Hóa phân tích phổ hồng ngoại

CHÆ SOÁ KHUÙC XA

Quang phổ hồng ngoại

Quang phổ hồng ngoại
NỘI DUNG:

MỤC TIÊU:

1/ Phạm vi phân vùng phổ IR
2/ Sự hấp thu ánh sáng IR
3/ Các kiểu dao động của phân tử
4/ Cấu hình máy quang phổ IR
5/ Biện giải phổ IR
6/ Ứng dụng của phổ IR
7/ Chuẩn bị mẫu đo phổ IR

- Trình bày được các kiến thức cơ bản về lĩnh vực quang
phổ IR
- Đọc được phổ IR và trình bày các ứng dụng của quang
phổ IR trong lãnh vực Dược

Thời lượng: 4 tiết (2 buổi)
1

2

QUANG PHỔ TỬ NGOẠI – KHẢ KIẾN

QUANG PHỔ TỬ NGOẠI – KHẢ KIẾN

1. Phân vùng phổ điện từ

1. Phạm vi phổ IR

Robert Heintz, Ph.D.

2,5
μm
IR gần

  *

200

IR xa
Kích thước của sơi lông, tóc: 50 mm

Vis
3

IR cơ bản

 *

IR
800

2.500

 (nm)

4



1


CHỈ SỐ KHÚC XA

 Anh sáng vùng hồng ngọai
khơng được nhìn thấy bởi
mắt người, khơng bị khuếch
tán bởi hơi nước trong khơng
khí.

5


oC

= (oF – 32).10/18

oF

= (oC.18/10) + 32

6

QUANG PHỔ HẤP THU

(Absorption spectrophotometry)

PHÂN TỬ

HẤP THU

UV-VIS
7

8

PHÁT XẠ

F.S

I.R

2


CHỈ SỐ KHÚC XA

QUANG PHỔ HẤP THU
(Absorption spectrophotometry)

QUANG PHỔ HẤP THU HỒNG NGỌAI

CH3CH2CH2CH3

• Phở dao động - quay của các nhóm chức có

trong phân tử.
• Hình dạng phở đa dạng và đặc trưng hơn so
với hình dạng của phở HT tử ngọai

E > E

C   .
1



E  h.  h.
9

10

PHẠM VI PHỔ HỒNG NGỌAI
 Vùng IR gần:

11



 h.C.

NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ

 = 780 nm – 2.500 nm
(0,78 mm - 2,5 mm).

E = Et + Er + Ev + Ee
• Năng lượng quay (Er): từ 0,03 – 0,3
kcal/mol, kích thích phân tử quay, ứng với
bức xạ trong vùng vi sóng và IR xa. Sự hấp
thu của phân tử trong vùng này cho phở quay
thuần túy, gồm các vạch rất gần nhau, mỗi
vạch có tần số xác định:
r = Er / h

 Vùng IR cơ bản:  = 2.500 nm – 25.000 nm
(2,5 mm - 25 mm)
 = 4000 - 400 cm-1
(0,3 – 12 kcal/mol )
 Vùng IR xa:

C

 > 25 mm – vi sóng
(0,03 – 0,3 kcal/mol)

12

3


CHỈ SỐ KHÚC XA

CÁC KIỂU DAO ĐỘNG CỦA PHÂN TỬ

NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ

Dao động cơ bản

Dao động nhóm

E = Et + Er + Ev + Ee
 Năng lượng dao động (Ev) : từ 0,3 – 12 kcal/mol,
kích thích phân tử dao động, ứng với bức xạ trong
vùng IR gần và IR cơ bản. Sự hấp thu của phân tử
trong vùng này cho phở dao động – quay. Phở dao
động – quay là những đám vạch do có sự chồng phở
dao động và phở quay, mỗi đám vạch có tần số xác
định: n = nr + nv = (EV + Er) / h

Phân tử có N ngun tử = 3N - 6
Phân tử thẳng hàng = 3N - 5

dao động co giãn
s

• Năng lượng điện tử ( Ee) : ứng với bức xạ vùng UVVIS.
13

E

14

CÁC KIỂU DAO ĐỘNG CỦA PHÂN TỬ
Kiểu dao động

Ký hiệu

CO2

2349 cm-1
667 cm-1

+
-

s

3652 cm-1

+



-1

1596 cm

+

as

3756 cm-1

+

s

2860 cm-1

+

as

2940 cm-1

+

-CH2

15

Stretching ()

ip

op

Một nhóm chức
có nhiều đỉnh hấp
thu trong phổ IR
>
E
Deformation () Bending

CÁC KIỂU DAO ĐỘNG CỦA PHÂN TỬ

Phổ kích thích dao động
IR
Raman

s
as

H2O

as

dao động biến dạng

Một nhóm chức
có thể có rất
nhiều kiểu dao
động, mỗi kiểu
dao động sẽ cho
1 đỉnh hấp thu
trong phổ IR

