Spectroscopie în regiunea infraroșu apropiat

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 15 ianuarie 2015; verificările necesită 4 modificări .

Spectroscopia în regiunea infraroșu apropiat (NIR spectroscopy, English near-infrared spectroscopy, NIR ) este o secțiune a spectroscopiei care studiază interacțiunea radiației în infraroșu apropiat (de la 780 la 2500 nm, sau de la 12.800 la 4000 cm -1 ) cu substanțele . Regiunea infraroșu apropiat se află între lumina vizibilă și regiunea infraroșu mijlociu.

Istorie

Radiația infraroșie a fost descoperită în 1800 de astronomul englez William Herschel . După ce a descompus lumina vizibilă într-un spectru folosind o prismă mare de sticlă, el a observat că încălzirea termometrului crește din partea violetă a spectrului la roșu, iar efectul maxim este deja observat în afara spectrului vizibil. Progrese suplimentare au avut loc în anii 1880, când William Abney și Edward Festing au înregistrat mai multe spectre de lichide organice în regiunea de 1 până la 1,2 µm. Fizicianul american William Koblenz și-a proiectat propriul spectrometru folosind o prismă de sare gemă ca monocromator . În ciuda faptului că dispozitivul era foarte sensibil la vibrațiile externe și a durat o zi întreagă pentru a lua un spectru, Koblenz a reușit să înregistreze spectrele a câteva sute de substanțe în intervalul de lungimi de undă de la 1 la 15 μm și chiar a observat unele asemănări spectrale. în anumite clase de compuşi [1 ] .

A trecut aproximativ o jumătate de secol între descoperirea și utilizarea de rutină a spectroscopiei în infraroșu : doar câțiva oameni de știință au avut acces la spectrometrele IR. În plus, dispozitivul lor era departe de a fi perfect. În ceea ce privește spectroscopia în regiunea infraroșu apropiat, a durat și mai mult timp. A început să fie folosit doar la aproximativ 70 de ani de la descoperire. Până în 1970, doar 70 de lucrări au apărut în tipărire referitoare la această varietate de spectroscopie. În anii 1930, în legătură cu apropierea celui de-al Doilea Război Mondial , sulfura de plumb a fost studiată ca detector de căldură, iar deja în anii 1950 a apărut pe piață ca detector de radiații foarte sensibil în regiunea de la 1 la 2,5 μm [1] .

Studiul spectrelor din regiunea IR apropiată, în comparație cu spectrele infraroșu, a fost realizat într-un ritm foarte lent. Spectroscopistii au considerat aceasta regiune prea greu de interpretat. În plus, semnalele aveau intensitate foarte scăzută (cu 2-3 ordine de mărime mai mică decât semnalele din regiunea IR), iar linia de bază a fost dificil de determinat din cauza numărului mare de semnale. Cu toate acestea, metoda avea și meritele ei. În primul rând, acesta este un detector de sulfură de plumb foarte sensibil și posibilitatea de a utiliza lămpi cu incandescență de tungsten ca surse de radiație. Datorită acestor componente, a fost posibilă înregistrarea spectrelor de reflexie difuză . În al doilea rând, a fost posibil să se creeze spectrometre ieftine, deoarece sursele obișnuite de sticlă, detectoarele și optica erau destul de accesibile [1] .

În anii 1950, era o mare nevoie de cuantificare a apei, proteinelor și grăsimilor. În aceste scopuri, angajații Departamentului Agriculturii din SUA au ales spectroscopia NIR și deja în anii 1970 au dezvoltat spectrometre și metode pentru calibrarea acestora pentru nevoile agricole. În anii 1980, spectrometrele au început să fie controlate de computere [1] .

Principiul metodei

Aproximarea oscilatorului armonic

Vibrațiile unei molecule diatomice pot fi aproximativ descrise folosind modelul oscilatorului armonic. Conform acestui model, o moleculă diatomică este considerată ca două mase punctuale m 1 și m 2 legate printr-un arc elastic fără greutate cu un coeficient de elasticitate (constantă de forță) K . Energia potenţială V a unui astfel de sistem este legată de abaterea maselor q , rezultată din oscilaţii [2] .

