Infravörös spektroszkópiai analitikai módszerek • Kémiai elemzések (min. és menny.) általános módszere: Jelképző folyamat keresése M(inta) + R(eagens) (kölcsönhatás, reakció) M(inta)’ + R(eagens)’ változás(ok) mérése … Analitikai Jel: J = f (ci), J = f (c), J = f (c) Reagens: anyag (reaktáns) avagy elektromágneses (EMS) hullám. Infravörös spektroszkópiai analitikai módszerek: R=R’=EMS=IR a) R=IR és R’=IR’, (kölcsönhatás során l, n állandó, abszorpció) FTIR-spektroszkópiai/FTIR-spektrometriás módszerek; b) R és R’ nem IR (sőt l, n sem állandó), de megváltozásuk DR=R’–R =±IR” éppen beesik az IR-tartományba Ramanspektroszkópia • 0.lépés: Minőségi azonosítás, megbizonyosodás az adott komponens jelenlétéről • 1.lépés: Kalibrációs görbe: J = f (ci, ismert) kimérése • 2.lépés: Mérés és visszakövetkeztetés (a kalibrációs görbe inverz használata) ci = f-1(J) , az inverz-függvényképzés akkor és csak akkor lehetséges, ha a kalibrációs görbe szigorúan monoton függvénye a koncentráció(k)nak.
(Fourier transzformációs) infravörös spektroszkópia (FTIR) IR-tartományok: - közeli IR (NIR, kombinációk+felhangok): 12820 – 4000 cm-1 (780 nm-2,5 mm) - analitikai IR (karakterisztikus rezgések) : 4000 - 400 cm-1 (2,5 – 25 mm) - távoli IR (FIR, rácsrezgések): 400 - 40 cm-1 (25 – 250 mm)
~ ~
T(%)
(Fourier transzformációs) infravörös spektroszkópia (FTIR) • Kölcsönhatás: elnyelés (abszorpció), a tükröződés, diffúz reflexió, szóródás, törés, teljes visszaverődés elhanyagolásával); az áteresztés, ami jól mérhető! • Spektrum: x = hullámszám (wavenumber) %T 100.0
~n ≡ 1/l ill. = n/c (cm-1)
90.0 80.0
(vele egyenesen arányos fotonenergia E=hn=hc/l= hcn és a frekvencia n, és fordítottan arányos a hullámhossz l) .
70.0 60.0 50.0 4000
A
y = transzmittancia: T ≡ I/I0
4000
3000
~ n CHCl3 gőze
2000
c m-1
1500
1000
0.20
(T%=T x 100 (%))
y = abszorbancia: A ≡ - lg T
T(%)
0.10
400 510
A (-)
n~ 0.00 4000
4000
[közvetlenül lehet még y = intenzitás I, (sugárforrásé, mintáé, ‘referenciáé’) is megadható; ill. közvetve y = moláris abszorpciós tényező, e]
3000
2000
1500 c m-1
1000
510
400
• Abszorpciós sávok = foton elnyelések: ilyenkor a kovalensen kötött egységek rezgései gerjesztődnek, a rezgési energiájuk (amplitúdójuk) nő!
