Eenvoudige uitleg van zichtbaar licht naar (N)IR en VIS |
Waar bestaat licht uit waardoor het zichtbaar is voor onze ogen?
Licht is een heel speciaal verschijnsel. We staan er in het dagelijks leven niet vaak bij stil, maar ook licht bestaat uit deeltjes (fotonen). Deze deeltjes hebben alleen iets speciaals: ze kunnen zich zowel als deeltje of als golf gedragen. Elke golf heeft zijn eigen lengte (golflengte) en elke kleur heeft zijn eigen golflengte uitgedrukt in nanometer (λ). Zichtbaar licht heeft een golflengte tussen de 380 nanometer en de 780 nanometer.
De ontdekking van infrarood straling.
In 1800 ontdekte de Britse astronoom Sir Frederick William Herschel infrarode straling toen hij energiemetingen verrichte in de verschillende kleuren door zonlicht op een prisma te laten vallen om een kleurenspectrum zichtbaar te maken. Door een thermometer de temperatuur te meten van de kleuren stelde hij vast dat er een temperatuursverhoging plaats vond tussen blauw en rood. Bij toeval ontdekte hij dat de temperatuurstijging het hoogste was buiten het zichtbare deel van rood licht.
Hoe ontstaat infrarode straling?
Wanneer een object warmer is dan zijn omgevingstemperatuur zendt dit infrarode straling uit. Omgekeerd, wanneer een object kouder is dan zijn omgevingstemperatuur absorbeert dit infrarode straling.
Infrarood betekend “onder het rood” en is de elektrische straling dat voor het menselijke oog niet waarneembaar maar wel voelbaar is. Hoeveel straling wordt uitgezonden is afhankelijk van de temperatuur van het object. Een object bestaat uit moleculen en elk molecuul neemt of zendt energie uit in de vorm van stralingswarmte. Zo is het mogelijk om moleculen (componenten) te meten doormiddel van infrarood technieken.
Wat is infraroodspectrometrie en hoe werkt het?
Om infraroodspectrometrie technieken uit te kunnen leggen is het belangrijk om te weten hoe moleculen zich gedragen. Een molecuul bestaat uit atomen die door chemische verbindingen bij elkaar gehouden worden. De atomen aan de moleculen hebben een bepaalde bewegingsvrijheid ten opzichte van elkaar in de vorm van trillingen (vibraties genoemd). op verschillende manieren kunnen deze vibratie bewegingen zich voor doen. De 2 belangrijkste om te onthouden zijn de buig en strek bewegingen. Het vibreren doen ze met een eigen frequentie en is voor elk molecuul specifiek.
Boven: Strekvibraties Onder: Buigvibratie
Door een molecuul te bestralen met infraroodlicht zal een gedeelte van het licht worden geabsorbeerd (opgenomen) door het molecuul. Deze afname van het licht wordt vergeleken met een nul-waarde ofwel de referentie. Deze referentie wordt opgenomen zonder monster door al het licht op de detector te laten schijnen. Bijvoorbeeld in transmissie (meting door het monster heen, schone vloeistoffen) doen we dit door het licht direct op de detector te laten schijnen en in reflectie door een witte schijf van zuiver teflon te plaatsen om het licht te weerkaatsen op de detector. Het zuivere teflon dient als reflector, omdat teflon geen IR straling absorbeert en spierwit is.
Afhankelijk van de chemische samenstelling van het molecuul wordt een specifiek gedeelte van het infrarode licht geabsorbeerd. Het molecuul zal die frequenties aan licht opnemen die overeenkomt met de frequenties aan vibratie binnen het molecuul.
IR-Spectrum
Een infraroodspectrum geeft de frequenties weer van het opgenomen infrarode licht in het monster.Onderstaand voorbeeld is een weergave hoe een spectrum van 2-heptanone eruit ziet. Het voorbeeld laat zien hoe je zo’n spectrum kunt interpreteren vanwege de positie van de atomen aan het molecuul.
De X-as, het golfgetal wordt in dit voorbeeld uitgezet tegenover de Y-as in % transmissie (omgekeerde heet absorptie).
De frequenties van een IR-spectrum geven wij meestal weer als golfgetal (met eenheid cm−1) of de inverse hiervan de golflengte (met eenheid nm).
