Kemi

Reflektionsmetoder inom IR-spektroskopi


Reflektionsabsorptionsspektroskopi

princip

En förutsättning för reflektionsabsorptionsspektroskopi (även: infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi = IRRAS) är ett reflekterande substrat (t.ex. metaller) på vilket provet som ska undersökas appliceras. IR-strålen penetrerar provet, reflekteras på substratet och passerar provet en andra gång. Strålningens infallsvinkel är grundare än den för spegelreflektion, eftersom absorptionen då dominerar. Absorptions- eller transmissionsspektra erhålls, en korrigering av spektra är inte nödvändig.

Utrustning

Samma tillbehör används som för riktad reflektionsspektroskopi.

Ansökningar

Undersökning av tunna skikt med en tjocklek av mindre än 1 µm till högst 10 µm, t.ex.

  • Lacker
  • Polymerer
  • monomolekylära skikt
  • biologiska prover
  • tunna lager av material

Titta på Water Migration around a Peptide Bond †

Denna studie stöddes av MEXT (prioriterat område 477 Japan), Core-to-Core-programmet för JSPS och DFG (bidragsnummer DO 729/4). Vi tackar Kenji Sakota (Kyushu University) och Shun-ichi Ishiuchi (Tokyo Institute of Technology) för stimulerande diskussioner. M. Schmies är tacksam för ett Elsa Neumann-stipendium.

Abstrakt

På en slingrande stig: Rörelsen av en enkel vattenligand runt en peptidbindning i acetanilid undersöktes i realtid med tidsupplöst IR-spektroskopi. Utlöst av fotojonisering frigörs vattenliganden från CO-sidan av peptidbindningen och fångas upp på NH-sidan av samma peptidbindning efter en migrationsfas på 5 ps (se bild).

Detaljerade fakta av betydelse för specialistläsare publiceras som "Supporting Information". Sådana dokument är peer-reviewed, men inte kopieringsredigerade eller typsatta. De görs tillgängliga som inlämnade av författarna.

Filnamn Beskrivning
ange_201203296_sm_miscellaneous_information.pdf2,2 MB Diverse Information

Observera: Utgivaren ansvarar inte för innehållet eller funktionen hos någon stödjande information som tillhandahålls av författarna. Alla frågor (förutom saknat innehåll) ska riktas till motsvarande författare för artikeln.

Anmärkning för artiklar publicerade sedan 1962:

Ett sökfel kan ha inträffat.

Det här är tysk version av tillämpad kemi.

Citera inte denna version ensam.

Ta mig till den internationella versionen med citerbara sidnummer, DOI och citatexport.


Tunnare, mindre, snabbare - hur IR-spektroskopi hjälper till att belysa den funktionella mekanismen hos biologiska och biomimetiska system

Institutionen för fysik - Experimentell molekylär biofysik, Free University of Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Tyskland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag /ag -heble / index.html

Kemiska fakulteten - Biofysisk kemi, Bielefeld University, Universitätsstrasse 25, 33615 Bielefeld (Tyskland)

Institutionen för fysik - Experimentell molekylär biofysik, Free University of Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Tyskland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag /ag -heble / index.html

Institutionen för fysik - Experimentell molekylär biofysik, Free University of Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Tyskland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag /ag -heble / index.html

Kemiska fakulteten - Biofysisk kemi, Bielefeld University, Universitätsstrasse 25, 33615 Bielefeld (Tyskland)

Institutionen för fysik - Experimentell molekylär biofysik, Free University of Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Tyskland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag /ag -heble / index.html

Abstrakt

Bra vibrationer: I denna Minireview presenteras nya spektroskopiska metoder för analys av biomolekyler. Forskningen går för närvarande framåt till allt tunnare (ned till ett enda lager), mindre (ned till en enda molekyl) eller snabbare (upp till femtosekund) områden. Ytkänsliga vibrationsspektroskopitekniker som SEIRAS, SFG och SNIM samt ultrasnabba metoder för 1D och 2D IR-spektroskopi presenteras.

Abstrakt

Nya vibrationsspektroskopiska tekniker är mycket lovande metoder för undersökning av biologiska material, eftersom de möjliggör en mycket hög rumslig och tidsmässig upplösning med minimal påverkan på det system som ska undersökas. Denna minireview diskuterar dessa tekniker och deras potentiella implikationer för biologiska och biomimetiska system. Presenterade är z. B. spårning av konformationsförändringar i peptider med fs-upplösning och nm-känslighet med 2D-IR-spektroskopi samt undersökning av effekten av en applicerad membranpotential på individuella protonöverföringssteg inom integrala membranproteiner med ytförstärkt infraröd differensabsorptionsspektroskopi . Vibrationsspektra för ett molekylärt monolager kan registreras med hjälp av summafrekvensgenereringen, medan skanning av närfälts-IR-mikroskopi gör det möjligt att registrera kemiska bilder av en yta med en lateral upplösning på <50 nm.


Innehållsförteckning

Kärnan i denna metod är en optisk fiber i vilken strålning styrs i total reflektion. Denna optiska vågledare är vanligtvis ett prisma, en fiber utan beklädnad eller en speciell ATR-kristall där flera reflektioner är möjliga.

Med total reflektion bildas evanescenta vågor bakom det reflekterande gränssnittet. Dessa har ungefär intervallet en våglängd. Om ett prov förs nära ytan av den optiska vågledaren kan det interagera med den försvinnande vågen. Ljuset som leds i vågledaren försvagas.


