Spektroskopia w podczerwieni
Przy pomocy spektroskopii IR można ustalić, jakie grupy funkcyjne obecne są w analizowanym związku. Metoda ta pozwala na analizę zarówno struktury cząsteczek jak i ich oddziaływania z otoczeniem, jest także jedną z podstawowych metod stosowanych w badaniu wiązać wodorowych. Spektroskopia IR wykorzystuje promieniowanie podczerwone, dzięki któremu uzyskuje się widma oscylacyjne a w zakresie FIR także widma rotacyjne.

1. Podczerwień (IR- ang. infrared) jest obszarem widma elektromagnetycznego pomiędzy obszarem widzialnym a mikrofalowym o liczbie falowej od ok 14 000 do 200cm^-1. Wyróżniamy trzy zakresy promieniowania podczerwonego:

Długość fali λ [μm]	Liczba falowa ν [cm^-1]	Nazwa
0,8-2,5 2,5-25 25-500	12 500-4000 4000-400 400-20	Bliska podczerwień (NIR) Podstawowa podczerwień (MIR) Daleka podczerwień (FIR)

Energia promieniowa z zakresu podczerwieni podstawowej zawiera się między 48 a 4,8 kJ. Absorpcja tej ilości energii jest wystarczająca by powodować oscylację wiązać cząsteczki jest jednak zbyt mała by je rozerwać. Absorpcja promieniowania podczerwonego powoduje zmiany zarówno energii oscylacyjnej jak i rotacyjnej. Decydujący wpływ na postać widm mają wzbudzenia oscylacyjne, co spowodowane jest wyższą energią wzbudzeń w porównaniu do energii rotacji cząstek). Wzbudzenie rotacyjne powoduje jedynie zwiększenie szerokości pasm absorpcyjnych. Widma IR ciał stałych i cieczy noszą nazwę widm oscylacyjnych. W fazie gazowej molekuły rotują stosunkowo swobodnie, dzięki czemu w widmie gazu można zaobserwować oddzielne przejścia oscylacyjno-rotacyjne.

Podział drgań oscylacyjnych:
- drgania rozciągające lub walencjne (stretching)- związane z ruchem atomów powodującym rozciąganie i skracanie długości wiązania chemicznego. Mogą być symteryczne jak i antysymetryczne.

- drgania deformacyjne, które mogą mieć charakter:
* drgań zginających (bending) – jest to ruch atomów w płaszczyźnie, podczas którego kąt między wiązaniami ulega zmianie.
* drgań wahadłowyh (wagging)- ruch atomów w zgodnej fazie poza płaszczyzną.

- drgania szkieletowe- np. drgania pierścienia jako całości

Gdy energia promieniowa o danej częstotliwości odpowiada różnicy energii pomiędzy dwoma poziomami oscylacyjnymi wówczas następuje absorpcja promieniowania.

2.Pomiar
Widma absorpcyjne IR otrzymuje się mierząc zależność względnej intensywności światła przepuszczanego lub pochłoniętego od liczby falowej za pomocą spektrofotometrów, które obecnie są bogato wyposażone w urządzenia elektroniczne i komputerowe sterujące procesami pomiarowymi, przetwarzające i analizujące widma.
Spektrofotometry IR możemy podzielić na: klasyczne spektrofotometry IR i spektrofotometry IR z transformacją fourierowską.
Klasyczny spektrofotometr składa się z:

a) Źródła promieniowania

Źródłem promieniowania podczerwonego są żarzące się ciała stałe takie jak włókno Nersta i globar. Włókno Nersta jest to pręt ceramiczny o długości kilku centymetrów i średnicy kilku milimetrów, wykonany z mieszaniny tlenków ceru, cyrkonu, toru i itru. Globar jest prętem silikonowym z SiC. Obydwa źródła podgrzane do temperatury 1000 C emitują promieniowanie podczerwone o maksimum energii przypadającym na 1,4-2,4 μm. W miarę wzrostu długości fali energia emitowana przez źródła maleje i musi być w czasie pomiaru kompensowana (programowanie szczeliny).

b) Pomieszczenie na próbkę i odnośnik

W spektrofotometrach na podczerwień możemy badać gazy, ciecze i ciała stałe.

