INSTRUMENTALNE METODE ANALITIKE KEMIJE Milan SakBosnar Odjel za

INSTRUMENTALNE METODE ANALITIČKE KEMIJE Milan Sak-Bosnar Odjel za kemiju Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Ulica Cara Hadrijana 8/A 31000 Osijek E-mail: msbosnar@kemija. unios. hr www. kemija. unios. hr

SADRŽAJ 1. Uvod n n n Tipovi instrumenata za analizu Komponente instrumenta Kalibracija Značajke mjerenja Odnos signal-šum 2. Atomska spektroskopija n n Atomska apsorpcijska spektroskopija Atomska fluorescencijska spektroskopija Atomska emisijska spektrometrija Optička emisijska spektrometrija s induktivno spregnutom plazmom 3. Molekulska spektroskopija n n n UV-Vis apsorpcijska spektrometrija Infracrvena spektrometrija Ramanova spektroskopija

SADRŽAJ 4. Elektroanalitičke metode n Potenciometrija n Kulometrija n Elektrogravimetrija n Voltametrija 5. Kromatografske metode n Principi kromatografije n Plinska kromatografija n Tekućinska kromatografija

SEMINARSKI RAD Naslov (HR): Određivanje nekih organskih kloro-kiselina atomskom apsorpcijskom spektrometrijom (AAS) nakon ekstrakcije njihovih ionskih asocijata sa dipiridilobakrom(II) ili fenantrolinobakrom(II) kompleksom Title (EN): Determination of Some Organic Chloro Acids by Atomic Absorption Spectrometry (AAS) after Extraction of Their Ion-Associates with the Dipyridylocopper(II) or Phenanthrolinocopper(II) Complex (Maja Barešić) Authors: V. Stužka, Z. Ševčikova Journal data: Chem. Papers 50 (1996) 12 -14. Struktura izlaganja seminarskog rada: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Sažetak Uvod Eksperimentalni dio Rezultati i rasprava Zaključci Reference (navesti najvažnije, na koje se referent poziva) Ime i prezime: Maja Barešić Naziv kolegija: Instrumentalne metode analitičke kemije Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Odjel za kemiju Datum: 14. 12. 2015.

3. MOLEKULSKA SPEKTROSKOPIJA

3. Molekulska spektroskopija n n Temelji se na apsorpciji ultraljubičastog, vidljivog i infracrvenog zračenja od strane ispitivanih specija. Široko se primjenjuje za identifikaciju i određivanje brojnih anorganskih i organskih vrsta. Odjel za kemiju

Vidljiv je samo mali dio elektromagnetskog spektra. Pri spektrofotometrijskim metodama mjeri se apsorpcija zračenja od UV do dalekog infracrvenog područja (far IR) UV = 200 -380 nm VIS = 280 -780 nm IR = 0. 78 mm-300 mm Visible Elektromagnetski spektar. ©Gary Christian, Analytical Chemistry, 6 th Ed. (Wiley)

A – čiste rotacijske promjene ( daleka infracrvena oblast, far IR). B – rotacijsko-vibracijske promjene (bliska infracrvena oblast, near IR). C - rotacijsko-vibracijske-elektronske promjene (vidljivo i UV područje). Svi ovi prijelazi su kvantizirani. Dijagram energetskih nivoa koji prikazuje energetske promjene uvjetovane apsorpcijom elektromagnetskog zračenja. E 0 je elektronsko osnovno stanje; E 1 je prvo pobuđeno elektronsko stanje Odjel za kemiju ©Gary Christian, Analytical Chemistry, 6 th Ed. (Wiley)

Apsorpcija zračenja: Fizikalne osnove Apsorpcija se događa kada se energija sadržana u jednom fotonu apsorbira od strane jednog elektrona što rezultira njegovim prijelazom u pobuđeno stanje. Budući da su energetski nivoi fotona i elektrona kvantizirani, dobiju se samo specifični dozvoljeni prijelazi. E=h ~ 400 - 700 nm (h = 6. 626*10 -34 J·s) ~ 115 nm ~ 200 – 400 nm ~ 150 -250 nm http: //teaching. shu. ac. uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/uvvisab 1. htm

Procesi UV-apsorpcije • * i * prijelazi: visokoenergetski, high-energy, odvijaju se u vakuum-UV-području ( max <150 nm). Rijetko se odvijaju u molekulskom UV-Vis području. • n * i * prijelazi: nevezujući elektroni (usamljeni parovi), valna duljina ( max) u području 150 – 250 nm. • n * i * prijelazi: najuobičajeniji prijelazi u organskoj molekulskoj UV-Vis spektroskopiji, zastupljeni kod spojeva s usamljenim parovima elektrona i višestrukim vezama s max = 200 -600 nm. • Bilo koji od spomenutih prijelaza zahtijevaju da dolazni fotoni zadovoljavaju energetsku barijeru koja odgovara prijelazu iz osnovnog u pobuđeno stanje. • Energije koje odgovaraju jednom fotonu od 300 nm su ca. 95 kcal/mol.

Apsorpcija: oblik linija (Lineshape) h Očekuje se da apsorpcijski spektar izgleda kao na slici: To se ipak ne događa …. *

Absorption: Lineshape Apsorpcija: oblik linija (Lineshape) Razlog je što molekule stalno rotiraju i vibriraju. Svako rotacijsko ili vibracijsko stanje pomalo mijenja energiju prijelaza. Raspodjela takvih stanja je slučajna. Stoga je i oblik linija apsorpcijskog spektra normalno distribuiran!

