Knjiga koja je pred vama namijenjena je onima, koj i po prvi puta žele primijeniti infracrvenu spektroskopiju u karakterizaciji, identifikaciji ili određivanju neke tvari. Najprije se treba upoznati sa spektroskopskim tehnikama u podračju molekulskih vibracija. Osim temeljnog znanja iz kemije i fizike ne pretpostavlja se nikakvo posebno znanje. Čitatelja se najprije upoznaje s konstrukcijom i rukovanjem različitim spektrometrima kao i mnogobrojnim metodama za pripravu uzoraka i mjerenja. Napokon se na prikladnim primjerima ovladava vještinom kvalitativne interpretacije spektra, pri čemu se uvodi i u najnoviji razvoj uz podršku računala. Odlomci o kvantitativnoj analizi, posebnim područjima primjene i srodnim metodama vibracijske spektroskopije, kao što je Ramanova spektroskopija, zaokražuju temeljno znanje. Upute u daljnju literatura omogućuju orijentaciju pri rješavanju posebnih pitanja.
Pojedinačne teme uglavnom su samostalno obrađene, tako da se poglavlja mogu neovisno čitati. Odgovarajućim uputama usmjerava se na neophodna predznanja iz prijašnjih odlomaka. Time se početniku omogućuje brz pristup radu na jednostavnom infracrvenom spektrometra, „ispravnoj“ pripravi uzorka i samom mjerenju. Za optimalno korištenje mnogobrojnih mogućnosti koje praža infracrvena spektroskopija ipak se preporača sustavno proučavanje čitavog gradiva.
Naravno, teorijska razmatranja u ovome se uvodu kratko obrađuju, iako je infracrvena spektroskopija u području istraživanja molekulske strakture i molekulske dinamike moćna metoda, kao npr. primjena spektrometara s Fourierovom transformacijom (FT) i laserima. Za detaljno razmatranje tih pitanja upućujemo na druga djela, jer u ovoj knjizi prednost imaju praktična analitička pitanja.
Udžbenik „Uvod u infracrvenu spektroskopiju“ nakon trećega izdanja doživljava nove promjene. Danas u laboratorijima prevladavaju FT spektrometri, čije mogućnosti su proširene s obzirom na željeni odnos signal/šum, spektralno razlučivanje i šira korisna spektralna podračja od vidljivog do dalekog infracrvenog. Zahvaljujući boljim uređajima i tehnikama kao i uključenju računala, analitički laboratorij raspolaže mnogostranom fizikalnom metodom za brzu identifikaciju i kvantitativno određivanje tvari s granicom određivanja do u piko-gramsko područje.
Buran razvoj otvorio je infracrvenoj spektroskopiji i nova područja primjene. Osim temeljnog istraživanja u molekulskoj spektroskopiji i svakodnevnoj ratinskoj analizi, ona se koristi npr. pri kontroli procesa, rješavanju bioloških problema i u kliničko-kemijskom laboratoriju, da spomenemo samo neka podračja.
Pošto je H. M. Heise, znanstvenik u Institutu za spektrokemiju i primijenjenu spektroskopiju u Dortmundu znamo proširio i preradio treće izdanje, za aktualno četvrto izdanje nužne preinake i dodatke preuzeo je H.U. Gremlich, voditelj Laboratorija za optičku spektroskopiju i oslikavanje pri tvrtki Novartis u Baselu.
Veselimo se što je naša knjiga stekla brojne prijatelje i nadamo se da će i četvrto, prerađeno izdanje naići na jednak odjek. U smislu želje za daljnjim poboljšanjem unaprijed zahvaljujemo pažljivom čitatelju na kritičkim primjedbama.
Citatelju želimo mnogo novih spoznaja kao i uspjeh pri praktičnoj primjeni naučenog.
