Kamarás Katalin. Minden optikai spektroszkópiai mérés lényege fényintenzitás meghatározása a frekvencia



Hasonló dokumentumok
Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 7. Infravörös spektroszkópia

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Modern Fizika Labor. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: Értékelés: Infravörös spektroszkópia. A beadás dátuma: A mérést végezte:

ABSZORPCIÓS SPEKTROFOTOMETRIA AZ INFRAVÖRÖS SZÍNKÉPTARTOMÁNYBAN

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

Rezgési spektroszkópiák Infravörös (IR) és Raman spektroszkópia

Abszorpciós spektroszkópia

Az infravörös (IR) sugárzás. (Wikipédia)

Abszorpciós fotometria

A fény tulajdonságai

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Vizsgálati módszerek az anyagtudományban: Infravörös és Raman spektroszkópia

Modern Fizika Labor. 11. Spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: dec. 16. A mérés száma és címe: Értékelés: A beadás dátuma: dec. 21.

Abszorpciós fotometria

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

Optikai kristályok spektroszkópiája

Az infravörös spektroszkópia analitikai alkalmazása

JASCO FTIR KIEGÉSZÍTŐK - NE CSAK MÉRJ, LÁSS IS!

Abszorpciós fotometria

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Molekulaspektroszkópiai módszerek UV-VIS; IR

Környezetvédelmi mérések fotoakusztikus FTIR műszerrel

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

Abszorpciós fotometria

Kutatási beszámoló február. Tangens delta mérésére alkalmas mérési összeállítás elkészítése

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROFOTOMETRIA

9 gyak. Acél mangán tartalmának meghatározása UV-látható spektrofotometriás módszerrel

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

A diffúz reflektancia spektroszkópia (DRS) módszerének alkalmazhatósága talajok ásványos fázisának rutinvizsgálatában

Infravörös spektroszkópiai analitikai módszerek

ESR-spektrumok különbözı kísérleti körülmények között A számítógépes értékelés alapjai anizotróp kölcsönhatási tenzorok esetén

23. Indikátorok disszociációs állandójának meghatározása spektrofotometriásan

Az infravörös spektroszkópia elméleti és méréstechnikai alapjai

Szójabab és búza csírázási folyamatainak összehasonlítása NIR spektrumok segítségével

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Az áramlási citométer és sejtszorter felépítése és működése, diagnosztikai alkalmazásai

Mérés és adatgyűjtés

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Eddigi tanulmányaink alapján már egy sor, a szeizmikában általánosan használt műveletet el tudunk végezni.

Sugárzáson, és infravörös sugárzáson alapuló hőmérséklet mérés.

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

ATOMEMISSZIÓS SPEKTROSZKÓPIA

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 12. Infravörös spektroszkópia

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

1.1 Emisszió, reflexió, transzmisszió

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

A hang mint mechanikai hullám

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

A mérések általános és alapvető metrológiai fogalmai és definíciói. Mérések, mérési eredmények, mérési bizonytalanság. mérés. mérési elv

Az elektromágneses hullámok

NEUTRON SUGÁRZÁS ELLENI BIOLÓGIAI VÉDELEM VIZSGÁLATA MONTE CARLO MODELLEZÉSSEL

Kristályorientáció-térképezés (SEM-EBSD) opakásványok és fluidzárványaik infravörös mikroszkópos vizsgálatához

Képrekonstrukció 3. előadás

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

Modern fizika laboratórium

19. Sav-bázis indikátorok disszociáció állandójának spektrofotometriás meghatározása. Előkészítő előadás

19. Sav-bázis indikátorok disszociáció állandójának spektrofotometriás meghatározása. Előkészítő előadás Módosított változat

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Abszorpció, emlékeztetõ

A hőterjedés dinamikája vékony szilikon rétegekben. Gambár Katalin, Márkus Ferenc. Tudomány Napja 2012 Gábor Dénes Főiskola

A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ. Pohár rezonanciája

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Makromolekulák szerkezetvizsgálati módszerei: IR, CD

TÁVKÖZLÉSI ISMERETEK FÉNYVEZETŐS GYAKORLAT. Szakirodalomból szerkesztette: Varga József