16

Đối xứng

Bất đối xứng

Cắt kéo

Rock

Vẫy

Twist

/>
4


CHÆ SOÁ KHUÙC XA

PHỔ IR – BIỆN GIẢI PHỔ IR

ĐIỀU KIỆU HẤP THU TRONG VÙNG HỒNG NGỌAI

Phổ IR là tập hợp các vân phổ biểu diễn sự phụ
thuộc độ truyền qua T% vào số sóng

Các phân tử có sự thay đổi momen lưỡng cực sẽ hấp thu IR

T  f ( 

 Các phân tử bất đối xứng.

 Máy quang phổ hồng ngoại thông thường: cường
độ của vân phổ ít được xem xét như là giá trị định
lượng mà chỉ được xem như giá trị ước lượng trong
định tính với ba mức độ: mạnh (m), trung bình (tb) và
yếu (y)

 Các phân tử nhiều nguyên tử.
 Các phân tử nhỏ và các phân tử có nguyên tử xếp thẳng
hàng do có tính đối xứng nên không có hấp thu trong vùng IR
như N2 , Cl2 , CS2 , CCl4 không hấp thu ánh sáng hồng ngoại

17

 Máy quang phổ hồng ngọai biến đổi Fourrier (FTIR): độ chính xác của giá trị độ truyền qua T% (hay nói
cách khác là độ hấp thu) là rất cao, do đó cường độ
của vân phổ được xem xét như là giá trị định lượng
18

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

(1) Đèn nguồn

19

(1) Đèn nguồn bức xạ tia IR.
(2) a_ mẫu đo; b_ mẫu chuẩn so sánh
(3) Bộ tạo đơn sắc: lăng kính hay cách tử
(đặt trong buồng tối).
(4) Bộ phận phát hiện: cảm ứng nhiệt
(5) Khuếch đại tín hiệu
(6) Bộ ghi tín hiệu

• Đèn Nernst: là ống dài 2-5 cm, f = 1-3 mm, bằng oxid đất
hiếm như oxid zirconium (ZrO2) và oxid yttrium (Y2O3) được

đốt nóng bằng điện trở đến 1.800 oK (~1.500 oC).
• Đèn Globar: là ống dài 4-6 cm, f = 4-6 mm làm bằng carbur
silic được đốt nóng bằng điện trở đến 1300 oC.
20

• Hiện nay còn dùng đèn Ni-Cr đốt nóng đến 800 oC

5


CHÆ SOÁ KHUÙC XA

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

(3) Bộ tạo đơn sắc

(3) Bộ tạo đơn sắc

21

22

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

(3) Bộ tạo đơn sắc

(3) Hệ thống quang học
Gương phản xa, gương quay bán trong suốt (để ngắt tia sáng từ
nguồn qua mẫu đo và mẫu so sánh theo chu kỳ quay) và lăng kính
hay cách tử phản xa.
· Lăng kính chế tạo từ những tinh thể muối như LiF, CaF2, KBr,
NaCl. Các lăng kính này dễ hút ẩm nên buồng tối phải được bảo
quản khô tuyệt đối.
23

24

· Cách tử (3) có số vạch từ 20-300 vạch /mm.

6


CHỈ SỐ KHÚC XA

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TÁN SẮC

(1) Nguồn sáng: đèn Nersnt,
đèn globar

(3)

(2), (3), (4) – Giao thoa kế

(1)

Michelson

(5) Bộ phận phát hiện
Bộ phận phát hiện cảm ứng nhiệt như: cặp nhiệt điện
hoặc các pin nhiệt – điện, chuyển đởi tín hiệu quang
năng (tia IR chưa bị hấp thu và đã bị hấp thu) thành tính
hiệu điện năng, sau đó được khuếch đại và tác động lên
bộ ghi tín hiệu để nhận được phở hồng ngoại.
Máy thường được kiểm tra số sóng và độ phân giải bằng
màng polystyren .