Infraröd spektroskopi

Infraröd spektroskopi, IR-spektroskopi, Ultraröd spektroskopi, UR-spektroskopi, Underområde av spektroskopi som undersöker interaktionen mellan elektromagnetisk strålning från det infraröda spektralområdet med ett prov. När ett lämpligt prov av ett ämne bestrålas med IR-strålning, absorberas ett antal frekvenser av denna IR-strålning, den andra sänds ut. Om du bär den procentuella absorptionen A. eller provets permeabilitet som en funktion av vågtalet & # 957

eller våglängder, får du deras IR-spektrum (Fig. 1). När strålningen absorberas ändrar molekylerna sin rotations- och vibrationsenergi. Enligt ekvationen & # 916E. = h ν (E. Energi, H Plancks konstanta) förekommande rotations- och oscillationsfrekvenser & # 957 tillåter omfattande slutsatser om molekylers struktur och tillåter deras kvalitativa och kvantitativa bestämning.



Infraröd spektroskopi. Fig. 1: IR-spektrum av polystyren.

Teoretiska grunder. Atomerna i en molekyl är inte styvt förbundna med varandra, utan kan pendla runt deras jämviktsavstånd. Dessa kan grovt beskrivas av den klassiska fysikens lagar, genom att atomerna representeras av sfärer och de bindande krafterna av fjädrar (fig. 2). En molekyl från N Atomer har 3N Grader av rörelsefrihet. Av dessa faller 3 frihetsgrader vid translation, 3 för olinjära molekyler och 2 för linjära molekyler vid rotation, så att & # 223 för olinjära molekyler & # 252le 3N - 6, för & # 252r linjär 3N - 5 grader av vibrationsfrihet kvarstår, vilket är lika med antalet naturliga vibrationer för en molekyl.



Infraröd spektroskopi. Fig. 2: Mekaniska molekylära modeller.

Det teoretiskt möjliga antalet oscillationer i en molekyl (3N & # 8211 6 eller 3N - 5) observeras i allmänhet inte i IR-spektrumet. Vissa urvalsregler gäller: Infrarött ljus absorberas endast om ett dipolmoment, som förändras under en molekylsvängning, samverkar med den elektromagnetiska strålningens oscillerande elektriska vektor. Detta är fallet när dipolmomentet för molekylen i en extremposition av svängningen skiljer sig från den i den andra extrempositionen. Sedan finns det en IR aktiv oscillation Alla vibrationer som observeras i IR-spektrumet för vilka dessa villkor inte gäller är IR-inaktiva. De kan endast observeras i Ramanspektret (Ramanspektroskopi). En ytterligare förenkling av IR-spektra kan inträffa eftersom vissa vibrationer är degenererade, dvs. det vill säga för att de har samma frekvens men tar plats i olika rumsliga riktningar, t.ex. B. vid CO2-Molec & # 252l (tabell 1). Som en första approximation kan ett sådant system & # 8211 betrakta en diatomisk molekyl & # 252l & ​​# 8211 som ett exempel harmonisk oscillator behandlas, vars oscillationsfrekvens härleds från Hookes lag



resultat, var är oscillationsfrekvensen i Hz, k kraftkonstanten för bindningen i Nm -1 och



Infraröd spektroskopi. Tab. 1: Oscillationer av CO2-Molec & # 252ls.



Om man löser denna ekvation genom att infoga lämpliga värden, finner man att motsvarande frekvenser faller inom det infraröda spektralområdet.

Den potentiella energin för en harmonisk oscillator (även Oscillatorpotential beroende på avståndet mellan de oscillerande atomerna beskrivs av en potentialkurva som representerar en parabel (Fig. 4). För en klassisk harmonisk oscillator bör alla oscillationsamplituder tillåtas.



Infraröd spektroskopi. Fig. 3: Potentialkurva för den klassiska harmoniska oscillatorn (x1, x2 eventuella avböjningar).

Detta motsäger emellertid den experimentella observationen av diskreta oscillationsfrekvenser i IR-spektrumet. En lösning på detta problem var möjlig med hjälp av kvantmekaniken. Schr & # 246dingers ekvation för en endimensionell harmonisk oscillator leder till resultatet att den totala energin E. bara värderingarna E. = Hν(v + 1/2), där v = 0, 1, 2, 3,. representerar oscillationskvanttalet. Enligt detta, enligt kvantmekaniken, kan en harmonisk oscillator endast acceptera vissa energivärden, deras skillnad H& # 957 är & # 228 (Fig. 4). Övergången från en lägre till en högre vibrationsenerginivå kan uppnås genom att absorbera en frekvens som är lika med frekvensen för den mekaniska svängningen. Enligt tillämpliga urvalsregler, & # 220berg & # 228gings mellan icke-angränsande energitillstånd & # 228; likaså interaktioner mellan olika vibrationer.



Infraröd spektroskopi. Fig. 4: Kvantmekanisk harmonisk oscillator.

Det viktiga resultatet följer av den kvantmekaniska beräkningen att den lägsta möjliga energin, grundtillståndsenergin, för den harmoniska oscillatorn inte är noll, utan värdet E.0 = H& # 957/2 har. Eftersom den harmoniska oscillatorn är vid temperaturens absoluta nollpunkt (T = 0 K) är definitivt i grundtillståndet, denna energi kallas också Nollpunktsenergi utsedda. Det ändliga, icke-nollvärdet för denna nollpunktsenergi är ett krav för Heisenbergs osäkerhetsrelation, eftersom annars kl. E.0 = 0 Läge och impuls samtidigt skarpa värden, nämligen noll, skulle ha. En klassisk partikel skulle däremot ingå T = 0 K i dess jämviktsläge x = 0 vila.

