Phổ hồng ngoại (IR) 1. Đại cương. Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử vv…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chấp hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học. Bởi vậy phổ thông ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng. Vùng bức xạ hồng ngại là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành 4 vùng nhỏ. - Vùng tác dụng với phim ảnh: từ cuối vùng trông thấy đến 1,2Micro. - Vùng hồng ngoại cực gần 1,2 - 2,5Micro (1200 - 2500Micromet). - Vùng hồng ngoại gần cũng gọi là vùng phổ dao động. - Vùng hồng ngoại xa cũng gọi là vùng quay, ….. 25 đến 300,400Micro. Phổ ứng với vùng năng lượng quay nằm trong vùng hồng ngoại xa, đo đạc khó khăn nên ít dùng trong mục đích phân tích. Như vậy phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong khoảng 2,5 - 25Micro hoặc vùng có số sóng 4000 - 400 cm-1. Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử. Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại và phổ dao động a. Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Không phải bất kỳ phần tử nào cũng có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại; mặt khác bản thân sự hấp thụ đó cũng có tính chất chọn lọc. Để một phần tử có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau: * Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) cũng là tần số của bức xạ tới.
Thực nghiệm cho thấy rằng khi cho các bức xạ hồng ngoại chiếu qua mẫu HCl và phân tích bức xạ truyền qua bằng 1 quang phổ kế hồng ngoại, người ta nhận thấy rằng phần bức xạ có tần số 8,7.1013s-1 đã bị hấp thụ, trong khi các tần số khác được truyền qua. Vậy tần số 8,7.1013s-1 là tần số đặc trưng cho phân tử HCl.
Sau khi hấp thụ bước sóng chính xác của bức xạ hồng ngoại (năng lượng bức xạ hồng ngoại đã bị tiêu tốn) phân tử dao động với biên độ tăng. Điều kiện này chỉ áp dụng chặt chẽ cho phân tử thực hiện chuyển động dao động điều hoà. * Lưỡng cực điện. Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng. Một phân tử được gọi là có lưỡng cực điện khi ở các nguyên tử thành phần của nó có điện tích (+) và điện tích (-) rõ rệt. Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường (như khi phân tử được giữ trong 1 dòng IR), trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử - Các điện tích ngược nhau sẽ chịu các lực theo chiều ngược nhau, điều đó dẫn đến sự tách biệt 2 cực tăng hoặc giảm. Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độ phân cực của chúng 1 cách tuần hoàn, khoảng cách giữa các nguyên tử tích điện của phân tử cũng thay đổi 1 cách tuần hoàn. Khi các nguyên tử tích điện này dao động, chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử lớn, sự hấp thụ bức xạ mạnh và sẽ có đám phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử nhỏ, đám phổ hấp thụ hồng ngoại yếu. Theo điều kiện này thì các phần tử có 2 nguyên tử giống nhau sẽ không xuất hiện phổ dao động. Ví dụ O2, N2 v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại. Đó cũng là một điều may mắn, nếu không người ta phải đuổi hết không khí ra khỏi máy quang phổ kế hồng ngoại. Tuy nhiên trong không khí có CO2 và hơi nước (H2O) có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại nhưng điều này có thể bù trừ được bằng thiết bị thích hợp. b. Trạng thái dao động của phân tử 2 nguyên tử Giả sử 2 nguyên tử A và B tác dụng với nhau tạo thành phân tử AB. Gọi r là khoảng cách giữa hai nhân của nguyên tử A và B, r là không phải không đổi mà ở những điều kiện xác định sẽ dao động từ giá trị nhỉ nhất r(min) đến giá trị lớn nhất r(max). Từ r(min) sang r(max), r qua giá trị cân bằng r(e), là giá trị có xác suất lớn nhất của r. Người ta nói phân từ AB đã thực hiện chuyển động dao động nội tại.
Khi kéo dãn AB hoặc nén AB thì sẽ có sự thay đổi r cân bằng của AB ở trạng thái bình thường. Sự chênh lệch r đó gọi là (denta)r. Lúc đó sẽ xuất hiện 1 lực F kéo AB về vị trí cân bằng. F gọi là lực hồi phục và F tỷ lệ với độ dịch chuyển (denta)r. F = - K. (denta)r (K: hằng số lực, dyn/cm) Nếu (denta)r rất bé, chuyển động dao động là dao động điều hoà. Về mặt cơ học, có thể coi dao động của 2 vật thể A, B như 1 khối thu gọn có khối lượng M dao động quanh vị trí cân bằng.
