Az infravörös spektroszkópia,  amely a rezgési spektroszkópia egyik formája , az analitikai kémia egyik elterjedt mérési módszere.

A módszer lényege, hogy a vizsgálandó mintát besugározzuk az infravörös sugárzás tartományába  eső elektromágneses sugárzással és a mintán áteső (transzmisszió) , vagy a mintáról visszaverődő (reflexió) , a minta molekuláris tulajdonságai által módosított sugárzás változását mérjük.

A rezgési spektroszkópia további módszerei a Raman spektroszkópia, a neutron molekulaspektroszkópia, az alagútelektron spektroszkópia és a elektronszórásos rezgési spektroszkópia. 

Spektrális tartományok

Az elektromágneses sugárzás infravörös tartományát három részre osztjuk: 

- közeli-infravörös (NIR - near infrared)

- közép-infravörös (MIR - middle infrared) 

- távoli-infravörös (FIR - far infrared) 

Nevük a látható fény spektrumához viszonyított helyzetükre utal.

 A távoli-infravörös tartomány, melynek hullámszám-tartománya kb. 400–10 cm^‒1 (1000–30 μm), közvetlenül a mikrohullámú tartománnyal szomszédos, ennek energiája a legkisebb. Ez csak rotációs spektroszkópiára használható. 

A közép-infravörös tartomány, melynek hullámszáma kb. 4000–400 cm^‒1 (30–1,4 μm) a fundamentális rezgések és a kapcsolódó rotációs-vibrációs rezgések vizsgálatára alkalmas. Ez a leghasználhatóbb analitikai tartomány, ezzel lehetséges a legpontosabb mérés, azonban a kis energiaszint miatt csak pár mikron vastag mintaréteg, így főleg folyadékok vizsgálata lehetséges csak.

A  közeli-infravörös tartomány  (NIR), melynek hullámszáma kb. 14 000–4000 cm^‒1 (1,4–0,8 μm), a legnagyobb energiájú , itt felhangok vagy harmonikus rezgések jöhetnek létre. A nagy energiaszint miatt képes vastag mintarétégen is áthatolni, azonban ezen műszerek pontossága elmarad a közép-infra tartományban mérő készülékekétől,a kalibrációjuk pedig komplexebb feladat.

Az infravörös tartomány fő részeire jellemző rezgések:

1. a távoli infravörös tartomány (10–300 cm^‒1): nehézatomok vegyérték- és deformációs rezgései, torziós rezgések, kristályrács rezgései, némely forgási átmenet.
2. a közép infravörös tartomány (300–4000 cm^‒1): vegyérték és deformációs rezgések tartománya.
   1. ujjlenyomat tartomány (deformációs rezgések) (300–1500 cm^‒1): adott vegyületre jellemző és egyedi.
   2. vegyértékrezgések tartománya (1500–4000 cm^‒1): Jellegzetes csoportok rezgései találhatók meg itt. Ez a tartomány így nem a vegyületre, hanem a bennük található csoportokra karakterisztikus.
3. a közeli infravörös tartomány (NIR = Near Infrared, 4000–12 500 cm^‒1): ebben a tartományban főképp a felhangok és a kombinációs sávok jelennek meg.

A Foss gyárt a közép- és  a közeli-infravörös tartományban mérő műszereket is, a mérendő minta tipusa dönti el, hogy melyik az optimális megoldás.

A közép-infra tartományban rendkívül jó   a műszerek pontossága ,azonban a sugárzás energiája kicsi, így csak  pár mikron vastag mintarétegen tud áthatolni. Ennek köszönhetően a közép infra műszerek csak folyadékok, pl tej vagy bor  vizsgálatára használhatók, mivel ott a küvettában mindössze 30-40 mikron vastag mintán kell áthatolni.  Ide tartoznak a Milkoscan, Winescan és Oenofoss készülékek. 

A közeli-infra tartományban ( NIR)  kevésbé pontos a mérés és sokkal bonyolultabb a kalibráció ,azonban a közeli-infra sugárzás előnye a nagy enegiaszint, aminek köszönhetően akár több cm vastag mintán is képes áthatolni. Emiatt a NIR készülékek szilárd termékek, pl. sajtok vagy húskészítmények mérésére is alkalmasak. Mivel ezeknél igen nagy a mérendő komponensek koncentrációja ( pl. 30-50% a zsír, stb.) , ezért nem probléma a közép infra műszerekhez viszonyított gyengébb pontosság.

Tejnél vagy boroknál viszont alacsony koncentrációban előforduló komponenseket mérünk, így ezeknél rendkívül nagy pontosságra van szükség, ezért itt nem használhatók a nagy áthatoló képességű közeli-infra (NIR, FT-NIR) műszerek, csak a nagy pontosságú ,de kis áthatoló képességű közép-infra tartományban mérők .