Verkliga modeller kan bara grovt beskrivas som harmoniska oscillatorer. Modellen gäller för dem anharmonisk oscillator, som har potentialkurvan som visas i fig. 5. De olika vibrationsenergitillstånden har inte längre samma avstånd från varandra, "berg" mellan icke-angränsande tillstånd är tillåtna, interaktioner mellan olika vibrationer är möjliga. Energiskillnaden mellan två närliggande vibrationsnivåer är & # 916E. = hν(1 - 2vx), varvid x är anharmonicitetskonstanten, som vanligtvis har ett värde

Interaktioner mellan olika molekylära vibrationer leder till kombinationsband. De härrör från en absorption av infraröd strålning, vars frekvens är lika med summan eller skillnaden av två fundamentala vibrationer. Sannolikheterna för excitation av kombinationssvängningar är jämförbara med övertonernas. De tidigare uttalandena gäller rena vibrationer. I själva verket finns det dock inget som heter ett rent spektrum av vibrationer, utan i stället åtföljs varje övergång av berg av rotation. Eftersom den energi som krävs för att excitera en svängningsövergång alltid är tillräcklig för att excitera rotationsberg, uppstår båda tillsammans, och man talar mer korrekt om Rotationsvibrationsspektra (Fig. 6).



Infraröd spektroskopi. Fig. 6: Termschema i rotationsvibrationsspektrumet.

De två heldragna linjerna representerar de två lägsta vibrationsnivåerna för dess molekyl i ett energidiagram. Varje vibrationstillstånd har en serie rotationsnivåer, som visas som streckade linjer med motsvarande rotationskvanttal J visas. Med en förändring i svängningskvantumtalet på v = 0 efter v = 1 tar hänsyn till urvalsregeln & # 916J = & # 1771 en övergång från en rotationsnivå för det grundläggande oscillationstillståndet till nästa högre eller nästa lägre rotationsnivå för det första exciterade oscillationstillståndet, som visas med några pilar. På så sätt får man istället för en enda "vibrationslinje" ett helt system av linjer som är uppdelat i två delar. En del för & # 252 för & # 916J = +1 kallas det R gren, den andra delen, för & # 252r & # 916J = -1 är P gren. I R-grenen läggs energin för rotationsövergången till den för oscillationen, i P-grenen subtraheras denna rotationsenergi från svängningsenergin. Linjen 0-0 saknas mellan de två grenarna, vilket är förbjudet på grund av urvalsreglerna för att ändra rotationskvantnumret. Intensitetsfördelningen inom båda grenarna motsvarar, som i de rena rotationsspektra, den termiska fördelningen av molekylerna på rotationstillstånden. Positionen för motsvarande absorption i spektrumet bestäms i huvudsak av energiskillnaden mellan oscillationstillstånden, den fina strukturen av förändringen i rotationstillstånden. En sådan ansamling av absorptionslinjer, som hör till en svängningsövergång men till olika rotationsberg, kallas en Absorptionsband (Fig. 7).

Infraröd spektroskopi. Tab. 2: Komponenter i IR-spektrometrar.



Infraröd spektroskopi. Fig. 7: Absorptionsband i rotationsvibrationsspektrumet för kolmonoxid.

Apparativ. Moderna fotoelektriska spektrofotometrar för det infraröda spektralområdet arbetar med användning av lämpliga komponenter enligt principen om en tvåstrålig alternerande ljusmetod (spektralapparat). Sådana enheter kan spela in ett IR-spektrum på några minuter. Med speciella enheter kan inspelningstider på bråkdelar av en sekund uppnås. Eftersom hela IR-området inte kan mätas med en enda spektrometer visades det infraröda spektrala området i nära IR (NIR), mellersta IR och långt IR (GRAN), med anordningar för dessa områden som skiljer sig åt i sin utrustning (Tab. 2).

På senare tid har Fourier-spektrometrar använts alltmer i IR. De visar en signifikant ökad känslighet jämfört med de vanliga spridningsspektrometrarna och tillåter en snabbare registrering av spektra. Deras användning rekommenderas särskilt i situationer med begränsad intensitet, t.ex. B. i FIR.

Prover kan mätas i alla tre aggregerade tillstånd efter lämplig beredning. Ämnesförbrukningen för att registrera ett IR-spektrum är låg och ligger i storleksordningen några milligram, men kan reduceras avsevärt med specialutrustning.

Tillämpning av IR-spektroskopi.1) Det mest utbredda användningsområdet är Strukturförklaring (Fig. 8). Av de möjliga vibrationerna i en molekyl är vissa primärt lokaliserade i enskilda bindningar eller grupper av atomer (lokaliserade vibrationer), medan andra inkluderar molekylen som helhet (ramvibrationer).

De lokala vibrationerna består av sträckvibrationer eller deformationsvibrationer. Många av dessa lokaliserade vibrationer, speciellt de sträckande vibrationerna, kan användas för att detektera funktionella grupper. Olika atomer har olika massor, olika bindningar har olika kraftkonstanter. Beroende på atomerna som är involverade i en oscillation och deras bindningstillstånd, resulterar den redan nämnda ekvationen



olika vibrationsfrekvenser. Så är z. B. att sträcka eller komprimera C & # 8801C-bindningen hårdare än C = C-bindningen. Detta är i sin tur starkare än C-C-bindningen. Kraftkonstanterna för trippel-, dubbel- och enkelbindningar beter sig ungefär som 3: 2: 1. Deras oscillationsfrekvenser är sedan relaterade



Förutom kraftkonstanten bestäms svängningsfrekvensen även av den reducerade massan av de inblandade atomerna.

k = konst. är



Infraröd spektroskopi. Fig. 8: IR-spektrum av dimetylftalat.

