Инфракрасная и комбинационная спектроскопия

Инфракрасная и комбинационная спектроскопия исследуют молекулярные колебания для идентификации функциональных групп и характеристики химической структуры.

Definition

Инфракрасная и комбинационная спектроскопия — это колебательные спектроскопические методы, которые характеризуют молекулы по энергиям колебаний их связей, измеряемым соответственно посредством инфракрасного поглощения и неупругого рассеяния света.

Scope

Эта тема охватывает две взаимодополняющие колебательные методики: инфракрасное поглощение, в которой сегодня доминируют приборы с преобразованием Фурье, использующие такие режимы отбора проб, как нарушенное полное внутреннее отражение, и комбинационное рассеяние. В ней рассматриваются правила отбора, определяющие, какие колебания являются инфракрасно- или комбинационно-активными, технологии интерферометров и детекторов, а также использование колебательных «отпечатков пальцев» для качественной идентификации и, во все большей степени, количественного анализа.

Core questions

• Какие молекулярные колебания являются инфракрасно-активными, а какие — комбинационно-активными, и почему?
• Как фурье-спектрометрия в инфракрасной области достигает своих преимуществ в скорости и чувствительности?
• Как область «отпечатков пальцев» используется для идентификации и различения соединений?
• Когда инфракрасная и комбинационная спектроскопия являются взаимодополняющими, а не избыточными?

Key theories

Правила отбора колебаний

Колебание поглощает инфракрасное излучение только в том случае, если оно изменяет дипольный момент молекулы, тогда как оно рассеивает комбинационное излучение только в том случае, если оно изменяет поляризуемость; эта комплементарность означает, что симметричные колебания, слабые в инфракрасной области, часто сильны в комбинационной, и наоборот.

Комбинационное рассеяние

Небольшая часть света, рассеянного молекулой, смещается по энергии на величину колебательного кванта, производя стоксовы и антистоксовы линии, сдвиги которых идентифицируют колебательные моды независимо от длины волны возбуждения.

Mechanisms

В инфракрасной спектроскопии широкополосное излучение проходит через образец или отражается от него, и колебания, модулирующие дипольный момент, поглощают на своих характерных частотах; прибор с преобразованием Фурье кодирует все частоты одновременно через интерферометр и математически восстанавливает спектр. В комбинационной спектроскопии монохроматический лазер освещает образец, и небольшая неупруго рассеянная фракция диспергируется и детектируется, а ее частотные сдвиги сообщают о тех же колебательных модах.

Clinical relevance

Колебательная спектроскопия широко используется для идентификации материалов и полимеров, проверки фармацевтического сырья и скрининга полиморфов, судебно-медицинского анализа следов и мониторинга процессов, ценность которой заключается в том, что она требует минимальной или нулевой пробоподготовки.

History

Инфракрасное поглощение использовалось в аналитических целях с начала 20 века, при этом приборы с преобразованием Фурье стали доминировать после 1960-х годов благодаря более быстрым вычислениям и мультиплексному преимуществу. Эффект Рамана был описан К. В. Раманом и К. С. Кришнаном в 1928 году, а лазерные источники позже превратили комбинационное рассеяние в практический аналитический инструмент.

Key figures

• C. V. Raman
• K. S. Krishnan
• Peter Fellgett

Seminal works

• raman1928
• skoog2017
• harris2020

Frequently asked questions

Почему инфракрасная и комбинационная спектроскопия считаются взаимодополняющими?

Они подчиняются разным правилам отбора: инфракрасная спектроскопия обнаруживает колебания, которые изменяют дипольный момент, комбинационная спектроскопия обнаруживает те, которые изменяют поляризуемость, поэтому колебание, слабое в одном методе, часто сильно в другом, и вместе они дают более полную картину колебаний.

В чем преимущество фурье-инфракрасной спектроскопии перед дисперсионными приборами?

Интерферометр измеряет все частоты одновременно, а не сканирует их по одной, что обеспечивает более быстрое получение данных, более высокую пропускную способность и лучшее отношение сигнал/шум — преимущества мультиплексирования и пропускной способности.