Infrarød spektroskopi

Infrarød spektroskopi er en analysemetode for å identifisere og kvantifisere materie(stoff) og forbindelser. Den utnytter det forhold at 
molekyler vibrerer ved at de kovalente bindingene strekkes og bøyes. De fleste molekyler har en eller flere vibrasjoner med frekvenser som ligger i den infrarøde delen av det elektromagnetiske spektrum. Ved å sende infrarød stråling gjennom en forbindelse vil de lysfrekvensene som er lik molekylvibrasjonsfrekvensene i forbindelsen absorberes eller hindres i å trenge gjennom prøven.
Intensiteten av disse lysfrekvensene avtar. Disse intensitetsendringene gir grunnlag for å finne forbindelsens infrarøde spektrum. En hver forbindelse har sitt unike infrarøde spektrum, som et fingeravtrykk. 
Infrarød spektroskopi foregår ved å sende mange infrarøde lysbølger samtidig mot prøven. Endringene i lysbølgene etter at disse har trengt gjennom eller blir reflektert fra prøven måles. Deretter foretas en omregning fra tidsområdet til frekvensområdet. Omregningen kalles Fouriertransformasjon, etter den franske matematikeren Jean Baptiste Joseph Fourier.

Teori

Molekyler absorberer infrarød stråling med en gitt frekvens dersom det eksisterer en energiovergang, ΔE, i molekylet slik at ΔE = hν = hc/λ.
E = strålingsenergi,
h = Plancks konstant,
ν = frekvens av stråling,
c = lys(stråle)hastighet og
λ = bølgelengde av stråling.
Overgangene som gir opphav til infrarød absorbsjon skyldes vibrasjoner i molekylet. Molekylvibrasjonene  må medføre en netto endring av molekylets dipolmoment. Dipolmoment er ubalanse i elektrisk ladningsfordeling i molekylet.
I et vannmolekyl (H₂O) vil det elektronegative oksygenatomet trekke til seg elektroner slik at det oppstår en negativ ladning der. Ved de to hydrogenatomene vil elektrontettheten være lav slik at atomkjerneladningen gjør dette til den positivt ladede delen av vannmolekylet. Vannmolekylet er en permanent, kraftig dipol.
Vibrasjoner som gir opphav til infrarød absorbsjon kan deles i to typer:
Det skal mer energi til for å strekke en binding enn å bøye den. Absorbsjonbånd som skyldes strekkvibrasjoner opptrer derfor ved høyere bølgetall enn absorbsjonbånd som skyldes deformasjon av den samme bindingen.
Hookes lov sier at vibrasjonsfrekvensen for en binding øker når bindingsstyrken, k, øker og når den reduserte massen, m, av vibrasjonssystemet avtar:. Den reduserte massen er gitt som der m₁ og m₂ = massene til de to atomene som utgjør vibrasjonssystemet.
Elektromagnetisk stråling beskrives vekselvis som et bølgefenomen eller en fotonstrøm, ikke ulikt vann. Vann kan opptre som bølgene på havet og som regndråper (som partikler) fritt etter Stephen Hawking

Fouriertransformering

Lysstråling med kun en bølgelengde har bare en frekvens og ser ut som følger i henholdsvis tidsområdet og frekvensområdet.
Lysstråling satt sammen av tre bølgelengder har kun tre frekvenser
I infrarøde måleinstrumenter er det tusenvis av bølgelengder som gir tusenvis av frekvenser

FTIR virker slik

Infrarøde frekvenser er om lag 10¹³ Hz. Digitalisering av så høye frekvenser er mer enn problematisk. For å klare dette gjøres en modulering eller flytting av frekvensene i det infrarøde lyset til et frekvensintervall som er håndterbart for digitalisering. Modulering av høyfrekvente signaler skjer også i vanlig FM radio, frekvensmodulering. For eksempel vil NRK P3 som sender en bærefrekvens på 99.0 megacycler/MHz bli modulert til omtrent 10.7 MHz. Moduleringen skjer i en såkalt blandekrets. Resten av de elektroniske komponentene i en radio bruker så det modulerte signalet som har om lag ti ganger lavere frekvens enn inngangssignalet på 99 MHz til å produsere lydsignaler.

De infrarøde frekvensene er så høye at man ikke klarer å modulere dem elektronisk. Moduleringen skjer derfor mekanisk ved å bruke et såkalt interferometer.
Et interferometer sørger for den infrarøde strålingen reflekteres tilbake på seg selv via to speil. Da oppstår enten utslokking eller forsterkning av lysbølgene (negativ eller positiv interferens).
Et av speilene står i ro, det andre beveger seg med kjent hastighet. Det medfører at intensiteten på signalene som treffer detektoren svinger mye seinere enn de originale IR signalene. Interferometeret minsker frekvensen med en faktor på om lag 10¹⁰, faktisk ned i lydområdet. Deretter skjer den kjente og kjære Fouriertransformeringen fra tidsområdet til frekvensområdet.
Helium-Neon lasere sender ut monokromatisk rødt lys og brukes som intern standard i FTIR instrumenter. Den ene frekvensen dette gir brukes for å sikre at hvert sveip med det bevegelige speilet starter til rett tid hver gang, slik at flere målesveip kan legges sammen før svært gode gjennomsnittsspektra beregnes.

