody leží ve vzdálené infračervené, příp. mikrovlnné oblasti (do 40 cm¯¹), mají pro praktické využití význam zejména přechody čistě vibrační a kombinované.

2 Theta: Obr. Elektromagnetické záření

Tyto vibrační a vibračně-rotační přechody se projeví v infračervených spektrech jako absorpční pásy definované vlnočtem a intenzitou absorpce. Vlnočet je převrácená hodnota vlnové délky záření a udává se buď jako maximum pásu nebo interval vlnočtů, kde se pás nachází. Intenzita absorpce se nejčastěji vyjadřuje jako absorbance či transmitance.

Jak měřit infračervená spektra

Infračervená spektra lze měřit u látek prakticky všech forem. Pokud máme potřebné vybavení, nejsme omezeni skupenstvím (pevné, kapalné, tuhé), ani dalšími specifiky vzorku, takže můžeme měřit čisté látky, jejich roztoky i směsi. Nezáleží ani na původu či povaze vzorku, umíme měřit látky anorganické, organické i biologického původu. Základní podmínkou získání kvalitního infračerveného spektra je ale vždy správná úprava vzorku úzce související také s výběrem hodné techniky měření. Např. při přípravě roztoků pro měření infračervených spekter je nutno mít na paměti následující zásady pro výběr vhodného rozpouštědla. Předně musí být použité rozpouštědlo propustné pro infračervené záření. Měřená látka v něm musí být dobře rozpustná, ale neměla by s rozpouštědlem nijak reagovat. Rozpouštědlo také nesmí interagovat s kyvetou, zde je nutno věnovat zvýšenou pozornost výběru okének, která mohou být vyrobena z několika různých materiálů.

Infračervená spektra mohou být získána použitím řady různých technik a speciálních (přídavných) zařízení, které umožňují analýzu celé škály vzorků různých forem. Nepoužívanější technikou je měření tzv. na průchod, při kterém infračervené záření prochází tenkou vrstvou vhodně upraveného vzorku. U kapalných a plynných vzorků se používají speciální kyvety, které jsou často rozebíratelné, takže u nich lze měnit okénka různých materiálů, a mohou být též temperované či s regulací tlaku. U pevných vzorků se měří tenké vrstvy ve formě destiček či fólií, práškové vzorky se mísí s KBr a lisují do tablet.

• Zrcadlová reflektance je technika založená na měření změny intenzity záření odraženého od lesklé podložky, na které je umístěn nebo nanesen vzorek.
• Techniky ATR (zeslabený úplný odraz) a FMIR (násobný odraz) využívají charakteristické zeslabení (absorpce) infračerveného záření při jeho úplném odrazu na styčné plošce měrného hranolu a vzorku.
• Difúzní reflektance je technika využívající měření záření rozptýleného odrazem od vzorku.
• FTIR mikroskopie se používá všude tam, kde nás zajímá prostorové rozložení struktury a vlastností.

Co lze vyčíst z infračervených spekter

Infračervená spektroskopie nabízí díky mnoha různým technikám rychlou a citlivou analýzu celé škály různých materiálů. V získaných infračervených spektrech je uložena řada informací využitelných pro kvalitativní i kvantitativní analýzu. V praxi se často uchylujeme pouze ke kvalitativní analýze a Infračervenou spektroskopii využíváme k identifikaci strukturních přítomných ve vzorku. Hledáme tak odpověď na otázku, které funkční skupiny jsou v molekulách vzorku obsaženy či o jakou látku se jedná. Často nám v identifikaci pomohou dodatečné informace o původu, elementárním složení apod.

Pro kvalitativní analýzu jsou nezbytné dvě základní v praxi ověřené skutečnosti. První je, že každá látka má své vlastní infračervené spektrum, které liší od spekter ostatních látek. Proto můžeme jednotlivé sloučeniny identifikovat pomocí atlasů a knihoven spekter. V tomto případě je ale podmínkou měření vzorku stejnou technikou a za stejných podmínek, jako bylo měřeno spektrum uvedené v atlasu či knihovně. Druhou významnou pomůckou je, že stejné funkční skupiny se ve spektrech různých látek projevují podobně. Proto můžeme z infračerveného spektra zjistit přítomnost jednotlivých funkčních skupin či strukturních jednotek nebo jejich výskyt vyloučit.

V dalším textu si popíšeme obvyklý postup při rozboru infračerveného spektra. Jako první posoudíme jakýsi celkový dojem. Zodpovíme si základní otázky jako: Je spektrum složité či jednoduché? Má mnoho nebo málo pásů? Mají některé pásy výrazně vyšší intenzitu než ostatní? jsou pásy široké či úzké? Překrývají se? Z tohoto celkového dojmu pak můžeme usuzovat na složitost struktury, počet funkčních skupin či přítomnost vodíkových vazeb. Pokud je spektrum jednoduché s malým počtem pádů, zřejmě se jedná o malou molekulu s poměrně jednoduchou strukturou a naopak.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.