Bởi vậy dao động của nguyên tử H có tần số lớn hơn dao động của các nguyên tử có khối lượng lớn hơn.
Người ta gọi tần số dao động này là tần số cơ bản. Quy tắc chọn lọc nêu ở trên thực ra là: Các phân tử của các chất chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại để gây bước chuyển năng lượng ứng với (denta)v = 1 (chỉ đúng với dao động điều hoà, với dao đọng phi điều hoà (denta)v có thể là 2, 3). Ở điều kiện nhiệt độ thường, đa số các phân tử dao động ở mức v = 0 và khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở nhiệt độ thường chuyển lên mức v = 1, do đó tần số bức xạ hồng ngoại bằng tần số tự nhiên của phân tử đó. Ta có thể tính gần đúng số sóng, độ dài sóng của việc hấp thụ của nhóm >C=O như sau (dao động co giãn), với hằng số lực của liên kết C = O bằng 106 dyn/cm, mc= 2.10-23g/nguyên tử.
Thực nghiệm cho thấy dao động liên kết C = O nằm trong khoảng 5,3 - 5,7Micromet, tương ứng với số sóng 1500 - 1900 cm-1. The Following User Says Thank You to tuxedomask For This Useful Post: lovewestlife (02-13-2011) #4 03-20-2008, 03:41 PM tuxedomask Super Moderator
Tham gia ngày: Mar 2008 Bài gởi: 1,288 Thanks: 143
c. Trạng thái dao động của phân tử nhiều nguyên tử. Đối với phân tử nhiều hơn 2 nguyên tử, trạng thái dao động phức tạp hơn nhiều. Trong các phân tử này ngoài các dao động hoá trị như ở phân tử 2 nguyên tử còn có các dao động biến dạng hay dao động uốn. Có thể minh hoạ các kiểu dao động co giãn liên kết và dao động biến dạng của phân tử 3 nguyên tử AB2 theo mô hình dưới đây:
Dao động co giãn: trong kiểu này, các nguyên tử chuyển động theo các trục liên kết, sao cho độ dài liên kết tăng hoặc giảm tuần hoàn. Vì kiểu dao động này tương ứng với chuyển động một chiều, có nghĩa là nếu phân tử có n nguyên tử thì sẽ có n - 1 dao động co giãn đối với hệ thống không đóng vòng. Dao động biến dạng: ở kiểu này có sự thay đổi góc giữa các liên kết với 1nguyên tử chung hoặc có sự chuyển động của một nhóm nguyên tử so với phần còn lại của phân tử, ngoài sự chuyển động của các nguyên tử trong nhóm so với nguyên tử kia. Dao động biến dạng cũng gọi là dao động uốn. Hằng số lực của dao động biến dạng nói chung thấp hơn của dao động co giãn và dao động biến dạng có tần số thấp hơn tần số dao động co giãn. Do hằng số lực nhỏ, dao động biến dạng nhạy cảm với ảnh hưởng của môi trường. Trong một phân tử nhiều nguyên tử, mỗi nguyên tử có 3 độ tự do trong 3 phương vuông góc với nhau (toạ độ Descarte). Bởi vậy một phân tử có nhiều nguyên tử thì số độ tự do gấp 3 lần số nguyên tử của nó, tức là phân tử có n nguyên tử thì có 3n độ tự do. Đối với phân tử gồm các nguyên tử không thẳng hàng thì có 3 độ tự do liên quan đến chuyển động quay và 3 độ liên quan đến chuyển động tinh tiến, số còn lại là 3n - 6 là độ tự do dao động hay dao động cơ bản. Ví dụ: H2O là phân tử có là phân tử có 3 nguyên tử không thẳng hàng nên có (3 x 3) - 6 = 3 dao động chuẩn.
Cả 3 dao động này đều ghi lại được trong phổ hồng ngoại của nước. CO2 là phân tử có 3 nguyên tử thẳng hàng nên có (3 x 3) - 5 = 4 dao động chuẩn, có thể biểu diễn theo mô hình sau:
Vì vậy các dao động biến dạng v2, v3 của CO2 được gọi là bị suy giảm và xuất hiện ở cùng một miền (666cm-1) trong phổ hồng ngoại của CO2.