Absorption: Lineshape Apsorpcija: oblik linija (Lineshape) Apsorpcija je aditivno svojstvo: Ø Spektar je suma svih Gaussovih raspodjela koje se odnose na svaki prijelaz.

Apsorpcija: intenzitet Efikasnost apsorpcije analita ovisi o: Prirodi analita, Broju raspoloživih mikrostanja (microstates), Prirodi otapala. Efikasnost apsorpcije analita generalno ne ovisi o: Ostalim otopljenim tvarima (niskih koncentracija), Temperaturi (u razumnim granicama), Koncentraciji. To čini apsorpcijsku spektroskopiju jednu od malog broja analitičkih metoda, gdje je intenzitet signala direktno proporcionalan koncentraciji.

Elektronski prijelazi (pri većim energijama-kraćim valnim duljinama) superponirani su na rotacijske i vibracijske prijelaze. Takovi mnogi diskretni prijelazi rezultiraju širokom vrpcom neraščlanjene fine strukture. p (dvostruke ili trostruke veze) i n (vanjski omotač, outer shell) elektroni odgovorni su za većinu elektronskih prijelaza u UV i VIS području. Tipičan VIS-apsorpcijski spektar (1 = uzorak; 2 = blank). ©Gary Christian, Analytical Chemistry, 6 th Ed. (Wiley)

UV-Vis instrumentacija Spektrofotometar Komponente spektrofotometra: 1. Izvor zračenja 2. Selektor valnih duljina (filteri, monokromatori) 3. Držač uzoraka (Sample container) 4. Detektor 5. Sustav za obradu i prikaz podataka Jednosnopni i dvosnopni instrumenti (Single and double beam instruments) 16

UV-Vis instrumentacija Wavelength selector A single beam spectrophotometer Polikromatsko zračenje iz izvora razdvaja se u uske vrpce (trake) valnih duljina (gotovo monokromatsko zračenje) pomoću selektora valnih duljina, prolazi kroz držač uzoraka, a propušteno zračenje, P, nakon uzorka mjeri se detektorom. Kod jednosnopnog instrumenta (single beam instrument), zraka svjetlosti slijedi jedan put od izvora do monokromatora, do ćelije s uzorkom i konačno do detektora. 17

Komponente jednosnopnog spektrofotometra Izvor zračenja - Bijelo svjetlo konstantnog intenziteta Razrez (slits) Grating Razrez Fotocijev Detektira svjetlo i mjeri intenzitet. Uzorak Ako je slijepa proba (blank) uzorak, mjeri se Po, u suprotnom mjeri se P. Razdvaja bijelo svjetlo u različite boje. Rotiranjem rešetke mijenja se valna duljina koja prolazi kroz uzorak.

Dvosnopni spektrofotometar Rotates, to achieve scan Kvarcne kivete (Matched quartz cuvettes), Uzorak u otopini, ca. 10 -5 M, Sistem štiti PMT* od raspršenog svjetla, D 2 lampa-UV, Volframova (Tungsten) lampa-Vis Dva PM ulaza, razlika napona ide na pojačalo. *PMT (Photomultiplier tube), fotomultiplikatorska cijev

Double Beam Spectrophotometer Beam Chopper Semi-transparent Mirror Sample Tungsten Lamp Grating Slit Quartz Cuvette Reference (Blank) Mirror Photomultiplier Mirror 20

Schematic diagram of a double beam scanning spectrophotometer Ö Kod „double beam” sustava, svjetlo naizmjenično prolazi kroz uzorak i slijepu probu (the sample and reference, blank), usmjeravano rotirajućim ogledalom koje se sastoji od 2 polusektora (chopper), u i izvan svjetlosnog puta (light path). Ö Kad svjetlo prolazi kroz uzorak, detektor mjeri P. Kad sjeckač (chopper) usmjeri svjetlo kroz blank, detektor mjeri P 0. Ö Svjetlosni zrak sjecka (chopped) se nekoliko puta u sekundi, a elektronički krug automatski uspoređuje P i P 0 i izračunava Apsorbanciju ili Transmitanciju.

Prednosti double beam instrumenta u odnosu na single beam instrument Single beam spektrofotometar nepovoljan je jer 1. Uzorak i blank moraju se naizmjenice stavljati u svjetlosni put. 2. Pri mjerenjima na više valnih duljina, blank se mora mjeriti na svakoj valnoj duljini. Kod double beam instrumenta: 1. Apsorpcija u uzorku automatski se korigira za apsorpciju slijepe probe. 2. Automatska korekcija promjena intenziteta izvora i promjena u odzivu detektora s vremenom ili valnom duljinom, jer se dva zrake uspoređuju i mjere u isto vrijeme. 3. Automatsko pretraživanje (scanning) i kontinuirano registriranje spektra (Apsorbancija vs. Valna duljina).

