Teoria, metodo e usi della spettroscopia a infrarossi

il spettroscopia infrarossa È lo studio di come le molecole assorbono la radiazione infrarossa e infine la convertono in calore.

Questo processo può essere analizzato in tre modi: misurazione dell'assorbimento, emissione e riflessione. Questa precisione rende la spettroscopia a infrarossi una delle più importanti tecniche analitiche oggi disponibili per gli scienziati.

Uno dei grandi vantaggi della spettroscopia a infrarossi è che praticamente qualsiasi campione può essere studiato in quasi tutti gli stati.

Liquidi, polveri, pellicole, soluzioni, paste, fibre, gas e superfici possono essere esaminati con una scelta giudiziosa della tecnica di campionamento. Come conseguenza della migliore strumentazione, sono state sviluppate una serie di nuove tecniche sensibili per esaminare campioni precedentemente intrattabili.

La spettroscopia infrarossa, tra molti altri usi e applicazioni, è utile per misurare il grado di polimerizzazione nella produzione di polimeri. Le variazioni nella quantità o nel carattere di un particolare collegamento vengono valutate misurando una specifica frequenza nel tempo.

I moderni strumenti di ricerca possono effettuare misurazioni a infrarossi nell'intervallo di interesse fino a 32 volte al secondo.

Questo può essere fatto mentre le misurazioni simultanee sono fatte usando altre tecniche, rendendo le osservazioni di reazioni e processi chimici più veloci e più accurati.

Teoria della spettroscopia all'infrarosso

Uno strumento inestimabile nella determinazione e verifica di strutture organiche coinvolge la classe di radiazione elettromagnetica (REM) con frequenze comprese tra 4000 e 400 cm-1 (numeri d'onda).

La categoria di radiazione EM è chiamata radiazione infrarossa (IR) e la sua applicazione alla chimica organica nota come spettroscopia IR.

La radiazione in questa regione può essere utilizzata nella determinazione della struttura organica facendo uso del fatto che è assorbita da legami interatomici in composti organici.

I legami chimici in diversi ambienti assorbiranno intensità variabili e frequenze variabili. Pertanto, la spettroscopia IR comporta la raccolta delle informazioni di assorbimento e l'analisi sotto forma di spettro.

Le frequenze in cui sono presenti assorbimenti di radiazioni IR (picchi o segnali) possono essere direttamente correlate con i collegamenti all'interno del composto in questione.

Poiché ogni collegamento interatomico può vibrare in diversi movimenti (allungamento o flessione), i singoli collegamenti possono assorbire più di una frequenza IR.

Gli assorbimenti elastici tendono a produrre picchi più forti rispetto alla flessione, tuttavia gli assorbimenti flessurali più deboli possono essere utili per differenziare tipi simili di legami (ad esempio, sostituzione aromatica).

È anche importante notare che le vibrazioni simmetriche non causano l'assorbimento della radiazione IR. Ad esempio, nessuno dei legami carbonio-carbonio dell'etilene o dell'etilene assorbe le radiazioni IR.

Metodi strumentali per determinare la struttura

Risonanza magnetica nucleare (NMR)

Eccitazione del nucleo di atomi tramite irradiazione a radiofrequenza. Fornisce ampie informazioni sulla struttura molecolare e sulla connettività degli atomi.

Spettroscopia infrarossa (IR)

Consiste nel far scoppiare le vibrazioni molecolari attraverso l'irradiazione con luce infrarossa. Fornisce principalmente informazioni sulla presenza o l'assenza di determinati gruppi funzionali.

Spettrometria di massa

Bombardamento del campione con elettroni e rilevamento di frammenti molecolari risultanti. Fornisce informazioni sulla connettività della massa molecolare e degli atomi.

Spettroscopia ultravioletta (UV)

Promozione di elettroni a più alti livelli di energia irradiando la molecola con luce ultravioletta. Fornisce informazioni sulla presenza di sistemi π coniugati e di legami doppio e triplo.

spettroscopia

È lo studio delle informazioni spettrali. Dopo l'irradiazione con luce infrarossa, alcuni legami rispondono più velocemente con la vibrazione. Questa risposta può essere rilevata e tradotta in una rappresentazione visiva chiamata spettro.

Processo di interpretazione dello spettro

1. Riconoscere un modello.
2. Associare modelli con parametri fisici.
3. Identificare possibili significati, cioè proporre spiegazioni.

Una volta ottenuto uno spettro, la sfida principale è estrarre le informazioni che contiene in forma astratta o nascosta.

Ciò richiede il riconoscimento di determinati modelli, l'associazione di questi modelli con parametri fisici e l'interpretazione di questi modelli in termini di spiegazioni significative e logiche.

Spettro elettromagnetico

La maggior parte della spettroscopia organica utilizza l'energia elettromagnetica o la radiazione come stimolo fisico. L'energia elettromagnetica (come la luce visibile) non ha un componente di massa rilevabile. In altre parole, può essere chiamato "energia pura".

Altri tipi di radiazioni, come i raggi alfa, che consistono di nuclei di elio, hanno una componente di massa rilevabile e quindi non possono essere classificati come energia elettromagnetica.