(5) Mẫu đo
quang điện gồm các bán
Sulfat (DTGS) hoặc

Giao thoa kế

(6)

(7) Máy tính chuyển đởi
(7)

Fourrier

(8)

Máy ghi hay máy in

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

MÁYMÁY
QUANG
PHỔ HỒ
NGHỒNG
NGOẠINGOẠI
BIẾN ĐỔ
I FOURRIER
QUANG
PHỔ
BIẾN
ĐỔI FOURRIER

Tia laser

(5)

dẫn Deuterium Triglycin

26
(8)

25

(2)

(4)

(6) Bộ phận phát hiện: tế bào

Giao thoa kế Michelson
gương cố định (2), gương di động (3), bộ tách quang quay theo chu
kỳ (4). Bộ tách quang được chế tạo bằng những tinh thể muối khác
nhau tùy vùng hồng ngoại. Trong vùng IR cơ bản (4000 – 400 cm-1)
dùng bộ tách quang bằng KBr phủ một lớp Ge
Gương cố định

(2)

(2)

(4)
Bộ tách quang

(4)

Đèn IR

Gương
(3)di động
(3)

Buồng đo
mẫu
27

Đèn nguồn IR

Mẫu đo
28

Detector

7


CHÆ SOÁ KHUÙC XA

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

Bộ tách quang (4) tách chùm bức xạ IR thành 2 tia có cường độ I bằng
nhau:
• Tia 1 (BF) là tia sáng từ bộ tách quang đến gương cố định phản xạ
lại, đến bộ tách quang rồi đi qua mẫu
• Tia 2 (BM) là tia sáng từ bộ tách quang đến gương di động phản xạ
lại, đến bộ tách quang rồi đi qua mẫu.

Bộ tách quang (4) tách chùm bức xạ IR thành 2 tia có cường độ I bằng
nhau:
• Tia 1 (BF) là tia sáng từ bộ tách quang đến gương cố định phản xạ
lại, đến bộ tách quang rồi đi qua mẫu
• Tia 2 (BM) là tia sáng từ bộ tách quang đến gương di động phản xạ
lại, đến bộ tách quang rồi đi qua mẫu.

1/8 

Giao thoa cộng

29

Giao thoa một
phần (gương di
chuyển 1/8 ,
chênh lệch
đường đi 1/4 )

30

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

Hai tia này đi qua mẫu đo có thời gian trễ khác nhau do quãng đường
đi khác nhau nên sóng giao thoa có cường độ thay đổi theo thời gian
di động

1/4 
Giao thoa một
phần ((gương di
chuyển 1/4 ,
chênh lệch
đường đi 1/2 )

31

Giao thoa cộng

Giao thoa một phần

Giao thoa trừ

32

8


CHỈ SỐ KHÚC XA

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER
Tởng hợp của từng sóng giao thoa có tần số khác nhau tạo thành
giao thoa đồ (qua phần mềm biến đởi Fourrier tạo thành phở FTIR)

QUANG
PHỔ
BIẾN
ĐỔI FOURRIER
MÁYMÁY
QUANG
PHỔ HỒ
NGHỒNG
NGOẠINGOẠI
BIẾN ĐỔ
I FOURRIER
Tởng
hợp của
của từng
từngphở
sóng

giao
thoa
cósóng
tần số
tạo thành
Tởng hợp
dao
động
của
giaokhác
thoanhau
tạo thành
giao
thoa thoa
đồ ( phần
mềm
biến
đởi biến
Fourrier)
giao
đồ (qua
phần
mềm
đởi Fourrier tạo thành phở FTIR)

I = f(d-1)
33

FT

I  f ( 

34

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURRIER

SO SÁNH
Ánh sáng chiếu tới

Ánh sáng trùn qua

Khác nhau

(KBr + mẫu thử)

T%



Background (khơng khí)
Khác nhau = có sự hấp thu
35

36

9

CHỈ SỐ KHÚC XA

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI

MÁY QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI

SO SÁNH

SO SÁNH
IR TÁN SẮC

SO SÁNH
FTIR

Đèn nguồn

Đèn nguồn

Mẫu

Giao thoa kế

Bộ tạo AS đơn sắc

Mẫu

Detector

Detector

BP khuếch đại

Computer

Ghi phổ

Ghi phổ

37

IR TÁN SẮC
• Đo mỗi tần số ở mỗi
thời điểm khác nhau
(thời gian đo phổ kéo
dài hàng phút)
• Hệ thống cơ học phức
tạp
• Hạn chế về độ nhạy
• u cầu có chuẩn
ngoại
• Chịu ảnh hưởng của
38 ánh sáng lạc

