Välja võetud avalikust kirjandusest: DOI- http://dx.doi.org/10.17509/ijost.v4i1.15806
1. SISSEJUHATUS
Fourieri transformatsiooni infrapuna (FTIR) on teadlaste jaoks üks olulisi analüütilisi tehnikaid. Seda tüüpi analüüsi saab kasutada proovide iseloomustamiseks vedelike, lahuste, pastade, pulbrite, kilede, kiudude ja gaaside kujul. See analüüs on võimalik ka materjali analüüsimiseks substraadi pindadel. Võrreldes teiste iseloomustusanalüüsidega on FTIR üsna populaarne. See iseloomustusanalüüs on üsna kiire, hea täpsusega ja suhteliselt tundlik.
FTIR-analüüsiprotseduuris puutuvad proovid kokku infrapuna (IR) kiirgusega. Seejärel mõjutab IR-kiirgus proovis oleva molekuli aatomvibratsiooni, mille tulemuseks on energia spetsiifiline neeldumine ja/või ülekanne. See muudab FTIR-i kasulikuks proovis sisalduvate spetsiifiliste molekulaarsete vibratsioonide määramiseks.
Teatatud on paljudest tehnikatest FTIR-analüüsi üksikasjalikuks selgitamiseks. Enamik pabereid ei kirjeldanud siiski üksikasjalikult FTIR-i tulemuste lugemisest ja tõlgendamisest. Tegelikult on algajate teadlaste ja üliõpilaste jaoks üksikasjaliku mõistmise viis vältimatu.
Selle aruande eesmärk oli arutada ja selgitada, kuidas lugeda ja tõlgendada FTIR-andmeid orgaanilises materjalis. Seejärel võrreldi analüüsi kirjandusega. Esitati samm-sammult meetod FTIR-andmete lugemiseks, sealhulgas lihtsate ja keerukate orgaaniliste materjalide ülevaatamine.
2. PRAEGUSED TEADMISED FTIR SPEKTRI MÕISTMISEKS
2.1. Spekter FTIR-analüüsi tulemuses.
FTIR-analüüsist saadud peamine idee on mõista, mis on FTIR-spektri tähendus (vt FTIR spektri näidet joonisel 1). Spektri tulemuseks võivad olla andmed „neeldumise versus lainearvu” või „ülekande versus lainearvu”. Selles artiklis käsitleme ainult „imendumist
versus lainearvu” kõverad.
Lühidalt öeldes on IR-spekter jagatud kolmeks lainearvu piirkonnaks: kaug-IR-spekter (<400 cm -1), keskmine IR-spekter (400—4000 cm-1) ja IR-lähedane spekter (4000-13000 cm-1). Proovi analüüsis kasutatakse kõige laialdasemalt keskmist IR-spektrit, kuid kaug-ja lähedane IR-spekter aitab kaasa ka analüüsitud proovide kohta teabe andmisele. See uuring keskendus FTIR-i analüüsile keskmises IR-spektris.
Keskmine IR-spekter on jagatud neljaks piirkonnaks:
i) ühe sideme piirkond (2500—4000 cm-1),
ii) kolmekordse sideme piirkond (2000-2500 cm-1),
iii) kaksiksideme piirkond (1500—2000 cm-
1) ja (iv) sõrmejälgede piirkond (600—1500 cm-1).
Skemaatiline IR-spekter on saadaval joonisel 1 ja iga funktsionaalrühma spetsiifiline sagedus on saadaval tabelis 1.
Joonis 1. Keskmise IR spektri piirkonnad
2.2. Samm-sammult analüüsiprotseduur.
FTIR-i tõlgendamiseks on viis sammu:
Samm 1: neeldumisribade arvu tuvastamine kogu IR-spektris. Kui proovil on lihtne spekter (sellel on vähem kui 5 neeldumisriba, on analüüsitud ühendid lihtsad orgaanilised ühendid, väikese massiga molekulmass või anorgaanilised ühendid (näiteks lihtsad soolad). Kuid kui FTIR-spektril on rohkem kui 5 neeldumisriba, võib proov olla keeruline molekul.