Izvori zračenja Izvori koji se koriste u UV-Vis spektrofotmetrima su kontinuirani izvori. • Kontinuirani izvori emitiraju zračenje na svim valnim duljinama unutar spektralnog područja za koje se koriste. • Izvori zračenja trebaju biti stabilni i velikog intenziteta. Continuous Sources Visible and near IR Ultraviolet radiation Tungsten Lamp Deuterium Lamp 320 -2500 nm 200 -400 nm

UV/Visible Spectroscopy: Light Sources Xenon, Mercury/Xenon Čisti Xe ima širok emisijski spektar ~200 – 1200 nm Xe/Hg spektar pomaknut je u plavo područje sa više snage u UVpodručju, koristi se često za sterilizaciju

UV/Visible Spectroscopy: Light Sources Deuterij D 2 plin: pražnjenje pri kontaktu s visokonaponskom volframovom katodom, Kontinuiran spektar od 150 nm ~ 370 nm, Obično se koristi u sprezi sa volfram/halogen-izvorom, koji emitira vidljivi spektar.

Selektori valnih duljina Idealno bi bilo da izlaz iz selektora valnih duljina bude monokromatsko zračenje (single wavelength). Nema idealnog selektora valnih duljina, obično se dobije vrpca (band) zračenja. Što je uža širina vrpce, to su bolje performanse instrumenta. Wavelength selectors Filters Monochromators 26

Monokromatori Izvori zračenja koji se koriste emitiraju kontinuirani emisijski spektar. Ali potrebno je monokromatsko zračenje: Czerny-Turner sustav (setup): B i C postavljaju zrak koji je u beskonačnom fokusu. D je prizma ili difrakcijska rešetka (u novije vrijeme uvijek rešetka). E fokusira jednu valnu duljinu na razrez F. Mogu se fokusirati različite valne duljine na F rotiranjem D ili E (gotovo uvijek D).

Filteri • Filteri dopuštaju određenim vrpcama valnih duljina (širina vrpce ~ 50 nm) da prođu kroz filter. • Najjednostavnija vrsta su apsorpcijski filteri, najuobičajeniji od ovih su filteri od obojenih stakala (colored glass filters). • Koriste se u vidljivom području. • Obojeno staklo apsorbira široki dio spektra (komplementarnu boju) a propušta ostale dijelove (njihove boje). Nedostatci • Loši su selektori valnih duljina i ne mogu se koristiti u instrumentima namijenjenim istraživanju. • To je stoga što propuštaju široku vrpcu valnih duljina omogućavajući šansu odstupanjima od Beer-ovog zakona. • Apsorbiraju značajan dio željenog zračenja. 28

Monokromatori ØKoriste se za pretraživanje spektara (spectral scanning), variranjem valnih duljina zračenja u određenom području. ØMogu se koristiti u UV/Vis području. ØSvi su monokromatori slične mehaničke konstrukcije. ØSvi monokromatori koriste razreze, ogledala, leće, rešetke ili prizme (slits, mirrors, lenses, gratings or prisms). 29

Rešetkin monokromator (Grating monochromators) Refleksijska rešetka M Polikromatsko zračenje s ulaznog razreza konkavnim se ogledalima (kolimatori) prevodi u snop paralelnih zraka. M Ti zraci padaju na refleksijsku rešetku, gdje se različite valne duljine reflektiraju pod različitim kutovima. M Položaj refleksijske rešetke usmjerava samo usku vrpcu valnih duljina na izlazni razrez monokromatora. M Rotacija rešetke omogućava različitim valnim duljinama da prođu kroz izlazni razrez. The reflection grating monochromator Sastoji se od ulaznih i izlaznih razreza, ogledala i rešetke za disperziju svjetla.

Prizmin monokromator (Prism monochromator) Ø Disperzija pomoću prizme ovisi o refrakciji svjetla, a koja ovisi o valnoj duljini. Ø Ljubičasto svjetlo veće energije (kraće valne duljine) ima najveći otklon. Ø Crveno svjetlo manje energije (dulje valne duljine) ima najmanji otklon. Ø Kao rezultat, polikromatsko bijelo svjetlo razlaže se u svoje individualne boje.

Prednosti i nedostatci smanjenja širine razreza monokromatora Izbor širine vrpce Veličina izlaznog razreza monokromatora određuje širinu zračenja (širinu vrpce) emitiranog od monokromatora. Veća širina razreza daje veću osjetljivost zbog toga što veći intenzitet zračenja prolazi kroz uzorak, dok manja širina razreza daje bolju rezoluciju spektra. Općenito, izbor širine razreza koji se koristi prilikom mjerenja mora biti kompromis između ta dva faktora. Problem niske osjetljivosti s malim razrezom može se prevladati povećanjem osjetljivosti detektora.

Izbor valne duljine Mjerenja apsorbancije uvijek se izvode pri fiksnoj valnoj duljini (korištenjem monokromatskog svjetla). Kad se odabere valna duljina za kvantitativnu analizu tri faktora se moraju uzeti u obzir. 1. Valna duljina treba biti odabrana tako da daje najveću moguću osjetljivost. To se postiže odabirom max ili općenito odabirom valne duljine pri kojoj je apsorptivitet relativno velik. λmax – valna duljina maksimalne apsorbancije 33

10 -2 M 10 -3 M 10 -4 M 5 x 10 -5 M duljini treba osigurati mogućnost mjerenja uzorka najniže koncentracije zadovoljavajućom Absorbance Izvođenjem analize na toj valnoj 10 -5 M točnošću. Naprimjer, najniža koncentracija uzorka (10 -5 M) može se mjeriti dobrom točnošću na max, jer se na max 1 wavelength drugim valnim duljinama ne može uopće detektirati. 34