FT-IR
• Tất cả các tần số được
đo cùng một lúc (thời
gian đo phổ nhanh)
• Tốc độ,độ phân giải
cao, độ nhạy tăng hơn
so với máy quang phổ

tán sắc.
• Khơng bị ảnh hưởng
bởi ánh sáng lạc
• Ngày càng được dùng
rộng rãi trong các PTN

CHUẨN BỊ MẪU ĐO

MÁY GC - FTIR

1/ Mẫu rắn
•

Kỹ thuật sandwich: trộn mẫu rắn với dầu parafin
(nujol) thành bùn nhão và ép vào giữa hai bản mỏng
KBr. Phở sẽ có các đỉnh hấp thu của –C-C- và –C-H- ở
2950, 2850, 1450 và 1350 cm-1. Để loại những đỉnh này
có thể thay parafin bằng hexaclor-butadien

•
 Do đặc điểm qt phở hồng ngoại rất nhanh của giao thoa kế

tỉ lệ ~ 1/10 – 1/100 (tính theo mg) trên cối đá mã não. Ep

Michelson qua biến đởi Fourrier, người ta dùng máy FTIR như 1

thành viên nén có độ dày 0,1 mm trên máy nén thủy lực

detector của máy SK khí nhằm định tính thành phần khí tách ra từ
39

Kỹ thuật viên nén KBr: trộn đều mẫu đo với KBr theo

cột SK trong máy SK khí

có bộ phận hút chân khơng để loại bọt khí
40

10


CHặ SO KHUC XA

CHUAN Bề MAU ẹO

CHUN B MU O

CHUAN Bề MAU ẹO CHUN B MU O
Cuvette dựng o mu
kiu sandwich v
mu lng.

ỏ mó nóo (ỏ agate) cú thnh
phn chớnh l SiO2, cng 7.

41

42

CHUAN Bề MAU ẹO CHUN B MU O

2. Mu lng

CHUAN Bề MAU ẹO CHUN B MU O
3. Mu khớ

Cc o l 2 tm KBr lm ca sụ vi cỏc vũng ờm l nha Teflon

Dựng cc o bng KBr cú b

bn trong dung mụi. Mu lng c nap vo cc o nh 1 lp phim

phõn hỳt chõn khụng

mng kp gia cú b dy ~ 0,05 mm.

chiu di cha lp khớ l 10

Cú th hũa tan mu lng thnh dung dch loóng vi dung mụi tuyờt

cm cựng cỏc gng phn

i khan nc v khụng hp thu trong vựng kho sỏt (nh CCl4,

chiu bờn trong cc o

CS2).

phn xa nhiu ln ỏnh sỏng

vi

IR i qua mu (vi mc ớch
gia tng ng i ca ỏnh
sỏng IR qua mu khớ vỡ nng
cỏc phõn t dang khớ
rt loóng) .
43

44

11


CHÆ SOÁ KHUÙC XA

T (2851

CHUẨN HÓA MÁY QUANG PHỔ iR

CHUẨN HÓA MÁY QUANG PHỔ iR

Độ chính xác của thang số sóng

Độ phân giải của thang T%:
- Hiệu số giữa T(2870 cm-1) và T(2851 cm-1) phải lớn hơn 18.
- Hiệu số giữa T(1589 cm-1) và T(1583 cm-1) phải lớn hơn 12.

45

T(2870 cm-1) - T(2851 cm-1) > 18

T(1589 cm-1) - T(1583 cm-1) > 12

3060,0 (1,5) cm-1
2849,5 (1,5) cm-1
1942,9 (1,5) cm-1
1601,2 (1,0) cm-1
1583,0 (1,0) cm-1
1154,5 (1,0) cm-1
1028,3 (1,0) cm-1

