Podstawy spektroskopii FTIR

Spektroskopia w podczerwieni polega na badaniu oddziaływania promieniowania podczerwonego z materią. Jej podstawą jest to, że niemal wszystkie cząsteczki absorbują promieniowanie podczerwone przy określonych długościach fali. Każda cząsteczka wykazuje charakterystyczne pasma absorpcyjne, często związane z jej grupami funkcyjnymi. Pasma te mogą służyć jako „odcisk palca” substancji i umożliwiać jej identyfikację. Spektrometr podczerwieni mierzy absorpcję i rejestruje widmo w podczerwieni, które można wykorzystać do identyfikacji oraz określania struktury związków chemicznych.^[6]

W analizach rutynowych kluczowy jest zakres średniej podczerwieni, zwykle od 4 000 do 400 cm⁻¹. 

Szczegółowe omówienie tego zagadnienia znajduje się w artykule „Czym jest światło – cząstką czy falą?”
Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni, niosąc określoną ilość energii. Energia ta jest proporcjonalna do częstotliwości drgań ν, a ta z kolei jest związana z długością fali λ poprzez prędkość światła c (równanie 1):
 

Zatem fala świetlna (lub foton) niesie tym większą energię E, im większa jest jej częstotliwość, czyli im mniejsza jest długość fali (równanie 2).

Ze względów historycznych spektroskopiści chętnie posługują się także liczbą falową ṽ, definiowaną jako odwrotność długości fali. Liczba falowa jest wprost proporcjonalna do energii fotonu (równanie 3) i zwykle wyraża się ją w cm^⁻¹, co daje wygodne wartości liczbowe.

Powyższy opis dotyczy pojedynczej fali świetlnej lub fotonu. Jednak wiązka światła składa się z wielu fal świetlnych o różnych częstotliwościach, rozchodzących się w tym samym kierunku. Każda składowa częstotliwościowa ma w tej wiązce określone natężenie I (tj. odpowiada określonej liczbie fotonów w danym przedziale czasu). Natężenie wiązki światła to wielkość, którą ostatecznie mierzy detektor spektrometru.

Rozkład natężenia dla poszczególnych częstotliwości stanowi widmo wiązki światła. Ludzkie oko rejestruje tylko niewielką część widma światła („światło widzialne”). Inne zakresy widma obejmują mikrofale, podczerwień, ultrafiolet (UV) oraz promieniowanie rentgenowskie (X-ray). W spektroskopii IR do wzbudzania wykorzystuje się promieniowanie podczerwone (IR) ^{[8], [9], [10]}.
 

Widmo w podczerwieni jest wykresem zarejestrowanego natężenia w funkcji liczby falowej. Jeśli widmo przedstawiono w skali absorbancji, piki są skierowane ku górze i wskazują obszary, w których próbka pochłania promieniowanie podczerwone. Gdy te same dane przedstawia się w skali transmitancji, piki są skierowane ku dołowi. W większości zastosowań analitycznych preferuje się skalę absorbancji, ponieważ lepiej nadaje się ona do analizy ilościowej, odejmowania widm i przeszukiwania bibliotek widm. 

Każdy pik odpowiada określonemu drganiu cząsteczkowemu przypisanemu do danej grupy funkcyjnej w cząsteczce. Ogólny wzorzec widma odzwierciedla strukturę chemiczną próbki. Dlatego FTIR często opisuje się jako metodę opartą na widmowym odcisku palca. Jednocześnie wysokość piku jest proporcjonalna do stężenia zgodnie z prawem Lamberta-Beera:

 A = absorbancja 
ε = stała (współczynnik absorpcji) 
l = długość drogi optycznej 
c = stężenie 

Ta zależność sprawia, że technika FTIR nadaje się nie tylko do identyfikacji materiałów, lecz także do oznaczania zawartości danego składnika.
 