2. Preporuča se odabrati valnu duljinu pri kojoj se apsorbancija neće značajnije mijenjati , ako se valna duljina malo promjeni, tj. A / is minimum. Pri valnoj duljini koja odgovara širokoj horizontalnoj vrpci spektra (vrpca A), zračenje se većinom apsorbira u istom iznosu ( A / nula). S druge strane apsorbancija na strmom dijelu spektra (vrpca B) mijenja se značajno ako se valna duljina promijeni ( A / je veliko). Stoga se pri ponovljenim mjerenjima apsorbancije mogu dobiti različita očitanja a preciznost mjerenja bit će niska. Band A Absorbance A Broad horizontal bands Band B A shoulder m wavelength

3. Ako otopina sadrži više apsorbirajućih specija, valna duljina bira se, kadgod je moguće, u području gdje ostale vrste ne apsorbiraju ili apsorbiraju minimalno ( m). Absorbance sample Interfering species m wavelength 36

3. Nosači/držači uzoraka (Sample compartment (cells)) Ø U UV-Vis spektroskopiji tekući uzorci se mjere u kiveti. Ø Staklo je pogodno za Vis- spektroskopiju, ali ne za UV- spektroskopiju. Ø Kvarc se može koristiti i u UV- i Vis- spektroskopiji 1 cm pathlength cuvet Transparent Face Opaque Face Long pathlength 1 cm Short pathlength (b) 37

4. Detektori $ Detektori su uređaji koji pretvaraju energiju zračenja u električni signal. $ Detektor mora biti osjetljiv i mora imati brz odziv u širokom području valnih duljina. $ Električni signal koji generira detektor mora biti direktno proporcionalan intenzitetu propuštenog zračenja (linearni odziv). i. Fotocijev (Phototube) Fotocijev emitira elektrone sa fotoosjetljive negativno nabijene katode kad su izloženi vidljivom ili UV zračenju. Elektroni putuju kroz vakuum do anode i proizvode struju koja je proporcionalna intenzitetu zračenja. h e- anode amplifier -V Photosensitive cathode 39

ii. Fotomultiplikatorska cijev (Photomultiplier tube, PMT) Ø Vrlo osjetljiv uređaj u kome elektroni emitirani od fotoosjetljive katode udaraju u drugu površinu (dinoda) koja je pozitivna u odnosu na originalnu katodu. Ø Elektroni se stoga ubrzavaju i mogu izbaciti više od jednog elektrona sa dinode. Ø Ako se gornji proces ponavlja nekoliko puta može se skupiti više od 106 elektrona za svaki foton koji udari u prvu katodu. light dynodes electrons e- anode photochathode voltage divider network 40 high voltage

Detektor s nizom dioda (Diode Array Detector)

Karakteristike spektrofotometrijskih metoda 1. Široka primjena na organske i anorganske sustave, 2. Visoka osjetljivost 10 -6 -10 -4 M, 3. Umjerena do visoka selektivnost, 4. Dobra točnost, relativna greška 1% to 3%.

UV spektri organskih spojeva UV - spektri: - Najčešće su nespecifični. - Teški za interpretaciju, osim što mogu biti konzistentni sa strukturom. - Svaka vrpca može biti superpozicija mnogih prijelaza.

Infracrvena spektroskopija (Infrared (IR) Spectroscopy) Ø IR se bavi interakcijom infracrvenog zračenja s tvari. Ø IR spektar nekog spoja daje važne informacije o njegovog kemijskoj prirodi i molekulskoj strukturi. Ø Najčešće se spektar dobija mjerenjem apsorpcije IR zračenja, premda se koriste i IR emisija i refleksija. Ø Najšira primjena IR spektroskopiije je pri analizi organskih materijala, ali je korisna i za poliatomne anorganske molekule i za organometalne spojeve.

Područja IR zračenja (Infrared regions) Granica crvenog svjetla: 800 nm, 0. 8 m, 12500 cm-1 Bliska IR oblast (Near Infrared, NIR): 0. 8 -2. 5 m, 12500 - 4000 cm-1 Srednja IR oblast (Mid Infrared, MIR): 2. 5 - 50 m, 4000 - 200 cm-1 Daleka IR oblast (Far Infrared, FIR): 50 - 1000 m, 200 - 10 cm-1 Podjele/rasponi rastu zbog različitih optičkih materijala i instrumentacije.

Molekulski spektri Postoje 3 osnovna tipa optičkih spektara koji se odnose na molekule: 1. Elektronski ili vibronički (vibronic) spektri (UV-Vis, near IR) (prijelazi između specifičnih vibracijskih i rotacijskih nivoa jednog elektronskog stanja i vibracijskih i rotacijskih nivoa drugog elektronskog stanja) 2. Vibracijski ili vibracijsko-rotacijski spektri (IR oblast) (prijelazi s rotacijskih nivoa jednog vibracijskog nivoa na rotacijske nivoe drugog vibracijskog nivoa u istom elektronskom stanju) 3. Rotacijski spektri (područje mikrovalova) (prijelazi između rotacijskih nivoa istog vibracijskog nivoa u istom elektronskom stanju)

Tipovi vibracija • Dva različita tipa vibracija: - Istezanje (stretching): vibracije koje uključuju promjenu duljine veze, - Savijanje (bending): uključuju promjenu kuta veze (bond angle).