Weinheim i Basel, Helmut Gunzler
svibanj 2003. Hans-Ulrich Gremlich
Povod izdavanju udžbenika o infracrvenoj spektroskopiji bio je izraziti nedostatak prikladne literature o spektroskopiji na hrvatskom jeziku. Nakon klasičnih djela G. Herzberga (1945) te E. B. Wilsona, J. C. Deciusa i P. C. Crossa (1955), u razvijenom svijetu objavljeno je na desetke kvalitetnih knjiga o jednoj od najstarijih, najrazvijenijih i najprimjenjivanijih spektroskopskih metoda. U tome bogatom izboru uzeli smo u obzir da razina i sadržaj teksta moraju biti u skladu s potrebama većine studenata kemije i srodnih struka kao i spektroskopičara i analitičara u Hrvatskoj. Prevoditelji su se odlučili za prijevod trećega njemačkog izdanja knjige ,,IR-Spektroskopie. Eine Einfuhrung“ Helmuta Gilnzlera, glavnoga autora ovog popularnog i cijenjenog teksta. Recenzenti prijevoda u izdanju „Školske knjige“ izrazili su se vrlo povoljno, a Povjerenstvo za izdavačku djelatnost Sveučilišta u Zagrebu prihvatilo ga je kao sveučilišni udžbenik. Po završetku prijevoda izašlo je četvrto njemačko izdanje, a izdavač originala Wiley-VCH tražio je da se prijevod uskladi s tim potpuno prerađenim i moderniziranim tekstom, kojem je koautor H-U. Gremlich. Dok su prevoditelji trećega izdanja bili Z. Meić i G. Baranović, usklađivanje prijevoda s četvrtim izdanjem preuzeo je samo Z. Meić.
Početno oduševljenje projektom prevođenja zanimljive i korisne knjige zamijenile su brojne praktične muke, od suočenja s pristiglim vremenskim terminima do formulacija rečenica a povrh svega izbora stručnih izraza. Osim neizbježnih teškoća prevođenja znanstvenih i stručnih termina sa stranih jezika, dilema je i u izboru između opcija (npr. molekulski ili molekularni). G. 1982. izdan je u Zagrebu Englesko-hrvatski rječnik spektroskopskog nazivlja u kojemu je izbor pojmova relativno ograničen. Nazivlje koje se koristi u aktualnom prijevodu prevladava na većini hrvatskih fakulteta i znanstvenih instizuta i preuzeto je kao standardno.
Na temelju višegodišnjeg iskustva prevoditelji su uvjereni da će pojava ovoga udžbenika naići na znatno zanimanje i nadaju se povoljnom odjeku među studentima, znanstvenicima, asistentima i nastavnicima koji imaju doticaja sa spektroskopijom. Iako je u realnim okolnostima teško predvidjeti hoće li biti daljnjih izdanja, bili bismo zahvalni na primjedbama i prijedlozima korisnika i ostalih čitatelja knjige. S obzirom na velik broj stručnjaka u nastavi, istraživanju i praksi vjerajemo da će se netko i kritički osvrnuti na ovaj prijevod. Pri tome mislimo ne samo na jezični, nego prije svega na stručni aspekt teksta.
Prevoditelji zahvaljuju recenzentima na brojnim korisnim primjedbama i savjetima, kao i dr. sc. Vlasti Allegretti Zivčić i dipl. inž. Tomislavu Biljanu na iscrpnoj pomoći u priređivanju rukopisa. Osobito zahvaljujemo prof. dr. sc. Tomislavu Cvitašu na pomoći u usklađivanju oznaka s preporukama IUPAC. Zahvaljujemo Povjerenstvu za izdavačku djelatnost Sveučilišta u Zagrebu na uvrštavanju knjige u sveučilišne udžbenike. Z. Meić posebno zahvaljuje Dunji na pomoći u prevođenju i strpljenju tijekom toga mukotrpnog posla.
U Zagrebu, travnja 2005. g.