Infraröd spektroskopi. Tab. 3: Förväntningsområden för karakteristiska frekvenser.

När massan av de inblandade atomerna ökar, sjunker deras vibrationsfrekvens. På grund av den låga massan av väte har alla vibrationer som H är inblandade i extremt höga vibrationsfrekvenser. Baserat på dessa överväganden kan vissa vågtalsområden uppskattas i vilka funktionella grupper absorberar, vilka återfinns över 1500 cm -1 (Tab. 3). Sådana lokaliserade vibrationer har tabellerats för ett stort antal funktionella grupper. Härledningen av förväntningsintervallen & # 252 var till stor del rent empirisk. Vissa atomgrupper (t.ex. en -OH- eller en / C = O grupp) resulterar alltid vid vissa vågnummer & # 8211 & # 246 det kan också finnas flera & # 8211 absorptioner, vars position är i stort sett oberoende av resten av molekylen. Om en sådan "karakteristisk frekvens" har observerats för en atomgruppering i ett tillräckligt stort antal kända föreningar, kan man sluta sig till närvaron av denna atomgrupp i substanser med okänd struktur enbart från dess förekomst, utan några beräkningar. Med sådana karakteristiska frekvenser är det möjligt att detektera grupper av atomer och därmed avslöja strukturen hos okända ämnen.

2) Identifiering av ämnen. Det följer av Tab. 3 att ett IR-spektrum under 1500 cm-1 är relativt rikt på band och oklart. Ramvibrationer, många deformationsvibrationer, men även sträckvibrationer av tunga atomer, t.ex. B. kol-halogenbindningen. Vibrationsuppdrag är därför svåra på detta område. Emellertid är IR-absorptionerna mycket karakteristiska för molekylen som helhet, så att detta område också är känt som Fingeravtryck- (fingeravtryck-) område vilket är idealiskt för att fastställa identiteten av ett ämne med ett autentiskt prov. Identitetsbeviset för två rena ämnen utförs genom att kontrollera IR-spektra för båda ämnena band för band för deras identitet. I motsats till många andra materialkonstanter, såsom kokpunkt, smältpunkt, densitet, brytning, har IR-spektrumet fördelen att erbjuda ett betydligt större antal möjligheter till jämförelse på grund av de många absorptionsband det innehåller. Ämnen med liknande struktur kommer till viss del att vara lika i sitt IR-spektrum, men de ger inte identiska spektra.

3) Den kvantitativ IR-analys har trängts tillbaka på senare år av en rad andra metoder (t.ex. gaskromatografi, UV-spektroskopi). Det är dock fortfarande viktigt för vissa problem. Riken på band i IR-spektrumet visar sig vara fördelaktig, eftersom den underlättar valet av lämpliga analysband, som påverkas så lite som möjligt av absorptionsbanden för de andra närvarande komponenterna. Flerkomponentanalyser kan också utföras. Kvantitativa IR-bestämningar kan i princip utföras enligt två metoder: med kalibreringskurvor och baserat på Lambert-Beers lag.

Metodernas noggrannhet är cirka 1%. Detta beror bland annat på typen av spektrometer, apparatparametrarna som används och spektrala egenskaper hos de ämnen som ska bestämmas. En förbättring kan uppnås genom att digitalt registrera mätdata i kombination med datorberäkningar.

När man tillämpar Lambert-Beer-lagen är det viktigt att notera att bandintensiteten i IR beror på spektrometerns spektrala spaltbredd. Sanna värden erhålls endast om den spektrala spaltbredden är mindre än 1 /5 är halva bredden av det uppmätta bandet. Detta är i allmänhet fallet med gitteranordningar, men inte med prismaanordningar.

4) Den Undersökning av vätebindningar är en av de äldsta och fortfarande viktigaste möjliga tillämpningarna av I. Effekterna som ska diskuteras med hjälp av exemplet med associeringen av OH-gruppen kan överföras till andra protondonatorer. OH-sträckningsvibrationen för en fri, oassocierad OH-grupp kan hittas i IR-spektrumet vid 3590 till 3650 cm-1. Vätebindning orsakar en förskjutning till mindre vågtal, där OH-bandet likaså blir bredare och ökar i intensitet. Förskjutningen från den ursprungliga positionen är större, ju starkare H-bindningen som bildas. Eftersom associationen är en jämviktsreaktion, finns fria och associerade alkoholer sida vid sida, beroende på koncentration och temperatur. Till exempel, i spektrumet av cyklohexanol i koltetraklorid, uppträder band vid 3615 till 3620 cm -1 (icke-associerad OH-grupp), 3485 cm -1 (dimer association) och 3320 cm -1 (högre association) bredvid varandra och beroende på koncentrationen med olika intensiteter (fig. 9). Inter- och intramolekylära H-bindningar kan lätt särskiljas. Medan de förra bryts upp med ökande utspädning av lösningen, reagerar de senare inte på det.

5) Infraröd dikroism. IR-spektra erhållna med polariserad strålning ger värdefull information om vibrationernas natur och om orienteringen av grupper inom ett prov. I den vanliga tillämpningen av I. är både molekylerna i provet och den elektriska vektorn för strålningen slumpmässigt orienterade så att inga polarisationseffekter kan observeras. Undersökningar på enkristaller eller inriktade polymerer visar dock att bandintensiteten starkt beror på strålningens polarisationsriktning. För detta ändamål, intensiteten A. ett visst band med polariserat ljus, som är inriktat å ena sidan parallellt och å andra sidan vinkelrätt mot provets orienteringsriktning. Det dikroiska förhållandet erhålls

vilket beror på graden av orientering av provet och på vinkeln mellan svängningens övergångsmoment och orienteringsriktningen.



