FTIR spektroskopisinin temelleri

Kızılötesi spektroskopi, kızılötesi ışığın maddeyle etkileşiminin incelenmesidir. Temelinde, hemen hemen tüm moleküllerin belirli dalga boylarında kızılötesi ışınımı soğurması yatar. Her molekül, çoğunlukla fonksiyonel gruplarıyla ilişkili kendine özgü soğurma özellikleri gösterir. Bu soğurma özellikleri, maddelerin tanımlanmasında bir "parmak izi" gibi kullanılabilir. Kızılötesi spektrometre, bu soğurmaları ölçer ve kimyasal bileşiklerin tanımlanmasında ve yapılarının belirlenmesinde kullanılabilen bir kızılötesi spektrum oluşturur.^[6]

Rutin uygulamalarda en önemli bölge orta kızılötesi bölgedir; bu aralık genellikle 4.000 ila 400 cm⁻¹ arasındadır. 

Bu konuya ilişkin ayrıntılı açıklama için bkz. "Işık nedir – parçacık mı yoksa dalga mı?"
Elektromanyetik ışınım, uzayda yayılırken belirli bir miktarda enerji taşır. Bu enerji, salınım frekansı ν ile doğru orantılıdır; bu frekans ise ışık hızı c aracılığıyla dalga boyu λ ile ilişkilendirilir (Denklem 1):
 

Dolayısıyla, bir ışık dalgasının (veya fotonun) frekansı ne kadar yüksekse, başka bir deyişle dalga boyu ne kadar kısaysa, taşıdığı E enerjisi de o kadar fazladır (Denklem 2).

Tarihsel nedenlerle spektroskopistler, dalga boyunun tersi olarak tanımlanan dalga sayısı ṽ’yi de kullanır. Dalga sayısı, foton enerjisiyle doğru orantılıdır (Denklem 3) ve pratik büyüklükte değerler elde etmek için genellikle ters santimetre (cm^⁻¹) cinsinden ifade edilir.

Yukarıdaki açıklama, tek bir ışık dalgası ya da foton için geçerlidir. Ancak bir ışık demeti, aynı yönde yayılan ve farklı frekanslara sahip çok sayıda ışık dalgasından oluşur. Her bir frekans, I şiddetiyle demete katkıda bulunur (yani zaman birimi başına belirli sayıda fotonla). Bir ışık demetinin şiddeti, spektrometre dedektörü tarafından ölçülen nihai büyüklüktür.

Frekanslara göre şiddet dağılımı, ışık demetinin spektrumunu oluşturur. İnsan gözü, ışık frekanslarının yalnızca küçük bir bölümünü algılayabilir (“görünür ışık”). Spektrumun diğer bölgeleri arasında mikrodalga, kızılötesi, ultraviyole (UV) ve X-ışını bölgeleri yer alır. IR spektroskopisinde, uyarma amacıyla kızılötesi (IR) ışık kullanılır.^[8],[9],[10]
 

Kızılötesi spektrum, ölçülen şiddetin dalga sayısına göre çizilen grafiğidir. Spektrum absorbans cinsinden gösterildiğinde, pikler yukarı doğru uzanır ve numunenin kızılötesi ışınımı soğurduğu bölgeleri gösterir. Aynı veriler geçirgenlik cinsinden gösterildiğinde ise pikler aşağı doğru yönelir. Çoğu analitik çalışmada absorbans tercih edilir, çünkü nicel analiz, spektral çıkarma ve spektral kütüphane araması için doğru temeli sağlar. 

Her pik, molekülün bir fonksiyonel grubuna ait bir moleküler titreşime karşılık gelir. Genel örüntü, numunenin kimyasal yapısını ortaya koyar. Bu nedenle FTIR genellikle bir parmak izi yöntemi olarak tanımlanır. Ayrıca pik yüksekliği, Lambert–Beer yasasına göre derişimle ilişkilidir:

 A = absorbans 
ε = absorptivite sabiti 
l = optik yol uzunluğu 
c = derişim 

Bu sayede FTIR, yalnızca malzemelerin tanımlanmasında değil, aynı zamanda bir bileşenin miktarının belirlenmesinde de kullanılabilir.
 

