Johdatusta FT-IR spektroskopiaan (Fourier Transform Infrared) Timo Tuomi Eila Hämäläinen LUMA-koulutus 15.1.2015
Historiaa Jean Baptiste Joseph Fourier Albert Abraham Michelson 21.3. 1768 16.5.1830 *Ranskalainen matemaatikko, joka kehitti Fourier-sarjan *Fourier'n sarja on tapa esittää jaksollinen funktio trigonometristen sini- ja kosinifunktioiden avulla eli sarjakehitelmänä. 19.12.1852 9.5.1931 *Saksalais-amerikkalainen fyysikko, joka sai Nobelin fysiikanpalkinnon ansioistaan tarkkojen optisten instrumenttien kehityksestä sekä näillä suoritetuista valon spektrin tutkimuksista
Sähkömagneettinen säteily
IR-spektri syntyy säteilyn ja aineen välisestä vuorovaikutuksesta Edellyttää dipolimomentin muutosta esim. vesi Symmetrinen ja epäsymmetrinen venytys Saksivärähdys
Veden (neste) IR-spektri 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Tranmissio [%] 3500 3000 2500 Aaltoluku cm-1 2000 1500
Heksaani Enemmän kuin 50 värähdystä Transmissio [%] 20 40 60 80 100 C-H venytysvärähdykset C-H deformaatiovärähdykset 4000 3500 3000 2500 Aaltoluku cm-1 2000 1500 1000
IR-spektrin periaate: Säteilyn ja aineen välinen vuorovaikutus
IR-laite IR-säde heijastuu säteenjakajan kautta kiinteälle peilille (50%) sekä liikkuvalle peilille (50%) Peileiltä heijastuneet säteet kootaan yhteen, ja cosiniaallon muotoinen moduloitu sädekimppu menee näytteen kautta detektorille Sädekimpusta absorboituu näytteelle tyypilliset aallonpituudet Detektori havaitsee jäljelle jääneen sähköisen signaalin l. interferogrammin Valolähde Resultanttiaalto Liikkuva peili Näyte Detektori ja interferogrammi FFT Säteenjakaja Signaali digitoidaan ja siitä tehdään Fourier-muunnos (FFT) ja tuloksena on IR-spektri Kiinteä peili
FTIR-spektrometri (ATR on yksi monista IR-mittausmenetelmistä) Ennen mittausta ajetaan taus- taspektri esim. ilma. Lopullinen spektri on näytteen ja taustan spektrien suhde ATR-lisälaitteella varustetun FTIR-spektrometrin (Fourier-muunnosinfrapunaspektros- kopia) käyttö ei edellytä juuri näytteen valmistusta ja siksi mittaaminen on helppoa
ATR-menetelmä = Attenuated total reflection =vaimennettu kokonaisheijastus 1. IR-säteily tunkeutuu pienen matkaa näytteeseen (absorptio) 2. Kide heijastaa jäljelle jääneen säteilyn detektorille 3. Transmittanssi-% kertoo, kuinka monta prosenttia säteilystä pääsee läpi. 4. Absorptio nähdään spektrissä piikkinä kyseistä energiaa vastaavalla aaltolukualueella. Näyte ATR-kide Näyte dsyvyys 2 2 n (sin n λ= aallonpituus n p = ATR-kiteen taitekerroin = säteen tulokulma kiteelle n sp = taitekertoimien suhde näyte / ATR-kide 2 1/ 2 p sp) Taitekerroin n 1 > n 2 n 2 n 1 ATR-kide
0 20 40 60 80 100 Transmittance [%] Transmittanssi (T)< - >Absorbanssi (A) - Miksi? Spektrin absorbanssimuoto antaa enemmän tietoa itse näyteestä. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Absorbance Units Transmittanssi T = I / I o I = näytteen läpi päässeen säteilyn intensiteetti I o = alkuperäinen intensiteetti Absorbanssi Lambert-Beerin laki: A = -log (I / I o ) A = c b = moolinen absorptiokerroin (aineelle ominainen) c = konsentraatio b = valotien pituus 6000 5000 4000 Aaltoluku cm-1 3000 2000 1000 6000 5000 4000 Aaltoluku cm-1 3000 2000 1000