Infraröd spektroskopi. Fig. 9: Koncentrationsberoende av IR-spektrumet för cyklohexanol i koltetraklorid.

6) Använda Matrisisoleringsteknik IR-spektra för reaktiva mellanprodukter kan erhållas. Produkterna som ska undersökas är inbäddade i en fast matris av kväve, koldioxid, argon eller xenon genom att bringa en gasformig blandning, som innehåller en liten mängd av provet, men främst matriskomponenten, till temperaturen för det flytande vätet (20°C) K) eller flytande helium (4 K) kyls. Så kunde z. B. radikalen ClCO kan detekteras vid dess absorptionsband vid 1880, 570 och 281 cm-1. Det bildades genom att avlägsna Cl-atomer genom fotolys av HCl i en CO2Matris vid 14 K som genererades med CO2 av matrisen reagerade för att bilda ovanstående radikal.

7) Nära IR-spektroskopi. För grupper som innehåller väte, såsom N-H, CH, O-H, observeras många övertoner och kombinationssvängningar i NIR, som kan användas för kvantitativ bestämning av sådana grupper (t.ex. av alkener med en terminal dubbelbindning eller cis-disubstituerade dubbelbindningar) samt för undersökning av vätebindningar.

8) Far IR spektroskopi. I FIR, i direkt fortsättning av applikationen i mitten IR, observeras en serie valens- och deformationsvibrationer av sådana molekyler, som absorberar i lågfrekvensområdet på grund av stora atommassor. Detta spelar t.ex. B. spelar en viktig roll i undersökningen av metallkomplex, där vibrationer mellan metall och komplexbildare kan detekteras. De svaga intermolekylära interaktionerna som finns i många system orsakar oscillationer i FIR. De intermolekylära vibrationerna hos H-bryggor återfinns vid 100 till 200 cm -1, N-I sträckande vibrationer i laddningsöverföringskomplex av jod med substituerade pyridiner mellan 65 och 95 cm -1.

9) Undersökning av adsorbenter och adsorberade Molekyler. Adsorptionsstudier utförs med konventionella IR-spektrometrar med användning av speciella celler. Vanligtvis mäts absorptionsspektrumet för det lämpligt preparerade provet, mindre ofta reflektionsspektra. Vanliga adsorbenter är silikagel, aluminiumoxid, zeoliter, porösa glas och andra, som används antingen ensamma eller med finfördelade metaller eller metalloxider. Till skillnad från andra metoder för ytundersökning, som endast återspeglar systemets genomsnittliga beteende, kan enskilda arter observeras med hjälp av IR-spektra. Så du kan hitta z. B. vid undersökningen av por & # 246ser Gl & # 228ser olika OH-vibrationer, varav bandet vid 3748 cm -1 av en fri Si-OH-grupp, det vid 3650 cm -1 av en associerad Si-OH-grupp och ett tredje band vid 3703 cm-1 tilldelas en OH-grupp bunden till bor. De adsorberade molekylernas spektra tillåter också uttalanden om ytan av adsorbenter, t.ex. B. blir NH3 på en kisel-aluminiumkatalysator som fysikaliskt bundet NH3 samt koordinativt bunden NH3 och som NH4 + adsorberas. Från den relativa intensiteten för motsvarande band kunde förhållandet mellan Lewis- och Brnsted-centra på katalysatorytan bestämmas till 4:1.

IR-studier om mekanismen för hydrering av olefiner över nickelkatalysatorer har gett ett betydande bidrag. Eten adsorberat på katalysatorn visade band vid 2800 och 2890 cm-1, de för en Ni-CH2-CH2-Ni grupp.



Infraröd spektroskopi. Fig. 10: Metoder för dämpad totalreflektion: (a) enkelreflektion, (b) multipelreflektion.

10) Metoden för dämpad totalreflektion (ATR-teknik, förkortning av adämpad total reflektans) används för att undersöka prover som på grund av sin begränsade permeabilitet för IR-strålning inte kan mätas med vanlig teknik, t.ex. B. att undersöka beläggningar på en mängd olika material samt fasta ämnen som folier, fibrer, plaster, läder och gummi. Denna metod bygger på teorin att strålningen som faller på hypotenusytan av ett prisma reflekteras helt där. Därmed tränger den in lite i det intilliggande provet. Om detta prov innehåller ett ämne som absorberar IR-strålning kommer den totalt reflekterade strålningen att uppleva en försvagning vid dessa våglängder. Om intensiteten av den reflekterade strålningen appliceras som en funktion av våglängden erhålls ett spektrum som till stor del motsvarar ämnets absorptionsspektrum. Effekten kan förstärkas genom flera reflektioner (fig. 10a och b).


