A.M.C. Davies
Norwich Near Infrared Consultancy, 10 Aspen Way, Cringleford, Norwich NR4 6UA, UK
Gdy trzymasz rękę przy płonącym ogniu „czujesz” ciepło emitowane przez ogień, ale co się dzieje? Ogień emituje światło i promieniowanie podczerwone (IR); większość z tego promieniowania to promieniowanie bliskiej podczerwieni (NIR). Część promieniowania NIR jest pochłaniana przez cząsteczki wody w skórze. Podnosi to temperaturę wody i powoduje wzrost temperatury w otaczających tkankach, co jest wykrywane przez nerwy w skórze. Promieniowanie to zostało odkryte w 1800 roku przez Williama Herschela, muzyka i bardzo udanego astronoma amatora (odkrył planetę Uran), ponieważ chciał on wiedzieć, czy jakiś szczególny kolor jest związany z ciepłem pochodzącym ze światła słonecznego. Odkrył, że maksimum ciepła znajduje się poza czerwonym końcem spektrum. Herschel nie mógł uwierzyć, że światło i jego „ciepło promieniowania” są ze sobą powiązane, ale mylił się. Do 1835 r. Ampere wykazał, że jedyną różnicą między światłem a tym, co nazwał „promieniowaniem podczerwonym”, jest długość fali. Następnie w 1864 r. James Maxwell napisał: „Prędkość ta jest tak bliska prędkości światła, że wydaje się, iż mamy mocne podstawy, aby stwierdzić, że samo światło (w tym promieniowanie cieplne i inne promieniowanie) jest zaburzeniem elektromagnetycznym w postaci fal rozchodzących się w polu elektromagnetycznym zgodnie z prawami elektromagnetycznymi”. To, co obecnie nazywamy widmem elektromagnetycznym, pokazane jest na rysunku 1.
Wczesna historia badań absorpcji promieniowania podczerwonego
Pierwsze widma (bliskiej) podczerwieni zostały zmierzone w 1881 roku przez Abneya i Festinga przy użyciu klisz fotograficznych. Nie tylko stworzyli oni pierwsze widma, ale również zasugerowali, prawidłowo, że absorpcje były związane ze składem chemicznym badanych cieczy. Najważniejszym pionierem spektroskopii w podczerwieni był William W. Coblentz. W 1905 r. opublikował on wyniki dużych badań związków, których widma rejestrował w zakresie od 1000 nm do 16 000 nm. Praca Coblentza była przełomowa, ponieważ naukowcy byli w stanie powiązać charakter grup atomów w cząsteczkach jako związany z określonymi absorpcjami w zakresie średniej podczerwieni (2500-50 000 nm). Absorpcje te są wynikiem oddziaływań z podstawowymi drganiami wiązań chemicznych związanych z atomami grup. Możemy myśleć o wiązaniach chemicznych jako słabe sprężyny trzymające razem dwa lub więcej atomów, te sprężyny będą drgać naturalnie i kiedy energia jest dodawana do systemu, wtedy będą drgać bardziej energetycznie. Jednak atomy w cząsteczkach są ograniczone przez mechanikę kwantową tak, że dozwolonych jest tylko kilka określonych poziomów energetycznych. Jeśli mamy tylko dwa atomy, to jedyna wibracja będzie postrzegana jako rozciąganie. Jeśli mamy trzy lub więcej atomów, to wiązania mogą się również zginać, dając początek całej serii różnych wibracji. Wibracje rozciągające wymagają więcej energii niż wibracje zginające, ale będą też różnice w wymaganiach energetycznych wibracji zginających. Różne wiązania chemiczne (jak O-H, C-H i N-H) różnią się siłą, a co za tym idzie ilością energii potrzebnej do przeniesienia drgań wiązania z jednego poziomu na drugi. Ta różnica w energii będzie widoczna w widmie jako seria absorpcji przy różnych długościach fali. Patrząc na widmo możemy wywnioskować, jakie wibracje występują, a tym samym wypracować strukturę cząsteczki (lub grupy atomów obecnych).
