Otettu julkisesta kirjallisuudesta: DOI- http://dx.doi.org/10.17509/ijost.v4i1.15806
1. JOHDANTO
Fourier-muunnosinfrapuna (FTIR) on yksi tutkijoiden tärkeistä analyyttisistä tekniikoista. Tämän tyyppistä analyysiä voidaan käyttää näytteiden karakterisoimiseen nesteiden, liuosten, pastojen, jauheiden, kalvojen, kuitujen ja kaasujen muodossa. Tämä analyysi on mahdollista myös analysoitaessa materiaalia substraatin pinnoilla. Verrattuna muihin karakterisointianalyyseihin, FTIR on melko suosittu. Tämä karakterisointianalyysi on melko nopea, tarkka ja suhteellisen herkkä.
FTIR-analyysimenetelmässä näytteet altistetaan kosketuksiin infrapunasäteilyn (IR) kanssa. IR-säteilyllä on sitten vaikutuksia näytteessä olevan molekyylin atomivärähtelyihin, mikä johtaa energian spesifiseen absorptioon ja/tai siirtoon. Tämä tekee FTIR:stä hyödyllisen näytteen sisältämien spesifisten molekyylivärähtelyjen määrittämisessä.
On raportoitu monia tekniikoita FTIR-analyysin yksityiskohtaiseksi selittämiseksi. Useimmat paperit eivät kuitenkaan raportoineet yksityiskohtaisesti FTIR-tulosten lukemisesta ja tulkitsemisesta. Itse asiassa tapa ymmärtää yksityiskohtaisesti aloittelijoille tutkijoille ja opiskelijoille on väistämätön.
Tämän raportin tarkoituksena oli keskustella ja selittää kuinka lukea ja tulkita FTIR-tietoja orgaanisessa materiaalissa. Analyysiä verrattiin sitten kirjallisuuteen. Esitettiin vaiheittainen menetelmä FTIR-tietojen lukemiseksi, mukaan lukien yksinkertaisten ja monimutkaisten orgaanisten materiaalien tarkastelu.
2. NYKYINEN TIETO FTIR-SPEKTRIN YMMÄRTÄMISEKSI
2.1. Spektri FTIR-analyysituloksessa.
FTIR-analyysin pääajatus on ymmärtää, mikä on FTIR-spektrin merkitys (katso esimerkki FTIR-spektristä kuvassa 1). Spektri voi johtaa ”absorptioon verrattuna aaltolukuun” tai ”lähetykseen verrattuna aaltolukuun” dataan. Tässä artikkelissa keskustelemme vain ”imeytymisestä
vs. aaltoluku” -käyrät.
Lyhyesti sanottuna IR-spektri on jaettu kolmeen aallonlukualueeseen: kauko-IR-spektri (<400 cm -1), keski-IR-spektri (400-4000 cm-1) ja lähi-IR-spektri (4000-13000 cm-1). Keskiinfrapunaspektri on yleisimmin käytetty näyteanalyysissä, mutta kaukana- ja lähi-IR-spektri myötävaikuttaa myös tietojen antamiseen analysoiduista näytteistä. Tämä tutkimus keskittyi FTIR: n analyysiin keski-IR-spektrissä.
Keski-IR-spektri on jaettu neljään alueeseen:
i) yhden sidoksen alue (2500-4000 cm-1),
(ii) kolmoissidosalue (2000-2500 cm-1),
(iii) kaksoissidosalue (1500-2000 cm-
1) ja (iv) sormenjälkialue (600-1500 cm-1).
Kaavamainen IR-spektri on saatavana kuvassa 1, ja kunkin funktionaalisen ryhmän erityinen taajuus on saatavana taulukosta 1.
Kuva 1. Keskiinfrapunaspektrialueet
2.2. Vaiheittainen analyysimenettely.
FTIR: n tulkitsemiseen on viisi vaihetta:
Vaihe 1: Absorptiokaistojen lukumäärän tunnistaminen koko IR-spektrissä. Jos näytteellä on yksinkertainen spektri (siinä on vähemmän kuin 5 absorptiokaistaa, analysoidut yhdisteet ovat yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä, pienimassaisia molekyylipainoja tai epäorgaanisia yhdisteitä (kuten yksinkertaisia suoloja). Mutta jos FTIR-spektrissä on enemmän kuin 5 absorptiokaistaa, näyte voi olla monimutkainen molekyyli.