Reflektionsmetoder inom IR-spektroskopi - kemi och fysik

[PDF] Spectroscopic Methods in Organic Chemistry GRATIS LADDA NER

Denna lärobok ger nödvändiga kunskaper för tillämpningen av de spektroskopiska metoder inom organisk kemi, som krävs inom ramen för kemiutbildningen vid alla högskolor. Den är därför oumbärlig för såväl nybörjare som avancerade studenter.Denna lärobok ger nödvändig kunskap för tillämpningen av de spektroskopiska metoder inom organisk kemi, som krävs i samband med kemiutbildningen vid alla högskolor. Den är därför oumbärlig för både nybörjare och avancerade användare. Med hjälp av många praktiska exempel förklaras och diskuteras teorin och tillämpningen av följande metoder: UV/Vis-spektroskopi, derivatspektroskopi, kirotiska metoder (CD och ORD). Aggregerade molekyler, laddningsöverföringskomplex, konjugerade oligomerer. Infraröd (IR) och Raman spektroskopi, Fourier transform IR spektroskopi, såväl som GC / IR kombinationen. Kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR) som 1H, 13C, 19F, 15N och 31P NMR, spinnavkoppling, trippelresonans, INDOR-skillnadsspektra, 2D och 3D NMR, COSY, TOCSY, ROESY och NOESY spektra, NOEPT, INEPT och DEPTQ, HETCOR, HRMAS, Otillräcklig och lantanidförskjutning, spektrumsimulering och beräkning och kombinationen av separationsmetoder och NMR-mätningar. 2D NMR-teknikerna HMQC och HMBC, ytterligare substansexempel och instruktioner för en fullständig tilldelning av alla 1H och 13C NMR-signaler för en förening. Masspektrometri (MS), elektro- och kemisk jonisering (EI och CI), snabb atombombardement (FAB), elektrospray- och termosprayjonisering (ESI och TSI), MS/MS-tekniker (MSn), fältjonisering och fältdesorption (FI och FD), Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI), MALDI-TOF-tekniker och kombinationen av separationsmetoder med MS-mätningar: GC / MS-, LC / MS- och HPLC-UV (DAD) -APCI-MS / MS -Teknologi. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance MS (FT-ICR-MS). Das optimierte Layout und die Aufnahme von vielen tabellarischen Übersichten sowie von mit Spektren gut dokumentierten Übungsaufgaben samt Lösungen machen diese Auflage zum Begleiter für Studierende und Wissenschaftler.


Bedeutung

Wenn Infrarotlicht oder Strahlung auf ein Molekül trifft, absorbieren die Bindungen im Molekül die Energie des Infraroten und reagieren durch Vibration. Üblicherweise bezeichnen Wissenschaftler die verschiedenen Arten von Schwingungen als Biegung, Dehnung, Schaukeln oder Scheren.

Laut Michele Sherban-Kline von der Yale University hat ein IR-Spektrometer eine Quelle, ein optisches System, einen Detektor und einen Verstärker. Die Quelle gibt Infrarotstrahlen ab das optische System bewegt diese Strahlen in die richtige Richtung der Detektor beobachtet Veränderungen der Infrarotstrahlung und der Verstärker verbessert das Detektorsignal.


Dünner, kleiner, schneller – wie die IR-Spektroskopie zur Aufklärung des Funktionsmechanismus biologischer und biomimetischer Systeme beiträgt

Fachbereich Physik – Experimentelle Molekulare Biophysik, Freie Universität Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Deutschland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-heberle/index.html

Fakultät für Chemie – Biophysikalische Chemie, Universität Bielefeld, Universitätsstraße 25, 33615 Bielefeld (Deutschland)

Fachbereich Physik – Experimentelle Molekulare Biophysik, Freie Universität Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Deutschland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-heberle/index.html

Fachbereich Physik – Experimentelle Molekulare Biophysik, Freie Universität Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Deutschland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-heberle/index.html

Fakultät für Chemie – Biophysikalische Chemie, Universität Bielefeld, Universitätsstraße 25, 33615 Bielefeld (Deutschland)

Fachbereich Physik – Experimentelle Molekulare Biophysik, Freie Universität Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin (Deutschland), Fax: (+49) 30-838-56510 http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-heberle/index.html

Abstract

Gute Schwingungen: In diesem Kurzaufsatz werden neue Spektroskopiemethoden zur Analyse von Biomolekülen vorgestellt. Aktuell dringt die Forschung in immer dünnere (bis zur Einzelschicht), kleinere (bis zum Einzelmolekül) oder schnellere (bis zu Femtosekunden) Bereiche vor. Es werden oberflächenempfindliche Schwingungsspektroskopietechniken wie SEIRAS, SFG und SNIM wie auch ultraschnelle Methoden der 1D- und 2D-IR-Spektroskopie vorgestellt.

Abstract

Neue schwingungsspektroskopische Techniken sind sehr vielversprechende Methoden zur Untersuchung biologischer Materialien, da sie eine sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösung bei gleichzeitiger minimaler Einflussnahme auf das zu untersuchende System ermöglichen. In diesem Kurzaufsatz werden diese Techniken und ihre potenzielle Bedeutung für biologische und biomimetische Systeme diskutiert. Vorgestellt werden z. B. die Verfolgung von Konformationsänderungen in Peptiden mit fs-Auflösung und nm-Empfindlichkeit mit 2D-IR-Spektroskopie sowie die Untersuchung des Effekts eines angelegten Membranpotentials auf einzelne Protonentransferschritte innerhalb integraler Membranproteine mit oberflächenverstärkter Infrarot-Differenz-Absorptionsspektroskopie. Schwingungsspektren einer molekularen Monoschicht können mithilfe der Summenfrequenz-Erzeugung registriert werden, während die Rasternahfeld-IR-Mikroskopie die Aufnahme chemischer Abbilder einer Oberfläche mit einer lateralen Auflösung < 50 nm ermöglicht.


Nahinfrarotspektroskopie als schnelle, zuverlässige und kostengünstige Methode

Die Nahinfrarot (NIR) -Spektroskopie hat erstmals vor ca. 4 Jahrzehnten in den USA in der Landwirtschaft verbreitet Anwendung zur Bestimmung von Protein-, Kohlenhydrat- und Fettgehalt in Getreide und Ölsaaten, später auch zur Bestimmung des Rohfasergehaltes in Pflanzen gefunden. Erst danach wurde die NIR-Spektroskopie auch in Europa bekannt und fand dort zunächst in den gleichen Bereichen Anwendung.