FTIR brukes slik

I avsnittene over er det vist hvordan man produserer signalene i IR instrumenter. Disse signalene er ikke klare til bruk. FTIR instrumenter er såkalte enkeltstråleinstrumenter. Dvs. at et såkalt bakgrunnspekter og spekteret av prøven måles hver for seg. 
Vanligvis måles det såkalte bakgrunnsspekteret først (blå). I dette spektrumet sees signaler fra vanndamp og karbondioksidgass og instrumentets optiske deler. Den krumme formen skyldes kaliumbromid som brukes i stråledeleren i interferometeret. H₂O og CO₂ skyldes at laboranter puster ut disse gassene, og at de finnes naturlig i atmosfæren.
Deretter puttes prøven som skal studeres på plass i målekammeret. Spekteret som nå kommer ut (lilla) etter Fouriertransformering inneholder signaler fra prøven i tillegg til bakgrunnen, som er den samme som før. Målingene av av to enkeltstrålespektrene er da avsluttet og det som gjentår er å fjerne bidraget av bakgrunnen i prøvespektrumet. 
Ved å dividere spekteret som inneholder signaler fra både prøve og bakgrunn med spekteret som kun inneholder bakgrunnssignaler får man et spektrum som kun inneholder signaler fra prøven (rød).
Kjært barn har mange navn og bakgrunnsspekteret kalles også instrumentprofilen eller referansespektrum. Prøvens infrarøde spektrum (rød) er nå klar til bruk i kvalitativ analyse, og etter en liten omregning er det klar til bruk i kvantitativ analyse. Kvalitativ analyse er å identifisere hvilken forbindelse/stoff/analytt man har med å gjøre. Kvantitativ analyse er å bestemme mengden man har av en eller flere forbindelse(r)/stoff/analytt(er).

Kvantitativ infrarød analyse

Spørsmålet som besvares i kvantitativ analyse er; hvor mye av bestemte(e) forbindelse(r) finnes i prøven!
I IR-spektroskopi følger, etter enkle omregninger, den målte signalstørrelsen mengden av favorittstoffet, og lengden på lysveien. Dobles mengden eller konsentrasjonen av favorittstoffet i prøven, dobles signalstørrelsen. Fordobles lysveien, fordobles signalstørrelsen! Fordobles både lysvei og konsentrasjon, blir signalstørrelsen firedoblet. Dette følger Beer-Lamberts lov.
Å bestemme mengde etanol løst i metanol er enkelt. I forrige avsnitt ble det vist at IR-spekteret til etanol inneholder en topp ved 880 cm-1 som ikke finnes i metanolspekteret. En slik topp kalles selektiv. At toppen er selektiv betyr at det er en, og bare en, forbindelse som er opphav til signalet ved en gitt bølgelengde.
Lages prøver med kjente blandingsforhold mellom etanol og metanol, kan en såkalt kalibreringskurve lages ved å tegne inn signalstørrelsen av den selektive toppen for etanol mot mengden etanol. Deretter tegnes inn, eller regnes ut, den beste beine linjen mellom disse punktene. Dette er kalibreringskurven.
Måles en prøve med ukjent blandingsforhold etanol/metanol finnes mengde etanol slik; Mål høyden på den selektive etanoltoppen, og merk denne av på den loddrette (y) aksen. Finn det tilhørende kryssningspunktet med kalibreringskurven. Trekk en loddrett strek ned til den vannrette (x) aksen. Les av volumprosent etanol i den ukjente prøven på den vannrette aksen.
Det finnes mange tilfeller hvor dette ikke virker. Årsaken kan være at selektive topper ikke finnes. Forurensing av prøvene er en annen. Da finnes det et ukjent antall ukjente forbindelser med ukjente spektra i prøven. For å identifisere og kvantifisere alle forbindeler i slike prøver kan anvendelse av såkalt multikomponentanalyse være nyttig.

Måleteknikker i infrarød spektroskopi

Som nevnt over utføres to målinger for hvert infrarøde spekter av en prøve.

Transmittans

Transmittans er den eldste og mest kjente teknikken. Den krever enkle måleceller. Prøven må være gjennomsiktig for infrarød ståling, og blir plassert direkte i prøvekammeret på ett infrarødt spektrometer i en dertil egnet målecelle. Infrarød stråling blir sendt igjennom prøven og energien av den infrarøde strålingen som går gjennom prøven blir målt. Dermed er prøvens infrarøde spektrum funnet.

