Základy FTIR spektroskopie

Infračervená spektroskopie se zabývá interakcí infračerveného záření s hmotou. Je založena na tom, že téměř všechny molekuly absorbují infračervené záření při určitých vlnových délkách. Každá molekula vykazuje charakteristické absorpční vlastnosti, které často souvisejí s jejími funkčními skupinami. Tyto absorpční charakteristiky lze využít jako „otisk prstu“ pro identifikaci látek. Infračervený spektrometr tyto absorpce měří a zaznamenává jako infračervené spektrum, které lze použít k identifikaci chemických sloučenin a ke stanovení jejich struktury.^[6]

V rutinní analýze má největší význam oblast středního infračerveného záření, obvykle v rozmezí 4 000 až 400 cm⁻¹. 

Podrobnější vysvětlení tohoto tématu najdete v článku „Co je světlo – částice, nebo vlna?“
Elektromagnetické záření se šíří prostorem a nese určité množství elektromagnetické energie. Tato energie je úměrná frekvenci kmitání ν, která souvisí s vlnovou délkou λ prostřednictvím rychlosti světla c (rovnice 1):
 

Světelná vlna (nebo foton) tedy nese tím větší energii E, čím vyšší je frekvence, respektive čím kratší je vlnová délka (rovnice 2).

Z historických důvodů spektroskopisté často používají také vlnočet ṽ, definovaný jako převrácená hodnota vlnové délky. Vlnočet je přímo úměrný energii fotonu (rovnice 3) a obvykle se udává v inverzních centimetrech (cm^⁻¹), aby byly výsledné hodnoty dobře čitelné.

Výše uvedený popis platí pro jednu světelnou vlnu nebo jeden foton. Světelný svazek se však skládá z mnoha světelných vln o různých frekvencích, které se šíří stejným směrem. Každá frekvenční složka přispívá ke svazku intenzitou I (tj. určitým počtem fotonů za jednotku času). Detektor spektrometru nakonec měří intenzitu světelného svazku.

Rozložení intenzity jednotlivých frekvenčních složek tvoří spektrum světelného svazku. Lidské oko vnímá jen malou část tohoto spektra („viditelné světlo“). K dalším oblastem spektra patří mikrovlnné, infračervené, ultrafialové (UV) a rentgenové záření. V IR spektroskopii se k excitaci používá infračervené (IR) záření.^[8],[9],[10]
 

Infračervené spektrum je graf, který zobrazuje naměřenou intenzitu v závislosti na vlnočtu. Pokud je spektrum zobrazeno v absorbanci, píky směřují nahoru a ukazují, při kterých vlnových číslech vzorek absorboval infračervené záření. Pokud jsou tatáž data zobrazena v transmitanci, píky směřují dolů. Ve většině analytických aplikací se dává přednost zobrazení v absorbanci, protože je vhodným základem pro kvantitativní analýzu, subtrakci spekter a vyhledávání ve spektrálních knihovnách. 

Každý pík odpovídá molekulární vibraci určité funkční skupiny. Celkový charakter spektra vypovídá o chemické struktuře vzorku. Proto se FTIR často označuje jako metoda spektrálního otisku prstu. Výška píku zároveň souvisí s koncentrací podle Lambertova–Beerova zákona:

 A = absorbance 
ε = konstanta absorpce (absorpční koeficient) 
l = délka optické dráhy 
c = koncentrace 

Díky této kombinaci je metoda FTIR užitečná nejen k identifikaci materiálů, ale také ke stanovení obsahu přítomné složky.
 

