Spektroskopia lähi-infrapuna-alueella

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 15. tammikuuta 2015 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 4 muokkausta .

Spektroskopia lähi-infrapuna-alueella (NIR spectroscopy, English near-infrared spectroscopy, NIR ) on spektroskopian osa, joka tutkii lähi-infrapunasäteilyn (780 - 2500 nm tai 12 800 - 4 000 cm -1 ) vuorovaikutusta aineiden kanssa . Lähi-infrapuna-alue sijaitsee näkyvän valon ja keski-infrapuna-alueen välissä.

Historia

Infrapunasäteilyn löysi vuonna 1800 englantilainen tähtitieteilijä William Herschel . Hajotettuaan näkyvän valon spektriksi suurella lasiprismalla, hän huomasi, että lämpömittarin lämpeneminen lisääntyy spektrin violetista osasta punaiseen ja maksimivaikutus havaitaan jo näkyvän spektrin ulkopuolella. Edistystä tapahtui 1880-luvulla, kun William Abney ja Edward Festing tallensivat useita orgaanisten nesteiden spektrejä 1–1,2 µm:n alueella. Amerikkalainen fyysikko William Koblenz suunnitteli oman spektrometrinsä käyttämällä kivisuolaprismaa monokromaattorina . Huolimatta siitä, että laite oli erittäin herkkä ulkoisille värähtelyille ja yhden spektrin ottaminen kesti koko päivän, Koblenz pystyi tallentamaan useiden sadan aineen spektrit aallonpituusalueella 1-15 μm ja jopa havaitsemaan joitain spektrisiä yhtäläisyyksiä. tietyissä yhdisteluokissa [1] .

Infrapunaspektroskopian löytämisen ja rutiininomaisen käytön välillä kului noin puoli vuosisataa : vain harvoilla tiedemiehillä oli pääsy IR-spektrometreihin. Lisäksi heidän laitteensa oli kaukana täydellisestä. Mitä tulee spektroskopiaan lähi-infrapuna-alueella, se vei vielä enemmän aikaa. Sitä alettiin käyttää vasta noin 70 vuotta sen löytämisen jälkeen. Vuoteen 1970 mennessä vain 70 paperia oli ilmestynyt painettuina tästä spektroskopialajista. 1930-luvulla toisen maailmansodan lähestyessä lyijysulfidia tutkittiin lämmönilmaisimena ja jo 1950-luvulla se ilmestyi markkinoille erittäin herkänä säteilyilmaisimena alueella 1-2,5 μm [1] .

Lähi-IR-alueen spektrien tutkimus infrapunaspektreihin verrattuna suoritettiin erittäin hitaasti. Spektroskoopit pitivät tätä aluetta liian vaikeasti tulkittavana. Lisäksi signaaleilla oli erittäin alhainen intensiteetti (2-3 suuruusluokkaa pienempi kuin IR-alueen signaalit), ja lähtöviivaa oli vaikea määrittää signaalien suuren määrän vuoksi. Menetelmällä oli kuitenkin myös puolensa. Ensinnäkin tämä on erittäin herkkä lyijysulfidiilmaisin ja mahdollisuus käyttää volframihehkulamppuja säteilylähteinä . Näiden komponenttien ansiosta oli mahdollista tallentaa hajaheijastusspektrejä . Toiseksi oli mahdollista luoda halpoja spektrometrejä, koska tavalliset lasilähteet, ilmaisimet ja optiikka olivat melko edullisia [1] .

1950-luvulla oli suuri tarve veden, proteiinien ja rasvojen kvantifiointiin. Näihin tarkoituksiin Yhdysvaltain maatalousministeriön työntekijät valitsivat NIR-spektroskopian ja kehittivät jo 1970-luvulla spektrometrejä ja menetelmiä niiden kalibrointiin maatalouden tarpeisiin. 1980-luvulla spektrometrejä alettiin ohjata tietokoneilla [1] .