Ez az oka, hogy nem kombinálhatók a szilárd minta analizáló műszerek a folyadékvizsgálókkal, ugyanis a folyadékvizsgáló közép-infra tartományban mérő műszer sugárzása  nem képes áthatolni a vastag szilárd mintán,  a szilárd mintán is áthatolni képes közeli-infra műszer viszont nem elég pontos a folyadéktejek vagy borok analizálására. A szilárd minták oldása , majd folyadékvizsgálóval történő analizálása pedig nem járható út, mert az oldás során leromlik a pontosság.

Ezért pl. a sajtok és a folyadéktejek csak két külön műszerrel , külön elven ( az egyik közeli, a másik közép infra) mérhetők megfelelően, a kettő nem kombinálható.

Az infravörös sugárzás hatásai a molekulákra

A molekuláknak három jellegzetes mozgástípusuk van:

• transzláció (elmozdulás)
• rotáció (elfordulás)
• vibráció (rezgés)

A transzláció és rotáció a legkisebb energiát igénylő mozgásfajták, melyek már az infravörös sugárzásnál kisebb energiájú mikrohullámú sugárzással is gerjeszthetők. Ezen mozgások során a molekulán belüli szögek és távolságok közel állandóak, így az egész molekula végzi a mozgást. A rezgések esetében a molekulán belüli kötésszögek és távolságok változnak, a molekula átlagos helyzete és orientációja változatlan marad. A rezgések nagyobb energiát képviselnek így a rezgési állapotok megváltoztatása energia szempontjából legalább infravörös sugárzással kell hogy történjen.

A molekulák rezgései

A valóságban az infravörös (IR = infrared) spektrumban (vagyis a teljes IR tartományban az anyag által okozott változás) nem 3N–6 vagy 3N–5 jelet látunk. Egyes tényezők a jelek (sávok) számát növelik:

Egy N atomból álló molekulának 3N–6 független rezgése van (lineáris molekula esetében 3N–5). Ez abból következik, hogy minden atom a tér 3 irányba mozoghat szabadon (például x, y, z). Ebből le kell számítani a teljes molekula együttes elmozdulását (3 irány) és elfordulását (3 irány, de ha a molekula lineáris, vagyis az atomok egy egyenesre esnek, akkor ezen egyenes szerinti elforgatás nem változtat a molekulán, így ekkor csak 2 irány). 

A független rezgéseket normálrezgéseknek nevezzük. A normálrezgések során az egész molekula ugyanazzal a frekvenciával rezeg, ezt a frekvenciát nevezzük normálfrekvenciának.

• felhangok, az alapállapotból történő gerjesztés nem az első, hanem a magasabb energiaállapotokba történik.
• kombinációs és differenciasávok, melyek két normálrezgés összegénél és különbségénél jelentkezhetnek bizonyos szimmetriafeltételek esetén.

Ezek általában kicsi intenzitással jelentkeznek, így a legtöbb spektrumban nincs jelentős hatásuk. Más tényezők a spektrum sávjainak csökkenését okozzák:

• degeneráció – két vagy több normálrezgés frekvenciája megegyezik.
• nem minden normálrezgés IR-aktív (az IR-aktivitás feltétele, hogy a molekula rezgése során változzon a dipólusmomentuma, ha ez nem történik meg, az infravörös színképre az adott rezgés nem lesz hatással).
• igen kis intenzitású sávok nem emelkednek ki a zajból, ezért nem különböztethetők meg.

A rezgések típusai:

• Vegyértékrezgés (kötésnyúlás) – két atom közötti kötés nyúlik illetve rövidül. Ez a rezgéstípus nagyobb energiájú.

Szimmetrikus vegyértékrezgés	Aszimmetrikus vegyértékrezgés

• Deformációs rezgések – A kötéstávolság nem változik csak a kötésszög. Ezen rezgésfajták kisebb energiájúak.

Ollózó (síkbeli aszimmetrikus)	Kaszáló (síkbeli szimmetrikus)	síkra merőleges szimmetrikus	síkra merőleges aszimmetrikus

A deformációs rezgések közé tartozik még a torziós rezgés is, mely több atom esetében a térbeli torziós szög megváltozását jelenti.

A szerves -CH₂ csoport atomjai hat különféle módon rezeghetnek: szimmetrikus vagy aszimmetrikus kötésnyúlással, ollózó mozgással, hintázással, csóválással vagy elfordulással, elcsavarodással:

Szimmetrikus kötésnyúlás	Aszimmetrikus kötésnyúlás	Ollózó mozgás
Hintázó mozgás	Csóváló (himbáló) mozgás	Csavarodó (forduló) mozgás

Műszerek

Négy tipusuk van :

-  optikai szűrős készülékek, ez a technika mára elavult, ma már alig alkalmazzák

-  Fourier-transzformációs ( FTIR és FT- NIR ) infravörös spektrométerek

-  diszperzív monokromátorral dolgozó infravörös spektrométerek

-  DDA ( Diode Array )  készülékek

A FOSS gyárt FTIR, diszperzív monokromátoros és DDA műszereket is , az alkalmazás , a mérendő minta  tipusa dönti el, hogy a 3 közül melyik az optimális megoldás.