2. samm: Ühe sideme ala tuvastamine (2500-4000 cm-1). Selles piirkonnas on mitu tippu:
(1) Lai neeldumisriba vahemikus 3650 kuni 3250 cm-1, mis näitab vesiniksidemet. See riba kinnitab hüdraadi (H2O), hüdroksüül (-OH), ammooniumi või amino olemasolu. Hüdroksüülühendi puhul peaks sellele järgnema spektrite olemasolu sagedustel
1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1. Kui aga 3670 ja 3550 cm-1 absorptsioonipiirkondades toimub järsk intensiivsusega imendumine, võimaldab see ühendil sisaldada hapnikuga seotud rühma, näiteks alkoholi või fenooli (illustreerib vesiniksideme puudumist).
(2) Kitsas riba üle 3000 cm-1, mis näitab küllastumata ühendeid või aromaatseid rõngaid. Näiteks imendumise olemasolu
lainenumber vahemikus 3010—3040 cm-1 kinnitab lihtsate küllastumata olefiinühendite olemasolu.
(3) Kitsas riba alla 3000 cm-1, millel on alifaatsed ühendid. Näiteks pika ahelaga lineaarsete alifaatsete ühendite neeldumisriba on
tuvastatud temperatuuril 2935 ja 2860 cm-1. Sidemele järgnevad tipud vahemikus 1470—720 cm-1.
(4) Aldehüüdi spetsiifiline piik vahemikus 2700—2800 cm-1.
3. samm: kolmekordse sideme piirkonna tuvastamine (2000—2500 cm-1) Näiteks kui piik on 2200 cm-1 juures, peaks see olema neeldumisriba C⁄C. Tiigile järgneb tavaliselt täiendavate spektrite olemasolu sagedustel 1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1.
4. samm: Kaksiksideme piirkonna tuvastamine (1500—2000 cm-1) Topeltsideme võib olla karbonüül (C = C), imino (C = N) ja aso (N = N) rühmad.
(1) 1850—1650 cm-1karbonüülühendite jaoks
(2) Üle 1775 cm-1, teavitades aktiivseid karbonüülrühmi, nagu anhüdriidid, halogeniidhapped või halogeenitud karbonüül või rõngkarbonüülsüsinikud, nagu laktoon või orgaaniline karbonaat.
(3) Vahemik vahemikus 1750—1700 cm-1, kirjeldades lihtsaid karbonüülühendeid, nagu ketoonid, aldehüüdid, estrid või karboksüül.
(4) Alla 1700 cm-1, vastav amiidide või karboksülaatide funktsionaalne rühm.
(5) Kui toimub konjugatsioon teise karbonüülrühmaga, väheneb kaksiksideme või aromaatse ühendi tippintensiivsus.
Seetõttu võib konjugeeritud funktsionaalsete rühmade, nagu aldehüüdid, ketoonid, estrid ja karboksüülhapped, olemasolu vähendada karbonüülimendumise sagedust.
(6) 1670 - 1620 cm-1küllastumata sideme jaoks (kahekordne ja kolmekordne side) .Täpsemalt on tipp 1650 cm-1 kahekordse sideme süsiniku või olefiini puhul
ühendid (C = C). Tüüpilised konjugatsioonid teiste kaksiksidemete struktuuridega nagu C = C, C = O või aromaatsed rõngad vähendavad intensiivsuse sagedust intensiivsete või tugevate neeldumisribade korral. Küllastumata sidemete diagnoosimisel on vaja kontrollida ka imendumist alla 3000 cm-1. Kui neeldumisriba on tuvastatud temperatuuril 3085 ja 3025 cm-1, on see ette nähtud C-H jaoks. Tavaliselt on C-H imendumine üle 3000 cm-1.
(7) Tugev intensiivsus vahemikus 1650—1600 cm-1, teavitades kaksiksidemeid või aromaatseid ühendeid.