Jedną z bardzo użytecznych właściwości widm mid-IR jest to, że region od 8500 nm do 12 500 nm jest bardzo charakterystyczny dla mierzonej cząsteczki i ten region jest znany jako „odcisk palca” region, ponieważ może być używany do potwierdzenia tożsamości wielu czystych substancji. Podczas gdy badania spektroskopii mid-IR nadal się rozwijały, zwłaszcza po II wojnie światowej, zainteresowanie NIR rozciągało się na ilościowe pomiary wody, kilku prostych związków organicznych i bardzo nielicznych badań specyficznych białek. Nikt nie uważał jej za użyteczną do charakteryzowania próbek i była ona uważana za zbyt złożoną do stosowania w analizie ilościowej.
Absorpcje w regionie NIR
Gdyby wiązania chemiczne zachowywały się dokładnie jak słabe sprężyny, wtedy mechanika kwantowa ograniczyłaby ich wibracje tylko do dwóch stanów i byłoby bardzo mało absorpcji w regionie NIR. Absorpcje w regionie NIR (780-2500 nm) są generowane z podstawowych wibracji przez dwa procesy; overtony i kombinacje. Overtones można myśleć jako harmoniczne. Tak więc każdy fundamentalny będzie produkować serię absorpcji na (w przybliżeniu całkowitą) wielokrotności częstotliwości (częstotliwość jest odwrotnością długości fali). Kombinacje są raczej bardziej złożone. Absorpcje NIR są w wyższym stanie wzbudzenia, więc wymagają więcej energii niż absorpcja fundamentalna. Kombinacje powstają z podziału energii NIR pomiędzy dwie lub więcej podstawowych absorpcji. Podczas gdy liczba możliwych podtekstów z grupy podstawowych absorpcji w cząsteczce jest ograniczona do kilku, bardzo duża liczba kombinacji będzie obserwowana. Efekt wszystkich tych absorpcji powoduje, że wiele widm NIR wygląda raczej nieciekawie i składa się tylko z kilku raczej szerokich pików. Rysunek 2 to widmo NIR chloroformu, CHCl3, cząsteczka zawiera tylko jeden atom wodoru, ale wszystkie absorpcje w jej widmie są spowodowane przez ten pojedynczy atom.
Ważnym uogólnieniem jest, że w spektroskopii NIR dominuje wodór. Rysunek 3 to widmo metanolu, CH3OH, który zawiera cztery atomy wodoru (ale trzy są równoważne) i to widmo jest dużo bardziej podobne do typowego widma NIR z szerokimi pikami. Rysunek 4 to widmo sacharozy, C12H24O12, które pokazuje bardzo szerokie obszary absorpcji, ale także kilka dość wąskich pików. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że wszystkie te szerokie absorpcje są spowodowane przez wiele wąskich, nakładających się na siebie absorpcji. Widma NIR są znacznie bardziej złożone niż się wydaje.
Mimo, że widma NIR są bardziej skomplikowane, możliwe jest poczynienie pewnych ogólnych obserwacji. Ponieważ podstawowa absorpcja przy rozciąganiu O-H jest inna niż podstawowa absorpcja przy rozciąganiu C-H, seria podtekstów generowanych przez te absorpcje będzie również inna. To samo dotyczy pasm kombinacyjnych. Najbardziej powszechne (i energetyczne) pasma kombinacyjne powstają z kombinacji rozciągnięcia i zgięcia w tej samej grupie. Widzimy więc absorpcje spowodowane kombinacją rozciągnięcia O-H z ugięciem O-H oraz rozciągnięcia C-H z ugięciem C-H i występują one w różnych pozycjach w widmie. Rysunek 5 to widmo NIR próbki ciasta biszkoptowego. Ciasto herbatnikowe zawiera kilka składników, z których każdy zawiera wiele różnych molekuł, więc to widmo zawiera setki, jeśli nie tysiące absorpcji, ale widzimy integrację ich wszystkich i wydaje się, że jest tylko kilka szerokich absorpcji. Na podstawie ich położenia możemy ogólnie powiedzieć, co jest przyczyną absorpcji, jak wskazano na rysunku.
