FT-IR-Spektroskopie

Jean-Pierre Lindner

Thies Nolte

Übersicht

- Aufbau und Funktionsweise eines FT-IR-Spektrometers

- Beispiele verschiedener Anwendungen

- Apparativer Versuch

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

1: Strahlungsquelle

2,4,8,11: Spiegel

3: Lochblende

5-7: Interferrometer

(Strahlenteiler,

Immobilisierter Spiegel,

beweglicher Spiegel)

9,10: Probenraum, Probe

12: Detektor

13-17: Laseroptik

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Unterteilung der IR-Strahlung:

Nahes IR: 3 - 400 cm-1

Mittleres IR: 400– 4000 cm-1

Fernes IR: 4000 – 12500 cm-1

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Strahlungsquellen abhängig von der benötigten

Wellenlänge der IR-Strahlung:

- Globar (200-10000 cm-1)

- Quarz-Halogen-Lampe (2000-25000 cm-1)

- Hg-Hochdrucklampe (3-200 cm-1)

- Lochblende dient zur Größeneinstellung der

Lichtquelle. Das wirkt sich auf die Absorption des

Spektrums aus.

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Michelson-Interferrometer:

- IR-Strahl wird vom Strahlenteiler zu gleichen Teilen reflektiert und durchgelassen

- Teilstrahlen treffen je auf den beweglichen und unbeweglichen Spiegel, werden reflektiert und am Strahlenteiler wieder vereint.

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

- Aufgrund des beweglichen Spiegels erhält man eine Wegdifferenz der beiden Teilstrahlen

- Daraus resultiert eine polychromatischen Interferenz

- Die Strahlung gelangt mit unterschiedlichen Intensitäten zum Detektor

- Dort wird sie als

Interferogramm

aufgezeichnet

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

- Mit Hilfe der Laseroptik wird die Spiegelposition genau bestimmt

- Dazu wird ein monochromatischer Strahl parallel zum IR-Strahl in das Interferometer eingespiegelt

- Der Laser erzeugt eine monochromatische Interferenz

- Durch die gute Definiertheit und hohe Konstanz der Wellenlänge des Lasers kann aus dieser Interferenz die Spiegelposition sehr genau bestimmt werden.

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Probenvorbereitung:Generell können Substanzen in allen Aggregatzuständen eingesetzt werden.

- Feststoff als Presslinge (Kristalle klein gegen Wellenlänge)

- Feststoff gelöst als Film oder suspendiert in Öl auf NaCl-Platten aufgetragen

- Flüssigkeiten direkt als Film oder in Lösungsmittel als Film

- Gase mit speziellen Küvetten

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Detektoren:

DTGS-Detektoren und MCT-Detektoren

- Detektieren im mittleren IR-Bereich dabei wird ein auftreffender Lichtquant in einen direkt messbaren Strom umgewandelt

- Im fernen IR-Bereich werden thermische Detektoren eingesetzt

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Funktionsweise von DTGS-Detektoren (deuteriertesTriglycinsulfat)

- gehört zu den pyroelektrischen Detektoren- Ferroelektrika, die unterhalb der Curie-Temperatur

spontan elektrisch polarisieren- Veränderte Strahlungsleistung, führt zu einer

Änderung der Polarisation, die als Spannungsstoßgemessen wird

- Spannungsstoß ist proportional der Temperaturänderung bzw. Änderung der Strahlungsleistung nach der Zeit

Aufbau eines FT-IR-Spektrometers

Vergleich zu klassischen IR-Messgeräten:

- Wesentlich kürzere Messzeit durch gleichzeitige Messung aller Wellenlängen

- Besseres Signal/Rausch-Verhältnis

Anwendungen

� Fingerprint bei organischen Molekülen

� Organische Funktionelle Gruppen besitzen prominente IR-Banden z.B. Carbonylgruppenund Hydroxylgruppen

Anwendungen

Anwendungen

� Anwendung zum Beispiel bei qualitativer Reaktionskontrolle (Reduktionen, Oxidationen, etc.)

Anwendungen

IR-Spektroskopie ist eine wichtige Methode bei der Sicherung von Beweisen bei kriminalistischen Ermittlungen.So ist es zum Beispiel möglich, anhand von IR-Spektren Materialien zu identifizieren, Vergleichsanalysen zu erstellen oder Alterungsprozesse zu untersuchen.

Anwendungen

Mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie lassen sich mit einer einzigen Messung zahlreiche qualitätsrelevante Probenparameter bestimmen:

� Alkohol-, Zucker- und Wassergehalt in Getränken

� Zucker, Fasern und titrierbare Säure in Säften

� Protein, Öl, Asche, Feuchtigkeit und Partikelgröße in Mehl

Anwendungen

Anwendung in der Landwirtschaft zur Qualitätskontrolle

� Feuchtigkeitsgehalt, Protein, Ölgehalt in Sojabohnen, Korn, Reis, etc.