Menetelmän periaate

Harmonisen oskillaattorin approksimaatio

Diatomisen molekyylin värähtelyjä voidaan likimäärin kuvata harmonisen oskillaattorimallin avulla. Tämän mallin mukaan kaksiatomista molekyyliä pidetään kahtena pistemassana m 1 ja m 2 , jotka on yhdistetty elastisella painottomalla jousella, jonka kimmokerroin (voimavakio) K . Tällaisen järjestelmän potentiaalienergia V liittyy värähtelyjen aiheuttamaan massojen q poikkeamaan [2] .

$V={\frac {1}{2}}Kq^{2}$

Tämän seurauksena potentiaalienergiakäyrällä on parabolinen muoto ja se on symmetrinen värähtelevän sidoksen tasapainopituuden suhteen. Jousen värähtelytaajuus liittyy myös voimavakioon ja vähentyneeseen massaan μ [2] .

$\nu _{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {K}{\mu }}};\mu ={\frac {m_{1}m_ {2}}{m_{1}+m_{2}}}$

Jos värähtelytaajuus ilmaistaan aaltolukuina, tämä lauseke on seuraavanlainen [2] :

${\tilde {\nu _{0))}={\frac {1}{2\pi c)){\sqrt {\frac {K}{\mu ))}.$

Schrödingerin yhtälön kvanttimekaaninen ratkaisu osoittaa, että värähtelyenergia on kvantisoitu , eli se ottaa tietyt diskreetit arvot yhtälön [2] mukaan :

$E_{n}=h\nu _{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right),$

missä h on Planckin vakio ja n on värähtelykvanttiluku, joka saa kokonaislukuarvot 0, 1, 2, 3... jne. Siten värähtelytasot ovat samalla etäisyydellä toisistaan. Boltzmann-jakauman mukaan suurin osa molekyyleistä huoneenlämpötilassa on nollavärähtelytasolla. Koska infrapunaspektroskopiassa valintasäännöt sallivat vain siirtymät viereiselle värähtelytasolle, joten [2] :

$\Delta n=\pm 1,$

IR-spektreissä havaitaan pääasiassa vain siirtymiä nollasta ensimmäiselle värähtelytasolle, ns. perussiirtymiä . Suurin osa niistä sijoittuu alueelle 4000–200 cm– 1 . [2]

Anharmonisen oskillaattorin approksimaatio

Harmoninen oskillaattorimalli ei kuvaa aivan tarkasti molekyylien värähtelyjä, koska siinä ei oteta huomioon sitä, että yhden sidoksen atomien välillä on hylkiviä voimia ja että dissosiaatio voi tapahtua voimakkaalla sidoksen venymällä . Anharmonisen oskillaattorin tarkemman mallin mukaan värähtelytasojen energia ilmaistaan seuraavasti [3] :

$E_{n}=h{\nu }_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)-{\chi }h{\nu }_{0}\left (n+{\frac {1}{2}}\oikea)^{2},$

missä χ on epäharmonisuusvakio. Siten potentiaalienergiakäyrä saa epäsymmetrisen muodon ( Morse -käyrä ). Tasojen välinen etäisyys ei ole enää sama, eikä valintasääntöä, joka kieltää siirtymisen kaukaisille värähtelytasoille, panna täytäntöön niin tiukasti. Tässä suhteessa molekyylin mahdollisten perusvärähtelyjen määrään, joka on 3 n –6 (5), lisätään aiemmin kiellettyjä siirtymiä - ylisävyjä , jotka vastaavat [3]

$\Delta n=\pm 2,\pm 3,...$

Ylisävelten lisäksi infrapunaspektroskopialla voidaan havaita myös komposiitti- (yhdistelmä)kaistoja, jotka ovat perusvärähtelyjen summa tai ero. Nämä kahden tyyppiset nauhat näkyvät lähi-infrapuna-alueella. Sekä ylisävyillä että yhdistelmäkaistoilla on kuitenkin paljon pienempi intensiteetti kuin peruskaistoilla, ja niiden päällekkäisyys vaikeuttaa NIR-spektrien tulkintaa [3] .

