Infrarød spektroskopi er en analysemetode for å identifisere og kvantifisere materie(stoff) og forbindelser. Den utnytter det forhold at molekyler vibrerer ved at de kovalente bindingene strekkes og bøyes. De fleste molekyler har en eller flere vibrasjoner med frekvenser som ligger i den infrarøde delen av det elektromagnetiske spektrum. Ved å sende infrarød stråling gjennom en forbindelse vil de lysfrekvensene som er lik molekylvibrasjonsfrekvensene i forbindelsen absorberes eller hindres i å trenge gjennom prøven.
Intensiteten av disse lysfrekvensene avtar. Disse intensitetsendringene gir grunnlag for å finne forbindelsens infrarøde spektrum. En hver forbindelse har sitt unike infrarøde spektrum, som et fingeravtrykk. Infrarød spektroskopi foregår ved å sende mange infrarøde lysbølger samtidig mot prøven. Endringene i lysbølgene etter at disse har trengt gjennom eller blir reflektert fra prøven måles. Deretter foretas en omregning fra tidsområdet til frekvensområdet. Omregningen kalles Fouriertransformasjon, etter den franske matematikeren Jean Baptiste Joseph Fourier.
Teori Molekyler absorberer infrarød stråling med en gitt frekvens dersom det eksisterer en energiovergang, ΔE, i molekylet slik at ΔE = hν = hc/λ.
E = strålingsenergi,h = Plancks konstant,ν = frekvens av stråling,c = lys(stråle)hastighet ogλ = bølgelengde av stråling.
Overgangene som gir opphav til infrarød absorpsjon skyldes vibrasjoner i molekylet. Molekylvibrasjonene må medføre en netto endring av molekylets dipolmoment. Dipolmoment er ubalanse i elektrisk ladningsfordeling i molekylet.
I et vannmolekyl (H2O) vil det elektronegative oksygenatomet trekke til seg elektroner slik at det oppstår en negativ ladning der. Ved de to hydrogenatomene vil elektrontettheten være lav slik at atomkjerneladningen gjør dette til den positivt ladede delen av vannmolekylet. Vannmolekylet er en permanent, kraftig dipol.
Vibrasjoner som gir opphav til infrarød absorpsjon kan deles i to typer:
Det skal mer energi til for å strekke en binding enn å bøye den. Absorpsjonbånd som skyldes strekkvibrasjoner opptrer derfor ved høyere bølgetall enn absorpsjonbånd som skyldes deformasjon av den samme bindingen. Hookes lov sier at vibrasjonsfrekvensen for en binding øker når bindingsstyrken, k, øker og når den reduserte massen, m, av vibrasjonssystemet avtar:. Den reduserte massen er gitt som der m1 og m2 = massene til de to atomene som utgjør vibrasjonssystemet.
Elektromagnetisk stråling beskrives vekselvis som et bølgefenomen eller en fotonstrøm, ikke ulikt vann. Vann kan opptre som bølgene på havet og som regndråper (som partikler) fritt etter Stephen Hawking
Karakteristiske parametere for elektromagnetisk stråling. Energien i det elektromagnetiske spektrum er gitt ved sammenhengen mellom bølgelengde og frekvens; E = hν = hc/λ ; h er Plancks konstant 6,6256x10-34 Js
Fart av stråling = c, angis i meter per sekund m/s, c = λν
Bølgelengde = λ, angis i meter
Frekvens = ν, svingninger per sekund, angis i Hertz (Hz) eller 1/s
Bølgetall = 1/cm = 1/λ, cm−1 resiprok centimeter
Nærinfrarød/infrarød del av det elektromagnetiske spektrum er; Område NIR IR Bølgelengde 780 nm 2500 nm 50000 nm Bølgetall, cm−1 12800 4000 200 Frekvens, Hz 3,8*1014 1,2*1014 6*1012 Mest benyttet Bølgelengde1100 nm2500 nm15000 nmBølgetall, cm−1 100004000670
Fouriertransformering
Lysstråling med kun en bølgelengde har bare en frekvens og ser ut som følger i henholdsvis tidsområdet og frekvensområdet. FT av monokromatisk stråling fra tidsområdet til frekvensområdet
Lysstråling satt sammen av tre bølgelengder har kun tre frekvenser
FT av tri-kromatisk stråling fra tidsområdet til frekvensområdet
I infrarøde måleinstrumenter er det tusenvis av bølgelengder som gir tusenvis av frekvenser
FT av polykromatisk stråling fra tidsområdet til frekvensområdet
FTIR virker slik Infrarøde frekvenser er om lag 1013 Hz. Digitalisering av så høye frekvenser er mer enn problematisk. For å klare dette gjøres en modulering eller flytting av frekvensene i det infrarøde lyset til et frekvensintervall som er håndterbart for digitalisering. Modulering av høyfrekvente signaler skjer også i vanlig FM radio, frekvensmodulering. For eksempel vil NRK P3 som sender en bærefrekvens på 99.0 megacycler/MHz bli modulert til omtrent 10.7 MHz. Moduleringen skjer i en såkalt blandekrets. Resten av de elektroniske komponentene i en radio bruker så det modulerte signalet som har om lag ti ganger lavere frekvens enn inngangssignalet på 99 MHz til å produsere lydsignaler.