Zlatko Meić Goran Baranović
Sadržaj
1. Uvod
1.1. Razvoj infracrvene tehnike
1.2. Mogućnosti primjene IR spektroskopije
1.2.1. Izravno svjedočenje o strukturi
1.2.2. Identifikacija tvari usporedbom spektara
1.2.3. Kvantitativna analiza
1.2.4. Daljnje primjene
2. Apsorpcija i građa molekule
2.1. Osnove
2.1.1. Elektromagnetsko zračenje
2.1.1.1. Priroda elektromagnetskog zračenja
2.1.1.2. Veličine i jedinice
2.1.1.3. Energija zračenja
2.1.2. Građa molekule
2.1.2.1. Atom
2.1.2.2. Molekula
2.1.3. Interakcija elektromagnetskog zračenja i molekule
2.2. Apsorpcija IR zračenja
2.2.1. IR spektri dvoatomnih molekula
2.2.1.1. Rotacijski spektri
2.2.1.2. Vibracijski spektri
2.2.1.3. Rotacijsko-vibracijski spektri
2.2.2. IR spektri višeatomnih molekula
2.2.2.1. Normalne vibracije
2.2.2.2. Načini vibriranja
2.2.2.3. Viši tonovi i kombinacijske vibracije
2.2.2.4. Fermijeva rezonancija
2.2.2.5. Oblicivrpci
2.2.2.6. Simetrijska svojstva molckula
3. Spektrometar
3.1. Građa
3.2. Izvori zračenja
3.3. IR detektori
3.3.1. Termički detektori
3.3.2.Fotodetektori
3.4. Spektralno razdvajanje
3.4.1. Disperzijski spektrometar
3.4.1.1. Difrakcijska rešetka
3.4.1.2. Interferencijski linearni filter (engl. graded filter)..
3.4.1.3. Akustičko-optički prilagodljivi filter (AOTF)
3.4.1.4. Spektralna širina pukotina, razlučivanje
3.4.1.5. Raspršeno zračenje
3.4.2. Spektrometar s Fourierovom transformacijom
ili FT spektrometar
3.4.2.1. Snimanje sirovih podataka i Fourierova transformacija
3.4.2.2. Sastavni dijelovi FT spektrometra
3.4.3. Praktične upute za mjerenje spektara
3.5. Obrada spektara
4. Priprema uzoraka
4.1. Opće napomene
4.1.1. Količina tvari
4.1.2. Zahtjevi u pogledu čistoće
4.1.2.1. Spektri čistih tvari, usporedbeni spektri
4.1.3. Vlažnost
4.1.4. Mjere opreza
4.2. Čvrste tvari
4.2.1. Tehnika prešanja KBr pastila
4.2.1.1. Materijali za pripravu pastila
4.2.1.2. Čistoća i pripravljanje kalijeva bromida
4.2.1.3. Sprave za prešanje KBr pastila
4.2.1.4. Priređivanje pastila
4.2.1.5. Mikropastile
4.2.1.6. Smetnje zbog Christiansenova efekta
4.2.1.7. Smetnje zbog reakcije s matricom
4.2.1.8. Kvantitativna analiza
4.2.2. Suspenzije u ulju
4.2.3. Film iz taline
4.2.4. Folije
4.2.4.1. Tlačenje folija
4.2.4.2. Lijevanje folija iz otopine
4.2.4.3. Mikrotomni odresci
4.2.4.4. Općenite upute za pripravljanje folija
4.2.4.5. Držač za folije
4.2.5. Folije kao supstrat uzorka
4.3. Tekućine i otopine
4.3.1. Kivete
4.3.1.1. Prozorčići kiveta
4.3.1.2. Postupanje s prozorčićima za kivete i njihovo održavanje
4.3.1.3. Rastavljive kivete
4.3.1.4. Kivete s definiranom stalnom debljinom sloja (fiksne kivete)
4.3.1.5. Kivete s promjenljivom debljinom sloja
4.3.2. Tekućine
4.3.3. Otopine
4.3.3.1. Otapala
4.3.3.2. Čistoća otapala
4.3.3.3. Područja koncentracije
4.3.3.4. Priprava otopina
4.3.3.5. Efekti otapala
4.3.3.6. Mikrotehnika s otopinama
4.4. Plinovi
4.4.1. Plinske kivete
4.4.2. Punjenje plinskih kiveta
4.4.3. Ovisnost koeficijenta apsorbancije u spektrima plinova o ukupnom tlaku
4.4.4. Mikrometode s plinovima
4.4.5. Istraživanje plinova u tragovima
5. Posebne istraživačke tehnike
5.1. Refleksijske metode
5.1.1. Mjerenje vanjske refleksije
5.1.1.1. Fresnelova refleksija
5.1.1.2. Refleksijsko-apsorpcijska spektroskopija
5.1.2. Prigušena totalna refleksija
5.1.3. Difuzna refleksija