Vibracije istezanja se dijele na: - sjeckanje (scissoring), - ljuljanje (rocking), - klanjanje (wagging), i - uvrtanje (twisting).

INFRARED SPECTROSCOPY n Kolika su kretanja/promjene pri vibraciji C-C veze? stretching vibration Za C-C vezu duljine 154 pm, promjena (varijacija) je oko 10 pm. 154 pm bending vibration 4 o 10 pm Za C-C-C kut veze (bond angle) tipična promjena je 4 o. To izaziva pomak Catoma oko 10 pm.

INFRARED SPECTROSCOPY n Methane

Symmetric stretching Antisymmetric stretching Rocking Wagging Scissoring Twisting

INFRARED SPECTROSCOPY n n Samo vibracije koje uzrokuju promjenu polariteta daju vrpce (pikove) u IR spektru. Koje su vibracije CO 2 IR aktivne? Symmetric stretch Asymmetric stretch Bending (doubly degenerate)

INFRARED SPECTROSCOPY Što je vibracija u molekuli? n Svaka promjena oblika molekule – istezanje veza, savijanje veza ili interna rotacija oko pojedinih veza. Koje vibracije mijenjaju dipolni moment molekule? n n Asimetrično istezanje/savijanje i interna rotacija mijenjaju dipolni moment molekule. Asimetrično istezanje/savijanje je IR aktivno. Simetrično istezanje/savijanje ne mijenja dipolni moment molekule i nije IR aktivno.

Apsorpcijska područja

Frekvencije grupa (Group frequencies) Za određene funkcionalne grupe i strukturne grupe (strukture) nađeno je da su njihove vibracijske frekvencije gotovo nezavisne od ostatka molekule – to su frekvencije grupa. Karbonilna grupa: 1650 to 1740 cm-1 razni aldehidi i ketoni Za mnoge grupe koje se sastoje od samo dva atoma, približna frekvencija osnovne vibracije može se izračunati iz jednostavnog modela harmonijskog oscilatora. Izračunavanja pokazuju da za mnoge grupe karakteristične frekvencije vibracija istezanja trebaju ležati u području 4000 to 1000 cm-1. U praksi se područje od 4000 do 1300 cm-1 često naziva područje frekvencija grupa. Prisustvo različitih vibracija grupa u IR spektru od velike je pomoći u identifikaciji apsorbirajuće molekule.

Model harmonijskog oscilatora Model: Slika atoma dvoatomne molekule kao dvije mase povezane s oprugom (vezom). Hooke-ov zakon: F = -k r F = sila, potrebna za povrat opruge u ravnotežnu poziciju k = katakteristična konstanta istezanja x = pomak od ravnotežne pozicije

IR Stretching Frequencies of two bonded atoms: O čemu ovisi frekvencija ? = frekvencija k = konstanta opruge (jakosti veze) mr = reducirana masa (~ masa većeg atoma)

Područje „otiska prsta” (Fingerprint region) U području od 1300 do 400 cm-1, vibracijske frekvencije pod utjecajem su cijele molekule – područje „otiska prsta”. Apsorpcija u tom području „otiska prsta” karakteristična je za molekulu kao cjelinu. Ta oblast nalazi najširu primjenu za identifikaciju molekule usporedbom sa spektrima iz biblioteke spektara.

IR spektar y osa: %T or A x osa: valni broj (wavenumber) ili valna duljina Io uzorak I T = I/Io %T = 100 I/Io T = transmisija / transmitancija A = - log T A = apsorbancija (bez dimenzija) (Note: A (ne T) koncentracija)

INFRARED SPECTROSCOPY n Ljuski dah (Human Breath)

INFRARED SPECTROSCOPY Koje valne duljine elektromagnetskog zračenja mogu izazvati vibracije molekula? § Infracrveno (IR) elektromagnetsko zračenje izaziva vibracije molekula (valne duljine od 2500 -15, 000 nm ili 2. 5 – 15 µm). U kojoj mjeri masa može utjecati na vibraciju? § Što je veća masa – to je niži valni broj (manja frekvencija, veća valna duljina). H 2 I 2

INFRARED SPECTROSCOPY Ethane Chloroethane

INFRARED SPECTROSCOPY POLOŽAJ Manja masa Laki atomi, viša frekvencija Jačina veze Jake veze, viša frekvencija JAČINA Promjena polarnosti Jako polarne veze daju intenzivne vrpce (pikove) ŠIRINA Vodikova veza Jaka vodikova veza daje široke vrpce (pikove)

INFRARED SPECTROSCOPY n Generalno: Veza /cm-1 C-H C-D C-O C-Cl 3000 2200 1100 700 C O C=O C-O 2143 1715 1100

INFRARED SPECTROSCOPY 4000 -3000 cm-1 3000 -2000 cm-1 2000 -1500 cm-1 1500 -1000 cm-1 O-H N-H C C C N C=C C=O C-F C-Cl deformacije Porast energije Porast frekvencije

Interpretacija IR spektara n n Za interpretaciju IR spektara potrebno je veliko iskustvo. Područje 1600 -3600 cm-1: korištenjem tablica ili baza podataka s IR spektrima moguće je identificirati neke pikove (tip veze, tip vibracije, npr. O-H vibracije istezanja ili C-H vibracije savijanja. Najkorisnija područja su: 1680 -1750 cm-1: C=O istezanje je jako naglašeno u IR spektru, a tip karbonilne grupe može se odrediti iz točne pozicije pika. n 2700 -3100 cm-1: različiti tipovi C-H vibracija istezanja. n 3200 -3700 cm-1: različiti tipovi O-H i N-H vibracija istezanja. n 600 -1600 cm-1: previše veza apsorbira u tom području da bi omogućilo pouzdanu identifikaciju pojedinih pikova. Međutim, to je područje „otiska prsta” molekula, pa ako je spektar gotovo identičan autentičnom referentnom spektru, struktura se može potvrditi sa izvjesnom pouzdanošću.