Trong các phần tử nhiều nguyên tử, số kiểu dao động thực tế có thể khác so với số tính theo lý thuyết. Lý do chính như sau: + Những "bội âm" (bội số của một tần số đã cho) và "tổ hợp âm" (tổ hợp của 2 dao động khác, có thể làm tăng số kiểu dao động. + Một vài hiện tượng khác có thể làm giảm số đám phổ: + Các dao động rơi vào vùng hồng ngoại, không thể quan sát thấy. + Một vài đám phổ dao động yếu, nếu có cũng không thể quan sát thấy trong phổ IR. + Một vài đám phổ có cùng tần số hoặc khác nhau rất ít nên chập nhau và xuất hiện chỉ một đám phổ IR. + Một vài đám phổ dao động có thể suy giảm và xuất hiện cùng một chỗ trong phổ IR. + Nếu không có sự thay đổi tính lưỡng cực của phân tử thì sẽ không xuất hiện đám phổ hấp thụ IR.
d. Tương quan giữa phổ dao động và cấu trúc phân tử. Như đã nói, các nhóm chức, nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử có các đám phổ hấp thụ hồng ngoại đặc trưng khác nhau. * Trong vùng hồng ngoại gần (NIR) từ 12500cm-1 trải dài đến khoảng 4000cm-1 có rất nhiều đám phổ có liên quan đến nguyên tử H. Trong số đó, dao động co giãn (bội) của O - H gần 7140 cm-1 và N-H gần 6667cm-1, đám phổ tổ hợp do các dao động co giãn và dao động biến dạng của C-H của nhóm ankyl ở 1548 cm-1 và 3856 cm-1 Độ hấp thụ của đám phổ NIR thấp hơn từ 10 đến 1000 lần so với các đám phổ vùng hồng ngoại giữa. Vùng NIR có thể ghi được với hệ quang học thạch anh, kết nối với các detectơ nhạy với NIR và nguồn bức xạ mạnh hơn. * Vùng hồng ngoại giữa. Đã tìm được rất nhiêu tương quan bổ ích trong vùng hồng ngoại giữa. Vùng này được chia thành miền "tần số nhóm" 4000 - 1300cm-1 và vùng "dấu vân tay" 1300 - 650 cm-1. Trong khoảng 4000 - 2500cm-1 sự hấp thụ đặc trưng cho dao động co giãn của H với các nguyên tố khối lượng < 19
Phần chủ yếu trong phổ giữa 1300 và 650 cm-1, là các tần số co giãn của liên kết đơn và tần số các dao động uốn (các tần số bộ khung) của hệ nhiều nguyên tử. Đó là vùng "nhận dạng" "(vùng "dấu vân tay"). Vùng phổ này hết sức đa dạng , khó cho việc nhận biết riêng rẽ các đám phổ một cách chắc chắn, nhưng kết hợp các đám phổ hấp thụ, giúp cho việc nhận biết các chất.
- Vùng hồng ngoại xa: Vùng 667 - 10cm-1 bao gồm các dao động biên dạng của C, N, O, F với các nguyên tử khối lượng > 19 và các dao động biến dạng trong hệ thống mạch vòng hoặc chưa no. Vùng dao động tần số thấp trong phổ hồng ngoại rất nhạy đối với sự thay đổi cấu trúc phân tử, bởi vậy đám phổ vùng hồng ngoại xa thường cho phép dự đoán các dạng đồng phân. Ngoài ra, vùng này đặc biệt tốt cho việc nghiên cứu các cơ kim và các hợp chất vô cơ có các nguyên tử nặng và liên kết yếu. Trên đây ta đã thấy có sự liên quan giữa cấu trúc phân tử và sự xuất hiện các đám phổ dao động (phổ hấp thụ hồng ngoại). Tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc các phần còn lại của phân tử được gọi là tần số đặc trưng cho nhóm đó. Khi nói tần số đặc trưng của nhóm không thay đổi thì không có nghĩa là lamda max hấp thụ là không đổi mà chỉ có nghĩa là lamda max nằm trong một miền phổ khá hẹp. Ví dụ liên kết C-H có tần số đặc trưng trong khoảng 2800 - 2900cm-1 Ta xét một vài trường hợp đơn giản dưới đây để thấy rõ hơn tần số đặc trưng của các nhóm nguyên tử. * Trong các hidrocacbon no, các liên kết C-C và C-H là chủ yếu. Tần số dao