5.2. Mikroskopska IR mjerenja
5.3. IR oslikavanje
5.4. Fotoakustična detekcija
5.5. Emisijska IR spektroskopija
5.6. Mjerenja u ekstremnim uvjetima
5.6.1. Kriometode
5.6.2. Spektroskopija na visokoj temperaturi
5.6.3. Mjerenja pri visokom tlaku
5.7. Mjerenja polariziranim zračenjem
5.8. Kombinacija IR spektroskopije s kromatografskim metodama
5.8.1. Plinska kromatografija/IR spektroskopija
5.8.2. Tankoslojna kromatografija/IR spektroskopija
5.8.3. HPLC/IR i SFC/IR spektroskopija
6. Kvalitativna interpretacija spektara
6.1. Temelji
6.1.1. Infracrveni spektar
6.2. Prvo razmatranje spektra
6.3. Asignacije opće vrste
6.3.1. Područje otiska prstiju
6.3.2. Skupinske vibracije
6.4. Infracrveni spektri pojedinih razreda spojeva [11]
6.4.1. Alkani
6.4.2. Halogeni spojevi
6.4.3. Alkeni
6.4.4. Molekule s trostrukim vezama
6.4.5. Aromatski spojevi – vibracije kostura
6.4.6. Eteri
6.4.7. Acetali i ketali
6.4.8. Alkoholi
6.4.9. Vodikove veze
6.4.10. Kelati
6.4.11. Karbonilni spojevi
6.4.11.1.Ketoni
6.4.11.2. Aldehidi
6.4.11.3. Karboksilne kiseline
6.4.11.4. Kiselinski kloridi
6.4.11.5. Esteri
6.4.11.6. Anhidridi karboksilnih kiselina
6.4.11.7. Amidi
6.4.11.8. Derivati ugljične kiseline
6.4.12. Dušikovi spojevi
6.4.12.1. Amini
6.4.12.2. Dvostruka veza C=N
6.4.12.3. Nitro-skupina
6.4.12.4. Organski nitrati, nitramini, nitriti i nitrozamini….
6.4.12.5. Azo-, azoksi- i nitrozo-spojevi
6.4.13. Spojevi s kumuliranim dvostrukim vezama
6.4.14. Aromatski spojevi: utjecaji supstituenata
6.4.14.1. Aromatski ugljikovodici
6.4.14.2. Aromatski halogeni spojevi
6.4.14.3. Aromatski eteri
6.4.14.4. Fenoli
6.4.14.5. Aromatski amino-spojevi
6.4.14.6. Aromatski nitro-spojevi
6.4.14.7. Aromatski karbonilni spojevi
6.4.14.8. Aromatske konjugirane trostruke veze i kumulirane dvostruke veze
6.4.14.9. Aromatski oksimi, imini i azo-spojevi
6.4.15. Heterocikli
6.4.16. Borovi, silicijevi, sumporovi i fosforovi spojevi
6.4.16.1. Borovi spojevi [25, 26]
6.4.16.2. Silicijevi spojevi [6]
6.4.16.3. Sumporovi spojevi [6]
6.4.16.4. Fosforovi spojevi [27, 28]
6.4.17. Anorganski spojevi
6.5. Uzroci pomaka vrpci; utjecaji na spektar
6.5.1. Utjecaj mase
6.5.2. Steričke interakcije
6.5.3. Rezonantni efekti
6.5.4. Induktivni efekti
6.5.5. Interakcija dipol-dipol (efekt polja)
6.5.6. Intermolekulske interakcije
6.6. Interpretacija spektara kao višedimenzijska zadaća
6.6.1. Korelacije vrpce – struktura
6.6.2. Usporedba spektara
6.6.3. Primjeri spektralne interpretacije
6.7. Posebnosti i artefakti (patvorine)
6.8. Proračun spektara
7. Kvantitativni prikaz spektara
7.1. Osnove
7.1.1. Lambert-Beerov zakon
7.1.2. Određivanje debljine sloja
7.1.3. Određivanje apsorbancije
7.1.4. Apsorpcijski koeficijent
7.2. Baždarenje
7.2.1. Korekcija osnovne linije za određivanje apsorbancije
7.2.2. Odmjeravanje baždarnih podataka
7.2.3. Višekomponentna analiza s odvojenim analitičkim vrpcama
7.2.4. Procjena relativnih vrijednosti apsorbancije
7.2.4.1. Kvantitativno mjerenje tekućina
7.2.4.2. Kvantitativno mjerenje s pastilama
7.2.5. Kvantitativna analiza plinova
7.3. Interpretacija kvantitativnih rezultata
7.3.1. Srednja vrijednost i standardno odstupanje
7.3.2. Raspršenje pojedinačnih vrijednosti i interval pouzdanosti srednjih vrijednosti
7.3.3. Slučajne i sustavne pogreške
7.4. Baždarne funkcije i područja pouzdanosti