(8) Ajavahemikus 1615—1495 cm-1, reageerivad aromaatsed rõngad. Need ilmusid kahe neeldumisriba komplektina umbes 1600 ja 1500 cm-1.Nendele aromaatsetele rõngastele järgnesid tavaliselt nõrk kuni mõõdukas neeldumine piirkonnas vahemikus 3150—3000 cm-1 (C-H venitamiseks) .Lihtsate aromaatsete ühendite puhul võib täheldada ka mitut riba vahemikus 2000—1700 cm-1 mitme nõrga intensiivsusega riba kujul. Samuti toetab see aromaatse rõnga neeldumisriba (1600/1500 cm-1 neeldumissagedusel), nimelt C-H painutusvibratsiooni keskmise neeldumise intensiivsusega tugevaks, millel on mõnikord üks või mitu neeldumisriba, mida leidub piirkonnas vahemikus 850 kuni 670 cm-1.
5. samm: sõrmejälgede piirkonna tuvastamine (600-1500 cm-1)
See piirkond on tavaliselt spetsiifiline ja ainulaadne. Vt üksikasjalikku teavet tabelis 1. Kuid võib leida mitmeid identifitseerimisi:
(1) Vahemikus 1000 kuni 880 cm-1 mitme riba neeldumiseks on 1650, 3010 ja 3040 cm-1 neeldumisribad.
(2) C-H (tasapinnaline painutamine) puhul tuleks see kombineerida neeldumisribadega temperatuuril 1650, 3010 ja 3040 cm-1, millel on omadused
ühendi küllastumatus.
(3) Vinüüliga seotud ühendi puhul umbes 900 ja 990 cm-1 vinüülklemmide tuvastamiseks (-CH = CH 2), vahemikus 965—960 cm-1 trans-satreerimata vinüülile (CH = CH) ja umbes 890 cm-1 kahekordsete olefiinsidemete jaoks üksikvinüülis (C = CH 2).
(4) Aromaatse ühendi puhul on ühekordne ja tugev neeldumisriba orto puhul umbes 750 cm-1 ja para puhul 830 cm-1.
Tabel 1. Funktsionaalne rühm ja selle kvantifitseeritud sagedused.
Välja võetud avalikust kirjandusest: DOI- http://dx.doi.org/10.17509/ijost.v4i1.15806
1. SISSEJUHATUS
Fourieri transformatsiooni infrapuna (FTIR) on teadlaste jaoks üks olulisi analüütilisi tehnikaid. Seda tüüpi analüüsi saab kasutada proovide iseloomustamiseks vedelike, lahuste, pastade, pulbrite, kilede, kiudude ja gaaside kujul. See analüüs on võimalik ka materjali analüüsimiseks substraadi pindadel. Võrreldes teiste iseloomustusanalüüsidega on FTIR üsna populaarne. See iseloomustusanalüüs on üsna kiire, hea täpsusega ja suhteliselt tundlik.
FTIR-analüüsiprotseduuris puutuvad proovid kokku infrapuna (IR) kiirgusega. Seejärel mõjutab IR-kiirgus proovis oleva molekuli aatomvibratsiooni, mille tulemuseks on energia spetsiifiline neeldumine ja/või ülekanne. See muudab FTIR-i kasulikuks proovis sisalduvate spetsiifiliste molekulaarsete vibratsioonide määramiseks.
Teatatud on paljudest tehnikatest FTIR-analüüsi üksikasjalikuks selgitamiseks. Enamik pabereid ei kirjeldanud siiski üksikasjalikult FTIR-i tulemuste lugemisest ja tõlgendamisest. Tegelikult on algajate teadlaste ja üliõpilaste jaoks üksikasjaliku mõistmise viis vältimatu.
Selle aruande eesmärk oli arutada ja selgitada, kuidas lugeda ja tõlgendada FTIR-andmeid orgaanilises materjalis. Seejärel võrreldi analüüsi kirjandusega. Esitati samm-sammult meetod FTIR-andmete lugemiseks, sealhulgas lihtsate ja keerukate orgaaniliste materjalide ülevaatamine.