Spektrometr FTIR składa się z następujących elementów:

• Źródło promieniowania
• Interferometr z dzielnikiem wiązki
• Kuweta pomiarowa
• Detektor
• Komputer wykonujący szybką transformatę Fouriera

Sercem każdego spektrometru FTIR jest interferometr. Zamiast rozdzielać promieniowanie na składowe o różnych długościach fali za pomocą szczelin i siatek dyfrakcyjnych, dzielnik wiązki w interferometrze rozdziela je na dwa tory, ruchome lustro moduluje różnicę dróg optycznych między nimi, a następnie obie części wiązki są ponownie łączone. Zanim promieniowanie IR dotrze do detektora, przechodzi przez próbkę umieszczoną w komorze pomiarowej, gdzie określone drgania cząsteczkowe absorbują odpowiadające im długości fali. W rezultacie promieniowanie przechodzące przez próbkę niesie informację o jej absorpcji. Detektor rejestruje ten zmienny sygnał jako interferogram. Operacja matematyczna, czyli transformata Fouriera, przekształca interferogram w widmo w standardowej postaci.

W rutynowej pracy spektrometr najpierw rejestruje widmo tła, a następnie widmo próbki. Obliczenie stosunku obu widm eliminuje większość składowych pochodzących od aparatury i otoczenia, pozostawiając widmo samej próbki. Wbudowany laser pełni funkcję wewnętrznego wzorca skali liczby falowej, dzięki czemu położenia pasm w widmach FTIR cechują się wysoką powtarzalnością.

Taka konstrukcja sprawia, że do detektora dociera więcej promieniowania, wszystkie długości fali są rejestrowane jednocześnie, a liczba falowa jest precyzyjnie wyznaczana dzięki wzorcowi laserowemu.

To główne powody, dla których spektrometry FTIR mają przewagę nad starszymi spektrometrami dyspersyjnymi IR w codziennej pracy laboratoryjnej.

Dlaczego cząsteczki pochłaniają promieniowanie podczerwone?

W spektroskopii IR drgania cząsteczek są wzbudzane wskutek absorpcji promieniowania podczerwonego. Prowadzi to do zmian długości wiązań i wartości kątów wiązań w cząsteczce. Wyróżnia się dwie główne kategorie drgań (zob. rysunek 4)^[2]:

1. Drgania walencyjne (rozciągające): Obejmują zmiany długości wiązań między atomami

   • Symetryczne drganie rozciągające: Wszystkie atomy jednocześnie zbliżają się do siebie lub oddalają się od siebie
   • Asymetryczne drganie rozciągające: Jeden atom zbliża się do drugiego, podczas gdy drugi się oddala

    

2. Drgania deformacyjne (zginające): Obejmują zmiany kątów wiązań.
   • Drganie zginające: Dwa atomy zbliżają się do siebie i oddalają od siebie bez zmiany długości wiązań
   • Drgania wahadłowe: Atomy poruszają się tam i z powrotem w tej samej płaszczyźnie
   • Drgania kołyszące: Ruch odbywa się poza płaszczyzną cząsteczki
   • Drgania skręcające: Ruch obrotowy wokół osi wiązania

Liczba stopni swobody

Najprostszym przykładem jest cząsteczka dwuatomowa, na przykład tlen (O₂), azot (N₂) lub monotlenek węgla (CO). Cząsteczki te mają tylko jeden stopień swobody drgań wzdłuż osi wiązania, ponieważ oba atomy mogą poruszać się względem siebie wyłącznie wzdłuż linii, która je łączy. Ruch ten nazywa się drganiem rozciągającym, czyli walencyjnym ^[3]. W cząsteczkach wieloatomowych, ze względu na większą liczbę atomów, możliwe są dodatkowe niezależne mody drgań. Nazywa się je drganiami normalnymi. Ich liczba zależy od tego, w jaki sposób może poruszać się każdy atom. Każdy atom ma trzy stopnie swobody, odpowiadające ruchowi w trzech kierunkach przestrzennych. Cząsteczka złożona z N atomów ma zatem łącznie 3N stopni swobody ^{[3], [4]}. Ponieważ atomy w cząsteczce są połączone wiązaniami chemicznymi, nie mogą poruszać się całkowicie niezależnie. Cząsteczka nie jest jednak bryłą sztywną, dlatego możliwe są względne ruchy atomów. W rezultacie całkowitą liczbę stopni swobody cząsteczki można podzielić następująco ^[4]:

• Trzy stopnie swobody odpowiadają translacji (tj. ruchowi całej cząsteczki w kierunkach x, y i z).
• Dwa stopnie swobody (dla cząsteczek liniowych) lub trzy (dla cząsteczek nieliniowych) odpowiadają ruchowi obrotowemu wokół osi przestrzennych.
• Pozostałe stopnie swobody są związane z drganiami atomów w obrębie cząsteczki. W rezultacie liczba drgań normalnych wynosi 3N−5 dla cząsteczek liniowych oraz 3N−6 dla cząsteczek nieliniowych [5].