Vaihe 2: Yksittäisen sidoksen alueen tunnistaminen (2500-4000 cm-1). Tällä alueella on useita huippuja:
(1) Laaja absorptioalue välillä 3650 - 3250 cm-1, mikä osoittaa vetysidoksen. Tämä kaista vahvistaa hydraatin (H2O), hydroksyylin (-OH), ammoniumin tai aminon olemassaolon. Hydroksyyliyhdisteen osalta sitä tulisi seurata spektrien läsnäolo taajuuksilla
1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1. Jos absorptioalueilla 3670 ja 3550 cm-1 on kuitenkin voimakas absorptio, se sallii yhdisteen sisältää hapeen liittyvän ryhmän, kuten alkoholin tai fenolin (havainnollistaa vetysidoksen puuttumista).
(2) Kapea nauha yli 3000 cm-1, joka osoittaa tyydyttymättömiä yhdisteitä tai aromaattisia renkaita. Esimerkiksi imeytymisen läsnäolo
aaltoluku välillä 3010 - 3040 cm-1 vahvistaa yksinkertaisten tyydyttymättömien olefiiniyhdisteiden olemassaolon.
(3) Kapea nauha alle 3000 cm-1, jossa on alifaattisia yhdisteitä. Esimerkiksi pitkäketjuisten lineaaristen alifaattisten yhdisteiden absorptionauha on
tunnistettu 2935 ja 2860 cm-1. Sidoksen jälkeen tulevat huiput välillä 1470 - 720 cm-1.
(4) Aldehydin spesifinen huippu välillä 2700—2800 cm-1.
Vaihe 3: Kolmoissidosalueen tunnistaminen (2000-2500 cm-1) Esimerkiksi, jos huippu on 2200 cm-1, sen tulisi olla C≡C: n absorptiokaista.Piikkiä seuraa yleensä lisäspektrien läsnäolo taajuuksilla 1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1.
Vaihe 4: Kaksoissidosalueen (1500-2000 cm-1) tunnistaminen Kaksoissitoutunut voi olla karbonyyli- (C = C )-, imino (C = N) ja atso (N = N) ryhminä.
(1) 1850 - 1650 cm-1karbonyyliyhdisteille
(2) Yli 1775 cm-1, joka ilmoittaa aktiivisista karbonyyliryhmistä, kuten anhydrideistä, halogenidihapoista tai halogenoidusta karbonyylistä tai rengaskarbonyylihiilistä, kuten laktonista tai orgaanisesta karbonaatista.
(3) Vaihteluväli 1750—1700 cm-1, joka kuvaa yksinkertaisia karbonyyliyhdisteitä, kuten ketoneja, aldehydejä, estereitä tai karboksyyliä.
(4) Alle 1700 cm-1, vastaa amideja tai karboksylaattien funktionaalista ryhmää.
(5) Jos tapahtuu konjugaatio toisen karbonyyliryhmän kanssa, kaksoissidoksen tai aromaattisen yhdisteen huippuintensiteetit vähenevät.
Siksi konjugoitujen funktionaalisten ryhmien, kuten aldehydien, ketonien, estereiden ja karboksyylihappojen, läsnäolo voi vähentää karbonyyliabsorptiota.
(6) 1670 - 1620 cm-1 kyllästymättömälle sidolle (kaksoissidos ja kolmoissidos) .Erityisesti huippu 1650 cm-1 on kaksoissidoshiilelle tai olefiiniselle
yhdisteet (C = C). Tyypilliset konjugaatiot muiden kaksoissidosten rakenteiden, kuten C = C, C = O tai aromaattisten renkaiden kanssa, vähentävät intensiteettitaajuutta voimakkailla tai vahvoilla absorptiokaistoilla. Tyydyttymättömien sidosten diagnosoinnissa on myös tarpeen tarkistaa imeytyminen alle 3000 cm-1. Jos absorptiokaistalla on 3085 ja 3025 cm-1, se on tarkoitettu C-H: lle. Normaalisti C-H: n absorptio on yli 3000 cm-1.
(7) Vahva intensiteetti välillä 1650 - 1600 cm-1, joka ilmoittaa kaksoissidoksista tai aromaattisista yhdisteistä.