Bir FTIR spektrometresi aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

• Işık kaynağı
• Işın ayırıcı içeren interferometre
• Numune hücresi
• Dedektör
• Hızlı Fourier dönüşümünü gerçekleştiren bilgisayar birimi

Her FTIR spektrometresinin merkezinde bir interferometre bulunur. Işığı yarıklar ve kırınım ızgaralarıyla dalga boylarına ayırmak yerine, interferometredeki ışın ayırıcı demeti iki optik yola böler, hareketli bir ayna bu yollar arasındaki optik yol farkını değiştirir ve ardından ışınlar yeniden birleştirilir. Dedektöre ulaşmadan önce IR ışını, numune bölmesindeki numuneden geçer; bu sırada belirli moleküler titreşimler ışınımın karakteristik dalga boylarını soğurur. Böylece iletilen ışık, numunenin soğurma bilgisini taşır. Dedektör, değişen sinyali interferogram olarak kaydeder. Matematiksel bir işlem olan Fourier dönüşümü, bu interferogramı alışılmış spektruma dönüştürür.

Rutin kullanımda, cihaz önce bir arka plan spektrumu, ardından bir numune spektrumu ölçer. Bu iki spektrum birbirine oranlandığında, cihaz ve ortam kaynaklı etkilerin büyük bölümü giderilir ve geriye yalnızca numuneye ait spektrum kalır. Dahili bir lazer, dalga sayısı için iç referans görevi görür; FTIR pik konumlarının son derece tekrarlanabilir olmasının nedenlerinden biri de budur.

Bu tasarım sayesinde dedektöre daha fazla ışık ulaşır, tüm dalga boyları eş zamanlı olarak ölçülür ve lazer referansı sayesinde dalga sayısı ölçümlerinde yüksek hassasiyet korunur.

Bunlar, FTIR spektrometrelerinin günlük laboratuvar çalışmalarında eski dispersif IR sistemlerine kıyasla daha iyi performans göstermesinin başlıca nedenleridir.

Moleküller neden kızılötesi ışınımı soğurur?

IR spektroskopisinde moleküler titreşimler, kızılötesi ışınımın soğurulmasıyla uyarılır. Bu uyarılma, bir molekül içindeki bağ uzunlukları ile bağ açılarında değişikliklere yol açar. Titreşimler iki ana kategoriye ayrılır (bkz. Şekil 4)^[2]:

1. Değerlik titreşimleri (gerilme titreşimleri): Bu titreşimlerde atomlar arasındaki bağ uzunlukları değişir.

   • Simetrik gerilme: İlgili tüm atomlar aynı anda birbirine yaklaşır veya birbirinden uzaklaşır.
   • Asimetrik gerilme: Bir atom diğerine yaklaşırken diğeri uzaklaşır.

    

2. Deformasyon (bükülme) titreşimleri: Bu titreşimlerde bağ açıları değişir.
   • Makaslama titreşimi: İki atom, bağ uzunlukları değişmeden birbirine yaklaşır veya birbirinden uzaklaşır.
   • Sallanma titreşimi: Atomlar aynı düzlem içinde birlikte ileri geri hareket eder.
   • Yalpalama titreşimi: Hareket molekül düzleminin dışında gerçekleşir.
   • Burulma titreşimi: Bir bağ ekseni etrafında dönme hareketi.

Serbestlik derecesi sayısı

Bir molekülün en basit örneği, moleküler oksijen (O₂), azot (N₂) veya karbon monoksit (CO) gibi iki atomlu bir sistemdir. Bu moleküllerde, bağ ekseni boyunca yalnızca bir titreşimsel serbestlik derecesi bulunur; çünkü iki atom, birbirine göre yalnızca aralarındaki uzaklık doğrultusunda hareket edebilir. Bu hareket, gerilme (değerlik) titreşimi olarak adlandırılır.^[3] Çok atomlu moleküllerde ise atom sayısının artmasıyla ek bağımsız titreşim modları ortaya çıkar. Bunlara normal modlar denir. Bu normal modların sayısı, her bir atomun nasıl hareket edebileceğine bağlıdır. Her atomun, uzaydaki üç doğrultudaki harekete karşılık gelen üç serbestlik derecesi vardır. Dolayısıyla, N atomlu bir molekülün toplam 3N serbestlik derecesi vardır.^[3],[4] Moleküldeki atomlar kimyasal bağlarla birbirine bağlı olduğundan tamamen bağımsız hareket edemezler. Bununla birlikte, molekül rijit değildir; atomlar arasında göreli hareketler mümkündür. Sonuç olarak, bir molekülün toplam serbestlik dereceleri şu şekilde^[4] ayrılabilir:

