Anwendungen der IR-Spektroskopie

Die Absorption von Infrarotstrahlung bewirkt Veränderungen der molekularen Schwingungen.Atomgröße, Bindungslänge und -stärke variieren in Molekülen, so dass die Frequenz, mit der eine bestimmte Bindung Infrarotstrahlung absorbiert, über einen Bereich von Bindungen und Vibrationsmodi unterschiedlich ist. Die Messung der Absorption von Infrarotstrahlung durch ein Material liefert sehr nützliche Informationen über die Struktur.Da keine zwei organischen Verbindungen das gleiche IR-Spektrum haben, kann eine Verbindung mit Sicherheit identifiziert werden, indem ihr Spektrum mit dem einer bekannten reinen Verbindung verglichen wird. Wenn sie identisch sind, dann sind sie ein und dasselbe.

Das elektromagnetische Spektrum deckt einen sehr weiten Wellenlängenbereich ab, daher werden in verschiedenen Regionen unterschiedliche Einheiten verwendet.

Für sehr kurze Wellenlängen werden Nanometer (1 nm = 10-9 m) bevorzugt.

Im infraroten Bereich können Wellenlängen in Mikron (μ) ausgedrückt werden.Wellenzahlen sind die Anzahl der Wellen pro cm und werden oft als reziproke Zentimeter (cm-1) bezeichnet:

In einem typischen Spektrum tritt eine C – H-Absorption bei 3000 cm-1 auf, während eine C = O-Absorption bei 1740 cm-1 bei einer niedrigeren Wellenzahl, einer höheren Frequenz und einer höheren Energie als die C – H-Streckschwingung auftritt.

NB: Organische Chemiker bezeichnen Wellenzahlen lose als „Frequenz“ und so können Sie in Büchern und anderen Quellen Spektren mit der Bezeichnung „Frequenz (cm-1)“ sehen. Die Infrarotspektroskopie, die sowohl in der Forschung als auch in der Industrie weit verbreitet ist, ist eine einfache und zuverlässige Technik, die für eine Vielzahl von Messungen und in der Qualitätskontrolle verwendet wird. Es ist besonders nützlich in der Forensik sowohl in Straf- als auch in Zivilsachen. Spektrometer sind jetzt klein und können leicht transportiert werden, sogar für den Einsatz in Feldversuchen. Mit zunehmendem Fortschritt in der neuen Technologie können Proben in Lösung jetzt genau gemessen werden (Wasser erzeugt eine breite Absorption über den interessierenden Bereich und macht die Spektren somit ohne diese neue Technologie unlesbar).

Einige Instrumente werden Ihnen auch automatisch sagen, was eine Substanz ist, indem Sie sie auf einen Speicher von Tausenden von Spektren verweisen, die im Speicher aufbewahrt werden.Durch Messung mit einer bestimmten Frequenz im Laufe der Zeit können Änderungen des Charakters oder der Menge einer bestimmten Bindung gemessen werden. Dies ist besonders nützlich bei der Messung des Polymerisationsgrades bei der Polymerherstellung oder bei der Identifizierung von Polymerabbau.
Der Fortschritt der Bildung eines Epoxidharzes, das durch einen Aminvernetzer gehärtet wird, kann durch Beobachtung des Auftretens einer Hydroxygruppe im Spektrum einer polymerisierenden Probe (oder durch das Verschwinden einer Epoxidgruppe) überwacht werden.

Moderne Forschungsinstrumente können bis zu 32 Mal pro Sekunde Infrarotmessungen über den gesamten interessierenden Bereich durchführen. Dies kann geschehen, während simultane Messungen mit anderen Techniken durchgeführt werden. Dies macht die Beobachtung chemischer Reaktionen und Prozesse schneller und genauer. Infrarotspektroskopie ist für Anwendungen in der organischen und anorganischen Chemie in hohem Grade erfolgreich gewesen.

Ein zweiter Typ von IR-Spektrometer ist ein dispersives Spektrometer. Der Drehspiegel M reflektiert den Referenzstrahl temporär zur Maschinenoptik hin und blockiert dabei den Probenstrahl. Referenzstrahl und Probenstrahl werden abwechselnd geblockt und reflektiert. Das Beugungsgitter streut das IR in ein Spektrum von Wellenlängen; Diese Reihe wird zum Detektor reflektiert. Das Thermoelement wandelt die verschiedenen Wellenlängen des IR, die es erreichen, in ein Signal um, das als Spektrum dargestellt wird. Die Differenz zwischen Referenz- und Probensignalen zeigt, welche Teile des Spektrums von der Probe absorbiert wurden.

Eine andere Art von IR-Spektrometer ist ein Fourier-Transformations (FT) -Spektrometer. Im FT-Spektrometer wird anstelle eines Beugungsgitters ein Interferometer verwendet. Alle Frequenzen (oder Wellenlängen, ν ~ 1/λ) erreichen den Detektor gleichzeitig. Das Spektrum wird durch eine mathematische Berechnung (eine Fourier-Transformation) erhalten. Das FT-Spektrometer ist reaktionsschneller, genauer und präziser als ein dispersives Spektrometer.