(8) Välillä 1615 ja 1495 cm-1, reagoivat aromaattisiin renkaisiin. Ne ilmestyivät kahtena absorptiokaistasona noin 1600 ja 1500 cm-1.Näitä aromaattisia renkaita seuraa yleensä heikko tai kohtalainen imeytyminen alueella 3150—3000 cm-1 (C-H-venytystä varten) .Yksinkertaisten aromaattisten yhdisteiden osalta voidaan havaita useita kaistoja välillä 2000—1700 cm-1 useiden kaistojen muodossa, joilla on heikko intensiteetti. Se tukee myös aromaattista renkaan absorptiokaistaa (1600/1500 cm-1absorptiotaajuudella), nimittäin C-H-taivutusvärähtelyä, jonka intensiteetti on keskiaineen absorptio voimakkaaseen, jolla on joskus yksi tai useita absorptiokaistoja alueella 850 - 670 cm-1.
Vaihe 5: Sormenjälkialueen tunnistaminen (600-1500 cm-1)
Tämä alue on tyypillisesti erityinen ja ainutlaatuinen. Katso yksityiskohtaiset tiedot taulukosta 1. Mutta löytyy useita tunnisteita:
(1) Välillä 1000 - 880 cm-1 usean kaistan absorptiolle on absorptiokaistoja 1650, 3010 ja 3040 cm-1.
(2) C-H: lle (tason ulkopuolinen taivutus) se tulisi yhdistää absorptiokaistoihin 1650, 3010 ja 3040 cm-1, joilla on ominaisuuksia
yhdiste kyllästymättömyys.
(3) Vinyyliin liittyvän yhdisteen osalta noin 900 ja 990 cm-1 vinyylipäätteiden tunnistamiseksi (-CH = CH 2), välillä 965 - 960 cm-1 transsatroimattomalle vinyylille (CH = CH) ja noin 890 cm-1 kaksoisolefiinisidoksille yksittäisessä vinyylissä (C = CH 2).
(4) Aromaattisen yhdisteen osalta yksi ja vahva imeytymisnauha on noin 750 cm-1 ortolle ja 830 cm-1 kohdassa.
Taulukko 1. Funktionaalinen ryhmä ja sen kvantifioidut taajuudet.
Otettu julkisesta kirjallisuudesta: DOI- http://dx.doi.org/10.17509/ijost.v4i1.15806
1. JOHDANTO
Fourier-muunnosinfrapuna (FTIR) on yksi tutkijoiden tärkeistä analyyttisistä tekniikoista. Tämän tyyppistä analyysiä voidaan käyttää näytteiden karakterisoimiseen nesteiden, liuosten, pastojen, jauheiden, kalvojen, kuitujen ja kaasujen muodossa. Tämä analyysi on mahdollista myös analysoitaessa materiaalia substraatin pinnoilla. Verrattuna muihin karakterisointianalyyseihin, FTIR on melko suosittu. Tämä karakterisointianalyysi on melko nopea, tarkka ja suhteellisen herkkä.
FTIR-analyysimenetelmässä näytteet altistetaan kosketuksiin infrapunasäteilyn (IR) kanssa. IR-säteilyllä on sitten vaikutuksia näytteessä olevan molekyylin atomivärähtelyihin, mikä johtaa energian spesifiseen absorptioon ja/tai siirtoon. Tämä tekee FTIR:stä hyödyllisen näytteen sisältämien spesifisten molekyylivärähtelyjen määrittämisessä.
On raportoitu monia tekniikoita FTIR-analyysin yksityiskohtaiseksi selittämiseksi. Useimmat paperit eivät kuitenkaan raportoineet yksityiskohtaisesti FTIR-tulosten lukemisesta ja tulkitsemisesta. Itse asiassa tapa ymmärtää yksityiskohtaisesti aloittelijoille tutkijoille ja opiskelijoille on väistämätön.
Tämän raportin tarkoituksena oli keskustella ja selittää kuinka lukea ja tulkita FTIR-tietoja orgaanisessa materiaalissa. Analyysiä verrattiin sitten kirjallisuuteen. Esitettiin vaiheittainen menetelmä FTIR-tietojen lukemiseksi, mukaan lukien yksinkertaisten ja monimutkaisten orgaanisten materiaalien tarkastelu.