• Widma gazów możemy otrzymać przez rozprężenie próbki do opróżnionej z powietrza kuwety (szklanej lub metalowej). Szklane kuwety gazowe są to cylindry o trzech standardowych długościach drogi optycznej- 2cm, 5cm i 10cm; kuwety metalowe są to rury z okienkami przepuszczalnymi dla promieniowania IR, są to kuwety z przedłużoną drogą optyczną zaopatrzone w elementy optyczne umożliwiające wielokrotne odbicie wiązki promieniowania, co pozwala na badanie próbek o małym stężeniu analitu. Technika stosowania par substancji ma swoje ograniczenia, ponieważ duży procent związków nie wykazuje odpowiednio dużej prężności par, aby można było uzyskać dobre widmo.

• Widma cieczy można badać w postaci czystej bądź w roztworach. Próbki ciekłe są badane w specjalnych kuwetach, które składają się z dwóch okienek przeźroczystych w zakresie podczerwieni, rozdzielonych wkładkami o odpowiedniej grubości. Ciecze czyste umieszcza się pomiędzy płytkami chlorku sodu (lub np. chlorku srebra) co powoduje powstanie filmu o grubości ok 0,01mm. Płytki trzymają się na skutek działania sił kapilarnych.

• Widma ciał stałych można badać analizując ich roztwory, zawiesiny olejowe a także pastylki. Ważną sprawą jest wybór odpowiedniego rozpuszczalnika (powinien on dobrze rozpuszczać badaną substancję i wykazywać małą absorpcję w zakresie absorpcji próbki), często stosowanymi rozpuszczalnikami są: czterochlorek węgla, dwusiarczek węgla, chloroform.
  Zawiesiny olejowe sporządza się ucierając substancję w moździerzu agatowym na suchy pył a następnie dodając kroplę oleju parafinowego. Całość miesza się w celu uzyskania równomiernej zawiesiny. Tak przygotowaną substancję nanosi się na okienko z kryształu jonowego (np. NaCl) w postaci cienkiej warstwy i wykonuje widmo.
  Technika pastylkowania polega na mieszaniu odważki sproszkowanej substancji ze 100-krotnie większą ilością KBr, produkt poddaje się następnie pastylkowaniu pod ciśnieniem. Zaletą tej techniki jest to, że w widmie, w przedziale 2,5-14μm, nie występują pasma KBr.

100. Monochromatory
     Promieniowanie po przejściu przez próbkę musi ulec rozszczepieniu w monochromatorze. Współczesne spektrofotometry są wyposażone prawie wyłącznie w monochromatory siatkowe (monochromator Czernego-Turnera). Monochromator jest przyrządem optycznym służącym do rozszczepiania światła w celu otrzymania jedynie niewielkiego fragmentu z jego widma.

500. Detektory promieniowania IR
     Detektory przemieniają promieniowanie IR w sygnał elektryczny. Powinny charakteryzować się dużą czułością i mieć liniową charakterystykę w szerokim zakresie częstotliwości. W spektrofotometrach IR stosowane są dwa typy detektorów:
     1) fotodetektory
     2) detektory termiczne
     - termoelektryczne- są to termopary (termoogniwa), ich działanie opiera się na efekcie Peltiera, polegającym na wytworzeniu w obwodzie elektrycznym siły elektromotorycznej na skutek umieszczenia dwóch złącz obwodu w różnych temperaturach. Są to urządzenia bardzo czułe na wzrost temperatury i wskazują różnice rzędu 10^-6 C.