động của mạch C-C rơi vào miền 800 - 1200cm-1 . Nếu thay nhóm -CH3 ở cuối mạch bằng một nguyên tử khác (hay nhóm nguyên tử khác). Ví dụ: là X thì liên kết C-X sẽ cho tần số đặc trưng nếu tần số của C-X không rơi vào miền tần số của C-C. Ví dụ: là X thì liên kết C-X sẽ cho tần số đặc trưng nếu tần số của C-X không rơi vào miền tần số của C-C. Ví dụ: trong CH3-X mà X là Cl, Br, I , SH, H, OH, NH2, F vv.. ta thấy. X Tần số liên kết (cm-1) Cl: 712 Br: 594 I: 522 SH: 704 H: 2914 OH: 1032 NH2: 1037 F: 1049 Liên kết C với X là Cl, Br, I, SH cho tần số đặc trưng, còn C-O, C - N, C - F không cho tần số đặc trưng vì rơivào miền tần số C - C. Cũng như vậy, thực nghiệm cho thấy trong dãy CnH2n+1 X, tần số của liên kết C-X hầu như không thay đổi khi n>3. Ví dụ tần số liên kết C-Cl của một số hợp chất dưới đây: C3H7 Cl 726cm-1 C4H9 Cl 722 C5H11Cl 722 C6H13Cl 724 C7H15Cl 725 Cho nên nếu thấy xuất hiện các tần số tương ứng, ta có thể kết luận một cách chính xác là trong phân tử có liên kết C-X. Trái lại việc phát hiện các liên kết C-N, C-O, C-F theo tần số dao động khi có liên kết C-C là không chính xác. * Khi nghiên cứu liên kết C = O ta cũng thấy là khi không bị ảnh hưởng của các nhóm
kác, liên kết này có tần số khoảng 1710cm-1, ví dụ trong các xeton dưới đây, tần số nhóm C = 0 chỉ sai khác nhau rất ít. H3C - CO - CH3 1708 cm-1 H3C - CO - C2H5 1712 cm-1 H3C - CO - C4H9 1709 cm-1
m: mạch, tb: trung bình, y: yếu, tmp: trong mặt phẳng, nmp: ngoài mặt phẳng. 2. Máy quang phổ hồng ngoại Máy quang phổ hồng ngoại được chia thành 2 loại chính: quang phổ kế tán sắc và không tán sắc.
Thiết bị tán sắc dùng lăng kính hoặc cách tử tương tự như ở quang phổ kế tán sắc tử ngoại - nhìn thấy (UV-VIS), trừ một điều là trong vùng hồng ngoại, cần sử dụng các nguồn bức xạ và detectơ khác nhau. Quang phổ kế không tán sắc có thể dùng kính lọc giao thoa, nguồn laser thích hợp vv … 1. Nguồn phát bức xạ: - Dùng trong vùng hồng ngoại gần (12500cm-1 - 4000cm-1 ): đèn dây tóc W. Tuy nhiên dùng đèn này thì mất vùng hồng ngoại xa vì vỏ đèn làm bằng thuỷ tinh. - Dùng cho vùng hồng ngoại trung bình - 4000 cm-1. đèn Nernst chế tạo từ hỗn hợp oxit đất hiếm và Zr, Th. Vì ở nhiệt độ thường hỗn hợp này không dẫn điện nên phải dùng cách đốt nóng trước, giữa 1000 - 1800 độC, đèn này cung cấp bức xạ cực đại ở ớ =7100 cm-1. Ưu điểm của đèn là phổ phát xạ trải ra trong một vùng rộng, cường độ ổn định trong thời gian dài. Nhược điểm là năng lượng tập trung chủ yếu ở vùng trông thấy và vùng hồng ngoại gần, hơn nữa kém bền về cơ học. Đèn globa: làm từ cácbua silic (phi= 4mm, L = 50 mm) Khi đốt nóng đến 1300 - 1700oC phát bức xạ mạnh ở ~5200cm-1 Đèn này có thể dùng cho vùng bước sóng dài hơn. Ngoài ra còn dùng một số nguồn bức xạ khác. 2. Hệ tán sắc: Đối với quang phổ kế tán sắc. Khi nghiên cứu trong vùng hồng ngoại gần có thể dùng lăng kính, cách tử thạch anh; lăng kính hay cách tử loại này ngoài vùng tử ngoại và trông thấy có thể sử dụng cho các vùng bức xạ đến tận 2500cm-1. Đối với vùng hồng ngoại trung bình: hay vùng tinh thể NaCl (muối mỏ) cho vùng 4000 650cm-1 lăng kính KBr dùng ở vùng 400cm-1 và lăng kính CsI thích hợp cho vùng 270cm-1. Các loại vật liệu LiF, CaF2 cũng hay dùng. Ngày nay cách tử phẳng chiếm vai trò quan trọng. Ưu điểm của nó là có thể dùng các vật liệu như Al không bị tác dụng của hơi ẩm, trong khi NaCl, KBr rất dễ bị hỏng vì ẩm Ngoài ra cách tử có thể dùng cho một vùng phổ rộng. Các thiết bị quang phổ hồng ngoại không tán sắc thì có thể dùng bộ lọc "trong suốt đối với tia hồng ngoại" để cô lập bước sóng cần thiết. Sơ đồ quang học của loại thiế bị này rất đơn giản và loại thiết bị này thường hay dùng trong trường hợp xác định lặp đi lặp lại một đối tượng, thường gặp trong việc kiểm tra trong công nghiệp. 