2. PRAEGUSED TEADMISED FTIR SPEKTRI MÕISTMISEKS
2.1. Spekter FTIR-analüüsi tulemuses.
FTIR-analüüsist saadud peamine idee on mõista, mis on FTIR-spektri tähendus (vt FTIR spektri näidet joonisel 1). Spektri tulemuseks võivad olla andmed „neeldumise versus lainearvu” või „ülekande versus lainearvu”. Selles artiklis käsitleme ainult „imendumist versus lainearvu” kõverad.
Lühidalt öeldes on IR-spekter jagatud kolmeks lainearvu piirkonnaks: kaug-IR-spekter (<400 cm -1), keskmine IR-spekter (400—4000 cm-1) ja IR-lähedane spekter (4000-13000 cm-1). Proovi analüüsis kasutatakse kõige laialdasemalt keskmist IR-spektrit, kuid kaug-ja lähedane IR-spekter aitab kaasa ka analüüsitud proovide kohta teabe andmisele. See uuring keskendus FTIR-i analüüsile keskmises IR-spektris.
Keskmine IR-spekter on jagatud neljaks piirkonnaks: i) ühe sideme piirkond (2500—4000 cm-1), ii) kolmekordse sideme piirkond (2000-2500 cm-1), iii) kaksiksideme piirkond (1500—2000 cm- 1) ja (iv) sõrmejälgede piirkond (600—1500 cm-1). Skemaatiline IR-spekter on saadaval joonisel 1 ja iga funktsionaalrühma spetsiifiline sagedus on saadaval tabelis 1.
Joonis 1. Keskmise IR spektri piirkonnad
2.2. Samm-sammult analüüsiprotseduur.
FTIR-i tõlgendamiseks on viis sammu:
Samm 1: neeldumisribade arvu tuvastamine kogu IR-spektris. Kui proovil on lihtne spekter (sellel on vähem kui 5 neeldumisriba, on analüüsitud ühendid lihtsad orgaanilised ühendid, väikese massiga molekulmass või anorgaanilised ühendid (näiteks lihtsad soolad). Kuid kui FTIR-spektril on rohkem kui 5 neeldumisriba, võib proov olla keeruline molekul.
2. samm: Ühe sideme ala tuvastamine (2500-4000 cm-1). Selles piirkonnas on mitu tippu:
(1) Lai neeldumisriba vahemikus 3650 kuni 3250 cm-1, mis näitab vesiniksidemet. See riba kinnitab hüdraadi (H2O), hüdroksüül (-OH), ammooniumi või amino olemasolu. Hüdroksüülühendi puhul peaks sellele järgnema spektrite olemasolu sagedustel 1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1. Kui aga 3670 ja 3550 cm-1 absorptsioonipiirkondades toimub järsk intensiivsusega imendumine, võimaldab see ühendil sisaldada hapnikuga seotud rühma, näiteks alkoholi või fenooli (illustreerib vesiniksideme puudumist).
(2) Kitsas riba üle 3000 cm-1, mis näitab küllastumata ühendeid või aromaatseid rõngaid. Näiteks imendumise olemasolu lainenumber vahemikus 3010—3040 cm-1 kinnitab lihtsate küllastumata olefiinühendite olemasolu.
(3) Kitsas riba alla 3000 cm-1, millel on alifaatsed ühendid. Näiteks pika ahelaga lineaarsete alifaatsete ühendite neeldumisriba on tuvastatud temperatuuril 2935 ja 2860 cm-1. Sidemele järgnevad tipud vahemikus 1470—720 cm-1.
(4) Aldehüüdi spetsiifiline piik vahemikus 2700—2800 cm-1.
3. samm: kolmekordse sideme piirkonna tuvastamine (2000—2500 cm-1) Näiteks kui piik on 2200 cm-1 juures, peaks see olema neeldumisriba C⁄C. Tiigile järgneb tavaliselt täiendavate spektrite olemasolu sagedustel 1600—1300, 1200—1000 ja 800—600 cm-1.
4. samm: Kaksiksideme piirkonna tuvastamine (1500—2000 cm-1) Topeltsideme võib olla karbonüül (C = C), imino (C = N) ja aso (N = N) rühmad.
