Spectroscopia de Absorbție Moleculară în Infraroșu

Considerații teoretice

Spectroscopia în infraroşu (IR) reprezintă un mijloc performant de analiză calitativă şi cantitativă pentru specii moleculare. Acest tip de spectroscopie se bazează pe concluziile ce se pot trage din studiul oscilaţiilor şi rotaţiilor moleculare ca urmare a aportului de energie ce se

aduce moleculei în domeniul spectral infraroşu. O interacţiune a componentei electrice a radiaţiei infraroşie cu molecula este posibilă numai dacă în timpul oscilaţiei se schimbă simetria repartiţie sarcinilor electrice. Radiaţia infraroşie este absorbită de moleculă numai dacă frecvența proprie de oscilaţie sau de rotaţie a legăturilor existente în moleculă coincide cu cea a radiaţieiei IR. Atât în substanţele anorganice cât şi organice apar oscilaţii mecanice la absorbţia de radiaţii în domeniul infraroşu al spectrului.

Pot fi deosebite trei feluri diferite de oscilaţii:

- Oscilaţii simetrice de valenţă .Sunt oscilaţii pe direcţia axei de legătură a doi atomi sau molecule manifestată printr-o întindere sau o comprimare a legăturii (Fig. 1a)

- Oscilaţii asimetrice a doi atomi sau molecule manifestată printr-o întindere şi o comprimare a legăturii pe direcţia axei de legătură. (Fig. 1b)

- Oscilaţii de deformare cu schimbarea unghiului dintre legături (oscilaţii de încovoiere) (fig.1c).

Fig. 1: Tipuri de oscilații în molecule.

Există două căi de măsurare a oscilaţiilor sau rotaţiilor moleculare:

1. direct ca absorbţii în spectrul infraroşu;

2. indirect ca radiaţie de împrăştiere în spectrul Raman.

Datorită faptului că domeniul lungimilor de undă acoperit de radiaţia infraroşie este mare domeniul de frecvenţă în infraroşu se împarte în trei subdomenii :

• infraroşu apropiat (NIR) absorb oscilaţii combinate;

• înfraroşu mediu (MIR) absorb oscilaţii moleculare;

• infraroşu îndepărtat (FIR)- absorb rotaţii ale moleculelor.

Spectroscopia în infraroşu apropiat - NIR reprezintă metoda ideală pentru analiza rapidă de amestecuri de substanţe cu aplicaţii în special în chimia alimentară, medicamente şi cosmetică.

Spectroscopia în infraroşu mediu - MIR este la ora actuală una din tehnicile analitice cele mai performante pentru analiza calitativă a substanţelor organice.

Domeniul spectroscopiei în infraroşu îndepărtat - FIR este mai puţin explorat în el nefiind atâtea aplicaţii ca în celelalte două domenii IR.

Tehnici ale spectroscopiei de absorbție moleculară IR.

1. Transmisia este tehnica cea mai utilizată la ora actuală. Pot fi analizate calitativ şi cantitativ probe sub formă lichidă, solidă sau gazoasă. O parte din radiaţia IR incidentă este absorbită specific de către proba de analizat iar diferenţa este transmisă și trece prin probă ajungând pe detectorul de radiaţie.

2. Absorbția și reflexia este folosită pentru analiza spectrală a materialelor solide netransparente ce nu pot fi aduse în stare solvită sau în stare solidă pulverulentă. Procedeul se bazează pe transmisia radiaţiei IR cu un unghi bine stabilit pe probă. Radiaţia induce oscilaţii ale legăturilor moleculare din probă, aceasta absorbind specific o parte din radiaţie diferența ajungînd pe detector. La această tehnică, intensitatea radiaţiei transmise este mai redusă decît la transmisie ceea ce duce la sensibilităţii mai mici la semnalul util.

3. Reflecția difuză este folosită în special pentru analiza spectrală IR a pulberilor şi a substanţelor solide. Radiaţia reflectată difuz de pe material mai este reflectată încă odată într-o sferă interioară şi pe urmă focalizată pe detector. După transformarea intensităţii luminoase în semnal electric acesta este integrat, spectrul obţinut este tratat cu funcţia Kubelka – Munk obţinându-se în final un spectru de absorbţie IR.

4. Emisia se bazează pe analiza radiaţiei IR emisă de proba de analizat. În acest scop se realizează încălzirea probei la minimum 100°C şi se înregistrează spectrul de emisie al acesteia. La ora actuală această tehnică este folosită pentru determinarea emisiei de CO şi CO în coşuri industriale . Ca mijloc curent de analiză emisia IR nu este încă suficient de perfecţionată . Se întâlnesc greutăţi datorită raportului mic semnal /zgomot mai ales atunci când nivelul de emisie infraroşie nu depăşeşte cu mult de temperatura mediului ambiant.