2. NYKYINEN TIETO FTIR-SPEKTRIN YMMÄRTÄMISEKSI
2.1. Spektri FTIR-analyysituloksessa.
FTIR-analyysin pääajatus on ymmärtää, mikä on FTIR-spektrin merkitys (katso esimerkki FTIR-spektristä kuvassa 1). Spektri voi johtaa ”absorptioon verrattuna aaltolukuun” tai ”lähetykseen verrattuna aaltolukuun” dataan. Tässä artikkelissa keskustelemme vain ”imeytymisestä vs. aaltoluku” -käyrät.
Lyhyesti sanottuna IR-spektri on jaettu kolmeen aallonlukualueeseen: kauko-IR-spektri (<400 cm -1), keski-IR-spektri (400-4000 cm-1) ja lähi-IR-spektri (4000-13000 cm-1). Keskiinfrapunaspektri on yleisimmin käytetty näyteanalyysissä, mutta kaukana- ja lähi-IR-spektri myötävaikuttaa myös tietojen antamiseen analysoiduista näytteistä. Tämä tutkimus keskittyi FTIR: n analyysiin keski-IR-spektrissä.
Keski-IR-spektri on jaettu neljään alueeseen: i) yhden sidoksen alue (2500-4000 cm-1), (ii) kolmoissidosalue (2000-2500 cm-1), (iii) kaksoissidosalue (1500-2000 cm- 1) ja (iv) sormenjälkialue (600-1500 cm-1). Kaavamainen IR-spektri on saatavana kuvassa 1, ja kunkin funktionaalisen ryhmän erityinen taajuus on saatavana taulukosta 1.
Kuva 1. Keskiinfrapunaspektrialueet
2.2. Vaiheittainen analyysimenettely.
FTIR: n tulkitsemiseen on viisi vaihetta:
Vaihe 1: Absorptiokaistojen lukumäärän tunnistaminen koko IR-spektrissä. Jos näytteellä on yksinkertainen spektri (siinä on vähemmän kuin 5 absorptiokaistaa, analysoidut yhdisteet ovat yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä, pienimassaisia molekyylipainoja tai epäorgaanisia yhdisteitä (kuten yksinkertaisia suoloja). Mutta jos FTIR-spektrissä on enemmän kuin 5 absorptiokaistaa, näyte voi olla monimutkainen molekyyli.
Vaihe 2: Yksittäisen sidoksen alueen tunnistaminen (2500-4000 cm-1). Tällä alueella on useita huippuja:
(1) Laaja absorptioalue välillä 3650 - 3250 cm-1, mikä osoittaa vetysidoksen. Tämä kaista vahvistaa hydraatin (H2O), hydroksyylin (-OH), ammoniumin tai aminon olemassaolon. Hydroksyyliyhdisteen osalta sitä tulisi seurata spektrien läsnäolo taajuuksilla 1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1. Jos absorptioalueilla 3670 ja 3550 cm-1 on kuitenkin voimakas absorptio, se sallii yhdisteen sisältää hapeen liittyvän ryhmän, kuten alkoholin tai fenolin (havainnollistaa vetysidoksen puuttumista).
(2) Kapea nauha yli 3000 cm-1, joka osoittaa tyydyttymättömiä yhdisteitä tai aromaattisia renkaita. Esimerkiksi imeytymisen läsnäolo aaltoluku välillä 3010 - 3040 cm-1 vahvistaa yksinkertaisten tyydyttymättömien olefiiniyhdisteiden olemassaolon.
(3) Kapea nauha alle 3000 cm-1, jossa on alifaattisia yhdisteitä. Esimerkiksi pitkäketjuisten lineaaristen alifaattisten yhdisteiden absorptionauha on tunnistettu 2935 ja 2860 cm-1. Sidoksen jälkeen tulevat huiput välillä 1470 - 720 cm-1.
(4) Aldehydin spesifinen huippu välillä 2700—2800 cm-1.
Vaihe 3: Kolmoissidosalueen tunnistaminen (2000-2500 cm-1) Esimerkiksi, jos huippu on 2200 cm-1, sen tulisi olla C≡C: n absorptiokaista.Piikkiä seuraa yleensä lisäspektrien läsnäolo taajuuksilla 1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1.
Vaihe 4: Kaksoissidosalueen (1500-2000 cm-1) tunnistaminen Kaksoissitoutunut voi olla karbonyyli- (C = C )-, imino (C = N) ja atso (N = N) ryhminä.