Rezgések, rezgések gerjesztése és az IR-elnyelési sávok • Kovalens kötésű egységekké (molekulákká, összetett ionokká) összekapcsolódott – pontszerű testeknek tekintett – atomok (Mi, g/mol) - ki rugóállandójú rugókkal összekötve (adott kovalens kötés erősség, rendűség, mellett) - Hook-törvénye szerint - harmónikus rezgőmozgásokat végeznek . • A kovalens kötésű egységeknek ún. saját rezgési (v. saját normál)frekvenciái vannak, és ezek száma 3N-6, (ill. 3N-5 db lineáris molekulák esetén), ha N darab atom van az egységben. • Normálrezgés esetén minden atom azonos frekvenciával azonos fázisban, azaz időbeli szinkronban harmónikusan rezeg) ugyanilyen frekvenciájú fotonnal gerjeszthető magasabb energiaszintre, nagyobb amplitudóra • Elnyelési sávok (a vonal kiszélesedések okai: gőz/gázokban a rotációs átmenetek szuperpozíciója; kondenzált állapotban másodlagos kötőerők befolyása)
Rezgések, rezgések gerjesztése és az IR-elnyelési sávok
Kétatomos bipoláros molekula rezgésének mechanikai modellje és energetikai leírása Pontszerű testek, Hook törvénye, harmónikus rezgőmozgás Saját frekvenciák száma: (N=2, lineáris molekula) 3x2-5=1 db k rugóállandó = kovalens kötés erőssége Redukált tömeg: m Rezgési saját(normál) frekvencia Erezg = ½ k A2
Kétatomos bipoláros molekula rezgésének kvantummechanikai modellje és energetikai leírása
Rezgési energiaszintek változása: Dv=+1
Rezonanciás fotonabszorpció: nrezgés = nIR-foton
Rezgések, rezgések gerjesztése és az IR-elnyelési sávok •
•
•
Egyes kötések, funkciós csoportok karakterisztikus rezgéseiről akkor beszélhetünk, ha egy rezgés esetén pl. az egyik kötés mentén észlelhető amplitudóhoz képest az összes többi kötés amplitudója elhanyagolható (kétatomos-modellszerű), vagyis a rezgés jellegzetes geometriai képet mutat és/vagy jellegzetes (típusosnak tekinthető) hullámszám-tartományba esik: -jellegzetes vegyértékirányú (v. kötésnyújtási) rezgés, (‘n‘ ált. nagyobb hullámszámú); -jellegzetes deformációs, vagyis kötésszög változási rezgések, pl. síkban (kaszáló, ollózó), ill. síkra merőlegesen (bólogató, torziós), ‘d‘, kisebb hullámszám jellemzi); Ahol ilyen egyszerűsödés nem igazán teljesül, de a rezgések hullámszámai mégis egyediek, úgyhogy ujjlenyomat-tartománybelinek nevezzük őket (ca.1500, ill.1000 cm-1 alattinak, FIR): Anharmonicitás kísérő (szatelit-) sávok. Egyidejűleg, ill. némely kvantáltan nagyobb energiával bekövetkező gerjesztések felhangok, kombinációs sávok: alaprezgések többszörösei, összeadódásai; szimmetria miatt eltűnő, többszörös, vagy degenerált rezgések; Sávintenzitás: átmeneti/gerjesztési valószínűségtől, a rezgés során bekövetkező dipólusmomentum változástól függ. Karbonil n(C=O) sávok általában igen intenzívek!
Az IR-spektroszkópia alkalmazásai • Minőségi analízis: azonosítás, elemzés – minden vegyületnek, de még a kristályos polimorf módosulatoknak is, (eltérő kristályszimmetriák, kristálytani pozíciók, kristályrácsbeli környezetek/erőtérek miatt) kissé más lehet az IR spektruma: pl. CaCO3 (aragonit, kalcit); TiO2 (anatáz, rutil); – Szerkezetmegállapítás, -megerősítés, szerkezeti elemzés: a funkciós csoportok jellemző sávjai (csoportrezgések) alapján
• Mennyiségi analízis Lambert-Beer törvény alapján: – csúcsmagasság (abszorbancia): A = e l c, ahol c, az adott komponens koncentrációja, l, az optikai fényút, e, az adott komponens moláris abszorpciós együtthatója – sávterület (integrált abszorbancia) felhasználásával: n~2
