Phổ IR — Bài Giảng & Công Cụ Trực Quan

Quang phổ hồng ngoại (IR) là kỹ thuật phân tích đo cách phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại (bước sóng ~2,5–25 µm, hay 400–4000 cm⁻¹). Kết quả là Phổ Hồng Ngoại (IR): với đồ thị %Transmittance (độ truyền qua), hoặc Absorbance (độ hấp thụ) theo số sóng (cm⁻¹), trong đó các peak chỉ ra bước sóng mà phân tử hấp thụ năng lượng IR.

Hấp thụ IR xảy ra khi tần số bức xạ IR tới khớp với tần số dao động tự nhiên của liên kết, và dao động đó gây ra thay đổi moment lưỡng cực phân tử. Các liên kết đối xứng (ví dụ O₂, N₂) không hấp thụ IR vì không có sự thay đổi moment lưỡng cực.

Hai loại dao động phân tử cơ bản tạo ra các peak IR:

Điều này tuân theo Định luật Hooke: ν̃ ∝ √(k / µ), trong đó k là hằng số lực (độ cứng liên kết) và µ là khối lượng rút gọn của hai nguyên tử liên kết.

Phổ IR nhanh, không phá hủy mẫu và chỉ cần lượng mẫu nhỏ. Được ứng dụng rộng rãi cho:

Phổ được chia thành hai vùng chính:

Thiết bị hiện đại sử dụng quang phổ Fourier Transform IR (FTIR). Giao thoa kế Michelson tách chùm IR, tạo giản đồ giao thoa (cường độ theo vị trí gương) và áp dụng biến đổi Fourier để thu phổ trên tất cả tần số đồng thời. FTIR nhanh hơn và nhạy hơn so với các thiết bị tán xạ cũ.

Luôn bắt đầu với vùng nhóm chức (4000–1500 cm⁻¹) và tìm các hấp thụ mạnh, đặc trưng trước khi xem xét vùng dấu vân tay. Danh sách kiểm tra hệ thống giúp tránh bỏ sót peak.

Dao động giãn carbonyl là peak mang nhiều thông tin nhất trong phổ IR hữu cơ. Sự dịch chuyển nhỏ trong vị trí của nó xác định loại hợp chất:

Hình dạng và vị trí của dao động giãn X-H trên 3000 cm⁻¹ có giá trị chẩn đoán:

Vị trí dao động giãn C-H so với 3000 cm⁻¹ cho biết kiểu lai hóa ngay lập tức:

Phổ IR là công cụ chính để xác nhận cấu trúc trong hóa học tổng hợp và phân tích. Khi tổng hợp các hợp chất mới, ta có thể so sánh phổ IR của chất mới với phổ tham chiếu (ví dụ từ cơ sở dữ liệu SDBS hoặc NIST) để xác minh danh tính, hoặc sử dụng các peak nhóm chức để xác nhận cấu trúc dự kiến.

Phổ IR có thể theo dõi tiến trình phản ứng theo thời gian thực, đặc biệt sử dụng đầu đo FTIR tại chỗ nhúng trong hỗn hợp phản ứng. Trong ví dụ tổng hợp aspirin nêu trên, người ta quan sát peak carbonyl xuất hiện hoặc biến mất để biết khi nào phản ứng hoàn tất.

Ngành dược phẩm sử dụng phổ IR để xác minh danh tính và độ tinh khiết của nguyên liệu thô, chất trung gian và thành phẩm thuốc. Cơ quan quản lý (FDA, EMA) chấp nhận so sánh dấu vân tay IR như một phép thử danh tính tiêu chuẩn. Sự khớp giữa phổ mẫu và tham chiếu — đặc biệt ở vùng dấu vân tay — xác nhận vật liệu đúng.

FTIR cũng được dùng để phát hiện các dạng đa hình của thuốc, vì các cấu trúc tinh thể khác nhau của cùng một hợp chất có thể hiện sự khác biệt IR rất nhỏ, nhưng có thể tái tạo.

Phổ IR đặc trưng hóa polymer bằng cách nhận dạng các nhóm chức trên mạch chính và mạch nhánh. Nó có thể phát hiện quá trình oxid hóa (hình thành carbonyl trong polyethylene lão hóa), đo mức độ khâu mạch, hoặc nhận dạng nhựa chưa biết để phân loại tái chế.

Kỹ thuật IR được sử dụng trong giám sát môi trường (phát hiện CO, CO₂, NO₂ và hydrocacbon trong không khí; nhận dạng chất ô nhiễm hữu cơ trong nước) và khoa học thực phẩm (phân tích thành phần acid béo, phát hiện gian lận trong dầu ăn, đo độ ẩm và hàm lượng protein trong ngũ cốc).

Phòng thí nghiệm pháp y sử dụng FTIR-ATR để nhận dạng chất tại hiện trường — từ chất cấm và chất nổ đến sợi, sơn và mực — mà không phá hủy bằng chứng. Thiết bị FTIR cầm tay di động hiện được triển khai trong điều tra thực địa.

Trong hóa sinh, IR được dùng để nghiên cứu cấu trúc bậc hai của protein (dải Amide I gần 1650 cm⁻¹ dịch chuyển tùy theo hàm lượng xoắn-α so với phiến-β), thành phần màng lipid và ghép đôi base DNA/RNA. Vi phổ hồng ngoại dựa trên bức xạ synchrotron có thể lập bản đồ thành phần hóa học trong các tế bào sinh học đơn lẻ.