7.4.1. Linearna regresija
7.4.2. Posebne referentne veličine u postupku
7.5. Višekomponentna analiza s multivarijantnom procjenom
7.5.1. Klasična gradnja modela
7.5.2. Statistička gradnja modela
8. Spektroskopija u bliskom i dalekom infracrvenom području te srodni postupci
8.1. Spektralna područja izvan srednjeg infracrvenog područja
8.1.1. Kratkovalno (blisko) infracrveno područje
8.1.1.1. Usporedba bliskog i srednjeg infracrvenog područja
8.1.1.2. Primjene spektroskopije u bliskom infracrvenom području
8.1.2. Dugovalno (daleko) infracrveno područje
8.2. Infracrvena laserska spektroskopija
8.3. Ramanova spektroskopija
8.3.1. Fizičke osnove
8.3.2. Građa uređaja
8.3.2.1. Uobičajeni spektrometri s rešetkama
8.3.2.2. Ramanov spektrometar s Fourierovom transformacijom
8.3.3. Primjene
8.3.3.1. Asignacija vibracijskih vrpci
8.3.3.2. Vodene otopine
8.3.3.3. Kvantitativna analiza
8.3.3.4. Istraživanje čvrstih tvari
9. Usporedni spektri i ekspertni sustavi
9.1. Zbirke spektara
9.1.1. Usporedne zbirke
9.1.2. Digitalne biblioteke spektara
9.1.3. Spektroskopija na Internetu
9.2. Pretraga uz podršku računa
9.2.1. Pretraga pomoću biblioteke
9.2.2. Povezivanje raznih vrsta spektroskopije
9.3. Interpretacijski sustavi
9.3.1. Interpretacija računalom prema empirijskim pravilima
9.3.2. Multivarijantna metoda za interpretaciju spektara..
9.3.3. Metoda prepoznavanja uzorka
(engl. Pattern Recognition)
9.4. Kvalitativna analiza smjesa
10. Prilog
10.1. Položaji najvažnijih vrpci smetnje u infracrvenom spektru
10.2. Spektri važnih otapala
Kazalo pojmova i spektara
1. Uvod
1.1. Razvoj infracrvene tehnike
U okviru svojeg istraživanja o raspodjeli energije u Sunčevu spektru, Herschel je godine 1800. izveo eksperiment koji je bio od temeljnog značenja za razvoj infracrvene spektroskopije[l].
Sunčevo svjetlo koje je kroz prizmu ulazilo u eksperimentalni prostor razlagalo se na svoje spektralne boje što se opažalo na površini stola. Tu je bilo poredano više živinih termometara sa zamjenom kuglom radi izučavanja raspodjele topline. Iznenađujući rezultat pokusa je bio da temperatumi maksimum nije nađen u području najveće fiziološke osjetljivosti na svjetlost − npr. u žuto-zelenom − nego s onu stranu crvenog, u području nevidljiva zračenja. U daljnjem istraživanju Herschel je dokazao da se tu ne radi o novoj vrsti zračenja, nego se ono podvrgava zakonima optike jednako kao i vidljiva svjetlost. To područje nazvao je infracrvenim.
Tako dugo dok su samo termometar, a od 1830. g. i termoelement i termostup, stajali na raspolaganju pri dokazivanju infracrvenog zračenja, podrobniji eksperimenti jedva da su bili mogući. Točnija mjerenja valne duljine mogla su uslijediti tek nakon 1880. pošto je Langley uveo bolometar − otporni termometar. Svojim je mjerenjima Rubens, metodom koja je kasnije po njemu nazvana metodom preostalog zračenja, prodro do područja valnih duljina oko 300 gr. Ta su mjerenja dopuštala nagađanje o kontinuiranom prijelazu od vidljivog područja spektra preko područja infracrvenog zračenja sve do Hertzovih valova.
Nakon razvoja dovoljno osjetljivih detektora, izuzetno važnih za mogućnost mjerenja IR spektara s dobrim razlučivanjem, bilo je pronalaženje odgovarajućih materijala za prizme i konačno uvođenje echelettenih rešetki na početku 20. stoljeća.
