Infrapunaspektroskopia

Infrapunaspektroskopia on spektroskopiamenetelmä, jossa absorboituva sähkömagneettinen säteily on infrapunasäteilyn aallonpituusalueella. Infrapunasäteily saa molekyylien sidokset värähtelemään ja värähtelytaajuus voidaan havaita. Värähtelyn taajuus ja siten myös spektroskopiassa tavallisemmin käytetty aaltoluku riippuvat sidoksen kertaluvusta ja toisiinsa sitoutuneiden atomien massoista. Infrapunaspektroskopia on hyvin yleisesti käytetty analyyttisen kemian rutiinimenetelmä, jolla on useita sovellutuksia muun muassa orgaanisessa rakenneanalytiikassa, bio- ja elintarviketieteissä, lääketeollisuudessa ja ilmakehäanalyyseissä. Infrapunaspektroskopia soveltuu niin kvalitatiivisiin kuin kvantitatiivisiin analyyseihin.

Infrapunaspektroskopian periaate

Kun molekyyliin kohdistuu infrapunasäteilyä, osa säteilystä ohittaa molekyylin ja osa absorboituu. Infrapunasäteily voi absorboitua jos absorboivalla molekyylillä on dipolimomentti. Tämän vuoksi monet kaksiatomiset molekyylit kuten typpi- (N₂) tai happimolekyylit (O₂) eivät absorboi infrapunasäteilyä. Säteilyn absorptio on sitä voimakkaampaa mitä suurempi sidoksen dipolimomentti on. Absorboituva säteily aikaansaa molekyylien sidosten värähtelyjä. Värähtelyt voivat olla venytysvärähtelyjä, joissa molekyylien sidosten sidospituudet muuttuvat tai taivutusvärähtelyjä, joissa sidoskulmat muuttuvat. Yksinkertaisin malli, jolla tätä kuvataan on harmoninen värähtelijä, jota voidaan parantaa epäharmonisilla korjauksilla. Eri absorboituvat aallonpituudet saavat aikaan eri sidosten värähtelyjä. Värähtelyt riippuvat myös toisiinsa siotutuneiden atomien massoista. Epäharmonisen värähtelijän mallissa värähtelijän massana käytetään atomien redusoitua massaa. Värähtelyt voidaan detektoida absorptiopiikkeinä värähtelyä vastaavalla aaltoluvulla.  Nämä absorptiopiikit muodostavat kyseisen molekyylin infrapunaspektrin. Infrapunaspektreissä absorboituvat aallonpituudet ilmoitetaan tyypillisimmin aallonpituuden käänteislukuna eli aaltolukuna (yksikkönä käytetään cm⁻¹).

Laitteisto ja näytteenkäsittely

Infrapunaspektroskopia voidaan jakaa alueisiin käytetyn infrapunasäteilyalueen perusteella. Lähi-infrapunaspektroskopiassa käytetään aallonpituusaluetta 0,78–2,5 μm (aaltoluvut 12 800–4 000 cm⁻¹), keskialueen infrapunaspektroskopiassa käytetään aallonpituuksia 2,5–50 μm (aaltoluvut 4 000–200 cm⁻¹) ja kaukoinfrapunaspektroskopiassa käytetään aallonpituusaluetta 50–1 000 μm (aaltoluvut 200–10 cm⁻¹). Yleisimmin käytetään keskialueen infrapunaspektroskopiaa.
Infrapunaspektroskoopit voidaan jakaa dispersiivisiin, ei-dispersiivisiin ja Fourier-muunnosta hyödyntäviin laitteisiin. Nykyään käytetyimmät ovat Fourier-muunnosta signaalinkäsittelyssä hyödyntävät laitteet. Dispersiivisiä laitteita käytetään lähinnä ilmakehäanalyyseissä ja ei-dispersiivisiä laitteita kenttäolosuhteissa, joissa laitteelta vaaditaan hyvää kestävyyttä. Fourier-muunnosta hyödyntävissä laitteissa infrapunasäteily johdetaan säteilylähteestä näytteen läpi interferometrille, joka muodostaa interferogrammin. Interferogrammi muunnetaan tietokoneen avulla Fourier-muunnosta käyttäen infrapunaspektriksi. Muihin laitteistoihin verrattuna Fourier-muunnosta hyödyntävien infrapunaspektrometrien etuna on muun muassa parempi signaali-kohinasuhde kuin muissa menetelmissä. Infrapunasäteilyn lähteinä infrapunaspektroskoopeissa käytetään esimerkiksi piikarbidista valmistettua niin kutsuttua Globar-putkea, joka kuumennetaan, Nernstin hehkuputkea, elohopeakaarilamppua, volframilankalamppua tai hiilidioksidilaseria.
Infrapunaspektroskopia soveltuu sekä kaasuille, nesteille, että kiinteille aineille. Nesteet voidaan liuottaa esimerkiksi dikloorimetaaniin ja mitata tämän jälkeen. Liuottimien ongelma on kuitenkin se, että niilläkin on omat usein voimakkaat resonanssinsa tietyillä aaltolukualueilla, jolloin nämä värähtelyt peittävät alleen tutkittavan analyytin värähtelyt. Tämän vuoksi toinen tapa mitata nesteitä on mitata ne sellaisenaan. Tämä onnistuu esimerkiksi applikoimalla näytettä kahden hyvin infrapunasäteilyä läpäisevän natriumkloridilevyn väliin. Kiinteät aineet voidaan mitata joko sellaisinaan tai näyte jauhetaan yhdessä kaliumbromidin kanssa ja muodostuneesta seoksesta puristetaan pelletti, jonka infrapunasäteilyn absorptiota mitataan.

Infrapunaspektroskopian sovellutuksia

Koska eri sidokset värähtelevät eri aaltoluvuilla voidaan infrapunaspektroskopiaa käyttää orgaanisten yhdisteiden sisältämien funktionaalisten ryhmien tunnistamiseen. Tämä on yksi yleisimpiä menetelmän käyttökohteita. Orgaanisessa rakenneanalytiikassa infrapunaspektroskopialla saatuja tuloksia käytetään yhdessä massaspektrometrian ja NMR-spektroskopian kanssa rakenteiden selvittämiseen. Hyvin yksinkertaisten molekyylien tapauksessa pelkkä infrapunaspektroskopiakin on riittävä. Lisäksi infrapunaspektreistä on olemassa tietokantoja, joihin tuntemattoman näytteen spektriä voidaan verrata. Infrapunaspektrometriaa käytetään myös esimerkiksi polymeerien luokitteluun, polymerointiprosessien etenemisen seurantaan ja seosten tunnistamiseen. Menetelmää käytetään myös laadunvarmistusmenetelmänä esimerkiksi lääketeollisuudessa. Elintarviketeollisuudessa infrapunaspektroskopiaa voidaan käyttää elintarvikkeiden kosteus- ja proteiinipitoisuuden määrittämiseen. Lisäksi menetelmällä on käyttöä ilmakehän koostumuksen määrittämiseen.