(1) 1850—1650 cm-1karbonüülühendite jaoks
(2) Üle 1775 cm-1, teavitades aktiivseid karbonüülrühmi, nagu anhüdriidid, halogeniidhapped või halogeenitud karbonüül või rõngkarbonüülsüsinikud, nagu laktoon või orgaaniline karbonaat.
(3) Vahemik vahemikus 1750—1700 cm-1, kirjeldades lihtsaid karbonüülühendeid, nagu ketoonid, aldehüüdid, estrid või karboksüül.
(4) Alla 1700 cm-1, vastav amiidide või karboksülaatide funktsionaalne rühm.
(5) Kui toimub konjugatsioon teise karbonüülrühmaga, väheneb kaksiksideme või aromaatse ühendi tippintensiivsus. Seetõttu võib konjugeeritud funktsionaalsete rühmade, nagu aldehüüdid, ketoonid, estrid ja karboksüülhapped, olemasolu vähendada karbonüülimendumise sagedust.
(6) 1670 - 1620 cm-1küllastumata sideme jaoks (kahekordne ja kolmekordne side) .Täpsemalt on tipp 1650 cm-1 kahekordse sideme süsiniku või olefiini puhul ühendid (C = C). Tüüpilised konjugatsioonid teiste kaksiksidemete struktuuridega nagu C = C, C = O või aromaatsed rõngad vähendavad intensiivsuse sagedust intensiivsete või tugevate neeldumisribade korral. Küllastumata sidemete diagnoosimisel on vaja kontrollida ka imendumist alla 3000 cm-1. Kui neeldumisriba on tuvastatud temperatuuril 3085 ja 3025 cm-1, on see ette nähtud C-H jaoks. Tavaliselt on C-H imendumine üle 3000 cm-1.
(7) Tugev intensiivsus vahemikus 1650—1600 cm-1, teavitades kaksiksidemeid või aromaatseid ühendeid.
(8) Ajavahemikus 1615—1495 cm-1, reageerivad aromaatsed rõngad. Need ilmusid kahe neeldumisriba komplektina umbes 1600 ja 1500 cm-1.Nendele aromaatsetele rõngastele järgnesid tavaliselt nõrk kuni mõõdukas neeldumine piirkonnas vahemikus 3150—3000 cm-1 (C-H venitamiseks) .Lihtsate aromaatsete ühendite puhul võib täheldada ka mitut riba vahemikus 2000—1700 cm-1 mitme nõrga intensiivsusega riba kujul. Samuti toetab see aromaatse rõnga neeldumisriba (1600/1500 cm-1 neeldumissagedusel), nimelt C-H painutusvibratsiooni keskmise neeldumise intensiivsusega tugevaks, millel on mõnikord üks või mitu neeldumisriba, mida leidub piirkonnas vahemikus 850 kuni 670 cm-1.
5. samm: sõrmejälgede piirkonna tuvastamine (600-1500 cm-1)
See piirkond on tavaliselt spetsiifiline ja ainulaadne. Vt üksikasjalikku teavet tabelis 1. Kuid võib leida mitmeid identifitseerimisi:
(1) Vahemikus 1000 kuni 880 cm-1 mitme riba neeldumiseks on 1650, 3010 ja 3040 cm-1 neeldumisribad.
(2) C-H (tasapinnaline painutamine) puhul tuleks see kombineerida neeldumisribadega temperatuuril 1650, 3010 ja 3040 cm-1, millel on omadused ühendi küllastumatus.
(3) Vinüüliga seotud ühendi puhul umbes 900 ja 990 cm-1 vinüülklemmide tuvastamiseks (-CH = CH 2), vahemikus 965—960 cm-1 trans-satreerimata vinüülile (CH = CH) ja umbes 890 cm-1 kahekordsete olefiinsidemete jaoks üksikvinüülis (C = CH 2).
(4) Aromaatse ühendi puhul on ühekordne ja tugev neeldumisriba orto puhul umbes 750 cm-1 ja para puhul 830 cm-1.
Tabel 1. Funktsionaalne rühm ja selle kvantifitseeritud sagedused.