Kuten sormenjälki Jokaisella molekyylillä on oma infrapunaspektrinsä
Tulkintaprosessi... Spektristä selvitetään ns. pääpiikit Historiallisista syistä useimmiten T%-muodossa Tulkinnassa katsotaan yleensä aluksi kahta aluetta Funktionaalisten ryhmien juovat (>1400 cm -1 ) Sormenjälkialue (< 1400 cm -1 ) Hahmotellaan mahdollista rakennetta Vertaillaan spektrikirjastoihin Hyödynnetään muut tiedot aineesta (olomuoto, sp, kp ) Funktionaaliset ryhmät 3500 3000 2500 2000 1500 Aaltoluku (cm -1 ) Sormenjälkialue 1000
Orgaanisten yhdisteryhmien IR-absorptioita
Tärkeimmät funktionaaliset ryhmät Alkaanit (tyydytetyt CH 2 & CH 3 ) Olefiinit (Alkeenit - C=C-H 2 ) Alkyynit (C=C-H) Aromaatit Karbonyyli (C=O) Aldehyde/Ketone Esteri, Eetteri, & Anhydridi (C-O) Alkoholit (C-OH) 1760 1665 (s) 1760 1690 (s) 1750 1735 (s) 1740 1720 (s) 1730 1715 (s) C=O stretch C=O stretch C=O stretch C=O stretch C=O stretch 1715 (s) C=O stretch carbonyls (general) carboxylic acids esters, saturated aliphatic aldehydes, saturated aliphatic alpha,beta unsaturated esters ketones, saturated aliphatic Amidit & Amiinit (N-H) 1710 1665 (s) C=O stretch alpha,beta unsaturated aldehydes, ketones
Etyyliasetaatin tyypillisiä värähtelyjä CH-venytys, CH-taivutus, C=O venytys
3465.68 2985.56 2942.08 2909.54 1742.60 1447.72 1374.19 1242.48 1098.32 1047.79 938.36 847.66 786.45 Transmittance [%] 0 20 40 60 80 100 CH-venytys 2800-3100cm -1 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber cm-1 C:\Program Files\OPUS65\search\Entry052.0 Page 1/1
3465.68 2985.56 2942.08 2909.54 1742.60 1447.72 1374.19 1242.48 1098.32 1047.79 938.36 847.66 786.45 Transmittance [%] 0 20 40 60 80 100 C=O venytys 1742 cm -1 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber cm-1 C:\Program Files\OPUS65\search\Entry052.0 Page 1/1
3465.68 2985.56 2942.08 2909.54 1742.60 1447.72 1374.19 1242.48 1098.32 1047.79 938.36 847.66 786.45 Transmittance [%] 0 20 40 60 80 100 Asetaattien C-C-O- absorboi n. 1240 cm -1 Epäsymmetrinen venytys; Esteri-sidos C-O 1300 1000 cm -1 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber cm-1 C:\Program Files\OPUS65\search\Entry052.0 Page 1/1
2968.56 2939.68 2878.73 2668.84 1710.97 1460.35 1414.06 1382.80 1282.52 1220.59 1096.62 937.43 884.25 777.19 625.16 489.04 Transmittance [%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Rasvahapot Voihappo CH 3 CH 2 CH 2 C = O OH O H venytys 3300-2500 cm -1 C=O venytys 1760-1690 cm -1 C H venytys 3100-2800 cm -1 O H taivutus 1440-1395 ja 950-910 cm -1 CH 3 -taivutus 1380 cm -1 3500 3000 2500 2000 Wavenumber cm-1 1500 1000 500 F:\Hollolan lukio\butyric ACID, 99+%.SPA BUTYRIC ACID, 99+% Aldrich Catalog No: B10350-0 CAS Number: 107-92-6 Molecular Formula: C4H8O Page 1/1
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Ns. Synteettinen mineraaliöljy Shell Helix Ultra 5-W40 3500 3000 2500 2000 Wavenumber cm-1 1500 1000 500 C:\Program Files\OPUS65\Data\Alpha data\öljyt\shell Helix Ultra 5-W40.0 Shell Helix Ultra 5-W40 Instrument type and / or accessory 05/02/2008 Page 1/1
Kiitos!
Aineiden teoreettiset arvot Etanoli Mentoli 8 erilaista ste- reoisomeeriä Kiehumispiste 78,37 C Sulamispiste 36-38 C, raseeminen 42-45 C, (-)-muoto l. levomentoli, (luonnossa) Liukenee hyvin etanoliin