� Fett, Protein, Laktose und Feststoffe in Milch

� Fett, Protein und Feuchtigkeitsgehalt in Fleisch und Käse

� Zerstörungsfrei, keine oder geringe Probenvorbereitung

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

1.Teil des Versuchs:

- Aufnahme eines NaNO2 Spektrums bei RT

- Veränderung des Spektrums durch Variation der Geräteeinstellungen

2.Teil des Versuchs:

- Aufnahme von NaNO2 Spektren bei Temperaturen von 20°C bis 180°C

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

- Im NaNO2 Kristall sind Na+ und NO2

- -Ionen an festen Plätzen

- Nur das NO2- -Ion weist

ein Dipolmoment auf und kann somit im IR-Spektrum registriert werden

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

Wieviele Normal-Moden erwarten wir für NaNO2 ?

- Berechnung nach 3N-6 = Anzahl der Schwingungen

- NaNO2 = 4 Atome, also 3*4-6 = 6 Schwingungen

- Da die Ionen im Kristall getrennt vorliegen, kann nur das NO2

- Ion berücksichtigt werden

- Also: 3 Atome, 3*3-6 = 3 Schwingungen

N

OO

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

- Ähnlich dem Wassermolekül, daher 3 Normal-schwingungungen:

- symmetrische Streck-schwingung bei 1381 cm-1

- asymmetrische Streck-schwingung bei 1271 cm-1

- Biegeschwingung bei 825 cm-1

- Kombinationsmoden bei 1637 cm-1, 2061 cm-1, 2555 cm-1

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

- Präparation des NaNO2 erfolgte als KBr-Pressling

- Es wurden 2 Presslinge hergestellt, je einer mit NaNO2 und einer ohne

- Zur Aufnahme eines Spektrums wurde zunächst der Pressling ohne Probe gemessen und diese Referenz anschließend vom Probenspektrum subtrahiert

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

- Normalmoden sind gut zu erkennen (ersten 3 Signale)

- Kombinationsmoden im Spektrum nur schwach oder gar nicht zu erkennen

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

0 1000 2000 3000 4000

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5 Probereferenz Apertur 6 mmApertur 2 mmApertur 12 mm

Inte

nsi

tät

Wellenzahl

Veränderung der Apertur

- Apertur entspricht der Größe der Lochblende

- Vergrößerung der Apertur = Intensivere IR-Einstrahlung

- Führt zu geringerer Absorption des Signals

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

800 810 820 830 840 8500,0

0,5

1,0

Inte

nsitä

t

Wellenzahl

Auflösung 1 Auflösung 2 Auflösung 4

Veränderung der Auflösung

-Auflösung1 = alle Wellenzahlen

-Auflösung2 = jede zweite Wellenzahl

-Auflösung4 = jede vierte Wellenzahl

-Schlechte Auflösung kann zur Verfälschung von Signalen führen

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

1250 1260 1270 1280 1290

0

2

4

Inte

nsitä

t

Wellenzahl

Probenreferenz Blackman-Harris-3Term Probenreferenz Boxcar-Funktion

Änderung der Apodisationsfunktion

- Besser angepasste Apodisationsfunktionenführen zu besseren Signalen

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

1250 1255 1260 1265 1270 1275 1280 1285 1290

0

2

4

Inte

nsitä

t

Wellenzahl

32 Scans 1 Scan 64 Scans

Veränderung der Scananzahl

- Je höher die Zahl der Scans, umso besser ist die Mittelung der Werte

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

2.Teil des Versuchs: NaNO2 Vermessung bei verschiedenen Temperaturen

- NaNO2 durchläuft bei 165°C eine Umwandlung

- Dabei beginnen sich die Ionen auf ihren umzuorientieren

- Hierdurch ändert sich die Kristalleigenschaft von ferroelektrisch zu paraelektrisch

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

Ferroelektrizität: Elektrischer Dipol in Abwesenheit eines externen Feldes. Ladungsschwerpunkte positiver Ladung und negativer Ladung fallen nicht

zusammen.

Paraelektrizitätt: Kein elektrischer Dipol in Abwesenheit eines externen Feldes. Ladungsschwerpunkte positiver Ladung und negativer Ladung fallen

zusammen.

165 °C

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

810 820 830 8400,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Inte

nsitä

t

Wellenzahl

Raumtemperatur 50°C 100°C 130°C 140°C 145°C 150°C 155°C 160°C 165°C 170°C 175°C 180°C

Das Maximum verliert mit steigender Temperatur an Intensität und verschiebt sich zu niedrigeren Wellenzahlen

Versuch: Vermessung von Natriumnitrit

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180824

826

828

Pea

kmax

imum

Temperatur

Peakmaxima gegen die Temperatur: das Maximum nahe der Umwandlungstem-peratur verschiebt sich stärker als bei geringeren Temperaturen

(Höhere Umorientierungsfrequenz der Teilchen)

Literaturverzeichnis

� http://www.pc-chemie.de/ir.htm

� http://www.ir-spektroskopie.de/

� FT-IR-Script

� http://www.bruker.de/

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Wochenende?

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Schönes Wochenende