Ipak je i nakon toga infracrveno zračenje u biti bilo fizički fenomen čije je detaljno proučavanje bila domena fizičara dokle god je snimanje spektra iziskivalo mnoge sate predanog rada i koje se moralo izvoditi noću, u zamračenim i dobro zagrijanim podramskim prostorijama radi konstantnog održavanja uvjeta za pokuse. Infracrveno spektralno područje zadobilo je puno značenje za spektralnu analizu nakon što su mogli biti izrađeni potpuno automatizirani spektralni fotometri. Ostvarenje takvog uređaja dogodilo se 1937. godine, a izveo ga je Lehrer iz akcijskog društva BASF u Ludwigshafenu na Rajni [2], Nakon 1940. započeo je − prije svega u SAD − silovit tehnički razvoj uređaja, pa je tako od 1950. godine moguće snimiti dobro razlučeni IR spektar za nekoliko minuta u uobičajenom laboratorijskom prostoru. Već 1946. godine objavljen je prvi opsežan i sistematiziran katalog inlfacrvenih apsorpcijskih spektara za analitičke svrhe [3].
Dok se pristupačno spektralno područje u neposrednoj blizini područja 2 do 15 μm pružalo u etapama također i do 50 μm, samo uz upotrebu različitih materijala za prizme i visokorazvijenih i skupih tehnika pregradnje, područje između 2 i 50 μm sa spektrometrima s rešetkama pristupačno je bez prekida i potpuno automatski. Najnoviji razvoj u 60-im godinama dopustio je, primjenom tehnike Fourierove transformacije, zahvaćanje cijelog područja između 780 nm i 2000 pm. Prva upotreba interferometra u spektroskopiji potječe još od Michelsona. Detaljna rasprava o povijesti nastajanja aparature koju je on predložio objavljena je povodom stote obljetnice [4]. Prednosti interferometrijske tehnike, nasuprot disperzijskoj, bile su poznate već u pedesetim godinama (između ostalih i Fellgetu), pa ipak se prvi kupovni FT spektrometar pojavio tek nakon 1960. Jedan od problema bila je Fourierova transformacija interferograma koja je s tadašnjim računalima bila ekstremno zahtjevna. Ponovno otkriće algoritma FFT (Fast Fourier Transform − brza Fourierova transformacija) 1965. izuzetno je djelovalo na širenje te interferometrijske tehnike. Kao posljedica kompjutorske revolucije u osamdesetim godinama ona je postigla takvu dominaciju da se u većini slučajeva samo još termin FT-IR pojavljuje u publikacijama.
Opširan i nadalje aktualan povijesni pregled razvoja ukupne infracrvene tehnike zainteresirani čitatelj može naći u Jonesovu prilogu [5].
1.2. Mogućnosti primjene IR spektroskopije
Veliko značenje IR spektroskopije temelji se na visokoj informacijskoj vrijednosti spektra i na raznovrsnim mogućnostima mjerenja uzoraka i pripravljanja supstancija. Stoga se IR spektroskopija razvila u jednu od najvažnijih metoda rada, kako za preparativnog, tako i za analitičkog kemičara. Ona je u ravnopravnom položaju sa spektroskopijom nukleame magnetske rezonancije (NMR spektroskopija), masenom spektrometrijom (MS) i ultraljubičastom (UV) spektroskopijom i sposobna je − ovisno o vrsti problema, samostalno ili u prikladnoj kombinaciji s bilo kojom od njih − doprijeti do željenog rezultata ili barem tomu pridonijeti. Za što je moguće efikasniju primjenu IR tehnike, poznavanje njezinih mogućnosti i granica od odlučujućeg je značenja [6], Stoga je u nastavku potrebno dati kratak uvodni pregled koje se izuzetno značajne informacije mogu dobiti iz IR spektra, kako bismo čitatelja stavili u položaj da se u najkraćem vremenu informira o osnovnim uvjetima primjenjivosti metode za pojedini poseban slučaj. Doduše, pritom je neizbježno služititi se pojedinim pojmovima koje ćemo definirati u kasnijim poglavljima.