FTIR spektrometr se skládá z těchto součástí:

• Zdroj infračerveného záření
• Interferometr s děličem paprsku
• Vzorková cela
• Detektor
• Výpočetní jednotka pro rychlou Fourierovu transformaci

Srdcem každého FTIR spektrometru je interferometr. Na rozdíl od štěrbin a mřížek, které rozkládají záření na jednotlivé vlnové délky, dělič paprsku v interferometru rozdělí svazek do dvou drah, pohyblivé zrcadlo mění rozdíl jejich optických drah a poté se oba paprsky znovu spojí. Než infračervené záření dopadne na detektor, projde vzorkem ve vzorkové cele, kde specifické molekulární vibrace absorbují charakteristické vlnové délky záření. Prošlé záření tak nese informaci o absorpčních vlastnostech vzorku. Detektor zaznamenává časově proměnný signál ve formě interferogramu. Matematická operace zvaná Fourierova transformace pak tento interferogram převede na spektrum v běžné podobě.

Při rutinním měření přístroj nejprve zaznamená spektrum pozadí a poté spektrum vzorku. Poměrem těchto dvou spekter se odstraní většina vlivů přístroje i okolního prostředí a získá se výsledné spektrum vzorku. Vestavěný laser slouží jako interní etalon pro kalibraci vlnového čísla, což je jeden z důvodů, proč jsou polohy píků ve FTIR spektrech vysoce reprodukovatelné.

Takové uspořádání zajišťuje větší množství záření dopadajícího na detektor, současné měření všech vlnových délek a díky laserovému etalonu i přesnost stupnice vlnových čísel.

To jsou hlavní důvody, proč FTIR spektrometry v každodenní laboratorní praxi překonávají starší disperzní IR systémy.

Proč molekuly absorbují infračervené záření?

V IR spektroskopii absorpce infračerveného záření vyvolává molekulární vibrace. Ty vedou ke změnám délek vazeb a vazebných úhlů v molekule. Rozlišují se dvě hlavní kategorie vibrací (viz obrázek 4)^[2]:

1. Valenční vibrace (změny délky vazeb): Při nich se mění délky vazeb mezi atomy

   • Symetrické valenční vibrace: Všechny zúčastněné atomy se současně pohybují k sobě nebo od sebe
   • Asymetrické valenční vibrace: Jeden atom se přibližuje k druhému, zatímco druhý se od něj vzdaluje

    

2. Deformační (ohybové) vibrace: Zahrnují změny vazebných úhlů.
   • Ohybová vibrace: Dva atomy se pohybují k sobě nebo od sebe bez změny délek vazeb
   • Kývavá vibrace: Atomy kmitají tam a zpět ve stejné rovině
   • Kolébavá vibrace: Atomy se pohybují mimo rovinu molekuly
   • Torzní vibrace: Atomy vykonávají rotační pohyb kolem osy vazby

Počet stupňů volnosti

Nejjednodušším příkladem molekuly je dvouatomová soustava, například molekulární kyslík (O₂), dusík (N₂) nebo oxid uhelnatý (CO). Tyto molekuly mají pouze jeden vibrační stupeň volnosti podél osy vazby, protože se oba atomy mohou vůči sobě pohybovat jen podél spojnice mezi nimi. Tento pohyb se označuje jako valenční neboli protahovací vibrace.^[3] U víceatomových molekul jsou vzhledem k většímu počtu atomů možné i další nezávislé vibrační módy. Ty se označují jako normální módy. Počet těchto normálních módů závisí na možnostech pohybu jednotlivých atomů. Každý atom má tři stupně volnosti odpovídající pohybu ve třech prostorových směrech. Molekula s N atomy má proto celkem 3N stupňů volnosti.^[3],[4] Protože jsou však atomy v molekule spojeny chemickými vazbami, nemohou se pohybovat zcela nezávisle. Molekula však není tuhým tělesem, takže jsou možné relativní pohyby mezi atomy. Celkové stupně volnosti molekuly lze proto rozdělit následovně^[4]:

• Tři stupně volnosti odpovídají translaci (tj. pohybu celé molekuly podél os x, y a z)
• Dva stupně volnosti (u lineárních molekul) nebo tři (u nelineárních molekul) odpovídají rotaci kolem prostorových os
• Zbývající stupně volnosti souvisejí s vibračním pohybem atomů uvnitř molekuly. Z toho vyplývá, že lineární molekuly mají 3N−5 vibračních módů, zatímco nelineární molekuly mají 3N−6 vibračních módů.[5]