Ylisävelten aaltolukujen laskeminen

epäröintiä	Vakio χ [4]
ν (С–Н)	~1,9 10 -2
ν(С–D)	~1,5 10 -2
ν(С–F)	~4 10 –3
ν(С–Cl)	~6 10 –3
v(C=O)	~6,5 10 -3

Perusvärähtelyn tai ylisävyn energia sekä sen aaltoluvun arvo, jolla ne esiintyvät, voidaan laskea seuraavasti:

$G_{n}={\frac {E_{n}}{hc}}={\tilde {\nu }}_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right )-{\chi }{\tilde {\nu }}_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)^{2};$

${\tilde {\nu }}_{n}=G_{n}-G_{0}={\tilde {\nu }}_{0}n-\chi {\tilde {\nu }} _{0}n(n+1).$ [neljä]

Koska aaltolukua ṽ 0 ei kuitenkaan voida saada suoraan spektritiedoista, se on ilmaistava aaltoluvulla ṽ 1 ja korvattava yliäänen aaltoluvun lausekkeella:

${\tilde {\nu }}_{0}={\frac {{\tilde {\nu }}_{1}}{1-2\chi }});$

${\tilde {\nu }}_{n}={\frac ({\tilde {\nu }}_{1}n-{\tilde {\nu }}_{1}\chi n( n+1)}{1-2\chi }}.$ [neljä]

Tuloksena oleva lauseke mahdollistaa aallonluvun löytämisen mille tahansa ylisävelelle, jonka n = 2, 3, 4..., perustuen perusvärähtelyn aaltonumeroon sekä anharmonisuusvakioon χ. Siitä voidaan myös laskea vakio χ, jos esimerkiksi tunnetaan ṽ 1 ja ṽ 2 [4] .

Ylisävelintensiteetit liittyvät myös epäharmonisuuteen. On osoitettu, että värähtelyt, joilla on alhainen anharmonisuusvakio, antavat ylisävyjä, joilla on alhainen intensiteetti. Päinvastoin, X-H venytysvärähtelyt, joilla on korkea anharmonisuus, hallitsevat lähi-infrapuna-alueen spektreissä [4] .

Vertailu vastaaviin menetelmiin

СН värähtelyt CHCl 3 -molekyylissä [5]

Siirtyminen	Nauhan asento		e, cm2/mol
Siirtyminen	nm	cm -1	e, cm2/mol
perustavanlaatuinen	3290	3040	25 000
ylisävy 1	1693	5907	1620
ylisävy 2	1154	8666	48
ylisävy 3	882	11 338	1.7
ylisävy 4	724	13 831	0,15

Spektroskopia lähi-infrapuna-alueella perustuu säteilyn käyttöön spektrialueella 12800 - 4000 cm -1 . Tätä aluetta hallitsevat ylisävyt ja yhdistetyt bändit. Koska tällaisten siirtymien todennäköisyys on suhteellisen pieni, vastaavien vyöhykkeiden intensiteetti pienenee noin 1-2 suuruusluokkaa jokaista askelta kohti perusvärähtelystä. Toisin sanoen ekstinktiokerroin ε yliäänelle, jonka Δ n = 3, on noin 100 kertaa pienempi kuin ylisävyllä, jonka Δ n = 2. Näkyvä säteily, siirtymiä, joilla on suuri Δ n , havaitaan ja tällaisten siirtymien todennäköisyys on pieni. Tämä on olennainen ero NIR-spektroskopian ja IR-spektroskopian ja Raman-spektroskopian välillä, jossa signaalit koko spektrialueella muuttavat satunnaisesti intensiteettiään kunkin tietyn värähtelyn viritysolosuhteiden mukaan [6] [5] .

Toisin kuin IR- ja Raman-spektroskopia, NIR-spektroskopia vaatii suuren värähtelyn epäharmonisuuden, joten lähi-infrapuna-alueella esiintyy pääasiassa C-H-, N-H- ja O-H-värähtelyjä. Ilmiötä helpottaa myös se, että näiden ryhmien perusvärähtelyt ilmaantuvat yli 2000 cm – 1 aaltoluvuilla , joten niiden ylisävyt ovat jo NIR-alueella. Toisaalta IR-spektreissä yleisimmät ja voimakkaimmat värähtelyt ilmaantuvat alle 2000 cm – 1 aaltoluvuilla , joten niiden ensimmäiset ylisävyt ovat edelleen lähi-infrapuna-alueen ulkopuolella. Koska toisen ja kolmannen ylisävelen intensiteetti laskee jyrkästi, ne ovat käytännössä näkymättömiä spektrissä. Esimerkiksi C–F-ryhmän voimakasta värähtelyä esiintyy arvoilla 1600 cm – 1 , mutta alhaisen anharmonisuusvakion vuoksi ensimmäinen ja toinen ylisävy ovat välillä 2400 ja 3600 cm – 1 eivätkä kuulu NIR-alueelle [6 ] .

