Infrapunaspektroskoopia: erinevus redaktsioonide vahel

resümee puudub
PResümee puudub
Resümee puudub
{{Koolitöö|14. novembril 2011|kool=TÜ loodus- ja tehnoloogiateaduskond}}{{keeletoimeta}}
'''Infrapunane spektroskoopia''' (IP spektroskoopia) on [[spektroskoopia]] liik, mis tegeleb [[elektromagnetkiirgus|elektromagnetkiirgusega]] [[infrapunane kiirgus|infrapunases lainealas]], valgusega, mille [[lainepikkus]] on suurem ja sagedus väiksem kui [[nähtav valgus|nähtaval valgusel]] ning hõlmab enda all mitmeid spektroskoopilisi meetodeid, millest enamik põhinevad [[absorbtsioonabsorptsioon spektroskoopia|absorbtsioonabsorptsioon spektroskoopial]]. Infrapunane spektroskoopia on kasutusel keemiliste ühendite uurimiseks ja identifitseerimiseks.
 
Infrapunase elektromagnetkiirguse laineala jaotub kolmeks: lähi-, kesk- ja kauginfrapunane, vastavalt nende suhtele nähtava valguse spektrialaga. Kõrgema energiaga lähi-IP, lainepikkusega 0,8–2,5 μm ([[lainearv|lainearvuga]] 14 000 – 4 000 cm<sup>−1</sup>), on suuteline määrama [[oobertoon]] ja [[harmooniline võnkumine|harmoonilisi võnkumisi]]. Keskinfrapunane kiirgus, lainepikkusega 2,5–25 μm (lainearv 4000–400 cm<sup>-1</sup>), on kasutusel fundamentaalsete [[vibratsioon|vibratsioonide]] ja rotatsioon-vibratsooonvibratsioon struktuuri uurimisel. Kauginfrapunast kiirgust, mille lainepikkus (vahemik 25–100 μm, lainearv 400–10 cm<sup>-1</sup>) jääb [[mikrolaineala|mikrolainealast]] madalamaks, võib kasutada rotatsioon spektroskoopias. Vastavate elektromagnetkiirguse piirkondade nimed on kokkuleppelised ning ainult kaudselt seotud vastavate kiirguste molekulaar ja elektromagnetiliste omadustega.
 
== Teooria ==
 
Infrapunane spektroskoopia kasutab ära fakti, et molekulid [[kiirguse absorbtsioonabsorptsioon|absorbeerivad]] spetsiifilise lainepikkusega elektromagnetkiirgust, mis on omapärane nende struktuurile. Vastav kiirguse absorbtsioonabsorptsioon on [[resonantne sagedusresonants|resonantne]], mis tähendab, et kiirguse sagedus, mis neeldub, vastab absorbeerunudneeldunud kiirguse sagedusele ja võnkuvale sidemele või rühmale. Absorbeerunud kiirguse energia tuleneb molekuli [[potentsiaalse energia pind| potentsiaalse energia pinnast]], [[aatommass|aatommassidest]] ja nendega seotud vibratsioonilisest interaktsioonist.
 
Kasutades [[Born–Oppenheimeri lähendus|Born-Oppenheimeri]] ja harmoonilist lähendust, näiteks kui molekulaarse [[tasakaaluolek|tasakaaluoleku]] [[molekulaarne Hamiltoniaan|Hamiltoniaan]] lähendada [[harmooniline ostsillaator|harmoonilise ostsillaatori]] võnkumisele tasakaalugeomeetria läheduses, siis resonantsed võnkumised tulenevad fundamentaalvõnkumiste molekulaarse [[energia miinimum|energia miinimumidest]] potentsiaalse energia pinnalt.
== Praktiline IP spektroskoopia ==
 
Infrapunast spektrit mõõdetakse proovi infrapunase kiirgusega [[kiiritamine|kiiritamisel]]. Kui IP kiirguse lainepikkus kattub võnkumise lainepikkusega, toimub absorbtsioonabsorptsioon. Uurides läbinud valguse intensiivsust igal lainepikkusel leitakse, kui palju energiat neeldus. Seda saavutatakse lainepikkuste [[skaneerimine|skaneerimisel]] kasutades [[monokromaator|monokromaatorit]]. Alternatiiviks on kogu laineala ühekordne mõõtmine kasutades [[fourier transformaatorteisendus|Fourier transformaatoriga]] instrumenti ning hilisem spektri genereerimine läbi arvutuslike protseduuride. Vibratsiooniliste võnkumiste lainearvu, kuju ja intensiivsuse analüüs annab meile informatsiooni võnkuva molekuli struktuuri kohta.
 