Przykładem jest liniowa cząsteczka dwutlenku węgla (CO₂), która składa się z trzech atomów. Ma więc 3 × 3 − 5 = 4 drgania normalne: symetryczne drganie rozciągające, asymetryczne drganie rozciągające oraz dwa drgania zginające, jedno w płaszczyźnie rysunku, drugie poza nią. Natomiast cząsteczka wody (H₂O) o budowie kątowej również składa się z trzech atomów, ale ma 3 × 3 − 6 = 3 drgania normalne.

Rodzaje drgań i ich wpływ na obszar absorpcji

Grupa karbonylowa jest jedną z najczęściej spotykanych grup funkcyjnych w chemii. Ze względu na stały moment dipolowy wykazuje bardzo charakterystyczne pasma odpowiadające drganiom rozciągającym wiązania C=O. Na liczbę falową tego pasma (lub tych pasm) silnie wpływa otoczenie chemiczne grupy karbonylowej. Delokalizacja elektronów może zmieniać siłę wiązania C=O, powodując przesunięcie pasma IR. Typowe zakresy liczb falowych dla różnych grup funkcyjnych przedstawiono w tabeli 2 i na rysunku 6 ^[9].

Tabela 2: Przegląd najważniejszych drgań [9].

Jedną z głównych zalet spektroskopii FTIR jest to, że rutynowe techniki pomiarowe wymagają jedynie minimalnego przygotowania próbki. 
Trzy główne techniki pomiarowe to:

• Transmisja
• Osłabione całkowite odbicie (ATR)
• Odbicie zwierciadlane oraz spektroskopia odbicia rozproszonego w podczerwieni z transformacją Fouriera (DRIFTS)

Transmisja

Metody transmisyjne są wysoko cenione, ponieważ pozwalają uzyskać wysokiej jakości widma z płaską linią bazową oraz wyraźnymi pasmami. Mają też szerokie zastosowanie. Ich głównym ograniczeniem jest jednak nieprzezroczystość próbki: musi ona być wystarczająco cienka lub odpowiednio rozcieńczona, aby jej absorbancja nie była ani zbyt niska, ani zbyt wysoka. 

Próbki stałe często prasuje się do postaci pastylek KBr, natomiast ciecze umieszcza się w kuwetach transmisyjnych o długości drogi optycznej od 25 µm do 200 µm. Gazy wymagają specjalnych kuwet gazowych o znacznie dłuższej drodze optycznej, wynoszącej od 5 cm do 20 m.^[1]

ATR

Technika osłabionego całkowitego odbicia (ATR) stała się najpopularniejszą uniwersalną metodą próbkowania w spektroskopii FTIR, ponieważ umożliwia badanie ciał stałych, proszków i cieczy bez konieczności przygotowania próbki. 

W technice ATR wiązka promieniowania podczerwonego ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu w krysztale, wytwarzając falę zanikającą, która penetruje próbkę na głębokość zaledwie kilku mikrometrów. 

Technika ATR z kryształem diamentowym jest niezwykle wszechstronna, ponieważ diament jest odporny chemicznie, wytrzymały mechanicznie i trudny do zarysowania. W rutynowych analizach warto w pierwszej kolejności wykonać pomiar techniką ATR z kryształem diamentowym.^[6]
 

DRIFTS i odbicie zwierciadlane

W przypadku proszków i chropowatych ciał stałych dobrze sprawdza się technika odbicia rozproszonego (DRIFTS). W przypadku gładkich powierzchni metalowych lub powłok na metalach o wysokim połysku przydatne są techniki odbicia zwierciadlanego oraz metody odbiciowo-absorpcyjne. Techniki te mogą skrócić czas przygotowania próbek, ale zwykle są bardziej czułe na warstwę powierzchniową i mogą dawać widma o wyższym poziomie szumu niż wysokiej jakości pomiary transmisyjne.

Ogólna, praktyczna zasada jest prosta: w przypadku ciał stałych, proszków, polimerów, cieczy i materiałów półstałych ATR jest zwykle metodą pierwszego wyboru; w przypadku gazów standardowym podejściem pozostają transmisyjne kuwety gazowe.^[1]