1.2.1. Izravno svjedočenje o strukturi
Pod neposrednim dokazima razumijevamo one koji se mogu dobiti iz spektara nepoznatog uzorka bez pomoći tvari za uspoređivanje, a samo na temelju teorijski ili empirijski izvedenih međuovisnosti. U IR spektroskopiji postoji takva povezanost između položaja apsorpcijskih vrpci unutar određenog područja na apscisi spektra i određenih strukturnih skupina. Tako se može prepoznati, ,,na prvi pogled”, primjerice postojanje ili nepostojanje karbonilnih, hidroksilnih, aminoskupina ili nitrilnih skupina, a također i dvostrukih veza, aromata i mnogih dragih straktumih elemenata, ako ne sa sigurnošću, onda barem s vrlo visokom vjerojatnošću. Točnije istraživanje položaja i intenziteta tih vrpci, uzimajući u obzir draga podračja u spektrima i, ako ustreba, uz pomoć empirijski izvedenih korelacijskih tablica iz literature [7, 8], dopušta u većini slučajeva gotovo točno pridraživanje prepoznate struktume skupine ketonu, kiselini ili esteru; primamom, sekundamom ili tercijamom alkoholu; supstituiranom aromatskom prstenu, i slično. Mogućnost izravnog dokazivanja straktumih skupina, koje je dragim metodama višestrako teže ili pak uopće nije moguće prepoznati, čini bitno obilježje IR spektroskopije i utemeljuje njezino značenje kao jedne od najvažnijih metoda instramentalne analitike. Težište empirijske primjene bez sumnje je u razjašnjavanju strakture organskih molekula, iako i anorganske atomske skupine očituju karakteristične apsorpcijske spektre.
1.2.2. Identifikacija tvari usporedbom spektara
Položaj i intenzitet apsorpcijskih vrpci neke tvari jesu njezine izuzetno specifične odlike. Zbog toga je IR spektar kao vrlo karakteristično svojstvo, kakvo su i otisci prstiju ljudi, moguće iskoristiti za identificiranje. Visoka specifičnost temelji se na dobroj reproducibilnosti s kojom koordinate apsorpcijskih maksimuma (općenito, valni broj i transmitancija ili propusnost) mogu biti izmjerene. Za identificiranje su, naravno, osobito pogodne takve vrpce koje se mogu pripisati ugljikovu skeletu molekule. Apsorpcijske vrpce te vrste nalaze se, s vrlo velikom učestalošću, u lako dostupnom frekvencijskom podračju između 1500 i 1000 cnr ‘ zbog čega se ovaj isječak spektra često označava kao „daktiloskopsko podračje”.
Osim toga, dva su faktora odlučujuća za uspješno identificiranje tvari pomoću IR spektra:
1. općenito velik broj opservabilnih apsorpcijskih maksimuma. Osim za molekule visoke simetrije i manjeg broja atoma, pokazuje se u tome podračju najmanje 5, uglavnom 10 − 30, a katkada i više vrpci;
2. velik broj već izmjerenih i za usporedbu dostupnih IR spektara. Broj spektara koji je u različitim zbirkama katalogiziran i u literaturi objavljen do danas iznosi više od 150 000 [9].
Pri tako velikom opsegu materijala za uspoređivanje, pretraživanje spektara jedva se više može obaviti bez pomoći računala. Razvijeni su različiti sustavi koji omogućuju pronalaženje spektra nepoznatog spoja na temelju apsorpcijskih vrpci, ili olakšavaju potragu za usporedbenim spektrom uz pomoć sumarne formule (iz elementne analize) u popisu koji je na odgovarajući način uređen. Za odlučujući korak na tome području bilo je potrebno korištenje elektroničkih tehnika za obradu podataka, uz čiju nam pomoć uspijeva jedan nepoznati spektar usporediti sa svim katalogiziranim i objavljenim IR spektrima za nekoliko minuta.
1.2.3. Kvantitativna analiza
Ako je I0 intenzitet monokromatskog zračenja koje upada na uzorak, a I je intenzitet zračenja propuštenog kroz uzorak, tada se odnos I/I0 označava kaopropusnost uzorka. Ona ima simbol Ti nanosi se na osi y nekoga spektra. Postotak propusnosti (% T) iznosi 100 x Za mjemu kivetu debljine b i apsorbirajući sastojak koncentracije c temeljna jednadžba za opis apsorpcije zračenja glasi
T = I/I0 = 10-abc
Pri tome je a apsorpcijski koeficijent koji je karakterističan za određeni uzorak pri određenoj valnoj duljini. Ta se jednadžba obično prevodi u logaritamski oblik, pri čemu se I/I0 zamjenjuje zbog eliminacije negativnoga predznaka s IJT.
log10 I0/I = abc
Izraz log I0/I zove se apsorbancija sa simbolom A. Ta je relacija poznata kao Bouguer-Lambert-Beerov zakon ili jednostavno Beerov zakon i opisuje ovisnost apsorbancije i koncentracije apsorbirajuće tvari kao lineamu funkciju:
A = abc
Jedinica apsorpcijskog koeficijenta a ovisi o jedinicama za h i c. Tako a ima dimenziju 1 mol-1 cm-1 ako je c dan u mol L’, a b u cm. Drugi izrazi za apsorbanciju glase:
A = log10 I/T ili A = log10 100 %/T.