Vastav tehnika töötab pea eksklusiivselt [[kovalentne side|kovalentsete sidemete]] korral. Lihtsaid spektreid on võimalik saada kõrge puhtusega väikeste molekulide spektrite mõõtmisel. Keerulisemate molekulaarstruktuuride spektrid on raskemini [[interpretatsioon|interpreteeritavad]] suure võnkumiste arvu tõttu. Antud tehnikat kasutatakse ka äärmiselt komplekssete segude analüüsil.
=== Proovide töötlemine ===
 
Gaasiliste proovide mõõtmiseks on vajalik gaasiküvett ning väga pikk [[kiirtekanal]], mis kompenseerib proovi hõredust. Lihtsat klaasist 5–10 cm pikkust küvetti, mille mõlemilmõlemal küljel on infrapunased aknad, on võimalik kasutada proovide mõõtmisel, mille kontsentratsioon ulatub mõnesaja ppm-ini. Gaasikontsentratsioonide mõõtmiseks alla selle võib kasutada [[White'i küvett|White’i küvetti]], milles infrapunane kiirgus koondatakse peeglite abil läbi gaasi. White’i gaasiküvette on saadaval kiirtekanaliga poolest meetrist kuni sadade meetriteni.
 
Vedelaid proove on võimalik mõõta neid kahe soolaplaadi vahele surudes(sobivad infrapuna inaktiivsed soolad mis vastavas lahustis ei lahustu). Optilise materjalina võib kasutada puhtaid leelismetall-halogeniid sooli, näiteks NaCl, KBr või CaF<sub>2</sub>, mis mõõtmisalas infrapunast kiirgust ei neela.<ref name=Har/>
 
Tahkeid proovproove võib mõõta mitmetel eri meetoditel. Näiteks võib tahkise purustada koos õlilaadse mullimisagendiga (tavaliselt [[Nujol]]). Saadud segust õhukese kihi kandmisel soolplaadile ning sellejärgsel mõõtmisel saadaksegi tahkise spekter. Lisaks võib tahkise koos spetsiaalse puhtusega soolaga (tavaliselt KBr) peenestada ning segu pressida läbipaistvaks tabletiks, milleläbi on võimalik spektrit mõõta. Kolmas tehnika, mida kasutatakse peamiselt [[polümeer| polümeeride]] mõõtmisel, on lahustada proov sobivas mittehügroskoopses [[lahusti|lahustis]]. Lahus kantakse soolaplaadile ning lahusti eemaldatakse aurutamisel. Sadestunud õhukesest tahkisest mõõdetakse seejärel spekter. Viimaks võib tahkisest lõigata mikroskoopilise lõigu (paksus 20–100 µm), milleläbi on võimalik spektrit mõõta. Viimane meetod sobib hästi degradeerunud polümeeride analüüsiks.
Eri meetoditel mõõdetud spektrid, mis erinevad üksteisest proovi töötlemise kohapealt, näevad välja pisut erinevad, mis tuleneb proovi faasi erinevustest.
 
=== Taustspektriga võrdlemine ===
 
Proovi infrapunase spektri saamiseks on vajalik mõõta nii proovi kui [[taustspekter|tausta spektrid]]. Taustspektri mõõtmine on vajalik, kuna iga mõõtmine on mõjutatud nii valguse absorbtsioonistabsorptsioonist proovis kui ka instrumendi omadustest (näiteks, millist infrapuna [[kiirguse allikas|kiirguse allikat]] või [[detektor|detektorit]] kasutatakse). Taustaspektri mõõtmine aitab elimineerida spektromeetrist tulenevad mõjud. Matemaatiliselt saadakse lõplik spekter proovi spektri jagamisel taustaga.
 
Sobiv taustspekter sõltub mõõtmistehnikast ja eesmärgist. Lihtsaim on taustspekter saada proovi eemaldamisel ja õhu spektri mõõtmisel. Eri olukordades võib aga teistsuguse tausta kasutamine kasulik olla, näiteks mõõtes lahja vesilahuse spektrit võib taustana kasutada puhast vett samal meetodil mõõdetuna. Antud juhul lahutatakse spektrist maha nii instrumendist tulenevad mõjud kui ka mõõteaparatuuri ja lahusti mõjutused spektris, tänu millele on võimalik saada hea puhtusega [[soluut|soluudi]] spekter.
 