(1) 1850 - 1650 cm-1karbonyyliyhdisteille
(2) Yli 1775 cm-1, joka ilmoittaa aktiivisista karbonyyliryhmistä, kuten anhydrideistä, halogenidihapoista tai halogenoidusta karbonyylistä tai rengaskarbonyylihiilistä, kuten laktonista tai orgaanisesta karbonaatista.
(3) Vaihteluväli 1750—1700 cm-1, joka kuvaa yksinkertaisia karbonyyliyhdisteitä, kuten ketoneja, aldehydejä, estereitä tai karboksyyliä.
(4) Alle 1700 cm-1, vastaa amideja tai karboksylaattien funktionaalista ryhmää.
(5) Jos tapahtuu konjugaatio toisen karbonyyliryhmän kanssa, kaksoissidoksen tai aromaattisen yhdisteen huippuintensiteetit vähenevät. Siksi konjugoitujen funktionaalisten ryhmien, kuten aldehydien, ketonien, estereiden ja karboksyylihappojen, läsnäolo voi vähentää karbonyyliabsorptiota.
(6) 1670 - 1620 cm-1 kyllästymättömälle sidolle (kaksoissidos ja kolmoissidos) .Erityisesti huippu 1650 cm-1 on kaksoissidoshiilelle tai olefiiniselle yhdisteet (C = C). Tyypilliset konjugaatiot muiden kaksoissidosten rakenteiden, kuten C = C, C = O tai aromaattisten renkaiden kanssa, vähentävät intensiteettitaajuutta voimakkailla tai vahvoilla absorptiokaistoilla. Tyydyttymättömien sidosten diagnosoinnissa on myös tarpeen tarkistaa imeytyminen alle 3000 cm-1. Jos absorptiokaistalla on 3085 ja 3025 cm-1, se on tarkoitettu C-H: lle. Normaalisti C-H: n absorptio on yli 3000 cm-1.
(7) Vahva intensiteetti välillä 1650 - 1600 cm-1, joka ilmoittaa kaksoissidoksista tai aromaattisista yhdisteistä.
(8) Välillä 1615 ja 1495 cm-1, reagoivat aromaattisiin renkaisiin. Ne ilmestyivät kahtena absorptiokaistasona noin 1600 ja 1500 cm-1.Näitä aromaattisia renkaita seuraa yleensä heikko tai kohtalainen imeytyminen alueella 3150—3000 cm-1 (C-H-venytystä varten) .Yksinkertaisten aromaattisten yhdisteiden osalta voidaan havaita useita kaistoja välillä 2000—1700 cm-1 useiden kaistojen muodossa, joilla on heikko intensiteetti. Se tukee myös aromaattista renkaan absorptiokaistaa (1600/1500 cm-1absorptiotaajuudella), nimittäin C-H-taivutusvärähtelyä, jonka intensiteetti on keskiaineen absorptio voimakkaaseen, jolla on joskus yksi tai useita absorptiokaistoja alueella 850 - 670 cm-1.
Vaihe 5: Sormenjälkialueen tunnistaminen (600-1500 cm-1)
Tämä alue on tyypillisesti erityinen ja ainutlaatuinen. Katso yksityiskohtaiset tiedot taulukosta 1. Mutta löytyy useita tunnisteita:
(1) Välillä 1000 - 880 cm-1 usean kaistan absorptiolle on absorptiokaistoja 1650, 3010 ja 3040 cm-1.
(2) C-H: lle (tason ulkopuolinen taivutus) se tulisi yhdistää absorptiokaistoihin 1650, 3010 ja 3040 cm-1, joilla on ominaisuuksia yhdiste kyllästymättömyys.
(3) Vinyyliin liittyvän yhdisteen osalta noin 900 ja 990 cm-1 vinyylipäätteiden tunnistamiseksi (-CH = CH 2), välillä 965 - 960 cm-1 transsatroimattomalle vinyylille (CH = CH) ja noin 890 cm-1 kaksoisolefiinisidoksille yksittäisessä vinyylissä (C = CH 2).
(4) Aromaattisen yhdisteen osalta yksi ja vahva imeytymisnauha on noin 750 cm-1 ortolle ja 830 cm-1 kohdassa.
Taulukko 1. Funktionaalinen ryhmä ja sen kvantifioidut taajuudet.