- termooporowe- urządzeniem takim jest bolometr, czyli termometr oporowy. Zmiana temperatury elementu aktywnego, spowodowana promieniowaniem IR, powoduje zmianę napięcia elektrycznego. Napięcie to jest mierzone przez układ elektryczny działający na zasadzie mostka Wheastone'a.
- pneumatyczne- przykładem takiego detektora jest komórka Golaya (bardzo czuły termometr gazowy). Promieniowanie IR padające na element aktywny nagrzewa gaz w zamkniętej przestrzeni. Powstający wzrost ciśnienia jest zamieniany na sygnał elektryczny.

e) Rejestratory-komputery
Widmo IR jest rejestrowane na papierze przez rejestrator lub wpisywane do pamięci komputerowej, z której odtwarzane może być na wiele sposobów. Współczesne spektrofotometry IR są sprzężone z komputerami, które m.in.:
-służą do numerycznej analizy tła
-rozdzielają nakładające się pasma i określają ich parametry
- analizują kształt pasm

f) czoper – system zwierciadeł dzielący strumień świetlny na dwie wiązki, z których jedna przechodzi przez próbkę, druga przez odnośnik (którym jest np. rozpuszczalnik).

Jeżeli badana substancja nie pochłania promieniowania o danej długości fali, to obydwie wiązki z próbki i odnośnika mają takie samo natężenie i w układzie generowany jest prąd stały, który nie podlega wzmocnieniu we wzmacniaczu.
Jeżeli próbka absorbuje promieniowanie, to wiązki różnią się natężeniem, wówczas sygnały optyczne, pulsujące z częstotliwością wirowania zwierciadła sektorowego, zostają przetworzone na prąd zmienny, który jest wzmacniany we wzmacniaczu i przekazany do rejestratora. W rezultacie zostaje zarejestrowane widmo wyrażające zmianę transmitancji próbki w stosunku do odnośnika jako funkcję długości fali i/lub liczby falowej.

Spektrometry IR z transformacją Fouriera (ang. Fourier transform infrared [FT-IR] spectrometers) Spektrofotometry FT-IR są zbudowane analogicznie do spektrofotometrów klasycznych, przy czym zamiast monochromatora zawierają interferometr (najczęściej interferometr Michelsona). Promieniowanie ze źródła przechodzi przez próbkę i za pomocą zwierciadła wchodzi do interferometru Michelsona, który składa się z elementów takich jak: rozdzielacz wiązki, zwierciadło stałe i zwierciadło ruchome z systemem napędowym. Wiązka promieniowania pada na rozdzielacz i ulega rozdziałowi na dwie wiązki (1 i 2) wiązka 1 pada na zwierciadło ruchome a wiązka 2 na zwierciadło stałe i po odbiciu od zwierciadeł interferują one ze sobą dając 3 wiązkę, która jest rejestrowana przez detektor. Położenie ruchomego zwierciadła ulega zmianie przez co jest następuje zmiana w różnicy dróg optycznych między interferującymi wiązkami. Idea pomiaru opiera się na tym, że obraz interferencyjny, będący funkcją różnicy dróg optycznych między wiązkami 1 i 2 jest tzw. Transformatą Fouriera widma promieniowania padającego na interferometr. Rejestracja promieniowania opiera się na ciągłym przesuwaniu zwierciadła ruchomego od pozycji –Δx do +Δx. Taki zapis nosi nazwę interferogramu. Między interferogramem S(Δx) a widmem promieniowania I(υ) istnieje zależność : S(Δx) = ∫₀^∞I(υ)[1+cos(2πΔx)]dυ .

Zalety metody spektroskopii IR z transformacją Fouriera:

• Lepsza zdolność rozdzielcza

• Większa czułość (umożliwia pomiary bardzo słabych sygnałów)

• Krótszy czas potrzebny do uzyskania widma wysokiej klasy

• Większe możliwości przy pomiarach w szerokim zakresie widmowym

Wyróżniamy dwie metody pomiarów: transmisyjną i refleksyjną.