Kiedy po raz pierwszy zdano sobie sprawę ze złożoności absorpcji NIR i porównano ją ze stosunkowo łatwiejszymi do zrozumienia widmami średniej podczerwieni, większość badaczy uważała, że niewiele można zyskać studiując spektroskopię NIR. Region ten stał się zaniedbywany, a studenci byli błędnie pouczani, że nie ma nic do zyskania poprzez badanie regionu NIR. Wielu studentów nadal są nauczane tej samej opinii. Wymagania były: bardzo niskie spektrometry hałasu, komputer elektroniczny, zastosowanie technik matematycznych (chemometria) i geniusz, aby połączyć to wszystko razem. Człowiek ten był Karl Norris, inżynier pracujący dla USDA w Beltsville. Nie uczono go spektroskopii, więc nie wiedział, że nie było nic do zyskania w regionie NIR. Tak więc, podobnie jak Herschel, który szukał czegoś tam, gdzie nie było niczego, Norris opracował instrumenty i wykorzystał komputery, aby zademonstrować, że region NIR był bardzo przydatny do analizy ilościowej, szczególnie próbek rolniczych. Jednym z powodów, dla których analiza NIR jest tak użyteczna jest to, że może ona wykorzystywać energię odbitą, a to oznacza, że analiza NIR może być wykonana z niewielkim lub żadnym przygotowaniem próbki. Energia odbita jest złożona. Po pierwsze dlatego, że istnieją dwa składniki, spekularny (lub lustrzany) i rozproszony. W kontekście spektroskopii NIR, składowa lustrzana nie daje żadnych informacji. Składowa rozproszona zależy od fizycznej natury próbki; rozmiar cząsteczek jest szczególnie ważny. Zmiana parametrów fizycznych próbki powoduje zmiany w widmie tak, że obserwowane widmo jest mieszaniną informacji chemicznej i fizycznej.
Użycie energii odbitej zostało wymuszone na Karlu Norrisie. Chociaż umożliwia to analizę NIR bardzo szerokiego zakresu próbek, to dodaje kolejną warstwę komplikacji. Kompletna teoria matematyczna spektroskopii odbiciowej nie jest jeszcze dostępna, ale okazało się możliwe przez dobrą praktykę eksperymentalną i wykorzystanie technik matematycznych do wykorzystania spektroskopii odbiciowej NIR w chemii analitycznej. Ponieważ technika ta może być stosowana z niewielkim lub żadnym przygotowaniem próbki, czas analizy jest zredukowany z godzin do minut, a ponadto kilka wyników analitycznych może być uzyskanych z tych samych danych NIR, podczas gdy konwencjonalna analiza często wymagałaby innej techniki i więcej godzin pracy. Jednakże, konieczne jest opracowanie kalibracji, które wymagają wielu próbek, wielu godzin pracy i tysięcy (lub prawdopodobnie milionów) obliczeń komputerowych. Z tego rodzaju atrybutów nie jest zaskakujące, że 40 lat po przełomowych badań, bardzo szeroki zakres analizy mogą być osiągnięte przez spektroskopii NIR.
Co jest zaskakujące, że pomimo sukcesu analizy spektroskopowej NIR, na całym świecie istnieje bardzo niewiele wydziałów chemii uniwersyteckiej, które mają jakikolwiek program badań w spektroskopii NIR. W konsekwencji, większość studentów chemii opuszcza uniwersytet bez żadnej wiedzy na temat NIR, z możliwym wyjątkiem staromodnego poglądu, że nie ma nic użytecznego do nauki o regionie NIR.