Średnia podczerwień jest wystarczająco energetyczna, aby wzbudzić drgania cząsteczek do wyższych poziomów energetycznych. Długość fali pasm absorpcyjnych w podczerwieni jest charakterystyczna dla określonych typów wiązań chemicznych, a spektroskopia w podczerwieni znajduje swoje największe zastosowanie w identyfikacji cząsteczek organicznych i metaloorganicznych.
Wysoka selektywność metody umożliwia oznaczenie analitu w złożonej matrycy. Metoda ta obejmuje badanie ruchów skrętnych, zginających, obrotowych i wibracyjnych atomów w cząsteczce.
Spektrometria w podczerwieni – oprzyrządowanie
Spektrofotometr podczerwony jest przyrządem, który przepuszcza światło podczerwone przez cząsteczkę organiczną i wytwarza widmo zawierające wykres ilości przepuszczonego światła na osi pionowej w stosunku do długości fali promieniowania podczerwonego na osi poziomej. W widmach podczerwieni piki absorpcji skierowane są w dół, ponieważ oś pionowa jest procentem przepuszczalności promieniowania przez próbkę. Absorpcja promieniowania obniża wartość procentowej transmitancji. Ponieważ wszystkie wiązania w cząsteczce organicznej oddziałują z promieniowaniem podczerwonym, widma IR dostarczają znacznej ilości danych strukturalnych.
Dostępne są cztery rodzaje przyrządów do pomiarów absorpcji w podczerwieni:
-Spektrofotometry z siatką dyspersyjną do pomiarów jakościowych
-Niedyspersyjne fotometry do ilościowego określania gatunków organicznych w atmosferze
-Fotometry refleksyjne do analizy ciał stałych
-Przetwarzanie Fouriera w podczerwieni (FT-IR) do pomiarów jakościowych i ilościowych.
Spektrometria w podczerwieni – Źródła światła podczerwonego
Przyrządy do pomiaru absorpcji w podczerwieni wymagają źródła ciągłego promieniowania podczerwonego i czułego przetwornika podczerwieni lub detektora. ródła podczerwieni składają się z obojętnego ciała stałego, które jest elektrycznie ogrzewane do temperatury pomiędzy 1500 a 2200 K. Ogrzany materiał emituje promieniowanie podczerwone.
Jarzeniówka Nernsta
Jarzeniówka Nernsta jest zbudowana z tlenków metali ziem rzadkich w formie wydrążonego cylindra. Platynowe przewody na końcach cylindra umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Jarzniki Nernsta są delikatne. Mają duży ujemny temperaturowy współczynnik oporu elektrycznego i muszą być wstępnie podgrzane, aby mogły przewodzić prąd.
Źródło globarowe
G globar jest prętem z węglika krzemu (średnica 5 mm, długość 50 mm), który jest elektrycznie podgrzewany do temperatury około 1500 K. Aby zapobiec powstawaniu łuku elektrycznego, konieczne jest chłodzenie wodą styków elektrycznych. Wydajność spektralna jest porównywalna z jarzeniem Nernsta, z wyjątkiem krótkich fal (mniej niż 5 mm), gdzie wydajność staje się większa.
Laser na dwutlenku węgla
Strojony laser na dwutlenku węgla jest używany jako źródło podczerwieni do monitorowania niektórych zanieczyszczeń atmosferycznych oraz do określania gatunków absorbujących w roztworach wodnych.
Spektrometria w podczerwieni – detektory
Detektory można podzielić na trzy kategorie, detektory termiczne, detektory piroelektryczne i detektory fotoprzewodzące.
Detektory termiczne
Detektory termiczne mogą być stosowane w szerokim zakresie długości fal i działają w temperaturze pokojowej. Ich główną wadą jest wolny czas reakcji i niższa czułość w porównaniu z innymi typami detektorów.
Termopara
Termopara składa się z pary złączy z różnych metali; na przykład, dwa kawałki bizmutu stopione na obu końcach kawałka antymonu. Różnica potencjałów (napięcie) pomiędzy spoinami zmienia się zgodnie z różnicą temperatury pomiędzy spoinami. Kilka termopar połączonych szeregowo nazywa się termopilami.
Bolometr
Bolometr działa poprzez zmianę rezystancji po podgrzaniu. Zbudowany jest z pasków metali takich jak platyna czy nikiel lub z półprzewodnika.