3. Các detectơ: Trừ vùng bức xạ hồng ngoại gần có thể dùng tế bào quang điện như ở máy quang phổ tử ngoại - nhìn thấy, còn với những vùng bước sóng dài hơn người ta thường dùng các loại detectơ khác; có thể chia làm 2 loại. detectơ nhiệt và detectơ photon. a, detectơ nhiệt: Dựa trên hiệu ứng nhiệt do bức xạ hồng ngoại gây ra, có thể phản hồi đối với mọi tần số. Vì năng lượng bức xạ hồng ngoại thấp nên tín hiệu ở detectơ cũng thấp nên cần thiết có 1 bộ tiền khuyếch đại (preamplifier) lắp vào detectơ. Để xác định được các tín hiệu đó, các detectơ nhiệt cần có thời gian phản hồi ngắn và nhiệt được hấp thụ cần được tiêu tán nhanh. Điều kiện thứ 2 là yêu cầu khó khăn nhất, vì sự truyền nhiệt không phải là quá trình nhanh. Sau đây là một vài kiểu detectơ nhiệt. * Bolomet(bolometer): thường gồm 1 vật dẫn là kim loại mỏng. Khi bức xạ IR đập vào vật dẫn, nhiệt độ của nó thay đổi. Vì điện trở của vật dẫn kim loại thay đổi theo nhiệt độ, độ biến thiên điện trở được coi là độ đo lượng bức xạ đập vào bolomet.
Người ta lắp bolomet thành 1 nhánh của cầu wheastone, khi không có tia IR đập vào bolomet cầu cân bằng. Khi tia IR đập vào bolomet, do sự thay đổi điện trở, cầu mất cân bằng, tạo nên một dòng điện chạy qua điện kế; cường độ dòng cho ta biết cường độ bức xạ đập vào detectơ. Thời gian phản hồi 4 msec. * Cặp nhiệt điện: gồm 2 đầu, mỗi đầu hàn 2 dây làm tư các vật liệu có hệ số nhiệt độ cao. Nếu hai đầu hàn này được tiếp xúc với các nhiệt độ khác nhau, một điện thế nhỏ sẽ xuất hiện giữa hai đầu nối. Trong phép đo hồng ngoại, một đầu nối này (được gọi là đầu lạnh) được giữ ở nhiệt độ không đổi và không tiếp xúc với bức xạ IR, còn đầu kia (gọi là đầu nóng) tiếp xúc với tia IR,dưới tác dụng của IR nhiệt độ của đầu nối này tăng. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 đầu nối tạo ra một thế hiệu, phụ thuộc vào lượng bức xạ IR đập vào đầu nóng. Thời gian phản hồi của cặp nhiệt điện khoảng 60 msec. Ngoài ra còn dùng các thermistor, chế tạo từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy như oxit mangan, Co, Ni vv … sự vận hành của thermistor cũng tương tự như bolomet. Ngoài ra, người ta cũng còn dùng một số detetơ nhiệt khác Các detectơ nhiệt có thể dùng được trong một vùng phổ rộng, bao gồm cả vùng trông thấy lẫn vùng hồng ngoại và vận hành ở nhiệt độ phòng. Nhược điểm chủ yếu của các detectơ nhiệt là thời gian phản hồi chậm và độ nhạy thấp so với một số detectơ khác. b, detectơ photon: là loại detectơ mới, nhạy hơn, dựa trên sự tương tác giữa photon tới và một loại bán dẫn. Ví dụ khi bức xạ IR chiếu vào những chất bán dẫn như sunfua chì, telurua chì, độ dẫn điện của nó tăng lên và tạo ra dòng lớn hơn. Thời gian phản hồi - 0,5 msec. Detectơ photon có độ nhạy cao và thời gian phản hồi nhanh nhưng có nhiều nhược điểm trong thực hành. ở nhiệt độ phòng, các detectơ này chỉ làm việc được trong một vùng phổ hẹp, thường giới hạn trong vùng hồng ngoại gần. Muốn mở rộng vùng làm việc phải làm lạnh sâu (ví dụ giữ trong nitơ lỏng). 