$V={\frac {1}{2}}Kq^{2}$

Ca rezultat, curba energiei potențiale are o formă parabolică și este simetrică față de lungimea de echilibru a legăturii vibratoare. Frecvența de oscilație a arcului este legată și de constanta de forță și de masa redusă μ [2] .

$\nu _{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {K}{\mu }}};\mu ={\frac {m_{1}m_ {2}}{m_{1}+m_{2}}}$

Dacă frecvența de oscilație este exprimată în numere de undă, atunci această expresie va lua următoarea formă [2] :

${\tilde {\nu _{0)}}={\frac {1}{2\pi c)} {\sqrt {\frac {K}{\mu ))}.$

Soluția mecanică cuantică a ecuației Schrödinger arată că energia de vibrație este cuantificată , adică ia anumite valori discrete, conform ecuației [2] :

$E_{n}=h\nu _{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right),$

unde h este constanta lui Planck și n este un număr cuantic vibrațional care ia valorile întregi 0, 1, 2, 3... etc. Astfel, nivelurile vibraționale sunt la aceeași distanță unele de altele. Conform distribuției Boltzmann , majoritatea moleculelor la temperatura camerei ocupă nivelul vibrațional zero. Deoarece în spectroscopia în infraroșu, doar tranzițiile la nivelul vibrațional vecin sunt permise de regulile de selecție, deci [2] :

$\Delta n=\pm 1,$

în spectrele IR se observă în principal doar tranziții de la zero la primul nivel vibrațional, așa-numitele tranziții fundamentale . Cele mai multe dintre ele se încadrează în regiunea de la 4000 la 200 cm– 1 . [2]

Aproximarea oscilator anarmonic

Modelul oscilatorului armonic nu descrie cu exactitate vibrațiile moleculelor, deoarece nu ia în considerare faptul că există forțe de respingere între atomi cu o legătură și că disocierea poate apărea cu o alungire puternică a legăturii . Conform unui model mai precis al unui oscilator anarmonic, energia nivelurilor vibraționale este exprimată după cum urmează [3] :

$E_{n}=h{\nu }_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)-{\chi }h{\nu }_{0}\left (n+{\frac {1}{2}}\dreapta)^{2},$

unde χ este constanta de anarmonicitate. Astfel, curba energiei potențiale capătă o formă asimetrică ( curba Morse ). Distanța dintre niveluri nu mai este aceeași, iar regula de selecție care interzice trecerea la niveluri vibraționale îndepărtate nu este aplicată atât de strict. În acest sens, la numărul de vibrații fundamentale posibile ale moleculei, care este egal cu 3 n –6 (5), se adaugă tranziții interzise anterior - tonuri corespunzătoare [3]

$\Delta n=\pm 2,\pm 3,...$

Pe lângă tonuri, spectroscopia în infraroșu poate observa și benzi compozite (combinate), care sunt suma sau diferența vibrațiilor fundamentale. Aceste două tipuri de benzi apar în regiunea infraroșu apropiat. Totuși, atât tonurile, cât și benzile compuse au o intensitate mult mai mică decât benzile fundamentale, iar suprapunerea lor complică interpretarea spectrelor NIR [3] .