Područja apsorpcije IR zračenja Tipično područje IR apsorpcije za kovalentne veze je 600 - 4000 cm-1. Graphics source: Wade, Jr. , L. G. Organic Chemistry, 5 th ed. Pearson Education Inc. , 2003

Interpretacija IR spektara Ethanoic acid

IR spektrofotometri IR izvor Nosač uzoraka Detektor

IR spektrofotometri Disperzijski instrumenti: • koriste monokromator koji se primjenjuje u srednjem IR području (MIR) za snimanje spektara i kvantitativnu analizu. Fourier transform IR (FTIR) sustavi: • široka primjena u dalekom IR području (FIR) i u srednjem IR području (MIR). Nedisperzijski instrumenti: • koriste filtere kao selektore valnih duljina i primjenjuju se pri analizi plinova.

Disperzijski IR spektrofotometri Današnji disperzijski IR spektrofotometri u pravilu su dvosnopni (double -beam) instrumenti, mada neki omogućavaju i single-beam rad.

Disperzijski IR spektrofotometri

Disperzijski IR spektrofotometri, komponente 1. Izvor IR zračenja Nernst Glower heated rare earth oxide rod (~1500 K) 1 -50 µm (mid- to far-IR) Globar heated Si. C rod (~1500 K) 1 -50 µm (mid- to far-IR) W filament lamp 1100 K 0. 78 -2. 5 µm (Near-IR) Hg arc lamp plasma 50 - 300 µm (far-IR) CO 2 laser stimulated emission lines 9 -11 µm

2. Detektor / pretvornik (transducer) Thermocouple thermoelectric effect dissimilar metal junction cheap, slow, insensitive Bolometer Ni, Pt resistance thermometer (thermistor) Highly sensitive <400 cm-1 Pyroelectric Tri glycine sulfate piezoelectric material fast and sensitive (mid IR) Photoconducting Pb. S, Cd. S, Pb Se light sensitive cells fast and sensitive (near IR)

3. Optički sustav • Refleksijske rešetke (napravljene od različitih plastika): razmak utora: (120 utora mm-1). U cilju smanjenja efekta raspršenog zračenja i preklapajućeg zračenja viših redova koriste se filteri ili prizme. Za snimanje cijelog IR područja koriste se 2 ili više rešetki sa nekoliko filtera. • Ogledala (ne leće) se koriste za fokusiranje i kolimaciju IR zračenja, načinjena od Pyrexa ili drugog materijala niskog koeficijenta termičkog širenja. Frontalne površine prevučene su tankim filmom metala Al, Ag ili Au (nataložen u vakuumu).

OPTIČKE ĆELIJE (KIVETE)

OPTIČKE ĆELIJE (KIVETE)

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Tekući uzorci • Čisti ili otopljeni u IR-transparentnom otapalu – NE voda (nagriza pločice), • Uzorak je najčešće u obliku tekućeg filma (u „sendviču” između 2 Na. Cl pločice), • Podesiva duljina puta (0. 015 to 1 mm) – pomoću Teflonskog razmaknika (spacer).

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Područja propusnosti za uobičajena IR - otapala Vodoravne linije pokazuju područja gdje otapalo propušta barem 25% upadnog zračenja u ćeliji od 1 mm.

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio n n Stavljanje uzorka u nosač ili ćeliju koja je transparentna u IR području, Na. Cl ili pločice od Na. Cl najčešće se koriste. IR transparentne pločice od Na. Cl

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Pločice od Na. Cl moraju se čuvati u suhoj (bez vlage) atmosferi (eksikator). n Pri rukovanju s pločicama moraju se koristiti rukavice da se spriječi dodir s vlagom ruku.

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio n n Za snimanje IR spektra tekućeg uzorka, nanese se kap ili dvije uzorka na pločicu. Druga pločica stavi se preko prve, tako da se tekući uzorak nalazi poput sendviča između dviju pločica. n n n Držač ćelije postavi se na put zrake instrumenta. IR spektar uzorka snimi se prema zadanim parametrima. Dobar spektar ima dobro definirane pikove, ali ne suviše intenzivne da na dnu pika imaju zaravnanje.

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Benzoic acid

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Čišćenje Na. Cl pločica n n n Pločice se čiste pogodnim organskim otapalom, obično cikloheksanom – NIKAD VODOM! Zamućene pločice moraju se polirati sve dok ne postanu transparentne. To se postiže rotiranjem pločica na krpi za poliranje.