4. Cuvét đựng mẫu và cách chuẩn bị mẫu để phân tích. * Cuvét: Chuẩn bị mẫu và đưa mẫu vào phân tích bằng phổ hồng ngoại là vấn đều phức tạp. Vật liệu làm cuvét phải "trong suốt" và trơ ở vùng hồng ngoại, trong khi đó thuỷ tinh, thạch anh nói chung không thích hợp cho việc phân tích bằng phổ hồng ngoại. Vật liệu được dùng rộng rãi là các halogenua kim loại kiềm, nhất là NaCl, là vật liệu "trong suốt" cho đến tận số sóng 625cm-1. Mặt cuvét làm bằng các halogenua kim loại kiềm dễ bị hơi ẩm tác dụng và bị mờ, cần phải thường xuyên đánh bóng lại. Vật liệu AgCl có thể dùng cho các mẫu ẩm hoặc dung dịch nước nhưng lại là vật liệu mềm, dễ bị biến dạng, bị đen khi phơi ra ánh sáng trông thấy. Teflon chỉ có đám hấp thụ của C-C và C-F. Đối với những tần số ứng với số sóng < 600cm-1, có thể dùng polietylen. Dưới đây là một số vật liệu cho tia hồng ngoại đi qua.
Tóm lại, tuỳ bước sóng ta cần quan tâm mà chọn vật liệu cuvét thích hợp. * Lấy mẫu: có thể dùng phổ hồng ngoại để phân tích các chất rắn, lỏng, khí, nhưng mỗi loại có cách chuẩn bị mẫu riêng. - Mẫu khí: khi phân tích tích mẫu khí, độ hấp thụ tia hồng ngoại nhỏ nên chiều dài ánh sáng đi qua chất phân tích thường là 10cm. Khi cần đo phổ để xác định các thành phần có hàm lượng vết, độ dài đó là quá nhỏ, người ta phải dùng cuvét có đường ánh sáng đi qua thay đổi, có thể tăng độ dài đường đi của ánh sáng lên nhiều lần bằng cách dùng hệ thống gương phản chiếu nhiều lần. Cũng có thể tăng độ nhạy bằng cách tăng áp suất mẫu khí trong cuvét, ví dụ đến 10atm, những biện pháp này có thể gây nên những rắc rối khi phân tích định lượng. Khi phân tích trong vùng hồng ngoại mà có xuất hiện sự hấp thụ tia IR của hơi nước và CO2 thì trong phép đo cần dùng sơ đồ bù trừ (cuvet kép) - Các chất lỏng và dung dịch. Các mẫu là chất lỏng ở nhiệt độ phòng thì thường lấy ở dạng nguyên mẫu hoặc dung dịch. Nồng độ mẫu và độ dài đường ánh sáng đi qua mẫu được chọn sao cho độ truyền quang T nằm trong khoảng 15 - 70%. Đối với chất lỏng nguyên thường dùng lớp mỏng, bè dày - 0,001 - 0,05 mm. Đối với dung dịch, thường chọn nồng độ - 10% và bề dày lớp dung dịch 0,1mm. Điều cần lưu ý là không phải tất cả các chất đều có khả năng hoà tan trong dung môi, không hấp thụ IR ở vùng cần nghiên cứu đến một nồng độ cần thiết thích hợp. Trong trường hợp có thể, nếu muốn ghi phổ hồng ngoại vùng 4000-1333cm-1, người ta tiến hành đo với dung dịch 10% trong dung môi CCl4, dùng cuvét 0,1mm và nếu ghi phổ trong vùng 1333 - 650cm -1 thì đo với dung dịch 10% trong CS2. Cuvét đựng dung dịch để ghi phổ được cấu tạo với 2 "cửa sổ", được bịt và phân cách bằng các vòng đệm mỏng bẳng teflon, đồng hoặc chì (kỹ thuật chế tạo khá phức tạp, không đề cập ở đây). Độ dài đường ánh sáng đi qua cuvét được ghi chính xác. Đối với các chất lỏng không hoà tan được trong dung môi thích hợp, người ta tạo ra các màng mỏng chất lỏng để ghi phổ hồng ngoại: cho 1 giot chất lỏng nguyên vào giữa 2 bản "cửa sổ" không hấp thụ tia IR, sau đó ép vào nhau, lắp vào giá đỡ thích hợp và đưa vào máy đo. - Các mẫu chất rắn: + Đối với các loại polime, nhựa, các chất rắn vô định hình, mẫu được hoà tan vào một dung môi dễ bay hơi thích hợp, sau đó đổ lênmột phiến NaCl (muối mỏ), làm bay hơi dung môi bằng cách đun nóng nhẹ, ta sẽ được một lớp chất rắn mỏng lắng lại trên phiến