Prøvetyper

Infrarøde spektra av god kvalitet kan måles for en rekke typer prøver ved hjelp av transmisjon. Transmisjonsteknikken kan benyttes alene eller i kombinasjon med mikroskop og måleceller for væsker eller gasser for analysere blant annet
væsker, gasser, organisk pulver i tablett- eller utrørt form, termoplastisk pulver, løslige polymerer og tynne polymerfilmer.

Diffus refleksjon

Når infrarød stråling blir fokusert på finmalte prøvepartikler vil den innsendte strålingen oppføre seg på flere måter. Den kan bli reflektert direkte fra partikkelens overflate uten å trenge inn i denne. Strålingen kan foreta mange påfølgende refleksjoner fra overflaten til mange partikler uten å trenge inn i disse. Diffus refleksjon oppstår når den innsendte strålingen trenger inn prøvepartiklene og siden blir spredd i prøven
En diffus refleksjonsmålecelle fokuserer innsendt infrarød stråling på en prøvekopp fylt med en blanding av prøvepartikler og et infrarødt gjennomsiktig materiale som til dømes kaliumbromid. Infrarød stråling blir reflektert, absorbert og spredd i prøven og den delen av strålingen som når overflaten av prøven blir via speil sendt til en detektor. Før prøvepartiklene måles er det vanlig å måle et bakgrunnsspektrum av kun det infrarøde gjennomsiktige materiale. Ved korrekt prøvepreparering kan kvantitative målinger foretas.

Definisjoner

Reflektans R = I/I₀
er et mål på hvor mye av strålingen som reflekteres av en prøve. Det er forholdet mellom strålingsintensiteten, I, av lyset som treffer detektor etter refleksjon fra prøven og intensiten av strålingen, I0, som treffer detektoren uten å være hindret av prøven.
Log (1/R) = - logR = log(I₀/I)
er et mål på hvor mye av strålingen som absorberes av IR-aborberende molekyler i prøven i et refleksjonsforsøk. Sammenhengen er slik at hvis en prøve absorberer 25 % av strålingen ved en gitt bølgelengde, er reflektansen ved denne bølgelengden 75%. Dette brukes i kvantitativ spektroskopi.
En annen mye brukt enhet er Kubelka-Munk enheten. Kubelka-Munk foretrekkes fordi det eliminerer bølgelengdeavhengige speilrefleksjonseffekter, som redusere analysenøyaktigheten.
KM = (1 - R)2/2R
For å kunne bruke denne må man fortynne prøven med til dømes KBr. Konsentrasjonen må være lav, i området 1 – 5% prøve til 99%- 95% fortynningsmateriale (eng: matrix) etter vekt. Alt pulver må være finmalt (anbefalt partikkelstorleik 2 – 5 mikrometer ). Pulverblandingen må være homogen og prøvetykkelsen minst 3 mm. Om det ikke er mulig å følge disse kriteriene brukes log (1/R). 
Det er vanlig å benytte diffus refleksjon til analyse av både organiske og uorganiske prøver som kan finmales (< 10 mikro m) og blandes med en infrarød gjennomsiktig pulvermatrise som KBr.

Dempet totalrefleksjon

Dette er en refleksjonsteknikk. En infrarød lysstråle blir sendt gjennom et prisme som er gjennomsiktig for infrarød stråling. Krystallen må ha høyere brytningsindeks enn prøven det skal måles på. Den interne refleksjonen av den infrarøde strålingen i krystallen danner en kortlivet bølge som strekker seg ut fra krystallens overflate, og inn i en prøve som er i god kontakt med krystallen.
I områder av det infrarøde spekteret hvor prøven absorberer energi vil den flyktige bølgen bli dempet. Dermed oppstår endringer i den infrarøde strålingen som kommer ut i motsatt ende av krystallen. Endringene måles av en detektor og danner grunnlaget for å beregne prøvens infrarøde spektrum.
Vanlige krystaller er germanium (Ge), zinkselenid (ZnSe) og diamant (C).
ATR er nyttig for prøver som absorberer mye eller er tjukke, for eksempel prøver som inneholder svart karbon og væsker som inneholder vann. Slike prøver gir ofte svært intense, og ubrukelige, topper når de måles ved hjelp av infrarød transmisjon. ATR teknikken kan benyttes på slike prøver fordi intensiteten i den kortlivete bølgen avtar raskt med avstanden fra krystallens overflate. Dette medfører at teknikken er lite følsom for ulike prøvetjukkelser. Andre typer fast materiale som er velegnet for å måle ved hjelp av ATR er homogene faste prøver, overflatelaget på flerlags prøver eller belegget på en fast prøve. En forutsetning for suksess er at prøven er flat nok eller så fleksibel at det er god kontakt mellom den og krystallen. I tillegg er ATR en enkel teknikk for væskeanalyse fordi målingen trenger kun en dråpe av væsken på krystallen. Bruk av diamantkrystall krever omtrent ingen prøvepreparering.