Infracrvena spektroskopija sa furijevom transformacijom (FTIR)

INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA: PRINCIPI I PRIMENA

Prof. dr Aleksandar Nikolić

INFRACRVENO ZRAČENJE

10 15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

%T

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1)

Infracrveni spektar

ZRAČENJE CRNOG TELA

Plankov zakon raspodele :

Raspodela zračenja crnog tela po talasnim dužinama

11 25 exp 1c cE

Tλ λ λ

−⎡ ⎤⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

HARMONIJSKI OSCILATOR

12

kνπ μ

=

oscilatorna energija je kvantirana

12VE v hν⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠0,1, 2...v =

Kriva potencijalne energije za harmonijski oscilator

Naseljenost oscilatornih nivoamolekulima- Bolcmanov zakon

0

0

exp( )V VN E EN kT

−= −

Izborno pravilo

1vΔ = ±

Molekuli su anharmonijski oscilatori

21 1( ) ( ) ...2 2VE v h v h xν ν= + − + +

Morzeova formula za krivupotencijalne energije:

2( )( ) 1 er reV r D e β− −⎡ ⎤= −⎣ ⎦

Kriva potencijalne energije za anharmonijskioscilator

Izborno pravilo:

1, 2, 3...vΔ = ± ± ±

Prelazi između oscilatornih nivoa:

- osnovni v = 0 1- I overton v = 0 2- II overton v = 0 3

vruća traka v = 1 2

→

→

→

→

INTENZITET TRAKE ZA PRELAZ IZMEĐU OSCILATORNIH NIVOA

(i j)

Prelazni momenat:

Broj normalnih oscilacija za molekul sa N atoma:

3N - 6

3N - 5

(linearni molekul)

i j i jP dψ μψ τ→ = ∫

→

TIPOVI MOLEKULSKIH OSCILACIJA

Oscilacije molekula vode

Oscilacije metil i metilenske grupe

KARAKTERISTIČNE APSORPCIONE

FREKVENCIJE U INFRACRVENOJ OBLASTI

Područja apsorpcije u infracrvenoj oblasti

0log IA acdI

= =

1ν

OSCILATORNO ROTACIONI SPEKTRI

,1( ) ( 1)2V JE v h BJ Jν= + + +

Ukupna oscilatorno-rotaciona energija molekula

Rotacioni prelazi koji prate oscilatorniprelaz v = 0 v = 1→

Fina rotaciona struktura oscilatorne

trake za molekul CO

SNIMANJE INFRACRVENIH SPEKTARA

Ćelije za tečne i gasovite uzorke

REFLEKSIONI SPEKTRI

Ponašanje IC zraka koji dolazi iz optički gušće u ređu sredinu

22 1

22 1

( )( )n nRn n−

=+

12

1

(sin )Cnn

ϑ −=

Reflektivnost:

Kritični upadni ugao:

SMANJENJE TOTALNE REFLEKSIJE (ATR)

Smanjenje totalne refleksije

INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJA SA

FURIJEOVOM TRANSFORMACIJOM

DISPERZIONI DVOZRAČNI

INFRACRVENI SPEKTROFOTOMETAR

INFRACRVENI SPEKTROMETAR SA

FURIJEOVOM TRANSFORMACIJOM

MAJKELSONOV INTERFEROMETAR

prostor zauzorak

1 2

3

4a

b

5

−δ 0 +δ

−λ +λδ=0−λ/2 +λ/2

Ι(δ)

Interferogram

( ) ( ) cos(2 )I B δδ ν πλ

=

( ) ( ) cos(2 )I Bδ ν πδν=

intenzitet infracrvenog zračenja u detektoru u zavisnosti od

intenzitet emitovanog zračenja u zavisnosti od frekvencije

( )I δ

( )B ν

δ

Izvor emituje dve frekvencije infracrvenog zračenja:

1 1 2 2( ) ( )cos(2 ) ( )cos(2 )I B Bδ ν πδν ν πδν= +

+δ -δ0

+δ -δ0

(c)

(b)

(a)

+δ -δ0

B(ν)

B(ν)

ν

ν1

B(ν)

ν

ν2

ν2ν1

ν

Interferogram i spektri za monohromatske izvore (a i b) i za izvor koji emituje dve frekvencije (c).

U opštem slučaju za n frekvencija:

za polihromatski izvor koji emituje beskonačnomnogo frekvencija:

1( ) ( ) cos(2 )

n

i ii

I Bδ ν πδν=

=∑

0

( ) ( ) cos(2 )I B dδ ν πδν ν∞

= ∫

Interferogrami i spektri za (a) monohromatski izvor, (b) polihromatski izvor i (c) polihromatski izvor u prisustvu

apsorbujućeg uzorka (postavljenog ispred detektora).

Ako je maksimalna retardacija , najbolje razlaganjeje

Δ

1νΔ =Δ

Furijeova transformacija prevodi interferogram u spektar:

( ) ( ) cos(2 )B I dν δ πδ δ+∞

−∞

= ∫

SKRAĆIVANJE INTERFEROGRAMA (u granicama do )−Δ +Δ

PREDNOSTI FT IR SPEKTROMETRA NAD DISPERZIONIM

- velika brzina snimanja (10 s u odnosu na 10 min)

- velika moć razlaganja 0,05 cm-1 u odnosu na nekoliko cm-1

- velika tačnost frekvencija (laserski određena)

- velika osetljivost detekcije

- veći odnos signal/šum

SPEKTROSKOPIJA U BLISKOJ INFRACRVENOJ OBLASTI (NIR)

Traka osnovne N-H valentne oscilacije u infracrvenom području

SPEKTROSKOPIJA U BLISKOJ INFRACRVENOJ OBLASTI (NIR)

Traka I overtona N-H valentne oscilacije u NIR području

DERIVATIVNI SPEKTRI

DERIVATIVNI SPEKTRI

DERIVATIVNI SPEKTRI

DERIVATIVNI SPEKTRI