Die Möglichkeiten der Applikation wachsen aufgrund der vielen Vorteile seitdem ständig, so machen sich z.&thinspB. auch die chemische Industrie oder die Pharmaindustrie die NIR-Spektroskopie beispielsweise zur qualitativen Analyse und quantitativen Bestimmung verschiedener Qualitätsparameter von Tabletten und anderer Pharmazeutika zu Nutze. Auch im Zusammenhang mit der verstärkten Nutzung pflanzlicher Rohstoffe im stofflichen und energetischen Bereich ergeben sich neue und vielfältige Anwendungsmöglichkeit der NIR-Spektroskopie in der Qualitätssicherung.

Schwingungen der Moleküle
Als Spektroskopie bezeichnet man allgemein die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Bei der IR-Spektroskopie werden die Schwingungsfreiheitsgrade der bestrahlten Moleküle angeregt. Es kommt zu Absorptionsbanden im IR-Spektrum, deren Grundtöne im MIR-Bereich (Wellenzahl: 200&thinsp-&thinsp4.000 cm -1 bzw. Wellenlänge: 25.000&thinsp-&thinsp2.500 nm) und die Kombinations- bzw. Obertöne im NIR-Bereich (4.000&thinsp-&thinsp12.500 cm -1 bzw. 2.500&thinsp-&thinsp800 nm) zu finden sind.

Angeregt werden im NIR-Bereich lediglich die C-H-, N-H-, C-O- und O-H-Bindungen. Jede Bindung wird bei unterschiedlichen Wellenlängen in Schwingung versetzt, diese Schwingung benötigt Energie, welche aus dem Licht bezogen wird. So zeichnet das NIR-Spektrometer je nach Typ die Transmission, die Reflexion oder die Transflektion mittels Detektor auf, welche dann in Abhängigkeit zur Wellenlänge als NIR-Spektrum der entsprechenden Probe festgehalten wird [1].

Unter der Voraussetzung, dass für die/den zu untersuchenden Parameter eine gut funktionierende Kalibration erstellt werden kann (u.&thinspa. abhängig von Substanzart und -zusammensetzung, Massenanteil des gesuchten Analyten, Art der Matrix, in die der Analyt evtl. eingebettet ist), weist die NIRS-Methode gegenüber vielen nasschemischen Analyseverfahren u.&thinspa. die folgenden Vorteile auf:

  • hoher Probendurchsatz: Die Messung benötigt inklusive Speicherung und Wiederholung (= Doppelbestimmung) nur sehr wenig Zeit,
  • relativ einfache Bedienung: Nach kurzer Einführung in die Software sind zur bloßen Durchführung von Messungen kaum weitere Kenntnisse notwendig,
  • Bei bestimmten Spektrometern ist ein mobiler Einsatz möglich, d. h. Messung direkt vor Ort, z.&thinspB. während der Ernte, im Lager, oder auch Online-Messungen bei laufender Produktion,
  • durch Parallelschaltung mehrerer Kalibrationen ist die Bestimmung mehrerer Merkmale simultan möglich,
  • Kalibrationstransfer von Gerät zu Gerät möglich (&sbquoInter&lsquo- und ,Intra-Brand&lsquo-Transfer),
  • einmalige Anschaffung kostspielig, auf Dauer jedoch geldsparend, da Kosten für herkömmliche Bestimmungsmethoden (z.&thinspB. HPLC u.&thinspa.) entfallen.

Gerätetypen
Ein NIR-Spektrometer besteht im Allgemeinen aus den folgenden funktionellen Bauelementen [2] (Abb. 1)

  • Infrarot-Strahlungsquelle,
  • Spektralapparat zur Selektion und Bestimmung der Wellenzahl,
  • optisches System für möglichst verlustfreie Übertragung der Strahlung von der Strahlungsquelle bis zum Detektor,
  • Detektor zum Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal,
  • Messwertausgabeeinheit mit Messwertwandler (Computer, Schreiber, etc.).

Inzwischen ist eine Vielzahl verschiedener NIRS-Spektrometer von unterschiedlichen Herstellern auf dem Markt, die sich u.&thinspa. in der Art der Lichterzeugung bestimmter Wellenlängen und dem Spektralbereich unterscheiden. Bei einigen Geräten erfolgt die Wellenlängenselektion durch bewegliche, bei anderen durch feste Bauteile (Abb. 1).

Die Entwicklung einer NIRS-Kalibration erfolgt, unabhängig vom Gerätetyp, unter Verwendung verschiedener Regressionsverfahren (MLR, PLS, MPLS u.&thinspa.) durch Erstellung eines chemometrischen Modells. Dieses erklärt den statistischen Zusammenhang zwischen den NIR-Spektren (Abb. 2), ggf. nach entsprechender Datenvorbehandlung, und den mit klassischen Labormethoden ermittelten Werten des jeweiligen Analyten (= Referenzwerten) einer möglichst hohen Anzahl an für die zu untersuchende Probenmatrix repräsentativen Referenzproben. Die Güte des Vorhersagemodells wird mit üblichen statistischen Maßzahlen (Bestimmtheitsmaß, Vorhersagefehler u.&thinspa.) beurteilt. In einem weiteren Schritt erfolgt dann die Validierung des Modells mit weiteren, externen Proben, die nicht bereits in der Kalibration enthalten sind. Mit Hilfe eines auf diese Art und Weise errechneten und validierten Algorithmus lassen sich dann auch die Inhaltsstoffe in gleichem Probenmaterial schätzen, ohne dass diese Proben mit den z. T. aufwändigen Referenzmethoden (GC, HPLC u.&thinspa.) untersucht werden müssen.