I parametri importanti associati alla radiazione elettromagnetica sono:

• Energia (E): l'energia è direttamente proporzionale alla frequenza e inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda, come indicato nell'equazione di seguito.

• Frequenza (μ)
• Lunghezza d'onda (λ)
• Equazione: E = hμ

Modalità vibratorie

• I legami covalenti possono vibrare in diversi modi, tra cui stretching, dondolo e forbici.

• Le bande più utili in uno spettro infrarosso corrispondono alle frequenze di stretching.

Trasmissione vs. assorbimento

Quando un campione chimico viene esposto all'azione della LUCE IR (luce radiante infrarossa), può assorbire alcune frequenze e trasmettere il resto. Parte della luce può anche essere riflessa alla fonte.

Il rilevatore rileva le frequenze trasmesse, e così facendo rivela anche i valori delle frequenze assorbite.

Uno spettro IR in modalità assorbimento

Lo spettro IR è fondamentalmente un grafico di frequenze trasmesse (o assorbite) contro l'intensità della trasmissione (o assorbimento). Le frequenze appaiono sull'asse x in unità di centimetri inversi (numeri d'onda), e le intensità sono rappresentate sull'asse ye in unità percentuali. Il grafico mostra uno spettro in modalità assorbimento:

Uno spettro IR in modalità trasmissione

Il grafico mostra uno spettro in modalità trasmissione. Questa è la rappresentazione più comunemente usata e che si trova nella maggior parte dei libri di chimica e spettroscopia.

Usi e applicazioni

Poiché la spettroscopia a infrarossi è una tecnica affidabile e semplice, è ampiamente utilizzata nella sintesi organica, nella scienza dei polimeri, nell'ingegneria petrolchimica, nell'industria farmaceutica e nell'analisi alimentare.

Inoltre, poiché gli spettrometri FTIR possono essere disinfettati mediante cromatografia, il meccanismo delle reazioni chimiche e il rilevamento di sostanze instabili possono essere investigati con tali strumenti.

Alcuni usi e applicazioni includono:

Controlli di qualità

Viene utilizzato nel controllo di qualità, nelle misurazioni dinamiche e nelle applicazioni di monitoraggio come la misura non presidiata a lungo termine delle concentrazioni di CO2 nelle serre e nelle camere di crescita che utilizzano analizzatori di gas a infrarossi.

Analisi forense

Viene utilizzato nelle analisi forensi in casi criminali e civili, ad esempio nell'individuazione della degradazione del polimero. Può essere utilizzato per determinare il contenuto di alcol nel sangue di un conducente sospettato di essere ubriaco.

Analisi di campioni solidi senza necessità di tagliare

Un modo utile per analizzare campioni solidi senza la necessità di tagliare è utilizzare la spettroscopia di riflettanza totale attenuata o ATR. Utilizzando questo approccio, i campioni vengono premuti contro la faccia di un singolo cristallo. La radiazione infrarossa passa attraverso il cristallo e interagisce solo con il campione all'interfaccia tra i due materiali.

Analisi e identificazione dei pigmenti

La spettroscopia IR è stata utilizzata con successo nell'analisi e identificazione di pigmenti in dipinti e altri oggetti d'arte, come i manoscritti miniati.

Utilizzare nell'industria alimentare

Un'altra importante applicazione della spettroscopia a infrarossi è nell'industria alimentare per misurare la concentrazione di vari composti in diversi prodotti alimentari.

Studi di precisione

Con l'aumento della tecnologia nel filtraggio dei computer e nella manipolazione dei risultati, i campioni in soluzione possono ora essere misurati con precisione. Alcuni strumenti ti diranno anche automaticamente quale sostanza viene misurata da un magazzino di migliaia di spettri di riferimento memorizzati.

Test sul campo

Gli strumenti ora sono piccoli e possono essere trasportati, anche per l'uso in test sul campo.

Perdite di gas

La spettroscopia a infrarossi viene anche utilizzata nei dispositivi di rilevamento delle perdite di gas come DP-IR e EyeCGA. Questi dispositivi rilevano perdite di gas idrocarburi nel trasporto di gas naturale e greggi.

Usa nello spazio

La NASA utilizza un database molto aggiornato, basato sulla spettroscopia a infrarossi, per il tracciamento degli idrocarburi aromatici policiclici nell'universo.

Secondo gli scienziati, oltre il 20% del carbonio nell'universo può essere associato a idrocarburi aromatici policiclici, possibili materiali di partenza per la formazione della vita.

Gli idrocarburi policiclici aromatici sembrano essere stati formati poco dopo il Big Bang. Sono diffusi in tutto l'universo e sono associati a nuove stelle ed esopianeti.

riferimenti

1. Nancy Birkner (2015). Mind Touch. Come funziona uno spettrometro FTIR. Estratto da: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Teoria e interpretazione degli spettri IR. Pearson Prentice Hall. Estratto da: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Spettroscopia infrarossa. Wiley. Estratto da: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Spettroscopia infrarossa Wikipedia, l'enciclopedia libera.Estratto da: en.wikipedia.org.