Phổ học hồng ngoại và Raman

Phổ học hồng ngoại và Raman thăm dò các dao động phân tử để xác định các nhóm chức và mô tả cấu trúc hóa học.

Definition

Phổ học hồng ngoại và Raman là các phương pháp phổ học dao động đặc trưng cho các phân tử từ năng lượng của các dao động liên kết của chúng, được đo tương ứng thông qua hấp thụ hồng ngoại và tán xạ ánh sáng không đàn hồi.

Scope

Chủ đề này bao gồm hai kỹ thuật dao động bổ sung: hấp thụ hồng ngoại—hiện nay chủ yếu sử dụng các thiết bị biến đổi Fourier với các chế độ lấy mẫu như phản xạ toàn phần suy giảm—và tán xạ Raman. Nó đề cập đến các quy tắc chọn lọc xác định dao động nào hoạt động trong hồng ngoại hoặc Raman, các công nghệ giao thoa kế và đầu dò, cũng như việc sử dụng dấu vân tay dao động để nhận dạng định tính và, ngày càng tăng, phân tích định lượng.

Core questions

• Những dao động phân tử nào hoạt động trong hồng ngoại so với Raman, và tại sao?
• Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier đạt được lợi thế về tốc độ và độ nhạy như thế nào?
• Vùng dấu vân tay được sử dụng như thế nào để nhận dạng và phân biệt các hợp chất?
• Khi nào hồng ngoại và Raman bổ sung cho nhau thay vì dư thừa?

Key theories

Các quy tắc chọn lọc dao động

Một dao động chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại nếu nó làm thay đổi mômen lưỡng cực phân tử, trong khi nó chỉ tán xạ bức xạ Raman nếu nó làm thay đổi độ phân cực; tính bổ sung này có nghĩa là các dao động đối xứng yếu trong hồng ngoại thường mạnh trong Raman, và ngược lại.

Tán xạ Raman

Một phần nhỏ ánh sáng tán xạ bởi một phân tử bị dịch chuyển năng lượng bằng lượng tử dao động, tạo ra các vạch Stokes và anti-Stokes mà sự dịch chuyển của chúng xác định các chế độ dao động độc lập với bước sóng kích thích.

Mechanisms

Trong phổ học hồng ngoại, bức xạ băng rộng đi qua hoặc phản xạ từ một mẫu và các dao động làm biến đổi mômen lưỡng cực hấp thụ ở các tần số đặc trưng của chúng; một thiết bị biến đổi Fourier mã hóa tất cả các tần số đồng thời thông qua một giao thoa kế và khôi phục phổ bằng toán học. Trong phổ học Raman, một laser đơn sắc chiếu sáng mẫu và phần nhỏ tán xạ không đàn hồi được phân tán và phát hiện, các dịch chuyển tần số của nó báo cáo các chế độ dao động tương tự.

Clinical relevance

Phổ học dao động được sử dụng rộng rãi để nhận dạng vật liệu và polymer, xác minh nguyên liệu dược phẩm và sàng lọc đa hình, phân tích dấu vết pháp y và giám sát quy trình, được đánh giá cao vì yêu cầu ít hoặc không cần chuẩn bị mẫu.

History

Hấp thụ hồng ngoại được sử dụng trong phân tích từ đầu thế kỷ 20, với các thiết bị biến đổi Fourier trở nên chiếm ưu thế sau những năm 1960 nhờ tốc độ tính toán nhanh hơn và lợi thế đa kênh. Hiệu ứng Raman được C. V. Raman và K. S. Krishnan báo cáo vào năm 1928, và các nguồn laser sau đó đã biến tán xạ Raman thành một công cụ phân tích thực tế.

Key figures

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

Seminal works

• raman1928
• skoog2017
• harris2020

Frequently asked questions

Tại sao phổ học hồng ngoại và Raman được coi là bổ sung cho nhau?

Chúng tuân theo các quy tắc chọn lọc khác nhau: hồng ngoại phát hiện các dao động làm thay đổi mômen lưỡng cực, Raman phát hiện các dao động làm thay đổi độ phân cực, vì vậy một dao động yếu trong kỹ thuật này thường mạnh trong kỹ thuật kia, và cùng nhau chúng cung cấp một bức tranh dao động đầy đủ hơn.

Lợi thế của hồng ngoại biến đổi Fourier so với các thiết bị phân tán là gì?

Một giao thoa kế đo tất cả các tần số cùng một lúc thay vì quét từng tần số một, mang lại khả năng thu nhận nhanh hơn, thông lượng cao hơn và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn—lợi thế đa kênh và thông lượng.