De infrarøde frekvensene er så høye at man ikke klarer å modulere dem elektronisk. Moduleringen skjer derfor mekanisk ved å bruke et såkalt interferometer.thumb|Michelson-type interferometer Et interferometer sørger for den infrarøde strålingen reflekteres tilbake på seg selv via to speil. Da oppstår enten utslokking eller forsterkning av lysbølgene (negativ eller positiv interferens).
Et av speilene står i ro, det andre beveger seg med kjent hastighet. Det medfører at intensiteten på signalene som treffer detektoren svinger mye seinere enn de originale IR signalene. Interferometeret minsker frekvensen med en faktor på om lag 1010, faktisk ned i lydområdet. Deretter skjer den kjente og kjære Fouriertransformeringen fra tidsområdet til frekvensområdet.
Helium-Neon lasere sender ut monokromatisk rødt lys og brukes som intern standard i FTIR instrumenter. Den ene frekvensen dette gir brukes for å sikre at hvert sveip med det bevegelige speilet starter til rett tid hver gang, slik at flere målesveip kan legges sammen før svært gode gjennomsnittsspektra beregnes.
FTIR brukes slik
I avsnittene over er det vist hvordan man produserer signalene i IR instrumenter. Disse signalene er ikke klare til bruk. FTIR instrumenter er såkalte enkeltstråleinstrumenter. Dvs. at et såkalt bakgrunnspekter og spekteret av prøven måles hver for seg. thumb|I enkeltstråleinstrumenter måles spekter av bakgrunn og prøve hver for seg
Vanligvis måles det såkalte bakgrunnsspekteret først (blå). I dette spektrumet sees signaler fra vanndamp og karbondioksidgass og instrumentets optiske deler. Den krumme formen skyldes kaliumbromid som brukes i stråledeleren i interferometeret. H2O og CO2 skyldes at laboranter puster ut disse gassene, og at de finnes naturlig i atmosfæren.
Deretter puttes prøven som skal studeres på plass i målekammeret. Spekteret som nå kommer ut (lilla) etter Fouriertransformering inneholder signaler fra prøven i tillegg til bakgrunnen, som er den samme som før. Målingene av de to enkeltstrålespektrene er da avsluttet og det som gjentår er å fjerne bidraget av bakgrunnen i prøvespektrumet. Ved å dividere spekteret som inneholder signaler fra både prøve og bakgrunn med spekteret som kun inneholder bakgrunnssignaler får man et spektrum som kun inneholder signaler fra prøven (rød).
Kjært barn har mange navn og bakgrunnsspekteret kalles også instrumentprofilen eller referansespektrum. Prøvens infrarøde spektrum (rød) er nå klar til bruk i kvalitativ analyse, og etter en liten omregning er det klar til bruk i kvantitativ analyse. Kvalitativ analyse er å identifisere hvilken forbindelse/stoff/analytt man har med å gjøre. Kvantitativ analyse er å bestemme mengden man har av en eller flere forbindelse(r)/stoff/analytt(er).
Kvalitativ infrarød analyse Når man har målt et IR-spekter, må man identifisere den kjemiske forbindelsen. Ulike deler av molekylet, såkalte funksjonelle grupper, gir opphav til vibrasjoner med ulike frekvenser. Ved å lese av antall signaler og deres posisjoner og høyder kan forbindelsen identifiseres.thumb|Påvisning av funksjonelle grupper i reine spektra av metanol og etanol. Målt med ATR celle I figuren er det vist hvilke molekylbiter, eller funksjonelle grupper, som er identifisert i spektrene av metanol og etanol. Settes puslespillene sammen får man molekylstrukturene som er vist på venstre side i figuren. Legg merke til at tilnærmet like molekyler gir tilnærmet like spektra. Det finnes mange korrelasjontabeller for funksjonelle grupper og absorpsjons-posisjonene deres. I tabellen er det vist noen av de mest karakterisktiske funksjonelle grupper med tilhørende frekvenser.