== AbsorbtsiooniAbsorptsiooni alad ==
 
Infrapunases spektroskoopias on valentsvõnkumiste lainearv [[pöördvõrdeline sõltuvus|pöördvõrdeliselt sõltuv]] võnkuvate aatomite taandatud massidest ja [[võrdeline sõltuvus|võrdeliselt]] aatomitevahelise sideme tugevusest. Tänu sellele on samalaadsed võnkumised spektrites samas piirkonnas.
Kolmiksideme võnkumised jäävad vahemikku 2300–2100 cm<sup>-1</sup> ning on madala intensiivsusega, mida kompenseerib vastava lainearvu vahemiku tühjus tüüpilises spektris.
 
Süsinikku sisaldavad kaksiksideme võnkumised on vahemikus 1800–1500 cm<sup>-1</sup>. Eriti suure interpretatiivsetõlgendatava tähtsusega on C-O kaksiksideme võnkumine, mis on intensiivne, stabiilne ja eri ühenditüüpide eristamisel suure muutusega. C-C kaksikside on harva interpretatiivsetõlgendatava tähtsusega.
 
Süsiniku ja heteroaatomite üksiksidemete võnkumised jäävad tavaliselt vahemikku 1500–900 cm<sup>-1</sup> ning vastavasse alasse jääb tavaliselt enim võnkumisi, mis ei ole tavaliselt üksteisest eristatavad, mistõttu vastavat ala kuni 600 cm<sup>-1</sup>-ni kutsutakse [[sõrmejäljeala|sõrmejäljealaks]] (ehk nad on interpretatiivselttõlgendamisel olulised vaid sama või sarnase struktuuriga aine spektriga võrdlusel).
 
Deformatsioonvõnkumiste lainearvu vahemik on kitsam, kui valentsvõnkumiste puhul(1500–400 cm<sup>-1</sup>), ning vastavate võnkumiste intensiivsus ja interpretatiivnetõlgendatavuse olulisus on madalamad. Samas on nad siiski kasutusel eri struktuuriüksuste määramisel, näiteks jäävad [[aromaatne tsükkel|aromaatse tsükli]] deformatsioonvõnkumised vahemikku 1000–600 cm<sup>-1</sup> ning nende põhjal on lihtne määrata aromaatsust või asendajate positsiooni aromaatses tuumas.
 
== Infrapunane spektroskoopia kasutusalad ==
 
Klassikaline infrapunane spektroskoopia on laialt kasutusel orgaaniliste ühendite uurimisel ja identifitseerimisel. Spektrilt saadav interpretatiivnetõlgendatav info on tavaliselt piisav vaid väiksemate molekulide ja [[funktsionaalrühm|funktsionaalrühmade]] identifitseerimisel, keerulisemaid ühendeid on võimalik määrata referentsspektriga võrdlemisel. IP spektroskoopia on samuti kasutusel kvaliteedi kontrolli, dünaamiliste mõõtmiste ja protsesside jälgimise eesmärgil, näiteks CO<sub>2</sub> kontsentratsiooni mõõtmisel infrapuna [[gaasianalüsaator|gaasianalüsaatorites]].
 
Infrapunane spektroskoopia on samuti oluline meetod [[kriminalistika|kriminalistikas]], kus kasutatavad kaasaskantavad IP spektromeetrid aitavad kohapeal tuvastada eri aineid ja nende segusid.
[[täielik sisepeegeldumine|Täieliku sisepeegeldumise]] IP spektroskoopias (ATR, HATR) on kasutusel tihedast optilisest materjalist [[monokristall]], mille pinnalt infrapunane kiirgus tagasi peegeldub. Proovi viimisel kristalli pinna lähedusse on aga võimalik proovi spekter mõõta. Antud meetod on eriti populaarne kuna ei vaja vedelike või tahkiste mõõtmisel eelnevat proovide töötlemist.
 
Samuti on võimalik infrapunase spektroskoopiaga määrata monokristalsel pinnal [[adsorbtsioonadsorptsioon|adsorbeerunud]] molekulide orientatsiooni ja koostist. Vastavad erimeetodid (SEIRAS, SNIFTIRS) põhinevad täielikul sisepeegeldumisel läbi õhukese kristallikihi, millele on adsorbeerunud soovitud ühend või segu. Võrreldes eri [[elektriline potentsiaal|potentsiaalidel]] mõõdetud spektreid omavahel saadakse informatsiooni molekulide orientatsiooni muutuste kohta faasi piirpinnal.<ref name="Romann"/>
 
== Viited ==
14

muudatust