• Üç serbestlik derecesi, ötelemeye (yani tüm molekülün x, y ve z yönlerinde hareketine) karşılık gelir.
• Doğrusal moleküllerde iki, doğrusal olmayan moleküllerde ise üç serbestlik derecesi, uzaysal eksenler etrafındaki dönme hareketine karşılık gelir.
• Geriye kalan serbestlik dereceleri, molekül içindeki atomların titreşim hareketleriyle ilişkilidir. Buna göre, doğrusal moleküller 3N−5, açısal (doğrusal olmayan) moleküller ise 3N−6 titreşim moduna sahiptir.5

Buna örnek olarak, üç atomlu doğrusal karbondioksit molekülü (CO₂) verilebilir. Dolayısıyla bu molekül, simetrik ve asimetrik gerilme titreşimlerinin yanı sıra düzlem içi ve düzlem dışı iki bükülme titreşimini içeren 3 × 3 − 5 = 4 titreşim moduna sahiptir. Buna karşılık, yine üç atomlu olan açısal yapıdaki su molekülü (H₂O) 3 × 3 − 6 = 3 titreşim moduna sahiptir.

Titreşim türleri ve soğurma bölgesi üzerindeki etkileri

Karbonil grubu, kalıcı dipol momenti nedeniyle C=O bağının gerilme titreşiminden kaynaklanan son derece belirgin bantlar veren yaygın bir fonksiyonel gruptur. Bu bant(lar)ın dalga sayısı, karbonil grubunun kimyasal çevresinden büyük ölçüde etkilenir. Delokalizasyon etkileri, C=O bağının kuvvet sabitini değiştirebilir ve buna bağlı olarak IR bandının konumunu kaydırabilir. Çeşitli fonksiyonel gruplara ait tipik dalga sayısı aralıkları Tablo 2 ve Şekil 6’da gösterilmektedir.^[9]

Tablo 2: Önemli titreşimlere genel bakış.^[9]

FTIR spektroskopisinin en önemli avantajlarından biri, rutin örnekleme yöntemlerinde çok az numune hazırlığı gerektirmesidir. 
Üç ana örnekleme yöntemi şunlardır:

• Transmisyon
• Zayıflatılmış toplam yansıma (ATR)
• Aynasal yansıma ve difüz yansımalı Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (DRIFTS)

Transmisyon

Transmisyon yöntemleri, düz taban çizgileri ve belirgin bantlara sahip yüksek kaliteli spektrumlar üretebildikleri için genel olarak güvenilir kabul edilir. Ayrıca geniş bir uygulama yelpazesi sunarlar. Bununla birlikte, temel sınırlama opaklıktır: Numune, ne çok az ne de çok fazla ışık soğuracak şekilde yeterince ince veya yeterince seyreltilmiş olmalıdır. 

Katılar genellikle KBr peletleri olarak preslenirken, sıvılar 25 µm ile 200 µm arasında değişen optik yol uzunluklarına sahip transmisyon hücrelerine doldurulur. Gazlar ise, 5 cm ile 20 m arasında değişen çok daha uzun optik yol uzunluklarına sahip özel gaz hücreleri gerektirir.^[1]

ATR

Zayıflatılmış toplam yansıma (ATR), katılar, tozlar ve sıvıların ölçümüne olanak sağlaması ve numune hazırlığı gerektirmemesi nedeniyle genel amaçlı FTIR uygulamalarında en yaygın örnekleme yöntemi haline gelmiştir. 

ATR’de kızılötesi ışık, kristal içinde tam iç yansımaya uğrar ve numuneye yalnızca birkaç mikrometre nüfuz eden bir evanesan dalga oluşturur. 

Elmas ATR, elmasın kimyasallara dayanıklı, mekanik açıdan sağlam ve çizilmeye karşı dirençli olması sayesinde son derece çok yönlüdür. Rutin analizlerde, genellikle ilk olarak elmas ATR denenmelidir.^[6]
 

DRIFTS ve aynasal yansıma

Tozlar ve pürüzlü katılar için difüz yansıma (DRIFTS) uygun bir seçenek olabilir. Düzgün metal yüzeyler veya parlak metaller üzerindeki kaplamalar için aynasal yansıma ve yansıma-absorpsiyon yöntemleri uygundur. Bu teknikler numune hazırlama süresini kısaltabilir, ancak genellikle yüzeye daha duyarlıdır ve iyi kalitede transmisyon ölçümlerine kıyasla daha gürültülü spektrumlar verebilir.

Genel olarak en pratik yaklaşım basittir: Katılar, tozlar, polimerler, sıvılar ve yarı katılar için ilk tercih çoğu zaman ATR'dir; gazlar için ise transmisyon gaz hücreleri standart yaklaşım olmaya devam eder.^[1]