Monien ylisävelten ja komposiittisignaalien superpositio lähi-infrapuna-alueella johtaa NIR-spektrien rakenteellisen selektiivisyyden laskuun verrattuna IR- tai Raman-spektreihin, joissa perusvärähtelyt ovat yleensä selvästi erotettu toisistaan. Signaalit voidaan kuitenkin korreloida vastaavien värähtelyjen kanssa joko laskemalla ylisävyjen taajuutta tai käyttämällä kemometrisiä menetelmiä [6] .

Kuten IR-spektroskopia, myös NIR-spektroskopia noudattaa Bouguer-Lambert-Beer-lakia , eli läpäisevän valon intensiteetti on suhteessa liuoksen pitoisuuteen ja kyvetin läpi kulkevan optisen polun pituuteen. Päinvastoin, säteilyn intensiteetti Raman-spektroskopiassa määräytyy vain analyytin pitoisuuden perusteella [6] .

Ominaisuudet [7]	Raman-spektroskopia	IR-spektroskopia	NIR-spektroskopia
spektroskopian tyyppi	sirontaspektroskopia	absorptiospektroskopia
siirtymät
raidat	perus 4000-50 cm -1	perus 4000-200 cm -1	ylisävyt ja yhdistelmä 12 500-4000 cm -1
säteilyä	yksivärinen	monivärinen
valintasäännöt	${\frac {\partial \alpha }{\partial q))\neq 0$ polarisoituvuuden muutos	${\frac {\partial \mu }{\partial q))\neq 0$ dipolimomentin muutos	${\frac {\partial \mu }{\partial q))\neq 0,anharm.$ epäharmonisuus
havaittuja ryhmiä	homonukleaarinen (esimerkiksi C=C)	polaarinen (esimerkiksi C=O)	ryhmät CH, OH, NH
rakenteellinen selektiivisyys	korkea		matala
määrällinen ominaisuus	$I_{Raman}\sim C$	$\lg {\frac {I_{0}}{I}}=\varepsilon \cdot C\cdot l$

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 4 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 3-6.
↑ 1 2 3 4 5 6 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 9-11.
↑ 1 2 3 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 11-12.
↑ 1 2 3 4 5 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 12.
↑ 1 2 Böcker, 2009 , s. 196-199.
↑ 1 2 3 4 Burns, Ciurczak, 2007 , s. 15-16.
↑ Burns, Ciurczak, 2007 , s. 9, 11.

Kirjallisuus

Böcker Y. Spektroskopia = Spektroskopie / Per. hänen kanssaan. L. N. Kazantseva, toim. A. A. Pupysheva, M. V. Polyakova. — M .: Technosfera, 2009. — 528 s. - ISBN 978-5-94836-220-5 .
Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry / Lindon J. - 2nd Edition. - Academic Press, 2010. - 3312 s.
Boas, DA Hemoglobiinin happisaturaatio biomarkkerina: ongelma ja ratkaisu : [ eng. ] / DA Boas, MA Franceschini // Philosophical Transactions of the Royal Society A . - 2011. - Voi. 369, nro 1955. - s. 4407-4424. doi : 10.1098 / rsta.2011.0250 . — PMID 22006898 .
Burns D.A., Ciurczak E.W. Handbook of Near-Infrared Analysis . - CRC Press, 2007. - 826 s. - ISBN 978-0-8493-7393-0 .
Scheeren, TWL Kudosten hapetuksen seuranta lähi-infrapunaspektroskopialla (NIRS): tausta ja nykyiset sovellukset : [ eng. ] / TWL Scheeren, P. Schober, LA Schwarte // Journal of Clinical Monitoring and Computing. - 2012. - Vol. 26, nro. 4. - s. 279-287. - doi : 10.1007/s10877-012-9348-y . — PMID 22467064 .