Dekonvolúció a mikroszkópiában. Barna László MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Nikon-KOKI képalkotó Központ

Módszerfejlesztés emlőssejt-tenyészet glükóz tartalmának Fourier-transzformációs közeli infravörös spektroszkópiai alapú meghatározására

A kálium-permanganát és az oxálsav közötti reakció vizsgálata 9a. mérés B4.9

Röntgen-gamma spektrometria

Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 8. Raman spektroszkópia Anizotrópia IR és Raman spektrumokban

ALKALOIDOK MEGHATÁROZÁSAMÁKGUBÓBAN

Anyagi tulajdonságok meghatározása spektrálisan

Fotoszintézis. fotoszintetikus pigmentek Fényszakasz - gránum/sztrómalamella. Sötétszakasz - sztróma

Sugárzásos hőtranszport

A mintavételezéses mérések alapjai

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 11. Spektroszkópia

Infravörös, spektroszkópia

Terahertz spektroszkópiai mérések

KÖNYEZETI ANALITIKA BEUGRÓK I.

1. mérés: Benzolszármazékok UV spektrofotometriás vizsgálata

Lakos István WESSLING Hungary Kft. Zavaró hatások kezelése a fémanalitikában

SPEKTROFOTOMETRIAI MÉRÉSEK

Mérési jegyzőkönyv. 1. mérés: Abszorpciós spektrum meghatározása. Semmelweis Egyetem, Elméleti Orvostudományi Központ Biofizika laboratórium

2. ZH IV I.

OH ionok LiNbO 3 kristályban (HPC felhasználás) 1/16

Fény kölcsönhatása az anyaggal:

Modern fizika laboratórium

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

A derivált arány és a polár minsít rendszer kiértékelése adatelemzési szempontból gyógyszeripari tabletták transzmittancia adatainak felhasználásával

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

GaInAsP/InP LED-ek kutatása és spektroszkópiai alkalmazása a közeli infravörös tartományban

Átírás:

Bevezetés Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia Kamarás Katalin MTA Szilárdtestfizikai Kutató Intézet Minden optikai spektroszkópiai mérés lényege fényintenzitás meghatározása a frekvencia függvényében, azaz polikromatikus fény felbontása összetevőire. A mintával kölcsönhatásba került fény spektrális eloszlása különbözni fog a beeső fényétől; az eltérésből következtetünk a minta jellemzőire. A jelenlegi mérés célja egy speciális spektroszkópiai módszer, a Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (FTIR) bemutatása. Mivel a jelenleg gyártott kereskedelmi infravörös berendezések már szinte kizárólag ezen az elven működnek, az alapfogalmak megértése nélkülözhetetlen a rutin feladatok megoldásához is. A mérés során végigtekintjük azokat a lépéseket, amelyek az interferogramtól a spektrumig vezetnek, valamint az azokban használatos paraméterek megválasztásának hatását a spektrumra. Végül a kvalitatív analitikai alkalmazást próbáljuk ki fullerén (C 60 ) származékokon. Az FTIR spektrométer Az FTIR műszer alapja egy Michelson interferométer (1. ábra), amely a beeső fényt két sugárra bontja, az egyik egy álló, a másik egy mozgó tükörről verődik vissza. A mért jel a fényintenzitás a két tükör közti optikai útkülönbség függvényében: I(x). 1. ábra. Michelson interferométer [1] A spektrum (azaz a detektorra eső fényintenzitás a frekvencia függvényében) ennek a jelnek a Fourier-transzformáltja: I(ν) = I(x)cos(2πνx)dx (1) 1

Monokromatikus fényforrás interferogramja tiszta cosinus függvény, széles sávú fényforrások (pl. a kereskedelmi műszerekben használt SiC,,Globar ), nulla retardációnál intenzív csúcsot mutatnak, de a nagyobb retardációs értékeknél (az interferogram szárnyaiban) megjelenő szerkezet is lényeges információt hordoz (2. ábra). 2. ábra. Különböző spektrális eloszlásokhoz tartozó interferogramok [2] 3. ábra. Balra: Kiegészítő interferométerek Michelson típusú készülékben. Jobbra: a rendszerrel felvett interferogramok (a: infravörös sugár, b: He-Ne lézer, c: fehér fény) [2]. A gyakorlatban az (1) egyenletet csak közelítésekkel alkalmazhatjuk, hiszen a tükör maximális úthossza és a mérés lépésköze is véges: M I(ν) = x I(m x)cos(2πνm x) (2) M 2