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Plinoviti uzorci • Ćelija za plinovite uzorke sastoji se od staklenog, a rjeđe metalnog cilindra. Ćelija je zatvorena na oba kraja s odgovorajućim prozorima od IRtransparentnog materijala (Na. Cl/KBr) i snabdjevena ventilima ili slavinama za uvođenje uzorka. • Ćelije imaju dug optički put ( 10 cm) i koriste se za razrijeđene (nekoliko molekula) ili slabo apsorbirajuće uzorke. • „Multipass” ćelije – kompaktnije i efikasnije od ćelija dugog optičkog puta. Ogledala se tako koriste da zraka prolazi nekoliko puta kroz uzorak prije nego napusti ćeliju (efektivna duljina puta 10 m). • Za razlučivanje rotacijskih struktura uzorka, ćelija mora biti opremljena da se može evakuirati za snimanja pri sniženom tlaku. • Za kvantitativna određivanja lakih molekula, ćelija mora biti opremljena da radi pod tlakom da bi se proširile rotacijske strukture i pojednostavilo mjerenje.

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Kruti uzorci • Spektri krutina dobivaju se od diskova alkalnih halogenida (KBr), pasta (npr. Nujol, visoko rafinirana smjesa zasićenih ugljikovodika) i filmova (dobivenih pomoću otapala ili taljenjem). Diskovi alkalnih halogenida: 1. Jedan miligram ili manje fino usitnjenog uzorka mješa se sa oko 100 mg suhog KBr - praha u avanu ili mlinu. 2. Smjesa se komprimira u obliku transparentnog diska. Paste (Mulls) 1. Usitnjavanje nekoliko mg praškastog uzorka u avanu ili mlinu. Doda se nekoliko kapi mineralnog ulja (usitnjavanje se nastavlja dok se ne dobije fina pasta). 2. IR spektar paste dobije se kao i za tekuće uzorke.

Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) Zašto FTIR? n Prevladavanje ograničenja disperzijskih IR spektrofotometara: • Spor proces snimanja spektra, nekoliko minuta (nepovoljno ako se traže brze informacije) n Rješenje: n Interferometar: mjeri sve frekvencije istovremeno. n n n Interferometar generira signal koji u sebi ima „ukodirane” sve IR frekvencije. „Dekodiranje” signala (Fourierove transformacije) i dobivanje kompletnog IR spektra: nekoliko sekundi. Bolja rezolucija.

Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) Dijelovi FTIR-spektrometra 1. 2. 3. 4. 5. 6. Izvor zračenja Interferometar Nosač uzoraka Detektor „Dekoder” interferograma (PC software) Jedinica za prikaz rezultata

Michelsonov Interferometar (MI) Dijelovi: Opis rada: a) b) c) 1. MM se kreće konstantnom brzinom. Djeltelj zrake (beam splitter) Pomično ogledalo (moving mirror, MM) Stacionarno ogledalo (stationary mirror) 2. MI cijepa zraku u 2 puta različite duljine i potom ih rekombinira. 3. Detektor mjeri sumu superponiranih valnih duljina (varijacije intenziteta izlaznog zraka). 4. Rezultirajući signal (interferogram): svaki podatak sadrži informaciju o svakoj IR frekvenciji koja dolazi iz izvora (sve frekvencije se mjere istovremeno).

Michelsonov Interferometar (MI) Ako se pokretno ogledalo pomakne za 1/4 (1/2 sa povratkom) valovi su izvan faze (out of phase) na djelitelju zraka (beam-splitting mirror) - NEMA signala. Ako se pokretno ogledalo pomakne za 1/2 (1 sa povratkom) valovi su u fazi na djelitelju zraka – SIGNAL.

Interferogrami

PC je potreban da prevede kompleksni interferogram u IR spektar.

Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR) FTIR generira spektar u vremenskoj domeni (time-domain spectra) kao trenutno raspoložive podatke (interferogram), gdje se intenzitet dobiva u funkciji vremena. Kako je IR spektar u frekvencijskoj domeni (frequency-domain spectra), mora se interferogram „dekodirati” pomoću Fourierovih transformacija (PC).

Single-beam FTIR Spectrometer In one arm of the interferometer, the IR source radiation travels through the beam splitter to the fixed mirror back to the beam splitter through the sample and to the detector. In the other arm, the IR source radiation travels to the beam splitter to the movable mirror, back through the beam splitter to the sample and to the detector. The difference in pathlengths of the two beams is the retardation . An He-NE laser is used as a monochromatic reference source. The laser beam is sent through the interferometer in the opposite direction to that of the IR beam.

Double-beam FTIR Spectrometer

Prednosti FTIR spektroskopije • Vrlo visoka rezolucija (< 0. 1 cm – 1 ) • Vrlo visoka osjetljivost (nanogramske količine) - Može se spregnuti s GC analizom (pri snimanju IR spektara u plinskoj fazi). • Visok odnos S/N - Malo optičkih komponenata; nema razreza pa je veliki intenzitet zračenja. • Brzina snimanja (<10 s) • Visoka reproducibilnost • Povoljna cijena

Primjena IR spektroskopije: 1. Fundamentalna kemija Određivanje molekulske strukture/geometrije. npr. Određivanje duljine veze, kuta veze i plinovitih molekula 2. Kvalitativna analiza – jednostavna, brza, nedestruktivna Monitoring tragova plinova, vlaga, N u tlu. Analiza fragmenata zaostalih nakon zločina itd. Kvantitativna analiza ugljikovodika na filterima, u zraku ili u vodi.