Calculul numerelor de undă ale tonurilor

ezitare	Constanta χ [4]
ν(С–Н)	~1,9 10 -2
ν(іD)	~1,5 10 -2
ν(С–F)	~4 10 –3
ν(іCl)	~6 10 –3
v(C=O)	~6,5 10 -3

Energia unei vibrații sau tonuri fundamentale, precum și valoarea numărului de undă la care apar, pot fi calculate după cum urmează:

$G_{n}={\frac {E_{n}}{hc}}={\tilde {\nu }}_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\dreapta )-{\chi }{\tilde {\nu }}_{0}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)^{2};$

${\tilde {\nu }}_{n}=G_{n}-G_{0}={\tilde {\nu }}_{0}n-\chi {\tilde {\nu }} _{0}n(n+1).$ [patru]

Cu toate acestea, deoarece numărul de undă ṽ 0 nu poate fi obținut direct din datele spectrale, acesta trebuie exprimat în termeni de numărul de undă ṽ 1 și înlocuit în expresia pentru numărul de undă harmonic:

${\tilde {\nu }}_{0}={\frac {{\tilde {\nu }}_{1}}{1-2\chi }});$

${\tilde {\nu }}_{n}={\frac ({\tilde {\nu }}_{1}n-{\tilde {\nu }}_{1}\chi n( n+1)}{1-2\chi }}.$ [patru]

Expresia rezultată vă permite să găsiți numărul de undă pentru orice ton cu n = 2, 3, 4..., pe baza numărului de undă al vibrației fundamentale, precum și constanta de anarmonicitate χ. De asemenea, este posibil să se calculeze constanta χ din aceasta, dacă, de exemplu, se cunosc ṽ 1 și ṽ 2 [4] .

Intensitățile tonurilor sunt, de asemenea, legate de anarmonicitate. Se arată că vibrațiile cu constante de anarmonicitate scăzute dau tonuri cu intensități scăzute. Dimpotrivă, vibrațiile de întindere X–H, care au o anarmonicitate ridicată, domină în spectrele regiunii infraroșu apropiat [4] .

Comparație cu metodele înrudite

Vibrații С–Н în molecula CHCl 3 [5]

Tranziție	Poziția benzii		ε, cm²/mol
Tranziție	nm	cm -1	ε, cm²/mol
fundamental	3290	3040	25 000
tonalitate 1	1693	5907	1620
tonalitate 2	1154	8666	48
tonalitate 3	882	11 338	1.7
tonalitate 4	724	13 831	0,15

Spectroscopia în regiunea infraroșu apropiat se bazează pe utilizarea radiației în regiunea spectrală de la 12800 la 4000 cm -1 . Această regiune este dominată de tonuri și benzi compuse. Deoarece probabilitatea unor astfel de tranziții este relativ mică, intensitatea benzilor corespunzătoare scade cu aproximativ 1-2 ordine de mărime pentru fiecare pas din oscilația fundamentală. Adică, coeficientul de extincție ε pentru un ton cu Δ n = 3 este de aproximativ 100 de ori mai mic decât pentru un ton cu Δ n = 2. radiații vizibile, se observă tranziții cu Δ n mare , iar probabilitatea unor astfel de tranziții este mică. Aceasta este diferența esențială dintre spectroscopia NIR și spectroscopia IR și spectroscopia Raman, unde semnalele din întreaga regiune spectrală își schimbă aleator intensitatea în funcție de condițiile de excitație ale fiecărei vibrații particulare [6] [5] .

Spre deosebire de spectroscopia IR și Raman, spectroscopia NIR necesită prezența unei anarmonicități mari a vibrațiilor, prin urmare, în regiunea infraroșu apropiat, apar în principal vibrațiile C–H, N–H și O–H. Acest fenomen este facilitat și de faptul că vibrațiile fundamentale ale acestor grupuri apar la numere de undă peste 2000 cm – 1 , astfel încât tonurile lor sunt deja în regiunea NIR. Pe de altă parte, cele mai frecvente și intense vibrații din spectrele IR apar la numere de undă sub 2000 cm – 1 , astfel încât primele lor tonuri sunt încă în afara regiunii infraroșu apropiat. Deoarece intensitatea celei de-a doua și a treia tonuri scade brusc, acestea sunt practic invizibile în spectre. De exemplu, vibrația intensă a grupului C–F are loc la 1600 cm – 1 , cu toate acestea, datorită constantei de anarmonicitate scăzută, prima și a doua armătură sunt la 2400 și 3600 cm – 1 și nu intră în regiunea NIR [6] ] .