đó, sau đó đưa vào máy đo. + Nghiền mẫu bột hoặc chất rắn mịn rồi trộn với dầu khoáng, hexaclorobutadien, pefluorokerosen, mỡ clorfuorocacbon vv … Hỗn hợp này được phết lên phiến cu vét và ép vào nhau. Chiều dày của mẫu được chính sao cho đám hấp thụ mạnh nhất có độ truyền quang - 60 - 80%. * Ép viên: Mẫu được nghiền mịn (1-100Microgam) trộn với bột KBr rồi ép hỗn hợp này với áp suất - 4200 - 7000kg/cm2. Thường người ta tạo ra các viên đường kính - 1cm, dày - 1 - 2mm. Cũng có thể dùng các halogenua kim loại kiềm khác, đặc biệt như CsI, CsBr dùng để đo trong các vùng bước sóng dài hơn. Kỹ thuật này có thể dùng trong phân tích định lượng vì có thể tạo ra các mẫu chuẩn có nồng độ khác nhau. Mẫu không được ẩm vì có hơi ẩm, khi ghi phổ sẽ cuất hiện đám phổ của liên kết 0 - H ở 3450cm-1 . Cũng cần chú ý rằng khi ép có thể gây nên sự phân tích hoặc biến dạng mẫu ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nén. Ứng dụng của pp phổ dao động 1. Nhận biết các chất - Trước khi ghi phổ hồng ngoại, nói chung ta đã có thể có nhiều thông tin về hợp chất hoặc hỗn hợp cần nghiên cứu, như: trạng thái vật lý, dạng bên ngoài, độ tan, điểm nóng chảy, điểm cháy, đặc biệt là lịch sử của mẫu. Nếu có thể thì cần biết chắc mẫu là chất nguyên chất hay hỗn hợp. Sau khi ghi phổ hồng ngại, nếu chất nghiên cứu là hợp chất hữu cơ thì trước tiên nghiên cứu vùng dao động co giãn của H để xác định xem mẫu thuộc loại hợp chất vòng thơm hay mạch thẳng hoặc cả hai. Sau đó nghiên cứu các vùng tần số nhóm để xác định có hay không có các nhóm chức. Trong nhiều trường hựp việc đọc phổ (giải phổ) và tìm các tần số đặc trưng không đủ để nhận biết một cách toàn diện về chất nghiên cứu, nhưng có lẽ là có thể suy đoán được kiểu hoặc loại hợp chất. Cũng cần tránh khuynh hướng cố gắng giải và gán cho mọi đám phổ quan sát thấy, nhất là những đám phổ vừa và yếu trong vùng phổ phức tạp. Mỗi khi phát hiện một loại chất, người ta so sánh phổ của chất nghiên cứu với phổ của chất nguyên chất tương ứng để có thể nhận định đúng. Hiện nay người ta đã công bố một số tuyển tập phổ hồng ngoại của các chất và các tần số nhóm đặc trưng. 2 - Xác định độ tinh khiết. Phổ hồng ngoại được dùng để xác định độ tinh khiết của các chất Khi thích hợp chất không tinh khiết thì thường độ rõ nét của đám phổ riêng biệt bị giảm, sự xuất hiện thêm các đám phổ sẽ làm "nhoè" phổ. Khi tạp chất có sự hấp thụ mạnh IR mà ở đó thành phần chính không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu thì việc xác định rất thuân lợi. Ví dụ có thể nhận ra một lượng nhỏ xeton trong hidrocacbon vì hidrocacbon thực tế không hấp thụ vùng phổ - 1720cm-1 là số sóng đặc trưng cho nhóm C = O Phương pháp này thường được dùng để kiểm tra sản xuất rất nhiều loại hoá chất ở quy mô công nghiệp. 3. Suy đoán về tính đối xứng của phân tử. Ví dụ xét xem phân tử NO2 là phân tử gồm các nguyên tử thẳng hàng hay có cấu tạo uốn võng. Thực tế cho thấy phổ hấp thụ IR của NO2 có 3 đám ở 750, 1323, 1616cm-1 (không giống như CO2 chỉ có 2 đám phổ, nên phân tử NO2 phải có cấu tạo uốn võng.