Povijest Ramanovog raspršenja (Raman Scattering) n 1923 – Neelastično raspršenje svjetla predvidio C. V. Raman A. Smekel n 1928 – Landsberg i Mandelstam uočili neočekivane pomake frekvencija pri raspršenju kroz kvarc n 1928 – C. V. Raman and K. S. Krishnan su uočili “slabu fluorescenciju” iz čistih otapala n 1930 – C. V. Raman dobiva Nobelovu nagradu http: //bwtek. com/raman-theory-of-raman-scattering/

Ramanova spektroskopija (Raman Spectroscopy) Spektroskopska tehnika koja služi za promatranje vibracijskih, rotacijskih i drugih niskih frekvencija u sustavu. Ramanovi spektri slični su IR spektrima. Korisna za detekciju funkcionalnih grupa i područje „otiska prsta”, te omogućava identifikaciju specifičnih supstanci. Prednosti: mala količina uzorka, minimalna osjetljivost prema interferencijama vode.

Kemija Ramanove spektroskopije n Monokromatsko zračenje primjenjuje se na uzorak, n Ulazno zračenje se raspršuje na: • Rayleigh-evo (elastično) and Ramanovo (neelastično) raspršenje, n Rayleigh-evo raspršenje se uklanja filterom, n Povratno raspršeno zračenje različitih je valnih duljina, n Ta razlika odgovara energetskom pomaku koji osigurava jedinstven kemijski „otisak prsta”.

Ramanova spektroskopija

Ramanova spektroskopija

h h( (-+) 1) h 3 2 1 0 Neelastično raspršenje Virtual Level Energy • Energija prenešena od ulaznog zračenja na molekulske vibracije S 1 3 2 1 Rayleigh (elastic) Scattering Raman (inelastic) Scattering 0 S 0 Razlika u energiji

Raman – spektrofotometri n n Raman - spektrofotometri slični su po dizajnu i koriste tipove komponenata kao klasični UV-Vis disperzijski instrumenti. Najčešće koriste sustave sa dvostrukom rešetkom da smanje strano zračenje koje bi dospjelo na pretvornik. Fotomultiplikatori služe kao pretvornici. Danas se Raman – spektrofotometri prodaju kao FT – instrumenti opremljeni hlađenim pretvornikom od germanija ili višekanalni instrumenti na bazi CCD (charge-coupled devices) pretvornika.

Raman – spektrofotometri Raman - spektrofotometar

Raman – spektrofotometri

Raman – spektrofotometri

Izvori zračenja u Ramanovoj spektrometriji

Detektori: CCD (charge-coupled devices) detektori Većina disperzijskih Raman – spektrofotometara opremljena je višekanalnim dvodimenzijskim CCD detektorima. Glavne prednosti tih detektora: - Ekstremno nizak nivo termičkog šuma (kod efikasnog hlađenja), - Nizak nivo šuma Ramanovog spektra, - Široko spektralno područje. Postoje mnogi CCD čipovi, jedan od najčešćih formata spektroskopskih senzora je 1024 x 256 pixela.

Usporedba IR i Ramanove spektroskopije 1. Vrpce koje su u intenzivne u IR, obično su slabe u Ramanu. Spektralne smetnje od vodikove veze značajno su umanjene. Voda je uporabivo otapalo u Ramanu (u IR loše). Optika u Ramanu je od stakla ili kvarca umjesto od soli (Na. Cl, KBr, Cs. I). 2. Usporedba IR i Raman spektara može dati važne strukturne informacije. 3. Ramanovi spektri općenito su jednostavniji od IR spektara. 4. Kompletno IR područje pokriveno je Ramanovom spektroskopijom, pošto se koristi laser a spektar se dobiva registriranjem razlika frekvencija u odnosu na ulazno zračenje. IR treba različitu optiku i djelitelje zraka da pokrije kompletno područje od od NIR do FIR. 5. IR spektrofotometri su jeftiniji i osjetljiviji. Ramanovi spektri jako su osjetljivi na snagu lasera, geometriju ćelije i manje su reproducibilni nego IR spektri. 6. Samo je mali dio ulaznih fotona u Ramanu raspršen (e. g. 10 -8). Širokopojasna fluorescencija može potpuno prekriti Ramanove signale. 7. Ramanova spektroskopija daje manje strukturnih informacija.

Raman vs Infrared Spectra

Prednosti Ramanove spektroskopije n n n Daje molekulski „otisak prsta” svakog analita, omogućavajući visokoselektivna određivanja. Primjenjiva na svaki optički dohvatljiv uzorak; organski, anorganski, ili biološki. Mogu se mjeriti kruti, tekući, plinoviti, transparentni i netransparentni uzorci. n Mjerenje moguće i u vodenim otopinama. n Snimanje uzorka je neinvazivno. n n Detekcija je moguća na uzorcima od 1 µm 2 – dm 2 i udaljenostima od nekoliko milimetara do nekoliko metara. Ramanov „otisak prsta” neovisan je od valne duljine pobuđivanja, omogućavajući korištenje bilo kojeg lasera za pobuđivanje. Detekciju je moguće provoditi danonoćno bez prisustva signala pozadine (background) zbog ambijentalnih svjetlosnih interferencija. Ramanova spektroskopija postala je potpuno prenosna tehnika.