1. Metoda transmisyjna umożliwia badanie gazów, cieczy i ciał stałych. Wszystkie części optyczne (np. pryzmaty) i kuwety pomiarowe muszą być przezroczyste dla promieniowania IR. Najczęściej spotykane są elementy wykonane z NaCl, KBr, SiO₂, AgCl i AgBr. Większość z tych materiałów jest uzyskiwana w postaci sztucznie hodowanych kryształów. Sposób przygotowania próbek i metody pomiaru zostały opisane podczas omawiania klasycznej metody spektrofotometrii.

2. Metoda odbiciowa (refleksyjna) jest techniką specjalną; opracowano dotychczas kilka wariantów tej metody, m.in.:
   
   -metodę osłabionego całkowitego odbicia (ang. attenuated total reflection – ATR)
   W metodzie ATR badana substancja przylega do tzw. kryształu ATR o dużej gęstości optycznej. Na powierzchnię graniczną kieruje się promieniowanie podczerwone. Efekt całkowitego wewnętrznego odbicia uzyskuje się, gdy promieniowanie pada od strony ośrodka o większej gęstości optycznej (pryzmat o współczynniku załamania n₁) ba próbkę (współczynnik załamania n₂) pod kątem θ większym od kąta granicznego θ_gr dla odbicia całkowitego według równania: $\sin\theta_{\text{gr}} = \frac{n_{2}}{n_{1}}$
   Podczas odbicia fala elektromagnetyczna wynika w ośrodek o mniejszej gęstości optycznej na głębokość rzędu długości fali.
   Podstawowym elementem układu służącego do otrzymywania widm ATR jest pryzmat (najczęściej wykonany z KRS-5 (TlBr-TlI), germanu lub AgCl).

-metodę wielokrotnego wewnętrznego odbicia (ang. multiple internal reflection –MIR)
Pojedyncze odbicie daje stosunkowo słabe pasmo absorpcyjne, z tego powodu wprowadzono metodę wielokrotnego wewnętrznego odbicia (MIR), która umożliwia otrzymywanie widm o większej intensywności. W technice tej stosuje się kryształy w kształcie płaskorównoległych płytek o trapezowym przekroju. Najczęściej stosowane są układy o 25-krotnym odbiciu. Badana próbka jest umieszczana po dwóch stronach kryształu.

3. Zastosowanie spektrofotometrii w podczerwieni

Spektrofotometria w podczerwieni jest podstawowym narzędziem pracy w laboratoriach chemicznych o profilu naukowym, laboratoriach przemysłowych, biochemicznych, medycznych a także w laboratoriach związanych z kontrolą środków spożywczych i laboratoriach związanych z ochroną środowiska. Jej główne dziedziny zastosowań to:

• Identyfikacja związków
  Widmo IR jest właściwością charakterystyczną dla danego związku chemicznego i dlatego wykorzystuje się ją do identyfikacji związków. Poszczególnym grupom funkcyjnym przypisujemy określony obszar, w którym występuje charakterystyczne dla nich widmo absorpcyjne. Oprócz samej identyfikacji, spektrofotometria IR umożliwia badanie struktur cząsteczkowych związków organicznych. Stanowi też dogodną metodę badania oddziaływań międzycząsteczkowych (np. wiązań wodorowych)

• Spektroskopia IR w biologii
  Główną dziedziną są badania biochemiczne nad białkami, polipeptydami i aminokwasami, co jest domeną badań spektroskopii w dalekiej podczerwieni a także aminokwasami, cukrami, błonami biologicznymi i ich składnikami.
  Ważnym działem zastosowań są także zastosowania biomedyczne (m.in. badania tkanek i krwi) oraz identyfikacji zawartości gazów w płynach ustrojowych.

• Spektroskopia IR w ochronie środowiska
  W tej dziedzinie używane są najczęściej małe i lekkie (do 15kg) spektrofotometry przenośne, które umożliwiają oznaczenie wielu związków organicznych zawartych w powietrzu.