4. Phân tích định lượng. Khả năng ứng dụng phổ hồng ngoại như là một ngành của phân tích định lượng phụ thuộc trang thiết bị và trình độ của các phòng thí nghiệm. Ngày nay, sự ra đời của các máy quang phổ hồng ngoại hiện đại, sự tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu làm cho việc phân tích định lượng càng thêm chính xác và do đó mở rộng được phạm vi phân tích định lượng. Về nguyên tắc, việc phân tích định ượng theo phương pháp phổ hồng ngoại dựa vào định luật cơ bản của Lambert - Beer A=lg(Io/I)=abc A: Độ hấp thụ tia IR Io: Cường độ bức xạ trước khi qua mẫu, I: cường độ bức xạ sau khi qua mẫu. a: Hệ số hấp thụ, b: bề dày của mẫu. c: Nồng độ chất nghiên cứu. Thực tế, người ta chỉ xác định nồng độ của một trong các nhóm chức của hợp chất cần phân tích. Ví dụ, có thể xác định nồng độ của hexanol theo độ hấp thụ của liên kiết O-H. Về thực nghiệm, có 2 cách xác định độ hấp thụ A. a, Phương pháp đường chuẩn. Ví dụ xác định một chất ở dạng dung dịch. Chọn số sóng thích hợp, cho dung dịch cần đo vào cuvét. Chỉ số độ đo trên máy tỷ lệ với I. Lại cho dung môi nguyên chất vào Cuvet. Lần này chỉ số đo được tỷ lệ với Io. Theo hệ thức trên, xác định được A tương ứng với nồng độ C. Ở những máy hiện đại, giá trị A được tính và ghi trực tiếp. Từ các nồng độ khác nhau đã biết, đo các giá trị A tương ứng, vẽ đồ thị A - C. Sau đó với nồng độ cần xác định, cũng đo A như trên rồi theo đồ thị chuẩn mà tìm C. b, Phương pháp đường nền. Có khi giá trị A cho trực tiếp trên máy. Nếu hỗn hợp có nhiều thành phần có các đám phổ xen phủ nhau thì để tìm nồng độ của từng thành phần phải giải hệ phương trình nhiêu ẩn (tương tự như ở phương pháp phổ điện tử). Kết quả thu được theo phương pháp phổ hồng ngoại bị những hạn chế sau: - Cuvét đựng mẫu thường làm bằng NaCl, KBr rất mềm, dễ bị biến dạng, do đó bề dày của mẫu (giá trị b) có thể thay đổi từ mẫu này sang mẫu khác. Cuvét cũng có thể bị tác động hoá học của dung môi. Do đó dẫn đến sai số trong phép đo. Sai số của phép đo cũng còn do những nguyên nhân khác. - Do hiệu ứng tập hợp của các phân tử chất hoà tan có thể dẫn đến sự thay đổi tần số hấp thụ, hình dáng, cường độ hấp thụ. - Do máy quang phổ hồng ngoại không đủ độ phân giải cần thiết nên không đủ khả năng đo được những đám phổ có tần số rất hẹp. Mặc dù phương pháp phổ dao động là một trong những phương pháp hữu hiệu nhất để xác định các chất về định tính cũng như định lượng, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học cũng như trong kiểm tra công nghiệp, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định: - Bằng phương pháp phổ hồng ngoại không cho biết phân tử lượng (trừ trường hợp đặc biệt). - Nói chung phổ hồng ngoại không cung cấp thông tin về các vị trí tương đối của các nhóm chức khác nhau trên một phân tử.
- Chỉ riêng phổ hồng ngoại thì đôi khi chưa thể biết đó là chất nguyên chất hay chất hỗn hợp vì có trường hợp 2 chất có phổ hồng ngoại giống nhau.