Příkladem je lineární molekula oxidu uhličitého (CO₂), která se skládá ze tří atomů. Má proto 3 × 3 − 5 = 4 vibrační módy, konkrétně symetrickou a asymetrickou valenční vibraci a dvě deformační vibrace, jednu v rovině zobrazení a jednu kolmo k ní. Naproti tomu nelineární molekula vody (H₂O) se také skládá ze tří atomů, ale má 3 × 3 − 6 = 3 vibrační módy.

Typy vibrací a jejich vliv na absorpční oblast

Karbonylová skupina je běžná funkční skupina, která díky svému permanentnímu dipólovému momentu vykazuje velmi charakteristické absorpční pásy odpovídající valenční vibraci vazby C=O. Poloha tohoto pásu (nebo těchto pásů), vyjádřená vlnovým číslem, je výrazně ovlivněna chemickým prostředím karbonylové skupiny. Delokalizační efekty mohou změnit sílu vazby C=O, což se projeví posunem IR pásu. Typické rozsahy vlnových čísel pro různé funkční skupiny jsou uvedeny v tabulce 2 a na obrázku 6.^[9]

Tabulka 2: Přehled důležitých vibrací.[9]

Významnou výhodou FTIR spektroskopie je, že rutinní metody práce se vzorkem vyžadují pouze minimální přípravu vzorku. 
Tři hlavní metody měření vzorků jsou:

• Transmise
• Zeslabená úplná reflexe (ATR)
• Zrcadlová reflektance a difuzní reflektanční infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (DRIFTS)

Transmise

Transmisní metody jsou široce využívány, protože poskytují kvalitní spektra s rovnou základní linií a dobře rozlišenými pásy. Navíc mají široké uplatnění. Jejich hlavním omezením je však neprůhlednost vzorku: vzorek musí být dostatečně tenký nebo dostatečně zředěný, aby absorboval záření v optimální míře, nikoli příliš málo ani příliš mnoho. 

Pevné vzorky se často lisují do tablet z KBr, zatímco kapaliny se měří v transmisních kyvetách s optickou dráhou 25 až 200 µm. Plyny vyžadují speciální plynové kyvety s výrazně delší optickou dráhou v rozsahu 5 cm až 20 m.^[1]

ATR

Metoda zeslabené úplné reflexe (ATR) je nejpoužívanější univerzální vzorkovací technikou ve FTIR, protože umožňuje měřit pevné látky, prášky i kapaliny bez přípravy vzorku. 

Při ATR se infračervený paprsek uvnitř krystalu vnitřně odráží, čímž na rozhraní se vzorkem vzniká evanescentní vlna, která do vzorku proniká jen do hloubky několika mikrometrů. 

Diamantový ATR krystal je mimořádně všestranný, protože diamant je chemicky odolný, mechanicky robustní a velmi odolný proti poškrábání. Při rutinních měřeních bývá diamantový ATR technikou první volby.^[6]
 

DRIFTS a zrcadlová reflektance

U prášků a pevných látek s drsným povrchem je vhodnou metodou difuzní reflektance (DRIFTS). Pro hladké kovové povrchy nebo povlaky na lesklých kovových podkladech jsou vhodnou volbou zrcadlová reflektance a reflektančně-absorpční metody. Tyto techniky mohou zkrátit dobu přípravy vzorku, obecně jsou však citlivější na stav povrchu a mohou poskytovat spektra s vyšším šumem než kvalitní transmisní měření.

Obecně platí jednoduché a praktické pravidlo: pro pevné látky, prášky, polymery, kapaliny a polotuhé materiály je ATR obvykle metodou první volby; pro plyny zůstávají standardem plynové kyvety pro transmisní měření.^[1]