Het Infrarood gebied gaat globaal van 10 – 12800 cm−1 en wordt onderverdeeld in 3 gebieden:
het Ver-IR gebied (Far Infra Red of FIR globaal van 50 – 1000 cm−1)
het Mid-IR gebied (IR globaal van 200 – 4000 cm−1)
het Nabij-IR gebied (NIR globaal van 4000 – 12800 cm−1 )
Omdat het wiel niet opnieuw uitgevonden hoeft te worden, wordt hier voor vaak een tabel gebruikt uit het wel bekende Binas boek (tabel 39C). Hieruit kun je bepalen met welke vibraties (en dus eigenlijk welke chemische verbindingen) de verschillende frequenties overeenkomen.
Uit bovenstaand spectrum is bijvoorbeeld af te leiden dat rond de frequentie 2900 cm−1 een aantal pieken te zien zijn die worden veroorzaakt door de strekvibraties van de C-H binding.Bij 1718 cm−1 is een duidelijke piek te zien die karakteristiek is voor een C=O strekvibratie in een keton.Het gebied tussen 600 cm−1 en 1500 cm−1 noemen we het “fingerprint” gebied. Dit gedeelte van het infraroodspectrum is uniek voor iedere verbinding en dient dus als een soort vingerafdruk voor een verbinding.
Deze tabel laat zien hoe dit eruit zou kunnen zien.
Opmerking: soms wordt in plaats van het percentage doorgelaten ir-licht (de transmissie T) het percentage opgenomen ir-licht (de absorptie A) gebruikt.
Onderstaande formule geeft dit verband aan, waarbij Io de referentie of nulmeting is en I het signaal is nadat het monster is geplaatst.
Werking
Om te weten waar het molecuul licht absorbeert, dient de plaats in het golfgebied nauwkeurig bepaald te worden. Bij een dispersieve NIR techniek wordt dit gedaan door een slit (spleet) en bij een FT(N)IR (Fourier Transform (N)IR) techniek met behulp van een HeNe laser of solid state laser. Een solid state laser verdient de voorkeur boven een HeNe laser vanwege de zeer lange levensduur >>20 jaar.
Bij een FT(N)IR wordt de golflengten verschoven door een halfdoorlaatbare beamsplitter. De ene helft zal een langere weg afleggen dan de andere en wanneer deze weer worden samengevoegd ontstaat er een interferentie patroon welke resulteert een Interferogram. Via een rekenkundige procedure (Fourier transformatie) is dit Interferogram terug te herleiden naar een spectrum. Deze techniek is nog relatief kort beschikbaar omdat een computer nodig is om deze berekening te doen. Betaalbare en hanteerbare PC’s kwamen pas rond 1985 op de markt.
Het laserlicht bestaat uit een hoogfrequent monochromatisch licht, een sinusgolf, die van het (N)IR licht is te onderscheiden. Laat je deze direct meelopen met het NIR licht, dan heb je een soort liniaal gecreëerd. Ik vergelijk het altijd maar met een zeer nauwkeurige aan/uit schakelaar met hoogfrequente positieve en negatieve golfen.
Op deze manier kan exact gemeten worden waar het molecuul het infrarode licht absorbeert en kan er worden bepaald uit welke chemische verbindingen een molecuul bestaat.
In bovenstaand voorbeeld is links een IR spectrum en rechts een NIR spectrum weergegeven. In het IR spectrum zijn de individuele fundamentele banden nog te onderscheiden. Hetzelfde gebeurt in het NIR golfgebied, echter daar zijn deze fundamentele banden niet meer te onderscheiden, maar zijn ze gecombineerd in zogenaamde combinatiebanden en over tonen.
Ik vergelijk het altijd maar met wanneer een steen in het water wordt gegooid. De eerste golf is vergelijkbaar met IR, waar je direct de impact kan meten en die langzaam wordt uitgedempt in lagere golven met minder energie (NIR). Voordeel van dat uitdempen, dus lagere energie is dat er hogere concentraties aan absorberend materiaal kan worden gemeten. In vloeistoffen tevens een langere weglengte, waardoor een representatievere meting wordt verricht, maar ook zeker een eenvoudigere monstervoorbereiding benodigd is. Immers er kan meer materiaal worden genomen, dat niet meer behoeft te worden gemaald of te worden verdund.
De wet van Beer-Lambert drukt dit uit.
Omdat de fundamentele banden bij Mid-IR gezien worden, zal een IR techniek veelal gebruikt worden voor structuuropheldering (identificatie) en in mindere mate kwantificatie, waarbij NIR of FTNIR technieken juist worden gebruikt om te kwantificeren en soms ook voor productherkenning, maar niet voor structuuropheldering op moleculair niveau.
Terug
deel deze pagina op uw:
