Spektroskopie v blízké infračervené oblasti

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 15. ledna 2015; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Spektroskopie v blízké infračervené oblasti (NIR spectroscopy, anglicky near-infrared spectroscopy, NIR ) je úsek spektroskopie , který studuje interakci blízkého infračerveného záření (od 780 do 2500 nm, nebo od 12 800 do 4000 cm -1 ) s látkami . Blízká infračervená oblast leží mezi viditelným světlem a střední infračervenou oblastí.

Historie

Infračervené záření objevil v roce 1800 anglický astronom William Herschel . Když rozložil viditelné světlo na spektrum pomocí velkého skleněného hranolu, všiml si, že zahřívání teploměru se zvyšuje z fialové části spektra do červené a maximální efekt je již pozorován mimo viditelné spektrum. Další pokrok nastal v 80. letech 19. století, kdy William Abney a Edward Festing zaznamenali několik spekter organických kapalin v oblasti 1 až 1,2 µm. Americký fyzik William Koblenz navrhl svůj vlastní spektrometr využívající hranol kamenné soli jako monochromátor . Navzdory skutečnosti, že zařízení bylo velmi citlivé na vnější vibrace a pořízení jednoho spektra trvalo celý den, Koblenz dokázal zaznamenat spektra několika stovek látek v rozsahu vlnových délek od 1 do 15 μm a dokonce zaznamenal určité spektrální podobnosti. v určitých třídách sloučenin [1] .

Mezi objevem a rutinním používáním infračervené spektroskopie uplynulo asi půl století : pouze několik vědců mělo přístup k IR spektrometrům. Navíc jejich zařízení mělo k dokonalosti daleko. Pokud jde o spektroskopii v blízké infračervené oblasti, ta zabrala ještě více času. Začal se používat až asi 70 let po svém objevení. Do roku 1970 se objevilo v tisku pouze 70 článků týkajících se této odrůdy spektroskopie. Ve 30. letech 20. století, v souvislosti s příchodem 2. světové války , byl sulfid olovnatý studován jako tepelný detektor a již v 50. letech se objevil na trhu jako velmi citlivý detektor záření v oblasti od 1 do 2,5 μm [1] .

Studium spekter v blízké IR oblasti ve srovnání s infračervenými spektry probíhalo velmi pomalým tempem. Spektroskopisté považovali tuto oblast za příliš těžko interpretovatelnou. Signály měly navíc velmi nízkou intenzitu (o 2-3 řády nižší než signály v IR oblasti) a základní linii bylo obtížné určit kvůli velkému počtu signálů. Metoda však měla také své opodstatnění. Jednak se jedná o velmi citlivý detektor sulfidu olovnatého a možnost použití wolframových žárovek jako zdrojů záření. Díky těmto komponentům bylo možné zaznamenat spektra difuzní odrazivosti . Za druhé, bylo možné vytvořit levné spektrometry, protože běžné skleněné zdroje, detektory a optika byly docela dostupné [1] .

V 50. letech 20. století byla velká potřeba kvantifikace vody, bílkovin a tuků. Pro tyto účely zvolili pracovníci Ministerstva zemědělství USA NIR spektroskopii a již v 70. letech vyvinuli spektrometry a metody jejich kalibrace pro potřeby zemědělství. V 80. letech 20. století začaly být spektrometry řízeny počítači [1] .

Princip metody

Aproximace harmonického oscilátoru

Vibrace dvouatomové molekuly lze přibližně popsat pomocí modelu harmonického oscilátoru. Podle tohoto modelu je dvouatomová molekula uvažována jako dvě bodové hmoty m 1 a m 2 spojené pružnou beztížnou pružinou s koeficientem pružnosti (konstantou síly) K . Potenciální energie V takového systému souvisí s výchylkou hmotností q , vyplývající z kmitání [2] .

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

V důsledku toho má křivka potenciální energie parabolický tvar a je symetrická vzhledem k rovnovážné délce vibrační vazby. Se silovou konstantou a redukovanou hmotností μ souvisí i frekvence kmitů pružiny [2] .