Detektory piroelektryczne
Detektory piroelektryczne składają się z materiału piroelektrycznego, który jest izolatorem o specjalnych właściwościach termicznych i elektrycznych. Siarczan triglicyny jest najczęściej stosowanym materiałem do produkcji piroelektrycznych detektorów podczerwieni. W przeciwieństwie do innych detektorów termicznych, efekt piroelektryczny zależy od szybkości zmian temperatury detektora, a nie od samej temperatury. Dzięki temu detektor piroelektryczny może pracować ze znacznie szybszym czasem odpowiedzi i sprawia, że detektory te są wybierane do spektrometrów z transformacją Fouriera, gdzie szybka odpowiedź jest niezbędna.
Detektory fotoprzewodzące
Detektory fotoprzewodzące są najbardziej czułymi detektorami. Opierają się one na interakcjach pomiędzy fotonami a półprzewodnikiem. Detektor składa się z cienkiej warstwy materiału półprzewodnikowego, takiego jak siarczek ołowiu, tellurek kadmu rtęci lub antymonek indu, osadzonego na nieprzewodzącej powierzchni szklanej i zamkniętego w ewakuowanej kopercie chroniącej półprzewodnik przed wpływem atmosfery. Detektor siarczku ołowiu jest stosowany w zakresie bliskiej podczerwieni. W przypadku średniej i dalekiej podczerwieni stosuje się detektor z tellurku kadmu rtęci. Musi on być chłodzony ciekłym azotem, aby zminimalizować zakłócenia.
Spektrometria w podczerwieni – Postępowanie z próbkami
Próbki gazu
Widmo gazu można uzyskać, pozwalając próbce rozszerzyć się w próżniowej komorze, zwanej również kuwetą.
Roztwory
Komórki roztworu podczerwieni składają się z dwóch okien z prasowanej soli uszczelnionych i oddzielonych cienkimi uszczelkami z teflonu, miedzi lub ołowiu, które zostały zwilżone rtęcią. Okna są zwykle wykonane z chlorku sodu, chlorku potasu lub bromku cezu. Próbki, które są płynne w temperaturze pokojowej są zwykle analizowane w czystej postaci lub w roztworze. Najbardziej powszechne rozpuszczalniki to czterochlorek węgla (CCl4) i dwusiarczek węgla (CS2). Chloroform, chlorek metylenu, acetonitryl i aceton są użytecznymi rozpuszczalnikami dla materiałów polarnych.
Ciała stałe
Ciała stałe zredukowane do małych cząstek można badać jako cienką pastę lub mulinę. Mulę tworzy się przez zmielenie kilku miligramów próbki w obecności jednej lub dwóch kropli oleju węglowodorowego. Powstała mulina jest następnie badana jako film pomiędzy płaskimi płytami solnymi. W torze wiązki odniesienia umieszcza się okienko o tej samej grubości. Inna technika polega na zmieleniu miligrama lub mniejszej ilości próbki z około 100 miligramami bromku potasu. Mieszanina ta jest następnie prasowana w próżniowej matrycy w celu wytworzenia przezroczystego dysku. W ścieżce wiązki referencyjnej umieszcza się dysk z czystego bromku potasu.
Spektrometria w podczerwieni – ATR & FT-IR
ATR – Attenuated total reflectance
Attenuated total reflectance wykorzystuje właściwość całkowitego wewnętrznego odbicia zwaną falą ewanescencyjną. Wiązka światła podczerwonego przepuszczana jest przez ATR, który odbija ją co najmniej raz od wewnętrznej powierzchni stykającej się z próbką. Tworzy to falę efanescencyjną, która rozchodzi się w głąb próbki. Wiązka jest następnie zbierana przez detektor, gdy opuszcza kryształ. Efekt ewanescentny działa najlepiej, gdy kryształ jest wykonany z materiału optycznego o wyższym współczynniku załamania niż badana próbka. W przypadku próbki ciekłej wystarczy wylać niewielką ilość na powierzchnię kryształu. Jeśli jest to próbka stała, jest ona wciskana w bezpośredni kontakt z kryształem. Ponieważ fala ewanescencyjna w próbce stałej poprawia się przy intymnym kontakcie, próbki stałe są zwykle zaciskane przy krysztale ATR, aby uwięzione powietrze nie zniekształcało wyników.
FT-IR – Fourier transform infrared
Fourier transform infrared, bardziej znana jako FT-IR, jest preferowaną metodą spektroskopii w podczerwieni. Opracowana w celu przezwyciężenia ograniczeń powolnego skanowania napotykanych w instrumentach dyspersyjnych, w FT-IR promieniowanie podczerwone jest przepuszczane przez próbkę. Zmierzony sygnał jest określany jako interferogram. Przeprowadzenie transformaty Fouriera na tym sygnale skutkuje otrzymaniem widma identycznego do tego z konwencjonalnej (dyspersyjnej) spektroskopii w podczerwieni, ale wyniki są znacznie szybsze, a rezultaty podawane są w sekundach, a nie w minutach.