n~2
n~2
n~2
~ lg T dn~ lg I dn~ lg I o dn~ Elc A d n n n n I 0 n I ~ ~ ~ ~ 1 1 1 1
Az IR-spektroszkópia alkalmazásai aragonit
kalcit
FT-IR spektrométer (alapja a Michelson-féle interferométer)
4.5
hatter
4.0
3.5
Response
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 7500
• • • • • •
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000 Wavenumber
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Fényforrás: Globár izzó (SiC), Nernst izzó (Zr-, Y-, és Er-oxidok keveréke), Cr-Ni tekercs Diafragmák (rések): B-stop, J-stop Fényosztó: vékony Ge-, Si-, vagy polietilén tereftalát film megfelelő hordozón Detektor: piroelektromos (deutero-triglicerinszulfát, DTGS); fotovezető cella (HgCdTe2, MCT, N2(l)) Számítógép, plotter, színes nyomtató He-Ne lézer
FT-IR spektrométer (alapja a Michelson-féle interferométer)
• • • • • •
Fényforrás: Globár izzó (SiC), Nernst izzó (Zr-, Y-, és Er-oxidok keveréke), Cr-Ni tekercs Diafragmák (rések): B-stop, J-stop Fényosztó: vékony Ge-, Si-, vagy polietilén tereftalát film megfelelő hordozón Detektor: piroelektromos (deutero-triglicerinszulfát, DTGS); fotovezető cella (HgCdTe2, MCT, N2(l)) Számítógép, plotter, színes nyomtató He-Ne lézer
A Fourier-transzformációs (FT) mérés előnyei • Számítógéppel vezérelt mérés, inferogramok gyors felvétele/ digitális gyors FT-transzformáció/ spektrumgyűjtés/raktározás; spektrum-összevetés • Gyors mérés: egy interferogram/spektrum kész 1-2 s alatt (vö. 1h!) • Kimutatás/mérés alsó határai (LLD,LLM): N-szeres spektrumakkumulációval (Signal/Noise=jel/zajszórás=) =N-szeres jel/zaj-viszony javulás! • Felbontás: 4- 0.001 cm-1-ig • Számítógépes spektrumértékelés: – – – – –
Nagyítás/zoom/transzmittancia határok Alapvonal-kijelölés/korrekció Spektrumok összerajzolása/összevetése Sávterület integrálás /meghatározás Átlapoló sávok felbontása - görbeillesztéssel: - (dekonvolúcióval)
Méréstechnikák I. • Szilárd fázis: – Mintaelőkészítéssel: transzmissziós üzemmódban • pasztilla (KBr, CsI, polietilén) • Nujolos (ásványolaj)szuszpenzió • Filmként/rétegként átvilágítva
IR sugár
Detektor Minta
– Mintaelőkészítés nélkül: reflexiós technikák, mikroszkóp, ATR T
T
IR
T
T
Minta
Minta T
Det.
T
Tükör
IR sugárnyaláb a fényforrásból
Diffúz reflexió (DRIFT)
Gyengített teljes reflexió (ATR)
Méréstechnikák II. • Folyadékfázis – film két ablak között (0.005-0.01 mm): tiszta folyadékok – folyadékcella (0.02-1.0 mm): oldatok ! Oldószerelnyelés !
– ATR (gyengített teljes reflexió) módszer: vizes oldatok, tiszta folyadékok (ZnSe vagy gyémánt kristállyal) • kis optikai úthossz: oldószersávok nem zavarnak ! kisebb érzékenység !
• Gázfázis: – gázcella: 10 cm - 300 m, tükörrendszerrel hosszabbítva a fényutat
Lézerfény szóródása, Raman-eltolódások, Raman-spektrumok
Raman-intenzitás
~ Stokes Dn 0
Anti Stokes Dn~ 0 kumarin A-S*50
Rayleigh*10-5
19417 cm-1
Lézerbesugárzás (NIR, VIS, UV) l0 = 515 nm
~n4
TiO2 polimorf módosulatok Raman spektrumrészletei
Rutil +
Anatáz
Elektronikus és rezgési energia(term)sémák IR, Raman és fluoreszcens átmenetekről IR absz.; Rug.szórás,; Anti-S, Stokes, (Pre)Rezonanciás, Fluoreszcencia Megnövekedő átmeneti valószínűséggel megnövekedő intenzitással
E
Fölső (gerjesztett) elektronállapot Alsó (alap) elektronállapot
+ Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) durva Ag- vagy Au- fémfelületeken
Műanyagok azonosítása 108 106
fehermuanyagalap
Polikarbonát, reszelékként, KBr-ban