+ Korrelasjonstabell IR-spektroskopi Bølgetall, cm−1 Vibrasjon Forbindelse 3500–3300 cm−1 N–H strekk aminer 3500–3200 cm−1 O–H strekk alkoholer, en bred, stor topp 3100–3000 cm−1 C–H strekk alkener 3000–2850 cm−1 C–H strekk alkaner 1760–1665 cm−1 C=O strekk ketoner, aldehyder, estere 1680–1640 cm−1 C=C strekk alkener
Kvantitativ infrarød analyse thumb|Tre spektra av alkoholer; blå=100% metanol, rød = blanding 40/60% meOH/etOH, lilla=100% etanol
Spørsmålet som besvares i kvantitativ analyse er; hvor mye av bestemte(e) forbindelse(r) finnes i prøven! I IR-spektroskopi følger, etter enkle omregninger, den målte signalstørrelsen mengden av favorittstoffet, og lengden på lysveien. Dobles mengden eller konsentrasjonen av favorittstoffet i prøven, dobles signalstørrelsen. Fordobles lysveien, fordobles signalstørrelsen! Fordobles både lysvei og konsentrasjon, blir signalstørrelsen firedoblet. Dette følger Beer-Lamberts lov.
Å bestemme mengde etanol løst i metanol er enkelt. I forrige avsnitt ble det vist at IR-spekteret til etanol inneholder en topp ved 880 cm-1 som ikke finnes i metanolspekteret. En slik topp kalles selektiv. At toppen er selektiv betyr at det er en, og bare en, forbindelse som er opphav til signalet ved en gitt bølgelengde.
Lages prøver med kjente blandingsforhold mellom etanol og metanol, kan en såkalt kalibreringskurve lages ved å tegne inn signalstørrelsen av den selektive toppen for etanol mot mengden etanol. Deretter tegnes inn, eller regnes ut, den beste beine linjen mellom disse punktene. Dette er kalibreringskurven. thumb|Kalibreringskurve for etanol. Grønne kryss er avlest topphøyde/areal av selektiv etanoltopp ved 880 cm-1 i kjente blandinger av etanol og metanol Måles en prøve med ukjent blandingsforhold etanol/metanol finnes mengde etanol slik; Mål høyden på den selektive etanoltoppen, og merk denne av på den loddrette (y) aksen. Finn det tilhørende kryssningspunktet med kalibreringskurven. Trekk en loddrett strek ned til den vannrette (x) aksen. Les av volumprosent etanol i den ukjente prøven på den vannrette aksen. Det finnes mange tilfeller hvor dette ikke virker. Årsaken kan være at selektive topper ikke finnes. Forurensing av prøvene er en annen. Da finnes det et ukjent antall ukjente forbindelser med ukjente spektra i prøven. For å identifisere og kvantifisere alle forbindeler i slike prøver kan anvendelse av såkalt multikomponentanalyse være nyttig. thumb|Kvantifisering av ukjent mengde etanol i en blanding av etanol og metanol
Måleteknikker i infrarød spektroskopi Som nevnt over utføres to målinger for hvert infrarøde spekter av en prøve.
thumb|Øverst. Stråling passerer uhindret fra kilde til detektor og kalles bakgrunnsspektrum. Nederst: Stråling passer en prøve som absorber ved karakteristiske frekvenser
Transmittans Transmittans er den eldste og mest kjente teknikken. Den krever enkle måleceller. Prøven må være gjennomsiktig for infrarød ståling, og blir plassert direkte i prøvekammeret på ett infrarødt spektrometer i en dertil egnet målecelle. Infrarød stråling blir sendt igjennom prøven og energien av den infrarøde strålingen som går gjennom prøven blir målt. Dermed er prøvens infrarøde spektrum funnet.
Definisjoner Transmittans T = I / I0
er et mål på hvor mye av strålingen som slipper gjennom en prøve og finnes som forholdet mellom strålingsintensiteten, I, av lyset som treffer detektor etter å ha passert gjennom prøven og intensiten av strålingen, I0, som treffer detektoren uten å være hindret av prøven. (Prøvespektrum dividert på bakgrunnsspektrum) Signalstørrelsen er ikke direkte proporsjonal med konsentrasjonen c, av IR-absorberende molekyler i prøven.
Absorbans A = - logT = log(1/T) = log(I0/I)