4. ábra. Monokromatikus spektrumvonalhoz tartozó instrumentális jelalak (A), valamint különböző apodizációs függvények hatása (B-D). [2] azaz 2M + 1 mérési pontot veszünk fel 2M x úthosszon. Az optikai útkülönbség mérésére egy külön interferométer van beépítve a spektrométerbe (3. ábra). Ennek fényforrása egy He-Ne lézer (frekvencia 15800 cm 1 ), a hozzá tartozó interferogram pedig egy cosinus függvény. Az infravörös detektor akkor vesz fel új mérési pontot, ha a lézerdetektorra eső fényintenzitás nulla (az útkülönbség a fél hullámhossz egész számú többszöröse). A kisegítő interferométeren keresztülmegy egy,,fehér (széles spektrális eloszlású) fénysugár is, aminek az interferogramja igen éles maximumot ad. Ennek a maximumnak a helye beállítható, és ezt használjuk az adatgyűjtés megindítására. A véges úthossz annak felel meg, hogy az interferogram és egy f(x) ún. boxcar függvény konvolúcióját vesszük: f(x) = 1, ha M x < x < M x, 0 ezen az intervallumon kívül. Az ilyen függvény Fourier-transzformációjának eredménye az instrumentális jelalak: I(ν) = 2M x sin(2πνm x) = 2M xsinc(2πνm x) (3) 2πνM x A sinc függvény a 4.A ábrán látható. A vonalspektrum helyett egy véges szélességű sávot kapunk, továbbá kisebb amplitúdójú, de negatív értékeket felvevő oszcillációkat. Ez utóbbiak kiküszöbölésére használjuk az apodizációs eljárást: az interferogram átalakítása előtt egy más alakú függvénnyel való konvolúciót végzünk el. Néhány lehetséges apodizációs függvényt mutat a 4. ábra. Az apodizáció eredménye a spektrumvonal kiszélesedése és a mellékmaximumok/minimumok csökkenése, illetve eltűnése. A maximális úthossz határozza meg a spektrális felbontást: ν min = 1 2M x A spektrum képének javítása és az egyes vonalak jobb megkülönböztetése céljából használatos az ún. zero-filling technika: a Fourier-transzformáció előtt az interferogram 3

x-intervallumát n-szeresére növeljük (n a,,zero-filling factor ), és a hiányzó értékeket nullának definiáljuk. (Ezt azért tehetjük meg, mert a kérdéses intervallumban az intenzitás már elhanyagolható, ld. 2. ábra). Az eljárás lényegében egy olyan interpoláció, ami hatékonyabb, mintha a transzformált spektrumot interpolálnánk. A későbbi adatfeldolgozás (pl. illesztés) során észben kell tartani, hogy az így előállított spektrum csak n-edrészben tartalmaz mért pontokat. A lépésköz határozza meg a maximális mérhető frekvenciát: ν max = 1/2 x A ν max -nál magasabb frekvenciájú komponensek hamis csúcsokat okoznak az észlelt spektrumban (alias szerkezet), ezért gondoskodni kell ezek kiszűréséről. Ha a fényforrás intenzitása, vagy a detektor érzékenysége ν max felett elhanyagolható, akkor nincs szükség külön szűrőre; a Bruker készülékben egy elektronikus szűrő (low-pass filter) alkalmazható erre a célra. A jelfeldolgozás utolsó lépése a fáziskorrekció. Az interferogram origójának meghatározásakor fellépő bizonytalanság, valamint diszperzív elemek jelenléte a fényútban ugyanis ahhoz vezethet, hogy a tényleges optikai útkülönbség eltér a (2) egyenletben szereplő értéktől. Ennek következményei a fázishibák: a tiszta cosinus tagokból álló interferogramban látszólag sinusos tagok is fellépnek. A korrekció egy komplex inverz Fouriertranszformáción alapuló algoritmussal végezhető el. A Fourier-transzformációt, az apodizációt és a fáziskorrekciót a mérőprogram automatikusan elvégzi. Fulleridionok oxidációs állapotának meghatározása 5. ábra. C 60 molekula A fullerének a szénnek 1985-ben előállított új módosulatai, amelyekben a szénatomok zárt, gömbszerű felületeket alkotnak. A fullerének közül a legismertebb a C 60 (5. ábra). Az izolált C 60 molekula pontcsoportja ikozaéderes (I h ), az egyik legmagasabb szimmetriájú pontcsoport. Normálkoordináta-analízisből kiszámolható, hogy egy ilyen molekulában 4