Einsatzgebiete
Es würde den Rahmen dieses Beitrages bei Weitem übersteigen, alle bislang im Einsatz befindlichen NIRS-Methoden zur Qualitätsbestimmung pflanzlicher Rohstoffe mit ihren Einsatzgebieten aufzuführen. Im Folgenden wird daher eine Auswahl an unserer Arbeitsgruppe in den letzten Jahren bearbeiteten Methoden kurz vorgestellt (Tab. 1).

Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, ist bei festem Probenmaterial in der Regel eine gründliche und homogene Zerkleinerung des Probenmaterials unabdingbar, insbesondere, wenn das Ausgangsmaterial an sich inhomogen ist (z.&thinspB. Stängel der Fasernessel) oder die Inhaltsstoffkonzentrationen sehr niedrig sind (z.&thinspB. Artemisinin in Einjährigem Beifuß). In manchen Fällen, z.&thinspB. im Bereich der Pflanzenzüchtung, wo es von großem Vorteil sein kann, wertvolles Zuchtmaterial zerstörungsfrei zu untersuchen, um es nach der Selektion aussäen zu können, oder wenn es auf besondere Schnelligkeit ankommt (Landhandel, Rohstoffeingangskontrolle u.&thinspa.), kann die Methodenentwicklung auch an unzerkleinertem Probenmaterial erfolgen (z.&thinspB. Sonnenblumen, Raps, Getreide u.&thinspa.) unter Umständen geht dies, in Abhängigkeit von der Morphologie der Saaten und dem zu untersuchenden Inhaltsstoff, mit einer gewissen Einschränkung der Vorhersagegenauigkeit einher, was aber in der Regel im Praxiseinsatz aufgrund der genannten Vorteile toleriert werden kann.

Bevor mit der eigentlichen Kalibrationsentwicklung begonnen wird, sollte in jedem Fall zunächst in Vorversuchen eine optimale Vorgehensweise zur Probenpräsentation ermittelt werden dies umfasst z.&thinspB. die Wahl eines geeigneten Zerkleinerungsverfahrens, evtl. Trocknung, geeignete Küvetten, Einwaage und Verdichtung des Probenmaterials, Überprüfen von Temperatureinfluss und Lagerdauer der Proben, Datenvorbehandlung wie z.&thinspB. Ableitungen und Streulichtkorrekturen, Ermittlung geeigneter Geräteeinstellungen (Wellenzahlbereich, Anzahl Scans u.&thinspa.). Diese Vorarbeiten dienen dazu, möglichst reproduzierbare Spektren des jeweiligen Probenmaterials zu erzeugen (Abb. 3). In vielen Fällen, insbesondere bei instabilen Analyten wie z.&thinspB. vielen sekundären Pflanzeninhaltsstoffen, ist es zudem ausgesprochen wichtig, dass Referenzanalytik und Spektrenaufnahme zeitlich sehr nahe beieinander liegen, um eine Veränderung der Proben hinsichtlich ihrer Inhaltsstoffe auszuschließen.

Bei der Beurteilung einer NIR-Kalibration kommt der Beurteilung der Präzision der Referenzmethode, die den Kalibrationswerten zugrunde liegt, eine entscheidende Bedeutung zu, denn die NIR-Methode kann niemals präziser sein als die referenzanalytische Methode. Die Auswahl der Kalibrations- und Validationsproben sowie die Durchführung der Referenzanalytik sollten daher mit größter Sorgfalt erfolgen. Wenn möglich, sollten daher Wiederholbarkeits- (r) und Vergleichbarkeitsgrenzen (R) in Relation zum Fehler der NIR-Schätzung herangezogen werden.

Kalibrationstransfer
Der Transfer von NIRS-Methoden bietet den Vorteil, eine erstellte Kalibrationsgleichung auf weiteren Spektrometern nutzbar zu machen. Hiermit entfallen für die Anwenderinnen und Anwender arbeits- und kostenintensive Probenanalysen sowie der Aufwand für die Erstellung einer multivariaten Kalibration. Weiterhin kann als großer Vorteil des Kalibrationstransfers angesehen werden, dass somit auf den unterschiedlichen Spektrometern einheitliche, vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können. Für den Transfer stehen Algorithmen wie z.&thinspB. piecewise direct standardisation (PDS) [3] oder das Standardisierungsverfahren nach Shenk und Westerhaus [4] zur Verfügung.

Fazit
Der Einsatz von NIR-basierten Untersuchungsverfahren bietet nach erfolgreicher Kalibrationsentwicklung und ggf. nach einem Kalibrationstransfer in vielen Bereichen der Produktion und Verarbeitung pflanzlicher Rohstoffe ein großes Potential im Rahmen der Qualitätskontrolle und -sicherung zur Einsparung von Kosten, Material und Zeit.

Literatur
[1] Siesler H. W. et al. (Hrsg.): Near-Infrared Spectroscopy, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, (2002)
[2] Gottwald W. und Wachter G. (Hrsg.): IR-Spektroskopie für Anwender, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, (1997)
[3] Wang Y. et al.: Analytical Chemistry, 64, 562-564 (1992)
[4] Shenk J. S. und Westerhaus M. O.: Crop Science 31, 1694-1696 (1991)


Video: IR Spectroscopy Part -6 instrumentation - Dispersive IR Spectrophotometer with Animation (November 2021).