Beerov zakon je aditivan, tj. apsorbancija je pri određenoj valnoj duljini jednaka zbroju vrijednosti abc za svaki pojedini sastojak u smjesi:
A = ∑ ai bi ci.
pri čemu se zbroj odnosi na sve sastojke i. Doduše, time se podrazumijeva da na apsorpciju zračenja jednog sastojka neće utjecati prisutnost ostalih sastojaka.
Beerov zakon vrijedi na osnovi sljedećih uvjeta:
Najprije, strogo uzevši apsorpcijski koeficijent a vrijedi samo za jednu valnu duljinu. Drugo, pretpostavlja se da je apsorpcijski koeficijent a neovisan o koncentraciji i na njega ne utječu npr. agregacijski efekti. Tada je odnos apsorbancije i koncentracije pravac za svaki pojedini sastojak, uz uvjet da su debljina sloja i valna duljina konstantni. Ako Beerov zakon ne vrijedi egzaktno, odnos može biti nelinearan, ali se ipak može primjenjivati na analize. U praksi se odnos apsorbancije i koncentracije empirijski utvrđuje baždarenjem, što znači određivanjem odnosa mjeme vrijednosti i koncentracije s pomoću matematičke relacije. Općenito se preporučuje uključenje cijelog interesantnog područja koncentracija.
S obzirom na te zakonitosti, iz IR spektra može se kvantitativno odrediti svaki sastojak neke smjese, ako se pronađe dovoljno intenzivna vrpca, koju znatnije ne ometaju ostali sastojci smjese ili otapalo. U slučaju neometanih apsorpcijskih vrpci i uz optimalne mjeme uvjete mogu se u kvantitativnoj analizi postići standardna odstupanja do > 0,1 % (usp. odj. 7.3).
S obzirom da većinu procjena rezultata podupire računalo, moguće su analize višekomponentnih smjesa uz prednost širih spektralnih područja i odgovarajućih standardnih uzoraka (tzv. multivarijantno baždarenje; v. odj. 7.5).
Područja koncentracija i količine tvari koje se mogu odrediti s pomoću IR spektroskopije drastično su se promijenile. Nekada se smatralo, da je IR spektroskopija neprikladna za određivanje tragova. Kvantitativne analize provodile su se uglavnom u području od 1 do 100 %, pri čemu su se apsolutne mase nalazile u području mikrograma. Pomoću novih tehnika mogu se odrediti koncentracije ispod 0,01 %, pri čemu se u analizi plinova IR spektrometrijom bez obogaćenja uzorka, npr. primjenom posebnih tehnika, mogu mjeriti volumni udjeli u području ppb. Pomoću tzv. kriotehnika moguće je za identifikaciju brojnih tvari sniziti potrebnu količinu uzorka ispod 1 ng (prema standardu DIN).
Kvantitativnim mjerenjima IR spektroskopijom mogu se slijediti vremenski ovisni procesi, npr. kao tijek kemijskih reakcija i promjene sređenosti stmkture istegnute polimeme folije. Višekratno su određivane konstante brzine reakcija i njihov red, ravnoteže i parametri aktivacije. Još jedan primjer su vremenski razlučena istraživanja bioloških membrana, u kojima se mogu neposredno slijediti struktume promjene.
1.2.4. Daljnje primjene
Osim dosad spomenutih mogućnosti primjene koje su više vezane za praksu, važni podaci o molekulskoj stmkturi izvode se i iz IR spektara. To je razumljivo kada se ima na umu da IR spektar potječe od interakcije elektromagnetskog zračenja i vibracija i rotacija molekule (vibracijsko-rotacijski spektar). Prema tome, iz spektra plinske faze također se mogu izračunati podaci o momentima inercije, duljinama veza, konstantama sila i simetrijskim svojstvima. Općenito se u analizu unose spektri tvari dobiveni u različitim agregatnim stanjima.
IR spektar posebno je značajan za izračunavanje termodinamičkih konstanti, budući da je jedan određeni dio specifičnog toplinskog kapaciteta svake tvari smješten u vibracijskoj energiji atoma. Taj vibracijski dio specifične topline može se, poradi toga, izračunati iz ukupnosti molekulskih vibracija, koja se često određuje uzimajući u obzir i Ramanov spektar.