46

PHÂN VÙNG PHỔ IR

PHÂN VÙNG PHỔ IR
 Vùng nhóm chức = 4000 – 1300 cm-1
Chứa các vân hấp thu của hầu hết các dao động co dãn
của các nhóm chức như : -OH, >NH, -C=O-, >C=N-,
>C=C<…
 Vùng dấu vân tay (Vùng điểm chỉ) = 1300 - 910 cm-1
• Các vân hấp thu của dao động biến dạng của các liên kết
C-H, C-C, …
• Các dao động co dãn của các liên kết đơn C-C, C-N, C-O..
• Sự tương tác giữa các dao động này dẫn đến một dao
động «khung» đặc trưng cho dao động của toàn phân tử.
Vùng này phức tạp vì gồm rất nhiều vân hấp thu có số
sóng gần nhau và thường khó có thể qui kết, thường
dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là xác định nhóm
chức

47

48

12


CHỈ SỐ KHÚC XA

BIỆN GIẢI PHỔ IR

PHÂN VÙNG PHỔ IR

 Sắp xếp các đỉnh hấp thu theo chiều giảm dần của số sóng.

 Vùng “nhân thơm”: 910 - 650 cm-1, chứa các vân hấp
thu của dao động biến dạng ngồi mặt phẳng của liên kết

 Căn cứ vào cấu trúc dự kiến, xác định các đỉnh hấp thu tương
ứng với kiểu dao động nào của nhóm chức

C-H trong nhân thơm.
• Nhân thơm thế 5 lần (có 1 H): 900 – 860 cm-1
• Nhân thơm thế Para (có 2 H kề nhau): 860 - 800 cm-1
• Nhân thơm thế Ortho (có 4 H kề nhau): 770 - 735 cm-1
• Nhân thơm thế Metha (có 3 H kề nhau):
•810 - 750 cm-1 và 710-690 cm-1
• Nhân thơm thế 1 lần (có 5 H kề nhau):
770 - 730 cm-1 và 710-690 cm-1.

49

BIỆN GIẢI PHỔ IR

51

Đỉnh hấp thụ
(cm-1)

Cường độ

Kiểu dao động

Nhóm chức

1700
………..
………

m
tb
y

vs
s

>C=O

Phở hồng ngoại là phương pháp chuẩn xác để định tính, vì mỗi
một chất thuốc chỉ cho một vùng "điểm chỉ" của phở khơng

trùng lặp với phở của những chất khác. Những đặc tính của phở
hồng ngoại có thể được dùng như là phép thử hàng đầu để định
tính. Thường thì phép thử phở hồng ngoại tự nó đã đủ tin cậy và
khơng cần thêm phép thử nào khác (DĐVN 4 – QĐ chung)
50

BIỆN GIẢI PHỔ IR

BIỆN GIẢI PHỔ IR

52

13


CHỈ SỐ KHÚC XA

Số sóng (cm-1)

53

aceton
 (C=O)
1710

ethanol
 (OH) /  (OH) 3360 / 1440

 (CH3)

 (C-O)

1470

1050

54

OH
OH

O
O

55

(>C=O, a, b không no)

1312
1136
1111
1026
990

d (O-H)
n (C-O)
-C-O-C-C-O-Cg (>C=C<)

HO

OH

HO

HO

HO

O

O

O

O

OH
OH

ascorbic acid

ascorbic acid

OH
O

N
H
N
H

paracetamol
paracetamol

OH

Dao động nhóm chức

1653

N
H

paracetamol
56

14


CHỈ SỐ KHÚC XA

ỨNG DỤNG TRONG KIỂM NGHIỆM
• Định tính

57

58

“ Phở hồng ngoại là phương pháp chuẩn xác để
định tính, vì mỗi một chất thuốc chỉ cho một vùng

điểm chỉ của phở khơng trùng lặp với phở của
những chất khác. Những đặc tính của phở hồng
ngoại có thể được dùng như là phép thử hàng
đầu để định tính. Thường thì phép thử phở hồng
ngoại tự nó đã đủ tin cậy và khơng cần thêm
phép thử nào khác. Tuy nhiên, khi một sản phẩm
là một muối thì cần thiết thử thêm "ion đặc hiệu".
Những phép thử định tính tiếp theo trong mỗi
chun luận là để khẳng định lại về định tính của
phở hồng ngoại đã làm trước. (DĐVN IV – QĐ
chung)

ỨNG DỤNG TRONG KIỂM NGHIỆM

Phổ FTIR của
Simethicone
trong CCl4

 Đònh lượng

59

Phổ IR của CCl4

60

Đỉnh hấp thu

Cường độ

Nhóm chức

1548.7
1261.4
1097.4
1012.6
758.0

Y
M
Tb
Tb
rM

C-Cl
Si-CH
Si-O-Si
Si-O-Si
C-Cl

15