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

Pokud je kmitočet oscilací vyjádřen ve vlnových číslech, pak bude mít tento výraz následující tvar [2] :

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

Kvantově mechanické řešení Schrödingerovy rovnice ukazuje, že vibrační energie je kvantována , tj. nabývá určitých diskrétních hodnot podle rovnice [2] :

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

kde h je Planckova konstanta a n je vibrační kvantové číslo, které nabývá celočíselných hodnot 0, 1, 2, 3... atd. Vibrační úrovně jsou tedy od sebe ve stejné vzdálenosti. Podle Boltzmannovy distribuce zaujímá většina molekul při pokojové teplotě nulovou vibrační úroveň. Protože v infračervené spektroskopii jsou pravidly výběru povoleny pouze přechody na sousední vibrační úroveň, takže [2] :

$\Delta n=\pm 1,$

v IR spektrech jsou pozorovány především pouze přechody z nulové do první vibrační úrovně, tzv. základní přechody. Většina z nich spadá do oblasti od 4000 do 200 cm– 1 . [2]

Aproximace anharmonického oscilátoru

Model harmonického oscilátoru nepopisuje zcela přesně vibrace molekul, protože nebere v úvahu skutečnost, že mezi atomy s jednou vazbou působí odpudivé síly a že při silném prodloužení vazby může dojít k disociaci . Podle přesnějšího modelu anharmonického oscilátoru je energie vibračních úrovní vyjádřena následovně [3] :

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

kde χ je konstanta anharmoničnosti. Křivka potenciální energie tak nabývá asymetrického tvaru ( Morseova křivka ). Vzdálenost mezi úrovněmi již není stejná a pravidlo výběru zakazující přechody do vzdálených vibračních úrovní není tak přísně vynucováno. V tomto ohledu se k počtu možných fundamentálních vibrací molekuly, který je roven 3 n –6 (5), přidávají dříve zakázané přechody - podtóny odpovídající [3]

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

Kromě podtónů lze infračervenou spektroskopií pozorovat také složená (kombinovaná) pásma, která jsou součtem nebo rozdílem základních vibrací. Právě tyto dva typy pásů se objevují v blízké infračervené oblasti. Podtóny i složené pásy však mají mnohem nižší intenzitu než pásy základní a jejich překrývání komplikuje interpretaci NIR spekter [3] .

Výpočet vlnových čísel podtónů

váhání	Konstanta χ [4]
ν(С–Н)	~1,9 10-2
ν(С–D)	~ 1,510-2
ν(С–F)	~4 10 –3
ν(С–Cl)	~6 10 –3
v(C=O)	~6,5 10-3

Energii základní vibrace nebo podtextu, stejně jako hodnotu vlnového čísla, při které se objevují, lze vypočítat následovně:

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

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

Protože však vlnočet ṽ 0 nelze získat přímo ze spektrálních dat, musí být vyjádřen pomocí vlnočtu ṽ 1 a dosazen do výrazu pro vlnočet podtónu:

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

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

Výsledný výraz umožňuje najít vlnové číslo pro libovolný podtón s n = 2, 3, 4... na základě vlnového čísla základní vibrace a také konstanty anharmoničnosti χ. Z ní lze také vypočítat konstantu χ, pokud jsou známy např. ṽ 1 a ṽ 2 [4] .

S anharmonií souvisí i intenzity podtónů. Je ukázáno, že vibrace s nízkými konstantami anharmonicity dávají podtóny s nízkou intenzitou. Naopak ve spektrech blízké infračervené oblasti dominují X–H protahovací vibrace, které mají vysokou anharmonicitu [4] .

Srovnání se souvisejícími metodami

С–Н vibrace v molekule CHCl 3 [5]

Přechod	Pozice pásu		ε, cm²/mol
Přechod	nm	cm -1	ε, cm²/mol
základní	3290	3040	25 000
podtext 1	1693	5907	1620
podtext 2	1154	8666	48
podtext 3	882	11 338	1.7
podtext 4	724	13 831	0,15

Spektroskopie v blízké infračervené oblasti je založena na využití záření ve spektrální oblasti od 12800 do 4000 cm -1 . V této oblasti dominují podtóny a složené pásy. Protože pravděpodobnost takových přechodů je relativně malá, intenzita odpovídajících pásem klesá asi o 1-2 řády pro každý krok od základní oscilace. To znamená, že extinkční koeficient ε pro podtón s Δ n = 3 je přibližně 100krát nižší než pro podtón s Δ n = 2. Pozorujeme viditelné záření, přechody s velkým Δ n a pravděpodobnost takových přechodů je malá. To je zásadní rozdíl mezi NIR spektroskopií a IR spektroskopií a Ramanovou spektroskopií, kde signály v celé spektrální oblasti náhodně mění svou intenzitu v závislosti na podmínkách buzení každé konkrétní vibrace [6] [5] .