négy rezgés lesz infravörös-aktív (mindegyik háromszorosan degenerált) és 10 Ramanaktív. A C 60 infravörös spektruma a 6. ábrán látható. A C 60 molekula kémiai reakciókban elektronakceptorként viselkedik, fémekkel ionos sókat (fullerideket) alkot, amelyekben 1-6 közötti töltésű anionként van jelen. A rezgési frekvenciák az iontöltéstől függenek (6. ábra), így a spektrumból meghatározható a fulleridsó összetétele. 6. ábra. C 60 infravörös abszorpciós spektruma [3], és az infravörös aktív F 1u módusok frekvenciájának függése az oxidációs állapottól [4]. Mintaelőkészítés A mérendő pormintából alkálihalogenid (KBr, KCl) pasztillát készítünk. Ez az eljárás egyrészt az erősen abszorbeáló anyag higítására szolgál, másrészt a részecskéken történő fényszórást mérsékli. A pasztillakészítés során az anyagot kb. 10 kbar nyomáson átkristályosítjuk. Ezáltal átlátszó réteget kapunk. Az alkálisók transzmissziója a teljes infravörös tartományban közel 100 %, esetleges elnyelési sávok víznyomoktól származhatnak (az anyagok higroszkóposak!). A mérés során először a tiszta alkálihalogenid pasztilla spektrumát vesszük fel (háttér). Ezt követően mérjük meg a mintát, a kettő hányadosa a transzmissziós spektrum. A transzmisszióból számolt abszorpció a koncentrációval arányos (Lambert-Beer törvény): A = logt = ɛcl (4) (c a koncentráció, l az optikai úthossz, jelen esetben a pasztilla vastagsága, ɛ az abszorpciós koefficiens). Kvalitatív azonosításra az abszorpciós maximumok helyét használjuk. Elvégzendő feladatok: 1. Készítsen tiszta KBr pasztillát. Vegye fel az egysugaras spektrumot különböző mérési paraméterekkel (változtassa a felbontást, az apodizációs függvényt és a zero- 5

filling faktort). Figyelje meg az 1600 cm 1 körüli O-H rezgések tartományában a spektrum képét. Mely paraméterek befolyásolják észrevehetően a spektrumot? 2. Készítsen pasztillát a C 60 por és KBr keverékéből. Induljon ki tetszőleges mennyiségből (figyelmeztetés: nagyon kevésre lesz szükség!), és a spektrumvonalak kapott intenzitásától függően változtassa a koncentrációt. Hasonlítsa össze a kapott spektrumot az irodalomban mérttel. 3. Mérje meg az ismeretlen Rb x C 60 pasztilla spektrumát. (Referenciaként KCl-t használjon.) Az F 1u (4) módus alapján állapítsa meg, hogy a C 60 milyen oxidációs állapotban van jelen. Mit mondhatunk a molekula szimmetriájáról az 500-700 cm 1 tartomány vizsgálata alapján? Irodalom [1] K. D. Möller, W. G. Rothschild: Far-Infrared Spectroscopy. Wiley-Interscience, 1971. [2] P. R. Griffiths, J. A. dehaseth: Fourier Transform Infrared Spectrometry. Wiley- Interscience, 1986. [3] D. S. Bethune, G. Meijer, W. C. Tang, H. J. Rosen, W. G. Golden, H. Seki, C. A. Brown, M. S. de Vries: Chem. Phys. Lett. 179, 181 (1991). [4] T. Pichler, R. Winkler, H. Kuzmany: Phys. Rev. B 49, 15879 (1994). 6