104 102 100 98
2588
3113
86
633
84
1898
2967 2934 2874
88
2231 2202 2081 2051 2002
90
3041
92 3527 3454
3500
3000
2500
2000
1800 1600 Wavenumber
1200
1000
555
767
830
888
707
489
1400
1015
74
1104 1080
1224
76
1163
1466
78
1409 1365
80
1603
82
1782 1775
%Transmittance
94
2451 2408
2778 2716
96
800
600
400
Műanyagipar • Szerkezeti tulajdonságok (végcsoportok, láncelágazások, konfiguráció, konformáció) • Szennyezők, adalékanyagok, monomer maradékok azonosítása és mennyiségének meghatározása • Technológiai folyamatok nyomonkövetése (vulkanizálás, polimerizálás, degradálás) • Külső tényezők (nyomás, hőmérséklet, sugárzás, kifáradás, időjárási viszonyok) hatásának vizsgálata
Textilipari alkalmazások komponensek minőségi és mennyiségi analízise • ATR: felület ill. belső összetétel vizsgálata • Vizsgálandó komponensek kioldása: – oldat mérése: vigyázat oldószerelnyelés ! – bepárlási maradék mérése pasztillában ill. Nujolos szuszpenzióban – ATR kristály felületén filmképzés
Szállóporok kvarckristály-tartalmának meghatározása FTIRspektrometriával 100
SiO2 95
1792
1974
85
1888
90
694
80
508
70 65
797 778
%Transmittance
75
1168
60 55
40
3800
98
3600
3400
3200
3000
3200
3000
2800
2600
2400 2200 2000 W avenumber
2600
2400 2200 2000 W avenumber
1083
45
459
SiO2 kvarckristálypor (referencia)
50
1800
1600
1400
1200
d=787és778 cm-1 1000
800
600
400
SiO2+PVC+lakk KBr-os
835
96
1435
1253
461
513
695 615
779 1170
2968
798
2853
80
2915
82
3568
84
3737 3713 3691 3651 3630
86
3906 3875 38553840 3808
%Transmittance
88
969
1740 1718
90
1331 1356
2366 2345
92
1542
94
78 76 74
1087
72
3800
3600
3400
2800
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
PVC lapocskán gyűjtött (lelakkozott) szállópor (acetonos leoldás, beszáradás után, KBr pasztillában mérve)
400
Kvarcüveg maradék szilanolos (Si-) OH-csoporttartalmának meghatározása, LLM=10 ppm-szint körül elméleti összefüggés alapján, (átvilágítva, levegő háttér) 60
#11a kvarccso kalyhazas elott
55 50 45
%Transmittance
40 35 30 25 20
n(SiO-H) ≈ 3675 cm-1
15 10 5 0
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200 Wavenumber
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
Differencia spektroszkópia • Nagy jelentőségű többkomponensű minták esetében. • Kritérium: komponensek nem léphetnek kölcsönhatásba egymással, mert akkor elcsúsznak a sávok • Kis intenzitás: rossz jel/zaj viszony a különbségspektrumban • (Régi készülékek: hullámszámskála stabilitás) • Pasztillás technika esetében gondos mintaelőkészítés szükséges: inhomogenitásokon szóródás – spektrumban változnak az intenzitásarányok • Christiansen effektus sávtorzító hatása többfázisú mintáknál
PVC adalékok vizsgálata különbség spektroszkópiával (A-B)
Ütésálló PVC Adalék: fumársav észter + butadién Referencia sávok a kivonáshoz: 600 cm-1-nél
Ref. (B)
Minta (A) T (%) 70
Különbség spektrum: kb. 25% többlet az A(!) mintában
50
30
Félvezetőipar I. Si felületi B-P-szilikát bevonatának ellenőrzése A
B
P
SiO2
Si
cm-1
• B- és P-szilikátok rezgései az 1300-1500 cm-1 tartományban • Átlapoló sávok: pontos mennyiségi analízishez sávfelbontás kell
Félvezetőipar II. Si oxid és karbidszennyezettségének meghatározása A
Minta (A) Referencia (B) (A-B) Oxigén
Szén cm-1
• Különbség spektroszkópia szükséges • Oxid sávja 1100 cm-1-nél: jól felismerhető, értékelhető • Karbid sávja 610 cm-1-nél: csak a különbségspektrumban jelenik meg
Sample
Incident IR-beam
Sample