Az interferométert alkalmazó Fourier-transzformációs spektroszkópia (FTIR vagy FT-NIR )  előnye a nagy hullámszám-pontosság, melyet az interferométert vezérlő lézer monokromatikus fénye biztosít.  Hátránya ugyanakkor, hogy csak az 1100 nanométer feletti tartományban képes előállítani a spektrumot, itt pedig alacsony a sugárzás áthatoló képessége, mindössze pár mikron.  Így az FTIR/FT-NIR  műszer  transzmisszióban  csak folyadékok , szilárd anyagok esetén  pedig csak reflexióban és csak nagyon homogén minták mérésére használható .  Folyadékok esetén közép -infra tartományban transzmisszióval ez a legoptimálisabb mérési mód, azonban inhomogén szilárd minták , pl. sajt vagy hús mérésére az FTIR és FT-NIR sajnos nem alkalmas.

A nagy áthatoló képességű alacsony hullámhosszú, 1100 nanométer alatti   infravörös  tartományban csak a monokromátoros vagy DDA készülékek használhatók , ezekkel akár több cm vastag mintát is lehet transzmisszióval mérni .  

 A monokromátoros készülékek előnye a nagy felbontás,ezért inhomogén szilárd minták esetén ( pl. sajt, hús, gabona  stb ) ez az optimális megoldás .

A DDA készülékeknél kicsi a hullámszám felbontás, azonban ezen készülékek előnye, hogy nincs bennük mozgó alkatrész , nem érzékenyek a vibrációra , így üzemi körülmények , pl. csővezetékre vagy darálóra szerelve  ezek a készülékek az ideálisak. Mivel üzemi , in-line műszereknél általában mindig csak ugyanazt a mintát mérjük ( pl. savót ) , a minta összetétele pedig nagyon kis tartományban mozog csak ,ezért a kis hullámhossz felbontású DDA készülékek is megfelelő eredményt adnak.

Összefoglalva:  az FTIR az ideális a folyadékokra ( bor, tej) , a diszperzív monokromátor az ideális laborban a szilárd termékekre ( hús, sajt, gabona) , a DDA pedig az ideális az üzemben csővezetékre vagy darálóra szerelve in-line műszerként.

Transzmisszió vagy reflexió

A minta típusától függően a spektrum transzmissziós (a mintán áthatoló)  vagy reflexiós (a mintáról visszaverődő) üzemmódban vehető fel.

A FOSS gyárt transzmissziós  és reflexiós  készülékeket is, a minta tipusa dönti el, hogy melyik az optimális megoldás. 

Inhomogén mintáknál ( pl. hús vagy sajt)  csak a teljes mintán áthatoló transzmissziós módszer a célravezető,ezeknél  a minta felületéről visszaverődő sugárzást mérő reflexiós készülékekkel nem kapnánk pontos ,reprezentatív eredményt.

Bizonyos mintákon ( pl. tejpor, savófehérje por)  nem képes áthatolni az infravörös sugárzás, ezért ezeket kizárólag reflexiós üzemmódban lehet mérni. Azonban ezek a porok igen homogén anyagok, így a visszaverődő sugárzás is reprezentatív, pontos eredményt ad.

Ezért az analizálandó minta tipusa dönti el, hogy transzmissziós ( pl. Foodscan) vagy reflexiós ( pl. DS2500 )  NIR készüléket használunk -e. 

A reflexiós műszerekkel is lehetséges az áthatoló mintát mérni, ez az úgynevezett transzflexió. Itt nem a minta felületéről visszaverődő sugárzást méri a műszer, mint a refelxiónál, hanem  mintán áthatol az infrafény, majd az ellentétes oldalán elhelyezett tükör visszaveri, így a mintán ismét áthatolva jut vissza a detektorba. 

A transzflexiót  olyankor alkalmazzák  , ha az üzem főleg olyan mintákat mér, amelyeken nem képes áthatolni az infrasugárzás, azaz pl. tejport, de néha előfordul olyan minta is, pl. sajt vagy vajkrém ,amelyeknél csak transzmisszióval lehetséges reprezentatív mérés. 

Az infraforrás

Az infravörös sugárzás szélessávú forrásaiként az adott tartományban sugárzó eszközöket használnak. A közeli infravörös tartományban többnyire halogén lámpát, a közép infravörös tartományban az ideális izzó fekete test sugárzását megközelítő izzó kerámia vagy szilícium-karbid elemeket (Globar) használnak. A közép-infravörös tartományban használt források a távoli tartomány egy részében is alkalmazhatóak, a nagyon alacsony hullámszámú tartományokra azonban nagynyomású higanygőzlámpákat használnak.

A Detektor

A detektor típusát elsősorban a vizsgált hullámhossz-tartomány határozza meg. A NIR-tartományban szilícium alapú detektorokat, indium-gallium-arzenid (InGaAs) vagy ólom-szulfid (PbS) detektorokat használnak. A közép infravörös tartományban leggyakrabban használt szobahőmérsékletű detektor a DTGS (deuterált triglicil-szulfát) detektor. Nagyobb érzékenység eléréséhez cseppfolyós nitrogénnel hűtött MCT (higany-kadmium-tellurid) detektor alkalmas.