Suprapunerea multor tonuri și semnale compozite în regiunea infraroșu apropiat duce la o scădere a selectivității structurale a spectrelor NIR, în comparație cu spectrele IR sau Raman, în care vibrațiile fundamentale sunt de obicei clar separate unele de altele. Cu toate acestea, semnalele pot fi corelate cu vibrațiile corespunzătoare fie prin calcularea frecvenței tonurilor, fie folosind metode chimiometrice [6] .

La fel ca spectroscopia IR, spectroscopia NIR respectă legea Bouguer-Lambert-Beer , adică intensitatea luminii transmise este legată de concentrația soluției și de lungimea căii optice prin cuvă. Dimpotrivă, intensitatea radiației în spectroscopia Raman este determinată doar de concentrația analitului [6] .

Caracteristici [7]	Spectroscopie Raman	spectroscopie IR	Spectroscopie NIR
tip de spectroscopie	spectroscopie de împrăștiere	spectroscopie de absorbție
tranziții
dungi	fundamental 4000-50 cm -1	fundamental 4000-200 cm -1	tonuri și combinații 12 500-4000 cm -1
radiatii	monocromatic	policromatice
reguli de selecție	${\frac {\partial \alpha {\partial q)}\neq 0$ modificarea polarizabilitatii	${\frac {\partial \mu }{\partial q)}\neq 0$ modificarea momentului dipolar	${\frac {\partial \mu }{\partial q)}\neq 0,anharm.$ anarmonicitate
grupurile observate	homonuclear (de exemplu, C=C)	polar (de exemplu, C=O)	grupele CH, OH, NH
selectivitatea structurală	înalt		scăzut
caracteristică cantitativă	$I_{Raman}\sim C$	$\lg {\frac {I_{0}}{I}}=\varepsilon \cdot C\cdot l$

Note

↑ 1 2 3 4 Burns, Ciurczak, 2007 , p. 3-6.
↑ 1 2 3 4 5 6 Burns, Ciurczak, 2007 , p. 9-11.
↑ 1 2 3 Burns, Ciurczak, 2007 , p. 11-12.
↑ 1 2 3 4 5 Burns, Ciurczak, 2007 , p. 12.
↑ 1 2 Böcker, 2009 , p. 196–199.
↑ 1 2 3 4 Burns, Ciurczak, 2007 , p. 15-16.
↑ Burns, Ciurczak, 2007 , p. 9, 11.

Literatură

Böcker Y. Spectroscopy = Spektroskopie / Per. cu el. L. N. Kazantseva, ed. A. A. Pupysheva, M. V. Polyakova. — M .: Technosfera, 2009. — 528 p. - ISBN 978-5-94836-220-5 .
Enciclopedia Spectroscopiei și Spectrometriei / Lindon J. - Ed. a II-a. - Presa Academică, 2010. - 3312 p.
Boas, DA Saturația de oxigen a hemoglobinei ca biomarker: problema și soluția : [ ing. ] / DA Boas, MA Franceschini // Philosophical Transactions of the Royal Society A . - 2011. - Vol. 369, nr. 1955. - P. 4407-4424. doi : 10.1098 / rsta.2011.0250 . — PMID 22006898 .
Burns D.A., Ciurczak E.W. Handbook of Near-Infrared Analysis . - CRC Press, 2007. - 826 p. - ISBN 978-0-8493-7393-0 .
Scheeren, TWL Monitorizarea oxigenării tisulare prin spectroscopie în infraroșu apropiat (NIRS): fundal și aplicații curente : [ ing. ] / TWL Scheeren, P. Schober, LA Schwarte // Journal of Clinical Monitoring and Computing. - 2012. - Vol. 26, nr. 4. - P. 279-287. - doi : 10.1007/s10877-012-9348-y . — PMID 22467064 .