Na rozdíl od IR a Ramanovy spektroskopie vyžaduje NIR spektroskopie přítomnost velké anharmoničnosti vibrací, proto se v blízké infračervené oblasti objevují především vibrace C–H, N–H a O–H. Tento jev je usnadněn i tím, že fundamentální vibrace těchto skupin se objevují při vlnočtech nad 2000 cm – 1 , takže jejich podtexty jsou již v oblasti NIR. Na druhé straně se nejběžnější a nejintenzivnější vibrace v IR spektrech objevují při vlnových číslech pod 2000 cm – 1 , takže jejich první podtóny jsou stále mimo blízkou infračervenou oblast. Jelikož intenzita druhého a třetího podtónu prudce klesá, nejsou ve spektrech prakticky vidět. Například intenzivní vibrace skupiny C–F nastává při 1600 cm – 1 , nicméně vzhledem k nízké konstantě anharmonicity jsou první a druhé podtóny na 2400 a 3600 cm – 1 a nespadají do oblasti NIR [6 ] .

Superpozice mnoha podtónů a složených signálů v blízké infračervené oblasti vede ke snížení strukturní selektivity NIR spekter ve srovnání s IR nebo Ramanovými spektry, ve kterých jsou základní vibrace obvykle od sebe jasně odděleny. Signály však mohou být korelovány s odpovídajícími vibracemi buď výpočtem frekvence podtónů nebo pomocí chemometrických metod [6] .

Stejně jako IR spektroskopie se i NIR spektroskopie řídí Bouguer-Lambert-Beerovým zákonem , to znamená, že intenzita procházejícího světla souvisí s koncentrací roztoku a délkou optické dráhy kyvetou. Naopak intenzita záření v Ramanově spektroskopii je určena pouze koncentrací analytu [6] .

Vlastnosti [7]	Ramanova spektroskopie	IR spektroskopie	NIR spektroskopie
typ spektroskopie	rozptylová spektroskopie	absorpční spektroskopie
přechody
pruhy	základní 4000-50 cm -1	základní 4000-200 cm -1	přesahy a kombinační 12 500-4000 cm -1
záření	monochromatický	polychromatický
pravidla výběru	${\frac {\partial \alpha }{\partial q))\neq 0$ změna polarizace	${\frac {\partial \mu }{\partial q))\neq 0$ změna dipólového momentu	${\frac {\partial \mu }{\partial q))\neq 0,anharm.$ anharmonicita
sledované skupiny	homonukleární (například C=C)	polární (například C=O)	skupiny CH, OH, NH
strukturální selektivita	vysoký		nízký
kvantitativní charakteristika	$I_{Raman}\sim C$	$\lg {\frac {I_{0}}{I}}=\varepsilon \cdot C\cdot l$

Poznámky

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

Literatura

Böcker Y. Spektroskopie = Spektroskopie / Per. s ním. L. N. Kazantseva, ed. A. A. Pupysheva, M. V. Polyakova. — M .: Technosfera, 2009. — 528 s. - ISBN 978-5-94836-220-5 .
Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry / Lindon J. - 2nd Ed. - Academic Press, 2010. - 3312 s.
Boas, DA Saturace hemoglobinu kyslíkem jako biomarker: problém a řešení : [ eng. ] / DA Boas, MA Franceschini // Filosofické transakce královské společnosti A . - 2011. - Sv. 369, č.p. 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 Monitorování okysličení tkání blízkou infračervenou spektroskopií (NIRS): pozadí a současné aplikace : [ eng. ] / TWL Scheeren, P. Schober, LA Schwarte // Journal of Clinical Monitoring and Computing. - 2012. - Sv. 26, č. 4. - S. 279-287. - doi : 10.1007/s10877-012-9348-y . — PMID 22467064 .